국내 연구진이 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 에너지 재료에 응용할 수 있는 중요한 실마리를 마련했다.

그래핀을 통한 열전소자 개략도(논문2 속 표지논문 이미지)=한국연구재단.

한국연구재단은 국민대 이현정 교수와 박현우 박사 연구팀이 산화 그래핀의 환원 및 도핑 정도를 조절해 그래핀의 에너지 준위를 조절할 수 있는 기초현상을 규명했다고 2일 밝혔다.

그래핀은 우수한 전기적 특성을 갖고 있어 전자 재료나 에너지 재료 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 하지만 많은 장점에도 제로 밴드갭(zero band-gap)과 전자나 정공과 같은 특정 캐리어를 조절하기 어려워 응용에 한계를 보이고 있는 상황이다.

재료의 가전자대 에너지 준위와 전도대 가장 아랫부분의 에너지 준위 차를 밴드갭이라 하며 제로 밴드갭은 이런 에너지 준위 차가 제로(0)인 경우를 의미한다.

이 같은 한계를 극복하기 위해서는 그래핀을 종횡비가 증가하도록 제작하거나 도핑을 통해 특정 캐리어를 조절하는 방법이 필수적이다. 또 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 갖고 있는 소자를 제작하고 이를 통해 환원된 그래핀의 에너지 준위를 조절할 수 있는 기초 현상을 규명했다. 

이런 과정으로 준비된 환원된 산화 그래핀은 각각 다른 에너지를 갖고 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”고 연구 의의를 설명했다. 
 
이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터)의 지원으로 수행됐다. 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 게재됐다.

출처: http://www.edaily.co.kr/news/news_detail.asp?newsId=01535046619336184&mediaCodeNo=257