2차원 반도체 '나노 가위'로 자른다

절개 공정의 간략한 모식도와 각각의 절개 과정에 대한 전자현미경 관찰 결과.

[아시아경제 황준호 기자] 2차원 반도체를 얇은 리본 형태로 오려낼 수 있는 기술이 개발됐다. 연구팀은 이 기술을 활용해 2차원 반도체 전이금속인 칼코지나이드를 리본 형태로 오려내, 수분해를 위한 백금 촉매를 대체할 물질을 얻었다. 물을 분해해 수소를 얻는데 필요한 고가의 백금 촉매를 대체할 새로운 촉매가 개발될 수 있을지 관심이 모아진다.

칼코지나이드를 리본형태로 오려내다

다양한 형태를 가지는 나노리본의 수소발생반응 촉매 실험 결과.

김상욱 한국과학기술원 신소재공학과 교수와 같은 대학 정유성 생명화학공학과 교수는 공동 연구를 통해 2차원 반도체인 전이금속 칼코지나드 물질을 얇은 리본 형태로 자를 수 있는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 지난 6일자로 실렸다.

연구팀은 간단한 초음파 처리를 통해 이 물질을 일정한 방향으로 절개해 긴 나노 리본 형태로 오려내는데 세계 최초로 성공했다. 연구팀은 2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학 반응한다는 사실을 발견하고, 1차원 리본 형태로 오려냈다.

칼코지나이드는 전이금속원소와 칼코겐 원소의 화합물이다. 평면 방향으로는 전이금속원소와 칼코겐 원소가 강한 공유결합을 하고 있으나 수직 방향으로 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조를 가지고 있다. 층간 분리를 하면 2차원 단층 형태로 박리할 수 있다.

다원소 저차원 나노 신물질 제조 가능

나노 리본 물질의 수소 흡착 깁스 자유에너지 값 그래프.

이렇게 만들어진 1차원 리본 형태의 칼코지나이드는 백금 촉매에 견줄 만큼 높은 수소 발생 성능을 지닌 것으로 나타났다. 1차원 리본 형태로 잘라내면서 더 많은 면적이 산소와 반응했기 때문이다.

연구팀 관계자는 "다원소로 구성된 2차원 전이금속 칼코지나이드 소재를 오려내는 새로운 기술 개발을 계기로 다양한 다원소 저차원 나노 신물질을 제조할 것으로 기대가 된다"고 설명했다.

교신저자인 김상욱 교수는 "2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 불구하고 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다"며 "이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것"이라고 말했다.

수소는 공해물질을 배출하지 않기 때문에 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 신에너지 자원이다. 수소를 생산하는 가장 환경친화적인 방법은 화학적으로 물을 분해하는 방법인데, 이를 위해 고가의 백금 촉매가 사용돼 이를 대체할 촉매를 개발하기 위한 연구가 진행 중이다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr