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김용훈 교수, 단일 분자 소자의 전극 계면 특성 규명
〈 김 용 훈 교수와 김후성 박사과정, 김한슬 박사 〉
우리 대학 EEWS 대학원 김용훈 교수 연구팀이 10년 이상 나노 분야 주요 난제로 남아있던 단일분자 전자소자의 금속전극-분자 계면 원자구조와 소자특성 간 상관관계를 규명했다.
이번 연구 성과는 국제 과학 학술지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 6월 21일자에 게재됐다.
단일분자 전자소자는 OLED 등을 통해 알려진 유기소자로서 2003년 미국에서 처음 구현됐다. 분자전자소자(molecular electronics)는 차세대 반도체 소자의 후보군으로 관련 연구들이 활발히 수행되고 있다.
분자를 전자소자로 활용하기 위해선 분자-전극 형태의 원자구조가 구체적으로 어떻게 형성되는지 이해하는 것이 중요하다. 분자 전자소자는 크게 분자, 전극, 둘을 잇는 연결자로 구성된다.
2006년 미국 애리조나 대학의 타오(Nongjian Tao) 교수를 포함한 연구팀은 한 종류의 분자에서 여러 개의 전류 값이 나올 수 있음을 규명했으나 그 전류 값의 크기와 개수, 원인 등은 명확히 밝혀지지 않았다.
특히 그 원인에 대해서는 관련된 분자와 금속전극 간 계면의 원자구조가 여러 가지 형태를 띠고 있기 때문이라는 추측만 있었고 명확히 밝혀지지는 않았다.
김 교수 연구팀은 주사탐침현미경 등을 이용해 단분자 소자가 구현되는 과정을 슈퍼컴퓨터를 활용해 재현했다.
접합 구조의 여러 가지 형태를 찾는 것은 결국 황(S) 원자 주변의 금(Au) 원자 몇 개가 어떤 형태로 배열되는지 확인하는 것인데 이것을 배위수(coordination number)라고 부른다.
〈 김 용 훈 교수와 연구팀 〉
연구팀은 분자와 금속 전극 간 결합의 원자구조 배위수에 따라 금속전극 사이에서 전류 값이 변화하는 것을 확인했다. 또한 분자가 당겨질 때 단순히 금속과 분자 사이 결합이 끊어지는 게 아니라 금속전극의 원자구조가 쉽게 변형돼 결국은 금속과 금속 사이의 결합의 끊어지는 것을 규명했다.
일본 오사카 대학의 카와이(T, Kawai) 교수는 위와 같은 김 교수의 이론을 뒷받침하기 위해 소자 인장에 따른 전류의 증가를 포함하는 실험을 수행했다.
한, 일 공동연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 제1원리 계산과 첨단 나노소자 제조 및 측정을 통해 유기 소자의 계면 특성을 원자 수준에서 성공적으로 규명했다. 연구팀은 나노과학-나노기술 분야에서 10년 이상 풀리지 않던 난제를 해결했다.
이번 성과는 향후 OLED, 바이오센서, 유기태양전지 등 다양한 유기소자 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “이번 연구는 나노 분야에서 이론 연구가 실험을 선도하는 역할을 성공적으로 수행함을 보여주는 예가 될 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 나노소재기술사업과 KISTI 슈퍼컴퓨터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 분자 전기전도도 실험 측정방법의 개념도
그림2. 대표적인 세 가지 분자-금속전극 접합 원자구조와 이에 상응하는 외력에 따른 전도도 변화 패턴
2017.07.04 조회수 17864 -
오지훈 교수, 이산화탄소 90%이상 분해 가능한 광전극 구조 개발
우리 대학 EEWS 대학원 오지훈 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘(Silicon) 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다.
광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 많은 주목을 받고 있다. 연구팀이 개발한 기술은 이를 위한 반도체 광전극 구조의 기본 틀을 제공할 것으로 기대된다.
