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리튬이차전지 실리콘 기반 음극의 수명과 관련된 전자전도도 퇴화를 나노스케일에서 영상화 성공
고에너지 밀도를 갖는 리튬이차전지 개발에 대한 수요가 폭발적으로 증가하면서, 실리콘 기반 음극 개발에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 가지고 있어, 고에너지 밀도를 가지는 리튬이차전지용 음극의 유력한 후보로 자리 잡고 있다.
하지만 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창/수축률이 실리콘 활물질의 상업화를 방해하고 있다. 실리콘 기반 음극의 급격한 부피 변화는 특히 전극 내 전자 전달 시스템에 큰 악영향을 미치고 있으며, 이를 보완하기 위해 다양한 도전재 시스템을 적용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 전극 내 전자 전도 채널의 확보는, 활물질 내 균등한 전기화학 반응을 유발하기 위해 필수적이지만, 이를 나노스케일 공간 분해능을 갖고 영상화하는 방법론에 관해서는 많은 연구가 진행되지 않은 실정이다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해, 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량적으로 추출하는 방법론을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 연구팀은 전극 소재와 같이 표면 거칠기가 큰 시료에서 전도성 원자간력현미경(Conductive Atomic Force Microscopy, C-AFM) 운용 시 발생하는 왜곡 정보인 용량성 전류(capacitive current)의 원인을 규명하고, 피어슨 상관 분석 방법을 기반으로 해당 왜곡 정보를 제거했다. 이 방법론을 실리콘/흑연 기반 복합 음극에 적용해 도전재 성분에 따른 전자 전도 채널 영상화를 실시했으며, 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(Signle-Walled Carbon Nano Tube, 이하 SWNCT)가 적용된 전극의 전기적, 전기화학적 우수성을 입증하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 기반 전극과 같이 활물질의 부피 변화가 큰 시스템에서는 기존의 점형 도전재 대비 선형의 구조적 장점을 갖고 있는 SWCNT가 안정적인 전자 전도 채널을 확보하는 데 유리함을 보였다. 또한 SWCNT가 포함된 복합 전극의 경우, 130 사이클 이후에도 활물질의 분쇄가 보다 억제됐음을 보여주며, 전자 전도 채널의 불균일성이 활물질의 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있음을 가설을 들어 설명했다.
제1 저자인 신소재공학과 박건 박사과정은 "전자 전도 채널 불균일이 유발한 전극의 전기화학 특성 퇴화라는 주제로 후속 연구를 진행 중이다ˮ라며 "나노스케일 영상화를 기반으로 지금껏 관찰하지 못했던 현상을 탐구할 수 있어 즐겁다ˮ라고 말했다. 교신 저자인 홍승범 교수는 "왜곡 신호의 원인을 규명하고, 이를 정량적으로 제거하는 연구는 영상화 분야에서 매우 중요하다ˮ라며 "이번에 개발한 방법론이 전극 내 전자 전도 채널을 강화하는데 적용돼, 실리콘 기반 복합 음극의 고도화를 앞당기는 데 도움이 되면 좋겠다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재됐다. (논문명: Nanoscale Visualization of the Electron Conduction Channel in the SiO/Graphite Composite Anode)
한편 이번 연구는 LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩(Frontier Research Lab)과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.11.08 조회수 7571 -
1mm 크기 예쁜꼬마선충에서 노화 늦추는 단백질 찾았다
우리 대학 연구진이 '예쁜꼬마선충'(C. elegans)에서 수명 연장을 돕는 단백질을 찾아냈다.
우리 대학 생명과학과 이승재 교수와 포항공대 김경태 교수 연구팀이 예쁜꼬마선충에서 세포 내 에너지 조절 센서인 'AMPK'를 활성화해 노화를 지연시키는 단백질 'VRK-1'을 발견했다.
예쁜꼬마선충은 몸길이 1㎜ 정도의 선충류다. 배양이 쉽고 사람과 유전 정보 특성이 닮아 실험동물로 널리 활용된다.
한편 에너지 센서라 불리는 AMPK는 공복이나 운동 등으로 에너지 수준이 낮아질 때 활성화돼 세포가 항상성을 유지하도록 돕는다.
