물질 휘어질 때 광전기 효과 증폭된다

카이스트, 광전기 효과 증폭 원인 규명

▲물질이 휘어질 때 광전기 효과가 발생함을 나타낸 개념도.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 물질이 휘어질 때 광전기(光電氣) 효과가 증폭되는 것을 발견하고 그 원인을 규명했다.

광전기 효과는 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되는 현상으로 이 효과를 이용하면 온실가스 배출 없이 전기를 만들 수 있다. 전 세계적으로 안정적이고 저렴하며 효율이 높은 광전기 효과를 발생시키는 물질과 구조를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.

기존 태양광 소자들은 다른 물질을 붙이거나 P형-N형 반도체를 접합하는 등 두 개 이상의 물질을 이용하는 방식으로 광전기 효과를 일으켰다.

연구팀은 단일 물질에서도 휘어지는 변형이 발생했을 때 마치 두 물질의 경계면에서 광전기 효과가 일어나는 것과 흡사한 현상을 발견했다. P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일 물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인해 좀 더 효율적 광전기소자 제작이 기대된다.

그동안 물질의 일반적인 휘어짐으로는 얻을 수 있는 광전기 효과가 크지 않아 실용성이 없었다. 연구팀은 나노미터 크기의 구조까지 관찰해 물질이 자발적으로 매우 크게 휘는 구간을 발견했다.

수십 나노미터(1억분의 1미터)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 이 물질이 통상적인 물질에 비해 100배 증폭된 광전기 효과를 생성한다는 사실을 밝혀냈다. 광전기 효과가 증폭된 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있었다. 물질이 빛을 받으면 원자에 묶여있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 되는데 일반적으로는 원자에 다시 속박된다.

물질이 휘어지는 구간에서는 전기장이 유의미한 강도로 세게 발생해 전자가 원자의 속박을 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있다. 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔하게 존재하기 때문에 연구팀의 규명은 작은 나노소자 연구에 유용할 것으로 예상된다.

연구팀은 물질 표면의 전기기계적 성질을 10나노미터의 해상도로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장 분포를 유추할 수 있어 다양한 나노스케일 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 카이스트(KAIST) 물리학과 양찬호 교수 등이 수행했다. 연구결과는 나노과학기술 분야 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 8월31자 온라인 판에 실렸다.

양 교수는 "휘어진 정도가 큰 경우에 플렉소전기 현상의 비선형 움직임이 중요함을 밝혀낸 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr