재료공학부 이승기(사진) 교수 연구팀이 레이저를 이용해 나노 소재 내부의 결정 구조를 조절하는 원천 기술을 개발했다.

이 기술은 빛을 활용해 소재에 정밀한 열을 인가하고, 그 효과를 통해 나노 단위의 구조를 정교하게 설계하는 방식으로, 차세대 소재 공정의 핵심 기반으로 주목받고 있다. 

이승기 교수는 레이저 기반 광열반응 기술을 활용해 나노 반도체 소재의 결정성과 전기적 특성을 개선하는 연구를 꾸준히 진행해 왔다. 이번 연구는 그 기술적 연장선상에서, 동일한 열처리 원리를 전기화학 반응 소재에 적용함으로써 레이저 기술이 소재 분야 전반에 걸쳐 보편적이고 범용적인 플랫폼 기술로 확장 가능함을 입증했다.

연구팀은 몰리브덴 카바이드(Mo₂C)라는 전이금속 탄화물에 레이저를 통해 열을 국소적으로 발생시킴으로써 결정립의 구조를 조절하고, 내부 경계 구조(결정립계)를 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 이러한 구조 변화는 소재에 추가적인 첨가물 없이도 전기적 전도성과 화학 반응성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 특히, 수소 발생 반응(HER)에서 촉매 반응 속도를 효과적으로 개선하는 결과를 얻었다.

【레이저 기반 광열반응을 이용한 나노 소재 합성 및 결정성 제어 결과】

기존의 고온 열처리 방식과 달리, 이번 기술은 짧은 시간 동안 레이저로 원하는 영역의 열 분포를 제어할 수 있어 기판의 손상을 최소화하면서도 고품질의 활성 재료를 제작할 수 있는 장점이 있다. 이는 저온에서도 나노 소재의 구조를 정밀하게 설계할 수 있는 새로운 공정 기술로 평가된다. 

이승기 교수는 “레이저 기반 결정 제어 기술은 나노 소재의 물성과 기능을 타겟 기판상에서 직접 설계할 수 있는 효과적인 접근법”이라며 “이번 연구는 특히 반도체 소재 기술을 에너지 재료 분야로 성공적으로 확장한 사례로서 의미가 크다”고 말했다.

이번 기술은 친환경 수소 에너지 생산용 촉매로서의 가능성을 보였으며, 나아가 고민감 센서, 랩온어칩(Lab-on-a-chip), 웨어러블 소자 등 다양한 산업 응용 분야에서도 활용이 기대된다.

【저널 표지 이미지】

이번 연구 결과는 신소재 분야의 세계적인 학술지 『Advanced Functional Materials』 7월 21일자 표지 논문으로 게재됐다. 

- 논문 제목: Artificial Modulation of the Hydrogen Evolution Reaction Kinetics via Control of Grain Boundaries Density in Mo₂C Through Laser Processing(레이저 광열 공정을 통한 Mo₂C의 결정립계 밀도 제어 및 수소 발생 반응 속도의 인공적 조절)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202422918 

해당 연구는 이승기 교수가 교신저자로, 한국과학기술연구원(KIST)과 성균관대가 공동으로 수행했으며, 한국연구재단의 글로벌 선도연구센터와 기초연구실 지원을 받았다. 

[Abstract]

Mo₂C-based electrocatalysts have emerged as promising alternatives to Pt noble metals for hydrogen production, owing to their high catalytic activity. However, the catalytic efficiency of Mo₂C is highly sensitive to factors such as surface termination, morphology, and support. Therefore, it is crucial to develop systematic crystal structure engineering methods to precisely modulate the activity, thereby enhancing both catalytic efficiency and stability. In this study, laser-based material processing is employed to modulate the microstructure of Mo₂C catalysts, with a focus on grain size control and developing a grain boundary (GB)-rich structure to enhance the kinetics of hydrogen evolution reaction (HER). Laser-based thermal control promoted the formation of fine and uniformly distributed Mo₂C grains (15.6 ± 5 nm) and high-density GBs (130 µm−1). High-angle GBs, which occupy most Mo₂C GBs, enhance electrochemically active sites, facilitate electron transfer, and shift the work function to 5.10 eV, thereby reducing hydrogen adsorption energy. In addition, electrochemical tests reveal a significant decrease in overpotential (148 mV at 10 mA cm−2) and improve Tafel slopes (67.6 mV dec−1), confirming the enhanced kinetics of the HER. This laser-induced GB engineering strategy opens a new pathway for designing high-performance Mo₂C-based electrocatalysts, advancing next-generation hydrogen production technologies.

- Author (Pusan National University): Seoung-Ki Lee (School of Materials Science and Engineering )

- Title of original paper: Artificial Modulation of the Hydrogen Evolution Reaction Kinetics via Control of Grain Boundaries Density in Mo₂C Through Laser Processing

- Journal: Advanced Functional Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202422918

- Contact e-mail: ifriend@pusan.ac.kr