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박인규, 정연식 교수, 모바일 기기 탑재 가능한 고성능 수소센서 개발
〈 가오민 연구원, 박인규 교수, 조민규 연구원 〉
우리 대학 기계공학과 박인규 교수, 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀이 폴리스티렌(Polystyrene) 구슬의 자기 조립(self-assembly) 현상을 이용해 고성능의 실리콘 기반 수소센서를 개발했다.
연구팀이 개발한 수소 센서는 제작 과정이 단순하고 비용이 저렴해 모바일 기기에 탑재할 수 있어 전력 소모에 어려움을 겪는 모바일 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
가오 민(Gao Min) 연구원, 조민규 박사후 연구원, 한혁진 박사과정이 참여한 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 3월 8일자 표지논문에 선정됐다.
청정에너지인 수소 가스는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 현재도 냉각 시스템이나 석유 정제시설 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있지만 무색, 무취의 가연성 물질이기 때문에 조기 발견이 어려워 고성능 수소 센서를 개발하는 것이 중요하다.
그러나 기존 수소 센서들은 부피가 크고 소모 전력이 높으며 제작비용이 상대적으로 높은 단점이 있다.
공동 연구팀은 수백 나노미터 (nm) 직경의 폴리스틸렌 구슬들을 자기조립 현상을 이용해 규칙적으로 실리콘 기판 위에 배열시켰다. 이를 이용해 수십 나노미터 수준의 그물 모양 패턴을 구현해 초소형 고성능 수소 센서를 개발했다.
이 기술은 수소가스가 센서에 노출되면 팔라듐 나노입자와 반응해 팔라듐의 일함수(work function)가 변화하고 그에 따라 실리콘 나노 그물 내 전자의 공핍 영역(depletion region)의 크기가 변화하면서 전기 저항이 바뀌는 원리이다.
이번에 개발한 수소 센서는 최소 선폭 50 나노미터 (nm) 이하의 실리콘 나노 그물 구조 센서를 저비용으로 구현할 수 있다.
일반적으로 수소 센서의 성능은 민감도, 반응속도, 선택성 등에 따라 구분된다. 연구팀의 센서는 0.1%의 수소 농도에서 10%의 민감도와 5초의 반응속도를 기록해 기존 실리콘 기반 수소 센서보다 50% 이상 빠르고 10배 이상 높은 민감도를 보였다.
박인규 교수는 “기존의 값비싸고 복잡한 공정을 거치지 않고도, 단순한 방법으로 초미세 나노패턴 구현이 가능하며, 수소센서 뿐만 아니라 다양한 화학, 바이오센서에도 응용이 가능할 것이다”고 말했다.
과학기술정보통신부의 나노소재기술개발사업, 한국연구재단의 국민위해인자에 대응한 기체분자식별․분석기술개발사업, 해양수산부의 해양수산환경기술개발사업, KUSTAR-KAIST 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스몰(Small) 2018년 3월 8일자 Issue 표지논문
그림2. 완성된 수소센서의 일반 사진 (왼쪽), 전자현미경 사진 (중간, 오른쪽)
그림3. 수소 농도 변화에 따른 수소센서의 감지 그래프
2018.04.04 조회수 21303 -
육종민, 이정용 교수, 나트륨 기반의 이차전지 음극 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 육종민 교수와 이정용 명예교수(前 기초과학연구원 나노물질 및 화학반응연구단) 공동 연구팀이 리튬 기반 이차전지 음극재료에 비해 저렴하고 수명이 긴 나트륨 기반 이온 전지용 음극 소재를 개발했다.
기존의 이차전지 음극재료 대비 1.5배 수명이 길고 약 40% 저렴한 나트륨 이온 전지용 음극 소재 개발을 통해 나트륨 이온 전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
박재열 박사과정과 기초과학연구원 김성주 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
현재 리튬 이온 전지는 휴대폰, 전기차 등 일상생활과 밀접한 다양한 곳에 사용되고 있다. 그런데 리튬은 매장지역이 한정돼 있고 수요가 급등해 공급량이 부족한 상황이다. 2015년과 대비해 현재 리튬의 가격은 3배 이상 상승했다.
