[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

에너지 소비량이 매년 지속적으로 증가하고 있는 가운데 에너지-환경 문제가 전 세계 과학기술의 가장 중요한 화두로 여겨지고 있다. 그중에서도 우리나라는 에너지 소비 증가율과 온실가스 배출량 증가율에 있어 세계 1위를 기록하고 있는 만큼, 친환경 신재생 에너지원에 대한 개발이 어느 나라 보다도 절실해진 상황이다. 여러 신재생에너지 후보 중에서도 차세대 태양광발전 분야에서 우리나라는 세계 최고의 기술력을 가지고 있으며, 현재 Shockley-Queisser limit1) 이라 불리는 이론적 최대치(33.7%) 효율에 근접할만큼 활발한 연구가 진행 중이다. 우리 연구팀은 차세대 광발전 기술에 해당되는, 최근 세계적으로 활발한 연구가 진행중인, ‘벌크 광기전 효과2)’에 대해 탐구하였고, 2차원 평판구조로 잘 알려진 Transition Metal Dichalcogenides3) (TMD, 전이금속 디칼코제나이드)을 빨대 모양으로 돌돌 말아서 1차원 나노튜브 구조로 만들면, 특수한 광기전 능력을 발현 시킬수 있음을 밝혀 내었다.

반도체 물질 시스템이 빛을 받아서 여기4)되면 전자(음전하)와 정공(양전하)5)이 형성 된다. 보통은 형성된 전자와 정공은 그 자리에서 소멸 하지만, 전자를 왼쪽으로 몰아 주고, 정공을 오른쪽으로 몰아놓으면 전압이 생성된다. 즉 빛을 받아서 전기가 축적 되는 광기전(photovoltaic) 효과가 발생하는 것이다. 이러한 광기전을 발생시키는 가장 전통적인 방법은 반도체의 p-n 접합구조6)를 만드는 것이고, 현재 사용되고 있는 대부분의 태양전지가 이 구조를 이용하는 것이다. 한편 물성과학자들의 관심을 끄는 주제는 p-n 접합없이 물질의 비대칭성만을 이용하여 전자와 정공을 분리시키는 것이다. 이 방식의 장점은 소위 말하는 Shockley-Queisser limit에 국한되지 않고 매우 큰 광전류를 만들어 낼 수 있는 것이다. 벌크 광기전 효과에서 나타나는 DC 광전류를 시프트 전류7)라 하는데, 이것은 물질시스템이 빛을 받아서 여기될 때 발생하는 전자-정공의 움직임이 원자가띠와 전도띠8) 사이의 베리 커넥션9) 차이라는, 근원적인 양자역학적 특성에 의해 결정된다. 다시 말해서, 벌크 광기전 효과를 정확하게 추정하기 위해서는 후보 물질의 고유한 양자역학적 전자구조를 정확히 이해하는 것이 중요하다.

Transition Metal Dichalcogenides는 2차원 평판형 물질로 널리 알려져 있으며, 1차원 나노튜브 형태로 만들어 매우 큰 벌크 광기전 효과가 있다는 최근의 보고가 있었으며 1차원 나노튜브구조가 가질 수 있는 벌크 광기전 효과의 원인메커니즘에 대해 많은 관심이 집중되고 있는 상황이다.

2. 연구내용

빛을 받아서 반도체가 여기될 때, 전자와 정공을 얼마나 효과적으로 분리시킬 수 있는가에 광기전 효과의 핵심이 있다. TMD 나노튜브는 지름이 다른 여러 겹 의 빨대가 겹겹이 겹쳐진 상태로 1차원 대롱을 형성하고 있다. 즉 여러 겹이 겹쳐진 빨대 모양을 하고 있는 것이다. 우리는 ‘1차원 형상’과 ‘여러겹 구조’ 가 TMD반도체의 전자-정공 분리에 탁월한 잇점이 있는 것을 밝혀 내었다.

