< (왼쪽부터) 신소재공학과 강정구 교수, 최종휘 박사과정, 김동원 박사과정 >
소듐(Na)은 리튬(Li) 대비 지구상에 500배 이상으로 존재하기 때문에 이를 활용한 소듐 이온 배터리는 최근 큰 주목을 받고 있다. 그러나 리튬 이온 배터리에 비해 낮은 출력, 제한된 저장 특성, 긴 충전 시간 등의 근본적인 한계점이 있어 이를 극복하는 차세대 에너지 저장 소재 개발이 필요하다.
우리 대학 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 우수한 성능의 급속 충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐 이온 전지를 개발했다고 11일 밝혔다.
최근 활발하게 연구가 진행되고 있는 하이브리드 에너지 저장 시스템은 배터리용 음극과 축전기용 양극을 결합해 높은 저장 용량과 빠른 충·방전 속도를 모두 지닐 수 있는 장점을 가지고 있다. 이는 기존 소듐 이온 배터리의 한계를 극복해 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다.
하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 하이브리드 전지를 구현하기 위해서 배터리용 음극의 상대적으로 느린 에너지 저장 속도를 향상해야 하는 동시에 음극에 비해 상대적으로 낮은 용량을 갖는 축전기용 양극재의 에너지 저장 용량을 끌어 올려야 한다.
< 그림 1. 금속-유기 골격체에서 기인한 이종 원소가 도핑된 다공성 탄소 구조체 기반의 음극(FS/C/G)과 양극(ZDPC) 재료의 합성 과정 모식도 >
이에 강 교수 연구팀은 두 가지 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재의 합성법을 제시했다. 우선 금속-유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소 소재에 미세한 활물질을 함유해 속도 특성이 향상된 음극 소재를 개발했다. 고용량 양극 소재를 합성했고, 이를 조합해 양극 간의 에너지 저장 속도 특성의 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 소듐 이온 에너지 저장 시스템을 개발했다.
연구팀은 개발된 음극과 양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자를 구현했다. 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 가짐을 확인했으며, 차세대 에너지 저장 장치로 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능해 전기 자동차, 스마트 전자기기, 항공 장치 등에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
< 그림 2. 하이브리드 소듐 이온 전지 모식도 (좌), 기존 에너지 저장 소자를 상회하는 에너지·출력 밀도 비교 그래프 (우) >
강 교수는 "전극 기준으로 높은 에너지 밀도(247 Wh/kg)를 가지며, 고출력 밀도(34,748 W/kg)에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 현 에너지 저장시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것이다ˮ라며 "전기 자동차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것이다ˮ고 말했다.
신소재공학과 최종휘 박사과정과 김동원 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 저장 소재 분야의 국제 학술지 `에너지 스토리지 머터리얼스(Energy Storage Materials)'에 3월 29일 字 게재됐다. (논문명: Low-crystallinity conductive multivalence iron sulfide-embedded S-doped anode and high-surface area O-doped cathode of 3D porous N-rich graphitic carbon frameworks for high-performance sodium-ion hybrid energy storages)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다.
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연구 경기욱 교수 연구팀, 3차원으로 변하는 모핑 구동기 개발
우리 대학 기계공학과 경기욱 교수 연구팀이 다양한 3차원 형상으로 빠르게 변화하는 모핑 구동기를 개발했다. 현대 기술은 2차원 화면을 넘어 3차원 형상을 통해 정보를 전달하는 새로운 방식을 탐구하고 있다. 그러나 3차원 형상을 빠르게 표현하고 재구성하는 것은 도전적인 과제이다. 이에 대한 해답으로, 최근 연구팀은 전기 활성 고분자의 일종인 PVC 젤, 유전성 유체, 패턴화된 전극으로 구성된 새로운 모핑 구동기를 선보였다. 연구팀의 모핑 구동기는 전기유압식 구동(electrohydraulic actuation) 원리를 이용한다. 전극과 PVC 젤 복합체 사이에 전기장을 가하면 PVC 젤 복합체가 전극에 달라붙는 정전기적 지핑(electrostatic zipping)이 발생한다. 정전기적 지핑을 국부적으로 제어함으로써 유체의 흐름을 제어할 수 있으며, 이를 통해 다양한 형상을 표현할 수 있다. 연구팀이 개발한 모핑 구동기는 1.5 mm의 얇은 두께와, 7 g의 가벼운 무게
