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ESS 성능 끌어올릴 새 소재

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ESS 성능 끌어올릴 새 소재

2019.10.31 15:31
로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장(왼쪽)과 이장 연구위원. IBS제공
로드니 루오프 기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단장(왼쪽)과 이장 연구위원. IBS제공

국내 연구진이 대용량 에너지 저장장치(ESS)의 성능을 향상시킬 수 있는 신소재를 개발했다. 

 

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(울산과학기술원 특훈교수)과 이장 연구위원 연구진은 슈퍼커패시터용 전극물질로 각광받는 금속유기구조체(MOF)의 전기적 특성을 향상시키는 메커니즘을 알아내고 자성과 전도성을 동시에 가진 새로운 소재((NiTAA-MOF)를 개발했다고 31일 밝혔다. 

 

태양광을 비롯한 재생에너지가 주목받으면서 이를 저장하고 높은 출력을 내는 에너지 저장장치에 대한 요구가 커지고 있다. MOF는 금속과 유기물을 결합시켜 만든 신소재로 금속과 어떤 유기물을 연결하느냐에 따라 다양한 구조 및 특성을 갖도록 만들 수 있다. 대기 중 오염물질 제거, 분리막, 센서 등 다양한 분야에 활용된다. MOF는 슈퍼커패시터, 2차 전지 등 대용량 에너지 저장장치의 전극 소재로 주목을 받고 있다. 

 

MOF는 내부에 기공이 많아 이를 전극으로 사용할 경우 넓은 표면적에서 산화-환원 반응을 활발히 일어나기 때문에 높은 에너지 저장능력 및 성능을 갖는 에너지 소자를 만드는데 유리하다.
MOF가 들어가는 에너지 소자를 만들려면 MOF의 전기적 성질에 대한 근본적인 이해가 필요하다. 하지만 이 소재의 어떤 구조적·화학적 변화가 전기 전도성에 영향을 미치는지 아직까지 명확히 밝혀진 것이 없다. 

 

연구진은 MOF의 전기전도성을 높일 ‘히든카드’를 찾아내기 위해 거대한 고리 형태의 금속유기구조체를 설계했다. 니켈테트라아자아눌렌-금속유기구조체(NiTAA-MOF)로 불리는 이 금속유기구조체는 니켈 원자 주변에 4개의 질소 원자가 결합한 구조를 갖는다. 전기전도성을 가진 물질로 촉매, 트랜지스터, 염료감응태양전지에 사용된다. 하지만 MOF의 연결체로 사용된 적은 없다. 

 

연구진이 설계한 덩어리 형태의 NiTAA-MOF는 전기가 통하지 않는(절연) 상태다. 하지만 요오드 증기를 이용해 80도의 온도에서 열처리를 진행하며 NiTAA-MOF를 화학적으로 산화시키면 300K(26.8도)에서 0.01S/㎠(지멘스 퍼 제곱센티미터)의 전기전도도를 나타낸다. 별도의 전도체를 첨가할 필요 없이 전극으로 사용하기에 전기전도도는 이미 충분히 높다. 

 

유정우 UNIST 교수는 “리간드 산화에 따라 부도체이던 2차원 금속유기구조체에 전기 전도성이 유도된다는 것을 보여줬다”며 “더 나아가 리간드 산화에 따라 MOF의 스핀 농도를 증가시켜 자성을 구현할 수 있음도 확인했다”고 설명했다.

 

로드니 루오프 단장은 “2차원 금속유기구조체의 구조와 전기적 특성 간의 관계에 대한 근본적인 이해를 제시했다”며 “합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐만 아니라 촉매, 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.


이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS) 10월 14일자 온라인 속보로 실렸다.

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