Special 소재/소자 AI/데이터 활용 기술 현황과 전망(2)

페로브스카이트 광에너지 변환 화학 소재를 활용한 데이터 구축 및 Al 활용 연구 동향

노주환_한국화학연구원 선임연구원

이재희_한국과학기술원 석박통합과정

이현준_한국과학기술원 석사과정

이예리_한국화학연구원 선임연구원

임진오_한국화학연구원 책임연구원

서장원_한국과학기술원 부교수

1.    서론

현대 과학 기술의 발전은 한계를 뛰어넘는 새로운 소재의 발견과 개발로 가능해진다. 그 중에서도 페로브스카이트(perovskite)는 광전 화학 소재 분야에서 미래를 밝히는 가장 주목받는 혁신 소재 중 하나로 손꼽힌다. 19세기 러시아 광물학자인 레프 페로브스키(Lev Perovski)의 이름을 딴 이 소재는 특정 광물에서 유래했으나, 오늘날에는 동일한 결정 구조를 가진 다양한 합성 소재를 아우르는 개념으로 확장되었다. 페로브스카이트 화학 소재는 그 자체로도 흥미롭지만, 이 소재가 열어가는 무한한 가능성 때문에 더욱 많은 관심을 받는다. 페로브스카이트 화학 소재는 ABX3(A: 유기물 양이온, B: 금속 양이온, X: 할로젠 음이온)의 결정구조를 가지는 물질이고, A 위치의 1가 양이온 (FA+, MA+, Cs+), X 위치의 1가 음이온(I-, Br-, Cl-) 및 2가 양이온(Pb2+, Sn2+)의 화학 종별 비율에 따라 다양한 조성을 설계할 수 있고, 결정 및 차원 제어, 박막화 공정 등에 따라, 다양한 전기-광학적 물성을 제어할 수 있다. 높은 흡광 계수, 긴 전하 이동 길이, 우수한 전하 이동도, 결함에 대한 내성 능력 등의 우수한 광전기적 특성 덕분에 페로브스카이트 화학소재는 디스플레이, LED, 센서, 반도체와 같은 다양한 광전 소자에서 새로운 소재로 연구되고 있으며, 특히 광에너지 변환 산업에서 크게 주목받고 있다. 

  최근에는, 이 소재가 태양광 발전 분야에서 혁신의 중심에 자리 잡으며 실리콘 기반 태양전지를 대체하거나 보완할 유력한 후보로 떠오르고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 이미 26.7%의 높은 광전 변환 효율을 기록하고 있고 실리콘-페로브스카이트 태양전지는 34.6%에 이르고 있다. 페로브스카이트 소재 기반 태양전지는 값싼 전구체와 다양한 첨가제를 활용하고, 저온-용액 공정이나 증착을 통해 다양한 기판 위에 쉽게 구현할 수 있다. 따라서, 가벼우면서도 얇고 유연한 필름 형태로 만들어질 수 있어 다양한 응용이 가능하다.

  페로브스카이트 화학소재는 단순한 신소재가 아니라, 지속 가능한 미래를 위한 열쇠와도 같다. 이 소재가 열어가는 가능성은 에너지 산업을 넘어 환경, 경제, 그리고 기술 전반에 걸쳐 긍정적인 변화를 불러올 것으로 예측된다. 이처럼 페로브스카이트는 차세대 태양전지 분야의 '게임 체인저'로 불리며, 전 세계 연구진과 기업들의 관심을 끌고 있다. 하지만 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있다. 특히, 기존 응용 외에, 자동차, 이동성 전자 기기, 드론, 도심항공모빌리티 및 우주항공 등 미래 모빌리티 분야에 활용하기 위해서는 고내구성, 고안정성, 및 고유연성을 동시에 만족하는 소재의 구현이 필요하다. 최근에, 데이터를 활용한 인공지능(AI)이 페로브스카이트 신규 소재 개발과 소자 설계 및 제작 공정에서 연구의 가속화 측면에서 핵심적인 역할을 할 수 있음이 입증되면서 크게 주목을 받고 있다. 

  따라서 본 기고문에서는 광에너지 변환 소자를 위한 페로브스카이트 화학소재의 개발과 데이터 (그림 1) 구축 및 AI 활용 연구를 소개하고자 한다. 

그림 1. 데이터와 AI 모델을 활용한 고성능(고효율, 고내구성, 고유연성)의 소재 구현

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