교육과학기술부와 한국연구재단은 우리나라 학문 발전 및 연구 역량 강화에 기여할 수 있는 우수 연구 과제를 선정, 지원하고 있다. 전자과학은 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 주요 연구 성과 중 바이오칩/센서 연구, 태양에너지 활용 연구, 에너지 수확을 위한 나노 발전 기술 연구, 고효율 메모리 반도체 기술 연구에 관한 내용을 4회에 걸쳐 소개한다. [편집자 주]

지난해 3월 대지진의 여파로 일본의 원전 가동이 중단됐다. 42년 만에 처음 있는 일이다. 일본 정부는 이번 조치에 대해 한시적이라는 전제를 달았다. 원전을 반대하는 사람들은 이번 사태로 원전의 잠재 위험성 제거와 새로운 에너지원을 개발할 수 있는 적기라평가하고 있다. 하지만 원전 중단으로 일본은 올 여름 전력난이 불가피하다. 비단 일본만의 이야기가 아니다. 석유 등의 주요 에너지 군을 수입하는 우리나라에서도 언제 어디서나 이와 같은 일들이 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 과학계에서는 지속가능한 친환경 에너지원으로 태양에너지를 주목하고 있다. 태양에너지는 오염이 없을 뿐만 아니라, 고갈 염려가 없는 태양의 빛과 열을 사용한다는 점에서 개발 가능성이 무궁무진하다. 최근 과학자들은 태양열 주택과 같이 태양에너지 중에서 적외선을 주로 포집/활용하는 기존의 방식에서 벗어나, 태양광을 직접 전기에너지로 바꿀 수 있는 태양전지 개발 등으로 태양에너지 활용을 극대화시키고 있다. 

신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발
염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작업을 통해 얻은 태양광에너지를 전자의 흐름으로 만들어낸 차세대 전지다. 식물은 광합성 시 빛을 엽록소라는 천연염료가 흡수하는 반면, 염료감응 태양전지는 인공적으로 합성된 염료분자를 이산화 티타늄(TiO2) 나노입자에 붙여 사용한다. 이산화 티타늄 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 반도체 산화물 전극과 태양빛이 조사되면, 염료분자에 의해 전자가 만들어진다. 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 최종적인 전기에너지를 생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조공정이 단순하고 저가의 재료를 사용하기 때문에 가격이 실리콘 셀 가격의 20~30% 정도에 불과하다. 또한 기존 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다. 염료감응 태양전지의 셀 성능이 12% 이상 보고되어 장기 안정성만 보장된다면 태양전지의 저가화에 큰 역할을 할 수 있다. 최근 많은 국내외 기업들이 염료감응 태양전지의 장기 안정성 향상을 위해 연구를 활발히 진행하고 있지만, 여전히 액체전해질의 높은 휘발성이 큰 문제로 작용하고 있다. 그동안 전해질을 겔화시켜서 액체전해질의 증기압을 낮추려는 시도가 많았다. 그러나 겔화된 전해질은 메조기공을 갖는 이산화 티타늄의 기공에 침투하지 못하는 특성으로 셀 성능이 기존 액체전해질 대비 떨어지는 단점이 있었다. 하지만 성균관대 화학공학부 박종혁 교수는 균일한 입자 크기를 갖는 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 위치시켜, 선택적으로 팽윤 및 용해시킬 수 있는 액체전해질의 용매를 조절해 기존 겔형 전해질의 단점을 극복할 수 있는 신규 전해질을 개발했다. 초기 성능은 기존 액체전해질과 거의 동일했으며, 약 3주가 지난후의 성능을 비교했을 때 액체 전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 비해 효율이 매우 안정적으로 유지되는 점을 확인했다.