2024-09-30 -
연구 애물단지 열을 컴퓨팅에 활용한다
기존의 반도체 소자에서 열 발생은 피할 수 없는데, 이는 에너지 소모량을 증가시키고, 반도체의 정상적인 동작을 방해하기 때문에 문제가 되며, 이에 열 발생을 최소화하는 것이 기존 반도체 기술의 관건이었다. KAIST 연구진이 이렇게 애물단지로 여겨지던 열을 오히려 컴퓨팅에 활용하는 방법을 고안하여 화제다. 우리 대학 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 산화물 반도체의 열-전기 상호작용에 기반하는 열 컴퓨팅(Thermal computing) 기술 개발에 성공했다고 25일 밝혔다. 연구팀은 전기-열 상호작용이 강한 모트 전이 (Mott transition) 반도체*를 활용했으며, 이 반도체 소자에 열 저장 및 열전달 기능을 최적화해 열을 이용하는 컴퓨팅을 구현했다. 이렇게 개발된 열 컴퓨팅 기술은 기존의 CPU, GPU와 같은 디지털 프로세서보다 1,000,000(백만)분의 1 수준의 에너지만으로 경로 찾기 등과 같은 복잡한 최적화 문제를 풀 수 있었다. *모트 전이 반도체:
2024-06-25 -
연구 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅 신뢰성 문제를 풀다
최근 인간의 뇌를 모방해 하드웨어 기반으로 인공지능 연산을 구현하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술이 최근 주목받고 있다. 뉴로모픽 컴퓨팅의 단위 소자로 활용되는 멤리스터(전도성 변화 소자)는 저전력, 고집적, 고효율 등의 장점이 있지만 멤리스터로 대용량 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현하는데 불규칙한 소자 특성으로 인한 신뢰성 문제가 발견되었다. 우리 연구진이 뉴로모픽 컴퓨팅의 상용화를 앞당길 신뢰성 향상 기술을 개발하여 화제다. 우리 대학 전기및전자공학부 최신현 교수 연구팀이 한양대학교 연구진과의 공동 연구를 통해 차세대 메모리 소자의 신뢰성과 성능을 높일 수 있는 이종원자가 이온* 도핑 방법을 개발했다고 21일 밝혔다. * 이종원자가 이온(Aliovalent ion): 원래 존재하던 원자와 다른 원자가(공유 결합의 척도, valance)를 갖는 이온을 말함 공동연구팀은 기존 차세대 메모리 소자의 가장 큰 문제인 불규칙한 소자 특성 변화 문제를 개선하기 위해, 이종원자가 이온을
2024-06-21 -
행사 인공지능·우주·수리 ′초세대 협업연구실′ 개소
우리 대학이 '초세대 협업연구실'을 추가 개소하고 27일 오전 현판식을 개최했다. 권인소 전기및전자공학부 교수의 '비전중심 범용인공지능 연구실', 김천곤 항공우주공학과 교수의 '우주·극한 환경 재료 및 차세대 공정 연구실', 변재형 수리과학과 교수의 '편미분방정식 통합 연구실'이 새롭게 문을 연다. 초세대 협업연구실은 은퇴를 앞둔 교수가 오랜 시간 축적해 온 학문의 성과와 노하우를 후배 교수와 협업하며 이어가는 우리 대학의 독자적인 연구제도다. 2018년 도입한 이후 지난해 말까지 7개 연구실을 운영하고 있으며, 이번 추가 개소로 총 10개의 초세대 협업연구실을 보유하게 됐다. 특히 권인소, 김천곤 책임교수는 65세 은퇴 후 70세까지 강의와 연구 논문 지도를 이어가는 정년후 교수의 신분으로 초세대 협업연구실을 개소했다. 권인소 교수가 책임교수를 맡은 '비전중심 범용인공지능 연구실'은 같은 학과 김준모 교수 협업하고 딥러닝 분야의 신임 교수가 추후 합류
2024-02-27 -
행사 현대차그룹과 ′차세대 라이다 시스템′ 공동연구
우리 대학이 '현대차그룹-KAIST 온칩 라이다(On-Chip LiDAR) 개발 공동연구실(이하 공동연구실)'을 대전 본원에 개소했다. 공동연구실은 발전하는 자율주행 시장에서 완전자율주행(4~5단계)을 위한 라이다 센서를 개발하기 위한 연구에 주력한다. 실리콘 포토닉스(광반도체)를 활용해 센서의 크기는 줄이는 동시에 성능은 높일 수 있는 온칩 센서 제작 기술과 차세대 신호검출 방식을 도입할 수 있는 핵심기술 개발이 목표다. 공동연구실은 김상현, 김상식, 정완영, 함자 쿠르트(Hamza Kurt) 교수 등 우리 대학 전기및전자공학부 연구팀과 현대차그룹 선행기술원 연구팀 등 약 30여 명 규모로 구성돼 2028년까지 4년간 운영된다. 우리 대학은 ▴실리콘 포토닉스 기반 소형 온칩 라이다용 소자개발 ▴라이다 구동을 위한 고속, 고출력 구동 집적회로(IC) 제작, ▴라이다 시스템 최적화 설계 및 검증 등 연구팀별로 특화된 전문 분야에서 세부 연구를 주도한다. 특히, 실리콘 포토
2024-02-21