2차원 반도체 포스포린 에너지 저장 기작 규명

이달의 과학기술인상 8월 수상자로 성균관대 화학공학/고분자공학부 박호석 교수가 선정됐다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 박 교수가 꿈의 신소재라는 2차원 반도체 포스포린의 에너지 저장 기작(mechanism)을 밝히고 에너지 저장장치로서의 가능성을 입증한 공로를 높이 평가해 수상자로 선정했다고 밝혔다.

포스포린(phosporene)은 인(P)에 고온고압을 가하면 흑린이 되며, 흑린 표면을 원자 한층 두께로 떼어낸 2차원 물질을 말한다. 밴드 갭(에너지 준위 차)이 있어 전류를 제어하기 쉽다.

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

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. 슈퍼 커패시터는 고출력 에너지 방출과 저장에 사용되는 일종의 충전지다.

2차원 포스포린/그래핀 복합체 구조 및 안정성. (a)표면 산화제어 및 하이브리드화를 통해 2차원 포스포린/그래핀 복합체가 조립되고, 3가지 산화된 인 관능기(O-P=O, C-O-P=O, C-P=O)가 존재한다. (b)2차원 포스포린/그래핀 복합체는 최대 478F/g 방전용량을 보이며, 고속 전류밀도 50A/g에서도 충전 대비 방전용량이 96% 유지됐다. 또 5만회의 장기 충방전 후에도 약 91%의 높은 안정성을 유지했다.

박 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.

박호석 교수.

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.

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

관련 연구 성과는 재료분야 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 2019년 2월 게재됐다.