기계공학과 김태성 교수 연구팀,
나노 효과를 이용한 상온‧상압에서
팔면체 이황화텅스텐 합성기술 개발
- 플라즈마 화학기상증착법을 이용한 저온 대면적 합성을 통한
대량 생산 및 수전해용 백금의 대체 촉매로의 가능성 확인
- 2.13 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지‘Small’ Back Cover로 선정

[그림1] 김태성 교수(성균관대), 이재현 교수(아주대), 김형우 박사(성균관대)

기계공학부 김태성 교수 연구팀(공동 1저자 김형우 박사, Vinit Kanade, 김만수)이 아주대학교 이재현 교수 연구팀과 공동으로 ‘웨이퍼 크기의 금속성을 가지는 이황화텅스텐(1T-WS2) 박막 성장 및 효율적이고 안정적인 수소 발생 반응’ 기술을 개발했다고 밝혔다.

전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)이란 주기율표상의 여러 전이금속과 16족 칼코겐 원소 중 산소를 제외한 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te)의 화합물로, 단일 구조상을 갖는 대표적인 이차원 소재인 그래핀과는 달리 복수의 구조상이 존재하며 상전이에 의해 도체, 반도체, 전연체 등으로 전기적 물성이 변화되는 특징을 갖고 있어 차세대 나노소재로 기대되고 있다.

특히 상온‧상압의 조건에서 안정상인 육방형 구조상(2H)의 전이금속 칼코겐 화합물과 달리, 팔면체 구조상(1T)을 가진 전이금속 칼코겐 화합물은 도체의 특성이 있어 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 낮은 저항으로 값비싼 백금류 촉매를 대체할 수 있는 에너지 전기화학 촉매 소재로 각광받고 있다. 

[그림2] 나노 결정립의 팔면체 이황화텅스텐이 도체(1T 형상)의 특성이 있어 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 함께 낮은 저항으로 값비싼 백금류 수전해용 촉매를 대체할 가능성을 보여주었음

연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용하였다. 지난 2015년, 플라즈마화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 이황화몰리브데넘을 저온에서 대면적으로 합성에 성공하여 학계 및 산업계에서 큰 주목을 받았다. 이후 아주대학교 연구팀과의 협업을 통해 이황화몰리브데넘-그래핀 이종접합구조를 합성한 데 이어 금속성을 갖는 팔면체 이황화텅스텐을 세계 최초로 대면적 기판상에 구현하였다.

연구팀은 합성된 이황화텅스텐 결정의 크기를 나노사이즈로 만들어 높은 표면에너지를 유도하여 상온‧상압에서 준안정상인 팔면체 구조를 1,000회 이상의 전기화학 반응 후에도 지속해서 유지할 수 있도록 하였으며, 높은 밀도의 결정립을 유도하여 촉매 반응성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 

본 연구는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구(NRF-2017R1A2B3011222), 개인 기초연구지원사업(NRF-2018R1D1A1B07040292), 대통령 포스트닥터 펠로우쉽(NRF- 2014R1A6A4A04058169)의 연구결과로 향후 다양한 전이금속 칼코겐 화합물에 형상별(1T, 2H) 대면적 합성에도 적용 가능할 것으로 기대된다. 

이번 연구는 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)' (IF:10.856, JCR 상위 10%이내)의 2월 13일자 표지논문으로 게재되었다.