인하대 이문상 교수, 고효율 광에너지 전환소자 상용화 성과 달성

  • 전국
  • 수도권

인하대 이문상 교수, 고효율 광에너지 전환소자 상용화 성과 달성

KAIST 박정영 교수 연구팀과 공동 연구
고에너지 핫정공 생성, 수명시간 제어 방법 제시

  • 승인 2025-03-12 17:30
  • 주관철 기자주관철 기자
사진1 (1)
공동연구팀을 이끈 (왼쪽부터) 이문상 인하대 신소재공학과 교수와 박정영 KAIST 화학과 교수./제공=인하대
인하대학교는 이문상 신소재공학과 교수 연구팀이 최근 고효율 광에너지 전환소자의 상용화를 앞당기는 성과를 거뒀다고 12일 밝혔다.

인하대 이문상 교수 연구팀은 KAIST 박정영 화학과 교수 연구팀의 공동 연구로 이번 성과를 얻었다. 공동연구팀은 빛이 금속 표면에 닿는 순간 만들어지는 고에너지의 핫정공(hot hole)의 수명시간을 제어할 수 있는 방법을 세계 최초로 제시했다. 빛이 금속 나노 구조제에 흡수될 때 만들어지는 플라즈모닉 핫정공 (plasmonic hot-hole)은 광에너지를 전기·화학에너지와 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요한 매개체로 주목받고 있다.

하지만 핫정공은 피코초(1조분의 1초) 수준의 극초단 시간 안에 열적으로 없어지는 한계를 가지고 있어 실용적으로 응용되기 어려웠다. 공동연구팀은 이를 극복하기 위해 국소 표면 플라즈몬 공명현상을 나타내는 금속 나노 그물망을 p형 반도체 질화갈륨 (p-GaN) 기판 위에 배치한 나노 다이오드 구조를 제조했다.

국소 표면 플라즈몬 공명은 금속 표면에서 빛과 물질이 상호작용하면서 전자가 강하게 진동하는 현상을 말한다. 이같은 현상은 전자들이 더 많은 에너지를 가진 상태로 만들어준다. 이때 발생하는 핫정공을 잘 활용하기 위해 금속 나노 그물망을 사용했다.

p형 반도체 질화갈륨은 전자보다 정공이 많은 반도체다. 해당 기판 위에 금속 나노 그물망을 배치하면 만들어진 핫정공을 효과적으로 추출하고 이동할 수 있다.

공동연구팀은 특히 질화갈륨 결정 성장 방향을 섬세하게 조절해 기판 표면이 핫정공 추출을 촉진하는 방향으로 가도록 설계했다. 그 결과, 핫정공 추출 방향과 동일한 방향으로 분극된 c-plane 질화갈륨 기판에서는 분극 방향이 없는 a-plane 질화갈륨과 비교했을 때 약 2배 높은 핫정공 흐름 증폭 효과를 확인하고, 핫정공이 존재할 수 있는 수명 조절도 가능하다는 사실을 밝혔다.

이번 연구에는 제 1저자는 이현화 KAIST 화학과 박사와 박유진 텍사스 오스틴 대학 화학공학과 박사후연구원(KAIST 화학과 박사)이 참여했다. 연구성과는 최근 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 온라인 게재됐다.

또한, 공동연구팀은 플라즈모닉 금속 나노구조체에서 고에너지 핫전자·핫정공을 동시에 추출하고, 실시간 국소 전류 분포 맵핑을 통해 광전류 향상 메커니즘을 성공적으로 규명했다. 기존의 연구에서는 주로 핫전자나 핫정공 하나만을 추출하는 방식이 이뤄지고 있어 두 전하의 동시 추출 메커니즘에 대한 이해가 부족했다.

이러한 한계를 극복하기 위해 공동연구팀은 수평적 실리콘 태양전지 소자 위에 플라즈모닉 은(Ag) 나노 프리즘을 배열했다. 실리콘 태양전지의 n형 반도체 영역에서는 은 나노 구조체의 핫전자가, p형 반도체 영역에서는 핫정공이 동시 추출될 수 있도록 설계했다. 그 결과 실리콘 태양전지의 광전 효율이 100배 증가하고, 기존의 단일 핫전하 만을 추출하는 소자에 비해 약 5배 향상된 성능을 나타냈다.

이와 더불어 공동연구팀은 광전도성 원자힘 현미경(Photoconductive Atomic force microscopy, pc-AFM) 기반의 광전류 맵핑 시스템을 통해 나노미터 수준에서의 핫정공 흐름을 실시간으로 분석했다. 연구 결과 핫정공의 흐름은 주로 금 나노 그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 '핫스팟'에서 강하게 활성화하지만 질화갈륨 기판이 분극될 때엔 핫스팟 이외의 영역에서도 핫정공의 흐름이 활성화되는 것을 확인했다.

이어 핫전자가 핫정공보다 더 높은 에너지 분포를 가졌다는 사실도 이론적·실험적으로 규명했다. 이러한 에너지 비대칭성을 이용해 동시 추출뿐 아니라 외부 전압에 따라 핫전자 및 핫정공 각각에 대한 추출도를 자유롭게 제어할 수 있다는 사실을 입증했다.

