붙이는 것만으로 태양전지 효율 높이는 필름 개발 LCD, LED, 디스플레이 등 다양한 디바이스에도 활용 기대 미래창조과학부(장관 최양희)는 “태양전지, LED 조명, 디스플레이 등의 광소자 및 디바이스 표면에 테이프처럼 간단히 붙이기만 해도 성능이 크게 향상되는 광 안개 메타 필름을 개발했다”라고 밝혔다. 김경식 교수 연구팀은 유전체 나노 구조를 통해 광소자 효율 향상을 위한 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단(이사장 정민근)이 지원하는 핵심연구지원사업 및 미래유망융합기술파이오니아사업을 통해 수행했으며, 이번 연구 결과물은 ‘에너지 앤 인바이로먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’지에 게재됐다.광전 소자의 내/외부로 입사/방출되는 빛을 효율적으로 집속, 전파 및 산란시키기 위해 다양한 형태와 종류의 금속 및 유전체 나노 구조들이 연구돼 왔다. 특히 유전체 기반의 나노 구조들은 금속 나노 구조들에서 자주 발생하는 기생 흡수(parasitic absorption :광전 소자의 빛-전기 변환에 관여하지 않는 흡수)에 의한 손실이 발생하지 않을 뿐 아니라 소자의 전기적 특성에도 거의 영향을 미치지 않기 때문에, 효율적이고 설계가 간편한 빛 흐름 제어 기술로서 각광받고 있다.이번 연구에서는 대면적 기판 위에 수십 나노미터 두께의 유전체 나노선 (dielectric nanowire) 들을 만들어 투광도(최대 96%) 및 광 산란도(최대 98%)가 높은 광 안개 메타 필름을 제작했으며, 나노선들의 두께 및 응집 밀도 등을 제어하는 공정을 통해 자가 응집 나노선 어레이의 투광도 및 광 산란도를 조절할 수 있는 기술을 구현했다.연구팀은 알루미늄의 양극 산화(anodic oxidation)및 습식 식각 공정을 이용해 자가 응집 산화알루미늄 나노선 어레이로 이루어진 광 안개 메타 필름을 제작했다. 2차 양극 산화 공정을 거쳐 형성된 산화알루미늄 피막은 수십 나노미터의 지름의 균일한 2차원 수직 기공들을 가진다. 5마이크로미터 두께로 제작한 양극 산화 알루미늄을 습식 식각 용액에 담가 기공 확장 공정을 특정 시간 이상 지속시키면, 기공을 이루고 있는 가장 얇은 측벽이 끊어지며 분리된 삼각기둥 형태의 나노선 어레이들이 형성된다. 이후의 세척 및 공기 중 건조 과정에서 나노선들 사이에 맺힌 물의 모세관력(capillary force)이 작용하게 되고, 이에 의해 나노선이 휘어지며 서로 응집된 독특한 구조를 형성하게 된다. 이번 연구를 통해서 제시한 양극산화 및 습식 식각 공정을 이용한 자가 응집 산화알루미늄 나노선 어레이 구조 제작 방법은 간편할 뿐 아니라, 저비용, 대면적 및 대량 생산이 가능한 장점을 갖추고 있다. 제작한 광 안개 메타 필름은 태양 전지, LED 조명, 윈도우 및 디스플레이 소자들의 효율 및 기능성 향상을 위해 응용될 수 있을 것으로 예상되며, 투광도 및 광 산란 특성 제어가 필요한 다양한 광 관련 소재 및 디바이스 시장에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

붙이는 것만으로 태양전지 효율 높이는 필름 개발

LCD, LED, 디스플레이 등 다양한 디바이스에도 활용 기대

기사입력 2015-09-12 09:15:25

공정 모식도(좌)와 양극 산화 알루미늄 및 나노선 어레이의 주사 전자 현미경 이미지

[산업일보]
미래창조과학부(장관 최양희)는 “태양전지, LED 조명, 디스플레이 등의 광소자 및 디바이스 표면에 테이프처럼 간단히 붙이기만 해도 성능이 크게 향상되는 광 안개 메타 필름을 개발했다”라고 밝혔다.

김경식 교수 연구팀은 유전체 나노 구조를 통해 광소자 효율 향상을 위한 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단(이사장 정민근)이 지원하는 핵심연구지원사업 및 미래유망융합기술파이오니아사업을 통해 수행했으며, 이번 연구 결과물은 ‘에너지 앤 인바이로먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’지에 게재됐다.

광전 소자의 내/외부로 입사/방출되는 빛을 효율적으로 집속, 전파 및 산란시키기 위해 다양한 형태와 종류의 금속 및 유전체 나노 구조들이 연구돼 왔다. 특히 유전체 기반의 나노 구조들은 금속 나노 구조들에서 자주 발생하는 기생 흡수(parasitic absorption :광전 소자의 빛-전기 변환에 관여하지 않는 흡수)에 의한 손실이 발생하지 않을 뿐 아니라 소자의 전기적 특성에도 거의 영향을 미치지 않기 때문에, 효율적이고 설계가 간편한 빛 흐름 제어 기술로서 각광받고 있다.

이번 연구에서는 대면적 기판 위에 수십 나노미터 두께의 유전체 나노선 (dielectric nanowire) 들을 만들어 투광도(최대 96%) 및 광 산란도(최대 98%)가 높은 광 안개 메타 필름을 제작했으며, 나노선들의 두께 및 응집 밀도 등을 제어하는 공정을 통해 자가 응집 나노선 어레이의 투광도 및 광 산란도를 조절할 수 있는 기술을 구현했다.

연구팀은 알루미늄의 양극 산화(anodic oxidation)및 습식 식각 공정을 이용해 자가 응집 산화알루미늄 나노선 어레이로 이루어진 광 안개 메타 필름을 제작했다. 2차 양극 산화 공정을 거쳐 형성된 산화알루미늄 피막은 수십 나노미터의 지름의 균일한 2차원 수직 기공들을 가진다.

5마이크로미터 두께로 제작한 양극 산화 알루미늄을 습식 식각 용액에 담가 기공 확장 공정을 특정 시간 이상 지속시키면, 기공을 이루고 있는 가장 얇은 측벽이 끊어지며 분리된 삼각기둥 형태의 나노선 어레이들이 형성된다. 이후의 세척 및 공기 중 건조 과정에서 나노선들 사이에 맺힌 물의 모세관력(capillary force)이 작용하게 되고, 이에 의해 나노선이 휘어지며 서로 응집된 독특한 구조를 형성하게 된다.

이번 연구를 통해서 제시한 양극산화 및 습식 식각 공정을 이용한 자가 응집 산화알루미늄 나노선 어레이 구조 제작 방법은 간편할 뿐 아니라, 저비용, 대면적 및 대량 생산이 가능한 장점을 갖추고 있다. 제작한 광 안개 메타 필름은 태양 전지, LED 조명, 윈도우 및 디스플레이 소자들의 효율 및 기능성 향상을 위해 응용될 수 있을 것으로 예상되며, 투광도 및 광 산란 특성 제어가 필요한 다양한 광 관련 소재 및 디바이스 시장에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.