화학과 손성욱 교수 연구팀, "마찰 전기 에너지 수확용 코어셀 구조 시너지 소재 개발"

'나노 다공성 분자 네트워크'는 높은 표면적과 우수한 열안정성으로 인하여 흡착제, 센서, 촉매, 베터리, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용할 수 있는 '다재다능'한 재료로 평가받고 있다. 화학과 손성욱 교수 연구팀이 개발한 마찰 전기 수확용 코어셀(core-shell) 구조 소재는 막대 구조의 산화 아연 나노 응집체로 이루어진 코어 재료에 커플링 반응으로 나노 다공성 분자 네트워크를 껍질로 도입함으로써 합성된다. 얻어진 코어셀 소재는 440nm 직경의 산화 아연 나노 입자로 이루어진 코어와 45nm의 나노 다공성 분자 네트워크 껍질로 이루어진다. 코어 재료의 산화 아연 나노 막대는 10~15nm두께와 길이 50~70nm의 길이를 가진다.

마찰 전기는 일반적으로 전자 환경이 다른 두 가지 소재가 마찰 시에 전자 전달이 표면에 일어나면서 발생한다. 최근 마찰 전기를 수확하여 에너지 공급원으로 사용하기 위한 다양한 소재와 수확 장치가 개발되고 있다. 손성욱 교수 연구팀은 압전 현상에 의해 극성 배열을 보이는 것으로 알려진 산화 아연 소재를 마찰 전기 수확 소재 내부에 도입함으로써 마찰 전기 수확의 소재가 접촉하는 순간 내부 압전 소재가 어떠한 영향을 주는지 살펴보았다. 본 연구에서는 압전 소재 또는 마찰 전기 수확 소재가 각각이 있을 경우와 비교 연구를 통하여 코어셀 소재의 마찰 전기 수확능이 확연히 증가함을 관찰하였다. 또한 압전 소재와 마찰 전기 수확 소재가 단순히 섞여 있을 경우와의 비교에서도 훨씬 높은 마찰전기 수확능을 보였다. 이는 접촉 순간의 코어셀 소재에 발생한 극성이 마찰 전기 생성을 위한 전자 전달을 돕는 것으로 여겨진다. 즉, 이는 코어셀 구조의 시너지 효율성과 함께 전자 전달에 의한 극성이 발생하는 현상을 극성 환경이 도움을 주는 것으로 해석할 수 있다.

손성욱 교수는 이외에도 나노 다공성 분자네크워크에 기반한 다양한 기능성 소재를 합성하였으며 베터리 재료, 탄소 중립용 친환경 금속 촉매 및 광촉매, 센서, 약물전달 물질 등 여러 분야에 응용하고 있다. 관련 연구를 상위 10%저널에 다수 출간하였으며 표지 논문들로 선정된 바 있다.

제1저자인 강창완 박사는 화학과 BK21 Four 사업단, 교내 박사후 국외 연수 프로그램 등의 지원을 받았으며 현재 캐나다의 맥길대학에서 박사후연구원으로 연구하고 있다. 공동저자인 박지나 석사과정생은 화학과 BK21 Four 사업단의 지원을 받고 있다. 본 연구는 신소재공학부의 이동민 학생과 김상우 교수가 함께 참여하였다.

손성욱 교수의 연구 결과는 한국연구재단 중견연구지원 사업을 지원받아 수행하였으며, 화학분야의 최상위 저널인 Angewandte Chemie Int. Ed. (IF=16.823)에 2022년 발표되었다.

※ 논문명: Core-Shell ZnO@Microporous Organic Polymer Nanospheres as Enhanced Piezo-Triboelectric Energy Harvesting Materials