실리콘 나노선을 이용한 신개념 고효율 태양전지 개발
실리콘 태양전지는 미래의 대체 에너지원으로 각광받고 있다. 현재 실리콘 태양전지의 가장 큰 관심사는 재료비 대비 고효율 소자 제작이라는 것이다. 이를 위한 주요 과제들로 고품위의 물질 구현을 통한 전기적 특성 향상 및 광 수집 효율 증대 방안 등을 들 수 있다. Bottom-up 방식의 실리콘 나노선 태양전지는 일반적인 식각 과정이 불필요해 재료를 근본적으로 절감할 수 있으며, 합성 과정 중에 물질의 치환이 용이해 다양한 기능의 소자를 구현할 수 있다. 하지만 지금까지 실리콘 나노선 연구는 고품위 실리콘 재현의 어려움으로 고효율 태양전지 소자 실현이 사실상 불가능했다. 고려대학교 극미세나노선 광소자연구단장 박홍규 씨는 이런 단점을 극복하고 화학적 증기 증착(CVD) 방식을 통해 육각기둥 형태의 고품위 단결정 실리콘 나노선을 성장하고, 성장 과정 중에 ▲내부 코어 ▲중간 껍질 ▲외곽 껍질 층에 각기 다른 dopant를 적용한 p-i-n형의 단일 나노선 태양전지 구현에 성공했다. 개발된 실리콘 나노선의 물질 특성을 조사하기 위해 투과전자현미경을 이용한 나노선 단면 촬영 및 격자 구조 분석을 실시했으며, 이를 통해 성장된 나노선이 고품위의 단결정 실리콘 재질로 구성되어 있음을 확인했다. 또한 성분 분석 장치를 통해 나노선 내부의 코어 및 각 껍질 층이 성장 과정 중에 의도했던 dopant로 채워져 있음을 증명했다. 실리콘 나노선은 외곽 껍질의 일부분을 식각하여 코어 부분을 드러내고, 코어가 드러나지 않은 외곽 껍질과 내부 코어 각각에 n형 및 p형 전극을 올리게 되면 태양전지 소자로서 작동하게 된다. 제작된 단결정 실리콘 나노선 태양전지 소자의 I-V 특성 측정 결과 0.5 V의 개방전압 및 1 fA 이하의 누설 전류 특성을 기록했다. 이는 현재까지 보고된 나노선 태양전지 소자 중에서 최고의 값이며, 범위를 산업에서 개발하고 있는 박막형 실리콘 태양전지로 확장하더라도 동등한 수준에 근접한 것이다. 단결정 실리콘은 낮은 물질 흡수로 인해 본질적으로 전류 밀도가 작다는 단점이 있다. 하지만 실리콘 나노선은 크기가 약 300 nm에 불과함에도 그 자체로 미세 공진기로써 작동할 수 있으며, 공진기 내에 존재하는 공진 모드와 입사하는 태양광 사이의 강한 상호 작용을 통해 높은 광 수집 효율을 기대할 수 있다. 스펙트럼 분석 및 전자기 계산을 통해 나노선 내부에 존재하는 공진 모드의 존재를 입증했으며, 실제 실리콘 나노선은 같은 두께의 박막형 구조에 비해 약 2배 이상 증가한 전류 밀도를 기록했다. 또한 실리콘 나노선 소자의 추가적인 전류 밀도 향상을 위해 나노선을 수직 방향으로 두 층까지 쌓는 것에 성공했다. 이를 통해 약 25 mA/cm2의 전류 밀도를 기록할 수 있었다. 전자기 계산에 의하면 동일 방식을 통해 1 μm 두께까지 나노선을 적재하였을 때 약 13%의 효율이 예상되며, 이는 현재 개발되고 있는 박막형 태양 전지 소자의 수준을 훨씬 뛰어넘는 것이다. 실리콘 나노선을 이용한 태양전지 개발은 CVD 방식을 통해 개별 나노선을 이루는 물질을 자유롭게 조작할 수 있다는 장점과 더불어 빛의 파장보다 작은 크기의 공진기가 가지고 있는 고유한 공진 모드 특성으로 인해 향후에도 활발한 연구가 이어질 전망이다.

