기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 연구진은 울산과학기술원(UNIST)과의 공동연구를 통해 슈퍼커패시터용 전극물질로 각광받는 금속유기구조체(MOF)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 메커니즘을 규명하고, 자성과 전도성을 동시에 지닌 새로운 소재(NiTAA-MOF)를 개발했다고 31일 밝혔다.
금속유기구조체는 금속과 탄소 물질(유기물)이 결합해 이룬 다공성 소재다. 이를 전극으로 사용할 경우 넓은 표면적에서 산화-환원 반응을 활발히 일어나기 때문에 높은 에너지 저장능력 및 성능을 갖는 에너지 소자를 만들기 유리하다. 하지만 금속유기구조체의 어떤 구조적·화학적 변화가 전기 전도성에 영향을 미치는지에 대해서는 아직까지 명확히 밝혀진 바 없다.
연구진의 벌크형태의 금속유기구조체를 화학적으로 산화 시켜 전기전도성을 갖게 하고, 전기전도도 향상의 원인이 리간드 산화임을 규명했다.
금속유기구조체의 전기전도성을 높일 방안을 찾아내기 위해 연구진은 우선 거대한 고리 형태의 새로운 금속유기구조체를 설계했다. 니켈(Ⅱ)테트라[14]아자아눌렌-금속유기구조체(NiTAA-MOF)는 니켈 원자 주변에 4개의 질소 원자가 결합한 MN4(M=금속, N=질소) 유형의 기본 구조를 갖는다. NiTAA는 전기전도성을 가진 물질로 촉매, 트랜지스터, 염료감응태양전지 등에 사용되지만, 금속유기구조체의 연결체로 사용된 적은 없다.
연구진이 설계한 덩어리 형태의 NiTAA-MOF는 기본적으로 전기가 통하지 않는 상태이다. 하지만 요오드 증기를 이용해 80도의 온도에서 열처리를 진행하며 NiTAA-MOF를 화학적으로 산화시키면 전기전도도를 나타낸다. 이는 별도의 전도체를 첨가할 필요 없이 전극으로 사용하기에 충분히 높은 전기전도도다.
유정우 UNIST 신소재공학부 교수는 “리간드 산화에 의해서 부도체였던 2차원 금속유기구조체에 전기 전도성이 유도된다는 것을 보여준 것”이라며 “더 나아가 리간드 산화에 따라 금속유기구조체의 스핀 농도를 증가시켜 자성을 구현할 수 있음도 확인했다”고 설명했다.
로드니 루오프 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 은 “2차원 금속유기구조체의 구조와 전기적 특성 간의 관계에 대한 근본적인 이해를 제시한 것으로, 새로운 전기전도성 금속유기구조체를 개발할 수 있는 길을 제시했다”며 “합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐만 아니라 촉매, 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
/울산=장지승기자 jjs@sedaily.com