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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
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홍합모방 리튬이차전지용 분리막의 출력 특성 향상
- 재료분야 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 머티어리얼스 (Advanced Materials)’ 인터넷판 (5월25일)에 게재
- 출력 특성 증가해 차세대 자동차용 리튬이온전지용 분리막 개발의 핵심 기술이 될 것
우리학교 EEWS 대학원의 최장욱, 박정기 교수 공동 연구팀은 유명현 박사 과정 연구원과 더불어 홍합의 족사를 모방한 고분자를 소재로 한 출력 특성 향상을 위한 분리막 코팅 기술을 개발했다.
이 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지에 25일 인터넷판으로 게재되었다.
리튬이차전지는 현재 대부분의 휴대용 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있으며, 전기자동차(EV)를 필두로 한 차세대 운송수단으로의 에너지원, 더 나아가 신재생 에너지를 저장하는 전력저장 수단으로 주목 받고 있다. 이에 따라 리튬이차전지는 지금보다 더 높은 에너지 밀도와 출력 특성이 절실히 요구되고 있다.
전지의 구성요소인 분리막은 음극 및 양극 사이에 위치하여 두 전극간의 기계적 접촉을 방지할 뿐만 아니라, 리튬이온이 이동할 수 있는 통로의 역할을 수행한다. 지금까지의 리튬이차전지에서는 폴리에틸렌 중심의 폴리올레핀 계열의 다공성 분리막이 사용되어 왔지만, 이들 분리막은 현재 사용중인 전해질과 표면 친화성이 떨어져, 전해질과의 젖음 특성 및 함침 특성의 저하를 초래하였다. 이러한 분리막의 특성은 막 내의 이온이동능력 저하시켜 전지의 출력 특성을 감소시키는 큰 원인이 되어왔다. 출력 특성은 전기자동차의 경우, 가속력과 직결되는 것이다.
이에 연구팀은 홍합의 족사를 모방하여 제조한 고분자를 분리막에 코팅함으로써, 리튬 이차전지의 출력특성을 획기적으로 개선하였다. 홍합은 파도에 쓸려가지 않고 바위나 선박 등에 달라붙어 있기 위해 매우 강한 접착력을 가진 접착물(족사)를 분비하는데, 주로 엠이에프피-5(Mefp-5)라는 특정 단백질로 구성되어 있다. 이번 연구에서는 홍합 족사의 해당 단백질을 모방하여 제조한 폴리도파민이라는 고분자가 핵심적인 역할을 했다. 폴리도파민 고분자 코팅은 분리막의 표면에 매우 효과적으로 친수성을 부여하기 때문에 전해질 함침양을 기존 분리막 대비 30% 정도 증가시킬 수 있었다.
그 결과 폴리도파민으로 표면을 처리한 분리막이 도입된 전지의 출력 특성은 기존의 분리막과 대비하여 방전 조건에 따라 최대 2배 정도까지의 향상을 보였다. 또한 홍합의 단백질과 마찬가지로 매우 강한 접착력을 보유하기 때문에 분리막의 표면으로부터 쉽게 떨어지지 않아, 코팅 이후에도 매우 우수한 기계적 물성을 유지할 수 있다는 것이 기존의 연구와 구별된다. 특히, 처리 과정이 쉽고 환경친화적이어서 바로 산업계의 공정에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 EEWS Flagship 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
2011.05.31
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태양전지 소재 이용, 인공광합성 기술개발
- 국제저명학술지 어드밴스드 머티어리얼스 최근호 게재- 이종 분야 (생명과학, 태양전지)간 융합연구 성공사례로 주목
인류는 지금 지구온난화와 화석 연료의 고갈이라는 문제점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위해 온난화의 원인인 이산화탄소를 배출하지 않고 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 계속되고 있다.
이러한 가운데 우리학교 신소재공학과 박찬범 교수와 류정기 박사팀이 태양전지 기술을 이용해 자연계의 광합성을 모방한 인공광합성 시스템 개발에 성공했다.
이 기술은 정밀화학 물질들을 태양에너지를 이용해 생산해 내는 ‘친환경 녹색생물공정’ 개발의 중요한 전기가 될 전망이다.
