2차원 반도체 기반의 에너지 하베스트 소자
최초지원 연구 과제를 통해 얻은 연구 성과를 바탕으로 후속연구 1단계에서는 (1) 2차원 반도체 물질을 기반으로 한 수소생성(hydrogen evaluation reaction; HER)연구, (2) 2차원 반도체 물질의 비등방 열전도 특성을 활용한 태양에너지 기반 오수 및 해수 담수화 연구, (3) 2차원반도체와 우수한 광 특성을 갖는 무기/유기 perovskite 구조 물질을 기반을 둔 hydride solar cell 연구 등을 진행하고, 2단계에서는 (1) 2차원 반도체 물질의 exciton Hall effect을 자체 확보한 in-plane heterostructure에 구현하여 valleytronics에 필수 소자인 valley filter 제작 연구, (2) 단일층 2차원 반도체 물질의 우수한 비선형광학특성을 활용한 브로드 밴드 비선형 광학 특성을 갖는 인공 물질 연구, (3) 큰 spin-orbital coupling을 갖는 단일층 2차원 반도체 물질와 금속과의 커플링을 유도한 valley-coupling 가능성 탐구 등을 연구할 예정이다. 제시한 연구 계획은 물리학적인 관점뿐만 아니라 다양한 응용, 특히 벨리 자유도를 활용한 valleytronics 실현과 넓은 파장영역에서 큰 비선형 광학적 특성을 갖는 인공물질 구현은 무한한 가능성이 있는 중요한 연구 주제로 후속 연구가 필요하다.
<그림 15> 2차원 반도체 기반 에너지 하베스트 스마트 소재/소자.
현재 인간에게 가장 중요하며 절실한 것은 고효율 전기에너지 생산 방법, 높은 에너지 저장 밀도를 갖는 매체인 수소 안정적인 공급 방법, 그리고 물 부족 현상 해결이다. 본 연구에서는 2차원 증상물질을 이용하여 이러한 문제의 해결책을 추구하고자 한다. 본 연구팀은 (MO)CVD를 이용한 대면적 TMDC 단일층 성장법, PMMA 기반 건식전사 및 정밀 적층 기술, 전기화학적 촉매 특성 평가 방법, 수증기 발생장치 및 이의 평가 방법, 무기/유기 perovskite단결정 성장법 등의 필요한 다양한 지식/기술을 이미 확보하였다. 체계적인 실험 및 분석을 위하여 본 연구팀과 국내협력 연구기관이 확보하고 있는 장비를 최대한 활용할 계획이며, 이는 micro-Raman/PL/흡수 분광학, SEM, AFM, TEM, in-situ optical microscopy 등을 포함한다.
2차원 반도체 물질 기반 수소생성 연구
수소 생성을 위한 물 전기 분해에서 촉매, 예를 들어 희귀금속 Pt, Pd 등을 사용하면 Gibbs 자유에너지를 낮추어 낮은 전압에서 고 전류밀도, 즉 수소 농도를 얻을 수 있다. 하지만 이러한 희귀금속 고가일 뿐만 아니라 지구 매장량의 부족으로 대량의 촉매가 요구되는 수소 생성에는 부적합하다. 한편, 2차원 단일층 전이금속 칼코겐화합물(TMDs), 특히 MoS2의 Mo-terminate edge state는 희귀금속에 준하는 촉매 역할을 할 수 있음이 최근 보고되었다. 이에 Mo-terminate edge state를 가진 단일층 MoS2의 다량의 생성 방법에 대한 연구가 필요하다.
