광전도
정의
광전도(光電導, photoconductivity)란 물질이 빛을 흡수했을 때 전기 전도도가 증가하는 현상을 말한다. 빛에너지(광자)가 물질 내부에서 전자와 정공을 생성하거나 기존의 전하 운반자를 흥분시켜 전하 운반량이 증가함으로써 전도도가 향상된다.
원리
- 광자 흡수: 물질의 밴드갭 에너지와 동일하거나 그보다 큰 에너지를 가진 광자가 물질에 흡수된다.
- 전자‑정공 쌍 생성: 흡수된 광자는 가전도대(electron)와 가역대(valence band) 사이에 전자‑정공(e‑h) 쌍을 생성한다.
- 전하 운반 증가: 생성된 전자와 정공은 외부 전기장에 의해 이동할 수 있으며, 이로써 자유 전하 농도가 증가한다.
- 전도도 변화: 전도도 σ는 σ = q · (n µₙ + p µₚ) (q: 전하 전하량, n/p: 전자·정공 농도, µₙ/µₚ: 이동도)로 표현되며, n과 p가 빛에 의해 증가함에 따라 σ도 증가한다.
주요 물질
- 가스상·고체광전도체: 셀레늄(Se), 카드뮴 황화물(CdS), 카드뮴 시트르산(CdSe), 티타늄 산화물(TiO₂) 등
- 유기광전도체: 폴리이미드, 폴리피렌 등 유기 반도체
- 저차원 구조: 양자점, 나노와이어, 2차원 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 등
응용 분야
- 광센서·광전도형 사진 감도소자: 광전도형 이미지 센서, 빛 감지 저항(photoconductive resistor)
- 복사 복사기·레이저 프린터: 광전도성 드럼(photoconductive drum)에서 이미지 형성에 사용
- 광전지·태양전지: 광전도 현상을 이용한 전하 생성 및 수집 구조
- 의료·생물학: 광전도성 바이오센서, 광유도 전기 측정
측정 방법
광전도는 일반적으로 다음과 같은 절차로 측정한다.
- 시료에 일정한 전압을 인가한다.
- 어두운 상태와 일정한 파장의 조명 상태에서 전류를 측정한다.
- 전류 변화량을 통해 전도도 변화를 계산한다.
역사적 배경
광전도 현상은 19세기 후반에 최초로 관찰되었으며, 특히 셀레늄을 이용한 초기 광전기 소자가 1900년대 초에 광전도 기술의 실용화에 기여하였다. 이후 반도체 물리학이 발전하면서 광전도 현상은 광검출기와 이미지 센서 개발에 핵심적인 역할을 수행하게 되었다.
어원
- 광(光): ‘빛’이라는 의미의 한자어.
- 전(電): ‘전기’를 뜻하는 한자어.
- 도(導): ‘전도·인도’를 의미한다.
따라서 ‘광전도’는 ‘빛에 의해 전도가 일어나는 현상’이라는 의미를 가지고 있다. 영어 ‘photoconductivity’는 그리스어 접두사 photo- (빛)와 라틴어 conductivity (전도성)에서 유래한다.
관련 용어
- 광전 효과(photovoltaic effect): 빛에 의해 전압이 발생하는 현상.
- 광흡수(phot absorption): 물질이 빛을 흡수하는 과정.
- 전하 이동도(mobility): 전하가 전기장 하에서 이동하는 속도와 관련된 물리량.
참고문헌
- S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 4th ed., Wiley, 2012.
- K. W. Böer, Photoconductivity of Solids, Academic Press, 1976.
- J. H. Wernick, Organic Photoconductors, Springer, 2005.
- 한국과학기술원(KAIST), “광전도 소재 연구 동향”, 재료과학연구, 2021.
