울산과학기술대학교(UNIST)의 친환경에너지공학부 전용석 교수와 서울대학교 물리천문학부 박영우 교수가 주도하고 UNIST 김병훈 교수(제1저자), 서울대학교 홍성주 박사 과정생(제1저자), 건국대학교의 이상욱 교수, 한국에너지기술연구원(KIER)의 이정철 박사 등이 공동 참여한 이번 연구는 네이처 출판사가 발행하는 권위있는 학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 9월 25일자 온라인판에 게재됐다.
‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 흑연에서 벗겨낸 한 겹의 탄소 원자 막으로서 원자들이 6각형 벌집구조로 결합된 나노소재이다.
일반적으로 그래핀에 반도체 성질을 부여하기 위해 값비싼 귀금속을 그래핀에 도핑(n형 반도체) 하거나 수소 플라즈마(p형 반도체)를 이용했다. 귀금속의 경우 한 단계의 반도체 공정이 더 필요하고 높은 비용이 소요된다. 또한 수소 플라즈마를 이용하는 것은 수소 플라즈마를 생산하기 위해 또 다른 에너지원을 사용해야 하므로 비용이 높고 제작 과정이 복잡하다.
이번에 개발된 기술은 탄소 결손이 있는 그래핀이 수소 분자에 노출되면 수소분자가 해리돼 수소원자가 그래핀의 모서리와 결손부분의 탄소원자와 결합하고, 이 과정에서 비국소적 전자가 생산돼 n형 그래핀을 만들어내는 것이다.
기존 플라즈마 처리를 통한 p형 그래핀, 그리고 나노크기의 귀금속을 이용한 n형 그래핀 등과는 달리 복잡한 절차를 거치지 않고, 상온에서 수소가스에 노출시키는 과정만으로 공기 중에서도 안정된 n형 그래핀을 만들어내는 기술로, 앞으로 나노(10-9 m) 크기의 태양전지나 수소저장 장치, 반도체 다이오드 등에 적용할 수 있는 신기술이다.
수소분자가 그래핀에서 수소원자 두 개로 해리되며 흡착되는 현상은 이론적 가능성만 제시돼 왔다. 이번 연구는 이 이론을 실험적으로 최초로 증명해 수소저장 원리를 밝혀낼 수 있는 초석을 마련했다는 점에서 의미가 있다.
또 그래핀을 반도체 소자에 응용하기 위해 우주에서 가장 많은 원소인 수소를 사용해 저비용으로 고효율 반도체 소자를 구현할 수 있는 발판을 마련했다는 점에도 의미를 부여할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
UNIST 전용석 교수는 “이번 연구는 수소가스에 노출시키는 과정만으로 공기 중에서도 안정된 n형 반도체 소자를 제조하는데 성공함으로써 저비용 고효율 반도체 소자 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 양희은 기자