페로브스카이트 소재는 광전자소자 분야에서 높은 광 흡수계수, 조절 가능한 밴드갭, 경제성 높은 공정 등의 탁월한 장점을 가지고 있어 태양전지, LED, 광검출기 등의 소자 연구에 널리 쓰이고 있다. 그러나 페로브스카이트는의 다결정 박막은 서로 다르게 배열된 두 결정립 간의 경계로 인해 전하 이동 방해와 전력 전환 효율이 떨어지는 한계를 지닌다. 이를 극복하기 위해선 결정립 경계가 없는 단결정 형태의 소자의 개발이 필요한 상황이다.

이같은 페로브스카이트 소재의 약점을 극복해내기 위해 우리대학 김민 교수팀(화학공학부, JBNU-KIST산학연융합학과, 에너지-AI융합공학과)의 박수민 석사과정생이 단결정 광검출기를 개발했다. 고분자를 활용한 공간 제한 기법을 적용해 결정의 배향을 조절할 수 있도록 하는 것이 이번 연구성과의 핵심이다.

재료분야 저명 국제학술지인 『SMALL, IF=13, JCR = 7.3%』에 ‘Interfacial Engineering for Controlled Crystal Mosaicity in Single-Crystalline Perovskite Films’라는 제목으로 게재됐다.

페로브스카이트 단결정은 페로브스카이트 다결정 박막 대비 수송체의 이동성을 향상시키고, 수송체 확산 길이를 증가시키며, 안정성을 향상시키기 때문에 광전 소자의 우수한 성능을 기대할 수 있다.

기존의 단결정 합성법은 단결정이 제작되기 위해 수십 시간 이상의 긴 합성 시간이 필요했다. 그러나 김 교수팀은 선택적 투과 성질을 가지고 있는 유기 고분자 필름층을 도입함으로써 용매의 선택적 흡수 및 빠른 증발을 유도하고 단결정 합성 시간을 단축시키는 데 성공했다.

김 교수팀이 제안한 결정합성법은 내부 고분자 표면과의 상호인력을 이용하여 단결정이 갖는 표면 결정면의 방향을 조절할 수 있었으며, 이에 대한 결정배향 형성 메커니즘을 밀도범함수이론의 상호작용 에너지 계산을 통하여 세계 최초로 규명했다.

특히 결정배향을 조절하여 단결정 필름을 제작하는 기술을 제시했고, 이를 이용해 높은 성능을 가진 광검출기에 적용할 수 있는 가능성까지 제시했다.

한편, 이번 연구는 박수민 석사과정생과 공동연구로 경상국립대 이태경 교수연구팀이 참여했다. 한국연구재단 우수신진지원사업과 기후기술인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.