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빛을 전기로, 에너지전환 핵심, 핫홀을 잡다
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. 한국 연구진이 핫홀을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술을 개발하면서 차세대 고효율 광에너지 전환 기술의 상용화를 앞당기는 성과를 거두었다.
우리 대학 화학과 박정영 석좌교수 연구팀은 인하대 신소재공학과 이문상 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 핫홀(hot hole) 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.
또한, 광전도성 원자힘 현미경(Photoconductive Atomic Force Microscopy, pc-AFM) 기반의 광전류 맵핑 시스템을 활용해 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 성장방향을 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 것으로 기대된다.
박정영 교수는 “나노 다이오드기법을 이용하여 핫홀의 흐름을 처음으로 제어할 수 있었고 이를 이용하여 다양한 광전소자 및 광촉매 응용에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것이다. 예를 들면 태양광을 이용한 에너지 변환 기술(태양전지, 수소 생성 등)에 획기적인 발전을 기대할 수 있으며 실시간 분석 기술을 개발하여 초소형 광전소자(광센서, 나노 반도체 소자) 개발에 응용이 가능”하다고 말했다.
화학과 이현화 박사와 텍사스 오스틴 대학 화학공학과 박유진 박사후연구원이 제1 저자로, 인하대학교 신소재공학과 이문상 교수와 KAIST 화학과 박정영 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구성과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 3월 7일 자로 온라인 게재됐다.
(논문 제목: Reconfiguring hot-hole flux via polarity modulation of p-GaN in plasmonic Schottky architectures)
DOI : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu0086
한편, 이 연구과제는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받았다.
2025.03.12 조회수 1035 -
오지훈 교수, 이산화탄소 90%이상 분해 가능한 광전극 구조 개발
우리 대학 EEWS 대학원 오지훈 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘(Silicon) 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다.
광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 많은 주목을 받고 있다. 연구팀이 개발한 기술은 이를 위한 반도체 광전극 구조의 기본 틀을 제공할 것으로 기대된다.
송준태 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.
안정적인 이산화탄소를 환원시키기 위해서는 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그 중 금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다.
그러나 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 또한 가격이 비싸기 때문에 사용량도 조절을 해야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는 데 성공했다. 금을 박막형태로 기판 재료에 증착해 이를 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.
높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작됐다면 연구팀의 박막은 약 5만 배 정도 얇은 200나노미터 수준으로서 금 기반 촉매의 제작비용을 최소화했다.
나아가 연구팀은 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 주게 된다.
따라서 연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.
제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능하다.
오 교수는 “다양한 반도체 및 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것이다”며 “다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있을 것이다”고 말했다.
1저자인 송준태 박사는 “발상의 전환을 통해 매우 간단하지만 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발했고, 이를 통해 효율적인 이산화탄소 환원이 가능해졌다”며 “생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음이다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 정성윤 교수가 공동으로 참여했고 한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 논문 이미지
그림2. 실리콘 광전극 모식도 및 전자현미경 사진
그림3. 제작된 광전극의 광전기화학적 이산화탄소 특성
2017.02.24 조회수 21278