국내 연구진이 '핫홀(hot hole)'을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술을 개발해 차세대 고효율 광에너지 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있게 됐다.

빛이 금속 나노 구조체에 닿으면 순간적으로 생성되는 플라즈모닉 핫전하(plasmonic hot carrier)는 광에너지를 전기 및 화학에너지 같은 고부가가치 에너지원으로 변환하는 중요한 매개체다.

특히 금속 표면에 빛이 닿아 전자가 움직이면 생기는 빈 공간인 '홀' 중에서도 높은 에너지를 가진 핫홀은 광전기화학 반응에 효율을 증폭시킨다.
그러나 핫홀은 보통 1000조분의 1초(펨토초)라는 찰나의 시간 동안 발생했다가 소멸해 실용적인 응용이 되지 못했다.

박정영 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 화학과 석좌교수 연구팀은 이문상 인하대 신소재공학과 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 핫홀 흐름을 증폭시키고 광전류 향상 메커니즘도 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 설계, 핫홀 추출 방향과 동일한 질화갈륨 기판에서는 다른 방향의 질화갈륨 기판보다 핫홀의 흐름 증폭 효과가 약 2배 증가하도록 했다.

또 광전도성 원자힘현미경(pc-AFM) 기반의 광전류 맵핑 시스템을 활용, 나노미터(머리카락 두께의 10만 분의 1) 수준에서 핫홀의 흐름을 실시간 분석했다.
핫홀의 흐름이 주로 금 나노 그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 '핫스팟'에서 강하게 활성화되지만, 질화갈륨 기판의 성장 방향을 바꿈에 따라 핫스팟 이외의 영역에서도 핫홀의 흐름이 활성화되는 현상을 확인했다.

이 연구를 통해 연구진은 빛을 전기 및 화학 에너지로 변환하는 효율적인 방법을 찾았으며, 이를 활용하면 차세대 태양전지, 광촉매, 수소 생산 기술 등이 크게 발전할 수 있다.

박정영 KAIST 석좌교수는 "나노 다이오드기법을 이용해 핫홀의 흐름을 처음으로 제어할 수 있었고, 이는 다양한 광전소자 및 광촉매 응용에 혁신적 기여를 할 수 있을 것"이라면서 "태양광을 이용한 에너지 변환 기술(태양전지, 수소 생성 등), 초소형 광전소자(광센서, 나노 반도체 소자) 개발 등에 응용이 가능하다"고 설명했다.

이현화 KAIST 화학과 박사와 박유진 텍사스 오스틴대 화학공학과 박사후연구원이 제1 저자로, 이문상 인하대학교 신소재공학과 교수와 박정영 KAIST 화학과 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 7일 자로 온라인 게재됐다.
(논문 제목: Reconfiguring hot-hole flux via polarity modulation of p-GaN in plasmonic Schottky architectures)