기계공학과/성균나노과학기술원(SAINT) 김태성 교수와 성균나노과학기술원 김형우 박사는 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)를 이용한 다양한 이차원(2D) 물질 합성 핵심기술을 연구해 왔고, 이를 기반으로 ‘웨이퍼 크기의 금속성을 가지는 팔면체 이황화 텅스텐(1T-WS2) 박막 성장 및 효율적이고 안정적인 수소발생반응’ 기술 개발에 성공했다.

김태성 교수 연구팀은 전이금속 칼코겐화합물의 가장 대표적인 물질인 이황화몰리브데넘 (MoS2)을 PECVD를 이용하여 저온에서 4인치 대면적으로 합성 및 메커니즘을 규명하여 학계 및 산업계에 큰 주목을 받았고 (Advanced Materials, 2015), 산화금속계열인 α-MoO3 (Nanotechnology, 2017), 그래핀-이황화몰리브데넘 박막형 이종구조 (Applied Surface Science, 2019) 합성에도 성공하는 등PECVD를 다양한 2차원 물질의 합성에 적용해 왔다.

전이금속 칼코겐화합물은 형상별로 전기적 특성이 달라지는 특징이 있고, 특히 상온‧상압의 조건에서 안정상인 육방형 구조상(2H)과 달리, 팔면체 구조상(1T)은 도체의 특성이 있어 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 낮은 저항으로 값비싼 백금류 촉매를 대체할 수 있는 에너지 전기화학 촉매 소재로 각광받고 있다. 이에 김태성 교수와 아주대학교 이재현 교수 공동연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화 텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용하였다. 플라즈마를 활용하여 이황화 텅스텐 결정의 크기를 나노사이즈로 만들어 높은 표면에너지를 유도하여 상온‧상압에서 준안정상인 팔면체 구조를 1,000회 이상의 전기화학 반응 후에도 지속해서 유지할 수 있도록 하였으며, 높은 밀도의 결정립을 유도하여 촉매 반응성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다.

김태성 교수는 연구성과에 대해 “에너지 산업에 활용되기 위해서는 대면적의 안정하면서 높은 균일도를 가지는 것이 중요한데 PECVD로 이를 해결하기 위한 방법을 제시하였고, 안정적인 팔면체 구조의 이황화 텅스텐은 수소에너지 분야 주요 원천기술이 될 것으로 기대합니다.” 라고 평가했다.

이번 연구는 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)' (IF:10.856, JCR 상위 10%이내)의 2020년 2월 13일자 표지논문으로 게재되었다.
(현재 김형우 박사는 미국 Northwestern 대학에서 Mark C. Hersam 교수 지도하에 MOCVD를 이용한 전이금속 칼코겐화합물의 합성 및 멤리스터 응용을 주제로 박사후과정 연수 중이다.)

※ 관련 논문
1) Low-Temperature Synthesis of Large-Scale Molybdenum Disulfide Thin Films Directly on a Plastic Substrate Using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (Advanced Materials, 27, 2015, 5223-5229)
(제1저자: 안치성 / 교신저자: 이창구, 김태성 교수)
2) Highly uniform wafer-scale synthesis of α-MoO3 by plasma enhanced chemical vapor deposition (Nanotechnology, 28, 2017, 175601)
(제1저자: 김형우 / 교신저자: 김태성 교수)
3) Low-temperature wafer-scale growth of MoS2-graphene heterostructures (Applied Surface Science, 470, 2019, 129-134)
(제1저자: 김형우 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수)
4) Wafer-Scale and Low-Temperature Growth of 1T-WS2 Film for Efficient and Stable Hydrogen Evolution Reaction (Small, 16, 2020, 1905000)
(공동 제1저자: 김형우, Vinit Kanade, 김만수 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수)

(a) 4인치 대면적 이황화 몰리브데넘의 합성 순서를 나타내는 모식도. (b) 실제 4인치 폴리이미드(PI)와 웨이퍼 위에 합성한 팔면체 이황화 몰리브데넘(1T-WS2)의 모습.

스몰(Small) 저널 커버(Cover) 이미지로 금속성(1T)형상을 가지는 이황화 텅스텐이 나노-그레인형태로 박막형으로 합성되었고 수많은 그레인 경계면을 따라서 수소발생반응이 일어나는 것을 형상화함.