울산과학기술원(UNIST)은 이산화탄소를 활용해 30종의 금속 원소가 섞인 초고엔트로피 나노 소재를 1분 만에 합성하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

조승호·이석빈 신소재공학과 교수와 김정환 반도체소재·부품대학원 교수 연구팀은 독일 쾰른대학교, 미국 퍼듀대학교와 공동으로 이번 기술을 완성했다.

고엔트로피 소재는 5가지 이상 금속이 혼합된 물질로 단일 금속 대비 내구성과 촉매 활성이 우수해 배터리, 반도체 등 첨단 산업에서 주목받는다. 그러나 크기가 다른 금속 원자들을 한꺼번에 섞으려면 수천 도의 고온과 고압이 필요해 생산 비용이 높고 대량 생산이 어려웠다.

연구팀은 물에 녹은 이산화탄소가 탄산 이온 상태로 변하면서 서로 다른 금속을 연결하는 원리를 이용했다. 탄산수에 수산화물을 넣어 탄산 이온을 만든 뒤 30종의 금속 원료 용액을 부어 1분간 저으면 가루 형태의 나노 소재가 만들어진다.

이 방식으로 희토류 금속인 네오디움과 구리, 철 등 최대 30종이 섞인 금속 탄산염 나노 입자 합성에 성공했다. 기존 법칙상 잘 섞이기 어려운 희토류 금속과 전이금속을 하나로 결합한 것이다.

합성된 물질을 전자 현미경으로 분석한 결과 일반 결정과 달리 장거리 규칙성이 없는 독특한 무질서 구조가 확인됐다. 이석빈 교수는 "무질서 구조는 촉매 반응이나 에너지 저장 효율을 높이는 데 유리하다"며 "수소 생산 촉매, 이차전지 전극 소재 등 다양한 소재 조합을 탐색하고 개발할 것"이라고 설명했다.

조승호 교수는 "고온·고압에서만 가능했던 다성분 금속 합성을 상온의 물속에서 이뤄내 제조 원가를 획기적으로 낮췄다"며 "온실가스인 이산화탄소 저감에도 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

독일 쾰른대학교 산제이 마투르 교수와 미국 퍼듀대학교 하이옌 왕 교수팀이 함께한 이번 연구는 나노 과학·기술 분야 국제 학술지 나노 레터스에 11월 21일 자로 게재됐다. UNIST 김미리 연구원, 김민지 박사, 퍼듀대학교 이즈 장 연구원이 제1저자로 참여했다.