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고용량 차세대 배터리 수명 향상 소재 개발
전기자동차를 구매할 때 가장 망설이게 만드는 요인은 한번 충전으로 운행할 수 있는 주행거리가 짧다는 점이다. 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리를 많이 탑재해야 하는데, 이는 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 생긴다. 이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발이 시급한 상황이다.
우리 대학 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.
현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 `하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데, 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다(200mAh/g). 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있으며, 연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다.
리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달해, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다. 그러나, 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 이에 따라, 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소해 사용되지 못하고 있다.
조은애 교수 연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며, 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.
조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게끔 하였다ˮ고 설명하며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다ˮ고 말했다.
신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 1월 29일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Promoting the Reversible Oxygen Redox Reaction of Li-excess Layered Cathode Materials with Surface Vanadium Cation Doping)
한편 조은애 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
2021.03.03 조회수 91332 -
조천식녹색교통대학원, 하이브리드 경유-전기 소형화물차 개조기술 실증
우리 대학 조천식녹색교통대학원은 미세먼지 및 온실가스 발생의 주요 원인인 경유 소형화물차(적재중량 1톤 미만)를 하이브리드 경유-전기 트럭으로 개조해 배출가스를 줄이고 연비를 개선할 수 있는 기술을 개발했으며, 이를 제주특별자치도 내 물류 배송환경에서 실증한다고 밝혔다.
하이브리드 경유-전기 트럭 개조기술은 국토교통부가 주관하고, 국토교통과학기술원이 지원하는 '택배 차량용 디젤 트럭의 하이브리드 개조기술 개발 및 실용화 연구' R&D 사업을 통해 개발됐다.
이에 조천식녹색교통대학원 장기태 교수 연구진은 운행 중인 경유 소형화물차를 개조(튜닝)하여 경유엔진과 전기모터를 혼용하는 하이브리드 기술의 개발을 완료, 지난 7월 초 한국 교통안전공단 자동차안전연구원의 안전성 확인과 승인 검사를 완료한 바 있다.
이번에 제주 지역에서 진행되는 실증은 하이브리드 경유-전기 트럭을 실제 물류배송 환경에서 운행하면서 성능 및 안전성을 검증하고, 연비 개선 및 배출가스 저감 효과를 평가하기 위하여 수행된다. 이번 실증에서는 하이브리드 경유-전기트럭 4대가 제주특별자치도 내 물류 기업인 JBL 로지스틱스의 실제 물류 운송에 투입되어 7월 14일부터 올해 말까지 약 6개월간 운행될 예정이다.
우리 대학이 제작한 하이브리드 경유-전기트럭은 JBL로지스틱스에서 운영하는 실제 배송경로의 화물운송에 투입되며, 차량에 부착된 모니터링 장치에서 수집된 빅데이터를 분석하여 효과를 검증한다. 또한 실증의 안전성 확보를 위하여 제주혁신성장센터 내 친환경스마트자동차 연구센터에 실시간 관제시스템을 구축하여 안전을 상시 모니터링하고, 지역 정비업체와 협력하여 차량 관리를 진행할 예정이다.
연구책임자인 장기태 교수는 “미세먼지 저감을 통한 대기환경 개선과 연비 개선을 통한 물류비용 감소를 기대할 수 있는 현실적인 친환경 자동차 개조기술의 실증을 통해 관련 기술의 신뢰성과 현실 적용성이 확인된다면 향후 그 활용성과 사업성이 기대된다”고 밝혔다. 이어 “본 기술은 운행 중인 경유 트럭을 하이브리드 경유-전기 트럭으로 개조(튜닝)하는 모듈화된 신기술로 자동차종합정비업 또는 소형자동차정비업에서도 개조를 수행할 수 있어 향후 소규모 지역기업의 신사업분야로 성장할 수 있는 기술”이라고 덧붙였다.
2020.07.13 조회수 18541 -
공기중 산소로 충전되는 차세대 배터리용 에너지 저장 소재 개발
우리 연구진이 공기 중에 널리 퍼져있는 산소로 충전되는 차세대 배터리인 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 소재를 개발했다. 기존 리튬-이온 배터리에 비해 약 10배 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있어 친환경 전기자동차용 배터리에 널리 쓰일 것으로 기대된다.
