[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 공기중 78%를 차지하는 질소를 암모니아로 만드는 촉매를 개발했다. 이 촉매를 이용하면 이산화탄소를 배출하지 않고도 수소를 저장하는 암모니아를 만들 수 있어 친환경적이다. 대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수팀이 공기 중 질소를 암모니아로 만드는 촉매를 개발했다고 13일 밝혔다. 연구진은 얇은 육방정 질화붕소 시트 위에 질화몰리브덴 나노입자가 올라간 촉매를 만들었다. 이렇게 만들어진 촉매는 지금껏 존재하는 촉매중 가장 높은 암모니아 생산 활성률과 61.5%의 패러데이 효율을 보였다. 또한 가장 안정적인 성능과 내구성을 기록했다. 패러데이 효율은 반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것을 뜻한다. 암모니아는 비료나 수소운반체 등 다양한 분야에 활용되는 귀한 화학 원재료다. 하지만 암모니아를 합성하는데 사용되는 기존 방식인 '하버-보슈법'은 인류가 배출하는 전체 이산화탄소의 1~2%를 차지할 만큼의 많은 이산화탄소를 배출해, 환경파괴의 원인 중 하나로 지목돼왔다. 연구진은 전기화학적 반응을 일으켜 공기 중 질소로부터 암모니아로 합성하는 '질소환원반응(NRR)'을 이용한 방식을 제시했다. 연구진은 새롭게 개발한 촉매를 이용해 질소 환원 반응을 일으킬 경우, 공기 중 질소가 액체화되면서 암모니아를 합성할 수 있다고 밝혔다. 또한 기존 방식보다 암모니아를 합성하는데 있어 상대적으로 낮았던 효율성 문제도 함께 해결해, 관련 연구가 갖고 있던 한계도 극복했다. 샨무감 교수는 "이번에 개발한 암모니아 합성 촉매는 합성과정에서 발생되는 이산화탄소가 없고, 여러 합성 준비 단계를 거치지 않고 바로 단 한 번만의 반응으로 암모니아 합성이 가능하다"고 말했다. 한편, 이번 연구결과는 에너지 및 환경 분야에서 국제적 저널인'응용 촉매 B-환경(Applied Catalysis B: Environmental)'에 게재됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 그래핀처럼 얇은 2차원 형태로 만드는 소재 합성 공식을 발견했다. 연구진은 이 합성 공식을 실제 실험에 적용해 새로운 얇은 형태의 물질을 만들어낼 계획이다. 울산과학기술원(UNIST)는 펑 딩 교수팀(IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더)이 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 매우 얇은 소재를 합성하는 공식을 발견했다고 21일 밝혔다. 이 공식은 에피택시 합성에서 결정섬 모양의 대칭성과 기판 표면 모양의 대칭성간 상관관계가 단결정 2차원 물질 합성에 영향을 준다는 것. 즉 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군이어야만 2차원 물질이 단결정 형태로 합성된다는 것을 연구진이 밝혀낸 것이다. 에피택시 합성법은 금속기판 위에 듬성듬성 생긴 작은 결정 조각들을 이어 붙여 하나의 큰 단결정을 얻는 방법이다. 대칭군의 원소는 특정 모양을 회전하거나 수평· 수직 평면에 반사했을 때 원래 모양과 같은 형태가 나타나는 행위(조작)이다. 연구진이 제안한 이론은 과거의 2차원 나노물질을 대면적 단결정으로 합성한 여러 사례와 모두 일치했다. 단결정은 물질 구성 원자의 배열이 규칙적이며 하나의 배향, 즉 원자들이 이어진 방향성이 하나로 갖는 형태다. 배향이 다른 단결정 여러 개로 이뤄진 다결정보다 품질은 우수하지만, 상용화가 가능한 수준으로 크게 합성하기 어렵다. 에피택시 합성법은 이를 극복할 단결정 2차원 소재 합성법으로 떠오르고 있다. 이를 통해 차세대 반도체나 전자재료로 주목받는 단결정 그래핀, 육방정계 질화붕소, 이황화몰리브덴 등의 2차원 물질이 대면적으로 합성된 바 있다. 하지만 이러한 2차원 물질의 대면적 합성이 가능한 특정 조건이 제시된 적은 없었다. 펑 딩 교수는 "일반적으로 기판 표면 모양의 대칭성이 낮을수록, 기판 표면 모양의 대칭군이 결정섬 모양 대칭군의 부분군일 확률이 높아진다"며 "이는 표면 모양의 대칭성이 낮은 기판을 이용해 2차원 단결정을 더 쉽게 합성할 수 있음을 의미한다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인에 11월 17일자로 공개됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 차세대 신소재로 주목받는 2차원 반도체의 상용화를 앞당길 측정기술을 개발했다. 이 기술은 반도체의 성능 향상뿐만 아니라 양자컴퓨터, 스핀트로닉스와 같은 무궁무진한 미래 기술의 기반으로도 응용할 수 있다. 한국표준과학연구원(KRISS)는 양자기술연구소 연구팀이 첨단소재인 2차원 반도체성 전이금속 디칼코게나이드(SC-TMD) 화합물의 양자전기 물리적 특성을 측정하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 그동안 이론적 예측으로 밝혀온 물리적 특성 값들을 정확한 측정으로 규명함해 2차원 반도체의 응용성을 한 차원 높일 것으로 전망된다. 연구팀의 정수용 책임연구원은 "원자결함 제어의 가능성을 제시한 이번 기술은 2차원 반도체의 응용성을 폭넓게 확장시킬 것"이라고 말했다. 이번 기술은 반도체 특성을 결정짓는 원자결함상태의 에너지 분포를 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 원자결함을 제어해 반도체의 특성을 자유자재로 바꿀 수 있는 가변 반도체 개발의 길이 열린 것이다. 이황화텅스텐, 이황화몰리브덴 등이 대표하는 SC-TMD 물질은 꿈의 신소재로 불리는 그래핀과 유사한 2차원 물질이다. 그래핀의 장점인 우수한 물리화학적 특징은 물론, 반도체의 특성까지 가지고 있어 산업 응용 가능성이 높은 것이 장점이다. SC-TMD 물질은 실리콘 반도체를 대체할 미래 반도체 기술로 꼽히지만, 아직까지 물질 자체가 가진 물리적 성질에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화 단계에서 어려움을 겪고 있다. 특히 SC-TMD 물질 내부에 존재하는 원자결함은 '양날의 검'과 같다. 원자결함이 만드는 결함상태(defect state)는 물질의 도핑 정도를 조절하고 'P형', 'N형'과 같은 반도체 특성을 결정짓는 중요한 요소지만, 동시에 전자 이동도를 억제하는 등 성능을 저해하는 원인으로도 작용한다. 즉, 원자결함을 인위적으로 제어할 수만 있다면 SC-TMD 물질은 다양한 기능을 손쉽게 변화시킬 수 있는 신개념 소자로 탄생할 수 있다. KRISS 양자기술연구소 연구팀은 육각질화붕소 박막, 흑연, 그래핀, SC-TMD 등의 2차원 물질이 적층된 수직이종접합 구조를 제작, 전자터널링분광법을 이용해 SC-TMD에 대한 양자전기물성을 정확하게 측정했다. 그 결과 밴드갭과 엑시톤 등 SC-TMD의 고유 물성값은 물론, 원자결함상태의 기원과 영향력까지 규명하는 데 성공했다. 연구팀은 실험을 통한 측정 이후, 이론적 검증방법인 제일원리계산을 통한 해석으로 측정값의 신뢰성을 극대화했다. KRISS 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자