차세대 태양전지 효율을 높이기 위한 신소재 활용
염료감응형 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비교해 높은 광전환 효율을 보일 뿐 아니라, 상대적으로 제작이 간단해 경제적인 차세대 태양전지이다. 염료감응형 태양전지의 효율향상 및 상용화를 촉진하기 위한 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 대표적으로는 ①가시광 영역뿐만 아니라 적외선 영역을 포함한 전 파장대의 빛을 흡수할 수 있는 염료 ②염료의 흡착 및 전자의 주입을 최대화하기 위한 산화물 반도체(특히 이산화티타늄(TiO2))의 구조 제어 ③안정적이고 효과적인 환원을 유도하는 산화-환원 전해질 ④고가의 백금 전극을 대체하기 위한 연구 등이 이루어지고 있다. 최근에는 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 금 또는 은과 같은 금속 나노입자, 광결정(photonic crystal)과 같이 주기구조를 갖는 물질 및 탄소 소재와 같은 새로운 물질을 첨가하는 형태의 연구가 주목받고 있다. 특히, 높은 전기전도도(electrical conductivity)를 갖는 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 탄소나노섬유(carbon nanofibers) 및 그래핀(graphene)과 같은 다양한 탄소 소재를 태양전지에 도입하면, 전자의 이동(transport) 및 수집(collection)이 용이해 태양전지 효율 향상에 도움을 준다. 하지만 아직까지 탄소소재와 이산화티타늄(TiO2) 계면에서의 전자의 이동 및 수집에 대한 영향을 이해하고 보고한 연구는 미비하다. 이화여자대학교 화학나노과학과 김동하 씨는 이중블록공중합체(diblock copolymer)를 이용해 탄소/TiO2 하이브리드 박막(hybrid thin film)을 제조했다. 이는 탄소질 생성을 위해 별도의 전구체나 활성화 촉매를 사용하지 않고도, 자기조립 이중블록공중합체의 자외선 조사를 안정화(UV stabilization) 및 열처리를 통한 직접 탄소화(direct carbonization)를 통해 더욱 경제적으로 탄소질의 박막을 제조할 수 있다. 또한 이중블록공중합체의 한 블록에만 특정 무기물이 특이적으로 결합할 수 있는 특성을 이용해 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 제조할 수 있다. 김동화 연구팀은 이중블록공중합체의 안정화 및 직접 탄소화에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 염료감응형 태양전지의 구성요소인 광전극에 도입해 염료 감응형 태양전지의 광전환 효율을 최대 40%까지 향상시키는데 성공했다. 이는 김동하 연구팀에 의해 개발된 기법으로 제조된 하이브리드 탄소/TiO2 박막이 높은 전기 전도성을 갖는 탄소를 포함하며, TiO2 나노입자 및 투명전극(FTO)과 탄소/TiO2 박막 사이의 계면에서의 저항을 감소시킴으로써 여기(excitation)된 전자의 전달을 촉진시켜 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 향상시키는데 큰 역할을 했다. 탄소/TiO2 하이브리드 박막 제조기법은 이중블록공중합체를 이용한 용이하고 경제적인 기법이며, 이중블록공중합체의 자기조립 성질을 조절하면 다양한 구조 및 조성을 갖는 하이브리드 나노구조체를 제조할 수 있다. 특히 하이브리드 탄소나노소재의 제조기술은 염료감응형 태양전지의 광전극 뿐 아니라, 연료전지 및 배터리의 핵심 구성요소인 전극소재 및 친환경 가시광 활성 촉매 분야 등에 광범위하게 적용이 가능할 것으로 기대된다.

햇빛을 흡수하여 만들어지는 핫전자 태양전지 원천기술 개발

KAIST EEWS 대학원 박정영 교수팀은 태양광을 흡수해 생성되는 핫전자와 표면플라즈몬의 상관관계를 규명했다. 박 교수팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛 표면에 여기된 핫전자를 검출했다. 또한, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형해 표면플라즈몬을 생성했으며, 나오다이오드에 검출된 핫전자를 측정해 표면플라즈몬의 핫전자 증폭을 관찰했다. 이 원리는 표면플라즈몬이 핫전자 생성을 극대화시켜 태양전지의 효율을 높이는 데 활용될 수있다.

