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‘초음파 스프레이’로 고성능 이차전지 재료 만든다! UNIST 권태혁 교수팀,‘ 초음파 스프레이 화학반응’ 원리 규명 잠수함 음향탐지기(sonar)나 의료진단, 가습기 등에 사용되는 ‘초음파’로 신소재를 만드는 기술이 개발됐다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부 권태혁·백종범·박노정 교수팀은 초음파 에너지와 미립자화 반응을 결합한 ‘초음파 스프레이 화학반응’을 이용해 탄소 나노소재 내에 질소를 고정시키는 기술을 개발했다. 이 기술은 탄소와 다른 원자의 결합을 손쉽게 만들어낼 수 있어 이차전지 재료 등 다양한 신소재 분야로 응용 가능하며, 화학반응에 필요한 고온이나 진공 같은 까다로운 조건 없이 ‘초음파 스프레이 화학반응’으로 고성능 재료를 만든다는 점에서 주목받고 있다. 자료 : UNIST
탄소 나노소재 잉크로 만든 미세입자 압축질소 기체에 의해 분무… 질소 고정 권태혁 교수팀의 ‘초음파 스프레이’는 가습기와 비슷한 원리로 작동한다. 이 장치는 가습기가 물 입자를 미세하게 만들어 공기중에 뿌리는 것처럼, 탄소 나노소재 잉크를 미세입자로 만들어 압축질소 기체에 의해 분무된다. 이 과정을 통해 탄소 나노소재에 질소가 효과적으로 고정된다. 이번 연구에 제1저자로 참여한 김현탁 UNIST 자연과학부 석·박사통합과정 연구원은 “가습기에서 뿌려지는 물은 입자가 매우 작기 때문에 공기에 닿는 표면적이 넓어져 보습효과가 커진다”며, “초음파 스프레이 장치도 초음파 에너지와 미립자화 반응을 이용해 탄소 나노재료 잉크에 손쉽게 질소를 고정시키는 방식”이라고 설명했다. 특히 이 기술은 질소나 산소처럼 화학반응이 잘 안 일어나는 기체를 탄소 나노재료에 손쉽게 도입시키는 혁신성에서 주목받았다. 실제로 질소나 산소가 고르게 도입된 탄소 나노재료는 기존보다 뛰어난 성능을 보였다. 또 초음파 스프레이 화학반응은 수 마이크로초(㎲, 100만분의 1초) 이내에 진행될 정도로 빠르기 때문에 경제적이고, 초음파 에너지 자체가 친환경적이라는 장점도 있다.
 [그림 1] 초음파 스프레이를 이용한 탄소 나노재료의 질소 고정 및 3차원 전극구조 구현 초음파 에너지(120㎑)의 공동현상(Cavitation)에 의해 활성화된 탄소 나노재료(그래핀, 탄소 나노튜브)가 압축질소 기체와 충돌 및 분무되며 질소가 도입된 탄소 나노재료가 합성된다.
연구진은 ‘음향화학(Sonochemistry)’을 기반으로 초음파 에너지 전달 효율을 극대화할 수 있는 ‘초음파 스프레이 화학’ 시스템을 구현했다. 초음파 스프레이화학은 등방성 초음파(Isostatic ultrasound) 에너지와 분무(Nebulization)에 의한 미립자화 반응을 기반으로 활성화 에너지 전도효율이 매우 높아 기존 음향화학과 구분된다. 초음파 스프레이 화학시스템은 등방성 초음파의 고진동 정상파(Stationary wave)에 의한 공동현상(Cavitation)이 양자역학적으로 높은 활성화 에너지(5000℃, 2000atm)를 생성한다.
이 에너지가 미립자화에 의한 표면에너지 증대와 함께 시너지효과를 내면서 고전역학에서 통용될 수 없었던 반응들을 양자역학적으로 가능하게 만든다. 이 시스템을 탄소 나노 재료의 질소와 산소 고정법 또는 이원자 도입법에 적용하자, 탄소 나노재료 구조체 전체에 균일한 이원자도입 구조가 구현됐다. 일반적인 이원자 도입법을 그래핀에 적용할 경우, 화학적으로 불안정한 가장자리에 이원자가 주로 결합된다. 그러나 초음파 스프레이 화학기술을 이용하면, 등방성 초음파에너지에 의해 그래핀 가장자리와 표면중심에 고르게 이원자가 결합된다.
