다전자가 산화물 박막의 가역적 수소저장 및 상전이
글 _ 손준우, 윤효진 포항공과대학교 신소재공학과
산화물 에피 박막 에너지 소재
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1. 서론
지구상에서 가장 작고, 가벼운 원소인 수소는 소재 격 자 내에 가역적으로 쉽게 들어갈 수 있을 뿐만 아니라, 전 하를 제공할 수 있는 도펀트로서 역할을 할 수 있기 때문 에, 고체 내의 전하 결함에 의해서 많은 영향을 받는 반도 체 전자 소재 및 소자는 수소 도펀트를 이용하여 특성을 획기적으로 향상하는데 많이 이용되어 왔다. 예를 들어, 수소는 실리콘 전자소자에서 반도체와 유전체 계면결함 을 획기적으로 passivation하는 유익한 역할을 하는 동 시에, GaN p-type 도펀트의 activation을 방해하는 원 하지 않는 불순물로서 악영향을 끼치기도 한다1)(Fig.
1a).
산화물 소재 내에서도 수소 원자는 격자 내에 안정적으 로 결합하여, 전기적으로 활성화된 결함으로 작용한다는 것이 잘 알려져 있다. 예를 들어, 수소는 큰 밴드갭의 투 명 산화물인 ZnO 격자 내에서 산소와 결합하거나, 혹은
산소 정공 위치를 차지함으로써, shallow donor로서의 역할을 하고, 이로 인해 ZnO가 원하지 않는 n-type 전 도도를 가지는 원인으로 알려져 있다2, 3)(Fig. 1b,c). 이와 같이, 수소 도핑을 이용한 투명 산화물의 전기적 및 광학 적 특성 제어에 관한 후속 연구가 많이 진행되어 최근 관 련 산업 분야 발전에 큰 역할을 하고 있다.
최근, 전하, 오비탈, 격자, 스핀 사이의 밀접한 상호작 용을 보이는 Correlated 산화물4)(Fig. 2)에서 주위 변수 (온도, 압력, 전압,..)에 따라 금속-절연체 상전이 (Metal-Insulator Transition, MIT) 현상이 나타나는 특성이 주목 받는 가운데4, 5), 원자 결함 농도 조절을 통해 서 correlated 산화물의 conduction band에 해당하는 d-밴드 채움(band filling)으로 전기적 특성을 제어하는 연구가 활발히 이루어 지고 있다6, 7). 특히, 상대적으로 작 고 가벼운 수소 결함은 산소 결함에 비해 격자 내에서 활 성화 에너지가 낮고, 이동 속도가 빠르므로, 수소 결함에 관한 기초 연구는 다양한 전자 소자 및 전기화학 소자에
Fig. 1. 격자 내 수소 결함의 중요한 역할의 예. a) p-type GaN의 수소 passivation1) b,c) ZnO 격자 내의 수소 도핑2,3)
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응용 가능하다는 측면에서 큰 파급효과를 낳을 것으로 예 상할 수 있다. 본 연구에서는 대표적인 correlated 산화 물인 VO2 격자 내에 과량의 수소 원자를 가역적으로 흡/
탈착하는 방법을 최초로 구현하였다. 단위 격자당 최대 2 개의 수소 원자를 고체 내 흡착할 수 있게 됨에 따라, 즉, HxVO2 에서 x의 양이 0부터 1 사이에서 변화함에 따라, 결정상 및 전기적 상이 어떻게 변화하는지를 체계적으로 탐색할 수 있게 되었다. 이를 통해서, 수소 원자가 제공 하는 전자가 correlated 산화물의 conduction band를 가역적으로 채움에 따라서 발생하는 독특한 상전이 현상 을 단결정 모델 시스템을 이용하여 탐색할 수 있게 되었 다(Fig. 3).
