김형준 교수팀, 가시광 흡수율 높인 초박막 광소재 개발

네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 논문 게재

상용화 가능한 원천 기술로 태양전지 등 기기에 적용 가능

전기전자공학과 김형준 교수와 송정규 연구원(박사과정, 제1저자)이 3nm(나노미터) 두께의 얇은 광소재를 개발했다. 연구팀은 원자 단위의 미세 조절기술(원자층 증착법)로 가시광 흡수율을 기존 대비 4배 이상 높인 얇은 광소재 개발에 성공했다. 김 교수가 주도하고 송 연구원이 수행한 이번 연구 결과물은 지난 7월 23일 네이처가 발행하는 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature communications)’에 게재됐다.

세상에서 가장 얇은 소재인 전이금속 이황화물질(MoS2, WS2)은 유연하고 가볍기 때문에 광센서, 광전지 등에 사용 가능하며 그래핀과 같이 꿈의 신소재로 각광 받고 있다. 이러한 이황화물질은 밴드갭에 따라 빛이 흡수되는 파장이 다르기 때문에 이를 조절하는 기술이 필수적이다.

전 세계적으로 밴드갭을 조절하기 위한 많은 연구가 시도됐고, 물질을 구성할 서로 다른 두 재료를 합칠 때 원자의 비율을 조절하면 밴드갭을 조절할 수 있다는 것이 이론적으로 입증됐다. 하지만 구체적인 제작 방법이 나오지 못했으며 5nm 미만 두께의 매우 얇은 소재에서도 가능한지는 미지수였다.

연구진은 기판 표면에 원자 단위로 얇게 박막을 씌우기 위해 활용되던 원자층 증착법(Atomic layer deposition: ALD)을 본 연구에 새롭게 도입했다. 금속 소스(금속이 포함된 원료)와 반응 가스를 교차하여 주입함으로써 박막을 성장시키는 것이다. 원료와 가스를 반응시켜 원자 단위 박막을 성장시키고 이를 되풀이해 박막 두께를 조절하는 원리다. 연구진은 텅스텐 소스와 몰리브덴 소스를 배합해 사용하고 반응 가스와 교차 주입함으로써 원자비율이 조절된 산화물 합금을 만들고, 황화 공정으로 마무리해 소재를 개발했다(전이금속 이황화합금; Mo1-xWxS2).

이번 연구 결과는 산업에서 활용 가능한 기술을 이용해 세계 최초로 이차원 TMDCs 합금 연구에 활용한 연구성과일 뿐만 아니라 합성된 소재의 가시광 흡수율이 증대된다는 점에서 다양한 차세대 광소자 분야에 사용 가능하다. 최근 떠오르고 있는 구겨지는 태양전지, 광센서 등에 적용 가능하며 다양한 광/전자(몸에 부착하는 디스플레이, 초고집적 트랜지스터) 기기들에 필요한 소자의 기본 소재가 될 수 있을 것으로 기대된다.

김형준 교수는 “초박막 소재를 원자 단위로 미세 조절하는 기술은 소재의 물성을 자유자재로 컨트롤 할 수 있는 원천 기술이기에 더욱 의미 있는 성과이며, 향후 종이보다 얇고 구겨지는 태양전지, 광센서 등이 상용화되는 데 기여할 것으로 보인다”고 말했다.