Press release

2016. 01. 28(목)부터 보도해 주시기 바랍니다.

천연가스로 구워 만든 나노와이어 보셨나요?

UNIST 박수진‧곽상규 교수팀, 신개념 나노와이어 제조법 개발
‘탄소 코팅 공정의 재발견’으로 주목… '나노 레터스' 게재

박수진-곽상규 교수 연구그림1

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.

UNIST(울산과기원, 총장 정무영) 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 UNIST 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.

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.

한편 이번 연구는 각종 산화물에서 천연가스 분해반응이 일어나는 원리를 밝혔다는 데도 의미가 있다.

황대연 UNIST 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. (끝)

(논문명: Generalized Redox-Responsive Assembly of Carbon-Sheathed Metallic and Semiconducting Nanowire Heterostructures)

자료문의

홍보팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232

에너지 및 화학공학부: 박수진 교수 (052)217-2515, 곽상규 교수 (052)217-2541

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[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전자산업이 발달하면서 각종 전자기기가 소형화와 감량화를 목적으로 개발되고 있다. 2000년부터 급격히 대두되고 있는 나노기술이 이 부분에 적용할 수 있다. 현재 나노기술은 기존의 방식을 개선하면서 대량생산에 용이하고 제조비용을 줄이는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

현재 금속 나노와이어나 반도체 나노와이어는 백금이나 금, 은 등의 귀금속 촉매를 이용해 만들고 있다. 또 나노와이어를 만들기 위한 원재료는 가스 상태로 제공되거나 순도가 매우 높아야 한다. 귀금속 촉매에 순도 높은 원재료는 제조비용을 높인다. 또 제조공정 중에 위험한 산성 용액이나 유․무기 재료를 써야 해 공정 과정에서 제조자의 건강과 안전이 위협받고 있다.

이번 연구에서는 천연가스의 분해반응을 이용해 탄소 코팅된 게르마늄 나노와이어를 간단하게 제조하고, 산화물을 환원시키는 원리도 규명했다. 또 이 기술을 이용해 만든 게르마늄 나노와이어를 리튬이온전지 음극 소재 적용해 고속 충‧방전에도 기존 용량을 유지하는 데 성공했다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 천연가스의 열분해반응으로 생성된 탄소계, 수소계 가스를 이용해 금속산화물을 금속으로 환원시키고, 나노와이어를 성장시키며, 탄소 코팅을 하는 3가지의 공정이 동시에 이뤄진다는 걸 밝혔다. 금속산화물의 금속이 환원과 동시 나노와이어 구조로 성장하고, 이를 탄소층이 코팅한다는 점에서 기존 나노와이어 제조 방법과는 차별된다. 또한 나노와이어를 제조한 다음 남은 부산물을 제거하는 화학적 식각 방식도 필요하지 않다.다시 말해 단 하나의 공정으로 모든 것을 해결하는 큰 장점을 가진 방식이다.

이번 연구에 사용된 게르마늄 소재는 전기 전도도와 이온 전도도가 우수해 다양한 전자 소재 및 에너지 소재로 주목 받고 있다. 하지만 게르마늄 소재의 비용이 비싸 산업에 적용하기는 어려웠다. 이번 기술을 적용하면 게르마늄 소재의 제조비용을 20~50% 절감하는 효과를 거둘 수 있다.

또한 표면에 탄소 코팅을 하는 공정이 포함돼 내산화성과 내부식성이 좋아진다는 것도 장점이다. 탄소층은 전기적 특성이 매우 우수해 전자 소재의 재료로도 적합하다.

제조된 게르마늄 나노와이어 소재를 이용해 2차 전지의 소재로 이용한 결과, 기존 흑연계 소재보다 높은 용량을 보였다. 고속 충‧방전을 1000회 반복해도 초기 용량을 그대로 유지한 것이다. 이는 게르마늄 소재의 우수한 성질과 나노와이어 구조의 우수성 및 표면 탄소층의 보호 효과를 누린 덕분이다.

