국내 연구진이 가정용 초음파 가습기를 활용해 노른자-껍질 구조 신소재를 합성하는 새로운 공정기술을 개발해냈다. 수일 걸리던 공정을 수초 이내로 단축하여 리튬이차전지 등에 활용할 수 있는 노른자-껍질 구조 소재의 대량합성이 가능해질 전망이다. 건국대학교 화학공학과 강윤찬 교수와 박사과정 홍영준 학생 및 석사과정 손문영 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단(이사장 이승종)과 미래창조과학부(장관 최문기)가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원을 받았으며, 연구결과는 첨단재료지(Advanced Materials, 인용지수 13.877) 4월 24일자 속표지 논문 및 스몰지(Small, 인용지수 8.349)에도 게재되었다.
노른자-껍질 구조의 소재는 리튬이차전지, 촉매 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 대량생산 공정에 대한 연구가 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 있었다.
강윤찬 교수 연구팀은 가정용 가습기 40대를 조합해 자체제작한 대용량 물방울 발생장치를 이용하여 수 초 만에 노른자-껍질 구조의 소재를 합성할 수 있는 공정을 개발했다. 나아가 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 설명이다.
여러 겹의 속이 빈 구 형태를 만드는 핵심기술은 원하는 기능성 소재를 설탕과 함께 물에 녹여 가습기로 분무한 후 분무되는 미세물방울을 고온처리하는데 있다. 고온에서 설탕의 탄소성분이 숯으로 변하고 결국에는 숯이 타버리면서 기능성소재만 남게 되는 순간적인 점화와 소화 과정이 연쇄적으로 일어나면서 노른자-껍질 구조를 만들 수 있게 된다.
강 교수는 "노른자-껍질 구조의 신소재를 대량 합성 할 수 있는 차별화된 공정기술을 확보한 것으로 차세대 리튬이차전지 개발 뿐만 아니라 귀금속 등이 첨가된 넓은 표면적의 노른자-껍질 구조를 활용해 촉매, 센서, 연료전지, 약물전달 등의 분야에 폭넓게 적용될 수 있다"고 밝혔다.
