에너지
LED와 레이저 – 페로브스카이트에 대한 새로운 이해가 성능 지표를 뒤흔들 수 있다
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과학자들은 페로브스카이트에 대해 더 깊이 탐구하여 전자공학, 에너지 저장, 레이저, 광전자공학, 포도당 센서 등 다양한 분야에 걸친 방대한 응용을 이해하려 하고 있습니다. 하지만 이것이 정확히 무엇일까요?
페로브스카이트는 칼슘, 티타늄, 산소로 구성된 천연 광물로, CaTiO₃ 결정 구조를 가지며 화학식은 ABX3입니다. 1839년 러시아에서 처음 발견되었습니다. 이 광물과 동일한 결정 구조를 가진 물질군도 페로브스카이트 물질이라고 불립니다.
출처: Fabre Minerals
페로브스카이트는 강유전성, 유전성, 압전성, 강열전성 등 뛰어난 물리적 특성과 촉매 활성 및 산소 전달 능력과 같은 화학적 특성을 가지고 있어 재료 과학에서 가장 중요한 구조 계층 중 하나로 꼽힙니다. 이러한 특성으로 인해 연료전지, 메모리 장치, 광전지 등에 적용될 잠재적인 후보가 됩니다.
이들은 태양광을 전기로 변환하는 태양전지에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 청정 에너지 확보와 유기 오염물 분해에도 활용됩니다.
페로브스카이트가 다양한 산업 분야를 발전시킬 잠재력이 있는 만큼, 과학자들이 이를 더 잘 이해하려는 것은 당연합니다.
원자 수준에서 페로브스카이트 이해하기: 더 나은 제어를 위해
노스캐롤라이나 주립대학 연구진은 국립 과학 재단의 지원을 받아 분자 수준에서 연구함으로써 층상 하이브리드 페로브스카이트(LHP)를 만드는 방법을 발견했습니다.
이 획기적인 발견은 LHP의 발광 특성을 전례 없는 수준으로 제어할 수 있게 하며, 레이저 및 LED 기술의 큰 발전을 이끌 수 있습니다. 또한 광전지에 사용할 다른 물질을 설계하는 데에도 가능성을 제공합니다.
연구에 따르면, 층상 하이브리드 페로브스카이트(LHP)는 차세대 에너지 및 광학 응용을 위한 유망한 반도체로 부상했습니다. 여기서 양자우물(QW)의 분포, 크기 및 방향을 제어하는 것이 매우 중요합니다.
LHP는 매우 얇은 페로브스카이트 반도체 시트들로 구성되며, 이 시트들은 얇은 유기 ‘스페이서’ 층으로 서로 구분됩니다.
여러 시트와 ‘스페이서’ 층으로 이루어진 얇은 필름이 전하를 효율적으로 빛으로 변환할 수 있기 때문에, LHP는 수년간 연구 커뮤니티의 큰 관심을 받아왔습니다. 그러나 아직도 성능 특성을 제어하기 위한 엔지니어링 방법에 대한 이해가 제한적입니다.
이를 이해하려면, 먼저 ‘스페이서’ 층 사이에 끼어 있는 반도체 시트인 양자우물부터 살펴야 합니다.
이것이 LHP에서 형성되는 층이며, 두 원자 두께의 양자우물은 다섯 원자 두께의 양자우물보다 높은 에너지를 가집니다.
분자 수준에서 에너지는 고에너지 구조에서 저에너지 구조로 흐르기 때문에, 두 원자와 다섯 원자 두께의 양자우물 사이에 세 원자와 네 원자 두께의 양자우물을 배치해 에너지가 효율적으로 흐르도록 해야 합니다.
“본질적으로 에너지가 연속적으로 하강할 수 있는 완만한 경사를 만들고자 하는 것입니다.”
– Kenan Gundogdu, 논문 공동 저자이자 NC State 물리학 교수
하지만 LHP를 연구하는 과정에서 사람들은 이상 현상에 직면했습니다. 이 이상 현상은 X-선 회절을 통해 관찰된 LHP 샘플의 양자우물 크기 분포가 광학 분광법으로 감지된 결과와 다르다는 점입니다.
