작성일 : 19-10-31 21:42
IBS 로드니 루오프 단장팀-UNIST 유정우 교수 공동연구팀, 금속유기구조체에 전기 통하게 유도 , 금속 신소재 설계···대용량 에너지 저장장치 전극으로
 글쓴이 : happy
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대용량 에너지 저장장치의 성능을 높일 신소재가 나왔다. 

IBS(기초과학연구원·원장 직무대행 김영덕)는 다차원 탄소재료 연구단과 UNIST(울산과학기술원) 연구진이 자성과 전도성을 동시에 지닌 소재(NiTAA-MOF)를 개발했다고 31일 밝혔다.

MOF(금속유기구조체)
2차 전지 등 대용량 에너지 저장장치의 전극 소재로 주목받는다. MOF는 금속과 탄소 물질(유기물)이 결합해 이룬 다공성 소재다. 이를 전극으로 사용하면 넓은 표면적에서 산화-환원 반응을 활발히 일어난다. 높은 에너지 저장능력과 성능을 갖는 에너지 소자를 만들기 유리하다.

MOF 기반 에너지 소자를 상용화하려면 MOF의 전기적 성질을 이해해야 한다. 하지만 MOF의 어떤 구조적·화학적 변화가 전기전도성에 영향을 미치는지 명확히 밝혀지지 않았다.

연구진은 MOF의 전기전도성을 높이기 위해 거대한 고리 형태의 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 전기전도성을 가진 물질로 금속유기구조체의 연결체로 사용된 적은 없다.


연구진이 개발한 금속유기구조체(NiTAA-MOF) 구조. <그림=IBS 제공 >
연구진이 설계한 덩어리(벌크) 형태의 NiTAA-MOF는 전기가 통하지 않는 절연 상태에 있다. 하지만 요오드 증기를 이용해 80℃에서 열처리해서 산화시키면 300K(26.85℃)에서 0.01S/㎠(지멘스 퍼 제곱센티미터)의 전기전도도를 나타낸다. 이는 별도의 전도체를 첨가하지 않아도 전극으로 사용하기에 충분한 수치다.

유정우 UNIST 신소재공학부 교수"리간드 산화에 의해서 부도체였던 2차원 금속유기구조체에 전기전도성이 유도된다는 것을 보여줬다"며 "여기서 나아가 리간드 산화에 따라 MOF의 스핀 농도를 증가 시켜 자성도 구현할 수 있음을 확인했다"고 설명했다.

로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장"2차원 금속유기구조체의 구조와 전기적 특성 간의 관계와 새로운 전기전도성 금속유기구조체를 개발할 수 있는 길을 제시했다"며 "합성된 NiTAA-MOF는 에너지 소자뿐만 아니라 촉매와 센서 등 다양한 광전자공학 분야에서 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 미국화학회지(JACS) 10월 14일 자 온라인판에 속보로 실렸다. 

요오드 도핑된 NiTAA-MOF의 전기전도성과 자성. (a)5K에서 310K까지의 온도에 따른 전기 전도도 변화. (b) 180K에서 250K까지의 온도 범위에서 log(σ) 대 T–1/4 플롯. (c)다양한 온도에서 측정된 NiTAA-MOF의 자기장 의존 자기 곡선. (d) 반강자성 상호작용을 보여주는 자화의 온도 의존성. <자료=IBS 제공 >