국내 공동 연구진이 나노 소재 내부의 구멍(기공·pore) 크기를 자유자재로 조절할 수 있는 원천기술을 개발했다. 내부에 다양한 크기의 구멍을 가진 ‘스펀지 구조’의 나노 다공성 소재를 제어할 수 있게 되면서, 차세대 배터리를 비롯한 촉매 및 수처리 필터 등 에너지·환경 분야의 고성능 소재 개발에 활용할 것으로 기대를 모은다.
16일 아주대학교에 따르면 이 대학의 황종국 교수팀은 카이스트(KAIST), 충남대 연구팀과 함께 고분자 혼합물의 ‘자기조립’ 현상을 활용해, 크기가 다른 두 종류의 기공을 독립적으로 제어하는 데 성공했다.
이미 산업·학계에선 다공성 소재를 △흡착·분리 △촉매 △에너지 저장 등에 활용 중이다. 정수기 필터나 탈취제 등에 쓰이는 활성탄, 제습제나 건조제로 흔히 쓰이는 실리카젤 등이 우리 일상 속에서 볼 수 있는 다공성 소재다.
머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준(1~100nm)에서 물질을 제어하는 나노 소재 분야에서 나노 다공성 소재는 스펀지처럼 내부에 미세한 구멍이 뚫려 있어 물질 저장과 이동에 유리하다.
특히 50nm 이상의 ‘거대 기공’은 물질의 이동 통로가 되고, 2~50nm의 ‘메조 기공’은 화학 반응이 일어나는 활성 표면을 제공한다. 그동안은 이 두 기공의 크기를 각각 정밀하게 설계하기 위해 공정이 복잡해지는 한계가 있었다.
연구팀은 두 종류의 고분자를 섞었을 때 스스로 나노 구조를 만드는 특성을 이용해 공정을 단순화했다. 이렇게 만든 소재를 차세대 포타슘이온전지(K-ion battery)의 음극에 적용한 결과, 이온의 이동 속도와 저장 용량이 획기적으로 향상되는 것을 확인했다.
이번 연구는 배터리뿐만 아니라 수처리 필터, 촉매 등 에너지와 환경 분야 전반의 소재 성능을 한 단계 끌어올릴 중요한 기반이 될 것으로 기대를 모은다. 정교한 ‘기공 설계’가 미래 첨단 산업의 핵심 경쟁력이 된 셈이다.
해당 연구는 교육부 G-LAMP 사업과 한국전력공사 전력연구원·사외공모 기초 개별연구의 지원을 받아 수행됐다.
황 교수는 “이번 연구는 다공성 소재에서 서로 다른 크기의 기공을 독립적으로 설계할 수 있는 새로운 합성 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.