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김도경 교수, 모세관현상 이용한 리튬-황 전지 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다.
연구팀이 개발한 면적당 용량(mAh/㎠)이 우수한 저중량, 고용량 리튬-황 기반 이차전지 전극소재를 통해 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
윤종혁 박사과정이 1저자로 참여하고 김도경 교수, UNIST 이현욱 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.
최근 전기자동차, 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증함에 따라 기존 리튬이온 전지를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도의 이차전지 개발 필요성이 커지고 있다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬이차전지로 각광받고 있으며 이론적으로 리튬이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다.
하지만 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 인해 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상은 리튬-황 전지 상용화의 걸림돌이다.
이를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기전도도를 향상시키고 부피변화를 완화시키며 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발에 대한 연구가 주로 진행돼 왔다.
그러나 이러한 구형의 0차원 탄소 분말들은 입자 간 무수한 접촉 저항이 발생하고 황을 감싸는 합성 과정이 까다로울 뿐 아니라 입자들을 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야한다는 단점이 있다.
연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고 고체 황 분말이 분산된 슬러리(slurry, 고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 통해 현상을 관찰했다. 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.
이는 복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.
또한 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/㎠이 넘는 황 함량을 달성했고 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다.
1저자인 윤종혁 박사과정은 “금속집전체 위에 전극물질을 도포하는 기존의 전극 제조 방법과는 전혀 다른 전극 구조 및 제조 방식을 적용한 연구로 향후 리튬 이차전지의 연구 범위를 넓히는 데에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한 단계 다가선 연구성과로 전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 EEWS 연구센터의 기후변화연구허브사업과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성
그림2. 탄소나노섬유들 사이에 흡수되어 맺힌 형태 그대로 고체화 된 황의 미세구조와 모식도
그림3. 액상의 리튬 폴리설파이드를 효과적으로 흡수하는 탄소나노섬유 구조체
2018.03.22 조회수 17229 -
조용훈 교수, 금속나노구조 이용해 효율 높인 퀀텀닷 LED 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 금속나노 배열 구조를 이용해 퀀텀닷(Quantum Dot) 발광다이오드(LED)의 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 차세대 디스플레이 기술이 한 단계 발전하는 데 기여할 것으로 기대된다.
현재 사용되는 퀀텀닷 기반의 디스플레이는 청색 LED를 광원으로 사용해 녹색과 적색 퀀텀닷을 여기(勵起, 광자 에너지가 분자로 옮아가 높은 에너지상태로 방출되는 상태)해 색 변환을 하는 방식이다.
이러한 방식은 높은 가격의 퀀텀닷을 이용하기 때문에 디스플레이 소자의 단가가 높아진다. 또한 액체 상태인 퀀텀닷을 소재에 적용하기 위해 공기 중에 말리면 발광 효율이 급격히 저하된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 금속 나노구조가 청색 LED의 빛을 받으며 발생하는 국소 표면 플라즈몬 효과를 이용해 퀀텀닷의 발광효율을 증가시켰다. 더불어 발광 휘도를 높일 수 있는 LED 구조를 이론적으로 제시하고 구현하는 데 성공했다.
이 구조는 기본 청색 LED를 여기 광원으로 이용한다. 알루미늄 금속 나노구조와 녹색 퀀텀닷을 여기해 녹색 발광 휘도를 증가시키고, 은 금속 나노구조와 적색 퀀텀닷을 여기해 적색 발광 휘도를 증가시키는 방식이다.
이는 금속 나노구조를 통해 특정 휘도를 얻기 위해 필요한 퀀텀닷의 양을 많이 줄일 수 있다는 의미이고 결과적으로 소재의 단가를 낮출 수 있다.
이번 연구는 소재의 구조를 이론적으로 모델링했기 때문에 목적에 따라 금속 나노구조를 간단하게 새로 디자인해 조절할 수 있다.