우리 대학 신소재공학과 강정구 교수가 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원자 수준에서 촉매를 제어하고 분자 단위에서 반응물의 움직임 제어가 가능해 차세대 배터리로 주목받는 리튬-공기 배터리용 에너지 저장 전극 소재(촉매)를 개발했다.
연구팀은 이번 소재개발을 위해 기존 나노입자 기반 소재의 한계를 극복하는 원자 수준의 촉매를 제어하는 기술과 금속 유기 구조체(MOFs, Metal-Organic Frameworks)를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념을 적용했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다.
이와 함께 물 분자의 거동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다. 이 결과, 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매는 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 기공(구멍) 내에서 안정화가 이뤄져서 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다.
KAIST 신소재공학과 최원호 박사과정이 제1 저자로 참여한 이 연구결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)' 5월 6일 字에 게재됐다. (논문명 : Autogenous Production and Stabilization of Highly Loaded Sub-Nanometric Particles within Multishell Hollow Metal-Organic Frameworks and Their Utilization for High Performance in Li-O2 Batteries)
리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도의 한계로 인해 전기자동차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있다. 이를 대체하기 위해 다양한 종류의 시스템들이 연구되고 있는데 이 가운데 높은 에너지 밀도의 구현이 가능한 리튬-공기 배터리가 가장 유력한 후보로 꼽힌다. 다만 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧아서 이를 개선하기 위해 공기 전극에 촉매를 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 공동연구팀은 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.
또 촉매의 경우 크기가 1nm(나노미터) 이하로 작아지면 서로 뭉치는 현상이 발생해서 성능이 급격하게 떨어진다. 공동연구팀은 이런 문제 해결을 위해 원자 수준 촉매 제어기술을 사용했는데 물 분자가 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했고, 그 공간 내부에서도 안정화를 이뤘다. 안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고, 원자 수준의 크기가 유지되기 때문에 활성도가 향상되면서 리튬-공기 배터리의 사이클 수명 또한 크게 개선되는 결과를 얻었다.
강정구 교수는 "금속-유기 구조체 기공 내에서 원자 수준의 촉매 소재를 동시에 생성하고 안정화하는 기술은 수십만 개의 금속-유기 구조체 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화가 가능하다ˮ면서 "이는 곧 원자 수준의 촉매 개발뿐만 아니라 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있다는 의미ˮ라고 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업 및 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.06.01 조회수 14863 -
고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매 개발
생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 자동차 촉매로 활용할 수 있는 고성능의 완전 분산 금속 앙상블 촉매를 개발했다.
연구팀의 금속 앙상블 촉매는 휘발유 차량 배기가스 정화 반응인 삼원 촉매 반응에서(three-way catalysis, TWC) 기존의 단일원자 촉매, 상용 삼원 촉매 대비 월등한 저온 촉매 성능을 보였다. 또한, 노화 및 장기 반응 등의 내구성 평가에서 탁월한 성능을 보였다. 연구팀의 금속 앙상블 촉매는 불균일계 촉매 분야에서 기존의 단일원자 촉매를 뛰어넘어 그 가치가 높을 것으로 기대된다.
정호진 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 2월 17일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : 단일원자 촉매를 뛰어넘는 완전분산된 고내구성 자동차 촉매용 금속 앙상블 촉매, Highly durable metal ensemble catalysts with full dispersion for automotive applications beyond single-atom catalysts)
다양한 불균일계 촉매 중 귀금속(백금, 팔라듐, 로듐) 촉매는 높은 활성을 보여 널리 사용되지만, 귀금속의 희소성과 비싼 가격으로 인해 제약이 많다. 이에 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요한 과제로 남아있다. 단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있어 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.
한편 일산화탄소(CO), 프로필렌(C3H6), 프로판(C3H8), 일산화질소(NO)는 대표적인 휘발유 차량 배기가스 오염물질로 반드시 삼원 촉매 반응을 통해 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2)로 전환한 뒤 배출돼야 한다. 이때 탄화수소(프로필렌, 프로판) 산화 반응은 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야만 반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해서는 금속 앙상블 자리를 확보하는 것이 필수이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 금속(백금, 팔라듐, 로듐) 앙상블 촉매를 개발해 삼원 촉매 반응에 적용했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있어 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미이다. 이는 단일원자 촉매도 갖는 특징이지만 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점을 갖고 있다.
