한국연구재단은 최현용 교수(연세대) 연구팀이 레이저 빛이 흡수되는 특정영역의 에너지 준위(원자 및 분자 시스템이 갖는 에너지 값)를 제어하는데 최초로 성공했다고 밝혔다.
레이저를 통해 만든 빛은 전자기장이 특정한 방향으로 진동하는 편광 현상이 나타난다. 이 편광 현상을 통해 물질의 에너지 준위를 조절한다면 새로운 고속 동작 광소자의 제작이 가능하지만 현재까지 이 기술은 개발되지 않았다.

연구팀은 이황화레늄(ReS2) 물질이 빛의 편광 방향에 따라 에너지 준위가 다른 두 개의 엑시톤을 가지는 것을 착안하여, 그동안 불가능했던 에너지 중첩이 없는 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어하는 데에 성공했다. 이로써 빛 편광 제어 광 스타크 효과를 통해 두 개의 엑시톤 준위를 선택적으로 제어할 수 있게 된 것이다.

최현용 교수는 “이 연구는 초고속 레이저의 편광을 조절하여 수백 펨토초라는 짧은 시간 동안 물질의 두 엑시톤 에너지를 선택적으로 제어하는 기술을 개발한 것이다. 펨토초 스위치, 광센서, 초고속 광통신 등에 적용되어 무인자동차, 로봇공학, 의료, 군사기술 등에 응용될 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구사업(개인연구), 기초연구실육성사업, 글로벌프론티어지원사업의 통해 이루어졌으며, 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2016년 11월 18일자에 게재되었다.

- 용어설명 -
* 광 스타크 효과(Optical Stark Effect)
-> 에너지 밴드갭(Band Gap)을 가지는 반도체에 밴드갭 보다 낮은 에너지를 가지는 강한 빛을 입사하면 빛의 흡수가 일어나지 않는다. 그러나 빛과 물질의 결맞음 상호작용에 의해 순간적으로 에너지 준위가 벌어지게 되는데, 이를 광 스타크 효과라 한다.

* 엑시톤
-> 반도체 물질이 빛을 흡수했을 때 그 에너지가 자유전자와 정공 쌍을 만들게 되는데, 이 전자와 정공이 강한 인력으로 결합하여 만들어지는 입자를 엑시톤이라 한다. 태양 전지, 광 탐지기 등의 여러 광전자 소자를 동작시킬 때 매우 중요한 역할을 하는 핵심 입자이며, 엑시톤에 의한 광학적 특성은 원자 두께의 물질에서 더욱 두드러지게 나타난다.

* 펨토초 레이저 시스템
-> 초고속 레이저 펄스를 생성하는 레이저 시스템으로, 펨토초(1000조 분의 1초) 단위의 펄스폭을 갖는 빛을 발생시킬 수 있다.

* 초고속 광학적 분광법
-> 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 물질 내에서 일어나는 매우 빠른 광전자 현상을 측정하는 기술로, 최 교수 연구팀은 이를 통해 광 스타크 효과를 관측했다.

원자두께 ReS2 및 실험 모식도(左), 초단파 레이저의 편광을 이용한 엑시톤 에너지 준위의 선택적 제어(右) : 원자두께 이황화레늄은 특정한 방향으로 원자배열의 결이 있어 빛의 편광에 따라 각기 다른 엑시톤이 반응한다. 오른쪽 그림과 같이 엑시톤의 에너지 준위는 초단파 레이저의 편광을 이용하여 선택적으로 제어할 수 있다.

★ 연구 이야기 ★

최현용 교수

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 본 연구는 2016년 1월부터 시작했다. 최근 원자두께 물질 분야에서 새로운 광학적 특성을 발견하고자 하는 관심이 급증한 것과 동시에 기존의 광센서들을 넘어선 초고속 반도체 센서를 제작하고자 하는 계기로 본 연구를 시작하게 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 2011년 연세대학교 부임 이래로 지난 6년간 자체적인 초고속 펨토초 레이저 시스템과 분광법 측정 시스템을 구축해 왔다. 이 연구는 그동안 쌓아온 펨토초 레이저 분광법에 대한 노하우를 집약하여 진행했다. 이와 더불어 지난 2년간 초박막 샘플 제작 및 소자 공정 시스템에 많은 시간과 연구비를 투자해 이번 연구에서는 자체적으로 제작한 초박막 샘플을 이용하여 실험을 할 수 있었다.
 
