KOSEN Reports ⑪
이 글은 '광 과학 분야의 최신 연구동향 조사' 과제로 작성된 보고서의 일부로 이번 호에는 차세대 광 과학 기술 동향 중 대체 에너지 기술 부분을 정리해 싣는다. 대체 에너지 기술은 태양전지 기술과 LED 기술, 두 가지 내용으로 다뤄지며 특히 태양전지 기술에서는 실리콘 태양전지와 유기 태양전지에 대한 기술개발 동향에 대해 살펴보게 된다. LED 기술에서는 LED를 통한 에너지의 절감과 다양한 LED 양산 기술이 소개된다. 한편 광 과학기술에 대한 국내외 기술정책의 현황에 대해 살펴본다.
자료제공 : KOSEN(한민족과학기술자네트워크)
글 : 김영동
경희대학교 / www.kyunghee.ac.kr
태양전지 개발 노력
높은 에너지의 나노입자가 태양 빛을 전기로 바꾼다
금속 나노입자의 전자들은 빛과 동일한 주파수를 가지고 진동한다. 이 현상을 이용해 더 성능이 우수하고 싼 태양전지가 만들어졌다. 전기를 만드는 태양전지는 가장 가능성 있는 재생 가능한 에너지원이지만 아직 화석연료와 경쟁할 정도에는 이르지 못했다. 나노기술이 싸게 태양전지를 만들 수 있는 방법들을 제공하고 있다.
태양전지는 태양빛을 흡수하는 판과 그것을 전류로 만드는 판들로 이루어져 있다. 태양전지를 얇게 만들게 되면 가격이 싸지고 빛 흡수율을 높일 수 있으면 전기도 많이 만들어 낼 수 있다. 태양전지에서 빛을 거두어들이는 물질의 흡수율을 높이는 방법은 금속 나노입자를 이용하는 것이다.
이 입자들은 빛의 색깔 즉 주파수에 따라 같은 주파수로 전자들이 앞뒤로 진동하는 특별한 광특성을 가지고 있다. 마치 작은 안테나처럼 빛을 잡아들이고 전자 진동에 의해 에너지를 전기의 형태로 바꿀 수 있다. 이 진동은 플라즈몬이라 불리며 플르즈몬 공명 주파수라는 주파수에서 매우 강하게 일어난다. 플라즈몬 공명 주파수는 입자의 모양, 크기 및 주위 환경에 의해 영향을 받는다. 나노기술을 이용하여 입자들을 만들고, 그를 이용하여 여러 색깔의 빛들이 어떻게 흡수되는지 하는 특성을 알아볼 수 있었다.
태양전지에서 가장 어려운 부분 중 하나는 전자 진동으로 흡수된 에너지를 어떻게 잘 전기 에너지로 바꾸는가 하는 점이다. 연구진들은 입자의 진동이 에너지를 만들고 그 것이 어떻게 물질에 전달되어 전기를 만들어내는지를 정확히 보여주었다. 현재의 고성능 태양전지의 효율은 이미 매우 높다. 그러므로 더 좋은 전지를 만들려면 더 적은 양의 물질을 써서 더 싸게 만들어야 한다. 연구진이 이용한 금 나노입자를 이용한 태양전지는 겨우 몇 나노미터의 두께에서 매우 효율적으로 빛을 흡수한다.
두 가지 다른 형태의 태양전지에 대하여 금속 나노입자의 영향을 살펴본 결과 한 가지에서는 표면의 분자에 빛이 흡수되고, 다른 하나에서는 물질 속 깊숙한 곳에서 빛이 흡수되었다. 실험과 이론 연구 결과 입자가 빛을 전기로 바꾸는데 있어서는 여러 다른 방법이 있고, 표면이나 물질 깊숙한 곳에서 흡수되는 양을 늘리려면 서로 다른 메커니즘을 고려해야만 한다.
인공적인 것 중에 가장 어두운 색깔의 물질을 개발하다
- 탄소나노튜브 어레이가 빛을 잘 흡수하여 태양 에너지 활용
렌셀러 폴리테크닉 대학교와 라이스 대학교의 연구자들이 사람에 의해 만들어진 것 중 가장 어두운 색깔의 물질을 만들었다. 수직에 비슷하게 세워진 낮은 밀도의 탄소나노튜브로 만들어진 얇은 코팅막이 99.9% 이상의 빛을 흡수하고 미래에 태양 에너지 변환, 적외선 센서 등의 효율과 효과를 높이게 될 것으로 기대된다. 이 물질을 만든 연구자들은 기네스북에 등재를 신청했다.
프로젝트를 주관한 렌셀러 대학 물리학과 교수 숀-유 린은 "이는 매혹적인 기술이며 태양 빛을 전기로 바꾸는 효율을 높일 수 있게 할 것입니다. 이 발견에서 가장 중요했던 것은 어떻게 표면에 고르지 않게 수직으로 세워진 탄소나노튜브 어레이를 만드느냐 하는 점입니다. 이렇게 해서 반사를 최대로 줄이고 흡수를 최대로 할 수 있었습니다"라고 했다.
종이에서 물, 공기, 플라스틱에 이르기까지 모든 물질들은 어느 정도의 빛을 반사한다. 과학자들은 오랜 동안 모든 색깔을 흡수하고 아무 빛도 반사하지 않는 이상적인 검은색 물질을 상상해 왔다. 지금까지는 반사율이 완전 0인 물질을 만들어내지 못하고 있다. 상업적인 검은색 페인트의 반사율은 5에서 10% 정도이다. 린 교수의 연구진 이전의 가장 검은색 인공 물질은 반사율이 0.16~0.18%이었다.
밀도가 낮은 수직으로 세워진 탄소나노튜브 어레이는 매우 낮은 굴절률을 보이며 알맞게 표면의 불균일성을 조절하면 반사율을 더욱 낮출 수 있다. 최종 결과는 반사율이 0.045% 인 물질로 이제까지의 최소치를 보이는 니켈 도금 합금 필름보다 3배 이상 낮아졌다.
"탄소나노튜브가 성기게 모인 숲 모양은 나노 크기의 빈공간과 구멍들을 가지고 있어 빛을 모으고 가둘 수 있습니다. 이것이 이 물질에 특별한 성질을 줍니다. 이런 나노 튜브 어레이는 빛을 거의 반사하지 않을 뿐 아니라 흡수도 매우 강하게 합니다. 이 특성이 합쳐져 앞으로 수퍼 블랙 물체를 만들 이상적인 후보입니다"라고 린 교수는 말했다.
또한 공동 연구자인 라이스 대학의 풀릭켈 아자얀 교수는 "밀도가 낮은 세워진 나노 튜브는 그 크기와 반복도를 조절함으로써 광 특성이 바뀌고, 그러므로 수퍼 다크 물질을 만들어낼 가장 이상적인 후보입니다"라고 말했다.
