국제학술지 ‘Composites Part B: Engineering’ 게재 

방사선 차폐가능한 보론나이트 나노튜뷰, 우주형 소재 부각

본교 화학과 김명종 교수 연구팀이 보론 나이트라이드 나노튜브(BNNT)와 텅스텐 혼성체를 이용한 고효율 에너지 저장기술을 개발했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부(MSIT), 한국연구재단(2020R1A2C1101561)의 지원으로 진행됐고, 연구결과는 ‘Composites Part B: Engineering’ (IF: 12.7, IF% 상위 0.3%) 최신호(6월)에 논문명 ‘Alternative inner filling and outer surface coating of BNNT by Tungsten(VI) oxide for supercapacitor electrode’로 게재됐다. <제1저자 김홍구 원생(박사과정)· Chandan Kumar Maity 박사(가천대), 교신저자 김명종 교수>

현재 선진국을 중심으로 인류의 마지막 블루오션인 우주개발을 위해 단순 탐험을 넘어 필수 자원채취 및 사업화를 목표로 박차를 가하고 있다. 이에 방사선을 차폐할 수 있는 보론 나이트라이드 나노튜브(BNNT)는 우주환경이 요구하는 화학적 안정성, 높은 열전도도, 고강도, 경량 특성을 갖고 있어 우주선 및 우주복의 각종 부품의 원료로 사용될 수 있는 우주형 소재로 부각되고 있다. 지구에는 자기장이 있어 방사선을 막을 수 있지만 달이나 우주에는 지구와 같은 자기장이 없어 인체와 전자기기가 방사선 노출에 취약하기 때문이다. 

김명종 교수팀은 BNNT에 텅스텐 산화물(WO3)을 선택적으로 내부에 채우거나 외부에 코팅하는 방법을 개발했다. BNNT는 중성자를, 텅스텐 원자는 감마선을 차폐할 수 있다. 이에 BNNT-텅스텐 혼성체는 중성자와 감마선을 동시에 차폐하는 소재로 활용이 가능해 우주 및 국방 응용이 기대될 뿐 아니라 (특허 10-2024-0019043), 에너지를 저장하는 슈퍼 캐패시터로의 응용 또한 가능하다. BNNT 내부에 텅스텐 산화물을 채우면 슈퍼 캐패시터의 안정성이 향상되고, 외부에 코팅하면 에너지 저장 능력이 향상된다. 또한 BNNT는 전해질 이동 통로 역할을 하며 텅스텐 산화물의 구조를 안정화하는 과정을 돕는다. 이러한 물질 결합은 전기화학적 성능과 안정성 측면에서 중요한 향상을 보인다.

이 실험에서 WO3로 코팅된 BNNT는 856 F/g의 높은 전기화학적 활성을 보였다. 슈퍼커패시터 장치로 사용했을 때 최대 137 F/g의 비정전용량과 52 Wh/kg의 에너지 밀도를 나타냈고 이러한 장치는 시간이 지나도 약 81%의 용량을 유지했으며, WO3로 채워진 BNNT 장치는 약 94%의 용량을 유지해 BNNT가 WO3의 안정화에 중요한 역할을 하는 것으로 확인됐다. 이러한 특성은 특히 우주탐사에서 신뢰할 수 있고 효율적인 에너지 저장 시스템이 필수적이라는 근거가 되며 중요한 의미를 가진다. 

이 연구팀은 보론 나이트라이드 소재들을 지속적으로 연구해 더욱 효율적이고 내구성 있는 에너지 저장 시스템을 개발할 계획이다.