꿈의 신소재 ‘페로브스카이트’… TV·태양전지 판도 바꿀 ‘게임체인저’[Science] 작성일 03-09 26 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">■ ‘차세대 발광 소재’ 학계·산업계 주목<br>1839년 우랄산맥서 처음 발견<br>저렴한 비용·높은 효율성 장점<br>빛 흡수·발산하는 능력 탁월해<br>국내연구팀 ‘저온 주입법’ 개발<br>안정적 대량생산 가능성 열어<br>韓 디스플레이산업 호재 각광</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="QZO8jRwayV"> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="01e08e39476c82eb372a973d3463e19aa1d197b9bc2b6fe9f1effb263480e29d" dmcf-pid="x5I6AerNv2" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202603/09/munhwa/20260309092304803ucfb.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="PRUDHIFYTf" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202603/09/munhwa/20260309092304803ucfb.jpg" width="658"></p> </figure> <p contents-hash="9d95adcb32bd930b1301c0ea358b3e84ada73f57a943a3e21a4faa2a24b6f9dd" dmcf-pid="ynVSUGb0S9" dmcf-ptype="general">늦은 저녁, 퇴근하고 집으로 돌아와 소파에 앉는다. 시선은 벽에 걸린 수백만 원대 최신 유기발광다이오드(OLED) TV로 향한다. 화면에서 흘러가는 것은 대자연의 신비를 다룬 다큐멘터리. 햇빛이 전혀 들지 않는 깊은 바다, 그 속에서 심해 생물이 뿜어내는 야광이 눈을 사로잡는다. 무채색의 도시에서 잠시 벗어나 황홀한 색의 향연을 바라보다가 문득 되묻는다. 지금 내가 바라보고 있는 색깔은 진짜일까?</p> <p contents-hash="9dcf923cf42aa9631dd90b5f02b443b6681081e40bc1be6cd3052247e9f49e1c" dmcf-pid="WLfvuHKpvK" dmcf-ptype="general">OLED나 양자점발광다이오드(QLED) 등 최신형 프리미엄 TV도 아직 자연의 색을 완벽하게 재현하진 못한다. 차세대 초고화질 디스플레이의 국제 표준(Rec. 2020)은 인간이 인식할 수 있는 색의 약 75%까지 담아내는 게 목표지만, 현재의 색 재현율은 이에 도달하지 못했다. 디스플레이가 발전했지만 아직 인간의 눈을 완전히 따라잡지 못한 셈이다. 이 같은 한계를 극복할 수 있는 차세대 발광 소재로 최근 학계와 산업계의 이목을 사로잡는 주인공이 바로 ‘페로브스카이트’다.</p> <p contents-hash="7a89ebe22ec9fe84ce9c0cfb1aeb7e13fe35e3d32e3a8fbba9ae73220cbc2f6e" dmcf-pid="Yo4T7X9UTb" dmcf-ptype="general">이태우 서울대 재료공학부 교수 연구팀은 페로브스카이트를 대량 생산할 수 있는 혁신적 기술을 개발, 지난달 18일 국제학술지 네이처에 게재하며 세계적 주목을 받았다. 초고해상도 TV와 증강현실(AR)·가상현실(VR) 등 차세대 디스플레이에 두루 사용될 소재란 평가다. 페로브스카이트 결정 구조를 광흡수층으로 사용하는 태양전지도 저렴한 비용과 높은 효율성·기능성으로 시장 판도를 바꿀 채비를 갖추고 있다. 이처럼 큰 기대를 받는 페로브스카이트란 과연 무엇일까.