그 결과 금속 앙상블 촉매는 일산화탄소, 프로필렌, 프로판, 일산화질소를 동시에 제거하는 삼원 촉매 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없어서 삼원 촉매 성능이 저하되는 단일원자 촉매의 문제점을 해결한 것이다. 특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 금속 앙상블 촉매는 수열 노화, 장기 반응, 재사용 반응 등의 내구성 평가에서도 탁월한 성능을 보여 실제 휘발유 차량 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번에 개발한 금속 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매의 한계를 극복하는 새로운 금속 촉매로써 학술적으로 기여하는 바가 크다”라며 “휘발유 차량 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 연구의 가치가 매우 크다”라고 말했다.
이번 연구는 선도연구센터사업의 초저에너지 자동차 초저배출 사업단과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.02.27 조회수 11550 -
박영진 교수, 현대자동차그룹과 함께 능동형 노면 소음 저감기술(RANC) 개발
〈 박영진 교수 〉
우리 대학 기계공학과 박영진 교수 연구실(시스템동역학 및 응용제어 연구실)과 현대자동차그룹이 협업해 개발한 ‘능동형 노면 소음 저감기술(이하 RANC)’이 상용화된다.
현대차그룹은 지난 11일 도로에서 발생해 실내로 유입되는 노면 소음을 크게 줄여주는 ‘RANC’를 개발했다고 밝혔다. RANC 핵심 요소기술인 센서 위치 및 신호 선정 방법에 대해 한국과 미국에 특허 출원을 완료했다.
RANC는 주행 시 발생하는 노면 소음을 낮추는 기술이다. 시스템은 가속도 센서, DSP(Digital Signal Processor, 음향신호 분석을 위한 제어 컴퓨터), 마이크, 앰프, 오디오 등으로 구성된다. 시스템을 최대한 단순하게 하도록 오디오는 별도의 오디오 시스템이 아닌 차에 원래 내장된 오디오를 활용한다.
먼저 가속도 센서가 진동의 전달 경로에 위치해 노면 소음을 유발하는 진동을 취득한다. 여기서 진동 전달 경로를 정확히 파악하기 위한 가속도 센서의 위치가 굉장히 중요하다. 연구팀은 수많은 테스트를 통해 최적의 센서 위치를 찾을 수 있었다.
박영진 교수 연구실은 지난 1993년부터 4년간 G7 국가 과제로 현대자동차와 도로 소음을 능동적으로 줄이는 연구를 수년간 수행하고 이 결과를 국제 학술지에 게재했다. 이후 네이처(Nature)에서 2002년 ‘Noise quietens driving’이라는 제목의 기사의 뉴스로 게재해 실제 차량에서 최초로 도로 소음을 줄이는 연구가 성공했음을 알렸다. 하지만 당시 주변 기술들의 부재(차량용 디지털 앰프 및 DSP 등)와 가격 요인 등으로 인해 상용화에는 실패했다.
그 후 2013년부터 박 교수 연구팀은 1건의 기술이전과 8건의 산학과제가 포함된 관련 연구를 수행했으며, 이를 기반으로 현대자동차 NVH 리서치랩 (전문위원 이강덕 박사; 항공공학 박사, 1996년)은 옵토멕 (설립자 김경수 교수; 기계공학 박사, 1999년), ARE (김현석 대표; 기계공학 박사, 1998년), 위아컴, 번영 등과 협업해 순수 국내 기술로 RANC 시스템의 개발에 성공했다.
박영진 교수 연구실은 선행연구 단계에서는 이론 기반 연구 및 연구팀의 구성 등 주도적으로 연구를 이끌었으며, 현대자동차 주도로 진행된 상용화 단계에서는 미래 지향적인 연구와 자문역할을 수행했다.
현대자동차그룹은 세계 최초로 RANC 기술의 상용화를 위해 글로벌 차량 오디오 전문업체인 하만과 협업해 완성도를 높여 RANC를 제네시스 브랜드 첫 번째 스포츠유틸리티차량(SUV) ‘GV80’에 적용한다.
