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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 18475 -
최정우, 조병진, 김상욱 교수, 3차원 그래핀 기반 평판 스피커 개발
우리 대학 전기 및 전자공학부 최정우, 조병진 교수, 신소재공학과 김상욱 교수 공동 연구팀이 3차원 그래핀 에어로젤을 이용해 전기 에너지로부터 박막의 진동 없이 소리를 발생시킬 수 있는 초박형 열음향 스피커를 개발했다.
이번 연구 결과는 나노 분야 학술지 ‘에이씨에스 에이엠아이(ACS AMI : ACS advanced Materials & Interfaces)’ 8월 17일자 온라인 판에 게재됐고 9월 9일자 IEEE 스펙트럼을 통해 외신에 소개됐다.
이번 연구는 김충선 박사과정, 이경은 박사과정, 기계공학과 이정민 박사가 공동 저자로 참여했다.
열음향 스피커란 얇은 도체에 교류 전기 신호를 인가함으로써 발생되는 열의 파동을 통해 공기의 진동을 발생시키는 원리로 소리를 낼 수 있는 스피커이다. 기존의 다이내믹 스피커와 다르게 매우 얇고 유연하게 만들 수 있다.
또한 박막의 진동 없이 소리를 발생시킬 수 있고 모든 방향으로 동일한 위상의 소리가 발생되기 때문에 어떠한 구조물에 붙이더라도 감쇄 없이 소리를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
열음향 스피커는 열을 발생시키는 도체의 열용량이 작을수록 효율이 높아져 그래핀 등의 얇은 박막이 스피커 구현의 적합한 재료로 여겨진다.
그러나 매우 얇은 나노 박막들을 지지하기 위한 기판에 의한 열 손실은 열음향 스피커의 효율을 감소시키는 문제점으로 지적됐다.
연구팀은 수 나노미터의 그래핀으로 이루어진 삼차원 그래핀 에어로젤 구조를 열음향 스피커에 적용시켜 그래핀의 열용량은 유지하면서 기판으로의 열 손실은 최소화된 삼차원 그래핀 열음향 스피커를 제안했다.
김상욱 교수 연구팀에서 개발한 이 삼차원 그래핀 구조는 산화 그래핀 용액을 동결 건조하고 열처리해 환원 및 도핑하는 간단한 과정을 통해 얻어질 수 있어 대량 생산이 가능하고 원하는 모양대로 가공이 가능하다.
최정우, 조병진 교수 공동 연구팀은 삼차원 그래핀이 최적의 효율로 소리를 발생시키기 위한 조건 및 구조를 이론적, 실험적으로 규명했다. 그리고 이를 사용해 어레이 형태의 스피커를 제작했고 현재까지 보고된 이차원 및 삼차원 열음향 스피커에 비해 향상된 음압 레벨을 보임을 입증했다.
제 1저자인 김충선 박사과정은 "이번 연구를 통해 대량 생산이 가능한 삼차원 그래핀 에어로젤로 손쉽게 제작이 가능한 열음향 스피커를 개발했다"며 "교내의 다양한 주제로 연구중인 그룹들이 가지고 있는 기술의 융합이 성과를 내는 데 큰 도움이 됐다"고 말했다.
이번 연구는 삼성미래기술 육성센터 및 한국연구재단 창의연구지원사업 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 16개의 삼차원 그래핀 에어로젤로 구성된 어레이 열음향 스피커
그림2. 제작 과정 및 삼차원 그래핀 에어로젤의 특성
2016.09.30 조회수 14749 -
유승협 교수, 열차단과 전기생산 동시에 가능한 태양전지 개발
〈 유 승 협 교수 〉
우리 대학 전기 및 전자공학부 유승협 교수와 성균관대 화학공학부 박남규 교수 공동 연구팀이 열을 차단하는 동시에 전기도 생산할 수 있는 반투명 태양전지 기술을 개발했다.