물질의 상태에서 벌크 광기전 효과를 정확히 도출 하기 위해서는 양자역학 방정식인 슈뢰딩거 방정식10)을 정확하게 풀어내어야 한다. 이 양자역학 방정식을 교과서 수준의 예제를 푸는 것이 아니라, 실제 물질의 수많은 입자에 대해서 풀어내는 것은 여러가지 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 제시된 범밀도함수이론(Density-functional theory, DFT)11)은 지난 수십년 동안 발전되어 왔는데, 우리 연구팀은 반도체 물질시스템이 빛에 노출 된 환경에서 DFT 계산법을 어떻게 풀어가는가에 대한 노력을 하고 있으며, 이 부분에서 세계 최고 수준의 연구력을 가지고 있다. 우리는 이 기저상태를 이용하여 바니어 함수를 통한 섭동 내의 벌크 광기전 효과뿐만 아니라 실제 빛이 벡터포텐셜 형태로 인가된 실시간 동역학을 시간의존적 범밀도함수이론(real-time time-dependent DFT)을 통해 풀어내었다.

우리 연구팀은 본 연구에서 여러 겹의 나노튜브에서 나노튜브간 전하이동에 의해 벌크 광기전 효과가 이전에 보고된 값의 4배에 달하는 정도로 매우 커질 수 있음을 보였다. 우리의 튜브간 전하 이동을 극대화하기 위하여 야누스 유형의 (Janus-type)12) TMD 나노튜브를 만들어 이 효과가 2.5배 더 커질 수 있음을 보였다. 또한, 섭동을 벗어난 강한 빛이 들어왔을 때의 비선형 동역학을 시간의존적 범밀도함수이론으로 확인하였다.

3. 기대효과

태양광 소재 소자에 대한 연구는 다양한 각도(실리콘 p-n접합, perovskite, 유기소재)에서 광범위로 진행되고 있다. 본 연구의 결과는 1차원 TMD반도체 구조가 원천적으로 새로운 태양광 재료가 될 수 있음을 보여 주고 있어서, 이를 이용한 광검지 소자 등의 개발에 이어질 수 있을 것으로 보인다. 본 연구에서는 기존에 제시된 대칭성 낮춤 (symmetry lowering)에 의한 광전류 증가뿐만 아니라 튜브가 적층됨에 따라 적외선 영역에서 나타나는 튜브간 전하이동이라는 새로운 개념을 제시함으로써, 가시광선 뿐만 아니라 적외선 센서, 메모리 소자등으로 이용가능할 것이다.

우리의 발견은 저차원 구조적 특성이 내재된 물질과 빛의 상호작용에 대한 이론적 개념을 제시함으로써, 향후 저차원 구조의 대칭성과 관련된 전자구조 특성 이해에 크게 기여할 것으로 기대된다.

[붙임]  용어설명

1. 쇼클리 퀘이서 한계 (Shockley-Queisser limit)

태양전지가 가질 수 있는 이론적 최대치 효율 (33.7%). p-n 접합으로 인한 열 발생이 전류 생성을 방해해 Shockley-Queisser limit을 넘을 수 없다.

태양광 전지의 전류 크기는 반도체(실리콘) 내부에 생기는 들뜬 전자·정공쌍의 ‘숫자’에, 전압은 전자 하나 갖은 에너지에 비례하기 때문에 이러한 현상이 생긴다. 태양광 전지 내부에 들뜬 전자가 만들어지기 위해서는 에너지 밴드갭크기 이상의 에너지를 갖는 태양광을 쪼여주어야 한다. 그러려면 밴드갭이 좁은 물질(물질마다 밴드갭 크기가 다르다)을 써야하는데, 밴드갭이 좁으면 빛을 받아 생기는 들뜬 상태의 전자의 에너지가 낮다. 전자가 갖는 밴드갭 이상의 에너지는 열로 산란돼 사라지게 되기 때문에, 물질의 에너지 밴드갭이 내부에 생기는 전자의 에너지 한계가 된다.

