세라믹스｜R&D

금오공대 조재필 교수팀

고용량 금속계 나노선 합성기술 개발 성공

리튬 이차전지의 핵심 음극소재 기술, 이차전지 용량과 충전 획기적으로 개선
반도체성 Sn과 Ge의 금속 화합물 나노선으로 합성함과 동시에 표면에 카본층 형성

차세대 모바일 이동기기의 핵심인 리튬 이차전지의 핵심 음극 소재 기술이 국내에서 개발되어 관련 산학연의 주목을 받고 있다. 금오공과대학교 응용화학과 조재필 교수팀은 최근 리튬이온전지 용량과 충전을 획기적으로 개선할 수 있는 고용량 금속계 나노선(Nanowire) 합성기술을 확보하는 데 성공했다고 밝혔다. 또한 이번 개발 내용이 세계적인 나노 전문저널인 Nano Letters의 인터넷판에 7월 28일 속보판으로 게재되었다고 덧붙였다.
조재필 교수팀이 이번에 개발한 기술의 핵심은 반도체성 Sn과 Ge의 금속 화합물을 나노선으로 합성함과 동시에 표면에 5nm이하의 카본층을 형성하는 것이다. 기존에는 반도체성 나노선 합성을 위해서 촉매 또는 기판의 사용이 필수였다. 하지만 이번 개발을 통해 나노 분말을 합성 초기에 선형태로 배향시킨 후 진공 열처리를 통하여 나노선으로 합성하는 기술이 가능하게 됨으로써 기존 방법보다 합성이 용이하고 따로 불순물 제거 공정이 필요치 않게 되었다고 개발팀은 밝히고 있다.
또한 이 나노선은 실타래 형태로 뭉쳐져 있기 때문에 전극으로 제조가 용이할 뿐만 아니라 용량은 1000mAh/g이상 구현이 가능하고 5분 이내에 급속 충방전 시에도 초기 용량의 90%를 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다고 덧붙였다.

현재 개발 진행중인 금속계 물질보다
용량 30%이상·충방전 특성 80% 이상 향상 기대
개발팀은 이번 기술 개발로 현재 개발이 진행되고 있는 금속계 물질보다 용량은 30%이상, 급속 충방전 특성은 80%이상 획기적으로 향상될 것으로 기대하고 있다. 
한편 조재필 교수는 이번 기술 개발에 대해 “차세대 이동 통신 기기인 현재의 휴대폰 단말기, 노트북의 영역을 넘어서 e-paper, 휴대용 나노바이오센서, 체외 인공 장기, 신경 및 고통 제어를 위한 생체용 전원 장치의 박형화와 더불어 음극 용량의 한계 기술인 2000 mAh/g급 고용량까지를 동시에 이룰 수 있는 원천 기술이라는 평가를 받고 있다”고 밝혔다.
또한 “현재 사용되어지고 있는 리튬 이차 전지에 대하여 반도체의 메모리처럼  이통 동신기기 다 기능화로 사용용량이 연간 7% 이상 증가되고 때문에 현재 개발 중인 재료로는 2012년도에는 용량의 한계에 부딪힐 것으로 예측하고, 정부차원에서 계속적인 원천 소재기술의 확보에 보다 적극적인 지원이 이루어져야 할 것”이라고 강조했다.
박미선 기자

합성된 Sn78Ge22@carbon core-shell nanowire의 전자주사 현미경사진 : 나노선들이 실타래처럼 뭉쳐져 있음을 알 수 있다.

(a) Sn78Ge22@carbon core-shell nanowire의 합성 모식도 : 열처리 전에는 일정한 방향으로 배항된 Sn78Ge22 나노선은 표면에 butyl기 (Ch4H9-)가 붙어있어(그림 b) 진공 열처리 시에 그림 c와 같이 나노선으로 변형이 되면서 표면이 카본층으로 바뀌게 된다 (b와 c는 전자투과 현미경 사진)