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그래핀 전기적 성질 높일 '질소도핑' 기발한 방법으로 해결

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그래핀 전기적 성질 높일 '질소도핑' 기발한 방법으로 해결

2019.11.03 12:54
쇠구슬을 이용해 그래핀을 쉽게 도핑할 방법을 개발한 백종범 UNIST 교수(왼쪽)과 한가오펑 연구원이 연구실에서 포즈를 취했다. UNIST 제공
쇠구슬을 이용해 그래핀을 쉽게 도핑할 방법을 개발한 백종범 UNIST 교수(왼쪽)과 한가오펑 연구원이 연구실에서 포즈를 취했다. UNIST 제공

전기가 잘 통하고 쉽게 휘어져 차세대 전자소자 등에 활용될 것으로 기대되는 그래핀의 특성을 강화하기 위해서 질소를 불순물로 섞는 공정(질소 도핑)이 널리 활용된다. 안정적인 대기중의 질소를 분해하기 위해 그 동안 고온고압의 특수 환경이 필요했는데, 최근 국내 연구팀이 기발한 방법으로 훨씬 낮은 온도와 압력에서 질소를 도핑하는 기술을 개발했다.


울산과학기술원(UNIST)은 백종범 에너지 및 화학공학부 교수와 한가오펑 연구원팀(위 사진)이 쇠구슬을 이용해 대기 중에 있는 질소 기체를 낮은 온도와 압력 조건에서 쉽게 분해해 그래핀에 도핑시키는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 


그래핀은 전기가 잘 통하는 물질로 전자소자로 활용하기 좋은 소재다. 하지만 내부 전자의 흐름을 결정하는 ‘띠틈(밴드갭)’을 마음대로 조절할 수 없다는 치명적인 단점이 있다. 띠틈은 물질 내부의 전자가 가질 수 있는 에너지 대역(밴드) 사이에 존재하는, 전자가 가질 수 없는 에너지대역을 의미한다. 원자핵 주위의 전자는 양자역학의 특성에 의해 특정 크기의 에너지만 가질 수 있으며, 외부에서 열 등 에너지를 받으면 더 높은 대역의 에너지로 옮겨갈 수 있다. 이 때 낮은 에너지 대역과 높은 에너지 대역의 차이가 띠틈이다. 티틈이 없으면 전기가 잘 통하는 도체이고, 티틈이 너무 넓으면 전기가 잘 통하지 않는 부도체다. 반도체는 이 틈이 적당히 떨어져 있어 외부 에너지를 조절해 전기 흐름을 조절할 수 있어 전자소자로 널리 활용된다.


그래핀은 탄소만으로 구성된 단일 원자 소재로 티틈 조절이 어렵고, 반도체로 활용하기 어려운  단점이 있었다. 이 문제를 해결하기 위해서는 불순물을 섞어 띠틈을 인위적으로 조절하는 도핑이 많이 사용된다. 주로 질소 도핑을 하는데, 안정한 질소 기체(N2)를 질소 원자(N)로 쪼개기 위해 기존에는 플라스마 분해 등 수백 도의 온도와 고압의 환경이 필요한 공정을 사용했다. 하지만 질소 함량을 1% 이상 높이기 힘든 등 효율이 낮고 절차가 번거로웠다.


백 교수팀은 용기 안에 질소 기체와 그래핀, 쇠구슬을 넣고 회전시켜 반응을 일으키는 과정에서 그래핀에 자연스럽게 질소 기체가 섞여 들어가는 새로운 공정을 개발했다. 쇠구슬이 부딪히는 과정에서 표면이 활성화되면서 팽창되는데, 이 과정에서 질소 기체 분자가 질소 원자 두 개로 쪼개져 표면에 흡착된다. 이 질소 원자는 이후 쇠구슬 표면이 다시 원래 상태로 돌아가는 과정에서 떨어져 나와 그래핀과 결합한다.

 

쇠구슬을 이용한 질소기체의 결합분해 방법 모식도다. 충격을 받은 쇠구슬 표면이 팽창하면서 질소 원자를 흡착한다. 이 과정에서 자연스럽게 질소 분자가 저온, 저압 환경에서 분해된다. 이후 쇠구슬 표면이 다시 원상복귀되는 과정에서 질소 원자가 떨어져 나오고, 이 질소 원자가 그래핀에 도핑된다. UNIST 제공
쇠구슬을 이용한 질소기체의 결합분해 방법 모식도다. 충격을 받은 쇠구슬 표면이 팽창하면서 질소 원자를 흡착한다. 이 과정에서 자연스럽게 질소 분자가 저온, 저압 환경에서 분해된다. 이후 쇠구슬 표면이 다시 원상복귀되는 과정에서 질소 원자가 떨어져 나오고, 이 질소 원자가 그래핀에 도핑된다. UNIST 제공

백 교수팀은 이 기술로 실온보다 살짝 높은 40도의 온도에서 1기압이 채 안 되는 1바의 압력에서 기존보다 월등히 높은 16%의 질소를 그래핀에 도핑하는 데 성공했다. 백 교수는 “낮은 온도와 압력에서 간단한 공정으로 질소가 포함된 탄소체를 만들어 대량생산에 적합하고 경제성이 높다”며 “다양한 물질에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.


연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스 1일자에 발표됐다.
 

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