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김도현 교수, 2차원 나노소재 분산용액 양산 기술 개발
〈 김도현 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합특성을 이용해 2차원 나노소재 분산용액을 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
2차원 나노소재 분산용액은 전자, 에너지 저장 및 전환 소자 개발에 사용되는 용액기반 공정에 직접 적용 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
동국대학교 한영규 교수(제일원리 계산), 강원대학교 최봉길 교수(용액 특성 평가), 한국화학연구원 황성연 박사(물질 특성 평가) 연구팀과 공동으로 진행하고 정재민 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문에 선정됐다. (논문명 : Hydraulic Power Manufacturing for Highly Scalable and Stable 2D Nanosheet Dispersions and Their Film Electrode Application)
2차원 소재는 나노사이즈의 두께로 박리됐을 때 새롭고 우수한 물리, 화학적 특성이 나타나는 장점이 있어, 다양한 2차원 나노소재의 대량생산연구가 진행되고 있다.
그러나 높은 물리적 힘이나 화학적 반응성만을 이용하는 기존 박리기술들은 용량이 증가함에 따라 2차원 소재에 균일한 에너지를 주는 것이 힘들고 고비용과 많은 시간이 소요된다는 한계가 있다.
또한 나노두께로 박리된 2차원 나노시트들은 표면에너지의 증가로 다시 원래 두께로 돌아가려는 성질이 있어 유기용매나 계면활성제 등의 사용이 필수 조건이기 때문에 농도 제어나 응용성에 한계가 있다.
연구팀은 최근 2년간의 연구를 통해 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합효율이 2차원 소재의 박리에 가장 효율적임을 규명했다. 연구팀은 증가된 반응기 용량에서도 이를 균일하게 유지할 수 있는 유동 모델과 응용 분야에 유용한 분산제를 선택해 수용액의 물리적 박리를 통한 고농도 2차원 나노소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.
연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다. 테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노소재가 박리될 수 있다는 장점을 갖는다.
연구팀은 2차원 나노소재를 소량으로도 수용액상 안정화 및 분산시킬 수 있는 이온성 액체를 동국대 한영규 교수팀의 제일원리 계산을 통해 분산제로 선정하여 박리효율과 분산농도를 극대화했다.
연구팀은 개발한 분산용액의 성능을 확인하기 위해 막 여과 공정 (membrane filtration process)과 잉크젯 프린터의 잉크에 용액을 적용했다.
막 여과 공정은 매우 빠르고 간단하게 다양한 두께의 필름을 형성할 수 있는 방법으로 최근 각광받는 제한된 공간 내 높은 용량을 갖는 부피 대비 고용량 전극의 제조방법으로 응용되고 있다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀 분산용액을 막 여과 공정에 적용해 유연하고 높은 전도성의 마이크로 전극 필름을 만들었고, 슈퍼캐패시터 소자의 전극으로 적용했을 때 안정적이고 고성능 용량을 보임을 확인했다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노소재 분산용액을 잉크로 사용해 A4용지에 수 마이크로 두께의 나노소재 패턴을 만들었다. 그 중 그래핀 나노소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.
김 교수는 “연구팀의 수용액상 나노소재 고속, 대량 생산기술은 다양한 종류의 2차원 소재들도 쉽게 적용 가능하다”며 “전자, 바이오센서, 에너지 저장/전환 시스템의 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 한국화학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지
2018.10.11 조회수 10462 -
김희탁, 정희태 교수, 수명 5배 늘린 바나듐레독스-흐름전지 개발
〈 김수현 박사과정, 김희탁 교수, 최정훈 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 정희태, 김희탁 교수 공동 연구팀(차세대배터리센터)이 용량 유지율 15배, 수명을 5배 향상시킨 바나듐레독스-흐름전지를 개발했다.
신재생 에너지의 발전과 함께 이를 통해 생산된 에너지를 효율적이고 안전하게 저장할 수 있는 대용량 에너지 저장장치의 필요성이 커지고 있다. 바나듐레독스-흐름전지는 폭발 위험이 없는 이차전지로 대용량화에 적합해 기존 에너지 저장장치를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
김수현, 최정훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 5월 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Pore Size-Tuned Graphene Oxide Framework as lon-Selective and Protective Layers on Hydrocarbon Membranes for Vanadium Redox Flow Batteries)
기존의 바나듐레독스-흐름전지는 과불소계 분리막의 활물질 투과도가 높아 충․방전 효율과 용량 유지율이 매우 낮다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 낮은 활물질 투과도를 갖는 탄화수소계 분리막을 적용시키고자 했지만 활물질인 바나듐5가 이온에 의해 열화 현상이 발생하고 전지 수명이 급감하는 문제가 있었다.
