흡수율 4배 높은 초박막 광소재 개발

태양전지나 광센서 등 기기에 적용 기대

국내 연구진이 원자 단위의 미세 조절기술로 가시광 흡수율을 4배 이상 높인 3나노미터(nm) 두께의 얇은 광소재를 개발했다. 추후 상용화가 되면 태양전지나 광센서 등 기기에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연세대학교 김형준 교수와 송정규 연구원은 3nm 두께의 얇은 두께에도 불구하고 붉은색에서 초록색까지 넓은 영역대의 가시광선 빛을 흡수할 수 있는 광소재를 개발했다고 18일 밝혔다. 연구팀은 기존의 전이금속 이황화 초박막 반도체 대비 같은 두께에서 4배 향상된 광 흡수율을 보이는 것을 확인했다.

전 세계적으로 전이금속 이황화물질의 밴드갭을 조절하기 위한 많은 연구가 시도됐다. 밴드갭은 물질의 고유한 물리량으로 전자의 이동을 가로막는 장벽의 높이를 뜻한다. 밴드갭을 조절하면 흡수되는 빛의 파장을 조절할 수 있다.

전이금속 이황화 물질 구조 및 Mo1-xWxS2에서 W 의 조성비에 따른 밴드갭 변화

연구진은 기판 표면에 원자단위로 얇게 박막을 씌우기 위해 활용되던 원자층 증착법(Atomic layer deposition: ALD)을 본 연구에 새롭게 도입했다. 이 방법은 금속 소스(금속이 포함된 원료)와 반응 가스를 교차해 주입함으로써 박막을 성장시키는 것이다. 원료와 가스를 반응시켜 원자단위 박막을 성장 시키고 이를 되풀이해 박막 두께를 조절하는 원리이다.

연구진은 텅스텐 소스와 몰리브덴 소스를 배합해 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 조절을 할 수 있어, 광 흡수율이 높은 소재를 만들어낼 수 있다.

이번 연구에 참여한 김형준 교수는 “초박막 소재를 원자단위로 미세조절 하는 기술은 소재의 물성을 자유자재로 컨트롤 할 수 있는 원천 기술이기에 더욱 의미 있는 성과"라며 "향후 종이보다 얇고 구겨지는 태양전지, 광센서 등이 상용화 되는데 기여할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하고 있는 기초연구사업(중견연구자지원) 및 글로벌프론티어사업으로 이뤄졌으며, 연구 결과물은 네이처가 발행하는 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature communications) 7월 23일자에 게재됐다.