▲ A)나노크기의 금속유기구조체와 그래핀 하이브리드 소재 기반 슈퍼커패시터, B)100nm 수준의 팔면체의 균일한 크기를 가지는 금속유기결정체 nMOF-867(左)를 그래핀으로 감싸 유기골격체내에 존재하는 각 단위체에 존재하는 질소와 슈퍼커패시터내의 이온과의 상호작용으로 인해 기존의 탄소 및 그래핀 기반의 슈퍼커패시터에 비해 월등히 높은 에너지 저장 능력을 보여주고 있다..

국내 연구팀이 기존 상용화된 소재보다 6.5배 에너지 저장 성능 향상을 가진 차세대 소재로 슈퍼커패시터를 개발했다.

하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단(단장 김광호)의 강정구 교수팀(KAIST)과 최경민 박사(KAIST) 연구진이 나노크기 금속유기구조체와 그래핀의 두 소재를 이용해 슈퍼커패시터를 제작하는데 성공했다.

하이브리드 인터페이스는 서로 다른 두 물질의 경계면에서 상호작용으로 인해 기존에 없던 새로운 기능이 창출되는 것으로 이번 소재는 금속유기구조체와 그래핀으로 고용량·고출력의 슈퍼커패시터를 만든 것이다.

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.

연구팀은 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 분석했다.

이를 바탕으로 최적의 구조를 가지는 금속유기 구조체를 설계·합성해 기존 상용화된 탄소물질의 6.5배에 이르는 성능을 가지면서 긴 수명(1만번 이상 사이클)의 장점은 그대로 가지는 에너지 저장소재를 개발하는데 성공했다.

물질을 표면적이 높은 다공성 물질로 가공해 저장 가능한 에너지를 높인 것으로 물질의 디자인을 통하여 고용량 고출력의 전지저장장치를 만들 수 있음을 세계에 보여줬다.

향후 초다공성 금속유기구조체를 사용해 미래용 전기자동차 및 모바일 디바이스 등 초고용량의 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도 및 영구적 수명을 가지는 모든 분야에 응용가능하다.

연구진은 “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.

이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행됐으며, 연구결과는 재료과학분야의 세계적인 학술지인 ‘ACS Nano’紙 7월6일 온라인판에 게재됐다.