158…NICE, 제20권 제2호, 2002
(Direct splitting of water under visible light irradiation with an oxide semiconductor
photocatalyst)
태양빛을 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하 는 안정적이고 효율적인 물질은 큰 축복이다. 물 과 태양빛은 둘 다 재생 가능한 자원이며 값도 싸 다. 그리고 최종 생산품의 하나인 수소는 청정연 료이며, 타고 나면 물만 남는다. 연구자들은 이러 한 물질을 찾아왔는데, Zou 등은 무기 광화학의 성배(Holy Grail)를 향한 한가지 방법을 제시하고 있다.
태양에너지를 전환하고 저장하는 시스템은 반 드시 3가지 요건을 갖추어야 한다. 첫째로, 태양빛 은 광촉매에 의하여 효율적으로 흡수되어 여기된 전자를 만들어야 한다. 둘째로, 화학적 또는 전기 적인 일을 얻기 위해서, 빛에 의해서 여기된 전자 와 전공은 공간적으로 분리되어 다시 결합하지 않 아야 한다. 셋째로, 빛에 의해 여기된 전하는 목적 하는 화학적 전환–예를 들면 물의 분해–을 할 수 있는 에너지를 가지고 있어야 한다. 그리고, 이 전하는 원하지 않는 부산물인 열을 만들지 않아야 하며, 화학적으로 변환되거나 광촉매의 성능을 저 하시키지 않아야 한다. 이 모든 조건을 동시에 만 족시키는 것은 아주 어렵다.
가장 흔한 방법은 반도체를 광흡수제로 사용하 는 것이다. 반도체는 일반적으로 넓은 범위에서 강한 광 흡수성을 가지므로, 첫번째 조건을 만족
한다. 그리고, 전하의 분리가 반도체와 전해액의 계면에서의 전기장에 의해서 촉진되므로, 두번째 조건도 만족시킨다. 전해액은 광화학 반응에 의해 서 연료로 전환될 화학원료를 제공하며, 전하의 이동 통로를 제공하여 물 분해가 일어나는 전해조 의 전기회로를 완성시킨다. [그림 1]은 반도체-전 해조를 비롯하여 태양의 에너지를 전환하는 다양 한 방법을 보여 준다.
핵심적인 요구조건은 3번째 것으로, 빛에 의해 서 여기된 전하가 물을 효율적으로 분해할 수 있 느냐는 것이다. 1972년에 결정성 TiO2를 광 전극 으로 사용하여 태양빛으로 물을 전기분해하는 기 념비적인 논문이 발표되었으며, 수많은 유사한 연 구를 촉발시켰다. 그 결과로 SrTiO3및 KTaO3를 비롯한 몇 가지 금속 산화물들이 물을 태양빛에 이해서 수소와 산소로 분해할 수 있는 것으로 밝 혀졌다.
그러나, 이러한 물분해 시스템은 실용화에 근본 적인 문제점을 가지고 있다. 비록 SrTiO3 및 KTaO3 등이 흡수한 광자를 화학적 연료로 효율 적으로 전환시키기는 하지만, 이들 금속 산화물의 밴드갭이 너무 커서 태양빛 속의 광자를 효율적으 로 흡수하지는 못한다.
따라서, 이러한 시스템의 전체 에너지 전환 효율 은 1~2%에 불과하다. CdTe(metal chalcogenide) 나 InP(III-V 반도체) 등은 밴드갭이 작아서 지상 에 도달하는 태양빛의 스펙트럼과 더 잘 맞으나, 수용액에서 광 전극으로 사용하면 부식이 되거나 활성을 잃게 된다. ZnO나 Fe2O3처럼 금속 산화물 의 밴드갭을 더 작게 만들면, 반도체에서의 빛에 의해서 여기된 전자의 포텐샬이 물을 수소로 환원 시키는 포텐샬 보다 더 양의 값을 가지게 되어 1
기압에서는 이 반응이 열역학적으로 불합리하게 된다.