</p> <p contents-hash="c05a1fac48d950472b9ce55f801db65a64e195890be2010a93512948226a4bf4" dmcf-pid="Gg8yzZ2uSB" dmcf-ptype="general"><strong>◇187년 전 우랄산맥 광산에서 발견</strong>= 페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 처음 발견됐다. 독일의 광물학자 구스타프 로제는 알려지지 않은 칼슘 티타늄 산화광물을 확인하고 러시아의 광물학자 레프 페로브스키 백작의 이름을 따서 페로브스카이트로 명명했다. 페로브스카이트의 결정 구조는 ‘ABX₃’로 배열돼 있다. 정팔면체의 중심에 금속 양이온(B)이 있고 6개의 꼭짓점에 음이온(X)이 위치하며, 이러한 정팔면체 여러 개가 모여 만들어진 빈자리에 양이온(A)이 들어가는 구조다.</p> <p contents-hash="e809fe6d853b01c02d3074962e4aa7f5367d4d787b4c96b875cbe7a13368d897" dmcf-pid="Ha6Wq5V7Tq" dmcf-ptype="general">X 자리에 염소·브롬·요오드 등 할로겐 원소를 넣으면 빛을 흡수하고 발산하는 능력이 탁월한 ‘할라이드 페로브스카이트’가 되는데, 할라이드 페로브스카이트의 빛 흡수 능력은 태양전지 소재로 주로 쓰이는 실리콘의 약 10배에 달한다. 구성 원소의 비율과 입자 크기를 조절하면 가시광선 전 영역의 색을 자유자재로 낼 수 있게 된다. OLED 소재의 발광 스펙트럼 폭이 약 50나노미터(nm)인데 페로브스카이트 나노결정은 12~20nm에 불과해, 그만큼 순수하고 선명한 색을 표현할 수 있다.</p> <p contents-hash="d363779049dee82f894b2d0025828da47b2190c5a622ae1205209c4dd32eb00f" dmcf-pid="Xljze2oMlz" dmcf-ptype="general">2015년 스위스 취리히 연방공과대학의 막심 코발렌코 교수팀은 콜로이드 방식으로 페로브스카이트 나노결정을 합성하는 데 성공했다. 문제는 만드는 방식에 있었다. 당시 사용된 ‘핫 인젝션’ 방식은 150도 이상 고온으로 달궈진 용액에 전구체를 순간적으로 주입하는 방법인데, 실험실 안에선 가능했지만 대량 생산을 하기 위해선 거대한 반응기에서 수백 도의 용액을 균일하게 가열하고, 전구체를 일시에 정확히 주입한 뒤에 반응이 끝나면 순식간에 냉각해야 했다. 산소와 수분을 완벽히 차단하기 위한 불활성 가스 환경을 갖춰야 했고, 화재와 폭발의 위험도 뒤따랐다. 대안으로 나온 ‘상온 재침전법’도 극성 용매를 사용해 나노결정의 안정성이 떨어지고, 핵 생성과 성장을 분리해서 제어할 수 없어 균일성이 낮은 등의 문제가 남았다.</p> <p contents-hash="2d1d6e54457d592d459ad738fbd5a614ee4cf486f40121ae64c51ef91a2d54f4" dmcf-pid="ZSAqdVgRy7" dmcf-ptype="general"><strong>◇저온주입법으로 기술적 난제 해결</strong>= 국내 연구팀이 내놓은 해답은 고온으로 가열하는 대신 차갑게 식히는 ‘저온주입법’이었다. 비극성 용매에 리간드(결정 표면에 달라붙어 성장을 조절하는 물질)와 항유화제를 녹인 용액을 0도 부근(≤4도)으로 낮추고, 전구체 용액이 차가운 리간드 용액을 만나면서 ‘유사 유화’(섞이지 않는 두 액체가 미세한 방울 형태로 분산되는 유화 현상처럼 전구체 용액이 리간드 용액 속에 미세한 방울로 분산된 상태)를 만들어낸다. 낮은 온도에서 페로브스카이트 나노결정이 천천히 결합하면서 발광효율(PLQY)이 100%에 가까워진다. 빛을 비추면 흡수된 광자가 거의 손실되지 않고 빛으로 다시 방출되는 셈이다.