요약
나노 효과를 이용한 상온·상압에서의 팔면체 이황화텅스텐 합성 기술이 개발됐습니다. 연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용했습니다. 금속성을 갖는 팔면체 이황화텅스텐을 세계 최초로 대면적 기판상에 구현했습니다.
성균관대학교 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 합니다. 해당 연구는 <Small>에 게재됐습니다.
차세대 나노소재로 기대되는 전이금속 칼코겐 화합물
전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)이란 주기율표상의 여러 전이금속과 16족 칼코겐 원소 중 산소를 제외한 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te)의 화합물인데요. 단일 구조상을 갖는 대표적인 이차원 소재인 그래핀과 달리 복수의 구조상이 존재합니다. 상전이에 의해 도체, 반도체, 전연체 등으로 전기적 물성이 변화되는 특징을 갖고 있어 차세대 나노 소재로 주목받고 있습니다.
특히 상온‧상압의 조건에서 안정상인 육방형 구조상(2H)의 전이금속 칼코겐 화합물과 다른 점이 눈에 띄는데요. 팔면체 구조상(1T)을 가진 전이금속 칼코겐 화합물은 도체의 특성 때문에 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 낮은 저항으로 값비싼 백금류 촉매를 대체하는 에너지 전기화학 촉매 소재로 각광받습니다.
팔면체 이황화텅스텐, 세계 최초로 대면적 기판상에 구현
연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용했습니다. 지난 2015년, 플라즈마화학기상증착법(PECVD)을 이용해 이황화몰리브데넘을 저온에서 대면적으로 합성에 성공하여 학계 및 산업계에서 큰 주목을 받았습니다. 이후 아주대학교 연구팀과의 협업을 통해 이황화몰리브데넘-그래핀 이종접합구조를 합성한 데 이어 금속성을 갖는 팔면체 이황화텅스텐을 세계 최초로 대면적 기판상에 구현했습니다.
연구팀은 합성된 이황화텅스텐 결정의 크기를 나노사이즈로 만들어 높은 표면에너지를 유도하여 상온‧상압에서 준안정상인 팔면체 구조를 1,000회 이상의 전기 화학 반응 후에도 지속해서 유지할 수 있도록 했습니다. 또한 높은 밀도의 결정립을 유도하여 촉매 반응성을 획기적으로 개선하는 데 성공했습니다. 이번 연구결과로 향후 다양한 전이금속 칼코겐 화합물에 형상별(1T, 2H) 대면적 합성에도 적용 가능할 것으로 기대됩니다.
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