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. 괴산고추축제에 32만2천명 찾아···건고추 완판 12억 원 판매
  2. [단독]단양수중보 3억6000만원 소송…관리책임 갈등 다시 법정으로
  3. 외딴섬 '집현동'이 뜨겁다… 9월엔 세종 '공동캠퍼스' 축제로
  4. 대전 선도지구 구역들, 주민대표단 신청 분주한데 승인 지연돼 '발 동동'
  5. [중도초대석]복수경 충남대병원장 "사람중심 의료혁신, 새병원 건립·AI전환 착수"
  1. [제일학원] 9월 모평 가채점 충남대 의예 281점·심리 229점 지원 가능
  2. 한밭대 총장 후보 3인, ‘100년 대학’ 미래전략 놓고 열띤 공방
  3. 목요경마 신설, 평일 온라인 수요 키웠나…마권 매출로 성과 검증
  4. 지역경제계 2차 공공기관 대전·충남 우선배치 요구 힘받나
  5. 대전교육청 결산자료 '부실' 지적…조직 효율성·예산 집행도 도마

헤드라인 뉴스


허태정 대전시장 "대전역세권 복합2구역 사업 무산 대비해라"

허태정 대전시장 "대전역세권 복합2구역 사업 무산 대비해라"

허태정 대전시장이 추진 무산위기에 놓인 대전역세권 복합2-1구역 사업에 대해 사업자 측에 정상화를 촉구하는 한편 무산 시 대응 전략 마련을 주문했다. 허 시장은 8일 열린 확대간부회의에서 "시민들에게 이런(대전역세권 복합2-1구역 사업 무산 위기) 흐름이 알려진 건 최근이지만, 이미 시장 취임 전부터 사업이 진척되지 않아 무산될 위기라는 점을 감지했다"면서 "시가 어떤 조치를 하고 있는지 명확히 할 필요가 있다"고 말했다. 허 시장은 "한화컨소시엄 측에도 명확히 시 입장과 시민 목소리를 전달하고, 사업이 책임감 있게 진행될 수 있도..

"태안 안면도 관광개발 연내 결단"…박수현 지사, 지역현안 적극 지원 약속
"태안 안면도 관광개발 연내 결단"…박수현 지사, 지역현안 적극 지원 약속

충남도가 석탄화력발전소 단계적 폐쇄로 심각한 경제적 위기에 직면한 태안군의 미래 발전과 체질 개선을 위해 전방위 지원에 나선다. 박수현 충남지사는 8일 태안군을 방문해 민선 9기 시·군 방문 브랜드인 '충남통(通)행' 두 번째 일정을 소화하며 발전공기업 통합본사 유치, 가로림만 해상교량 재도전, 안면도 관광지 개발 연내 결단 등 주요 현안에 대한 정면 돌파 의지를 피력했다. 박 지사는 이날 태안문화예술회관 대공연장에서 열린 군민과의 대화 행사를 통해 태안을 석탄화력발전소 폐지의 위기를 넘어 '서해안 대전환의 중심지'로 육성하겠다는..

한 총리 "중앙행정기관·공공기관 이전계획 수립, 만전 기해달라"
한 총리 "중앙행정기관·공공기관 이전계획 수립, 만전 기해달라"

한성숙 국무총리는 8일 최근 발표한 중앙행정기관과 공공기관 이전과 관련, "관련 부처는 대상기관 확정 등 연내에 발표할 추진계획 수립에 만전을 기해달라"고 말했다. 한 총리는 이날 오전 해외 순방 중인 이재명 대통령을 대신해 정부서울청사에서 주재한 제39회 국무회의에서 "국가균형발전과 대한민국의 지속가능한 미래를 위해 반드시 해야만 하는 시대적 과제"라며 이같이 지시했다. 한 총리는 "물론 이전 대상 기관에는 결코 쉽지 않은 변화일 것"이라면서도 "국가와 국민의 미래를 위한 결정이었음을 이해하고 함께해 주실 거라 굳게 믿는다. 정부..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘나눔의 의미도 배우고 책도 읽고’ ‘나눔의 의미도 배우고 책도 읽고’

  • 충남대학교와 국립공주대학교 통합 찬반 투표 시작 충남대학교와 국립공주대학교 통합 찬반 투표 시작

  • ‘고장난 전자기기 고쳐드려요’ ‘고장난 전자기기 고쳐드려요’

  • 가을 문턱…탐스럽게 익어가는 도깨비 박 가을 문턱…탐스럽게 익어가는 도깨비 박