계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트 합성 기술 모식도.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이진우 교수팀이 서로 다른 크기의 기공을 동시에 갖는 계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트를 합성하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

이 합성기술은 다공성 2차원 탄소 소재의 기공 크기와 구조 및 두께 등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술로 2차전지, 촉매 분야에서 고용량 전극 소재로 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지’ 2월 13일자 온라인판에 게재됐다.

기존 다공성 2차원 탄소 소재 합성은 그래핀 소재에 기공을 형성하는 방식에 의존해 왔다. 하지만 이 방식은 기공의 크기와 구조를 효율적으로 제어할 수 없다는 한계가 있다.

기공의 크기 등 나노 구조의 제어가 가능하면서도 손쉬운 합성을 할 수 있는 다공성 2차원 탄소 나노시트 합성법 개발의 필요성이 커지고 있다.

기공의 크기 등 나노 구조의 제어가 가능하면서도 손쉬운 합성을 할 수 있는 다공성 2차원 탄소 나노시트 합성법 개발의 필요성이 커지고 있다.

연구팀은 블록공중합체, 단일중합체 고분자 혼합물의 상 거동을 이용해 마이크로 기공과 메조 기공, 8.5나노미터(nm)의 두께를 갖는 계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트를 합성하는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 두 종류의 단일중합체의 계면 사이에서 블록공중합체와 무기 전구체가 자기조립을 통해서 다공성 구조를 형성하는 원리다.

이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 방법으로 기존 복잡한 과정을 줄여 생산력을 증대했다. 이를 이용해 연구팀은 계층형 다공성 탄소 나노시트를 차세대 전지인 칼륨이온전지의 음극에 적용해 용량을 기존 흑연 소재의 8배 이상 높이는 결과를 얻었다.

연구팀의 합성기술은 블록공중합체의 분자량 및 고분자대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조를 조절할 수 있어 맞춤형 나노소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이진우 교수는 “기존 다공성 2차원 무기 소재 합성기술의 문제점을 고분자 블렌드 성질을 이용해 해결할 수 있음을 보여줬다”라며 “이는 고분자 물리학과 무기 소재 합성을 이어주는 중요한 연구가 되며 다양한 에너지 장치에 적용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지’ 2월 13일자 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com