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  • 기사등록 2017-06-14 09:18:37
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▲ 빛의 파장보다 70배 얇은 10 nm 두께의 금속 도체와 산화물 절연체를 교대로 적층해 만든 메타물질 모식도. 메타물질 상층에 유기분자를 올려 분자내의 전하이동 메커니즘을 조절한다. .

국내연구진이 메타물질을 이용해 전자이동현상을 제어할수 있는 길을 열었다. 새로운 전하이동 현상메커니즘 조절로 태양전지를 비롯해 유기반도체, 유기 디스플레이소자등 다양한 전력 효율을 제어할 수 있을 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 이화여자대학교 우정원 교수 연구진이 파장보다 작은 크기로 설계된 메타물질로 전하이동을 제어해 광전소자의 전력생산 효율을 높이는 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 지난 13일 밝혔다.

차세대 에너지 소자로 주목을 받고 있는 유기 태양전지는 1세대 태양전지(실리콘계 태양전지)와 2세대 태양전지(박막 태양전지) 보다 가공이 쉽고 재료가 다양하며 저렴한 가격으로 제작 가능하다. 또한 발전효율 향상이 빠르며 유연소자로 개발 가능해 3세대 태양전지로 기대를 받고 있으나 아직은 낮은 효율과 짧은 수명으로 인해 응용에 제한을 받고 있다.

이에 연구진은 연구에서는 빛의 파장보다 약 70배 얇은 10nm(나노미터) 두께의 은과 산화막을 교대로 층층이 쌓아 제작한 메타물질 위에 코팅한 분자에서 일어나는 전하이동 현상을 메타물질을 이용해 임의로 조절할 수 있음을 밝혀냈다.

이론적으로 분자 주변의 유전상수를 낮추면 전력 변환효율의 중요한 요소인 엑시톤의 시상수는 증가한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 메타물질을 이용해 분자 주변의 유전 상수값을 낮춰 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되지 않고 긴 시간 유지하는데 성공해 소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 했다.

교수팀은 복잡한 공정 없이도 광전소자에서 발생하는 전하 이동 현상을 메타물질로 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 했다.

우정원 교수는 “이번 연구는 메타물질을 이용하여 메타물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하이동 현상을 능동적으로 조절할 수 있는 방법을 세계최초로 제안했다는 점에서 학문적 의의가 크며, 향후 유기 태양전지에 적용할 경우 태양광을 전기로 변환하는 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대한다“고 밝혔다.

또한 “이번 성과는 태양전지뿐만 아니라 IoT 센서, 디스플레이, 유연 소자, 유연 에너지 소자에 적용되는 유기 소자를 제어할 수 있어 원천기술로 큰 부가가치를 창출할 것”이라고 전망했다.

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