영남대학교 화학공학부 심재진 교수 연구팀이 태양전지와 같은 차세대 에너지저장시스템에 활용 가능한 신기술을 개발해 학계와 산업계로부터 주목받고 있다.
이번 연구는 ‘페로브스카이트(Perovskite) 슈퍼커패시터(Supercapacitor, 초축전기)’의 전극물질 개발에 대한 연구다. 페로브스카이트는 두 종류의 양이온과 산소가 결합된 ‘ABO₃’의 구조를 갖는 금속산화물이다. 연구팀은 페로브스카이트에서 양이온인 A와 B를 다른 원소로 부분 교체하면 전극성능과 촉매성능이 크게 향상된다는 것을 발견했다.
연구팀을 이끈 심재진 영남대 교수는 “란타늄망간산화물(LaMnO₃) 페로브스카이트에서 A위치의 란타늄(La) 일부를 스트론튬(Sr)으로 치환하면 B위치에 있는 망간(Mn)의 일부가 3가에서 4가로 변하게 되어 전자의 이동이 자유로워져 전자전도도가 향상되는 것을 확인했다. 또한 망간의 일부를 철(Fe)로 치환하면, 전하 균형을 맞추기 위해 산소 이온이 빠져나와 산소 빈자리가 생기게 되고, 이 빈자리를 메꾸기 위해 외부에서 산소이온이 이동해 오면서 이온전도도가 향상됐다”면서 “란타늄 30%와 망간 50%가 치환된 ‘LSMFO55’일 때, 전자전도와 이온전도가 동시에 일어나는 상승효과에 의해 탁월한 전기화학적 성능을 보였다. ‘LSMFO55’를 양극으로, ‘나노탄소구체(CNO)’를 음극으로 한 비대칭 혼성 슈퍼커패시터가 매우 우수한 성능을 가지는 것을 확인했다”고 밝혔다.
이번 연구성과는 ‘스트론튬과 철로 치환된 란타늄망간산화물 페로브스카이트: 기본적 통찰과 비대칭 혼성 슈퍼커패시터에의 응용 가능성’이라는 논문으로 국제 저명 학술지 <에너지 스토리지 머티리얼즈>(Energy Storage Materials, 영향력지수(IF)=17.789) 최신호(2022년 3월)에 게재됐다. 이 논문은 영남대 화학공학부 심재진 교수 연구팀의 인도, 독일 출신 연구자들과 프랑스 낭트대 교수 등 세계적인 연구자들이 국제공동연구를 통해 이루어낸 성과다. 영남대 청정에너지중점연구소사업단(단장 심재진)의 파라세리 무하메드 샤피(Parasseeri Muhammed Shafi) 교수가 제1저자, 심 교수와 낭트대 티에리 브루스(Thierry Brousse) 교수가 교신저자로 참여했다.
이번 연구를 통해 우수한 성능을 가진 슈퍼커패시터 전극물질을 개발한 것은 물론, 에너지저장시스템의 성능 향상에 필요한 이론적 배경을 마련했다는 점에서 학술적, 산업적 가치가 상당히 높다. 화석에너지를 대체할 수 있는 재생에너지로 꼽히는 태양에너지와 풍력에너지는 에너지 공급이 불안정해 배터리와 슈퍼커패시터와 같은 에너지저장시스템의 개발이 중요한 과제이기 때문이다.
심재진 교수는 “금속산화물 결정인 페로브스카이트는 가볍고 저렴하여 에너지효율과 내구성만 향상되면 태양전지용으로 크게 각광받을 것으로 예상된다. 이번 연구에서 발견한 부분 치환에 의한 전극성능 향상 기술을 사용하면 페로브스카이트를 태양전지 전극소재, 슈퍼커패시터 양극소재, 촉매물질 등으로 상용화하는데 크게 기여할 것”이라고 기대했다.
한편, 영남대는 프랑스 낭트대와 2021년 봄 MOU를 체결하고 프랑스 교환학생이 영남대를 가을학기 동안 방문하여 수업과 연구를 병행하는 등 학생교류와 연구협력을 수행 중이다.
글 / 김영국 기자 kyg@hkrecruit.co.kr
