[7]빛 에너지를 다른 에너지로 변환하는 데 필요한 ‘핫홀(hot hole)’을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술을 개발 국내연구진 쾌거

빛 에너지를 다른 에너지로 변환하는 데 필요한 ‘핫홀(hot hole)’을 더 오래 유지하고 흐름을 증폭시키는 기술 개발 – 국내 기술진 쾌거

최근 국내 연구진이 빛 에너지를 보다 효율적으로 변환하는 데 필수적인 ‘핫홀(hot hole)’을 장시간 유지하고 흐름을 증폭시키는 획기적인 기술을 개발하는 데 성공했다. 이는 차세대 태양광 발전, 광촉매 반응, 광전소자 등 다양한 분야에서 빛 에너지를 보다 효과적으로 활용할 수 있는 중요한 돌파구가 될 것으로 기대된다.

핫홀은 태양광이나 기타 빛 에너지가 특정 물질에 흡수될 때 생성되는 고에너지 정공(high-energy hole)이다. 일반적으로 전자는 높은 에너지를 가진 상태(핫 전자)에서 비교적 오래 유지될 수 있지만, 핫홀은 수십~수백 페로초(femtosecond, 10⁻¹⁵초) 내에 빠르게 에너지를 잃고 안정한 상태로 전이되는 경향이 있다. 따라서 핫홀을 보다 장시간 유지하면서 원하는 방향으로 흐름을 증폭시키는 것이 빛 에너지 변환 효율을 극대화하는 핵심 기술로 여겨져 왔다.

국내 연구진은 나노 구조 및 소재 공학을 기반으로 핫홀의 에너지 손실을 최소화하고, 흐름을 증폭시킬 수 있는 새로운 전략을 개발했다. 이번 연구 성과는 기존 광전소자 및 광촉매 반응 시스템의 근본적인 한계를 극복할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다.

1) 핫홀 수명 연장 및 흐름 증폭을 위한 핵심 기술

핫홀을 보다 효과적으로 활용하기 위해 국내 연구진이 개발한 기술은 크게 두 가지 방향에서 접근하고 있다.

첫째, 핫홀의 자연적인 에너지 손실을 최소화하여 장시간 유지하는 방법이다. 이를 위해 연구진은 새로운 물질 조합과 나노 구조 설계를 통해 핫홀의 비열평형(non-equilibrium) 상태를 안정적으로 유지할 수 있도록 했다.

둘째, 핫홀의 이동성을 극대화하여 흐름을 증폭하는 방법이다. 특정한 계면 구조 및 전기장 제어 기술을 적용하여 핫홀이 원하는 방향으로 효율적으로 이동할 수 있도록 설계했다.

이러한 기술적 접근을 통해 연구진은 기존의 핫홀 소멸 시간을 획기적으로 연장하는 동시에, 핫홀이 보다 효과적으로 이동할 수 있도록 함으로써 빛 에너지 변환 효율을 크게 향상시키는 데 성공했다.

1. 핫홀의 수명 연장을 위한 나노구조 및 소재 기술

핫홀이 빠르게 에너지를 잃지 않도록 하기 위해 연구진은 반도체와 금속 간의 정밀한 이종 접합(heterojunction) 구조를 활용했다.

금 나노입자(Au NP) – 산화아연(ZnO) 접합 구조: 금속 나노입자는 강한 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 효과를 통해 핫홀의 수명을 연장하는 데 도움을 줄 수 있다. 연구진은 금 나노입자와 산화아연 반도체를 결합하여 핫홀의 빠른 재결합을 억제하고, 보다 장시간 유지될 수 있도록 했다.

이온 도핑 기술(Ion Doping) 적용: 특정 원소를 반도체에 도핑하여 핫홀의 이동 경로를 조절하는 방식도 적용되었다. 연구에 따르면, 질소(N) 또는 황(S)을 도핑한 산화물 반도체는 핫홀의 수명을 연장하는 데 효과적일 수 있다.

이황화몰리브덴(MoS₂) 및 흑린(Black Phosphorus) 같은 2D 물질 활용: 그래핀과 유사한 구조를 가진 2D 물질을 활용하면, 핫홀의 빠른 재결합을 방지하고 보다 높은 이동성을 제공할 수 있다. 연구진은 이러한 나노소재를 적용하여 핫홀의 수명을 연장하는 데 성공했다.


2. 핫홀의 흐름 증폭을 위한 전기장 및 계면 제어 기술

핫홀의 흐름을 극대화하기 위해 연구진은 전기장 및 계면 특성을 정밀하게 조절하는 방법을 적용했다.

강한 전기장을 이용한 핫홀 흐름 제어: 특정한 전압을 인가하여 핫홀이 원하는 방향으로 빠르게 이동할 수 있도록 유도하는 기술이 적용되었다. 이를 통해 핫홀의 흐름이 증폭되면서 빛 에너지 변환 효율이 크게 향상되었다.

표면 플라스몬 공명(SPR) 효과 활용: 금(Au) 또는 은(Ag) 나노구조를 활용하여 특정 파장의 빛을 흡수했을 때 핫홀의 이동성이 증가하는 효과를 유도했다. 연구진은 이러한 나노구조를 정밀하게 설계하여 핫홀의 흐름을 더욱 원활하게 만들었다.

계면 엔지니어링을 통한 이동 최적화: 핫홀이 특정 계면에서 포획되지 않고 원활하게 이동할 수 있도록 물질 간 계면 특성을 조절하는 연구도 진행되었다. 연구진은 금속-산화물 접합부의 계면을 나노미터(nm) 단위로 조정하여 핫홀의 이동 저항을 낮추는 데 성공했다.


2) 연구 성과 및 향후 전망

이번 연구를 통해 국내 연구진은 핫홀의 수명을 나노초(ns) 수준까지 연장하는 데 성공했으며, 특정 반응에서 핫홀을 선택적으로 활용할 수 있는 기술을 구현했다. 이는 기존 태양전지 및 광촉매 반응의 효율을 크게 개선할 수 있는 핵심 기술로 평가받고 있다.

향후 연구에서는 이 기술을 대면적 공정에 적용하여 상용화 가능성을 높이는 것이 목표다. 또한, 핫홀을 이용한 광촉매 반응을 활용하여 물 분해(Water Splitting)를 통한 수소 생산, 이산화탄소(CO₂) 전환 반응 등 친환경 에너지 기술에도 적용할 계획이다.

핫홀을 효과적으로 제어하는 기술은 빛 에너지를 보다 효율적으로 변환하는 데 중요한 역할을 하며, 이는 지속 가능한 에너지 개발 및 탄소 저감 기술에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 국내 연구진이 세계적인 광전자 및 에너지 변환 기술 분야에서 선도적인 위치를 차지할 수 있는 중요한 발판이 될 것으로 보인다.