5월 과학기술인상, 한국과학기술원 이정용 교수 선정

-차세대 반도체 이종 접합으로 고효율 광전소자 개발

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 5월 수상자로 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 이정용 교수를 선정했다고 지난달 11일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다. 과기정통부와 연구재단은 유기반도체와 양자점(Quantum Dot)1)1) 양자점(Quantum Dot) : 수 나노미터(nm) 크기의 초미세 반도체 입자로 발광다이오드(LED) 등 디스플레이 장치에  활용.
을 이용한 차세대 반도체 개발에 매진해온 이정용 교수가 고성능 하이브리드 태양전지 개발에 성공하여 에너지·환경 문제 해결의 단초를 마련한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.
  세계적으로 차세대 반도체 소재로 각광 받는 유기반도체와 양자점을 결합하는 시도가 많았지만, 이종 반도체 사이에서 발생하는 전하 전송 문제를 해결하지 못해 태양전지의 실제 성능 향상에는 한계가 있었다.
  이정용 교수는 이종 반도체 경계면에서 빛에 의해 생성된 엑시톤2)2) 엑시톤(exciton) : 음전하(-) 전자와 양전하(+) 정공이 합쳐진 형태.
의 짧은 확산 거리와 그로 인한 재결합 문제가 전하전송을 저해하는 주된 원인임을 규명하고, 이종 반도체 사이에 계단형 에너지층을 삽입하여 효율적인 전하 전송이 가능한 새로운 구조의 광전소자3)3) 광전소자 : 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로 직진성과 응답속도가 좋음.
를 개발하였다. 새로운 구조의 광전소자를 적용한 태양전지는 시연 결과 최대 13.1%의 높은 광전변환 효율을 달성했다. 기존 유기 고분자와 양자점을 이용하는 태양전지보다 30% 이상 높은 효율을 입증하며 다양한 반도체 소자에 적용 가능성을 높였다.
  연구성과는 2019년 11월 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재됐으며, 테크익스플로어(TechXplore) 등 기술전문 매체에서 차세대 반도체의 이종 접합 시도를 촉진하는 계기를 마련했다고 평가 받았다.
  이정용 교수는 “이번 연구는 하이브리드 구조의 한계를 극복하고 고효율 차세대 광전소자 구현의 활로를 개척했다는 점에서 의의가 있다”며 “본 연구에서 개발한 고효율 태양 전지는 모바일 기기, 사물인터넷, 무인기 등 4차 산업의 차세대 동력원으로써의 활용이 기대된다”고 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<차세대 반도체를 이용한 이종 접합 하이브리드 광전 소자 연구>

[그림 1] 효율적인 차세대 반도체 이종 접합 전하 전송 플랫폼 개발.
동일한 소재의 입자 크기를 조절하여 전자 구조 제어가 가능하고, 적외선 영역을 흡수할 수 있는 콜로이달 양자점과 고신축성 및 높은 흡광 계수를 가지는 유기 고분자는 저가의 고성능 차세대 반도체 소재로 관심을 받고 있다. 이들을 함께 활용하는 하이브리드 태양전지는 두 소재의 장점을 모두 취할 수 있는 시너지 효과가 기대된다는 점에서 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 이종 소재 간 계면에서 전하추출 효율이 좋지 않고, 관련 메커니즘이 규명되어 있지 않아 관련 핵심 연구가 필요한 실정이다. 이에 연구진은 하이브리드 구조 내 유기 고분자의 짧은 엑시톤 확산 거리 및 그로 인한 재결합 문제가 전하추출을 저해하는 주된 원인임을 규명하였으며, 단분자를 도입한 새로운 구조를 제안하여 기존의 한계를 극복하고 효율적인 전하 전송이 가능한 유무기 하이브리드 구조를 개발하였다.

[그림 2] 고효율, 고안정성 유기 고분자/양자점 하이브리드 태양전지.
연구진은 유기 단분자를 하이브리드 태양전지 구조 내에 도입하여, 새로운 전하추출 경로를 형성하였다. 이를 통해 기존에 재결합되던 엑시톤을 효율적으로 분리 및 추출하여 콜로이달 양자점과 유기 고분자가 가질 수 있는 장점을 모두 확보할 수 있는 고효율, 고안정성의 유무기 하이브리드 태양전지를 개발하였다. 이는 차세대 웨어러블 디바이스와 같은 4차 산업의 핵심적인 동력원으로써 활용될 것으로 기대된다.

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