미래창조과학부(장관 최양희)가 이화여자대학교 우정원 교수 연구진이 메타물질로 전하이동을 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 높이는 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 

메타물질은 자연계 물질이 구현하지 못하는 특성을 지니도록 파장보다 작은 크기로 설계된 인공의 구조다.
전하(charge)는 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양으로 전기 현상을 일으킨다.
광전소자는 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로, 태양전지, LED 등이 대표적이다.

기존에는 광전소자의 전력 효율을 높이기 위해 소자의 구조 자체를 조절하는 세밀한 광학 설계 기술을 이용하여 왔는데 이와 같은 기술은 실제로 구현하기 쉽지 않고 소자의 구조에 민감하기 때문에 안정적인 효율 향상을 얻기 어려웠다.

이번 우정원 교수팀은 복잡한 공정 없이도 광전소자에서 발생하는 전하 이동 현상을 메타물질로 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 하였다.

엑시톤은 외부에서 빛이 흡수될 때 광활성층에 형성되는 전자-정공의 쌍으로 전류를 만들어내는 역할을 하고  시상수는 엑시톤이 전자와 정공으로 분리될 때까지 걸리는 시간으로 시상수가 길수록 전력 효율이 증가되어 광전소자의 전력효율 증가시키는 가장 중요한 요소인데  엑시톤*의 시상수**가 약 3배 증가하는 것이다. 

우정원 교수(이화여대) 연구진은 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어연구단), 해외우수연구기관유치사업(이화CNRS국제공동연구소)과 선도연구센터사업(양자메타물질연구센터)을 수행하였으며 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 6월 5일자에 게재 되었다.

차세대 에너지 소자로 주목을 받고 있는 유기 태양전지는 1세대 태양전지(실리콘계 태양전지)와 2세대 태양전지(박막 태양전지) 보다 가공이 쉽고 재료가 다양하며 저렴한 가격으로 제작 가능하다. 또한 발전효율 향상이 빠르며 유연소자로 개발 가능하여 3세대 태양전지로 기대를 받고 있으나 아직은 낮은 효율과 짧은 수명으로 인해 응용에 제한을 받고 있다.

빛을 흡수하여 광활성층의 도너에서 생성된 전자-정공쌍인 엑시톤은 전자를 받는 역할을 하는 억셉터로 이동하여 전자-정공으로 분리되고 전자는 양극, 정공은 음극에 모여 전류를 생성시킨다.

엑시톤의 시상수가 짧으면 억셉터로 가기도 전에 전자-정공쌍이 재결합하여 전류를 생성할 수 없다. 따라서 엑시톤의 시상수가 길면 억셉터로 갈 확률이 높아져 전류 생성률이 증가하게 된다. 이에 따라 엑시톤의 시상수 증가는 전류 생성, 나아가 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있는 가장 중요한 요소이다.

시상수는 엑시톤이 전자와 정공으로 분리될 때까지 걸리는 시간으로 시상수가 길수록 전력 효율이 증가되어 광전소자의 전력효율 증가시키는 가장 중요한 요소다. 

이번 연구에서는 빛의 파장보다 약 70배 얇은 10 nm 두께의 은과 산화막을 교대로 층층이 쌓아 제작한 메타물질 위에 코팅한 분자에서 일어나는 전하이동 현상을 메타물질을 이용하여 임의로 조절할 수 있음을 밝혀냈다.

이론적으로 분자 주변의 물질의 전기적인 특성을 나타내는 물질 고유의 값인 유전상수를 낮추면 엑시톤의 시상수는 증가한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 메타물질을 이용하여 분자 주변의 유전 상수값을 낮춰 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되지 않고 긴 시간 유지하는데 성공하여 소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 하였다.

광전소자의 광활성층에서 발생하는 전하 이동 현상을 복잡한 공정 없이도 메타물질로 제어함으로써 엑시톤의 시상수를 약 3배 (0.2 ps* → 0.5 ps) 증가시키는데 성공했다.  ps(pico second)는 1조분의 1초다.

기존의 유기 태양전지 상용화의 걸림돌이었던 낮은 효율과 짧은 수명을 향상시키기 위해 메타물질을 적용하여 기존의 세밀하고 복잡한 기술을 사용하지 않고도 전자 이동현상을 제어할 수 있는 길을 열었다.

새로운 방식으로 전하 이동 현상메커니즘을 임의로 조절할 수 있어 태양전지를 비롯한 광전 소자 뿐 아니라 유기 반도체, 유기 디스플레이소자 등 다양한 전력 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 원천기술로 의미를 갖는다.

우정원 교수는 “이번 연구는 메타물질을 이용하여 메타물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하이동 현상을 능동적으로 조절할 수 있는 방법을 세계최초로 제안했다는 점에서 학문적 의의가 크며 향후 유기 태양전지에 적용할 경우 태양광을 전기로 변환하는 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대한다”고 말했다.

또한 우 교수는 “이번 성과는 태양전지뿐만 아니라 IoT 센서, 디스플레이, 유연 소자, 유연 에너지 소자에 적용되는 유기 소자를 제어할 수 있어 원천기술로 큰 부가가치를 창출할 것이다”고 전망했다.