전하 이동도 약 20배 향상, 내부양자효율 평균 94.5%… 태양전지·광검출기·열광전지에 모두 적용 가능
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 백세웅 교수 연구팀이 영남대학교 정유진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 나노 반도체 입자인 콜로이드 양자점의 표면을 정밀하게 제어해 적외선을 전기로 바꾸는 고효율 단파적외선 광에너지변환소자를 구현했다고 밝혔다. 단파적외선(SWIR)은 파장 약 1,100~2,100nm 대역의 적외선으로, 광통신과 감시, 의료 영상 등에 폭넓게 쓰인다.
적외선은 태양광 에너지의 약 절반을 차지해 차세대 광소자의 핵심 활용 대상으로 꼽힌다. 그러나 현재 상용 적외선 소자는 인듐갈륨비소(InGaAs), 게르마늄 같은 결정성 반도체에 의존하고 있어, 고온·진공 장비가 필요한 저생산성 공정 탓에 대량 생산이 어렵고 가격이 비싸다는 한계가 있었다. 이에 용액 공정으로 찍어낼 수 있는 콜로이드 양자점이 저비용 대안으로 주목받아 왔지만, 적외선을 흡수할 수 있도록 양자점 크기를 균일하게 키우면서 표면 결함 없이 만드는 일은 까다로운 과제였다. 널리 쓰이는 황 전구체(TMS)는 반응성이 지나치게 높아 크고 균일한 입자를 만들기 어렵고, 기존 표면 처리법과도 잘 맞지 않았기 때문이다.
연구팀은 반응성이 낮은 싸이오요소(Thiourea) 전구체를 사용해 크고 균일한 양자점을 안정적으로 합성했다. 다만 이 과정에서 표면에 불필요한 유기물(아민)이 남아 소자 성능이 오히려 떨어지는 문제가 나타났고, 연구팀은 브롬화수소(HBr) 리간드를 도입해 이를 해결했다. HBr 리간드는 잔류 아민을 제거하는 동시에 결함이 생기기 쉬운 특정 결정면(100면)을 채워주는 두 가지 역할을 수행한다. 이를 통해 연구팀은 기존 대비 전하 이동도를 약 20배 끌어올렸고, 소자 내부에서 빛을 전기로 바꾸는 효율인 내부양자효율을 400~1,600nm 대역에서 평균 94.5% 수준까지 높였다.
개발된 소자는 1,520nm 파장에서 76.1%의 외부양자효율과 1.7 × 10¹² Jones의 검출도를 기록해 기존 양자점 기반 단파적외선 광검출기 가운데 최고 수준의 성능을 보였다. 또한 기존 실리콘 태양전지가 흡수하지 못하는 적외선 영역을 활용하는 소자로서, 1,100nm 이후의 태양광에서 약 6.31%의 적외선 광전변환효율(PCE)을 달성했다.
이번 소재는 하나의 소재를 태양전지와 열광전지, 광검출기 세 분야에 폭넓게 적용할 수 있다는 점이 특징이다. 특히 폐열 등 저온 복사에너지를 전기로 바꾸는 열광전지에서는 지금까지 보고된 용액 공정 기반 열광전지 중 가장 높은 효율인 8.30%(1,000℃ 흑체 복사 조건)를 기록했다.
백세웅 교수는 “이번 연구는 양자점 합성부터 표면 처리까지 전 과정을 하나의 전략으로 통합해, 고가의 진공 공정에 의존하던 적외선 광소자를 저비용 용액공정으로 구현한 것”이라며 “라이다(LiDAR), 광통신, 야간·의료 영상 등 다양한 적외선 광소자에 폭넓게 활용될 수 있는 소재 설계 전략이 될 것”이라고 밝혔다. 정유진 교수는 “합성 단계에서 양자점 입자 성장을 안정적으로 조절하고 그에 맞는 표면 처리로 적외선 흡수부터 전하 이동까지의 손실을 크게 줄였다”며 “기존 소자가 활용하지 못한 에너지를 전기로 전환하는 우주용 태양광 등 차세대 활용처의 문을 여는 성과”라고 설명했다.
이번 연구에는 고려대 화공생명공학과 김동언·양민정 박사과정이 제1저자로 참여했고, 백세웅 교수와 정유진 교수가 교신저자를 맡았다. 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF=19.9)’ 온라인에 7월 31일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 과학기술사업화진흥원(COMPA), 산업통상부 및 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다.
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