2. 본론
2.1 VO
2의 과량 수소화에 따른 결정 구조 변화
본 연구에서는 수소 점결함(point defect)외 다른 결함의 영향을 최소화 하고자 단결정 VO2 박막을 이용하였 다. 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition, PLD) 방법으로 (0001) Al2O3 및 (100) TIO2 단결정 기판 위에, 30 nm 두께의 (100)R 방향 VO2 에피택셜 박막을 성장시 켰다. 저온에서도 VO2 에피택셜 층의 충분한 수소화를 달성하기 위해, 나노 크기의 Pt 촉매를 이용한 수소 spillover 방법을 사용하였다(Fig. 4a). 나노 크기의 Pt는 수소 분자가 해리될 때의 에너지를 현저히 감 소 시키는 촉매로써 작용한다8-12). VO2 에피택셜 층 표면에 나노 크 기의 Pt island를 형성 한 후, Pt/VO2 샘플을 120 ℃에서 5% 수소가 포함된 Ar 가스 분위기 하에서 1시간 동안 열 처리를 진행하였다. 주사 투과 전자 현미경(STEM)에서 측정된 high-angle annular dark field(HAADF)와 annular bright field(ABF) 이미지에서 볼 수 있듯이 (Fig. 4b,c), VO2 박막의 수소화 후, 루틸 결정 구조가 파 괴되지 않고, VO2 격자 안에 가능한 모든 1차원의 [001]R 채널을 따라, interstitial 위치를 채우는 수소 원자가 명
Fig. 2. 전하, 오비탈, 격자, 스핀의 상호작용으로 형성된 correlated 상4) Fig. 3. 본 연구 개요30)
Fig. 4. a) 저온 공정을 이용한 VO2 수소 도핑 방법 b,c) HVO2의 HAADF-STEM, ABF-STEM 이미지, 수소 원자가 1차원 방향으로 잘 정렬 되어 있음.
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확하게 관찰되었다. ABF-STEM 이미지에 나타난 채널 안의 강한 contrast는 수소 원자가 빈 채널 영역에 1차원 방향으로 잘 정렬되어 있음을 나타낸다. 이와 같은 채널 속 contrast는 오직 VO2 층에서만 관측되었으며, TiO2 기판에서는 관찰되지 않는다. 이 차이는 TiO2 격자 내에 서 수소 이동이 없는 저온에서도 VO2 격자 내에서는 수 소가 활발히 이동함을 나타낸다9, 13, 14). 이와 같이 Pt 입자 를 이용한 수소화 방법은 활성화 에너지를 낮추어 줌으로 써 수소를 VO2 격자 내에만 선택적으로 충분히 주입할 수 있게 해 줄 뿐만 아니라, 저온에서 반응을 진행함으로써 산소 정공(oxygen vacancy) 형성 없이 VO2 결정 구조를 유지하면서 상 변화를 일으키는 topotactic phase transformation 이라는 것을 알 수 있다.
