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solar









화석 연료의 고갈 및 지구 온난화 심화라는 문제점에 대한 해결 방안으로, 신재생에너지(New and renewable energy)라 정의되는 대체에너지 자원들에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.그 중 가장 전망이 좋은 에너지는 태양 에너지로, 활용만 잘 된다면무제한적으로 무공해 에너지를 제공할 수 있는 이상적인 에너지원이라 할 수 있다.

  태양에너지의 활용 방법 중에서 가장 주목받고 있는 분야는 태양전지광전기화학전지,태양광으로부터 각각 전자와 수소를 생산해내는 장치이다. 이 장치들은 태양광을 통해 입사되는 광양자를 소자 내에서 흡수하여 높은 에너지 준위를 갖는 전자를 생성하고, 이 전자를 포집하여전류를 생산해내거나 물분해반응에참여시켜 수소를 생산해낸다.









solar cell











태양전지는 빛을 흡수하는 흡광물질과생성된 전류를 전달하는 전도성 물질로 이루어져 있다.충분한 에너지를 갖는 광양자가 소자에 입사하게 되면, 흡광물질의 원자가전자대 (Valence band)에 있던 전자가 여기(Excitation)되어 높은 에너지 준위를 갖는 전도대(Conduction band)에 속하게 된다.이 여기된 전자를 효율적으로 포집하여 전류를 생산해내게 된다.

태양전지는 분야에서는 현재 실리콘 태양전지가 가장 널리 보급되어 사용되고 있다. 그러나 이 소자는 제작비용이 매우 비싸기 때문에, 저가의 고효율 태양전지 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 본 연구실에서도 이 연구의 일환으로 양자점 감응형 태양전지 및 박막형태양전지에 대한 연구를 진행하고 있다.








solar




























태양전지의 상용화를 위해서는 높은 효율의 광전류생산도 중요하 지만,저가의 제조공정 또한 큰 중요성을 가진다. 본 연구진에서는 저가의 태양전지 제조를 위해 저온용액 기반 공정만을 적용해 태양전지를 제작하였으며, 상단의 왼쪽 그림과 같은 구조를 갖는 ZnO/CdS/CdSe 전극흡광층으로 사용되었다.

 이 전극 조합은 본 연구진에서 최초로 제안한 조합을 갖는 구조물로,적절한 밴드갭에너지와 밴드 구조를 갖는 CdSCdSe의 접합을 통해 광흡수와 전자생산 및 전자포집을 효율적으로 이루어내는 흡광층역할을 하였다. 이 구조를 ZnO나노선 표면에 증착시켜,1차원적 구조를 갖는 ZnO 나노선으로 하여금 전극으로의 효율적인 전자 전달을 도모하였으며 결과적으로 4.15%에 달하는 높은 광변환효율을 얻을 수 있었다.

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광전기화학전지(PEC cell)은 왼쪽 그림과 같은 작동 원리로 구동된다. 기본적인 원리는 태양전지의 작동 원리와 흡사한데, 광양자를흡수하여 흡광물질의 원자가전자대에서 전도대로 여기된전자를 포집하여 직접적으로 전류를 생산해내는 대신 이 전자를 물분해반응에참여시킨다는 점이 다르다. 여기된전자는 H2O 분자의 환원반응을 통해 수소기체를 생산하고, 반대 전극에서는 전자의 반작용으로 생성된 정공(hole)H2O 분자를 산화시켜 산소기체를 생산한다. 두 기체의 생성장소가 다르기 때문에 선별적으로 수소기체만을 포집할수 있고 이렇게 생성된 수소는 연소 부산물로 오로지 물만을 발생시키는 청정 에너지원이며, 높은 에너지 밀도를 갖는 차세대 유망 에너지원으로 주목받고 있다.

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수소생산을 위한 광전기화학전지의성능을 높이기 위해서는 무엇 보다도 높은 광전류 생산이 필수적이다. 본 연구진에서는 기존의 연구를 통해 상당히 효율적인 광흡수층이라 평가된 CdS/CdSe접합 구조를 적용하여 전기화학전지를 제작하였으며, 소자의 성능 향상을 위해 전극 물질의 나노구조를발전시키는 방향의 연구를 진행하였다.