논문의 교신 저자이자 NC State 대학 재료 과학 및 공학 교수인 Aram Amassian은 회절이 양자우물이 두 원자 두께이며 3차원 벌크 결정의 일부라고 나타낼 수 있는 반면, 분광법은 양자우물이 두, 세, 네 원자 두께이며 3차원 벌크 상이 존재한다는 것을 보여준다고 설명했습니다.
그래서 팀은 답을 찾기 위해 조사했습니다: 왜 두 방법 사이에 이런 불일치가 발생하는지, 그리고 LHP에서 양자우물의 크기와 분포를 어떻게 제어할 수 있는지.
실험을 통해 팀은 나노플레이트릿(NPL)이 핵심 역할을 한다는 것을 발견했습니다. NPL은 연구자들이 LHP를 만들 때 사용한 용액 표면에 자발적으로 형성되는 개별 페로브스카이트 시트입니다.
“우리는 이 나노플레이트릿이 기본적으로 그 아래 형성되는 층상 물질의 템플릿 역할을 한다는 것을 발견했습니다,” 라고 Amassian은 말했으며, 나노플레이트릿의 원자 두께가 그 아래 LHP의 두께를 결정한다고 언급했습니다.
하지만 나노플레이트릿은 안정적이지 않으며, 시간이 지남에 따라 두께가 계속 증가해 새로운 원자 층을 추가합니다.
“결국 나노플레이트릿이 너무 두꺼워져 3차원 결정이 됩니다.”
– Amassian
따라서 이상 현상은 회절이 시트의 적층은 감지하지만 나노플레이트릿은 감지하지 못하고, 광학 분광법은 고립된 시트를 감지한다는 점에서 비롯되었습니다. 그는 덧붙였습니다:
“흥미로운 점은 우리는 나노플레이트릿의 성장을 제어된 방식으로 사실상 멈출 수 있다는 것을 발견했으며, 이를 통해 LHP 필름 내 양자우물의 크기와 분포를 조정할 수 있다는 것입니다.”
이를 통해 연구자들은 높은 재현성, 낮은 임계값, 그리고 주변 환경에서의 광안정성을 위한 뛰어난 에너지 캐스케이드를 달성할 수 있습니다.
이는 레이저 및 LED 응용을 위해 전하와 에너지를 빠르고 효율적으로 전달하는 물질이라는 의미입니다.
나노플레이트릿이 LHP에서 페로브스카이트 층 형성에 중요한 역할을 함에 따라, 연구자들은 NPL을 사용해 태양전지 및 기타 광전 기술에 사용되는 다른 페로브스카이트 물질의 구조와 특성을 엔지니어링할 수 있는지 조사했습니다.
“우리는 나노플레이트릿이 다른 페로브스카이트 물질에서도 유사한 역할을 하며, 원하는 구조를 강화하고 광전 성능 및 안정성을 향상시키기 위해 해당 물질들을 엔지니어링하는 데 사용할 수 있음을 발견했습니다.”
– Milad Abolhasani, 공동 저자이자 NC State 화학 및 생물분자 공학 ALCOA 교수
따라서 팀은 NLP를 활용해 3차원 페로브스카이트의 면 방향을 제어하고, 광대역갭 태양전지의 안정성과 효율성을 향상시켰습니다.
컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 페로브스카이트 상세 인사이트
태양전지, 즉 광전(PV) 전지는 환경적 이점 덕분에 큰 인기를 얻고 있습니다. 태양 에너지는 깨끗하고 재생 가능하며 온실가스를 배출하지 않습니다. 또한 햇빛은 무한히 제공되므로 태양전지로 손쉽게 활용할 수 있습니다.
게다가 2010년 이후 비용이 최대 70%까지 크게 감소해 경제성이 높아졌습니다. 기술 발전은 성능과 수명을 더욱 향상시켰습니다.
