플렉서블 소자에서 하이브리드카 등 다양한 분야에 응용 기대
이번연구에는 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 이윤정(제1저자, 박사과정, 35세), 이현정(제1저자, 박사과정, 32세)씨 등 안젤라 벨처(교신저자, Angela Belcher) 교수팀과 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 강기석(34세) 교수가 참여했으며, 연구결과는 과학기술분야 최고 권위지인 '사이언스(Science)'지에 게재된다.
또한 현재 강기석 교수는 교육과학기술부 일반연구자지원사업 연구과제(우수신진)를 수행하고 있다.
리튬 이차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등에 널리 쓰이고 있으며, 향후 급격한 시장 팽창이 예상되는 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원 및 전력 저장시스템용 대형전지의 핵심으로도 주목받고 있다.
하지만, 수명, 출력 밀도, 안전성 등 여러 측면에서 아직 부족한 점이 많아, 이에 대한 기술적인 돌파구를 찾으려고 전 세계 연구자들이 경쟁적으로 연구하고 있다. 이러한 기술적인 돌파를 위해 최근 다양한 학제간의 교류를 통한 창의적이고 새로운 접근법이 주목받고 있다.
안젤라 벨처 교수 연구팀은 지난 2006년 사이언스(Science)지에 바이러스로 합성한 이차전지 개념을 제시한 바 있다.
당시에는 바이러스로 부터의 합성이 다소 용이한 음극재료(코발트 산화물)를 통해 바이러스 이차전지 개념을 제시하였으나, 양극재료의 경우 이러한 방법으로의 합성이 힘들고 전기 전도도가 낮아 어려움을 겪었다.
공동연구팀은 자연에 대량 존재하고 인체에는 무해하며, 두께가 10나노미터에 불과한 나노선 모양의 ‘M13’라는 바이러스의 유전자를 조작하여 바이러스 몸통에는 양극재료(비정질 철 인산계), 바이러스 꼬리에는 탄소나노튜브(CNT)가 각각 선택적으로 달라붙게 하였다.
그동안 비정질 철인산계 양극재료는 안전성은 높지만, 출력이 낮다는 평가를 받고 있는데, 이번 공동연구팀의 방법으로 양극재료를 제조하면, 나노미터 두께로 인해 리튬이온의 이탈속도를 증가시키면서 탄소나노튜브(CNT)로 인해 전기전도도가 증가되어 고출력의 리튬이차전지 제조가 가능하다.
이렇게 제조된 양극재료는 기존보다 출력 특성이 10배 가까이 좋아진다는 것을 관찰함으로써, 고출력의 이차전지 제조뿐만 아니라 새로운 이차전지 양극재료를 찾는데도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
또한, 이번 연구결과는 정부가 신성장동력사업으로 중점 지원할 예정인 차세대 2차전지를 개발하는 데 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
이 논문의 제1저자인 이윤정 씨는 “이번 연구를 통해 양극과 음극 모두 바이러스를 통해 구현할 수 있다는 것을 보임으로써 ‘바이러스 배터리’가 가능하다는 것을 입증했다”고 했다.
또한 강기석 교수는 “이는 나노(NT), 바이오(BT), 에너지(ET) 상호 분야의 교류를 통한 시너지의 한 예로써 의미가 크다.”라고 덧붙였다.
이윤정 씨는 서울대 재료공학과를 수석 입학·졸업, 공대를 차석으로 졸업했으며, 이현정 씨는 포항공대 신소재공학과를 수석으로 졸업한 뒤 KIST에서 연구원으로 재직 중이며 2007년부터 MIT에서 박사과정을 밟고 있다.
이번 연구에는 이들 외에도 MIT에서 박사 후 과정으로 연구중인 김우재 박사와 윤동수 박사도 참여했다.
최재웅 기자
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