▲ 선택적 에칭 공정 전후의 미세구조의 EBSD 및 SEM 이미지. 디얼로잉(Dealloying) 이후 나노스케일의 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다..

표면적이 넓어 반응성이 좋아 태양전지나 센서 등 산업적 활용도가 높지만 강도가 약한 단점이 있던 나노다공성구조의 한계를 극복한 금소재를 국내 연구진이 개발해냈다.

UNIST(울산과학기술원, 총장 정무영) 신소재공학부 김주영 교수팀은 고강도·초경량의 성능을 보이는 나노다공성(nanoporous) 금을 만드는 데 성공했다. 이 물질은 속이 꽉 차있는 금에 비해 2배 단단하고, 30% 수준으로 가볍다. 이 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 21일자 온라인 판에 게재됐다.

김주영 교수는 “나노다공성 금은 일반적인 금에 비해 표면적이 10만 배 이상 넓고 화학적으로 안정적이며 인체에 무해한 소재”라며 “이번 연구로 쉽게 부서진다는 약점을 극복한 만큼 다양한 분야로 활용될 것”이라고 기대했다.

금은 100 나노미터(㎚, 1㎚=10⁹분의 1m) 이하의 크기에서 금 본연의 광택을 잃고 검은색을 띤다. 이 때문에 ‘블랙골드(black gold)’라고도 불리는데, 이번 연구로 블랙골드가 다공성 구조를 가지며 강도와 내구성도 갖추게 됐다.

나노다공성 구조들은 동일 부피 재료보다 표면적이 넓어 화학적 성능 증폭이 가능하며 이러한 장점으로 연료전지의 전극재료나 화학적·생물학적 센서, 흡착재료등 활용과 상용화의 연구가 진행되고 있지만 연구들이 합성과 표면반응에 집중되어있고, 나노다공성 구조의 약점인 강도에 대한 연구는 미비한 실정이다.

이에 김주영 교수팀은 나노다공성 금의 강도를 높이기 위해 ‘볼밀링(ball milling)’ 활용했다. 볼밀링 공정은 대상 물질을 쇠공과 함께 회전시키는 공정인데, 쇠공과 합금이 부딪히면서 강도가 높아진 것이다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 곽은지 UNIST 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 “금과 은의 합금에 볼밀링 기술을 적용해 강도를 높인 뒤, 질산으로 반응성이 높은 은만 녹여내는 디얼로잉(dealloying) 공정으로 다공성 구조를 만들었다”며 “질산의 농도와 온도를 조정하면 구멍의 크기도 조절할 수 있다”고 설명했다.

또한 개발된 나노다공성의 장점을 그대로 유지해 전기전도도가 높고 화학적으로 안정한데다 생체에도 적합하다. 게다가 다공성 구조가 가지는 넓은 표면적 덕분에 반응 효율도 높다. 이 물질 표면에 다양한 재료를 코팅하면 여러 기능을 가지는 소재로도 활용 가능하다.

곽은지 연구원은 “이번에 개발한 나노다공성 금 제조법은 다양한 금속에 적용 가능하다”며 “수소 센서에 활용되는 팔라듐이나 자동차에서 촉매로 쓰이는 백금 등의 크기는 줄이고 성능을 더 높이는 기술로도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

김주영 교수는 “이번 연구결과로 나노다공성 재료의 신뢰성을 높이는 것은 물론 소자로 설계하는 것도 가능해졌다”며 “이번에 개발한 기술을 활용해 3차원 나노 구조 다기능 복합재료를 개발하고 다양한 소자에 적용할 예정”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 선도연구센터지원사업(ERC, 센터장 서울대학교 권동일)과 KIST-UNIST 융합 신소재 연구센터(KUUC, 센터장 KIST 정병기)의 지원을 받아 수행됐다. (논문명 Weakened Flexural Strength of Nanocrystalline Nanoporous Gold by Grain Refinement)