세계에서 가장 얇은 전기 발전기

이 그림은 MoS2 물질이 잡아당겨질 때 이황화몰리브데눔의 단일 원자층으로부터 압착된 양과 음의 편극된 전하를 보여주고 있다.

미국 컬럼비아 대학과 조지아 공대 연구진은 처음으로 원자 두께의 물질에서 압전과 피에조트로닉 효과를 실험적으로 관측하였다고 오늘 발표하였다. 이 효과는 독특한 전기 발전기와 기계센싱 디바이스를 투명하고 유연하며 확장될 수 있도록 제작될 수 있게 만들 수 있다. 이들의 논문은 네이처 저널에 발표되었다. 이들 연구진은 2차원 MoS2 물질로부터 전기의 기계적 생산을 시연하였다.

이런 물질에서 압전 효과는 이전에 이론적으로 예측되었다. 압전은 물질의 압축과 팽창으로 물질이 전압을 생산할 수 있는 현상으로 매우 잘 알려져 있다. 반대 현상으로서 전압을 물질에 가하면 물질이 팽창하거나 수축할 수 있다. 그러나 단지 몇 개의 원자 두께로 이루어진 물질에 대해서는, 압전에 대한 어떤 실험적 관측도 지금까지 존재하지 않고 있다. 이들 연구진은 연구 결과는 몰리브데눔, 이황화물과 같은 2차원 물질에 대한 새로운 특성을 제공하여 줄 수 있으며, 새로운 종류의 기계적으로 제어되는 전자 디바이스에 대한 가능성을 열어줄 수 있을 것으로 기대된다.

단지 원자 한 개 두께의 이 물질은 착용할 수 있는 디바이스로 사용될 수 있으며 직물에 통합될 수 있어서 몸의 움직에서 발생하는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 입는 센서 또는 메디컬 센서의 전원 공급원으로 사용될 수 있다. 또한 휴대폰을 충전시키기에 충분한 에너지를 공급하여 줄 수 있을 것이라고 이 연구를 이끌고 있는 James Hone 컬럼비아 대학 교수는 말하였다.

압전 효과 및 피에조트로닉 효과의 검증은 이런 이차원 물질에 새로운 기능성을 제공하여 줄 수 있다고 조지아 공대 연구진은 말하였다. 이 분야의 연구자들은 이황화몰리브덴의 압전 효과가 새로운 가능성을 열어 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다. Hone과 그의 연구진은 2차원 형태의 탄소인 그래핀이 가장 강한 물질이라는 것을 시연하였다.

조지아 공대 연구진은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 압전 나노발전기 분야에서 선구적인 역할을 하고 있다. 이들 연구진은 또한 피에조트로닉 디바이스도 개발하고 있다. 이 디바이스는 압전 전하를 이용하여 물질을 통한 전류 흐름을 제어한다. 이것은 게이트 전압이 전통적인 3 단자 트랜지스터에서 하는 역할과 비슷하다.

이황화 몰리브데눔이 전류 발생기로 사용될 수 있도록 하는 2가지 핵심 요소가 있다. 홀수 개수의 층을 사용하는 것과 그것을 적합한 방향으로 휘게 하는 것이다. 이 물질은 고도로 극성을 갖고 있어서 짝수 개의 층은 서로 압전 효과를 상쇄시킨다. 이 물질의 결정질 구조는 또한 특정한 결정 방향에서만 압전 효과를 발생시킨다.

특성 연구를 위해서, Hone의 연구진은 얇은 MoS2 조각을 유연한 플라스틱 기판 상에 놓았다. 그리고 그것들의 결정이 어떤 방향으로 정렬되었는지를 광학 기술로 결정하였다. 이들 연구진은 그 다음 금속 전극을 MoS2 조각에 패턴으로 만들었다. 조지아 공대에서 수행된 연구에서, 이들 연구진은 시료에 측정 전극을 설치하고 Hone의 그룹에 제공하였다. 그 다음 시료가 기계적으로 변형될 때 흐르는 전류를 측정하였다. 그들은 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 것을 모니터하고 전압과 전류 출력을 관측하였다.

연구진은 또한 출력 전압이 인가된 변형의 방향을 변경하면 부호가 역전된다는 것을 관측하였다. 그리고 짝수개의 원자 층을 가진 시료는 출력 전압이 사라진다는 것도 발견하였다. 이것은 지난해 예측된 이론과 일치하였다. 홀수 개수를 가진 MoS2에서 피에조트로닉 효과의 존재가 처음으로 이들 연구진에 의해서 발견된 것이다.

매우 흥미로운 것은 벌크 상태에서는 압전 효과가 보이지 않지만 그것이 단일 원자층으로 극도로 얇아지면 압전 효과가 나타나는 MoS2와 같은 물질을 발견한 것이라고 연구진은 말하였다. 압전이 되기 위해서, 물질은 중앙 대칭이 붕괴되어야만 한다. MoS2의 단일 층은 그와 같은 구조를 가지고 있다. 그러나 벌크 MoS2는, 연속적인 층이 반대 방향으로 향하고 있어 서로 상쇄되어 압전 효과가 나타나지 않는 양의 전압과 음의 전압을 생성한다. 이런 특이한 성질을 가진 물질은 기능성 디바이스를 위한 새로운 압전 물질로 등록될 수 있을 것이라고 연구진은 말하였다.

실제로 MoS2는 전이 금속 이유화 물질(dichalcogenides)로 알려진 2차원 반도체 물질 종류 중 하나이다. 이 종류의 모든 물질은 비슷한 압전 특성을 가지고 있다고 예측되고 있다. 이것들은 더 큰 2차원 물질 종류로서 그것들의 압전 특성은 아직 연구되고 있지 않고 있다. 이들 연구진에 의해서 보여졌듯이, 2차원 물질은 전통적인 물질보다 훨씬 더 크게 확장될 수 있으며, 특히 전통적인 세라믹 피에조전기 물질에서 그렇다. 이런 물질은 매우 부서지기 쉽다.

이런 연구는 물질과 그것의 독특한 특성을 이용한 새로운 응용의 개발을 가능하게 해 줄 수 있을 것이다. 이들 연구진은 그들의 실험이 물질이 단일 원자 수준으로 작아지면 얼마나 다른 유용한 특성이 나타날 수 있는지를 보여주는 좋은 예라고 말하였다. 궁극적으로 이들의 연구는 주위 환경으로부터 기계적 에너지를 수확하여 자체 발전될 수 있는 완전한 원자 두께의 나노시스템을 개발할 수 있을 것이라고 이들 연구진은 내다보고 있다. 이 연구는 또한 처음으로 2차원 물질에서 피에조트로닉 효과를 밝혀내었으며, 이것은 인간-기계 인터페이싱, 로보틱스, MEMS 및 활성적인 유연한 전자기술을 위한 층으로 된 물질의 응용을 크게 확장시킬 수 있을 것이다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 세계에서 가장 얇은 전기 발전기