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연구실소개

에너지변환 나노소재 연구실(http://skkuchemeng.

hosting.bizfree.kr/xe/)은 성균관대학교 화학공학부

에 소속되어 있으며, 박남규 교수의 지도 아래 다양

한 에너지변환 나노소재를 연구 개발하여 원천기술

확보 및 실용화를 목표로 하고 있다. 특히, 본 연구

그룹에서는 태양전지 분야에서 페로브스카이트 태

양전지에 대하여 지속적인 연구를 수행해오고 있

으며, 그 결과 우수한 연구성과를 창출해내고 있다.

페로브스카이트 물질 (ABX3, A=유기 양이온, B=납

(Pb) 양이온, X=클로린(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 음이

온)은 높은 흡광계수를 가지는 장점을 가지고 있지

만, 기존 액체전해질내부에서의 안정성을 확보하지

못하여 태양전지의 흡광물질로서 주목받지 못하였

다. 2012년 본 연구그룹에 의하여 고체 정공전달물

질과 함께 태양전지에 적용함으로써 9.7% 효율의 고

체형 페로브스카이트 태양전지가 최초로 개발되면

서(Sci. Rep. 2012, 2, 591) 페로브스카이트 태양전지

에 대한 관심이 기하급수적으로 증가하였다. 이 후,

염료감응형 태양전지에서 분리되어 페로브스카이트

태양전지의 독립적인 분야를 구축하며 현재 21% 공

인 효율(Best Research Cell Efficiency updated by Next

Renewable Energy Laboratory, USA)을 달성할 수 있

는 플랫폼 기술을 제공하였다. 유무기복합 페로브스

카이트 물질은 저렴한 용액공정 및 우수한 물질재현

성에 바탕하여 차세대 고효율 태양전지로 주목받고

있다. 본 연구그룹에서는 페로브스카이트 태양전지

의 고효율화 및 장기안정성 확보를 위한 다양한 연

구를 수행중이며, 페로브스카이트 물질을 포함한 다

양한 나노소재에 대한 기초물성 연구도 진행되고 있

다. 이러한 나노소재에 대한 전기광학 특성 연구 결

과를 바탕으로 소재의 특성에 적합한 응용분야로 적

용되며, 태양전지 이외에도 LED, 엑스레이 이미징

시스템, 멤리스터(저항변화 메모리소자)에 대한 연

구가 활발히 진행되고 있다.

주요연구분야

1) 페로브스카이트 태양전지

CH3NH3PbI3 (MAPI) 페로브스카이트 물질은 높

은 흡광계수와 전 가시광선 영역대를 흡수할 수 있

는 밴드갭을 가지는 광흡수체이다. MAPI 기반 태양

전지의 광전환 효율을 향상시키기 위하여 MAPI 페

에너지 변환 나노소재 연구실(ECNL)

박남규성균관대학교 화학공학부

npark@skku.edu

그림 1. ABX3 페로브스카이트 구조. A(빨강), B(노랑), X(파랑).

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 2, 2016 … 169

에너지 변환 나노소재 연구실(ECNL)

로브스카이트 층의 막질 개선을 위한 연구가 진행되

고 있다. 기존의 원스텝 디포지션 공정에서 탈피하

여, PbI2 층을 먼저 형성한 후 MAI의 농도를 조절하

여 생성되는 MAPI 나노 결정의 생성속도를 효과적

으로 제어하는 기술을 개발하였으며, 그 결과 페로

브스카이트 큐보이드의 크기 제어를 통한 전하 이동

능력 향상 및 광전환 효율이 크게 증가하였다(Nat.

Nanotechnol. 2014, 9, 927).

또한, 전구체 용액에 dimethyl sulfoxide (DMSO)

첨가하여 PbI2와 DMSO의 어덕트(adduct: Lewis acid-

base 반응물) 로부터 유도된 CH3NH3PbI3 페로브스카

이트 박막 형성 방법을 개발하여 우수한 막질에 기

반한 재현성 있는 고효율 소자 제작 기술을 발표하

였다(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8596-8599).

이 외에도 MAPI 페로브스카이트 코팅 공정에

서 용매의 종류와 비율을 조절함으로써 나노와이어

형태의 페로브스카이트를 구현하는 등(Nano Lett.

2015, 15, 2120-2126) 박막의 막질 개선 및 모폴로지

제어를 통한 효율적인 전하 수집경로를 제공할 수

있는 연구가 수행 중이다.

