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메타물질로 광전소자 전력효율 높인다
2017년 7월 1일 (토) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 7월호 - 전체 보기 )

메타물질로 광전소자 전력효율 높인다
전하이동 제어… 태양전지 효율 획기적 개선
미래창조과학부(장관 최양희)는 이화여자대학교 우정원 교수 연구진이 메타물질로 전하이동을 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 높이는 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 유기 태양전지, 유기 디스플레이 소자, 유기반도체를 이용한 트랜지스터 분야에서 재료와 공정의 한계를 극복할 수 있는 돌파구를 마련하여 신재생에너지, 차세대 디스플레이, 신개념 전기 광학 소자에 적용이 가능할 것으로 기대된다. 자료 : 미래창조과학부

분자 주변의 유전 상수 값 낮추고
엑시톤 분리되지 않고 긴 시간 유지 유도
기존에는 광전소자의 전력 효율을 높이기 위해 소자의 구조 자체를 조절하는 세밀한 광학설계 기술을 이용해왔다. 그러나 이와 같은 기술은 실제로 구현하기도 어려운데다 소자의 구조에 민감하기 때문에 안정적인 효율향상을 얻기 어려웠다. 우정원 교수팀은 복잡한 공정 없이도 광전소자에서 발생하는 전하 이동 현상을 메타물질로 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높였다. 연구진은 빛의 파장보다 약 70배 얇은 10nm 두께의 은과 산화막을 교대로 층층이 쌓아 제작한 메타물질 위에 코팅한 분자에서 일어나는 전하이동 현상을 메타물질을 이용하여 임의로 조절할 수 있음을 밝혀냈다.

론적으로 분자 주변의 유전상수를 낮추면 엑시톤의 시상수는 증가한다고 알려져 있다. 연구진은 메타물질을 이용하여 분자 주변의 유전 상수 값을 낮춰 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되지 않고 긴 시간 유지하는데 성공함으로써 소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 했다. 광전소자의 광 활성층에서 발생하는 전하 이동현상을 복잡한 공정 없이도 메타물질로 제어함으로써 엑시톤의 시상수를 약 3배 증가시키는데 성공했다. 이는 기존의 유기 태양전지 상용화의 걸림돌이었던 낮은 효율과 짧은 수명문제를 해결함으로써 기존의 세밀하고 복잡한 기술을 사용하지 않고도 전자 이동현상을 제어할 수 있는 길을 열었다는데 의미가 있다. 또한, 새로운 방식으로 전하 이동현상 메커니즘을 임의로 조절함으로써 태양전지를 비롯한 광전소자 뿐 아니라 유기 반도체, 유기 디스플레이소자 등 다양한 전력 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 원천기술로 의미를 갖는다.

IoT 센서 등에 적용되는 유기 소자도 제어
원천기술로 큰 부가가치를 창출할 것
우정원 교수는 “이번 연구는 메타물질을 이용하여 메타물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하이동 현상을 능동적으로 조절할 수 있는 방법을 세계 최초로 제안했다는 점에서 학문적 의의가 크며, 향후 유기 태양전지에 적용할 경우 태양광을 전기로 변환하는 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대한다”고 밝혔다. 또한, “이번 성과는 태양전지뿐만 아니라 IoT 센서, 디스플레이, 유연 소자, 유연 에너지 소자에 적용되는 유기 소자를 제어할 수 있어 원천기술로 큰 부가가치를 창출할 것”이라고 전망했다.

우정원 교수[교신저자]


[그림 1]
빛의 파장보다 70배 얇은 10nm 두께의 금속 도체와 산화물 절연체를 교대로 적층해 만든 메타물질 모식도. 메타물질상층에 유기분자를 올려 분자 내의 전하이동 메커니즘을 조절할 수 있다.

[그림 2] 메타물질 10nm 두께의 은과 산화물층의 쌍이 늘어남에 따라 엑시톤의 시상수가 길어지는 것을 알 수 있다. 메타물질이 없는 일반적인 산화물 기판 위의 시상수는 0.2ps이나, 메타물질의 층이 늘어남에 따라 시상수가 길어져 4층이 될 때는 0.5ps 이상(왼쪽)으로 메타물질 유/무에 따라 시상수는 약 3배 증가했다.(오른쪽)

이번 연구는 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어
연구단), 해외우수연구기관유치사업(이화CNRS국제공동연구소)과 선도연구센터사업(양자메타물질연구센터)을 수행했으며, 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 6월 5일자에 게재됐다. 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
논문명 : Charge-transfer dynamics and nonlocal dielectric permittivity tuned with metamaterial structures as solvent analogues
저자 정보 : 우정원(교신저자), 이광진(제1저자), 리비에르(교신저자), 앙드레(교신저자), 김은선(이상 이화CNRS국제공동연구소), 우제흔(이화CNRS국제공동연구소, 한국표준과학연구원), 시아오, 크레허, 아티아스), 마트베(이상 프랑스 소르본느 대학교)


[그림 3] 엑시톤이 광 활성층에서 이동하는 모식도

용어설명
1. 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) : 네이처의 대표적 자매지로 물리 및 재료과학분야 세계 최고 권위의 학술지다.(IF=38.891)
2. 메타물질(metamaterials) : 자연계 물질이 구현하지 못하는 특성을 지니도록 파장보다 작은 크기로 설계된 인공의 구조
3. 전하(charge) : 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양으로 전기 현상을 일으킨다.
4. 유기태양전지 : 플라스틱 같은 유기물을 광 활성층의 주원료로 사용하는 태양전지.
5. 광전소자 : 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로, 태양전지, LED 등이 대표적이다.
6. 도너(donor)/억셉터(accepter) : 전자를 주는 역할 / 전자를 받는 역할.
7. 광 활성층 : 빛을 받아들이는 부분으로 도너와 억셉터로 구성되어 있다.
8. 엑시톤(exciton) : 외부에서 빛이 흡수될 때 광 활성층에 형성되는 전자-정공의 쌍으로, 전류를 만들어내는 역할을 한다.
9. ps(pico second) : 1조분의 1초
10. 유전 상수 : 물질의 전기적인 특성을 나타내는 물질 고유의 값.
11. 시상수(time constant) : 엑시톤이 전자와 정공으로 분리될 때까지 걸리는 시간으로, 시상수가 길수록 전력효율이 증가되어 광전소자의 전력효율을 증가시키는 가장 중요한 요소다.

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태그 : 메타물질 전하이동 제어 광전소자
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