이런 문제를 해결하기 위해 리튬 이온 전지의 대안으로 나트륨 이온 전지가 주목받고 있다. 리튬이 지구 지표면에 0.005%만 존재하는 반면 나트륨은 그 500배 이상인 2.6% 존재하기 때문에 공급 문제가 해결된다.
따라서 나트륨 이온 전지는 기존 리튬 이온 전지에 비해 40% 저렴한 가격으로 같은 용량의 에너지를 저장할 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 리튬 이온 전지의 음극 재료인 흑연은 나트륨의 저장에 적합하지 않다. 흑연 간의 층 사이에 리튬 이온들이 삽입(intercalation)되며 저장이 이뤄지는데 나트륨 이온을 저장하기에는 흑연 층간 거리가 너무 좁기 때문이다. 이러한 이유로 나트륨 이온 전지 상용화를 위해서는 이에 적합한 음극 소재를 개발하는 것이 필수적이다.
연구팀은 흑연의 대안을 나노판상 구조를 가진 황화구리에서 찾았다. 황화구리는 높은 전기전도도와 이론용량을 갖는다. 또한 황화구리에 나트륨이 저장되는 과정을 원자단위에서 실시간 분석한 결과 황화구리의 결정 구조가 유동적으로 변화하며 안정적으로 나트륨 이온을 저장하는 것을 확인했다.
그 결과로 황화구리의 나트륨 저장 성능이 흑연 이론용량(~370mAh/g)의 1.5배(~560mAh/g)에 달하는 것을 확인했고 충, 방전을 250회 반복한 이후에도 이론용량의 90% 이상이 유지됨을 증명했다.
이번 연구로 나트륨 이온전지가 상용화되면 지구 표면의 약 70%를 차지하는 바다에 무궁무진하게 존재하는 나트륨을 활용할 수 있다. 이는 배터리 원가 절감으로 이어지고 휴대폰, 전기 자동차, 노트북 등의 단가를 약 30% 정도 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
이정용 교수는“이번 연구결과가 차세대 고성능 나트륨 이온 전지 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
육종민 교수는 “요즘 미세먼지 등의 환경오염 문제로 특히 신재생 에너지 상품에 관심이 많은데 이번 연구 결과를 통해 우리나라가 관련 제품에 대한 우위를 점할 수 있는 토대를 한 단계 다졌다고 생각한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 생애첫연구사업 및 나노, 소재기술개발사업과 기초과학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 판상구조 황화구리 촬영 사진
그림2. 황화구리 내 나트륨이 저장되면서 나타나는 결정구조 변화 양상
그림3. 황화구리 내 나트륨 충방전 횟수별 저장 용량
2018.03.08 조회수 16326 -
고성능 전자소자 소재 "절반-금속" 나노선 개발
-교과부 21세기 프론티어사업단 김봉수교수팀, 나노신소재 합성성공-
한 물질이 금속과 비금속의 특성을 나타내 기존 반도체 소자의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 "절반-금속 (half-metallic) 강자성 규화금속 나노선"이 개발됐다.
우리학교 화학과 김봉수 교수팀이 절반-금속성을 갖는 규화철 나노선을 최초로 합성함으로써 통하여 ‘차세대 스핀전자공학’에 필수적인 스핀 주입(spin injection) 물질을 개발했다.
스핀주입이란 외부의 전기장이나 자기장에 의해 물질 내 전자의 자기적 특성(스핀)을 조절하는 것인데, 이번에 개발된 규화철 나노선은 한 방향 스핀을 갖는 전자들에게는 전도성 금속으로 작용하고 그 반대방향 스핀을 갖는 전자에게는 절연체로 작용하여 한 가지 스핀방향만을 가지는 전류를 만들어 낼 수 있다.