수소화 전후의 상전이는 XRD를 이용한 격자 상수 측 정을 통해서 정밀하게 알 수 있었다. Fig. 5a와 5b 는 각 각, (0001) Al2O3 및 (100) TiO2 기판 위에 형성된 VO2 박 막(파랑색)과 완전히 수소화 된 VO2 박막(주황색)의 대칭 적인 2θ-ω 측정을 나타낸 것이다. 저온 수소화 과정 후 에는, 밑에 있는 기판의 종류와 관계 없이, VO2 박막의
out-of-plane 격자 상수가 현저하게 팽창된 것이 관찰 되었다. VO2 박막의(200)R 회절 각은 수소화 전인 ~40.1°
(파랑색)에서 완전히 수소화 된 후 ~36.4°(주황색)로 out-of-plane 격자 상수의 ~10.2 %의 팽창에 해당하 는 매우 큰 변화를 나타내었다. 또한, 격자 팽창의 정도 는 장시간(~4 시간) 또는 더 높은 온도(~200 ℃)에서의 수소화 후에도 변화하지 않는 것으로 조사되었다. 이는 120 ℃에서의 수소화 후 VO2 내의 대부분의 가능한 자리 를 수소가 차지한다는 것을 나타낸다. 커진 격자 상수는 바나듐 원자가가 V4+ (반경 0.58 Å)에서 V3+ (반경 0.64 Å)의 변화로 설명 될 수 있다15, 16). 또한, 이와 같은 수소 화를 통한 현저한 out-of-plane 격자 상수 변화는 저온 탈수소화 과정을 통해서 가역적으로 되돌아가는 것을 확 인하였다. 기존 VO2 내에 작은 양의 수소가 도핑된 경우 에서는 루틸 구조로 구조적 변화를 일으키는 것으로 보고 하는 것과 달리8, 9, 13, 17), 본 연구의 수소화된 샘플은 명확 히 다른 변화를 보여주고 있다. 기존 연구의 작은 out- of-plane 격자 팽창(~0.4°)17)과는 달리, 본 연구의 수소 화된 박막에서는 매우 큰 out-of-plane 격자 팽창
Fig. 5. XRD를 통한 수소화 전후 결정구조 변화
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(>3.5°)이 관측 되었다. 더 중요한 것은, 본 연구에서는 수 소화 후에도 Kiessig fringes가 사라지지 않고 유지되는 것을 볼 수 있다. 이것은, 수소에 의한 현저한 격자 팽창 에도 불구하고, 수소화된 VO2 층은 격자 내 수소의 일정 한 ordering과 강한 채널링의 결과로 인해 수소화 이후 에도 고품질의 결정 상을 유지하는 것을 나타낸다.
구조 변화에 관해 더 많은 정보를 얻기 위해, (100) TIO2 기판위에 형성된 VO2 박막(Fig. 5c)과 완전히 수소 화된 박막(Fig. 5d)의 (101)R과 (110)R 반사면 주위에서 Reciprocal Space Mapping (RSM)을 측정하였고, 이를 이용하여 수소화 전후의 단위 셀의 부피를 산출하였다.
초기 VO2의 단위 셀 부피는 58.92 Å3으로 산출 되었으 며, 이것은 보고된 도핑되지 않은 bulk VO2의 단위 셀 부 피와 유사한 값을 가진다18, 19). 수소화된 박막의 경우, out-of-plane(<100>R)의 거대한 격자 팽창(~10.2%)에 도 불구하고, in-plane(<010>R 및 <001>R)의 격자는 상 대적으로 무시 할 수 있는 변화 밖에 보이지 않았다. 이것 은 in-plane의 격자가 기판과의 상호 작용에 의해 구속 되고, 제약이 없는 out-of-plane의 격자는 화학적 팽창
에 의해 늘어나는 것으로 보인다. 결과적으로, 수소화에 의한 이방성의 out-of-plane 격자 변화만으로 58.92 Å3 에서 64.23 Å3 (~9.0 %)까지의 단위 셀의 부피 팽창 이 나타난다. HxVO2 박막 중의 수소 농도(x)를 정량화하 기 위한 측정 기술은 매우 제한되어 있지만, 단위 셀의 부 피 변화는 포함된 수소 원자의 양과 거의 선형 관계를 나 타내는 것으로 알려졌다11)(Fig. 5e). 이에 따라, 본 연구 의 수소화된 샘플이 함유하고 있는 수소의 양은 단위 셀 당 두 개의 수소 원자를 가지는 것(x~1)과 부합하는 것을 알 수 있고, 이는 종래의 수소 도핑된 VO211, 20) 보다 훨씬 많은 양을 함유하고 있는 새로운 상(HVO2)을 나타낸다.