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 처음 측정하고자 하는 샘플은 원자 두 층짜리 박막으로 측정되는 신호의 크기가 매우 작아서 측정할 때 고생했고 신호를 해석하는데 어려움이 있었다. 이와 관련하여 논문 심사 과정에서도 측정된 신호의 크기가 지나치게 작다는 것 지적에 대한 답변을 쉽게 할 수 없었다. 이에 해결하기 위해 조금 더 두꺼운 박막의 샘플을 제작하고 실험 온도를 변화시키는 등 여러 시도를 한 끝에 만족할만한 데이터를 얻을 수 있었고, 그 결과 리뷰어를 만족시켜 논문 심사를 통과할 수 있었다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 기존 광 스타크 현상은 한 개의 에너지 준위를 제어하는 데에 국한되어 실제적인 광소자 제작의 한계가 있었다. 그러나 이번 연구는 에너지가 다른 엑시톤 준위에 대하여 선택적으로 광 스타크 효과를 일으켰고, 이를 이용하면 빛의 주파수에 따라 선택적인 제어가 가능한 초고속 광소자 제작이 가능하다는 것에 차별성이 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.
A. 근적외선 영역보다 에너지가 낮은 테라헤르츠 파를 이용하여 ReS2 단일 박막의 엑시톤 준위를 분석하고자 한다.

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 데이터 측정 시 데이터의 일관성을 위해서 며칠을 밤새며 연속적으로 찍어야 했다. 두 명의 공동1저자가 데이터 측정을 교대로 일주일 가까이 2교대로 쉼 없이 실험을 했는데 지금 생각해도 매우 힘든 과정이었다.

한국연구재단은 이현정 교수(국민대) 연구팀이 다공성 구조의 환원된 산화그래핀 필름을 새롭게 개발하여 열을 전기로 바꾸는 에너지의 발전 효율을 약 1,200배 증가시키고 2차원 구조 에너지 전달체의 한계를 벗어났다고 밝혔다.

탄소 원자로 이루어진 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막이다. 전기 전도도가 매우 우수하며 밀도가 작고 쉬운 추출과 가공 공정이 가능하여 ‘꿈의 소재’라 불린다. 기존의 무겁고 가공이 어려운 무기 열전재료를 대체할 수 있기 때문이다.

그러나 그래핀은 전기 전도도가 우수한 만큼 열 전도도도 높으므로 열전 성능지수(ZT)가 낮다. ZT를 높이기 위해서는 높은 전기 전도도를 가지면서 낮은 열 전도도를 가져야 한다.
열 전도도를 낮추기 위해서는 재료 내 전자의 밀도를 낮춰야 한다. 그러나 전자의 밀도를 떨어뜨리면 열 전도도와 동시에 전기 전도도도 떨어져버려 소자 성능 향상과 멀어진다. 특히 유기 재료의 전기 전도도를 높이면서 열 전도도를 떨어뜨리는 기술은 제한적이다.

이현정 교수팀은 ZT 성능을 높이기 위해 산화 그래핀과 고분자 콜로이드 입자를 이용하여 다공성 구조의 그래핀 필름을 개발했다. 교수팀은 다공성 구조 그래핀 필름의 열-에너지 전환 발전 효율이 약 1,200배 증가했음을 ZT를 통해 확인했다.

다공성 구조는 공극(구 형태의 빈 공간)을 통해 열 전달 현상을 효율적으로 제어가 가능하다. 전자는 상호 연결된 구조로 쉽게 전달되지만, 열은 공극으로 인해 전달이 어렵다.

이처럼 열 전도도가 낮은 패치형 소자는, 온도 차이를 이용해 효율적으로 전기 생산이 필요한 다양한 디바이스에 응용 가능성이 많아진다. 패치의 양면 온도 차이의 격차가 크면 클수록 그에 비례하여 전기 발생률이 높아지기 때문이다.

또한 다공성 구조 내 공극의 생성으로 그래핀의 2차원적 구조적인 한계를 벗어났다. 그래핀은 2차원 나노 물질의 패치형 에너지 소자이다. 때문에 이방성을 가지므로, 웨어러블 디바이스에 적용 시 본래의 기대 성능을 떨어뜨린다.

