[세상에 이런기술] 홍합이 만드는 슈퍼 접착제의 재발견

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[세상에 이런기술] 홍합이 만드는 슈퍼 접착제의 재발견

전극에 촉매 고정하는 고분자 바인더 개발.. 수중 접착력 뛰어나
고분자 바인더 접착력 힘 분석, 수계 금속 공기 배터리 등 응용

한주연 82blue@hanmail.net
등록 2022.03.13
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[지데일리] 거센 파도와 조류에도 끄덕 않고 바위에 착 붙어 생존하는 홍합.

이런 홍합의 수중접착을 모방해 피부나 뼈의 접착뿐만 아니라 지지체 표면개질용 재료, 심지어는 약물전달체, 세포전달체로도 널리 활용되고 있다. 국내 연구진이 이런 홍합의 뛰어난 수중 접착력을 모방한 해수전지용 바인더 물질을 개발해 주목된다.

해수전지는 바닷물로 전기를 저장하고 꺼내 쓸 수 있는 친환경 에너지 저장장치다. 차세대 고밀도 에너지저장 장치인 수계 금속 공기 배터리처럼 물(바닷물)을 전해질로 쓴다는 공통점이 갖고 있다. 일반적인 배터리는 소수성(물과 섞이지 않는 기름 같은 성질)의 유기 용매를 전해질로 사용한다.

13일 UNIST(울산과학기술원)에 따르면 에너지화학공학과 이동욱 교수팀은 홍합의 뛰어난 수중 접착력을 모방한 해수전지용 바인더 물질을 개발, 전지 전극 성능을 크게 개선했다. 이번 연구는 에너지화학공학과 이현욱·곽상규 교수 연구팀과 함께 이뤄졌다.

해수전지의 양극은 탄소 섬유가 엮인 집전체와 섬유 표면에 발라진 촉매 입자로 구성돼 있다. 바인더는 이 촉매와 집전체를 접착 시켜 고정하는 물질을 말한다.

이번에 연구팀이 개발한 바인더는 홍합의 접착 단백질 성분을 모방해 수중에서도 매우 뛰어난 접착력을 지니는 것이 특징이다.

기존 바인더들이 유기 용매에서와는 달리 물속에서는 접착력이 크게 떨어지는 문제를 해결한 것이다. 집전체와 촉매가 제대로 접착돼 있지 않으면 전지에 과부하(과전압)가 걸리고 집전체가 부식되기 쉬운 게 일반적이다.

이 바인더를 쓴 해수전지는 기존에 자주 사용되는 플로라이드 계열 바인더를 사용했을 때 보다 과전압이 최대 60% 이상 감소했으며, 전극 성능(충·방전 과전압 차이)도 4배 정도 커졌다.

전자현미경 관찰 결과 집전체의 부식도 크게 나아졌다. 바인더 내부에서는 촉매 입자가 검출됐는데, 이는 바인더가 집전체 부식뿐만 아니라 촉매 탈착을 막는 보호 효과까지 있음을 보여주는 결과라고 연구진은 설명했다.

연구팀은 개발한 바인더가 우수한 접착력을 보이는 이유를 표면힘측정기 실험과 밀도범함수 이론분석 등을 통해 밝혀냈다. 분석결과 촉매와 바인더, 집전체와 바인더가 맞닿는 계면에서 상호 작용 힘이 강할수록 촉매가 집전체에 더 단단히 고정됨을 알 수 있었다.

구체적으로 합성한 결착제를 촉매와 함께 탄소 집전체에 코팅해 전극을 제조했다. 이렇게 만들어진 전극을 해수전지에 적용해 구동시켰고, 구동 전후에 따른 표면 변화를 고분해능 투과전자현미경을 통하여 분석했다.

탄소 섬유에 코팅된 바이인더가 촉매와 집전체인 탄소섬유를 잘 접착시킬 뿐만 아니라 촉매의 탈락을 막는 보호 효과까지 있음을 보여주는 그림. UNIST 제공

합성한 결착제를 이용한 전극은 대부분 이소불화비닐를 활용했을 때보다 과전압이 최대 60% 줄었으며, 전극의 성능 역시 최대 4배까지 높아졌다.

또한 표면을 이미지로 직접 관찰한 결과 합성한 결착제를 활용하면 구동 후에도 촉매-집전체 계면 에도 결착제 내부에서도 집전체와 함께 촉매의 존재가 확인돼 합성된 결착제가 촉매를 집전체에 잘 붙이고 있어 탄소부식방지 뿐 아니라 촉매탈착방지까지 가능한 것으로 나타났다.

이소불화비닐을 활용한 전극은 촉매가 집전체의 표면에서 모두 떨어져 나갔을 뿐 아니라 이소불화비닐마저 벗겨져 나가 탄소부식이 일어났다.

이에 합성한 결착제의 우수한 수중 접착성과 이에 따른 촉매-집전체 안정성, 촉매 탈착방지와 탄소부식방지효과를 이용해 다른 수계 시스템을 사용하는 전지에 활용할 수 있을 전망이다.

나아가 금속에 대해 특히 우수한 수중 접착성을 보이는 만큼 전자기기와 수중 금속 접착제로써 활용이 가능할 것으로 예상된다.

공동 제1 저자인 최지은 연구원(에너지화학공학과 석박통합과정)은 “강력한 수중 접착력뿐만 아니라 탄소부식·촉매탈착 방지 특성을 갖춘 소재로 해수전지 뿐 아니라 다양한 수계(물) 금속 공기 배터리의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

<촉매-집전체 계면에서의 홍합 모사 고분자 결착제>
a. HR-TEM으로 촬영한 100사이클 구동 후 촉매-집전체 계면. 왼쪽 상단은 해수전지의 구조 모식도. 오른쪽 삽화는 사용된 백금 촉매의 분포도를 촬영한 것으로 촉매가 고르게 분포돼 있음을 알 수 있다.
b. 결착제의 촉매와 집전체에 작용하는 여러 가지 상호작용.

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