UNIST 친환경에너지공학부 김진영·김병수 교수와 최효성 박사(제1저자)로 구성된 연구팀이 은나노 입자가 코팅된 탄소입자를 이용하여 고분자 광전자 소자의 효율을 획기적으로 개선함으로써, 고분자 발광다이오드 및 태양전지를 상용화 할 수 있는 길을 열었다.

* 고분자 광전자 소자: 유기고분자를 이용하여 전기로 빛을 내거나 빛을 받아 전기로 변환시키는 소자로, 무기물을 이용하는 경우와 달리 인쇄하듯이 만들 수 있어 저비용으로 대면적의 유연한 소자 제작이 가능하다. 전기를 빛으로 바꾸는 소자에는 발광 다이오드와 레이저 다이오드, 빛을 전기로 바꾸는 태양전지와 광 다이오드 등이 있다.

미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 세계 최고를 자랑하는 Nature Photonics(IF 27.254)지 온라인판 7월 21일자에 게재되었다.(논문명: Versatile surface plasmon resonance of carbon-dot-supported silver nanoparticles in polymer optoelectronic devices)

그 동안 발광다이오드나 태양전지의 효율을 조금씩 개선한 사례는 있었으나, 고분자를 이용해 발광다이오드와 태양전지의 효율을 동시에 획기적으로 높인 것은 이번이 처음이다.

고분자 유기물을 이용하는 경우 실리콘 같은 무기물보다 제작비용이 저렴하고 용액공정으로 박막제작이 가능하기 때문에 다양한 분야에 응용할 수 있지만 효율이 낮다는 한계가 있었다.

효율향상을 위해 금, 은, 구리와 같은 금속나노입자의 표면플라즈몬 공명 현상을 이용하려는 연구가 활발하나 이를 위해서는 나노입자의 크기나 모양을 변화시키거나 두 종류 이상의 금속나노입자를 동시에 사용해야만 하는 번거로움이 있었다.

* 표면플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) : 금속과 유전체 사이의 경계면에서 발생하는 전자들의 집단적인 진동이 만드는 공명 현상

금번 연구의 핵심은 표면 플라즈몬 공명현상을 일으키는데 필요한 은나노 입자를 만드는데 그간 하루 이상 걸리던 방법을 자외선을 쬐는 획기적인 방법으로 20분으로 단축함으로써 광전자소자의 성능을 대폭 향상시켰다.

이를 토대로 연구팀은 액체상태의 탄소나노입자와 은나노입자 복합체를 합성하고, 이를 전극 위에 코팅한 고분자 발광다이오드와 태양전지를 개발하였으며 이를 통해 고분자 발광다이오드 소자 효율을 기존 11.65cd/A에서 27.16 cd/A로 200% 이상, 고분자 태양전지 소자 효율은 7.53%에서 8.31%로 10% 이상 향상시킬 수 있었다.

* 일반적으로 고분자 발광다이오드 소자 효율은 30cd/A 이상, 고분자 태양전지 소자 효율은 10% 이상이면 제품 상용화에 활용가능

김진영 교수는 “합성된 복합체는 용액공정이 가능하며 추가적인 정제, 분산, 열처리 과정 없이 소자에 바로 적용이 가능함에 따라모든 박막 광전자소자에 적용 가능한 원천기술로 차세대 광전자소자 개발 선도국과의 격차를 줄일 수 있을 것”이라고 밝혔다.