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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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9월 북극항로 첫 시범운항 [부산=뉴스핌] 최영수 선임기자 = 해양수산부가 올해 북극항로 개척에 본격 나선다. 오는 8월 말에서 9월 중 컨테이너선(3000TEU급)을 투입해 시범운항을 실시할 예정이다. 이를 위해 상반기 중 시범운항에 참여할 선사 및 화주를 모집해 선정할 방침이다. ◆ 북극항로 개척 원년…첫 시범운항 주목 김성범 해양수산부 장관직무대행(차관)은 지난 5일 부산청사 해양수산부에서 신년 기자간담회를 열고 이 같은 내용을 포함한 새해 정책방향을 제시했다. 그는 "오는 9월 전후에 시범운항을 할 수 있도록 준비하고 있다"면서 "3000TEU급 컨테이너선을 투입할 예정"이라고 밝혔다. 이어 "3000TEU급 컨테이너선이 대형에 비하면 작다고 할 수 있지만, 크기는 중요하지 않다"면서 "중국이 지난해 운항한 선박도 4000TEU급 수준"이라고 설명했다. 김성범 해양수산부 장관직무대행(차관)이 지난 5일 부산청사 해양수산부에서 신년 기자간담회를 열고 새해 정책방향을 설명하고 있다. [사진=해양수산부] 2026.01.06 dream@newspim.com 김 대행은 "시범운항을 위해 올해 상반기 중에는 선사와 화주를 선정할 예정"이라면서 "시범운항이라는 면에서 여러 가지 인센티브를 제공할 방침"이라고 밝혔다. 다만 "선사가 선정되면 선사가 희망하는 게 있기 때문에 이를 반영해서 잘 결정하겠다"고 덧붙였다. 부산신청사 건립과 관련해서는 "내년 예산에 (신청사)설계비를 반영할 예정"이라면서 "내년부터 구체적인 (청사 건립)절차를 시작할 계획"이라고 밝혔다. UN해양총회 개최지와 관련해서는 "개최도시 선정은 UN과도 협의해야 할 사항"이라면서 "(유치에)관심 있는 도시들과 협의해서 결정하겠다"고 설명했다. ◆ 부산해양수도 조성 첫발…유관기관 모으기 가속 김 대행은 지난 5일 부산청사에서 열린 해수부 시무식에서 신년사를 통해 "북극항로 시대에 대비한 동남권 대도약을 실현하겠다"고 제시했다. 이를 위해 해양수산분야 유관기관을 부산으로 모으는 작업이 본격화될 전망이다. 해수부 산하기관들도 올해 부산 이전이 본격화될 것으로 보인다.  김 대행은 "기업, 공공기관, 해사법원, 동남권투자공사 등이 집적화된 해양클러스터 조성을 추진해 나가겠다"면서 "부산항을 세계 최대 규모의 항만으로 개발하고, 터미널 운영 효율화와 종합 항만서비스 제공을 통해 글로벌 물류 요충지로 성장시키겠다"고 다짐했다. 이어 "북극항로 시대에 대비한 동남권 대도약을 실현하겠다"면서 "부산에서 로테르담까지 북극항로 시범운항을 추진하고 해양수도권 육성전략을 조속히 수립하겠다"고 강조했다. 2026년 해양수산부 업무계획 [자료=해양수산부] 2025.12.23 dream@newspim.com dream@newspim.com 2026-01-06 11:00
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  • 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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