백세웅 교수 연구팀, “우주에서도 태양광으로 전기 만든다” 고려대-영남대, 고효율 양자점 적외선 광에너지변환소자 개발
△(왼쪽부터)고려대 화공생명공학과 김동언 박사과정(제1저자), 양민정 박사과정(제1저자), 영남대 화학공학부 정유진 교수(교신저자), 고려대 화공생명공학과 백세웅 교수(교신저자)
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 백세웅 교수 연구팀이 영남대학교 정유진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 나노 반도체 입자인 ‘콜로이드 양자점’의 표면을 정밀하게 제어해 적외선을 전기로 바꾸는 고효율 단파적외선 광에너지변환소자를 구현했다. *단파적외선(SWIR): 파장 약 1,100~2,100nm 대역의 적외선. 광통신, 감시, 의료 영상 등에 폭넓게 쓰인다 *광에너지변환소자(광소자): 빛 에너지와 전기 에너지를 서로 상호 전환하는 부품으로, 빛을 감지하는 센서(광검출기)와 빛·열을 전기로 바꾸는 발전장치(태양전지·열광전지) 등을 포괄한다
적외선은 태양광 에너지의 약 절반을 차지하며, 차세대 광소자의 핵심 활용 대상이다. 하지만 결정성 반도체(InGaAs, 게르마늄 등)에 의존하는 현재의 상용 적외선 소자는 고온·진공 장비가 필요한 저생산성 공정 탓에 대량 생산이 어렵고 가격이 비싸다는 한계가 있었다. *결정성 반도체: 내부의 원자들이 바둑판처럼 규칙적이고 깔끔하게 배열된 반도체
이에 용액 공정으로 찍어낼 수 있는 콜로이드 양자점이 저비용 대안으로 주목받고 있다. 그러나 적외선을 흡수할 수 있도록 양자점의 크기를 균일하게 키우면서도 표면 결함 없이 만드는 일은 매우 까다로웠다. 여기서 널리 쓰이는 황 전구체(TMS)는 반응성이 지나치게 높아 크고 균일한 입자를 만들기 어렵고, 기존 표면 처리법과도 잘 맞지 않았기 때문이다. *전구체: 원하는 화학 물질이나 반도체 입자를 만들기 위해 투입하는 핵심 화학 재료
연구팀은 반응성이 낮은 싸이오요소(Thiourea) 전구체를 사용해 크고 균일한 양자점을 안정적으로 합성했다. 하지만 이때 표면에 불필요한 유기물(아민)이 남아 소자 성능이 오히려 떨어졌는데, 연구팀은 브롬화수소(HBr) 리간드를 도입해 이 문제를 해결했다. *리간드: 나노 입자 표면에 결합해 입자를 보호하고 표면 결함을 제어해주는 화학 물질
HBr 리간드는 아민을 제거하고 결함이 생기기 쉬운 특정 결정면(100면)을 채워주는 역할을 한다. 이를 통해 기존 대비 전하 이동도를 약 20배 끌어올렸고, 소자 내부에서 빛을 전기로 바꾸는 효율(내부양자효율)을 400~1,600 nm 대역에서 평균 94.5% 수준까지 높였다. 연구팀이 개발한 소자는 1,520 nm 파장에서 76.1%의 외부양자효율과 1.7 × 10¹² Jones의 검출도를 기록해, 기존 양자점 기반 단파적외선 광검출기 중 최고 수준의 성능을 보였다. 또한 기존 실리콘 태양전지가 흡수하지 못하는 적외선 영역을 활용하는 소자로서 1,100 nm 이후의 태양광에서 약 6.31%의 적외선 광전변환효율(PCE)을 달성했다. 특히 하나의 소재를 태양전지·열광전지·광검출기 세 분야에 폭넓게 적용할 수 있다는 강점이 있다. 폐열 등 저온 복사에너지를 전기로 바꾸는 열광전지에서는 지금까지 보고된 용액 공정 기반 열광전지 중 가장 높은 효율(1,000℃ 흑체 복사 조건에서 8.30%)을 기록했다. *흑체 복사: 물체가 온도가 올라감에 따라 열을 방출하는 현상으로, 열에너지 발전 성능을 평가하는 표준 기준
△ 반응성이 낮은 싸이오요소 전구체로 크고 균일한 단파적외선 양자점을 합성하고, 두 기능을 동시에 수행하는 브롬화수소(HBr) 리간드로 표면을 재설계해 잔류 유기물 제거와 결정면 결함 보완을 동시에 달성함으로써, 태양전지·광센서·열광전지에 폭넓게 적용 가능한 고효율 적외선 광소자를 구현했다
고려대 백세웅 교수는 “이번 연구는 양자점 합성부터 표면 처리까지 전 과정을 하나의 전략으로 통합해, 고가의 진공 공정에 의존하던 적외선 광소자를 저비용 용액공정으로 구현한 것”이라며 “라이다(LiDAR), 광통신, 야간·의료 영상 등 다양한 적외선 광소자에 폭넓게 활용될 수 있는 소재 설계 전략이 될 것”이라고 밝혔다. 영남대 정유진 교수는 “이번 연구는 합성 단계에서 양자점 입자 성장을 안정적으로 조절하고 그에 맞는 표면 처리로 적외선 흡수부터 전하 이동까지의 손실을 크게 줄였다”며 “이는 기존 소자가 활용하지 못한 에너지를 전기로 전환하는 우주용 태양광 등 차세대 활용처의 문을 여는 성과”라고 밝혔다. 본 연구 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘Advanced Functional Materials (IF=19.9)’ 온라인에 게재됐다. *논문명: Reconstructing Quantum Dot Surfaces via Dual-functional ligand Pairing Enables Efficient Shortwave Infrared Optoelectronics *DOI: 10.1002/adfm.77443 *URL: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77443
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 과학기술사업화진흥원(COMPA), 산업통상부(MOTIE) 및 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다.
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