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. 예산사과농장 한관수 대표, 10㎏ 사과 500박스 후원, 나눔과 지원 활동 지속
  2. 충남대 통합신청서 부결 후폭풍… 보직교수 5명 일괄 사표
  3. 과기부 소관 공공기관 일부 통폐합…국립과학재단 신설
  4. 충남대·공주대 통합 멈췄지만 끝 아니다… 연말까지 재논의 여지
  5. [기자수첩] 충주댐 40년…단양은 언제까지 '희생의 청구서'를 받아야 하나
  1. 대전 동부소방서, 추석 앞 화재안전 점검
  2. 충남교육청, 추석 명절 전 특별 공직 감찰 실시
  3. [함께 지켜온 물, 대청호의 다음 25년] 규제 충돌 넘어선 24년 동행… 충청 유역공동체로 이어진 물길
  4. KT 서부고객본부, 크레이지카츠와 외식매장 디지털 전환 맞손
  5. 위성 15기 싣고 우주 향하는 누리호 5차… 대전 기술력 '시험대'

헤드라인 뉴스


與 지도부 "공공기관, 의료원, 교도소…대전 현안 전폭 지원"

與 지도부 "공공기관, 의료원, 교도소…대전 현안 전폭 지원"

더불어민주당 김민석 대표 등 여당 지도부가 16일 대전을 찾아 산적한 지역 현안에 대한 전폭 지원을 약속했다. 공공기관 제2차 지방 이전, 대전 의료원 건립 등 허태정 대전시장과 지역 여권이 요청한 미래성장 동력에 대한 드라이브를 걸며 충청 민심 껴안기에 나섰다. 이 같은 행보는 민족 최대 명절 추석을 일주일 가량 앞두고 정책 및 예산권을 가진 집권 여당의 힘을 과시하면서 지역 밥상머리 이슈를 선점하기 위한 전략으로 풀이된다. 김 대표는 이날 대전시청에서 열린 최고위원회의에서 대전의 2차 공공기관 이전 요구와 관련해 "지방의 의견을..

대전서 1년 새 매매가격이 가장 많이 오른 아파트는 어디?
대전서 1년 새 매매가격이 가장 많이 오른 아파트는 어디?

대전지역에서 최근 1년 새 매매가격이 가장 많이 오른 곳은 서구 둔산동 한마루아파트로 나타났다. 16일 국토교통부 실거래가 자료를 분석한 결과 서구 둔산동 한마루아파트 전용면적 101.94㎡는 지난해 9월 9억 1000만 원에서 올해 9월 12억 원으로 2억 9000만 원 상승했다. 동일 단지·동일 전용면적이라도 층수 등에 따라 매매가 차이가 있을 수 있지만, 같은 면적의 실거래가는 1년 새 3억 원가량 차이를 보였다. 상승액 2위는 서구 탄방동 공작한양 84.90㎡로 지난해 9월 4억 4000만 원에서 올해 9월 6억 7000만..

‘2030년 짐 싸는’ 국정자원 본원…충남·세종·대전 유치 ‘3파전’
‘2030년 짐 싸는’ 국정자원 본원…충남·세종·대전 유치 ‘3파전’

지난해 화재 발생 이후 본원 이전 절차가 본격화된 국가정보자원관리원을 두고 충청권 지자체 간 치열한 쟁탈전이 벌어지고 있다. 2030년까지 기존 대전 본원이 폐쇄되는 상황에서 충남도와 세종시, 대전시가 저마다의 명분을 내세우며 유치전에 사활을 걸고 나섰다. 16일 충청권 각 자치단체와 행정안전부에 따르면 현재 대전 유성구 화암동에 위치한 국정자원 대전 본원은 2030년까지 전면 폐쇄된 뒤 새로운 장소로 이전·재설립될 예정이다. 적절한 이전 부지를 발굴하기 위한 정보화전략계획 용역은 내년 상반기 완료를 목표로 진행 중이며, 이에 맞춰..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘사랑의 송편 나눔’…명절 꾸러미 한가득 ‘사랑의 송편 나눔’…명절 꾸러미 한가득

  • 대전 동부소방서, 추석 앞 화재안전 점검 대전 동부소방서, 추석 앞 화재안전 점검

  • ‘대한민국의 情을 보냅니다’ ‘대한민국의 情을 보냅니다’

  • 경영악화로 폐업하는 대전서남부터미널 경영악화로 폐업하는 대전서남부터미널