결국 문제는 다음과 같다. 물속에서 안정적이고 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 물질은 태양 빛을 효율적으로 흡수하지 않으며, 태양빛을 효율 적으로 흡수하는 물질은 광화학적 물분해를 유지 하지 못한다 그러나, 1.5~1.6eV의 밴드갭을 가지 는 물질은 1기압에서 물을 전기 분해하는데 필요 한 1.23eV의 자유에너지를 공급할 수 있으므로, 이러한 제약이 열역학적 근본에 의한 것은 아니며, 빛을 흡수하는 물질의 광학적, 전자적 및 화학적 인 특성이 복합적으로 작용한 결과이다.
Zou 등의 일은 재료와 관련된 이러한 제약들을 극복할 수 있다는 희망을 준다. 저자들은 Ni을 InTaO4에 도입하여 In1-xNixTiO4 복합재 광전극 을 제작하여 빛의 흡수 파장대가 가시광선 영역으 로 확장되었으며, 빛에 의해 여기된 전자들은 물 을 수소로 환원하기에 충분한 에너지를 여전히 가 지고 있었다. 이와 동시에 빛에 의해서 형성된 정 공들은 물을 산소로 산화시키고 회로를 완성하여, 물분해 반응을 진행시킨다. Zou 등은 420nm의 파 장까지도 물분해에 사용할 수 있음을 보였다. 발 생된 수소와 산소의 몰수가 광전극 속의 환원된 물질의 양보다 많으므로, 이 시스템은 안정적인 것으로 판단된다.
그러나 Zou 등의 시스템도 전환효율이 1% 이 하이므로, 문제가 다 해결된 것은 아니다. 가시광 선 영역의 빛을 더 많이 흡수하는 물질을 만드는 것이 다음 단계의 연구과제다. 1기압에서 수소와 산소를 형성하는데 따르는 에너지의 제약 때문에, 태양빛을 저장된 에너지로 전환하는 단일 threshold 소자의 최적 밴드갭은 1.1~1.7 eV이다.
금속 산화물을 사용할 때 생기는 에너지 및 광흡 수에 관한 제약의 한계는 이론적이나 실험적으로 잘 이해되지 않고 있다. 따라서, 태양빛을 전환하
고 저장하는 복합적인 광촉매 시스템을 개발하기 위해서는 이 분야의 발전이 필수적이다.
생물계에는 광분해 공정에 관한 모든 것이 존재 한다는 점은 매우 고무적이다. 식물의 광시스템 II 는 물로부터 산소를 생산한다. 수소화 효소는 물 을 수소로 환원시킨다. 그리고, 식물의 엽록소에서 유도된 에너지 수확 및 전하분리 요소들과 박테리 아에 의한 광합성은 효율적인 광흡수와 전하분리 구조의 모델을 제공한다. 그러나, 식물들도 태양빛 을 전환하는 최적화된 기계라고 하기는 어렵다.
잎사귀에 내려 쪼이는 태양빛의 3~4%만이 고아 합성에 의해서 저장된다. 인공적인 광합성 시스템 은 생물체로부터 영감을 얻을 수 있지만, 그 목표 는 생물체를 능가하는 것이다. Zou 등의 결과가 훌륭하기는 하지만, 자연계를 능가할 때 까지는
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 2, 2002…159
신·기·술·소·개
그림 1. 태양빛으로부터 연료나 전기를 만드는 에너 지 전환 전략들. 왼쪽, 광합성에서는, 식물들은 태양빛 을 이용하여 물과 이산화탄소로부터 설탕과 산소를 생산한다. 오른쪽, 광전지는 태양빛을 직접 전기로 전 환한다. 태양전지에 태양빛이 쪼이면, 전자가 반도체 (왼쪽부분)로부터 나와서 금속 전극(오른쪽 부분)으로 흐른다. 가운데 Zou 등이 사용한 시스템으로 연료인 수소를 생산한다. 반도체와 금속전극이 물속에 잠겨 있다. 태양빛이 쪼이면, 빛에 의해 여기된 전자가 물 을 환원하여 수소를 만들고, 정공들은 물을 산화시켜 산소를 만든다. Zou 등은 니켈로 인디움-산화탄탈륨 을 도핑 했으며, 이 물질이 가시광선 영역의 빛을 흡 수함을 발견하였다.
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신·기·술·소·개
먼 길을 가야 할 것이다[Nature, Vol. 414, p. 625 (2001)].
