GIST 이용탁 교수팀, 광소자 효율 극대화할 기술 찾았다

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2010-05-09 12:23

광주--(뉴스와이어)--국내 연구진이 광소자의 효율을 극대화할 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다.

광주과학기술원(GIST, 총장 선우중호)은 정보기전공학부 이용탁 교수 연구팀(제1저자 송영민 박사과정)이 광소자 표면의 빛 반사율을 최소화한 파라볼라형의 구조를 갖는 “초광대역 무반사 나노구조”의 개발에 성공하였다고 밝혔다.

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.

이번 연구에서, 이 교수팀은 나노구조의 형태를 파라볼라형으로 제작함으로써 기존 원뿔형에 비해 훨씬 넓은 파장 대역에서 무반사 특성을 낼 수 있는 획기적인 방법을 개발해 냈다. 파라볼라형의 구조가 원뿔형에 비해 광대역에서 반사를 낮출 수 있다는 것은 이론적 계산을 통해 밝혀진 바 있지만, 실험적으로 구현된 것은 이번이 처음이다.

이 교수팀은, 파라볼라형의 나노구조를 제작하기 위해 레이저간섭 리소그래피공정, 리플로우(Reflow), 패턴전사를 조합한 공정을 이용하였다.

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.

웹사이트: http://www.gist.ac.kr