이는 다층 금속 박막 기반의 투명전극을 이용한 기술로써 가시광선은 투과하고 적외선(열선)은 선택적으로 반사한다. 동시에 전기도 생산하기 때문에 에너지를 효율적으로 사용하면서 낮은 실내 온도를 유지할 수 있다. 자동차 선팅이나 건물 창호 등에 다방면으로 이용 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 7월 20일자 표지 논문으로 선정됐다.(논문명: Empowering Semi-Transparent Solar Cells with Thermal-Mirror Functionality)
태양전지는 지붕 위에 설치하는 청색의 사각 패널 뿐 아니라 건물이나 차량 유리창에 적용할 수 있는 반투명 모양으로도 발전될 수 있다.
하지만 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 속성 상 빛을 투과시키는 태양전지의 반투명한 특성은 효율을 감소시킬 수밖에 없다. 또한 기존의 상용화된 결정질 실리콘 기반의 태양전지는 반투명하게 제작이 어렵다는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 차세대 태양전지 재료로 주목받는 유, 무기 복합물로 이뤄진 페로브스카이트를 광전변환 재료로 이용했다.
그리고 양면에 투명 전극을 사용해 반투명한 태양전지를 구현했다. 이 때 한쪽 면의 투명 전극은 연구팀이 수년 간 전자소자에 적용해온 ‘절연층-금속-절연층’ 구조의 금속 기반 다층 박막을 사용했다.
금속은 통상적으로 빛이 투과되기 어렵다. 하지만 연구팀은 수십 나노미터 두께의 얇은 박막으로 제작한 뒤 그 위에 반사를 줄이는 굴절률이 높은 절연층을 적층하는 방법으로 투명한 전극을 구현했다.
또한 투명 전극 각 층의 두께를 세밀하게 조절해 사람의 눈에 보이는 가시광선 대역의 빛은 투과시키고, 눈에 보이지 않는 대역의 빛은 반사되도록 설계했다. 이를 통해 차량용 선팅 필름과 비슷한 수준인 7.4% 평균 가시광선 투과율을 갖는 동시에 13.3%의 광전변환효율을 보이는 반투명 태양전지 제작에 성공했다.
연구팀은 적외선 반사를 최대화해 태양광의 열선을 효과적으로 반사시키는 기능을 더했다. 선팅 필름 제품의 태양열차단 성능은 총태양열에너지차단율(Total Solar Energy Rejection : TSER) 지수로 평가되는데 연구팀의 반투명 태양전지는 고가 선팅 필름 제품과 동등한 수준인 89.6%의 우수한 TSER 값을 보였다.
다수의 선팅 필름 제품들이 흡수를 통해 태양빛을 차단하기 때문에 태양빛에 노출 시 필름 자체의 온도가 올라간다. 반면 연구팀의 태양전지는 반사를 통해 열을 차단해 빛에 노출돼도 온도가 거의 올라가지 않아 태양전지의 안정성 향상 측면에서도 유리할 것으로 기대된다.
유 교수는 “열 차단 기능성 반투명 태양전지는 추가적 광학 설계를 통해 색 조절도 가능하고 궁극적으로는 필름형으로도 제작 가능해 기존 차량 및 건물의 유리창을 멋있고 스마트하게 업그레이드할 수 있을 것이다”며 “태양전지가 친환경 에너지를 생산하는 것에서 더 나아가 새로운 부가가치를 갖출 때 기존보다 더 큰 시장을 개척할 수 있을 것이다”고 말했다.
김호연, 하재원 박사과정 학생과 성균관대 김희선 학생이 공동으로 참여한 이번 연구는 KAIST 기후변화연구허브 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 저널의 표지논문 그림
그림2. 태양전지 사진
그림3. 열화상 사진
그림4. 모식도
2016.08.01 조회수 15585 -
강정구, 김용훈 교수, 태양광 이용 이산화탄소로 메탄올 변환 성공
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수, 김용훈 교수 공동 연구팀이 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있는 광촉매를 개발했다.
이 기술은 값싼 물질에 간단한 공정으로 이산화탄소를 고부가가치의 화학물질로 변환시킬 수 있다. 향후 탄소배출규제 시행에 따른 이산화탄소 처리 및 저감 문제를 해결할 수 있는 대안 기술이 될 것으로 기대된다.
이동기, 최지일 박사가 참여한 이번 연구는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 5월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
매년 우리나라에서는 6억 톤의 이산화탄소가 발생하고 세계적으로는 250억 톤에 이른다. 이산화탄소를 메탄올로 변환할 수 있다면 1톤 당 약 40만원에 판매가 가능해지고, 운반의 문제를 해결할 수 있다.
