황종국 화학공학과 교수(사진=아주대)
연구팀이 개발한 다공성 소재(Porous Material)는 ‘스펀지’ 같은 구조의 나노 소재다. 물질을 저장하거나 이동시키는 데 유리한 특성을 갖는다. 구멍(기공, pore)의 크기와 연결 방식에 따라 물질의 이동 속도와 반응 효율이 달라진다는 특징도 있다.
정수기 필터나 탈취제 등에 쓰이는 활성탄이나 제습제·건조제로 흔히 쓰이는 실리카겔 등이 우리 일상에서 볼 수 있는 다공성 소재다. 특히 머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준(1~100nm)에서 물질을 제어하는 나노 소재 분야에서는 기공 크기에 따라 물질 이동과 반응 특성이 크게 달라진다. 거대기공(Macroporous)과 메조기공(Mesoporous)이 각각 다른 기능을 수행하는 것. 기공의 크기가 50nm 이상인 거대기공은 물질이 빠르게 이동하는 통로 역할을 하고 기공 크기가 2~50nm 범위인 메조기공은 반응이 일어나는 활성 표면을 제공한다. 따라서 두 종류의 기공 구조를 동시에 정밀하게 설계하는 것이 고성능 소재 개발의 핵심 요소다.
다만 기존 합성 기술에서는 여러 주형을 단계적으로 사용하는 복잡한 공정이 필요하다는 문제가 있었다. 또한 기공의 크기도 개별적으로 조절하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 두 종류의 고분자를 혼합한 이성분계 고분자(Binary Polymer) 블렌드의 ‘자기조립(Self-assembly) 현상’에 주목했다. 서로 다른 고분자를 섞으면 특정 조건에서 스스로 정교한 나노 구조를 형성하는데 이를 자기조립 현상이라 한다.
연구팀은 이러한 자기조립 특성과 무기 소재 합성 과정을 결합해 새로운 설계 원리를 정립하고, 이를 통해 기공 크기와 화학 조성을 비교적 간단하게 제어할 수 있는 합성 기술을 개발했다. 또한 이 합성법으로 제조한 탄소 소재를 차세대 이차 전지인 포타슘이온전지(K-ion battery)의 음극에 적용한 결과 높은 에너지 저장 용량과 안정성을 동시에 확보할 수 있음을 확인했다. 이는 기공 구조를 독립적으로 설계함으로써 이온 이동 경로와 반응 활성 면적을 동시에 최적화한 결과다.
이번 연구는 교육부 G-LAMP 사업과 한국전력공사 전력연구원·사외공모 기초 개별연구사업의 지원을 받아 수행했다. 박종윤 아주대 석박사 통합과정생(에너지시스템학과)이 제1저자로 참여했으며 황종국·이진우·진형민 교수가 공동 교신저자를 맡았다.
황종국 교수는 “이번 연구는 다공성 소재에서 서로 다른 크기의 기공을 독립적으로 설계할 수 있는 새로운 합성 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “이러한 구조 제어 기술은 차세대 나트륨 이온 배터리를 비롯해 전기화학 촉매 및 정수·수처리 필터 소재 등 다양한 에너지·환경 분야에 적용될 수 있다”라고 말했다.
