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국내 연구팀이 빛을 전기로 바꾸는 에너지 전환 과정의 핵심인 '핫홀(hot hole)' 흐름을 2배 증폭시키는 기술을 개발했다. 핫홀은 금속 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 발생하는 고에너지 정공이다. 태양광 발전과 수소 생산 등 친환경 에너지 기술의 효율을 결정짓는 중요한 요소로 알려졌다.

KAIST 화학과 박정영 석좌교수와 인하대 신소재공학과 이문상 교수 연구팀은 특수한 반도체 소재인 p형 질화갈륨(p-GaN) 기판의 결정 방향을 제어해 핫홀 흐름을 증폭시키고, 이를 나노미터(1m의 10억 분의 1) 수준에서 실시간으로 분석하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

연구팀은 금 나노 그물망을 서로 다른 결정방향의 p-GaN 기판 위에 배치한 나노 다이오드 구조를 제작했다. 이 과정에서 핫홀 추출 방향과 동일한 방향의 질화갈륨 기판을 사용했을 때, 다른 면보다 핫홀 흐름이 약 2배 증가하는 현상을 확인했다.

또한 광전도성 원자힘 현미경(pc-AFM)을 활용해 나노미터 수준에서 핫홀의 흐름을 실시간으로 관찰했다. 이를 통해 핫홀이 주로 금 나노 그물망에 빛이 집중되는 '핫스팟'에서 활성화될 뿐 아니라, 질화갈륨 기판의 결정 방향을 바꿈으로써 핫스팟 이외 영역에서도 핫홀 흐름이 활성화되는 현상을 규명했다.

이번 연구의 근간은 질화갈륨의 독특한 결정 구조에 있다. 연구팀은 질화갈륨 결정의 성장 방향에 따라 발생하는 자발적 분극(spontaneous polarization) 현상에 주목했다. 질화갈륨은성장 형태에 따라 강한 분극 특성을 보일 수도, 보이지 않을 수도 있다.

연구팀은 분극성이 핫홀 추출 방향과 일치할 때 효율이 향상된다는 사실을 발견했다. 연구팀의 실험 결과 분극 특성이 나타나는 질화갈륨 기판을 사용했을 때 광전 변환 효율이 그렇지 않은 기판보다 2.03배 높게 나타났다.

이번 연구에 대해 금속 나노 구조체와 반도체 기판 간의 계면 특성을 제어함으로써 빛에너지 변환 효율을 높이는 새로운 접근법을 제시했다는 목소리가 나온다.연구 성과는 차세대 태양전지, 광촉매, 수소 생산 기술 등 다양한 친환경 에너지 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

박정영 교수는 "나노 다이오드 기법을 이용해 핫홀 흐름을 처음으로 제어할 수 있었다"며 "이를 이용하여 태양광을 이용한 에너지 변환 기술에 획기적인 발전을 기대할 수 있으며, 실시간 분석 기술을 통해 초소형 광전소자 개발에도 응용이 가능할 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 3월 7일 게재됐다.

육지훈 기자 editor@popsci.co.kr