스퍼터를 이용한 삼원계 합금 나노입자 합성 공정 개요도

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국내 연구진이 반도체 제조 기술을 이용하여 수소연료전지 촉매 성능에 획기적인 개선을 가져올 금속 나노입자를 합성했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 반도체 제조에 쓰이는 금속박막 증착기술인 스퍼터(Sputter) 기술을 이용하여 기존의 화학반응이 아닌 물리적인 방법으로 나노입자를 합성하는 데 성공했다고 밝혔다.

금속 나노입자는 지난 수십 년간 다양한 분야에서 연구되어 왔으며, 최근에는 수소생산을 위한 수전해 시스템과 수소연료전지의 핵심 촉매로 금속 나노입자가 주목받고 있다. 금속 나노입자는 주로 복잡한 화학반응을 통해서 얻어지는데 환경과 인체에 유해한 유기물을 사용하기 때문에 이를 처리하기 위해 추가적인 비용을 부담할 수밖에 없으며, 합성 조건 또한 매우 까다롭다. 이 때문에 수소 에너지 체제의 안착을 위해서는 기존 화학적 합성의 단점을 극복할 수 있는 새로운 나노입자 합성법이 필요했다.

KIST 연구팀이 응용한 스퍼터 공정은 반도체 제조과정 중 금속 박막을 입히는 기술인데, 플라즈마를 이용해 큰 금속을 깎아 나노입자로 만들어 기판 위에 증착하여 박막을 이루게 한다. 연구진은 이 공정에서 플라즈마에 의해 나노입자화 된 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 연구진은 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. 더 나아가서 새롭게 첨가된 바나듐이 나노입자 내에서 다른 금속들에 미치는 영향을 분석하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 바나듐 금속이 백금-산소 결합에너지를 최적화 시켜 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.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업과 나노소재기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노입자 분야 국제학술지 'Nano Today' (IF : 20.722, JCR 분야 상위 4.25%) 최신 호에 게재되었다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com

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