Rutherford Back-scattering Spectrometry(RBS)에 결부된 Elastic Recoil Detection(ERD)을 이용한 별도 의 정량적 측정으로도 수소화 후 산소를 잃지 않고 과량 의 수소(x~0.89 ± 0.05)가 격자 안에 포함된 것을 확인 하였다(Fig. 6). 이 결과는 단위 셀의 부피 팽창에서 얻은 앞의 수소 함량의 추정치와 일관된 결과를 보인다. 이를 수소 부피 밀도로 환산하면, 약 51.71 g/L로서, 기존 수 소 저장 소재인 금속 산화물(metal hydride)과 유사한
Fig. 6. RBS, ERD를 이용한 HxVO2 상의 수소의 정량 분석
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수소 부피 함량을 지니고 있는 산화물 기반 수소저장 소 재를 처음으로 구현한 것이다.
2.2 VO
2의 과량 수소화에 따른 전기적 상 변화
VO2 상에서 수소화에 따라 어떠한 전기적 상전이 과정 을 통해 최초로 보고된 HVO2 상이 형성되는지 수소화 및 탈수소화 과정을 in situ 면저항 측정으로 탐색하였다 (Fig. 7). 70 ℃에서, VO2 박막은 처음엔 면저항 RS ~ 100 ㏀Square-1 를 가지는 절연체상이지만, 수소를 주입 하자마자, 10분 안에 103 저항이 감소하여 금속상으로 변 화하는 것을 관찰하였다(Fig. 7a). 이 순간적인 금속상으 로의 변화는 V-V 이량체화의 약화와 함께, 수소가 conduction band를 구성하는 V 3d 오비탈에 전자를 채 우기 때문에 발생한다고 볼 수 있다8, 9, 13). 흥미롭게도, 수 소를 계속 주입할 경우, 105 저항이 증가하여 금속상에서 다시 절연체상으로 전이를 하는 것이 발견되었다. 이는 수소를 과량 함유하고 있는 HVO2가 절연체상임을 나타 내고 있다. 수소로 인해서 과량의 전자를 공급할 경우 오 히려 절연체가 되는 것은 서로 상충되는 특성이며, 기존 에 존재하지 않았던 신소재 특성이라고 할 수 있다. 이 수 소화된 절연체상은 대기 중에서 열처리하면 탈수소화가 일어나 쉽게 금속상으로 돌아간다. 120 ℃에서 수소화와 탈수소화를 반복했을 경우, 105 저항변화가 가역적으로 보이며, 금속-절연체 전기적 상전이가 일어난다(Fig.7b). 이러한 결과는 탈수소화된 금속상(HxVO2)-완전히 수소화된 절연체상(HVO2) 사이의 가역적 변화가 수소화 와 탈수소화 과정 속에서 일어나는 것을 시사하고 있다.
또한, 수소 함량이 서로 다른 HxVO2 상들의 온도에 따 른 전기적 상전이를 면저항 측정을 이용하여 검토 하였다 (Fig. 7c). bulk VO2에서 관찰 된 바와 같이, VO2 에피 층은 70 ℃ 부근에서 103 저항변화를 보이는 전형적인 온 도 의존성 금속-절연체 전이를 겪는다(Fig. 7c-Ⅰ). 수 소가 도핑되면 VO2의 절연체상은 70 ℃보다 낮은 온도(T
< Ttrans)에서도 불안정해져, 수소화된 금속상(HxVO2)이
나타난다8, 17)(Fig. 7c-Ⅱ,Ⅲ). 완전히 수소화가 되면 105
의 극적인 저항증가가 나타나고, 모든 온도 범위에서 수 소화된 절연체상(HVO2)이 안정해 지는 것으로 나타난다 (Fig. 7c-Ⅳ). 이러한 결과는 3개의 뚜렷하게 구분되는 전기적 상들(원래의 VO2; 수소화된 금속상의 HxVO2; 수 소화된 절연체상의 HVO2)이 VO2 격자 내의 수소 함유량 에 따라 topotactic하게 가역적으로 변환 될 수 있는 것 을 보여 주고 있다.