- MO(Metal Organic)CVD 기반의 연속적인 단일층 박막을 대면적 (> 4″) 성장법 연구
- 외부 plasma 등을 이용 물리적 cracking으로 높은 밀도를 갖는 active edge state 생성방법 연구
- 수소 생성 특성 (Overpotential; <0.3 V, Tafle slople; <100 mV/dec, Current density; >10 mA/cm2) 확 보 및 재현성 평가 연구
2차원 반도체 물질의 비등방성 열전도 특성을 활용한 태양에너지 기반 오수 및 해수 담수화 연구
층상구조의 2차원 반도체는 in-plane은 높은 열전도를 보이는 반면에서 out-of-plane, 즉 수직방향으로는 낮은 열 전도도를 보이는 비등방성 열전도 특성을 갖는다. 이러한 특성은 태양에너지를 이용한 수증기 발생장치에서 흡수한 태양에너지를 모두 물 증발에 사용할 수 하도록 하는 열 관리 혹은 heating localization에 응용할 수 있다. [G. Ni et al., Nat. Energy. 1, 16126 (2016)] 이에 본 연구에서는 태양광 흡수특성은 우수하지만, 간접 천이 에너지갭을 갖는 Sn(S,Se)2 박막을 이용하여 이러한 아이디어를 평가할 예정이다.
- PLD (Pulsed Laser Deposition) 이용 Sn(S,Se)2 박막 증착 연구 및 이의 태양광 흡수 특성연구
- 수승기 발생 평가 장치, 즉 수증기 증발량과 에너지 변환 효율 평가 방법 확보 및 재현성 연구
2차원 반도체와 무기/유기 페르브스카이트 구조 물질을 기반을 둔 hydride solar cell 연구
유·무기 혼합 페로브스카이트는 CsPbX3(X;Cl, Br, or I)에서 Cs 자리에 CH3NH3를 치환한 것으로 큰 광 흡수 계수(>1.5×104 cm-1), 긴 운반체(carrier) 확산 거리(100~1000 nm)로 유기박막태양전지에 대비 높은 Voc전압(>1.0 V)으로 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 낮은 생산단가와 높은 효율에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지는 장기 수분안정성과 J-V 특성의 히스테리시스 현상 등에 대한 문제를 해결해야 한다. 본 연구에서는 유-무기 혼합 페로브스카이트 태양전지에서 고체 정공수송층으로 일반적으로 사용 중인 spiro-OMeTAD 대신에 기 확보한 연속 박막이며 단일층 (Mo,W)(S,Se)2을 n-type 반도체로 사용한 p/n 접합, 즉 binary solar cell을 구현하여 유/뮤기 페로브스카이트 태양전지의 문제점들을 극복하고자 한다.
- MO(Metal Organic)CVD 기반의 연속적인 단일층 (Mo,W)(S,Se)2 대면적 (>4″) 박막 성장 연구
- p/n 접합형태의 유/뮤기 페로브스카이트 태양전지 구현 연구
2차원 반도체 기반 벨리트로닉스 및 비선형 광학소자 연구
벨리토로닉스는 전하, 스핀 자유도에 에너지 밴드 최소점인 벨리 자유도를 정보로 활용하는 기술로, 단일층 MX2은 운동량(k) 공간에서 3개의 right-hand 벨리(K)와 left-hand(K′)를 갖고 있어 이를 구현할 이상적인 물질로 많은 주목을 받고 있다. 또한 단일층 MX2은 space inversion 및 time reversal symmetry를 깨어진 조건인 Berry curvature을 유발한다. 이러한 배경으로 단일층 MX2에서 valley Hall effect와 exciton Hall effect이 보고되었다 [J. R. Schaibley et al., Nat. Rev. Mater. 1, 16055 (2016)]. 본 연구에서는 자체 확보한 in-plane MoSe2-WSe2 heterostructure 시료를 이용하여 (1) exciton Hall effect을 유발하는 exciton 확산을 이종접합 계면에서 제어하여 valley filter 구현 연구, (2) ferromagnetic materials 기판위에 이종접합을 시료를 전사(transfer) 혹은 성장하여, 강자성의 electron spin과 단일층 MX2물질의 orbital의 coupling에 의해 유도하여 valley 제어 연구 및 (3) 다양한 단일층 MX2를 적층하여 브로드 밴드 비선형 특성을 갖는 인공 비선형 물질을 구현하고자 한다.
<그림 16> 2차원 반도체 기반 Valleytronics 및 브로드밴드 비선형특성 물질 연구