차세대 태양전지·광촉매·수소 생산 기술 발전 기대
KAIST 연구진이 빛을 전기 및 화학 에너지로 변환하는 핵심 요소인 ‘핫홀(hot hole)’의 흐름을 제어하는 기술을 개발하며, 차세대 고효율 광에너지 전환 기술 상용화에 한 걸음 다가섰다. 이번 연구는 태양광 발전, 광촉매, 수소 생산 등 미래 친환경 에너지 기술의 효율을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
핫홀 흐름 증폭 및 실시간 분석 기술 개발
KAIST(총장 이광형) 화학과 박정영 석좌교수 연구팀은 인하대학교 신소재공학과 이문상 교수 연구팀과 공동으로 플라즈모닉 핫홀 흐름을 증폭시키고, 이를 실시간으로 분석하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
연구진은 금속 나노 그물망을 특수 반도체 소재인 p형 질화갈륨(GaN) 기판 위에 배치한 나노 다이오드 구조를 설계했다. 이를 통해 핫홀 추출을 촉진하는 방식으로 흐름을 증폭시켰으며, 질화갈륨 기판의 성장 방향을 조절해 핫홀의 흐름을 기존보다 2배 증가시키는 데 성공했다.
또한, 광전도성 원자힘 현미경(Photoconductive Atomic Force Microscopy, pc-AFM) 기반의 광전류 맵핑 시스템을 활용해 핫홀 흐름을 나노미터 수준에서 실시간으로 분석했다. 연구 결과, 기존에는 핫홀 흐름이 금 나노 구조의 특정 ‘핫스팟’ 영역에서만 활성화됐으나, 질화갈륨 기판의 성장 방향을 조절하자 비핫스팟 영역에서도 핫홀 흐름이 활성화되는 현상이 확인됐다.
차세대 친환경 에너지 기술에 혁신적 기여
이번 연구 성과는 핫홀을 활용한 광전소자 및 광촉매 기술의 효율을 획기적으로 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다. 연구진은 핫홀 흐름 제어 기술을 태양전지 및 광촉매 반응에 적용하면 태양광을 활용한 에너지 변환 기술이 한층 발전할 것으로 전망하고 있다.
KAIST 박정영 교수는 “나노 다이오드 기법을 이용해 핫홀 흐름을 효과적으로 제어할 수 있었으며, 이를 통해 다양한 광전소자 및 광촉매 응용 기술에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또한, “이번 연구에서 개발한 실시간 분석 기술은 초소형 광전소자(광센서, 나노 반도체 소자) 개발에도 활용될 수 있다”고 덧붙였다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 3월 7일자로 온라인 게재됐으며, 연구에는 KAIST 화학과 이현화 박사와 텍사스 오스틴 대학 화학공학과 박유진 박사후연구원이 제1저자로 참여했다. 또한, 인하대학교 신소재공학과 이문상 교수와 KAIST 화학과 박정영 교수가 공동 교신저자로 연구를 이끌었다.
핫홀 기반 에너지 기술의 미래 전망
연구진은 향후 동일 원리를 광촉매 분야에 적용해 보다 효율적인 플라즈모닉 광촉매 기술을 개발하는 데 집중할 계획이다. 이를 통해 빛 에너지를 더욱 효과적으로 활용하여 촉매 반응을 촉진하고, 기존의 광촉매 시스템보다 높은 효율을 구현하는 방향으로 연구를 확장할 예정이다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행되었으며, 지속가능한 에너지원 개발을 위한 차세대 기술로 주목받고 있다. 연구진은 핫홀의 흐름을 조절하는 기술이 향후 태양광 발전, 광촉매, 수소 생산 등의 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.
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