이에 따라 전 세계 태양전지 시장은 향후 10년간 7,307억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.
태양전지는 기본적으로 햇빛을 직접 전기로 변환하는 장치이며, 실리콘과 같은 재료를 사용합니다. 그러나 과학자들은 더 효율적이고 안정적인 재료를 찾고 있으며, 페로브스카이트가 유망한 대안으로 주목받고 있습니다.
과학자들은 페로브스카이트 태양전지 기술을 오랫동안 연구해 왔으며, 최근의 발전으로 효율 기록을 경신하고 있습니다. 태양전지에서 페로브스카이트는 실리콘과 협력해 태양 스펙트럼을 더 많이 활용하고, 결과적으로 셀당 전력을 더 많이 생산합니다.
현재 스웨덴 차름스 공과대학 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션과 머신러닝을 활용해 페로브스카이트 물질이 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰을 얻어 효율적이고 안정적인 광전자 장치를 설계하고 있습니다.
머신러닝은 과학 커뮤니티에서 큰 관심을 받고 있으며, 연구자들은 이를 통해 기존 방법으로는 어려웠던 대규모 시스템을 더 오래 연구할 수 있게 되었습니다.
따라서 연구팀은 3차원보다 더 안정적인 2차원 페로브스카이트 물질들을 연구했습니다.
그들은 컴퓨터 시뮬레이션으로 물질을 모델링한 뒤 다양한 시나리오에 적용해 실험 결과를 이끌어낸 정확한 원인을 상세히 파악했습니다. 팀은 이전보다 훨씬 넓고 상세한 개요를 얻었으며, 이는 매우 얇은 층에서 각 층이 다르게 동작해 실험적으로 감지하기 어려운 경우에 특히 중요합니다.
연구팀의 일원인 Paul Erhart 교수는 “2차원 페로브스카이트가 어떻게 작동하는지에 대한 훨씬 더 큰 통찰”을 얻는 데 도움을 주었습니다.
2차원 페로브스카이트 물질에서는 무기 층이 서로 겹쳐지고 유기 분자에 의해 분리됩니다.
“우리가 발견한 것은 유기 연결자를 선택함으로써 표면 층의 원자 이동을 직접 제어할 수 있으며, 이는 페로브스카이트 층 내부 깊은 곳의 원자 움직임에도 영향을 미칩니다. 이러한 움직임은 광학적 특성에 매우 중요하므로 도미노 효과와 같습니다.”
– Paul Erhart
공동 저자에 따르면, 이 상당한 통찰은 2차원 페로브스카이트 물질의 안정성이 어디에서 오는지 이해할 수 있는 기회를 제공합니다.
“(이는) 어떤 연결자와 차원이 물질을 동시에 더 안정적이고 효율적으로 만들 수 있는지를 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.”
– 공동 저자 Julia Wiktor
다음 단계에서 팀은 “더 복잡한 시스템, 특히 장치 기능에 필수적인 인터페이스”로 나아갈 것이라고 Wiktor는 덧붙였습니다.
레이저 및 LED 기술의 발전
페로브스카이트는 태양전지를 통한 청정 에너지 생산, 광검출기 및 센서와 같은 광전자 장치, 메모리 장치 등 여러 첨단 분야에서 방대한 잠재력을 가지고 있어 많은 개발이 이루어지고 있습니다.
더 중요한 것은 페로브스카이트 물질에 대한 이해와 LHP 연구의 진전이 정밀도와 효율성이 가장 중요한 차세대 레이저 장치와 화면, 조명, 고급 디스플레이 기술에 영향을 미치는 LED 기술에 혁신을 가져올 수 있다는 점입니다.
이 물질들을 정밀하게 조정함으로써 광안정성이 향상된 보다 효율적인 레이저와 에너지 소비가 감소된 고휘도 LED를 얻을 수 있습니다.
빠르게 변화하는 기술 세계에서 레이저와 LED는 통신, 의료 기기, 제조, 에너지 효율 조명 등 다양한 산업의 기본 구성 요소가 되었습니다.
