대용량 에너지 저장장치(ESS) 성능을 향상시킬 수 있는 신소재가 나왔다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소 재료 연구단(단장 로드니 루오프) 연구팀은 유니스트(UNIST)와 공동연구를 통해 슈퍼커패시터용 전극 물질로 주목받는 금속유기구조체(MOF)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 메커니즘을 규명했다. 자성과 전도성을 동시에 지닌 새로운 소재(NiTAA-MOF)를 개발했다.

전자기기의 성능 향상과 함께 높은 출력을 낼 수 있는 ESS에 대한 요구가 커지고 있다. MOF는 슈퍼커패시터, 2차 전지 등 대용량 에너지 저장장치 전극 소재로 주목받는다. MOF는 금속과 탄소 물질(유기물)이 결합해 이룬 다공성 소재다. 이를 전극으로 사용할 경우 넓은 표면적에서 산화-환원 반응을 활발히 일어나기 때문에 높은 에너지 저장능력과 성능을 갖는 에너지 소자를 만들기에 좋다.

MOF 기반 에너지 소자의 상용화를 위해서는 MOF의 전기적 성질에 대한 근본적 이해가 필요하다. MOF의 어떤 구조·화학적 변화가 전기 전도성에 영향을 미치는지는 아직 명확히 밝혀진 바 없다. MOF의 전기 전도성을 높일 ‘히든카드’를 찾아내기 위해 연구팀은 우선 거대한 고리 형태의 새로운 금속유기구조체를 설계했다. ‘니켈(Ⅱ)테트라[14]아자아눌렌-금속유기구조체(NiTAA-MOF)’는 니켈 원자 주변에 4개의 질소 원자가 결합한 MN4(M=금속, N=질소) 유형의 기본 구조를 갖는다. NiTAA는 전기 전도성을 가진 물질로 촉매, 트랜지스터, 염료감응태양전지 등에 사용되는데 금속유기구조체의 연결체로 사용된 적은 없다.

연구팀이 설계한 덩어리(벌크) 형태의 NiTAA-MOF는 기본적으로 전기가 통하지 않는(절연) 상태이다. 요오드 증기를 이용해 80도의 온도에서 열처리를 진행하며 NiTAA-MOF를 화학적으로 산화시키면 300K(26.85℃) 온도에서 0.01S/㎠(지멘스 퍼 제곱센티미터)의 전기전도도를 나타낸다. 별도의 전도체를 첨가할 필요 없이 전극으로 사용하기에 매우 높은 전기전도도다.

로드니 루오프 단장은 “2차원 금속유기구조체 구조와 전기적 특성 간의 관계에 대한 근본적 이해를 제시한 것으로 새로운 전기 전도성 금속유기구조체를 개발할 수 있는 길을 제시했다”며 “합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐 아니라 촉매, 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society·JACS)’10월 14일 자 온라인 속보로 실렸다.