`초음파 스프레이`로 고성능 이차전지 재료 만든다

↑ 권태혁 UNIST 자연과학부 교수 [사진제공 = UNIST]

'초음파 스프레이'를 이용해 고성능 이차전지 재료 등 신소재를 만드는 기술이 나왔다. 그래핀, 탄소나노튜브 등의 성능을 높이려면 질소와 결합시켜야 하는데, 마치 가습기가 물 입자를 작게 만들어 공중에 퍼뜨리듯 탄소나노소재 잉크를 공기 중에 뿌리는 방식으로 질소를 고정시켰다.
4일 UNIST 자연과학부 권태혁·백종범·박노정 교수팀은 '초음파 스프레이 화학반응'을 이용해 탄소나노소재 안에 손쉽게 질소를 고정시키는 기술을 개발했다고 밝혔다. 초음파 스프레이 화학반응이란 초음파 에너지(120㎑)에 의해 활성화된 탄소나노재료가 공기 중에 분무되면서 표면 에너지가 커지고 다른 원자와의 결합 등이 일어나는 것을 말한다. 입자가 작아지면서 공기에 닿는 표면적이 넓어지고 효과가 배가되는 원리다. 화학반응이 수마이크로초(㎲, 100만분의 1초) 안에 진행될 정도로 빨라 경제적이고, 초음파가 친환경 에너지라는 장점이 있다.
질소 고정은 꿈의 신소재로 불리는 그래핀, 탄소나노튜브 등의 전기화학적 성능을 최대한 끌어올리는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 이미 안정적인 탄소 구조로 이뤄진 탄소나노재료는 다른 종류의 원자와 잘 결합하지 않는다. 이 때문에 화학반응을 일으키려면 매우 큰 활성화 에너지가 필요하다. 그 동안에는 인위적인 질소 고정을 위해 섭씨 500도 이상의 고열과 산화철이라는 금속 촉매 등이 필요해 비용과 에너지가 많이 들었다.
연구진은 이에 가습기, 잠수한 음향탐지기, 의료진단 등에 사용되는 초음파 에너지와 분무에 의한 미세입자화 반응을 토대로 탄소나노재료에 고르게 질소를 도입했다. 섭씨 500가 넘는 고온, 진공, 레이저 등 극한의 환경을 구현하지 않고도 화학반응을 유도한 것이다.
아울러 초음파 스프레이 화학반응으로 성능을 높인 탄소나노재료를 이용해 슈퍼커패시터 전극도 제작했다고 밝혔다. 슈퍼커패시터는 충·방전이 가능한 이차전지의 한 종류로 배터리보다 에너지 용량은 작지만 출력이 높아 항공우주·군사·자동차 산업에서 각광받는 에너지 저장장치다. 배터리가 '장거리 마라톤'이라면, 슈퍼커패시터는 '단거리 육상'과 유사하다.
권태혁 교수는 "이번 연구는 탄소와 다른 원자를 결합시키는 화학반응의 새로운 합성법을 개척했다"며 "이렇게 다른 원자가 도입된 3차원 탄소나노구조를 구현해 에너지 저장 성능을 최적화한 만큼 향후 에너지 소재 시장에 영향을 미칠 것"이라고 강조했다.
이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 14일자 표지로 선정됐다.
[김윤진 기자]