"수소 만들 수 있는 그래핀 촉매 다이오드소자 개발"

아주대·인하대 공동연구팀 성과, 다양한 분야 응용 기대

정성민

jsm@dhnews.co.kr | 2014-07-16 10:03:17

수소를 만들 수 있는 그래핀 촉매 다이오드소자 개발이 국내 연구진에 의해 이뤄졌다.

아주대학교 서형탁(에너지시스템학과·신소재공학과) 교수와 인하대학교 전기준(환경공학과) 교수는 공동으로 '그래핀 촉매 다이오드 소자'를 개발하는 데 성공했다.

개발된 다이오드는 음이온을 이용, 저항을 조절하고 동시에 수소를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 수소를 이용한 에너지원 개발이나 화학센서 등 다양한 분야에서 활용이 기대되고 있다. 또한 이번 연구 결과는 'Multi-resistive Reduced Graphene Oxide Diode with reversible Surface Electrochemical reaction induced Carrier Control'이라는 제목으로 <사이언티픽리포트(Scientific Report)>지 7월 10일 온라인판에 게재됐다. <사이언티픽리포트(Scientific Report)>지는 네이처 출판그룹에서 발행하는 잡지다.

연구 성과를 구체적으로 살펴보면 새로 개발된 다이오드는 p타입 반도체인 환원그래핀산화물(RGO)과 n타입 실리콘 반도체를 접합시킨 형태다. 여기서 p타입이란 양(+)전하인 양공(hole)이 많은 형태를 말하고 n타입이란 음(-)전하인 전자(electron)가 많은 반도체를 일컫는다. 사용된 RGO는 탄소 단일 원자층이 여러 겹으로 쌓여 3~5나노미터 두께를 가진 초박막 구조다.

연구팀에 따르면 다이오드는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하고 전압의 크기에 비례, 전류량이 커지는 성질을 가진 반도체 소자로 전자기기에는 꼭 필요한 존재다. 하지만 연구팀이 개발한 다이오드는 전압과 전류량이 비례하지 않는 특이한 현상을 보인다. 1V 미만 전압에서는 전류가 증가하지만 1V와 4V 사이에서는 일정한 수준으로 계속 유지되고 다시 4V를 넘어서게 되면 전류량이 증가하는 '다 저항 다이오드(multi-resistive diode)' 특징을 보이는 것.

즉 저항이 일정한 비율로 증가 또는 감소하지 않고 전압 크기에 따라 각기 다른 저항 값을 보여 전류량에도 영향을 끼친다. 이는 보통의 다이오드에서는 거의 발생하지 않는 현상으로 그 원인을 얇은 RGO의 두께에서 찾을 수 있다. 여기서 RGO는 그래핀이 산화된 형태, 다시 말해 탄소 원자층에 그래핀 내부 산소가 일부 결합된 형태를 말한다. 이 산소는 그래핀과 결합이 느슨한 '준안정' 상태의 음이온으로 RGO 표면과 내부를 비교적 자유롭게 이동할 수 있다.

서형탁 교수는 "이번 연구는 하나의 다이오드로 저항을 마음대로 조절해 전류를 제어하는 일종의 다중 스위치 기능을 할 수 있음을 보인 것"이라면서 "추후 IT집적소자나 고감도 화학센서 분야 등에 적용이 가능할 것이다. 무엇보다 적은 에너지를 가지고 물을 분해, 수소를 생성함으로써 새 에너지원 개발에도 활용될 수도 있다"고 말했다.