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2019-12 16

[학술][이달의 연구자] 김종호 교수, 다기능성 나노 촉매 개발로 환경문제 해결의 길 열다

김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 다기능성 나노 촉매 PdO@WO₃(PdO on WO₃)와 해당 물질의 합성법을 개발했다. 기존 학계에 보고된 사례가 없는 PdO@WO₃는 광촉매뿐만 아니라 전기화학 촉매의 역할도 효과적으로 수행한다. ▲김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 광촉매/전기화학 촉매 기능을 하는 PdO@WO₃ 합성법과 해당 소재를 개발했다. 김 교수가 개발한 PdO@WO₃은 촉매 특성을 가진 PdO 나노 클러스터를 얇은 산화텅스텐(WO₃) 반도체 막에 도입한 형태다. 이렇게 개발한 나노소재는 빛에너지를 화학에너지로 변환시키는 광촉매 역할을 수행하며 탄소-탄소 결합반응을 효과적으로 촉진한다. 해당 소재는 음극 반응 중 하나인 산소 환원 반응을 활성화하는 전기화학 촉매 기능도 가지고 있다. PdO@WO₃는 여러 분야의 환경문제를 해결할 것으로 전망된다. 항암제를 비롯한 의약품을 만들 때 탄소-탄소 결합(두 벤젠 고리의 연결 등)이 필수적이다. 이때 팔라듐(Pd)의 광촉매 작용이 필요하다. 기존 방식은 용액에 팔라듐을 균일 혼합물로 섞어 화학반응을 유도하기 때문에 회수가 거의 불가능했다. 반면 김 교수가 개발한 소재를 이용할 경우 불균일 혼합물이 돼 온전한 회수가 가능하다. 회수된 나노 소재는 여러 번 재사용해도 촉매 활성을 유지했다. 팔라듐은 금보다 비싼 희귀광물 중 하나로, 나노 소재의 재사용 가능성이 의약품 단가를 크게 낮출 것으로 기대된다. 광물 채굴은 환경파괴의 한 종류로 팔라듐 소재의 재사용은 환경문제도 해소한다. 현재 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 전지는 낮은 효율과 폭발 위험성을 가지고 있다. 이 때문에 차세대 배터리로 금속-공기 전지가 각광받고 있다. PdO@WO₃를 음극 전기화학 촉매로 사용해 만든 아연-공기 전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높고 폭발성은 없다. 해당 기술이 상용화된다면 내연 기관 자동차를 대체할 전기차 개발이 수월해질 것으로 기대된다. ▲a)PdO@WO₃ 나노 소재를 광촉매로 사용해 진행된 탄소-탄소 결합반응에 대한 모식도. b) PdO@ WO₃ 나노 소재를 전기화학촉매로 이용해 진행된 산소 환원 반응(ORR) 결과. (김종호 교수 제공) 이번 연구(논문명 'Ultrathin WO3 Nanosheets Converted from Metallic WS2 Sheets by Spontaneous Formation and Deposition of PdO Nanoclusters for Visible Light-Driven C-C Coupling Reactions')는 실험 실패를 통한 발견으로 이뤄졌다. 김 교수는 본래 도체성 WS₂ nano sheet로부터 반도체성 WS₂ nano sheet를 만드는 실험을 진행했지만, 의도와 다른 물질인 WO₃가 계속 생성됐다. 그는 해당 물질을 분석하고 여러 실험을 이어간 결과 다기능성 소재인 PdO@WO₃를 발견했다. 