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김희탁 김상욱 교수, 멤브레인 필요 없는 새로운 물 기반 전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 신소재공학과 김상욱 교수 공동 연구팀이 전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천 번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다.
이번 연구를 통해 일본, 미국의 수입에 의존해 온 다공성 분리막이나 불소계 이온교환막을 사용하지 않는 기술로, 해당 기술에 대한 대외 의존도를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
이주혁 박사과정과 변예린 박사후연구원이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’12월 27일자 표지논문에 선정됐다.(논문명: High-Energy Efficiency Membraneless Flowless Zn-Br Battery: Utilizing the Electrochemical-Chemical growth of Polybromides)
최근 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장장치(ESS)가 주목받고 있다.
현재는 리튬이온전지가 에너지저장장치용 이차전지로 사용되고 있으나 발화성 유기 전해액 및 리튬계 소재로 인한 발화의 위험성을 지니고 있다. 지난 2017년부터 올해 10월까지 총 21건의 에너지저장장치 화재사고가 발생했으며, 전체 에너지저장장치 시설 1천 490개 중 35%인 522개의 가동이 중단되기도 했다.
이러한 이유로 물을 전해질로 사용한 비 발화성 물 기반 이차전지 기술이 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 특히 다양한 물 기반 전지 기술 중 아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 높은 구동 전압 및 높은 에너지 밀도를 가져 1970년대부터 지속해서 개발돼왔다.
그러나 아연-브롬 레독스 전지는 브롬이 아연과 반응해 전지 수명을 단축시키는 문제로 인해 상용화가 지연됐다. 이러한 반응을 억제하기 위해 펌프를 이용해 브롬이 함유된 전해질을 외부 탱크로 이송해 왔으나, 이는 펌프 구동을 위한 에너지 소모 및 브롬에 의한 외부 배관이 부식되는 문제를 동반한다.
브롬을 포획하는 전해질 첨가제 및 브롬의 이동을 차단할 수 있는 멤브레인에 대한 개발이 진행됐으나, 가격증가 및 출력 저하의 문제점이 발생했다.
김희탁 교수와 김상욱 교수 공동 연구팀은 일본, 미국에 의존하던 값비싼 멤브레인 소재와 어떠한 첨가제도 사용하지 않는 새로운 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다.
전해질 내의 이온과 외부 전기회로 사이의 전자를 주고받는 한정된 역할만 수행하던 전극의 기능에 멤브레인과 첨가제가 담당하던 브롬을 포획할 수 있는 기능을 추가했다.
질소가 삽입된 미세기공 구조를 전극 표면에 도입해 미세기공 내부에서 비극성 브롬을 극성 폴리브롬화물로 전환한 뒤, 질소 도핑 카본과 폴리브롬화물간 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 통해 폴리브롬화물을 기공 내부에 고정했다.
이 기술은 멤브레인의 기능을 전극이 담당하므로 고가의 멤브레인이 필요 없으며, 브롬을 외부 탱크가 아닌 전극 내부에 저장함으로써 펌프 및 배관을 제거할 수 있어 가격 저감 및 에너지 효율을 증대했다.
연구팀이 개발한 다기능성 전극을 이용한 멤브레인을 사용하지 않는 물 기반의 아연-브롬 전지는 리튬-이온 전지보다 45배 저렴할 뿐 아니라, 에너지 효율 83% 이상을 보이며 1천 사이클 이상 운전이 가능하다.
김상욱 교수는 “차세대 물 기반 전지의 한계를 극복하기 위한 나노소재 기술을 이용한 새로운 해결책을 제시했다”라고 말했다.