그러나 교수팀은 공극을 이용해, 그래핀을 3차원적 전자 전달 구조와 가깝게 변형시켰다. 이는 다양한 물리적 방향을 갖는 웨어러블 디바이스 등에 활용이 용이하다.
교수팀은 간단한 열처리를 통한 산소 제거 과정을 통해 다공성 구조의 그래핀 필름을 효율적으로 제작할 수 있었다.

제작된 산화 그래핀/폴리스티렌 필름을 열처리 후 산소를 제거해, 폴리스티렌 입자를 분해시켜 다공성 구조가 만들어진 것이다.
또한 열처리 중 폴리스티렌 입자 내의 탄소원자를 질소 원자로 대체시켰다. 전자가 하나 더 증가한 질소원자로 인해 전자 밀도가 높아져 전기 전도도가 상승했다.

이현정 교수는 “다공성 구조의 그래핀 필름은 효율적 열 전도도의 감소로 열전 성능을 향상시켰으며, 공정 과정도 열처리로 간편화하여 웨어러블 디바이스 에너지 소자 등으로 폭넓은 응용이 용이해졌다”라며 “해당 재료를 이용해 향후 웨어러블 소형 발전기 제작을 목표로 추진하고 있다”고 덧붙였다.

미래창조과학부·한국연구재단 기본연구사업 및 선도연구센터지원사업의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 미국 화학회의 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’지 온라인에 지난 2016년 10월 24일에 게재되었다.

질소가 다량으로 포함된 고분자 콜로이드 입자와 산화그래핀을 이용하여 필름 형태로 제작 후 열처리를 함으로써, 다공성 구조로 인한 열전도도의 감소를 유도함과 동시에 질소원자의 치환으로 인해 전자의 농도를 증가시켜 전기적 특성을 향상시켜 열을 전기로 바꾸는 에너지 소자의 특성을 향상시켰다.

★ 연구 이야기 ★

이현정 교수

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 웨어러블 디바이스의 등장과 함께 배터리 문제가 지속적으로 증가하고 있는 상황이다. 이러한 관점에서 열-전기(thermoelectrics) 에너지 발전 연구는 많은 주목을 받고 있다. 하지만 기존 열-전기 에너지 변환 소재는 무기 재료 기반으로써 비용적인 측면과 높은 밀도로 인해 웨어러블 디바이스에 응용하기에는 한계점이 있다. 이를 보완하기 위해 전기적 특성이 우수하고 가볍게 제작할 수 있는 탄소 소재를 이용한 연구가 필요하다고 판단하여 연구를 시작하게 되었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 그래핀의 경우 ‘꿈의 소재’로 알려져 전기적 특성이 우수한 것으로 알려져 있지만, 또한 열전도도도 우수하여 열-전기 에너지 변환 소재로써 한계점이 보였다. 이를 극복하기 위해 다공성 구조로 제작을 하면 열전도도를 감소시킬 수 있다고 판단해, 콜로이드 입자와 산화 그래핀을 통해 다공성 구조의 필름을 제작했다. 또한 콜로이드 입자 표면에 질소원자를 가지고 있는 양전하 고분자 입자를 제작함으로써 환원시키는 과정을 통해 질소 원자가 치환되어 전자의 농도를 증가시키는 영향을 보여주었다. 따라서 열전도도 감소와 전기적 특성 향상을 통해 기존 그래핀 필름에 비해 약 1,200배 향상된 필름을 제작할 수 있었다.
 
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 아직까지는 열전소자의 특성을 측정할 수 있는 장비가 국내에서 매우 제한적이기 때문에, 여러 가지 물성을 바로바로 측정하는데 어려움이 있었다. 국내 여러 기관을 방문해 측정했지만, 샘플의 보관 및 측정방법의 변형 등에 많은 제한이 있어 노력과 시간이 많이 투자되었다. 따라서 이에 대한 꾸준한 연구비 투자가 필요하다고 생각된다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 산화 그래핀과 고분자 입자를 이용하여 단순 열처리 공정을 통해 다공성 구조를 제작함과 동시에, 기존의 도핑방법이 아니라 단순한 고분자입자와의 열처리방법을 통해 그래핀 소재의 전자의 농도를 조절할 수 있었다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은.
A. 본 연구를 토대로 탄소 기반의 열-전기 에너지 변환 소재에 대한 가능성을 이용하여 실제 온도차를 통해 전기에너지로 변환시킬 수 있는 웨어러블 소형 발전기를 제작하는 목표를 가지고 있다.

