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. 안전사고 일어날라… '사전투표소 대관' 고민 깊은 학교
  2. 대전교육청 급식 갈등 봉합 장기화되나… 조리원 직종 교섭 일정도 못 정해
  3. 나노종합기술원 반도체 소부장 테스트베드 역할 톡톡… 21개 품목 국산화 달성
  4. [인터뷰] "장마철 비 피해 막는 호우 긴급재난문자 큰 도움 되길"
  5. ‘6월3일, 꼭 투표하세요’
  1. 폭우 내린 곳에 긴급재난문자 보낸다…충청 위험기상 조기대응 기대
  2. 구즉신협, '2025년 신협 어부바 멘토링' 발대식 개최
  3. 제51회 양성서도회원전 12일까지 전시
  4. 대전경찰청, 봄 행락철 음주·마약 운전 집중 단속
  5. 대전·충남 등 11개교육청 '거점형 돌봄기관'… 시 2곳·도 3곳 등 52곳

헤드라인 뉴스


첫 투표권 행사 앞둔 Z세대… 정당 아닌 “내 삶 바꿀 한표”

첫 투표권 행사 앞둔 Z세대… 정당 아닌 “내 삶 바꿀 한표”

6월 3일 조기대선을 앞두고 생애 첫 대선 투표권을 얻은 Z세대의 정치 참여 열기가 뜨겁다. 이들은 약관임에도 12·3 계엄사태와 대통령 탄핵 등 굴곡진 헌정사를 직접 목도하며 민주주의 가치에 대해 일찍 눈을 떴다. 이 때문에 Z세대는 자기주장 표출에 주저하는 기성세대와는 다르다. 사회관계망서비스(SNS)를 통해 활발히 소통하며 '민주주의 주인'으로서 정체성을 스스로 각인하는 데 인색하지 않다. 생애 첫 공직투표를 앞뒀다는 차 모 씨(19·유성구)는 요즘 저녁마다 대선 후보들의 정책 요약 영상과 뉴스 클립을 챙겨 본다. 그는 "정치..

美 연준 금리 동결…한은 금리 인하 카드 꺼낼까
美 연준 금리 동결…한은 금리 인하 카드 꺼낼까

미국 연방준비제도(Fed·연준)가 올해 세 번째 통화정책 회의에서 기준금리를 동결하며 금리 인하를 서두르지 않겠다는 의사를 밝혔다. 이에 따라 한국은행 금융통화위원회가 5월 29일 예정된 통화정책방향회의에서 금리 인하 카드를 꺼내 들지 주목된다. 연준은 7일(현지시간) 연방공개시장위원회(FOMC) 정례회의 결과 기준금리를 기존 4.25~4.50%로 유지하기로 만장일치로 결정했다고 발표했다. 올해 1월과 3월에 이어 세 번 연속 동결이다. 이에 따라 한국(2.75%)과의 기준금리 차이는 상단 기준 1.75%포인트로 유지됐다. 연준은..

"엄마 아빠 사랑해요" 아주 특별한 어버이날 편지
"엄마 아빠 사랑해요" 아주 특별한 어버이날 편지

대전하기초는 8일 어버이날을 맞아 '드론 플래시몹' 행사를 열고 부모님께 사랑과 감사의 메시지를 전하는 특별한 시간을 마련했다. 이번 행사는 대전하기초 인성교육의 일환으로 전교생과 직원 400여명이 참여했다. 학생들은 학급별로 맞춘 색색의 단체 티셔츠를 입고 운동장에 질서정연하게 모여 '엄마, 아빠 사랑해요'라는 글자를 만들어냈다. 사전 연습을 거쳐 정밀하게 구성된 플래시몹은 드론을 활용한 항공 촬영을 통해 감동을 생생히 담아냈다. 촬영된 영상은 어버이날 오전 학부모들에게 공유됐고, 학부모들은 영상 속 운동장을 가득 메운 자녀들의..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘6월3일, 꼭 투표하세요’ ‘6월3일, 꼭 투표하세요’

  • 제51회 양성서도회원전 12일까지 전시 제51회 양성서도회원전 12일까지 전시

  • ‘어버이 은혜 감사합니다’ ‘어버이 은혜 감사합니다’

  • 성심당과 함께 선거빵 출시…‘함께 투표해요’ 성심당과 함께 선거빵 출시…‘함께 투표해요’