[미리보는 '금요일에 과학터치'] 이상한 전자를 이용한 에너지 소자 만들기

에너지 고갈과 지구 온난화에 따른 결과로 그린랜드의 빙하가 녹아 협곡이 생긴 모습. 카이스트 박정영 교수 제공

에너지와 물의 부족, 온난화를 포함한 이상 기후 현상 등은 현재 인류가 당면한 가장 중대한 문제 중의 하나다. 이러한 시대적인 요구에 따라 현재 녹색 에너지의 개발과 지속가능성이라는 주제에 대해 전 세계적으로 폭발적인 연구가 이뤄지고 있다.

나노기술을 이용한 새로운 청정 에너지원의 개발은 국내외에서 집중적인 관심을 받고 있는 분야다. 이러한 여러 가지 청정 에너지 중 솔라셀을 이용한 태양에너지의 전기에너지화 또는 광촉매 과정을 이용한 화학적 에너지의 전환은 탄소 배출이 없는 차세대 에너지원으로 각광을 받고 있다.

카이스트 EEWS 대학원의 박정영 교수 연구팀은 표면과학 및 촉매 연구단을 이끌면서 '핫전자의 물리 및 화학'에 대한 연구를 수행하고 있다. 박 교수팀은 2011년 처음으로 핫전자 금속태양전지를 개발해 '2011 이달의 과학기술자상'을 수상하고 '2012 정부연구개발 우수성과'(국가과학기술위원회), '2012 기초연구 우수성과'(한국연구재단)에 선정됐다. 또한 2012년 다양한 표면분석을 이용한 그래핀 등의 에너지 소재 및 나노촉매 분석연구를 수행해왔고 이를 세계적인 연구학술지 사이언스 등에 게재했다.

이번 강연에서는 에너지가 표면에 전달되면서 생성되는 이상한 전자(핫전자)에 의해 태양에너지 또는 화학에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있다는 새로운 연구 결과를 소개한다. 이러한 핫전자에 의한 에너지 전환은 나노 다이오드라는 금속과 반도체로 이루어진 전기소자를 통해서 이뤄진다.

강연에서는 먼저 다이오드를 포함한 소자의 작동원리를 보여주고, 나노 다이오드의 구성과 원리에 대해 설명한다. 나노 다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이뤄지며 태양에너지가 금속 표면에 흡수되면 핫전자가 표면에 발생해 두 물질 사이의 에너지 장벽을 넘어 광전류가 발생한다. 이는 기존의 유기와 무기 반도체 위주의 태양전지와는 차별화되는 것으로 금속에 흡수되는 빛에 의해 발생하는 핫전자를 나노 다이오드를 통해 검출, 에너지로 변환하는 과정이다.

금속 박막층이 열처리를 통해 나노 크기의 구조물이 되면 금속 표면에서 표면 플라즈몬이 생성되고 이는 가시광선 영역의 파장대에서 빛을 더욱 효율적으로 흡수해 광전류의 원천인 핫전자 생성을 증폭시키는 역할을 한다. 이번 강연에선 이러한 나노 다이오드 위에서 발생하는 핫전자에 의해 화학에너지가 전기에너지로 변화하는 과정 역시 설명할 것이다.

기존의 대표적인 광에너지 전환시스템인 실리콘 기반의 태양전지는 광에너지 전환 효율을 높이는 것을 목표로 고순도의 재료와 광흡수 효율에 최적인 밴드갭을 얻기 위해 공정의 대부분을 재료에 의존했다. 하지만 재료에만 의존하는 것은 한계가 있다. 표면 플라즈몬과 핫전자 생성의 관계는 재료에 의존하는 것이 아니라 두 물질 간 빛의 상호작용을 이용하는 것으로 획기적이고 창의적인 광에너지 전환의 원리라 할 수 있다.

나노 다이오드에서 표면 플라즈몬은 핫전자나 흐름을 증폭시켜 에너지 전환 효율을 향상시킬 수 있다. 또 나노 다이오드의 다른 금속과 반도체 물질을 사용함으로써 에너지 장벽을 조절, 다양한 에너지 영역의 빛을 흡수해 고효율 태양전지의 개발을 가능케 한다. 이 연구의 가치는 기초 과학 현상을 규명함으로써 태양전지뿐만 아니라 다양한 에너지 소자에 응용가능하다는 점에 있다.