나노총알 모양의 새로운 나노 광촉매 소재

식물 잎의 광합성을 모방하여 수소와 화학연료를 생산하는 인공광합성 기술은 미래 대체 에너지원을 개발한다는 의미에서 관심을 받고 있다.

한국연구재단은 용기중 교수·장현명 교수(포항공대), 이재성 교수(울산과학기술원) 공동연구팀이 인공광합성의 핵심기술인 새로운 나노 광촉매 기술을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 것은 대표적인 광촉매 이산화티타늄의 결정구조 중 제3의 결정구조인 브루카이트(Brookite)로, 이는 자연적으로 매우 희귀하고, 합성이 어려운 특징이 있어 연구가 거의 이루어지지 않았다. 연구팀은 간단한 용액반응을 이용하여 독창적인 구조의 브루카이트 나노소재를 성공적으로 합성할 수 있었다. 또한 합성된 나노총알 모양의 브루카이트 광촉매를 수소 도핑하여 전기적 특성을 향상시켰으며, 이를 통해 인공광합성 광전극으로서 매우 우수한 특성을 나타냄을 밝혀냈다.

특히 기판 위에 나노광촉매를 직접 합성함으로써 광촉매의 회수가 쉽도록 하고, 전극소재로의 활용이 매우 편리하며, 지금까지 많이 연구되지 않은 새로운 결정구조의 나노 광촉매를 개발했다는 점에서 활용의 폭을 넓혔다. 

용기중 교수는 “이 연구 성과는 새로운 나노 광촉매를 개발할 수 있는 원천기술을 개발한 것이다. 친환경적으로 유해물 분해가 가능하고, 회수가 쉽기 때문에 향후 인공광합성을 통한 수소 생산 및 화학연료 제조 등 대체에너지 생산 및 친환경 분야 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구를 통해서 새롭게 합성된 브루카이트 나노 광촉매는 인공광합성을 통한 수소생산 효율을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 또한 그 동안 거의 연구되지 않았던 이산화티타늄의 제3의 결정구조를 단결정의 고품질 나노소재로 합성하고 최초로 광전류를 측정하여 물질의 특성을 밝혔다는데 학술적 의의가 높다. 인공광합성 외에 브루카이트 나노 광촉매는 오염물질 분해 등 다양한 친환경 분야에도 활용가능성이 높을 것으로 기대된다.

이 연구성과는 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행되었으며, 국제적인 학술지 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 10월 26일자에 게재되었다.

폴리에틸렌디옥시오펜:폴리스티렌술폰산/폴리아닐린 다층 박막 구조 (a)상호 박막 간에 발생하는 전하이동 (b)다층 박막의 계면 (c, d)상호 계면에서 물리·화학적 반응

한국연구재단은 조지영 교수(광주과학기술원) 연구팀이 신재생 에너지로 주목 받고 있는 유연한 열전소자의 전도율을 높여 전압을 높이는 새로운 제조법을 개발했다고 밝혔다.

신재생 에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로, 열전소자는 물질에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전자와 같은 이동자는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 되며 이렇게 열에 의해 이동하는 이동자로부터 물질은 전압을 발생시킨다.

유연한 열전소자는 버려지는 열을 전기로 바꿀 수 있어 신재생 에너지원으로 최근 각광받고 있다. 유연한 열전소자는 휘어지는 특성이 있어 의복 등 일상생활에서 착용이(Wearable) 가능하고 비닐하우스에서 활용할 수 있다. 하지만 유연한 열전소자는 전기 전도도가 낮아서 전기가 잘 전달되지 않는 문제점이 있다. 연구팀은 유기 열전 소자 전기전도도와 열을 전기 에너지로 바꾸는 전환율을 높게 하여 유기 다층 박막 구조를 도입으로써 열전소자 개발이 가능함을 제시했다.

