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GIST Excellence
이용탁 교수팀, 광소자 효율 향상 획기적 기술 개발
- 강호종
- 등록일 : 2010.05.11
- 조회수 : 6350
GIST 이용탁 교수팀, 광소자 효율 극대화 기술 찾았다 -초광대역 무반사 나노구조 개발- -나노과학 세계적 권위지‘스몰’(small)誌 표지논문게재-
이용탁 교수 송영민 박사과정생
□ GIST연구진이 광소자의 효율을 극대화할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다.
- 정보기전공학부 이용탁 교수 연구팀(제1저자 송영민 박사과정)은 광소자 표면의 빛 반사율을 최소화한 파라볼라형의 구조를 갖는 “초광대역 무반사 나노구조”의 개발에 성공하였다.
- 이 연구성과는 나노과학분야의 저명 학술지인 ‘스몰 (small, IF : 6.525)"誌 제6권 9호 5월 7일자에 표지논문 (Front Cover Picture Article)으로 게재되었다. 이 연구는, 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준 연구중심대학(WCU) 육성사업의 지원을 받아 수행되었다.
□ 이번 연구결과는, 기존 연구에 비해 훨씬 넓은 파장대역에서 무반사 특성을 낼 수 있는 나노구조를 제작하여 광소자의 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 가능성을 열었다는 데 의의가 있다.
- 태양전지, 발광 다이오드 등 광소자의 효율을 높이기 위해서는 소자 표면에서 발생하는 빛의 반사를 최소화하는 것이 무엇보다도 중요하다. 특히 실리콘, 갈륨비소 등 반도체 물질은 공기에 비해 굴절률이 매우 높기 때문에 소자 표면에서 30~50%의 빛의 반사가 일어나며 광소자의 효율을 떨어뜨리는 주원인이 되어왔으며, 이는 광소자의 성능을 높일 수 없는 근본적인 문제를 야기하여 왔다.
- 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 기존에는 단층 또는 다층 박막을 소자 표면에 증착하여 반사를 줄이는 무반사 코팅 방식이 주로 사용되었지만, 이 경우 좁은 파장영역과 각도에서만 적용되는 단점이 나타났다. 이와 함께, 원뿔형 나노구조를 제작하여 굴절률이 서서히 변하도록 함으로써 넓은 파장대역에서 빛의 반사를 줄이는 방식에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 이 교수팀도 작년 6월 ‘옵틱스 레터스’(Optics Letters)지에 관련 연구결과를 보고한 바 있다.
<사진설명 : 제작된 파라볼라형 무반사 나노구조의 이미지, 평평한 면에서의 빛의 반사 (내부그림 위) 및 무반사 나노구조가 적용된 면에서의 빛의 반사 (내부그림 아래) 모식도. 나노구조가 적용된 면에서는 빛의 반사가 거의 일어나지 않는 것을 알 수 있음.>
□ 이 교수팀은, 파라볼라형의 나노구조를 제작하기 위해 레이저간섭 리소그래피공정, 리플로우(Reflow), 패턴전사를 조합한 공정을 이용하였다.
<사진설명 : 파라볼라형 무반사 나노구조의 제작방법 모식도. 왼쪽부터 레이저간섭 리소그라피, 리플로우, 패턴전사 방식을 나타냄. 박스안의 그림은 패턴전사 시간에 따른 나노구조의 주사 전자 현미경 사진>
- 이 방법은 기존의 전자선 리소그래피(E-beam lithography)에 비해 제조가격이 저렴하고, 리플로우라는 간단한 열처리 공정으로 파라볼라형 구조를 만들어 냄으로써 제작기술이 간단하다는 장점을 가지고 있다. 아울러, 태양전지를 포함한 반도체 광소자에 널리 사용되는 실리콘, 갈륨비소 등 뿐 아니라, 글래스, 사파이어 등 다양한 물질에 광범위하게 적용될 수 있다.
