[논문]에너지 소자를 위한 이차원 물질의 연구 동향

박주상

에너지 소자를 위한 이차원 물질의 연구 동향 원문보기

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제안 방법

그림 5. 압전 결합을 최대화하기 위해, 전극들(노란색 점선)은 MoS₂ 단일층의 지그재그 끝부분들 (흰색 점선)에 평형으로 제조되었다. 흑녹색과 적색은 각각 반사와 광발광의 세기를 나타낸다.
이번에 소개할 연구에서는 전이금속 디칼코게나이드 중에서도 뛰어난 물리적 성질로 인해 많이 연구되고 있는 몰리브덴/텅스텐 이황화물을 이용한 연구이다. 이 연구에서는 암모늄 테트라싸이오몰리브데이트/텅스테이트 물질을 탄소 직물에 흡착시켜서 각각의 물질을 한번의 열분해를 통해서 제작하였다. 또한 온도를 달리 합성하여 온도에 따른 수소 발생 반응이 일어나는 potential을 확인한 결과 몰리브덴 이황화물의 경우 낮은 온도에서 텅스텐 이황화물의 경우 높은 온도에서 더 낮은 potential 특성을 보였다.
이번 연구진은 몰리브덴 이황화물의 단일층 결정에서 그들의 압전성을 측정했다. 그들은 도핑과 기생 전하 (parasitic charge)와 같은 기판의 원치 않는 효과를 피하기 위해서 매달려 있는 샘플로 조사했다.
그래핀이 층상구조에서 박리된 이래로 같은 층상 구조를 가지는 전이금속 디칼코게나이드는 volcano plot에서 백금과 가까운 광촉매 효과를 보이는 것으로 밝혀졌다. 이번에 소개할 연구에서는 전이금속 디칼코게나이드 중에서도 뛰어난 물리적 성질로 인해 많이 연구되고 있는 몰리브덴/텅스텐 이황화물을 이용한 연구이다. 이 연구에서는 암모늄 테트라싸이오몰리브데이트/텅스테이트 물질을 탄소 직물에 흡착시켜서 각각의 물질을 한번의 열분해를 통해서 제작하였다.

이론/모형

이번 연구진의 측정 기술은 샘플에 평면 전기장을 인가한 후에 원자 힘 현미경 속의 나노탐침을 이용했다. 유도 압전 막 응력 (induced piezoelectric membrane stress)을 관찰함으로써 이번 연구진은 2.

성능/효과

이 연구에서는 암모늄 테트라싸이오몰리브데이트/텅스테이트 물질을 탄소 직물에 흡착시켜서 각각의 물질을 한번의 열분해를 통해서 제작하였다. 또한 온도를 달리 합성하여 온도에 따른 수소 발생 반응이 일어나는 potential을 확인한 결과 몰리브덴 이황화물의 경우 낮은 온도에서 텅스텐 이황화물의 경우 높은 온도에서 더 낮은 potential 특성을 보였다. 텅스텐 이황화물의 경우 낮은 온도에서 합성 후 탄소 직물 표면에 존재하는 텅스텐 옥사이드 나노 입자에 의한 효과보다 결정성을 가지는 텅스텐 이황화물이 더 좋은 결과를 보인다고 설명하고 있다.
텅스텐 이황화물의 경우 낮은 온도에서 합성 후 탄소 직물 표면에 존재하는 텅스텐 옥사이드 나노 입자에 의한 효과보다 결정성을 가지는 텅스텐 이황화물이 더 좋은 결과를 보인다고 설명하고 있다. 또한 촉매의 성능을 살펴보기 위해서 백금 촉매와 함께 overpotential 실험을 진행한 결과 1,000℃에서 열분해한 텅스텐 이황화물이 가장 좋은 결과를 보였으나, 아직까지는 백금 보다 더 떨어지는 성능을 보였다. 하지만 이 연구 결과에서는 몰리브덴 이황화물은 낮은 온도에서 제작이 가능하여 대량생산에 적합하고 텅스텐 이황화물은 높은 온도에도 잘 견딜 수 있는 열 내구성이 강해서 물분해 반응에서 촉매로 사용될 수 있는 가능성이 있음을 제시하고 있다.
그림 (a)에서 백금촉매는 기준 수소 전극과의 차이가 거의 나지 않는 것으로 보아 매우 효과적인 촉매로 생각되며, 1T phase인 as-dep.상태에서 차이가 0.2 V로 매우 높은 성능을 보여주며, 300℃로 열처리 후에는 2H phase로 변하면서 광촉매로서의 효과가 현저하게 감소하는 것을 보여주고 bulk 상태에서는 거의 촉매로서 사용하기 힘든 수준의 결과를 보였다. 이 실험에서는 수소 발생반응에서 발생하는 과전압에 대한 결과에서도 1T phase의 텅스텐 이황화물이 백금 촉매에 거의 범접하는 결과를 보이며 수소 발생반응에서 충분히 광촉매로 쓰일 수 있음을 보여주고 있다[11].
유도 압전 막 응력 (induced piezoelectric membrane stress)을 관찰함으로써 이번 연구진은 2.9 × 10-10 C/m의 압전계수를 얻을 수 있었다.
2 V로 매우 높은 성능을 보여주며, 300℃로 열처리 후에는 2H phase로 변하면서 광촉매로서의 효과가 현저하게 감소하는 것을 보여주고 bulk 상태에서는 거의 촉매로서 사용하기 힘든 수준의 결과를 보였다. 이 실험에서는 수소 발생반응에서 발생하는 과전압에 대한 결과에서도 1T phase의 텅스텐 이황화물이 백금 촉매에 거의 범접하는 결과를 보이며 수소 발생반응에서 충분히 광촉매로 쓰일 수 있음을 보여주고 있다[11].
그 중에서도 실험적으로 2H phase를 가지는 전이금속 디칼코게나이드의 금속성을 가지는 모서리 부분이 전기화학적으로 촉매가 될 가능성이 매우 크다는 연구 결과가 발표되었다. 이 연구 결과를 통해서 얼마나 금속성을 가지는 모서리 부분을 많이 포함하고 있는 전이금속 디칼코게나이드를 합성하는지가 중요해졌으며 그래핀과 같은 다른 물질과의 복합구조를 만들어 효율 향상을 이루어 냈다. 그러나 최근 연구 결과에서는 1T phase의 metastable한 구조가 반도체적 특성을 가지는 2H phase에 비해서 광촉매로서의 역할에 더 부합하는 것으로 알게 되었으며, 위 그림은 텅스텐 이황화물을 이용하여 백금을 대체할 수 있는 광촉매 효과를 보여주는 실험 결과이다 [10].

