박호석 성대 교수 8월의 과학기술인상…‘포스포린’의 에너지 저장 가능성 입증

2019.08.07 12:00
박호석 성균관대 교수. 과기정통부 제공.
박호석 성균관대 교수. 과기정통부 제공.

2차원 물질 ‘포스포린’의 에너지 저장 메커니즘을 규명해 에너지 저장장치로서 가능성을 입증한 박호석 성균관대학교 화학공학·고분자공학부 교수가 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 선정됐다. 

 

과학기술정보통신부는 에너지 소비가 많은 8월 친환경 신재생 에너지 개발 필요성이 높아지고 있는 가운데 새로운 에너지 저장 메커니즘을 밝힌 박호석 교수가 ‘이달의 과학기술인상’을 수상한 것은 의미가 크다고 설명했다. 

 

고용량 에너지를 저장할 수 있는 신소재로 고출력 에너지 방출과 저장에 사용되는 일종의 충전지인 ‘슈퍼 커패시터’가 주목받는다. 슈퍼 커패시터는 화학반응이 아닌 전극 표면의 물리적 흡탈착으로 에너지를 저장하기 때문에 출력이 높고 충방전 속도가 빠르다. 그러나 에너지 밀도가 낮아 활용하는 데 어려움이 있었다. 

 

박호석 교수 연구팀은 포스포린을 활용한 고효율, 고출력, 고안정성 슈퍼커패시터 소재를 개발하는 데 성공했다. 인(P)에 고온고압을 가하면 흑린이 되는데 이 흑린 표면을 원자 한층 두께로 떼어낸 2차원 물질이 포스포린이다. 포스포린은 상용 흑연보다 전기용량이 7배나 높지만 전기전도도가 낮아 고용량 발현이 어렵고 충방전 안정성이 떨어져 에너지 저장 소재로 활용하는 데 한계가 있었다. 

 

박 교수 연구팀은 포스포린이 기존 이차전지와 달리 표면에서 산화 환원반응을 보이는 물리화학적 특성에 주목하고 실시간 거동 관측 기술로 포스포린의 환원 메커니즘을 규명했다. 이를 통해 효율과 출력이 높고 안정적인 슈퍼커패시터 소재를 개발했다. 기존 분자 수준 표면제어로 해결하지 못했던 포스포린의 부피 팽창과 전도성 문제를 나노 구조화 및 화학적 표면제어 기술로 해결한 것이다. 

박호석 성균관대 교수 연구팀이 실험실에서 연구에 집중하고 있다. 과기정통부 제공.
박호석 성균관대 교수 연구팀이 실험실에서 연구에 집중하고 있다. 과기정통부 제공.

연구팀은 실제로 2차원 포스포린을 전극소재로 응용, 고속 충방전 시에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 확인했다. 이 소재는 또 5만회에 달하는 충방전 후에도 약 91%의 용량을 유지하는 안정성을 보였다. 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 게재됐다. 

 

박호석 교수는 “배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 슈퍼 커패시터 메커니즘을 규명하고 에너지 저장 소재로 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 있다”며 “고용량 에너지저장 신소재 개발 및 다양한 전기화학 시스템의 성능 개선에 활용 가능할 것으로 기대된다”고 수상 소감을 밝혔다.

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