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빛이 전기로 활발히 전환되는 '핫스폿' 찾았다

- 세계 최초 나노미터 수준에서 핫전자(hot electron) 거동 관찰 -

연구의 교신저자인 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장(오른쪽)과 이현화 연구원
▲ 연구의 교신저자인 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장(오른쪽)과 이현화 연구원

사람들이 많이 몰리는 장소엔 어김없이 무선인터넷 서비스가 제공된다. 이 때문에 본래 '분쟁구역'을 가리키던 말인 핫스폿(hot spot)은 오늘날엔 무선 통신이 가능한 구역이라는 의미로 해석된다. 한편, 10억 분의 1m를 다루는 나노 세계에도 핫스폿이 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 이 핫스폿에서는 다른 구역에 비해 빛이 전기로 활발히 전환된다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수) 연구팀은 세계 최초로 핫전자(hot electron)의 발생 거동을 나노미터 수준에서 관찰하고, 광전변환효율이 가장 좋은 '핫스폿'을 찾아냈다. 빛을 전기에너지로 변환하는 차세대 고효율 에너지전환장치 상용화를 견인할 기술로 주목받고 있다.

연구진이 개발한 광전도 원자간력 현미경의 모습
▲ 연구진이 개발한 광전도 원자간력 현미경의 모습

잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일 듯, 금속 표면에 빛에너지가 전달되면 자유전자는 높은 운동에너지를 가진 전자인 핫전자가 되고, 금속 표면에는 핫전자로 인해 미량의 광(光)전류가 흐른다.

박 부연구단장 팀은 2011년 이 광전류를 모아 전력을 생산할 수 있는 '핫전자 태양전지' 원천기술을 개발한 성과도 올렸다. 핫전자 태양전지는 금속 박막과 반도체로 이뤄진 나노다이오드를 이용해 외부의 빛 에너지를 전기적 신호로 전환하는 장치다.

하지만 당시 기술은 개별 나노다이오드에서 발생하는 핫전자의 거동을 파악하긴 어려웠다. 핫전자가 수 펨토초(1000조 분의 1초)만에 사라져 버리기 때문에 특성을 파악하는 일이 매우 까다로울뿐더러 나노규모에서 일어나는 변화를 파악할 수 있는 장비도 없었기 때문이다.

연구팀은 자체 개발한 '광전도 원자간력 현미경'으로 이 문제를 해결했다. 먼저 연구팀은 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 크기 132nm의 삼각형 모양 금(Au) 나노프리즘을 올린 형태의 '쇼트키 나노다이오드'를 제작했다. 이후 광전도 원자간력 현미경으로 빛(레이저)을 쪼여가며 나노프리즘에서 발생하는 핫전자를 실시간 검출했다.

금 나노프리즘의 제조 과정. 이산화티타늄(TiO2) 기판 위에 폴리스티렌 나노구슬을 차곡하게 배열한 뒤 표면에 금 박막을 씌운다. 이후 폴리스티렌 나노구슬을 제거하면 빈 공간에 삼각형 모양의 금 박막이 생긴 금 나노 프리즘을 얻을 수 있다.
▲ 금 나노프리즘의 제조 과정. 이산화티타늄(TiO2) 기판 위에 폴리스티렌 나노구슬을 차곡하게 배열한 뒤 표면에 금 박막을 씌운다. 이후 폴리스티렌 나노구슬을 제거하면 빈 공간에 삼각형 모양의 금 박막이 생긴 금 나노 프리즘을 얻을 수 있다.

그 결과 나노프리즘의 경계면이 내부에 비해 핫전자가 13배 더 활발히 발생한다는 사실을 밝혔다. 나노프리즘의 경계가 핫전자를 가장 많이 발생시키는 핫스팟이라는 의미다.

이번 연구는 그동안 밝혀지지 않았던 핫전자 발생의 근본적인 메커니즘을 규명했다는 학술적 의미가 있다. 한편, 향후 에너지 산업에의 응용가치도 크다. 쇼트키 나노다이오드 자체를 에너지전환장치로 사용할 수도 있고, 기존 유/무기 태양전지의 후면 금속막을 쇼트키 나노다이오드로 대체하면, 더 넓은 영역대의 빛을 흡수하는 고효율 태양전지 개발이 가능하기 때문이다.

금 나노프리즘의 현미경 이미지. 삼각형 형태의 금 나노프리즘 내부에 비해 경계면에서 핫전자가 13배 활발히 발생한다.
▲ 금 나노프리즘의 현미경 이미지. 삼각형 형태의 금 나노프리즘 내부에 비해 경계면에서 핫전자가 13배 활발히 발생한다.

박정영 부연구단장은 “핫전자 연구는 금속표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸현상을 이해하기 위해 시작된 분야로 앞으로 에너지환경 분야를 폭발적으로 발전시킬 것”이라며 “차세대 에너지전환소자 뿐만 아니라 고효율․고성능 광촉매 개발 등 촉매전자학 분야 연구에도 큰 진전이 될 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

이번 연구성과는 세계적인 학술지 '나노레터스(Nano Letters)' 1월 4일자 온라인 판에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

Center for Nanomaterials and Chemical Reactions (나노물질 및 화학반응 연구단)

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박정영
박정영(Park, Jeong Young) 이메일 보내기 나노물질 및 화학반응 연구단 Publications
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    최종수정일 2019-01-30 19:14