씨앗 없이 ‘나노꽃’ 피워 방수소재 구현하다

[산업일보]
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열) 진공기술센터 강상우 박사팀과 미국 일리노이대 어바나-샴페인캠퍼스(UIUC) 남성우 교수팀이 세계 최초로 습윤 특성을 조절할 수 있는 이차원 이황화몰리브덴 나노꽃(MoS₂ nanoflower)을 합성해 방수 기능성 소재를 개발했다.

자연에서 삼차원으로 존재하는 이황화몰리브덴은 최근 그 형태가 ‘꿈의 신소재’ 그래핀과 유사한 이차원으로 존재할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 매우 얇은 두께(약 0.6 nm)가 특징인 이차원 이황화몰리브덴은 뛰어난 물리화학적 특성과 신축성을 가져 차세대 신소재로 주목받고 있다.

그동안 이차원 이황화몰리브덴은 합성방법의 한계로 기초 특성 위주의 연구가 이뤄졌으며, 소재의 응용은 반도체와 같은 전자소자에만 국한됐다. 하지만 연구팀은 기존의 연구방식에서 탈피해 새로운 구조의 소재를 합성하고 이를 응용하는 방향으로 초점을 맞췄다.

이차원 이황화몰리브덴의 새로운 기능을 구현하기 위한 필수요소는 나노-마이크로 구조가 조절된 나노꽃(nanoflower)을 합성하는 것이다. 나노꽃이란 소재가 기판에 수직하게 성장한 형태로서, 기존에는 탄소기반의 시드(seed) 물질을 기판에 뿌려야만 수직성장이 가능했다.

나노꽃을 기판에 균일하게 합성할 수 있다면 수직면적을 확보해 넓은 표면적을 가진 소재를 개발할 수 있다. 하지만 씨앗을 땅에 정확한 간격으로 뿌리기 어렵듯이 시드물질을 사용하는 방법으로는 나노구조 변화에 따른 응용연구를 수행할 수 없었다.

연구팀은 시드물질 없이 균일하게 이차원 이황화몰리브덴의 나노꽃을 합성할 수 있는 새로운 화학기상증착법을 개발했다. 압력과 증착시간 등을 조절해 나노구조를 제어했으며, 나노꽃을 신축기판에 전사 후 구김(crumpling) 기술로 마이크로 구조를 제어해 방수 기능성 소재를 개발했다.

이차원 이황화몰리브덴은 나노꽃의 나노-마이크로 이중 구조 모두를 제어해야 초소수성 소재를 만들 수 있다. 연구팀은 구조를 제어하는 과정에서 소재의 습윤조절특성을 증명해 최초로 보고했다.

기존 공정 장비만으로 구현할 수 있는 이번 기술은 신축 방수소재와 의료소재, 넓은 표면적이 필요한 고정밀 환경, 바이오센서 및 촉매제 등 다양한 분야에서 사용될 것으로 기대된다.

KRISS 강상우 박사는 “KRISS의 측정기술에 UIUC의 제어기술이 결합해 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다“며 ”대표적 이차원 물질인 이황화몰리브덴의 나노-마이크로 구조를 조절함으로써 응용분야를 넓혔으며, 다른 이차원 물질들의 연구에도 활용이 가능하다”고 말했다.