원천기술 확보·바이오매스 새로운 응용 가능성 제시
에너지·환경 분야 국제학술지 <ChemSusChem> 논문 게재

화학공학과 박호석 교수팀이 목재 폐기물에서 재생 가능한 에너지 저장용 전극 소재를 개발했다. 교수팀은 버려지는 목재에서 추출한 생체고분자 리그닌(Lignin)의 나노 결정을 2차원 나노신소재인 그래핀과 결합하면, 차세대 에너지 저장소자로 각광받고 있는 슈퍼커패시터의 전극 소재로 사용할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 슈퍼커패시터는 기존 리튬이차전지 소재에 비해 높은 용량과 출력, 빠른 충·방전 속도, 안정성, 내구성을 가진다. 리그닌-그래핀 전극은 두 소재의 결합으로 시너지 효과를 유도함으로써 슈퍼커패시터의 장점을 극대화해 이차전지를 포함한 에너지 저장 소재 분야의 새로운 가능성을 제시했다. 연구결과는 에너지·환경 분야의 국제학술지 <켐서스켐(ChemSusChem)> 4월 4일자 온라인판 뒷 표지 논문으로 게재됐다. 제1저자로 화학공학과 김성곤 박사와 김윤기 학생이 참여했다.

리그닌 나노 결정과 그래핀 산화물 하이브리드화해 전극 조립
스마트 폰, 태블릿PC 등 휴대용 스마트 기기 사용이 늘어나면서 고성능 에너지 저장 수요가 급격하게 증가했다. 이 같은 수요를 충족시키기 위해 박호석 교수팀은 새로운 에너지 저장 소재 개발에 관심을 갖게 됐다. 무기물 기반의 기존 이차전지가 비싸고, 재생이 어렵고, 전극 기준 용량이 제한된 한계가 있기 때문이다. 박호석 교수는 “더 오래 사용할 수 있는 이차전지를 위한 에너지 저장 소재를 개발하고, 원천기술을 확보하기 위해 높은 에너지 용량과 출력을 갖고 있으면서 저렴하고, 재생 가능한 친환경 전극 소재를 찾게 됐다”고 밝혔다.

박호석 교수팀이 활용한 전극 소재의 원료는 목질계 바이오매스 내에 존재하는 리그닌이다. 바이오매스는 나무, 해조류, 풀 등에서 자연적으로 생성·소멸되는 유기성 자원이다. 리그닌은 셀룰로스와 함께 목재를 구성하는 주성분이지만, 셀룰로스와는 달리 거의 활용되지 못하고 대부분 폐기됐다. 교수팀은 리그닌 나노 결정과 그래핀 산화물을 하이브리드화하고, 환원 과정을 통해 전극으로 조립했다. 리그닌-그래핀 전극은 리그닌에서 산화·환원 반응을 구현해 충전 용량을 활성탄 전극의 2배 이상 증가시켰을 뿐 아니라, 그래핀 본연의 우수한 전기적 특성, 넓은 표면적, 전기화학적 안정성을 이용해 높은 출력과 내구성을 동시에 달성했다.

“이번 연구는 에너지 저장 소재 분야의 원천기술을 확보하고, 바이오매스 분야의 새로운 응용 가능성을 보여준 사례”라고 평가한 박호석 교수는 “상용화를 위해 앞으로 에너지 저장 소재와 바이오매스 분야 간의 융합 연구가 지속돼야 한다”고 설명했다.

“타 전공자와 교류하면 전혀 생각하지 못한 아이디어 얻게 돼”
박호석 교수는 이번 연구에서 아이디어를 얻게 된 과정을 설명하며 타 전공자와의 학문적 교류와 융합 연구의 중요성을 강조했다. “전공이 다른 타 대학 교수들과 교류하면서 목재 폐기물, 음식 쓰레기 등에서 유용한 자원을 추출하는 바이오매스 연구진을 알게 됐고, 그 과정에서 아이디어를 얻게 됐다”고 밝힌 뒤, “자신의 전공 분야만 생각하면 아이디어가 틀에 박히기 쉬운데, 다른 전공 분야 연구자와 교류하면 전혀 생각하지 못한 아이디어를 얻게 되면서 시너지 효과를 얻는 것 같다”고 말했다. 그는 “평소에도 학생들에게도 믿음, 신뢰를 바탕으로 한 교류와 융합 연구가 중요하다고 가르친다”고 전했다. 

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 시행하는 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 진행됐으며, 박호석 교수팀을 비롯해 한국과학기술연구원(KIST) 이현주 박사팀, 미국 메릴랜드 대학교 이상복 교수팀이 참여했다. 박호석 교수팀과 이상복 교수팀은 에너지 저장 소재 분야, 이현주 박사팀은 바이오매스 분야를 연구했다.