성신여대 한혁진 교수팀, 세계 최초로 위상금속인 몰리브덴 인화물의 결정면 정밀제어 기술 개발 … 친환경 촉매·고성능 반도체 소자 활용 가능

성신여자대학교는 청정신소재공학과 한혁진 교수 연구팀이 위상금속인 몰리브덴 인화물(MoP)의 결정면을 정밀하게 제어해 단결정 형태로 합성하는 원천기술을 세계 최초로 규명했다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 동국대 화공생물공학과 최민재 교수팀, 한양대 응용화학과 김병현 교수팀과 함께 진행했다.

공동 연구팀은 액체 금속 갈륨(Ga)을 활용한 화학기상증착법(Liquid-Metal-Assisted CVD)을 통해 원하는 결정면을 선택적으로 정밀하게 조절하고, 단결정 MoP를 높은 수율로 합성하는 새 기술을 구현했다. 특히 합성 온도를 정밀하게 제어해 다양한 결정면의 선택적 성장을 가능하게 했다. 각 결정면에서 산소 환원 반응(ORR)을 통해 과산화수소(H₂O₂)를 생성하는 효율의 차이도 정량적으로 분석해 냈다.

이번 기술이 주목받는 이유는 MoP가 고성능 소재로서 다양한 산업적 활용 가치를 지니기 때문이다. MoP는 전이금속 인화물이라 불리는 화합물 중 하나로, 전기·화학 반응에 민감하게 반응하는 차세대 금속 소재다. 촉매나 전자소자, 에너지 장치 등 첨단 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행한다.

MoP는 위상금속이라는 특수한 전자 구조를 지녀 결정면에 따라 전기적 특성이나 반응성이 크게 달라지는 특징이 있다. 따라서 원하는 성능을 구현하려면 특정 결정면을 갖는 단결정 형태로 정밀하게 합성하는 기술이 필수적이다.

그러나 기존의 기술은 결정면을 의도한 방향으로 제어하기 어렵고 생산 수율도 낮아 상용화에 한계가 있었다. 공동 연구팀이 개발한 신기술은 위상금속 단결정을 정밀하게 대면적으로 제조할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다. 또한 다양한 결정면을 정밀하게 설계하고 반응 효율까지 조절할 수 있어 향후 촉매 반응 효율 제어, 반도체 성능 향상, 에너지 전환 소재 개발 등 미래 첨단 산업과 환경 기술의 혁신을 뒷받침할 핵심 기술로 평가받는다.

한혁진 교수는 "이번 연구는 액체 금속 기반 CVD가 MoP 단결정을 빠르고 정밀하게 합성할 수 있는 뛰어난 방법임을 입증한 사례"라며 "이 기술은 친환경 촉매, 고성능 반도체 소자, 정밀 전자구조 분석 등 다양한 소재 기반 첨단 기술 개발은 물론, 소재 자립과 세계 원천기술 경쟁력 확보에도 크게 이바지할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 소재 분야의 세계적 국제 학술지 '첨단소재(Advanced Materials)'에 표지 논문으로 실렸다. 관련 기술에 대한 2건의 국내 특허도 출원 완료됐다. 성신여대 김서현, 동국대 김정현, 한양대 박보근 학생이 공동 제1저자, 성신여대 한혁진, 동국대 최민재, 한양대 김병현 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 나노소재기술개발사업, 우수신진연구사업과 연구개발특구진흥재단의 지원을 받아 수행됐다.