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포스텍(총장 김도연) 신소재공학과 손준우 교수(사진)팀이 수소로 덧씌워진 바나디움 산화물(VO2)을 이용해 기존의 수소저장 소재를 보완할 수 있는 새로운 신소재 원천기술을 마련했다.
손준우 교수팀은 원천기술과 더불어 수소 함량에 따른 큰 저항 변화를 이용해 ‘인간의 뇌를 닮은’ 뉴로모픽 전자소자 응용 가능성을 보여주는데에도 성공했다.
수소는 터널 격자 구조를 가지고 있는 바나디움 산화물(VO2)의 빈 공간에 들어가 전자구조의 상태를 변화시킬 수 있는 것으로 알려져 있었다. 이 산화물에 수소를 도핑 시킬 경우 수소가 제공하는 전자로 인해 금속으로 바뀐다. 그러나 실제로 이 수소가 많아지면 어떻게 바뀔지는 알려져 있지 않았다.
연구팀은 백금 나노입자와 결합시킨 VO2 박막을 만들어 단위격자에 최대 2개의 수소원자를 마음대로 흡착하거나 탈착할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 또 최대한 수소를 덧붙일 경우 부피함량은 51.97 g/L로, 기존에 알려진 금속 수소 저장 소재의 부피용량과 거의 비슷한 수준인 것으로 확인됐다.
특히 이 소재는 기존 소재와 달리 수소결합 과정을 통해 전자가 금속으로 이동하는 과정에서 섭씨 120도의 낮은 온도에서 수소의 흡착과 탈착도 가능하다는 점이 처음으로 보고됐다.
또한 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.
연구를 주도한 포스텍 손준우 교수는 "이번 연구는 VO2를 이용해 수소원자를 최대한 덧붙임으로써 새로운 절연체 신소재 HVO2를 만들었다는 점에서 의의가 있다"며 "많은 수소를 포함하고 있는 HVO2의 상태 변화를 조절하면 새로운 수소저장소재나 나노이온소자로 응용할 수 있다는 점에서 학계의 주목을 받았다"고 말했다.
한편 이번 연구는 소재분야 권위지인 네이처 머터리얼스(Nature Materials)지 7월 11일자를 통해 발표됐다.
최혜영 커뮤니케이터