□ 국내 연구팀이 “기존 상용화된 에너지 저장 소재보다 6.5배 성능 향상을 가지면서도 긴 수명(10,000 이상 사이클)을 가지는 새로운 차세대 에너지 저장 소재”를 개발하였다.

○ 이번 연구는 기존에 불가능하게 여겨졌던 금속유기물질을 이용하여 세계 최초로 슈퍼커패시터* 개발에 성공한 사례로써, 금속유기물질이 가진 기능적 다양성을 전기 에너지 저장 물질에 적용하여 더욱 향상된 성능을 가지는 전기에너지 저장장치 개발의 새로운 길을 열었다.

* 슈퍼커패시터 (Supercapacitor): 고용량 커패시터, 콘덴서 또는 전해액 커패시터에 비해 월등히 많은 용량을 가지는 에너지저장 디바이스를 나타내는 용어로 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 차세대 에너지 저장 장치로 각광받고 있다.

○ 향후 다양한 구조의 금속유기물질 개발과 전기저장 원리 구명을 통해 높은 에너지 밀도, 빠른 충방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 전기 저장장치를 개발할 수 있을 것으로 예상된다.

□ 이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 글로벌프론티어사업의 ‘하이브리드인터페이스기반미래소재연구단’(단장 김광호)의 강정구 교수팀(KAIST)과 최경민 박사(KAIST) 연구진 등이 공동협력연구를 통해 수행하였으며,이번 연구결과는 재료과학분야의 세계적인 학술지인 ‘ACS Nano’紙 7월 6일(일) 온라인판에 게재되었다. (논문명: Supercapacitors of Nanocrystalline Metal-Organic Frameworks)

□ 기존 전기에너지 저장장치(슈퍼커패시터)는 빠른 충방전 속도와 긴 수명에도 불구하고 전기를 저장할 수 있는 양이 상대적으로 적어 독립적인 에너지 저장장치로 쓰이는 데는 한계가 있었다.

○ 이러한 단점을 극복하기 위하여 탄소나 금속산화물 물질을 표면적이 높은 다공성 물질로 가공하여 저장 가능한 에너지를 높이려는 시도가 계속 되어 왔다.

□ 연구팀은 금속유기구조체를 나노크기로 제작하여 그래핀과 함께 하이브리드 인터페이스(서로 다른 두 물질의 경계면에서 상호작용으로 인해 기존에 없던 새로운 기능 창출) 소재를 구현하여 나노 금속유기구조체를 활용한 고용량·고출력의 슈퍼커패시터 제작에 성공하였다.

○ 24 종류의 금속유기구조체를 유기기능기, 금속작용기, 결정크기 및 기공 크기 등에 따라 각각 다르게 설계하고 각각의 물리 및 화학적 요소가 에너지 밀도와 출력특성, 그리고 사이클 특성의 성능에 미치는 영향을 분석하였다.

○ 이러한 분석을 바탕으로 최적의 구조를 가지는 금속유기 구조체를 설계·합성하여 기존의 상용화가 되고 있는 탄소물질의 6.5배에 이르는 성능을 가지면서 긴 수명(1만번 이상 사이클)의 장점은 그대로 가지는 에너지 저장소재를 개발하는데 성공하였다.

□ 연구진은 “이번 성과는 고용량의 에너지 재료로서 기대되어져 왔지만 응용이 제한되었던 초다공성 금속유기물질을 사용하여 고용량의 에너지 저장장치를 만든 첫 번째 선례로써, 향후 다양한 기능성을 가지는 새로운 금속유기물질 소재의 디자인을 통해서 초고용량 에너지 밀도와 빠른 충·방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 새로운 원천소재 개발 및 사용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의의를 밝혔다.

[붙임] 연구결과 개요, 연구결과 문답, 그림설명 및 연구자 이력사항

“이 자료는 미래창조과학부의 보도자료를 전재하여 제공함을 알려드립니다.”