광 흡수율 4배↑ `초박막 광소재` 개발

김형준 연세대 교수팀, 원자층 증착법 이용… 고효율 태양전지 기대

국내 연구진이 그래핀 같은 이차원 소재의 물성을 조절해 광 흡수율을 크게 높인 차세대 광소재를 개발했다. 이 소재를 이용하면 원하는 파장대의 빛은 물론 다양한 파장대의 빛을 한꺼번에 흡수할 수 있어 효율을 대폭 향상시킨 태양전지와 광센서를 구현할 수 있다.

연세대 김형준 교수(사진)와 송정규 박사과정생 연구팀은 원자 단위로 박막 두께를 조절하는 원자층 증착법을 이용해 가시광 흡수율을 최대 4배 이상 높인 3나노미터(㎚) 두께의 '초박막 광소재'를 개발했다고 18일 밝혔다.

그래핀처럼 얇은 이차원 전이금속 물질은 물질 고유의 물리량인 밴드갭에 따라 빛이 흡수되는 파장이 달라, 밴드갭 조절을 통해 광 흡수율을 높일 수 있다. 지금까지 서로 다른 두 물질을 합칠 때 원자의 비율을 조절하면 원자 간 영향으로 밴드갭을 조절할 수 있다는 사실은 이론으로 입증됐다. 하지만 이를 구현하기 위한 구체적인 방법과 5㎚ 미만 두께의 매우 얇은 소재에서 적용할 수 있는지에 대해서는 아직 알려지지 않았다.

연구팀은 반도체 공정기술의 하나로, 기판 표면에 원자 단위로 얇게 박막을 성장시키는 원자층 증착법을 이용, 텅스텐 소스와 몰리브덴 소스를 배합한 뒤 반응 가스와 교차 주입했다. 이를 통해 원자 비율을 조절한 산화물 합금을 만들고 황화 공정으로 '전이금속 이황화합금'을 만들었다. 이때 금속 소스 배합 비율에 따라 원자 비율이 달라지면서 밴드갭 조절이 가능해져 광 흡수율이 높은 소재를 만들 수 있었다.

이 소재는 3㎚로 매우 얇으면서 붉은색부터 초록색까지 넓은 영역대의 가시광을 흡수할 수 있어 기존 초박막 반도체보다 4배 향상된 광 흡수율을 보인 것으로 확인됐다.

미래부와 연구재단의 중견연구자 지원사업과 글로벌프론티어 사업 지원으로 수행된 이 연구결과는 국제적 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 최근 실렸다.

김형준 교수는 "초박막 소재를 원자 단위로 미세 조절하는 기술은 소재의 물성을 자유자재로 제어할 수 있는 원천기술로, 향후 종이보다 얇으면서 구겨지는 태양전지, 광센서 등의 상용화를 앞당길 것"이라고 말했다.

대전=이준기기자 bongchu@