환경·에너지소재연구실(2025년 4월호)
- 성완 박
- 3월 31일
- 3분 분량
환경·에너지소재연구실(Environmental & energy materials Lab., EEML)은 건국대학교 글로컬캠퍼스 에너지신소재공학과에 소속되어 있으며 김연호 교수님 지도하에 현재 연구원 2명, 석사 과정 4명, 학부연구생 8명이 함께 연구하고 있습니다.
EEML은 나노 단위 광촉매(photocatalyst)를 개발하고, 광촉매 반응 과정에서 발생하는 산화/환원 메커니즘(artificial photosynthesis)을 연구하여 효율적이고 환경 친화적인 그린 수소 생산 및 이산화탄소 재연료화 기술을 개발하는 것에 매진하고 있습니다. 아울러, 리튬 이온 배터리용 실리콘 기반 음극재와 아연 이온 배터리를 위한 혁신적인 양극 소재를 포함한 차세대 배터리 소재를 개발하고 첨단 배터리 특성 분석 기술 연구를 통해 에너지 저장 시스템의 성능을 극대화하기 위해 노력하고 있습니다.
EEML은 홍합의 독특한 수중 접착 메커니즘에서 영감을 받아 개발된 생체 모방 고분자인 폴리도파민(polydopamine) 코팅 기술을 활용하여 광촉매 및 전지 소재를 디자인하고 있습니다.
폴리도파민은 카테콜(catechol)과 아민(amine) 작용기를 가진 도파민(dopamine)이 약알칼리성 조건에서 자발적으로 고분자화되어 생성되며 모든 표면에 우수한 접착 특성을 제공하는 동시에 간단하고 환경 친화적인 개질 공정을 가능하게 합니다.
폴리도파민은 가시광선 영역의 빛을 효과적으로 흡수하며, π-π* 전자 전달 경로를 생성하고 전자와 정공이 위치할 수 있는 밴드를 제공합니다. 이를 광촉매에 적용하면 전자-정공 쌍의 분리가 향상되고 광 흡수 대역이 넓어지며 광촉매 효율이 크게 향상됩니다. 또한 금속 전구체를 첨가해 폴리도파민 구조 내에 금속 이온을 고정화시키는 기술을 활용하면, 복합소재 기반 광촉매의 반응성을 극대화할 수 있습니다.
폴리도파민은 고온의 열처리 과정을 통해 전도성을 가진 탄소 물질로 쉽게 바꿀수 있으며, 이를 이차전지의 음극재에 적용할 경우 빠른 충·방전 속도에서도 높은 용량을 유지할 수 있습니다. 또한 높은 전기전도도를 제공하며 음극재의 팽창을 효과적으로 억제하는 특성을 통해 전지의 안정성과 성능을 동시에 향상시키는 데 기여합니다.
EEML에서는 높은 잠재력을 지닌 폴리도파민을 활용해 산업의 발전과 지속 가능성이 함께하는 길을 모색하고 있으며 그 가능성에 투자하고 있습니다.
광촉매는 빛 에너지를 활용해 화학 반응을 촉진하며, 환경 정화와 에너지 전환 기술에서 핵심적인 역할을 수행하는 물질입니다. EEML은 금속 나노 입자, 탄소 기반 물질, 금속 산화물 반도체를 복합화하여 광촉매 표면을 정밀하게 설계하고 산화·환원 메커니즘을 규명함으로써 광촉매 효율을 극대화하는 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 개발된 광촉매는 연구실 이름에 걸맞게 유기 염료 분해, 그린 수소 생산, 이산화탄소의 재연료화 등 다양한 환경 및 에너지 분야에서 활용되고 있습니다.
이차전지는 충전과 방전을 반복적으로 수행할 수 있는 재사용 가능한 전지로, 에너지 저장 장치의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 특히, 친환경적이고 고효율의 차세대 이차전지 개발은 탄소 중립 목표 달성을 위한 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 최근 EEML에서는 탄소-실리콘 복합 음극재, 집전체 일체형 전극과 같은 혁신적인 소재 연구를 통해 에너지 밀도를 높이고 안정성을 강화하며, 더 높은 충전 속도와 장수명을 제공하는 이차전지 기술을 개발하고 있습니다.
