기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 연구진이 대용량 에너지 저장 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 자성과 전도성을 동시에 지닌 신소재를 개발했다.

▲ 디스크 형태로 제작한 신소재(NiTAA-MOF, 왼쪽)를 고분해능 투과전자현미경으로 촬영한 모습(오른쪽).

태양광·풍력 등 재생에너지가 각광받으면서 이를 저장하고 높은 출력을 내는 에너지 저장장치에 대한 요구도 함께 커지고 있다. 금속유기구조체(MOF)는 이런 저장장치용 전극 소재로 주목받는다. 다공성 소재인 MOF를 전극으로 사용할 경우 넓은 표면적에서 산화-환원 반응이 활발히 일어나고, 이 덕분에 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문이다.

하지만 아직까지 MOF의 구조적 변화가 전도적 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서는 명확히 밝혀진 바가 없다. IBS 연구진은 MOF의 성능을 높일 ‘히든카드’가 무엇인지 찾아내기 위한 연구를 진행했다.

▲ 연구진이 개발한 새로운 금속유기구조체(NiTAA-MOF)의 분자구조

덩어리(벌크) 상태에서 전기가 통하지 않는 새로운 금속유기구조체인 NiTAA-MOF를 합성하고, 여기에 전도성을 부여할 수 있는 방안을 고민했다. 그 결과 요오드 증기를 이용해 NiTAA-MOF를 화학적으로 산화시켰을 때 300K(26.85℃)의 온도에서 0.01S/㎠의 전기전도도를 나타냄을 확인했다. 이는 별도의 전도체를 첨가할 필요 없이 전극으로 사용하기에 충분한 전기전도도다.

공동 교신저자인 유정우 UNIST 신소재공학부 교수는 “요오드 이온을 도핑함으로서 산화반응이 일어나고, 부도체였던 2차원 MOF에 전기 전도성이 유도된다는 것을 보여준 것”이라며 “더 나아가 MOF의 스핀 농도를 증가시켜 자성을 구현할 수 있음도 확인했다”고 설명했다.

로드니 루오프 단장은 “2차원 MOF의 구조와 전기적 특성 간의 관계에 대한 근본적인 이해를 제시한 것”이라며 “합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐만 아니라 촉매, 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구결과는 화학분야 권위지인 ‘미국화학회지(JACS)’10월 14일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