[논문]GaN를 이용한 광전기화학적 물분해

오일환

doi:10.5229/jkes.2014.17.1.1

GaN를 이용한 광전기화학적 물분해
Photoelectrochemical Water Splitting Using GaN 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.17 no.1, 2014년, pp.1 - 6

초록
AI-Helper

본 총설은 질화 갈륨(GaN)을 이용한 광전기화학적 물분해 연구에 대해 정리하였다. GaN는 화학적으로 안정하고 에너지 띠간격 조절이 자유롭다는 장점으로 최근 물분해를 위한 새로운 광전극 물질로 연구되고 있다. 다른 화합물 반도체 물질은 강산 혹은 강염기 전해액에 의해 쉽게 부식되기 때문에 광산화전극(photoanode)으로는 사용이 어려운 반면, n형 GaN는 뛰어난 안정성 덕분에 산화 분위기의 산소 발생 전극으로도 활용이 가능하다. 또한, 최근에는 p형 GaN을 환원전극으로 이용한 광전극에 대한 연구도 보고되었다. GaN 물질이 실제 응용되기 위해 필요한 과제들에 대해 다루었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This review article summarizes photoelectrochemical water splitting using gallium nitride (GaN). GaN materials have been studied as novel photoelectrode material due to its chemical stability and easy band gap engineering. Unlike other semiconductor materials that are easily corroded in strongly acidic or alkaline electrolyte, n-type GaN is chemically stable enough to be used as photoanode in oxygen evolution reaction. Furthermore, studies on p-type GaN have been recently reported. This review briefly discusses problems that need to be solved before GaN materials find widespread use in solar fuel application.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한 Si, GaAs 등 다른 반도체 물질에 비해 화학적 안정성이 매우 뛰어나서 강산, 강염기 환경의 전해질 환경에서 광환원전극(photocathode)으로뿐 아니라 광산화전극(photoanode)으로도 사용될 수 있다. 본 총설에서는 상대적으로 새로운 광전극 물질로 부상하고 있는 GaN를 이용한 물분해 연구에 대해 검토하고 향후 연구 과제들을 살펴 본다.
이러한 광전기화학적 수소 생산에 대한 핵심 과제를 해결하기 위해 다양한 광전극 물질들이 개발되고 있다. 본 총설에서는 최근 새로운 광전극 물질로 관심을 받고 있는 질화 갈륨 (Gallium nitride; GaN)에 대한 연구 결과를 정리하였다. GaN은 애초에 푸른 빛을 내는 발광다이오드 (light emitting diode; LED)를 위해 개발되었다.

제안 방법

Domen 그룹은 GaN 와 ZnO의 고체 용액 (solid solution)을 제조하여 그 입자 표면을 Cr과 Rh으로 담지한 광촉매를 개발하였다.^13-17) 조성식 (Ga_1−xZn_x)(N_1−xO_x) 인 이 광촉매 물질은 광자 파장 420-440 nm에서 약 2.
4) 이러한 방식으로 평평한 GaN 광전극에 비해 광전류가 상당히 증가함을 보였다. 또한 동일 논문에서 재성장 (regrowth)에 의해 GaN의 표면적을 크게 하여 광전류가 커지는 것을 관찰하였다. 그러나 GaN의 표면적이 증가한다고 반드시 광전류가 향상되는 것은 아니다.
본 총설은 GaN 기판을 광전극으로 사용하여 광전기화학적으로 물분해를 수행하는 방식에 집중하였으나, 이른바 ‘광촉매(photocatalysis)’라 불리는 물분해 방식도 언급할 만하다.
4e V로 너무 커서 자외선 영역만을 흡수기 때문에 에너지 변환 효율이 근본적으로 낮다. 태양광 스펙트럼을 효율적으로 이용하지 못하는 문제를 해결하기 위해 GaN 결정격자에 In이나 Al등을 넣어 합금을 만들어 띠간격을 줄여 광전류를 높이는 접근이 시도되었다.^6,7) Fig.

