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초음파화학법을 통해 전도성 고분자가 나노 섬유의 결정면 사이에 삽입된 복합체를 합성하고, 이 복합체를 수계 아연 이온 전지와 암모니아 가스 센서 센싱 물질로 모두 사용하는 것을 나타내는 모식도. |
[대학저널 온종림 기자] 국내 연구진이 이차전지와 가스 센서에 모두 적용 가능한 나노섬유형 유·무기 복합소재를 개발했다.
경북대학교 최명식, 유지영 교수팀은 경기대와 차세대융합기술연구원과 공동연구로 고성능 수계 아연이온전지(Zinc ion battery, ZIB)와 반도체 저항식 가스 센서에 적용 가능한 새로운 나노섬유형 유·무기 복합소재(E-SVNF)를 개발했다.
차세대 이차전지로 주목받고 있는 수계 전해질 기반 아연이온전지는 기존 유기계 전해질 기반 리튬이온전지보다 폭발 위험이 적고 물을 전해질로 사용해 이온 전도도가 높아 빠른 충전이 가능하다. 하지만 아연이온전지 양극소재로 쓰이는 바나듐 산화물은 전기전도도가 낮고, 충방전 과정에서 결정구조 붕괴로 인해 수명이 짧다.
반도체 저항식 가스 센서는 높은 감응도, 빠른 감응속도, 대량 생산 가능성 등 많은 장점이 있으나, 섭씨 수백 도 내외의 고온에서 작동 가능해 히터에 의한 열 공급이 필수적이며, 타깃 유해가스를 선택적으로 검출하기 어려운 단점이 있다.
공동연구팀은 간단한 초음파화학법을 통해 기존 합성 과정이 복잡하다는 단점을 극복하고 수계 아연이온전지와 반도체 저항식 가스 센서에 동시 적용 가능한 복합소재를 개발했다. 연구팀은 초음파화학법으로 나노섬유형 금속산화물(sodium vanadate nanofiber, SVNF)의 결정층 내에 전도성 고분자(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT)가 삽입된 유·무기 복합소재(E-SVNF)를 합성하는 데 성공했다.
개발한 복합소재(E-SVNF)를 수계 아연이온전지 양극재 소재로 적용한 결과, 전류밀도 15A/g(완전충전 속도 약1분 이내)에서 192.13mAh/g의 용량을 달성했다. 또한, 3,000회의 충방전 이후에도 초기 용량의 83%를 유지하는 등 높은 율속 특성과 충방전 안정성을 확인했다. 이와 함께 복합소재(E-SVNF)를 센싱 물질로 적용한 가스 센서는 히터 없이도 상온에서 암모니아 가스에 대한 높은 반응성과 선택적 가스 검출 능력을 보여줬다.
교신저자인 최명식 교수는 “이번 연구를 통해 수계 아연이온전지와 상온 가스 센서에 모두 적용 가능한 다기능성 소재를 제시했다. 추후, 고성능 이차전지와 상온 가스 센서의 통합 시스템 구축을 통해 고성능 휴대용 가스 센서의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 경북대 최명식(나노신소재공학과)·유지영(에너지공학부) 교수와 경기대 박상윤 교수, 차세대융합기술연구원 이세훈·전옥성·유영준 박사, 경북대 한주연 박사과정생 등이 저자로 연구에 참여했다.
연구 결과는 다학제 공학 분야 1위 학술지인 ‘컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering) 저널’ 온라인 2월 15일자에 발표됐다. 오프라인은 4월호에 게재될 예정이다.
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