강윤찬 교수팀, 노른자·껍질구조 신소재 대량합성기술 개발

[아시아경제 김보경 기자] 국내 연구진이 가정용 초음파 가습기를 활용해 '노른자·껍질(ball-in ball) 구조' 신소재를 합성하는 새로운 공정기술을 개발했다. 노른자·껍질 구조란 구형의 볼 안에 작은 볼이 들어있는 형태로 리튬이차전지·연료전지·약물전달·촉매·센서 등 다양한 분야에 응용이 가능한 신소재다.

건국대학교 화학공학과 강윤찬 교수와 박사과정 홍영준 학생, 석사과정 손문영 학생은 가정용 가습기 40대로 자체제작한 대용량 물방울 발생장치를 이용해 수초 만에 노른자·껍질 구조의 소재를 합성하는 공정을 개발했다고 24일 밝혔다. 공정 시간을 단축함에 따라 리튬이차전지 등에 활용하는 노른자·껍질 구조 소재의 대량합성이 가능해질 전망이다.

노른자·껍질 구조의 소재는 리튬이차전지, 촉매 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 연구가 활발하다. 하지만 노른자·껍질 구조를 만들기 위해 기능성분말 표면을 지지체로 코팅한 후 다시 기능성 재료를 덧씌운 다음 지지체를 제거하는 일련의 과정을 반복해야해 최소 수일이 걸리고 소량만 합성할 수 있어 실용화에 한계가 있었다.

강윤찬 교수팀은 공정 시간을 수초 이내로 단축함은 물론 합성된 신소재가 리튬이차전지 음극소재의 특성을 획기적으로 높일 수 있다는 점을 확인했다. 노른자·껍질 구조가 전해액과 전극 간의 접촉 면적을 극대화해 고속 충방전 특성을 향상시킬 수 있다는 설명이다.

여러 겹의 속이 빈 구 형태를 만드는 핵심기술은 원하는 기능성 소재를 설탕과 함께 물에 녹여 가습기로 분무한 후 발생하는 미세물방울을 고온 처리하는데 있다. 고온에서 설탕의 탄소성분이 숯으로 변해 타버리고 기능성소재만 남는 점화와 소화 과정이 연쇄적으로 일어나면서 노른자·껍질 구조를 만들 수 있게 된다.

강 교수는 "노른자·껍질 구조의 신소재를 대량 합성하는 차별화된 공정기술을 확보한 것으로 차세대 리튬이차전지 개발뿐만 아니라 귀금속 등이 첨가된 넓은 표면적의 노른자·껍질 구조를 활용해 촉매, 센서, 연료전지, 약물전달 등의 분야에 폭넓게 적용될 수 있다"고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받았으며, 연구결과는 재료분야 학술지인 첨단재료지(Advanced Materials)와 스몰지(Small)에 게재됐다.

(왼쪽부터)손문영 석사과정 연구원, 강윤찬 교수, 홍영준 박사과정 연구원

김보경 기자 bkly477@