4차 산업혁명 시대 전기자동차, 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI) 컴퓨터, 웨어러블 전자기기, 신재생에너지 등의 성능 향상을 위한 고효율 에너지 저장 소재 개발이 화두다. 전극 표면의 물리적 흡·탈착 반응으로 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터가 높은 출력과 빠른 충·방전 속도로 이차전지 보완재로 주목되나 에너지 밀도가 낮은 점이 한계로 지적된다.

이런 상황에서 국내 연구진이 2차원 반도체로 ‘꿈의 신소재’라 불리는 포스포린(phosphorene)을 나노 구조화하고 화학적으로 표면을 제어해 에너지 저장장치로서 가능성을 입증했다. 슈퍼커패시터의 에너지 밀도 한계를 극복하고 배터리 소재의 안정성 문제를 해결할 단초를 만든 것이다.


과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단·서울경제신문이 공동주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 8월 수상자인 박호석(42) 성균관대 화학공학·고분자공학부 교수는 상용 흑연보다 전기 용량이 7배나 큰 2차원 나노 물질인 포스포린이 기존 이차전지와 달리 표면에서 환원반응을 보이는 특성에 주목했다. 포스포린은 인(P)에 고온고압을 가하면 흑린(black phosphorus)이 되는데 흑린 표면을 원자 한층 두께로 떼어내면 된다. 밴드 갭(에너지 준위 차)이 있어 전류를 제어하기 쉬워 그래핀을 대체할 신소재로 평가받지만 전기 전도도가 낮아 고용량 발현이 어렵고 충·방전 안정성이 떨어진다.


이에 박 교수팀은 실시간 거동 관측 기술로 2차원 나노 구조 포스포린의 환원 메커니즘 규명에 성공했다. 포스포린의 부피 팽창과 낮은 전도성 문제를 나노 구조화와 화학적 표면제어 기술로 해결, 고효율·고출력·고안정성 슈퍼커패시터 소재 개발의 길을 텄다.

박 교수는 “2차원 포스포린을 전극 소재로 응용, 이론 용량의 92%를 사용해 상용 활성탄 대비 4배에 달하는 용량을 구현했다”고 설명했다. 이 소재는 고속 충·방전 시에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 보였다. 5만회가량 충·방전한 뒤에도 약 91%의 용량을 유지했다. 이 연구는 네이처 머티리얼스에 지난 2월 게재됐다. 그는 “배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 슈퍼커패시터 메커니즘을 규명하고 고효율·고출력·고안정성을 보여줬다”고 의미를 부여했다.
/고광본선임기자 kbgo@sedaily.com