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생명공학기술로 목질개선한 포플러나무 바이오매스로 슈퍼커패시터 개발

2021-02-19 연구/산학

식물·환경신소재공학과 17학번 장현지, 박연후 학생이 식물생명공학 기술을 접목해 화학 성분을 개질한 포플러나무로 슈퍼커패시터를 제작해 포플러나무의 친환경 에너지 저장 소재 응용 가능성을 확인했다. 사진은 형질전환포플러나무 기반의 슈퍼커패시터 소재 제작 과정의 개념도. 형질전환포플러나무를 분쇄해 가루로 만들고, 수산화칼륨과 함께 고온에서 탄화 및 활성화를 동시에 진행해 슈퍼커패시터 소재를 합성한다.

식물·환경신소재공학과 17학번 장현지, 박연후 학생 연구 성과
세계 최초로 식물생명공학 기술 도입해 포플러나무 슈퍼커패시터 개발
포플러나무의 친환경 에너지 저장 소재로의 응용 가능성 확인

식물·환경신소재공학과 학부생인 장현지, 박연후 학생(17학번)이 식물생명공학 기술을 접목해 화학 성분을 개질한 포플러나무로 슈퍼커패시터(Supercapacitor)를 제작해, 포플러나무의 친환경 에너지 저장 소재로의 응용 가능성을 확인했다. 이 새로운 식물 소재를 이용한 슈퍼커패시터는 야생포플러나무보다 정전용량이 약 80% 향상됐다. 관련 연구 결과는 ‘Surface characteristics of porous carbon derived from genetically designed transgenic hybrid poplar for electric double-layer capacitors’라는 논문으로 SCI 국제학술지인 <어플라이드 서피스 사이언스(Applied Surface Science)> 온라인판에 1월 9일 게재됐다. 이번 연구는 같은 과의 이정태, 고재흥, 유정목 교수가 함께했다.

사진은 연구에 참여한 장현지, 박연후 학생과, 이정태, 고재흥, 유정목 교수의 사진.(사진 좌측부터) 연구를 지도한 교수진은 “세계 최초의 결과를 학부생이 이룬 점을 칭한하고 싶다”라며 장현지, 박연후 학생의 연구를 소개했다.

친환경적이고 재생산 가능한 목질 바이오매스인 포플러나무 활용해 슈퍼커패시터 개발
핸드폰이나 노트북 같은 휴대용 기기에는 에너지 저장 장치가 필요하다. 휴대성을 극대화하기 위해서 에너지 저장 장치의 용량은 커지고 부피는 계속 작아진다. 전기자동차의 핵심 부품도 에너지 저장 장치이다. 하지만 지금의 에너지 저장 장치는 여러 환경 유해물질을 담고 있다. 앞으로도 사용량이 늘어날 전망이라 기후위기에 악영향을 끼칠 가능성도 있다. 인간의 편리를 위한 물품이 우리를 위협할 수 있는 상황이다. 자연에서 얻을 수 있는 친환경 소재 이용에 주목할 이유이다. 이런 이유로 바이오매스(Biomass)가 주목받고 있다.

목질 바이오매스는 지구상에서 생산되는 총 바이오매스의 90% 이상을 차지하는 가장 풍부한 탄소원이다. 친환경적으로 재생산이 가능하다. 다양한 식물 중 포플러나무는 바이오매스 생산량이 많고 환경적응력과 정화능력이 좋으며 생산단가도 낮아 바이오매스 생산 수종 중 가장 우수하다고 평가받는다. 목질 바이오매스는 셀룰로오스(Cellulose), 헤미셀룰로오스(Hemicellulose), 리그닌(Lignin) 등의 고분자 화합물의 축적으로 형성된다.

특정 목질 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 비율이 일정해 같은 목질 바이오매스를 사용하면서 전기화학에너지 저장 성능의 향상을 기대하기 어렵다. 하지만 식물생명공학의 발전으로 바이오매스의 화학성분 조절이 가능해졌다. 장현지, 박연후 학생 연구팀은 포플러나무의 형질을 전환해 리그닌의 함량은 낮추고 셀룰로오스의 함량은 높인 포플러나무를 이용했다. 이 재료를 표면적이 넓은 다공성 카본으로 변환하고 이를 전극으로 만들어 슈퍼커패시터를 제작했다.

a-전류 밀도 차이에 따른 상용 슈퍼커패시터 소재(검은색), 형질전환포플러나무(빨간색), 야생포플러나무(파란색)로 만든 슈퍼커패시터의 정전용량 비교. 모든 충방전 속도에서 형질전환포플러나무를 이용해 만든 슈퍼커패시터의 정전용량이 우수함을 확인할 수 있다.
b-형질전환포플러나무(빨간색)와 야생포플러나무(파란색)를 이용해 만든 슈퍼커패시터의 장기 안정성 비교. 형질전환포플러나무와 야생포플러나무를 이용한 슈퍼커패시터 모두 10,000번의 충·방전 후에도 초기용량의 95% 이상을 유지함을 알 수 있다.

연구팀이 만든 슈퍼커패시터는 야생포플러나무나 상용 슈퍼커패시터를 이용했을 때와 비교해 확연히 향상된 에너지 저장 능력을 갖고 있다. 연구팀이 만든 슈퍼커패시터는 야생포플러나무로 만든 슈퍼커패시터보다 80% 이상 향상된 정전 용량을 보였다. 또한 야생포플러나무나 형질전환포플러나무 모두 10,000사이클(1사이클: 충전과 방전 1회) 동안 안정적으로 에너지 저장 능력을 유지해, 에너지 저장 소재로의 활용이 가능함도 확인했다.

식물생명공학기술 도입 바이오매스의 에너지 저장 소재로 활용한 세계 최초의 성과
장현지 학생은 “이번 연구는 세계 최초로 식물생명공학 기술을 도입한 바이오매스를 에너지 저장 소재로 활용한 사례이다. 바이오매스의 화학성분 변화가 에너지 저장 특성에 미치는 영향에 대한 이해를 높였고, 앞으로 식물생명공학기술을 이용하여 이상적인 화학 성분을 가진 바이오매스를 디자인할 수 있을 것으로 기대한다”라며 연구의 의의를 밝혔다. 박연후 학생은 “연구 수행 중 새로운 아이디어가 많이 떠올랐다. 이를 발전시켜서 흥미롭고 인류에 도움이 될 연구를 수행해 나갈 것”이라며 연구 수행의 소감을 밝혔다.

두 학생의 연구를 지도한 식물·환경신소재공학과 이정태, 고재흥, 유정목 교수는 “세계 최초의 성과를 학부생이 이룬 점에 두 학생과 연구팀을 칭찬하고 싶다”라며 “코로나19로 강의실에서 학생을 만나는 기회는 줄어들었지만, 학생들의 새로운 아이디어를 함께 발전시켜 탁월한 연구를 계속하게 돕겠다”라고 말했다.

글 정민재 ddubi17@khu.ac.kr
사진 이정태 교수 제공

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr

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