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빛이 전기로 활발히 전환되는‘핫스팟’ 찾았다

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나노미터 수준서 핫전자(hot electron) 거동 관찰
IBS “고효율 에너지 소자 응용 기대”

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장 연구팀은 세계 최초로 핫전자의 발생 거동을 나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m) 수준에서 관찰하고 광전변환효율이 가장 좋은 ‘핫스팟’을 찾아냈다고 23일 밝혔다.

빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 차세대 고효율 에너지전환장치 상용화를 견인할 것으로 기대된다.

연구결과는 세계적인 학술지 나노레터스(Nano Letters) 온라인판에 지난 4일 게재됐다.

연구진에 따르면 잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일 듯, 금속 표면에 빛에너지가 전달되면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타난다.

이 과정에서 자유전자는 높은 운동에너지를 가진 전자인 핫전자(hot electron)가 되고, 금속 표면에는 핫전자로 인해 미량의 광(光)전류가 흐른다.

(그림) 금 나노프리즘의 제조 과정 : 이산화티타늄(TiO2) 기판 위에 폴리스티렌 나노구슬을 차곡하게 배열한 뒤 표면에 금(Au) 박막을 씌운다. 이후 폴리스티렌 나노구슬을 제거하면, 빈 공간에 삼각형 모양의 금 박막이 생긴 금 나노프리즘을 얻을 수 있다. 2019.01.23. [자료=IBS]

금속-반도체 접합 나노 다이오드(쇼트키 나노다이오드)는 이런 특성을 활용해 외부의 빛 및 화학에너지를 전기적 신호로 전환하는 장치다. 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 핫전자 발생이 증폭된다는 사실은 이미 알려졌다.

하지만 지금까지는 여러 개의 나노다이오드에서 발생하는 핫전자의 거동을 평균적으로 파악할 뿐, 개별 쇼트키 나노다이오드에서 발생하는 핫전자의 거동을 파악하긴 어려웠다.

핫전자가 수 펨토초(1000조 분의 1초) 만에 사라져 버리기 때문에 특성을 파악하는 일이 매우 까다로울뿐더러 나노 규모에서 일어나는 변화를 파악할 수 있는 장비도 없었기 때문이다.

연구팀은 자체 개발한 광전도 원자간력 현미경으로 이 문제를 해결했다.

먼저 연구팀은 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 크기 132나노미터의 삼각형 모양 금(Au) 나노프리즘을 올린 형태의 쇼트키 나노다이오드를 제작했다. 이후 광전도 원자간력 현미경으로 빛(레이저)을 쪼여가며 나노프리즘에서 발생하는 핫전자를 실시간 검출했다.

레이저의 파장을 변화시켜가며 조사한 결과, 나노프리즘 표면의 플라즈몬 공명과 일치하는 파장의 빛을 조사했을 때 핫전자가 가장 많이 검출됨을 확인했다.

이번 연구에 사용된 나노프리즘의 경우 640나노미터의 빛을 쪼였을 때, 532나노미터의 빛을 쪼였을 때에 비해 2.6배 많은 광전류가 검출됐다. 또한 나노프리즘의 경계면이 내부에 비해 핫전자가 13배 더 활발히 발생한다는 사실도 밝혔다. 나노프리즘의 경계가 핫전자를 가장 많이 발생시키는 핫스팟이라는 의미다.

이번 연구는 그 동안 밝혀지지 않았던 핫전자 발생의 근본적인 메커니즘을 규명했다는 의미가 있다. 핫전자 기반의 나노다이오드를 통해 표면 플라즈몬과 광전류 사이 상관관계를 직접적으로 규명했기 때문이다.

특이 이번 연구는 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 가능하다.

연구팀은 나노프리즘의 종류와 형태를 바꿔가며 가장 높은 광전변환효율을 얻을 수 있는 최적의 설계를 찾아나갈 계획이다.

박정영 부연구단장은 “핫전자 연구는 금속표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸현상을 이해하기 위해 시작된 것으로 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.

 

kimys@newspim.com

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이란, 호르무즈 통과 '사전 승인제' [워싱턴=뉴스핌] 박정우 특파원 = 이란이 세계 주요 원유 수송로인 호르무즈 해협을 통과하는 선박에 대해 사전 승인 절차를 요구하는 새로운 관리 체계를 도입했다. 5일(현지시간) 월스트리트저널(WSJ)은 이란 국영 매체를 인용해 이란 당국이 최근 '페르시아만 해협 당국(Persian Gulf Strait Authority)'이라는 명칭의 기구를 신설하고 해협 통과 선박에 대한 규제 지침을 마련했다고 보도했다. 해당 체계에 따라 호르무즈 해협을 통과하려는 선박은 사전에 이란 당국의 승인을 받아야 하며, 지정된 공식 이메일을 통해 항행 관련 지침을 전달받게 된다. 이란 측은 모든 선박이 새 규정을 준수해야 한다고 강조하며, 이를 따르지 않을 경우 통과가 제한될 수 있음을 시사했다. 다만 구체적인 승인 절차나 적용 범위에 대한 상세 내용은 공개되지 않았다. 이번 조치는 호르무즈 해협에 대한 이란의 통제력을 강화하려는 전략의 일환으로 해석된다. 호르무즈 해협은 전 세계 해상 원유 수송량의 약 20%가 통과하는 핵심 수로로, 중동 지역 긴장이 고조될 때마다 글로벌 에너지 시장의 주요 변수로 작용해왔다. 특히 최근 미국 주도의 해상 안전 확보 노력과 맞물리면서 긴장이 더욱 고조되는 양상이다. 미 중부사령부(CENTCOM)는 기뢰 위협 속에서도 해협 내 안전 항로를 확보했다고 밝힌 바 있으며, 이는 이란의 영향력 확대 시도와 맞물려 해상 통제권을 둘러싼 신경전이 지속되고 있음을 보여준다는 지적이다. 이란의 이번 조치는 국제 해상 교통의 자유 원칙과 충돌할 가능성이 있는 만큼, 향후 관련국 간 외교적 마찰로 이어질 수 있어 주목된다다. 여기다 실제로 선박 운항에 제약이 발생할 경우 국제 유가와 보험료 상승 등 경제적 파급 효과도 배제할 수 없다고 WSJ은 내다봤다. 2026년 5월4일(현지시간) 이란 반다르 아바스 인근 호즈무즈 해협에 선박이 정박해 있다. [사진=로이터 뉴스핌] dczoomin@newspim.com 2026-05-06 04:54
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
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