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연세대 김형준 교수팀, 가시광 흡수율을 높인 초박막 광소재 개발
종이보다 얇은 태양전지, 광센서 상용화 기대
서울시민일보
▲ 원자층 증착법을 이용한 가시광 흡수율이 높은 소재 합성 및 광특성. (사진제공=한국연구재단)     © 서울시민일보
국내 연구진이 원자 단위의 미세 조절기술(원자층 증착법)로 가시광 흡수율은 4배 이상 높인 3나노미터(nm) 두께의 얇은 광소재를 개발했다.

연세대 김형준 교수가 주도하고 연세대 박사과정 송정규 연구원이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하고 있는 기초연구사업(중견연구자지원) 및 글로벌프론티어사업으로 이루어졌으며, 이번 연구 결과물은 네이처가 발행하는 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature communications) 7월 23일자(논문명 : Controllable synthesis of molybdenum tungsten disulfide alloy for vertically composition-controlled multilayer.)에 게재되었다.

이 논문의 제1저자는 연세대 박사과정 송정규 연구원이며, 교신저자는 연세대 김형준 교수이다.

그래핀과 같이 꿈의 신소재로 각광 받고 있으며 세상에서 가장 얇은 소재인 전이금속 이황화물질(MoS2, WS2)은 유연하고 가볍기 때문에, 종이처럼 얇고 휘어지는 광센서, 광전지 등에 사용가능한 차세대 소재이다. 이러한 전이금속 이황화물질은 밴드갭에 따라 빛이 흡수되는 파장이 다르기 때문에, 밴드갭을 조절하여 원하는 파장대의 빛을 흡수할 수도 있고 다양한 파장대의 빛을 한 번에 흡수하여 광 흡수율을 높일 수 있어 이를 조절하는 기술이 필수적이다.

밴드갭은 물질의 고유한 물리량으로 전자의 이동(전류)을 가로막는 장벽의 높이로 볼 수 있다. 밴드갭(장벽) 높이만큼의 파장을 가진 빛이 흡수될 때 전자가 밴드갭(장벽)을 뛰어 넘어 이동할 수 있기 때문에, 밴드갭을 조절하면 흡수되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.

전 세계적으로 이 물질의 밴드갭을 조절하기 위한 많은 연구가 시도되었고, 물질을 구성할 서로 다른 두 재료를 합칠 때 원자의 비율을 조절하면 원자들 간 영향으로 밴드갭을 조절할 수 있다는 것이 이론적으로 입증되었다. 하지만 구체적인 제작 방법이 나오지 못했으며 5nm 미만 두께의 매우 얇은 소재에서도 가능한지는 미지수였다.

연구진은 기판 표면에 원자단위로 얇게 박막을 씌우기 위해 활용되던 원자층 증착법(Atomic layer deposition: ALD)을 이번 연구에 새롭게 도입했다. 이 방법은 금속 소스(금속이 포함된 원료)와 반응 가스를 교차하여 주입함으로써 박막을 성장시키는 것이다. 원료와 가스를 반응시켜 원자단위 박막을 성장 시키고 이를 되풀이하여 박막 두께를 조절하는 원리이다. 연구진은 텅스텐 소스와 몰리브덴 소스를 배합하여 사용하고 반응 가스와 교차 주입함으로써 원자비율이 조절된 산화물 합금을 만들고, 황화 공정으로 마무리하여 소재를 개발했다(전이금속 이황화 합금; Mo1-xWxS2). 이 때 금속 소스를 배합하는 비율에 따라 원자비율이 달라지므로 밴드갭 조절이 가능해져, 광 흡수율이 높은 소재를 만들어낼 수 있다.

연구 결과 3nm 두께의 얇은 두께에도 불구하고 붉은색에서 초록색까지 넓은 영역대의 가시광선 빛을 흡수할 수 있는 광소재를 개발했다.

기존의 전이금속 이황화 초박막 반도체 대비 같은 두께에서 4배 향상된 광 흡수율을 보이는 것을 확인하였다.

한편, 이번 연구에 참여한 김형준 교수는 “초박막 소재를 원자단위로 미세조절 하는 기술은 소재의 물성을 자유자재로 컨트롤 할 수 있는 원천 기술이기에 더욱 의미 있는 성과이며, 향후 종이보다 얇고 구겨지는 태양전지, 광센서 등이 상용화 되는데 기여할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
/ 서울시민일보 인터넷부 엄재성 기자 news@seoulnewspaper.com
기사입력: 2015/08/20 [12:32]  최종편집: ⓒ ihansung
 
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