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[표지로 읽는 과학]반도체·배터리 혁신 가져올 나노다결정

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[표지로 읽는 과학]반도체·배터리 혁신 가져올 나노다결정

2020.01.18 08:00
네이처 제공
네이처 제공

국제학술지 '네이처'는 16일 미세한 구멍이 촘촘히 나 있는 다면체를 표지에 실었다. 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)과 미국 버클리 캘리포니아대 알리비사토스 부총장 공동연구팀이 합성한 나노 다결정 소재를 현미경으로 관찰한 사진이다. 

 

연구팀은 나노 결정을 보도블록처럼 규칙적으로 배열해 성능을 향상시킨 다결정 소재를 만들어 연구 결과를 네이처 16일자에 표지논문으로 실었다. 다결정 소재란 수많은 작은 결정 알갱이들이 서로 엉겨 붙어 만들어진 소재로, 가격이 저렴하고 쉽게 만들 수 있어 태양전지판이나 배터리 흑원 전극을 만들 때 쓰인다. 

 

결정 알갱이들은 크기와 모양이 제각기 다르기 때문에 알갱이 간에 미세한 틈(경계결함)이 생긴다. 지금까지 학계에서는 경계결함을 단점으로 여기고, 이를 최소화하기 위한 연구를 해왔다. 

 

하지만 공동 연구팀은 경계결함이 다결정 소재의 강도나 이온전도도 등 물성을 결정하는 핵심요소라는 점에 주목했다. 산화코발드 나노입자로 만든 기판 위에 산화망간 나노 알갱이를 보도블록처럼 규칙적으로 성장시켜 소재의 성능을 향상시키는 데 성공한 것이다. 게다가 경계결함을 원하는 대로 제어해 소재의 물성을 조절하는 데에도 성공했다. 

 

연구팀은 이렇게 제작한 나노 다결정을 수소연료전지의 촉매로 사용하는 실험 결과, 촉매 활성이 증가해 전지의 성능이 향상되는 것을 확인했다. 이 방법을 이용하면 금속이나 세라믹 등 다양한 결정재료를 만들 수 있다는 사실도 증명했다. 앞으로 반도체와 배터리 등 기능성 소재의 성능을 끌어올리는 데 활용될 전망이다. 

 

오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원(전 IBS 연구위원)은 "지금까지 학계와 산업계에서는 경계결함을 최소화시키는 데에만 집중해왔지만, 이번 연구 결과는 오히려 그 밀도를 높여 소재의 물성을 조절하는 방법을 찾은 게 핵심"이라고 말했다. 현택환 단장은 촉매와 배터리 전극 산업에서 중요한 소재의 성능을 한층 개선시킬 방법을 찾았다"며 "세계 시장에서 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것"이라고 기대했다. 

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