금 나노 그물망을 이용한 핫홀 제어 개념도 [KAIST 제공]

박정영 KAIST 화학과 석좌교수

빛이 금속 나노 구조체에 닿으면 순간적으로 생성되는 플라즈모닉 핫전하는 광에너지를 전기·화학에너지 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요한 매개체다. 이 중 핫홀은 광전기화학 반응에 효율을 증폭시키지만 피코초(1조분의 1초) 수준의 극초단 시간 내에 열적으로 소멸되어 실용적인 응용이 되기 어려웠다.

KAIST는 박정영 화학과 석좌교수 연구팀이 이문상 인하대 신소재공학과 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 핫홀 흐름을 증폭시키고 이를 실시간으로 국소 전류 분포 맵핑을 하여 광전류 향상 메커니즘을 성공적으로 규명했다고 12일 밝혔다.

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 효과가 약 2배 증가시키는 데 성공했다.

또 광전도성 원자힘 현미경 기반의 광전류 맵핑 시스템을 활용해 ㎚(나노미터·10억분의 1m, 머리카락 두께의 10만분의 1) 수준에서 핫홀의 흐름을 실시간 분석했다. 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.

이를 통해 빛을 전기·화학 에너지로 변환하는 효율적인 방법을 찾았으며, 이를 활용하면 차세대 태양전지, 광촉매, 수소 생산 기술 등이 크게 발전할 것으로 기대된다.

박 교수는 “나노 다이오드기법을 이용하여 핫홀의 흐름을 처음으로 제어할 수 있었고 이를 이용해 다양한 광전소자와 광촉매 응용에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것”이라며 “예를 들면 태양광을 이용한 에너지 변환 기술(태양전지, 수소 생성 등)에 획기적인 발전을 기대할 수 있다. 실시간 분석 기술을 개발하여 초소형 광전소자(광센서, 나노 반도체 소자) 개발에 응용이 가능하다”고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 온라인판에 지난 7일 게재됐다. 구본혁 기자