박유진 텍사스 오스틴 대학 화학공학과 박사후연구원이 제1저자로 이름을 올린 해당 연구는 국제학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 최근 온라인 게재됐다.

이번 성과들은 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다. 이문상 인하대 신소재공학과 교수와 박정영 KAIST 화학과 교수가 공동 교신저자로 참여하며 연구를 이끌었다.

이문상 인하대 신소재공학과 교수는 "이번 연구는 플라즈모닉 핫정공의 생성과 수명시간 제어라는 혁신적 제시를 통해 핫전하의 실용화를 위한 중요한 돌파구를 마련했다고 볼 수 있다"고 말했다.

함께 연구를 진행한 박정영 KAIST 화학과 교수는 "핫정공의 흐름을 조절하고 실시간으로 맵핑하는 기술을 통해 다양한 광전소자와 광촉매 응용에 혁신적인 기여할 것으로 기대한다"고 말했다. 인천=주관철 기자 orca2424002@

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

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 올해 충남 집값 17주 연속 하락… 아산 누적 하락률↑
  2. 서남학교 설계 본격화… 2029년 개교 추진
  3. 대전우리병원, 혼합현실(MR) 기기 착용한 척추수술 첫 시행… 첨단 디지털과 의료 결합 시험무대
  4. 정청래, 어린이날 맞아 대전 방문…"허태정은 민주당 필승카드"
  5. '5점대 평균자책점'…한화 이글스, 투수진 기량 저하에 고초
  1. 한국산림아카데미재단 총동문회·중부지방산림청, 합동 산불방지 캠페인 벌이다
  2. ‘뜨개화풍’ 정우경 초대전…관저문예회관서 12일 개막
  3. 2027학년도 지역의사 전형 충청권 모집 118명 확정
  4. 한국청소년연맹 대전·세종·충남연맹, 제6대 모영선 총장 취임
  5. [현장취재]박상도 대한노인회 대전시연합회장 미수 기념 회고록 <사랑의 발자국> 출판기념회

헤드라인 뉴스


[지선 D-30]지역발전 위한 정책 선거 중요

[지선 D-30]지역발전 위한 정책 선거 중요

"바보야, 문제는 경제야(It's the economy, stupid)" 1992년 미국 대통령 선거 당시 민주당 후보였던 빌 클린턴 전 대통령 진영에서 내건 선거 구호다. 이 구호는 경제 불황에 시달리던 유권자들의 공감을 얻으면서 당시 객관적 열세였던 클린턴 전 대통령을 대선 승리로 이끌었다. 유권자들이 가장 중요하게 생각하는 문제, 즉 먹고 사는 문제를 제대로 짚은 것이 승리로 이어졌다. 지역을 책임지는 '일꾼'을 뽑는 6·3 전국동시 지방선거가 30여일 앞으로 다가왔다. 광역단체장과 기초단체장, 지방의원과 교육감을 뽑는 지방선..

대전의료원 건립, 본격 시동 걸 수 있을까
대전의료원 건립, 본격 시동 걸 수 있을까

지역 숙원 사업 중 하나인 대전의료원 건립 사업이 사업비 조정을 거쳐 본격 시동을 걸 수 있을지 주목된다. 3일 대전시에 따르면 대전대 인근 용운동 11번지 일원에 건립되는 대전의료원은 총사업비 1759억(국비 530억, 시비 1229억)을 투입해 지하 2층 지상 7층 연면적 3만3148㎡에 319병상 규모로 2030년 준공을 목표로 본격 추진될 예정이다. 1996년 건립 필요성이 제기됐지만, 경제성 문제 등으로 지지부진했다. 하지만, 코로나19사태로 상황이 급변했다. 메르스와 코로나19 등 각종 감염병 유행에 따른 공공의료 필요성..

대전·세종·충남 기름값 ‘2000원 시대’ 굳어져… 소비자 부담 계속
대전·세종·충남 기름값 ‘2000원 시대’ 굳어져… 소비자 부담 계속

대전·세종·충남지역 주유소 기름값이 리터당 '2000원 시대'로 굳어지는 모습이다. 지역별로 2000원대 돌파 시점은 달랐지만, 현재 대부분 지역이 비슷한 가격대를 형성하며 소비자들의 부담을 키우고 있다. 3일 한국석유공사 유가정보시스템 오피넷에 따르면 이날 오전 11시 기준 대전 휘발유 평균 판매가격은 리터당 2002.53원으로 전날보다 0.12원 올랐다. 경유는 1997.39원으로 0.07원 상승하며 2000원 선에 근접한 상태다. 대전의 휘발유 가격은 4차 석유 최고가격제가 시행된 4월 24일 처음 2000원을 넘어선 뒤 현재..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 한 달여 앞으로 다가온 지방선거에 분주한 선관위 한 달여 앞으로 다가온 지방선거에 분주한 선관위

  • 다양한 체험과 공연에 신난 어린이들…‘오늘만 같아라’ 다양한 체험과 공연에 신난 어린이들…‘오늘만 같아라’

  • 대전 찾아 지원유세 펼치는 정청래 대표 대전 찾아 지원유세 펼치는 정청래 대표

  • 첫 법정 공휴일 된 노동절…차분히 즐기는 휴일 첫 법정 공휴일 된 노동절…차분히 즐기는 휴일