신소재공학부 김한기 교수 연구팀, 진공스퍼터링으로 페로브스카이트 태양전지 양산 가능성 규명

- 페로브스카이트층이 플라즈마에 어떤 영향을 받는지 세계 최초 규명

- 차세대 고효율 태양전지 ‘완전 진공 공정’ 상용화 기반 마련

▲  (왼쪽부터) 교신저자 신소재공학부 김한기 교수, 주저자 임도하 연구원

신소재공학부 김한기 교수 연구팀이 현대자동차그룹, 포스텍(POSTECH), 강원대학교와 공동으로 차세대 태양전지 소재인 '페로브스카이트(perovskite)'를 진공 스퍼터링(sputtering) 방식으로 넓게 만들어낼 수 있는 핵심 원리를 세계 최초로 규명했다. 이번 연구는 에너지 소재 분야의 세계 최고 권위 학술지인 [Advanced Energy Materials] 온라인판에 게재되었으며, 향후 전 과정을 진공 상태에서 만드는 차세대 태양전지 상용화의 핵심 전환점이 될 것으로 기대된다.

▲ 용액 공정과 진공 공정 기반 페로브스카이트 박막 형성 방식 비교 모식도.

기존의 실리콘 태양전지를 이어받을 차세대 ‘꿈의 태양전지’로 불리는 페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 효율이 26%를 넘어서며 큰 주목을 받아왔다. 하지만 지금까지는 액체 상태의 물질을 회전시키며 뿌려서 굳히는 ‘액체 공정(스핀코팅)’에 주로 의존해 왔다. 이 방식은 실험실처럼 작은 크기로 만들 때는 유리하지만, 공장에서 넓은 면적으로 대량 생산할 때는 균일하게 만들기 어렵고 똑같은 품질을 유지하기 힘들다는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 현재 반도체나 디스플레이 공장에서 흔히 쓰이는 ‘진공 스퍼터링 공정’에 주목했다. 스퍼터링은 진공 상태에서 강한 에너지를 가진 플라즈마(기체 입자)를 부딪쳐 물질을 아주 얇고 고르게 입히는 기술이다. 이 방식은 넓은 면적에 똑같은 두께로 물질을 입히기 좋아 대량 생산에 매우 유리하다. 그러나 유기물과 무기물이 결합한 복잡한 구조인 페로브스카이트는 플라즈마의 강한 충격을 받으면 쉽게 부서지고 성질이 변해 그동안 실제 공정에 적용하기가 매우 어려웠다.

김한기 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 소재의 기초가 되는 결정(알갱이) 형태부터 새롭게 디자인했다. 연구팀은 품질이 아주 높은 단결정(내부 구조가 일정하게 정렬된 결정) 물질을 직접 만든 뒤, 이를 이용해 스퍼터링에 쓸 수 있는 단단한 판(타깃)을 제작했다. 기존 방식처럼 여러 가루를 단순히 섞은 것이 아니라, 화학적으로 성분이 똑같고 균일한 단결정을 사용함으로써 재료의 안정성을 대폭 끌어올렸다.

▲ Anti-solvent vapor-assisted crystallization (AVC) 공정 동안 시간에 따른 MAPbI3 단결정 성장 과정.

▲ MAPbI3 단결정을 분말화하고 저온 압축하여 페로브스카이트 스퍼터링 타겟을 제작하는 과정 (좌). 저온 압축 공정을 통해 제작된 MAPbI3 기반 페로브스카이트 스퍼터링 타겟 (우).

이어 연구팀은 스퍼터링 과정에서 발생하는 플라즈마가 페로브스카이트 표면에 어떤 변화를 주는지 실시간으로 정밀 분석했다. 그 결과, 플라즈마의 충격 때문에 페로브스카이트 속의 특정 성분(유기물과 아이오딘)이 서서히 사라지며 구조가 변한다는 사실을 밝혀냈다. 이는 지금까지 전 세계 과학계가 풀지 못했던 “왜 페로브스카이트에 스퍼터링 기술을 쓰면 성질이 망가지는가?”에 대한 근본적인 원인을 세계 최초로 명쾌하게 설명해 낸 쾌거다.

▲ 실제 RF 마그네트론 스퍼터링 중 형성된 플라즈마 방전 모습(좌)과 MAPbI3 타겟–기판 사이에서 형성되는 RF 플라즈마 구성 및 플라즈마–페로브스카이트 상호작용 모식도(우).

▲ Ar⁺ 이온 충돌(좌)과 광자 조사(우)에 의한 MAPbI3 타겟 분해 메커니즘 모식도.

이번 연구는 스퍼터링 기술을 활용한 페로브스카이트 태양전지 제조의 걸림돌을 찾아내는 동시에 대량 생산의 가능성을 파악했다는 점에서 의미가 크다. 특히 액체 용매를 전혀 쓰지 않아 친환경적이며, 우리나라가 세계 최고 수준의 경쟁력을 가진 기존 반도체와 디스플레이 공장의 진공 장비 인프라를 그대로 활용할 수 있어 산업적 가치가 매우 높다.

연구를 주도 신소재공학부 김한기 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트가 진공 플라즈마 환경에서 어떻게 분해되고 변하는지를 과학적으로 증명한 첫걸음”이라며, “향후 공장에서 태양전지를 대량 생산할 수 있는 중요한 밑거름이 될 것이며, 우리나라의 반도체 공정 인프라를 태양전지 생산에 그대로 접목할 수 있다는 점에서 산업적 파급 효과가 엄청날 것”이라고 연구의 의미를 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구과제 지원과 현대기아자동차 산학과제, 그리고 경기도 지역협력연구센터(GRRC)의 후원을 받아 수행되었으며, 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, 인용지수: 26.0)’ 5월 22일 자 온라인판에 정식 게재되었다.

※ 논문명: Sputtering Mechanism of an Unsintered Organic–Inorganic Sputtering Target for Perovskite Solar Cells

※ 학술지: Advanced Energy Materials (Impact Factor: 26.0)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/aenm.71109