경제 및 환경문제에서도 효과가 클 것으로 예상되기 때문에 과학계 및 관련 산업계는 이산화탄소를 메탄올로 변환하기 위한 노력을 하고 있다.
식물의 광합성 효과를 모방한 인공광합성 기술은 태양에너지만으로 메탄올과 같은 고에너지 밀도의 화학물질을 제조할 수 있다. 이 반응을 이끌어내기 위해서는 백금, 금, 루테늄과 같은 금속 광물이 필요하다.
하지만 낮은 에너지 변환 효율 문제가 개선되지 않아 광촉매 물질의 보호막 정도로만 사용되고 있다. 에너지 효율이 낮은 이유는 태양 에너지의 극히 일부만 활용 가능해 전자 전달 능력이 낮기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 콜드 플라즈마(cold Plasma) 반응을 기반으로 한 기술을 이용했다. 기존 산화물 공정은 한 물질에 질소와 수소 처리를 동시에 구현하는 것이 불가능했지만, 기체 콜드 플라즈마 기술을 이용하면 상온에서도 고 반응성의 수소 및 질소 라디칼을 형성할 수 있다. 이를 통해 순간적 반응만으로 금속 산화물 내부에 질소 및 수소를 주입하는 데 성공했다.
이 기술로 자외선(UV)영역에 국한되는 이산화티타늄의 빛 감지 범위를 가시광선 영역까지 확대시켰고, 전자 전달 능력을 1만 배 증가시킴으로써 귀금속 광물 없이도 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있었다.
또한 인공광합성 반응이 잘 일어나도록 도와주는 별도 화학첨가제나 전기적 에너지 없이도 반응을 가시광 범위까지 이끌어냈다.
이산화티타늄 광촉매는 해당 물질이 갖는 이론한계치의 74%에 달하는 광전류를 발생시켰고, 이산화탄소를 이용한 메탄올 발생량이 25배 이상 향상됐다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자 수준 모델링을 통해 수많은 변수를 측정함으로써 촉매 반응 향상의 원리를 이론적으로 규명했다.
강 교수는“이 기술을 기반으로 향후 산업체에서 대량 생산할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 목표다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 태양광을 이용한 이산화탄소의 메탄올로의 변환 과정
그림2. 가시광에서 연료변환이 가능하도록 만든 코어-쉘 촉매
2016.05.26 조회수 16747 -
전기자동차용 차세대 전지의 성능 극대화
〈 김 일 두 교수〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 연구팀이 리튬-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
리튬-공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬-이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있으며, 이번에 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 리튬-공기전지의 상용화에 한 발짝 다가갈 것으로 기대된다.
연구팀은 촉매활성이 뛰어난 두 소재인 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했고, 이를 리튬-공기전지에 적용하는데 성공했다.
이번 연구는 나노재료 분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: One-Dimensional RuO2/Mn2O3 Hollow Architectures as Efficient Bifunctional Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries)
리튬-공기전지는 리튬-이온전지에 비해 용량이 10배 이상 높고 대기 중의 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차를 위한 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다.
그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율 및 수명특성이 저하돼 상용화에 어려움을 겪었다. 따라서 탄소재 양극 내의 리튬산화물의 형성 및 분해를 안정적으로 도와주는 촉매 개발이 필수적으로 요구됐다.
리튬-공기전지용 촉매는 가벼우면서 내구성이 우수하고 촉매의 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다. 현재 상용화 수준으로 대량생산이 가능하고 우수한 촉매 활성을 갖는 소재는 아직 개발되지 않았었다.
연구팀은 위의 문제 해결을 위해 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했다. 이는 누에가 실을 뽑듯이 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체를 기반으로 한 고분자 복합 섬유를 합성해내는 기술이다.
이후 이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어지고, 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매가 완성된다.
연구팀이 개발한 이중 튜브는 직경 220 나노미터의 외부튜브와 80 나노미터의 내부튜브로 이뤄져 안쪽 및 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여 가능하고, 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점을 갖는다.
