인하대 이문상 교수팀, 광전도 현상 극대화 매커니즘 확인

  • 전국
  • 수도권

인하대 이문상 교수팀, 광전도 현상 극대화 매커니즘 확인

플라즈모닉 핫전자 광전기적 활용 극대화 방법 ‘세계 최초'
라이다센서·이미지센서 등 차세대 에너지전환소자 길 열려

  • 승인 2024-10-02 13:28
  • 주관철 기자주관철 기자
사진1 (1)
박지향 인하대 신소재공학과 학생과 이문상 인하대 신소재공학과 교수/제공=인하대
인하대학교는 최근 이문상 신소재공학과 교수팀이 세계 최초로 핫전자를 통해 기존 광전도 특성의 한계를 극복할 수 있는 물리적 매커니즘을 확인했다고 2일 밝혔다.

광전소자는 빛에 반응하는 반도체 물질을 이용해 외부에서 들어오는 빛에너지(태양에너지)를 흡수해 전기 에너지로 변환하는 소자를 말한다. 태양전지나 라이다센서, 이미지센서 등에 활용되는 광검출기와 같은 다양한 응용 분야에 적용되어 무한한 자원인 태양에너지를 활용할 수 있지만 광흡수 능력과 에너지 전환효율의 한계로 광소자의 성능을 개선하는 데 어려움이 있었다.

많은 연구진은 광전환 효율을 증대시키기 위한 노력을 지속해 왔으며, 차세대 에너지 전환 개념인 핫전자를 이용한 광전소자에 대한 관심과 연구가 커지고 있다.

핫전자는 금속에 빛에너지를 내리쬘 때 표면에 만들어지는 고에너지전자로, 태양에너지를 핫전자의 흐름으로 변환해 전기에너지를 생산하는 데 활용된다. 이 과정에서 흡수된 빛에너지는 기존 광전소자와 달리 에너지 손실을 최소화하고, 전기 에너지로 전환된다는 장점이 있다. 문제는 핫전자는 수 피코 초(ps·1조 분의 1초)만에 소멸하고 확산 거리가 수십 나노미터(nm·10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다는 점에서 실제 적용에 제한적이다.

연구진은 핫전자를 광전소자에 활용하기 위해 단점은 최소화하고 장점을 극대화하는 방안을 구상했다. 플라즈몬 공명현상으로 발생된 핫전하를 반도체 점결함의 깊은 준위 내부에 포집해 광전지 효과(photovoltaic effect)와 광전도도(photoconductivity)를 향상시키면서 에너지전환효율을 극대화할 수 있는 방법을 제안했다.

연구진은 금을 이용한 금속 나노 구조체와 N형 질화갈륨을 이용해 플라즈몬 핫전자 기반의 금속·반도체 나노 다이오드를 제작했다. 그 결과 금속 나노 구조체에서 발생한 국소표면 플라즈몬 공명현상으로 인해 높은 운동에너지를 가진 핫전자가 생성됐고, 반도체 기판의 깊은 결함 준위에 효과적으로 포집됐다. 이를 통해 광전지 효과 와 광전도 특성이 향상하면서 핫전하 포집이 없는 소자에 비해 에너지 전환효율이 두 배 가량 증가할 수 있다는 사실을 실험적으로 밝혔다.

이번 연구는 매우 짧은 수명을 가진 플라즈모닉 핫전자의 실험적인 한계 속에서 체계적인 분석 방법으로 핫전자로 인한 광전기적 현상의 근본적인 원인을 확인했다는 평가를 받고 있다.

또한 광촉매 응용 분야에 국한됐던 핫전자 연구를 광전자 분야에 적용할 수 있는 가능성을 직접적으로 보여줘 응용 분야를 확대시켰다는 평도 받았다. 연구 결과는 차세대 고효율 반도체 소자, 광전자소자, 광촉매 개발의 가능성을 높일 것으로 기대된다.

