국내 연구진이 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 에너지 재료에 응용할 수 있는 중요한 실마리를 마련했다고 합니다. 국민대학교 이현정 교수 연구팀은 산화 그래핀의 환원 및 도핑 정도를 조절해 그래핀의 에너지 준위를 조절할 수 있는 기초 현상을 규명했습니다.
그래핀은 우수한 전기적 특성을 가지고 있어 전자 재료나 에너지 재료 분야에서 많은 주목을 받고 있습니다. 하지만 많은 장점에도 제로밴드갭(zero band-gap)의 특성을 가지고 있어 전자기기 또는 에너지 재료료의 응용이 어려웠습니다. 특정 타입의 캐리어 조절이 필요한 분야에서도 한계를 보이는 상황입니다.
참고로, 재료의 가전자대 에너지 준위와 전도대 가장 아랫부분의 에너지 준위 차를 밴드갭이라고 하는데요. 제로 밴드갭은 이러한 에너지 준위 차가 제로(0)인 경우를 의미합니다.
이러한 한계를 극복하기 위해서는 그래핀의 에너지 구조를 제어할 수 있는 기술이 필요합니다. 그래핀의 기초적인 에너지 구조를 이해하는 연구가 필요했습니다. 일반적인 반도체의 경우 에너지 준위별 전기 전도도를 관찰해 특정 캐리어의 이동 현상을 쉽게 관찰할 수 있으나 제로 밴드갭을 가지는 그래핀의 경우 단순 전기 전도도만으로는 특정 캐리어의 이동 현상을 구별하기 힘들다고 합니다.
연구팀은 산화 그래핀의 환원 정도를 조절하거나 산화 그래핀 격자내에 붕소 및 질소 불순물을 치환하는 방식으로 다양한 에너지 준위를 가지고 있는 소자를 제작하고 이를 통해 환원된 그래핀의 에너지 준위를 조절할 수 있는 기초 현상을 규명했습니다.
이러한 과정으로 준비된 환원된 산화 그래핀은 각각 다른 에너지를 가지고 있어 전자 재료 또는 에너지 재료에 응용할 수 있는 기초적인 중요 정보를 제공할 수 있습니다. 특히 폐열을 이용한 전기에너지를 얻는 열전에너지 소자 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 보입니다.
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 기초 연구를 제시했다"고 전했습니다.
이 연구는 미국화학회에서 발행한 <ACS 서스테이너블 케미스트린 앤 엔지니어링>과 영국왕립화학회에서 발행하는 <JMCA>에 각각 게재됐습니다.
