박남규 성균관대학교화학공학부 npark@skku.edu 에너지변환나노소재연구실 (http://skkuchemeng. hosting.bizfree.kr/xe/) 은성균관대학교화학공학부에소속되어있으며, 박남규교수의지도아래다양한에너지변환나노소재를연구개발하여원천기술확보및실용화를목표로하고있다. 특히, 본연구그룹에서는태양전지분야에서페로브스카이트태양전지에대하여지속적인연구를수행해오고있으며, 그결과우수한연구성과를창출해내고있다. 페로브스카이트물질 (ABX 3, A= 유기양이온, B= 납 (Pb) 양이온, X= 클로린 (Cl), 브롬 (Br), 요오드 (I) 음이온 ) 은높은흡광계수를가지는장점을가지고있지만, 기존액체전해질내부에서의안정성을확보하지못하여태양전지의흡광물질로서주목받지못하였다. 2012년본연구그룹에의하여고체정공전달물질과함께태양전지에적용함으로써 9.7% 효율의고체형페로브스카이트태양전지가최초로개발되면서 (Sci. Rep. 2012, 2, 591) 페로브스카이트태양전지에대한관심이기하급수적으로증가하였다. 이후, 염료감응형태양전지에서분리되어페로브스카이트태양전지의독립적인분야를구축하며현재 21% 공인효율 (Best Research Cell Efficiency updated by Next Renewable Energy Laboratory, USA) 을달성할수있는플랫폼기술을제공하였다. 유무기복합페로브스카이트물질은저렴한용액공정및우수한물질재현성에바탕하여차세대고효율태양전지로주목받고있다. 본연구그룹에서는페로브스카이트태양전지 의고효율화및장기안정성확보를위한다양한연구를수행중이며, 페로브스카이트물질을포함한다양한나노소재에대한기초물성연구도진행되고있다. 이러한나노소재에대한전기광학특성연구결과를바탕으로소재의특성에적합한응용분야로적용되며, 태양전지이외에도 LED, 엑스레이이미징시스템, 멤리스터 ( 저항변화메모리소자 ) 에대한연구가활발히진행되고있다. 주요연구분야 1) 페로브스카이트태양전지 CH 3 NH 3 PbI 3 (MAPI) 페로브스카이트물질은높은흡광계수와전가시광선영역대를흡수할수있는밴드갭을가지는광흡수체이다. MAPI 기반태양전지의광전환효율을향상시키기위하여 MAPI 페그림 1. ABX 3 페로브스카이트구조. A( 빨강 ), B( 노랑 ), X( 파랑 ). 168 NICE, 제 34 권제 2 호, 2016
그림 2. 투스텝공정에서나노결정생성속도제어를통한시간에따른크기결정이미지 ( 저농도 ( 위 ), 고농도 ( 아래 )). 로브스카이트층의막질개선을위한연구가진행되고있다. 기존의원스텝디포지션공정에서탈피하여, PbI 2 층을먼저형성한후 MAI의농도를조절하여생성되는 MAPI 나노결정의생성속도를효과적으로제어하는기술을개발하였으며, 그결과페로브스카이트큐보이드의크기제어를통한전하이동능력향상및광전환효율이크게증가하였다 (Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 927). 또한, 전구체용액에 dimethyl sulfoxide (DMSO) 첨가하여 PbI 2 와 DMSO의어덕트 (adduct: Lewis acidbase 반응물 ) 로부터유도된 CH 3 NH 3 PbI 3 페로브스카이트박막형성방법을개발하여우수한막질에기반한재현성있는고효율소자제작기술을발표하였다 (J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8596-8599). 이외에도 MAPI 페로브스카이트코팅공정에서용매의종류와비율을조절함으로써나노와이어형태의페로브스카이트를구현하는등 (Nano Lett. 2015, 15, 2120-2126) 박막의막질개선및모폴로지제어를통한효율적인전하수집경로를제공할수있는연구가수행중이다. MAPI물질은 1.5 ev의밴드갭을가지며, 따라서장파장영역의빛의활용도가떨어진다는단점이있다. 광흡수파장영역을확대하기위하여 MAPI 에비하여밴드갭이작은 HC(NH 2 ) 2 PbI 3 (FAPI) 를이용하여장파장흡수가향상된고효율페로브스카이트태양전지를개발하였으며, (Adv. Mater. 2014, 26, 4991-4998), FAPI의낮은수분안정성을해결하기위하여 Cs을이용하여구조적안정성을개선시켜수분및광안정성을확보하였다 (Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501310). 그림 3. MAI-PbI 2 -DMSO 의어덕트 ( 좌 ) 로부터유도된 MAPI 페로브스카이트박막 ( 우 ). 그림 4. 다양한모폴로지의 MAPI 페로브스카이트. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 2, 2016 169
고효율화연구와더불어소재의기본물성연구도병행하여진행되고있다. 특히, 페로브스카이트물질은기존광흡수체들과구별되는특이한성질이많이발견되고있는데, 이를이해하여다양한응용분야에적용시키고자자발적강유전성 (J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 1729-1735), 전하축적현상 (Nat. Commun. 2013, 4, 2242), 전류-전압히스테리시스를유도하는계면특이현상 (J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4633-4639) 들이대표적으로연구되었으며계속해서페로브스카이트에국한되지않고다양한나노소재들에대한기본물성연구들이진행중에있다. 2) Perovskite LED 유무기복합페로브스카이트물질은할라이드음이온및유기양이온치환을통해밴드갭조절이용이하다. 따라서 light emitting diode (LED) 소자로구현할경우가시광선에서적외선까지다양한색을구현할수있고, 형광스펙트럼의반값폭이좁기때문에색순도가높다. 