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급속충전 가능한 소듐이온 하이브리드 전지 개발
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능으로 급속 충전이 가능한 소듐 이온 기반의 하이브리드 전지를 개발했다.
연구팀은 질소가 올려진 메조 다공성 금속산화물 기반 전극을 이용해 높은 에너지 밀도와 고출력을 갖는 소듐 이온 에너지 저장 소자를 구현했다.
이 기술은 현재 주로 사용되는 리튬 이온 배터리보다 경제성 및 접근성 등에서 우수성을 가져 급속 충전이 필요한 휴대용 전자기기 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
강정구 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 1월 27일 자에 게재됐다. (논문명: Synthesis of nitrogen-doped mesoporous structures from metal-organic frameworks and their utilization to enable high performances in hybrid sodium-ion energy storages)
현재 가장 높은 점유율의 상업용 배터리는 리튬 이온 물질 기반의 저장 소자로 넓은 전압 범위와 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다.
그러나 배터리 발화 및 짧은 수명 등의 문제와 리튬 광물의 높은 가격, 부족한 희토류 원소 매장량, 느린 전기화학적 반응 속도 등의 한계 때문에 충·방전이 오래 걸리고 고출력 특성을 요구하는 전기 자동차 및 차세대 모바일 기기에 적용하기 위해 많은 개선이 필요하다.
반면 소듐 이온 기반 에너지 저장 소자는 안전하고 친환경적이며 가격이 상대적으로 매우 저렴하고 자원의 접근성이 높아 리튬 이온을 대체하면서 기존의 문제점을 극복할 수 있는 차세대 에너지 저장 소자로 주목받고 있다.
하지만 현재까지는 응용 분야에서 요구하는 성능에 미치지 못해 활용 폭이 좁다. 특히 기존의 금속산화물은 전기 전도성이 낮고 비표면적이 좁아 많은 양의 이온이 접근하는 데 한계가 있어 고성능을 구현하기에 어려움이 있었다.
연구팀은 질소가 도핑된 3차원 형태의 열린 메조 다공성 금속산화물 나노 구조체와 질소 도핑된 그래핀을 결합해 소듐 이온 기반 시스템에서 고용량과 고출력의 에너지 저장장치를 개발했다.
이번 연구에서 개발한 메조 다공성의 금속산화물 나노 구조체는 5~10나노미터 크기의 나노 입자들 사이에 다량의 열린 메조 기공이 형성돼 있고, 기공들이 나노 입자 사이에 3차원적으로 연결된 구조를 이뤄 질소 도핑 방법을 활용해 부족한 전기 전도도를 높일 수 있다.
이러한 메조 다공성 구조는 전해질이 기공을 통해 전극에 깊은 곳까지 수월한 침투가 가능하므로 전극 물질의 전체적인 표면이 에너지 저장에 활용돼, 높은 용량의 에너지 저장이 가능함과 동시에 충·방전 시간 역시 줄일 수 있다.
연구팀은 질소가 도핑된 다공성 금속산화물과 그래핀을 각각 음극과 양극에 각각 적용해 고성능의 소듐 이온 하이브리드 전지를 구현했다.
이 하이브리드 저장 소자는 소듐 기반의 배터리에 비해 같은 수준의 저장용량을 유지하면서 300배 이상 빠른 출력 밀도를 보이며, 수십 초 내 급속 충전이 가능해 소형의 휴대용 전자기기 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.
강 교수는 “소듐 기반이기 때문에 저가 제작이 가능하고 활용성이 뛰어나 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 에너지 저장장치의 상용화에 기여할 것이다”라며 “저전력 충전 시스템을 통해 급속 충전이 가능해 전기자동차와 휴대 가능한 전자 기기에 적용할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 소듐 이온 하이브리드 에너지 저장 장치의 구성 및 저장 메커니즘을 나타낸 모식도
그림2. 소듐 이온 하이브리드 저장 장치의 성능과 태양광 모듈을 활용한 실제 구동 이미지
2020.02.06 조회수 11105 -
고효율 유기박막태양전지 개발
- 플라즈모닉 현상 이용해 유기박막태양전지 광효율 20% 향상 -- 효율 증가원인 규명해 응용분야 발전 기대 -
금속나노입자의 플라즈모닉 효과를 이용해 유기박막태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다.
