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이름은 들어봤나? ‘핫 전자’라고

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이름은 들어봤나? ‘핫 전자’라고

2015.02.15 18:00
박정영 IBS 그룹리더, 핫 전자 발생 전류 최초 검출

백금 원자가 촉매(은색)로 작용한 수소산화 반응으로 인해 열이 발생하자, 핫전자가 생성됐다. - IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공
백금 원자가 촉매(은색)로 작용한 수소산화 반응으로 인해 열이 발생하자, 핫전자가 생성됐다. - IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 제공

빛이나 열, 소리 등의 에너지가 금속 표면에 전달되면 높은 운동에너지를 가진 전자인 ‘핫 전자’가 발생한다.

 

이렇게 생겨난 핫 전자 때문에 금속 표면에는 미량의 전류가 발생하지만 핫 전자가 수 펨토초(1펨토초는 1000조 분의 1초)만에 흩어져 사라져버리기 때문에 핫 전자에 의한 전류를 검출하는 일은 매우 까다로웠다.


기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구팀은 자체 개발한 촉매 나노다이오드를 이용해 세계 최초로 나노촉매 반응시 발생하는 핫 전자에 의한 전류를 측정하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.

먼저 연구팀은 얇은 금속박막과 반도체로 이뤄진 나노다이오드 표면에 촉매 역할을 하는 백금 나노입자를 단일층으로 쌓은 ‘촉매 나노다이오드’를 만들었다.


그 다음 백금을 촉매로 한 수소 산화반응을 일으키고, 이 때 발생하는 열에너지에 의해 생겨난 핫 전자의 흐름을 다이오드를 통해 검출하는 데 성공했다. 이 과정에서 다이오드는 핫 전자를 붙잡는 역할을 했다. 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 다이오드의 성질을 이용해 핫 전자가 흩어져 사라지는 대신 다이오드를 따라 일방통행으로 움직이게 하고, 이 때 발생하는 전류를 측정한 것이다.


이를 이용해 연구팀은 촉매 나노입자의 크기가 1.7nm(나노미터)면 4.2nm일 때보다 촉매 활성도가 50% 증가하고 화학전류 생성 효율도 5배 높아진다는 사실을 새롭게 확인했다.


박정영 그룹리더는 “나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫 전자 사이의 반응 과정에 대한 이론적 기반을 마련했다”며 “연료전지 등 에너지 분야에 핫 전자를 이용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.


연구결과는 화학분야 권위 학술지 ‘앙케반테 케미’ 4일자에 실렸다. 또 논문의 혁신성을 인정 받아 ‘핫 페이퍼’로 선정돼 28일 발간되는 저널의 속표지를 장식할 예정이다.

 

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