연구성과

신소재 손준우 교수팀, 수소 이동 ‘고속도로’ 뚫렸다

2020-03-09 538

[전기화학 스위칭 소자의 동작 속도 조절하는 신소재 원천기술 마련]

전기화학 스위칭 소자는 전해질과 함께 도입된 이온의 산화환원 상태를 조절했을 때 전기, 광학, 기계적 특성의 변화를 일으키는 소자다. 소자에 가하는 전압에 따라 투과도 및 변형률 조절이 가능해 스마트 윈도우 및 엑추에이터로의 응용이 가능하다. 문제는 ‘얼마나 빨리’ 이온이 이동하느냐가 관건인데 POSTECH 연구팀이 이온 ‘고속도로’를 뚫어 수소를 빠르게 전달하는 방안을 제시했다.

신소재공학과 손준우 교수, 박재성 박사는 최시영 교수와의 공동연구를 통해 고체기반 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도를 조절하는 신소재 원천기술을 개발했다.

연구팀은 기판과 스위칭 소재(VO2)의 격자 대칭성을 조절하여, 수직으로 잘 배열된 면결함(도메인 경계)*1을 인위적으로 형성했다. 육각 대칭 산화알루미늄(Al2O3) 기판 위에 단사정계 VO2 박막을 성장시키면 도메인 경계가 자발적으로 나노미터(nm)의 일정한 간격을 가지고 정렬하게 된다.

이를 통해서, 수소 이온이 격자를 통해서 확산·반응하는 것보다 매우 국소적인 도메인 경계를 통해서 확산·반응하는 것이 더 효율적임을 실험으로 관찰했다. 또, 도메인 경계를 통한 확산계수와 계면*2 교환 계수가 약 수십만 배 증가하는 것을 분석하여, 면결함이 수소 이동을 위한 ‘고속도로’의 역할을 함을 처음으로 입증했다.

이와 같은 기본 원리를 바탕으로 도메인 경계가 포함된 소자의 경우 전압에 의해서 VO2 기반 전기화학 트랜지스터가 빨리 동작함을 검증했다. 이로써 기존 이온 이동을 바탕으로 하는 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도에 관한 단점을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 손준우 교수는 “이 연구는 기초과학 측면에서는 가역적인 이온이 소재 격자 내부의 면결함에 주입되는 기작에 관한 근본적인 통찰을 했다는 점에서 의의를 찾을 수 있다”며 “이번 연구를 통해 얻어진 소재 원천기술을 이용할 경우, 이온 이동을 바탕으로 하는 센서, 엑추에이터, 전기변색 스마트 윈도우, 뉴로모픽 소자와 같은 응용 기술의 동작 속도를 높일 수 있다”고 설명했다.

이 연구는 삼성전자미래기술육성센터, 미래창조과학부 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행됐으며, 연구성과는 재료 과학 분야의 저명 학술지 ACS Nano에 게재됐다.
 


1. 면결함
차원이며 결정 구조 대칭성이 깨진 재료의 두 영역을 분리하는 경계면.

2. 계면
기체상, 액체상, 고체상 인접한 2개의 상사이의 경계면.