간단히 말해, 이 기술들은 현대 세계와의 상호작용 방식을 혁신했습니다. 페로브스카이트와 양자우물 구조 활용에 대한 최신 돌파구는 과학자들이 레이저와 LED 기술을 발전시키기 위해 탐구하는 여러 분야 중 하나에 불과합니다.
다음은 레이저와 LED 기술의 최근 발전 사례입니다:
레이저 다이오드는 비용 절감, 높은 광출력, 향상된 빔 거리 및 효율성을 약속합니다. 이러한 장점으로 인해 광 데이터 저장의 핵심 부품이 되고 있습니다. 레이저 다이오드의 소형화는 자율 주행 차량용 LiDAR 시스템의 발전에도 기여했습니다.
초고속 레이저는 펨토초(10⁻¹⁵초) 범위의 펄스를 방출합니다. 이는 열 손상을 일으키지 않고 정밀한 재료 가공을 가능하게 하며, 의료 수술 및 과학 연구, 특히 분자 및 원자 수준 현상 연구에 점점 더 많이 활용되고 있습니다.
머신러닝, AI, 센서를 통합함으로써 자율적으로 작동하고 효율성을 높이며 정밀도가 향상된 고급 레이저가 개발되고 있습니다.
레이저를 이용한 3D 프린팅은 레이저 광원을 사용해 재료를 선택적으로 융합해 복잡한 물체를 만드는 기술로, 레이저 기술 분야의 주요 트렌드 중 하나입니다. 적층 제조에서는 특히 섬유 레이저가 높은 출력, 효율성, 장거리에서 손실이 적은 빔 전달 능력으로 인기를 얻고 있습니다.
레이저는 식각에도 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 이를 위해 섬유, CO₂, 결정 레이저부터 다이오드 레이저 및 다이오드 펌프 고체 레이저까지 다양한 레이저가 사용됩니다. 한 사례에서는 플린더스 대학교 연구진이 저출력 레이저로 표면을 변형했는데, 이는 일반적으로 데이터 저장을 위해 고가의 고출력 레이저가 필요합니다.
다른 연구에서는 비자성 물질에 고주파 레이저 방사를 가해 실온에서 자기 효과를 생성했으며, 이는 보다 에너지 효율적이고 빠른 컴퓨터와 전자공학 혁신의 길을 열 수 있습니다.
새로운 레이저 장치는 실시간으로 사람의 피부를 분석할 정도로 고도화되었으며, 특정 부위를 정밀하게 타깃팅할 수 있습니다. 비뇨기과 분야에서 가장 주목받는 레이저 중 하나인 홀뮴(YAG) 레이저는 최근 펄스 변조 기술로 개선되었습니다. 이 기술은 펄스와 연속파 모드를 모두 지원합니다.
레이저의 진화는 맞춤형이 가능하고 강한 광학적 구속 및 향상된 빛-물질 상호작용을 제공하는 마이크로레이저를 탄생시켰습니다.
LED 분야에서는 수명이 크게 늘어나 에너지 절감에 기여하고 있습니다.
LED 기술은 특히 자동차 조명에서 가시성, 에너지 효율성, 내구성이 향상되어 안전성을 높이며, 거리 조명에서는 더 밝은 조명과 큰 에너지 절감을 제공하고 있습니다.
여기서 나노기술은 LED 효율에 큰 영향을 미칠 잠재력을 보여줍니다. 양자점은 매우 작은 결정으로, 고유한 특성을 가지고 있어 가시 스펙트럼 전반에 걸쳐 빛을 방출하도록 조정할 수 있어 색상 선택 폭을 넓혀줍니다. QD-LED는 색 정확도와 밝기가 향상되어 TV와 모니터에 널리 적용되고 있습니다.
전통적인 LED의 소형 버전인 미니 및 마이크로 LED는 디스플레이에서 더 높은 해상도, 향상된 명암비 및 에너지 효율을 제공합니다. 이들은 차세대 TV, AR/VR 기기 및 모바일 폰에 통합되어 OLED보다 훨씬 높은 밝기와 응답 속도를 제공하고 있습니다.
