정보전자신소재공학과 정선호 교수 연구팀이 범용 소재인 이산화 규소 내부에 기공 구조를 합성해 물성을 부여했다. 발현된 물성은 첨단 산업에 활용할 수 있다.

정보전자신소재공학과 정선호 교수 연구팀, 이산화 규소 합성 기법 개발
범용 소재에 물성 부여해 첨단 산업이 요구하는 기능 발현시켜

차세대 배터리와 5세대 이동통신은 부품 소재의 한계로 성장에 어려움을 겪는 대표적인 산업이다. 차세대 배터리의 경우 음극재, 5세대 이동통신의 경우 기판의 성능 향상이 시급하다. 정보전자신소재공학과 정선호 교수 연구팀이 일상에서 쉽게 찾아볼 수 있는 이산화 규소(SiO2)에 물성을 부여해 5세대 이동통신, 차세대 배터리와 같은 첨단 산업 소재로 활용할 수 있는 방법을 제시했다.

이산화 규소에 미세기공 구조 합성해 차세대 이차전지, 5세대 이동통신 부품으로 활용
연구는 총 2건의 논문으로 국제 저명 학술지 <Small>(IF=15.153)와 <ACS Applied Materials & Interface>(IF=10.383)의 표지논문으로 선정됐다. 연구에 참여한 이영제 학생은 “합성 방법을 어떻게 변주하느냐에 따라 하나의 재료에 다양한 물성을 부여할 수 있다는 사실을 증명했다”며 연구 의의를 설명했다.

이산화 규소는 규소의 산화물로 유리나, 콘크리트의 주성분으로 일상에서 쉽게 찾아볼 수 있는 소재다. 또한 지구 지각 대부분을 차지하는 광물로 범용성이 매우 높다. 정선호 교수 연구팀은 범용성 높은 소재에 기공 구조를 합성해 물성을 부여했다. 정 교수는 “범용 물질도 첨단 소재로 활용될 수 있다는 점이 재료과학의 중요성”이라고 강조하며 “초고속 통신, 배터리 개발 모두 부품 소재에 기공 구조를 어떻게 포함하고 응용하느냐에 성패가 달려있다”고 설명했다.

이차전지 배터리 음극재는 흑연을 주요 소재로 활용한다. 하지만 흑연의 용량 한계로 인해 새로운 화합물 개발이 요구된다. 정 교수 연구팀은 흑연 용량 한계를 극복하기 위해 이산화 규소 내부에 약 10nm 크기를 갖는 미세기공 구조를 만들고 환원 반응을 유도해 조성비를 제어했다. 그 결과 고용량 특성을 유지하며 반복 충·방전 특성이 획기적으로 향상됐다. 이영제 학생은 “기존 음극재는 부피팽창 문제를 겪었지만, 새로운 음극재는 내부의 기공구조로 인해 팽창을 완화했다”며 “이산화 규소 화합물이 차세대 배터리 음극 소재로 활용될 수 있음을 입증했다”고 설명했다.

정선호 교수 연구팀은 이차전지 배터리 음극재 활용 가능성과 5세대 이동통신 기판 소재 효율성 개선 효과를 입증했다

“합성 방법을 변주해 하나의 재료로 다양한 특성 부여해, 첨단 산업 도약 계기될 것”
5세대 이동통신 산업에서는 기판소재의 효율성 개선에 활용할 수 있다. 현재 사용되는 기판소재는 고주파 영역에서 막대한 전파 손실을 겪는다. 전파 손실을 최소화하기 위해선 저유전 소재가 필요하다. 정선호 교수는 “유전율을 낮추기 위해 공기층을 포함하는 이산화 규소 입자를 도입했다. 유전율이 낮은 공기가 소재에 많이 포함될수록 전파 손실을 줄일 수 있다”고 설명했다. 합성 결과 기존 소재 대비 매우 낮은 유전율을 기록했고, 전파 손실도 적게 측정됐다.

이번 연구의 핵심은 정선호 교수 연구팀이 새로 개발한 합성 기술이다. 연구팀은 이산화 규소에 미세기공을 만드는 방법을 개발했다. 친환경적이고 간단한 공정으로 짧은 시간 내에 기존 대비 공기구멍의 크기를 작게 만들었다. 이영제 학생은 “합성 방법을 변주해 하나의 재료로 다양한 물성을 부여할 수 있다는 사실을 증명했다”고 언급했다.

이번 연구는 소재 한계로 발전에 어려움을 겪던 산업이 도약할 수 있는 계기가 될 수 있다. 범용 물질을 상온에서 합성할 수 있어 상용화 가능성도 크다. 정선호 교수는 “기술 상용화를 위해 스케일업(Scale up) 방법을 고민하고 있다. 합성할 수 있는 소재의 양, 소재 물성 고도화 등 새로운 물성 발현과 양산 기술 개발을 위해 노력할 것”이라고 다짐했다. 연구팀은 이를 위한 후속 연구를 계획하고 있다. 정 교수는 “기공 구조를 잘 만들기 위해선 정밀한 열처리가 필요하다. 이를 위해 레이저 열처리를 도입하는 등 소재 고도화를 위한 작업을 이어나가겠다”고 말했다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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