이산화티타늄 기질에 주입된 산화팔라듐 나노입자의 광전자적 특성을 이용해 박테리아를 죽이거나 전자장치를 가동시킬 수 있다고 한다.

나노합성 필름을 이용하면 가시광선을 이용해 박테리아나 바이러스를 죽이는 광촉매 반응기는 물론, 보다 효과적인 태양전지도 가능해질 것이라고 미국 과학자들이 주장한다. 일리노이대(University of Illinois at Urbana-Champaign) 팀은 n형 이산화티타늄(TiO2) 기질에 p형 산화팔라듐(PdO) 나노입자를 주입함으로써 유용한 흡수 특성을 가진 광촉매를 제작했다[참고문헌1].

광촉매는 빛을 받아 화학반응을 촉진시키는 물질이다. 대표적인 반도체 광촉매 물질인 이산화티타늄은 유해물질의 분해와 친수성 등의 특성으로 인해, 자체정화 기능이 있는 환경제품 등에 응용되고 있다. 그러나 이산화티타늄은 주로 자외선에 반응하므로 자외선이 거의 없는 실내 환경에서는 물론, 자외선이 5% 정도만 포함되어 있는 태양광에서도 그 효과는 작을 수밖에 없다. 따라서 가시광선에 반응하는 광촉매에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 이산화티타늄에 염료, 금속(Cr, V, Mn, Fe, Ni 등), 비금속(C, N, S 등) 등을 첨가하는 연구가 이루어지고 있다.

한편, 나노입자는 비표면적이 커 독특한 물리화학적 특성을 보여주며, 광촉매 나노입자는 크기가 작을수록 유용한 것으로 알려져 있다. 그러나 반도체 나노입자들은 크기가 작아짐에 따라 여기 에너지가 대체로 증가하는데, 이러한 특성은 양자크기효과(quantum size effect)라고 불린다. 이로 인해 흡수대역이 단파장 영역으로 ‘청색이동’하게 되므로, 결국 가시광선에는 반응하기가 어려운 것이다.

그런데 흥미롭게도, 일리노이대 재료과학부의 지안 쿠 샹(Jian Ku Shang) 팀이 만든 광촉매는 양자크기효과(quantum size effect)와는 반대로 작용하여 흡수 대역이 장파장으로 ‘적색이동’ 한다. 샹의 연구 결과, 극미세 PdO 입자들과 TiO2 기질 간의 상호작용이 이러한 양자크기효과를 붕괴시키는 것으로 나타났다. 극미세 반도체 입자들을 박막 기질에 주입하는 것은 어려운 일이었다. 연구진은 전자빔을 이용하여 TiO2와 PdO 입자들을 증착시켰으며, 이와 동시에 성장 구조에 질소 이온을 퍼부었다. 연구팀은 이온빔보조 증착이 주입된 PdO 입자들의 크기를 수 나노미터로 최소화함으로써 잘 분산된 기질을 얻는 데 도움이 된다는 것을 발견했다. PdO 나노입자들의 크기는 2나노미터 미만이었다.

“나노합성물의 반응 영역이 ‘적색이동’을 통해 자외선에서 가시광선으로 확장됨으로써, 광촉매가 가시광선을 흡수할 수 있다. 결과적으로 이 신물질은 더 많은 부분의 태양 스펙트럼을 이용하여 전자장치에 동력을 공급할 수 있다”고 샹은 말했다. “다음 목표는 질소첨가 TiO2/PdO 물질의 독특한 광전자 특성을 이용한 감지기와 광촉매 반응기를 설계하는 것이다. 미국 및 국제 특허를 출원했으며, 지금은 산업계 협력사들과 기술 이전을 논의하는 중”이라고 그는 설명했다.

* 참고문헌
1. Appl. Phys. Lett. 90 063109

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