김동호 교수팀, 네이처 자매지 ‘NPG Asia Materials’에 논문 게재

고분자 나노 섬유 내 양자점의 배열 제어를 통한 단분자성 양자점 태양전지 개발

김동호 화학과 교수와 최융지 학생(석·박사 통합 과정 3년차) 연구팀이 진행한 ‘초미세 두께 나노섬유 내에서의 양자점 단분자성 유지 현상 및 태양전지에의 응용’에 대한 연구 결과가 지난 7월 17일 세계적 과학저널 ‘네이처(Nature)’의 자매지 ‘NPG Asia Materials(IF 10.118)’ 온라인 판에 게재됐다.

이번 연구에서 연구팀은 기존 박막 제조법으로는 실현하기 어려운 ‘고체 박막 내에서의 단분자성 유지’를 위한 방법을 고안하고, 이를 적용해 성능이 대폭 향상된 태양전지 개발에 성공했다.

나노미터 크기의 아주 작은 반도체 결정을 양자점(Quantum Dot, QD)이라고 부르는데, 그 동안은 이것이 갖는 양질의 특성을 이용한 발광다이오드(LED), 태양전지, 레이저, 광센서 등 다양한 소자 개발에 관심이 집중되어 왔다. 그러나 양자점이 가까운 거리에 응집되면, 즉 하나의 커다란 덩어리가 되면 양자점 고유의 광물리적 특성을 잃어버리게 된다. 특히 고체 박막에서는 이러한 양자점의 응집현상이 매우 쉽게 발생해, 고체 박막을 포함한 많은 광전기적 소자에서 그 성능을 저하시키는 원인으로 작용해 왔다. 이러한 고체 내 양자점 응집 현상을 두께가 매우 얇은 나노 섬유를 이용하여 효과적으로 막을 수 있다는 사실이 이번 연구에 의해 밝혀졌다.

고르게 분산된 양자점의 경우 양자점 간 거리가 충분히 떨어져 있지만, 응집된 양자점의 경우 그 거리가 매우 가깝기 때문에 서로 간 에너지 전달이 활발히 일어나게 된다. 이 에너지 전달과정에서 손실되는 에너지로 인해 형광세기 감소, 형광 스펙트럼의 적색이동 및 반치폭 증가 등의 현상이 발생하는데, 이는 기존에 설계한 성질, 즉 양자점이 멀리 떨어져 있을 때의 성질과는 확연히 구분되는 것이다. 이러한 현상을 소자 내에서 막기 위해서는 양자점 거리를 손쉽게 조절할 수 있는 기술이 필요하지만 단순히 양자점을 기판 위에 뿌려 올리는 기존 박막 합성 기술의 경우 거리 조절이 쉽지 않았다.

김동호 교수 연구팀은 거리 조절 기술 개발을 위해 양자점이 포함된 다양한 두께의 고분자 섬유를 전기 방사법을 이용해 합성하고, 전자현미경 및 분광학 실험을 통해 양자점 거리에 대한 정보를 얻었다. 그 결과 양자점이 포함된 고분자 섬유의 반지름을 감소시켰을 때 양자점 간의 거리가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 몬테-카를로 시뮬레이션을 통해 계산적으로 위 결과를 뒷받침할 수 있었다. 뿐만 아니라 단분자성 양자점을 기존 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)의 보조 염료로 사용해 양자점이 추가로 흡수한 에너지를 쌍극자 커플링(Dipole coupling)을 통해 주 염료(포피린)로 전달하는 시스템을 구현했다. 이로써 기존 전지 대비 성능이 대폭 향상된(25% 이상) 태양전지를 개발할 수 있었다.

이 연구는 양자점을 비롯해 분자, 나노입자, 그라핀 등 다양한 기초단위체 간 거리를 고체 박막 내에서 쉽게 조절함으로써 이들의 단분자성을 유지시킬 수 있다는 것을 보여줬다. 덕분에 단분자성 양자점 추가만으로 기존 태양전지의 효율을 증대시켜 답보 상태였던 염료감응형 태양전지 연구에 활력을 불어넣을 것으로 기대된다. 나아가 기초단위체 및 소자의 선택에 따라 무궁무진한 응용이 가능할 것으로 보인다. 이러한 중요성으로 위 연구는 저널에 게재된 연구 가운데 특히 주요 연구를 소개하는 ‘Research Summary’란에 소개됐다.

김동호 교수 연구진은 파이전자 구조체 중 광전자 공학적으로 산업 이용 가치가 큰 파이전자 분자체들을 합성하고, 이들의 물리화학적 특성을 시분해 분광학 기법으로 심도 있게 분석한 연구로 널리 알려진 바 있다. 이 같은 연구는 태양광 에너지 변환, 광 동역학 치료, 차세대 디스플레이 등 다양한 기술 적용 가능성을 보여줄 것으로 기대된다.