[표지로 읽는 과학] 빛을 내는 페로브스카이트 구조 찾아냈다

2021.05.29 03:34
네이처 제공

국제학술지 네이처는 26일 노란색과 보라색의 구슬이 규칙적으로 배열된 모습을 표지에 실었다. 구슬처럼 보이는 것들은 페로브스카이트 구조를 갖는 나노결정이다.

 

페로브스카이트는 기존 실리콘 태양전지보다 생산 비용이 저렴하고 소재를 유연하게 설계할 수 있어 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있다. 특정 물질을 지칭하는 명칭이라기보다는 크기가 다른 원소 2개의 양이온과 이들에 결합한 음이온으로 입방 구조의 결정을 갖는 물질을 말한다. 

 

페로브스카이트 형태의 구조를 갖는 납할로겐화합물의 나노 결정은 디스플레이와 같은 광전자 장치의 유망한 재료로 많은 관심을 받고 있다. 막심 코발렌코 스위스 취리히연방공과대학(ETH) 화학및응용생명과학부 교수 연구진은 페로브스카이트 나노큐브가 다른 나노 결정과 결합돼 일정한 온도 이하에서 규칙적으로 배열되는 ‘초격자’ 구조를 형성할 수 있다는 연구결과를 이번주 네이처에 발표했다. 

 

연구진은 페로브스카이트 나노큐브를 구형이나 잘린 입방형 나노 결정으로 조립해 다양한 소재로 초격자 구조를 형성하는 데 성공했다. 이렇게 만들어지는 나노 결정 구조는 빛을 내는 초형광 특성을 지니고 있어 향후 디스플레이 광원으로도 활용할 수 있을 것으로 기대됐다. 

 

이같은 나노 결정 구조 집합체는 광학 스펙트럼, 일관된 에너지 전달 등이 가능할 것으로 여겨져 수십년 동안 과학계에서 관심을 끌었다. 페로브스카이트 태양전지는 물론 디스플레이 광원, 광전지 등 활용 잠재력이 높을 것으로 기대됐다. 

 

다양한 목적의 나노 결정 구조 집합체를 생성하는 또다른 방법은 입자가 기체 또는 액체 중에 분산된 상태의 ‘콜로이드’ 반도체 나노 결정 조직을 길고 규칙적인 초격자 구조로 배열하는 것이다. 연구진은 세슘 기반의 납할로겐 화합물로 이뤄진 페로브스카이트 나노 결정을 활용해 이같은 초격자를 만드는 데도 성공했다. 또 다양한 원소로 구성된 페로브스카이트 구조의 나노 결정 배열을 초격자로 만들었다. 

 

연구진이 개발한 나노 결정 초격자 구조는 빛 알갱이인 광자를 폭발적으로 방출하는 ‘초형광’ 특성을 내는 것으로 확인됐다. 구조가 복잡하지만 응용 분야가 다양한 페로브스카이트 구조를 심층적으로 연구할 수 있는 길을 제시한 것으로 평가됐다. 

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