포스포린, 차세대 E 저장 장치 소재 주목
포스포린, 차세대 E 저장 장치 소재 주목
  • 문현식
  • 승인 2018.12.12 08:40
  • 조회수 4004
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국내 연구진이 '포스포린(phosphorene)'의 새로운 에너지 저장 메커니즘을 규명했다고 합니다. 이 원리를 응용하면 향후 에너지 저장 장치로 활용할 가능성도 높다고 하네요.

 

포스포린은 흑린(black phosporus)의 일종입니다. 흑린은 검은색 인(P)이 2차원으로 결합돼 있는 물질인데, 그래핀처럼 두께는 0.2~1㎚로 얇으며 겉보기에 검은색을 띠고 있죠. 흑린은 일반적으로 사용하는 흑연에 비해 7배 정도의 전기용량을 가지고 있는데다 2차원 포스포린 나노 구조로 제조하면 특이한 물리적 성질을 보이는 신소재입니다.

 

다만 한 가지 문제가 있는데요, 기존 고용량 배터리 소재와 마찬가지로 전기전도도가 낮아 충전·방전 안정성이 떨어지는 특성이 있습니다.

 

포스포린 복합체의 구조. 출처: 한국연구재단
포스포린 복합체의 구조. 출처: 한국연구재단

포스포린은 흑린의 일종이면서도 흑린의 문제점을 보완할 수 있는 물질입니다. 흑린을 원자 한 층 두께로 떼어내면 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준으로 얇아지는데 이것이 바로 포스포린입니다. 그래핀과 원자 배열은 비슷하지만, 에너지 준위에 차이가 있어 전류를 제어하기 쉽다는 특징이 있습니다. 때문에 '꿈의 신소재'라는 별칭으로 불리죠.

 

다만 아직 어떻게 포스포린이 에너지를 저장하는지 원리까지는 알려지지 않았는데요 박호석 성균관대 교수팀은 포스포린이 에너지를 저장하는 원리를 밝혀냈습니다. 구체적으로 연구팀은 포스포린의 산화 상태를 정밀하게 제어했습니다. 이 과정을 분광학과 이론적 계산으로 관찰한 결과 포스포린은 슈퍼커패시터(super capacitor)와 유사하게 움직였다고 합니다. 슈퍼커패시터는 주로 전극 표면에서 물리적, 혹은 표면 산화·환원 반응에 의해 에너지를 저장하는 장치입니다. 급속 충·방전이 가능하고 출력·수명이 길다는 장점이 있죠.

 

연구진은 또 이를 통해 기존 포스포린의 부피가 팽창하는 문제와 전도성이 낮은 문제도 해결했습니다. 고효율·고출력·고안정성의 포스포린 기반 에너지 저장 소재를 개발한 것이죠.

 

포스포린의 에너지저장 모식도와 분광학 결과. 출처: 한국연구재단
포스포린의 에너지저장 모식도와 분광학 결과. 출처: 한국연구재단

실제로 포스포린을 전극 소재로 이용하자 상용 활성탄보다 용량이 4배나 커졌다고 합니다. 또 고속 충·방전 시에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 보였고, 5만 회나 충·방전해도 약 91%의 용량을 유지했다고 합니다. 안정성까지 증명한 것이죠.

 

박호석 교수는 "배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 원리를 규명하고, 흑린이 달성할 수 없었던 고효율·고출력·고안정성을 보여줬다"며 "차세대 전자기기, 전기자동차, 신재생에너지 저장 분야에 응용할 수 있을 것"으로 기대했습니다.


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