세계 최고 발광 효율을 가진 페로브스카이트 LED 기술 개발
이화여자대학교 화학나노과학과 김동하 교수
최근 국내연구진이 해외 연구진과 공동으로 페로브스카이트 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 나노소재 연구로 첨단과학을 선도하고 있는 김동하 교수는 이번 연구를 통해 LED의 발광 효율을 저해하는 기존 3차원 구조의 유·무기 하이브리드 페로브스카이트가 가진 한계점을 뛰어넘었다. 또한 페로브스카이트의 차원 제어 공정 개발을 통해 엑시톤 결합에너지 제어 및 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 소재의 발광효율을 극대화했다. 이로써 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 최고의 연구 성과를 달성했다.
성능 향상을 위한 지속적 연구는 최고의 결과를 이루는 밑거름
인류가 사용하고 있는 화석에너지의 고갈로 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이 같은 현상을 타개할 수 있는 대체 에너지에 대한 필요성이 절실해지고 있는 요즘 이화여자대학교 화학나노과학과 김동하 교수팀이 페로브스카이트 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발해 세계의 이목을 집중시키고 있다.
기존 3차원 페로브스카이트는 상온에서의 엑시톤 결합 에너지가 상대적으로 약한 반면 2차원 구조의 페로브스카이트는 6배 가량 더 강함으로써 형광 소재 응용에 적절한 조건을 가지고 있다. 하지만 2차원 구조의 페로브스카이트는 상온에서 형광 효율이 낮고 전하이동 속도가 낮은 단점으로 인하여 LED 소자 응용에는 한계가 있었다. 이에 대해 김동하 교수는 차원 제어 페로브스카이트로 엑시톤 결합에너지 제어가 가능하며 자기 조립방식으로 형성된 결정 박막 내에 에너지 준위 차이가 있는 페로브스카이트 결정들 사이에서 에너지 전달이 일어나면서 형광 효율을 극대화할 수 있었다.
“페로브스카이트는 불과 5년여 남짓한 기간에 최근 태양전지 학계에서 가장 핵심적인 소재로써 간주되고 있는 연구의 대상입니다. 해당 소재는 다양한 장점을 갖춘 반도체 물질로써 발광 소재로써의 잠재적인 가치도 동시에 주목받기 시작하였고 불과 최근 2년 동안 세계적으로 연구 성과가 급증하는 추세입니다. 발광 소재로써 기존에 사용되는 3차원 구조의 AMX3 페로브스카이트 소재는 형광 효율이 낮은 한계점이 있음을 파악하였고, 여러 관련 문헌을 조사하는 과정에서 크기가 비교적 작은 양이온과 함께 큰 양이온을 동시에 도입하고 화학 양적 제어를 통하여 차원이 제어된 일련의 소재를 개발하게 되었습니다.”
그의 말대로 페로브스카이트 기반 LED는 일반 LED와 유기물 LED에 사용되는 소재보다 저렴하고 높은 색 순도를 가지고 있어 천연색의 이미지를 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로서의 가능성을 가지고 있다. 2014년부터 본격적으로 연구되기 시작한 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 LED는 짧은 연구 역사에도 불구하고 기존의 유기물 LED의 효율을 넘고 있다. 하지만 기존의 3차원 페로브스카이트 자체의 상대적으로 낮은 형광 효율을 극복할 수 있는 새로운 패러다임의 개발이 요구되어 왔다.
김동하 교수는 이를 바탕으로 안정적이고도 고효율의 페로브스카이트 태양전지 연구 결과를 도출하여 올해 1월에 ‘미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society)에 게재한 바 있다. 이번 연구는 그 후속 연구로, 차원 제어 페로브스카이트의 형광 효율도 높은 특징을 발견하고 그 원인에 대해 분석하는 과정에서 LED 핵심소재로 응용하여 성능을 향상시키는 연구를 다각적으로 진행했다. 그 결과 최고의 발광 효율을 가진 페로브스카이트 LED 기술을 개발하는 성과를 이뤄냈다.