연구팀은 초기 충전, 방전 시의 과전압 차이가 약 0.8V 이내로 감소하는 효과를 얻었다. 기존 탄소재 사용시 과전압은 약 2.0V 이상이다. 또한 용량제한 1000 mAh/g 하에서 100사이클 이상의 안정적인 리튬-공기전지 특성을 확인했다.
위의 기술 향상이 가능한 이유는 리튬산화물의 생성반응(산소환원 반응)을 도와주는 망간산화물 촉매와 분해반응(산소발생 반응)을 돕는 루테늄산화물 촉매가 내, 외부 튜브에서 나노단위로 균일하게 존재하기 때문이다.
김 교수 연구팀의 핵심 기술인 전기방사 기술은 고분자, 금속 전구체가 포함된 용액을 전기적 인력으로 연신시켜 수십에서 수백 나노 직경의 나노섬유를 얻을 수 있는 기술이다.
이 기술은 쉽게 기능성 나노섬유를 대량생산할 수 있어 수처리용 필터, 황사 마스크, 마스크팩 소재, 바이오 필터 등에 활발히 사용되고 있다.
연구팀은 “휘발점이 다른 두 용매의 온도 상승 속도를 조절하는 간단한 공정을 통해 리튬-공기전지의 충전 및 방전에 이상적인 촉매구조 디자인에 성공했다”고 밝혔다.
김 교수는 “생산 공정이 매우 손쉽고 대량생산이 가능한 기술이다”며 “촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것이다”고 말했다.
신소재공학과 김상욱 교수와 공동 연구로 진행된 이번 연구는 윤기로 박사과정이 제1저자로 참여했고, ‘한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(Korea CCS R&D Center)’ 및 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 미세구조 사진
그림2. 나노튜브 촉매가 사용된 리튬-공기전지의 구성
그림3. 리튬-공기전지의 구동 원리
그림4. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 형성원리
2016.02.16 조회수 17795 -
박인규 교수, 공기오염 측정 센서 원천기술 개발
<박인규 교수>
우리 대학 기계공학과 박인규(38) 교수팀이 스마트폰 등 모바일 기기에 탑재 가능한 초소형, 초절전 공기오염 측정 센서의 원천기술 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구 결과는 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 1월 30일 자 온라인 판에 게재됐다.
각종 공기오염 물질이 증가하고 사람들의 건강관리에 대한 관심이 높아지면서 개인의 주변 공기오염도에 대한 측정 기술의 필요성이 커지고 있다.
하지만 기존의 공기오염 측정 센서는 소모 전력과 부피가 크고, 여러 유해가스를 동시에 측정할 때의 정확도가 낮았다. 이는 기존에 개발된 반도체 제작공정을 사용해도 해결이 쉽지 않았다.
박인규 교수팀은 수백 마이크로미터 폭의 미세유동과 초소형 가열장치로 수 마이크로미터만을 국소적으로 가열하는 극소영역 온도장 제어기술을 이용해 여러 종류의 기능성 나노소재를 하나의 전자칩에 쉽고 빠르게 집적하는 기술을 개발했다.
대표적으로 공기오염 측정에 사용되는 센서 소재인 반도체성 금속산화물 나노소재 기반의 전자칩을 제작하였다.
박 교수팀의 기술은 다종의 센서용 나노소재를 적은 양으로도 동시제작 할 수 있어 모바일 기기에 탑재할 초소형, 초절전 가스 센서를 만들 수 있다.
이 기술은 고밀도 전자회로, 바이오센서, 에너지 발전소자 등 다양한 분야에 응용이 가능하고, 특히 소형화 및 소비전력 감소에 어려움을 겪는 휴대용 가스센서 분야에 혁신을 가져올 것으로 예상된다.
박 교수는 “모바일 기기용 공기오염 센서 뿐 아니라 바이오센서, 전자소자, 디스플레이 등의 다양한 융합기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육부의 글로벌프론티어 사업, 미래창조과학부의 나노소재 기술개발사업, BK21 사업의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구에는 박인규 교수를 비롯해 기계공학과 양대종 박사후 연구원, 강경남 박사과정 연구원, 한국전력공사 김동환 연구원, 미국 휴렛 팩커드(Hewlett Packard) 사의 지용 리 (Zhiyong Li) 박사가 참여했다.