MAPI물질은 1.5 eV의 밴드갭을 가지며, 따라서

장파장 영역의 빛의 활용도가 떨어진다는 단점이

있다. 광 흡수파장 영역을 확대하기 위하여 MAPI

에 비하여 밴드갭이 작은 HC(NH2)2PbI3(FAPI)를 이

용하여 장파장 흡수가 향상된 고효율 페로브스카이

트 태양전지를 개발하였으며, (Adv. Mater. 2014, 26,

4991-4998), FAPI의 낮은 수분 안정성을 해결하기

위하여 Cs을 이용하여 구조적 안정성을 개선시켜 수

분 및 광 안정성을 확보하였다(Adv. Energy Mater.

2015, 5, 1501310).

그림 2. 투스텝 공정에서 나노결정 생성속도 제어를 통한 시간에 따른 크기 결정 이미지(저농도(위), 고농도(아래)).

그림 3. MAI-PbI2-DMSO의 어덕트 (좌) 로부터 유도된 MAPI 페로브스카이트 박막 (우). 그림 4. 다양한 모폴로지의 MAPI 페로브스카이트.

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연구실소개

고효율화 연구와 더불어 소재의 기본 물성연구

도 병행하여 진행되고 있다. 특히, 페로브스카이트

물질은 기존 광흡수체들과 구별되는 특이한 성질

이 많이 발견되고 있는데, 이를 이해하여 다양한 응

용분야에 적용시키고자 자발적 강유전성(J. Phys.

Chem. Lett. 2015, 6, 1729-1735), 전하 축적 현상(Nat.

Commun. 2013, 4, 2242), 전류-전압 히스테리시스를

유도하는 계면 특이현상(J. Phys. Chem. Lett. 2015,

6, 4633-4639) 들이 대표적으로 연구되었으며 계속해

서 페로브스카이트에 국한되지 않고 다양한 나노소

재들에 대한 기본 물성 연구들이 진행중에 있다.

2) Perovskite LED

유무기 복합 페로브스카이트 물질은 할라이드

음이온 및 유기 양이온 치환을 통해 밴드갭 조절

이 용이하다. 따라서 light emitting diode (LED) 소

자로 구현할 경우 가시광선에서 적외선까지 다양

한 색을 구현할 수 있고, 형광 스펙트럼의 반값 폭

이 좁기 때문에 색순도가 높다. 또한 최근 유무기 복

합 페로브스카이트 물질을 다양한 차원(양자점, 나

노선, 나노리본 등)으로 합성할 경우 형광양자효율

이 80% 이상 가능한 것으로 보고되고 있다. 본 연구

그룹에서는 고효율 electroluminescence 기반 소자 및

photoluminescence 기반 light emitting diode 개발에

대해 연구하고 있다.

3) X-ray imaging(Photodetector)

Organolead halide 페로브스카이트 물질은 납(Pb),

요오드(I) 등 원소번호가 높은 물질로 구성되어있

기 때문에 X-ray 흡광계수가 높다. 또한 용액공정

을 기반으로 하여 저온에서 물질을 합성할 수 있기

때문에 공정 단가가 저렴하다. 기존 X-ray imaging

system에서는 CsI:Tl 기반의 indirect system 또는

amorphous Se 기반 direct imaging system이 주로 사

용되는데, 두 물질 모두 공정가격이 비싸고 X-ray흡

수 및 광자 변환율이 높지 못한 단점이 있다. 유무

기 페로브스카이트 물질은 형광 양자효율이 높고 물

질 내 전하 운반자의 life time이 길기 때문에 indirect

및 direct imaging system에 모두 적용가능하다. 본

연구 그룹에서는 유무기 복합 페로브스카이트 기

반 photoconductor 타입의 direct imaging system 및

scintillator 기반 indirect imaging 기반의 X-ray 감지

시스템을 연구중이다.

그림 6. Scintillator 기반 간접방식 X-ray imaging system 및 photoconductor 기반 직접형 imaging system.

4) 멤리스터(Memristor)

페로브스카이트는 기존의 멤리스터들과 달리

electroforming 과정 없이도 낮은 전압에서 저저항상

태(low resistance state)로 전환이 가능하며, 매우 높은

on/off ratio를 보인다.

본 연구 그룹에서는 우수한 메모리 저항 특성을 그림 5. 자외선 노출시 페로브스카이트 형광 특성 및 light emitting diode 소자 구조.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 2, 2016 … 171

에너지 변환 나노소재 연구실(ECNL)

실현하기 위하여 다양한 계산식을 내포하는 시뮬레

이션을 바탕으로 가능성 있는 페로브스카이트 물질

을 포함한 나노소재 후보군을 효율적으로 설계 및

선정하고 있으며, 이 후보군을 중심으로 소재를 합

성하여 멤리스터에 적용하고 있다. 또한, 정확한 현

상의 이해를 위한 메커니즘 분석이 수행되고 있다.