광합성은 생물체가 태양광을 에너지원으로 사용해 일련의 물리화학적 반응들을 통해 탄수화물과 같은 화학물질을 생산하는 자연현상이다.
박 교수팀은 이 같은 자연광합성 현상을 모방해 빛에너지로부터 정밀화학 물질 생산이 가능한 신개념 ‘생체촉매기반 인공광합성 기술’을 개발했다.
이번 연구에서 연구팀은 자연현상 모방을 통해 개발된 염료감응 태양전지의 전극구조를 이용해 다시 자연광합성 기술을 모방해 발전시킬 수 있다는 것을 증명해냈다.
박찬범 교수는 “지난해 양자점을 이용한 인공광합성 원천기술을 개발해 한국과학기술단체 총연합회가 선정한 10대 과학기술뉴스로 선정된 바 있다”며 “이번 연구 결과는 광합성효율을 획기적으로 향상시킴으로써 인공광합성 기술의 산업화에 한 걸음 더 다가선 것으로 평가된다”고 강조했다.
이번 연구는 독일에서 발간되는 재료분야 국제저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 4월 26일자에 게재됐으며 특허출원이 완료됐다.
한편, 연구결과는 재료공학과 생명과학분야의 창의적인 융합을 통해 새로운 공정기술을 개발하는 데 크게 기여했다는 평가를 받았으며, 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업(분자생물공정 융합기술연구단), 국가지정연구실, KAIST EEWS 프로그램 등으로부터 지원받아 수행됐다.
2011.04.26
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연필심에서 배터리까지 탄소의 무한 변신
- “차세대 이차전지나 태양전지, 디스플레이 개발을 위한 기술적 진보 이뤄”
- 그래핀과 탄소나노튜브를 새로운 3차원 형태로 조립에 성공
-‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 특집기획 초청논문 게재
연필심의 원료인 흑연이나 다이아몬드등과 같이 순수하게 탄소로만 이루어진 물질들이 우리주변에서 다양한 소재나 부품으로 널리 쓰이고 있다. 특히 최근에는 탄소나노튜브나 그래핀과 같이 나노미터 크기를 갖는 탄소나노소재들이 새롭게 발견돼 학계와 산업계로부터 많은 관심을 끌고 있다.
꿈의 신소재로 불리는 그래핀과 탄소나노튜브는 탄소원자가 2차원적 평면상에 벌집 모양으로 결합된 화학구조로 되어있다. 이로 인해 다이아몬드보다 강도가 높으면서 잘 굽혀질 수 있고, 투명하면서도 전기가 잘 통하는 등 기존의 다른 소재들이 갖지 못한 우수한 특성들을 가지고 있다. 그러나 자연 상태에서는 이들이 뭉쳐있거나 층층이 쌓여 흑연을 이루고 있어 개별적으로 분리해내기에 어려운 문제점이 있었다.
분자조립 나노기술의 세계적 연구그룹인 KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 꿈의 소재라 불리는 그래핀과 탄소나노튜브를 3차원 형태로 조립하는 새로운 원천기술을 개발했다.
연구팀은 그동안 오랜 연구역량을 축적해 온 분자조립 나노기술을 이용해 그래핀과 탄소나노튜브를 입자 단위로 분리한 후 새로운 3차원 형태로 조립하는 데 성공했다. 또한, 이 과정에서 값싼 천연 흑연으로부터 단일층의 그래핀 유도체를 매우 높은 순도로 얻어내는 데 성공했다.
김상욱 교수는 “이번 연구로 그래핀계 탄소소재가 가진 넓은 표면적, 우수한 전기전도성, 기계적 유연성 등의 우수한 물성을 차세대 이차전지나 태양전지, 디스플레이 등에 이용하기 위해 필요한 중요한 기술적 진보를 이뤘다”며 “이번 논문 게재로 연구팀이 탄소소재 연구에서 세계적 선도그룹으로 인정받고 있음을 다시 한 번 확인했다”고 말했다.
