 일산화탄소를 이용한 0.3 나노미터 수준의 금속 박막 제어기술 개발 일산화탄소, 연료전지 촉매 만드는 ‘복덩이’ 됐다 한국에너지기술연구원 수소연료전지연구실 연구팀이 일산화탄소를 활용해 금속을 0.3 나노미터(머리카락 굵기의 30만분의 1) 수준의 두께에서 정밀 제어하는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 연료전지의 경제성을 좌우하는 ‘코어-쉘(Core-shell) 촉매’를 기존보다 쉽고 빠르게 생산할 수 있어, 관련 산업 활성화에 크게 기여할 것으로 전망된다.
정리 편집부 자료제공 한국에너지기술연구원
고효율·무공해 에너지변환 기술로 주목받지만, 전극 촉매로 쓰이는 백금(Pt)의 높은 비용과 내구성 한계가 상용화의 장애 요인으로 꼽힌다. 이를 해결하기 위한 방안으로 코어-쉘(core-shell) 구조 촉매, 즉 값싼 금속(코어) 위에 백금(쉘)을 원자층으로 입히는 방식이 개발되어 왔다. 그러나 기존 기술은 전압 제어·용매 처리·복잡한 공정이 필요해 대량 생산이 어렵고, 원자층 두께를 정밀 제어하기도 힘들었다.
본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해 일산화탄소(CO)를 단순한 ‘촉매 독(poison)’이 아닌 합성의 도구로 활용하여, 원자 단층 수준의 정밀한 금속 증착을 실현하는 새로운 공정을 제시했다.
일산화탄소의 흡착·환원 특성 이용한 ‘CO AID’ 코어-쉘 구조 촉매는 그것을 구성하는 알맹이와 껍질을 서로 다른 금속으로 만든 촉매를 의미한다. 대체로 알맹이(이하 ‘코어’)에는 저가 금속이 활용되고, 껍질(이하 ‘쉘’)에는 연료전지의 반응1)을 촉진하는 백금이 활용된다. 이를 활용하면 값비싼 백금을 소량만 사용해도 성능을 유지할 수 있어, 연료전지의 경제성을 높이는 핵심 요인으로 평가받는다.
고성능의 코어-쉘 구조를 만들기 위해서는 0.3 나노미터(㎚) 수준의 쉘을 코어 표면에 정밀하게 코팅해야 한다. 이를 위해 코어에 저가 금속인 구리를 얇게 깔고, 그 위에 백금을 증착하는 ‘언더포텐셜 구리 증착법’(Cu-UPD)을 주로 활용한다.
그러나 이 방식은 구리를 원자층 수준으로 코팅하기 위해 매우 정밀한 전압 조절과 금속 표면의 산화물층을 제거하는 추가 공정과 별도의 환원제가 필요하다. 이렇다 보니 대량 생산 과정이 복잡해지고, 생산에 많은 시간이 소요된다는 문제도 있었다.
연구진은 이를 해결하기 위해 일산화탄소의 흡착·환원 특성을 이용해, 금속 코어 표면 위에 백금(Pt) 원자층을 정밀하게 증착하는 새로운 합성 기술인 ‘일산화탄소 흡착 유도 증착법’(CO AID)을 개발했다. CO가 금속 표면에 흡착되면서 Pt 전구체(Pt2+)를 환원시켜, Pt 원자가 코어 표면에 원자 단위로 부착되도록 유도하는 기술이다. 이를 활용하면 기존 방식에서 요구하는 추가 공정과 환원제 없이도 금속을 정밀 코팅할 수 있어, 공정에 들이는 시간을 기존 공정 대비 10분의 1 수준으로 줄일 수 있다.
기존 공정 대비 10분의 1로 시간 단축 연구진은 특히 일산화탄소가 가진 강한 흡착력에 주목했다. 일산화탄소는 금속에 흡착하는 성질이 있어, 사람이 흡입하면 혈액 속의 금속(철) 이온에 강하게 흡착하고 산소 운반을 막아 건강에 심각한 영향을 미친다. 대표적인 유해기체로 분류되는 이유다. 이에 착안한 연구진은 일산화탄소를 코어 금속의 표면에 단일 분자층 형태로 흡착되게 했다. 이후 분자층 위에 백금 입자만 선택적으로 환원시켜, 0.3 나노미터 수준의 두께로 제어하는 데 성공했다.
이를 활용하면 최소 30분에서 최대 2시간 이내에 킬로그램(kg) 단위의 코어쉘 촉매를 합성할 수 있다. 약 24시간 이상 소요되는 기존 구리 증착법(Cu-UPD)의 공정시간을 크게 단축한 성과다. 또 일산화탄소의 자발적인 산화-환원 반응을 이용하기 때문에 별도의 전기화학 장치나 환원제 없이 공정을 구성할 수 있다는 장점도 있다.
연구진은 개발된 기술을 바탕으로 팔라듐, 금, 이리듐 등의 금속에 백금을 얇게 입힌 코어-쉘 구조 촉매를 제작했다. 이 중 팔라듐 기반의 백금 코어쉘 촉매는 상용화된 백금/탄소(Pt/C) 촉매보다 산소환원반응(ORR)은 약 2배, 내구성은 1.5배 향상된 것을 확인했다. 한편, Pt/C는 탄소 위에 백금 입자를 분산시킨 촉매로, 생산이 용이해 현재 연료전지의 표준 촉매로 활용되고 있다.
상용화 가능성이 매우 높은 기술 연구를 주도한 박구곤 박사는 “이번 연구는 일산화탄소의 유해성을 나노 수준 박막 제어의 도구로 전환 시킨 발상에서 출발했다”며, “원자 단위에서 물질을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 합성 패러다임을 제시한 것으로, 공정시간도 대폭 단축해 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라고 밝혔다.
연구에 참여한 권용민 박사는 “일산화탄소라는 간단한 분자를 활용해 원자층 수준에서 금속 나노입자 표면을 제어할 수 있다는 점에서, 향후 연료전지 촉매 제조 공정뿐만 아니라 반도체, 박막 소재 등 나노입자 제조 기술 고도화에 큰 파급력을 가질 것”이라고 말했다. 이번 기술은 다음과 같은 기대효과가 있다.
▶ 연료전지 산업 측면 - Pt 사용량 절감과 촉매 수명향상을 통해 차세대 수소연료전지의 상용화 가속 - 간단한 공정으로 고성능 전극촉매 대량 생산 가능
▶ 박막 및 반도체 응용 측면 - CO AID 기술을 활용해 원자층 두께 제어가 가능한 박막 형성 공정으로 확장 가능 - 반도체 배선, 메모리 소자 등 정밀 금속 박막 제조 기술로의 응용 잠재력 보유
▶ 과학기술적 의의 - 유해기체로 인식되던 일산화탄소를 활용한 친환경·저비용 정밀 합성 공정 개척 - 원자층 제어 합성기술 분야에서 새로운 연구 패러다임 제시
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐으며, 나노/재료 분야 국제 저명 학술지인 《에이씨에스 나노(ACS nano, IF 16.1)》 2025년 11월호에 게재 및 속표지로 선정되었다.
<Energy News>
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