성신여대 한혁진 교수공동연구팀, 위상금속 MoP 결정면 제어 단결정 합성 기술 개발

[이데일리 김윤정 기자] 성신여대는 한혁진 청정신소재공학과 교수, 최민재 동국대 화공생물공학과 교수, 김병현 한양대 응용화학과 교수로 구성된 공동연구팀이 위상금속인 몰리브덴 인화물(MoP)의 결정면을 정밀하게 제어해 단결정 형태로 합성하는 원천기술을 세계 최초로 규명했다고 20일 밝혔다.

(윗줄 왼쪽부터) 성신여대 미래응용과학학과 김서현 석사과정생, 동국대학교 미래전지융합공학과 김정현 석사과정생, 한양대학교 응용화학과 박보근 석사과정생. (아랫줄 왼쪽부터) 성신여대 청정신소재공학과 한혁진 교수, 동국대학교 화공생물공학과 최민재 교수, 한양대학교 응용화학과 김병현 교수. (사진 제공=성신여대)

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

이처럼 고도화된 결정면 제어 기술이 주목받는 이유는 MoP 자체가 고성능소재로서 다양한 산업적 활용 가치를 지니기 때문이다. MoP는 전이금속 인화물(transition metal phosphide)이라 불리는 화합물 중 하나로, 전기 및 화학 반응에 민감하게 반응하는 차세대 금속 소재로 꼽힌다. 촉매나 전자소자, 에너지 장치 등 첨단 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있으며, 특히 MoP는 ‘위상금속’이라는 특수한 전자 구조를 지녀 결정면에 따라 전기적 특성이나 반응성이 크게 달라지는 특징이 있다. 따라서, 원하는 성능을 구현하기 위해서는 특정 결정면을 갖는 단결정 형태로 정밀하게 합성하는 기술이 필수적이다.

그러나 기존의 단결정 합성 기술은 결정면을 의도한 방향으로 제어하기 어려울 뿐만 아니라, 생산 수율도 낮아 상용화에 한계가 있었다. 공동연구팀이 개발한 이번 기술은 이러한 한계를 뛰어넘어 고성능 위상금속 단결정을 높은 정밀도로 대면적 제조할 수 있는 새로운 합성 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의미를 지닌다.

특히 다양한 결정면을 정밀하게 설계하고 반응 효율까지 조절할 수 있는 이 기술은 향후 촉매 반응 효율 제어, 반도체 성능 향상, 에너지 전환 소재 개발 등 미래 첨단 산업과 환경 기술의 혁신을 뒷받침할 핵심 기술로 평가되고 있다.

한혁진 성신여대 교수는 “이번 연구는 기존 기술의 한계를 넘어 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 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계적인 소재 분야 국제학술지 『Advanced Materials』(IF 27.3)에 ‘Facet-Controlled Growth of Molybdenum Phosphide Single Crystals for Efficient Hydrogen Peroxide Synthesis’라는 제목으로 표지 논문(Inside Front Cover)에 실렸다. 김서현 성신여대 학생, 김정현 동국대 학생, 박보근 한양대 학생 등 3인이 제1저자로, 한혁진 성신여대 교수, 최민재 동국대 교수, 김병현 한양대 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 나노소재기술개발사업, 우수신진연구사업과 연구개발특구진흥재단의 지원을 받아 수행됐으며 관련 기술에 대한 국내 특허도 2건 출원 완료됐다.

김윤정 (yoon95@edaily.co.kr)