국가산업의 경쟁력 높일 수 있는 원천기술 확보 위한 연구
국가산업의 경쟁력 높일 수 있는 원천기술 확보 위한 연구
  • 김남근 기자
  • 승인 2014.06.02 14:57
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[이슈메이커=김남근 기자]



국가산업의 경쟁력 높일 수 있는 원천기술 확보 위한 연구

친환경 슈퍼커패시터(Supercapacitor)용 전극소재 개발
 

최근 리튬이차전지와 함께 차세대 에너지 저장소자로 주목받고 있는 슈퍼커패시터는 빠른 충·방전, 고출력, 장기 내구성, 안정한 구동 조건 등의 특성으로 친환경 청정대체에너지의 신재생에너지 저장장치로 각광받고 있다. 이에 최근에는 기존 활성탄 기반의 전극 소재를 대체하기 위해서 표면 산화·환원 반응에 의해서 용량을 증가시킬 수 있는 무기산화물 계통의 전극 소재가 화두로 떠오르고 있다. 하지만 대부분의 무기물 기반의 에너지 저장 소재는 값비싸고 재생이 어렵다는 경제적·환경적 문제점을 안고 있기 때문에 높은 에너지 용량을 가지며 동시에 저렴하고 재생 가능한 유기물 기반의 에너지 소재에 관한 연구가 절실한 상황이다.



융합연구를 통한 원천기술 확보
생체모방 기술은 오랜 시간 동안 자연의 놀라운 구조와 기능을 공학적으로 모방해오며, 최근 다양한 분야에 주목을 받고 있다. 생물공학, 에너지 및 나노공학, 재료공학에 이르기까지 인공적인 구조에서 벗어나 자연으로부터 영감을 얻는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 기존의 과학적·공학적 한계를 극복하고자 많은 연구자의 도전은 계속되고 있다. 특히, 다양한 폐기물에서 얻어지는 바이오매스(Biomass)의 응용에 대한 연구는 세계적으로 활발하게 진행되고 있지만, 목재 폐기물에서 추출된 리그닌(Lignin)에 관한 연구는 아직 미비한 실정이다. 리그닌은 목재 중 30~40%를 차지하고 있는 고분자 물질이지만 대부분 활용되지 못하고 폐기물로 처리되고 있어, 이 물질에 대한 활용성을 확대하기 위한 연구가 세계적으로 다양하게 진행되고 있다.
  최근 경희대학교 화학공학과 에너지나노소재소자연구실(END LAB)의 박호석 교수는 버려지는 목재 폐기물로부터 리그닌 소재를 추출해 그래핀(Graphene)과의 나노스케일(Nanoscale)에서 하이브리드화(Hybridizaion)시켜 고용량, 빠른 충·방전, 장기 내구성을 가지는 재생 가능한 친환경 슈퍼커패시터(Supercapacitor)용 전극소재를 개발했다. 리그닌-그래핀 전극은 생체시스템에서 발견할 수 있는 산화·환원 반응을 리그닌에서 구현함으로써 충전용량을 활성탄 전극(200F/g 이하)의 2배 이상인 432F/g까지 증가시켰을 뿐만 아니라, 그래핀 본연의 우수한 전기적 특성, 넓은 표면적, 전기화학적 안정성을 이용하여 높은 출력과 장기내구성을 동시에 달성하는 결과를 얻었다. 더불어 슈퍼커패시터가 가지고 있는 빠른 충·방전 및 장기 내구성의 장점을 극대화하였다.
  이번 연구를 통해 버려지는 폐기물로부터 저렴하고, 재생 가능한 유기물 기반의 전극 소재를 개발함으로써 지속 가능한 에너지 소재 및 시스템 구현을 위한 기술 개발이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 그린에너지 확보를 통한 환경오염문제 해결, 에너지 안보 문제 개선에도 영향을 줄 것으로 예상된다. 더불어 리그닌에 의해 밝혀진 생체시스템 내 산환·환원 반응을 토대로 비슷한 구조를 포함하는 물질의 개발 및 응용이 가능하기에 화학공학, 생물공학, 나노공학 등의 학제 간 융합 연구가 가능해질 것이라고 박 교수는 주장한다.
  박호석 교수는 “이번 연구를 진행하며 새로운 분야를 시작함에 큰 의의를 두고 싶습니다. 이를 바탕으로 심도 있는 연구를 계속해서 진행해 최대한 원천기술을 확보하여 미래의 환경문제를 해소하고, 국가 산업의 경쟁력을 높일 수 있는 창의적인 융합 연구를 진행하고자 합니다”라며 연구에 대한 자부심을 내비쳤다.



중심 잃지 않는 창의적 연구 펼치다
박호석 교수는 현재까지 탄소나노물질의 구조 및 화학적조성 제어를 통해서 전기화학적 에너지 저장 및 CO2 흡착 분야의 응용 연구를 꾸준하게 진행해왔다. 이러한 박 교수가 이끌고 있는 경희대학교 화학공학과 에너지나노소재소자연구실은 에너지 저장과 관련된 소재와 소자개발, 글로벌 그린하우스 이펙트와 관련된 CO2등의 온실가스 제거 등의 연구를 진행해 오며 다학제적 융합연구를 실천해가고 있다. 그는 연구실 구성원과 다양한 분야 전문가들의 유기적인 교류를 통해 눈앞의 성과가 아닌 축적된 기술력을 바탕으로 원천기술을 확보해 가치 있는 연구 결과를 도출해내고자 불철주야(不撤晝夜) 연구에 매진하고 있다.
  박호석 교수는 “구성원 모두가 한 곳을 바라보고 연구 자체를 즐기고 있습니다. 구성원 각자가 연구에 자기만의 철학을 담아 평생 연구자로써의 커리어를 발전시키기 위해서 중심을 잃지 않고 창의적인 연구를 추구하고 있습니다. 이러한 것들이 바탕 되어야만 대한민국 과학기술의 질을 한 단계 높일 수 있는 길을 열게 될 것입니다”라며 “보다 많은 연구자들이 다양한 연구를 할 수 있는 풍토가 조성되어야 합니다”라고 목소리를 높였다.
  자신의 분야에서 ‘최고’를 지향하며 진정으로 가치 있는 연구를 펼치고자 하는 박호석 교수. 실생활에 직접적인 도움이 될 수 있는 연구를 위해 묵묵히 연구에 집중하는 그의 모습에서 우리나라 과학기술분야의 청사진이 그려진다.

 - 용어설명 - 

1. 리그닌(lignin) : 목재를 구성하는 주성분으로 목재의 강도를 유지시켜주는 역할을 하는 물질
2. 그래핀(graphene) : 원자 하나의 두께를 갖는 탄소원자만으로 구성된 2차원 평면구조를 가진 탄소나노물질
3. 슈퍼커패시터(supercapacitor) : 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해서 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자
4. 나노스케일(Nanoscale) : 수nm에서 100nm 범위 내에서 나타나는 새로운 물리적·화학적 현상 및 특성을 연구하고 이용하는 기술.
5. 하이브리드화(Hybridizaion) : 서로 다른 재료를 원자나 분자레벨로 미시적으로 혼합시켜 원자간 및 분자간 상호작용으로 새로운 기능을 나타내게 하는 것 



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