□ 그림설명
그림1. 다종 나노소재 제작 원리 및 미세 유동 컴퓨터 시뮬레이션 결과
그림2. 초미세 영역에서 동시에 제작된 다종의 나노소재
2015.02.24 조회수 17059 -
바이러스를 이용한 친환경 나노발전기 개발
- 자연계의 생체 합성 능력을 모방해 만든 신물질로 나노발전기 개발 -
우리 학교 신소재공학과 이건재(38)·남윤성(40) 교수 공동연구팀은 유전자 조작 바이러스를 이용해 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
연구결과는 나노 및 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘ACS Nano’ 온라인판(11월 14일자)에 게재됐으며, 대면적 저비용 제작에도 성공해 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 12월호 표지논문으로 선정되기도 했다.
조개껍질, 해면, 뼈 등에서 볼 수 있듯이 자연계는 인간이 만들기 어려운 여러 가지 물질이나 구조를 스스로 합성하고 조립하는 능력을 가지고 있다. 예를 들어, 자연계의 조개껍질은 매우 단단한 반면 같은 물질이지만 인공 합성물인 분필은 쉽게 부서진다.
게다가 기존의 여러 인공 합성법들은 독성이 많고 극한적인 환경에서 이뤄진다는 것에 비해 이러한 자연적인 합성은 매우 신비하고 주목할 만한 현상이다. 이처럼 생물들이 가지고 있는 자연적 물질 합성을 모방하면 과학기술 분야에서 효율적으로 환경문제를 해결하거나 신물질을 개발할 수 있다.
연구팀은 자연계에 대량으로 존재하면서 인체에는 무해한 M13이라는 바이러스 유전자를 조작하고, 이 바이러스의 특징을 이용해 압전 효과가 우수한 티탄산바륨(BaTiO3)을 합성함으로써 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
나노발전기란 기계적인 힘을 가하면 전기가 생성되는 압전(piezoelectricity) 현상을 응용해 만든 에너지를 얻는 소자다. 연구팀은 이번에 손가락의 움직임으로도 전기에너지를 생산해 LED를 구동하는데 성공했다.
남윤성 교수는 “이번에 개발된 나노발전기는 DNA 조작이 생명체의 변형을 뛰어넘어 전자소자까지 제어할 수 있다는 새로운 발상의 전환을 보여주는 것”이라며 “뛰어난 압전특성과 친환경적인 제조공정은 이러한 접근법이 얼마나 매력적인지를 잘 보여준다”고 연구의 의의를 설명했다.
ㅁ 그림설명
바이러스 구조를 이용한 티탄산바륨 합성 및 나노발전기 모식도(첫째 줄), 바이러스와 이를 이용한 티탄산바륨 나노물질의 전자현미경 사진 및 구현된 유연한 나노발전기와 소자 (LED) 구동 모습(둘째 줄)
2013.12.10 조회수 22298 -
오래가는 리튬황 이차전지 개발
- 리튬이온전지 보다 에너지밀도가 5배 이상 높은‘리튬황 전지’개발 -
우리 학교 신소재공학과 김도경 교수는 EEWS 최장욱 교수와 공동으로 현재 상용화중인 리튬이온 배터리의 수명 및 에너지 밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황 전지를 개발했다.
연구결과는 나노소재 분야 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3일자 표지논문(frontispiece)으로 실렸다.
개발된 리튬황 전지는 △단위 무게당 에너지 밀도가 최대 2100Wh/kg로 상용화 중인 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)의 5.4배에 달하고 △기존에 개발된 리튬황 전지가 갖는 충·방전에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결해 수 백 번 충·방전이 가능하다.
김 교수 연구팀은 나노 전극 재료합성기술을 활용, 두께 75nm(나노미터) 길이 15㎛(마이크로미터)의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극 재료를 제작했다.
제작된 황 나노와이어 정렬 구조는 1차원 구조체로 빠른 전자의 이동이 가능해 전극의 전도도를 극대화시켰다.
이와 함께 황 나노와이어 표면에 균일하게 탄소를 코팅함으로써 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹아나는 것을 방지, 리튬황 전지가 갖는 수명저하 문제를 해결했다.