연구진은 여러 가시광선 영역의 빛에 대해 만든 시료를 테스트하였고 이 시료의 반사율이 계속 일정함을 보였다. 린 교수는 "탄소라는 같은 원소를 이용하여 만든 시료이지만 우리의 나노 튜브 어레이는 글래시 탄소에 비해 100배 이상 작은 반사율을 보입니다. 이는 매우 놀라운 것입니다"라고 하였다. 이 발견은 태양 에너지 변환, 열에너지 변환, 적외선 검출, 천체관측 등의 분야에 응용성을 가지고 있다.
금색 알루미늄, 검은색 백금, 푸른색 은을 만들다
- 광 과학자들이 어떠한 금속이라도 맘대로 색깔을 바꿀 수 있다.
간단한 레이저를 이용하여 로체스터 대학의 광 과학자들이 순수한 알루미늄을 금색으로 바꾸었다. 파란색으로도, 회색으로도, 여러 다른 색깔로 바꾸었다. 이렇게 색깔을 바꾸는 것은 실험에 이용된 백금, 티타늄, 텅스텐, 은, 금 등 모든 금속에서 가능하였다.
연구자들은 일 년 전에 여러 종류의 금속을 검은색으로 만들기 위하여 강한 레이저 빛을 이용했었다. 이러한 방법을 이용하면 이제 어떤 금속이라도 어떠한 색깔로 만들어 낼 수 있을 것이라고 생각한다. 나비의 날개처럼 여러 색깔을 내도록 할 수도 있을 것이다.
이 방법은 금속 표면의 성질을 바꾸는 것이므로 코팅처럼 벗겨지거나 색이 바래지지 않는다. 이 응용은 자전거 회사에서 레이저 하나만을 가지고 여러 다른 색깔의 자전거를 만들거나 냉장고 문에 총천연색 사진을 새겨 넣거나 아니면 약혼자의 푸른색 눈동자에 맞는 푸른색 금반지로 청혼을 할 수 있게 하는 등 수없이 많을 것이다.
검은색 금속을 만드는 방법을 발견한 이후, 단 한가지의 색깔만 반사하고 나머지를 흡수하는 금속을 만들게 되었고, 이제 거의 모든 색깔에 대해 그 색만 반사하게 만들어 낼 수가 있다. 처음 금색을 만드는 방법을 발견하였을 때 연구진들은 밤늦게까지 어떤 다른 색을 만들어 낼 수 있는지를 실험했었다.
연구진들은 매우 짧은, 그러나 매우 강한 레이저 펄스를 이용하여 금속의 표면 위에 나노 사이즈나 마이크로 사이즈의 구조들을 만들었고, 이들이 특정한 빛만 반사하여 임의의 색깔의 금속을 만들 수 있게 되었다.
2006년, 연구진은 금속 표면에 나노구조를 만들어서 거의 모든 색깔을 흡수하는 물질, 즉 보통의 알루미늄을 가장 검은색 물질로 만드는 등, 검은색 금속을 만드는 기술을 연구하였고 여러 색깔의 금속을 만드는 방법은 이를 응용하여 개발되었다.
연구진이 개발했던, 흡수율이 매우 높은 검은색 금속은 빛을 잡아들여야 할 필요가 있을 때 매우 유용하다. 태양빛을 더 잘 흡수하는 태양전지나 더욱 개선된 스텔스 기술 등에 이용이 가능하다. 이용된 매우 짧고 매우 강력한 빛은 펨토초 레이저를 이용하여 얻었다. 이 짧은 펄스가 북미의 모든 전력을 바늘 끝에 집중시킨 것만큼의 큰 파워를 내고 있다.
강력한 레이저 빔은 금속 표면에 서로 여러 다른 방법으로 반응하여 pit, globule, strand 등의 나노 구조를 만들게 된다. 이런 구조는 빛의 파장보다 작기 때문에 빛을 반사하는 상태가 그 구조의 모양이나 크기에 크게 의존한다. 레이저의 세기, 펄스 폭, 펄스의 수 등을 바꾸어가면서 연구자들은 나노구조의 모양을 조절할 수 있게 되었고, 어떠한 색깔을 반사하는지 알아내었다.
연구진들은 또한 나노구조로 덮인 마이크로 사이즈의 선들을 만들어서 여러 가지 색깔이 나도록 하기도 했다. 이 선들은 간섭을 통해 서로 다른 파장의 빛이 다른 방향으로 반사되도록 한다. 그 결과 한 개의 금속이 한 방향에서 보면 보라색, 다른 방향에서 보면 회색, 또는 여러 색깔이 한꺼번에 보이기도 한다.
10센트 동전 크기의 금속면의 색깔을 바꾸려면 현재 30분 이상 걸리지만 더 빨리 만들기 위해 노력중이다. 다행인 것은 매우 큰 세기의 빛이 필요하지만, 사용되는 펨토초 레이저는 벽 콘센트에 꽂아 이용할 수 있으므로, 공정만 확립된다면 만들어내기는 어렵지 않을 것이다.
이 공정은 현재까지 이용된 모든 금속에 대해서 성공적이고 일정한 결과를 얻었으므로 모든 금속에 대해서도 적용될 것이라고 생각된다. 연구진은 이제 빨강색, 초록색을 포함한 모든 색깔을 만들기 위하여 공정을 확립하려고 한다.
나노 제품 - 스크린 인쇄한 태양전지
프라운호퍼 태양에너지시스템 연구소(ISE)의 연구진은 커다란 짐을 가지고 동경에 도착했다. 나노기술을 이용한 상품전 중 가장 큰 '나노테크 2008'에 참석하기 위해서다. 나노테크 독일에 전시될 그 태양전지판은 2m 높이에 60cm 폭을 가진, 문짝 크기만 하다.
새 모듈의 가장 중요한 재료는 나노입자와 혼합된 유기염료로 태양빛을 전기로 바꿀 수 있다. 나노입자가 매우 작기 때문에 이 모듈은 반투명하다. 이런 특성으로 이 모듈은 건물 외벽 창문에 매우 적합하다. ISE에서 만든 시제품은 호박색이지만 다른 색깔의 모듈도 가능하고, 장식으로 쓸 수 있도록 그림을 그리거나 글자를 넣는 것도 가능하다. 이러한 디자인이 가능한 성질은 완전히 새로운 응용이 가능하도록 한다. 태양전지판을 건물의 옥상에 장치하지 않고, 건물 외벽 창문에 이용이 가능하다. 이 창문은 태양빛이 직접 건물 내부로 들어오는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라 전기를 생산해 낼 수도 있다.
이 염료 태양전지는 보통 이용되는 실리콘 태양전지와 경쟁하는 것이 아니다. 시제품의 효율은 겨우 4%로 실리콘 결정을 이용한 태양전지의 성능에 크게 못 미쳐 건물 옥상에 설치할 수는 없다. 그러나 염료 태양전지는 외벽 창문에 이용할 수 있는 커다란 장점이 있다. 매우 얇은 전기를 생산하는 나노입자를 이용한 필름을 두 유리의 사이에 스크린 프린팅 방법으로 집어넣으므로 어떠한 이미지의 형태를 하도록 만들 수 있다. 그러므로 장식 유리로 쓸 수 있을 뿐만 아니라 여러 색깔을 가진 회사의 로고도 박아 넣을 수 있어, 광고 효과와 함께 전기를 생산할 수도 있다.
