미래창조과학부와 한국연구재단은 건국대 화학공학과 강윤찬 교수 연구팀이 가정용 가습기 40대를 조합해 자체제작한 대용량 물방울 발생장치를 이용해 몇초 만에 노른자-껍질 구조의 소재를 합성할 수 있는 공정을 개발하는데 성공했다고 24일 밝혔다. 수일 걸리던 공정을 몇초 이내로 단축해 리튬이차전지 등에 활용할 수 있는 노른자-껍질 구조 소재의 대량합성이 가능해질 것으로 보인다.

'노른자-껍질(yolk-shell 혹은 ball-in ball) 구조'는 구형의 구 안에 움직일 수 있는 작은 구가 들어있는 구조. 리튬이차전지, 연료전지, 약물전달, 촉매, 센서 등의 다양한 분야에 응용이 가능해 최근 많은 주목을 받고 있으며 대량생산 공정을 위한 연구도 활발하다. 하지만 노른자-껍질 구조를 만들기 위해 기능성분말 표면을 지지체로 코팅한 후 다시 기능성 재료를 덧씌운 다음 지지체를 제거하는 일련의 과정을 반복해야 해 최소 수일이 걸리고 소량만 합성할 수 있어 실용화에 한계가 있다.

연구팀은 가정용 가습기 40대를 조합해 자체 제작한 대용량 물방울 발생장치를 이용해 단 몇초 만에 노른자-껍질 구조의 소재를 합성할 수 있는 공정을 개발했다. 또 이렇게 합성된 노른자-껍질 구조 소재의 리튬이차전지용 음극소재로서의 고속 충방전 특성도 확인했다. 노른자-껍질 구조가 전해액과 전극 간의 접촉 면적을 극대화해 고속 충방전 특성을 향상시킬 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

▲노른자-껍질 구조. ⓒ2013 HelloDD.com

강 교수는 "노른자-껍질 구조의 신소재를 대량 합성할 수 있는 차별화된 공정기술을 확보한 것"이라며 "차세대 리튬이차전지 개발 뿐 아니라 귀금속 등이 첨가된 넓은 표면적의 노른자-껍질 구조를 활용해 촉매, 센서, 연료전지, 약물전달 등의 분야에 폭넓게 적용될 수 있다"고 밝혔다. 한편 강 교수와 홍영준 박사과정생, 손문영 석사과정생 등이 수행한 이번 연구결과는 '첨단재료(Advanced Materials)' 최신호에 게재됐다.

▲노른자-껍질 구조 소재 개발에 참여한 연구진들. 왼쪽부터 손문영 석사과정, 강윤찬 교수, 홍영준 박사과 정 연구원. ⓒ2013 HelloDD.com