예쁜꼬마선충과 생쥐, 초파리 등에서 AMPK가 식이를 제한해 수명 연장을 돕는 역할을 한다는 연구는 그동안 활발히 진행되어 왔지만, AMPK를 자극하는 상위 조절 인자는 알려지지 않았다.
연구팀은 VRK1이 활성화될 때 2만여개의 예쁜꼬마선충 유전자가 단백질로 발현되는 패턴이 AMPK가 활성화될 때의 패턴과 비슷하다는 사실을 발견했다.
VRK1은 AMPK를 인산화시키고, 인산화된 AMPK는 미토콘드리아가 세포에 에너지를 공급하는 데 필수적인 과정인 '전자 전달계'의 기능을 억제함으로써 노화를 늦춘다는 것도 확인했다.
실제 VRK1의 자극에 반응하지 않는 AMPK 돌연변이 예쁜꼬마선충에서는 수명 연장 효과가 나타나지 않았다.
생명과학과 이승재 교수는 "이번 연구 결과는 AMPK 이상으로 인한 대사질환 치료와 항노화 약물 개발에 기여할 것"이라고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 7월 2일 자에 실렸다.
2020.07.16 조회수 25321 -
김정원 교수, 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기 개발
우리 대학 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용해 X-밴드 레이더에 활용할 수 있는 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.
이번 기술은 레이더 뿐 아니라 통신, 센서, 정밀계측 등 다양한 분야에서 활용 가능하고 기술이전을 통한 국산화도 가능할 것으로 기대된다.
권도현 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 ‘포토닉스 리서치(Photonics Research)’ 2018년도 1월호에 게재됐다.
레이더는 자율주행 자동차, 기상관측, 천문연구, 항공관제, 군용탐지 등 민간 및 군용 분야에서 다양하게 활용된다.
고성능 레이더 내에서의 속도 탐지 및 이미지 분해능 개선, 통신 및 신호처리 능력 향상을 위해서는 레이더 송신신호의 위상잡음(phase noise)을 낮추는 것이 필수적이다. 또한 우수한 주파수 스위칭과 변조 성능 역시 레이더 신호원의 중요한 요구 조건이다.
하지만 위상잡음이 낮은 마이크로파 주파수 합성기는 고가일 뿐더러 수출승인(EL) 품목으로 자국 밖 수출이 금지되거나 특별 허가를 받아야 하는 경우가 많다.
김 교수 연구팀은 고가의 재료나 실험실 밖 환경에서 사용이 어려운 기술 없이도 부품의 신뢰성과 가격경쟁력이 확보된 광섬유광학 기술과 상용 디지털신디사이저(DDS) 부품만을 이용했다. 이를 통해 매우 우수한 위상잡음 수준을 가지며 주파수 스위칭 및 다양한 변조가 가능한 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다.
이 주파수 합성기는 광섬유 레이저 기술을 이용해 펄스(pulse) 형태의 빛을 생성한다. 이 때 빛 펄스 간의 시간 간격을 매우 일정하게 만들어 1초 동안 1 펨토초(1천조분의 1초)라는 아주 작은 시간의 오차를 갖는 빛 펄스들을 생성했다.
그리고 이 빛 펄스들을 전기 신호로 변환하는데 이 때 펄스 간 시간 간격에 의해 정해지는 반복률(repetition-rate)의 정수배에 해당하는 임의의 사인파(sinusoidal) 형태의 전기 신호를 생성할 수 있다.
이번 연구에서는 여러 가능한 주파수 대역들 중에서 최근 이슈가 된 사드(THAAD) 레이더를 비롯한 고성능 레이더와 우주 통신 분야에서 그 중요성이 커지는 X-밴드(8-12 GHz) 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 주파수 합성기를 구현했다.
이번 기술은 기존의 최고 성능 오븐제어 수정발진기(OCXO) 기반 주파수 합성기들의 위상잡음보다 월등하게 우수한 성능을 보였다. 또한 전자전(electronic warfare) 및 레이더 시스템에서 중요하게 여겨지는 빠른 주파수 변환 속도와 다양한 주파수 변조 기능 역시 가능함을 선보였다.
이 시스템의 또 다른 장점은 기존 마이크로파 주파수 합성기와 달리 매우 낮은 잡음의 광신호 또한 함께 생성할 수 있다는 것이다. 이러한 저잡음 광신호를 이용하면 레이더 수신기에서 이전에는 없던 새로운 신호 분석 기능도 제공할 수 있다.