2.3 절연상 HVO
2의 물리적 원인 탐색
VO2의 수소화를 통해 발견된 HVO2 상이 절연체인 원 인을 밝히기 위해, 가속기 X-ray Photoemission Spectroscopy(XPS) 및 Near Edge X-ray Absorption Fine Structure(NEXAFS) 측정을 이용하여, VO2와 절 연체 HVO2의 전자 구조를 비교 분석하였다. 각 상의 V 2p 코어 레벨의 결합 에너지는 VO2에서는 V4+ (2p3/2 ~ 516 eV, 2p1/2 ~ 523.4 eV)와, HVO2에서는 V3+(2p3/2 ~ 515.6 eV, 2p1/2 ~ 522.9 eV)와 전자가(valence state) 가 잘 일치한다21)(Fig. 8a). 이것은 VO2가 충분히 수소화 되서 HVO2로 상전이 했을 경우, 전자가가 V4+에서 V3+로
Fig. 7. 수소 함량에 따른 HxVO2의 전기적 상 변화. 절연체 HVO2 상을 확인
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완전히 변환하는 것을 나타낸다21). 또한, O 1s 코어 레벨 의 스펙트럼은 V-O와 O-H 피크로 분리 할 수 있는데, HVO2의 스펙트럼에서 크게 증가한 O-H 피크의 비율은 수소화 후 채널 안에서 강한 O-H 결합이 형성됨을 일관 되게 보여준다22)(Fig. 8a). 다전자가를 가지는 바나듐 원 자는 전자가의 변환(V4+/V3+)이 쉽기 때문에, 산소에 결 합된 수소가 VO2와 HVO2 사이의 부피 팽창에 관여하는 구조적 상전이를 수월하게 일으키는 것으로 보인다.
구조적 상전이와 일으키는 것과 동시에, 수소는 conduction band에 전자를 공급하는 것이 예상된다. 수 소화 전후, VO2의 conduction (t2g) band 채움 변화를 알 기 위해, V L-edge(Fig. 8b)와 O K-edge(Fig. 8c)의 NEXAFS 스펙트럼을 측정하였다23). 수소화 후, 두 가지 뚜렷한 변화가 관찰되었다. 하나는 V4+에서 V3+로 산화 수 변화에 따른 V LⅢ (516.2 eV → 515.4 eV)와 V LⅡ (522.8 eV → 522.0 eV)의 화학적 이동이다. 다른 하나 는 HVO2의 O K-edge의 첫 번째 피크가 크게 감소한 것 이다. O K-edge는 O 1s 코어 레벨의 전자가 O 2p 레벨 로 이동되는 것에 의해 측정 되지만, O 2p 레벨과 V 3d 레벨 사이의 강한 혼성(hybrid)을 형성하기 때문에, O K-edge 스펙트럼은 V 3d 레벨이 채워진 정도에 대한 정 보를 제공한다. 528.6 eV에 나타난 첫 번째 피크는 V 3dxz, 3dyz 그리고/또는 3dx2-y2 오비탈에 의해 형성된 t2g
(또는 π*/d||) 밴드에 해당한다23, 24). O K-edge에서 나 타난 t2g 피크의 현저한 감소는 수소에 의해 t2g 밴드에 많 은 전자가 채워 진다는 것을 시사하며, 이는 수소에 의해 공급되는 전자가 오히려 밴드갭을 만들어 절연체로 상전 이를 야기하는데 큰 역할을 한다는 것을 알려 준다. 이와 같은 기작은, 수소가 소재에 전자를 제공함에도 오히려 절연체가 되는 역설적인 자연 현상으로, d-밴드 채움에 영향을 크게 받는 correlated 산화물에서만 나타날 수 있 는 독특한 특성이다.
본 연구는 격자 내 수소 interstitial 결함 양을 순차적 으로 조절 함으로써 대표적인 correlated 산화물인 VO2 의 conduction (t2g) band 채움에 따른 가역적 상전이 현 상을 체계적이고, 직접적으로 관찰하였다. 이를 통해, 보 고된 적이 없는 절연체 HVO2 상을 최초로 실험을 통해 보여줬다는데 의의가 크다. 새로 발견된 HVO2 상이 절연 체인 원인을 더 자세히 토의하기 위해서, 공동연구를 통 해 제일원리계산을 수행하였다. 계산에는 screened hybrid functional을 이용하였으며25), VO2의 정확한 구 조 및 전자 특성, 즉 격자 상수와 밴드 갭을 확인하였다.