연구팀은 전기 전도도와 제벡 계수 사이에 반비례 관계가 거의 없는 유연한 유기물을 도입하고, 더 나아가 다층으로 쌓아 전기 전도도를 높였다. 또한 세계 최초로 한 층이 20나노미터(nm) 이하인 서로 섞이지 않는 서로 다른 종류의 유기 박막을 번갈아가며 쌓은 유기 다층 박막을 도입하여 소자의 전기 전도도와 효율을 동시에 향상시켰다. 

조지영 교수는 “이번 연구 결과는 그 동안 효율 향상이 어려웠던 열전소자 효율을 유연한 다층 유기물 박막이라는 새로운 소자 구조 개발을 통해 향상시킨 것이다. 의복이나 비닐하우스처럼 유연하면서도 버려지는 작은 열에너지를 전기로 전환해서 다른 소자를 충전하도록 사용하는 하베스팅 기술에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

이번 연구결과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었고, 환경과학 분야 세계적인 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science) 8월 31일자에 게재되었으며 표지 논문으로 선정되었다. 

구리나노입자의 낮은 레이저 흡수 반응에 의한 광 투과깊이 확장 현상과 그에 따른 구리나노입자의 무산화 동시 소결 반응 원리 개략도 (사진. 한국연구재단)

전자제품에서 볼 수 있는 복잡한 전자 회로. 이 전자 회로를 연결하는 배선은 대부분 구리로 만든다. 현재 구리배선을 친환경적이면서 간단하고, 전자제품 소형에 따라 미세하게 개발해야 하는 난제를 안고 있다. 최근 이를 해결할 수 있는 원천기술이 개발되었다.

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원을 받은 강봉철 교수(금오공대), 양민양 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 “구리 나노입자에 흡수율이 낮은 광원을 사용하여 누구나 쉽게 다양하고 자유롭게 설계가 가능하고, 치밀하고 전류흐름이 매우 높은 구리 배선을 제작하는 단일 공정 기술을 개발했다.”고 밝혔다.

연구팀은 금속 나노입자에 흡수율이 낮은 레이저 광원을 사용하는 것이 깊고 균일한 소결반응을 일으킬 수 있고 광원도 저렴하기 때문에 보다 효과적일 것이라는 가설을 세우고 연구에 들어갔다.

연구결과, 고순도 구리 나노입자에 저렴한 광통신용 레이저를 사용하여 원하는 부분만 순간적으로 빠르게 녹이고, 응집시켜 누구나 쉽고 자유롭게 설계가 가능하며, 습기가 많은 공기 중에서도 산화 없이 연속적인 미세 구리막을 형성할 수 있음을 실험적으로 밝혔다. 

연구팀이 개발한 구리 배선은 유독한 화학공정과 높은 에너지를 요구하는 공정이 필요 없다는 면에서 친환경적이다. 현재 상용되는 구리 배선은 유독한 화합물질이 포함되어 있거나, 전류소비가 많아 에너지 소비가 높기 때문이다.

연구팀은 이 공정 원리의 실제 산업적인 유용성과 가능성을 살펴보기 위해 스마트 기기용 투명 터치패널 제작에 적용한 결과, 단일층 구리 기반의 눈에 보이지 않을 정도로 매우 미세한 구리선을 만들어 플렉서블 터치 패널 구조를 개발하는데 성공했다. 이는 기존에 희토류를 이용하여 5~6겹의 복잡한 구조로 되어 있는 모바일 기기용 터치패널을 대체할 수 있을 것이라고 연구팀은 설명했다.

강봉철 교수는 “이 연구성과는 단일공정으로 고전도, 고밀도, 고집적의 구리배선을 제작하는 원천기술을 개발한 것이다. 향후 모바일/웨어러블 기기 등의 적용 가능성을 한 단계 높였다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 재료분야의 국제적 학술지인 케미스트리 오브 머터리얼즈 6월 28일자에 실렸다.

차원 제어 페로브스카이트의 단위 격자구조와 형광 성질 분석 (a)페로브스카이트 차원 제어의 모식도 (b)각각 다른 차원 제어 페로브스카이트를 활용한 엘이디 소자 구조의 모식도 (c)차원 제어 페로브스카이트의 형광 효율 경향 그라프에서 이 3 혹은 5에 가까울 때 형광 효율이 가장 높음 (d)조사광의 세기에 따른 차원 제어 페로브스카이트 형광 효율 변화도 그라프에서 조사광의 세기가 커짐에 따라 형광 효율도 현저히 커짐 (사진. 한국연구재단)

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 김동하 교수(이화여대)·에드워드 사전트 교수(캐나다 토론토대) 공동연구팀이 페로브스카이트(천연광물인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO3)와 같은 결정 구조를 갖고 있는 유기-무기-할로겐(AMX3) 유형의 화합물) 신소재로 밝은 빛을 내는 LED 기술을 개발했다고 밝혔다.