이 제품은 아직 시제품으로, ISE의 연구진은 독일 연방 교육연구부의 연구비를 받은 ColorSol 프로젝트를 통해 산업화 하려고 하고 있다. 한 가지 어려운 점은 두 유리판 사이의 얇은 빈 공간을 잘 봉인하여 공기가 안쪽 필름을 손상시키지 못하도록 하는 것이다. 연구진들은 특별한 해법을 개발했는데, 다른 사람들처럼 고분자 본드를 사용하는 것이 아니라 유리 자체를 사용하는 것이다. 양쪽 유리판에 유리 파우더를 스크린 프린트하고 600도의 열을 가하면서 두 판을 붙이는 방법이다. 여러 기후를 바꾸어가며 테스트한 결과 이 태양전지판은 몇 천 시간이 지나도 잘 동작하였다. 더 오랜 시간 동안 안정성 테스트를 계속하고 있다.
전도성 높고 여러 색깔을 가진 탄소나노튜브, 크기에 따라 분류 가능
평판형 디스플레이 등의 광전기 소자의 발전은 전기는 통하고 이미지 질은 영향을 주지 않는 투명 전도성 박막의 발전에 힘입은 바가 크다. 현재 ITO 박막이 가장 많이 이용되고 있으나, 인듐의 공급이 달리면서 가격이 올라가는 등의 문제점을 가지고 있다. 공급이 쉽고, 싼 단일 벽 탄소 나노튜브를 이용한 전도성 박막이 개발되어 ITO를 대체할 수 있을지 기대되고 있다.
탄소 나노튜브는 이미 여러 방면으로 이용되고 있지만, 현재의 생산 방법으로는 서로 다른 반경과 크기가 섞여있는 상태로만 얻을 수 있다. 그러므로 전기적, 광학적 성질에 영향을 주어 전도성 물질로 이용하기가 어려웠고, 여러 방면으로 응용이 힘들게 하는 원인이었다. 크기가 일정한 나노튜브만을 얻기 위한 방법이 요구되고 있었다.
새로 개발된 방법은 초원심분리기를 이용하여 밀도 차이를 주어 지름이 0.1nm 차이의 정확도로 나노튜브를 분리할 수 있도록 해준다. 여러 가지 방법으로 만들어진, 서로 다른 지름을 가진 나노튜브들을 섞어 놓고 매우 높은 회전수를 가진 초원심분리기에 집어넣는다.
비누 같은 분자의 첨가물을 섞게 되면 표면 밀도에 따라 나노튜브들을 크기 혹은 밴드갭 혹은 전기적인 특성에 따라 매우 정확히 분류가 가능하다. 분류 후 정확도는 97%의 나노튜브들이 0.02nm 차이 안에 들어오게 된다. 회전수는 1분에 수만 번 정도 되며, 산업적으로 이용할 정도로 잘 분류가 된다.
이러한 방법을 이용하면 불순물도 제거가 되어 전도성도 매우 좋아지게 된다. 여러 크기의 나노튜브를 섞어 만든 박막보다 가시광선 영역에서는 전도도가 5~6배, 적외선 영역에서는 10배 정도 증가하게 되었다. 특히 나노튜브들이 일정한 지름을 가지게 되면서 박막이 특징적인 색깔을 띠게 된다. 이렇게 박막의 광 특성을 정확히 맞출 수 있게 되어 소자의 기능에 영향을 주는, 원하지 않는 파장의 빛을 제거하는 필터로도 쓸 수 있다.
평판형 디스플레이 이외에도 분류된 나노튜브를 이용한 박막은 태양전지판이나 LED 등의 여러 방면으로 응용이 가능하다. 단일 벽 탄소 나노튜브를 만드는 방법이 더욱 발전하면 ITO를 이용한 전도성 박막을 대치할 수 있기를 기대하고 있다.
흡수 스펙트럼에서 제일 아래 것은 분류되기 전의 흡수 스펙트럼이다.
캐리어 다중화와 양자점
계속된 고유가 행진과 화석연료 사용으로 인한 지구 온난화 현상으로 인해, 최근 대체 에너지 개발과 관련된 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 현제 개발 중이거나 이미 상용화된 대체 에너지 자원 중 가장 대표적인 것은 아마도 태양전지(solar cell 혹은 보다 넓은 범위에서 photovoltaics) 일 것이다. 태양전지에 사용되는 주요 물질은 실리콘, 카드뮴 텔룰라이드, CIGS와 같은 반도체인데, 입사되는 태양광(photon)이 반도체 물질 내에서 전자(electron)와 전공(hole) 쌍 - 엑시톤 - 을 생성시킴으로써 발전을 하는 것이 기본 원리이다. 이때, 태양광 하나가 단 한 개의 엑시톤을 생성하는 것이 태양전지의 이론적 최대 효능을 30% 아래로 제한하는 주요 요인이다. 이러한 한계 내에서 태양전지의 효율을 높이기 위해, 태양광의 태양전지내로의 흡수를 최대화하는 등의 노력이 경주되어 왔는데, 태양전지 물질의 표면을 거칠게 하여 태양광의 표면에서 반사를 최소화시키는 노력이 그 대표적인 예이다. 이제, 반도체 나노 구조가 이러한 한계를 보다 근본적인 차원에서 해결해 줄 것으로 기대된다.
엑시톤을 생성하기 위해서는 최소한 그 물질의 밴드갭에 해당하는 에너지의 태양광이 입사되어야 하고, 에너지 갭보다 큰 에너지의 태양광이 입사하는 경우 엑시톤을 생성시키고 남는 여분의 에너지는 보통 열로 소모된다. 빅토르 클리모프 박사가 이끄는 로스 앨러모스 국립 연구소의 연구팀이 2004년 PbSe 양자점 구조가 하나의 태양광에서 두 개 이상의 엑시톤을 생성할 수 있음을 보인 이후, 반도체 나노 구조는 기존의 태양전지 물질들이 갖는 한계를 극복하는 제3세대 태양전지 물질로 주목받고 있다. 이른바 '캐리어 다중화'로 알려진 이 방법은 입사되는 태양광을 통해 반도체 나노 구조 내의 전자가 충분한 에너지를 받아 주위의 속박된 전자들과 충돌하게 되고, 이것이 다시 이웃 전자와 전공의 속박 상태를 풀어줌으로써 여러 개의 엑시톤을 생성시키는 것이 기본 아이디어이다. 연구 결과에 의하면, 물질의 종류보다 그 물질 구조의 크기가 이 캐리어 다중화 현상에 더 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 로스 앨러모스 연구소 팀은 최근 물질의 에너지 갭보다 7~8배 큰 에너지를 갖는 태양광을 입사시켜 7개의 엑시톤을 형성시키는 데까지 성공했다. 이러한 실험결과를 바탕으로 이 연구팀은 최대 44% 의 효율을 갖는 태양전지의 개발도 가능할 것으로 내다보고 있다. 그렇다면, 이러한 반도체 양자점 구조가 당장 실제 태양전지 개발에 사용되지 않는 이유는 무엇일까? 문제의 핵심은 PbSe 양자점내에서 캐리어 다중화 방법으로 생성된 엑시톤의 수명이 고작 10~18초에 불과하다는 데에 있다. 이 문제의 해결을 위해 연구소 팀은 텍사스 주립대 달라스 캠퍼스 연구팀과 함께 전도성 폴리머(conductive polymer)에 PbSe 양자점 구조를 혼합하는 연구를 현재 수행하고 있다. 이외에도 나노 결정 구조물이 보이는 낮은 전기 전도도, 빛으로 야기되는 물질의 상태변화 문제, 그리고 이 나노 구조에 사용되는 물질의 유독성 문제들은 아직 해결해야 할 숙제로 남아있는데, 아써 노직 박사가 이끄는 국제 재생에너지 연구소(NREL) 연구팀은 1,2-ethanedithiol(EDT)를 이용한 layer-by-layer dip-coating 방법으로 PbSe 나노 구조 층의 전기 전도성과 구조적 균일성을 증진시키는 연구를 하고 있다.