본 연구의 실험 결과는 격자 팽창에 의한 구조적 변화와 과량의 전자 도핑에 의한 화학 포텐셜 변화가 절연체 HVO2 상과 밀접한 관련이 있다는 것을 알려준다. 특히, 수소에 의해 공급된 다수의 전자를 가지는 HVO2 상의 절
Fig. 8. 가속기 XPS, NEXAFS를 통한 HVO2 절연체 상의 원인 탐색
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연체인 특성을 설명하기 위해서는, 공급된 전자가 미치는 영향이 양성자의 영향으로부터 분리되어 고려되어야 한 다. 먼저, 전자가 격자 팽창에 미치는 영향을 조사하기 위 해, VO2 + 2e-(VO2 단위 셀 내에 2개까지의 전자를 추 가, Fig. 9a)와 VO2 + 2H(VO2 단위 셀 내에 2개까지의 수소 원자를 추가, Fig. 9b)의 구조 안정성을 a축 격자 팽 창에 따라 계산하였다. 그 결과, 전자 또는 수소가 루틸 VO2 격자에 추가되면, a 축으로 팽창된 결정 구조가 에 너지적으로 안정하게 된다. 즉, a축 격자 상수가 단위 셀 당 2개의 전자가 들어가 경우 16% 팽창, 단위 셀 당 2개 의 수소 원자가 들어갈 경우 10% 팽창되었을 때 가장 낮 은 에너지를 갖는다. 이러한 계산 결과는 앞의 실험 결과 와 일치한다. 또, 팽창된 격자 상수를 가지는 도핑되지 않 은 루틸 VO2 상(Fig. 9c), 과량의 전자가 도핑된 VO2 상 (Fig. 9d, 팽창된 VO2 + 2e-), 그리고 수소가 도핑된 VO2 상(Fig. 9e, 팽창된 VO2 + 2H)의 전자상태밀도 (Density Of State, DOS)를 계산하여 비교하였다. 계산 결과는 과량의 전자 도핑 또는 수소 도핑에 의해 t2g 밴드 가 valence band 끝으로 이동하고 있음을 보여주고 있 다. 이로써 순수한 전자 도핑의 경우 1.3 eV(Fig. 9d), 수
소 도핑의 경우 0.6 eV(Fig. 9e)의 밴드갭이 열리고 절연 체상이 된다. 계산된 전자상태밀도에서 나타난 전자의 t2g 밴드 점유율 증가는 O K-edge 스펙트럼에서 나타난 t2g 피크의 큰 감소와 일치하는 결과이다. 전자 도핑된 VO2 및 수소 도핑된 VO2 상 모두에서 보이는 격자 팽창 과 밴드갭 열림의 공통된 경향은 수소의 역할이 conduction band에 전자를 가역적으로 공급하는 것이 며, 공급된 전자가 구조의 팽창 및 갭 열림에 주로 관여하 고 있다는 것을 나타낸다.
과도한 수소화에 의해 공급된 과량의 전자는 HxVO2 상 을 3d 2 계에 접근시킨다. 또한, 원래의 M-VO2 상과 비 교해서 Peierls V-V 이합체화는 HVO2 상이 되면 줄어 드는 것으로 보여진다. 이는 이합체화가 절연체상의 원인 일 가능성이 낮다는 것을 분명히 알려 준다. 그 대신, 수 소에 의해 공급된 전자는 electron-lattice coupling에 의해 격자를 팽창 시킨다. 그리고 이 팽창은 좁은 d-밴드 에서 더 강한 전자 correlation을 일으키는 것으로 보이 며, 이는 절연성 HVO2 상의 밴드갭을 형성하는데 중요한 역할을 하는 것으로 보인다.
