2차원 반도체 포스포린의 에너지 저장 기작 규명 성균관대 박호석 교수, 에너지 저장장치로써의 가능성 입증 4차 산업혁명이 고도화되며 사물인터넷, 인공지능컴퓨터, 웨어러블 전자기기 등 첨단 기기의 성능향상을 이끌 고효율 에너지저장 소재 개발이 세계적인 화두다. 8월의 과학기술인상 주인공 박호석 교수는 이차전지의 보완재로 주목받는 에너지 저장장치 슈퍼커패시터의 한계를 극복하고 새로운 에너지 소재 연구의 길을 개척한 젊은 과학자다.2차원 나노소재를 활용한 표면 전하저장 연구를 기반으로 새로운 에너지 소재 개발에 매진해 온 박호석 교수는 평소 연구실 제자들에게 문제를 대하는 호기심과 문제를 해결하는 방법을 발견할 수 있는 논리적 사고능력과 기초역량의 중요성을 강조한다. 스마트폰과 인터넷을 통해 누구나 쉽게 정답을 찾을 수 있는 시대이지만, 인류가 해결하지 못 한 난제를 풀기 위해서는 연구자의 창의성과 도전정신, 그리고 기초역량이 요구된다는 설명이다. 뚜렷한 연구관으로 2차원 나노소재 연구 분야를 개척하고, 독창적인 연구에 도전하고 있는 박호석 교수의 이야기를 소개한다. 꿈의 신소재라는 2차원 반도체 포스포린(phosporene)의 에너지 저장 기작이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.과기정통부와 연구재단은 성균관대 박호석 교수가 꿈의 신소재라는 2차원 반도체 포스포린의 에너지 저장 기작(mechanism)을 밝히고 에너지 저장장치로써의 가능성을 입증한 공로를 높게 평가했다.8월은 2003년 우리나라 역대 최대전력소비를 기록한 날을 계기로 에너지의 날(8월 22일)이 제정될 만큼 에너지 소비가 많은 달이다. 친환경 신재생 에너지 개발이 절실한 가운데 새로운 에너지 저장기작을 밝힌 박호석 교수가 ‘이달의 과학 기술인상’을 수상한 것은 그래서 의미가 남다르다.고용량 에너지 저장 신소재와 관련해 화학반응이 아닌 전극표면의 물리적 흡·탈착으로 에너지를 저장하는 슈퍼 커패시터가 높은 출력과 빠른 충‧방전 속도 때문에 주목받지만, 에너지 밀도가 낮아 활용에 어려움이 있었다.특히 포스포린은 상용 흑연보다 전기용량이 7배나 높지만 전기전도도가 낮아 고용량 발현이 어렵고 충전·방전 안정성이 떨어져 에너지 저장 소재로 활용하는 데 한계가 있었다.박호석 교수 연구팀은 포스포린이 기존 이차전지와 달리 표면에서 산화·환원반응을 보이는 물리·화학적 특성에 주목하고 실시간 거동관측 기술로 포스포린의 환원 기작을 규명, 포스포린을 활용한 고효율·고출력·고안정성 슈퍼커패시터 소재를 개발했다.기존 분자 수준의 표면제어로는 달성하지 못했던 포스포린의 부피팽창과 낮은 전도성 문제를 나노 구조화 및 화학적 표면제어 기술로 해결한 것이다.연구팀은 실제 2차원 포스포린을 전극소재로 응용, 이론 용량의 92%를 사용해 상용 활성탄 대비 4배에 달하는 용량을 구현했다.개발된 소재는 고속 충·방전 시에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 보였으며, 5만 회에 달하는 장기 충·방전 후에도 약 91%의 용량을 유지하는 안정성을 나타냈다. 관련 성과는 재료분야 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 2019년 2월 게재됐다.박호석 교수는 “배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 슈퍼 커패시터 메커니즘을 규명하고, 고효율·고출력·고안정성을 보여준 점에서 의미가 있다”며 “향후 포스포린의 에너지밀도 한계가 극복되면 고용량 에너지저장 신소재 개발 및 다양한 전기화학 시스템의 성능개선에 활용 가능할 것으로 기대하고 있다”라고 소감을 밝혔다.

