천연가스를 뜨겁게 달구면 손쉽게 나노와이어(nanowire)를 만들 수 있다. 복잡한 공정이 필요 없고, 백금 같은 귀금속 촉매도 쓰이지 않는다. 반도체나 배터리, 태양전지 등에 쓰일 각종 나노와이어를 저비용으로 대량생산할 방식으로 주목받고 있다.
에너지 및 화학공학부의 박수진·곽상규 교수팀은 천연가스를 이용한 나노와이어 제조 기술을 개발했다. 2차 전지나 태양전지 소재 등 ‘에너지 분야’와 반도체와 디스플레이 등 ‘전자 분야’에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.
박수진 교수는 “전자기기가 계속 작아지면서 각종 칩이나 부품도 나노 수준을 요구하고 있다”며 “이번에 개발한 기술은 귀금속 촉매 대신 천연가스를 이용해 기존 나노와이어 제조비용을 대폭 줄일 수 있는 새로운 방법”이라고 말했다.
연구진이 이용한 방법은 금속 등에 탄소를 입히던 ‘천연가스 열분해’ 공정이다. 이는 코팅하고자 하는 산화물에 천연가스를 넣고 높은 온도로 가열시키는 비교적 단순한 방식이다. 탄소 코팅은 반도체나 2차 전지를 만드는 소재의 전기 전도도를 높이고, 산화와 부식을 막기 위해 쓰인다.
제1저자로 연구에 참여한 최신호 에너지 및 화학공학부 박사 후 연구원은 “천연가스는 고온에서 탄소와 수소로 분리되는데, 이때 수소는 산화물에 있던 산소와 반응하고 탄소만 물질에 코팅된다”며 “온도를 800℃ 이상 높이면 탄소 코팅뿐 아니라 물질을 나노와이어 형태로 성장시키는 효과까지 얻을 수 있다”고 설명했다.
탄소와 수소로 이뤄진 천연가스를 섭씨 700~900로 가열하면 두 원자가 쪼개진다. 이때 탄소는 게르마늄 등의 물질을 나노와이어로 성장시킬 뿐 아니라 나노와이어 표면을 감싸는 코팅까지 진행한다. 손쉽고 간단하게 나노와이어를 생성할 수 있는데다 안정적인 물질을 얻을 수 있다. 아래는 생성된 나노와이어의 전자현미경 사진이다. | 자료: 최신호
이 기술을 이용하면 나노와이어 표면에 탄소층이 생기므로 공기 중의 산소와 반응하는 것도 막아준다. 덕분에 천연가스 열분해 방식으로 생성된 나노와이어는 열적·화학적으로 안정적이다. 최신호 연구원은 “탄소 코팅 공정이 금속 및 반도체 나노 물질을 제조하는 고부가가치 기술로 전환한 새로운 발견”이라고 덧붙였다.
또 다른 제1저자인 김지은 한국화학연구원 연구원(UNIST 석사 출신)은 “나노와이어의 성장뿐 아니라 탄소 코팅, 산화물의 환원 등 세 공정을 한 번에 할 수 있는 기술”이라며 “주석, 인듐, 니켈 등의 금속에서도 이 방식으로 나노와이어를 형성하는 데 성공한 만큼 다양한 분야 적용이 기대된다”고 전했다.
연구진은 이 기술로 만든 게르마늄 나노와이어를 리튬이온전지 음극소재에 적용해봤다. 그 결과 기존 흑연 소재보다 고속 충․방전에서 용량이 컸고, 1000회 이상 반복 충․방전해도 99% 이상 용량을 유지했다.
박수진 교수는 “음극에 쓰이는 흑연 소재는 용량이 낮고 고속 충․방전이 어려워 새로운 소재로 실리콘이나 게르마늄이 주목받고 있다”며 “이번에 개발한 게르마늄 나노와이어도 좋은 대안이 될 수 있을 것”이라고 내다봤다.
탄화수소가스(천연가스)의 분해반응과 산화물의 환원반응의 이론계산 결과. 탄화수소가스의 분해반응으로 인해 생성된 각종 탄소계, 수소계 기체들이 산화물 표면에 대한 반응열과 활성화 에너지를 통해 산화물 계면에서의 환원 반응의 물리․화학적 상관 관계를 규명했다. | 자료: 최신호
한편 이번 연구는 각종 산화물에서 천연가스 분해반응이 일어나는 원리를 밝혔다는 데도 의미가 있다.
황대연 에너지 및 화학공학부 석·박사통합과정 연구원은 “열분해로 생성된 수소와 탄소가 산화물을 환원시키며 순수한 나노와이어를 성장시킨다”며 “이때 물질이 탄소와 잘 섞이지 않는 성질이라면 탄소가 나노와이어에 코팅된다”고 설명했다.
곽상규 교수는 “천연가스의 분해반응과 산화물의 환원 현상의 원리를 규명함으로써 나노와이어 형성에 대한 이론적 토대를 마련했다”고 이번 연구를 평가했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 ‘중견연구자지원사업과 기초연구사업’에서 지원받아 진행됐다. 이 내용은 나노 분야 세계 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 21일자 온라인 판에 게재됐다.
