경북대 신소재공학부 석사과정 이주현씨.

경북대 신소재공학부 이지훈 교수.

경북대 석사과정생이 학부생 시절 제1저자로 쓴 논문이 JCR 상위 2% 국제학술지에 게재됐다.

경북대 신소재공학부 석사과정생 이주현 씨(지도교수 이지훈)는 차세대 이차전지 양극 소재인 프러시안 블루 유사체가 리튬이온전지 충·방전 과정에서 겪는 특이한 상변화 현상을 발견하고 그 메커니즘을 규명했다. 연구결과는 JCR 기준 상위 2.03%인 응용화학 분야 국제학술지 '에너지 화학 저널(Journal of Energy Chemistry)'에 2월 26일 온라인판에 게재됐다

공침법을 통해 쉽게 대량 생산이 가능한 프러시안 블루 유사체는 리튬 이온의 확산 경로가 잘 발달되어 출력 특성이 우수하다. 이로 인해 대용량 에너지저장장치나 전기자동차용 대형전지 등에 사용할 수 있는 양극 소재로 각광받고 있다.
하지만 충·방전하는 과정에서 생기는 소재의 부피 변화 및 상변화 메커니즘에 대한 이해가 부족해 양극 소재로 활용 범위를 넓히는 데는 기초 연구가 부족한 실정이다.

일반적으로 리튬이온전지 양극소재는 리튬 이온의 탈·삽입을 통해 충·방전이 일어난다. 특히, 방전 과정에서 리튬 이온이 소재 안으로 삽입되며 부피가 팽창하는 경향이 있다.

경북 포항 가속기연구소에서 실시한 실시간 X선 분석 결과, 경북대 연구팀은 이와 같은 일반적인 현상과 다르게 특정 프러시안 블루 유사체는 방전 과정에서 부피가 오히려 감소하는 것을 발견했다. 이는 프러시안 블루 유사체를 구성하는 전이금속 이온과 시안기 사이의 파이 전자 역결합(π-backdonation)이 강화되어 격자를 수축시키기 때문이라고 연구팀은 풀이했다.

이번 논문의 교신저자이자 지도교수인 경북대 신소재공학부 이지훈 교수는 "이 연구는 프러시안 블루 유사체뿐만 아니라 다양한 금속-유기 소재, 폴리-음이온성 소재들에 적용 가능한 디자인 원리를 제시한다는 점에서 기초 연구로서 큰 의미가 있다. 또 학부생들이 학부 과정에서 배우는 내용들을 바탕으로 직접 실험하고 결론을 도출해 SCI급 논문에 연구 성과를 게재할 수 있었다는 점에서 공학 교육적으로도 매우 우수한 성과라고 생각한다"라고 설명했다.

이주현 씨는 지난 2월 18일 경북대 신소재공학부 전자재료공학전공을 졸업하고 3월 대학원 신소재공학부 석사과정에 진학했다.

?프러시안 블루 유사체=탄소로 둘러쌓인 전이금속 팔면체와 질소로 둘러쌓인 전이금속 팔면체가 서로 번갈아가며 정육면체의 형태로 단위포(Unit cell)를 갖는 금속-유기 골격체의 일종이다. 전이금속의 종류와 산화수에 따라 독특한 색상을 지녀 염료(Dye)로 많이 활용된 소재이다. 전이금속 모두 철로 이뤄진 경우 프러시안 블루라고 하고, 전이금속이 철 이외의 다른 성분이 있는 경우 프러시안 블루 유사체로 부른다. 전이금속의 산화수에 따라 프러시안 화이트, 프러시안 블루, 베를린 그린 상(Phase)으로 구분할 수 있으나, 프러시안 블루 유사체로 총칭하는 것이 보편적이다.

?방사광 가속기= 고전압으로 강하게 가속시킨 전자가 감속하는 과정에서 방출되는 X선을 활용해 다양한 분석을 할 수 있는 연구시설을 의미한다. 국내에는 포항가속기 연구소(Pohang Accelerating Laboratory)의 3세대 포항 방사광 가속기(Pohang Light Source-II; PLS-II)가 있어, 다양한 기초과학 및 응용공학 연구를 수행하고 있다.

?실시간 X선 회절 분석= X선 회절 분석은 결정질 재료에 X선을 조사해 재료 안에 존재하는 원자들의 3차원적인 배열을 결정학적으로 이해하는 분석 기법이다. 실시간 X선 회절 분석은 방사광 가속기의 고선속 X선을 활용해 이차전지 구동을 하며 소재의 X선 회절 패턴을 얻는 연구 기법을 뜻한다. 실제 구동 과정에서 얻는 회절 패턴은 이차전지 충·방전 과정에서 생기는 구조 변화를 더욱 자세하게 파악할 수 있어 매우 중요한 연구 결과를 얻을 수 있다.


박종문기자 kpjm@yeongnam.com

박종문

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