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. 대전 갈마지구 노후주거지정비계획 고시… 사업 추진 구체화
  2. 대전역세권 개발 줄줄이 난항…쪽방촌 사업 준공도 2033년으로 지연
  3. [대전 체육의 내일을 묻다] 오주영 “대전 체육의 미래 100년, 새로운 성장 기반 만들겠다”
  4. 49년 된 대전서부교육지원청 청사 새로 짓는다…395억원 투입
  5. 따뜻한 지역사회의 힘으로 맺은 ‘백년가약식’
  1. "받아줄 병원 없다"… 대전서 출산 임박 산모 구급차 출산·부산 원정 이송
  2. [충남·대전 통합, 방향을 묻다] [르포] 옛 시청 남긴 가오슝… 통합청사보다 중요한 것은
  3. 나노종합기술원, ‘실리콘 브릿지’ 공정 구현…첨단패키징 생태계 조성 박차
  4. 대전신용보증재단, 소상공인 창업·경영개선 교육 운영
  5. 2차 공공기관 이전 초읽기…충남도, ‘맞춤형’ 전략 총력전

헤드라인 뉴스


맞고 물려도 대책 없는 특수교사… 교권 보호 `사각지대`

맞고 물려도 대책 없는 특수교사… 교권 보호 '사각지대'

특수교육 대상 유아를 담당하는 세종시 공립유치원 교사가 아동학대 혐의로 피소된 가운데, 교사 폭행 등 교육활동 침해에 대응할 법적·제도적 장치의 한계가 드러나고 있다. 특수교사 A 씨가 교권 침해를 인정받고도 원아와 분리되지 못한 채 교육활동을 이어가다 방임 혐의로 고소되면서다. 이에 법적 보호의 사각지대에 놓인 특수 교사들의 안전과 정당한 교육활동을 보장할 실효성 있는 대책 마련이 필요하다는 지적이 나온다. 5일 세종시교육청은 지역 공립유치원 교사가 아동학대 혐의로 피소된 사건과 관련, "교원들이 교육활동 과정에서 겪고 있는 어려..

고속철도 통합 60일…이용객 12.6% 늘고 교통비 515억 절감
고속철도 통합 60일…이용객 12.6% 늘고 교통비 515억 절감

고속철도 통합 이후 열차 운행과 좌석 공급이 확대되면서 이용객이 전년 대비 12.6% 증가한 것으로 나타났다. 운임 할인과 마일리지 등을 통한 교통비 부담 완화 효과도 515억 원에 달하는 것으로 집계됐다. 국토교통부와 한국철도공사(코레일)는 5일 고속철도 통합 60일을 맞아 이 같은 내용의 운영 성과와 향후 서비스 개선 계획을 발표했다. 국토부에 따르면 지난 9월 1일부터 10월 30일까지 고속철도 일평균 이용객은 32만 2000명으로, 전년 동기 대비 3만 6000명(12.6%) 증가했다. 월별 증가율도 9월 11.9%에서 10..

`2100세대 공급` 세종 합강동, 유·초·중 신설 심사 끝…고교는 내년 중투심
'2100세대 공급' 세종 합강동, 유·초·중 신설 심사 끝…고교는 내년 중투심

올 연말 2100세대 공동주택 공급이 예고된 세종 합강동(5-1생활권)의 초·중학교 설립 심사가 모두 완료됐다. 유치원과 초등학교 각각 2곳, 중학교 한 곳의 설립이 확정됐으며, 내년에는 고등학교 설립을 위한 절차도 밟아나갈 계획이다. 5일 세종시교육청에 따르면 교육부는 정기4차 중앙투자심사에서 5-1생활권(합강동) '가칭' 합강2초등학교 설립 심사를 진행했다. 최종적으로 중투심을 넘어서면서 합강동에 계획된 유·초·중등 설립이 모두 확정됐다. 합강2초의 총 사업비는 481억 원 규모다. 초5-7 부지에 50학급(특수2 포함) 120..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 난방용품 판매 준비 분주 난방용품 판매 준비 분주

  • 울긋불긋 물든 도심 울긋불긋 물든 도심

  • 대전 갑천4BL 청년주택 공급사업 기공식 대전 갑천4BL 청년주택 공급사업 기공식

  • 윤석열 전 대통령 항소심에 쏠린 눈 윤석열 전 대통령 항소심에 쏠린 눈