대상 데이터

The inset schematically illustrates the sample with an Ohmic contact electrode and a metal wire (B) Current-potential curves of plain n-GaN sample 1, n-GaN with metal stripes sample 2, and n-GaN with metal stripes and n-GaN ridges sample 3 under illumination. 1 M NaOH was used as an electrolyte. Reprinted with permission from ref.

성능/효과

4) Fig. 2와 같이 광전기화학 셀을 구성하여 n-GaN 광전극에서는 산소가, Pt 상대전 극에서는 수소가 발생토록 했다. Fig.
유사한 개념으로, Nakamura 그룹은 평평한 GaN 표면 위에 금속선 배열을 형성한 후 선택 영역 성장 (selective area growth)을 통해 GaN 을 부분적으로 성장시켰다.⁹⁾ (Fig. 4) 이러한 방식으로 평평한 GaN 광전극에 비해 광전류가 상당히 증가함을 보였다. 또한 동일 논문에서 재성장 (regrowth)에 의해 GaN의 표면적을 크게 하여 광전류가 커지는 것을 관찰하였다.
기판 위에 GaN 나노선을 성장시켜 표면에 고정된 광촉매로 물분해를 일으키는 방식을 택했는데, 이는 광전기화학적 방식과 광촉매 방식의 절충이라고 볼 수 있다. GaN 나노선 표면에 Rh/Cr 촉매를 증착하여 효율적으로 물분해를 수행할 수 있음을 보였다. 또한, In을 첨가한 InGaN/GaN core/shell 구조를 제작해 양자효율이 27%에 이르는 고효율을 달성했다.
Mi 등은¹⁰⁾ Si 기판 위에 GaN 나노선을 성장하였고 도핑을 조절하여 광전류가 변화됨을 관찰하였다. 광자 파장 350 nm에서 undoped GaN의 최대 양자효율이 15%인 반면, Si-doped GaN 의 최대 양자효율은 18%로 증가하였다. 이것은 도핑으로 인해 결핍층의 두께가 줄어들기 때문으로 보았다.
78N 경우 최대 도핑 농도가 5 × 10¹⁸cm⁻³까지 증가한다. 또한 In 첨가로 에너지 띠간격이 줄어들어 광전류도 상당히 증가함을 보였다. (Fig.
5%의 양자 효율을 보이는데, 이는 기존 광촉매에 비해 약10배 큰 값이다. 또한 화학적 안정성이 우수하여, 장시간 물분해 반응을 진행시킨 후에도 그 활성이 안정적으로 유지됨을 보였다.
GaN 나노선 표면에 Rh/Cr 촉매를 증착하여 효율적으로 물분해를 수행할 수 있음을 보였다. 또한, In을 첨가한 InGaN/GaN core/shell 구조를 제작해 양자효율이 27%에 이르는 고효율을 달성했다.
한편 GaN가 KOH 등 알칼리 용액에서 식각된다는 것은 잘 알려진 사실이다. 물분해 실험 전후 GaN 전극의 무게를 측정하여 알칼리 용액에서 n형 GaN가 산화전극으로 사용될 때 다음의 부식 반응이 동시에 일어난다는 것이 밝혀졌다.

