백세웅 교수 연구팀, 무동석 콜로이당 양자점 활용한 고성능 광전소자 개발 - 새로운 앙상블 무기 리간드 표면 개질법으로 고성능 태양전지 및 적외선 광센서 특성 확보 - 백세웅 교수팀 연구결과, 'Advanced Energy Materials' Inside Cover로 선정
(왼쪽부터) 백세웅 고려대 화공생명공학과 교수, 김한슬 충북대 신소재공학과 교수, 김동언 고려대 석박사통합과정생, 조가은 고려대 석박사통합과정생
고려대 화공생명공학과 백세웅 교수와 충북대 김한슬 교수팀이 무독성 AgBiS2 양자점의 결함을 제어하고 광전 소자의 효율을 올릴 수 있는 '리간드 앙상블' 표면 개질 기술을 개발하였다.
연구팀은 AgBiS2 양자점의 결정면 중 기존에 연구가 많이 이뤄지지 않은 전하중립면의 표면 제어를 성공했다. AgBiS2 양자점을 이용한 태양전지 중 가장 낮은 개방전압 손실 및 적외선 광센서 중 가장 빠른 응답속도를 기록했다. 고성능 무독성 양자점 광전소자 개발로, 에너지변환뿐만 아니라 자율주행, 첨단로봇, 실감형 디스플레이 등에 필요한 적외선 소재와 부품에 새로운 방향성을 제시했다고 평가받는다. 콜로이달 양자점은 입자의 크기에 따라 흡광 및 발광 등 물리적 성질이 달라지는 나노입자다. 다른 용액공정 반도체 소재와 달리 근적외선 영역을 넘어 기존 유기반도체 소재나 페로브스카이트가 흡수하기 어려운 적외선 대역까지 광응답을 할 수 있다.
콜로이달 양자점은 큰 부피 대비 표면비로 인해 입자 표면의 상태에 따라 전기적 성질이 크게 좌우되는 특징을 가지고 있다. 이를 기반으로 한 광전소자의 성능 개선을 위해 양자점 표면 화학에 관해 많이 연구되고 있다. 기존에 활용되고 있는 양자점 흡광소재의 경우 황화납 등 납을 포함하고 있어 유해물질 사용 제한에 자유로운 친환경 양자점 개발의 필요성이 대두되고 있다.
연구진은 납을 포함하지 않은 무독성 양자점 AgBiS2에 대한 연구를 진행했다. AgBiS2 양자점은 저렴한 원소의 소재, 높은 흡수계수, 용액공정 가능 등으로 관심을 받고 있지만 납을 포함한 광전소자에 비해 효율이 60% 이하로 낮았다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 용액상 리간드 교환 방법을 개발했다. 알칼리 양이온을 양자점 리간드에 도입해서 AgBiS2 양자점 전하 중립 면의 표면을 개선하고 기존 전하 중립 면을 개질하지 않은 양자점 대비 높은 잉크 안정성을 확보했다.
연구팀은 밀도범함수 이론을 바탕으로 알칼리 양이온이 양자점 표면에서 작용하는 메커니즘을 규명해 알칼리 양이온이 양자점의 표면 리간드 부착율을 높일 수 있음을 입증했다. 결과적으로 전하중립면이 개질된 양자점 박막은 낮은 결함 농도를 지님을 확인했다.
연구 결과 기존 용액상 리간드 교환 AgBiS2 양자점 광전소자 중 8.1%의 가장 높은 태양에너지 변환 효율과 가장 빠른 400ns의 광센서 응답속도를 가지는 AgBiS2 양자점 광전소자 제작기술을 확보했다. 이를 통해 비납계 양자점 광전소자의 새로운 가능성을 입증할 수 있었다.
교신저자인 백세웅 고려대 교수는 "이번에 개발한 양자점 표면 치환 기술은 범용성이 뛰어나고 소자 효율을 크게 높일 수 있다"며 "인체친화적 적외선 광센서는 추후 자율주행, 보안, 헬스케어, AR/VR등 4차 산업혁명의 여러 핵심분야에 응용될 것으로 기대된다"라고 말했다.
연구 결과는 재료 분야 학술지 'Advanced Energy Materials'에 지난 5일 온라인 게재됐다.
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