김희탁 교수는 “이번 연구를 통해 기존보다 안전하고 경제적인 에너지저장장치의 개발이 가속화되기를 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 나노융합연구소, 에너지클라우드 사업단, 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. 브롬 활물질을 전극내부에서 폴리브롬화물로 전환하여 저장하는 다기능성 전극의 메커니즘의 모식도와 멤브레인을 장착하지 않고 구동되는 전지의 실제 모습
그림 2. 질소가 도핑된 미세기공이 코팅된 다기능성 전극의 제조 과정
2020.01.08 조회수 17030 -
김상욱 교수, 홍합접착제 이용해 성능 높인 그래핀 섬유 개발
〈 김인호 박사과정, 김상욱 교수〉
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 흑연계 그래핀을 이용해 우수한 물성을 갖는 신개념의 탄소섬유를 개발했다.
연구팀이 개발한 탄소섬유는 홍합접착제로 잘 알려진 폴리도파민(poly-dopamine)을 이용해 그래핀 층간 접착력을 높여 고강도, 고전도도를 갖는다. 이 신소재는 직물형태의 다양한 웨어러블 장치용 원천소재로 활용 가능할 것으로 기대된다.
김인호 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료과학분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 10월 4일자 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Mussel-Inspired Defect Engineering of Graphene Liquid Crystalline Fibers for Synergistic Enhancement of Mechanical Strength and Electrical Conductivity, 홍합접착제를 이용한 구조적 결함 제어를 통한 고강도/고전도도의 그래핀 액정 섬유 제조)
김상욱 교수 연구팀은 그래핀이 액체에 분산됐을 때 액정을 형성하는 새로운 현상을 최초로 밝히고 관련 원천특허를 보유하고 있다. 이후 그래핀 액정을 기반으로 하는 다양한 신소재 관련 후속연구를 통해 해당 분야를 선도하고 있다.
최근에는 그래핀 액정을 이용한 값싼 습식 섬유공정을 통해 기존 탄소섬유보다 훨씬 저렴한 탄소섬유의 제조가 가능한 것으로 규명됐다.
그러나 현재까지의 공정으로는 섬유 형성 과정에서 그래핀 층의 접힘 현상이 발생해 공극이 발생한다는 고질적인 문제점이 있다. 이러한 구조적 결함은 탄소섬유의 기계적 물성 뿐 아니라 전기전도성도 취약하게 만든다.
김 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 자연계의 홍합에서 영감을 얻어 개발된 고분자인 도파민의 접착 성질에 주목했다. 다양한 분야에서 연구되는 이 도파민을 이용하면 그래핀 층간의 접착력을 증가시켜 구조적 결함을 방지하는 효과를 기대할 수 있다.
연구팀은 이를 통해 구조적 결함이 제어된 고강도의 탄소섬유 제작에 성공했다. 또한 폴리도파민의 탄화과정을 통해 전기전도도 역시 향상된 섬유를 제조하는 데 성공했다.
연구팀은 도파민에 열처리를 가하면 그래핀과 유사한 구조를 갖는다는 이론을 바탕으로 그래핀 액정 상에서 도파민의 고분자화 조건을 최적화시켰고, 이를 섬유화해 기존 그래핀 섬유의 본질적인 결함 제어 문제를 해결했다.
또한 도파민의 구조 변환을 통해 기존 고분자의 근본적 한계인 전도도 측면에서 손해를 보지 않으면서, 도파민 분자에 존재하는 질소의 영향으로 전기전도도 측면에서도 물성이 향상됨을 확인했다.
연구를 주도한 김상욱 교수는 “그래핀 액정을 이용한 탄소섬유는 기술적 잠재성에도 불구하고 구조적 한계를 극복해야 하는 한계가 있었다”며 “이번 기술은 추후 복합섬유 제조 및 다양한 웨어러블 직물기반 응용소자에 활용 가능할 것이다”고 말했다.
신소재공학과 박정영 교수, KIST 정현수 박사의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 글로벌프론티어사업(하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단), 나노․소재원천기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 머티리얼즈 표지
그림2. (좌) 일반적인 그래핀 섬유의 단면과 (중), (우) 도파민을 이용하여 두단계로 결함 제어된 후의 그래핀 섬유의 단면의 전자현미경 이미지
2018.10.17 조회수 14191 -
오일권 교수, 그래핀 기반의 소프트 액추에이터 개발
〈 타바시안 라솔 박사과정, 오 일 권 교수 〉
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 두 개의 서로 상반된 그래핀 구조체를 전극으로 사용해 소프트 액추에이터(작동장치)의 성능을 높이는데 성공하였다.
