나노 가위 기술로 2차원 신소재 1차원 리본으로 오려낸다
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나노 가위 기술로 2차원 신소재 1차원 리본으로 오려낸다
  • 김형달 기자
  • 승인 2020.10.16 10:19
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KAIST 김상욱·정유성 교수 연구팀, 저렴한 초음파 처리로 절개…백금 촉매 대체 기대
2차원 신소재를 1차원 리본으로 오려내는 나노 가위 기술 모식도 (KAIST 제공)
2차원 신소재를 1차원 리본으로 오려내는 나노 가위 기술 모식도 (KAIST 제공)

KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀과 공동으로 2차원 반도체인 전이금속 칼코지나이드 물질을 얇은 리본 형태로 오려내는 신기술을 개발했다.

이는 다양한 다원소 저차원 나노 신물질 제조와 기존 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매 개발을 가능하게 할 것으로 기대된다.

15일 공동연구진에 따르면 2차원 전이금속 칼코지나이드는 전이금속원소와 칼코겐 원소의 화합물이다.

평면 방향으로는 전이금속원소와 칼코겐 원소가 강한 공유결합을 하고 있으나, 수직 방향으로 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조를 가지고 있다.

이같은 구조를 이용해 층간 분리를 통한 2차원 단층 형태로 박리가 가능하다.

2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 우수한 촉매 성능을 지니고 있어 에너지·환경 분야에 응용이 기대되는 소재다.

하지만, 보다 높은 촉매 성능을 달성하기 위해서는 촉매 활성을 갖는 2차원 소재의 가장자리를 많이 노출하는 방법이 요구돼왔다.

종이를 오려내듯 2차원 소재를 길쭉한 1차원 리본 형태로 오려내게 되면 더 많은 가장자리를 노출할 수 있다는 장점 때문이다.

현재까지는 그래핀과 같이 한가지 원소로만 이루어진 2차원 소재의 경우 여러 방법의 오려내는 기술이 보고돼왔다.

하지만, 2개 이상의 원소로 이뤄진 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질에 이를 적용하는 데 한계가 따랐다.

공동 연구진은 문제해결을 위해 화학 반응을 통해 2차원 소재의 특성 변화를 유도한 후, 저렴한 초음파 처리 공정을 통해 1차원 리본 형태로 오려내는 기술을 세계 최초로 개발하는데 성공했다.

연구팀은 2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학반응 한다는 점을 발견하고 간단한 초음파 자극을 통해 1차원 리본 형태로 오려냈다.

이어 이 기술을 활용해 기존 고가의 백금 촉매에 견줄 만한 높은 성능을 지닌 수소 발생 반응 촉매를 구현했다.

왼쪽부터 김상욱 교수, 정유성 교수, 수치스라 연구교수.

이 기술은 다양한 다원소 저차원 나노 신물질을 제조할 것으로 크게 기대된다.

교신저자로 이번 연구를 주도한 김상욱 교수는 "2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 불구하고 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다ˮ면서 "이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것ˮ이라고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스' 10월6일자 온라인 판에 게재됐다.


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