KAIST, 상식 뒤집는 획기적 발견…“나노소재, 섞을수록 더 균일해진다”

정희태(왼쪽) KAIST 생명화학공학과 정희태 석좌교수와 윤지수 박사과정생.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] “섞는 금속 종류와 개수가 더 많아질수록 더 균일하게 잘 만들어진다.”

한국과 미국 국제 공동 연구진이 여러 금속을 섞으면 나노소재 구조가 불균형해진다는 기본 상식을 뒤집는 획기적 발견에 성공했다. 이를 통해 여러 금속이 층을 이루는 새로운 나노소재를 설계할 수 있는 기준을 제시했다.

KAIST는 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대학교 마테오 카르넬로 교수팀과 공동으로, 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 형성되는 ‘역설적 현상’을 최초로 규명했다고 8일 밝혔다.

이번 연구성과는 세계 최고 국제학술지 ‘사이언스’에 7일(미국 현지 시각) 게재됐다.

나노입자는 반도체, 친환경 에너지, 바이오 등 다양한 산업에서 핵심 소재로 활용되며, 최근에는 성능 향상을 위해 여러 금속을 섞는 ‘다성분(multimetallic)’ 구조로 발전하고 있다. 그러나 구성 원소가 많아질수록 각 원소의 반응 속도가 달라 입자의 크기와 모양이 들쭉날쭉해지는 문제가 발생, 정밀 제어가 어려운 대표적인 난제로 여겨져 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복할 단서로, 금속 원소의 종류가 늘어날수록 입자의 성분이 한 방향으로 모이며 더 균일해지는 ‘성분 집중(Composition-focusing, 여러 금속이 섞일수록 특정 조성으로 자연스럽게 정리되는 현상)’에 주목했다.

원소 수 증가에 따른 조합 수 증가(위)와 성분 집중 현상(아래).[KAIST 제공]

서로 다른 금속 원자들이 경쟁적으로 결합하는 과정에서 먼저 자리 잡은 원자가 이후 들어오는 원자가 더 쉽게 붙도록 돕는 ‘징검다리’ 역할을 한다는 사실을 확인했다. 이로 인해 원자들이 무작위로 섞이는 것이 아니라, 층층이 질서 있게 쌓이며 안정적인 구조를 형성하게 된다.

즉 그동안 나노소재 합성에서 문제로 여겨졌던 복잡한 화학 반응 환경이 오히려 원자들이 정돈된 구조를 이루도록 돕는다는 새로운 원리가 밝혀진 것이다.

연구팀은 이 원리를 검증하기 위해 5가지 금속이 포함된 다성분 나노입자 촉매를 제작했다. 그 결과, 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 반응에서, 암모니아가 쉽게 분해되지 않아 높은 온도와 빠른 반응을 유도하기 위한 촉매가 필수적인 가운데, 현재 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 기준 재료인 루테늄(Ru) 촉매보다 약 4배 높은 효율을 보였다.

정희태 석좌교수는 “이 원리를 활용하면 원하는 성능에 맞춰 금속 조성을 설계할 수 있어, 수소 생산, 이산화탄소 전환 등 에너지 공정의 효율을 높이는 고성능 촉매와 친환경 에너지 소재 개발에 활용될 수 있을 것”이라면서 “향후 대량생산에서도 동일한 품질을 유지하는 기술과 AI를 활용해 최적의 소재를 설계하는 기술 개발에 주력할 계획”이라고 말했다.