KAIST 신소재공학과 스티브 박, 김일두 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 금속 나노입자가 결착된 전도성 금속 유기 골격체 나노 박막을 대면적으로 제작하는 새로운 공정 기술을 개발했다.
이번 연구는 기능성 박막 제조 연구 분야에 새로운 접근법을 제안, 파급효과가 클 것으로 전망되고 있다.
또 고배열 및 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작 및 필름 소자에 활발히 사용될 것으로 보인다.
다공성 구조를 가지는 2차원 전도성 금속유기골격체(MOF)는 높은 선택성과 민감도를 요구하는 가스 센서 분야의 차세대 신소재로 각광받고 있다.
전도성 MOF의 활용을 위해서는 균일한 전도성 MOF 입자의 합성과 합성된 전도성 MOF 입자 간 간격을 최소화할 수 있어야 한다.
이를 위해서 향상된 전자 이동도를 확보할 수 있는 고품질의 대면적 전도성 MOF 박막 제작 기술을 필요로 한다.
지금까지는 나노 수준의 균일한 박막 두께 제어, 대면적 박막 제작 및 초소형 나노입자 촉매의 균일한 결착이 어려워 고민감도 가스 센서 소자 적용에 한계를 보였다.
연구팀은 전도성 MOF 박막의 형성 및 금속 나노입자 합성 과정을 정밀히 통제했다.
미세 유체(Microfluidic) 시스템을 도입해 화학 반응을 단계적으로 제어했다.
용액 전단 공정을 통해 균일한 전도성 MOF 박막을 제조하는 새로운 공정 개발 연구도 진행했다.
머리카락 굵기보다 가는 미세관 내(300㎛ 이하)로 합성에 필요한 용액을 흘려주면서 물질 전달을 극대화해 수백 밀리초(ms)의 짧은 시간에도 불구하고 화학 반응을 일으키고 제어할 수 있게 됐다.
금속 나노입자를 수 나노미터의 MOF 기공 내부에 균일하게 결착시킬 수 있게 된 것이다.
미세 유체 시스템으로부터 합성된 용액은 용액 전단 공정을 통해 MOF 박막 형성을 하는데 일정한 속도와 연속적인 용액의 공급으로 대면적의 기능성 MOF 나노 박막 형성이 가능하다. 미세 유체 반응기와 기판 사이에 마이크로 수준의 단차(Gap)를 주며 일정한 속도로 움직일 수 있는 용액 전단 공정은 균일한 계면을 형성해 일정한 용매 증발을 야기한다.
균일한 MOF 성장을 일으켜 나노 두께의 박막 제조가 가능해졌다.
연구팀은 미세 유체의 정밀 제어를 통해 제작된 초소형 나노입자 촉매가 결착된 전도성 MOF 나노 박막을 활용해 대기 유독 가스 중 하나인 이산화질소(NO2) 기체를 선택적으로 검출할 수 있는 가스 센서를 제작하는 데 성공했다.
기존에 보고된 2차원 소재 기반 가스 센서 대비 우수한 가스 검출 특성도 검증했다.
연구팀은 “입자의 상호작용력 조절을 통해 단일 층 두께에서 나노 막대 스스로가 방향성을 통제하며 고 배열로 정렬할 수 있다는 것을 보여줬다”며 “이는 외부 힘없이도 더욱 정교한 자기 조립구조가 가능하다는 것을 보여주는 결과”라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 7월 13일자에 게재됐다.
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