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과기정통부와 연구재단은 박호석 교수가 꿈의 신소재로 불리는 2차원 반도체 포스포린의 에너지 저장 기작(mechanism)을 밝히고 에너지 저장장치로서의 가능성을 입증한 공로가 높이 평가됐다고 선정 배경을 설명했다.
포스포린(phosporene)은 인(P)에 고온고압을 가하면 되는 흑린의 표면을 원자 한층 두께로 떼어낸 2차원 물질로 밴드 갭(에너지 준위 차)이 있어 전류를 제어하기 쉽다.
고용량 에너지 저장 신소재와 관련해 화학반응이 아닌 전극표면의 물리적 흡·탈착으로 에너지를 저장하는 슈퍼 커패시터가 높은 출력과 빠른 충·방전 속도 때문에 주목받지만 에너지 밀도가 낮아 활용에 어려움이 있었다.
특히 포스포린은 상용 흑연보다 전기용량이 7배나 높지만 전기전도도가 낮아 고용량 발현이 어렵고 충·방전 안정성이 떨어져 에너지 저장 소재로 활용하는 데 한계가 있었다.
박호석 교수 연구팀은 포스포린이 기존 이차전지와 달리 표면에서 산화·환원반응을 보이는 물리·화학적 특성에 주목하고 실시간 거동관측 기술로 포스포린의 환원 기작을 규명, 포스포린을 활용한 고효율·고출력·고안정성 슈퍼커패시터 소재를 개발했다.
기존 분자 수준의 표면 제어로는 달성하지 못했던 포스포린의 부피 팽창과 낮은 전도성 문제를 나노 구조화 및 화학적 표면 제어 기술로 해결한 것이다. 연구팀은 실제 2차원 포스포린을 전극소재로 응용, 이론 용량의 92%를 사용해 상용 활성탄 대비 4배에 달하는 용량을 구현했다.
박호석 교수는 “배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 슈퍼 커패시터 메커니즘을 규명하고 고효율·고출력·고안정성을 보여준 점에서 의미가 있다”며 “향후 포스포린의 에너지밀도 한계가 극복되면 고용량 에너지저장 신소재 개발 및 다양한 전기화학 시스템의 성능개선에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.