도심 하늘을 자유롭게 날아다니는 드론과 시공을 초월한 메타버스를 구현할 4차산업 기술은 머지않은 미래에 일상기술이 될 전망입니다. 하지만 상상을 현실로 실현하려면 작고 가벼운 동력원이 필요한데요. 기후변화와 에너지 문제 해결에 앞장서온 태양전지가 4차 산업의 미래를 이끌 차세대 동력원으로도 주목받고 있습니다. -by 이정용 교수

[디지털비즈온 이호선 기자] 5월의 과학기술인상 수상자 KAIST 이정용 교수는 이종 결합 하이브리드 반도체 개발을 통해 기존 무기물 기반 반도체의 성과를 넘어 새로운 반도체 혁신을 이끄는 젊은 과학자이다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)와 한국연구재단(이사장 이광복)은 이달의 과학기술인상 5월 수상자로 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 이정용 교수를 선정했다고 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.

과기정통부와 연구재단은 유기반도체와 양자점(Quantum Dot)을 이용한 차세대 반도체 개발에 매진해온 이정용 교수가 고성능 하이브리드 태양전지 개발에 성공하여 에너지·환경 문제 해결의 단초를 마련한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.

양자점은 수 나노미터(nm) 크기의 초미세 반도체 입자로 발광다이오드(LED) 등 디스플레이 장치에 활용하는 기술이다. 세계적으로 차세대 반도체 소재로 각광 받는 유기반도체와 양자점을 결합하는 시도가 많았지만, 이종 반도체 사이에서 발생하는 전하 전송 문제를 해결하지 못해 태양전지의 실제 성능 향상에는 한계가 있었다.

이정용 교수는 이종 반도체 경계면에서 빛에 의해 생성된 엑시톤(exciton:음전하(-) 전자와 양전하(+) 정공이 합쳐진 형태) 의 짧은 확산 거리와 그로 인한 재결합 문제가 전하전송을 저해하는 주된 원인임을 규명하고, 이종 반도체 사이에 계단형 에너지층을 삽입하여 효율적인 전하 전송이 가능한 새로운 구조의 광전소자(빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로 직진성과 응답속도가 좋음)를 개발하였다.

새로운 구조의 광전소자를 적용한 태양전지는 시연 결과 최대 13.1%의 높은 광전변환 효율을 달성했다. 기존 유기 고분자와 양자점을 이용하는 태양전지보다 30% 이상 높은 효율을 입증하며 다양한 반도체 소자에 적용 가능성을 높였다.

연구성과는 2019년 11월 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재됐으며, 테크익스플로어(TechXplore) 등 기술전문 매체에서 차세대 반도체의 이종 접합 시도를 촉진하는 계기를 마련했다고 평가 받았다.

이정용 교수는 “이번 연구는 하이브리드 구조의 한계를 극복하고 고효율 차세대 광전소자 구현의 활로를 개척했다는 점에서 의의가 있다.”며 “본 연구에서 개발한 고효율 태양 전지는 모바일 기기, 사물인터넷, 무인기 등 4차 산업의 차세대 동력원으로써의 활용이 기대된다.”고 밝혔다.