★ 10월 4일(목) 조간부터 보도하여 주시기 바랍니다.

보도자료 2012. 10. 4(목)	함께하는 공정사회 더 큰 희망 대한민국 교육과학기술부 Ministry of Education, Science and Technology
	나노기반 정보․에너지 사업본부 Converging Research Headquarter for Nanotechnology-based Information·Energy
	교육과학기술부 홍보담당관실 ☏ 02-2100-6580 나노기반 정보․에너지 사업본부 ☏ 042-860-7922

<자료문의> ☎ 02-2100-6843 융합기술과 손영석 사무관

☎  052-217-2919 울산과학기술대학교(UNIST)

친환경에너지공학부 전용석 교수

n형 그래핀 반도체 저비용 고효율 제작기술 개발 성공

- 사이언티픽 리포트(네이처 자매지) 게재,“상온에 수소 가스를 노출시켜 반도체 및 태양전지 생산용 n형 그래핀 개발 성공”

□ 상온에서 노출되어 해리*된 수소가스를 그래핀 표면에 흡착하여 그래핀 기반 n형 반도체**를 제조할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되어 저비용 고효율 반도체 제작의 가능성을 앞당겼다.

* 해리: 분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온, 또는 보다 작은 분자들로 나누어지는 현상

** n형 반도체: 주된 운반체가 전자(electron)인 반도체

p형 반도체: 주된 운반체가 정공(hole)인 반도체

◦ 울산과학기술대학교(UNIST)의 친환경에너지공학부 전용석 교수(42세)와 서울대학교 물리천문학부 박영우 교수(60세)가 주도하고 울산과학기술대학교의 김병훈 교수(제1저자), 서울대학교 홍성주 박사 과정생(제1저자), 건국대학교의 이상욱 교수, 한국에너지기술연구원(KIER)의 이정철 박사 등이 공동 참여한 이번 연구는 교육과학기술부가 주관하는 ‘신기술융합형 성장동력사업’, ‘신진연구자 사업’, ‘해외우수기관 유치사업’의 지원으로 수행되었으며, 네이처 출판사가 발행하는 권위 있는 학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 최신호에 게재되었다(9월 25일자 온라인, www.nature.com/srep). (논문명: N-type graphene induced by dissociative H2 adsorption at room temperature)

□ 그래핀(Graphene)은 흑연에서 벗겨낸 한 겹의 탄소 원자 막으로서 원자들이 6각형 벌집구조로 결합된 나노소재이다. 강도가 강철의 200배, 전자이동도가 실리콘의 140배, 열전도율은 구리의 100배에 달한다. 때문에 다양한 전자·반도체 산업 분야에 활용이 가능한 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 특히 반도체 소자 분야에서는 기존의 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

◦ 일반적으로 그래핀에 반도체 성질을 부여하기 위해, 값비싼 귀금속을 그래핀에 도핑(n형 반도체) 하거나 수소 플라즈마(p형 반도체)를 이용하였다. 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 해리가 되어 수소원자가 그래핀의 모서리와 결손부분의 탄소원자와 결합하고, 이 과정에서 비국소적 전자가 생산되어 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 안정한 n형 그래핀을 만들어내는 기술로, 앞으로 나노(10-9 m) 크기의 태양전지나 수소저장 장치, 반도체 다이오드 등에 적용할 수 있는 신기술이다.

◦ 또한, 수소는 신재생 에너지원의 하나로 여겨지고 있으며 수소경제로의 반석을 닦기 위해서 수소저장체 개발을 위한 많은 연구들, 예를 들어, 수소와 그래핀 간의 상호작용에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그리고 그러한 연구들 중 수소분자가 그래핀에서 수소원자 두 개로 해리되며 흡착되는 현상은 이론적 가능성만 제시되어 왔다.

◦ 이 연구는 학문적 측면에서, 이러한 이론을 실험적으로 최초로 증명하여 그래핀의 수소저장 원리를 밝혀낼 수 있는 초석을 마련하였다는 점, 또한 산업적 측면에서, 그래핀을 반도체 소자에 응용하기 위해 우주에서 가장 많은 원소인 수소를 사용하여 저비용으로 고효율 반도체 소자를 구현할 수 있는 발판을 마련하였다는 점에서 큰 의미가 있다.

□ 전용석 교수는 “국가 주력 산업인 반도체 뿐만 아니라 플렉시블 태양전지, 초고속 반도체 소자, 고효율 태양전지 등 다양한 분야에 응용 가능한 그래핀 응용 연구에 있어 초기 핵심기술을 개발하여 시장을 선점하는 것이 중요하다. 이번 연구는 수소가스에 노출시키는 과정만으로 공기 중에서도 안정한 n형 반도체 소자를 제조하는데 성공함으로써, 저비용 고효율 반도체 소자 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

□ UNIST의 원천기술과 한국에너지기술연구원(KIER)의 시스템 기술의 융합 및 연구분야 확대를 위해 2011년 6월 KIER-UNIST 울산 차세대전지원천기술센터(센터장 이정철)는 울산시의 지원을 받아 개소되었다. 현재까지 에너지 분야에서 국제적으로 상위 10 % 이상의 SCI 논문 60여 편 이상 출간하였으며 지역 에너지 사업의 활성화를 위하여 다양한 차세대 전지관련 연구를 진행하고 있다.