또한최근유무기복합페로브스카이트물질을다양한차원 ( 양자점, 나노선, 나노리본등 ) 으로합성할경우형광양자효율이 80% 이상가능한것으로보고되고있다. 본연구그룹에서는고효율 electroluminescence 기반소자및 photoluminescence 기반 light emitting diode 개발에 대해연구하고있다. 3) X-ray imaging(photodetector) Organolead halide 페로브스카이트물질은납 (Pb), 요오드 (I) 등원소번호가높은물질로구성되어있기때문에 X-ray 흡광계수가높다. 또한용액공정을기반으로하여저온에서물질을합성할수있기때문에공정단가가저렴하다. 기존 X-ray imaging system에서는 CsI:Tl 기반의 indirect system 또는 amorphous Se 기반 direct imaging system이주로사용되는데, 두물질모두공정가격이비싸고 X-ray흡수및광자변환율이높지못한단점이있다. 유무기페로브스카이트물질은형광양자효율이높고물질내전하운반자의 life time이길기때문에 indirect 및 direct imaging system에모두적용가능하다. 본연구그룹에서는유무기복합페로브스카이트기반 photoconductor 타입의 direct imaging system 및 scintillator 기반 indirect imaging 기반의 X-ray 감지시스템을연구중이다. 그림 6. Scintillator 기반간접방식 X-ray imaging system 및 photoconductor 기반직접형 imaging system. 그림 5. 자외선노출시페로브스카이트형광특성및 light emitting diode 소자구조. 4) 멤리스터 (Memristor) 페로브스카이트는기존의멤리스터들과달리 electroforming 과정없이도낮은전압에서저저항상태 (low resistance state) 로전환이가능하며, 매우높은 on/off ratio를보인다. 본연구그룹에서는우수한메모리저항특성을 170 NICE, 제 34 권제 2 호, 2016
2005.12~2009.06 한국과학기술연구원 ( 책임연구원, 센터장 ) 2009.07~2026.02 성균관대학교화학공학부 ( 교수 ) 그림 7. Electroforming 과정없이기록삭제가능한페로브스카이트기반멤리스터소자 ( 좌 ). 페로브스카이트기반멤리스터소자의전류 - 전압곡선 ( 우 ). 실현하기위하여다양한계산식을내포하는시뮬레 이션을바탕으로가능성있는페로브스카이트물질 을포함한나노소재후보군을효율적으로설계및 선정하고있으며, 이후보군을중심으로소재를합 성하여멤리스터에적용하고있다. 또한, 정확한현 상의이해를위한메커니즘분석이수행되고있다. 박남규교수이력 그림 8. 박남규교수. 학위 1988. 02 서울대학교화학교육과학사 1992. 02 서울대학교화학과석사 1995. 02 서울대학교화학과박사 ( 무기고체화학전공 ) 경력 1996.03~1997.05 프랑스 ICMCB-CNRS( 박사후연구원 ) 1997.06~1999.12 미국 NREL( 박사후연구원 ) 1999.12~2005.12 한국전자통신연구원 ( 책임연구원 ) 수상경력 2008 이달의과학기술인상 ( 미래부 ) 2008 이달의 KIST인상 (KIST) 2008 경향전기에너지대상국무총리상 ( 경향신문 ) 2009 KIST인대상 (KIST) 2010 듀폰과학기술자상 ( 듀폰코리아 ) 국가과학기술발전기여 2013 SKKU 펠로우 ( 성균관대 ) 세계적연구수준공로 2013 국가우수연구 100선 ( 미래부 ) 페로브스카이트태양전지원천기술개발 2014 MRS 우수연구자상 ( 미국 MRS) 페로브스카이트태양전지원천기술개발 2014 WCPEC-6 우수논문상 ( 일본 ) 페로브스카이트태양전지우수연구공로 2015 Hamakawa Award (PVSEC 일본-한국 ) 페로브스카이트태양전지연구분야개척공로대표논문 (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 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 2, 2016 171
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 CH 3 NH 3 PbI 3 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(NH 2 ) 2 PbI 3, 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) 연구실적 (2011~2015) - 논문게재 : SCI(E) 75 편 ( 교신 : 55편, 공동 : 20편 ) - 학술대회논문발표 : 국내 32편, 국외 51편 - 특허 : 국내출원 10 건, 국내등록 8건, 국외출원 3 건, 국외등록 1건 H-index : 60( 구글스칼라, 2016년 2월현재 ) 기조및초청강연 MRS, ECS, TMS, HOPV, IPS 등국제학회에서기조및초청강연다수연구실구성원그림 9. 연구실구성원. 에너지변환나노소재연구실은박남규 ( 지도교수 ) 아래 Post Doc 2명, 박사과정 3명, 석박통합과정 6 명, 석사과정 1명, 학부연구생 3명등총 15인으로구성되어있다. 2015년지난한해동안 38편의논문을 SCI급국제학술저널에게재하였으며 ( 학술발표논문리스트는 http://skkuchemeng.hosting.paran.com/xe/ index.php/mid=page_abxy78), 국제학술대회발표및국제공동연구등이활발히수행되고있다. 172 NICE, 제 34 권제 2 호, 2016