김 교수는 이번 연구내용으로 4월말 미국 샌프란시스코에서 개최되는 국제재료학회(Materials Research Society)에서 초청 강연을 할 예정이다.
한편, 이번 연구결과는 신소재분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 4월 22일자에 특집기획 초청논문(Invited Feature Article)으로 발표됐다. 논문이 소개된 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’의 특집초청논문은 세계적인 연구그룹의 최신 연구동향을 엄격한 심사를 통해 선별, 초청하는 기획논문이다.(끝)
※용어설명그래핀: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재
탄소나노튜브: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재
2011.04.25
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숲을 모방한 차세대 태양전지 기술 개발
- 산화아연 나노와이어 이용해 염료감응형 태양전지 효율 3~5배 향상
- 세계적 학술지‘나노 레터스(Nano Letters)’ 1월호 온라인 판 게재
우리나라 태양전지 연구개발 수준이 글로벌 경쟁력을 갖추게 됐다.
우리학교 기계공학과 고승환·성형진 교수팀이 숲을 모방한 산화아연 기능성 나노구조체를 만드는 기술을 개발하고, 이 기술을 염료감응형 태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 세계 최고 수준으로 크게 향상시켰다.
염료감응형 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)는 주로 산화티타늄(TiO2) 나노입자로 이루어진 무질서한 다공성 구조체를 전극 재료로 이용한다. 이 전극에서 생성된 전자가 다공성 구조체를 지나면서 생기는 정공-전자 재결합으로 인해 에너지 손실이 많았다.
연구팀은 자연계에서 무성한 나뭇가지로 나뭇잎이 햇빛을 효과적으로 흡수할 수 있도록 한 구조에 착안해, 산화아연(ZnO) 나노와이어로 합성된 ‘나노 나무’와 그들의 집합체인 ‘나노 숲’을 구현했다.
이 나노구조체를 이용해 광반응으로 생성된 전자의 손실을 크게 줄여 염료감응형 태양전지의 효율을 3~5배 향상시키는 데 성공했다. 또한, 이 구조는 염료감응형 태양전지에서 산화티타늄 나노다공성 구조체의 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성도 세계 최초로 제시했다.
고승환 교수는“이번 신물질과 새로운 기능성 나노구조체 개발에 대한 연구로 태양전지 효율을 극대화해 이 분야에서 세계적 수준을 갖추게 됐다”며, “나노구조체가 광센서 디스플레이등의 다양한 전자기기의 성능향상의 연구에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 창의적 연구 진흥사업과 신진연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학의 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 1월호 온라인 판에 게재됐다.
2011.01.31
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뼈 형성 모방, 고성능 리튬전지 소재 개발
- 재료분야 세계적 학술지 Advanced Materials지 온라인판 게재- 리튬이차전지, 차세대 유․무기 나노복합소재 개발에 응용 가능해
우리학교 신소재공학과 강기석(35세) 교수팀과 박찬범(41세) 교수팀이 뼈의 형성 과정을 모방해 우수한 나노구조를 갖는 ‘리튬이차전지용 전극소재 합성을 위한 원천기술개발’에 성공했다고 22일 밝혔다.
뼈는 자연계에 존재하는 대표적인 나노복합소재로써 콜라겐이라는 단백질 섬유를 따라 칼슘인산염 나노결정이 생성․성장함으로써 생성된다.연구팀은 이러한 자연현상을 모방해 차세대 고안전성 리튬전지용 양극소재인 철인산염을 나노튜브 형태로 합성하는 데 성공했다.
리튬이차전지의 성능을 향상시키기 위해서는 에너지를 저장하거나 방출하기 위한 리튬의 빠른 이동이 필수적이다. 이를 위해 전극소재의 구조를 나노화하게 되면 표면적이 넓어지고 리튬의 확산에 필요한 거리가 짧아지기 때문에 보다 효과적으로 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다.
이 기술의 핵심은 3차원 나노 구조를 갖는 생체재료 위에 철인산염을 균일하게 성장시킨 후 생체재료를 효과적 제거해 나노튜브구조를 얻는 것이다.