붙임 : 연구결과개요, 용어 설명

	이 보도자료와 관련하여 보다 자세한 내용이나 취재를 원하시면 교육과학기술부 융합기술과 손영석 사무관(☎ 02-2100-6843), 울산과학기술대학교 친환경에너지공학부 전용석 교수(☎ 052-217-2919)에게 연락주시기 바랍니다.

연 구 결 과 개 요

N-Type graphene induced by dissociative H2 adsorption at room temperature

Byung Hoon Kim*, Sung Ju Hong*, Seung Jae Baek, Hu Young Jeong, Noejung Park, Muyoung Lee, Sang Wook Lee, Min Park, Seung Wan Chu, Hyeon Suk Shin, Jeongmin Lim, Jeong Chul Lee, Yongseok Jun & Yung Woo Park2 (Scientific Reports, 2012.9.25. online 게재, www.nature.com/srep)

서론

그래핀은 차세대 반도체 소자로 주목받고 있으나, 반도체의 성질이 없어 그 이용에 제약이 따르고 있다. 반도체의 성질을 가지게 하는 방법 중 수소 플라즈마를 이용하는 방법이 있다. 또한, 수소분자와 그래핀의 상호작용은 이론적으로 그래핀의 수소저장능력이 크다는 예측 때문에 큰 관심을 모으고 있다.

본론

본 연구에서는 수소분자의 압력을 진공에서부터 24 기압까지 변화시키면서 한 겹, 두 겹, 그리고 여러 겹 그래핀의 전기적 특성을 분석하여 수소압력이 증가함에 따라 그래핀이 n형 반도체의 성질이 강해지는 것과, 전기적 특성 (Dirac point)의 변화는 그래핀 층 수에 비례한다는 것을 확인하였다. 또한, 상대적으로 높은 온도 (345 K)에서 그 효과가 아주 커지는 것을 알아내었다. 수소분자의 노출에 의한 그래핀의 수소화를 확인하기 위해 Raman 분광학, atomic force microcopy, X-ray diffraction, 그리고 transmission electron microscopy를 이용하였다.

결론

이렇게 수소압력 하에서의 전기적 특성 및 여러 가지 분석을 통해 그래핀에서(특히, 탄소결손이 있는 그래핀) 수소분자가 해리되어 두 개의 수소원자로 나뉘게 되며 이는 그래핀의 C=C 결합을 깨뜨려 두 개의 자유 전자를 만들며 이 중에 하나는 C-H 결합을 이루는데 이용되며 나머지 하나는 그래핀에 n형 반도체 성질을 부여한다는 것을 알아내었다.

그림 1. 수소도핑에 의한 그래핀의 n형화 도식

탄소 결손이 있는 그래핀(회색)을 수소 분자(빨간색)에 노출시키면 수소분자가 해리가 되어 수소원자가 주로 그래핀의 모서리와 결손부분의 탄소원자와 C-H 결합을 이룬다. 이 과정에서 비국소적 전자(노란색)가 생산되어 n형 그래핀이 만들어진다.

그림 2. 상온에서 Gate-Voltage에 대한 수소압력 별 저항의 변화 (네이처제공)

a, b, c 는 각각 태이프 방법으로 얻은 한 겹, 두 겹, 그리고 여러 겹의 그래핀에 대한 데이터이다.

수소 분자의 압력이 높아지면 (왼쪽 그림) Dirac point, 즉 Charge neutrality point (CNP)가 음의 gate voltage 부분으로 옮겨가며 정공(hole) 운반체 부분 (음의 gate voltage 부분)의 저항은 증가하며 반대로 전자 운반체 부분의 저항은 감소한다. 이는 수소가스의 압력이 증가하면서 그래핀의 전자운반체가 증가하는 것을 보여준다. 수소 압력이 감소 (오른쪽 그림) 하는 경우에는 CNP의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있으며 고진공, 고온에서 수소를 제거해 주어도 CNP가 원래의 값으로 돌아오지 않는다. 이것은 부분적으로 수소가 그래핀과 화학적 결합을 하고 있는 증거이다.