기존의 3차원 구조 하이브리드 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전하 운반능력이 뛰어나 전기적 성질이 우수한 반면 형광효율이 낮다. 이러한 특징으로 인하여 최근 페로브스카이트 태양전지에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 LED 응용에 관련된 연구결과 들은 많이 보고가 되지 않았다. 하지만 페로브스카이트 LED는 일반 LED와 OLED에 사용되는 소재보다 저렴하고, 높은 색순도를 가지고 있어 많은 연구가 진행 중이다.

연구팀은 형광 효율이 낮은 페로브스카이트 단점을 차원 제어 공정 개발을 통해 엑시톤(절연체나 반도체에 있어서 전도대에 여기(勵起)된 전자와 가전자대에 남아 있는 정공이 쿨롱 인력으로 결합하여 1쌍이 되어 있는 중성의 준입자(準粒子)를 형성한 것) 결합에너지 제어, 박막 내 페로브스카이트 결정 사이에서의 에너지 전달을 효과적으로 제어함으로써 형광효율을 높였다. 

연구결과, 빛의 밝음을 나타내는 척도인 광휘(특정한 면적을 복사하고 있는 광원의 강도를 측정할 때 광원의 미소 면에서 관측방향의 미소 입체각 내에 복사되는 강도의 그 면과 그 방향에 대한 정사영 면적당의 양)는 80Wsr(스테라디안)-1m-2에 달하고, 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 소자의 발광 효율은 8.8%로 나타났다. 연구팀은 이 밝기는 현재까지 전 세계적으로 보고된 페로브스카이트 기반 LED 중에서 가장 우수하며, 자외선에서 가시광선 영역 대에서의 파랑, 초록 등 다양한 색상의 빛을 내는 LED도 개발할 수 있는 가능성을 열었다고 설명했다.

김동하 교수는 “이 연구성과는 페로브스카이트를 제어하여 LED에 적용한 최초의 연구를 보고한 것으로 향후 전자, 의료, 통신기기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 국제적 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 6월 27일자에 게재되었다.

한국연구재단은 고효율의 인쇄형 적층 유기태양전지 제작 공정을 크게 줄인 새로운 인쇄 기술을 개발했다고 밝혔다.

유기태양전지는 기존의 실리콘과 같은 무겁고 부서지기 쉬운 무기물 기반 태양전지와 달리 가볍고 유연하여 휴대하기 쉬운 장점이 있다. 또한 용액 공정이 가능하여 값 싼 비용으로 신문을 찍어내듯 연속적으로 생산할 수 있는 넓은 면적의 인쇄 공정이 가능하다. 그래서 웨어러블 및 휴대용 전자기기의 전원으로 사용될 차세대 저가형 신재생 에너지원으로 각광받고 있다.

이에 연구팀은 고분자 전해질인 폴리에틸렌이민(PEI)과 광활성 물질을 혼합한 나노혼합물을 적층형 유기태양전지에 적용했다. 나노혼합물은 구성하는 물질들 간의 표면 에너지 차이로 인해 자발적인 수직적 상 분리가 발생했다. 그로 인해 기능층(PEI)과 광활성층을 한 번의 인쇄 공정으로 형성할 수 있었다.

일반적인 단일층 유기태양전지는 양 전극을 제외하고 3개 이상의 주요 구성층들로 이루어진다. 2개의 단일층 유기태양전지를 쌓은 형태인 적층형 유기태양전지는 6개 이상의 주요 구성층들이 필요하고, 이를 제작하기 위해 6번 이상의 공정 단계가 필요하다.

반면 연구팀의 나노혼합물의 자가 조립 현상을 이용하면 여러 공정이 각각 한 번의 인쇄 공정으로 가능하다. 때문에 총 4번의 공정 단계로 적층형 유기태양전지를 제작할 수 있어 제작 단가가 크게 절감할 수 있다. 나노혼합물을 이용하여 제작된 적층형 유기태양전지는 세계에서 인쇄 공정으로 제작된 적층형 유기태양전지 중 가장 단순한 구조를 가진다.