연구팀은 간단한 단백질의 일종인 펩타이드의 자기조립공정을 이용해 콜라겐 섬유와 유사한 구조 및 물성을 지니는 단백질 나노섬유를 합성한 뒤, 철 이온과 인산이온의 수용액상 침착반응을 이용해 단백질 나노섬유를 철인산염으로 균일하게 코팅했다.
이후 열처리를 통해 펩타이드 나노섬유를 탄화시키면, 내벽이 전도성 탄소층으로 코팅된 철인산염 나노튜브를 얻을 수 있었다 (그림).
연구팀은 철인산염 나노튜브가 차세대 리튬이차전지 전극소재로써 매우 우수한 특성을 가짐을 확인했다.
이번 연구는 생체재료분야와 리튬전지분야의 융합연구를 통해 이뤄졌으며, 기술적인 돌파구가 필요한 리튬전지개발에 이러한 접근방식이 새로운 해결방안이 될 수 있다는 가능성을 제시한 우수한 연구사례로 평가받고 있다.
이 기술을 이용하면 철인산염 외에 각종 다른 기능성 소재 개발에 응용이 가능해 리튬이차전지 뿐만 아니라 차세대 유․무기 나노복합소재 개발이 기여할 것으로 예상된다.
한편, 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 12월 21일자 온라인판에 실렸다. 또한, 그 중요성을 인정받아 ‘네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)’ 아시아 판에도 소개됐다.
2010.12.22
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나노튜브를 이용한 유기태양전지 효율 향상 기술 개발
우리학교 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했다.
이 연구결과는 재료공학의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최신호(11월 30일, 화) 온라인 판에 게재됐다.
반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하는 유기태양전지는 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴하다. 또한, 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원이다.
이 전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.
유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮아 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송특성을 향상하려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔다. 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구되어 왔다.
그러나 이들 연구에서는 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했다.
이러한 문제를 포함해 유기태양전지들은 상용화하기에는 아직 낮은 광변환 효율을 보여 이에 대한 성능향상이 시급히 요구되어 왔다.
KAIST 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%까지 크게 향상시키는데 성공했다.
또한 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했다.
이 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “이번 연구결과를 통해 나노소재 기술이 유기태양전지의 성능향상에도 크게 기여할 수 있음을 알아냈다”며 “앞으로 나노소재 기술을 이용한 차세
대 에너지개발을 위한 연구에 노력하겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)연구사업의 지원을 받아 김상욱, 유승협 교수의 지도하에 박사과정 이주민 학생이 진행했다.
2010.12.07
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열팽창이 작은 플라스틱 필름 기판 개발
-‘어드밴스드 머티리얼스’표지논문 선정,“자유자재로 휘어지는 디스플레이와 태양전지 상용화 앞당겨”-
자유자재로 휘거나 구부릴 수 있는(flexible) 디스플레이와 태양전지 제작에 필요한 열팽창이 작은(13ppm/oC 이하) 투명한 유리섬유직물* 강화 플라스틱 필름 기판이 국내 연구진에 의해 개발되었다. * 유리섬유직물(glass cloth) : 실처럼 만든 유리섬유를 사용하여 옷감처럼 직조한 유리섬유 강화재로, 강력하고 열팽창이 적어 조선, 건축, 자동차 및 전자산업 등 폭넓게 사용됨
우리학교 배병수 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 선도연구센터(ERC)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 재료분야 최고 권위의 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 표지논문(10월 25일)에 선정되는 영예를 얻었다.
배 교수 연구팀은 유리섬유직물과 굴절률이 똑같은 하이브리드 소재 수지를 독자적으로 제작한 후, 이를 유리섬유직물에 함침시켜 열팽창이 작은 투명한 플라스틱 필름 기판을 개발하였다.
차세대 꿈의 디스플레이로 불리는 자유자재로 휘거나 구부릴 수 있는 디스플레이나 미래 생활형 태양전지를 개발하기 위해서, 지금까지 전 세계 연구자들은 투명한 플라스틱 필름 기판을 사용하였다.
그러나 플라스틱 필름은 유리에 비해 온도가 올라가면서 열팽창이 점점 커져 기판 위에 디스플레이나 태양전지를 제작하기 어려워, 열팽창이 작은 투명한 플라스틱 필름 기판 개발이 절실히 요구되었다.
