[첨단 헬로티]
에너지저장장치(ESS)의 성능을 향상시킬 신소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장대행 김영덕)은 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 연구진이 대용량 ESS의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 소재를 개발했다고 밝혔다. 이번에 개발된 소재는 자성과 전도성을 동시에 지닌 NiTAA-MOF다.
▲ 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 연구진은 향후 에너지 저장장치 등에 적용 가능한 금속유기구조체(MOF)의 전도성 향상 메커니즘을 규명했다. <사진 : UNIST>
ESS 성능 높일 MOF, 그 전도적 특성을 연구하다
태양광, 풍력 등 신재생에너지의 발전과 함께 이를 저장하고 높은 출력을 내는 ESS의 역할이 중요해지고 있다. 특히 갈수록 향상되는 전자기기의 성능 탓에 더 높은 출력을 낼 수 있는 ESS의 필요성이 계속 제기돼왔다.
여기서 주목받은 소재가 금속유기구조체(MOF)다. MOF는 금속과 탄소 물질(유기물)이 결합해 이룬 다공성 소재다. 이 소재를 전극으로 사용할 경우 넓은 표면적에서 산화-환원 반응이 활발히 일어나기 때문에 높은 에너지 저장능력 및 성능을 갖는 에너지 소자를 만들기 유리하다고 평가 받아왔다.
MOF 기반 에너지 소자의 상용화를 위해서는 MOF의 전기적 성질에 대한 근본적인 이해가 필요하다. 하지만 아직까지 MOF의 구조적 변화가 전도적 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 명확히 밝혀진 바가 없었다. 이에 IBS 다차원 탄소재료 연구단의 연구진은 MOF의 성능을 높일 방법이 무엇인지 알아내기 위한 연구를 진행했다.
▲ IBS 다차원 탄소재료 연구단은 요오드 도핑에 의한 부분적 산화를 통해 전기전도성 및 상자성을 갖는 NiTAA-MOF를 개발했다. <사진 : IBS>
“NiTAA-MOF는 다양한 광전자공학 분야에 응용될 것”
IBS연구진은 덩어리(벌크) 상태에서 전기가 통하지 않는 새로운 금속유기구조체인 NiTAA-MOF를 합성하고, 여기에 전도성을 부여할 수 있는 방안을 고민했다.
그 결과 요오드 증기를 이용해 NiTAA-MOF를 화학적으로 산화시켰을 때 300K(26.85℃)의 온도에서 0.01S/㎠의 전기전도도를 나타냄을 확인했다. 이는 별도의 전도체를 첨가할 필요 없이 전극으로 사용하기에 충분한 전기전도도다.
공동 교신저자인 유정우 UNIST 신소재공학부 교수는 “요오드 이온을 도핑함으로서 산화반응이 일어나고, 부도체였던 2차원 MOF에 전기 전도성이 유도된다는 것을 보여준 것”이라며 “더 나아가 MOF의 스핀 농도를 증가시켜 자성을 구현할 수 있음도 확인했다”고 설명했다.
▲ 디스크 형태로 제작한 신소재(NiTAA-MOF). <사진 : IBS>
로드니 루오프 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수)은 “2차원 MOF의 구조와 전기적 특성 간의 관계에 대한 근본적인 이해를 제시한 것”이라며 “합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐만 아니라 촉매, 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 화학분야 권위지인 ‘미국화학회지(JACS)’10월 14일자에 개제됐다.
