수소가 전기분해를 통해 물에서 발생될 때, 일부 에너지는 작은 거품들로 낭비된다. 새로운 연구에서, 연구원들은 영차원이라고 불릴 만큼 작은 25nm 트랜지스터가 전기 펄스로 낭비되는 에너지를 변환하는데 사용될 수 있다른 것을 보였다. 이 0D 트랜지스터는 전기분해 동안 잃어버리는 에너지의 일부분을 모으고 이 에너지를 다른 곳에 이용할 수 있도록 최적 효율에서 거품들을 감지하고 전기 펄스를 발생시키는데 이용될 수 있다. 연구원들은 거품들에서 에너지를 수확하는 0D 트랜지스터를 이용하는 그들의 논문을 Nano Letters 최근호에 게재했다. 

연료원으로서 수소를 발생시키기 위한 가장 유망한 방법들 중 하나인 전기분해는 산소와 수소 원자들을 분리하기 위해 물에 전류를 인가한다. 전기분해 도중, 기체 거품들은 약간의 에너지 손실과 함께 형성된다. 

전기 분해 중 에너지 손실의 메커니즘 모두 완벽히 이해될 수 없지만, 고성능 카메라가 장착된 소자가 향후 이 메커니즘에 대한 이해를 도울 수 있을 것이다. 에너지 손실원은 물 속의 수소 확산이나 거품 방출 도중 전극 둘레 반대 이온들의 움직임이다. 

어떻게 0D 트랜지스터가 이 에너지의 약간을 회복할 수 있는지 실험하기 위해 연구원들은 마이크로배쓰 (microbath) 내 0.2 마이크로리터 염소 방울을 떨어뜨렸다. 연구원들은 염소 방울 아래에 트랜지스터와 두 개의 전극을 설치했다. 인가된 전압 아래에서, 상대적으로 작은 수소 거품들이 음극에서 방출되고 더 큰 염소 거품들은 양극에서 방출되었다. 인가 전극의 증가는 거품 방출 주기 증가를 초래했다. 

0D 트랜지스터는 개별 거품들을 감지할 수 있고 거품 크기는 전류 변화를 분석하여 측정될 수 있다. 거품을 감지함으로써, 이 트랜지스터는 거품 에너지를 전기 펄스로 변환했다. 이론적으로 2 백만 개의 트랜지스터가 500 W의 펄스 출력과 약 99%의 펄스 전력 효율을 초래하는 마이크로배쓰 아래 놓일 수 있다. 

이 소자에서 세 가지 새로움이 있다고 Clement가 말했다. 첫째, 연구원들이 나노와이어와 같은 2D나 1D 트랜지스터에 집중하고 있는 것과는 반대로 액체 내 0D 트랜지스터를 이용하고 있다는 것이다. 둘째, 연구원들은 전기화학적인 최적 효율을 이해하고 최적화하기 위해 전기화학자들에서 매우 유용한 단일 거품들을 전기적으로 감지할 수 있다는 것이다. 셋째, 연구원들은 최적 효율로 전기 펄스들을 발생시키기 위해 에너지를 모을 수 있다는 것이다. 지금까지, 몇 명의 연구원들이 몇 가지 특허들에서 발견할 수 있는 회전 장치를 이용하여 수소 생산 중 에너지 손실 일부를 모으려고 시도했었다. 하지만 연구원들은 이와는 달리 전혀 새로운 방법을 개발했다. 

작은 거품들을 감지하고 전기 펄스로 전환하는 능력은 수소 저장을 위해 랩-온-칩 소자 등 다양한 응용들에 적용할 수 있을 것이다. 또 다른 잠재적인 응용은 전기 신호가 신경세포 내 작용 포텐셜과 비슷한 진폭을 가지고 있기 때문에 생리학에 이용될 수 있을 것이다. 또한 이 시스템은 조절가능한 진폭과 주파수를 가진 국부 신경세포 자극을 수행하기 위해 인공적인 작용 포텐셜 발생기로 이용될 수 있을 것이다. 향후, 연구원들은 0D 트랜지스터로 다른 응용들을 실현하고 액체 내 특성을 파악할 계획이다. 

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 08. 19]

The researchers, Nicolas Clement at CNRS in Villeneuve d'Ascq, France, and his coauthors, have published their paper on using 0D transistors to harvest energy from bubbles in a recent issue of Nano Letters. 

As one of the most promising approaches for producing hydrogen as a fuel source, electrolysis involves applying an electric current to water to separate the oxygen and hydrogen atoms. During electrolysis, gas bubbles are formed, causing some energy loss. 

"All the mechanisms of energy loss during electrolysis are not fully understood," Clement told Phys.org. "Such a device, combined with high-precision cameras, may improve understanding in the future. Sources of energy loss are either diffusion of hydrogen in water or movement of counterions around electrodes during bubble emission." 

To demonstrate how 0D transistors can recover some of this energy, the researchers placed a 0.2-microliter droplet of salt water in a microbath. Underneath, they placed a transistor and two electrodes. Under an applied voltage, relatively small (18-24-?m) hydrogen bubbles were emitted at the cathode, while larger chlorine bubbles were emitted at the anode. Increasing the voltage resulted in an increase in the bubble emission frequency. 

The 0D transistors could detect individual bubbles, and bubble size could be evaluated by analyzing changes in current. By detecting the bubbles, the transistors transformed the bubble energy into electrical pulses. In theory, 2 million 0D transistors could fit below the microbath, which results in an output pulse power of 500 ?W and a pulse power efficiency of about 99%. 

"There are three novelties," Clement said. "First, we use a 0D transistor in liquid whereas researchers have previously focused on 2D or 1D transistors (such as nanowires). Second, we show that we can detect electrically single bubbles, which is of great importance for electrochemists to understand and optimize electrochemical processes. Third, we show that we gather energy lost to generate electrical pulses at optimum efficiency. Historically, some researchers have tried to gather part of energy lost during hydrogen production by using a rotary apparatus (several patents can be found). Here we propose a new way." 

The ability to detect tiny bubbles and convert them into electric pulses could have a variety of applications, such as lab-on-chip devices for hydrogen storage. Another potential application is in physiology, since the electric signal has a similar amplitude as that of the action potential in a neuron. Here, the system could be used as an artificial action potential generator to perform local neuron stimulation with tunable amplitude and frequency. 

In the future, the researchers plan to demonstrate other applications with 0D transistors and better understand their behavior in liquid.

[원문출처: http://m.phys.org/news/2013-08-zero-dimensional-transistor-harvests-energy-electrolysis.html]