송준태 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.
안정적인 이산화탄소를 환원시키기 위해서는 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그 중 금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다.
그러나 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 또한 가격이 비싸기 때문에 사용량도 조절을 해야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는 데 성공했다. 금을 박막형태로 기판 재료에 증착해 이를 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.
높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작됐다면 연구팀의 박막은 약 5만 배 정도 얇은 200나노미터 수준으로서 금 기반 촉매의 제작비용을 최소화했다.
나아가 연구팀은 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 주게 된다.
따라서 연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.
제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능하다.
오 교수는 “다양한 반도체 및 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것이다”며 “다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있을 것이다”고 말했다.
1저자인 송준태 박사는 “발상의 전환을 통해 매우 간단하지만 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발했고, 이를 통해 효율적인 이산화탄소 환원이 가능해졌다”며 “생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음이다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 정성윤 교수가 공동으로 참여했고 한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 논문 이미지
그림2. 실리콘 광전극 모식도 및 전자현미경 사진
그림3. 제작된 광전극의 광전기화학적 이산화탄소 특성
2017.02.24 조회수 19080 -
오일권 교수, 귀금속 촉매 대체할 친환경 물 분해 촉매 개발
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 값비싼 백금 등의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 친환경 물 분해 기술을 개발했다.
물 분해 기술은 수소를 친환경적으로 생산할 수 있다. 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 수소의 대량 생산 및 수소에너지 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
배석후 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 1월호 표지논문에 게재됐다.
현재 가장 많이 사용되는 수소에너지의 발전 방식은 물을 전기 분해시켜 수소를 생산하는 방법이다. 이 방식은 공해 없이 순수한 수소를 생산할 수 있다.
하지만 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있다. 특히 산소가 발생하는 플러스(+) 전극에는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 귀금속 촉매가 필요하고, 수소가 발생하는 마이너스(-) 전극에는 백금이 필요하다.
따라서 이를 대체할 수 있는 값싼 재료의 촉매를 개발하는 것이 상용화를 앞당길 수 있는 길이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 플러스 전극에 사용되는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 금속 기반의 화합물 촉매를 제작하는 데 성공했다.
니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격이 저렴하지만 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매에 비해 높은 전압을 필요로 하는 등 상대적으로 낮은 성능으로 인해 사용되지 못했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 수열합성을 이용했다. 수열합성은 고온, 고압 상태에서 물 혹은 수용액에 금속 등을 녹여 물질을 합성하는 기술이다.
연구팀은 니켈-코발트 전구체가 녹아 있는 용액을 바탕으로 수열합성을 진행했다. 이를 통해 니켈-코발트 촉매의 낮은 성능 문제를 해결하는 동시에 촉매의 표면적을 넓히는 데 성공했다.
또한 추가적인 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸면서 전극과 나노선 복합체 사이의 전하 전달 능력을 극대화시킨 이중 나노선 형태의 촉매를 제작했다.
외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 구성했기 때문에 탄소 직물로 만들어진 전극 기판과 상승효과(Synergy)를 내면서 단일 니켈-코발트계 금속 촉매에 비해 30% 낮은 전압과 2.7배 높은 단위 면적당 촉매 활성도를 보였다.
기존의 나노선은 원뿔 모양으로 종횡비가 커 나노선 전체로 전달되는 전압이 일정하지 않았다. 이 때문에 나노선 전체가 촉매 반응에 참여하지 못하는 현상이 발생했으나, 연구팀의 촉매는 탄소층으로 둘러싸여 있기 때문에 전자의 활발한 이동이 가능했고 이는 일정한 전압 전달로 이어졌다.
연구팀은 “연이은 수열합성을 통해 비교적 간단한 공정으로 이상적인 이중 구조의 나노선 촉매를 제작하는 데 성공했다”며 “기존의 값비싼 귀금속 촉매에 비해 훨씬 저렴하면서도 성능은 거의 차이가 없다”고 말했다.
