[대학저널 임지연 기자] UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀과 POSTECH(총장 김도연) 화학과 박수진 교수팀이 ‘저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발했다. 또 이 물질을 원자 단위에서 시뮬레이션해 ‘반금속 성질’을 가지는 것을 확인했다. 반금속은 비금속과 금속의 중간 성질을 가지는 물질로 비금속보다 전기 전도도가 높다. 비금속(반도체)인 실리콘에 황을 도핑함으로써 전기 전도도를 높이게 된 것이다.
현재 리튬 이온 배터리의 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 쓰인다. 그러나 흑연은 이론적 용량 한계가 있어 대체 소재 개발이 진행 중이다. 실리콘이 중요한 후보지만 전기 전도도가 낮고, 충․방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨진다는 문제가 있었다.
박수진-이준희 교수팀은 이런 실리콘의 단점을 해결하는 ‘1% 도핑법’을 개발했다. 저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법을 제안한 것이다. 이 방식으로 합성된 ‘반금속 실리콘’은 탄소 없이도 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다. 기존에는 실리콘의 전도도를 개선하기 위해 탄소를 섞었는데 그럴 필요가 없어진 것이다.
공동 제1저자인 류재건 POSTECH 박사 후 연구원은 “실리콘에 황 같은 칼코겐 원소가 도핑되면 부도체-금속 전이가 일어나 금속 성질을 가지며, 반도체 분야에서는 이온 주입법을 이용해 칼코겐 원소를 실리콘 기판에 도핑함으로써 광전자적 특성을 개선하고 있다”며 “기존 공정은 복잡하고 비싸며 불안정성이 높아 대량 생산에 적합하지 않았는데, 이번 연구로 손쉽게 반금속 실리콘을 만들게 됐다”고 설명했다.
류재건 박사는 “반응 시작부터 황을 도입하는 방식을 써서 실리콘 입자에 균일하게 황을 도핑하는 데 최초로 성공했다”며 “이 방식으로 합성된 반금속 실리콘은 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다”고 말했다.
특히 이 기술로 만든 반금속 실리콘은 내부에 황 사슬도 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데도 기여한다. 실리콘과 황 원자, 또 황 사슬이 치환되면서 전기 전도도와 리튬 이온 확산속도를 모두 높이는 것이다. 이는 고속충전이 가능한 고에너지 배터리 개발에 이상적인 물리적 성질로 평가된다.
한편 이번 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 5월 28일자로 게재됐다. 연구 수행은 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다.
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