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반도체서 배터리·전지·센서까지..'소재전쟁'서 이길 원천기술 개발

韓 IBS·美 UC버클리 공동연구팀

다결정 소재 균일하게 합성 성공

기존 '경계결함 최소' 연구와 달리

원하는 밀도·구조로 제어 가능해

기능성 소재 성능 한층 끌어올려

한국 기초과학연구원(IBS)과 미국 UC버클리 LBNL 공동 연구진이 합성한 나노 다결정 입자의 구조. /사진제공=과학기술정보통신부




지난해 7월 일본의 경제 도발로 소재 연구개발(R&D)에 대한 관심이 커진 가운데 한미 공동연구진이 반도체·배터리·연료전지·태양전지·촉매·센서·바이오 등에 사용되는 다양한 기능성 소재의 성능을 한 차원 높일 수 있는 기술을 개발했다. 다결정 소재의 결정 알갱이 사이 경계에 생기는 미세한 틈인 경계결함을 최소화하던 기존 연구에서 벗어나 보도블록처럼 결정을 규칙적으로 배열해 성능이 대폭 향상된 나노 다결정 소재를 합성한 것이다. 다결정 소재는 수많은 작은 결정 알갱이가 엉겨붙어 만들어진 것으로 가격이 저렴하고 손쉽게 만들 수 있다. 이번 성과는 16일자 네이처 표지논문으로 게재됐다.

과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 이번 기술이 학계와 산업계에 새로운 패러다임을 제시하는 원천기술이 될 것으로 기대했다.

오명환 미국 UC버클리 로런스버클리국립연구소(LBNL) 연구원(전 IBS 연구위원)과 조민지 서울대 화학생물공학부 박사과정 연구원(IBS 나노입자 연구단 소속으로 UC 버클리 카블리에너지나노과학연구소 근무) 부부가 공동1저자로 참여한 국제 연구팀은 다결정 소재의 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 경계결함을 균일하게 만들고 밀도와 구조를 원하는 대로 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공했다. 경계결함은 강철에서는 강도를 약하게 만드는 요인이지만 배터리 전극소재에서는 이온전도도를 향상시키는 역할을 한다.

코발트산화물과 망간산화물의 이종접합체. /사진제공=과기정통부


연구진은 보도블록이 일정한 틈이 있는 것처럼 나노 결정 알갱이의 숫자를 조절해 균일한 패턴의 경계결함을 갖는 나노입자를 합성했다. 이를 수소연료전지의 촉매로 사용한 결과 촉매가 활성화되며 전지의 성능이 향상됐다. 나아가 이 합성법을 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정재료에도 적용하는 것을 증명해 반도체와 배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능 향상에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

오 연구원은 “학계와 산업계에서 그동안 결정재료의 경계결함을 최소화하는 데 집중했으나 이번 연구는 오히려 경계결함의 밀도를 높이고 그 독특한 특성을 활용할 수 있는 길을 제시한 것이 핵심”이라고 설명했다. 조 연구원은 “산업에 유용한 물성을 가진 새로운 기능성 재료를 합성하는 방법을 찾았고 경계결함과 결정재료 간 물성의 상관관계에 관해 체계적으로 연구할 수 있는 플랫폼을 제공하게 됐다”고 밝혔다.



오명환 연구원


조민지 연구원


이번 성과는 오 연구원 부부가 UC버클리에서 합성법을 완성하고 현지의 최첨단 이미징 기법으로 합성된 소재를 정밀하게 분석하며 많이 기여했고 IBS 나노입자 연구단 (단장 현택환 서울대 석좌교수)과 폴 알리비사토스 UC버클리 부총장 연구팀이 합심해 결실을 맺었다. 현택환 IBS 연구단장은 “촉매·배터리 전극 등 중요한 소재 성능을 한층 개선할 수 있는 기술로 치열한 국제 소재 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것”이라고 의미를 부여했다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com

◇공동 연구진=오명환(공동 제1저자, IBS·UC버클리 LBNL), 조민지(공동 제1저자, IBS·서울대·UC버클리 카블리에너지나노과학연구소), 정동영(IBS·서울대), 박인철(IBS·서울대), 권영욱(UC버클리), 콜린 오퍼스(LBNL), 김도균(IBS·서울대·한양대), 김민규(포항가속기연구소), 정범균(한국기초과학지원연구원), X 웬디 구(스탠퍼드대), 조진웅(IBS·서울대), 유지문(IBS·서울대), 홍재영(IBS·서울대), 세라 맥메인스(UC버클리), 강기석(IBS·서울대), 성영은(IBS·서울대), A 폴 알리비사토스(공동교신저자, UC버클리·LBNL·카블리에너지나노과학연구소), 현택환(공동교신저자, IBS·서울대)
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