아주대학교는 내부에 다양한 크기의 구멍을 가진 ‘스펀지 구조’ 나노 다공성 소재에서 기공 크기를 독립적으로 제어할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다. 기공 구조를 정밀하게 설계할 수 있게 되면 차세대 배터리와 촉매, 수처리 필터 등 에너지·환경 분야 고성능 소재 개발에 활용될 것으로 기대된다.

15일 아주대에 따르면 이 대학 황종국 교수(화학공학과)와 이진우 한국과학기술원 교수, 진형민 충남대 교수 공동 연구팀은 고분자 블렌드의 상분리 현상을 활용해 나노 다공성 소재의 거대기공과 메조기공을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 합성 전략을 개발했다.

다공성 소재는 물질을 저장하거나 이동시키는 데 유리한 구조로, 기공의 크기와 연결 방식에 따라 물질 이동 속도와 반응 효율이 크게 달라진다. 일상에서는 활성탄이나 실리카겔 등이 대표적인 사례다.

특히 나노 소재 영역에서는 기공 크기가 성능을 좌우한다. 50나노미터 이상 거대기공은 물질 이동 통로 역할을 하고, 2~50나노미터 메조기공은 반응이 일어나는 활성 표면을 제공한다. 두 구조를 동시에 정밀하게 설계하는 것이 핵심이지만 기존 기술은 공정이 복잡하고 기공을 개별적으로 조절하기 어려운 한계가 있었다.

연구팀은 서로 다른 고분자를 혼합한 이성분계 고분자 블렌드의 자기조립 현상에 주목했다. 이를 무기 소재 합성 과정과 결합해 기공 크기와 화학 조성을 비교적 단순한 공정으로 제어할 수 있는 합성 기술을 구현했다.

또 이 기술로 제조한 탄소 소재를 포타슘이온전지 음극에 적용한 결과, 높은 에너지 저장 용량과 안정성을 동시에 확보한 것으로 나타났다. 이는 기공 구조를 독립적으로 설계해 이온 이동 경로와 반응 면적을 최적화한 결과로 분석된다.

황종국 교수는 “서로 다른 크기의 기공을 독립적으로 설계할 수 있는 새로운 합성 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “나트륨이온전지를 비롯한 전기화학 촉매와 수처리 필터 등 다양한 분야에 적용될 수 있다”고 말했다.

연구 성과는 화학공학 분야 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 4월호에 게재됐다. 연구에는 박종윤 아주대학교 석박사 통합과정생이 제1저자로 참여했다. 이번 연구는 교육부 G-LAMP 사업과 한국전력공사 전력연구원 지원을 받아 수행됐다.