연세대학교 미래캠퍼스(미래캠퍼스부총장 권명중) 화학및의화학과의 임대운 교수와 일본 교토대학교(Kyoto University)의 기타가와 히로시(Kitagawa Hiroshi) 교수 연구팀, 그리고 카이스트(KAIST) 김지한 교수 연구팀이 다공성 배위 고분자에서 양성자 전도성에 기여하는 우선순위 요소를 규명했다. 이번 연구는 그 중요성과 우수성을 인정받아 종합화학(multidisciplinary chemistry)분야의 세계적 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF=12.959)에 7월 2일 자로 게재(DOI:10.1002/anie.202106181)됨과 더불어 내부 표지논문(DOI:10.1002/ange.202107901)으로 선정됐다.

최근 탄소 중립 사회의 실현을 위한 에너지 플랫폼의 변화와 함께 수소 경제에 기반을 둔 연료 전지 또는 전기차에 대한 관심이 높은 상황에서 배터리의 안전성과 효율에 관여하는 전해질의 개발은 중요한 이슈이며, 이를 위한 새로운 고체 전해질 개발을 위해 많은 연구자들이 큰 노력을 하고 있다. 자동차 시장에서 전기차에 대한 수요가 늘어남에 따라, 자동차의 성능과 수명을 좌우할 수 있는 배터리 신소재에 대한 관심 또한 더욱 높아지고 있다.

현재까지 배터리는 액체 상태 전해질을 많이 사용하고 있지만, 액체 상태의 전해질은 배터리의 변형 또는 전해질 누출은 안전 문제를 야기하고 있다. 따라서 높은 전도성을 갖는 고체 상태의 전해질 개발은 안전성의 측면에서 필요하며, 유연한 전자 장치개발에 도움이 된다. 현재 유기 고분자에 기반을 둔 고체 전해질이 상용화되어 있으나, 높은 가격과 가습 조건에 따른 전도성 효율 변화가 문제로 알려져 있으며 새로운 고체 전해질의 개발이 필요한 상황이다.

다공성 배위 고분자는 최근 10년간 양성자(이온) 전도체로 주목받고 연구되고 있으며, 다양한 구조 설계 가능성과 높은 다공성, 그리고 손쉬운 동공 표면 개질 특성으로 많은 활용성을 보여주고 있다. 지난 10년간 다양한 방법을 활용하여 다공성 배위 고분자의 이온 전도도를 높이는 방법을 중심으로 한 연구가 진행돼 왔으며, 상용화된 물질에 가까운 전도도를 보고했으나, 다공성 배위 고분자의 본질적인 특성인 다공성과 표면 작용기 그리고 이온 전도도의 상관관계에 대한 연구는 보고된 것이 없었다. 해당 연구는 새로운 이온 전도성 고분자를 설계하는데 고려해야 할 우선순위 요소를 판단하는데 기준을 제시 할 수 있다.

연구팀은 길이가 다른 유기 리간드를 활용하여 동일한 구조를 가지며 동공의 크기가 다른 물질을 합성하였으며, 합성 후 변형 방법(post-synthetic modification)을 통해 구조체를 구성하는 금속 이온의 빈 배위 자리에 요소 분자를 배위 시켜 동공 표면 개질을 시도했다. 특히 요소 분자의 배위 정도를 다르게 하여 표면의 개질 상태의 차이와 함께 동공의 크기의 차이를 동시에 유도했다. 또한, 동공 내의 전도 매개체 흡착 시뮬레이션과 평균 수소 결합에너지 계산을 통해 요소 분자 도입에 따른 양성자 전도 효과를 확인했다.

이번 연구에서는 동공의 크기 변화와 표면 개질의 정도를 체계적인 변화 시켜 동공의 크기와 동공 표면의 작용기중 양성자 전도성이 영향을 주는 우선순위 요소를 밝혔으며, 나노 공간에서의 양성자 전도 매개체의 구속 효과(confinement effect)의 중요성을 성공적으로 확인했다.

이와 같은 결과를 통해, 연구팀은 다공성 배위 고분자 물질에서 동공의 크기와 작용기 도입을 통한 표면 개질에 따른 양성자 전도성 상관관계에서 동공 크기가 전도성 향상에 우선 요소임을 확인했으며, 양성자 전도성을 높여주기 위한 작용기 도입은 전도성 매개체의 구속 효과가 동반되어야 높은 전도성을 나타내는 것을 증명했다. 이를 통해 다공성 배위 고분자를 활용한 고체 전해질 설계를 위한 방향을 제시 할 수 있을 것으로 기대된다.

연세대학교 미래캠퍼스 화학및의화학과의 임대운 교수는 “지난 20년간 다공성 배위 고분자 소재는 에너지/환경에 관련된 다양한 분야에서 활용 가능성이 입증되었으며, 본 연구 성과는 앞으로 에너지 플랫폼에 직접적으로 응용 가능한 소재 설계 방법에 도움이 될 것으로 기대하고 있다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 연세대학교 미래캠퍼스 화학및의화학과 임대운 교수, 일본의 교토대학 화학과 기타가와 히로시 교수, 그리고 카이스트 김지한 교수가 공동 교신저자로 수행했다.