국내 연구진이 기능성 나노 결정물질을 짧은 시간에 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 저비용 대량합성공정을 통한 기능성 나노 소재 상용화 가능성이 열렸다. 김재국 전남대 교수 연구팀은 연소반응으로 간단히 물질을 합성하는 `초급속연소합성법`을 개발해 복잡한 공정을 단순화한 방법을 개발했다고 16일 밝혔다.
최근 이차전지 등 에너지 저장과 변환시스템 발전 필요성이 부각되면서 특별한 물리화학적 특성을 가진 기능성 나노물질에 대한 관심이 커졌다. 기능성 나노물질 중 안정적인 구조와 높은 용량을 보여주는 인산철 소재는 리튬코발트 산화물을 대체하는 전극물질로 주목받고 있다.
인산철 소재는 낮은 전기전도 등 단점을 가지고 있어 이를 극복하기 위한 연구가 진행 중이다. 지금까지 개발된 방법은 수차례 열처리를 하는 등 물질 특성을 향상시키기 위한 합성 공정이 필요하다. 김 교수팀은 폴리올이라는 용매를 이용해 짧은 시간에 용액을 점화시켜 연소반응을 일으키는 합성 방법을 찾아냈다. 이는 기존 졸·겔법, 수열합성법, 용매열 합성법 등 습식 합성법이 복잡한 공정과 후처리 비용이 많이 드는데 반해 저비용으로 단순하게 처리할 수 있다.
폴리올은 알코올의 한 종류로 연소되면 주위의 산소를 없애고 일정 온도에서 발화하는 특징이 있다. 연구결과 용매 역할과 동시에 연소 반응 연료로 사용되는 폴리올을 이용한 초급속연소법으로 차세대 에너지저장용 기능성 나노물질을 쉽게 얻을 수 있었다. 기존 인산철 소재가 전기전도도가 낮다는 단점을 극복하고 별도의 탄소막 제조공정 없이 합성할 수 있어 경제적 효과가 큰 것으로 확인됐다.
인산철뿐 아니라 이산화타이타늄, 황화카드뮴, 산화아연, 은 등 광학·바이오·에너지 분야에 응용되는 기능성 물질을 수초 동안 연소반응으로 나노 결정 형태로 얻을 수 있다. 김재국 교수는 “배터리 전극물질이나 디스플레이 등에 응용할 수 있는 기능성 나노물질 생산에 획기적 변화가 기대된다”며 “신규 기능성 나노물질 발굴을 통해 차세대 에너지저장소재 등 관련 산업에 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
관련 기술은 국내 특허 등록이 완료됐으며 미국·유럽·일본·중국 등 주요국 해외특허 출원도 마쳤다. 연구결과는 네이처가 발행하는 `사이언티픽 리포트` 12월호에 게재됐다.
권동준기자 djkwon@etnews.com