그림 3. 수소 흡착 전,후의 Raman spectra (a, b, c), 수소압력에 따른 CNP의 변화량 (d), 그리고 수소 흡착 전,후의 transmission electron microscopy (TEM) 연구이다. (네이처제공)

수소흡착 후에는 defect의 증거인 D peak (1350 cm-1)이 테이프 방법으로 얻은 한 겹, 두 겹, 그리고 여러 겹의 그래핀에서 모두 관찰되며 (그림2a), 2D peak의 경우에는 (그림 2b), 한 겹과 두 겹의 경우 거의 변화가 없으나 여러 겹의 경우 그 모양에서 큰 변화를 보인다. 2D peak의 경우 이차원 진동에 해당하는 P1 peak과 그래핀 간의 coupling에 의한 삼차원 진동에 해당하는 P2로 구성되어 있는데 수소흡착 전에는 P2가 크다가 흡착 후에는 P1 peak이 커진다. 이는 수소가 흔히 알려진 edge 뿐만 아니라 basal plane에도 흡착되는 것을 보여준다. 또한 C-H 결합 (2930 cm-1)또한 관찰하였다. CVD 그래핀을 이용하여 수소 압력별 peak의 변화를 살펴보았다. 압력이 증가하며 D peak과 C-H 결합에 해당하는 peak이 증가하며 탈착과정을 거치고 나서는 다시 그 peak들이 줄어드나 원래의 크기로는 돌아오지 않는 것을 확인하였다 (그림 2c). 여러 겹 그래핀에서의 수소 압력별 CNP의 변화량은 한 겹과 두 겹에서의 변화량과 관계가 있음을 확인하였고 (그림 2d), 마지막으로 TEM 연구를 통해 수소분자에 그래핀을 노출시켰음에도 그래핀의 d-spacing, 즉, 원자간 간격이 줄어드는 것을 확인하였다.

위의 실험을 통해, 수소 분자가 그래핀에서 해리되어 화학적 결합을 하고 있음을 확인하였다.

그림 4. 고온에서 일정 수소압력 (10 기압)에 대한 CNP의 변화 (네이처제공)

300 K에서 345 K까지, 오랜 시간 동안 (820분) 수소 10 기압을 가해주어 CNP의 변화를 관찰하였다. 온도가 올라갈수록 상온에서의 변화에 비해 큰 CNP의 변화가 관찰되었고 (그림 3a) 온도를 상온 (295 K)으로 내려도 그 상태를 유지하며 고온, 고진공을 통해 수소를 제거해 주면 원래의 값 근처로 돌아가려고 하지만 수소흡착 전의 값을 회복하지 못한다.

그림 5. 공기 중에서 안정적인 n형 그래핀의 구현 (네이처제공)

앞에서 본 바와 같이, 고온에서 일정 수소압력 하에 그래핀을 두어 CNP가 약 35 V 옮겨지는 것을 확인하였고 이 시료를 그대로 공기 중에 노출시켜보았다. 공기 중에서 산소와 물의 흡착이 일어나 양의 gate voltage 방향으로 CNP가 이동하지만 약 40 시간 후부터 거의 -15 V에 수렴함을 확인하였다. 이를 통해 우주에서 가장 많은 원소인 수소가스에 그래핀을 노출시키는 것만으로 n형 그래핀을 제작할 수 있음을 알아내었다.

용 어 설 명

1. Scientific Reports誌

영국의 NPG(Nature Publishing Group)이 출판하는 세계적인 저널인 Nature 誌의 자매지로서, 중요한 연구결과를 속보로 발표하기 위하여 2011년 창간된 최고 수준의 네이처 자매지이다.

2. 해리 : 분자가 그 분자를 구성하고 있는 각각의 원자나 이온, 또는 작은 분자들로 나누어지는 현상

3. n형 반도체 : 전기 전도현상을 지배하는 주된 운반체가 전자(electron)인 반도체

4. p형 반도체 : 주된 전도현상을 지배하는 운반체가 정공(hole)인 반도체

5. 도핑 : 반도체의 전기 전도도는 불순물의 영향을 많이 받는다. 불순물이 들어가기 전까지는 거의 부도체의 성질을 보이다가, 전자가 많은 불순물이 들어가면 n형 반도체, 전자가 적은 혹은 정공이 많은 불순물이 들어가면 p형 반도체가 된다. 이렇게 선택적인 불순물을 투입하는 공정을 일컬음.

6. 비국소적 전자 : 특정 재료의 반도체적인 성질을 n형으로 도핑할 경우, 결합에 참여하는 전자보다 추가로 더 존재하게 되는데, 이 전자들은 원자에 국소적으로 머무르지 않고 재료의 전체 혹은 부분적으로 펼쳐져 있게 된다. 이렇게 펼쳐져 있는 전자를 원자에 국소적으로 잡혀 있는 전자와 비교하여 부르는 말. 국소적으로 잡혀 있는 전자는 이동성이 없어서 전도도 향상에 도움을 주지 못한다.