▲ (左부터) 최현용 연세대학교 전기전자공학과 교수, MoS2의 초고속 광학적 분광법 도식, 연구진에 의해 발견된 MoS2 엑시톤의 새로운 에너지 준위.

국내 연구진이 그래핀보다 수십배 높은 광흡수율을 보이지만 낮은 광변환 효율을 가지던 이황화몰리브덴(MoS₂)의 광효율 저하 원인 규명에 성공했다. 향후 고효율 태양전지 만드는데 큰 도움을 줄 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 최현용 연세대 교수 연구팀이 원자층 반도체에 빛을 흡수시키면 기존에 관측할 수 없었던 새로운 형태의 반입자(엑시톤 반입자)가 나타나 광변환 효율을 저하시킨다는 것이 국내 연구진을 통해 규명되었다고 밝혔다.

원자층 반도체란 그래핀과 같이 두께가 작은 원자층 한겹으로만 배열되어 있지만 그래핀과 다르게 밴드갭이 존재해 빛흡수가 용이한 물질로 대표적으로 이황화몰리브덴(MoS₂)이 차세대 반도체 신소재로 주목받고 있다.

또한 원자두께만으로 작동이 가능해 광전자 소자를 소형화, 경량화 시켜 박막처럼 만드는게 가능하다는 연구지만 이를 이용한 태양전지의 효율이 이론치를 크게 밑돌아 전세계 과학자들에게 큰 골칫거리였다.

이에 최현용 교수 연구팀은 MoS₂ 단일 박막에 펨토(10-15, 단위 기호는 fs)초 레이저를 쪼이는 방식의 초고속 분광법으로 광학적으로 측정 불가했던 새로운 엑시톤 반입자가 존재함을 발견했다.

엑시톤반입자는 전자와 정공을 결합시켜 전자들이 자유롭게 움직이지 못하게해 빛에의해 발생되는 광전류의 생성을 방해하는 역할로 이번 엑시톤 반입자 발견은 MoS₂ 단가 광전자 소자로 가지고 있던 가장 큰 문제점인 근본 원인을 밝힌 것이다.

또한 엑시콘 반입자의 구속에너지를 정확하게 측정해 자유전자(광전류)를 만드는데 필요한 최소한의 에너지를 실험적으로 밝혔다.

연구진은 그동안 꿈의 신물질이라 불리우는 그래핀에 비해 수십배의 광흡수율을 보이지만 낮은 광변환 효율을 가진 2차원 원자층 물질의 광학적 특성을 엑시톤 반입자라는 발견을 통해 해석하였고 엑시톤 구속을 깨뜨릴 수 있는 최소 에너지값을 제시함으로써 태양 전지 등의 광소자 활용에 필요한 기본 원리를 밝혀냈다.

최현용 교수는“이번 연구는 과학계의 난제 중 하나를 풀어낸 것으로 앞으로 광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 해당 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원사업)지원으로 연구를 수행하였으며, 이 연구는 세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 25일자에 게재되었다.