후속연구

또한 대면적의 수소발생 반응 응용에서 백금 광 촉매전극을 대체하기 위해서는 아직도 많은 연구가 필요한데 특히 물 분해 반응에서 효율을 향상시키기 위해서는 반응 중에 발생하는 열역학적 overpotential을 줄이는 것이 중요하고 이를 위해서는 효과적으로 반응에 참여할 수 있는 촉매를 개발해야 한다. 그래핀이 층상구조에서 박리된 이래로 같은 층상 구조를 가지는 전이금속 디칼코게나이드는 volcano plot에서 백금과 가까운 광촉매 효과를 보이는 것으로 밝혀졌다.
미국 로렌스 버클리 국립연구소의 연구진은 이차원 반도체 나노물질 속에서 압전성을 측정하는데 최초로 성공했다 [7]. 이 연구 결과는 매우 작고 저전력을 사용하는 마이크로-전기 기계적 시스템 (microelectromechanical systems, MEMS)과 고감도 바이오 센서 속의 오프/온 (off/on)을 전환시킬 수 있는 압전 장치와 같이 원자적으로 매우 얇은 장치를 디자인하는데 중요한 역할을 할 것이다.
또한 촉매의 성능을 살펴보기 위해서 백금 촉매와 함께 overpotential 실험을 진행한 결과 1,000℃에서 열분해한 텅스텐 이황화물이 가장 좋은 결과를 보였으나, 아직까지는 백금 보다 더 떨어지는 성능을 보였다. 하지만 이 연구 결과에서는 몰리브덴 이황화물은 낮은 온도에서 제작이 가능하여 대량생산에 적합하고 텅스텐 이황화물은 높은 온도에도 잘 견딜 수 있는 열 내구성이 강해서 물분해 반응에서 촉매로 사용될 수 있는 가능성이 있음을 제시하고 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

압전성 재료가 전기를 발생시키는 방법은 무엇인가?

압전성 재료들은 전기를 기계적 힘으로 변환시킨다. 그들은 기계적 변형을 가할 때 결정의 대칭을 변화시키거나 깨지게 하고 이로 인해 그들의 극성 방향을 따라서 편극 전하(polarization charge)를 생성함으로써 전기가 발생한다. 압전성은 1880년대에 처음 발견되었고 작동, 감지, 에너지 수집 등의 다양한 분야에 적용되었다.

이차원 전이금속 칼코겐화물로 완벽한 저차원 압전소자를 만들 수 있는 이유는 무엇인가?

이차원 전이금속 칼코겐화물 (transition metal dichalcogenides, TMDCs)이라고 불리는 재료들은 상온과 대기압에서도 그들의 격자 재구성 없이 단일 층 이하의 원자 구조들을 가지기 때문에 완벽한 저차원 압전소자 (piezoelectrics)를 만들 수 있다. 이것은 대부분의 재료 속의 압전성이 단일 분자 크기를 가지고 그들의 표면 에너지가 증가하기 때문에 열역학적으로 불안정하게 된다.

TMDCs를 기반으로 한 태양전지 PN 이종접합의 소재/소자로써 어떠한 우수한 특성이 있는가?

이차원 TMDCs를 기반으로 한 태양전지 PN 이종접합은 각 층의 반데르발스 결합으로 이루어져 있어 5 nm 미만의 원자층 PN 다이오드 합성이 가능할 뿐만 아니라, 다음과 같은 우수한 소재/소자 특성을 가진다. 우선 두께 대비 높은 광반응 (1~30 mA/W) 특성 및 외부 양자 효율 (EQE) (~20%), 광대역 파장대의 빛 흡수율 (가시광 영역~자외선 영역), 또한 높은 광 흡수율에도 불구하고 95%의 광 투과도 및 투명한 광전변환 소재로서의 우수한 특징을 가지며 5%의 흡수된 광 에너지의 10%가 전력으로 변환 될 수 있는 뛰어난 내부 양자 효율 (IQE) 또한 가지고 있다. 현재까지 원자층 PN 이종접합 나노구조 광검출 소자 제작은 물리적으로 박리한 재료들을 순서대로 전사하는공정으로 수율이 낮으며 대면적 합성이 어렵지만 최근 보고된 연구에 따르면 원자층 PN 접합에 대한 연구는 이차원 TMDCs의 ambipolar 특성을 기반으로 한 dual-gate PN 접합과 fluorine과 oxygen 플라즈마를 이용한 도핑으로 PN 광검출 소자 형성이 보고되어 있고 현재도 계속 대면적 합성 및 다양한 연구가 활발히 진행 중에 있다 [2,4-6].

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