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[KIMS TECH] 지구상에서 비표면적이 가장 큰 ㅇㅇ!

기능성 나노 소재는 현대 산업의 에너지와 환경, 화학 및 바이오 분야에서 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 그중에서도 금속 유기 골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 리간드가 반복적으로 결합하여 형성된 독특한 배위 고분자 화합물입니다. 이 소재의 가장 큰 특징은 내부가 비어 있는 골격 구조를 지니고 있어 비표면적이 매우 넓다는 점입니다. 마치 미세한 나노 세계에서 수많은 빈 공간을 포함하고 있는 격자 구조를 형성하여 다양한 물질을 수용할 수 있는 최적의 조건을 갖추고 있습니다. 이러한 구조적 장점 덕분에 금속 유기 골격체(MOF)는 차세대 다공성 소재로서 학계와 산업계 모두에서 큰 주목을 받고 있습니다. 금속 유기 골격체(MOF)의 진가는 사용자의 목적에 맞춰 기능을 세밀하게 조절할 수 있다는 데 있습니다. 유기 리간드와 금속의 종류를 변경함으로써 기공의 크기와 구조를 옹스트롬(Å) 단위까지 정교하게 설계할 수 있습니다. 이러한 기능 맞춤형 나노다공성 구조는 특정 가스와의 물리적, 화학적 상호작용을 극대화하여 가스 흡착 효율을 획기적으로 높여줍니다. 특히 지구 온난화의 주범인 온실가스를 효과적으로 포집하고 제거하는 기술에 적합하여, 탄소 중립 실현을 위한 필터 소재로서 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이는 환경 보호와 산업 발전을 동시에 꾀할 수 있는 혁신적인 기술적 해답이 될 것입니다. 이 소재는 그 자체로 사용될 뿐만 아니라 고성능 분말 합성을 위한 훌륭한 전구체로도 활용됩니다. 열처리 조건을 정밀하게 제어하면 입도와 형상이 조절된 금속 산화물이나 탄소 소재를 합성할 수 있으며, 이는 전자파 흡수체나 세라믹 분말 제조에 응용됩니다. 이렇게 만들어진 소재들은 우수한 기계적 강도와 열적 안정성을 바탕으로 고체 산화물 연료전지(SOFC) 전해질, 생체 재료, 내화 소재 등 광범위한 분야에서 쓰입니다. 레고 블록처럼 무한한 조합이 가능한 금속 유기 골격체(MOF) 기술은 우리 실생활의 에너지 문제와 환경 안전 문제를 동시에 해결하는 핵심 열쇠가 되어 미래 산업의 지형을 변화시킬 것으로 기대됩니다.

[2021 KIGAM Tech-Biz 파트너링] 커피찌꺼기로 제조된 활성탄 기반 수퍼커패시터용 고성능 전극 제조 기술

현대 사회에서 매년 막대하게 발생하는 커피 찌꺼기는 이제 단순한 폐기물을 넘어 새로운 자원화의 가능성을 열어주고 있습니다. 특히 에너지 저장 장치의 핵심 소재인 고기능성 활성탄을 제조하는 기술은 폐기물 자원화와 고부가가치 창출이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡는 전략입니다. 현재 고품위 활성탄은 대부분 수입에 의존하고 있어, 이를 국산화하고 친환경적인 공정으로 전환하는 연구는 탄소중립 시대에 매우 중요한 산업적 가치를 지닙니다. 커피 찌꺼기는 특유의 섬유 구조 덕분에 활성탄으로 변환하기에 매우 적합한 특성을 가지고 있습니다. 연구팀은 복잡한 전처리 과정을 단순화하여 탄화와 활성화 공정을 단일화함으로써 제조 비용을 획기적으로 낮추는 데 성공했습니다. 또한 기존의 폴리머 바인더 대신 고농도 활성탄 잉크를 활용하여 전극 저항을 낮추고 전해액 침투성을 높였습니다. 이러한 최적화 과정은 소재가 높은 비표면적을 유지하면서도 효율적인 에너지 저장 성능을 발휘할 수 있게 돕습니다. 새롭게 개발된 커피 찌꺼기 기반 활성탄은 기존 상용 제품과 비교했을 때 월등히 향상된 에너지 저장 능력을 보여주었습니다. 이는 1,000에서 1,500 사이의 높은 비표면적과 더불어 표면에 존재하는 질소와 황 같은 표면 기능기들이 복합적으로 작용하여 얻어낸 결과입니다. 특히 전도성 바인더의 도입은 활성탄의 유효 비표면적을 극대화하여 정전 용량을 크게 향상시켰습니다. 소재 자체의 우수한 물리적 특성이 전기화학적 성능으로 이어지며 차세대 에너지 저장 장치의 핵심으로 부상하고 있습니다. 이 기술의 응용 범위는 단순히 에너지 저장에만 국한되지 않습니다. 높은 비표면적을 가진 활성탄의 특성을 활용하면 수중의 오염 물질을 제거하거나 대기 중의 유해 물질을 걸러내는 고성능 흡착 필터로도 사용이 가능합니다. 또한 일반적인 슈퍼커패시터의 한계를 넘어 더 높은 에너지 밀도를 목표로 하는 하이브리드 시스템에도 적용될 수 있음을 실험적으로 확인했습니다. 커피 찌꺼기에서 추출되는 오일까지 활용하는 전방위적 자원 순환 체계는 친환경 기술의 새로운 지평을 열 것으로 기대됩니다. 전 세계적으로 커피 소비량이 늘어남에 따라 원료가 되는 커피 찌꺼기의 수급 또한 매우 안정적이라는 점은 이 기술의 큰 상업적 강점입니다. 사용된 원두의 99%가 폐기물로 배출되는 상황에서 이를 저비용 고효율 에너지 소재로 전환하는 것은 경제적으로도 매우 유망합니다. 전기차와 공유 모빌리티 산업의 급성장으로 슈퍼커패시터 시장이 확대되는 시점에서, 고성능 활성탄 제조 기술의 확보는 미래 에너지 산업의 경쟁력을 높이는 핵심적인 동력이 될 것입니다.

비표면적

[KIMS TECH] 지구상에서 비표면적이 가장 큰 ㅇㅇ!

한국재료연구원

[2021 KIGAM Tech-Biz 파트너링] 커피찌꺼기로 제조된 활성탄 기반 수퍼커패시터용 고성능 전극 제조 기술

한국지질자원연구원KIGAM iN 실험실