에너지 저장장치 성능 향상시킬 新소재 개발

IBS 연구진, 금속유기구조체(MOF) 전도성 향상 메커니즘 규명

연구진이 개발한 새로운 금속유기구조체의 구조/자료=IBS

기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단과 울산과학기술원(UNIST)이 슈퍼커패시터용 전극 소재로 각광받는 금속유기구조체(Metal Organic Framework·MOF)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 메커니즘을 규명했다고 31일 밝혔다. 또 자성과 전도성을 동시에 지닌 새로운 소재(NiTAA-MOF)도 개발했다.

슈퍼커패시터는 이차전지의 보완재로 주목받는 에너지 저장장치이다. MOF는 금속과 탄소물질(유기물)이 결합해 이룬 다공성 소재다.

MOF를 전극으로 사용할 경우 넓은 표면적에서 산화-환원 반응을 활발히 일어나기 때문에 높은 에너지 저장능력 및 성능을 갖는 에너지 소자를 만들기 유리하다.

MOF 기반 에너지 소자의 상용화를 위해서는 MOF의 전기적 성질에 대한 근본적인 이해가 필요하다.

하지만 MOF의 구조적·화학적 변화가 전기 전도성에 영향을 미치는지에 대해서는 아직까지 명확히 밝혀진 바 없다.

요오드 도핑된 NiTAA-MOF 펠렛/사진=IBS

연구진은 MOF의 전기전도성을 높이기 위해 우선 거대한 고리 형태의 새로운 금속유기구조체를 설계했다.

연구진이 개발한 ‘니켈(Ⅱ)테트라 아자아눌렌-금속유기구조체’(NiTAA-MOF)는 니켈 원자 주변에 4개의 질소 원자가 결합한 MN4(M=금속, N=질소) 유형의 기본 구조를 갖는다.


NiTAA는 전기전도성을 가진 물질로 촉매, 트랜지스터, 염료감응태양전지 등에 사용되지만 금속유기구조체의 연결체로 사용된 적은 없다.

연구진이 설계한 덩어리 형태의 NiTAA-MOF는 기본적으로 전기가 통하지 않는 절연 상태다. 하지만 요오드 증기를 이용해 80도의 온도에서 열처리를 진행하며 NiTAA-MOF를 화학적으로 산화시키면 300K(26.85℃)의 온도에서 0.01S/㎠(지멘스 퍼 제곱센티미터)의 전기전도도를 나타낸다. 이는 별도의 전도체를 첨가할 필요 없이 전극으로 사용하기에 충분히 높은 전기전도도다.

로드니 루오프 IBS 다차원탄소재료연구단장은 “이번 연구는 2차원 금속유기구조체의 구조와 전기적 특성 간의 관계에 대한 근본적인 이해를 제시한 것”이라며 “새로운 전기전도성 금속유기구조체를 개발할 수 있는 길을 제시했다”고 말했다.

또 “합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐만 아니라 촉매, 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장/사진=IBS