모든 빛에 반응하는 나노안테나… 태양광 효율 ‘쑥’

KAIST-고려대 공동연구팀
완전 결정상태 銀이용 개발

김봉수 교수

지구온난화의 가속화를 막기 위해 세계 각국은 신재생에너지 개발에 열을 올리고 있다. 그중에서 가장 주목받는 분야가 바로 태양광. 문제는 태양광을 이용한 발전 효율이 낮다는 것이다. 국내 연구진이 이런 태양광 발전의 효율을 높일 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다.

KAIST 화학과 김봉수 교수, 물리학과 서민교 교수와 고려대 물리학과 박규환 교수 공동연구팀은 티끌 하나 없는 완전 결정상태의 은 나노선을 이용해 모든 파장의 빛에 반응하는 광학 나노안테나를 개발했다고 3일 밝혔다.

광학 안테나는 휴대전화 안테나가 전파를 받아 전기신호로 변환하고, 거꾸로 전기신호를 전파로 바꿔 송신하는 것처럼 빛을 수신해 전기장으로 변환하거나 그 반대의 역할을 수행하는 일종의 광학소자다. 휴대전화 수신대역과 같은 수십 cm 파장의 전파가 아닌 나노미터 파장의 빛을 송수신하려면 안테나 크기도 머리카락 10만분의 1m 수준으로 작게 만드는 것이 관건이다.

현재 태양전지는 광학 안테나를 쓰지 않고 있기 때문에 효율이 8%에 불과하지만, 광학 안테나를 사용하면 빛을 효율적으로 모을 수 있어 효율을 12%까지 올릴 수 있다. 그러나 기존에 개발된 광학 안테나들은 파장의 범위가 제한적이어서 한 가지 파장에서만 작동해 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

공동 연구팀은 기존에 쓰던 나노입자가 아닌 가시광 전 영역에서 작동하는 은을 사용해 광학 안테나를 만들어 이런 단점을 해결했다. 특히 연구팀은 800도의 고온에서 완벽한 결정구조를 가지며 결함이 없이 표면이 매끈한 완전결정 상태의 은 나노선을 만들었다. 이렇게 만들어진 은 나노선으로 제작한 광학 안테나는 모든 파장의 빛을 손실 없이 송수신할 수 있게 돼 효율을 극대화하고 있다.

김봉수 교수는 “이번에 개발한 은 나노선 안테나는 태양광 발전 및 극미세 나노센서의 핵심기술로 사용될 수 있어 나노-광-바이오산업에 선도적 위치를 점할 수 있도록 해줄 기술로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 나노 분야 권위지인 ‘나노 레터스’ 4월 17일자에 실렸다.

유용하 동아사이언스 기자 edmondy@donga.com