[이뉴스코리아 이정민 기자] KAIST는 15일, 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀과 공동연구로 2차원 반도체인 전이금속 칼코지나이드 물질을 얇은 리본 형태로 오려낼 수 있는 신기술을 개발했다고 밝혔다.
2차원 전이금속 칼코지나이드란 전이금속원소와 칼코겐 원소의 화합물로 층간 분리를 통해 2차원 단층 형태로 박리가 가능하게 하는 역할을 하는 물질이다.
기술을 통해 간단한 초음파 처리를 통해 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질을 일정한 방향으로 절개해 긴 나노 리본 형태로 오려내는 데 세계 최초로 성공했다. 연구팀이 개발한 이 신소재는 기존 백금 촉매를 대체하여 수소 발생 반응 촉매로 활용이 가능해 나노 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 기대를 모으고 있다.
이번 연구 성과는 국내외 학술지에도 소개된다. KAIST 신소재공학과의 인도 출신인 수치스라 파드마잔 사시카라(Suchithra Padmajan Sasikala) 연구교수가 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 10월 6일 자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Longitudinal unzipping of 2D transition metal dichalcogenides)
자원이 부족한 미래에 수소는 공해물질을 배출하지 않기 때문에 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지 자원으로 주목받는다. 수소를 생산하는 가장 환경친화적인 방법은 화학적으로 물을 분해하는 방법인데 이 경우 효율적으로 수소를 생성할 수 있도록 값싸고 높은 효율의 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다.
여기에 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 요구되어 왔다. 마치, 종이를 오려내듯 2차원 소재를 길쭉한 1차원 리본 형태로 오려내게 되면 노출 시 더 많은 가장자리를 드러낼 수 있어 폭넓게 활용이 가능할 것으로 보인다.
이번 연구에서는 화학 반응을 통해 2차원 소재의 특성 변화를 유도한 후, 저렴한 초음파 처리 공정을 통해 1차원 리본 형태로 오려내는 기술을 개발하는데 성공했다. 이는 세계 최초로 거둔 쾌거다.
2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학 반응한다는 점을 발견하고 간단한 초음파 자극을 통해 1차원 리본 형태로 오려낸 것이 비결이었다. 이어 기술을 활용해 기존 고가의 백금 촉매에 견줄 만한 높은 성능을 지닌 수소 발생 반응 촉매를 구현했다.
KAIST 김상욱 교수는 “2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 불구하고 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다.”라며, “이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것이다.”라고 말했다.