기존에 개발된 리튬황 전지용 전극은 초기에 높은 용량을 보임에도 불구하고 충·방전을 반복함에 따라 지속적인 용량감소를 보였다.그러나 개발된 전극은 빠른 방전속도(3분마다 1회 충·방전 조건)에서 300회의 충·방전 후에도 초기 용량의 99.2%를 유지했고 1000회의 충·방전 후에도 70%이상 용량을 나타냈다.
따라서 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명, 에너지 밀도 등에서 기존의 어떠한 전극보다 성능이 우수한 세계 최고 수준으로 평가받고 있다.
김도경 교수는 “개발된 리튬황 전지는 무인기, 전기자동차 및 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “대표적인 차세대 이차전지인 리튬황 전지의 오랜 난제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고 수준의 성능을 구현해 내 이 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 1편과 PCT 국제 특허 1편의 출원을 완료했다.
□ 그림설명
그림1. 개발된 리튬황 전지수명특성 그래프, 300회의 충·방전 시에도 초기 용량의 99.2%의 성능을 낸다.(좌측) 1000회 충·방전에도 높은 성능을 유지한다.(우측)
그림2. 탄소 코팅된 황 나노 와이어 정렬 구조(좌측상단 1, 2 프레임), 단일 황 나노와이어(좌측 하단), 황 나노 와이어 정렬 구조 모식도(우측)
2013.12.03 조회수 17103 -
양자점 이용한 고효율 투명 태양전지 개발
- 양자점 전해질에 분산해 9%대 고효율 염료감응 태양전지 원천기술 개발 -- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 19일자 게재 -
우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용해 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.
현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수를 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 빛 흡수를 높이기 위해 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.
아직은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.
이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율이 증가했으며 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교에서도 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.
강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.
그림1. 모바일 양자점이 포함된 염료감응태양전지의 흡수 스펙트럼, 외부양자효율, 전압-전류.(상단) 플라즈몬 구조, 빛반사층과 모바일 양자점이 구현된 태양전지의 외부양자효율, 산란파워, 그리고 사진의 비교. (하단)
그림2. 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(좌측)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (우측): Foster Resonance Energy Transfer (FRET) (상단), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(중단), 2광자 흡수 (하단)
그림3. 염료감응 태양전지 샘플
그림4. 연구원 사진
2013.09.25 조회수 17931 -
실리콘 나노선의 불순물 특성 세계 첫 규명
장기주 교수
- “실리콘 나노선을 소재 상용화 앞당겨 획기적 반도체 집적도 향상 기대” -- 나노분야 세계적 학술지 ‘나노레터스’ 9월 17일자 게재 -
우리 학교 연구진이 미래 차세대 반도체 소자 소재로 기대를 모으고 있는 실리콘 나노선의 전기 흐름과 직결된 불순물 특성을 밝혀냈다.
우리 학교 물리학과 장기주 특훈교수팀은 산화 처리된 실리콘 나노선에서 전기를 흐르게 하기위해 첨가한 불순물 붕소(B), 인(P) 등의 움직임과 비활성화를 일으키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.
현재 최첨단 기술로도 10nm(나노미터) 이하의 실리콘 기반 반도체 제작은 불가능한 것으로 알려져 있지만, 실리콘 나노선은 굵기가 수 나노미터이기 때문에 보다 획기적인 집적도를 가진 반도체를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
실리콘 나노선은 원래 전기가 흐르지 않는 데 반도체 소자로 적용하려면 인 또는 붕소와 같은 불순물을 소량 첨가(Doping)해 양의 전하를 띠는 정공이나 음 전하를 띠는 전자 운반 매개체를 만들어 전기가 흐를 수 있도록 해야 한다.
그러나 덩어리 형태의 기존 실리콘에 비해 나노선에서는 불순물 첨가가 어려울 뿐만 아니라 전기전도 특성을 조절하기 어려운 문제가 있었다.
장 교수 연구팀은 이번 연구를 위해 단순 모형을 이용한 기존 이론을 개선한 획기적 양자시뮬레이션 이론을 고안해 실제와 매우 가까운 코어-쉘 원자 모델을 만들었다.연구팀은 이를 통해 실리콘 코어 내부에 첨가된 붕소 불순물이 산화과정에서 코어를 싸고 있는 산화물 껍질로 쉽게 빠져나가는 원인을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다.
