국내 연구팀이 양친화성 층상 조립법을 이용하여 극성을 띠지 않는 무기(금속 또는 금속 산화물) 나노입자와 극성을 띠는 고분자의 다층 박막 필름을 제작하는데 성공하였다.

양친화성 층상조립법이란 설폰산 또는 인산기와 금속 나노입자 표면과의 강한 친화력을 기반으로 추가적인 물질 삽입 또는 표면처리 없이 극성 재료와 무극성 나노입자의 직접적인 기능성 나노복합체 필름을 제작하는 방법을 말한다.

고려대 화공생명공학과 조진한 교수, 박민경 석사과정, 고용민 박사과정, 김영훈 박사 등 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약)의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학분야 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판 11월 26일자에 게재되었다. 

무극성 무기 나노입자는 결정성이 좋고 고농도로 합성할 수 있어 기능성 필름소자 제작에 널리 쓰인다.

하지만 극성을 띠지 않아 탄소나노튜브나 그래핀 같은 소자용 물질에 결합(흡착)시키려면 입자의 표면을 바꾸는 추가적인 과정이 필요하고 흡착량이 낮아 소자의 성능향상에도 한계가 뒤따랐다. 

연구팀은 복잡한 추가공정 없이 비교적 손쉽게 무극성 나노입자와 수용액상에 분산된 극성물질을 직접적으로 결합시켜 다층박막 형태로 만드는 방법을 개발했다. 

고분자나 탄소기반 물질이 가지고 있는 특정 작용기(설폰산 또는 인산기)와 무기 나노입자 표면과의 강한 결합력을 이용한 것으로, 무극성 나노입자와 탄소나노튜브나 그래핀 등 소자용 물질과의 복합체를 다층박막 형태로 제작하는 데 기여할 것으로 기대된다. 

한편 연구팀은 산화철 나노입자와 그래핀 나노시트를 반복적으로 쌓아올린 슈퍼커패시터 전극을 제작하고 기존 전극보다 2배 이상의 높은 에너지 저장능력을 확인하였으며, 1,000 사이클 구동 후에도 93% 이상의 높은 소자 성능을 유지하는 것을 확인하였다.

슈퍼커패시터는 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가지나 높은 파워출력을 가진 기존 커패시터와 높은 에너지 밀도를 가지나 상대적으로 낮은 파워 출력을 갖는 리튬 이온 배터리의 장점만을 살린 차세대 에너지 저장장치를 말한다.

연구팀은 “극성,무극성의 전혀 다른 화학적 성질을 가지는 물질들의 나노복합체 박막을 손쉽게 제작하는 방법을 제시한 것으로 촉매, 전기화학적, 자성, 반도체적 특성 등을 가진 여러 가지 기능성 무기나노입자와 바이오(생체적합) 물질의 나노복합체 제작이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.