이문상 인하대 신소재공학과 교수는 "핫전자의 광전소자 응용 잠재력을 제안하는 연구로, 앞으로 핫전하 기반 차세대 에너지 변환 소자 발전에 기초적 토대가 될 수 있는 중요한 연구라고 생각한다"라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 재료공학 분야의 세계적인 학술지인 Nano Letters 온라인판에 표지논문으로 선정돼 최근 게재됐다. 공동 1저자로 박지향 인하대 신소재공학과 학생과 박유진 텍사스대학교 오스틴캠퍼스 박사가 이름을 올렸으며, 이문상 교수와 김은규 한양대 교수가 공동교신저자로 함께 했다. 인천=주관철 기자 orca2424002@

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 역투 펼치는 한화이글스 새 외국인 투수 짐머맨
  2. 경주의 대표 관광지 '금장대'
  3. 숨통 튼 홈플러스…영업 정상화까진 '첩첩산중'
  4. 대전중수청 세종 개청에 지역 충격… 이전 계획은 아직 미정
  5. 닻 올린 유성 장대 A구역, 조합설립인가… 시공사 선정 등 후속 절차 진행
  1. 천안시, 천흥2일반산단 승인·고시…북부권 첨단산업 클러스터 본격화
  2. '송영길 후보' 승부수, "행정수도특별법 당론 통과" 확약
  3. 아산시, 초사동회전교차로 설치공사 조기 완료 박차
  4. [취임 인터뷰] 대전 역세권부터 빵타워까지…황인호표 동구 혁신 시동
  5. 당진시, 고추 병해충 방제 '골든타임'…예찰·방제 당부

헤드라인 뉴스


충청권 행정통합 다시 군불…새 충청광역연합의회 30일 첫발

충청권 행정통합 다시 군불…새 충청광역연합의회 30일 첫발

집권 여당이 주도하는 제2대 충청광역연합의회 출범을 앞두고 충청권 행정통합 논의가 다시 힘을 받을 수 있을 지 관심이 쏠리고 있다. 충청권 4개 시도지사가 모두 더불어민주당 소속인 데다 새 연합의회도 16명 중 13명이 같은당 소속으로 꾸려지면서 이재명 정부와 충청권이 '원팀'으로 행정통합을 추진할 수 있는 정치적 여건이 마련됐다는 기대다. 제2대 충청광역연합의회는 오는 30일부터 31일 이틀간 첫 회기를 열고 의장과 부의장, 충청광역연합장, 상임위원장 등을 선출한 뒤 본격적인 활동에 들어간다. 이번 제2대 의회는 민주당이 과반을..

`꿈의 현미경` 방사광가속기 오창에서 착공…반도체·신약 등 초격차 신기술 연구
'꿈의 현미경' 방사광가속기 오창에서 착공…반도체·신약 등 초격차 신기술 연구

'초정밀 거대 현미경'으로 불리는 한국새빛가속기(오창 방사광가속기·조감도)가 27일 충북 청주시 오창테크노폴리스산업단지에서 착공했다. 신약 개발과 반도체·이차전지 등 국가 전략 산업의 초격차 기술을 확보하는 핵심 연구시설이 될 전망이다. 과학기술정보통신부와 한국기초과학지원연구원(KBSI)에 따르면, 지름 800m 원형의 한국새빛가속기는 총사업비 1조 1643억원을 투입해 가속장치와 빔라인, 연구지원 시설을 2029년 12월까지 조성할 계획이다. 마이크로미터의 염색체 그리고 나노미터의 분자보다 작은 가장 가벼운 전자를 빛의 속도에 가..

"상가 공실, 전국 최대 수준" 세종시, 민관 협력으로 해법 찾는다
"상가 공실, 전국 최대 수준" 세종시, 민관 협력으로 해법 찾는다

"전국 최대 수준의 공실률, 이로 인한 정주 여건 악화와 만족도 저하 우려." 민선 5기 세종시정에서 이 같은 문제를 해결하기 위한 민관 협력 기구와 정책 이행을 위한 추진단이 구성돼 본격적인 활동에 나설 전망이다. 단순히 상권 활성화를 위한 의견 수렴에 머물지 않고, 부서 간 벽을 허문 기구를 통해 의사 결정을 내린 뒤 현실화까지 동력을 끌어가겠다는 취지다. 27일 한국부동산원에 따르면 올해 1분기 기준 세종지역 일반상가 공실률은 21.5%로 전국에서 가장 높은 수준을 기록했다. 특히 이 가운데 중대형 상가(3층 이상 또는 연면적..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 여름방학에 배우는 사자소학 여름방학에 배우는 사자소학

  • ‘덥다 더워’…쉴 새 없이 돌아가는 에어컨 실외기 ‘덥다 더워’…쉴 새 없이 돌아가는 에어컨 실외기

  • 역투 펼치는 한화이글스 새 외국인 투수 짐머맨 역투 펼치는 한화이글스 새 외국인 투수 짐머맨

  • ‘우린 더위 몰라요’…한화생명볼파크 썸머 페스티벌 ‘우린 더위 몰라요’…한화생명볼파크 썸머 페스티벌