페로브스카이트 계면 비틀기로 이온이동 억제 성공

국제 연구팀이 페로브스카이트(Perovskite) 소재 계면에서 발생하는 이온 이동 현상을 '비틀기(Twist)' 각도 조절만으로 억제하는 데 성공했다. 소재 전문 매체 AZoM이 보도한 이번 연구는 차세대 태양전지와 LED 소자의 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원리를 제시해 글로벌 소재 업계의 주목을 받고 있다.

페로브스카이트는 높은 광전 변환 효율로 차세대 태양전지 소재로 각광받지만, 소자 내부에서 할로겐 이온이 이동하며 소자 특성이 급격히 저하되는 문제가 상용화의 최대 걸림돌이었다. 이온 이동은 태양전지의 효율 저하와 수명 단축의 주된 원인으로, 수년간 전 세계 연구팀이 해법을 모색해 왔다.

연구팀은 CsPbBr3와 CsPbCl3 두 페로브스카이트 소재를 헤테로구조로 접합할 때 계면의 비틀기 각도를 변화시키면 이온 확산 경로 자체가 달라진다는 사실을 원자 해상도 이미징과 시뮬레이션으로 규명했다. 특히 28도 비틀기를 적용했을 때 계면 확산 채널 비율이 최소화됐다.

이 연구의 핵심 발견은 28도 비틀림 각도가 이온 상호확산(Interdiffusion)을 지연시키고 확산 채널 비율을 대폭 줄여 소자 안정성을 크게 향상시킨다는 점이다. 연구팀은 이 원리를 적용하면 페로브스카이트 소자의 수명을 현재보다 수배 이상 연장할 수 있다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 반도체 소재 분야에도 중요한 시사점을 던진다. 계면 비틀기라는 물리적 구조 조작이 소재 성능을 좌우한다는 원리는 2D 소재, 산화물 박막, 고유전율 절연막 등 다양한 반도체 소재 분야에도 응용될 가능성이 있다. 특히 고효율 LED, 포토디텍터, 차세대 메모리 소자 개발에서 주목받고 있다.

국내에서도 페로브스카이트 연구는 활발하다. KAIST, 성균관대, UNIST 등 주요 연구기관이 차세대 태양전지와 LED용 페로브스카이트 소재 연구를 수행 중이며, 이번 계면 비틀기 원리는 향후 국내 연구에도 적용될 전망이다. 한화솔루션, LG화학 등 기업도 페로브스카이트 상용화 연구에 꾸준히 투자하고 있다.

연구팀이 활용한 공정은 분자선 에피탁시(MBE)와 원자층 증착(ALD) 방식이다. 이를 통해 원하는 비틀기 각도를 재현 가능하게 구현할 수 있으며, 소자 제작 실증 결과도 연구 결과에 함께 포함됐다. 공정 재현성이 확보됐다는 점에서 실용화 가능성이 높다는 평가가 나온다.

페로브스카이트 소재 상용화를 위해서는 이온 이동 억제 외에도 수분·산소 차단 기술, 대면적 코팅 공정 개발이 함께 해결돼야 한다. 국내 소부장 기업들은 봉지재, 배리어 필름, 정밀 코팅 장비 분야에서 관련 기술을 확보 중이며, 페로브스카이트 본격 상용화 시 수혜가 기대되는 분야다.

글로벌 페로브스카이트 태양전지 시장은 2030년까지 수십억 달러 규모로 성장할 전망이다. 현재 실험실 수준의 변환 효율은 단결정 태양전지를 넘어섰지만, 장기 안정성 문제로 상용화가 지연돼 왔다. 이번 계면 제어 연구는 이 병목을 해소할 실마리를 제공한다는 점에서 업계 기대가 크다.

전문가들은 이번 연구가 '페로브스카이트 소자의 상업적 내구성 문제를 해결하는 데 있어 가장 근본적인 접근 중 하나'라고 평가한다. 소재 첨가물이나 화학 코팅에 의존하던 기존 접근법과 달리, 계면 구조 자체를 물리적으로 설계한다는 점이 소재 설계 자유도를 높인다는 장점이 있다.

향후 연구 방향은 다양한 할로겐화 페로브스카이트 조합에서 최적 비틀기 각도를 확인하고, 대면적 소자에서의 재현성을 검증하는 것이다. 연구팀은 이 기술이 2~3년 내 탠덤(Tandem) 태양전지 양산 공정에 도입될 수 있을 것으로 전망하며, 국내외 소재·장비 기업의 관심이 높아지고 있다.