우리 학교 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 유기박막태양전지의 효율을 20% 증가시킬 수 있는 기술을 개발하고, 플라즈모닉 현상으로 인한 효율 증가의 원인을 처음으로 규명했다.
이 기술은 유기박막태양전지 제작 방법에 상관없이 추가로 효율을 20% 높일 수 있어 유기박막태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
현재 양산중인 실리콘 반도체 기반 태양전지는 아직까지는 경제성이 낮다. 이에 따라 이를 대체하기위해 보다 저렴하게 제작할 수 있다고 알려진 유기박막태양전지의 효율을 높이기 위한 연구가 전 세계적으로 많이 수행되고 있다.
유기박막태양전지는 고분자 유기물 기반으로 제작된 태양전지로 가볍고, 유연하며, 저렴한 비용으로 제작이 가능해 차세대 태양전지로써 각광받고 있다. 그러나 빛을 흡수할 수 있는 층이 수십 나노미터(nm) 수준으로 매우 얇기 때문에 낮은 광변환 효율을 나타내 상용화에 어려움을 겪고 있었다.
이 교수 연구팀은 기존 유기박막태양전지에 10~100nm로 다양한 크기의 금속나노입자를 적용해 유기박막태양전지의 광흡수율을 증가시킴으로써 광변환 효율이 6.4%에서 7.6%로 약 20% 향상되는 결과를 얻었다. 또 7.9% 태양전지는 8.6%로 향상된 결과를 나타냈다.
금속나노입자를 유기박막태양전지에 적용해 효율이 증가하는 것을 규명한 연구가 이전에 수행된 적은 있지만 효율증가의 원인은 정확하게 밝혀지지 않았다.
연구팀은 유기박막태양전지에 도입된 금속나노입자의 플라즈모닉 빛 전방 산란 특성으로 인해 크기가 커질수록 효율이 증가하다가 약 70nm 크기에서 가장 큰 효율 향상을 보이는 것을 이론 및 실험적으로 증명했다.
이정용 교수는 이번 연구에 대해 “금속나노입자의 플라즈모닉 산란 특성을 조절한 광공학 설계의 가능성을 확인했다”며 “저렴한 용액 공정으로 나노입자를 합성 및 적용했기 때문에 대면적 태양전지 모듈 제작에도 쉽게 적용이 가능하다”고 말했다.
이 교수는 또한 “이번 연구로 밝혀낸 기술을 이용하면 유기박막태양전지의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이정용 교수가 주도하고 백세웅 박사과정 학생이 참여한 이번 연구 성과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’의 4월 25일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 기존 유기박막태양전지(검은 사각형)과 금속나노입자를 도입한 유기박막태양전지(빨강 원)의 전류밀도–전압 특성 곡선. 광변환 효율이 6.4% -> 7.6%, 7.8% -> 8.6%로 증가한 것을 알 수 있다.
그림2. 유기박막태양전지의 구조 및 도입된 약 70나노미터 수준의 은 나노입자의 전자현미경 사진.
2013.04.29 조회수 15241 -
고용량 분자 저장기술 개발 성공
- KAIST EEWS 대학원 Yaghi 교수팀, 고용량의 단백질 저장체 개발 성공해 사이언스(Science)지 5월호에 실려 -
- “선택적으로 반응하는 신약 개발에 도움될 것” -
다양한 종류의 단백질 물질을 고용량으로 저장할 수 있는 기술이 KAIST 연구진에 의해 개발됐다.
