▲ 페롭트로닉 소자(Peroptronic device)의 발전,발광 구동원리.

국내 연구진이 페로브스카이트 물질로 기존에 이분화 돼있던 태양전지와 발광소자를 통합한 단일구조의 발광전지를 개발했다. 용액공정으로 얇고 유연한 제작도 가능해 향후 웨어러블, 사물인터넷(IoT)분야에 응용이 기대된다.

과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 과기정통부)는 김진영 울산과학기술원 교수 연구팀이 세계 최초로 빛을 전기로 바꾸는 태양전지와 전기를 빛으로 바꾸는 발광 소자(LED) 기능을 하나로 통합한 발광 전지를 개발했다고 지난 6일 밝혔다.

태양전지와 LED는 구조와 제작 공정이 매우 유사하지만 태양전지는 전하가 추출되면서 전기가 발생하고 발광 소자는 전하가 주입되면서 빛이 발생해 소자가 작동하는 방식은 정반대이다.

각국의 연구진들을 태양전지와 발광 소자의 효율을 극대화하는 연구가 각각 진행 했는데 태양전지와 발광소자를 하나로 합칠 통합연구는 부족했다.

이에 연구팀은 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능한 페로브스카이트 물질을 사용해 단일 소자에서 발전과 발광이 모두 가능한 새로운 복합기능성 소자를 만들고, 이를 ‘페롭트로닉 소자(Peroptronic device)’라고 명명했다.

페롭트로닉 소자에는 특정 음이온(BIm4)이 포함된 고분자 전해질 층을 도입했다. 이 물질은 전하가 페로브스카이트에 쉽게 주입되거나 추출되는 것을 돕는다.

빛에너지의 흡수와 발광이 모두 단일소자에서 가능해짐에 따라 향후 ‘페롭트로닉 소자’는 사물인터넷에서 전원 및 디스플레이 역할을 동시에 수행할 것으로 기대된다.

또한 유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있다. 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자에 비해 공정과정이 간단하고 제작비용이 저렴한 장점도 있다.

김진영 교수는 “이번 연구성과는 이분화된 태양전지와 발광 소자를 단일 구조에서 모두 구현시킨 차세대 혁신 소자의 개발”이라며 “이번 광전자 소자 기술의 통합으로 에너지 분야에 패러다임 변화를 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구내용은 에너지 분야 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) 8월 10일자에 게재됐으며 연구는 과기정통부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 받아 수행됐다.