이후 김 교수는 합성 원리를 규명하고 촉매 소재로 응용해냈다. 김 교수는 “실패라고 생각했던 결과로부터 새로운 과학적 사실을 발견했다”며 “우리 학생들도 실패를 두려워하는 대신 그 속에서 새로운 배움을 발견하길 바란다”고 전했다. 이번 연구는 원래 의도한 실험의 실패로 1년, PdO@WO₃의 분석과 규명으로 2년이라는 긴 시간이 소요됐다. 김 교수의 연구실(클릭 시 이동)은 지속 가능하고 친환경적인 나노 촉매 소재 개발을 진행해오고 있다. 김 교수는 이번 연구를 통해 '다기능성 PdO@WO₃ 합성법 및 광촉매/전기화학촉매 응용 기술'에 대한 원천 특허를 확보했고 광촉매 연구를 학술지에 발표했다. 김 교수는 PdO@WO₃를 금속-공기 전지에 응용한 연구 결과를 국제 학술지에 투고할 예정이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2014-12 03

[학술][이달의 연구자] 첨단소재의 신기한 나노 역학특성

"항상 재미있는 연구를 추구하며 나아가고 싶어" 공상과학 영화에 나오는 것과 같은 괴물 개미는 존재할 수 없다. 개미를 같은 비율로 확대시킨다면 몸 전체의 균형이 깨져 서있기도 힘들 것이기 때문이다. 개미가 얇은 다리로 서있을 수 있는 것은 크기가 작기 때문이다. 이와 같이 어떤 대상이 나타내는 역학적 특성은 그 대상의 크기에 의해 영향을 받는다. 11월 이달의 연구자로 선정된 장재일(공과대∙신소재) 교수는 다양한 첨단소재가 나타내는 나노스케일(Nanoscale, 1nm는 10억분의 1m, 머리카락 두께의 5만분의 1) 역학특성에 대해 연구하고 있다. 마이크로미터, 나노미터 스케일에 주목한 장재일 교수 재료의 역학적 특성이란 외부로부터 힘을 받았을 때 나타내는 반응을 의미한다. 강도(Strength, 내구력) 및 인성(Toughness, 재료의 질긴 정도)으로 재료의 다양한 성질 중 가장 기본이 되는 특성이다. 장 교수는 "건축물, 자동차, 선박, 교량 등에 사용되는 구조용 재료뿐만 아니라, 박막 초소형 전기기계시스템(MEMS/NEMS), 나노구조물 등에 적용되는 기능용 재료들도 스스로를 지탱하는 능력이 있어야 적절한 기능을 발휘할 수 있다"며 "우리 연구팀은 첨단 소재가 마이크로미터 또는 나노미터 스케일에서 나타내는 역학 특성에 대해 연구하고 있다"고 소개했다. 장 교수의 연구팀에서는 다양한 첨단 소재를 주로 다루고 있다. 파이프라인용 초고강도 철강재료와 차세대 초내열합금과 같이 상용화를 눈앞에 둔 재료에서부터 벌크 비정질 합금, 하이엔트로피 합금, 초미세립합금, 나노결정구조 합금, 나노트윈구조 합금 등의 미래형 구조소재와 나노와이어, 나노로드 등의 나노소재들이 나타내는 다양한 미소스케일(1 마이크로 미터 이하에서 수 나노미터 크기) 역학특성에 대해 연구한다. 대부분 mm크기 이상의 비교적 큰 실험대상을 다루는 고전적인 역학특성 평가법을 통해서는 소재가 가진 평균 특성만을 알 수 있다. 반면에 일반적으로 눈으로 관찰할 수 없는 미시적 규모인 나노 스케일, 마이크로 스케일의 역학특성은 소재 미세조직의 근본적인 불균질성(성분이나 특성이 고루 같지 않은 성질)을 구체적으로 반영한다. 한 마디로 거시적 규모의 역학특성에서는 소재의 진정한 성격을 파악하는 데 한계가 따른다는 것. 때문에 새로운 재료의 개발과 응용 측면에서는 소재의 나노 스케일, 마이크로 스케일에 대한 정보가 필수적으로 요구된다. 