박수진 교수는 “블록공중합체라는 고분자재료에 표면 특성을 바꿀 수 있는 화합물인 ‘표면에너지 개질제’를 도입해 새로운 나노막을 만드는 방법을 개발했다”라며 “이 방법으로 만든 나노막에는 마이크로미터크기의 큰 구멍과 나노미터크기의 작은 구멍이 균일하게 분포되며 개질제 양에 따라 구멍 크기도 조절할 수 있다”고 말했다.
‘블록공중합체(Block copolymer)’는 같은 성질끼리 스스로 뭉치는 성질을 갖고 있는 고분자재료다. 이를 기반으로 만든 나노막은 막(Membrane)분야에서 꾸준히 주목받는 연구 중 하나였다.
연구진은 이 나노막이 리튬이온배터리의 분리막으로 뛰어난 성능을 보인다고 밝혔다. 분리막은 리튬이온이 지나는 통로를 가리킨다. 구멍이 많고 균일할수록 리튬이온배터리의 성능이 좋아진다. 연구진이 개발한 나노막은 전체의 70%에 규칙적인 구멍이 뚫려 있어 리튬이온이 쉽게 이동할 수 있다. 때문에 출력이 높고 충전도 빠르며 수명도 길다.
연구진은 표면에너지 개질제로 유기계 실리콘화합물을 활용했다. 개질제는 본래의 성질이나 속성을 바꾸는 화학제를 뜻한다. 여기서는 블록공중합체의 한쪽 고분자블록에 도입돼 고분자의 용해특성을 변화시키는데 사용됐다.
연구진은 만들어진 나노막을 주사전자현미경으로 관찰한 결과 구멍표면을 실리콘화합물이 둘러싸고 있음을 밝혀냈다. 표면에너지 개질제로 어떤 물질을 쓰느냐에 따라 나노막 표면의 특성도 조절할 수 있다는 점을 규명한 것이다.
이번 성과는 리튬이온배터리 분리막을 넘어 다양한 막과학(Membrane Science)에 활용될 것으로 보인다. 막은 수처리분야의 ‘정수(Water Purification)’, 생명분야의 ‘바이오센서’, 화학공학의 ‘분리공정’ 등 거의 대부분의 산업에서 매우 중요한 재료다.
이상영 교수는 “이번 성과는 블록공중합체 기반의 이중다공성막을 에너지저장장치분야에 활용한 최초사례”라며 “지금껏 보고되지 않은 새로운 다공성막 제조방법을 제시함으로써 막과학분야의 기술적 토대를 마련했다”고 평가했다.
이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국산업기술평가관리원의 ‘IT·R&D 사업’과 미래창조과학부의 ‘중견연구자지원사업’의 지원을 받았다. 연구성과는 7월24일자(현지시각) ‘사이언스어드밴스(Science Advances)’지에 게재됐다. 사이언스어드밴스는 미국과학협회의 세계적인 권위지인 사이언스(Science)의 자매지다.