'빛이 전기로' 핫스팟 국내 연구진이 찾았다
'빛이 전기로' 핫스팟 국내 연구진이 찾았다
  • 문현식
  • 승인 2019.01.26 07:45
  • 조회수 4191
  • 댓글 0
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금 나노프리즘 현미경 이미지. 출처: 기초과학연구원
금 나노프리즘 현미경 이미지. 출처: 기초과학연구원

TV 브라운관을 보면 전기의 신호를 빛의 신호로 바꿔주는 형광체가 있습니다. 덕분에 우리는 전기 코드를 꼽아서 TV 화면을 볼 수 있죠. 반대로 디지털카메라는 빛의 상(像)을 전기의 신호로 바꾸어 줍니다. 덕분에 디지털카메라를 통해서 우리는 촬영한 사진을 디지털 이미지로 볼 수 있습니다.

 

이처럼 빛 신호와 전기 신호는 서로 변환이 될 수 있습니다. 이때 관건은 손실을 최소화하고 얼마나 변환이 잘 되느냐, 즉 변환 효율인데요. 국내 연구진이 빛이 전기로 활발히 전환되는 '핫스팟'을 찾았다는 소식입니다.

 

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단은 "핫전자(hot electron)의 발생 거동을 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 수준에서 세계 최초로 관찰하고, 광전변환효율이 가장 좋은 '핫스팟'을 찾아냈다"고 밝혔습니다. 핫전자는 외부 에너지가 촉매 같은 물질 표면에 전달될 때 1∼3 전자볼트 에너지를 갖는 전자를 의미합니다.

 

금 나노프리즘 제조 과정. 출처: 기초과학연구원
금 나노프리즘 제조 과정. 출처: 기초과학연구원

잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일어나는 것처럼, 금속 표면에 빛에너지가 전달되면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하게 됩니다. 이를 표면 플라즈몬 공명 현상이라고 하는데요, 이러한 과정에서 자유전자는 높은 운동에너지를 가진 전자인 핫전자가 되고, 금속 표면에는 핫전자로 인해 미량의 광(光)전류가 흐르게 됩니다.

 

지금까지 핫전자의 움직임을 파악하기는 매우 어려웠습니다. 핫전자가 수 펨토초(1,000조 분의 1초) 만에 사라져 버리기 때문입니다. 하지만 기초과학연구원 연구진은 자체 개발한 광전도 원자간력 현미경으로 핫전자의 움직임을 파악할 수 있었다고 합니다. 

 

연구진은 이산화타이타늄 박막 위에 132㎚ 크기 삼각형 모양 금 나노 프리즘을 올린 형태의 나노 다이오드를 만들었습니다. 이후 광전도 원자간력 현미경으로 빛(레이저)을 쪼여가며 나노 프리즘에서 발생하는 핫전자를 실시간 검출하는 데 성공했습니다.

 

금 나노프리즘 경계면에서의 핫전자 움직임. 출처: 기초과학연구원
금 나노프리즘 경계면에서의 핫전자 움직임. 출처: 기초과학연구원

연구팀은 또 나노 프리즘 표면에 특정 파장의 빛을 쐈을 때 핫전자가 가장 많이 검출된다는 사실도 알아낼 수 있었습니다. 나노 프리즘의 경우 532㎚ 빛을 쪼였을 때보다 640㎚ 빛을 쪼였을 때 2.6배 많은 광전류가 발생했다고 합니다. 이밖에 핫전자는 나노 프리즘 내부보다 경계면에서 13배 더 활발히 발생한다는 사실을 규명한 것도 연구진의 성과 중 하나입니다.

 

박정영 기초과학연구원 나노물질 및 화학반응연구단 부연구단장은 "핫전자 연구는 금속표면에서 일어나는 화학반응과 에너지 소멸 현상을 이해하기 위해 시작됐다"며 "앞으로 차세대 에너지전환소자 뿐만 아니라 고효율 고성능 광촉매 개발 등 촉매전자학 분야 연구에서 큰 진전을 기대한다"고 말했습니다. 이번 연구 성과는 국제학술지 <나노레터스> 온라인판에 게재됐습니다.
 


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