"복잡할수록 더 균일한 나노입자 생성"

KAIST는 정희태 생명화학공학과 석좌교수 연구팀이 여러 금속을 복잡하게 섞을수록 오히려 더 균일한 나노입자가 생성되는 원리를 처음 밝혀냈다고 8일 발표했다.

윤지수 KAIST 박사과정생이 참여하고 미국 스탠퍼드대 마테오 카르넬로 교수 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 국제 학술지 사이언스에 지난 7일 실렸다.

나노입자는 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 수준으로 매우 작은 입자다. 반도체, 수소 생산, 배터리 같은 첨단 산업에서 핵심 소재로 쓰인다. 그러나 반응 속도가 제각각이어서 금속 종류가 많아질수록 크기와 구조가 들쭉날쭉해져 정밀하게 제조하기 어렵다는 문제가 있었다. 여러 금속을 섞은 나노소재는 정밀하게 제조하기 어려운 분야로 꼽힌 이유도 여기에 있다.

연구팀은 금속 종류가 늘어날수록 원자들이 오히려 일정한 구조로 정리되는 ‘성분 집중’ 현상에 주목했다. 여러 금속 원자가 무작위로 섞이는 것이 먼저 붙은 원자가 다음 원자를 더 쉽게 자리 잡도록 도와 구조가 안정적으로 형성된다는 설명이다. 그동안 복잡한 화학 반응 때문에 구조 제어가 어렵다고 여겨졌지만, 오히려 이런 복잡성이 안정적인 구조 형성에 도움이 된다는 사실을 밝혀낸 것이다.

연구팀은 이 원리를 활용해 금속 5종이 들어간 나노입자 촉매를 제작했다. 촉매는 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 실험에서 기존 산업용 루테늄(Ru) 촉매보다 약 4배 높은 성능을 내고, 고온 환경에서도 안정적으로 작동한다. 연구진은 이번 성과가 차세대 수소 생산과 친환경 에너지 소재 개발에 활용될 것으로 기대한다.

유지희 기자 keephee@hankyung.com