수일 걸리던 공정, 수초 이내로 단축

건국대 연구팀이 가정용 초음파 가습기를 활용해 노른자-껍질 구조, 신소재를 합성하는 간단한 공정기술을 개발해냈다. 수일 걸리던 공정을 수초 이내로 단축하여 리튬이차전지 등에 활용할 수 있는 노른자-껍질 구조 소재의 대량합성이 가능해질 전망이다.

* 노른자-껍질(yolk-shell 혹은 ball-in ball) 구조 : 구형의 구 안에 움직일 수 있는 작은 구가 들어있는 구조. 리튬이차전지, 연료전지, 약물전달, 촉매, 센서 등의 다양한 분야에 응용이 가능해 주목받고 있다.

건국대(총장 송희영)는 화학공학과 강윤찬 교수와 박사과정 홍영준 학생 및 석사과정 손문영 학생이 가정용 가습기 40대를 조합해 자체제작한 대용량 물방울 발생장치를 이용하여 수 초 만에 노른자-껍질 구조의 소재를 합성할 수 있는 공정을 개발했다고 24일 밝혔다. 건국대 연구팀은 이렇게 합성된 노른자-껍질 구조의 소재를 시험하고 리튬이차전지용 음극소재로서의 고속충방전 특성도 확인했다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원을 받았으며, 연구결과는 첨단재료지(Advanced Materials, 인용지수 13.877) 4월 24일자 속표지 논문으로 게재되었다. 한편 연구결과는 스몰지(Small, 인용지수 8.349)에도 게재되었다.

(논문명 : One‐Pot Facile Synthesis of Double‐Shelled SnO2 Yolk‐Shell‐Structured Powders by Continuous Process as Anode Materials for Li‐ion Batteries.)

속이 빈 형태의 소재는 디스플레이나 태양전지 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 대량생산 공정에 대한 연구가 활발하다.
하지만 속이 빈 구조를 만들기 위해 기능성분말 표면을 지지체로 코팅한 후 다시 기능성 재료를 덧씌운 다음 지지체를 제거하는 일련의 과정을 반복해야 해 최소 수일이 걸리고 소량만 합성할 수 있어 실용화에 한계가 있었다.

여러 겹의 속이 빈 구 형태를 만드는 핵심기술은 원하는 기능성 소재를 설탕과 함께 물에 녹여 가습기로 분무한 후 분무되는 미세물방울을 고온처리하는데 있다. 고온에서 설탕의 탄소성분이 숯으로 변하고 결국에는 숯이 타버리면서 기능성소재만 남게 되는 점화 및 소화 과정이 연쇄적으로 일어나는 것이다.

이러한 점화와 소화가 순간적으로 일어나기 때문에 수 초 만에 노른자-껍질 구조를 만들 수 있게 되는 것이다. 특히 이 공정은 소재의 조성과 무관하게 단일성분이나 수십 가지 성분이 혼합된 소재의 합성에도 그대로 적용가능하다. 또 독성물질이 사용되는 지지체 제거공정이 필요없어 친환경적이라는 장점도 있다.

강 교수는 미세물방울을 활용한 첨단전자재료 합성분야에서만 300여편의 SCI(과학논문인용색인) 논문을 발표하였으며, 사업화를 위해 국내산업체들과 활발한 공동연구를 진행 중이다.

강 교수는 “차세대 리튬이차전지 뿐만 아니라 연료전지, 약물전달, 촉매, 센서 등에 다양하게 적용할 수 있는 신소재를 대량합성할 수 있는 차별화된 공정기술을 확보함으로서 향후 우리나라가 첨단 기능성소재 개발의 주도권을 잡을 수 있는 길이 열렸다” 고 밝혔다.

임택순 기자
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