박영진 교수는 “부임 초기에 중점적으로 한 연구가 20년이 더 지나 상용화가 이루어지는 것을 볼 수 있어 엔지니어로서 행복하고 특히 연구실의 졸업생들과 함께 노력해 상용화에 기여할 수 있어서 감개가 무량하다”라고 말했다.
2019.12.02 조회수 12654 -
이현주 교수, 배기가스 정화용 로듐 앙상블 촉매 개발
〈 정호진 박사과정, 이현주 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수가 포항공대 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 자동차 배기가스 정화에 사용할 수 있는 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매를 개발했다.
연구팀의 촉매는 자동차 배기가스 정화 반응에서 시중의 디젤 산화 촉매에 비해 50도 낮은 온도에서 100%의 전환율을 달성하는 성능을 보였다. 연구팀의 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매, 나노입자 촉매와는 다른 개념으로 금속 앙상블 자리(ensemble site)가 필요한 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
정호진 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국 화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’ 7월 5일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Fully Dispersed Rh Ensemble Catalyst to Enhance Low-Temperature Activity, 저온 활성 향상을 위한 완전히 분산된 로듐 앙상블 촉매)
다양한 불균일계 촉매 중 귀금속 촉매는 높은 활성을 보이기 때문에 널리 사용된다. 하지만 귀금속의 희소가치 때문에 귀금속 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요하다.
단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있기 때문에 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.
한편 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 등의 탄화수소는 대표적인 자동차 배기가스 오염물질로 반드시 촉매 산화 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 전환한 뒤 배출돼야 한다. 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야만 탄화수소 산화반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해서는 금속 앙상블 자리를 확보하는 것이 필수적이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 로듐 앙상블 촉매를 개발해 자동차 배기가스 정화반응에 적용했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있기 때문에 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미이다.
이는 단일원자 촉매도 동일하게 갖는 특징이지만, 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점 또한 갖고 있다.
그 결과 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO), 프로필렌, 프로판 산화 반응에서 모두 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없는 단일원자 촉매나 낮은 금속 분산도로 인해 저온 촉매 성능이 떨어지는 나노입자 촉매의 단점을 보완한 것이다.
특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 로듐 앙상블 촉매는 상용화된 디젤 산화 촉매(DOC, diesel oxidation catalysts)보다 높은 활성과 내구성을 가져 실제 자동차 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존의 단일원자, 나노입자 촉매와는 다른 새로운 금속 촉매 개념으로 학술적으로 기여하는 바가 크다”며 “자동차 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 가치가 큰 연구이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업 초저에너지 자동차 초저배출 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 분산도 100% 로듐 앙상블 촉매를 이용한 자동차 배기가스 정화 반응 개념도
그림2. 단일 원자 촉매와 앙상블 촉매의 촉매 구조와 성능 비교 모식도
그림3. EDS-mapping 분석법을 통해 관찰한 단일 원자 촉매, 앙상블 촉매, 나노입자 촉매 구조 사진
2018.07.23 조회수 13160 -
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 16074 -
주차걱정 끝~! 접이식 초소형 전기차 개발
- 동물 모사해 접는 초소형 전기차 ‘아마딜로-T’ 개발 -
- 2.8m 차량을 접으면 1.65m, 한 대 공간에 3대 주차 가능해 -- “경차보다 작은 신규 초소형 세그먼트 차량 인증 법규 서둘러야” -
도심 속 주차난을 한 방에 해결해 줄 초소형 접이식 전기차 ‘아마딜로-T(Armadillo-T)’가 공개됐다.
13일 오전 10시 KAIST에서 공개한 접이식 자동차 ‘아마딜로-T’는 지난 2011년 12월부터 국토교통부, 국토교통과학기술진흥원 등의 지원을 받아 KAIST 조천식녹색교통대학원 서인수 교수 연구팀이 개발했다.
‘아마딜로’는 아메리카 대륙에 사는 가죽이 딱딱한 동물로 적을 만나면 공 모양으로 몸을 둥글게 말아 자신을 지켜낸다. 연구팀은 이 동물이 몸을 접는 모습에 착안해 차량을 디자인 했다. ‘아마딜로’라는 동물의 이름에 자동차의 시대를 연 포드의 세계 최초 대량생산 자동차인 ‘포드 모델 T’의 T를 붙여 아마딜로-T라는 이름을 붙였다고 연구팀은 전했다.