연구팀이 이번 연구를 통해 제작한 액추에이터는 웨어러블 전자기기, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다.
타바시안 라솔(Tabassian Rassoul) 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 온라인 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 1월 31일자에 게재됐으며 표지논문에 선정됐다.
차세대 전자기기에 능동형 소프트 액추에이터를 적용하기 위해서는 액추에이터의 전극이 유연성, 높은 전기 전도성 및 전기 화학적 활성, 내구성 등을 갖는 동시에 높은 효율성을 가져야 한다.
하지만 기존의 소프트 액추에이터는 백금 또는 금 등의 고가 귀금속이 사용됐기 때문에 실제 적용이 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기능적인 길항성(두 요인이 동시에 작용해 서로의 효과를 상쇄시키는 성질)을 갖는 각기 다른 두 종류의 그래핀 전극을 동시에 사용했다.
연구팀은 전기전도성은 매우 좋지만 전기화학적 활성이 낮은 그래핀 그물망의 단점을 보완하기 위해 질소가 증착된 구겨진 그래핀 입자들을 추가로 적용했다. 그물망 그래핀 메쉬(mesh)와 질소가 증착된 구겨진 그래핀을 결합해 전기화학적으로 기능적 길항성을 갖는 하이브리드 전극을 제작해 소프트 액추에이터에 적용했다.
연구팀이 합성한 그래핀 메쉬 구조는 그래핀 튜브들이 서로 엮인 그물망 형태의 구조를 갖는다. 특히 그물망 구조의 물결 모양 패턴 덕분에 다른 유형의 그래핀 구조보다 우수한 신축성을 갖는다.
또한 화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 방법으로 합성하기 때문에 높은 전기 전도도를 갖는 고품질 그래핀 그물망을 제작할 수 있다.
이 하이브리드 전극에서 그래핀 그물망은 신속하고 균일한 전하 분포 촉진, 질소가 증착된 구겨진 그래핀은 전하를 효율적으로 저장하는 서로 상반된 역할을 각각 수행한다. 이를 통해 재료의 비용적 단점을 보완함과 동시에 전극의 성능 요건을 충족했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 제작된 액추에이터는 햅틱 피드백 시스템, 웨어러블 핼스케어 전자기기, 능동촉각 시스템, VR 및 AR용 능동형 디스플레이, 소프트 로봇 등의 분야에서 사용 가능할 것으로 기대된다.
오 교수는 “이번 연구결과를 통해 소프트 액추에이터의 성능향상 원리를 이해하는 기반 연구가 될 것이다”며 “차세대 유연 전자산업에서의 소프트 액추에이터 기술 활용이 가속화되는 계기가 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 커버 이미지
그림2. 기능적 길항성을 갖는 그래핀 구조 전극 사진 및 소프트 액추에이터 개요
2018.02.07 조회수 12761 -
김상욱 교수, 카메라 플래시로 7나노미터 반도체 패턴 제작 기술 개발
〈 김상욱 교수, 진형민 연구원 〉
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 카메라의 플래시를 이용해 반도체를 제작하는 기술을 개발했다.
이 기술은 반도체용 7나노미터 패턴 기법으로 한 번의 플래시를 조사하는 것만으로 대면적에서 초미세 패턴을 제작할 수 있다. 향후 고효율, 고집적 반도체 소자 제작 등에 활용 가능할 것으로 기대된다.
진형민 연구원, 박대용 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 8월 21일자 온라인 판에 게재됐다.
4차 산업혁명의 주요 요소인 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터 등의 기술에는 고용량, 고성능 반도체 소자가 핵심적으로 필요하다. 이러한 차세대 고집적 반도체 소자를 만들기 위해서는 패턴을 매우 작게 형성하는 리소그래피(Lithography) 기술의 개발이 필수적이다.