우리대학 EEWS대학원 오마르 야기(Omar M. Yaghi)교수 연구팀이 커다란 크기의 기공을 갖는 금속유기골격구조체를 개발해 여러 종류의 단백질을 고용량으로 저장할 수 있는 원천기술을 확보하는데 성공했다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 5월호(25일자)에 실렸다.
이번에 개발된 기술은 다양한 종류와 크기의 단백질을 저장 할 수 있어 ▲고용량 고집적의 신약 개발 ▲특정 바이러스 분리 물질 개발 ▲인체 내에서 악성 반응을 일으키는 특정 단백질의 선택적 제거 ▲특정 부위에서 작용하는 신약 수용체 개발 ▲희귀 고분자 단백질 영구 보존 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 줄기세포를 포한한 모든 인체의 세포까지 선택적으로 분리하고 영구히 저장할 수 있어 난치병 치료나 생명연장을 위한 의학기반 기술 발전에도 크게 도움이 될 것으로 예상된다.
금속유기골격구조체는 분자단위에서 같은 물질들이 일정한 규칙과 간격을 가지고 배열돼 생성되는 것이기 때문에, 1그램당 축구장과 같은 크기의 표면적을 가지고 있으며 고용량의 물질 저장 능력과 빠른 물질 이동특성을 가지고 있다.
따라서 많은 양의 물질을 내부에 저장할 수 있어 최근 다양한 종류의 차세대 저장체 연구에 필수적인 장비로 사용되고 있다.
그러나 지금까지의 금속유기골격구조체는 7.0Å(옴스트롬·100억분의 1m) 크기의 아주 작은 단분자만을 사용했기 때문에 커다란 크기의 고분자 및 단백질의 저장에는 활용될 수 없었으며 고용량 가스 저장체로서의 가능성만 입증된 상태였다. 게다가 기존의 금속유기골격구조체의 경우 구조가 내부에서 서로 엇갈려 있어 큰 크기의 단백질을 저장하는 것은 사실상 불가능했다.
야기(Yaghi) 교수 연구팀은 5nm 이상의 크기를 가지는 분자체를 이용한 금속유기골격구조체를 개발해 이러한 문제들을 해결하고, 금속유기골격구조체의 주기적인 기공을 처음으로 투과전자현미경을 이용해 관찰하기도 했다.
연구팀은 커다란 크기의 분자들을 이용해 금속유기골격구조체를 만들고 단백질처럼 아주 큰 물질을 구조체 내부에 일정하게 배열시켜 효율적으로 저장하는 방법을 고안해 내 세계 최초로 규칙적 분자구조체 내부에 비타민과 미오그로빈(Myoglobin) 같은 단백질을 고용량으로 저장하는데 성공했다.
야기(Yaghi) 교수는 “이번 연구는 그동안 불가능했던 큰 크기의 단백질 및 고분자들을 규칙적 배열을 가지는 다공성 물질을 개발해 고용량으로 저장하는 원천기술”이라며 “고용량으로 집적된 단백질 약을 원하는 곳에 투여함과 동시에 제거해야 할 분자들을 선택적으로 흡수함으로써 난치병이나 희귀병 치료에 획기적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
2012.05.29 조회수 14636 -
박정영 교수, 핫전자 태양전지 원천기술 개발
- Nano Letters 발표, “에너지 손실을 최소화한 핫전자 태양전지 개발 가능성 열어”-
태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자 태양전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
우리 학교 EEWS 대학원 박정영 교수(41세, 교신저자, 지속가능한 에너지공학기술사업단 해외학자)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’ 온라인 속보(9월 14일)에 게재되었다. (논문명 : Surface Plasmon-Driven Hot Electron Flow Probed with Metal-Semiconductor Nanodiodes)
박정영 교수팀은 태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자와 표면플라즈몬의 상관관계를 규명하였다.