2차원 반도체 포스포린의 에너지 저장 기작 규명

성균관대 박호석 교수, 에너지 저장장치로써의 가능성 입증

기사입력 2019-08-08 12:31:16

[산업일보]

4차 산업혁명이 고도화되며 사물인터넷, 인공지능컴퓨터, 웨어러블 전자기기 등 첨단 기기의 성능향상을 이끌 고효율 에너지저장 소재 개발이 세계적인 화두다. 8월의 과학기술인상 주인공 박호석 교수는 이차전지의 보완재로 주목받는 에너지 저장장치 슈퍼커패시터의 한계를 극복하고 새로운 에너지 소재 연구의 길을 개척한 젊은 과학자다.

2차원 나노소재를 활용한 표면 전하저장 연구를 기반으로 새로운 에너지 소재 개발에 매진해 온 박호석 교수는 평소 연구실 제자들에게 문제를 대하는 호기심과 문제를 해결하는 방법을 발견할 수 있는 논리적 사고능력과 기초역량의 중요성을 강조한다.

스마트폰과 인터넷을 통해 누구나 쉽게 정답을 찾을 수 있는 시대이지만, 인류가 해결하지 못 한 난제를 풀기 위해서는 연구자의 창의성과 도전정신, 그리고 기초역량이 요구된다는 설명이다. 뚜렷한 연구관으로 2차원 나노소재 연구 분야를 개척하고, 독창적인 연구에 도전하고 있는 박호석 교수의 이야기를 소개한다.

(上) 차원 포스포린/그래핀 복합체 구조 및 안정성 (下) 포스포린/그래핀 복합체의 표면레독스 반응 모식도 및 분광학 결과

꿈의 신소재라는 2차원 반도체 포스포린(phosporene)의 에너지 저장 기작이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

과기정통부와 연구재단은 성균관대 박호석 교수가 꿈의 신소재라는 2차원 반도체 포스포린의 에너지 저장 기작(mechanism)을 밝히고 에너지 저장장치로써의 가능성을 입증한 공로를 높게 평가했다.

8월은 2003년 우리나라 역대 최대전력소비를 기록한 날을 계기로 에너지의 날(8월 22일)이 제정될 만큼 에너지 소비가 많은 달이다. 친환경 신재생 에너지 개발이 절실한 가운데 새로운 에너지 저장기작을 밝힌 박호석 교수가 ‘이달의 과학 기술인상’을 수상한 것은 그래서 의미가 남다르다.

고용량 에너지 저장 신소재와 관련해 화학반응이 아닌 전극표면의 물리적 흡·탈착으로 에너지를 저장하는 슈퍼 커패시터가 높은 출력과 빠른 충‧방전 속도 때문에 주목받지만, 에너지 밀도가 낮아 활용에 어려움이 있었다.

특히 포스포린은 상용 흑연보다 전기용량이 7배나 높지만 전기전도도가 낮아 고용량 발현이 어렵고 충전·방전 안정성이 떨어져 에너지 저장 소재로 활용하는 데 한계가 있었다.

박호석 교수 연구팀은 포스포린이 기존 이차전지와 달리 표면에서 산화·환원반응을 보이는 물리·화학적 특성에 주목하고 실시간 거동관측 기술로 포스포린의 환원 기작을 규명, 포스포린을 활용한 고효율·고출력·고안정성 슈퍼커패시터 소재를 개발했다.

기존 분자 수준의 표면제어로는 달성하지 못했던 포스포린의 부피팽창과 낮은 전도성 문제를 나노 구조화 및 화학적 표면제어 기술로 해결한 것이다.

연구팀은 실제 2차원 포스포린을 전극소재로 응용, 이론 용량의 92%를 사용해 상용 활성탄 대비 4배에 달하는 용량을 구현했다.

개발된 소재는 고속 충·방전 시에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 보였으며, 5만 회에 달하는 장기 충·방전 후에도 약 91%의 용량을 유지하는 안정성을 나타냈다. 관련 성과는 재료분야 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 2019년 2월 게재됐다.

박호석 교수는 “배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 슈퍼 커패시터 메커니즘을 규명하고, 고효율·고출력·고안정성을 보여준 점에서 의미가 있다”며 “향후 포스포린의 에너지밀도 한계가 극복되면 고용량 에너지저장 신소재 개발 및 다양한 전기화학 시스템의 성능개선에 활용 가능할 것으로 기대하고 있다”라고 소감을 밝혔다.

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김예리 기자 yrkim@kidd.co.kr

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