연구팀은 다양한 디자인을 검토해 △초소형 전기자동차 △독창적인 접이식 구조의 적용 △공기역학적 설계 및 실내 공간 최대화 △모터 제어 및 4륜 동력학적 통합제어 알고리즘의 개발 등을 통해 혁신적인 차체 형상과 고효율 및 차량의 안정성을 보장하도록 설계했다.
길이는 국내에서 가장 작은 경차보다도 짧은 2.8m에 불과하다. 주차모드로 전환하면 차량 중간지점을 기준으로 부채처럼 접히면서 1.65m로 줄어든다. 5m길이의 일반 주차장에 3대까지 주차할 수 있다.
500kg의 무게에 최고속도는 시속 60km까지 낼 수 있으며 탑승 정원은 2명이다. 13.6kWh 용량의 배터리를 탑재해 10분 동안 급속 충전하면 최대 100km까지 주행 가능하다.
경차 또는 기존 저속 전기차 보다도 작은 초소형 차량(micro mobility)은 유럽에서는 국제연합유럽경제위원회(UNECE) 규정에 의거, 연비 및 안정성 등 차량 인증 법규가 존재한다. 일본에서도 정부 차원에서 많은 실증이 진행되고 있지만 국내에서는 아직 사회적 관심이나 법규 검토 등에서 아직 미약하다.
차량을 움직이는 동력은 바퀴 안쪽에 장착된 인 휠 모터(In-Wheel Motor)에서 나온다. 동력 창치를 바퀴에 적용함으로써 승객의 편의를 위한 차량의 공간을 최대화 할 수 있다. 또 4개의 바퀴를 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 기존의 차량보다 더 안정되면서도 높은 성능을 낼 수 있으며, 차가 접힌 상태에서는 제자리에서 360도 회전이 가능하다.
다른 첨단기술도 접목했다. 사이드미러를 없애고 카메라를 통해 좌우측 후면을 볼 수 있도록 해 디자인을 간결하게 하면서 사각지대를 최소화했다. 또 최첨단 컴퓨터를 통해 배터리가 남은 양 등 차량 각 장치의 정보를 전달받아 모니터에 표시해준다. 주차 시에는 차량을 주차한 후 스마트폰 앱을 통해 외부에서 접을 수 있다. 게다가 접은 상태에서 스마트폰을 이용해 자동 주차 제어가 가능하다.
서인수 교수는 접이식 전기차 개발 배경에 대해 “고령화 사회에 대비한 노인들의 복지, 제한된 석유자원과 친환경 에너지, 근거리 도심 또는 지역사회 교통수단 등 다양한 목적을 가지고 만들었다”며 “최근 KAIST가 개발한 무선충전 전기버스처럼 상용화에 성공해 우리나라 창조경제 발전에 기여할 것”이라고 말했다.
연구팀은 ‘아마딜로-T’ 개발과정에서 총 13건의 국내외 특허를 출원했으며, 지난 5월 국제전기전자공학회 산하 국제전기기계및자동차학회에서 실시한 디자인경진대회에서 2위에 입상하는 성과를 이루기도 했다.
2013.08.13 조회수 15305 -
휴대용 음향카메라 개발
- 세계 3대 디자인 공모전 ‘레드 닷 디자인 어워드’ 수상 -
우리 학교 산업디자인학과 배석형 교수가 ㈜에스엠인스트루먼트 및 ㈜현대자동차와 공동으로 개발한 세계 최초의 ‘휴대용 음향카메라’가 세계 3대 디자인 공모전 중 하나인 레드 닷 디자인 어워드(Red Dot Design Award)의 제품디자인 부문 수상작으로 선정됐다.
자동차 운전자라면 한번쯤 원인을 알 수 없는 소음 때문에 골머리를 앓은 경험이 있을 것이다. 자동차를 비롯한 공업제품에서 비정상적인 소음이 발생하면 설계의 오류나 부품의 마모, 파손 등 다양한 문제가 있을 수 있는데 소음이 발생하는 위치를 사람의 청각으로 정확하게 찾아내기는 쉽지 않다.