2. 벌크 광기전 효과 (Bulk photovoltaic effect)

광발전 방법 중 하나로 물질 내부의 비대칭성만을 이용하여 전자-정공 분리를 통해 광전류를 발생시키는 방법. 대칭성은 물질 내부의 원자가 양자역학적 작은 스케일에서 느끼는 힘(potential)이 상하좌우 방향에서 모두 같은 경우를 말한다.

3. 전이금속 디칼코제나이드 (Transition Metal Dichalcogenides, TMD)

전이금속 디칼코제나이드는 MX2 (M=전이금속, X=칼코전 원소)의 구조식을 지니고 있으며, 가장 많은 연구가 진행 중인 물질로는 이황화물이 있다.

4. 여기 (Excited state)

양자역학적 관점에서 원자나 분자에 있는 전자가 바닥상태에 있다가 외부 자극(예시: 태양광)에 의하여 일정한 에너지를 흡수하여 보다 높은 에너지로 이동한 상태를 의미한다. 

5. 전자-정공 (electron and hole)

빛이 원자가띠에서 전도띠로 전이하였을 때, 원자가띠에는 정공이라는 입자가, 전도띠에는 전자라는 입자가 생긴다. 한편, 원자가띠와 전도띠간의 차이를 에너지 밴드갭이라고 한다.

p타입(p-type) 반도체와 n타입(n-type) 반도체를 접합한 구조로, 외부의 전기장을 통해 전자-정공 분리를 만들어 광전류를 발생시키는 소자. 실리콘의 경우 p타입 반도체는 붕소를 실리콘에 첨가해서, n타입은 질소를 첨가해 만든다.

7. 시프트 전류 (shift current)

물질의 비선형 광반응(second-order nonlinear optical response)의 일종으로 대칭성이 깨진 물질에 빛을 가하였을 때 일정한 광전류가 나오는 것을 시프트 전류라고 한다.

8. 원자가띠와 전도띠 (valence and conduction band)

원자가띠는 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 범위를 말하며, 반도체에서는 원자가띠 위에 띠간격(에너지 밴드 갭)이 존재하고 그 위에 전도띠가 존재한다.

9. 베리 커넥션 (Berry connection)

베리 위상과 관련된 물리량으로, 어떤 구간을 폐적분하여 베리 위상이 나오게 하는 값을 베리 커넥션이라고 부른다. 베리 커넥션은 물질의 위상학적 특징을 나타내주는 물리량이다.

10. 슈뢰딩거 방정식 (Schrodinger equation)

양자역학계를 알기 위해 풀어야 하는 방정식. 슈뢰딩거 방정식은 비상대론적 양자역학적 계의 시간에 따른 진화를 나타내는 선형 편미분 방정식이다.

11. 범밀도함수이론 (Density-functional theory, DFT)

전자가 느끼는 포텐셜을 평균장 이론을 사용하여 양자역학으로 계산하기 위한 이론. 전자가 들어 있는 모양과 그 에너지를 알 수 있다.

12. 야누스 물질

이황화텡스텐 같은 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 물질은 칼코젠 원자(chalcogenide) 사이에 전이금속(transition metal) 원자 샌드위치처럼 들어가 있는 형태다. 야누스 타입은 서로 다른 칼코젠 원소가 위, 아래로 들어간 형태를 말한다.

[붙임] 그림설명

그림1. (a) 이중층 TMD 나노튜브의 구조 모식도. (b) 본 연구에서 핵심으로 다룬 단일층과 이중층의 시프트 전류. 이중층의 시프트 전류는 각각의 단일층이 갖는 시프트 전류보다 약 20배 더 큰 광전류를 만들어낼 수 있음을 보이고 있음 (노란색 화살표). (c) 노란색 화살표 부분의 시프트 전류의 기원을 찾기 위해 시프트 전류의 기여를 고려한 상태밀도 (SDOS)를 분석한 결과, 튜브간 전하이동이 매우 큰 시프트 전류의 핵심임을 증명.