우주에서 가장 많은 원소인 수소는 우리가 활용하는 모든 에너지 근원이자 미래 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 수소는 부피에 비해 에너지 밀도가 낮아 실제 자동차에 사용하기 위해서는 같은 부피에 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 방법이 필요하다.
손준우 포스텍 신소재공학과 교수팀이 수소로 덧씌워진 바나디움 산화물을 이용해 기존 수소저장 소재를 보완할 수 있는 새로운 신소재 원천기술을 개발했다. 손 교수는 동시에 수소 함량에 따른 큰 저항 변화를 이용해 `인간의 뇌를 닮은` 뉴로모픽 전자소자 응용 가능성도 확인하는데 성공했다.
수소는 터널 격자 구조를 가지고 있는 바나디움 산화물의 빈 공간에 들어가 전자구조 상태를 변화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이 산화물에 수소를 도핑시킬 경우 수소가 제공하는 전자로 인해 금속으로 바뀌지만, 실제로 이 수소가 많아지면 어떻게 바뀔지는 알려져 있지 않다.
연구팀은 백금 나노입자와 결합시킨 바나디움 산화물 박막을 만들어 단위격자에 최대 2개의 수소원자를 마음대로 흡착하거나 탈착할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.
최대한 수소를 덧붙일 경우 부피함량은 기존에 알려진 금속 수소 저장 소재의 부피용량과 거의 비슷한 수준인 것으로 확인됐다.
이 소재는 기존 소재와 달리 수소결합 과정을 통해 전자가 금속으로 이동하는 과정에서 섭씨 120도 낮은 온도에서 수소의 흡착과 탈착도 가능하다는 점이 처음으로 확인됐다.
이 산화물에 수소를 과량 덧씌우게 되면 전자간 상호작용에 의해 절연체로 바뀐다는 새로운 사실을 밝혀냈다. 이 성질을 이용하면 아날로그와 디지털 신호를 동시에 처리하는 뉴로모픽 소자로 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
손준우 교수는 “이번 연구는 바나디움 산화물를 이용해 수소원자를 최대한 덧붙임으로써 새로운 절연체 신소재를 만들었다는 점에서 의의가 있다”며 “많은 수소를 포함하고 있는 신소재의 상태 변화를 조절하면 새로운 수소저장소재나 나노이온소자로 응용할 수 있다”고 설명했다.
이번 연구결과는 최근 소재분야 권위지인 `네이처 머터리얼스(Nature Materials)`에 발표됐으며, 최민석 인하대 교수, 최시영 재료연구소 박사, 김종규 포스텍 교수, 임규욱 가속기연구소 박사와 공동연구로 진행됐다. 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(신진), 글로벌프런티어사업, 산업통상자원부 미래반도체소자사업, 재료연구소 주요 사업 지원으로 수행됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
