▲ 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 반도체 제조에 쓰이는 금속박막 증착기술인 스퍼터 기술을 이용하여 기존의 화학반응이 아닌 물리적인 방법으로 나노입자를 합성하는 데 성공했다. (왼쪽부터) 유성종 박사, 이세현 박사(제 1저자), 장인준 박사(제 1저자)

[기계신문] 나노입자 촉매는 촉매, 전기화학 에너지 변환, 센서 등의 다양한 분야에서 널리 사용된다. 나노 크기의 금속 또는 금속산화물 나노입자를 만들기 위해서 널리 이용되는 방법은 금속 전구체를 화학반응을 통해 금속 또는 금속산화물 나노입자로 합성하는 방법이다.

이때 사용되는 금속 전구체는 금속 원소와 비교해 가격이 비싸고, 화학반응을 통한 합성은 유독한 화합물들을 종종 사용하게 된다. 더욱이 합성하고자 하는 금속 나노입자 종류에 따라서 합성 조건이 달라지고, 때에 따라서는 화학적인 방법으로 나노입자로의 구현할 수 없는 금속도 존재한다.

따라서 나노입자를 저렴한 가격에 친환경적으로 제조할 수 있고 보다 폭넓은 금속 나노입자를 합성할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.

이러한 가운데 최근 국내 연구진이 반도체 제조 기술을 이용하여 수소연료전지 촉매 성능에 획기적인 개선을 가져올 금속 나노입자를 합성했다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 반도체 제조에 쓰이는 금속박막 증착기술인 스퍼터(Sputter) 기술을 이용하여 기존의 화학반응이 아닌 물리적인 방법으로 나노입자를 합성하는 데 성공했다.

▲ 스퍼터를 이용한 삼원계 합금 나노입자 합성 공정 개요도

KIST 연구팀이 응용한 스퍼터 공정은 반도체 제조 과정 중 금속 박막을 입히는 기술인데, 플라즈마를 이용해 큰 금속을 깎아 나노입자로 만들어 기판 위에 증착하여 박막을 이루게 한다.

연구팀은 이 공정에서 플라즈마에 의해 나노 입자화된 금속이 박막으로 변화하는 것을 막는 특수한 기판인 ‘글루코스’를 사용하여 나노입자를 얻어낼 수 있었다.

이 합성법은 화학반응이 아닌 플라즈마를 활용한 물리적 증착 원리를 이용하였기 때문에 기존 화학적 합성법의 문제점을 극복하고, 간단한 방법으로 금속 나노입자를 합성할 수 있게 되었다.

또한 기존의 화학적 합성법으로는 나노입자로 구현할 수 있는 금속의 종류가 제한적이고, 금속 종류에 따라 합성 조건이 달라 새로운 촉매를 개발하는 데 어려움이 있었지만 개발된 합성법을 통해 보다 다양한 금속을 나노입자로 합성할 수 있게 되었다.

뿐만 아니라 두 개 이상의 금속에 이 기술을 동시에 적용하면 다양한 조성의 합금 나노입자도 합성할 수 있어 다양한 조성의 합금을 연구하여 나노입자 촉매의 최대 성능을 발휘할 수 있게 되었다.

KIST 연구팀은 이 기술을 이용해 백금-코발트-바나듐 합금 나노입자 촉매를 합성하였고 수소연료전지 전극을 위한 산소 환원 반응용 촉매에 적용하였다. 그 결과, 수소연료전지용 촉매로 상용화된 백금과 백금-코발트 합금 촉매보다 각각 7배와 3배 높은 촉매 활성을 보이는 것으로 나타났다.

▲ 스퍼터를 이용한 합성된 백금-코발트-바나듐 삼원계 합금 나노입자의 투과전자현미경 분석 사진

더 나아가서 새롭게 첨가된 바나듐이 나노입자 내에서 다른 금속들에 미치는 영향을 분석하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 바나듐 금속이 백금-산소 결합에너지를 최적화시켜 촉매 성능 향상에 시켰음을 규명하는 데까지 성공했다.

KIST 유성종 박사는 “이번 연구를 통해 금속 나노입자가 필요한 모든 연구에 적용할 수 있는 신개념의 합성법을 개발해 수전해, 태양전지, 석유화학 등 금속 나노입자가 필요한 모든 분야의 연구에 활용할 수 있게 되었다”며 “지금까지 구현이 어려웠던 새로운 구조의 합금 나노입자를 수소연료전지를 비롯한 친환경 에너지 기술에 적용해서 완전한 수소경제 안착과 탄소중립 기술 개발에 힘쓰겠다”고 밝혔다.

스퍼터를 이용한 나노입자 합성기술을 이용하면 지금까지는 합성이 까다로워서 연구에서 제외되어왔던 금속이나 새로운 구조의 나노입자를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 합성 과정이 친환경적이고 간단하여 화학적 합성법과 비교해서 비교적 저렴하게 촉매를 합성할 수 있다는 점에서 촉매의 대량생산에도 적합한 기술이다.

따라서 새로운 나노입자 촉매의 개발과 대량생산화는 수소연료전지를 포함한 다양한 에너지 전화 및 저장 시스템 개발과 산업화에 이바지할 것으로 보인다.

한편, 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업과 나노소재기술개발사업으로 수행된 이번 연구 결과는 나노입자 분야 국제학술지 ‘Nano Today’ 최신 호에 게재되었다.

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