따라서 활물질인 바나듐 이온의 크기보다는 작으면서 전하 운반체인 수소 이온보다는 큰 기공 크기를 갖는 분리막 개발의 필요성이 커지고 있다.
공동 연구팀은 산화그래핀 간의 가교 반응을 통해 바나듐레독스-흐름전지에 적합한 기공 크기를 갖는 산화그래핀 골격체 분리막을 구현하는 데 성공했다. 가교에 의해 수화 팽창(moisture expansion, 습기나 물을 흡수해 팽창하는 현상)이 제한된 산화그래핀 간 층간 간격을 선택적 이온의 투과를 위한 기공으로 활용하는 원리이다.
이 산화그래핀 골격체는 기공 크기를 통한 분리 성능이 뛰어나 매우 높은 수소 이온-바나듐 이온 선택성을 갖는다.
연구팀의 분리막은 바나듐레독스-흐름전지의 용량 유지율을 기존 과불소계 분리막의 15배, 충․방전 사이클 수명 또한 기존 탄화수소계 분리막에 비해 5배 이상 향상시켰다.
연구팀의 산화그래핀 골격체를 통한 기공 크기 조절 기술은 다양한 크기의 이온을 활용하는 이차전지, 센서 등의 전기화학적 시스템에 적용 가능할 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “레독스 흐름전지 분야의 고질적인 문제인 활물질의 분리막을 통한 크로스오버 및 이에 따른 분리막 열화문제를 나노기술을 통해 해결할 수 있음을 보여줬다”며 “바나듐레독스-흐름전지 뿐만 아니라 다양한 대용량 에너지 저장장치용 이차전지에 적용될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국화학연구원 주요사업, 에너지기술평가원과 기후변화연구허브사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 산화그래핀 골격체를 통한 수화 바나듐 이온과 수소 이온의 선택적 이온 투과에 대한 모식도
그림2. 바나듐레독스-흐름전지의 사이클 용량 특성
2018.06.07 조회수 12860 -
김희탁 교수, 스펀지 구조 응용해 결착력 강화된 수소연료전지 개발
〈 김 희 탁 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 한국화학연구원(원장 이규호) 홍영택 박사 공동 연구팀이 스펀지의 구조를 이용해 계면 결착력을 획기적으로 강화시킨 수소연료전지를 개발했다.
이번 연구 성과는 재료과학분야 국제학술지인 ‘어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 11월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
수소연료전지는 공기 중 산소와 연료탱크 내 수소로 구동되는 발전장치로서 차세대 친환경 운송수단인 수소연료전지차의 핵심 기술이다.
그러나 수소연료전지는 내연기관에 대비해 가격이 비싸 보급이 어렵고, 고가의 불소계 멤브레인을 이용하기 때문에 가격을 낮추기에도 한계가 있었다.
가격을 낮추기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인이 제안됐지만 탄화수소계 멤브레인은 전극과의 계면 결착력이 낮아 전극과 멤브레인 간 계면이 탈리(분자, 이온 등에서 원자가 떨어지는 현상)돼 수명이 급감하는 문제가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 탄화수소계 멤브레인 표면에는 스펀지 계면 구조를 도입하고, 전극 표면에는 고분자 층을 삽입해 물리적인 맞물림 계면을 구현했다. 이는 스펀지 계면구조와 전극 표면 고분자 층이 서로 3차원적으로 얽혀 고정돼 강한 계면 결착력이 발생하는 원리이다.
연구팀은 전극과 멤브레인 사이의 계면 결착력을 기존에 비해 37배 증가시켰고 탄화수소계 연료전지의 수명은 약 20배 연장하는 데 성공했다.
특히 스펀지 계면구조는 공정성이 높은 스프레이 코팅이나 딥 코팅 법을 이용해 제조가 가능해 산업적으로도 큰 의미를 가질 것으로 기대된다.
연구팀은 한국기초과학지원연구원의 김환욱 박사와 협력해 구조의 시각적 분석을 진행했고 이대길 교수 연구팀과는 수치 해석을 통해 계면결착 원리를 규명했다.
김희탁 교수는 “물리적 맞물림 구조를 통해 연료전지의 계면 탈리 문제를 해결할 수 있음을 증명했다”고 말했다.