이 캐리어 다중화 방법은 수소 연료 전지 개발에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 수소는 자연적으로 얻어질 수 없고, 수소를 포함한 물이나 수소화탄소(hydrocarbon)와 같은 물질로부터 인공적으로 얻어내야 하는데, 이 과정에 소요되는 에너지의 비용과 환경문제는 지금까지 수소 연료 전지 개발에 걸림돌이 되어왔다. 광촉매 방법을 이용하여 물에서 수소분자를 떼어내기 위해서는 1개의 물분자당 4개의 전자가 필요한데, 캐리어 다중화 방법이 단일 태양광으로 여러 개의 전자를 '들뜬상태'로 만들어 줌으로써 수소 연료 전지 개발과 관련된 에너지 효율문제를 해결할 것으로 기대된다.
이렇듯 반도체 나노 구조 내에서의 캐리어 다중화에 대한 관심의 증가는 이 현상에 대한 근본적인 물리 연구도 촉진시켰는데, 과연 이 캐리어 다중화 현상이 로스 앨러모스 연구소 팀에서 예측한 것처럼 많은 물질에서 발견되는 것인지, 아니면 PbSe, PbS, PbTe 등과 같은 리드(Pb)가 포함된 물질의 나노 구조에서만 나타나는 특성인지는 현재까지 논쟁의 대상이 되고 있다. CdSe, Si, InAs와 같은 반도체 물질 나노구조에서 관측된 캐리어 다중화 효과에 대해 몇몇 다른 연구팀들이 그 효과가 무시할 정도라는 실험결과를 발표했는데, 심지어 InAs 나노 구조에서의 캐리어 다중화를 발표했던 Pijpers는 그들의 2007년 J. Phys. Chem. C 논문을 올해 철회하기도 했다. 최근 나노 레터스에 게재된 Trinh의 PbSe 나노구조에 대한 연구 논문은 (지금까지 알려진 바와 같이) 양자속박효과(quantum confinement effects)가 과연 캐리어 다중화를 유발시키는가에 대한 물음표로 끝나고 있다.
태양광 애플리케이션용 나노선 소재에서 라이트 스케터링의 설계
반도체 나노선 구조를 태양전지에 응용하려는 시도는 지난해 네이쳐 지에 실린 하버드 대학 찰스 리버 교수팀의 연구 논문에서 찾아볼 수 있다. 1차원 나노선만이 가질 수 있는 독특한 코엑시얼 구조를 이용하여 실현한 Si p-i-n 나노선 구조는 나노선 당 최대 200pW의 전력을 생산했으며, 에너지변환효율은 최대 3.4%였다. 그들의 연구는 나노선 태양전지를 이용해 공공 전력을 생산하기 보다는, 나노선으로 만들어진 전자 및 광전소자가 별도의 전력 공급없이 나노선 그 자체에서 자가발전을 이루는 것에 무게를 둔 신개념의 태양전지 연구였다.
최근 나노 레터스 인터넷 판을 통해 발표된 네덜란드 연구팀의 논문은 전혀 다른 방향에서 나노선을 태양전지 개발에 응용하고 있다. 반도체 기판위에 성장된 고밀도의 나노선 어셈블리는 그 독특한 1차원 구조로 인해 입사된 빛의 상당부분이 확산 스케터링을 경험하면서 결과적으로 낮은 반사율을 보인다. 다음 그림에서는 InP, GaP, Si 기판들과 그 위에 성장된 나노선 시료를 비교하고 있다. 그림 11에서 볼 수 있듯이, 거울표면처럼 높은 반사율을 보이는 반도체 기판이 그 위에 성장된 고밀도 나노선 어셈블리로 인해 갈색 혹은 검은색을 띄는 낮은 반사율의 표면으로 변하게 된다. 이러한 저반사율 표면은 입사된 태양광의 표면에서의 반사를 최소화시키려는 태양전지 연구에서는 상당히 중요하다. 특히, Si은 오늘날 전체 솔라 패널 시장의 90% 가량을 점유하고 있고, 현재 Si 태양전지와 관련된 연구가 더 이상 Si 자체에 대한 것보다는 주로 표면처리, 새로운 투명전극, 제조단가의 절감 등에 대한 것임을 주지할 때, Si 나노선을 이용한 이 연구는 많은 가능성을 내포하고 있다.
다음 그림 12는 나노선 어셈블리 시료와 기판에서의 반사율을 비교하고 있다. 나노선 어셈블리의 경우, 확산 반사율이 기판의 그것에 비해 크게 감소하였음을 볼 수 있다. 이 연구에서는 특히, 나노선 시료 표면에서의 비확산 흡수작용과 확산 스케터링의 길이 비율을 조절함으로써, 물질의 반구형 확산 흡수작용을 크게 줄이는 노력도 하였다. 그러나 그 구조적 특성상 나노선은 외부 충격에 쉽게 파손되며, 표면 투명 전극을 나노선 구조 위에 형성해야 하는 문제, 그리고 나노선 성장과 관련하여 추가되는 공정 등은 이 연구의 아이디어를 실제 태양전지 구조로 옮기는데 넘어야할 큰 장벽이 아닐 수 없다.
탄소나노튜브 필름의 전기적, 광학적 특성
원심분리기를 이용해서 길이별로 분류된 매우 일정한 탄소나노튜브를 이용하여 투명하고 전기 전도성이 높은 필름을 만들 수 있는 밀도의 시료를 만들었다. 이 시료를 이용하여 국립 표준기술 연구소(NIST)의 과학자들이 매우 정밀한 측정을 할 수 있었고, 고성능의 전도성 필름을 만들기 위해서는 짧지 않은 일정한 길이의 균일한 나노튜브들이 필요함이 밝혀졌다.