이와 함께 인 불순물은 산화물로 빠져나가지 못하지만 서로 전기적으로 비활성화 된 쌍을 이루면서 정공이 생기는 효율을 감소시킨다는 사실도 밝혔다.
이러한 현상은 나노선이 필름 형태로 돼 있는 기존 실리콘에 비해 같은 부피라도 표면적이 더 넓기 때문에 더욱 심각한 문제를 일으킨다고 연구팀은 이번 연구에서 입증했다.
장기주 교수는 “이번 연구방법은 실리콘과 산화물 사이의 코어-쉘 나노선 모델을 구현하는 이론 연구의 기본 모형으로 받아질 것으로 기대된다”며 “특히, 10nm급 수준의 소자 연구에서 실리콘 채널을 산화물로 둘러 싼 3차원 FinFET 구조의 원자구조를 구현해 소자 특성을 밝히는 데 커다란 도움이 될 것이다”라고 연구의의를 밝혔다.KAIST 장기주 교수가 주도하고 김성현 박사과정 학생(제1저자)과 박지상 박사과정 학생(제 2저자)이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업(도약연구) 및 신기술융합형성장동력사업(나노기반정보⋅에너지) 지원으로 수행됐고, 나노과학분야 세계적 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 9월 17일자 온라인 판에 게재됐다.
그림설명 : 실리콘/산화물 코어-쉘 나노선의 종단면. 초기 코어에 잘 들어가 있던 붕소(녹색)이 격자 틈새에 위치한 실리콘(연파랑)에 의해 밀려남 따라 붕소가 산화물 껍질로 빠져나간다.
2012.10.22 조회수 17408 -
임춘택 교수, 새로운 무선충전 전달장치 개발
- 온라인 전기차 OLEV 용 ‘I형 무선전력 전달장치’ 개발 -
- 기존의 레일형 플랫폼 대비 공사기간 10분의 1로 단축하고 선로비용 기존의 80% 수준 -
우리 대학이 개발한 온라인 전기차 올레브(이하 OLEV)가 경제성을 더욱 개선한 새로운 무선전력 전달장치 개발로 실용화에 한걸음 더 다가섰다.
우리 대학 원자력및양자공학과 임춘택 교수(49세)가 기존의 레일형 급전선로와 형태가 다른 ‘I형 무선전력 전달장치’를 개발했다
임 교수 연구팀이 개발에 성공한 I형 무선전력 전달장치는 모듈형 제작이 가능하기 때문에 기존의 급전선로에 비해 콘크리트 공사가 필요 없고 아스팔트 시설비용도 절약할 수 있어 온라인 전기차에 적용할 경우 설치비용을 크게 절감할 수 있는 이점이 있다.
KAIST OLEV는 도로 밑 약 15cm 지점에 매설한 전선에서 발생하는 자기장을 차량하부에 장착한 집전장치에서 전기에너지로 변환해 운행하는 새로운 개념의 친환경 전기차인데, KAIST가 지난 2009년 세계 최초로 도로주행용 무선전기차 개발에 성공했다. KAIST OLEV는 신호대기 등 정차 중에 충전할 수 있으며 주행 중에는 실시간으로 전력을 전달받아 운행한다.
현재 대전 KAIST 문지캠퍼스를 비롯해 여수 엑스포전시관, 서울대공원에서 각각 시범운행 중인 OLEV는 레일형으로 급전선로 폭이 80cm이며 공극간격 20cm에서 집전장치 당 15kW까지 충전이 가능하다.
KAIST OLEV는 그 동안 기술력과 아이디어 면에서는 크게 인정을 받은 반면 기존 도로에 설치하기 위해선 도로를 파고 시스템을 설치해야 하는 등 경제성 문제로 상용화에 어려움이 있다는 지적을 받아왔다.
임 교수팀이 이번에 새로 개발한 ‘I형 무선전력 전달장치’는 급전선로 폭을 10cm로 줄여 기존선로 폭의 1/8로 줄였으며 무선전력도 공극간격 20cm에서 25kW까지 전달할 수 있도록 성능이 대폭 향상됐다. 또한 차량의 좌우 허용편차도 24cm로 넓어졌으며 전자기장도 국제적 설계 가이드라인을 충족해 인체안전성에도 문제가 없다.
