^*상(phase): 물질은 크게 고체,액체, 기체상으로 나뉜다. 이 중 특정 고체는 이를 구성하는 원자들의 배열 모양에 따라 서로 다른 상을 갖고 물리·화학적 성질이 달라진다. 예를 들어 순수한 철은 상온에서 자석에 달라붙는 ‘강자성’을 갖지만 온도가 특정온도 이상으로 올라가면 철을 구성하는 원자의 배열이 바뀌고 자석에 달라붙지 않게 된다.

^*전기전도도(Conductivity): 물질 내부에서 전자가 얼마나 잘 움직이는지(전기가 잘 통하는지)를 나타내는 척도. 전기전도도에 따라 금속, 반도체, 부도체로 나뉜다. 금속>반도체>부도체 순으로 전기전도도가 좋다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전이금속 칼코겐화합물1)(transition metal dichalcogenides)란 원소 주기율표 4, 5, 6족의 전이금속과 16족 칼코겐 원소 중 산소를 제외한 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te)의 화합물로 MX2 형태의 화합물(M: 전이금속, X: 칼코겐 원소)이다. 단일 구조상을 갖는 대표적인 2차원 물질인 그래핀과는 달리, 전이금속 칼코겐화합물은 동질이상(polymorphism)2)이라는 복수의 구조상이 존재한다. 전이금속 칼코겐화합물은 구조상에 따라 상온·상압에서 안정적인 육방정형3)의 반도체상(2H)과 준안정성인 삼방정형4)의 금속상(1T)으로 존재하며, 이러한 구조상은 상전이5) 프로세스를 통해 물성을 제어할 수 있다. 전이금속 칼코겐화합물의 구조상 제어는 수전해 촉매6) 반응 제어와 같은 에너지 소재 및 새로운 물리현상을 연구하는 플랫폼을 제공한다.

기존 보고된 상전이 합성은 전이금속 칼코겐화합물에 전자를 제공함으로써 가능하며 화학적 리튬 삽입, 투과전자현미경을 통한 직접적 전자 삽입, 플라즈몬 효과를 활용한 전자 삽입, 전자빔을 통한 전자삽입 등과 같은 방법들이 제시되었다. 하지만 기존에 보고된 방법들은 국소부위에 한정된 상전이, 낮은 상순도의 한계점이 분명히 존재할 뿐만 아니라 쉽게 안정한 반도체상(2H)로 변환되기 때문에 금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물의 본질적인 특성을 온전하게 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 높은 반응성의 용융 알칼리 금속을 전이금속 칼코겐화합물의 층간에 모세관 현상7)을 통해 삽입하는 방법을 이용하여 단시간에 92% 이상의 높은 금속상(1T) 순도의 전이금속 칼코겐화합물을 합성하는데 성공했다. 하향식 접근방법(Top-down method)을 통해서 합성된 금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물 중에서 가장 높은 순도이며 상온·상압에서도 안정하게 존재하는 금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물을 합성한 최초 사례이다.

연구팀은 X선 광전자 분석법8)(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)으로 분석한 결과, 금속상(1T)이 92%로 존재하는 것을 확인하였으며, 삽입된 금속과 전이금속 칼코겐화합물과의 결합을 확인하였다.

금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물을 고분해능 투과전자현미경9) 기법을 이용해 원자 단위로 구조를 분석하였으며, 이를 통해 금속상(1T)의 원자 구조 및 높은 금속상 순도(1T)를 확인하였다.

또한, 금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물을 다양한 분야에 응용하기 어려운 가장 치명적인 단점은 금속상(1T)의 불안정성이다. 용융 금속 삽입법을 통해 합성된 금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물의 상 안정성을 분석한 결과 삽입된 금속과 전이금속 칼코겐화합물의 결합이 고온에서의 열처리, 광 노출, 상온에서의 장기 안정성을 유도하였다.

금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물의 우수한 안정성의 원인을 범밀도 함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)10)를 통해 분석했다. 그 결과 결합된 알칼리 금속 원자가 반도체상(2H)에서 금속상(1T)상으로 상변화 에너지를 낮춰주며, 바뀐 전자 구조가 금속상(1T)에서 전이금속 원자와 칼코겐 원자의 결합을 더욱 안정적으로 유지할 수 있게 함을 규명했다.

용융 금속 삽입법을 통해 합성된 금속상(1T)의 전이금속 칼코겐화합물은 넓은 전기화학적 활성 영역을 기반으로 기존 보고된 전이금속 칼코겐화합물에 비해서 높은 수소 발생 촉매 활성도를 보였으며, 칼코겐 화합물의 우수한 상안정성으로 인해 촉매의 성능이 안정적으로 유지됐다.

