[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

오늘날 환경오염과 에너지 문제가 부각되면서 환경을 보호하거나 환경에 미치는 영향을 최소화하는 새로운 기술이 요구되고 있다. ‘광촉매’ 기술은 빛을 이용하는 혁신적인 분야로서 나노기술과 접목해 태양전지의 효율 증대, 산화․환원반응을 이용한 수소와 산소 생산, 대기 및 수질 정화, 자외선 차단 등 다양한 분야에 활발히 적용되고 있다.

기존 광촉매 기술은 산화타이타늄(TiO₂)과 실리콘 기판을 이용했다. 그런데 이 기술은 제조 공정이 복잡하고 측정 조건이 고도화되면서 상용화에 한계를 보이고 있다. 광촉매를 쓰는 또 다른 방법으로는 가루 형태로 존재하는 광촉매를 용매에 직접 분산시킨 뒤 가시광선을 쪼여 광촉매 반응을 일으키는 방식도 있다. 하지만 현재까지 반도체의 성질과 넓은 표면적, 높은 결정성 등의 필수조건들을 동시에 충족시키는 광촉매 개발은 미비한 수준이다.

이번 연구에서는 천연점토의 금속 환원반응을 이용해 5㎚ 수준의 초박막 실리콘 나노시트를 간단하고 대량생산이 가능한 방식으로 제조하는 방법을 개발했다. 이 기술을 이용해 만든 실리콘 나노시트를 수소 발생용 광촉매로 적용하자, 수소 생산량을 높이는 것은 물론 안정성까지 확보할 수 있었다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 천연점토의 용융염 유도 박리와 동시에 금속 환원법을 이용했다. 이를 통해 ①금속산화물을 금속으로 환원시키고, ②초박막 나노시트를 합성하는 2가지 공정이 동시에 이뤄진다는 걸 밝혔다. 이는 기존의 초박막 나노시트를 합성하는 화학 증착(Chemical vapor deposition)법과는 차별된다. 또 저렴한 천연점토를 사용하므로 대량생산에 유리하며 단 하나의 공정으로 모든 것을 해결하는 큰 장점을 가진다.

이번 연구에 사용된 실리콘 소재는 저렴하고, 반도체 특성이 우수하며, 가공하기 손쉬운 전자 소재 및 에너지 소재로 주목받고 있다. 하지만 나노구조로 된 실리콘 소재는 제조과정이 복잡하고 대량생산에 적합하지 못해 산업에 적용하기는 어려웠다. 이번 기술을 적용하면 기존의 실리콘 나노시트의 제조공정 단가를 1/50 수준으로 낮출 수 있다.

제조된 초박막 실리콘 나노시트 소재를 수소 발생 광촉매로 이용한 결과, 기존에 보고된 실리콘 나노소재보다 높은 수소 발생률을 보였다. 또 수십 시간 동안의 반응에도 안정성을 유지했다. 다른 나노시트 광촉매 소재와 비교해도 성능이 우수했다. 이는 초박막 실리콘 나노시트의 구조적 우수성과 넓은 표면적 및 높은 결정성의 효과 덕분이다.

3. 기대효과

이번 기술을 이용하면 나노시트를 저비용으로 대량생산할 수 있다. 하나의 제조 공정만으로 나노시트를 생산할 수 있어 비용과 시간을 모두 절약할 수 있기 때문이다. 실험실 수준의 생산 환경으로 달성한 획기적인 생산단가 절감은 추후에 산학 협력을 통해 추가적으로 절감될 여지가 충분하다.

이 기술은 앞으로 수소발생과 더불어 다양한 광촉매 반응 소재로서의 가능성을 가지고 있다. 또 이번 연구에서 개발한 나노시트 제조방법은 광촉매뿐 아니라 리튬이온전지, 태양전지, 반도체 분야, 전자 재료 분야 전반에서의 기반 기술이 될 수 있다. 다양한 분야에 응용될 가능성이 매우 높은 기술이다.

[붙임] 용어설명

1. 네이처 퍼블리싱 그룹 아시아 머티리얼스(NPG Asia Materials)

NPG(Nature Publishing Group)에서 2009년 창간한 과학 전문잡지로서, 2015년 기준 인용지수 10.118으로 나노분야 최고 권위지이다.

2. 나노시트(Nanosheet)

나노미터(㎚) 단위의 두께를 가지는 이차원 구조체를 말한다. 대체로 10㎚ 미만부터 수십㎚ 두께까지의 나노시트를 포함한다. 수평 방향으로는 크기 제한이 없다. 나노시트를 초미세/고효율 전자기계부품으로 활용하기 위해 세계 각국의 여러 기관이 연구개발을 왕성히 진행하고 있다. 참고로 1나노미터는 1,000,000,000분의 1m다.

3. 금속 열 환원법(Metallothermic reduction)

금속화합물의 금속 성분을 열처리 과정을 통해 다른 금속으로 치환하는 방법을 말한다. 이때 처리하기 전의 금속 성분은 주로 환원전위가 낮은 금속이고, 치환되는 금속은 마그네슘이나 알루미늄, 칼슘, 아연 등 환원전위가 높은 금속이 된다. 대표적인 반응으로 이산화규소(SiO₂)와 마그네슘(Mg)을 섭씨 550~700도의 고온에서 반응시켜 규소(Si)와 산화마그네슘(MgO)이 형성되는 현상이 있다. 금속 열처리는 아르곤(Ar)이나 질소(N₂)가스처럼 반응성이 없는 가스로 이루어진 불활성 분위기에서 진행한다.

4. 용융염 유도 박리(Molten salt-induced exfoliation)

2차원 적층 구조의 물질과 염(Salt)을 섞어 섭씨 200~500도의 고온에서 함께 둔다. 그러면 고온에서 녹은 염(용융염)이 두 층 사이에 침투해 2차원 구조의 물질을 얇은 막(박막) 상태로 분리하게 된다. 이 반응을 용융염 유도 박리라고 부른다. 참고로 염은 염화리튬(LiCl)이나 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl)처럼 산과 염기의 중화작용으로 형성된 화합물을 말한다.

5. 광촉매 반응(Photocatalytic reaction)

광촉매는 빛을 받아들여 화학반응을 촉진시키는 물질을 말한다. 반도체 성질을 보이는 모든 물질을 포함하며 산화타이타늄(TiO₂)과 실리콘(Si) 등이 있다. 흡수한 빛 에너지를 이용해 물을 분해해 수소(H₂) 또는 산소(O₂) 가스를 생산하는 반응이 대표적이다.

[붙임] 그림설명