현재 관련 업계에서는 작은 패턴 제작에 주로 광 리소그래피(Photolithograph) 기술을 이용하고 있다. 하지만 이 기술은 10나노미터 이하의 패턴을 형성하기엔 한계가 있다.
고분자를 이용한 분자조립 패턴 기술은 공정비용이 저렴하고 10나노미터 이하 패턴 형성이 가능해 광 리소그래피를 대신할 차세대 기술로 각광받고 있다. 그러나 고온 열처리나 유독성 증기 처리에 시간이 많이 소요되기 때문에 대량 생산이 어려워 상용화에 한계가 있다.
연구팀은 고분자 분자조립 패턴 기술의 문제 해결을 위해 순간적으로 강한 빛을 내는 카메라 플래시를 활용했다. 플래시 빛을 이용하면 15 밀리 초(1밀리 초 : 천분의 1초) 내에 7나노미터의 반도체 패턴을 구현할 수 있고, 대면적에서 수십 밀리 초의 짧은 시간 내에 수 백도의 고온을 낼 수 있다.
연구팀은 이 기술을 고분자 분자 조립에 응용해 단 한 번의 플래시를 조사하는 것으로 분자 조립 패턴을 형성할 수 있음을 증명했다.
또한 연구팀은 고온 열처리 공정이 불가능한 고분자 유연 기판에도 적용이 가능함을 확인했다. 이를 통해 차세대 유연 반도체 제작에 응용할 수 있을 것으로 보인다.
연구팀은 카메라 플래시 광열 공정을 분자 조립 기술에 도입해 분자 조립 반도체기술의 실현을 앞당길 수 있는 고효율의 기술이라고 밝혔다.
연구를 주도한 김상욱 교수는 “분자조립 반도체 기술은 그 잠재성에도 불구하고 공정효율 제고가 큰 숙제로 남아 있었다”며 “이번 기술은 분자조립기반 반도체의 실용화에 획기적 해결책이 될 것이다”고 말했다.
신소재공학과 이건재 교수, 부산대학교 재료공학과 김광호 교수와의 공동으로 진행된 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 사진 설명
사진1. 플래시 광을 이용한 반도체 패턴 형성
사진2. 플래시 광을 이용한 분자조립 패턴 형성 모식도
사진3. 다양한 가이드 패턴을 이용한 자기조립 패턴 제어와 고분자 유연기판에서의 플래시 자기조립 패턴 형성
2017.09.13 조회수 17681 -
최인성 교수, 농산물 장기보존 가능한 나노코팅기술 개발
〈 최 인 성 교수 〉
우리 대학 화학과 최인성 교수 연구팀이 친환경 나노코팅 기법을 이용해 과일의 부패 기간을 늦출 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술은 식물 기반의 폴리페놀 물질을 이용해 코팅 시료의 종류에 관계없이 사용할 수 있는 범용 스프레이 나노코팅기술이다.
이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 1일자 온라인 판에 게재됐다.
폴리페놀 물질은 다량의 수산기(-OH)를 갖는 식물의 광합성 대사산물 중 하나로 뛰어난 항산화 작용을 수행하는 식물 기반의 천연물질이다. 잠재적 항암효과와 높은 항균성을 가져 식품 첨가물 등에 사용되고 있다.
폴리페놀은 철 이온과 화학적으로 강하게 결합해 복합체를 형성한다는 특성도 갖는다. 연구팀은 폴리페놀-철이온 복합체의 형성반응과 분사 기술을 접목해 나노코팅기술을 개발했다.
이 스프레이 코팅 기술은 코팅물질을 코팅용액에 담가 코팅하는 침지법에 비해 코팅 시간이 짧고(5초 이내) 원하는 영역에만 선택적 코팅이 가능하다. 또한 침지법에서 발생하는 시료의 변형과 코팅용액의 상호 오염을 막을 수 있다.