급전선로 폭이 획기적으로 줄어들고 공장에서 대량으로 모듈제작이 가능해진 만큼 그동안 경제성 측면에서 지적을 받아 온 KAIST OLEV로서는 새로운 급전시설 개발이 실용화에 큰 도움이 될 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 임춘택 교수도 “기존 레일형에 비해 공사시간은 10분의 1로 크게 단축되고 급전선로 비용도 80%에 불과해 시공성과 경제성이 모두 크게 개선됐다”고 강조했다.
임 교수 연구팀의 이번 연구성과는 작년 12월 국제전기전자공학회 전력전자 저널 (IEEE Trans. on Power Electronics)에 게재됐다. 임 교수는 올 2월 미국에서 열린 국제 전기차학회 (Conference on Electric Roads & Vehicles)에 초청돼 관련기술에 대해 강연도 진행했다. 한편, 이번 연구는 지식경제부가 지원한 온라인 전기자동차(OLEV) 원천기술개발과제를 통해 수행됐다.
2012.06.22 조회수 16167 -
신개념 나노발전기 원천기술 개발
- 나노복합체 이용해 복잡한 공정과 고비용 문제 해결 -- 어드밴스드 머터리얼스 6월호 표지논문 게재 -
우리 학교 연구진이 나노복합체를 이용해 나노발전기를 적은 비용으로도 대면적으로 만들 수 있는 원천기술 개발에 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 나노복합체를 이용한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발해 재료분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 6월호 표지논문에 게재됐다.
이번에 개발된 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 면적도 쉽게 제작 가능해 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복해냈다는 평가를 받고 있다.
나노발전기는 나노 크기(10억분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 ‘압전 효과’를 이용한다.
압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐으며, 2010년 미국의 유명한 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되기도 했다.
나노발전기 개발을 위한 압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 적용한 ‘산화아연(ZnO)’이 유일했다.
2010년 KAIST 신소재공학과 이건재 교수 연구팀은 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖고 있는 세라믹 박막물질인 ‘티탄산화바륨(BaTiO3)’을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨데 이어, 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공해 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현해낼 수 있게 됐다.
연구팀은 수백 나노 크기의 고효율 압전 나노입자인 ‘티탄산화바륨’과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 ‘탄소나노튜브’ 또는 ‘산화 그래핀(RGO)’을 폴리머(polydimethylsiloxane, PDMS)와 섞은 후 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했다.
이건재 교수는 “압전효과를 바탕으로 한 ‘나노자가발전 기술’은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있지만, 기존 기술은 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제 및 소자크기의 한계성을 극복하지 못했다”고 말했다.
아울러 “이번에 개발된 기술에 패키징 및 충·방전 기술을 융합하면, 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에 응용될 수 있다“고 덧붙였다.
한편, 이번 기술은 해외 1건, 국내 2건의 특허가 출원 및 등록됐다.
<동영상>http://www.youtube.com/watch?v=90rk7G3t30k&feature=player_embedded
압전 나노복합체 제작공정과 소자를 다양한 방법으로 구부릴 때마다 전기가 발생하는 것을 보여주는 동영상
※응용사례
- 에너지블럭(부산 서면역 적용)
지하철 선로에 압전소자를 적용해 전동차 운행으로 얻어지는 진동을 통해 발전하는 장치로 국내 최초의 압전에너지 상용화 제품http://blog.naver.com/ioyou64?Redirect=Log&logNo=130093513496
- 이스라엘은 고속도로에 압전발전기를 적용해 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있음
- 필립스는 사람이 리모컨 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 생산해 배터리가 없어도 작동되는 리모컨 개발
- 수 많은 나노 발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만든 재킷을 입으면 단순히 걷는 것과 같은 일상생활만으로도 휴대전화나 MP3 등을 충전할 수 있을 것으로 예상됨
- 아주 작은 전원만으로도 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발가능
※그림설명
그림1. 압전 나노입자를 포함하는 복합물질에서 구부림에 의해 전기가 생성되는 것을 보여주는 그림.
그림2. 구부러질 때마다 전기를 만드는 나노복합체 기반의 자가발전기(논문표지)
2012.06.12 조회수 19940