가천대 박정웅 교수 등 태양광 흡수율 대폭 높아진 강유전체 박막 구현

[사진=가천대학교 박정웅 교수]

아주경제 박재천 기자 = 한국연구재단(이사장 정민근)은 “가천대 박정웅교수(전기공학과)와 광주과학기술원 이상한교수 공동연구팀이 비스무스 계 강유전 재료에 전이원소인 철과 코발트를 첨가, 밴드 갭을 현저히 줄이고 광전밀도를 높여 태양광 흡수율이 대폭 높아진 강유전성 박막을 구현했다”고 21일 밝혔다.

연구팀은 교육부 이공학개인기초연구지원사업 등의 지원을 받아 연구를 진행했으며 연구결과는 세계적 권위의 과학 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 지난 17일자로 게재됐다.

효율적 전하 분리와 축적이 용이하다는 장점을 지닌 강유전 재료는 기존의 실리콘 기반 태양전지의 효율을 넘어설 수 있는 차세대 재료이나 높은 밴드 갭을 보유하고 있어, 가시광 영역의 빛 흡수가 어렵기에 광소자 등의 다양한 목적으로 응용이 어렵다.

이에 연구팀은 비스무스 계 강유전 재료 박막에 전이원소 코발트와 철을 첨가, 재료의 밴드 갭을 최대 31% 이상, 광전밀도를 최대 25배 이상 향상시켰다.

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이는 강유전 재료의 장점인 자발분극 특성이 유지되면서 가시광 영역의 빛 흡수까지 가능해진 것으로, 광학 성질이 획기적으로 개선된 결과이다.

또 산화막 구현 시 기존 연구의 복잡한 초격자 구조와 달리 전이원소 첨가 후 박막을 쌓는 쉬운 방법을 사용함으로, 구현 과정의 산업화 적용 가능성도 높였다.

비스무스 계 강유전 재료 내에 철과 코발트가 선택적으로 타이타늄으로 치환하는 것이 밴드 갭 감소의 원인이며, 이러한 치환에 따른 밴드 갭 감소의 메커니즘이 철, 코발트 별로 서로 다르다는 것을 밀도범함수이론 연구를 통해 세계 최초로 규명하였다.

박정웅 교수는 “강유전성 박막의 기본구조는 유지하면서 전이원소의 구조적 치환으로 자발분극 특성은 유지하되 광학성질이 개선되었다는 것은 해당 연구분야의 중요한 성과”라며 “강유전체 태양전지 등과 같은 차세대 광소자 구현연구에 중요한 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.