국내 연구팀이 안정성을 유지한 상태에서 전극 전도도를 극대화하기 위해 주석 산화물 신소재에 깊숙이 박힌 금속 나노 입자를 형성하는 독특한 합성 방식을 제안했다. 에너지 변환이나 저장 효율을 개선하는데 유용한 연구성과로 평가받고 있다.
포스텍(총장 김무환)은 손준우 신소재공학과 교수, 유상배 박사, 통합과정 윤다섭 씨(공동 제1저자) 연구팀이 높은 전기 전도도의 페로브스카이트 주석 산화물 위에 금속 나노 입자의 용출 현상을 구현했다고 3일 밝혔다.
페로브스카이트 구조에 손상을 주지 않고 안정적으로 이종구조 전극을 형성하는 많은 방법 중에서 금속 입자를 산화물 내부 격자에 도핑한 후, 후속 열처리를 통해서 표면으로 분리하는 실시간 용출은 효과적인 방법으로 알려져 있다.
지금까지 개발된 기술은 대부분 LSTO 페로브스카이트 타이타늄 산화물 전극에서 나온 금속입자로 전극을 이용했다. 하지만 LSTO 전도성 산화물의 전자 이동은 아령 모양 Ti 3d 오비탈 간 이동으로 인해 전기 전도도를 높이기 어려웠다.
연구팀은 기존 에너지 변환용 전극 소재로는 많은 관심을 받지 못했던 페로브스카이트 주석산화물(LBSO)에 주목했다. 기존 LSTO와 달리 방향성이 없는 넓은 구형 모양의 Sn 5s 오비탈로 이뤄져 전자가 방해받지 않고 효율적으로 전류를 전도할 수 있는 소재다.
LBSO에 니켈을 도핑한 뒤 적절한 열처리를 하면 격자구조를 유지한 상태에서 높은 밀도와 작은 크기의 니켈 나노입자를 표면에 용출할 수 있게 된다. 이렇게 형성된 니켈 나노입자는 고온과 연료극 환경에서 안정적으로 주석 산화물과 강하게 결합돼 있으며, 지금까지 발표된 이종구조 전극 중 가장 높은 전기전도도를 보였다. 기존 보고된 용출현상 기반 전극 전기전도보다 10이상 높다.
손준우 교수는 “열역학적 원리를 기반으로 전자수송이 극대화된 산화물 소재에서 금속 입자 표면 용출 현상을 최초로 구현한 연구”라면서 “전자 전도 기작이 다른 이와 같은 신소재 이종구조 형성 기술을 이용하면 기존 전극 대비 획기적으로 높은 전기 전도도 달성이 가능해 현재 사용되고 있는 에너지 변환 소자 전극의 한계를 극복할 수 있다”고 설명했다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
