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연구 

무독성 콜로이달 양자점을 활용한 고성능 광전소자 개발
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 2476
  • 일 자 : 2024-01-12


무독성 콜로이달 양자점을 활용한 고성능 광전소자 개발
새로운 앙상블 무기 리간드 표면 개질법으로 고성능 태양전지 및 적외선 광센서 특성 확보
백세웅 교수팀 연구결과, ‘Advanced Energy Materials’ Inside Cover로 선정

 

 

(왼쪽부터) 백세웅 교수(교신저자, 고려대 화공생명공학과), 김한슬 교수(교신저자, 충북대 신소재공학과), 김동언 연구원(제1저자, 고려대 석박통합과정), 조가은(제1저자, 고려대 석박통합과정)

▲ (왼쪽부터) 백세웅 교수(교신저자, 화공생명공학과), 김한슬 교수(교신저자, 충북대 신소재공학과), 

김동언 연구원(제1저자, 석박통합과정), 조가은(제1저자, 석박통합과정)

 


공과대학 화공생명공학과 백세웅 교수는 충북대학교 김한슬 교수팀과 무독성 AgBiS양자점의 결함을 제어하고 광전 소자의 효율을 올릴 수 있는 ‘리간드 앙상블’ 표면 개질 기술을 개발했다.


연구팀은 AgBiS2 양자점의 결정면 중, 기존에 연구가 많이 되지 않은 전하중립면의 표면 제어를 성공해 AgBiS2 양자점을 이용한 태양전지 중 가장 낮은 개방전압 손실 및 적외선 광센서 중 가장 빠른 응답속도를 기록하였다. 위 고성능 무독성 양자점 광전소자 개발로, 에너지변환뿐만 아니라 자율주행, 첨단로봇, 실감형 디스플레이 등에 필요한 적외선 소재/부품에 새로운 방향성을 제시했다. 이번 연구결과는 재료 분야 최상위 세계적 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF 27.8, JCR 2.8%)에 1월 5일 온라인 게재됐다.

* 논문명 Multi-Facet Passivation of Ternary Colloidal Quantum Dot Enabled by Quadruple-Ligand Ensemble toward Efficient Lead-Free Optoelectronics

콜로이달 양자점은 입자의 크기에 따라 흡광 및 발광 등 물리적 성질이 달라지는 나노입자로 2023년 노벨화학상 수상 및 QLED 등 상업적 성공으로 주목을 받고 있는 소재이다. 특히, 콜로이달 양자점은 근적외선 영역을 넘어 기존 유기반도체 소재나 페로브스카이트가 흡수하기 어려운 적외선 대역까지 광응답을 할 수 있다는 점에서 다른 용액공정 반도체 소재들과 차별화된 특성을 가지고 있다. 이런 콜로이달 양자점은 큰 부피 대비 표면 비로 인해 입자 표면의 상태에 따라 전기적 성질이 크게 좌우되는 특징을 가지고 있다. 따라서 콜로이달 양자점 기반 광전소자의 성능 개선을 위해 양자점 표면 화학에 관해 많이 연구되고 있다. 한편으로는 대표적으로 많이 활용되고 있는 양자점 흡광소재의 경우 황화납(PbS)으로 납을 포함하고 있어 유해물질 사용제한 (Restricted Hazardous Substances, ROHS) 등에 자유로운 친환경 양자점 개발의 필요성이 대두되고 있다.

이에 연구진은 ROHS를 만족하는 납을 포함하지 않은 무독성 양자점 AgBiS2에 대한 연구를 진행하였다. AgBiS2 양자점은 저렴한 원소의 소재, 높은 흡수계수, 용액공정 가능 등으로 관심을 받고 있다. 하지만, 현재 AgBiS2 양자점 기반 광전소자 연구는 Pb을 포함한 광전소자 대비 60% 이하 낮은 효율을 보이고 있다. 특히, Pb 기반 광전소재의 경우 고체상 리간드 교환에서 용액상 리간드 교환 방법으로 리간드 교환 방법 혁신을 통해 양자점 표면 및 전기적 특성을 개선한 바 있다. 하지만 AgBiS2 양자점의 경우 Pb 계열 양자점과 다르게 대다수의 연구가 고체상 리간드 교환으로 이뤄졌다.

연구진은 AgBiS2 양자점의 표면 및 전기적 물성을 개선하기 위해 용액상 리간드 교환 방법을 개발하였다. 알칼리 양이온을 양자점 리간드에 도입함으로 기존 개질하기 어려웠던 AgBiS2 양자점의 전하 중립 면의 표면을 개선하고 기존 전하 중립 면을 개질하지 않은 양자점 대비 높은 잉크 안정성을 확보할 수 있었다. 김한슬 교수팀은 밀도범함수 이론 (Density functional theory, DFT)을 바탕으로 알칼리 양이온이 양자점 표면에서 작용하는 메커니즘을 규명하여 알칼리 양이온이 양자점의 표면 리간드 부착율을 높일 수 있음을 입증하였다. 결과적으로 전하중립면이 개질된 양자점 박막은 낮은 결함 농도를 지님을 확인하였다. 결과적으로 연구팀은 기존 용액상 리간드 교환 AgBiS2 양자점 광전소자 중 8.1%의 가장 높은 태양에너지 변환 효율과 가장 빠른 400ns의 광센서 응답속도를 가지는 AgBiS2 양자점 광전소자 제작기술을 확보하였다. 이를 통해 비납계 양자점 광전소자의 새로운 가능성을 입증할 수 있었다.

교신저자인 백세웅 교수는 “이번에 개발한 양자점 표면 치환 기술은 범용성이 뛰어나고 소자 효율을 크게 증가시켜줄 수 있어, 여러 광전에너지변환 소자 연구분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 개발된 인체친화적 적외선 광센서는 추가 연구를 통해 자율주행, 보안, 헬스케어, AR/VR등 4차 산업혁명의 여러 핵심분야에 응용될 것으로 기대된다,”라고 평가했다.

이번 연구는 고려대 교내 주요사업 및 과학기술정보통신부의 한국연구재단 신진연구자지원사업 (No.2021R1C1C101043413) 및 미래기술연구실 (No. NRF-2022M3H4A1A03076626) 과제의 지원을 받아 진행됐다.