연구팀은 개발된 기술을 과일 표면에 적용해 가식성(edible) 항균 코팅으로의 응용이 가능함을 입증했다.
코팅된 귤과 딸기를 각각 28일, 58시간 이후에 상태를 측정했고 코팅되지 않은 과일에 비해 상당수가 모양과 품질을 유지했다.
반면 코딩되지 않은 귤과 딸기는 박테리아 및 곰팡이 균의 번식으로 부패 및 변형이 발생했다.
연구팀은 과일 뿐 아니라 금속표면, 플라스틱, 유리, 섬유시료에도 손쉽게 코팅할 수 있음을 확인했다. 특히 안경알, 신발 밑창 등 생활용품 표면에도 코팅이 가능해 각각 흐림방지, 무좀균 생장을 억제하는 항균 기능도 가능함을 증명했다.
개발된 나노코팅기술은 국내 특허로 등록됐고 현재 과일 신선도 유지 코팅법의 상용화를 진행 중이다.
최 교수는 “나노코팅기술은 큰 잠재력과 응용성을 가진 첨단기술이다”며 “개발된 나노코팅기술은 다양한 목적으로 쉽게 적용가능하고 기존 코팅 기술 및 나노물질과 결합돼 더 큰 시너지를 일으킬 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. (a-I, II) 나노코팅된 귤과 코팅되지 않은 귤을 14일, 28일 동안 상온에서 보관하였을 때 비교사진. (b-I, b-II) 나노코팅된 딸기와 코팅되지 않은 딸기를 58시간 동안 상온에서 보관하였을 때 비교사진 및 식품 변질 검사결과
2017.08.10 조회수 16207 -
오일권 교수, 귀금속 촉매 대체할 친환경 물 분해 촉매 개발
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 값비싼 백금 등의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 친환경 물 분해 기술을 개발했다.
물 분해 기술은 수소를 친환경적으로 생산할 수 있다. 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 수소의 대량 생산 및 수소에너지 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
배석후 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 1월호 표지논문에 게재됐다.
현재 가장 많이 사용되는 수소에너지의 발전 방식은 물을 전기 분해시켜 수소를 생산하는 방법이다. 이 방식은 공해 없이 순수한 수소를 생산할 수 있다.
하지만 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있다. 특히 산소가 발생하는 플러스(+) 전극에는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 귀금속 촉매가 필요하고, 수소가 발생하는 마이너스(-) 전극에는 백금이 필요하다.
따라서 이를 대체할 수 있는 값싼 재료의 촉매를 개발하는 것이 상용화를 앞당길 수 있는 길이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 플러스 전극에 사용되는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 금속 기반의 화합물 촉매를 제작하는 데 성공했다.
니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격이 저렴하지만 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매에 비해 높은 전압을 필요로 하는 등 상대적으로 낮은 성능으로 인해 사용되지 못했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 수열합성을 이용했다. 수열합성은 고온, 고압 상태에서 물 혹은 수용액에 금속 등을 녹여 물질을 합성하는 기술이다.
연구팀은 니켈-코발트 전구체가 녹아 있는 용액을 바탕으로 수열합성을 진행했다. 이를 통해 니켈-코발트 촉매의 낮은 성능 문제를 해결하는 동시에 촉매의 표면적을 넓히는 데 성공했다.
또한 추가적인 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸면서 전극과 나노선 복합체 사이의 전하 전달 능력을 극대화시킨 이중 나노선 형태의 촉매를 제작했다.
외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 구성했기 때문에 탄소 직물로 만들어진 전극 기판과 상승효과(Synergy)를 내면서 단일 니켈-코발트계 금속 촉매에 비해 30% 낮은 전압과 2.7배 높은 단위 면적당 촉매 활성도를 보였다.
기존의 나노선은 원뿔 모양으로 종횡비가 커 나노선 전체로 전달되는 전압이 일정하지 않았다. 이 때문에 나노선 전체가 촉매 반응에 참여하지 못하는 현상이 발생했으나, 연구팀의 촉매는 탄소층으로 둘러싸여 있기 때문에 전자의 활발한 이동이 가능했고 이는 일정한 전압 전달로 이어졌다.