후속연구

두 번째로, 새로운 기판에 성장된 GaN을 이용한 연구가 필요하다. 기존 GaN 성장은 주로 사파이어 기판 위에 진행되었는데, 이 기판은 상당히 고가이어서 실용성이 떨어지고 부도체이므로 셀 구성에 어려움이 발생한다.
기존 GaN 성장은 주로 사파이어 기판 위에 진행되었는데, 이 기판은 상당히 고가이어서 실용성이 떨어지고 부도체이므로 셀 구성에 어려움이 발생한다. 저렴한 Si이나 스텐레스 기판 등에 GaN을 성장시켜 광전극으로 활용할 수 있으면 실용성이 높은 물분해 소자를 제작할 수 있을 것이다. 또한, p형 GaN의 활용성도 높아질 것인데, 앞서 서술한 바와 같이, p형 GaN은 비저항이 높아 전류 밀집 문제가 생기는데 도체 혹은 반도체 기판 위에 p형 GaN이 있으면 이러한 문제가 훨씬 완화될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 화석연료의 문제로 수소 경제가 제안되었다. 화석연료의 문제점은 무엇인가?	기존 화석연료에 기반한 에너지 시스템은 지구온난화, 환경오염, 자원고갈 등의 문제를 일으키므로, 그 대안으로 이른바 ‘수소 경제(hydrogen economy)’가 제안되었다. 수소 경제란 기존 화석연료 대신에 수소연료를 에너지 수송자 (energy carrier)로 사용하는 것으로, 이를 실현하기 위한 가장 원천적이고 핵심적인 문제 중 하나는 수소 연료를 온실가스나 오염 물질을 배출하지 않으면서 경제적으로 생산하는 것이다.
	질화 갈륨의 장점은?	본 총설은 질화 갈륨(GaN)을 이용한 광전기화학적 물분해 연구에 대해 정리하였다. GaN는 화학적으로 안정하고 에너지 띠간격 조절이 자유롭다는 장점으로 최근 물분해를 위한 새로운 광전극 물질로 연구되고 있다. 다른 화합물 반도체 물질은 강산 혹은 강염기 전해액에 의해 쉽게 부식되기 때문에 광산화전극(photoanode)으로는 사용이 어려운 반면, n형 GaN는 뛰어난 안정성 덕분에 산화 분위기의 산소 발생 전극으로도 활용이 가능하다.
	물분해 연구 중 GaN 표면 증착과 새로운 기판을 해결해야하는 이유는?	우선, 적절한 전기촉매로 GaN 표면에 증착시키는 연구가 필요하다. 기존 대부분의 연구에서 별도의 물분해 전기촉매가 증착 되지 않은 bare GaN을 이용했기 때문에 과전압이 크고 띠 이론적으로 충분히 자발적 물분해가 가능한 상황임에도 실제로 그것을 구현하지 못하고 있다. 전기촉매 증착 방법에 대한 연구뿐 아니라, 다른 전기촉매/반도체에 적용되는 이론 (pinch-off theory 등)이 GaN 경우에도 적용되는지에 대한 연구가 필요하다.20,21)

참고문헌 (21)

J. A. Turner, 'Sustainable Hydrogen Production' Science, 305, 972 (2004).

상세보기
M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, N. S. Lewis, 'Solar Water Splitting Cells' Chem. Rev., 110, 6446 (2010).

상세보기
A. Fujishima, K. Honda, 'Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode' Nature, 238, 37 (1972).

상세보기
K. Fujii, T. Karasawa, K. Ohkawa, 'Hydrogen gas generation by splitting aqueous water using n-type GaN photoelectrode with anodic oxidation' Jap. J. Appl. Phys., 44, L543 (2005).

상세보기
K. Fujii, K. Ohkawa, 'Hydrogen generation from aqueous water using n-GaN by photoassisted electrolysis' physica status solidi (c), 3, 2270 (2006).

상세보기
K. Fujii, M. Ono, T. Ito, Y. Iwaki, A. Hirako, K. Ohkawa, 'Band-edge energies and photoelectrochemical properties of n-type Al(x)Ga(1-x)N and In(y)Ga(1-y)N alloys' J. Electrochem. Soc., 154, B175 (2007).

상세보기
J. Li, J. Y. Lin, H. X. Jiang, 'Direct hydrogen gas generation by using InGaN epilayers as working electrodes' Appl. Phys. Lett., 93, 162107 (2008).

