대구대 김보혜 교수팀, 나노입자 배치까지 고려한 에너지 저장 소재 개발

나노입자 위치·계면 특성에 주목...국제학술지 Carbon 2년 연속 게재

[프라임경제] 대구대학교 화학교육과 김보혜 교수 연구진이 차세대 에너지 저장장치의 성능을 높일 수 있는 새로운 전극 소재 설계 방안을 제시했다.

대구대학교 화학교육과 ACE 연구실 구성원들, 왼쪽부터 이예진 학생, 김보혜 교수, 김가원 대학원생, 이재준 학생. ⓒ 대구대학교

대구대학교는 김보혜 교수 연구팀의 연구 결과가 탄소 소재 분야 국제학술지 'Carbon'에 실렸다고 밝혔다. 'Carbon'은 탄소 및 탄소 기반 소재를 다루는 세계적 학술지로, Impact Factor는 12.7이다.

이번 연구에서 연구진은 여러 금속 원소를 하나의 나노 소재에 결합하는 방식에 주목했다. 바나듐(V), 망간(Mn), 아연(Zn), 루테늄(Ru)을 활용해 중엔트로피 합금 나노입자를 만들고 이를 관형 구조의 탄소나노섬유와 결합해 전극 소재로 구현했다.

연구의 주요 성과는 단순히 어떤 물질을 사용하는지를 넘어 나노입자가 탄소나노섬유의 어느 부분에 자리하느냐가 소재 성능에 영향을 미친다는 사실을 확인했다는 점이다.

연구팀은 나노입자의 형성 위치를 탄소나노섬유의 내부와 외부로 구분해 소재를 제작한 뒤 각각의 특성을 비교했다. 

그 결과 동일한 금속 조성과 비슷한 함량을 갖는 소재라도 입자가 존재하는 공간적 위치에 따라 에너지 저장 특성에서 차이가 나타나는 것으로 확인됐다.

또한 연구진은 각 금속 원소 사이의 상호작용과 나노입자와 탄소 소재가 맞닿는 계면의 전자적 특성을 분석했다. 

이를 통해 전극 소재의 성능을 결정하는 요소가 단순한 비표면적이나 물질의 조성에만 국한되지 않는다는 점을 제시했다.

이번 연구는 향후 고성능 에너지 저장 소재를 개발할 때 소재의 구성뿐 아니라 나노 수준에서의 배치와 계면 특성까지 함께 설계해야 한다는 새로운 접근법을 제시했다는 데 의미가 있다.

연구 결과는 빠른 충·방전 특성이 요구되는 슈퍼커패시터 분야를 비롯해 전기자동차 회생제동 시스템과 신재생에너지 저장장치, 산업용 비상전원 등 에너지를 순간적으로 저장하고 공급해야 하는 분야에 활용될 가능성이 있다.

이번 논문의 핵심 연구자로 참여한 김가원 대학원생은 학부 3학년부터 ACE 연구실에서 연구에 참여하며 실험과 분석 역량을 쌓아왔다. 

이번 논문을 통해 학부 시절부터 이어온 연구 경험을 국제 학술성과로 연결했다는 점에서도 의미를 더하고 있다.

김보혜 교수 연구팀은 지난해 고엔트로피 소재를 주제로 한 연구논문을 'Carbon'에 발표한 데 이어 올해도 같은 학술지에 연구성과를 게재했다. 이에 따라 2년 연속 'Carbon' 논문 게재라는 성과도 이어가게 됐다.

김보혜 교수는 "학생이 오랜 기간 연구에 참여하면서 스스로 연구를 이끌어 온 결과가 국제적인 연구성과로 이어져 의미가 깊다"며 "앞으로도 학생들이 연구 과정에서 자신의 가능성을 발견하고 전문 연구자로 성장할 수 있도록 지속적으로 지원하겠다"고 밝혔다.