LED에 센서와 연결 기능을 통합함으로써 연구자들은 사용자 선호도나 환경 조건에 따라 밝기, 색상, 타이밍을 조절하는 ‘스마트 조명’ 시스템을 만들고 있습니다.
선두 기업들
이제 레이저, LED 및 청정 에너지와 같이 급속히 발전하고 있는 분야에서 페로브스카이트 물질의 돌파구가 혜택을 줄 수 있는 잠재적 투자 기회를 살펴보겠습니다.
First Solar (FSLR )은 얇은 필름 광전(PV) 솔루션에 중점을 둔 태양 기술 선두 기업입니다. 주가는 $207.75이며 연초 대비 19.35% 상승했으며, 시가총액은 220억 달러입니다. 2024년 2분기에 회사는 매출 10.1억 달러를 보고했으며 순이익은 3.494억 달러로 두 배 이상 증가했습니다. 당시 CEO인 Mark Widmar는 투자자들이 정책이 명확해지기를 기다리면서 자본 접근에 제한을 받고 있다고 언급했습니다.
FSLR 가격 차트
한편, Lumentum Holdings (LITE )는 통신, 상업 및 산업용 레이저 설계 및 제조에 관여하고 있습니다. 이 회사는 시가총액 47억 달러이며, 주가는 $69.43으로 연초 대비 31.21% 상승했습니다.
LITE 가격 차트
다음은 LED 조명 시스템의 선두 기업인 Acuity Brands, Inc. (AYI )입니다. 이 회사는 시가총액 93.8억 달러이며, 주가는 $305로 48.9% 상승했습니다.
AYI 가격 차트
Coherent, Inc.
COHR 가격 차트
레이저 기반 기술 분야의 핵심 기업인 Coherent는 재료 가공, 전자, 바이오메디컬 등 다양한 분야에 레이저를 제공합니다. 올해 주가는 132% 이상 상승했으며 현재 $105.10에 거래되고 있어 시가총액은 156억 달러입니다. EPS(TTM)는 -1.85이며 P/E(TTM)는 -54.79입니다.
회계 연도 4분기에 Coherent는 매출 13.14억 달러를 기록했으며, 2024년 6월 30일 종료된 전체 연도 매출은 47.08억 달러였으며, GAAP 기준 총 마진은 각각 32.9%와 30.9%였습니다. Rich Martucci 임시 CFO에 따르면, 이 성장의 주요 원인은 데이터통신 트랜시버 사업에서 지속적인 AI 관련 강점 때문이라고 밝혔습니다.
최근 Coherent는 연속파(CW) 분산 피드백(DFB) 레이저의 새로운 고효율 시리즈를 도입했으며, 이는 업계 표준보다 15% 높은 전력 효율을 제공합니다. 이러한 레이저는 AI 중심 데이터 센터가 요구하는 증가하는 대역폭 수요를 충족합니다. 올해 초에는 얇은 필름 태양전지의 초정밀 제조를 가능하게 하는 HyperRapid NXT 산업용 피코초 레이저도 출시했습니다.
결론
페로브스카이트 물질은 효율성, 비용 효율성, 유연성, 얇음, 이동성 및 광흡수 능력 덕분에 매우 가치가 높습니다. 따라서 이러한 물질에 대한 보다 깊고 폭넓은 이해를 빠르게 발전시키는 것은 차세대 레이저 및 LED 기술에 대한 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.
양자우물의 구조와 거동을 제어함으로써 연구자들은 보다 효율적인 에너지 전달, 높은 안정성 및 향상된 발광 특성을 위한 길을 닦고 있습니다. 이러한 돌파구는 페로브스카이트를 다양한 산업 분야의 게임 체인저로 만들 수 있으며, 연구가 지속됨에 따라 청정 에너지, 디스플레이 기술 및 레이저 응용 분야를 혁신할 잠재력을 가지고 있어 재료 과학의 핵심이 되고 있습니다.