플라스틱의 열팽창을 낮추는 가장 쉬운 방법은 유리섬유직물을 보강하는 것인데, 이것은 플라스틱 안에 유리직물이 들어가므로 불투명해진다.
배 교수팀은 이를 해결하기 위해서, 유리섬유직물과 굴절률이 똑같은 특수한 하이브리드소재 수지를 직접 제작하여, 이를 유리섬유직물에 함침시켜 투명한 플라스틱 필름 기판을 개발하였다. 유리섬유직물과 함침된 하이브리드재료의 굴절률이 정확히 일치하면, 육안으로 전혀 차이를 느낄 수 없어 투명하게 되는 원리를 이용한 것이다.
배 교수팀이 개발한 투명 플라스틱 필름 기판은 유리섬유직물로 보강되었기 때문에 유리의 열팽창계수(9ppm/oC)에 가까운 낮은 열팽창계수(13ppm/oC)를 갖고, 내열성이 우수한 하이브리드소재를 이용하여 높은 온도(250oC 이상)에서도 디스플레이와 태양전지 등의 소자를 제작할 수 있는 장점이 있다.
배 교수팀의 투명 플라스틱 필름 기판은 휘어지는(flexible) 디스플레이와 태양전지의 기판 소재는 물론, 플라스틱의 특성(큰 열팽창과 낮은 내열성)으로 다양하게 사용되지 못하던 응용분야에 다각적으로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
연구팀은 이번에 개발한 투명 플라스틱 필름 기판을 이용하여 LCD나 아몰레드(AMOLED)에 사용되는 휘어지는(flexible) 산화물 박막 트랜지스터 (TFT)와 박막 태양전지를 직접 제작하여 응용 가능성을 높였다.
배병수 교수는 “이번에 개발한 투명 유리섬유직물 강화 플라스틱 기판은 성능도 우수하지만 가격도 저렴하면서 손쉽게 제작할 수 있어, 유리 기판을 대체하여 휘어지는 디스플레이나 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심기술이다. 앞으로 국내외 산업체, 연구소, 대학들과의 긴밀한 협력으로 다양한 소자들을 제작하여, 기술의 우수성을 검증 받고 활용성을 더욱 확대할 계획이다”라고 밝혔다.
2010.10.25
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"리튬이온 이차전지용 고성능 나노선"개발
- 내연기관 출력과 맞먹는 고성능 리튬 이차전지 개발 길 열려 -
전기자동차 상용화를 위한 가장 큰 걸림돌인 배터리 문제를 해결하는 데 한 걸음 더 나아가게 됐다.
우리학교 신소재공학과 김도경 교수팀은 ‘리튬망간산화물 미세나노선’ 을 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
이 물질은 기존의 리튬이온 이차전지용 양극물질에 비해 100배 이상의 출력밀도를 나타내며, 제조기법이 단순하고 공정비용도 저렴해 앞으로 전기자동차용 배터리 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로 리튬이온 이차전지는 전기자동차용 배터리에 적용되기에는 충분히 높은 출력밀도를 가지지 못한다.
김 교수팀은 10nm(나노미터, 10억분의 1ｍ) 미만 굵기의 미세나노선 구조를 대량 합성해 양극물질에 적용함으로써, 기존 리튬이온 이차전지보다 100~200배가량 높은 출력밀도를 나타내는 데 성공했다. 이는 엔진으로 사용되는 내연기관의 출력밀도에 근접한 수준이다.
하지만, 지금까지 개발된 리튬이온 이차전지는 내연기관의 출력밀도에 훨씬 미치지 못해 중량이 많이 나갔다. 또한, 값비싼 원료와 공정법을 이용하는 등 리튬이온 이차전지는 전기자동차에 사용하는 데에 있어서 극복해야 할 한계를 안고 있었다.
이번 연구에서는 10nm 미만의 미세한 나노선이 가지는 구조적 유연함을 이용해 기존 리튬망간산화물이 지니고 있었던 ‘얀-텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion)" 현상을 극복할 수 있음을 보여주었다.