지난 25년 간 전자산업에서의 소형화는 과학적/
경제적 진보의 핵심적인 역할을 해왔으며 나노 전 자공학은 차세대의 프론티어로 주목받고 있다. 본 보고서는 나노 컴퓨터의 실현을 위한 획기적인 진 보들에 대하여 간략하게 소개한다.
최근 몇 년 동안, 연구자들은 탄소 나노튜브를 근간으로 하는 분자 크기의 트랜지스터와 반도체 나노와이어에 대하여 보고해 오고 있다. 그러나 최근에 Science 29권 page 1317과 1313에 소개된 Bachtold와 Huang 두 그룹의 연구결과는 최초로 단일 디바이스 수준에서 회로수준으로 발전시킨 분자 전자공학의 진보라고 할 수 있다. 이 두 그룹 은 분자 디바이스의 실용화에 필수적인 두 가지 조 건을 만족하는 새로운 방법을 고안하였다. 여기서 두 가지 조건이란 첫째, 트랜지스터들이 출력/입력 비가 1보다 커서 신호의 증폭을 실현하여야 한다 는 것이고, 둘째 각각의 트랜지스터가 할당된 ‘게 이트’ 접촉에 의하여 조절되어야 한다는 것이다.
Batchtold그룹의 연구는 실리콘 지지체에 흡착 된 반도체 나노튜브가 오늘날의 마이크로 컴퓨터 의 트랜지스터와 같은 거동을 보인다는 동 연구진 의 이전 연구결과를 확장한 것이다. 그러나 이전 의 연구에서는 조절 게이트 접촉이 실리콘 칩 전 체로 이루어 졌기 때문에, 설치된 다중 나노튜브 가 동시에 작동되어야 했으며, 실리콘 옥사이드 절연체의 두께가 두꺼워서 파워 게인이 1보다 작 은 단점이 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위하 여 동 연구진은 로컬 게이트 접촉의 패턴 형성을 위하여 전자선 식각법을 적용한 후 공기 중에 노
출시켜 매우 얇은 절연층을 만들어 내었다. 이 결 과로 절연층의 두께가 현저하게 감소되어 나노 튜 브 트랜지스터가 10 이상의 높은 출력/입력 비율 을 나타내며 독립적으로 작동할 수 있게 되었다.
이러한 나노튜브 트랜지스터를 식각에 의하여 생 성된 금 연결부과 함께 연결하여 일련의 논리 회 로를 설계하였다.
Huang의 그룹도 회로를 만들기 위한 이전의 연구를 진보시켰는데, 금년 초에 나노와이어로 이 루어진 다이오드와 쌍극 트랜지스터에 대하여 소 개한 바 있다. 위에 명시된 연구에서, 동 연구진은 OR과 AND 게이트를 다이오드만으로 조립하였 지만, 다른 종류의 회로의 구성을 위하여 나노와 이어 트랜지스터의 개발이 필요하였다. 새로운 나 노와이어 트랜지스터는 두 개의 나노와이어를 교 차시킨 후 산화 절연층을 만들기 위하여 가열하였 다. Bachtold의 나노튜브 트랜지스터와 마찬가지 로 나노와이어 트랜지스터는 절연층 내에서 로컬 게이트 접촉을 특징으로 하며 트랜지스터 회로로 쉽게 변환될 수 있다. 한 가지 특이한 점은 Huang 등이 개발한 나노와이어 트랜지스터는 식각과 같 은 ‘top-down’ 방법이 없이 미세 유체를 활용한
‘bottom-up’ 방식의 병렬 조립법으로 조립된다는 사실이다. 이러한 특징으로 인하여 많은 수의 디 바이스를 만들어 재현성있게 시험할 수 있는 장점 이 있다.
위에서 언급한 두 연구 그룹이외에도 여러 연구 자들에 의하여 분자 크기의 컴퓨터를 개발하기 위 한 다각적인 노력이 전개되고 있는데, 전체적으로 크게 네 가지 방법으로 분류해 볼 수 있다[그림 1]. 이를 나열해 보면, 반도체와 금속의 나노와이 어, 탄소 나노튜브와 fullerene, 저분자 유기 물질, 그리고 생물 분자를 이용하는 방법이다.
현재까지 이룩한 나노 전자공학의 가장 주목할 만한 진보는 각각의 분자 또는 분자 크기의 구조