그런데 아직 표준화가 이루어지지 않은 나노 스케일의 실험을 위해서는 기존의 비교적 큰 소재를 다루는 표준 시험법과는 다른 실험 방법을 적용해야 한다. 또한 결과의 분석에서도 새로운 방법이 적용돼야 한다는 특징 때문에 어려움이 있다. 장 교수의 연구팀은 다년간의 연구를 통해 쌓은 독자적인 노하우를 가지고 있다. '나노스케일 상온 크립' 현상 장 교수 연구그룹이 최근 들어 관심을 가지고 있는 것은 나노스케일 역학특성이 나타내는 '시간 의존성'이다. 그중 대표적인 것은 크립(creep) 현상이다. 기존에 알려진 크립 현상이란, 발전소의 경우와 같이 소재가 높은 온도에 장시간 노출되었을 때 낮은 압력에서도 극심한 강도 저하와 변형이 발생하는 것을 의미한다. 쉽게 말해 일정한 힘이 가해졌을 때 나타나는 소재의 점진적인 변형을 일컫는다. 장 교수 연구팀이 관찰한 '나노스케일 상온 크립'은 소재가 나노 스케일이 되면 소재의 점진적 변형 현상이 상온(Room Temperature. 대기온도)에서도 일어나는 현상이다. 이는 소재의 크기 감소에 따라 재료 내부에 비해 표면이 차지하는 비중이 급격하게 증가하기 때문이다. 소재의 표면은 원자들의 강력한 확산(원자의 운동에 의한 질량이동) 경로 역할을 한다는 점에서 크립 현상의 주요 원인이다. 이러한 상온 크립 현상 연구는 다양한 분야에 응용될 수 있다. 예를 들어, 최근에 활발히 연구되고 있는 나노소재 기반의 유연 시스템(Nanomaterial-Based Flexible System)의 경우 유연 특성 때문에 일정 하중을 지속적으로 받게 돼 구성요소인 나노로드(Nanorod), 나노튜브(Nanotube) 등에서 상온 크립이 발생할 수 있다. 장교수 연구팀의 '나노스케일 상온 크립' 현상 연구를 통해 해당 시스템의 신뢰성 확보에 중요한 정보를 얻을 수 있다. 끊임없이 재미를 추구하는 것이 연구의 원동력 장 교수 연구팀은 다양한 첨단 소재를 다루는 만큼, 소재를 개발한 많은 국내외 연구그룹과 함께 연구를 수행하고 있다. 새로운 소재의 전문가들과 함께 일하며 느끼는 흥미로움이 장 교수 연구팀의 원동력이라고 한다. 공학 연구는 특성상 사회적 응용 가능성이 가장 중요하겠지만, 그 못지않게 새로운 분야의 연구 자체가 주는 재미도 중요하다는 것이다. 장 교수는 "자신이 어떤 일에 종사하던지 재미가 없다면 열정을 가지기 어렵다"며 "새로운 소재에 대한 연구도 흥미가 있지만, 기존의 소재에 대한 응용 연구도 상당히 매력 있다"고 말했다. 장 교수는 공학대 학생들에게 특정 주제의 전문가가 되는 것 못지 않게 훌륭한 연구자의 태도를 몸에 익히는 것이 중요하다고 강조한다. 졸업 후 사회에 나가면 담당하게 될 연구의 주제는 끊임없이 바뀌겠지만, 훌륭한 연구 태도는 어떤 주제를 만나더라도 큰 역할을 할 수 있기 때문이다. 장 교수가 이야기하는 훌륭한 연구자의 태도란 무엇일까. "공학 연구를 위해서는 아인슈타인이 될 필요는 없다"며 "혼자서 하는 일이 아닌 공학 분야의 특성상 성실성과 팀워크 정신을 기본적으로 갖춰야 한다"고 말했다. 이어 "팀워크 정신이란 자기가 맡은 역할에 대한 책임감과 다른 팀원들에 대한 배려라고 생각한다"고 전했다. 앞으로 우리나라를 이끌 인재가 될 공학대 학생들에게 비상한 두뇌뿐만 아니라 공학자로서의 자세에 대한 책임감을 강조한 것이다. 최슬옹 기자 kjkj3468@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr