국내 연구진이 나노구조의 광학적 설계를 통해 반도체 물질인 광전극의 친환경 수소에너지 생산 효율을 향상할 수 있음을 확인했다.

8일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀이 질화갈륨(Gallium Nitride) 광전극의 기하학적 형태(원뿔의 비율, 주기, 지름 및 높이)에 따라 빛의 흡수율과 흡수 깊이가 달라지는 특성을 가진다는 사실을 밝히고 원뿔대의 나노구조가 효율적인 수소생산을 위해 가장 적합한 구조임을 밝혔다.

효율적인 수소생산을 위해서는 발생한 전하들이 광전극과 전해질 사이의 계면으로 전달되는 것이 중요하다.

기존 광전극 물질은 높은 굴절률 특징을 갖고 있어 반도체 표면에서 빛의 반사로 인해 전하의 형성을 방해하기 때문에 나노 구조 도입을 통해 빛을 효율적으로 흡수하고 집광할 수 있는 광학 구조의 설계가 필요하다.

이번 연구는 원기둥, 원뿔대, 원뿔의 세 가지 구조에서 원뿔대 구조가 광전극 효율 향상을 위한 최적 구조임을 밝혔다.

원뿔대와 원뿔 나노구조의 경우 구조물이 표면에서부터 서서히 기울어지는 형태로 되어 있어 굴절률이 표면에서 점점 증가하게 된다.

빛의 반사는 매질 간의 굴절률 차에서 기인하기 때문에 빛의 반사를 줄여 흡수를 향상할 수 있다.

원뿔대 나노구조는 나노 구조 중앙에 빛이 집광되며 원뿔 나노구조에서의 빛은 질화갈륨 깊숙이 흡수된다.

생성된 전하들은 제한된 이동 거리를 갖고 있어, 전해질과 가까운 나노 구조로 빛이 집광 될수록 유리하다.

송영민 교수는 "이번 연구는 값비싼 리소그래피 공정을 이용하지 않고 광전극을 제작할 수 있으며 대면적 공정 또한 가능하다는 데에 의의가 있다. 제작된 질화갈륨 나노구조의 흡수율 향상을 확인했으며 광전류 밀도는 기존 구조대비 3배가량 증가함이 확인됐다"고 말했다.

이어 "향후 태양광 물분해 소자에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다.

송 교수가 주도하고 신소재공학부 이상한 교수의 참여 및 김영재 박사과정(제1저자)이 수행한 이번 연구는 지난달 29일 국제학술지인 에이씨에스 어플라이드 머트리얼 앤 인터페이스(ACS Materials and Interfaces, IF=8.097)에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

<저작권자 © 전파신문, 무단 전재 및 재배포 금지>