한국기초과학지원연구원(원장 정광화·이하 기초지원연)은 이주한·이현욱 환경소재분석본부 박사 연구팀과 이영철 가천대학교 교수와 공동연구를 통해 그래핀을 대체할 수 있는 차세대 저차원 나노물질로 주목받고 있는 흑린을 활용해 안정적이고 활성이 뛰어난 흑린-TiO₂광촉매 재료를 제조하는데 성공했다고 11일 밝혔다.

흑린은 몇 층의 포스포린으로 구성된 반도체성 재료로 그래핀처럼 층 구조를 이루고 있다. 두께는 그래핀과 마찬가지로 원자의 지름정도로 얇고 이동도도 높다.

그래핀이 가전자대와 전도대 사이에 직접 전자 밴드갭이 부족해 대표적인 반도체인 실리콘을 대체하는데 한계가 있는 것에 비해 흑린은 직접 밴드갭도 갖고 있어 가시광선에서 근적외선까지 폭넓은 파장 범위에서도 작동이 가능하다.

하지만 흑린은 공기와 반응하는 속도가 빨라 불안정하다는 단점이 있어 이를 해결하는 것이 가장 중요한 이슈 중 하나였다.

연구팀은 초음파 처리를 통해 흑린을 산화시켜 용액 상에서 분리한 후 간단한 화학적 박리법을 통해 몇층의 흑린을 확보하는데 성공했다.

또 얻어진 흑린으로 추가적인 화학적 공정 없이 화학적인 환원을 통해 흑린-TiO₂하이브리드 소재를 제조했다.

이번 연구를 통해 제조된 흑린-TiO₂복합체의 경우 흑린의 도움으로 자외선 뿐만 아니라 자외선보다 낮은 에너지를 갖는 가시광선에서도 광촉매 반응을 하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 흑린-TiO₂를 이용해 물에 녹인 Reactive Black 5(RB5)와 Rhodamine B(Rho B)의 염료분해 실험을 실시, 좋은 결과를 얻기도 했다.

이번 연구결과는 네이쳐 자매지인 사이언티픽리포츠(Scientific reports)誌 온라인판에 (논문명 : Stable semiconductor black phosphorus (BP)@titanium dioxide (TiO2) hybrid photocatalysts, IF=5.078) 게재되었다. 

이주한 박사는 "이번 연구는 흑린을 화학적인 방법으로 박리하는 방법과 흑린의 구조를 안정화할 수 있는 단순한 금속산화물 치환법을 발견했다는데 의미가 있다"면서 "이를 활용해서 기존 그래핀을 대체하거나 보완할 수 있는 광촉매, 반도체 및 디스플레이등 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 흑린 기반 저차원 나노물질 연구를 중점적으로 하고있다"고 말했다.

이영철 교수는 "앞으로 흑린TiO₂ 외에도 다른 금속산화물을 치환해 흑린이 인체 내에 약물을 전달하는 동시에 형광으로 추적이 가능하며, 임무를 수행한 후 인 이온으로 분해되는 스마트 약물전달체 등과 같은 의료분야에도 응용 가능 할 것"이라고 설명했다.