연구성과

신소재 최경만-장현명 교수 공동연구팀, 배터리 에너지 변환·저장 장치 효율 높일 기술 개발

2019-05-21 242

[모델 연구 통해 높은 성능의 촉매 구조 디자인 제시]

최경만명예교수_장현명명예교수

인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 시대, 일상에서 떼려야 뗄 수 없는 것이 바로 배터리다. 휴대전화부터 자동차, 태블릿PC, 스피커, 노트북 컴퓨터, 심지어 태양광 에너지와 같은 재생 에너지도 배터리로 저장된다. 그렇기 때문에 배터리의 성능을 높이고 안전성을 확보하며, 더 오래 사용할 수 있게 하는 기술 개발에 전 세계 많은 과학자가 뛰어들고 있다.

신소재공학과 최경만 명예교수·김건중 박사, 장현명 명예교수·한현 박사 팀은 간단한 모델 연구를 통해 나노 촉매 입자의 용출 현상을 통해 에너지 변환 및 저장 장치의 효율을 높일 수 있는 촉매 구조를 새롭게 디자인해 주목을 모으고 있다. 이 연구는 국제학술지인 미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society) 최근호에 게재됐다.

기능성 산화물 표면에 금속 나노 촉매 입자를 고르게 분포시키는 연구는 다양한 연료 변환, 에너지 변환 및 저장 장치에서 유용하게 사용할 수 있다. 산화물 내에 촉매 원자를 임의로 환원해, 나노 촉매 입자 형태로 용출시키는 기법이 지난 10년 동안 활발하게 연구되고 있다.

기존에는 나노 촉매 입자를 진공 증착 공정으로 만들었는데, 이 방법은 제조 시간과 비용이 많이 들고 특히 열적 불안정성이 높아 한계가 있었다. 하지만 나노 촉매 입자를 용출시키는 방법을 사용하면 나노 촉매 입자의 안정성 문제를 해결할 수 있다. 촉매의 성능을 극대화하기 위해선 나노 촉매 입자의 크기와 분배를 적절하게 조절하는 것이 매우 중요하다.

연구팀은 간단한 모델 연구를 통해서 결정학 면에 의해 결정되는 용출 현상의 특성을 연구했다. 또 계면 에너지와 격자 변형 에너지가 용출 나노 촉매 입자의 박힘 구조와 크기, 분배에 어떤 변화를 주는지에 대해서도 논의했다. 그 결과 일반적으로 높은 성능을 보이는 촉매 구조를 디자인하기 위해서는 상대적으로 낮은 계면 에너지 또는 높은 격자 변형 에너지가 유리하리라는 것을 확인했다.

이 기술이 확장돼 실제 공정에서 사용하게 된다면, 폭발 위험이 없는 전고체 전지, 차세대 연료 전지, 전원이 꺼져도 메모리가 날아가지 않는 차세대 컴퓨팅 정보 저장 메모리 개발과 같은 에너지 변환·저장 장치의 효율을 높이는 소재로 활용될 전망이다.

김건중 박사는 “박막 형태의 간단한 용출 모델 시편의 제작 및 분석 결과를 발표함으로 용출 원리에 대해 이해를 높일 수 있었다”라고 밝혔으며, 최경만 교수는 “촉매 에너지 분야뿐만 아니라 다른 분야에서도 응용될 수 있도록 연구 플랫폼을 제공할 것”이라며 연구의 의의를 밝혔다.

한편 이 연구는 한국연구재단 이공학 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 최 교수·김 박사, 장 교수·한 박사 외 오번 (Auburn) 대학교의 오태식 교수, 포스텍의 김선재 박사, 아미르 메수드 다야기 (Amir Masoud Dayaghi) 박사, 손준우 교수, 윤다섭 연구원, 나선형 박사가 참여했다.