연구팀은 “연이은 수열합성을 통해 비교적 간단한 공정으로 이상적인 이중 구조의 나노선 촉매를 제작하는 데 성공했다”며 “기존의 값비싼 귀금속 촉매에 비해 훨씬 저렴하면서도 성능은 거의 차이가 없다”고 말했다.
오 교수는 “생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하며 성능 또한 기존 귀금속 촉매에 뒤지지 않는다 ”며 “이번 연구를 통해 물을 수소같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 기계기술연구소 김지은 박사, EEWS 대학원 박정영 교수가 참여했고, 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 선정된 표지논문(front cover) 이미지
그림2. 탄소층이 코팅된 니켈-코발트 이중 나노선 촉매 입자의 미세구조 사진
그림3. 이중 나노선 구조의 전기화학적 촉매로써의 작용 모습
그림4. 이중 나노선 형상의 촉매 제작 과정을 나타낸 모식도
2017.01.19 조회수 16024 -
그래핀, 원하는 모양대로 오려낸다
〈 김 상 욱 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 손상 없이 나노 그래핀을 원하는 모양대로 오려낼 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
그래핀은 탄소가 육각형의 벌집모양 형태로 화학결합을 한 상태이다. 이 결합을 원하는 대로 오려낼 수 있다면 나노형태를 갖는 탄소소재를 만들 수 있다. 따라서 그래핀을 응용하기 위해 탄소를 잘 오려내는 것은 많은 연구자들의 과제였다.
그러나 탄소와 탄소 간의 매우 강한 결합을 끊어내기 위해서는 그에 걸 맞는 강한 화학 반응을 사용해야 한다. 이로 인해 그래핀을 오려낼 때 원하는 그래핀의 부위 뿐 아니라 그 주변이 함께 찢어지고 손상됐다.
기존의 그래핀을 한꺼번에 찢는 기술들은 예외 없이 탄소의 물성이 손상되는 한계가 있었다. 종이를 잘 오려내지 못하면 너덜너덜해지는 것과 같은 원리이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 흔히 사용하는 이종원소 도핑 기술을 활용했다. 종이에 홈을 깊게 파거나 작은 구멍을 내면 그 부분을 따라서 종이가 찢어지는 것과 같은 원리이다.
탄소와 탄소가 결합한 평면에 질소나 다른 원소를 심어 구조적 불안정성을 유도한 뒤 전기화학적 자극을 주면 탄소 이외의 부분이 쉽게 찢어진다. 여기서 질소 등의 다른 원소가 종이의 홈 역할을 하게 된다.
연구팀은 도핑되는 이종원소의 양을 조절해 그래핀이 오려지는 정도가 매우 정밀하게 제어되고, 그래핀의 2차원적 결정성이 전혀 손상되지 않는 고품질의 나노그래핀을 제작했다. 그리고 이 기술을 활용해 최고 수준의 에너지 전달 속도를 갖는 슈퍼캐패시터(고용량 축전기)를 구현했다.
또한 이 오려내기 기술로 만들어진 나노그래핀에 특정 화학기능기가 다량 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이 화학기능기는 고분자, 금속 및 반도체 나노입자 등 다양한 이종물질과 쉽게 융합해 고성능의 탄소복합소재 구현이 가능할 것으로 기대된다.
연구팀은 “2차원적 결정성의 손상 없는 나노구조 조절 원리가 보고된 바 없어 그래핀 분야의 큰 숙제로 남았었다”며 “품질의 저하 없이 그래핀 면을 나노크기로 오려낼 수 있음을 최초로 증명한 성과이다”고 말했다.
김 교수는 “이 기술의 실용화를 위해선 이종원소의 도핑 위치 제어 기술이 선행돼야 한다”며 “이번 연구로 얻은 나노그래핀을 활용해 기계적, 전기적 특성이 우수한 섬유 형태의 탄소소재를 개발할 것이다”고 밝혔다.
