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김일두 교수, 물 몇 방울로 전기 만들어내는 기술 개발
〈 배재형 박사과정, 김일두 교수, 윤태광 박사 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 아주 소량의 물(0.15ml) 또는 대기 중의 수분을 자발적으로 흡수하는 조해성 물질을 활용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전기를 개발했다.
연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 ‘ACS Nano’ 11월 26일자 논문으로 발표됐다. 또한, 환경 분야의 권위 학술지인 에너지 및 환경과학 (Energy & Environmental Science) 온라인판에 게재됐으며, 1월호 후면 표지 논문으로 발표될 예정이다.
ACS Nano 연구는 증산 작용을 활용한 자가발전기의 원리를 규명한 논문으로 윤태광 박사와 배재형 박사과정 학생이 제 1 저자로 참여했으며, 테크니온 재료공학과의 아브너 로스칠드(Avner Rothschild) 교수가 공저자로 참여했다.
Energy & Environmental Science 논문은 조해성염을 활용하여 대기중의 수분 흡수를 통해 지속적으로 에너지를 생성하는 발전기에 관한 연구내용으로 제 1 저자인 배재형 박사과정과 윤태광 박사의 주도하에 진행이 됐고, 생명화학공학과의 서봉임 박사 , 김지한 교수가 공저자로 참여했다.
김 교수 연구팀은 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견했다.
이를 통해 물이 완전히 증발하기 전까지 수소 이온이 천천히 이동하며 약 1시간 동안 발전이 가능함을 확인했지만, 물이 완전히 증발하게 되면 전기 발생이 멈추게 된다. 지속적인 발전을 위해서는 주기적으로 물을 떨어뜨려야 하는 실용성 측면에 문제가 있다.
연구팀은 발전 시간을 늘리기 위해 대기 중의 물을 스스로 흡수한 후 천천히 방출하는 조해성 물질 중 하나인 염화칼슘(CaCl2)에 주목했다. 탄소 입자가 코팅된 면섬유의 한쪽 면에 염화칼슘을 묻혔더니, 습도 20% 이상에서는 자발적인 수분 흡착으로 전력이 지속해서 유지되는 결과를 얻었다.
이렇게 개발한 자가발전기 6개를 직렬로 연결해 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했다.
태양광, 풍력 발전 등 친환경 발전기들이 외부의 환경적인 요소에 제약을 많이 받는 것에 비해 연구팀이 개발한 발전기는 20∼80% 습도 구간에서는 외부에서 물을 공급해 주지 않더라도 전기를 만들어 낼 수 있어 다양한 사물인터넷, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
김 교수는 "움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 없을까? 라는 의문에서 연구를 시작했다"라며, "조해성 염이 포함된 자가발전기는 일반 대기 환경에서 2주 이상 발전하는 성능을 보임을 확인했고, 사물인터넷용 지속 전력 공급원 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 이차전지를 충전하는 용도 등으로 활용할 수 있다"라고 말했다.
이번 연구 성과는 삼성전자미래육성재단 과제(SRFC-MA1802-05)의 지원으로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물의 증산작용을 이용한 자가 발전기
그림2. 식물의 증산 과정을 통해 수분이 순환하는 원리를 모사하여, 수분의 순환을 전기 에너지로 변환하는 발전기
2019.12.16 조회수 14558 -
강정구 교수, 금속유기골격체의 흡착 거동 실시간 분석 성공
〈 강정구 교수 〉
우리 대학 EEWS대학원 강정구 교수 연구팀이 금속유기골격체(MOF, metal organic framework)의 각 세부 기공에서 분자의 흡착 거동을 실시간 분석할 수 있는 기술을 개발했다.
조해성 박사가 주도한 이번 연구는 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 5월 13일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Isotherms of Individual Pores by Gas Adsorption Crystallography)
현재 직면한 에너지와 환경문제를 극복하기 위해서는 온실가스인 이산화탄소, 고용량 에너지 전달체인 메탄, 수소 분자 등을 고용량으로 저장할 수 있는 새로운 기공구조의 개발이 필수적이다.
이에 따라 기체 분자들의 흡착 거동을 실시간 분석해 새로운 소재를 개발하는 방식이 주목받고 있다. 그러나 기존 기술로는 소재 내에서 흡착된 기체 분자의 양만 파악할 수 있어 흡착 거동을 직접 관찰할 수 없었다. 또한, 소재를 구성하는 기공별 가스의 흡착 거동을 분석할 수 없다.
본 연구팀은 문제 해결을 위해 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합한 실시간 기체흡착 X-선 회절 시스템을 개발했다.