3. 기대효과

이번 기술은 나노와이어를 저비용 대량생산할 수 있는 방식이다. 하나의 제조 공정만으로 나노와이어를 생산할 수 있어 비용과 시간을 모두 절약할 수 있기 때문이다. 또한 기존의 탄소 코팅 방법을 그대로 적용한 덕분에 현재 산업계에 적용된 장비와 기술을 그대로 이용할 수 있다는 장점도 있다.

이 기술은 앞으로 고속 충‧방전을 필요로 하는 전기자동차 시장 및 에너지저장장치 시장에도 크게 기여할 전망이다. 이는 제조된 게르마늄 나노와이어 소재를 활용한 리튬이온전지의 특성이 우수하다는 점이 이를 뒷받침한다.

이번 연구에 의한 나노와이어 제조방법은 리튬이온전지뿐만 아니라 태양전지, 반도체 분야, 전자 재료 분야 전반에서의 기반 기술이 될 수 있다. 다양한 분야에 응용될 가능성이 매우 높은 기술이다. 

 

[붙임] 용어설명

1. 나노 레터스(Nano Letters)

ACS(American Chemical Society)에서 2001년 창간한 과학 전문잡지로서, 2015년 현재 인용지수 13.592으로 나노분야 최고 권위지이다. 

2. 나노와이어(Nanowire)

나노미터(㎚) 단위의 크기를 가지는 작은 막대기둥 구조체를 말한다. 대체로 10㎚ 미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백㎚지름의 나노와이어를 포함한다. 길이 방향으로는 특별히 크기의 제한이 없다. 이러한 나노와이어를 초미세/고효율 전자기계부품으로 활용하기 위해 세계 각국의 여러 기관에서 연구개발이 왕성하게 진행 중이다. 참고로 1나노미터는 1000000000분의 1m다. 

3. 천연가스 열분해

천연가스는 탄소와 수소로 이루어진 메탄가스나 에탄가스 등을 말한다. 이러한 가스를 불활성 분위기(Ar, N2가스와 같이 반응성이 없는 가스로 이뤄진 상태)에서 고온(700~900℃) 처리하게 되면 탄소와 수소의 결합이 끊어진다. 이 반응을 천연가스 열분해 반응이라 한다.

4. 산화환원반응

원자의 산화수가 달라지는 화학 반응이다. 산화와 환원은 서로 반대 작용으로, 한쪽 물질에서 산화가 일어나면 반대쪽에서는 환원이 일어난다. 산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻는 것을 말한다. 환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃는 것을 말한다.

5. 리튬이온전지

리튬이온전지는 2차 전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지다. 충전 시 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 제자리를 찾는다. 1991년 소니(SONY)에 의해 최초의 상업적 리튬이온전지가 출시된 후, 지금까지 가장 많이 사용되고 있는 2차 전지로 휴대전자시장의 대부분을 차지하고 있다. 최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등의 전지의 성능을 높이고 있다.

 

[붙임] 그림 설명

그림1. 개발된 나노와이어 제조 원리를 설명한 모식도(a)와 나노와이어 성장 현상의 주사전자현미경(SEM) 이미지(b). 탄화수소가스(천연가스)의 분해반응으로 인해 산화물의 환원반응이 나타나 나노와이어가 성장한다. 이때 탄소 코팅도 함께 이뤄진다.

그림2. 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.

그림3. 제조된 게르마늄 나노와이어의 내산화성 및 리튬이온이차전지 적용 결과. 표면 탄소 코팅으로 인해 게르마늄 나노와이어의 열적․화학적 내산화성이 우수하다. 또한 리튬이온전지 음극소재로 활용할 경우 고속 충‧방전에서도 기존 흑연물질대비 높은 용량과 1000회 이상의 수명 테스트에서도 우수한 결과를 보여준다.