▲ 개발된 나노시트 제조 원리를 설명한 모식도(a)와 개발된 나노시트의 주사전자현미경(SEM) 이미지(b)와 투사전자현미경(TEM) 이미지(c). 천연점토의 금속 환원반응 및 용융염 박리를 통해 실리콘 나노시트가 합성된다. .

수소 생산이나 반도체, 배터리, 태양전지 등에 쓰이는 ‘실리콘 나노시트(Silicon nanosheet)’를 진흙과 소금으로 합성하는 새로운 저비용·대량공정이 개발됐다.

UNIST(울산과기원, 총장 정무영)는 에너지 및 화학공학부의 박수진·이재성 교수팀이 ‘진흙과 소금을 이용한 실리콘 나노시트 제조 기술’을 개발했다고 29일 밝혔다.

나노시트는 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준의 두께를 가지는 얇은 막으로, 미세한 칩이나 부품의 소재로 주목받고 있다.

연구진이 이번에 개발한 기술은 진흙의 여러 층을 소금으로 분리하면서 진흙 성분을 규소(Si)로 바꿔치기한 것이다. 구체적으로 살펴보면 진흙과 소금을 섭씨 550~700도의 고온에 두면 소금이 녹아 진흙 사이에 들어가면서 개별 나노시트로 분리됨과 동시에 고온에서 바꿔치기할 금속과 반응시키는 ‘금속 열 환원’ 공정을 사용해 진흙의 금속산화물 성분을 규소로 바꿨다.

이를 통해 손쉽게 얇은 나노시트 한 장에 진흙 성분 대신 규소로만 채운 실리콘 나노시트를 합성할 수 있으며 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 이상의 대면적 나노시트 합성과 5나노미터 두께를 가지는 초박막 구현도 가능하다. 실리콘 나노시트의 제조공정 단가도 기존 대비 1/50 수준에 불과하다.

특히 이 기술로 만든 초박막 실리콘 나노시트 소재를 수소 발생 광촉매로 이용한 결과, 기존에 보고된 실리콘 나노소재보다 높은 수소 발생률을 나타냈다. 이는 구조적 우수성과 넓은 표면적 및 높은 결정성에 의한 것으로 수십 시간 동안의 반응에도 안정적으로 수소를 생산할 수 있었다.

박수진 교수는 “전자기기가 계속 작아지면서 각종 칩이나 부품도 나노 수준을 요구하고 있다”며 “이번 기술은 저렴한 진흙과 소금을 이용해 나노시트의 제조비용을 대폭 줄일 수 있는 새로운 방법”이라고 설명했다.

또 다른 제1저자인 장윤정 POSTECH 박사과정 연구원은 “두께가 얇아지면서 나타나는 효과로 인해 기존 실리콘 소재의 성능도 향상시킬 수 있었다”며 “이 방법으로 제조한 나노시트는 에너지 분야뿐 아니라 반도체나 디스플레이 등 전자 분야에도 새로운 역할을 할 것”이라고 전했다.

이재성 교수는 “이번 기술은 물질의 종류와 상관없이 층으로 이뤄진 이차원 산화물에 모두 적용할 수 있다는 데도 의미가 크다”며 “게르마늄이나 타이타늄 등 다양한 금속산화물을 포함한 진흙에도 이 기술을 적용하면 활용 분야를 넓힐 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부의 ‘중견연구자지원사업과 기초연구사업’에서 지원받았으며 연구 내용은 재료화학 분야 세계 최고 권위지인 네이처 퍼블리싱 그룹 아시아 매터리얼스(NPG Asia Materials) 3월25일자 온라인 판에 게재됐다.