미국 노스웨스턴대학교의 제임스 론디넬리(James Rondinelli)씨는 원자-수준에서의 작업 진행을 통해 새로운 물질의 특성을 예측하고 디자인하기 위해 양자 기계 계산법을 사용한다. 그의 연구그룹의 가장 최신의 연구결과는 물질의 전체적인 조성 변화없이 복잡한 산화물질 내의 전자 밴드 갭을 제어하는 우수한 방법의 발견이다. 이 연구결과는 더욱 흡수력이 좋은 태양전지와 광전자촉매(photoelectrocatalysis) 작용을 통한 태양광선의 화학연료로의 변환 향상을 포함한 새로운 에너지-생산 및 변환 물질 그리고 레이저와 같은 우수한 전자광학장치 개발에 이용될 가능성이 있다.

"태양광선을 모으는 데 완벽한 물질은 실제로 존재하지 않는다. 그러므로 재료과학자인 우리는 바닥에서부터 새로운 물질을 엔지니어링하기 위해 노력 중이다. 우리는 원자가 배열되는 방식, 물질의 구조 그리고 게놈이 물질의 특성과 기능을 어떻게 지원하는지를 이해하기 위해 노력 중"이라고 이 대학교 맥코믹 엔지니어링 스쿨(McCormick School of Engineering)의 재료과학 및 재료공학 조교수인 론디넬리(Rondinelli) 교수는 밝혔다.

전자 밴드 갭은 광 하베스팅, 광 변환 그리고 이송기술을 제어하는 데 필요한 기본적인 물질 변수이다. 밴드 갭의 엔지니어링을 통해, 과학자들은 태양 스펙트럼의 어떤 부분이 태양전지에 의해 흡수될 수 있는지를 변화시킬 수 있고 이것은 물질의 구조나 화학적 성질의 변화가 있어야 한다.

비산화물 반도체에 대한 현재의 튜닝 방식은 약 1 전자볼트로 밴드 갭을 변화시킬 수 있을 뿐이며, 이 작업은 여전히 물질의 화학적 조성이 변경될 것을 요구한다. 론디넬리(Rondinelli) 교수가 개발한 방식은 물질의 화학적 조성의 수정없이 200%까지 밴드 갭을 변화시킬 수 있다. 복합 산화물질 내에 포함된 자연적으로 발생하는 레이어는 그의 연구팀이 이 레이어를 어떻게 제어할 것인를 검토할 수 있도록 독려했다. 그들은 산화물 내의 중성의 원자와 전하를 가진 원자 간의 상호작용을 제어함으로써 전자 밴드 갭 튜닝능력의 커다란 변화가 가능하다는 사실을 발견했다.

"당신은 실제로 결정체를 쪼갤 수 있으며 나노미터 수준에서 그 구조체를 구성하는 잘 정련된 레이어를 볼 수 있을 것이다. 원자 수준에서 구조체 내에 있는 이러한 레이어 상에 양이온을 제어하는 방식은 기존의 반도체 물질 내에서는 정상적으로 존재하지 않는 새로운 제어 변수를 제공할 수 있을 것"이라고 그는 말했다.

각각의 근처에 존재하는 이러한 레이어 상의 양전하 즉, 순수 양전하, 중성 그리고 음전하를 가진 이온들의 배열방식을 튜닝함으로써, 론디넬리(Rondinelli) 교수팀은 2전자볼트 이상의 밴드 갭 변경을 실증화해 보였다. "우리는 물질의 화학적 공식을 변경시키지 않고 큰 수준으로 밴드 갭 변경에 성공했다. 유일한 차이는 우리가 물질의 본질적 특성 즉, 게놈의 배열을 변경시킨 것"이라고 그는 말했다.

미국방위고등연구계획국(DARPA)과 미국 에너지부의 지원을 받는 이 연구는 네이처 [Communications]에 ‘양이온 조작을 통한 레이어 산화물 내에서의 대량 밴드 갭 변경(Massive band gap variation in layered oxides through cation ordering)이라는 제목으로 발표되었다. 뉴멕시코 주의 로스 알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 프라사나 발라찬드란(Prasanna Balachandran)시가 이 논문의 공동저자이다.

산화물 레이어를 다르게 배열하는 것은 다른 특성을 제공할 수 있다. 론디넬리(Rondinelli) 교수에 의하면, 오늘날 레이어 단위의 제어를 실험적으로 가능케 하는 능력을 갖춘다는 것은 연구진들이 특수한 특성과 목적으로 가진 새로운 물질을 디자인할 수 있도록 한다. 다음 단계는 그의 계산적 연구결과를 실험적으로 시험하는 것이다.

론디넬리(Rondinelli) 교수의 연구결과는 에너지, 헬스케어 그리고 교통분야의 도전을 해결하기 위한 우수한 물질 개발을 가속하기 위한 목표를 가진 버락 오바마 정부의 물질 게놈 이니셔티브(Materials Genome Initiative)와 보조를 맞추는 것이다.

"오늘날, 우리는 원자 수준의 정밀성을 가진 디지털 물질의 창조가 가능하다. 그런데 탐험과 연구의 공간은 무한하다. 만약 우리가 빌딩 블록에서 발생하는 물질의 행태를 이해할 수 있다면, 우리는 주위의 도전적인 문제와 오늘날 부딪히는 가장 큰 문제 중의 하나인 디자인을 통한 기능성의 문제를 해결할 수 있게 될 것"이라고 론디넬리(Rondinelli) 교수는 말했다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』