또한 성능적인 측면에서는 9.1%의 높은 광변환 효율을 달성하여 유기태양전지 상용화를 위한 효율 기준치인 비결정성 실리콘 기반의 무기태양전지 효율(최대 약 10%)에 근접하는 성과이다. 

아울러 나노혼합물의 자발적인 상 분리를 이용하는 새로운 인쇄 기술은 유기태양전지뿐만 아니라 이와 유사한 소자 구조를 가지는 미래의 구부러지는 전자 기기에 쓰일 유기 전계효과 트랜지스터와 OLED 면광원 등 전반적인 유기 전자소자의 제작 공정에도 적용될 수 있다.

한편 이광희 교수는 “이번 연구성과는 인쇄 기법을 통해 고효율의 적층형 유기태양전지의 생산 공정 단계를 크게 줄여 단순화시켰기 때문에 공정비용이 크게 절감될 것이며, 이는 유기태양전지 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 전했다.

수소 발생을 이용한 산화물 반도체 전기전도도 조절 성공
- 고효율 투명 전극 개발 가능성 열어

한국연구재단은 국내 연구진이 금속산화물 반도체 표면에 흡착된 수분을 자외선으로 광분해해서 발생시킨 수소를 이용하여 전기전도도를 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

금속산화물은 금속 원자에 산소가 결합하여 형성된 물질로써 절연체와 반도체의 전기 전도 특성을 지니며, 저가로 넓은 면적 공정이 용이해서 디스플레이, 센서, 태양전지 등에 널리 활용된다. 그러나 금속산화물을 크게 만들려면 열처리가 필요해 상온 공정이 필수인 유연(Flexible) 소자에 적용하기 어렵다.

또한 공기 중 수분이 금속산화물의 표면에 닿으면 수소 원자로 분해되면서 전기적 특성을 변화시키는 문제점이 있다. 이러한 특징을 역으로 이용해 수소 도핑으로 반도체 특성을 제어하거나 투명전극에 활용하고자 하는 많은 시도가 있었지만, 가볍고 확산이 잘되는 수소의 성질 때문에 실패해 그 가능성은 이론적으로만 남아있었다.

연구진이 금속산화물(인듐, 갈륨, 아연 산화물)의 표면에 붙은 수분을 수소로 분해하기 위해 높은 에너지의 자외선을 쬐자, 자외선을 쬔 시간의 길이에 비례해 전기전도도가 높아짐을 확인했다.

고성능 전자현미경과 연동된 전자에너지 손실 분광기로 확인한 결과 산화물 표면에 붙은 물 분자가 자외선에 의해 수소 라디컬이 되면서 퍼져나가 박막 내 원자들 사이의 틈 혹은 산소 원자가 빠져나간 자리에서 기존 원소들과 결합하여 전자의 농도를 증가시키기 때문임을 밝혔다.

특히 알카리 금속 불순물을 이용하여 상온에서 금속산화물과 기판의 계면에 나노결정을 형성시킨 후 수소 도핑을 할 경우, 전기전도도는 나노결정이 없을 때보다 무려 1,011배 이상 증가했다. 이 특성은 디스플레이 소자 적용 시의 온도·빛 조건에서도 원래의 투명성을 유지하면서 영속적으로 유지됐다. 세계 최초로 이론적으로만 예견됐던 수소 도핑에 의한 산화물 반도체의 전기전도도 조절에 대한 신뢰성 있는 실험적 증명에 성공한 것이다.

간단한 공정으로 디스플레이 산업 등에 필요한 대면적의 고신뢰성 산화물 반도체 및 투명 전극을 제작할 수 있을 수 있을 뿐 아니라, 최신 분석 기법으로 정확한 수소 도핑 메커니즘을 최초로 규명해 투명전극기술에 적용 가능한 광화학적 도핑 장비 개발에 기여할 것으로 기대된다.

한편 아주대 서형탁 교수, 한양대 최덕균 교수 공동 연구팀은 전도도를 상온에서 획기적으로 향상시킨 상온 비정질 반도체의 투명 전극화 및 고성능 반도체화에 대한 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 나노소재기술개발사업과 일반연구자지원사업을 통해 수행했다.