3. 기대효과

용융 금속 삽입법을 통해 합성된 높은 상순도 및 안정성의 금속상(1T) 전이금속 칼코겐화합물은 기존 상전이 합성 연구의 여러 가지 한계점을 명확하게 해결한 연구로 전이금속 칼코겐화합물의 새로운 물리적 특성을 연구할 수 있는 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 백금을 대신하여 수소를 생산할 수 있는 차세대 촉매 물질 개발 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 전이금속 칼코젠화합물(transition metal dichalcogenide)

주기율표에서 4, 5, 6족의 전이금속 원자와 산소를 제외한 2개의 황(S), 셀레늄(Se), 또는 텔레늄(Te) 원자가 결합된 화합물. 

2. 동질이상(Polymorphism)

화학 조성이 같은 물질이지만 다른 상(Phase, 원자배열과 결정구조)을 갖는 것.

3. 육방정계(Hexagonal)

밑면이 정육각형을 이루는 육각기둥구조의 결정구조(원자배열). 전이금속 칼코겐화합물의 대표적인 결정체로 6족 전이금속 칼코겐화합물의 경우 상온·상압에서 안정적으로 존재할 수 있으며 반도체 특성을 나타냄. 

4. 삼방정계(Trigonal)

3개의 대칭축을 주축으로 하여 이에 수직하는 평면과 120°로 교차되는 3개의 의 벡터로 구성된 결정구조. 정육면체를 대각선 방향으로 잡아늘린 형태. 전이금속 칼코겐화합물의 대표적인 결정체로 6족 전이금속 칼코겐화합물의 경우 상온·상압에서 준안정성이며 금속성 특성을 나타냄.

5. 상전이(Phase Transition)

상전이는 물질이 온도, 압력, 외부 자기장 등 일정한 외적 조건에 따라 한 상(phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상이다. 기체가 액체로 전이하는 응축(condensation) 현상, 액체가 고체로 전이하는 응고(solidification) 현상 등이 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 상전이 현상의 예들이다. 같은 고체 상태 에서도 원자가 어떻게 배열되어 있느냐(결정구조)에 따라 물질의 성질이 변화하는 상전이가 발생한다. 

6. 수전해 촉매(Water Electrolysis Catalyst)

물을 전기분해하여 수소 기체와 산소 기체로 만들기 위해서 필요한 과전압을 낮추기 위한 물질. 반응에 필요한 에너지를 낮추는 역할을 한다.

7. 모세관 현상(Capillary action)

모세관(가는 관)을 액체 속에 넣었을 때, 관 속의 액면이 관 밖의 액면보다 높아지거나 낮아지는 현상. 혹은 분자 사이의 인력과 분자와 가느다란 관의 벽 사이에 작용하는 서로 간의 인력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상. 식물이 중력을 거슬러 땅속의 수분을 흡수하는 현상이 대표적인 모세관 현상의 예이다.

8. X선 광전자 분석법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)

일정한 에너지를 가지는 X선을 시료에 조사하여 방출되는 광전자(photoelectron)의 운동에너지를 측정하여 광전자를 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 binding energy를 측정하여 원소의 정성 및 정량분석, 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법

9. 고분해능 투과전자현미경(High resolution transmission electron microscope)

200 kV의 고전압으로 전자빔을 형성시켜 이를 재료에 투과하여 재료의 구조 등의 미세조직을 관찰하고, 금속 및 기타 재료의 격자구조를 이해하는데 사용되는 기법

 10. 범밀도함수분석(DFT, Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 액체 알칼리 금속을 이용해 반도체상 전이금속 칼코겐화합물을 금속상으로 변환. 모세관현상을 통해 반도체상(Phase) 전이금속 칼코겐 화합물(이황화몰리브덴, MoS2) 층간으로 삽입된 액체 알칼리 금속(칼륨, K)이 전자를 공급해 물질은 금속상으로 바꾼다.

그림 2. 합성된 금속상 전이금속 칼코겐화합물의 성질. (A) 반도체상(좌) 대비 우수한 전기전도도 (B) 금속상(1T)의 열 안정성: 100도( 이상의 고온에서도 90% 이상의 상 순도를 유지함 (C) 금속상의 광 안정성: 레이저 광 조사(붉은색) 후에도 안정함 (D,E) 합성된 전이금속 칼코겐화합물을 물 분해 촉매로 사용했을 때 산성용액(D)과 염기성 용역(E)에서의 내구성을 보여줌

그림 3. 금속상의 안정성 원인 분석. 범밀도 함수 이론(DFT)을 이용해 금속상이 반도체상으로 돌아가지 않고 안정한 원인을 분석함. 칼륨과 결합한 칼코겐 원소가 상변화에 필요한 에너지(그래프의 산)를 낮춰줌.