정밀한 분석과 실험으로 한계를 극복하다
이번 연구에서는 김동하 교수 연구팀은 기존 3차원 구조의 AMX3 페로브스카이트에서 크기가 비교적 작은 양이온 A(methylammonium)와 함께 크기가 큰 양이온 A’(phenylethylammonium)을 도입하고 화학 양적 제어를 통해 차원을 제어하고 발광다이오드(LED) 소자에 적용했다. 또한 차원 제어 페로브스카이트의 높은 형광효율을 나타내는 원인을 분석하기 위해 일시적 흡광 측정과 일시적 형광 측정을 통하여 메커니즘을 규명했다. 특히 차원 제어 페로브스카이트의 향상된 엑시톤 결합 에너지와 부동한 밴드갭 에너지를 갖고 있는 페로브스카이트 결정들 사이의 에너지 전달로 인한 형광 효율 증가로 이러한 한계점을 극복할 수 있게 되었다. 김 교수 연구팀에서 2016년 미국화학회지에 보고한 차원 제어 페로브스카이트 개념을 활용해 설계한 차원 제어 페로브스카이트는 기존 메틸암모니움 아이오다이드 기반의 3차원 구조 페로브스카이트에 페닐에틸암모니움 아이오다이드 유기물 리간드를 도입한 것으로, 납아이오다이드, 메틸암모니움 아이오다이드 및 페닐에틸암모니움 아이오다이드 사이의 정밀한 화학 양론적 제어를 통해 페로브스카이드 차원을 정확하게 조절할 수 있었다.
“기존 3차원 구조의 페로브스카이트는 상온에서의 엑시톤 결합 에너지가 상대적으로 약한 반면 2차원 구조의 페로브스카이트는 6배 가량 강함으로써 형광 소재에의 응용에 적절한 조건을 가지고 있어요. 하지만 2차원 구조의 페로브스카이트는 상온에서의 형광 효율이 낮고 전하이동속도가 낮은 단점으로 인하여 LED 소자 응용에는 한계가 있습니다. 높은 효율의 LED 소자는 상대적으로 큰 엑시톤 결합에너지가 필요하죠. 따라서 차원 제어 페로브스카이트로 엑시톤 결합에너지 제어가 가능하며 적절한 LED 소자에 사용할 수 있는 형광재료 개발을 하게 됐죠. 이를 통해 소재의 형광 효율이 기존 2차원이나 3차원 구조의 페로브스카이트보다 100배 가량 증가한 차원 제어 페로브스카이트 박막을 제조하게 되었습니다.”
김 교수 연구팀은 페로브스카이트 전구체 용액을 만들어 기판 상에 스핀 코팅하고 필름 형성 과정에 페로브스카이트 결정화를 촉진시켜 주는 클로로벤젠 (chlorobenzene)을 도입함으로써 결함 없이 균일한 박막을 형성할 수 있었다. 또한 이 연구에서 개발한 차원 제어 페로브스카이트를 흔히 알려져 있는 페로브스카이트 LED 소자 구조에 그대로 구현하여 소자 효율 분석을 했다. 예상대로 소재 형광 효율이 높은 저차원 페로브스카이트 기반의 LED 소자의 효율이 가장 높게 나타났다.
그 결과 빛의 밝음을 나타내는 척도인 광휘(radiance)는 80Wsr(스테라디안)-1m-2에 달하고, 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 소자의 발광 효율은 8.8%로 나타났다. 이 밝기는 현재까지 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 가장 우수한 것으로써 자외선에서 가시광선 영역 대에서의 파랑, 초록 등 다양한 색상의 빛을 내는 LED도 개발할 수 있는 가능성을 열었다. 이 연구 성과는 국제적 학술지 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology) 6월 27일자에 게재되었다.
신뢰와 배려로 시너지를 이루는 공동연구
이번 연구를 통해 차원 제어 에너지 전달 페로브스카이트 소재 시스템의 LED 소자 응용 가능성을 개척한 김동하 교수 연구팀은 자외선에서 근적외선까지 제어가 가능한 다양한 컬러의 고효율 LED 개발도 가능할 것으로 예상하고 있으며, 대면적 LED의 상업화도 기대하고 있다.
