국내 연구진이 빛 에너지를 전기나 화학 에너지로 변환하는 효율을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 이를 활용하는 차세대 태양전지와 친환경 수소 생산 기술 등 미래 에너지 기술의 상용화를 앞당길 것으로 보인다.
박정영 한국과학기술원(KAIST) 화학과 석좌교수 연구진은 이문상 인하대 신소재공학과 교수 연구진과 함께 빛 에너지를 다른 에너지로 변환하는 데 필요한 '핫홀(hot hole)'을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 온라인판에 지난 7일 게재됐다.
빛이 금속 나노 구조체에 닿으면 순간적으로 생성되는 '플라즈모닉 핫전하(plasmonic hot carrier)'는 빛 에너지를 전기 및 화학 에너지 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요한 매개체다. 그중 하나인 핫홀은 빛을 전기나 화학적 에너지로 바꿀 때 매우 중요하지만 ㎰(피코초, 1조분의 1초)의 짧은 시간 내에 소멸해 응용이 어려웠다.
연구진은 특수한 반도체 소재(p형 질화갈륨) 기판 위에 금속 나노 그물망을 배치한 '나노 다이오드 구조'를 만들어 기판 표면이 핫홀 추출을 촉진하도록 설계했다. 이를 통해 핫홀의 흐름을 약 2배 정도 증폭시키는 데 성공했다
또 광전도성 원자힘 현미경(pc-AFM)을 활용해 ㎚(나노미터, 10억분의 1m) 수준에서 핫홀의 흐름을 실시간 분석했다. 연구진은 이를 통해 핫홀의 흐름이 주로 금 나노 그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 '핫스팟' 에서 강하게 활성화되지만, 질화갈륨 기판의 성장 방향을 바꾸면 핫스팟 이외의 영역에서도 핫홀의 흐름이 활성화되는 현상을 확인했다.
연구진은 "빛을 전기 및 화학 에너지로 변환하는 효율적인 방법을 찾았으며, 이를 활용하면 차세대 태양전지, 광촉매, 수소 생산 기술 등이 크게 발전할 것으로 기대한다"고 밝혔다.
박정영 교수는 "나노 다이오드 기법을 이용하여 핫홀의 흐름을 처음으로 제어할 수 있었고 이를 이용해 다양한 광전소자 및 광촉매 응용에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것"이라며 "예를 들면 태양광을 이용한 에너지 변환 기술(태양전지, 수소 생성 등)에 적용하거나 초소형 광전소자(광센서, 나노 반도체 소자) 개발에도 응용할 수 있다"고 말했다.
참고 자료
Science Advances(2025), DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu0086