1조분의 1초에 사라지는 빛…전기로 증폭·변환 첫 성공

국내 연구진이 플라즈모닉 금속 나노 구조체에서 피코초(1조분이 1초)동안 존재하다 사라지는 빛을 전기 및 화학 에너지로 변환하는 방법을 찾았다. 차세대 태양전지나 광촉매, 수소 생산 등에 응용이 가능할 전망이다. KAIST(총장 이광형)는 화학과 박정영 석좌교수 연구팀은 핫홀(hot hole) 흐름을 증폭시키고 이를 실시간 국소 전류 분포 맵핑을 통해 광전류 향상 메커니즘을 성공적으로 규명했다고 12일 밝혔다. 이 연구는 인하대 신소재공학과 이문상 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. 빛이 금속 나노 구조체에 닿으면 순간적으로 생성되는 플라즈모닉 핫전하(plasmonic hot carrier)는 광에너지를 전기 및 화학에너지 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요한 매개체이다. 이 중 핫홀(hot hole)은 광전기화학 반응에 효율을 증폭시키지만 피코초(1조분의 1초) 수준의 극초단 시간 내에 열적으로 소멸되어 실용적인 응용이 되기 어려웠다. 연구팀이 바로 이 핫홀을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술을 개발한 것 연구팀은 금속 나노 그물망을 특수한 반도체 소재(p형 질화갈륨) 기판 위에 배치한 나노 다이오드 구조를 만들어 기판 표면이 핫홀 추출을 촉진하도록 설계했다. 그 결과, 핫홀 추출 방향과 동일한 질화갈륨 기판에서는 다른 방향의 질화갈륨 기판보다 핫홀의 흐름 증폭 효과를 약 2배 증가시켰다. 또한, 핫홀의 흐름이 주로 금 나노 그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 '핫스팟' 에서 강하게 활성화되지만, 질화갈륨 기판의 성장방향을 바꿈에 따라 핫스팟 이외의 영역에서도 핫홀의 흐름이 활성화되는 현상을 확인했다. 박정영 교수는 “나노 다이오드기법을 이용해 핫홀의 흐름을 처음으로 제어했다"며 "이를 이용하여 다양한 광전소자 및 광촉매 응용에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것"으로 예상했다. 박 교수는 "태양광을 이용한 에너지 변환 기술(태양전지, 수소 생성 등)에 획기적인 발전을 가져올 것"이라며 "실시간 분석 기술을 개발, 초소형 광전소자(광센서, 나노 반도체 소자) 개발에 응용이 가능하다”고 말했다.