GIST, 넓은 비표면적·조밀 결정구조 고분자 복합물질 개발

이재석 교수 연구팀 “전자 소자·에너지저장 가능성 확인”

왼쪽부터 이재석 교수, 김원빈 박사과정생, 이홍준 박사과정생. 사진=GIST 제공

[아시아경제 호남취재본부 윤자민 기자] GIST(총장 김기선)는 신소재공학부 이재석 교수 연구팀이 넓은 비표면적과 분자수준의 결정구조를 갖는 고분자 복합물질을 개발, 이를 슈도커페시터 전극에 적용해 에너지 저장 소자로의 응용 가능성을 확인했다고 29일 밝혔다.

고분자 복합물질은 전기 전도성에 영향을 끼치는 고결정성을 나타낼 뿐만 아니라 넓은 비표면적으로 인해 원자의 산화수가 달라지는 화학 반응인 레독스 반응이 증가하게 된다.

따라서 전자 소자, 에너지 저장, 전환소자에 적용 및 성능 개선에 기여할 것으로 기대된다.

전도성 고분자는 유연하고 가벼워 다양한 미래 전자 소재로 주목을 받고 있지만 고분자의 사슬 얽힘 현상과 내부에 불규칙적 구조가 존재하기 때문에 전자의 이동을 방해한다는 단점이 있다.

또 다른 금속계열의 소재에 비해 기계적강도가 약하기 때문에 이러한 단점을 보완하기 위한 연구가 진행돼 왔다.

연구팀은 두 전도성 단량체를 연결시킨 전구체로 고결정성 고분자를 중합하는 합성기술을 이용하여 2D 나노 소재인 그래핀옥사이드(graphene oxide·GO) 위에 성장시켰다.

초고압전자현미경을 통해 이 새로운 복합물질의 결정 구조를 분석했으며 면심입방구조(Face Centered Cubic lattice·FCC)가 관찰됐다.

이러한 분자 수준의 결정 구조는 고분자 내부의 전자이동을 증가시키며 전도성에 영향을 끼친다. 따라서 다양한 전자소재로의 응용을 기대할 수 있다.

연구팀은 질소 흡·탈착 등온선을 통해 물질의 비 표면적을 측정했으며 복합물질의 비표면적이 단순 고분자의 비표면적 대비 최대 22배 증가함을 확인할 수 있었다.

넓은 비표면적은 슈도커페시터의 전극재로 쓰일 경우 전해질의 이동에 유리하며 산화·환원 반응이 일어나는 면적이 넓어진다. 따라서 많은 양의 에너지 저장이 가능해진다.

사진=GIST 제공

CV 측정으로 전기화학적 특성을 분석할 수 있었으며 연구팀이 개발한 복합물질은 다른 대조군 고분자 대비 더 높은 전기 용량을 나타냈다.

고결정성의 고분자와 2D 나노 소재인 그래핀옥사이드로 인해 넓어진 비표면적은 빠른 에너지의 충·방전과 에너지 저장량의 증가를 가능하게 한다.

고분자와 2D 나노 소재의 시너지 효과가 관찰된 새로운 복합물질의 개발은 에너저장 소자에 긍정적인 영향을 끼칠 것으로 기대된다.

이재석 교수는 “이번 연구는 고결정성 고분자와 2D 나노 소재의 조합 및 이것의 결정구조 분석과 전기화학적 특성 측정을 통해 에너지저장 시스템의 새로운 소재 개발과 가능성을 확인한 것”이라며 “향후 다양한 전자소자 뿐 아니라 에너지 저장 소자에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 GIST 이재석 교수가 주도하고 박사과정 김원빈 학생과 이홍준 학생이 참여한 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 연구 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제저명 학술지인 ‘Nanoscale’에 온라인 게재됐다.

호남취재본부 윤자민 기자 yjm3070@gmail.com