높은 출력밀도를 보인 리튬망간산화물 미세 나노선 제조에 관한 연구는 산업적 응용이 조기에 가능할 것으로 예상되며, 국가 과학기술 경쟁력 제고 측면에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구 결과는 나노기술(NT) 분야의 가장 권위 있는 학술지인 "나노 레터스(Nano Letters)"지 8월 26일자 온라인 판에 게재됐고, 현재 국내특허 출원 중이다.
<용어설명>
○리튬이온 이차전지 : 이차 전지의 일종으로서, 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자연방전이 일어나는 정도가 낮음.
○출력밀도(Power density) : 단위 무게당 출력되는 전력의 정도.
○얀-텔러 뒤틀림(Jahn-Teller distortion) 현상 : 리튬이온전지의 충전과 방전 시 양극물질의 구조가 뒤틀려져 성능이 급격히 저하되는 현상
○리튬망간산화물 : 리튬이온전지에 이용되는 양극재료 중의 하나. 현재 상용화되는 리튬 코발트 산화물에 비하여 원자재 가격이 저렴하며, 친환경적이다.
2010.09.15
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우성일교수 연구팀, 친환경 고체산화물 연료전지 시스템 개발
-바이오디젤 생산과정의 부산물인 글리세롤을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템
-10월 14일 앙게반테 케미 자매지, "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재
생명화학공학과 우성일(58)교수 연구팀은 바이오디젤(bio-diesel) 생산과정의 부산물인 글리세롤을 연료로 이용한 고체산화물연료전지 구동기술을 개발하는데 최근 성공했다.
우교수팀은 이번 연구를 통해 글리세롤을 연료로 고체산화물연료전지를 조업하여 발전시 생성되는 이산화탄소의 발생량을 석탄 및 석유에 비해 각각 40%, 26% 가까이 줄이는 결과를 얻었다. 석탄 및 석유를 이용하는 화력발전을 통한 전기 1kWh 생산시 발생하는 이산화탄소는 각각 991g, 782g이다. 반면 글리세롤은 585g이다. 또한 기존 수소를 연료로 이용했을 때의 80%에 달하는 효율을 얻을 수 있었다.
이번연구에 사용한 바이오매스로부터 얻은 글리세롤 개질과정의 이산화탄소는 바이오매스를 생산하는데 재사용함으로써 저탄소, 녹색성장에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 연구결과는 지난 14일 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)의 자매지인 "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재됐으며 관련기술은 국내특허 출원중이다.
연구팀 관계자는 “이번 연구결과는 고체산화물 연료전지에 바이오매스로부터 바이오디젤을 생산할 때 얻어진 글리세롤 연료를 사용함으로써 기존 화석연료보다 이산화탄소의 배출량을 줄이고 배출된 이산화탄소는 바이오매스 생산에 재사용할 수 있어 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다”고 말했다.
고체산화물연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서 에너지 효율이 ~50%에 달하는 가장 발전된 형태의 연료전지이다. 연료로 쓰이는 수소를 생산하기 위해 탄화수소를 개질하게 되는데 이 과정에서 이산화탄소가 발생하게 된다.
바이오디젤은 브라질, 미국, EU등을 중심으로 고유가에 대응하기 위하여 생산을 확대해오고 있으며, 최근에는 일본, 중국, 인도 등이 후발국으로 참여하여 그 규모가 점차 커지고 있다. 2009년 바이오디젤의 생산량은 78억톤에 달할 것으로 예상되고 있으며 2010년에는 104억톤으로 증가할 것으로 예상된다.
글리세롤은 바이오디젤 1 톤을 생산할 때 0.1 톤 정도 부산물로 생산되는 물질로서 바이오디젤의 공급증가에 따른 잉여의 글리세롤이 생성된다. 고체산화물 연료전지에 잉여의 글리세롤을 연료로 사용하였을 경우 저탄소 녹색 성장에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 최근에는 지구온난화 주범인 이산화탄소의 양을 줄이기 위하여 국제적으로 탄소배출권 거래제도에 대한 관심이 집중되고 있는 실정이다.