김 교수는 “이 연구에서는 X-밴드 신호원을 선보였지만 같은 원리를 활용해서 보다 고주파 대역의 초저잡음 신호도 생성할 수 있다”며 “드론처럼 소형, 저속 물체들에 대한 민감한 탐지에도 활용 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 광섬유광학 기반 X-밴드 레이더 신호원의 개념도
그림2. 10-GHz에서의 위상잡음 측정 결과와 기존의 최고성능 주파수 합성기들과의 성능 비교
2018.01.18 조회수 15266 -
플라즈몬 디스플레이 상용화기술 개발
- 나노 표면 플라즈몬 기술 이용해 투과율 향상 기대 -
- 대면적 OLED, LCD에 상용화 가능한 컬러필터 기술 -
플라즈몬 효과를 이용해 디스플레이 컬러필터를 상용화 할 수 있는 공정기술이 KAIST와 고려대학교 연구진에 의해 개발됐다.
우리 학교 전기및전자공학과 최경철 교수와 고려대학교(총장 김병철) 전기전자전파공학부 주병권 교수 공동 연구팀이 나노 표면에서 발생하는 플라즈몬 효과를 이용한 디스플레이 컬러필터를 상용화할 수 있는 설계 및 공정기술을 개발했다.
컬러필터는 LCD나 OLED와 같은 디스플레이와 디지털 카메라에 사용되는 CMOS 이미지 센서 등에서 색상을 표현하는 핵심부품이다. 현재 상용화중인 컬러필터는 투과율이 20~30%대로 알려져 있는데, 플라즈몬 효과를 이용하면 투과율을 기존보다 40%이상까지 끌어올려 전력효율을 약 2배 향상시킬 수 있다는 연구 성과들이 최근 보고됐다.
최근 발표된 플라즈몬 필터는 마이크로미터(㎛) 크기의 극소 면적에만 구현할 수 있었던 한계가 있었다. 그러나 이번 연구에서는 레이저 간섭 리소그래피 기술을 이용해 2.5㎝크기까지 구현해냈다. 기존에 상용화중인 레이저 기술을 적용한 공정기술로 플라즈몬 컬러필터를 이용한 디스플레이를 양산할 수 있는 단계까지 올라왔다는 게 학계와 산업계의 평가다.
향후 이 기술을 이용해 투과율을 40%이상 끌어올려 저전력 플라즈몬 디스플레이를 양산하는게 연구팀의 목표다.
이와 함께 레이저 광의 간섭현상을 통해 나노 구조를 형성하는 기술인 레이저 간섭 리소그래피 기술을 이용해 나노 패턴을 대면적에 구현함과 동시에 컬러필터의 특성을 최적화하면서 공정에서 발생하는 에러를 보완할 수 있는 설계방법을 제시했다.
레이저 간섭 리소그래피 기술을 적용해 연구팀이 제시한 공정은 기존 컬러필터 양산기술의 공정이 복잡한 단점을 극복해 저렴하게 만들 수 있을 것으로 기대된다.
도윤선 박사과정 학생은 이번 연구에 대해 “그동안 공정 비용, 시간, 수율 측면에서 플라즈몬 현상을 산업적으로 이용하는데 한계가 있었다”며 “연구팀이 제시한 컬러 필터 기술은 설계 및 공정의 간소화를 통해 시간이 단축되고 비용이 적게 들어 염료 및 안료기반 컬러필터 기술을 대체할 수 있을 것”이라고 말했다.
고려대학교 전기전자전파공학부 박정호 박사과정 학생은 “이번 연구는 레이저 간섭 리소그래피 기술을 이용해 TV화면 등 대면적에 적용이 가능하다”며 “기판의 종류에 구애받지 않아 차세대 나노 공정 기술에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
KAIST 전기및전자공학과 도윤선 박사과정 학생과, 고려대학교 전기전자전파공학부 박정호 박사과정 학생이 주도한 이번 연구 성과는 나노 기술 분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼스(Advanced Optical Materials)’ 2013년 2월호 표지논문으로 게재됐고, 6건의 관련 특허를 출원했다.
2013.03.06 조회수 15508