이러한 상황에서 유용하게 쓰일 수 있는 장치가 음향카메라다. 열 감지 카메라가 온도의 분포를 색으로 표현하듯이 음향카메라는 마이크로폰 배열을 이용해 측정한 소리의 분포를 색으로 표현해 소음원의 위치를 보여준다.
하지만 기존의 음향카메라는 크고 무거울 뿐만 아니라 조립 및 설치 방법이 복잡하고 삼각대 위에 고정된 상태로만 사용할 수 있어 설치가 어려운 좁은 공간이나 자동차의 바닥면 등은 측정이 불가능한 경우가 많았다.
이번에 개발된 휴대용 음향카메라는 가로 39cm × 세로 38cm, 무게 1.78kg으로 크기와 무게가 기존 제품에 비해 각각 40%, 30%에 불과해 사용자가 자유롭게 들고 움직이면서 측정대상을 탐색할 수 있다.
다섯 가닥의 나선형으로 배치된 30개의 마이크로폰과 고해상도 카메라는 공업제품의 개발 및 수리 과정에서 중요한 350Hz~12kHz 주파수 대역의 소음의 분포를 이미지와 합성해 사용자에게 직관적으로 보여주며 동영상으로 저장할 수도 있다.
새로 개발된 제품은 기존의 제품과는 달리 일체형으로 측정에 앞서 마이크로폰을 조립하는 불편을 해소했다.
가운데 손잡이는 인체공학적으로 설계되어 사용자가 한 손으로도 음향카메라의 무게를 안정적으로 지탱할 수 있다. 또 받침대 역할을 하기도 하는 양 옆의 손잡이는 두 손을 이용해 다양한 방식으로 음향카메라를 잡을 수 있도록 설계되어 좁은 공간이나 바닥면 등도 사용자가 무리한 자세를 취하지 않고 측정할 수 있다.
현대자동차 남양연구소 이강덕 NVH 연구위원은 “지난 2월부터 휴대용 음향카메라를 신차 개발단계에서 다양하게 활용하고 있다”며 “한 손으로 들 수 있을 만큼 작고 가볍기 때문에 기존의 음향카메라로는 비추기 어려웠던 부분도 자유롭게 탐색할 수 있고 혼자서도 사용할 수 있어 작업 과정이 크게 향상됐다”고 말했다.
배석형 교수는 국제 디자인 공모전 수상과 관련해 “첨단 기술에 디자인 요소를 효과적으로 결합한 점을 인정받았다”며 “과학기술에 대한 수준 높은 이해가 가능한 KAIST 산업디자인학과의 역량을 보여준 좋은 사례”라고 말했다.
한편, 소음진동 전문기업 ㈜에스엠인스트루먼트는 지난 2006년 KAIST 창업보육센터에서 시작, 2년 만에 독자적인 기술력을 확보해 자립했으며 끊임없는 변화와 혁신을 통해 국가 소음진동 기술 발전에 기여하고 있다.
그림1. 레드 닷 디자인 어워드에서 수상한 휴대용 음향카메라 SeeSV-S205
그림2. 휴대용 음향카메라를 이용해 소음이 발생하는 위치를 찾는 모습
그림3. 휴대용 음향카메라를 이용해 자동차의 소음을 측정한 이미지
2013.04.04 조회수 16000 -
힘세고 오래가는 리튬이온 배터리 개발
최장욱 교수
- 출력 향상으로 전기자동차 가속성능 획기적 향상 기대 -- 결정면 제어해 출력은 5배 이상, 수명은 3배, 고온 수명은 10배 이상 향상 -
나노기술을 이용해 고출력은 물론 수명이 훨씬 길어진 리튬이온 이차전지가 개발됐다.
우리 학교 EEWS 대학원 최장욱 교수 연구팀이 기존의 리튬이온 이차전지보다 출력은 5배 이상 높으면서도 수명은 3배 이상 길어진 리튬이온 이차전지 양극소재를 개발하는 데 성공했다.
그동안 배터리 성능이 모터의 출력을 따라가지 못해 내연기관 보다 가속 시 굼뜨는 단점이 있었던 기존 전기자동차에 이 배터리를 적용할 경우 가속성능이 획기적으로 개선될 것으로 관련업계는 기대하고 있다.
