KAIST, 빛·에너지 전환 효율 높일 가능성 찾아

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 빛 에너지 전환 효율을 높일 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 박정영 화학과 석좌교수 연구팀이 이문상 인하대 신소재공학과 교수 연구팀과 ‘핫홀(hot hole)’ 흐름을 증폭시키고, 실시간 국소 전류 분포 맵핑을 통해 광전류 향상 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.

금 나노 그물망을 이용한 핫홀 제어 개념도.(자료=KAIST)

빛이 금속 나노 구조체에 닿으면 순간적으로 생성되는 플라즈모닉 핫전하는 광에너지를 전기·화학에너지 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요한 매개체이다. 이 중 핫홀은 광전기화학 반응에 효율을 증폭시키지만 피코초(1조분의 1초) 수준의 시간 내에 열적으로 소멸돼 응용되기 어려웠다.

연구팀은 금속 나노 그물망을 특수한 반도체 소재(p형 질화갈륨) 기판 위에 배치한 나노 다이오드 구조를 만들어 기판 표면이 핫홀 추출을 촉진하도록 설계했다. 그 결과, 핫홀 추출 방향과 같은 질화갈륨 기판에서는 다른 방향의 질화갈륨 기판보다 핫홀의 흐름 증폭 효과가 약 2배 증가했다.

또 광전도성 원자힘 현미경 기반 광전류 맵핑 시스템을 활용해 나노미터(머리카락 두께의 10만 분의 1) 수준에서 핫홀의 흐름을 실시간 분석했다. 핫홀의 흐름이 금 나노 그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 ‘핫스팟’ 에서 강하게 활성화되지만, 질화갈륨 기판의 성장방향을 바꾸 핫스팟 이외의 영역에서도 핫홀의 흐름이 활성화됐다.

박정영 KAIST 교수는 “나노 다이오드기법을 이용해 핫홀의 흐름을 처음 제어할 수 있었다”며 “태양광을 이용한 에너지 변환 기술 발전에 쓰이거나 실시간 분석 기술을 개발해 초소형 광전소자 개발에 응용할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 7일자 온라인으로 게재됐다.