“이번 연구 성과는 저차원 페로브스카이트 성분으로만 구성된 활성층을 LED에 적용한 최초의 연구를 보고한 것으로 향후 전자, 의료, 통신기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망됩니다. 또한 페로브스카이트의 차원 제어를 통한 광학적 특성 제어 기법은 관련 분야의 학문 발전에도 큰 파급 효과가 있을 것으로 기대하고 있습니다.”
하지만 이처럼 의미 있는 성과들을 얻기까지는 지난한 과정을 통과해야 했다. 김 교수 연구팀은 페로브스카이트 소재의 안정성과 재현성 확보의 어려움 때문에 소자 제조에 있어서 제약이 많았다고 말한다. 특히 습도, 온도 등의 영향을 많이 받았지만 환경을 최적화하고 여러 가지 제조 방법을 모색하는 방법으로 실험 과정에서의 난관을 극복했다. 하지만 연구팀은 차원 제어 페로브스카이트 소재의 높은 형광 특징을 발견하고 그 원인에 대해 일시적인 흡수와 형광 측정을 통해서 규명하는 실험을 하던 중 페로브스카이트 결정들 사이에서의 에너지 전달이 일어남을 발견하고 이번 연구가 색 다르고 의미 있는 연구가 될 것이며 성공 가능성을 예견하기도 했다.
특히 이번 연구는 미래창조과학부 기초연구사업의 지원을 받아 캐나다 토론토대학의 에드워드 사전트 교수 연구팀과 공동으로 진행해 획기적인 연구 성과를 달성했기 때문에 더욱 의미가 깊다. 김 교수는 최근 공동연구는 더 나은 연구를 위한 방법이 되고 있다며 공동연구를 성공적으로 이끌 수 있었던 비결과 개선점에 대해 들려주었다.
“체계적인 연구 경험이 있는 박사과정 학생을 공동 연구팀에 파견해 더 효율적인 연구를 진행할 수 있었습니다. 스스로 동기부여를 하고, 상대 연구진에 대한 신뢰를 비롯해 양보와 배려의 미덕을 바탕으로 연구를 진행했기에 좋은 결과를 얻을 수 있었죠. 공동연구를 진행함에 있어서 필요한 점은 주기적인 연구 미팅을 온오프라인을 통해 지속하고 토론을 효율적으로 진행하는 것입니다. 앞으로도 서로의 역량을 극대화할 수 있는 공동 연구를 할 기회가 온다면 이번 연구 경험을 통해 한층 더 효율적으로 진행할 수 있을 것 같습니다.”
에너지강국의 기반 조성에 기여하다
하나의 연구를 성과로 열매 맺기까지 숱한 고민의 시간과 우여곡절을 겪으며 분투하는 과정을 거쳐야 하기에 연구는 때로 수행자의 삶에 비유하기도 한다. 흔들리지 않고 스스로 열정을 불어넣으며 묵묵히 한 길을 걸어가야 하기 때문일 것이다. 김동하 교수의 연구 스타일도 이와 다르지 않다.
“일희일비하지 않고 하루하루 주어진 일을 묵묵히 수행해나가는 것이 제 삶의 방식이자 연구에 임하는 마음가짐입니다. 자신이 가고자 하는 길을 당당하게 걸어가되 성실과 열정, 책임감을 잃지 않는 것. 그리고 연구자의 길을 걷는 사람들과 원만한 관계를 형성하고 교류하며 서로의 성장을 돕는 것이 제가 지향하는 연구자로서의 삶이에요.”
