장재원 부경대 교수 "고효율 광촉매 개발 적용 기대"
(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국연구재단은 장재원 부경대 교수 연구팀이 나노선 금속-반도체 경계면에 빛을 쬐었을 때 전자가 양방향으로 이동하는 과정을 직접 관측했다고 27일 밝혔다.
반도체 나노선은 일반적인 벌크 박막(bulk film) 형태 반도체보다 뛰어난 빛 흡수능력을 보인다. 차세대 에너지 소자로 주목받는 이유다.
다만 빛을 받아들여 화학 반응을 촉진하는 광촉매나 빛에 의해 생기는 광 전기 성능이 낮다.
한계는 금속 나노 입자를 활용해 메운다.
예컨대 은 나노 입자처럼 금속 크기가 극히 작아지면 그 입자는 빛을 흡수할 수 있는 능력을 갖춘다.
'국소적 표면 플라즈몬 공명'(LSPR·localized surface plasmon resonance)이라고 부르는 이 현상을 반도체 나노선(또는 반도체 나노구조)에 접목하면 낮은 광촉매·광 전기 성능을 향상할 수 있다.
왜 그렇게 되는지는 지난 20년간 학계 연구 과제였다.
금속 나노 입자에 의한 반도체 나노선 광촉매·광 전기 성능 향상 원리를 규명하고자 연구자들이 꾸준히 이 사안을 다뤘다.
그러나 전자이동 방향에 대한 상충하는 이론이 존재하는 등 아직도 명확히 밝혀지지는 못했다고 연구재단 측은 설명했다.
해당 메커니즘을 확인하기 위해선 나노선 금속-반도체 경계면에서 발생하는 전하와 에너지 이동의 직접적인 관측 연구가 필요했다.
장 교수 연구팀 성과는 이 부분에 있다.
연구팀은 나노 입자를 폴리피롤 반도체 나노선에 흡착시키고서 그 경계면에 빛을 쬐었을 때 전자가 양방향으로 이동하는 것을 주사 탐침 현미경 기법으로 확인했다.
전자가 은 나노 입자에서 폴리피롤 나노선 방향으로 이동한 것은 LSPR 현상으로 설명된다.
동시에 전자가 반대 방향으로 이동하는 건 은과 폴리피롤 일함수(전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소 에너지) 차이로 에너지 밴드가 아래쪽으로 휘기 때문이라고 연구팀은 설명했다.
장재원 교수는 "상충하는 전자이동 메커니즘에 대한 실마리를 제안하는 한편 직접적인 전자이동 관측을 통해 새로운 반도체 나노선 소자 광촉매·광 전기 성능 체제를 규명한 것"이라며 "이 원리를 바탕으로 고효율 광촉매 개발이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.
연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)과 국제화 기반조성사업 지원으로 수행했다.
성과를 담은 논문은 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 지난달 15일 자에 실렸다.
walden@yna.co.kr
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