이와 함께, 차세대 지능형 전력망인 스마트 그리드와 전동 공구 등 고출력 배터리를 필요로 하는 분야에도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
현재 가장 널리 상용화된 리튬이온 이차전지용 리튬-코발트계 양극소재는 비싼 가격, 강한 독성, 짧은 수명, 긴 충·방전 시간 등의 단점이 있다. 또 충·방전 시 발생하는 열에 취약, 대용량 전류밀도를 요구하는 전기자동차엔 적용이 어려웠다.
반면, 최장욱 교수 연구팀이 이번에 연구한 리튬-망간계 양극소재는 풍부한 원료, 저렴한 가격, 친환경성 등과 같은 장점을 갖고 있으며, 특히 고온 안정성이 뛰어나고, 높은 출력을 낼 수 있기 때문에 전기자동차용 전극 소재로 각광을 받고 있다.
순수 리튬망간계 양극소재는 수명이 평균 1~2년 정도에 불과할 정도로 매우 짧은 단점이 지적돼 왔다. 이는 망간이 전해액으로 녹아나오는 용출 현상에 기인하며, 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행돼 왔지만 소재의 고유 결정구조로 인해 난제로 남아 있었다.
최 교수 연구팀은 망간산화물이 만들어지기 직전 나노소재를 합성하는 단계에서 반응온도를 조절해 결정면의 구조를 분석한 결과 220℃에서 망간이온의 용출이 억제되는 결정면과 리튬이온 이동을 원활하게 하는 면이 동시에 존재한다는 것을 발견했다.
각각의 결정면은 수명과 출력을 동시에 좋게 해 출력은 5배 이상 향상되면서 수명은 3배 이상 높아졌다. 게다가 기존에 가장 취약하다고 알려진 고온 수명 특성은 10배 이상 좋아지는 것을 확인했다.
최장욱 교수는 “배터리에 10 마이크로미터 수준의 덩어리 입자로 존재했던 리튬망간계 양극소재를 수백 나노 수준에서 결정면을 제어함으로써 출력과 수명을 모두 획기적으로 개선했다”며 “관련 기술에 대해 국내외 특허 출원을 완료했으며, 앞으로 기업과 연계해 2~3년 내 상용화할 계획”이라고 밝혔다.
이차전지의 세계적인 석학인 스탠포드 대학 추이 교수는 “이번 연구는 나노기술이 이차전지 분야를 획기적으로 발전시킬 수 있는 단적인 예를 보여준 사례”라고 평가했다.
한편, 최장욱 교수가 주도하고 김주성 연구원이 참여한 이번 연구 성과는 나노과학분야 세계적 권위지 ‘나노 레터스(Nano letters’)지 온라인판(11월 27일자)에 발표됐다.
그림1. 잘린 면을 갖는 스피넬 리튬망간산화물의 주사전자현미경 사진(좌)과 이 구조가 다른 구조에 비해 다른 구조와 비교 시 더 우수한 출력 특성을 보여 주는 배터리 데이터(우). 초록색이 잘린 면을 갖는 구조의 데이터이다.
그림2. 결정면 제어를 한 스피넬 리튬망간산화물의 개략도. 파란색 면 방향은 수명특성에 기여하며, 분홍색의 면은 출력 특성에 기여하도록 결정면이 디자인됐다.
2012.11.27 조회수 15130 -
고효율 바이오부탄올 생산기술 개발
- 균주 생산수율 87%, 바이오에탄올 수준으로 끌어올려 -- 발효 공정 생산성 3배 이상 향상, 반면 분리・정제 비용은 70% 절감 -
친환경 차세대 에너지 ‘바이오부탄올’의 생산성을 기존 바이오에탄올 수준으로 크게 향상시킨 반면 비용은 대폭 줄어 든 기술이 KAIST와 국내기업 연구팀에 의해 개발됐다.
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 GS칼텍스, 바이오퓨얼켐(주)와 공동으로 시스템대사공학 기법을 이용해 바이오부탄올의 생산성을 크게 향상시키면서도 경제성을 획기적으로 높인 공정을 개발하는데 성공했다.
바이오부탄올은 자동차 연료 첨가제로 이미 상용화된 바이오에탄올을 능가하는 친환경 차세대 에너지로 각광받고 있다.