용어설명
- 염료감응 태양전지
- 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)는 염료감응 태양전지라고도 한다. 산화환원 전해질로 구성되어 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.
- 두 개의 전극과 그 사이를 채우고 있는 전해질로 구성이 된다. 광 전극이라 불리는 전극은 투명전극 위에 염료분자가 흡착된 산화 이산화 티타늄 나노입자로 구성되어 있고 상대전극이라 불리는 전극은 백금이 코팅된 투명전극으로 구성된다.
- 폴리스타이렌 나노입자(Polystyrene nanoparticles) : 유화중합을 통해 합성되며 균일한 크기를 갖는 나노입자를 의미한다. 보통 입자의 크기는 약 100 ~ 1,000 nm까지 조절이 가능하며, 주로 광학적인 특성을 제어할 목적으로 많이 활용된다. 최근에는 구형 입자나 나노구조체를 합성하기 위한 형판(型板)으로 사용된다.
- 겔(Gel) 전해질 : 화장품과 같은 생활 용품에도 많이 활용되는 용어로써 점성이 있는 물질을 통상적으로 지칭한다. 흐름이 전혀 없는 고체와
흐름이 자유로운 액체의 중간 형태를 지칭한다.
· 나노선(nanowire) : 수 십~수 백 나노미터의 굵기를 가지며 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체
· 화학 증기 증착(chemical vapor deposition) : 기판 위에 촉매에 해당하는 금속 물질(주로 금을 사용)을 배열한 뒤, 고온의 튜브 내에 반도체 물질을 구성하는 기체를 주입하면 촉매 주위로 결정성을 가진 반도체 물질이 성장되는 방식
· 개방전압(open-circuit voltage) : 태양전지 양 극단에 추가적인 전류를 주입하지 않을 때 걸리는 전위차. 이상적인 개방전압의 최대치는 해당 반도체 물질의 밴드갭 에너지와 동일하며, 개방전압이 높을수록 태양전지의 효율이 증가
· 누설전류(leakage current) : 반도체 접합 부분 외의 영역을 따라 이동하는 전류로 물질의 불순물이 높을수록 누설전류의 양이 증가
· 공명(resonance) : 빛이 특정 모양을 가진 구조체 내에 입사되었을 때, 구조체 내에서 빛이 진행 또는 반사하며 특정 파장을 가진 빛이 증폭되는 현상
· 블록공중합체의 자기조립 (block copolymer self-assembly) : 블록공중합체는 화학적으로 성분이 다른 두 가지 이상의 고분자가 사슬 한쪽 끝을 통해 공유결합으로 연결된 특이한 유형의 고분자이다. 이러한 고분자는 자기 조립을 함으로써 나노 크기 수준에서 ▲구(sphere) ▲실린더(cylinder) ▲자이로이드(gyroid) ▲라멜라(lamellae)를 포함한 다양한 형태의 주기적인 구조를 발현하는 특징을 가진다. 또한 한 쪽 블록에만 선택적으로 무기물을 결합시킴으로써 유-무기 하이브리드 구조체를 제조할 수 있는 주형(template)의 역할을 할 수 있다.  
· 직접 탄소화 기법 (direct carbonization) : 별도의 탄소 전구체를 필요로 하지 않고, 직접 탄소화기법에 의해 고분자를 탄소질의 물질로 전환할 수 있는 기법이다. 자외선 조사를 통한 고분자의 가교(cross-linking)를 유도하고, 열처리함으로써 탄소질의 물질로 전환될 수 있으며, 블록공중합체의 자기조립 현상에서 비롯된 규칙적이고 질서도가 높은 하이브리드 탄소 나노소재의 제조 및 제어가 가능하다.
· 핫전자 (hot electron) : 외부에서 에너지가 표면에 전달되면, 에너지 전환과정에 의해 표면에 핫전자(hot electron)가 생성된다. 이때 외부에너지는 ▲광의 흡수 ▲분자의 흡착 ▲촉매반응 등의 화학 반응과 전자나 이온 충돌 등의 다양한 현상을 포괄한다. 전달된 에너지는 표면에서 핫전자의 여기를 가능하게 한다. 산화물 박막으로 이루어진 나노다이오드를 이용하여 이러한 핫전자의 검출이 가능하다. 핫전자의 이해와 측정은 에너지 손실과정의 원자적 규모에서의 이해를 가져다준다는 점에서 중요성을 지닌다.
· 표면 플라즈몬 (surface plasmon) : 표면 플라즈몬은 금속 표면에서 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자이다. 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)은 빛과 금속 내의 자유전자(free electron)와의 상호작용에 의한 결과로 빛이 금속표면에 갇힌 것을 말한다. 이 표면 플라즈몬 공명의 결과로 표면에서의 전자기장(electromagneticfield)의 세기를 증폭한다. 금속에서 빛이 흡수되는 cross-section이 표면플라즈몬에 의해 변하며, 빛의 투과율이 표면플라즈몬이 보이는 특정한 파장에서 변하게 된다.
· 나노 다이오드 (nanodiode) : 얇은 금속 박막과 반도체(산화물 반도체 혹은 화합물 반도체 등)로 이루어지며 핫전자가 표면에 발생한 후 Schottky 에너지 장벽을 넘고 검출되어진다는 개념이다.