최근 에너지 위기로 인해 에너지 저장 및 변환시스템 개발이 필수적인 해결 과제로 떠오르고 있다. 이에 따라 특별한 물리화학적 특성을 가질 수 있는 기능성 나노 물질에 대한 관심이 커지고 있는 상황이다.

현재 개발된 기능성 나노물질 중 인산철(LiFePO4)소재는 리튬이차전지의 전극물질로 상용화된 리튬코발트산화물(LiCoO2)을 대체할 수 있는 차세대 물질로 주목받고 있다. 그러나 인산철 소재는 낮은 전기전도도 등의 단점을 가지고 있어 이를 극복하기 위해 열처리 등 물리화학적 특성을 향상시킬 수 있는 합성 공정이 동반돼야 한다.

연구팀은 "기존의 졸-겔법, 수열합성법, 용매열 합성법 등 습식합성법은 복잡한 공정과 후처리로 많은 비용이 소요되고 있다"며 "각 공정이 일괄적으로 진행되지 않는 등 대량생산에 제약사항이 있기 때문에 저비용, 단순한 처리과정 개발에 대한 요구가 증대됐다"고 연구 배경을 설명했다.

김재국 교수팀은 이번 연구에서 알코올의 일종인 폴리올을 용매로 이용해 짧은 시간에 전구체 용액을 점화시켜 연소반응을 일으키도록 하는 간단한 합성방법을 개발했다. 김 교수팀의 연구결과에 따르면 이번 초급속연소법은 폴리올을 용매로 이용함과 동시에 연소반응의 연료로서 반응에 참여하는 폴리올을 이용해 차세대 에너지저장용 기능성 나노물질을 손쉽게 얻을 수 있다.

또한 인산(H3PO4)을 원료물질로 활용해 전도성 탄소막을 형성함으로써 기존 인산철(LiFePO4) 소재의 단점인 낮은 전기전도도를 향상시켰으며, 추가적인 별도의 탄소막 제조공정이 필요치 않아 경제적으로도 효과가 있음이 확인됐다.

연구팀은 인산철과 함께 이산화타이타늄(TiO2), 황화카드뮴(CdS), 산화아연(ZnO), 은(Ag) 등 광학, 바이오, 에너지분야에 응용할 수 있는 기능성 나노결정성 물질들을 수 초 동안의 연소반응만으로 얻을 수 있었다고 밝혔다.

김재국 교수는 "이번에 개발한 초급속연소합성법이 배터리 전극물질이나 디스플레이 등에 응용되는 기능성 나노물질 생산에 큰 변화를 가져오리라 기대한다"며 "지속적인 연구를 통해 보다 진일보된 공정을 개발하겠다"고 말했다.

김 교수와 김지현 박사과정생, 비노드 매튜 연구교수(제1저자), 안도천 포항가속기연구소 박사, 송선주·윤현석 전남대 교수 등이 참여한 이번 연구는 교과부와 연구재단이 추진하는 세계수준연구중심대학 육성사업(WCU)의 지원으로 수행됐으며, 과학저널 네이처가 발행하는 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 12월호에 온라인으로 게재됐다.

관련 기술은 국내특허 등록과 함께 미국, 유럽, 일본, 중국 등 주요국 개별 해외특허 출원이 완료된 상태이다.  
 

▲(위에서부터) 급속 연소법을 통해 얻어진 CdS, ZnO, TiO2, LiFePO4에 대한 주사·투과·고배율 투과 전자 현미경, 전자회절 패턴(SAED)의 사진들. ⓒ2012 HelloDD.com

▲초급속 연소법으로 얻어진 물질들의 X-선 회절 결과. ⓒ2012 HelloDD.com