나노과학기술대학원 김용현 교수, 화학과 김현우 교수와 공동연구로 진행된 이번 연구는 임준원 박사과정 학생이 1저자로 참여했으며, 미래창조과학부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 절개된 산소나노튜브
그림2. 도핑된 이종원소부터 탄소나노튜브의 벽이 오려진 후 장축 방향으로 길게 잘라져 나노그래핀이 만들어지는 과정
2016.01.25 조회수 12260 -
그래핀 이용한 인공근육형 작동장치(actuator) 개발
〈 오 일 권 교수〉
우리 대학 기계공학과 오일권(43) 교수 연구팀이 화학적 도핑된 그래핀을 이용해 고성능의 인공근육형 작동장치(actuator)를 개발했다.
이번에 개발된 인공근육 작동장치는 기존 기술보다 3배 이상의 굽힘 변형을 보이고, 5시간 이상 구동해도 성능을 유지할 수 있다.
이번 연구는 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 12월 15일자 온라인 판에 게재됐다.
최근 플렉서블, 웨어러블 소자에 대한 연구가 활발해지며 인간과 기계 사이의 햅틱(촉각 효과) 기능을 위한 능동형 유연 작동기(soft actuator)가 핵심 부품으로 각광받고 있다.
특히 유연성이 떨어져 첨단 전자제품에 적용이 어려운 기존의 기계식 작동기를 대신해 인간의 근육을 모방한 전기에 반응하는 인공근육형 작동기가 관심을 받고 있다.
그러나 기존의 백금이나 금을 기반으로 제작한 인공근육형 작동기는 제작 기간이 일주일 가까이 소요되고 실용성이 떨어지는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 그래핀과 화학물질, 전도성 고분자를 이용했다. 황과 질소를 그래핑에 도핑하고 전도성 고분자와 함께 섞어 부드럽고 전도성이 탁월한 유연 전극을 제작했다. 그리고 이를 바탕으로 고성능 인공근육형 작동기를 개발했다.
기존의 금속 기반 작동기가 일주일 이상의 제작 기간이 소요되는데 반해 연구팀이 개발한 그래핀-전도성 고분자 전극 적층 방식의 유연 작동기는 2시간 이내 제작할 수 있는 장점을 갖는다.
또한 황과 질소 등 화학물질을 도핑하는 작업으로 기존 그래핀에 비해 1.5~2배 이상 전기화학 성능이 향상됨을 삼전극 전기화학 테스트를 통해 확인했다.
연구팀은 이번에 개발한 작동기는 0.5V와 1V의 낮은 인가전압에서도 대 변형 구동이 가능하고, 기존 대비 3배 이상의 변형을 보이면서도 장시간 성능 지속이 가능하다고 밝혔다.
이 원천기술은 향후 ▲소프트 로보틱스(soft robotics)▲3D 프린팅 된 작동기▲부드러운 햅틱 디바이스▲웨어러블 전자소자▲유연 디스플레이전자소자▲생체 의료기기 등 각광받는 차세대 기전소자로 응용될 것으로 기대된다.
오 교수는 “고성능 인공근육형 작동기 기술은 향후 첨단 기전소자의 핵심 요소가 될 것이다”며 “특히 3D프린팅 기술과 함께 발전하면 차세대 웨어러블 소자로 상용화 가능성이 높을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 KAIST 김재환 박사과정, Kotal 박사가 공동 1저자로 참여했고, 네바다 주립대학 라스베가스(UNLV) 기계공학과 김광진 교수팀과의 공동연구를 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도핑된 그래핀 기반 인공근육형 작동기의 단면 이미지
그림2. 인공근육형 작동기 구동 사진
그림3. 황과 질소가 동시에 도핑된 그래핀의 원소 매핑 이미지
그림4. (a) 도핑된 그래핀의 굽힘 성능 및 (b) 성능 지속성 평가
2016.01.07 조회수 11913 -
초고체 존재에 대한 새로운 증거 밝혀
- 사이언스 익스프레스 게재, “고체 헬륨이 실제 초고체임을 규명하여 새로운 물질의 존재 증명”-
기체‧액체‧고체를 뛰어넘는 초고체(supersolid) 현상을 처음으로 밝혀낸 KAIST 김은성 교수가 최근 초고체 존재에 대한 논란을 해소하는 새로운 증거를 밝혀내 초고체가 실존한다는 사실을 규명하였다.