단벽 탄소나노튜브(SWCNT)는 여러 특성을 가지고 있지만, 그 중에서 전기 전도성이 많은 관심의 대상이 되고 있다. 상당히 작은 양의 나노튜브를 보통의 비전도성 폴리머에 넣으면 투명 전도성 물질을 얻을 수 있다. 이 응용분야는 투명 전기 차단 물질에서부터 미래의 휘어지는 비디오 디스플레이나 박막 화학 센서 등의 접을 수 있는 전자제품에 이르기까지 매우 넓다. 이를 만들어 내는데 중요한 특성은 소위 'percolation threshold'라고 불리는, 나노튜브가 2차원 혹은 3차원의 네트워크를 형성하여 전기를 통하게 만들 수 있는 최저 밀도이다.
나노튜브가 포함된 필름의 전도성, 광 특성이 나노튜브의 길이에 따라 어떻게 달라지는지에 대한 이론값들을 테스트하기 위해서 NIST의 연구진은 'buckypaper'라는 시료를 만들었다. 이 시료는 나노튜브를 물에 섞은 후 나노크기의 필터를 이용하여 물만 배수시켜서 만들어진 나노튜브로 구성된 필름이다. 이전의 실험에서 길이에 따라 나노튜브를 분류하는 방법은 이미 개발되었었다.
NIST에서 이뤄진 측정을 통해 일정한 길이의 나노튜브를 이용하여 만들어진 buckypaper는 이상적인 이차원 평면의 퍼컬레이션 이론 - 나노튜브의 길이가 길수록 전기 전도성을 얻을 수 있는 밀도가 낮아진다는 - 과 잘 맞는 것이 밝혀졌다. 820나노미터 길이의 나노튜브로 만들어진 필름은 18나노그램/cm2의 매우 낮은 밀도에서 전도성을 띠게 되었으며 이는 현재까지 알려진 가장 낮은 밀도 값이다.
재미있는 현상은 짧은 나노튜브나 여러 길이가 섞여져 있는 나노튜브를 이용하여 만든 시료는 3차원 네트워크를 형성하여 특성이 매우 나빠진다는 것이다. 광학적인 특성은 금속 박막과 같을 것이라고 예상되었지만 아닌 것으로 밝혀졌다. NIST의 연구진은 광학 특성은 일반적인 퍼컬레이션 이론을 통해 더 잘 예상된다고 한다. 이러한 연구 결과는 나노튜브를 이용하여 만들어지는 소자들을 디자인할 때 이론적인 틀을 제공할 수 있을 것이다.
마이크로 크기의 기계를 동작시킬 초소형 태양전지
현재까지 만들어진 가장 작은 태양전지가 더 작은 마이크로 머신을 성공적으로 동작시켰다. 미국 물리학회(AIP)에서 출판되는 재생 및 지속가능 에너지 저널(JRSE)의 첫 이슈에서 기본 12 포인트 폰트로 'o'의 1/4 크기의 태양전지 20개를 묶은 1인치 크기의 시제품이 보고되었다. 이 전지는 유기 고분자를 이용하여 만들어졌으며 작은 화학 약품 누출 검출기를 동작시키기 위하여 여러 개를 묶어서 실험하였다.
보통의 지붕 위에 설치되는 상용 태양전지는 컴퓨터 칩을 만드는 딱딱한 실리콘 위에 만들어진다. 반면 유기 태양전지는 실리콘 웨이퍼와 같은 전기적 성질을 가지는 고분자를 이용하여 만들어지고 액체로 만들 수 있고, 휘어지는 물체 위에 얹혀 질 수 있다. 그러므로 어떠한 태양빛이 비치는 표면 - 옷, 자동차, 집 - 어디에도 스프레이 형태로 뿌려질 수 있다.
연구진은 마이크로 크기의 유독 물질 검출기를 동작시키기 위하여 20개의 작은 태양전지를 묶어서 만들었다. 이 검출기는 MEMS로 탄소나노튜브를 사용하여 만들어졌고 건전지를 이용하여 이미 작동되었던 것이다. 전원이 완전히 들어오고 회로에 연결되면 특정 화학 물질이 탄소나노튜브 속에 들어올 때의 전기 신호가 바뀌고 이를 잼으로써 이 물질을 검출해 낼 수 있다. 전기 신호가 어떻게 바뀌는지에 따라 어떠한 물질을 검출하는지 알 수 있다.
이 검출기는 15V의 전원이 필요한데 현재까지 연구진이 만든 태양전지 어레이는 그 반인 7.8V를 만들 수 있다. 태양전지를 최적화하여 전압을 증가시키려 하고 있으며 내년 말쯤에는 검출기를 완전히 동작시킬 수 있는 전압을 얻을 것으로 예상하고 있다.
실리콘 양자점 구조를 이용한 고효율 태양전지
NREL 연구진은 나노미터 크기의 실리콘 입자를 이용한 태양전지 연구의 새로운 가능성을 찾았다. 이들의 물리적 크기는 양자역학적 효과를 보일 만큼 충분히 작기 때문에, 이 물질구조는 흔히 '양자점'이라 불린다. 일례로, 동일한 태양전지 물질로 이루어진 양자점 구조는 그 물리적 크기를 조절함으로써 태양으로부터 흡수하는 파장을 변화시킬 수 있다. 이러한 독특한 특성으로 인해 양자점 구조를 이용한 태양전지에 대한 연구가 최근 많이 진행되고 있다.
하지만 결코 쉽지만은 않다. 보통 태양전지는 태양으로부터 빛을 흡수해 전자를 생성시키면서 물질에는 이에 상응하는 전공을 남기게 된다. 이 전자와 전공은 태양전지에 가해진 전기장에 의해 각각 반대 방향으로 이동, 외부로 연결된 단자에 도달함으로써 전류를 생성하게 된다. 하지만 양자점은 엑시톤이라 불리는 전자-전공 쌍을 생성하기 때문에 양자점을 이용한 태양전지는 이 엑시톤을 전자와 전공으로 분해시켜야 할뿐만 아니라, 이들이 재결합하기 전에 외부단자까지 이동시켜야 하는 기술적 어려움이 있다.
이러한 어려움에도 불구하고 양자점 구조를 이용한 태양전지가 주목을 받는 이유는, 특정한 물질로 만들어진 양자점 구조는 입사되는 한 개의 광자를 이용하여 여러 개의 엑시톤을 만들 수 있기 때문이다. 한 가지 문제점만 없었다면 이 멀티플 엑시톤 현상은 이미 차세대 태양전지 개발에 있어서 무척 중요한 역할을 했을 것이다. 그 문제점은 멀티플 엑시톤 현상을 일으키는 양자점에 사용되는 물질들이 태양전지에 일반적으로 사용되는 물질이 아니라는 점에 있다.
