바이오인

핵심내용

촉매, 센서 등에 활용 가능

□ 국내 연구진이 가정용 초음파 가습기를 활용해 노른자-껍질 구조* 신소재를 합성하는 새로운 공정기술을 개발해냈다. 수일 걸리던 공정을 수초 이내로 단축하여 리튬이차전지 등에 활용할 수 있는 노른자-껍질 구조 소재의 대량합성이 가능해질 전망이다.

 * 노른자-껍질(yolk-shell 혹은 ball-in ball) 구조 : 구형의 구 안에 움직일 수 있는 작은 구가 들어있는 구조. 리튬이차전지, 연료전지, 약물전달, 촉매, 센서 등의 다양한 분야에 응용이 가능해 주목받고 있다.  

○ 건국대학교 화학공학과 강윤찬 교수와 박사과정 홍영준 학생 및 석사과정 손문영 학생이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원을 받았으며, 연구결과는 첨단재료지(Advanced Materials, 인용지수 13.877) 4월 24일자 속표지 논문 및 스몰지(Small, 인용지수 8.349)에도 게재되었다.

    (논문명 : One‐Pot Facile Synthesis of Double‐Shelled SnO2 Yolk‐Shell‐Structured Powders by Continuous Process as Anode Materials for Li‐ion Batteries)

□ 노른자-껍질 구조의 소재는 리튬이차전지, 촉매 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 대량생산 공정에 대한 연구가 활발하다.

 ○ 하지만 노른자-껍질 구조를 만들기 위해 기능성분말 표면을 지지체로 코팅한 후 다시 기능성 재료를 덧씌운 다음 지지체를 제거하는 일련의 과정을 반복해야 해 최소 수일이 걸리고 소량만 합성할 수 있어 실용화에 한계가 있었다.

□ 강윤찬 교수 연구팀은 가정용 가습기 40대를 조합해 자체제작한 대용량 물방울 발생장치를 이용하여 수 초 만에 노른자-껍질 구조의 소재를 합성할 수 있는 공정을 개발했다.

 ○ 나아가 이렇게 합성된 노른자-껍질 구조 소재의 리튬이차전지용 음극소재로서의 고속 충방전 특성도 확인했다. 노른자-껍질 구조가 전해액과 전극 간의 접촉 면적을 극대화해 고속 충방전 특성을 향상시킬 수 있다는 설명이다.

□ 여러 겹의 속이 빈 구 형태를 만드는 핵심기술은 원하는 기능성 소재를 설탕과 함께 물에 녹여 가습기로 분무한 후 분무되는 미세물방울을 고온처리하는데 있다.

 ○ 고온에서 설탕의 탄소성분이 숯으로 변하고 결국에는 숯이 타버리면서 기능성소재만 남게 되는 순간적인 점화와 소화 과정이 연쇄적으로 일어나면서 노른자-껍질 구조를 만들 수 있게 된다.

□ 강 교수는 “노른자-껍질 구조의 신소재를 대량 합성 할 수 있는 차별화된 공정기술을 확보한 것으로 차세대 리튬이차전지 개발 뿐만 아니라 귀금속 등이 첨가된 넓은 표면적의 노른자-껍질 구조를 활용해 촉매, 센서, 연료전지, 약물전달 등의 분야에 폭넓게 적용될 수 있다”고 밝혔다.

상세내용

1. 연구배경

  노른자-껍질 구조의 소재는 구형의 볼 안에 작은 볼이 들어있는 구조로서 리튬이차전지, 연료전지, 약물전달, 촉매, 센서 등의 다양한 분야에 응용이 가능한 신소재이다.

  구조적인 특성으로 인해 노른자-껍질 구조의 소재 활용 분야는 무궁무진하나 현재까지 전 세계적으로 개발된 공정은 매우 복잡하며 소량 합성만 가능하기 때문에 실용화에 한계를 가지고 있었다. 따라서 노른자-껍질 구조를 가지는 소재의 대량 합성 기술 개발은 관련 산업 분야에서 매우 중요한 개발과제의 하나였다.

  건국대 연구팀은 가정용 초음파 가습기를 활용하는 간단한 기상공정에 의해 노른자-껍질 구조를 가지는 소재의 대량 합성 기술을 개발하였다. 초음파 가습기에서 발생하는 미세한 물방울을 활용하여 첨단 전자재료를 합성하는 공정은 연속공정으로 대량합성에 적합하며, 디스플레이, 태양전지 등의 다양한 분야에 적용되는 새로운 공정이다. 최근에는 국내의 대기업들에서도 대용량 초음파 가습기를 활용하는 신소재 대량 합성 기술 개발에 적극적으로 뛰어들고 있다.