탄소배출권 거래제도는 전 세계의 온실가스 배출총량을 정하고 이를 국가나 기업별로 할당하는 제도로서 할당량보다 많이 배출하려는 국가나 기업은 할당량보다 적게 온실가스를 배출한 곳으로부터 배출권을 사야한다.
바이오디젤의 경우 1톤을 생산할 때 이산화탄소 2.2 톤의 배출량을 감면받게 되므로 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을 이용하여 고체산화물 연료전지를 조업할 경우 탄소배출권을 획득할 수 있어 부가가치를 창출할 수 있다.
이번 연구는 초미세화학공정연구센터(ERC), 에너지, 환경, 물, 자원의 지속 가능성(EEWS) 및 세계수준의 연구중심대학(WCU) 사업의 지원을 받아 생명화학공학과 박사과정 원정연(元正淵)연구원이 주도적으로 진행했다.
켐서스켐(ChemSusChem) Paper Link :
http://www3.interscience.wiley.com/journal/114278546/home
2009.10.27
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신소재공학과 김도경교수팀, 리튬이온 이차 전지용 고성능 양극소재 원천기술 확보
- 리튬 망간계 스피넬형 나노막대 물질 합성 성공
- 美 화학회 나노레터스(Nano Letters)11월호 논문발표
하이브리드 자동차와 미래의 전지자동차의 핵심부품인 리튬이온 이차전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 1차원 나노구조 형태의 리튬망간계 스피넬(spinel, 첨정석, 尖晶石)형 양극소재를 합성하는 원천기술이 개발됐다.
KAIST(총장 서남표) 신소재공학과 김도경(金渡炅, 49세, 입학본부장) 교수가 美 스탠포드대학 이 쿠이(Yi Cui) 교수팀과 공동으로 리튬이차 전지의 충방전 특성과 고온 안정성을 높일 수 있는 리튬망간계 스피넬형의 양극물질을 나노막대 구조로 대량 합성하는 방법을 개발했다. 성능을 확인한 연구결과는 나노과학 분야의 국제적 권위학술지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 11월호에 발표됐다.
저공해 하이브리드 자동차와 무공해 전기자동차의 핵심기술이며, 최근 휴대용 전자기기 전원공급 장치의 주종을 이루는 리튬이온 이차 전지는 전 세계의 연구자들이 뜨거운 개발 경쟁을 벌이는 분야다. 현재 상용화된 리튬전지용 양극인 리튬코발트계 소재는 그 특성이 우수하나 가격이 비싸고, 충방전시 발생하는 열에 취약하여 대량의 전류밀도를 필요로 하는 하이브리드 자동차용 등의 적용에는 그 한계가 있다.
이에 반해 리튬망간계 양극소재는 그 원료가 지구상에 풍부하여 가격이 낮고 친환경적인 소재로 평가되며, 안정된 스피넬형 원자구조를 이룰 경우 고온 안정성이 뛰어나다. 다만 충방전 속도가 느리고, 계속되는 충방전 사이클에 따라 특성이 저하되는 단점이 지적되어 이를 극복하기 위해 나노입자화 또는 나노기공의 도입이 시도되었다. 그러나 이들 나노구조화 방법 또한 양극소재의 적층밀도를 낮추어 단위부피당 생산하는 전류밀도를 낮추는 결과를 나타내기 때문에 적층밀도를 높일 수 있는 1차원 나노구조인 나노와이어 또는 나노막대형 전극소재의 개발이 기대되어 왔다.
최근 金 교수팀은 안정된 스피넬구조의 리튬망간 소재를 100나노미터(1나노미터는 백만분의 1미리미터) 굵기의 나노막대 구조로 대량 합성하는 방법을 개발했으며, 이를 리튬이온전지의 양극에 적용한 결과, 높은 전류밀도 조건에서도 충방전 특성이 크게 개선되었음을 확인하였다. 리튬원자가 스피넬 구조에서 빠져나오는 단계인 충전반응에서 나노막대 양극소재는 원자구조가 크게 바뀌지 않는 특성을 갖고 있었으며, 이것이 많은 횟수의 충방전 시에도 그 특성이 저하되지 않는 원인임을 알아냈다. 이번에 개발된 나노소재 합성법은 수열합성법과 일반 열처리를 결합한 공정으로 대량생산에 비교적 쉽게 적용할 수 있어 산업화 또한 조기에 이뤄질 것으로 전망된다.
