[파퓰러사이언스 이고운 기자] 우수한 전기적 특성을 가지고 있어 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 에너지 재료에 응용할 수 있는 중요한 실마리를 마련했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 이현정 교수와 박현우 박사(국민대학교) 연구팀이 산화 그래핀의 환원 및 도핑 정도를 조절해 그래핀의 에너지 준위를 조절할 수 있는 기초현상을 규명했다고 밝혔다.

전자 재료나 에너지 재료 분야에서 많은 주목을 받고 있는 그래핀은 많은 장점에도 제로 밴드갭(zero band-gap, 재료의 가전자대 에너지 준위와 전도대 가장 아랫부분의 에너지 준위 차를 밴드갭이라 하며, 제로 밴드갭은 이러한 에너지 준위 차가 제로(0)인 경우를 의미)과 전자나 정공과 같은 특정 캐리어를 조절하기 어려워 응용에 한계를 보이고 있는 상황이다.

이러한 한계를 극복하기 위해서는 그래핀을 종횡비가 증가하도록 제작하거나 도핑을 통해 특정 캐리어를 조절하는 방법이 필수적이고 그래핀의 에너지 구조를 제어할 수 있는 기술이 필요하며 그래핀을 적절한 분야에 응용하기 위해 그래핀의 기초적인 에너지 구조를 이해하는 연구가 절실하다. 

연구팀은 산화 그래핀의 환원 정도를 조절하거나 산화 그래핀 격자 내에 붕소 및 질소 불순물을 치환하는 방식으로 다양한 에너지 준위를 가지고 있는 소자를 제작하고, 이를 통해 환원된 그래핀의 에너지 준위를 조절할 수 있는 기초 현상을 규명하였다. 

이러한 과정으로 준비된 환원된 산화 그래핀은 각각 다른 에너지를 가지고 있어 전자 재료 또는 에너지 재료에 응용할 수 있는 기초적인 중요한 정보를 제공할 수 있다. 특히 폐열을 이용한 전기에너지를 얻는 열전에너지 소자 개발에 크게 기여할 수 있다. 

이현정 교수는 “탄소 기반의 전자, 또는 에너지 재료를 이용하기 위해 요구되는 에너지 준위나 전기적 특성이 다른데 이번 연구가 이에 대한 단초를 제공할 수 있을 것”이라며, “산화 그래핀의 상대적인 에너지 준위를 구분함으로써 향후 열전에너지 소재 개발에 기여할 수 있는 기초연구를 제시했다”라고 연구 의의를 설명했다. 

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터)의 지원으로 수행되었다. 두 편의 관련 논문은 미국화학회에서 발행한 ACS 서스테이너블 케미스트린 앤 엔지니어링 (ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6월 4일) 및 영국왕립화학회에서 발행한 JMCA(Journal of Materials Chemistry A, 8월 28일, 속표지논문)에 각각 게재되었다. 

■ 연구의 필요성

컴퓨터의 등장 이후 전자기기는 계속 소형화되고 있으며, 최근에는 투명 전자 소자에 대한 가능성이 나타나고 있다. 이는 2차원 탄소 소재인 그래핀을 통해 가능하다. 유연‧투명 전자 또는 에너지 소자에 그래핀이 응용될 가능성은 있으나, 그래핀의 전기적 구조 및 에너지 준위 제어에 대한 이해가 필요하다. 재료의 응용 분야에 따라 요구되는 에너지 구조가 다르기 때문에 재료 자체에 대한 기초 연구가 필요한 것이다.

그래핀은 탄소원자가 6각형 형태로 결합하고 있으며, 우수한 전기 전도도를 가지고 있어, 꿈의 소재라고 불리고 있다. 하지만, 기본적으로 밴드갭이 없는 “제로밴드갭”의 특성을 가지고 있어 전자기기 또는 에너지 재료로의 응용이 어려우며 특정 타입의 캐리어 조절이 필요한 분야에도 한계점을 보이고 있는 상황이다. 

그래핀의 에너지 구조를 제어할 수 있는 기술이 필요하며 또한 그래핀을 적절한 분야에 응용하기 위해 그래핀의 기초적인 에너지 구조를 이해하는 연구가 필요하다. 

일반적인 반도체의 경우 에너지 준위별 전기 전도도를 관찰하여 특정 캐리어의 이동 현상을 쉽게 관찰할 수 있으나, 제로밴드갭을 가지는 그래핀의 경우 단순 전기 전도도만으로는 특정 캐리어의 이동 현상을 구분하기가 어렵다. 