오랜 시간의 연구 과정을 지나 노력한 만큼의 성과를 이뤄내는 것이 연구자로서의 보람이라면, 학생과 연구원들이 시간이 지남에 따라 성장하고 예상하지 못했던 잠재력을 찾고 재능을 발휘해 훌륭한 성과를 도출하는 것은 스승으로서 보람을 느끼는 순간이다. 아울러 원만하고 조화로운 인성을 갖추어 성숙한 성인으로 거듭나는 것을 지켜보고 확인하는 것이 가장 큰 즐거움이다. 때문에 그는 평소 연구자를 꿈꾸는 학생들에게 꿈을 크게 가지고 끝까지 포기하지 않는 인내와 열정 등 연구자로서의 자질과 인성을 갖추라고 조언한다.
“지도 제자를 선발할 때 당장 현재의 성적뿐만 아니라 성장 가능성과 인성을 눈여겨봅니다. 순수하고 착한 학생이 가르침을 수용하는 능력이 뛰어나고 상호 호흡을 잘 맞추어 연구 성과를 도출하는 상승 효과를 이뤄내기 때문이죠. 특히 연구자가 되길 희망하는 학생들에게는 연구자로서 성장하고 독자적인 세계를 구축하는 것은 ‘먼 길을 가는 여정’인 만큼 중도에 포기하는 것이 아니라 원하는 성과를 이뤄내기까지 인내하기를 강조합니다.”
하고 싶은 일을 오래 지속하고 목표를 향해 멀리 가기 위해선 일과 삶의 조화를 이루는 것이 필요하다. 김동하 교수는 물리적으로 많은 시간을 연구에 맹목적으로 투입하기 보다는 제한된 시간이라도 집중해 수행하고, 최대한 많은 시간을 좋아하는 다양한 운동과 문화생활을 통해 스트레스를 해소함으로써 일과 삶의 조화를 이뤄낸다. 이렇게 얻는 일상의 즐거움은 또 다시 연구의 원동력이 되는 선순환이 되는 것이 그가 성공적인 연구자로서의 삶을 살아가는 비결이다. 그는 독자적인 영역을 개척한 연구자로 기억되길 원한다. 시간이 지날수록 지속적으로 가치 있는 연구 성과를 창출함과 더불어 자신의 연구실이 차세대 연구자들의 산실이 되어 소속 연구원들이 사회에 진출하여 좋은 평판을 받고 사회에 기여해나가는 것이 그의 소망이다.
“과학계에서 주된 관심의 영역인 에너지, 환경, 메모리, 디스플레이, 진단 및 치료 등의 분야에서 요구되는 다기능 나노소재의 설계, 응용 및 합성을 관통하는 보편적이고도 일반화된 원리를 구축하는 것이 앞으로의 목표입니다.”
또 다른 목표는 다양한 프로젝트 수행과 국내외 공동연구를 통해 이화여대 화학나노과학과의 자체 인프라에서 경력을 쌓은 자기주도적인 연구수행능력과 창의성을 갖춘 여성 박사 인력을 양성함으로써 미래 과학기술계를 주도할 국내 여성과학자들의 산실로서의 역할을 담당하는 것이다. 차세대 인재들의 인큐베이터 역할을 톡톡히 하고 있는 김동하 교수는 서울대학교 섬유공학과와 동 대학원 섬유고분자공학과를 졸업하고 University of Massachusetts at Amherst, USA에서 Department of Polymer Science and Engineering 박사 후 연구원을, Max Planck Institute (MPI) for Polymer Research, Germany에서 Materials Science Department 박사 후 연구원으로 활동했다. 삼성전자 반도체총괄 메모리사업부 책임연구원과 Massachusetts Institute of Technology, USA에서 방문 교수로 활동한 바 있는 그는 현재 이화여자대학교 화학나노과학과 교수로 재직 중이다. 최고의 성능을 갖춘 나노원천소재 및 신소재 개발로 에너지강국의 탄탄한 기반을 이루는 데 기여하고 있는 김동하 교수의 꿈과 목표가 이루어지길 기대해본다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2016년 11월호에 게재 되었습니다.>
이전기사 :서강대학교 공학부 기계공학과 이정철 교수
다음기사 :서울대학교 약학대학 제약학과 이봉진 교수