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. 교육행정 몰리고 시설직은 주춤…교육청 공채 경쟁률 '온도차'
  2. 나라를 위한 희생 ‘잊지 않겠습니다’
  3. 하지(夏至)맞은 주말농장 ‘구슬땀’
  4. 판사 낭독 착오로 ‘징역 8년→8개월’… 144억 전세사기범 항소심서 다시 징역 8년
  5. 6·3 지방선거 기간 대전·세종 장애인 투표 과정서 혼선
  1. aT-한국수출입은행, K-푸드 수출 확대 공조
  2. 1조2천억 필수의료 특별회계 곧 시행…"우선순위 논의 시민협의체 필요"
  3. 대전시 ‘시장임기 일치조례’ 첫 적용 임박 논란 증폭
  4. 생활고 이유 대전서 초등생 딸 살해하려 한 부부… 검찰 징역 12년 구형
  5. 4년 만에 권력교체 된 충남도의회… 민주당 중심 원구성 윤곽

헤드라인 뉴스


대전시 ‘시장임기 일치조례’ 첫 적용 임박 논란 증폭

대전시 ‘시장임기 일치조례’ 첫 적용 임박 논란 증폭

민선 9기 출범과 함께 대전시 산하 출자·출연기관장들이 대거 교체되는 가운데, 시장과 기관장 임기를 맞춘 현행 조례의 실효성을 둘러싼 논란이 커지고 있다. 시장 교체기 마다 불거졌던 전 현직 인사 갈등 해소 등을 위해 도입된 제도지만, 시장 임기에 맞춰 기관장이 교체되는 구조가 부작용을 더욱 키울 수 있다는 목소리가 높다. 시정 발전을 위해 전문성이 최우선 돼야 하다는 자리지만 이른바 '선거 공신'들의 낙하산 인사 자리로 활용되는 것 아니냐는 지적이다. 21일 대전시에 따르면 관련 조례 적용으로 민선 8기 이장우 시장과 임기를 함께..

6·3 지방선거 기간 대전·세종 장애인 투표 과정서 혼선
6·3 지방선거 기간 대전·세종 장애인 투표 과정서 혼선

지난 6월 3일 제9회 전국동시지방선거 투표 기간 대전·세종 지역 장애인 투표 과정에서도 선관위 준비·대응 미숙으로 혼선이 있던 것으로 조사됐다. 21일 국회 보건복지위원회 소속 김예지 의원실(국민의힘)이 중앙선거관리위원회로부터 전달받은 지난 지선 기간 시각장애인 민원 현황 자료에 따르면, 전국 17개 시도 중 6개 지역에서 투표 관련 민원이 접수됐다. 이 가운데 대전의 한 투표소에선 투표보조용구 점자 오탈자로 시각 장애인이 불편을 겪은 것으로 전해졌다. 세종에선 투표보조 제도 안내 당시 직원이 시각장애 선거인이 아닌 동행인에게 안..

2027년 최저임금 업종별 차등 부결에 소상공인 `탄식`... "처지 외면한 처사" 비판
2027년 최저임금 업종별 차등 부결에 소상공인 '탄식'... "처지 외면한 처사" 비판

2027년 최저임금을 업종별 차등 적용안이 최저임금위원회 표결 끝에 무산되면서 소상공인들의 탄식이 이어지고 있다. 어려운 경기 상황에 직격탄을 맞은 숙박·음식업 등은 다른 업종보다 최저임금을 다르게 적용해야 하지만, 이 같은 주장이 받아들여지지 않자 소상공인들의 처지를 외면한 처사라고 비판하고 있다. 21일 업계에 따르면 최저임금위원회는 최근 정부세종청사에서 제7차 전원회의를 열어 내년 최저임금을 업종별로 달리 적용할지를 놓고 표결했지만, 반대 14표, 찬성 11표, 무효 1표로 출석위원 과반에 미치지 못해 부결됐다. 노사는 최저임..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 하지(夏至)맞은 주말농장 ‘구슬땀’ 하지(夏至)맞은 주말농장 ‘구슬땀’

  • 나라를 위한 희생 ‘잊지 않겠습니다’ 나라를 위한 희생 ‘잊지 않겠습니다’

  • 여름철 풍수해 대비 장비 점검 여름철 풍수해 대비 장비 점검

  • 수족구 예방…‘꼼꼼하게 손 씻어요’ 수족구 예방…‘꼼꼼하게 손 씻어요’