박 교수팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛에 의해 표면에 여기된 핫전자를 검출하고, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형하였는데, 이러한 나노섬은 표면플라즈몬을 보여준다.
연구팀은 나노다이오드에 검출된 핫전자를 측정하여 표면플라즈몬에 의한 핫전자의 증폭을 관찰하였다. 이는 표면플라즈몬이 핫전자의 생성을 극대화시키고, 이 원리는 태양전지의 효율을 높이는데 활용될 수 있다.
이 연구에는 EEWS 대학원의 이영근 석사과정생 (제 1저자)와 정찬호 박사과정생 (제 2저자) 이 참여하였다.
박정영 교수는 “핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 에너지 손실과정을 근본적으로 이해할 수 있도록 도와준다는 점에서 표면과학 및 에너지공학에서 매우 중요하다. 이번 핫전자 원천기술의 개발은 핫전자를 이용한 고효율 에너지 전환소자 개발에 응용이 될 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.
<그림>표면플라즈몬에 의해서 증폭된 핫전자의 측정을 위한 나노다이오드의 구조
2011.10.06 조회수 19947 -
탄소나노튜브로 물이 스스로 빨려 들어가는 현상 원인 규명
- PNAS 발표, “효율성을 극대화한 차세대 해수 담수화막 활용 가능 기대”-
지금까지 현상만 알려졌을 뿐 그 원인이 정확히 설명되지 못했던, 물을 싫어하는 탄소나노튜브* 안으로 물이 스스로 빨려 들어가는 ‘반직관적 실험 현상’이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
*) 탄소나노튜브 : 각 탄소가 3개의 다른 탄소와 결합되어 있는 흑연의 탄소 원자 배열과 같은 모양(6각형의 벌집모양)을 가지면서, 원통형으로 말아서 튜브 형태로 만든 나노(10억분의 1미터) 구조체
우리 학교 EEWS 대학원 정유성 교수가 주도하고, 캘리포니아공대 윌리엄 고다드 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원(지속가능한 에너지 공학기술사업단)을 받아 수행되었다.
이번 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 7월 19일자에 게재되었고, 한 주간에 흥미로운 연구결과들을 별도로 소개하는 "This Week in PNAS", ’C&EN News" 및 "Nature Materials"의 "Research Highlights"에 선정되는 영예를 얻었다. (논문명 : Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water)
정유성 교수팀은 물을 싫어하는 탄소나노튜브 안으로 물이 스스로 빨려 들어가는 반직관적인 실험현상의 원인이 물 분자 간의 수소결합 때문으로, 나노채널과 같은 제한된 나노공간에서는 물의 무질서도가 증가하기 때문에 발생한다는 사실을 분자동력학 계산을 통해 밝혀냈다.
일반적으로 분자가 자유로운 액체 상태에서 제한된 나노 크기에 갇힐 경우, 무질서도와 화학결합이 감소되면서 불안정한 상태가 될 것으로 예상했지만, 연구팀은 탄소나노튜브에 갇힌 물의 경우 제한된 공간에서 물 분자 간의 수소결합이 약해지면서 밀도가 낮아지고, 오히려 무질서도가 증가하여 더욱 안정되는 특이한 현상을 나타낸다는 사실을 확인하였다.
특히 연구팀은 1.1과 1.2 나노미터의 지름을 갖는 나노튜브에서는 실온(섭씨 25도)임에도 불구하고 물이 얼음과 같은 구조를 띄는 현상도 관찰하였다.
정유성 교수는 “이번 연구는 계산과학이 실험측정만으로 설명하기 어려운 나노크기의 제한된 공간에서 나타나는 다양한 현상을 규명한 좋은 예”라고 정의하고, ‘’기존의 역삼투압 막에 비해 탄소나노튜브 내에서는 물의 수송속도가 현저히 빨라 에너지 효율적인 차세대 해수 담수화막을 효율적으로 설계하는데 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
2011.07.27 조회수 15862