이 시스템은 넓은 비표면적을 갖고 있어 이산화탄소, 수소나 메탄 등의 저장에 매우 용이한 신규소재인 금속 유기골격체의 흡착과정을 실시간 관찰할 수 있다. 특히 단일기공구조가 아닌 여러 기공이 존재하는 금속 유기골격체의 흡착 거동에 대해 분석할 수 있었다.
연구팀은 금속 유기골격체 분자들의 흡착 거동을 기공별로 분리해 관찰 및 측정함으로써 기존에 분석할 수 없었던 분자들의 순차적 흡착과정을 확인했다. 나아가 기공의 구조 및 흡착 분자의 종류가 흡착 거동에 어떤 영향을 미치는지 체계적, 정량적으로 분석해 각각의 흡착에 어떤 구조의 금속 유기골격체가 저장 소재로 가장 적합한지에 대한 방안도 제시했다.
강 교수는 “각 기공 분자의 실시간 흡착 거동을 정량적으로 분석해 기공의 화학적 성질과 구조적 특성이 흡착 거동에 미치는 영향을 밝혔다”라며 “분자의 실시간 흡착 거동을 물질 전체가 아닌 물질을 구성하는 세부 기공 수준에서 이해함으로써 새 고용량 저장 물질을 세밀하게 개발하는 데 활용할 예정이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 다양한 구조의 세부 기공을 갖는 금속유기골격체에 흡착된 분자들의 도식화 그림
그림2. 세 가지 다른 세부기공을 갖는 금속유기골격체에서의 분자의 흡착 거동
2019.06.10 조회수 11345 -
기체가 저장물질에 흡착되는 과정 관찰
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수와 오사무 테라사키 공동 연구팀이 2~5 나노미터(10억분의 1m) 크기의 구멍을 갖는 메조다공성 금속유기골격체(metal organic framework, MOF) 안에 기체가 흡착되는 과정을 관찰하는 데 성공했다.
관찰 과정에서 기체들이 각자의 기공에 일정하지 않은 각기 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 이는 기존의 학설과 반대되는 개념으로 금속유기골격체에서 기체가 초격자 구조를 형성한다는 사실을 최초로 발견한 것이다.
이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처’ 11월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
메조다공성 금속유기골격체는 넓은 비표면적을 갖고 있어 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 가스 저장에 용이한 저장물질이다. 효율적인 가스 저장을 위해서는 기체가 저장물질에 어떻게 흡착하는지 이해하는 것이 중요하다.
그러나 일반적인 기체 흡착 측정 장비의 경우에는 흡착 거동을 직접적으로 관찰할 수 없다는 한계가 있었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 기존에 존재하는 두 개의 장비를 이용했다. 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 소각산란(small angle X-ray scattering, SAXS) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합했다.
두 장비가 결합된 실시간 기체 흡착 SAXS 시스템을 개발해 메조다공성 금속유기골격체의 결정에 기체가 흡착하는 과정을 실시간으로 관찰했다.
연구팀은 관찰 과정에서 금속유기골격체의 모든 기공에 기체가 균일하게 흡착되지 않고 각자 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 그리고 압력이 증가하면서 급격하게 초격자 구조로 변이된 후 서서히 균일하게 분포하는 것 또한 확인했다.
이는 모든 기공에 균일하게 기체가 들어간다는 학설을 뒤집는 발견이다. 이것이 가능했던 이유는 메조다공성 금속유기골격체의 경우 골격이 얇고 기공이 커 다른 구멍의 기체분자끼리도 상호작용하기 때문에 발생하는 현상이다.
따라서 메조다공성 금속유기골격체를 사용한다면 기존 저장물질에 비해 더 적은 용량으로 더 많은 가스를 저장할 수 있는 고효율 저장장치를 개발할 수 있게 된다.
이 기술을 기반으로 새로운 고용량 가스저장 물질의 제작이 가능해짐으로써, 여러 운송수단이나 가스를 사용하는 기계의 성능을 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.
연구를 주도한 조해성 박사는 “단일 기공 내부의 기체 분자 뿐 아니라 다른 기공의 기체 분자 간 상호작용에 의해 기체의 흡착 메커니즘이 발생함을 새롭게 발견했다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업, 인공광합성사업, BK21PLUS의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 실시간 기체흡착 SAXS 시스템 모식도
그림2. 메조다공성 MOF 결정에 기체가 흡착되는 과정
그림3. 메조다공성 MOF 결정에서 기체분자의 상호작용 모델
2015.11.11 조회수 12452