페로브스카이트(perovskite)는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론, 초전도 현상까지 보이는 금속 산화물로, 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능하다는 특징이 있습니다. 이러한 장점으로 LED(발광다이오드)와 태양전지 소재로도 각광 받고 있죠.

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사실 페로브스카이트는 처음부터 주목받는 소재는 아니었습니다. 기술의 발전과 더불어 지속적인 연구로 페로브스카이트의 새로운 면면이 속속 발견되어왔는데요. 그 잠재력은 태양전지 소재로 활용되면서 더 확대됐습니다. 그 덕분에 태양전지와 반대의 작용으로 이용되는 LED 연구 역시 활기를 띄기 시작했습니다. 

물론 단점도 존재합니다. 혁신적인 소재이긴 하지만, 상용화하기에는 안정성과 효율 면에서 해결해야 할 문제가 많습니다. KBSI 소재분석연구부 윤형중 선임연구원과 스위스 로잔연방공과대학(École Polytechnique Fédérale de Lausanne: EPFL)의 연구진이 공동연구를 통해 페로브스카이트 LED의 효율을 높일 비밀을 풀었다고 해서 찾아가 봤습니다. 도대체 어떤 비밀이 숨겨져 있는 걸까요? 

효율 낮추는 범인, 이온의 이동을 꽉 잡았다

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 새롭게 발견된 광물입니다. 러시아의 광물학자 레프 페로브스키의 이름을 따 지어졌는데요. 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 결합해 만들어진 3차원의 결정 구조를 가진다고 알려져 있습니다.

이 페로브스카이트 소재를 이용한 LED 상용화기술 개발이 활발하게 진행되고 있는 이유는 현재 이용 중인 LED에 비해 비용적인 측면에서 유리하고, 특히, 색순도가 높아 천연색 이미지 구현이 가능하기 때문입니다. 그러나 3차원 페로브스카이트 LED의 짧은 수명이 줄곧 문제가 되어 왔는데요.

3차원 페로브스카이트 LED의 수명이 짧은 원인은 여러 가지이지만, 그중에서도 발광체 내의 결함 형성 및 이온 이동(Ion migration)이 가속화되는 문제가 가장 크게 거론되어 왔습니다. 윤형중 박사가 EPFL의 나제루딘(Nazeeruddin) 교수 연구실의 김호범 박사(제1저자)와 함께 연구한 내용도 여기에 초점이 맞춰져 있습니다. 

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