□ 이용탁 교수는 “이번 연구는 지금까지 구현할 수 없었던 파라볼라형 나노구조를 매우 간단한 방법으로 제작한 의미 있는 연구로, 광대역에서 적용 가능하여 보다 많은 빛에너지를 받아들여 전기에너지로 전환하는 태양전지에 사용될 경우 막대한 에너지 절감 효과를 거둘 수 있다.”고 밝혔다.
- 실제로 이용탁 교수팀은 박막형 실리콘 태양전지에 이러한 나노구조를 적용할 경우 기존 무반사코팅 방식에 비해 약 25%의 셀효율을 높일 수 있다는 이론적 계산결과를 올 2월 광학분야 최고 권위지인 ‘옵틱스 레터스’지에 보고한 바 있다.
- 이 교수는 또한 “이 방법은 태양전지 뿐 만 아니라, 발광다이오드 및 광검출기의 표면에 적용되어 광효율을 극대화 할 수 있으며, 투명글래스에 적용될 경우 100%에 달하는 투과율을 얻어낼 수 있다.”고 덧붙였다.
[용어설명]
1. 나노구조 (Nano structure)
나노미터 즉 10억분의 1미터 단위의 크기를 갖는 구조.
2. 태양전지 (Solar cells)
태양빛을 직접 전력으로 변환하는 장치. 실리콘·갈륨비소·황화카드뮴과 같은 소재로 p-형과 n-형의 반도체를 만들고 그 접합면에 태양빛을 쬐면 광자를 흡수하여 1쌍의 전자와 양공이 생긴다. 이때 전자는 n-형, 양공은 p-형 부분으로 이동하기 때문에 외부회로를 통해 n-형에서 p-형으로 향하는 전류가 발생한다.
3. 발광다이오드 (Light-emitting diodes, LEDs)
전류를 흐르게 할 때 적외선이나 가시광선을 방출하는 반도체 장치. 가시광 LED는 다양한 전자장치에서 사용된다. 이들 전자장치에는 자동차 뒷유리의 램프와 브레이크 램프 같은 지시 램프, 그리고 영문자·숫자의 디스플레이뿐만 아니라 총천연색 포스터로서의 전광판과 안내판 등이 있다. 적외선 LED는 자동 초점 카메라와 텔레비전의 원격제어에 이용되며, 광섬유 통신 시스템에서 광원으로 쓰인다.
4. 굴절률 (refractive index)
한 매질(媒質)에서 다른 매질로 광선(光線)이 움직일 때 그 휘는 정도. 굴절률은 진공에서의 빛의 속력 c를 매질 속에서의 빛의 속력 v로 나눈 값과 같으며 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르다(n=c/v).
5. 레이저간섭 리소그라피 (Laser Interference Lithography, LIL)
레이저광의 간섭현상을 이용하여 나노구조를 형성하는 기술, 광감응물질인 포토레지스트를 기판의 표면에 도포한 뒤 두 개의 레이저 광을 포토레지스트 표면에 조사하면, 두 개의 레이저광 사이의 간섭(interference)에 의해 나노크기의 격자패턴이 형성되게 된다.
6. 리플로우 (Reflow)
포토레지스트 등 폴리머 물질에 열을 가하여 기둥모양의 패턴이 표면장력에 의해 렌즈모양으로 형성되게 되는 기술.
7. 패턴전사 (Pattern transfer)
기판의 건식식각 과정에서 포토레지스트 패턴의 모양이 그대로 유지된 채 식각되도록 하는 기술.
[언론보도] 조선일보, 전자신문, 매일경제, 동아 economy, 연합뉴스, 매일경제, 서울신문, 광남일보 (이상 5.10)
조선일보 (5.10)
http://news.chosun.com/ecobulletin/site/data/html_dir/2010/05/09/2010050900454.htm
전자신문 (5.10)
http://www.etnews.co.kr/news/detail.html?id=201005090088
광남일보 (5.10)
http://www.gwangnam.co.kr/news/news_view.htm?idxno=2010050915284118244