2008.11.20
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항공우주공학과 권세진, 심현철교수, 연료전지 무인기개발
- 액상 수소화물에서 수소추출, 연료전지스택에 공급하는 시스템 개발- 액체연료로는 세계최초, 무인기의 임무한계 획기적 연장 가능성 열어
우리 학교 항공우주공학과 권세진(權世震, 48, 사진왼쪽) 교수, 심현철(沈鉉哲, 38, 사진오른쪽) 교수 연구팀이 연료전지로 구동하는 소형 무인기를 개발했으며, 장시간 시험비행에 성공했다.
이번 연구개발 결과는 기존의 소형 무인기 동력원으로 사용되던 2차 전지를 대체할 수 있는 새로운 동력장치인 연료전지를 이용, 무인기의 임무 한계를 획기적으로 확장할 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 감시정찰을 목적으로 하는 소형 무인기는 미국 등 기술 선진국에서 실용화 되었으나, 동력원인 배터리의 에너지 밀도가 낮아 제한적인 임무수행만이 가능했다. 權 교수 연구팀이 개발한 무인기의 연료전지 동력장치는 소음이 없고 효율이 높으며, 액상 수소화물로부터 수소를 추출하기 때문에 기존의 배터리에 비해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 이번에 개발된 연료전지는 무인기 뿐 아니라 로봇의 전원으로도 사용이 기대된다.
▣ 개발배경연료전지는 차세대 동력원으로 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다. 국내에서도 몇몇 전자 및 화학 업체에서 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하여 시연한 바가 있고, 자동차 회사에서는 엔진을 대체하기 위한 연료전지를 연구 중에 있다. 그러나 연료전지의 우수성이 잘 나타날 수 있으며 연료전지가 아니면 구현 자체가 어려운 장치는 무인기나 로봇 등과 같은 소형 모바일 시스템이다. 미국의 해군연구소와 조지아공대(Georgia Tech)의 연구팀이 연료전지 무인기를 연구해 왔으나, 이들은 고압의 수소가스를 저장하여 사용하므로, 에너지 밀도를 높이는 데에는 실패했다. 또한 연료 재보급을 위한 시설 등 운용상의 문제점도 가지고 있다. KAIST의 權 교수 연구팀은 액상 수소화물에서 수소를 추출하여 연료전지 스택에 공급하는 시스템을 개발했으며, 이를 시험용 무인기에 탑재하여 장시간 안정적으로 시험비행 하는데 성공했다.
▣ 핵심기술의 내용權 교수팀에서 사용한 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 불연성이고 안정한 친환경 물질로써, 취급이 용이하고 수소 함량이 높다. 이 물질로부터 추출된 수소는 순도가 높기 때문에 연료전지 시스템 적용이 수월하다. <그림 1>은 프로펠러를 포함하는 전체 시스템의 구성도이다. 수화물을 가수분해하는 촉매 반응기, 전기를 발생하는 연료전지 스택, 동력을 충전 및 공급하는 동력제어장치, 프로펠러를 구동하는 전기모터로 이루어져 있다. 촉매 반응기에서 가수분해 과정을 통해 발생한 수소는 연료전지 스택에서 전기를 발생한다. 전기에너지는 동력제어장치에 충전되었다가 출력 요구 시 전동모터를 구동한다. <그림 2>는 동력발생 장치를 무인기에 탑재한 모습이다. 이번에 개발된 연료전지 무인기는 무게 2kg(연료전지시스템 750g 포함)으로써 500g의 연료를 싣고 10시간 이상 비행할 수 있다. 이는 배터리 동력원을 갖는 기존 무인기 항속시간의 10배에 달한다.
<그림 1> 동력계통의 구성
<그림 2> 동력 장치가 탑재된 무인기
<그림3> 무인기가 비행하는 광경
2007.10.12
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