다결정 소재 성능제어 기술 개발…반도체·배터리에 활용 기대

IBS·미 UC버클리, 네이처에 발표…현택환 단장 "소재 경쟁 우위 점할 원천기술"

한미 공동연구진이 수많은 알갱이가 엉겨 붙어 생긴 ‘다결정 소재’의 성능을 제어할 수 있는 합성 기술을 개발했다. 다결정 소재의 성능에는 결정 사이의 미세한 틈인 ‘경계결함’이 큰 영향을 주는데, 이 틈의 구조를 조절하는 기술을 고안한 것이다.

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단장(서울대 석좌교수)팀이 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 연구진과 함께 이런 다결정 소재 합성 기술을 개발, 16일 국제학술지 ‘네이처'(Nature)에 표지 논문으로 발표했다고 밝혔다.

태양전지 소재인 폴리실리콘과 배터리의 흑연 전극 등 다결정 소재는 주변에서 어렵지 않게 찾아볼 수 있다. 이 다결정 소재를 이루는 알갱이 사이에는 미세한 틈(경계결함)이 있는데, 지금껏 이 틈은 소재의 단점이 된다고 알려졌다. 강철의 경우 경계결함이 많을수록 강도가 떨어진다.

그러나 소재에 따라서는 경계결함을 이용해 성능을 향상할 수도 있다. 배터리 전극 소재에서는 경계결함의 밀도를 높여 결정 사이에 틈이 많아지면 이온전도도가 좋아진다. 경계결함이 전극 소재의 물성을 결정하는 핵심 요소인 셈이다.

이에 한미 공동연구진은 다결정 소재의 성능을 높이는 방법으로, 경계결함의 숫자나 구조 등을 제어할 수 있는 기술을 개발하기로 했다.

우선 정육면체 모양의 결정인 산화코발트(Co₃O₄) 나노입자를 기판으로 6개 결정면에 산화망간(Mn₃0₄) 결정을 성장시키며, 반응온도와 물질의 양, 반응 속도 등을 조절하는 식으로 경계결함의 구조와 밀도를 조절하는 데 성공했다. 연구진이 개발한 기술은 금속과 세라믹을 비롯한 다양한 결정재료에도 적용할 수 있었다.

이어 연구진은 합성한 나노 다결정 소재를 수소 연료전지 촉매로 이용할 경우 촉매 활성이 증가하고 전지 성능이 향상된다는 것도 확인했다. 현재 수소 연료전지 촉매로는 값비싼 백금이 이용되고 있으며, 이를 대체할 수 있는 값싸고 효율 높은 촉매 소재를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

IBS는 “연구진이 개발한 합성법이 반도체, 배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능 향상에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”고 평가했다.

논문 공동 제1 저자인 오명환 미국 로렌스버클리국립연구소 연구원(전 IBS 연구위원)은 “그간 학계와 산업계에서는 결정재료의 경계결함을 최소화하는 데 집중해왔는데, 이번 연구로 경계결함의 독특한 특성을 활용할 수 있는 길을 제시했다”고 의의를 밝혔다. 오 연구원의 부인인 조민지 IBS 연구원도 이번 연구의 공동 제1 저자다.

현택환 단장은 연구 성과를 “촉매, 배터리의 전극 등 산업에 중요한 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술”이라고 소개하며 “소재 산업의 치열한 국제 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것”이라고 평가했다.

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