박남규 교수 이력

그림 8. 박남규 교수.

학위

1988. 02 서울대학교 화학교육과 학사

1992. 02 서울대학교 화학과 석사

1995. 02 서울대학교 화학과 박사(무기고체화학 전공)

경력

1996.03~1997.05 프랑스 ICMCB-CNRS(박사후연구원)

1997.06~1999.12 미국 NREL(박사후연구원)

1999.12~2005.12 한국전자통신연구원(책임연구원)

2005 .12~2009.06 한국과학기술연구원(책임연구원,

센터장)

2009.07~2026.02 성균관대학교 화학공학부(교수)

수상경력

2008 이달의과학기술인상 (미래부)

염료강응 태양전지 대형기술이전 공로

2008 이달의 KIST인 상 (KIST)

염료강응 태양전지 대형기술이전 공로

2008 경향전기에너지 대상 국무총리상 (경향신문)

염료강응 태양전지 대형기술이전 공로

2009 KIST인 대상 (KIST)

염료강응 태양전지 대형기술이전 공로

2010 듀폰과학기술자상 (듀폰코리아)

국가과학기술발전기여

2013 SKKU 펠로우 (성균관대)

세계적 연구수준 공로

2013 국가우수연구 100선 (미래부)

페로브스카이트 태양전지 원천기술 개발

2014 MRS 우수연구자상 (미국 MRS)

페로브스카이트 태양전지 원천기술 개발

2014 WCPEC-6 우수논문상 (일본)

페로브스카이트 태양전지 우수연구 공로

2015 Hamakawa Award (PVSEC 일본-한국)

페로브스카이트 태양전지 연구분야 개척

공로

대표논문

(1) Lewis Acid-Base Adduct Approach for High

Efficiency Perovskite Solar Cells, Accounts

of Chemical Research, 2016, 49, 311-319

(IF=24.348)

(2) Highly Reproducible Perovskite Solar Cells

with Average Efficiency of 18.3% and Best

그림 7. Electroforming 과정 없이 기록 삭제 가능한 페로브스카이

트 기반 멤리스터소자 (좌). 페로브스카이트 기반 멤리스터소자의 전류-전압 곡선 (우).

172 … NICE, 제34권 제2호, 2016

연구실소개

Efficiency of 19.7% Fabricated via Lewis

Base Adduct of Lead(II) Iodide, Journal of the

American Chemical Society, 2015, 137, 8696-

8699(IF=12.113, 피인용:65)

(3) Growth of CH3NH3PbI3 cuboids with controlled

size for high-efficiency perovskite solar cells,

Nature Nanotechnology , 2014, 9, 927-932

(IF=34.048 피인용:131)

(4) Water photolysis at 12.3% efficiency via

perovskite photovoltaics and Earth-abundant

catalysts, Science , 2014, 345, 1593-1596

(IF=33.611 피인용:138)

(5) High-Efficiency Perovskite Solar Cells Based

on the Black Polymorph of HC(NH2)2PbI3,

Advanced Materials , 2014, 26, 4991-4998

(IF=17.493 피인용:105)

(6) Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State

Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with

Efficiency Exceeding 9%, Scientific Reports, 2012,

2, 591(IF=5.578 피인용:1514)

연구 실적 (2011~2015)

- 논문 게재: SCI(E) 75 편(교신: 55편, 공동: 20편)

- 학술대회 논문 발표: 국내 32편, 국외 51편

- 특허: 국내출원 10 건, 국내등록 8건, 국외 출원 3

건, 국외 등록 1건

H-index : 60(구글스칼라, 2016년 2월 현재)

기조 및 초청강연

MRS, ECS, TMS, HOPV, IPS 등 국제학회에서 기조

및 초청강연 다수

연구실 구성원

에너지 변환 나노소재 연구실은 박남규 (지도교

수) 아래 Post Doc 2명, 박사과정 3명, 석박통합과정 6

명, 석사과정 1명, 학부연구생 3명 등 총 15인으로 구

성되어 있다. 2015년 지난 한 해 동안 38편의 논문을

SCI급 국제학술 저널에 게재하였으며(학술발표논문

리스트는 http://skkuchemeng.hosting.paran.com/xe/

index.php/mid=page_aBXy78), 국제 학술대회 발표 및

국제 공동연구 등이 활발히 수행되고 있다.

그림 9. 연구실 구성원.