열-전기 현상(Thermoelectric effect, 반도체 또는 금속 재료에 온도차가 발생하게 되면 전자의 확산을 통해 전하가 이동하게 되는 현상. 이 현상을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 다른 moving part 없이 변환시킴)에서 중요한 변수인 Seebeck coefficient(재료의 양 끝단에 온도 T1, T2를 인가할 때 (T1>T2) 재료에 온도차가 발생하게 되는데 이때 고온 부분에서 저온 부분으로 캐리어가 확산된다. 이때 캐리어의 확산에 의해 발생하게 되는 전압을 Seebeck voltage라고 하며 온도차에 따른 Seebeck voltage의 기울기가 Seebeck coefficient가 된다. Seebeck coefficient는 재료의 에너지 구조에 따라 크기나 부호가 다르게 나타나 재료의 에너지 구조를 이해함에 있어 중요한 의미)의 경우 일반적으로 온도차를 통해 발생되는 전압을 이용하여 에너지 하베스팅에 응용할 수 있을 뿐만 아니라 재료의 에너지 구조 및 에너지 레벨에 따라 특정 캐리어의 기여도를 쉽게 구분할 수 있는 물리적으로 중요한 변수이다.

이 연구에서는 다양한 에너지 준위별 환원된 산화 그래핀의 에너지 준위별 Seebeck coefficient를 관찰하여 상대적인 에너지 준위와 에너지 구조를 보여주는 기초 연구를 보고하여, 추후 그래핀을 이용한 전자 또는 에너지 소자에 기초가 되는 중요한 결과를 제공한다.

■ 연구내용

이 연구에서는 산화 그래핀의 환원 정도를 조절 또는 산화 그래핀 격자 내에 붕소 및 질소 불순물을 치환하여 다양한 에너지 준위를 가지고 있는 소자를 제작하였다.

고분자 산화 그래핀의 환원은 기본적으로 열환원을 통해 진행을 하게 된다. 환원 정도를 열환원 온도 조절을 통해 조절하였다. 또한 불순물 치환의 경우 산화 그래핀 용액에 붕소 또는 질소 원소를 포함하고 있는 분자를 첨가하여 열환원시 불순물 원소가 치환되는 방법을 이용하였다. 

기존 field effect transistor는 전자기기에 다양한 응용형태로 쓰이지만 에너지 준위별 전기전도도를 측정하는데 유용하게 쓰일 수 있다. 이러한 점을 이용하여 field effect transistor를 변형시켜 온도차를 인가할 수 있는 소자를 제작하였다.  

소자를 이용하여 전기장을 통해 캐리어를 이동시켜 관찰하는 것이 아닌 온도차에 의해 확산되는 캐리어를 관찰하여 재료의 특정 캐리어의 기여도에 따라 에너지 구조를 보여주며 상대적인 에너지 준위를 관찰할 수 있었다. 

이 연구에서 관찰한 캐리어 전달 현상을 통해 탄소기반의 2차원 물질 그래핀의 기본적인 에너지 구조를 이해하는 것 뿐 아니라, 전자 또는 에너지 소자에 응용함에 있어 중요한 연구 결과를 제공하게 되었다. 

■ 연구성과/기대효과

환원된 산화 그래핀의 에너지 준위 조절을 통해 환원된 산화 그래핀의 상대적인 에너지 구조를 보여주는 중요한 기초 연구를 제시하였다. 이는 추후 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전소자 개발에 대한 기초적 이론을 제시함으로써, 그 개발에 기여할 것이다.  

이 연구 결과를 통해 이차원 나노소재의 전기적 구조분석과 온도차에 의한 효율적인 에너지 준위를 이해할 수 있으며, 이는 기존의 수많은 반도체 재료들 중에서 효율적인 열전소재에 대한 이론적, 실험적 분석을 가능하게 할 뿐 아니라, 재료의 기초적인 물리적/전기적 특성을 동시에 비교하고 분석할 수 있는 점에서 기초 분야와 응용분야의 중간 매개체 역할을 할 수 있는 매우 중요한 연구이다. 

이 연구 성과는 열전 특성을 이용하여 전자 전달 제어를 연구하고 에너지 분야에 효율적인 재료를 확보하는 것이므로, 이러한 원천 기술은 다른 형태의 에너지 하베스팅 뿐만 아니라 전자 재료 또는 온도를 통한 센서를 응용할 수 있는 핵심 기초특성을 제공할 수 있어 학문적인 기초 연구 뿐만 아니라 산업계에도 다양한 아이디어를 제공할 수 있다.

차세대 에너지 재료에 대한 구조-물성 간의 이해를 도모하기 위한 기초 연구의 틀을 확립함으로써 국외 연구 결과를 토대로 응용하고 사용하는 것이 아닌, 국내에서 독자적인 연구를 수행함으로써, 에너지 재료에 대한 핵심 구조 및 물성을 파악하여 추후에 최적화된 특성을 가지는 차세대 에너지 재료를 확보하고 제안할 수 있다.