배터리에 에너지를 저장하기 위해 사용되는 전극물질 등과 같은 기능성 나노결정물질을 극히 짧은 시간동안 합성할 수 있는 ‘초급속연소합성법’이 국내 연구진에 의해서 개발됨에 따라, 저비용 대량합성공정을 통한 기능성 나노소재 상용화 가능성이 열렸다. 

전남대 김재국 교수가 주도하고, 김지현 박사과정생과 Vinod Mathew 연구교수(제1 공동저자), 포항가속기연구소 안도천 박사, 전남대 송선주, 윤현석 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학육성사업(WCU)의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 권위의 과학전문지인 네이처가 발행하는 ‘사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)’ 12월호 (12월 10일자 온라인)에 게재되었다.
(논문명 : Pyro-Synthesis of Functional Nanocrystals)

최근 이차전지와 더불어 에너지 저장 및 변환 시스템의 발전은 현재 직면된 에너지 위기 측면에서 필수적이고 반드시 해결해야 할 과제이며, 이와 관련하여 특별한 물리화학적 특성을 가질 수 있는 기능성 나노 물질에 대한 관심이 더욱 커지고 있다. 

이러한 기능성 나노 물질 중 안정적인 구조와 높은 용량을 보여주는 인산철(LiFePO4)소재는 리튬 이차전지의 전극물질로 상용화 된 리튬코발트산화물(LiCoO2)을 대체할 수 있는 차세대 물질로 주목받고 있다. 

그런데 인산철 소재는 낮은 전기전도도 등의 단점을 가지고 있어 이를 극복하기 위해 많은 연구가 진행 중이나 현재까지 개발된 방법으로는 수차례의 열처리 등 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있는 합성 공정이 동반되어야 한다.

하지만 기존의 졸-겔법, 수열합성법, 용매열 합성법 등의 습식합성법들은 복잡한 공정과 후처리 등으로 많은 비용이 소요되었고, 각 공정들이 일괄적으로 진행되지 않는 등 대량생산을 통한 상용화에 많은 제약사항이 있었기 때문에 저비용, 단순한 처리과정 개발에 대한 요구가 증대되고 있다. 

김재국 교수 연구팀은 폴리올이라는 용매을 이용하여 짧은 시간에 전구체 용액을 점화시켜 연소반응을 일으키는 간단한 합성방법인 초급속연소합성법을 개발하여 복잡한 공정을 단순화한 방법을 개발하였다.

 폴리올은 알코올의 한 종류로 연소되면서 주위의 산소를 없애는 특징을 가지고 있고 일정 온도에서 발화하는 특징을 가지고 있어 용매로서 응용된다.

 이번 연구결과에 따르면 용매의 역할과 동시에 연소반응의 연료로서 반응에 참여하는 폴리올을 이용하여 초급속연소법을 통해 차세대 에너지저장용 기능성 나노물질을 손쉽게 얻을 수 있었다. 아울러, 인산(H3PO4)을 원료물질로 활용하여 전도성 탄소막을 형성함으로써 기존 인산철(LiFePO4) 소재의 단점인 낮은 전기전도도를 획기적으로 향상시키고, 추가적인 별도의 탄소막 제조공정이 필요치 않으므로 경제적으로도 큰 효과가 있다는 것을 확인하였다.

 또한 인산철뿐만 아니라, 이산화타이타늄(TiO2), 황화카드뮴(CdS), 산화아연(ZnO), 은(Ag) 등 광학, 바이오, 에너지분야에 응용할 수 있는 기능성 물질들을 수 초 동안의 연소반응을 통해 결정화된 나노결정상 물질을 얻을 수 있었다.

 현재 관련 기술은 국내특허 등록이 완료되었으며, 미국, 유럽, 일본, 중국 등 주요국 개별 해외특허 출원이 완료된 상태이다.

김재국 교수는 “이번에 개발한 방법으로 배터리 전극물질이나 디스플레이 등에 응용할 수 있는 기능성 나노물질 생산에 획기적인 변화를 기대하며, 지속적인 연구를 통해 보다 진일보된 공정을 개발하고 아울러 새로운 합성법을 활용한 신규 기능성 나노물질 발굴에 노력하여 차세대 에너지저장소재 등 기능성 나노물질 관련 산업발전에 실질적인 도움이 되는 연구를 수행하겠다” 고 연구의의를 밝혔다. 

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>