홍영택 박사는 “이번 연구가 기존의 우수한 탄화수소계 멤브레인들을 연료전지에 쉽게 적용할 수 있는 계기가 돼 연료전지 가격을 낮추는 데 크게 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국화학연구원 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스펀지 계면구조의 개념도
그림2. 스펀지 계면구조가 적용된 탄화수소계 연료전지의 막-전극 접합체 장기구동 후 SEM 이미지
그림3. 스펀지 계면구조 제조 공정 및 공정 단계에 따른 탄화수소계 멤브레인
2016.11.21 조회수 16901 -
레고블록 계면구조 수소연료전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 박정기 교수 공동 연구팀이 레고블록과 같은 맞물림 계면구조를 통해 결착력이 강화된 수소연료전지를 개발했다.
연구 결과는 재료과학분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 20일자 온라인 표지논문으로 게재됐다.
전기자동차인 수소연료전지 자동차는 차세대 친환경 미래 자동차로 각광받고 있다. 하지만 기존 연료전지는 고가의 불소계 멤브레인(고분자 필름 박막)을 이용하기 때문에 가격을 낮추는 데 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인을 사용했지만, 백금 전극과의 계면 결착이 취약해 상용화에 어려움을 겪었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 멤브레인과 전극 계면이 레고 블록처럼 서로 맞물려진 구조를 개발했다. 탄화수소계 멤브레인 표면에 형성된 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자 층에 삽입된 후, 수분에 의해 팽창하며 계면 결착력이 발생하는 원리이다.
이 맞물림 계면구조의 개발로 탄화수소계 연료전지의 계면 결착력은 8배, 연료전지의 내구성은 4배 이상 향상됐다.
연구팀은 화학연구원 홍영택 박사팀과 협력해 맞물림 계면구조의 소재 설계를 수행했고, KAIST 기계공학과 이대길 교수팀과 수치 해석을 통한 계면 결착력 향상 메커니즘을 규명했다.
김희탁 교수는“맞물림 계면 구조를 도입한 연료전지는 탄화수소 소재가 가져왔던 한계를 극복할 단서를 제시했다”며, “연료전지의 가격을 낮추는 데 큰 역할을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업과 KAIST 세계수준 연구중심대학(World Class University:WCU) 육성사업 프로그램 및 한국화학연구원 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 어드밴스드 머터리얼스 誌에 게재된 레고블록 계면구조 개념도
그림 2. 마이크론 크기의 돌기가 표면에 형성된 탄화수소계 멤브레인
그림 3. 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자층에 삽입된 계면 구조
2015.05.27 조회수 13258 -
고화질 초고속 차세대 디스플레이 개발 가능성 열어
- 세계 최고 ‘네이처’ 자매지 발표,“투명전극 나노패턴을 이용한 무배향막 액정 배향”-
기존의 LCD(액정디스플레이)와는 달리 고분자 배향막*이 필요 없는 신개념 LCD기술이 국내 연구진에 의해 개발되어, 더욱 얇으면서 화질이 뛰어나고 속도도 빠른 차세대 디스플레이 개발에 새로운 가능성을 열었다. ※ 고분자 배향막 : 액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름
우리 학교 생명화학공학과 정희태 석좌교수 가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 연구팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처’의 자매지 ‘Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)’ 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었다.
평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로 LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있고, 특히 우리나라가 세계시장의 50%이상을 점유하고 있는 세계선도 산업 중 하나이다. LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자*의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술은 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술이다.
※ 표시 소자(indicating element) : 부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법을 적용하고 있다. 그러나 고분자 배향막은 고분자 설계․합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여 자유자재로 휘어지는(flexible) 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었다.
정희태 교수 연구팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막(배향막이 필요 없는) 기술을 개발하는데 성공하였다. 정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 높은 분해능(20nm)과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인되었다.
연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능하다. 따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 마이크로미터에서 센티미터까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있다. 또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었다. 아울러 이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, 나노미터 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 된다.
또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 터치패널 분야에도 활용될 수 있어 민감도가 크게 향상된 터치패널도 만들 수 있게 된다.
정희태 석좌교수는 “LCD에 꼭 필요한 고분자 배향막을 대체하기 위한 기술은 학계와 산업계의 숙원이었는데, 이번에 개발한 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 크다. 또한 이 기술을 스마트폰과 태블릿 PC에 적용하면, 기존 제품보다 터치패널의 민감도를 크게 향상시킬 수 있는 등 미래 전자제품 원천기술로서 다각적으로 활용될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진
(사진설명) 장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.
2012.02.27 조회수 20793