2007년 7월, NREL 연구원들은 태양전지에 사용되는 가장 대표적인 물질인 실리콘으로 이루어진 양자점 구조에서도 멀티플 엑시톤 현상이 일어남을 관측했는데, 2007년 8월 나노 레터스 지를 통해 소개된 이 연구결과를 통해 양자점 구조를 이용한 태양전지 개발은 새로운 국면을 맞게 되었다. 이 연구는 또한, 지금으로부터 10년 전인 1997년에 NREL 리서치 펠로우인 아써 노직 박사가 제시한 예측을 실험적으로 검증해 주는 역할을 하였다. 그렇지만 이러한 희망적인 연구결과에도 불구하고, 노직 박사는 이 아이디어의 성공적인 실현을 단정하지 않는다. 그는 이 연구결과가 갖는 과학적 의미는 인정하면서도 양자점에서 생성된 엑시톤을 분해하고 이에 따른 전자와 전공을 효과적으로 전류화시키는 문제는 아직 해결해야할 과제라고 지적한다. 달리 말하면, 입사된 태양광에 효과적으로 엑시톤을 생성시키는 물질을 찾는 문제와, 생성된 엑시톤을 이용해 전류를 만들어내는 소자를 개발하는 문제는 별개인 것이다.
현재, NREL 및 여러 연구기관에서 이 미결 문제의 해법을 찾기 위한 많은 노력을 하고 있다. 왜냐하면 이 노력의 대가는 굉장할 것이기 때문이다. 노직 박사와 또 다른 NREL 연구원인 마크 한나의 계산에 의하면, 양자점으로 만들어진 태양전지 효율의 이론적 최고치는 정상 태양광에서 44%이며, 태양광이 정상치의 500배 강도를 가질 경우 (Concentrated Photovoltacis-CPV), 그 효율은 68% 에 육박할 것으로 예상된다. 이러한 수치는 현재의 태양전지 기술이 같은 태양광 조건에서 각각 33%와 40%의 최고 효율을 기록한 것과 비교하면 괄목할 만하다.
태양광 내의 한 개의 광자는 일반적인 태양전지 소자에서 한 개의 전자를 생성하지만, 양자점 구조에서는 여러 개의 전자-전공 쌍을 만들어낼 수 있다. 뿐만 아니라 양자점의 물리적 크기를 조절함으로써, 흡수할 수 있는 태양광의 파장영역을 변화시킬 수 있고, 따라서 태양에너지를 흡수하는 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
유기 태양전지에 사용되는 은 나노입자
수세기 전, 스테인드 글래스 제조 기술자들은 여러 금속의 미세 입자들을 유리를 만들 때 혼합함으로써, 색깔을 띄며 반짝거리는 유리를 만들어냈다. 오늘날, NREL 과학자들은 비슷한 원리를 유기 태양전지의 효율을 높이는데 이용하고 있다.
플라스틱을 이용해 주로 만들어지는 유기 태양전지는 실리콘 등을 이용하여 만들어지는 일반적인 태양전지와 비교하여 상대적으로 제조하기 쉽고 제조비용이 저렴하다는 이점이 있다. 유기 태양전지에 사용되는 저가의 재료들은 대량생산에 적합하며 고온이나 고진공에서 이루어지는 공정도 요구되지 않는다. 이러한 가능성에 주목하여 NREL의 자오 반 데 라지맷을 중심으로 한 연구팀인 콜로라도 주립대와 공동연구를 통하여 폴리머 풀러린 셀로 알려져 있는 유기 태양전지를 연구하였다. 이 유기 태양전지의 핵심을 이루는 층은 플라스틱과 풀러린 분자들로 구성되어 있는데, 풀러린 분자구조는 60-탄소(C 60) 원자들이 축구공 구조로 배열되어 이루어졌다.
이 두 물질들은 핵심구조 층 내에서 서로를 관통하는 형태로 구성되었는데, 푸른빛이 입사될 때, 전자-전공 쌍(엑시톤)을 생성한다. 이러한 전자-전공 쌍이 두 물질의 경계로 확산 이동하게 되면, 전자는 풀러린을 통해 백사이드 콘택트로 전달되고 전공은 플라스틱을 통해 프론트 콘택트로 전달됨으로써, 전류를 형성시키게 된다. 하지만 이러한 종류의 태양전지에서 높은 효율을 얻어내는데 있어서 큰 문제가 있는데, 이는 플라스틱과 풀러린 분자들로 이루어진 핵심구조 층이 태양광의 적색 파장대나 적외선 영역의 빛을 흡수하지 못한다는 점이다. NREL의 반데 라지맷과 그 연구팀은 이 문제를 결국 극복했는데, 그들이 찾은 해결책은 나노 크기의 은 입자층을 태양전지 구조에 포함시키는 것이다. 이 나노 크기의 은 입자층은 이른바 표면 플라즈몬 공명 현상을 통하여 태양전지의 효율을 증폭시킨다고 반 데 라즈맷은 설명한다. 이 표면 플라즈몬 공명 현상에 대해 반 데 라즈맷은 다음과 같이 덧붙였다. 표면 플라즈몬은 은 층의 표면에 존재하며, 빛이 입사되었을 때 통일되게 움직이는 자유전자들의 집합으로써, 이러한 플라즈몬은 은 층 아래에 존재하는 핵심구조 층으로 전달되는 전자기 에너지를 크게 증폭시킨다. 이는 전류 형성을 크게 증가시키고, 결과적으로 태양전지의 효율을 증가시키는 효과를 가져 온다.
연구진은 유기 태양전지 구조에 나노 크기의 은 입자층을 포함시킴으로써, 장파장 영역에서의 전류생성이 크게 증가함을 입증하였다. 1nm 두께의 은 입자층을 이용한 실험에서 태양전지의 효율은 무려 1.7배나 증가하였다. 세부 조정을 통하여 이보다도 더 증가된 태양전지의 효율이 기대된다.
유기 태양전지는 스테인드 글래스 창문처럼 아름답지는 않지만, 나노 크기의 은 입자층의 도움으로 훨씬 향상된 그 효율은 보다 값싸고 깨끗한 전기에너지를 갈망하는 이들에 의해 높이 평가될 것이다.
표면 플라즈몬은 빛이 입사될 때 엑사이트되는 은 입자층의 표면에서 집단적으로 움직이는 자유전자들을 일컫는다. 이 플라즈몬은 은 입자층 밑에 존재하는 핵심구조 층에 전달되는 전자기 에너지를 크게 증가시킨다.
LED의 개선으로 얻은 에너지 절약
LCD를 크게 개선시키며 에너지를 절약할 초고효율 LED가 학생에 의해 개발되었다
최근 LED들이 우리의 시각을 변화시키고 있다. 이제 렌셀러 폴리테크닉 대학의 학생이 텔레비전, 컴퓨터 모니터, 휴대폰, 카메라의 화면에 쓰이는 LCD의 광원으로 이용할 새로운 형태의 LED를 개발하였다.
전자, 전기, 컴퓨터 공학과의 박사과정 학생인 마틴 슈베르트는 LCD 화면을 개선하고, 에너지를 절약하며 새로운 세대의 초고효율 LED로 쓰일 수 있는 편광 LED(polarized LED)를 처음으로 개발하였다.
이 편광 LED는 빛이 나오는 방향과 편광을 조절할 수 있어서 현재의 LED 기술에 비해 매우 발전된 형태이다. 빛을 제어할 수 있으므로 원하는 지점에만 빛을 보낼 수 있어 필요 없는 방향으로 가는 빛을 없앨 수 있으므로 에너지를 절약할 수 있다. 특히 LCD의 광원으로 쓰기에 편광 LED는 매우 좋다. 집광된 빛은 화면을 더욱 색감있고 화려하고 잔상을 제거할 수 있도록 해준다.
