[월간수소경제 성재경 기자] 국내 연구진이 반도체 제조기술을 이용해 금속 나노입자를 합성하는 데 성공했다. 이 기술은 수소연료전지 촉매 성능 개선에 크게 기여할 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소‧연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 반도체 제조에 널리 쓰이는 금속박막 증착기술인 스퍼터(Sputter) 기술을 이용해 기존의 화학반응이 아닌 물리적인 방법으로 나노입자를 합성하는 데 성공했다고 밝혔다.

금속 나노입자는 주로 복잡한 화학반응을 통해서 얻어지는데 환경과 인체에 유해한 유기물을 쓰기 때문에 이를 처리하기 위한 추가 비용이 들고, 합성 조건 또한 매우 까다롭다. 

KIST 연구진은 스퍼터 공정에 플라즈마로 큰 금속을 깎아 나노입자로 만들어 기판 위에 증착해 박막을 이루는 응용기술을 적용했다. 플라즈마에 의해 나노 입자화된 금속이 박막으로 변화하는 것을 막는 특수 기판인 ‘글루코스’를 써서 나노입자를 얻었다. 

이 합성법은 화학반응이 아닌 플라즈마를 활용한 물리적 증착 원리를 이용해 기존 화학적 합성법의 문제점을 극복하고 간단한 방법으로 금속 나노입자를 합성할 수 있다.

또 기존의 화학적 합성법에 비해 더 다양한 금속을 나노입자로 합성할 수 있고, 2개 이상의 금속에 이 기술을 동시에 적용해 다양한 조성의 합금 나노입자를 합성하는 것도 가능하다.

KIST 연구진은 이 기술을 적용해 백금-코발트-바나듐 합금 나노입자 촉매를 합성, 수소연료전지 전극을 위한 산소환원반응용 촉매에 적용했다. 그 결과 수소연료전지용 촉매로 상용화된 백금, 백금-코발트 합금 촉매보다 각각 7배와 3배 높은 촉매 활성을 보이는 것으로 나타났다. 

나아가 새롭게 첨가된 바나듐이 나노입자 내에서 다른 금속들에 미치는 영향을 분석하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 바나듐이 백금-산소 결합에너지를 최적화시켜 촉매 성능 향상에 기여했음을 규명하는 데 성공했다. 

KIST 유성종 박사는 “이번 연구를 통해 금속 나노입자가 필요한 모든 연구에 적용할 수 있는 신개념의 합성법을 개발해 수전해, 태양전지, 석유화학 등 금속 나노입자가 필요한 모든 분야의 연구에 활용할 수 있게 됐다”고 말했다.