바이오부탄올의 에너지밀도는 리터당 29.2MJ(메가줄)로 바이오에탄올(19.6MJ)보다 48%이상 높고 휘발유(32MJ)와 견줄만하다. 또 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오매스에서 추출이 가능하기 때문에 식량파동에서도 자유롭다.
특히, 휘발유와는 공기연료비를 비롯해 기화열, 옥탄가 등 여러 가지 연료 성능이 유사해서 현재 사용되고 있는 가솔린 엔진을 그대로 사용해도 되는 게 바이오부탄올의 큰 장점이다.
반면 바이오부탄올 생산을 위한 클로스트리듐 균주는 대장균이나 효모와는 달리 유전자 조작이 쉽지 않고, 또 복잡한 대사회로와 이에 대한 정보가 부족하기에 그동안 대사회로 재설계 자체가 어렵다는 점이 단점으로 꼽혀왔다.
이상엽 특훈교수는 자신이 창시한 시스템대사공학 기법을 도입해 산생성기와 용매생성기로 대변되던 대사회로모델 대신, 바이오부탄올 생산경로에 초점을 둔 대사회로 모델을 새롭게 고안해냈다.
연구팀은 새로운 대사회로 모델에서 바이오부탄올 생산경로를 직접경로(hot channel)와 간접경로(cold channel)로 정의했다.
이 대사회로 모델을 이용해 직접경로를 강화시키기 위한 대사공학을 수행해 이론수율 대비 49%의 생산수율을 나타내던 기존 균주를 87%까지 향상시킨 바이오부탄올 생산균주로 개량하는 데 성공했다.
연구팀은 이와 함께 GS칼텍스와 발효・분리공정 개발을 위한 연구를 수행해 흡착물질을 사용한 실시간 바이오부탄올 회수 및 제거 시스템을 개발하는 데 성공했다.
GS칼텍스와 공동연구 끝에 개발한 발효·분리공정 기술은 포도당 1.8kg을 이용해 585g의 부탄올을 생산했고, 한 시간에 리터당 1.3g 이상 생산했다. 이는 현존하는 세계 최고 수준의 농도, 수율, 생산성으로 발효 공정의 생산성을 3배 이상 향상시키면서 분리·정제 비용은 기존 대비 70%까지 절감했다.
이상엽 특훈교수는 “미국, 유럽 등 선진국에서 바이오연료로 상용화된 바이오에탄올 생산기술은 이론수율 대비 90%인데, 이번에 개발된 기술은 바이오에탄올의 수율에 육박한다”며 “수율측면에서는 차세대 연료인 바이오부탄올 생산 기술이 바이오에탄올 생산기술에 근접했음을 의미한다”고 이번 연구의 의미를 밝혔다.
이 교수는 또 “클로스트리듐 아세토부틸리쿰을 세계 최초로 시스템대사공학 기법으로 개량하고 새로운 발효·분리공정을 접목시켜 생산성을 획기적으로 향상시킨 사례”라며 “재생 가능한 자원으로부터 바이오부탄올 생산 공정의 산업화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 강조했다.
한편, 이번 연구 결과는 미생물분야 세계적 학술지인 ‘엠바이오(mBio)‘지 9·10월호 대표논문으로 선정돼 10월 23일자에 게재됐다.
그림설명. 바이오부탄올 생산 미생물인 클로스트리듐 균주의 전자현미경 사진에 핫채널과 콜드채널을 각각 빨간색과 녹색으로 표현. 화합물 구조는 부탄올.
2012.11.06 조회수 15627 -
KAIST 무선충전전기자동차, CNN 방영
우리 학교에서 개발한 무선충전전기자동차가 지난 8월 29일 미국 CNN방송의 "Eco Solutions"라는 프로그램에 방영됐다.
CNN은 올 7월 19일 서울대공원에서 상용서비스를 시작한 KAIST 무선충전전기자동차가 기존 디젤 "코끼리열차"에 비해 매연과 소음이 없는 친환경 전기자동차로 방문객들로부터 커다란 호응을 받고 있다고 소개했다.
CNN 링크 : http://edition.cnn.com/CNNI/Programs/eco.solutions/index.html
YouTube 링크 : http://www.youtube.com/watch?v=QLzmFFqPJfo
2011.09.04 조회수 10713