KAIST, 빛 0.02초로 3,000 ℃ 구현…수소 생산 효율 6배 높였다

광열효과 활용 ‘직접접촉 광열처리’ 신소재 합성 플랫폼 개발…청정수소 생산·촉매 연구 돌파구

KAIST(총장 이광형)가 단 0.02초간의 강한 빛으로 3,000℃의 초고온을 구현해 수소 생산 효율을 최대 6배까지 높이는 혁신적인 촉매 합성 기술을 개발했다. 이번 기술은 적은 에너지로 고성능 촉매 소재를 빠르게 제작할 수 있는
‘직접접촉 광열처리(Direct-contact Photothermal Annealing)’ 플랫폼으로, 청정수소 생산 및 미래 에너지 소재 상용화를 앞당길 돌파구로 평가된다.

KAIST 신소재공학과 김일두 교수와 전기및전자공학부 최성율 교수 공동연구팀은 강한 빛을 0.02초간 쬐어 순간적으로 3,000℃의 초고온을 만드는 신소재 합성 기술을 구현했다고 20일 밝혔다. 이 기술은 ‘광열효과(photothermal effect)’를 이용해 빛 에너지를 열로 바꿔 나노소재의 구조를 단시간에 전환하는 방식이다. 연구팀은 나노다이아몬드(nanodiamond)에 빛을 잘 흡수하는 카본블랙(carbon black)을 섞은 뒤 제논 램프를 이용해 짧고 강한 빛을 쬐는 방법을 적용했다. 그 결과, 단 0.02초 만에 나노다이아몬드가 전기 전도성이 우수하고 촉매 지지체로 적합한 ‘탄소 나노어니언(Carbon Nanoonion)’으로 전환됐다. 기존 열선 기반 가열 방식보다 에너지 소비는 1/1,000 수준으로 줄었으며, 공정 속도는 수백 배 이상 단축됐다. 이를 통해 고온 열처리 공정에서 발생하는 시간·비용·탄소배출 문제를 획기적으로 줄일 수 있게 됐다.

이번 기술의 또 다른 특징은 ‘소재 합성’과 ‘촉매 기능화’를 한 번의 공정으로 통합했다는 점이다. 연구팀은 나노어니언을 형성하는 동시에 그 표면에 금속 원자를 단일 원자 수준으로 부착시켜‘단일원자 촉매(Single-Atom Catalyst)’를 동시에 구현했다. 이는 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 8종의 금속을 원자 단위로 분해해 생성된 나노어니언 표면에 안정적으로 부착하는 방식으로 이루어진다. 빠른 냉각 과정에서 금속 원자가 뭉치지 않아 균일한 단일원자 촉매가 형성된다. 그 결과, 연구팀이 제작한 ‘백금 단일원자 촉매–탄소 나노어니언’은 기존 촉매보다 6배 높은 수소 생산 효율을 보였다. 또한 촉매에 사용되는 귀금속의 양을 대폭 줄이면서도 동일한 반응 효율을 유지할 수 있었다.

김일두 교수는 “강한 빛을 0.02초간 비춰 3,000℃ 초고온을 구현하는 직접접촉 광열처리 기술을 세계 최초로 구현했다”며 “기존 열처리보다 에너지 소비를 1,000배 줄인 초고속 합성–기능화 공정은 수소 에너지, 환경 촉매, 가스 센서 등 다양한 분야의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다”고 밝혔다. 연구의 교신저자인 최성율 교수는 “이번 기술은 나노 소재의 구조 제어와 촉매 기능화가 완전하게 통합된 새로운 플랫폼으로, 미래 반도체·이차전지·탄소중립 기술에도 폭넓게 응용될 수 있다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 미국화학회(American Chemical Society, ACS)가 발간하는 나노과학 분야 권위 학술지 『ACS Nano』 9월호 속표지(Supplementary Cover)에 게재되며 국제 학계의 주목을 받았다. 논문명은
‘Photothermal Annealing-Enabled Millisecond Synthesis of Carbon Nanoonions and Simultaneous Single-Atom Functionalization’이며, DOI는 10.1021/acsnano.5c11229이다. 연구에는 전도경 박사과정, 신하민 박사(현 ETH Zurich 박사후연구원), 차준회 박사(현 SK하이닉스 연구원) 등이 제1저자로 참여했으며, 김일두 교수와 최성율 교수가 교신저자로 공동 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌 R&D 기반구축사업, 선도연구센터지원사업, 나노종합기술원 반도체–이차전지 인터페이싱 플랫폼 기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구팀은 향후 빛 기반 합성 기술을 대면적 공정과 연계해 청정수소 생산, 고효율 촉매 개발, 탄소중립 소재 플랫폼 등으로 확장할 계획이다.

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