</p> <p contents-hash="fee3ad0f2e414f3d398e8ed4dc1a2d289100f60ae7081dac0b58e889ccb0fd3b" dmcf-pid="5vcBJfaevu" dmcf-ptype="general">연구팀이 이 나노결정으로 만든 페로브스카이트 발광다이오드(PeLED)는 외부 양자효율 29.6%로 세계 최고 수준의 소자 성능을 기록했다. 특히 실험실 규모에서 얻은 것과 동일한 100%의 PLQY가 수천 배 큰 규모에서도 그대로 재현되면서, 안전하고 경제적으로 대량생산을 할 수 있는 길이 열렸다. 그간 OLED의 핵심 유기 발광 소재 기술을 사용하며 해외에 상당한 특허 사용료를 지불해 왔던 한국 디스플레이 산업 입장에서도 핵심 소재 기술의 주도권을 쥐고 기술 격차를 벌릴 기회가 생겼다.</p> <p contents-hash="1e0585d26fae6ad3e27f8a15aae174413b957ea3996968e32c6b39da79dd78af" dmcf-pid="1Tkbi4NdhU" dmcf-ptype="general"><strong>◇3세대 태양전지 소재로도 각광</strong>= 페로브스카이트의 잠재력은 화면 안에만 머물지 않는다. 최근 일론 머스크 테슬라 CEO가 우주에 인공지능(AI) 데이터센터를 건설하고 태양광 발전 전력을 동력원으로 활용하겠다고 선언하면서 태양전지 소재로서 페로브스카이트를 둘러싼 관심이 크게 높아진 상태다.</p> <p contents-hash="47212195b4ef79bf9a6412f31b63c3c2c922175e7075e0def6327aeeec4cb736" dmcf-pid="tyEKn8jJlp" dmcf-ptype="general">권명준 유안타증권 연구원이 지난달 내놓은 ‘페로브스카이트, 국내 기업들이 주목받을 수 있는 이유’ 보고서에 따르면 페로브스카이트는 태양전지 소재로서 요구되는 조건을 거의 완벽하게 갖추고 있다. 광흡수율이 높아 얇은 두께로도 대부분의 입사광을 흡수할 수 있고, 유리기판이나 플라스틱 기판에 박막 형태로 코팅해 대면적 태양전지를 제작할 수 있다는 설명이다. 또 플라스틱 기판을 사용하기 위해선 저온 공정이 필수적인데, 페로브스카이트는 150도 이하에서 고효율 태양전지 제작이 가능하다. 플라스틱 등 유연기판을 사용하면 ‘롤투롤’ 방법을 적용해 대량 생산으로 단가를 크게 낮출 수 있다는 것도 장점이다.</p> <p contents-hash="48dddfdc8e97c1639ca102b227603414f39775dd98fc168142f8ec0b0e64642f" dmcf-pid="FWD9L6Aiy0" dmcf-ptype="general">187년 전, 러시아 우랄산맥의 광산에서 페로브스카이트를 처음 찾아낸 로제도 자신의 발견이 초고성능 디스플레이와 태양전지에 활용되리라곤 미처 상상하진 못했을 것이다. 러시아 귀족의 이름을 딴 광물의 결정 구조가 국내 연구자와 기업들의 손을 거쳐 첨단 소재로 탈바꿈하고 있다. 거실에서 심해 생물의 찬란한 야광을 자연 그대로 보고, 태양광 기술을 우주 인프라의 핵심 동력원으로 활용할 날도 가까워지고 있다.</p> <p contents-hash="d1c48a3f0434e56643ced4304074012a73b8ad11502812e9bb421aeb353f49b8" dmcf-pid="3Yw2oPcnC3" dmcf-ptype="general">조재연 기자</p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 문화일보. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 반짝이는 보석에 끌리는 본능, 600만 년 전 조상에게서 물려받았다 03-09 다음 가민, '세계 여성의 날' 캠페인 진행 03-09 댓글 0 등록된 댓글이 없습니다. 로그인한 회원만 댓글 등록이 가능합니다.