연구진은 새 기술로 합성한 이원자가 도입된 탄소 나노재료를 기반으로, 최고 수준의 슈퍼커패시터 성능을 구현하기 위해, 초음파 스프레이 기술의 더블 노즐 시스템을 활용했다. 더블 노즐시스템으로 질소를 도입한 산화그래핀 환원물과 탄소 나노튜브를 순차적으로 바르며, 3차원 다공성 탄소전극 구조를 구현했다. N-RGO는 2차원의 평면구조를 가지며 N-CNT는 1차원의 평면구조를 갖는다. 따라서 두 소재를 겹겹이 쌓는 방식으로 바르면, 3차원 다공성 구조가 구현된다. 이같은 아이디어는 3차원 전극 내에 N-RGO와 N-CNT의 비율을 최적화하는 실험과 방사광가속기 의 GIWAXD 분석을 통해 증명됐고, 전기화학적 분석으로 세계 최고수준의 슈퍼커패시터 에너지 저장 성능을 발표했다.
 (a) 초음파 스프레이의 더블 노즐시스템을 통해 N-RGO와 N-CNT를 순차적으로 도포해 3차원 구조의 다공성 탄소전극을 제작했다.
 (b) N-RGO와 N-CNT의 비율을 조절해 슈퍼커패시터에 가장 적합한 구조를 설계하고 제작해 고성능 슈퍼커패시터 제작을 목표로 했다.[그림 2] 초음파 스프레이의 다공성 탄소 전극구조 구현 및 최적화
세계 최고성능 슈퍼커패시터 전극도 제작 연구진은 초음파 스프레이 화학반응으로 만든 탄소 나노재료로 세계 최고성능의 슈퍼커패시터 전극도 제작해 선보였다. 슈퍼커패시터는 충·방전이 가능한 이차전지의 일종으로 에너지 용량은 작지만, 출력이 높아 항공우주·군사·자동차산업에서 주목받는 에너지저장장치다. 슈퍼커패시터 전극은 초음파 스프레이의 이중 노즐시스템으로 만들었다. 하나의 노즐에서 질소를 도입한 산화그래핀 환원물을 다른 노즐에서 질소를 도입한 탄소 나노튜브를 순차적으로 바르며, 3차원 다공성 탄소전극구조를 구현한 것이다. 이는 초음파 스프레이 기술로 소재를 합성하는 동시에 균일한 박막전극을 만들 수 있다는 걸 보여준다. 권태혁 교수(아래 사진)는 “이번 연구는 탄소와 다른 원자를 결합시키는 화학반응의 새로운 합성법을 개척했다”고 의미를 둔 뒤, “이뿐만 아니라 탄소-이원자 결합형태에 따른 전기화학적 반응성의 이론적 차이와 다른 원자가 도입된 3차원 탄소 나노구조의 구현을 통한 에너지 저장성능의 최적화 결과까지 총망라했다”고 설명했다. 그는 이어 “이번 연구는 에너지 소재를 합성하는 기술에 새 패러다임을 제시하고, 에너지 소재시장에서 파급력이 있을 원천기술을 확보한 것”이라고 덧붙였다.
 이번 연구는 재료화학 분야의 권위저널인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 논문명 (Carbon-Heteroatom Bond Formation by Ultrasonic Chemical Reaction for Energy StorageSystem)으로 게재됐다. 특히 연구내용의 혁신성과 중요성을 인정받아 지난해 12월 14일자로 출판된 책자의 뒤표지로도 선정됐다.
