'광전소자'라는 말은 낯설다. 반면 'LED'라고 부르는 발광다이오드는 친숙하다. 광전소자와 발광다이오드는 서로 다른 것이 아니다. 발광다이오드는 광전소자 중 광전 발신기에 속하는 반도체 소자를 말한다. 광전소자는 쉽게 말해 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 원소를 말한다.

광전자 관련 연구 중에서도 특히 태양광을 이용하여 수소를 생산하는 광전기화학소자 연구는 전 세계적으로 많이 진행되고 있다. 친환경 에너지인 태양광을 이용하며, 에너지 효율이 높고, 연료 전지를 이용한다면 전기에너지로 쉽게 전환할 수 있는 수소를 만들어내는데 도움이 된다.

문제는 현재 광전기화학소자가 가지고 있는 낮은 경제성이다. 빛과 수소 에너지 전환 효율이 매우 낮기 때문이다. 거기에 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 다른 화학적 반응이 일어나는 경우도 있다. 장기적으로는 안정성을 확보할 수 없고, 이로 인해 시장성은 매우 낮은 상태이다.

이를 해결할 수 있는 방안이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 손동익 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀은 박종혁 연세대 화학생명공학부 교수팀과 함께 광전기화학소자의 효율과 안정성을 획기적으로 높이는데 성공했고, 이를 지난 4월 학술지를 통해 발표했다. (원문링크)

연구팀이 이번에 개발한 기술은 햇빛을 받아 물에서 수소를 만드는 광전기화학소자의 효율을 7배 높이는 것이다. 이번 기술의 핵심은 바로 산화아연(ZnO)의 양자점(quantum dot)을 그래핀 양자점과 풀러렌(Fullerene, C60)으로 코팅했다는 점이다.

산화아연에는 지름 수십 나노미터(nm) 이하의 반도체 결정 물질인 양자점이 있다. 연구팀은 이 양자점이 전해질과 접촉할 때 일어나는 몇가지 문제점을 찾아냈다. 양전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 가상 입자인 정공이 유실되거나, 빛에 의해 부식이 되는 문제가 있었다.

해답은 그래핀과 풀러렌의 독특한 구조

이런 문제를 해결하기 위해 탄소나노소재인 그래핀 양자점이나 풀러렌으로 코팅하였다. 코팅 소재로 그래핀이나 풀러렌이 사용된 것은 이들이 가지고 있는 독특한 구조 때문이다.

그래핀의 경우, 탄소 원자가 육각형 벌집구조로 결합하고 있다. 풀러렌은 탄소 60개가 축구공 같은 구조를 이루고 있다. 즉, 독특한 구조를 가지고 있는 그래핀과 풀러렌이 산화아연을 둘러싸면서 핵-껍질 구조를 이루게 된 것이다. 이를 통해 산화아연이 광부식 되는 현상을 막을 수 있게 되었다.

또한 그래핀 양자점이나 풀러렌 껍질이 전하들의 이동 통로 역할을 하면서 잔하의 이동 효율이 향상되기도 했다. 그래서 같은 면적과 두께의 순수한 산화아연 양자점 소자보다 효율이 최대 7배 이상 개선되었고, 안정성도 크게 향상되었다. 안정성이 높아진다는 것은 시장성이 높아질 수 있음을 의미한다.

이번 연구를 바탕으로 추가적인 연구도 진행되어야 한다. 핵-껍질 구조의 양자점이 나노(nm)에서 마이크로(μ)사이즈로 크게 합성하면서 빛을 흡수하는 시간을 증가시키면서 수소 전환효율을 높이는 방법을 찾아야 한다. 이를 통해 광전기 화학소자를 이용한 수소에너지 생산 산업을 더욱 발전시켜 나가야 한다.

특정 빛만 선별해 흡수하는 나노 광소자도 개발

지난 3월에는 나노선에 껍질을 만들어 두께를 자유롭게 조절하는 기술이 개발되기도 했다. 이 기술은 특정 빛만 선별하여 흡수할 수 있기 때문에, 차세대 태양전지를 만들거나 값싸고 간편한 광검출기를 개발하는데 응용될 수 있다.

박홍규 고려대 교수와 찰스 리버(Charles M. Lieber) 미국 하버드대 교수가 이끄는 공동 연구팀이 개발한 기술이다. 기술의 핵심은 그동안 하나의 나노선에서 다양한 물질과 구조적인 특징이 동시에 나타날 수 있도록 나노선을 합성했다는 것이다. (원문링크)

10억분의 1미터의 두께를 갖는 반도체 나노선은 그 부피에 비해 표면적이 상당히 크다. 독특한 특성 때문에 차세대 나노 광소자에서 많이 활용되고 있다. 그 동안은 반도체 나노선의 두께를 원하는 대로 정밀하게 조절하는 것이 매우 중요했다. 왜냐하면 나노선의 두께에 따라 반도체 나노선이 가지고 있는 전기·광학적 특성이 크게 변화하기 때문이다. 정밀하게 나노선의 두께를 원하는대로 조절할 수 있다는 것은 그만큼 그 특성을 광범위하게 이용할 수 있다는 것을 말한다.