꿈의 신소재로 주목받고 있는 나노물질인 '맥신(MXene)'을 이차전지 음극재로 활용한 기술이 개발됐다. 빛을 이용한 새로운 공정을 통해 획기적으로 공정 시간을 줄여 이차전지 음극재의 저비용 대량생산 가능성을 제시했다.
경북대학교는 임창용 에너지화학공학과 교수팀이 조창신 포스텍 철강·에너지소재대학원 교수팀과 공동연구로 그래핀에 이어 차세대 2차원 소재로 주목받고 있는 맥신에 플래시라이트 기술을 접목해 6밀리초(ms·1천분의 1초) 이내에 3차원 다공성 맥신·이산화티타튬(MXene/TiO₂) 복합체 필름을 제작하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
맥신은 티타늄과 탄소 원자 등으로 이뤄진 얇은 판 모양의 2차원 물질이다. 두께가 1나노미터(㎚) 이하로 매우 얇고, 우수한 전기전도도와 기계적 물성으로 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 맥신을 필름으로 제작했을 때는 집전체가 필요없다는 장점이 있다. 하지만 필름 형태로 제작하면 맥신 시트들이 적층되어 있는 구조를 가져 에너지 저장 장치에 적용했을 때 층층이 쌓여있던 맥신이 재적층되어 전해질 침투력이 감소해 잠재적으로 성능이 열화되는 문제가 발생한다.
이에 층간 간격을 넓히고 다공성 구조로 만들려는 연구가 다수 진행되어 왔지만, 이전에 보고된 기술들은 다른 화학물질과 섞거나 추가적인 장시간의 열처리가 필요해 환경과 에너지·대량생산의 측면에서 해결해야 하는 문제점이 있다.
공동연구팀은 맥신 필름을 다공성 구조로 변환하기 위해 플래시라이트 기술을 도입, 6밀리초 이내에 대기 조건에서 다공성 맥신·이산화티타튬 복합체를 제작하는데 성공했다. 플래시라이트 장비의 제논램프(Xenon Lamp)로부터 발생한 백색광을 맥신 필름에 노출시키면, 맥신 필름이 백색광을 흡수하고 맥신 필름의 온도가 올라간다.
이는 마치 뜨거운 태양빛 아래에 검은색 옷을 입고 있으면 검은색 옷이 태양빛을 흡수하고, 이것이 열에너지로 바뀌어 옷의 온도가 올라는 원리와 같다. 온도가 올라간 맥신 필름 표면이 산소분자와 반응해 이산화티타늄이 합성된다. 또 맥신 필름 내부에 존재하는 물분자들이 순간적인 온도상승으로 인해 기화되면서 맥신 필름 내부의 층간 간격을 넓혀 다공성 구조를 만들 수 있다고 연구팀은 설명했다. 이번 연구는 기존 연구와 달리 상온·상압에서 수초내에 다공성 및 복합체 구조를 만들 수 있기 때문에 저비용으로 대량생산이 가능하다.
임창용 교수는 “플래시라이트 기술은 기존의 열처리방식과는 전혀 다른 새로운 컨셉의 방식이며, 화학공학 분야에서 아직 연구가 많이 진행되지 않은 기술이라 그 가능성과 활용성이 무궁무진한 연구 주제”라면서 “기존에 해결되지 않았던 과학적, 공학적 문제를 새로운 기술로 돌파구를 마련할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터 지원으로 진행됐다. 교신저자는 임창용 경북대 교수와 조창신 포스텍 교수, 제1저자는 경북대 팽창웅 석사과정생과 포스텍 홍정수 박사과정생이다. 연구 결과는 최근 화학공학 분야 국제 저명 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