 산화텅스텐(Wox) 나노선표면에 ZnO나노선이성장된,새로운 조합의 hierarchical 구조를 갖는 전극을 활용하여 CdS/CdSe흡광층이 증착될수 있는 표면적을 극대화시키는 전략을 사용하였다. 이 새로운 구조를 통해,단순1차원적 구조를 갖는 ZnO나노선을사용했을 때보다 1.5배 가량 증가한 11 mA/cm2의 높은 광전류 생산에 성공하였다.


















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저저항상태는 정보를 보유하고 있는 “1”의미를,고저항상태는 정보를 잃어버린 “0”의 의미를 갖는다.

저항 변화 메모리소자는 인가되는 전극을 조절하여 동작하는데, 정보를 저장하고 지우는 데 사용되는 전압의 극성에 따라 구분된다.

저장과 소거가 서로 반대 극성에서 일어날 경우 bipolar 동작, 하나의 극성에서 모두 이루어지면 이를 unipolar 동작이라 부른다.

두 가지 동작은 동일한 재료를 선택하더라도 소자의 제작 과정에서 제어 될 수 있으며,두 가지 동작 모드 모두 장단점을 가지고 있다.















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아직 밝혀지지 않은 메커니즘에 대한 규명 연구가 지속적으로 진행되고 있으며,그 이론적 이해를 발판으로 다양한 응용이 보고되고 있다. 메모리 특성 향상을 위해 물질이나 구조의 최적화 연구, 나아가 유연성,투명성과 같이 차세대 메모리 기능성의 확대를 향한 연구, 그리고 인간의 기억 체계를 모방한 메모리로서의 인공 뉴런 연구 등의 흥미로운 이슈가 있다. 현재까지의 연구 결과를 봤을 때 저항 변화 메모리 소자는 차세대 메모리 소자로의 응용가능성을 확실히 보여준다.








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전자 소자의 공통적인 단점은 물에는 취약하다는 점이다. 비에 젖거나 물에 빠지면 전자소자 회로가 합선되면서 누설 전류*를 발생시키고 오작동을 일으킨다. 이에 본 연구팀은 물에 젖지 않는 전자소자를 만들 수 있는 원천기술을 개발했다.

 연잎이물에 젖지 않고 물방울 형태로 밀어내는 초발수 특성인 연잎효과에서 착안하여 전자소자의 표면에 금속산화물 나노선을 합성하고 표면을 단분자막으로화학 코팅함으로써 물에 저항성을 부여하였으며,구조도와같이 차세대 비휘발성 메모리 소자인 저항메모리 소자초발수표현을 구현했다.











태블릿PC,스마트폰,디지털카메라,등 휴대용 전자기기는 눈부시게 진화하면서 두 번째 디지털 혁명을 맞이하고 있다. 이에 따라 시스템의 성능 향상이 필수적이며, 그 핵심 부품인 메모리 소자의 고속화, 고집적화,고절전화가 요구되고 있다.다양하게 등장하는 차세대 메모리 중 하나인 저항 변화 메모리 (ReRAM: Resistive Random Access Memory)는 우수한 특성으로 차세대 비휘발성 메모리로 가장 주목을 받고 활발히 연구가 진행 되고 있다.

저항 변화 메모리는 플래시 메모리보다 프로그램 동작이 100배 이상 빠르고,5V 이하의 낮은 전압에서 동작이 가능하며, SRAM과 견줄 수 있을  정도로 정보처리 속도가 빠르다. 또한 간단한 구조이기 때문에 공정상의 결함을 현저히 줄일 수 있어,가격 경쟁력을 갖출 수 있다.















초발수 특성을 선택적으로 일부분만 처리하여 물에 넣었을 때, 표면처리를 거친 영역만 젖지 않았기 때문에 소자 특성을 원활히 나타내는 것을 증명한다.

이들 소자는 물속에 담지해 뒀다가 꺼낸 후뿐만 아니라 심지어 물이 흐르고 있는 환경에서도 초기 상태와 변화 없이 반복적으로 정상 작동하는 것을 확인했다.

이와 같은 표면 처리 기술을 이용하여 추후 자가세정, 방습효과,결빙방지 등의 특성을 갖는 발전된 형태의 소자 제작에 적극 활용될 수 있을 것을 기대한다.




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