빛이 금속 나노 구조체에 닿으면 생성되는 '플라즈모닉 핫전하'는 광에너지를 전기·화학에너지 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요 매개체다. 이 중 '핫홀'은 광전기화학 반응에 효율을 증폭시키지만 피코초(1조분의 1초) 수준 극초단 시간 내에 열적으로 소멸돼 실용적인 응용이 되기 어려웠다.
이런 가운데 우리 연구진이 핫홀을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술을 개발, 차세대 고효율 광에너지 전환 기술 상용화를 앞당기는 성과를 거뒀다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박정영 화학과 석좌교수팀이 이문상 인하대 신소재공학과 교수팀과 핫홀 흐름을 증폭시키고 이를 실시간으로 국소 전류 분포 맵핑해 광전류 향상 메커니즘을 성공적으로 규명했다고 12일 밝혔다.
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 동일한 질화갈륨 기판에서는 다른 방향의 질화갈륨 기판보다 핫홀의 흐름 증폭 효과가 약 2배 증가시키는 데 성공했다.
또 광전도성 원자힘 현미경(pc-AFM) 기반 광전류 맵핑 시스템을 활용해 나노미터 수준에서 핫홀 흐름을 실시간 분석했다.
핫홀 흐름이 주로 금 나노 그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 '핫스팟' 에서 강하게 활성화되지만, 질화갈륨 기판의 성장방향을 바꿈에 따라 핫스팟 이외의 영역에서도 핫홀의 흐름이 활성화되는 현상을 확인했다.
이 연구를 통해 연구진은 빛을 전기 및 화학 에너지로 변환하는 효율적인 방법을 찾았으며, 이를 활용하면 차세대 태양전지, 광촉매, 수소 생산 기술 등이 크게 발전할 것으로 기대된다.
박정영 교수는 “태양광을 이용한 에너지 변환 기술에 획기적인 발전을 기대할 수 있으며 실시간 분석 기술을 개발해 초소형 광전소자 개발에 응용 가능하다”고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 7일자 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
