한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 반도체 제조에 쓰이는 금속박막 증착기술인 스퍼터(Sputter) 기술을 이용해 금속 나노입자가 필요한 모든 연구에 적용할 수 있는 신개념의 합성법을 개발했다.
화학반응이 아닌 물리적인 방법으로 나노입자를 합성하는 데 성공해 수소연료전지를 비롯한 친환경 에너지 기술에 적용할 수 있는 기틀을 만들었다는 평가를 받고 있다.
최근 수소생산을 위한 수전해 시스템과 수소연료전지의 핵심 촉매로 금속 나노입자가 주목받고 있다.
문제는 복잡한 화학반응을 통해서 얻는 과정에서 환경과 인체에 유해한 유기물을 사용하기 때문에 이를 처리하기 위한 추가적인 비용 부담과 합성 조건이 까다롭다는 점이다.
당연히 기존 화학적 합성의 단점을 극복할 수 있는 새로운 나노입자 합성법을 필요로 하고 있다.
연구팀은 반도체 제조과정 중 금속 박막을 입히는 기술인 스퍼터 공정을 응용했다.
플라즈마를 이용해 큰 금속을 깎아 나노입자로 만들어 기판 위에 증착하여 박막을 이루게 했다.
이 공정에서 플라즈마에 의해 나노입자화 된 금속이 박막으로 변화하는 것을 막는 특수한 기판인 ‘글루코스’를 사용해 나노입자를 얻어냈다.
연구팀의 기술은 화학반응이 아닌 플라즈마를 활용한 물리적 증착 원리를 이용한 만큼 기존 화학적 합성법의 문제점을 해결해 간단한 방법으로 금속 나노입자를 합성할 수 있다.
개발된 기술로 백금-코발트-바나듐 합금 나노입자 촉매를 합성하고 수소연료전지 전극을 위한 산소 환원 반응용 촉매에 적용했다.
수소연료전지용 촉매로 상용화된 백금과 백금-코발트 합금 촉매보다 각각 7배와 3배 높은 촉매 활성을 보이는 결과가 나타났다.
이번 기술은 금속 나노입자가 필요한 모든 연구에 적용할 수 있는 신개념의 합성법을 개발한 것으로 수전해, 태양전지, 석유화학 등 금속 나노입자가 필요한 모든 분야의 연구에 활용할 수 있을 것으로 보인다.
유성종 박사는 “지금까지 구현이 어려웠던 새로운 구조의 합금 나노입자를 수소연료전지를 비롯한 친환경 에너지 기술에 적용해 수소경제 안착과 함께 탄소중립 기술 개발에 밑바탕이 되겠다.”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 나노입자 분야 국제학술지 ‘나노 투데이’ 최신호에 게재됐다.
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