KAIST 양찬호 교수, 휘어진 구조 광전기효과 증폭현상 발견·원인 규명

(대전) 이주영 기자 = 국내 연구진이 태양광 소자 물질의 내부구조가 휘어지면 빛을 받을 때 전기가 만들어지는 광전기효과가 100배 증폭된다는 사실을 처음으로 발견하고 그 원인을 밝혀냈다.

한국과학기술원(KAIST·총장 강성모) 물리학과 양찬호 교수 연구팀은 16일 P형-N형 반도체 접합 등 두 개 이상의 물질을 이용해 광전기효과를 일으키는 기존 태양광 소자와 달리 단일 물질에서 내부구조가 휘어지는 변형이 생길 때 광전기효과가 100배 증가하는 현상을 발견, 그 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology, 8월 31일자) 온라인판에 게재됐다.

격자구조가 휘거나 찌그러진 영역(좌측 초록색 구조와 우측 주황색 구조 사이의 보라색 계면영역)에 빛을 쪼이면 증폭된 광전기효과를 얻을 수 있다. 이는 물질의 휘어짐에 의해 생성되는 플렉소전기장이 빛에 의해 생성된 전자와 양전하 쌍을 재결합 전에 분리하기 때문이다.

양 교수팀은 그러나 비스무트철산화물(BiFeO₃)을 얇은 막으로 만들면 내부구조에 휘어지는 구역이 생기고, 이 변형 구역에서 두 가지 이상 물질을 이용한 광소자의 경계면에서와같이 광전기효과가 일어난다는 사실을 발견했다.

또 수십나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 영역에서는 정상 구조의 물질보다 광전기효과가 100배 강하게 나타난다는 사실도 확인했다.

연구진은 광전기효과 증폭 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있다며 빛을 받으면 원자에 묶여 있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 됐다가 일반적으로는 원자에 다시 속박되지만 물질이 휘어진 구간에서는 전기장이 강하게 발생해 전자가 원자의 속박에서 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있다고 설명했다.

연구진은 또 이 연구는 P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인한 것으로 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔히 있기 때문에 이 연구가 작은 나노소자 연구와 더 효율적인 광전기소자 제작에 활용될 수 있을 것이라고 덧붙였다.

양찬호 교수는 "이 연구는 휘어진 정도가 클 경우 물질 안에 전기장이 유도되는 플렉소전기현상의 비선형 움직임이 중요함을 제안했다"며 "이런 비선형 거동은 전기기계적 성질의 계보를 잇는 새로운 현상으로 학술적 가치가 높다"고 말했다.

scitech@yna.co.kr

[경제] "광소자 내부구조 휘어지면 광전기효과 100배 증가"

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