Fig. 9. 제일원리계산을 통한 절연체 HVO2의 a,b) 구조 안정성 및 c,d,e) 밴드갭 형성 과정 탐색
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3. 결론 및 파급 효과
VO2 격자 내에서는, 수소화 과정을 통해 공급된 수소 이온을 통해, 수소에서 산소로 전자 이동이 일어나게 된 다. 많은 양의 수소화가 일어나게 되면, 다량의 전자가 VO2의 좁은 t2g 밴드를 채우게 됨에 따라, 전자간의 상호 작용이 커지게 되며, 결국 HVO2가 되었을 때에는 밴드갭 을 형성하여 절연체 상태로 상전이를 하게 된다. 특히, 본 연구는 잘 디자인된 모델실험을 통해서 격자 내에서 산소 정공의 형성 없이 topotactic phase transition을 통해 수소를 도핑 할 수 있었으며, 이를 통해 수소 도핑이 많은 양의 전자를 격자 내에 제공할 수 있는 가장 효율적인 방 법임을 제시하였다. 또, 본 연구에서 입증한 고농도 전자 가 제공된 HVO2 상이 절연체를 나타낸다는 사실은 매우 독창적이고 이례적인 결과로서, correlated 산화물의 저 농도 수소 도핑에 관한 기존의 결과8, 13)에서 할 걸음 더 나아가 correlated 산화물을 좀 더 깊게 이해할 수 있는 계기를 만들었다.
이와 같은 독창적인 소재 원천 기술은 과학적으로 큰 의미를 가지는 동시에, 차세대 전자 소자 및 에너지 소자 에 응용이 가능하여, 산업적으로도 큰 파급효과가 예상된
다(Fig. 10). 먼저, 수소 농도에 따른 105의 저항변화 특 성은 고용량 데이터 처리가 가능한 멀티레벨 스위칭 소자 로 응용 가능하며, 기존의 디지털 컴퓨팅의 한계를 뛰어 넘어, 지능형 병렬처리 시스템을 하드웨어 수준에서 구현 가능한 저전력 스위칭 소자에 핵심 소재로도 주목 될 수
있다26, 27). 두 번째로, 51.71 g/L의 수소 부피 용량을 가
진 가역적 저장 특성은 수소 저장 소재로서의 가능성을 보여주고 있으며, 기존의 금속 수화물 기반의 수소저장소 재보다 안정성, 가역성 측면에서 장점이 있는 소재로 발 전될 수 있다. 마지막으로, 수소 양이 증가함에 따라, 금 속에서 절연체로 전이하는 이 독특한 특성이 차세대 초소 형 전원으로 각광을 받고 있는 마이크로 연료 전지 (micro-fuel cell)의 소형화에 따른 문제점을 해결하는 실마리가 될 수 있다. 마이크로 연료 전지에 사용되는 기 존 고체전해질은 수소 분위기에서 연료 주입이 이루어지 며, 이때 전기적으로 통전(leakage)이 발생하여 양극과 음극이 쇼트가 나는 치명적인 문제점을 가지고 있다. 그 러나 수소 분위기에서 오히려 절연체가 되는 본 연구 신 소재를 이용하게 되면, 이와 같은 문제점을 단번에 해결 하고, 연료전지의 고체전해질 안정성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다28,29).
Fig. 10. 본 연구의 파급효과
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손 준 우
2017.03-현재 포항공과대학교 신소재공학과 부교수
2012.11-2017.02 포항공과대학교 신소재공학과 조교수
2011.07-2012.10 UC Santa Barbara MRL 박사후 연구원
2011.06 UC Santa Barbara 재료공학과 박사
2005.02 서울대학교 재료공학부 학사
윤 효 진
2014.03-현재 포항공과대학교 신소재공학과 박사과정
2014.02 포항공과대학교 신소재공학과 학사