김은성 교수(39세, 교신저자)와 최형순 박사(30세, 제1저자)의 주도 하에, 일본 이화학연구소(理化學硏究所, RIKEN) 연구팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행되었다.
연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘사이언스(Science)’에 게재 승인을 받고, 특히 연구의 중요성을 인정받아 사이언스의 온라인 판인 ‘사이언스 익스프레스(Science Express)’ 11월 19일자에 게재되었다.
김은성 교수는 2004년 고체 헬륨을 극저온(영하 273도)으로 냉각시키면, 고체임에도 불구하고 그 일부가 별다른 저항 없이 자유롭게 흐르는 독특한 물질 상태(초고체)로 존재한다는 사실을 비틀림 진동자(torsion pendulum)를 이용하여 세계 최초로 규명한 초고체 연구의 선구자이다.
그러나 지난 6월 김 교수가 비틀림 진동자를 통해 관측한 현상을 초고체 현상이 아닌, 온도에 따른 고체 헬륨의 고전적․일반적 물성 변화에 기인한 것이라는 주장이 새롭게 제기됨에 따라, 초고체가 과연 존재하는지 여부가 학계의 초미의 관심사로 떠올랐다.
김은성 교수와 최형순 박사 연구팀은 매우 빠른 속도로 고체 헬륨을 회전시켜 초고체 상태가 파괴되는 현상을 직접 관측함으로써 초고체가 실제로 존재한다는 사실을 밝혀냈다.
초고체가 담겨 있는 용기를 회전시킬 때 초고체는 별다른 저항을 받지 않고 자유롭게 흐르기 때문에 용기를 따라 돌지 않는다. 그러나 매우 빠른 속도로 용기를 회전시키면, 초고체 내부에 양자 소용돌이가 발생하고, 이것은 초고체 현상을 유지하는데 필요한 요소를 제거하여 초고체 현상을 파괴할 것으로 예측된다. 이에 반해 고전적 고체는 회전속도에 민감하게 반응하지 않는다.
특히 이번 연구는 국내연구진의 주도하에 이루어졌고 그 결과가 세계 최고 권위지에 발표된 이례적인 값진 연구 성과로서, 우리나라 기초연구의 우수성을 전 세계에 널리 알렸다는 점에서 그 의미가 매우 크다.
이번 연구는 김은성 교수와 최형순 박사가 지난 2008년부터 땀과 노력으로 꾸준히 일궈온 성과로서, 지금까지 사이언스와 같은 세계 최고 학술지에는 저명한 외국학자와의 공동연구가 아닌, 국내연구팀이 주도적(단독 제1저자, 단독 교신저자)으로 논문을 발표한 사례는 드물다.
김은성 교수는 “이번 연구는 카이스트 연구팀의 초고체 연구에 대한 창의적인 아이디어와 일본 연구팀의 첨단 회전식 희석냉각장치를 접목시켜 시너지 효과를 거둔 결과이다. 특히 군 대체 복무기간을 연장하면서까지 전체 실험을 직접 수행한 최형순 박사가 없었다면 이번 연구는 이루어질 수 없었다”고 밝혔다. 또한 이번 연구는 “단순히 초고체 존재에 대한 논란에 종지부를 찍었다는 점뿐만 아니라, 고체 헬륨이 실제 초고체임을 규명하여 새로운 물질의 존재를 확인함으로써 순수과학에 대한 이해의 폭을 넓혔다는데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.
2010.11.19 조회수 16922