UNIST(총장 정무영)는 이준희 에너지 및 화학공학부 교수와 박수진 POSTECH 교수 공동연구팀이 '황이 도핑(Doping)된 실리콘 합성 기술'을 개발했다고 3일 밝혔다.

실리콘은 전기차 등에 사용되는 리튬 이온 배터리의 음극 소재 후보로 꼽힌다. 현재 음극 소재로는 흑연이 쓰이는데, 이론적으로 용량에 한계가 있어 과학자들은 대체 소재를 찾고 있다. 그러나 실리콘에도 낮은 전기 전도도, 충·방전 시 부피 변화로 인한 파열 등 문제점이 있다. 

연구팀은 실리콘의 단점을 '1% 도핑법'으로 해결했다. 도핑이란 물질에 불순물을 첨가하는 공정으로, 주로 반도체 공정에서 전기적 특성을 높이기 위해 사용된다. 

연구팀이 저온에서 대량 실리콘 입자에 황을 도핑한 결과, 실리콘이 '반금속' 성질을 나타냈다. 반금속은 비금속과 금속의 중간 성질을 가지는 물질로 비금속보다 전기를 잘 통한다.

1% 도핑 방식으로 합성된 반금속 실리콘은 탄소 없이도 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다. 실리콘의 전도도를 개선하기 위해 탄소를 섞을 필요가 없어졌다.

공동 제1저자 류재건 POSTECH 박사는 "실리콘에 황 같은 칼코겐 원소가 도핑되면 부도체-금속 전이가 일어나 금속 성질을 보이는데 반도체 분야에서는 이온 주입법을 이용해 칼코겐 원소를 실리콘 기판에 도핑함으로써 광전자적 특성을 개선하고 있다"며 "기존 공정은 복잡하고 불안정성이 높아 대량 생산에 적합하지 않았는데 이번 연구로 손쉽게 반금속 실리콘을 만들게 됐다"고 설명했다.
연구진은 금속할로젠화물 촉매로 이산화규소(SiO₂)와 마그네슘 설페이트(MgSO₄)를 환원시켜 원자 단위의 '실리콘·황 화합물'을 만들었다. 이 물질들이 무작위로 뒤섞이면서 황이 균일하게 도핑된 실리콘 입자가 생성된다. 연구팀은 반응 시작부터 황을 도입하는 방식을 써서 실리콘 입자에 균일하게 황을 도핑하는 데 성공했다.

이 기술로 만든 반금속 실리콘은 내부에 황 사슬도 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데도 기여한다. 실리콘과 황 원자, 또 황 사슬이 치환되면서 전기 전도도와 리튬 이온 확산 속도가 모두 높아졌다.