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. 예산군, 가을 대표축제 3개로 관광객 맞는다
  2. 국회 세종의사당 1191억원 대전 트램 2043억원 반영
  3. [충남대, 서울대 10개 국가대표로] 교육-연구-산업 연결 'NEXUS' 들여다보니
  4. 정부 R&D 예산 첫 39조 돌파…출연연 예산도 19% 증액
  5. 검찰청 폐지까지 한달… 출범 초기 수사인력 확보 변수 떠올라
  1. 충남지역 최대 140㎜ 많은 비… 토사유출·낙석·점포 침수 등 피해 잇따라
  2. [2027 수시로 간다-대학의 색, 미래의 선택] 우송대, ‘글로벌 특성화’로 차별화
  3. 충남도의회 초선의원, 5분발언서 송전선로·지방소멸 등 민감 이슈 정조준
  4. “교육활동보호관, 이름뿐인 기구 안 된다”…전교조 현장 대응 주문
  5. 충남대병원, 난임시술 '체외수정시술 1등급' 평가

헤드라인 뉴스


충청권 지방공기관 경영정상화 시급…24곳 부채중점관리기관 지정

충청권 지방공기관 경영정상화 시급…24곳 부채중점관리기관 지정

충청권 공기업 또는 출연·출자기관 등 24곳이 부채중점관리기관으로 지정돼 경영 정상화를 위한 노력이 시급하다는 지적이다. 또 이 가운데 8개 기관은 재무위험이 큰 부채감축대상기관으로 분류돼 고강도의 수익성 개선 방안 마련이 필요해 보인다. 행정안전부는 2일 이런 내용의 2025년도 지방공기업 결산결과를 발표했다. 이에 따르면 행안부는 지방공기업의 최근 3년 치 결산 자료를 토대로 다양한 재무지표를 평가해 모두 102개 기관(공사 22개·출자 30개·출연 50개)을 부채중점관리기관으로 지정했다. 작년보다 3개 감소한 규모다. 평가에..

보금자리론 인기 시들… 5%대까지 높아지자 매력 잃었나
보금자리론 인기 시들… 5%대까지 높아지자 매력 잃었나

시중은행보다 낮은 금리로 주목받았던 저금리 정책자금인 보금자리론의 인기가 식고 있다. 올해 들어서만 금리가 다섯 차례 연속으로 인상되며 고정금리가 5%대까지 빠르게 상승한 데다, 시중은행 변동금리 하단보다도 높아지면서 매력을 잃고 있는 것으로 풀이된다. 2일 주택금융공사에 따르면 2026년 7월 기준 보금자리론 신규 판매액은 1조 6127억원으로, 6월(2조 1623억원)보다 25.4% 줄어든 것으로 집계됐다. 이는 2025년 6월 1조 5174억원 이후 13개월 만에 가장 적은 수준이다. 보금자리론이란, 보금자리론은 주택금융공사가..

정부 중앙행정기관 지방 이전 계획 발표 앞두고 충청권 촉각
정부 중앙행정기관 지방 이전 계획 발표 앞두고 충청권 촉각

정부가 3일 중앙행정기관 지방 이전 계획을 발표할 것으로 알려지면서 충청권이 촉각을 곤두세우고 있다. 이재명 정부가 내건 '행정수도 완성'과 지방균형발전을 위한 공공기관 2차 지방 이전의 밑그림을 공식적으로 처음 제시하는 자리이기 때문이다. 2일 국무총리실에 따르면 정부는 3일 정부서울청사에서 '행정·공공기관 이전 계획 및 공공기관 기능 개혁 방안' 관련 기자회견을 개최한다. 기자회견에는 한성숙 국무총리를 비롯해 행정안전부 장관과 국토교통부 장관, 재정경제부 2차관 등 관계부처 인사들이 참석할 예정이다. 중앙행정기관 이전은 행정안전..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 추석 앞두고 벌초 한창인 국립대전현충원 추석 앞두고 벌초 한창인 국립대전현충원

  • 수능 전 마지막 모의평가…집중하는 수험생들 수능 전 마지막 모의평가…집중하는 수험생들

  • 대전신세계 개점 5주년…베어 벌룬과 ‘찰칵’ 대전신세계 개점 5주년…베어 벌룬과 ‘찰칵’

  • 물폭탄에 잠긴 교량 차지한 오리 물폭탄에 잠긴 교량 차지한 오리