상세보기
S.-Y. Liu, J. K. Sheu, C.-K. Tseng, J.-C. Ye, K. H. Chang, M. L. Lee, W. C. Lai, 'Improved Hydrogen Gas Generation Rate of n-GaN Photoelectrode with SiO2 Protection Layer on the Ohmic Contacts from the Electrolyte' J. Electrochem. Soc., 157, B266 (2010).

상세보기
I. Waki, D. Cohen, R. Lal, U. Mishra, S. P. DenBaars, S. Nakamura, 'Direct water photoelectrolysis with patterned n-GaN' Appl. Phys. Lett., 91, 193519 (2007).
B. AlOtaibi, M. Harati, S. Fan, S. Zhao, H. P. T. Nguyen, M. G. Kibria, Z. Mi, 'High efficiency photoelectrochemical water splitting and hydrogen generation using GaN nanowire photoelectrode' Nanotechnology, 24, 175401 (2013).

상세보기
S.-Y. Liu, J. Sheu, M. Lee, Y.-C. Lin, S. Tu, F. Huang, W. Lai, 'Immersed finger-type indium tin oxide ohmic contacts on p-GaN photoelectrodes for photoelectrochemical hydrogen generation' Optics Express, 20, A190 (2012).

상세보기
K. Aryal, B. N. Pantha, J. Li, J. Y. Lin, H. X. Jiang, 'Hydrogen generation by solar water splitting using p- InGaN photoelectrochemical cells' Appl. Phys. Lett., 96, 052110 (2010).

상세보기
N. Arai, N. Saito, H. Nishiyama, K. Domen, H. Kobayashi, K. Sato, Y. Inoue, 'Effects of divalent metal ion ( $Mg^{2+}$ , $Zn^{2+}$ and $Be^{2+}$ ) doping on photocatalytic activity of ruthenium oxide-loaded gallium nitride for water splitting' Catalysis Today, 129, 407 (2007).

상세보기
N. Arai, N. Saito, H. Nishiyama, Y. Inoue, K. Domen, K. Sato, 'Overall water splitting by RuO2-dispersed divalent-ion-doped GaN photocatalysts with d(10) electronic configuration' Chem. Lett., 35, 796 (2006).

상세보기
K. Maeda, K. Domen, 'Solid Solution of GaN and ZnO as a Stable Photocatalyst for Overall Water Splitting under Visible Light' Chem. Mat., 22, 612 (2010).

상세보기
K. Maeda, T. Takata, M. Hara, N. Saito, Y. Inoue, H. Kobayashi, K. Domen, 'GaN : ZnO solid solution as a photocatalyst for visible-light-driven overall water splitting' J. Am. Chem. Soc., 127, 8286 (2005).

상세보기
K. Maeda, K. Teramura, D. Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, 'Photocatalyst releasing hydrogen from water' Nature, 440, 295 (2006).

상세보기
B. AlOtaibi, H. P. T. Nguyen, S. Zhao, M. G. Kibria, S. Fan, Z. Mi, 'Highly Stable Photoelectrochemical Water Splitting and Hydrogen Generation Using a Double-Band InGaN/GaN Core/Shell Nanowire Photoanode' Nano Letters, 13, 4356 (2013).

상세보기
D. F. Wang, A. Pierre, M. G. Kibria, K. Cui, X. G. Han, K. H. Bevan, H. Guo, S. Paradis, A. R. Hakima, Z. T. Mi, 'Wafer-Level Photocatalytic Water Splitting on GaN Nanowire Arrays Grown by Molecular Beam Epitaxy' Nano Letters, 11, 2353 (2006).
I. Oh, 'Silicon Nanostructures Fabricated by Metal-Assisted Chemical Etching of Silicon' J. Korean Electrochem. Soc., 16, 1 (2013).

원문보기 상세보기
Hyun Sik Kim, Sang Kwon Lee, Soon Hyung Kang, 'Preparation and Photoelectrochemical Behavior of $Cu_2O/TiO_2$ Inverse Opal Heterojunction Arrays' J. Korean Electrochem. Soc., 15, 149 (2012).

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증