이런 기능은 정보신호로 변환이 가능하기 때문에 이 나노선으로 고성능, 고집적, 저전력 특성을 가지는 전자소자를 만들면 현재 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있다.
김 교수팀은 기존에 개발한 규화철(FeSi) 나노선에 산소기체를 도입한 간단한 열확산 법을 이용하여 매우 높은 큐리 온도 (Tc=840 K)에서도 강자성을 유지하고 높은 스핀편극도를 가지는 절반-금속 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선으로 완벽하게 변환하였으며, 같은 방법으로 규화코발트(Co2Si) 나노선을 변환시켜 최초로 단결정 코발트(Co) 나노선을 합성하는 등 소재의 조성을 조절하는 합성법의 일반화에도 성공하였다.
김 교수팀이 개발한 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선은 나노 소자 제작을 위한 빌딩 블록(building blocks)에 활용될 수 있어, 효율적이고 소형화된 초고성능 자기 메모리 및 거대 자기저항(GMR) 센서의 개발이 가능해졌다. 이에 따라 양자 메모리 처리와 고주파 전자통신 소자 등 다양한 나노 소자 개발에 기술적 전기(轉機)가 마련됐다.
한편, 이번 연구결과는 8월초 나노기술(NT) 분야의 가장 권위있는 학술지인 "나노 레터 (Nano Letters)"지 온라인판에 게재되었고, 현재 국내 특허 출원 중이다.
2010.08.19 조회수 16655 -
김봉수 교수팀, 초탄성 무결점 금속나노선 개발
화학과 김봉수 교수팀은 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능한 새로운 초탄성․무결점 금속 나노선(nanowire)을 개발했다. 이는 촉매없이 금속 나노선을 기판위에 손쉽게, 원하는 형태로 성장(epitaxial growth)시킬 수 있는 원천기술이다.
교육과학기술부(장관 안병만)는「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단(단장 서상희 박사)의 지원을 받은 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 초탄성․무결점의 단결정 금속 나노선을 개발 하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(nanowire)은 단면 지름이 수십에서 수 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 정도인 극미세선으로, 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는데 핵심적인 미래기술이다.
기존의 반도체 나노선은 정렬된 성장(epitaxial growth)이 가능했으나 금, 팔라듐 등 금속 나노선의 경우에는 적절한 촉매가 없어서 이러한 정렬된 성장을 실현하기 어려웠다.
KAIST 김봉수 교수 연구팀은 증기의 양, 온도, 압력 등을 최적으로 조절함으로써, 촉매 없이 금, 팔라듐, 및 금팔라듐 합금 나노선을 원하는 대로 방향성 있게 성장시키는 데 세계 최초로 성공하였다. 또한, 어떠한 물질이라도 기판 위에 씨앗 결정을 형성하기만 하면 잘 정렬된 나노선으로 성장시킬 수 있다는 사실을 밝혔다.
※ 질병을 일으키는 병원균의 DNA 농도에 따라 금나노선에 부착되는 금입자의 갯수가 달라짐(이 금입자의 갯수로 부터 병원균의 갯수를 검출) (스케일바 : 20 nm)
KAIST 화학과 김봉수 교수는 “이 기술을 한 단계 더 발전시켜 기판 위에 씨앗을 원하는 위치에 놓을 수 있다면, 나노선의 위치 및 방향을 마음대로 제어할 수 있게 되기 때문에, 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능해져 세계 메모리 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 1월 6일자 온라인 속보판에 소개되었으며, 현재 미국 및 독일 등에 특허 출원중이다.
[그림 1] 사파이어 기판 위에 수직으로 성장한 완전 단결정 금 나노선
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 초탄성(超彈性)․무결점 뿐만 아니라 완벽히 깨끗한 표면을 가지고 있다는 특징이 있어, 나노크기의 탄성에너지 저장장치, 나노안테나, 질병진단용 메디컬 센서 등 새로운 기술분야에 다양하게 응용가능하다.
[그림 2] 금 나노선을 이용한 질병진단 센서 (예)
2010.01.18 조회수 21595