인하대 양승재 교수팀, 한국재료연구원과 새로운 구조의 탄소 소재 개발

(왼쪽 상단부터 시계방향) 인하대 대학원 화학·화학공학융합학과 박재희 석사과정생, 오윤지 석사과정 졸업생, 화학공학과 김재호 박사, 양승재 교수, 한국재료연구원 복합재료연구본부 김태훈 선임연구원

인하대학교(총장 조명우) 화학공학과 양승재 교수팀이 한국재료연구원 복합재료연구본부 김태훈 선임연구원팀과 함께 전자파를 효과적으로 차단하고 리튬-황전지의 기능성 분리막 재료로 쓰일 수 있는 새로운 구조의 탄소 나노 소재를 개발했다고 27일 밝혔다.

전자파 차폐 기술은 인체에 대한 전자파의 유해성 및 전자기기 오작동 가능성 때문에 최근 많은 곳에서 연구되고 있다. 지금까지 전자파 차폐 소재로 사용되고 있는 탄소 재료는 높은 전기전도성과 가벼운 무게 등의 특성이 있으나, 흡수가 없는 반사 특성만을 활용하기 때문에 전자파 흡수 성능에 한계가 있다.

또한 리튬-황전지는 낮은 가격으로 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기자동차 산업뿐 아니라 휴대용 전자기기 등에 사용될 차세대 에너지 저장시스템으로 주목받고 있다. 하지만 아직까지 낮은 사이클 안정성 및 충·방전 속도 등으로 인해 상용화가 어려운 상황이다.

인하대 양승재 교수팀은 멜라민-니켈 배위결합물의 상전이 및 탄화 공정을 통해 두 분야의 재료로써 뛰어난 성능을 보이는 니켈 및 질소가 도핑된 흑연 나노 큐브를 개발했다. 탄소 소재의 기본 단위인 중공 흑연 나노 큐브는 전자파의 내부 반사를 유도하고 리튬-황전지의 활성 물질을 가둘 수 있는 거대 다공성 공간을 제공한다.

또한 질소가 도입된 고결정성 흑연 구조로부터 전기전도도 및 셔틀 반응을 개선할 수 있으며 흑연 나노 큐브에 부분적으로 잔류한 니켈 나노 입자는 전자파 흡수 및 촉매 기능을 수행한다. 이러한 구조적 장점들이 전자파 차폐 및 리튬-황전지 기능성 분리막 소재로써 응용될 가능성을 확인했다.

연구 논문은 새로운 구조의 나노 탄소 소재 개발로 미래 시대 에너지 저장·관리 분야의 중요한 이슈들을 동시에 해결할 수 있게 한다는 점에서 그 우수성을 인정받아 세계적인 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재된다.

양승재 교수는 “간단한 합성방법으로 전자파 차폐와 리튬-황전지에서 뛰어난 성능을 보이는 새로운 탄소나노구조체를 합성했다”며 “추가적인 실험을 통해 탄소기반의 전자파 차폐 필름과 리튬-황전지 분리막 상용화에 한걸음 더 다가갈 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 기초연구실사업, 한국과학기술연구원의 개방형 연구 프로그램(Open Research Program) 4U사업, 한국재료연구원의 기본 연구 프로그램(Fundamental Research Program) PNK7340 사업의 지원을 받았다.