 한편 연구팀은 미세한 물방울을 활용한 첨단 전자재료 합성 분야에서 가장 많은 연구실적을 발표한 세계적인 연구자로 이 분야에만 300여편의 국제적인 논문(SCI)을 발표하였다.

2. 연구결과

  초음파에서 발생하는 미세한 물방울, 액적으로부터 하나의 기능성 분말이 합성되는 분무열분해 공정은 일반적으로 구형의 치밀하거나 속이 빈 형태의 소재 합성에 많이 적용된다.

  본 연구에서는 설탕물로 구성된 액적을 활용하여 고온의 반응기 안에서 탄소-금속산화물 복합체가 중간체로 형성되게 하고, 몇 번에 걸친 점화 소화 과정을 거쳐 다중벽의 껍질을 가지는 노른자-껍질 구조를 가지는 신소재를 개발하였다. 또한 노른자-껍질 구조가 형성되는 메커니즘을 명확히 규명함으로서 응용분야에 따른 소재의 조성 변화에 무관하게 대량 합성이 가능한 길을 열었다.

  재료분야 세계 최고 권위지 중의 하나인 첨단 재료誌 (Advanced Materials) 에서는 신 합성기술로 개발된 노른자-껍질 구조의 신소재가 리튬이차전지 음극소재의 특성을 획기적으로 높일 수 있음을 보여주었으며, 관련 분야의 세계적인 과학자로부터 매우 탁월한 기술임을 인정받았다.

 나노재료분야 세계 최고 권위지 중의 하나인 스몰誌 (Small) 에서는 신 합성기술로 촉매, 센서 등에 적용하기 위한 노른자-껍질 구조의 신소재 대량 합성 기술을 소개하였으며, 국내 관련분야 연구자들과 공동 연구를 추진 중에 있다.

  노른자-껍질 구조의 소재 합성을 위해 기존에 개발된 기술은 최소 며칠이 소요되는 복잡한 공정이지만, 본 연구팀에 의해 개발된 기술은 설탕을 함유하는 액적으로부터 수 초 이내에 완벽한 노른자-껍질 구조의 신소재가 합성된다.
 
3. 기대효과

  본 연구에서 개발된 기술을 적용할 경우에 차세대 리튬이차전지뿐만아니라 연료전지, 약물전달, 촉매, 센서 등의 다양한 분야에 적용이 가능한 노른자-껍질 구조의 기능성 신소재 저가 대량 합성이 가능해질 것으로 기대된다. 이들 첨단 신소재의 신 합성 기술은 에너지, IT 등의 국내외 많은 산업들의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

용  어  설  명

1. 노른자-껍질 구조(yolk-shell 혹은 ball-in-ball)
○ 구형의 공안에 또 공이 들어 있어 사이에 빈 공간이 존재하는 소재. 합성방법에 따라 껍질의 개수를 변화시켜 특성을 조절할 수 있음. 리튬이차전지에 적용할 경우 전극소재와 전해질 간의 접촉면적을 극대화할 수 있어 리튬이온이 넓은 면적의 기능성 분말에 순간적으로 삽입되고 탈리되어 고속의 충전과 방전이 가능한 구조.

2. 분무열분해공정(Ultrasonic Spray Pyrolysis Process)

○ 가정에서 초음파 가습기 등에서 사용하는 초음파 액적(물방울, Droplet) 발생 장치에서 발생하는 미세한 물방울들을 활용하여 첨단 소재를 합성하는 공정. 미세한 액적 내부에는 제조하고자 하는 물질의 성분들이 녹아 있으며, 고온의 반응기 내부에서 건조와 열분해 과정을 거쳐 하나의 액적으로부터 하나의 기능성 소재가 합성됨.

3. 리튬이차전지 
○ 리튬이차전지는 리튬이온(Li+)이 양극과 음극의 전극물질에 삽입과 탈리를 반복하며 충전과 방전을 하는 전지임.

○ 리튬은 자연계에 알려진 금속 중 가장 가볍고, 표준환원전위가 가장 낮아 3V 이상의 높은 기전력을 얻을 수 있으며, 전극소재로 적용시 중량 및 체적당 에너지 밀도가 높음.
 

그  림  설  명

그림 1. 첨단 재료 속표지 이미지

그림 2. 합성된 노른자-껍질 구조 주석 산화물 분말의 전자현미경사진

그림 3. 합성된 노른자-껍질 구조 분말들의 리튬이차전지 음극재료로서의 특성

그림 4.  노른자-껍질 구조 소재 개발에 참여한 연구원들
(왼쪽부터 손문영 석사과정 연구원, 강윤찬 교수, 홍영준 박사과정 연구원)