부산대 김일 교수 (사진=한국연구재단 제공)

한국연구재단은 부산대 김일 교수 연구팀이 벤젠, 나프탈렌과 같은 비교적 저렴한 원료에서 캡슐, 튜브, 시트 등 다양한 형태의 다공성 나노구조를 동시에 얻어냈다고 17일 밝혔다.

김일 교수 연구팀은 균일한 다공성 유기 나노소재와 탄소 나노소재를 경제적으로 쉽게 제조할 수 있는 방법을 제시했다. 향후 에너지 소재·촉매·가스저장 및 분리·오염원 제거·센서 등에 쓰이는 다공성 나노소재의 활용도가 더욱 넓어질 것으로 기대된다.

현재 제올라이트나 실리카겔 같은 다공성 나노재료는 균일하게 생성된 구멍과 넓은 표면적 때문에 수처리, 촉매, 가스분리 등 다양한 분야에 사용된다. 하지만 무기(無機) 소재로 제조가 까다로워 다양한 형상으로 만들기 어렵고 원하는 기능부여를 통해 용도를 확장하기가 어려웠다. 따라서 자가조립이나 중합 현상을 이용해 만들기 쉽고 작용기를 함유하고 있어 다양한 기능을 구현할 수 있는 유기소재로 다공성 나노소재를 만들려는 노력이 활발하다.

하지만 복잡하게 설계된 포피린(porphyrin) 같은 비싼 유기 원료를 이용하는 데다 거푸집처럼 형틀을 이용해 찍어내는 방식으로 제조과정이 까다로워 대량생산에는 불리했다.

이에 연구진은 흔히 알려진 산-염기 반응을 이용해 루이스산을 촉매로 루이스염기 단량체(monomer)인 벤젠과 나프탈렌 유도체를 원하는 방향으로 중합(polymerization)하는 방법을 찾아냈다. 촉매와 단량체의 비율, 종류와 양 조절 후 중합과정을 제어해 나노캡슐, 나노튜브, 나노시트를 동시에 제조할 수 있게 됐다.

실제로 이렇게 만든 다공성 나노캡슐은 넓은 표면적(1000㎡/g)으로 인해 유지로부터 바이오디젤을 생산하고 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 효율적인 재료로 이용 가능했다.

다공성 카본소재의 경우 2차전지용 슈퍼커패시터에 사용할 경우 기존 산화그래핀 대비 두 배 이상 향상된 정전(靜電) 용량(421Fg-1)을 보였고 10만 회의 충·방전 시험에서도 성능이 저하되지 않았다. 매우 안정된 구조라 섭씨 800도 이상으로 소성 후에도 원래 모양을 유지하며 재활용도 가능하다는 장점이 있다.

또한 각종 촉매, 연료전지, 커패시터, 리튬이온전지, 트랜지스터, 항공우주 및 자동차용 복합재료는 물론 약물전달시스템, 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 실마리가 된다.

한편 교육부·한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업(기본연구-후속연구)의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 지난 1일 온라인 게재됐다.