조 교수는 “향후 퀀텀닷 디스플레이에 금속 나노구조를 도입하는 기술이 적절히 도입된다면 소재에 필요한 퀀텀닷의 양을 줄이고 효율적인 색 변환을 통해 단가를 줄일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
박현철 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 12월 27일자 표지 논문에 선정되었으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스몰(Small)저널의 12월 27일자 표지 논문 그림
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그림2. 금속 나노구조가 있을 경우와 없을 경우의 발광 세기 차이를 보인 스펙트럼
2018.01.15 조회수 13489 -
김정, 박인규 교수, 로봇의 피부 역할 할 수 있는 촉각센서 개발
우리 대학 기계공학과 김정, 박인규 교수 공동 연구팀이 실리콘과 탄소 소재를 활용한 로봇의 피부 역할을 할 수 있는 촉각 센서를 개발했다.
이 기술은 충격 흡수가 가능하면서 다양한 형태의 촉감을 구분할 수 있어 향후 로봇의 외피로 이용 가능할 것으로 기대된다.
이효상 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’ 1월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
피부는 인체에서 가장 많은 부분을 차지하는 기관이며 주요 장기를 외부 충격으로부터 보호하는 동시에 섬세한 촉각 정보를 측정 및 구분해 신경계에 전달하는 역할을 한다.
현재 로봇 감각 기술은 시각, 청각 부분에서는 인간의 능력에 근접하고 있으나 촉각의 경우는 환경의 변화를 온몸으로 감지하는 피부 능력에 비해 많이 부족한 것이 사실이다
인간과 비슷한 기능의 피부를 로봇에게 적용시키기 위해선 높은 신축성을 갖고 충격을 잘 흡수하는 피부 센서 기술의 개발이 필수이다. 전기 배선을 통해 몸 전체에 분포된 많은 센서를 연결하는 기술 또한 해결해야 할 문제이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 실리콘과 탄소나노튜브(CNT)를 혼합해 복합재를 만들었고 이를 전기임피던스영상법(EIT)라는 의료 영상 기법과 결합했다. 이를 통해 넓은 영역에 가해지는 다양한 형태의 힘을 전기 배선 없이도 구분할 수 있는 기술을 개발했다.
이를 통해 개발된 로봇 피부는 망치로 내려치는 수준의 강한 충격도 견딜 수 있으며 센서의 일부가 파손돼도 파손 부위에 복합재를 채운 뒤 경화시키면 재사용이 가능하다.
또한 3D 프린터 등으로 만들어진 3차원 형상 틀에 실리콘-나노튜브 복합재를 채워 넣는 방식으로 제작할 수 있다. 기존 2차원 평판 뿐 아니라 다양한 3차원 곡면으로 제작이 가능해 새로운 형태의 컴퓨터 인터페이스도 개발할 수 있다.
이 기술은 다른 형태의 위치나 크기 등을 촉각적으로 구분할 수 있고 충격 흡수가 가능한 로봇의 피부, 3차원 컴퓨터 인터페이스, 촉각 센서 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.
특히 이번 연구는 나노 구조체 및 센서 분야의 전문가인 박인규 교수와 바이오 로봇 분야 전문가인 김정 교수가 공동으로 진행해 실제 제품 적용 가능성이 높다.
김정 교수는 “신축성 촉각 센서는 인체에 바로 부착 가능할 뿐 아니라 다차원 변형상태에 대한 정보를 제공할 수 있다”며 “로봇 피부를 포함한 소프트 로봇 산업 및 착용형 의료기기 분야에 기여할 것이다”고 말했다.
박인규 교수는 “기능성 나노 복합소재와 컴퓨터단층법의 융합을 이용해 차세대 유저인터페이스를 구현한 것이다”고 말했다.
이번 연구는 1저자 이효상 박사과정 외 권동욱, 조지승 연구원과의 공동연구로 진행됐고, 미래창조과학부 이공분야 기초연구사업(중견연구자 지원사업)과 초정밀 광기계기술 연구센터(선도연구센터지원사업)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 제작한 촉각 센서와 연결돼 저항에 반응하는 로봇 손
그림2. 실리콘 고무와 카본나노튜브를 이용한 압저항 복합재 제작 과정
그림3. 압저항 복합재를 활용한 컴퓨터 인터페이스
2017.02.02 조회수 18682