슈베르트는 실제로 모든 LED들이 처음에는 편광된 빛을 만들지만 그 편광을 열심히 유지시키려하지는 않는다는 것을 발견했다. 이를 바탕으로 LED 칩 주위에 편광을 더욱 강하게 할 수 있는 광학 기구들을 배치하여 처음으로 편광 LED를 만들게 되었다.
이 발명은 LED의 강한 빛과 환경 친화적인 성질과 LCD의 아름답고 선명한 성질을 묶어주는데 큰 발전을 이루게 하였다. 앞으로 이 LED는 효율이 낮고 수은을 포함한 형광등을 대치하여 전세계의 TV와 모니터에 이용될 것이다. 물론 가정용 조명이나 대비가 높은 조명, 센서 등에도 이용되기를 기대한다. 이 발명을 통하여 슈베르트는 3만달러의 레멀슨-렌셀러 학생발명상을 받았다.
나노구를 코팅한 LED를 이용한 백색광
안소니 최의 연구진이 녹색과 연빨강색 형광등 나노구를 470nm LED에 코팅하여 백색광을 만들어 내었다. 염료가 들어있는 폴리스티렌 입자들은 오팔과 같은 포토닉 구조를 만들어서 반도체에서 더 많은 빛을 밖으로 나오게 할뿐만 아니라 발광 모양도 좋게 만든다.
보통 백색광을 얻는 방법은 파란색을 내는 LED에 인광물질을 코팅하여 만드는 방법과 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) 색을 내보낼 수 있는 광소자를 잘 섞어 만드는 것이다. RGB를 이용하는 방법은 강한 빛을 얻을 수는 있으나 백색광을 정확히 구현하기 위해서는 이들 RGB의 비율을 잘 맞춰야하는 어려움이 있다. 반대로 인광물질 방법은 쉽게 만들 수는 있으나 높은 에너지의 LED 빛으로 낮은 에너지의 인광물질 빛을 만들어내는 과정에서 생기는 에너지 손실 때문에 빛이 약하다는 단점이 있다.
홍통 대학의 치오 교수의 연구진에서 개발된 방법은 인광체 방법을 개선한 것이라고 할 수 있다. 이 역시 에너지를 잃는 스토크스 전이 형태의 손실이 있기는 하지만 시제품에서는 매우 잘 퍼져있는 백색광을 방출하고 있다. 여러 가지의 염료들이 팔리고 있으므로 잘 섞기만 하면 높은 CRI 값을 가지는 백색광을 만들어 낼 수가 있고, 이 염료들을 나노구 안에 집어넣어서 빛에 의한 염료의 손상을 최소화 한 것이다. 이 코팅의 수명은 36개월을 넘을 것으로 예측되며 발광 효율은 67.2lm/W에 색온도는 3587K에서 13000K까지 얻을 수 있었다.
이 소자를 만들기 위하여 녹색과 연빨강색을 내는 나노구를 잘 섞어서 GaN 마이크로 LED 위에 코팅하였다. 이 나노구들은 헥사고날 클로즈드 팩 구조의 형태로 표면이 꽉 차도록 자연적으로 분포되었고 이로 인해 빛의 흡수와 방출이 영향을 주는 표면적이 매우 넓어지게 되어 결국 얻은 빛의 효율을 높여주었다.
이를 이용하여 연구진은 백색 조명 개발 분야에 뛰어들려 하고 있으며 마이크로 LED를 만드는 기술을 이용하여 색깔을 바꿀 수 있는 LED나 총천연색 미니 디스플레이를 만들려고 하고 있다. 연구진은 상용화된 인광체를 이용하면 제약을 받게 되는 여러 지적재산권 문제를 나노구를 이용한 방법으로 피해갈 수 있을 것이라고 한다.
(b) LED의 CIE 그림에서의 위치와 EL spectra. 비율에 따라 여러 색깔을 방출하게 할 수 있다.
다공의 발광 다이오드(LED)가 TV 백라이트 시장을 공략한다
최근 가전제품 상점에 가보면, 더 이상 CRT로 만들어진 텔레비전이나 컴퓨터 모니터는 찾기 어렵다. 그 자리를 액정을 이용한 제품들이 메꾸고 있는데, 이 액정 화면은 (액정 패널 뒤에) 보통 백라이트 유닛(BLU)이라 불리는 백색광원을 필요로 한다. 이 BLU에 가장 널리 쓰이는 것이 Cold-cathode fluorescent lamp(CCFL)인데, LED를 이용한 BLU는 가볍고, 두께를 줄일 수 있으며, 또 전력소모가 상대적으로 적다는 이점으로 인해 최근 랩톱 컴퓨터 화면 등에 많이 사용되고 있다.
CCF 백라이트는 현재 시판되고 있는 대부분의 액정화면 제품에 사용되고 있다. 발광 다이오드는 부분적 암영조절(local dimming)이 가능하여 화면의 명암조절에 훨씬 큰 효과를 가져오지만, 발광 다이오드를 이용한 TV 제품이 시장 점유율을 높이기 위해서는 발광다이오드 칩의 가격이 현재보다 크게 떨어져야 한다.
BLU에 사용되는 LED는 크게 빨간색, 초록색, 그리고 파란색 LED를 조합하거나 파란색 LED에 노란색을 발산하는 인광체를 코팅하여 백색광을 만드는 경우로 나눌 수 있는데, 두 경우 모두 GaN를 기초로 한 파란색 LED를 사용해야한다. GaN 소자와 관련된 문제점은, 액티브 레이어에서 생성되는 대부분의 빛이(결정 결함 등으로 인해) 소자 내에서 트랩되어 발광 효율이 떨어진다는 것인데 이는 다시 많은 수의 LED가 사용되어야 하고 제작단가의 증가라는 문제로 이어진다. 일반 광원으로의 응용에서는 소자표면을 거칠게 만들어 소자 내에 트랩된 빛들의 탈출각도를 증가시킴으로써 그 발광효율을 증대시키는 등의 방법도 쓰이지만, 이 방법은 발산되는 빛의 방향을 제어할 수 없기 때문에 BLU에 응용될 수는 없다.
연구 결과에 의하면, GaN 오버레이어와 사파이어 기판에는 빛의 수평 트랩 모드가 존재하며, 주기적으로 배열된 구멍들로 구성된 그레이팅 구조를 LED의 발광면에 만들어줌으로써 트랩된 빛의 상당부분을 저렴하고 효과적으로 사용할 수 있다고 한다. 이러한 그레이팅 구조로는 주기적(periodic) 혹은 준주기적(quasiperiodic)으로 배열된 얕은 구멍 구조가 대표적이며, 이러한 구조는 이른바 2차원 광격자 구조(photonic crystal lattice)를 형성한다. 미국의 루미너스 디바이스사는 이미 이러한 광격자 구조를 이용한 LED - PhatLight LED - 를 개발해 삼성의 56인치 리어 프로젝션 모델과 같은 최신형 텔레비전 제품들에 사용되고 있다. 하지만 이러한 광격자 구조 LED를 이용한 디스플레이 제품이 시장 경쟁력을 갖기 위해서는 광격자 구조를 만드는데 드는 비용을 절감해야만 한다. 최신 옵티컬 리소그래피 기술은 많은 비용이 들기 때문에 광격자 구조 LED 제작에는 보통 비용이 상대적으로 저렴한 일렉트론 빔 리소그래피 방법이 많이 사용된다. 연구개발 단계에서 유용하게 쓰이는 일렉트론 빔 리소그래피 방법은 패터닝 속도가 느리기 때문에(1inch2면적에 패터닝을 하는데 수십 시간이 소요됨) 소비재 제품의 양산 공정에는 적합하지 않을뿐더러, 장시간의 작업으로 인해 비용의 절감효과 또한 볼 수 없다.
