포스텍(POSTECH)은 김영기·노용영 화학공학과 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 페로브스카이트 나노입자를 더 균일하고 효율적으로 합성하는 방법을 개발했다고 19일 밝혔다.
이번 연구는 기존 합성 방식의 복잡한 문제를 해결하고, 나노입자를 활용한 디스플레이와 태양전지와 같은 다양한 광전자 소자 상용화를 앞당길 단초가 될 것으로 기대된다.
페로브스카이트 나노입자는 ‘양자구속효과(quantum confinement effect)’를 통해 입자 크기와 모양에 따라 빛을 흡수하고 방출하는 특성을 자유자재로 제어할 수 있어 차세대 태양전지, 고효율 디스플레이 분야에서 잠재력이 크다.
하지만 기존 ‘고온주입법(hot-injection)’ ‘리간드매개재침전법(ligand-assisted reprecipitation)’과 같은 기존 합성법은 높은 합성 온도와 복잡한 실험 조건으로 인해 균일한 크기와 모양의 입자를 얻는 데 한계가 있었다. 결국 원하는 특성의 입자를 얻으려면 추가 공정을 거쳐야 했으며, 이 과정에서 생산성이 낮아져 산업적 활용이 제한됐다.
연구팀은 ‘액정’ 용매를 이용해 페로브스카이트 입자의 크기와 모양을 정밀하게 제어하는 합성법을 개발했다. 액정은 용수철처럼 탄성을 가진 유체로, 외부 힘이 가해지면 원래 형태로 돌아가려는 특성이 있다.
이러한 특성에 착안해 기존 ‘리간드매개재침전법’에서 다른 합성 조건은 그대로 유지하고 용매만 액정으로 바꿔 입자 성장을 제어하는 데 성공했다. 입자는 액정 내에서 성장하다가 특성크기를 초과하면 액정 탄성력이 작용해 성장이 멈추게 된다.
이를 통해 별도의 정제 과정 없이도 균일한 크기와 형태의 페로브스카이트 나노입자를 대량으로 합성할 수 있음을 입증했다. 또 연구팀은 페로브스카이트 나노입자의 표면에 결합하는 리간드(ligand)와 액정 분자 사이 상호작용이 표면결함을 줄이는 데 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다.
김영기 교수는 “이번에 개발한 합성법은 기존 합성기술과 높은 호환성을 갖추고 있어 디스플레이, 태양전지, 레이저 등 여러 광전자 소자 성능을 높일 것”이라며 “이 기술을 이용하면 상온에서 균일한 고성능 나노입자를 대량으로 생산할 수 있어 나노입자 기반 광전자 소자의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것”이라고 했다.
이번 연구에는 김영기·노용영 교수 외 통합과정 임준형 씨, 한명근 박사(현 삼성전자), 홍지수 박사(현 프린스턴대)가 참여했다. 한국연구재단의 한우물파기 기초연구사업과 미래유망융합기술 파이오니어사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 최근 나노 기술분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
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