앞으로 EEML의 연구가 에너지 저장 시스템의 성능을 혁신적으로 향상시키고 환경 친화적인 미래 에너지 솔루션을 실현하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.
EEML은 다양한 분야에서 활용될 수 있는 유·무기 합성 인프라를 갖추고 있습니다. 또한 XRD, UV-vis, FT-IR, PL 등 분광학 기기와 GC, GC/MS 등의 크로마토그래피 장비, potentiostat, battery cycling system, FE-SEM 등 폭넓은 분석 장비를 연구실 자체적으로 보유하고 있으며 이를 효율적으로 운용하고 있습니다. 연구실 구성원들은 첨단 장비를 직접 활용하고 학습하며 재료, 분석, 유·무기 화학 등 다양한 화학 분야의 전문성을 갖춘 연구자로 성장할 수 있습니다.
김연호 교수님께서는 연구실 구성원들의 취미 생활을 장려하고 개인 시간을 존중하며, 구성원들이 연구에만 집중할 수 있도록 쾌적하고 풍요로운 연구 환경을 조성하는 데 힘쓰고 계십니다. 연구실에는 공기청정기, 커피 머신, 아이스메이커 등 다양한 편의시설이 구비되어 있어 구성원들이 즐겁고 편안하게 생활할 수 있습니다.
EEML의 정기 워크샵은 연구실 구성원들과 타 학교 연구자들이 연구 성과를 공유하고, 친목을 도모할 수 있는 소중한 기회입니다. 교수님의 아낌없는 지원으로 스키, 족구 등 여가 활동과 함께 맛있는 식사를 즐기며 소속감을 높이고, 다음 연구를 위한 동기와 추진력을 얻을 수 있습니다.
또한, EEML은 정기적인 랩미팅을 통해 교수님과 구성원 간의 원활한 소통을 지원하고 있습니다. 이 시간에는 연구 결과를 자유롭게 공유하며 경직되지 않은 편안한 분위기 속에서 더 나은 연구 방향에 대한 의견을 나누고 피드백을 주고받습니다. 이를 통해 연구실 구성원들은 더욱 성장하며 훌륭한 연구자로서의 역량을 키워가고 있습니다.
더불어, 김연호 교수님의 폭넓은 네트워크를 기반으로 다양한 분야의 교수님들과 기업 관계자분들을 초청한 세미나를 정기적으로 개최하고 있으며, 직접 기업을 방문하여 현장을 체험하거나 인턴십을 통해 실무 경험을 쌓는 기회도 제공하고 있습니다. 이러한 교류를 통해 연구실 구성원들은 한 분야에 국한되지 않고 폭넓은 시야와 다양한 관점을 갖출 수 있습니다.
최근에는 폴란드 연구팀에서 연구원이 방문하여 공동 실험을 진행하고 서로의 문화를 나누는 소중한 시간을 보냈습니다. 이 경험을 통해 연구실 구성원들의 영어 회화 실력이 자연스럽게 향상되었을 뿐만 아니라 서로의 연구 방식을 공유하며 새로운 아이디어와 혁신적인 연구 방향을 모색하는 계기가 되었습니다.
두 개 이상의 서로 다른 물질이 결합하여 더 우수한 물성을 발휘할 때 이를 composite이라 합니다. 연구는 결코 쉽지 않은 길이지만, EEML의 구성원들이 함께 하나의 “composite”을 만들어가는 과정 속에서 서로 협력하고 배움을 나누며 끊임없이 성장해 나갈 수 있을 것이라 믿습니다.
이 모든 과정의 중심에는 김연호 교수님의 탁월한 지도와 아낌없는 관심이 자리하고 있습니다. 김연호 교수님께 항상 감사하다는 말씀을 드리고 EEML이 밝고 희망찬 미래를 향해 나아가길 진심으로 기원하며, 이 글을 마칩니다.
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