POSTECH(포항공과대학교, 총장 김도연) 화학공학과 오준학 교수와 UNIST(울산과학기술원, 총장 정무영) 곽상규 교수팀은 이러한 광 흡수율을 높일 수 있는 다중 패턴을 가진 플라즈몬 나노구조체를 개발해 태양전지와 광센서로 응용하는데 성공했다.
재료과학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 7월 6일자 표지논문으로 게재된 이 성과는 유기태양전지나 웨어러블 전자기기에 사용되는 유기 광전자 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 무기물에도 활용할 수 있어 광전자소자 산업에도 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
유기태양전지, 유기 광트랜지스터와 같은 유기 광전자소자는 얇은 플라스틱 기판 위에 만들 수 있어 구부리기 쉽고 가벼우며 얇아 학계와 산업계가 고루 활발하게 연구를 진행하고 있는 분야 중 하나다. 광 흡수율이 낮은 단점을 극복하기 위해 학계에서는 표면 플라즈몬*1 효과를 유도할 수 있는 나노패턴을 적용하는 연구가 주목을 모으고 있었다.
문제는 이 나노패턴을 전극 층에 여러 패턴을 복합적으로 만들어야 더욱 높은 효율이 가능하지만, 아직까지 단일 패턴 기술만 개발되어 왔다는 것이다.
POSTECH과 UNIST 공동연구팀은 고온의 열처리를 하면 자기조립을 하는 성질을 갖춰 다양한 나노패턴을 만드는데 이용되는 블록공중합체 리소그래피(식각) 기법과 나노 임프린팅 리소그래피 기법을 조합했다. 우선, 블록공중합체인 PS-b-PMMA에 열처리를 해 자기조립을 유도해 기둥 모양의 패턴을 만든 후, 이 위에 격자 나노패턴 모양의 도장을 찍는 방법으로 복합 나노패턴을 만드는데 성공했다.
기둥모양과 격자모양을 동시에 가지는 이 나노패턴은 빛을 포획하는 ‘광 포획 효과’와 플라즈몬 효과*2를 효율적으로 유도해 소자의 광 흡수율을 크게 증가시킬 수 있었다. 이렇게 만들어진 태양전지는 기존보다 24%, 광센서는 무려 858%나 높아진 효율을 나타냈다.
이 구조체는 유기물이나 무기물에 모두 적용이 가능할 뿐 아니라 단시간 안에 저온에서 공정이 가능하고 재사용이 가능해 유기 소자 뿐만 아니라 이미 상용화된 무기물 광전자 소자에도 활용할 수 있다.
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