에너지 소재 개발 기술의 새 패러다임 제시 이번 연구에서는 고전 역학적 지식에 국한된 화학적합성과 처리법의 한계를 극복하기 위해, 초음파 스프레이 화학기술의 메커니즘을 고찰하고 새로운 화학적 합성과 처리법을 개발했다. 연구의 핵심기술인 초음파 스프레이 화학을 통해, 현재 각광받는 탄소 나노재료의 이원자 도입과 다차원화를 최적화시켰다. 그에 따른 전기화학적 촉매능력과 에너지저장 성능도 극대화할 수 있었다. 이번 연구결과는 에너지 소재 개발 기술의 새로운 패러다임을 제시함과 동시에 초음파 스프레이 화학반응에 대한 기초과학적 지식을 증진시킨다. 또 현재 주목받는 친환경 및 경제적 화학반응 시스템 구현과 기능성 소재 시장에서 원천 기술이 돼 파급력이 클것으로 기대된다.
<용어설명> 1. 초음파 스프레이 화학(Ultrasonic spray chemistry) : 초음파 에너지의 양자역학적 고온·고압 에너지(5000℃, 2000atm)와 스프레이 분무(Nebulization)에 의한 표면 에너지 증가를 활용한 친환경적 화학 처리법이다. 2. 초음파 에너지(Ultrasonic energy) : 초음파는 20㎑(킬로헤르츠) 이상의 고주파수를 가지는 파장(Wave)을 의미한다. 초음파가 액체 매질(Liquid media) 내를 지나가게 되면 공동현상(Cavitation)을 일으키며 양자역학적으로 높은 에너지를 발산한다. 3. 공동현상(Cavitation) : 초음파가 액체매질에서 고주파수로 진동할 때, 무수한 미세 진공기포를 형성한다. 형성된 진공기포는 고주파수의 위상차에 따라 성장하며, 임계점에 도달하는 극한의 조건에서는 결국 폭발하게 된다. 이런 현상을 공동현상이라 하며, 진공기포가 폭발할 때 발산하는 에너지는 초고온·고압에너지(5000℃, 2000atm) 수준이라는 게 음향화학(Sonochemistry) 학계에서 증명됐다. 4. 이원자 도입법(Heteroatom doping) : 이원자 도입은 반도체와 에너지 재료연구에서 핵심이 되는 기술이다. 이원자를 도입해 소재의 에너지 밴드(Energy band) 구조를 바꾸며, 적용 분야에 따라 최적화된 전기적·화학적 물성을 얻을 수 있다. 가장 쉬운 예로, 실리콘(Si) 반도체는 실리콘보다 원자가 전자(Valence electron)가 적은 붕소(B)를 도입해 p형 반도체 재료를 만들고, 원자가 전자가 많은 인(P)을 도입하여 n형 반도체를 만든다. n형이나 p형 실리콘 소재는 순수한 실리콘보다 월등한 전기전도성을 가지며, 20세기와 21세기 반도체 산업 기술에 근간이 됐다. 5. RGO(Reduced graphene oxide) : 대표적인 2차원의 탄소 나노재료인 그래핀을 화학적으로 대량생산하기 위해 개발된 그래핀 유도체다. RGO는 순수한 그래핀에 비해 산소 기반의 불순물이 많고 재적층(Re-stackicng)과 결함이 많은 상태다. 그러나 전기화학적 반응성이 뛰어나고 합성이 용이한 장점을 가지고 있다. 최근에는 질소 도입에 의해 합성된 N-RGO가 뛰어난 전기화학적 반응성과 전기전도성을 보여주며 에너지 소재 분야에서 널리 활용되고 있다. 6. SPEM 분석법(Scanning Photoelectron microscopy) : 방사광가속기를 이용한 원소분석법으로 X-ray에 의해 발산되는 광전자를 실시간으로 관측한다. 시료의 포지션에 따라 수십 나노미터 직경으로 원소를 분석해 시료 구조에 따른 원소 구성요소의 분석이 가능하다. 7. GIWAXD 분석법(Grazing incidence wide-angle X-ray diffraction) : 방사광가속기를 이용해 극소각의 X-ray를 조사해 시료의 회절패턴을 분석한다. X-ray에 의해 쉽게 손상 받거나 결정성이 약한 유기재료들의 결정구조를 분석하는 용도로 매우 유용해 유기전자 재료의 결정 분석에 널리 활용된다. <Energy News>
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