광격자 구조 LED 제작을
그림 1. 빛은 여러 다른 방법으로 나노입자의 플르즈몬 공명을 통해 전기로 바뀐다. (a)는 셀을 통해 만들어진 광 경로를 따라서 이동하는 far field 효과. (b)는 태양전지의 에너지 변환 효율을 국지적으로 높이는 near field 효과 (c)는 에너지를 많이 가진 차지를 만들어서 태양전지에 공급하는 방법 등
그림 2. 수직으로 세워진 탄소나노튜브가 시료의 반사율을 측정하기 위한 적분구(integrating sphere)에 넣기 위해 준비된 모습
그림 3. 새로 만들어진 반사율이 0.045%인 가장 어두운 인공 물질(가운데)은 왼쪽의 NIST 반사율 기준 시료 (1.4% 반사율)나 오른쪽의 글래시 카본보다 훨씬 어둡다. 이 사진은 플래시를 사용하여 촬영되었다.
그림 4. 가장 어두운 물질의 스캐닝 전자현미경(SEM) 사진
그림 5. 금색 알루미늄, 파란색 티타늄, 금색 백금(왼쪽부터)
그림 6. 로체스터 대학의 광학 연구소에서 연구진들이 펨토초 레이저를 이용해 실험하는 모습
그림 7. 개발된 태양전지판
그림 8. a, c, e는 각각 HiPco, laser-ablation, arc discharge 방법으로 만든 SWCNT들이 초원심분리기에서 분류된 모습이고 b, d, f는 분류된 CNT들의 흡수 스펙트럼.
그림 9. 분류된 CNT는 지름에 따라 다른 색깔을 띤다. 각기 다른 지름의 CNT를 배열하고 연구자 학교의 마크를 뒤에 붙여 빛을 쬐면 투명하게 투과되어 보이는 모습.
그림 10. 일반적인 태양전지와 반도체 나노구조를 이용한 태양전지의 비교
그림 11. InP, GaP, Si 기판과 그 위에 성장된 나노선 어셈블리
그림 12. (a) InP, (b) GaP, (c) Si의 반사율 스펙트라. 가는 선은 나노선 어셈블리에서의 반사, 점선은 일반 기판에서의 반사, 굵은 선은 coherent-beam specular 반사이다. (a) 와 (c) 그림에 나타낸 수직 점선은 InP와 Si의 에너지 밴드갭
그림 13. Buckypaper의 SEM 사진은 탄소나노튜브들이 얇은 종이에서처럼 거의 2차원 네트워크를 형성하고 있음을 보여준다. 이 buckypaper는 820nm 길이의 나노튜브들을 이용하여 만들어졌으며 중간 중간 구멍이 뚫려있음에도 불구하고 전기 전도성이 좋다. 광학적으로는 이 물질은 거의 투명하다.
그림 14. 여러 길이의 나노튜브들을 이용하여 만든 시료의 면 밀도에 따른 전도도. 연결선은 GEM 퍼컬레이션 모델을 사용하여 피팅한 것이다.
그림 15. (a) 1mm2 면적을 가지는 단일 태양전지의 양극, 음극 디자인. (b) 20개의 단일 태양전지를 묶은 어레이. 보라색은 맨 아래층으로 광 리소그래피를 사용하여 패턴으로 만든 ITO 양극이며 중간의 빨간 곳은 스핀 코팅한 P3HT:PCBM 층이다. 맨 위층인 연한 파랑색은 열전사로 만든 음극 층이다.
그림 16. 헤테로정션 구조를 이용한 단일 유기 태양전지의 모습
그림 17. 노직 박사와 그의 실험 관련 장비들
그림 18. 양자점 구조에서의 멀티플 엑시톤 생성 그림
그림 19. 전자-전공 쌍이 두 물질의 경계로 확산될 때의 설명도
그림 20. Fluorescent 나노를 코팅한 LED의 소자 모습
그림 21. (a) 녹색 나노구의 PL spectrum, (b) 녹색 나노구에서 나오는 fluorescence의 광학 사진 (500nm의 long pass filter를 이용함), (c) 녹색과 연빨강색 나노구가 섞여 있을 때의 PL spectrum. (d) (c) 경우의 광학 사진
그림 22. (a) 그림에 표시된 여러 비율로 녹색과 연빨강 나노구를 섞어 만든 (A, B, C, D)
그림 23. 시제품으로 제작된 여러 LED의 발광 사진. A는 노란색에, D는 파란색에 가까운 CIE 그림에서의 위치와 잘 일치하는 모습을 보인다.
그림 24. CCF 백라이트 액정화면이 채용된 제품
그림 25. NIL 공정: 플래시 나노 임프린트 리소그래피 공정은 레지스트가 코팅된 기판에 투명한 수정 스탬프를 이용하여 스탬핑을 하고, 자외선 빛에 노출, 그리고 광격자 구조 제작을 위한 식각작업으로 이루어진다.
그림 26. (좌측) NIL 기술로 제작된 준 격자구조의 전자현미경 사진(top view). 기술저작권 문제를 피하기 위해 일반적인 균일한 격자구조를 피했지만, 특정한 응용분야에 따라, 발산 프로파일을 조절할 수 있다. (중앙) 좌측 전자현미경 사진과 동일한 준격자 입체 구조의 단면구조(tilted view). 식각된 구멍의 크기가 밑에서부터 위에까지 균일함을 확인할 수 있다. 이러한 양질의 광격자 구조를 제작하는 데는 겨우 5분 정도가 소요되며, 염소가 함유된 기체를 사용한 ICP 에칭 공정기술이 사용되었다. (우측) 350평방마이크론 크기의 준 광격자 구조 LED에서 발산되는 빛. 표면전체에 걸쳐 균일한 세기의 빛이 나옴을 볼 수 있다.
참고문헌
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http://chalmersnyheter.chalmers.se/Article.jsp?article=11030
○Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) Homepage 참조
http://news.rpi.edu/update.do?artcenterkey=2393&setappvar=page(1)
○http://www.rochester.edu/news/show.php?id=3106
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○Rensselaer Polytechnic Institute 홈페이지 참조
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○M.C. Beard et al., Multiple 엑시톤 Generation in Colloidal Silicon Nanocrystals, Nano Lett. 7(8),2506-2512(2007)
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