KAIST, 전기 이중층 분자구조 변이 규명…탄소중립기술 극대화

POSTECH·UNIST 공동 연구, 구조적 상전이 최초 규명

전해질 농도변화로 전기용량 낙타→종 변이현상 밝혀

[대전=뉴시스] 전기 이중층 구조 변화로 나타나는 낙타형→종형 곡선 전이 연구도. 전해질 농도가 낮으면 물 분자의 재배열로 두 개의 봉우리를 가진 낙타형 곡선이 나타나고 농도가 높아지면 종형으로 바뀐다.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 전극·전해질이 맞닿는 얇은 경계면인 '전기 이중층'에서 분자구조가 바뀌는 과정을 최초로 규명해 수소에너지 같은 탄소중립 기술의 효율을 극대화할 수 있게 됐다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 화학과 김형준 교수팀이 포스텍(POSTECH) 최창혁 교수, UNIST 신승재 교수와 공동으로 전기 이중층 내부에서 물질의 상태나 배열이 바뀌는 현상인 구조적 상전이의 원인을 규명했다고 3일 밝혔다.
 
전기화학 반응은 전극과 전해질이 맞닿는 초미세 공간인 전기 이중층에서 일어난다. 전해질 농도가 높아질수록 전기용량 곡선이 두 개의 봉우리를 가진 '낙타' 모양에서 하나의 봉우리인 '종' 모양으로 바뀌는 현상이 오래전부터 알려져 있었지만 원인은 설명되지 못하고 있었다.

이번에 공동연구팀은 원자수준의 정밀 시뮬레이션과 실험을 통해 전극에 걸리는 전압에 따라 두 가지 핵심 변화가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.
 
시험을 통해 음극에서는 물 분자들이 일정한 방향으로 일제히 재배열되고 양극에서는 음이온들이 표면에 밀집해 2차원 구조를 형성하는 '응축' 현상이 나타남을 확인했다.

이 두 과정은 각각 전기용량 곡선의 봉우리를 만들며 전해질 농도가 높아질수록 하나로 합쳐지면서 곡선 형태가 낙타에서 종으로 변화하게 된다.
 
연구팀은 "한쪽에서는 물 분자들이 줄을 맞춰 정렬되고 다른 쪽에서는 이온들이 빽빽하게 모이는데 농도가 높아지면 이 두 현상이 하나로 합쳐지면서 그래프도 두 봉우리에서 하나로 바뀐다"고 설명했다.

또 연구팀은 전극에 걸리는 전압인 전극 전이와 전해질 농도에 따라 전기 이중층 구조가 어떻게 달라지는지를 한눈에 보여주는 지도 '상도표(phase diagram)'를 최초로 제시하고 이를 적외선 분광법으로 입증했다.

이번 연구를 통해  전극–전해질 계면의 미세환경을 정밀하게 설계할 수 있는 기반이 마련돼 향후 배터리 충전속도 향상, 수소생산 효율 극대화, 전기촉매 반응 선택성 제어 등 에너지기술을 획기적으로 향상시키는 데 중요한 기반을 확보하게 됐다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 7일 게재됐다.

김형준 교수는 "이 연구로 보이지 않게 미세한 전기화학 반응환경을 처음으로 이해하고 이를 설계할 수 있는 기술을 갖게 됐다"며 "전기 이중층의 상전이를 정밀하게 제어할 수 있다면 배터리 충전속도를 높이거나 수소생산 효율을 극대화하는 등 에너지 기술을 크게 향상시킬 수 있다"고 말했다.


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