오 교수는 “생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하며 성능 또한 기존 귀금속 촉매에 뒤지지 않는다 ”며 “이번 연구를 통해 물을 수소같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 기계기술연구소 김지은 박사, EEWS 대학원 박정영 교수가 참여했고, 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 선정된 표지논문(front cover) 이미지
그림2. 탄소층이 코팅된 니켈-코발트 이중 나노선 촉매 입자의 미세구조 사진
그림3. 이중 나노선 구조의 전기화학적 촉매로써의 작용 모습
그림4. 이중 나노선 형상의 촉매 제작 과정을 나타낸 모식도
2017.01.19 조회수 16050 -
이정용 교수, 〈와인의 눈물〉 현상 이용한 유기 태양전지 생산 기술 개발
〈 이 정 용 교수 〉
우리 대학 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 ‘와인의 눈물’로 잘 알려진 마랑고니 효과를 이용해 물 표면에서 유기 태양전지를 제작할 수 있는 기술을 개발했다.
노종현, 정선주 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
유기 태양전지는 매우 가볍고 반투명하며 쉽게 휘어지는 성질 때문에 차세대 웨어러블 전자소자의 에너지원으로 주목받고 있다.
최근 성능이 향상되며 다양한 상업적 응용 가능성이 높아지고 있지만 대면적에서 높은 성능을 유지하는 공정에는 한계가 있어 상용화가 지연되고 있다.
연구팀은 자발적 순간 확산 현상, 즉 ‘마랑고니 효과’라고 불리는 일상에서 쉽게 접할 수 있는 과학적 원리를 적용해 빠른 시간에 대면적의 고품질 유기 박막을 형성하는 데 성공했다.
마랑고니 효과는 표면장력이 다른 두 용액이 접할 때 이 표면장력 차이를 해소하기 위해 일어나는 빠른 물질 수송 현상을 뜻한다.
잔에 담긴 와인을 빙글빙글 돌리면 잔 표면에 물방울이 형성돼 흘러내리는 현상이나 후춧가루가 뿌려진 물 표면에 세제를 한 방울 떨어트리면 후춧가루들이 순식간에 가장자리로 쓸려가는 현상 등이 이에 해당된다.
이 기술은 유기 물질이 녹아 들어간 용액을 물에 떨어트리는 순간 물 표면을 따라 빠르게 용액이 퍼지고 얇은 박막을 형성한다. 그 후 용액 속 용매는 공기 중과 물속으로 사라지고 대신 그 자리에 매우 얇고 균일한 유기 박막이 형성되는 원리이다.
이 기술은 여러 장점을 갖는다. 우선 종이와 곡면 유리같이 균일하게 유기 박막을 형성하기 어려운 곳에도 균일하게 박막을 전사하는 것이 가능하다.
또한 수 초 이내의 짧은 시간에 박막이 형성되기 때문에 유기 박막 손상의 원인인 산소 흡착을 최소한으로 막아줄 수 있다. 산소가 존재하는 대기 중에서도 높은 품질의 박막을 형성할 수 있는 것이 자발적 순간 확산 공정의 가장 큰 장점이다.
연구팀은 이 기술로 대기 중에서 유기 태양전지를 제작했는데 산소 및 수분으로 인한 악조건을 극복하고 고효율의 전지를 확보했다. 이는 산소와 수분이 제한된 환경에서 제작한 태양전지와 비슷한 효율을 갖는다.
산소와 수분 조건을 극복했다는 점은 대량 생산의 핵심 기술인 롤투롤(Roll 2 Roll) 공정에 적용가능하다는 것을 뜻한다.
롤투롤 공정은 롤러를 이용해 알루미늄 호일같은 유연 기판에 연속적 생산을 가능하게 하는 기술로, 저렴하고 대량 생산이 가능해 유기 태양전지를 상용화하기 위한 필수 기술이다.
그러나 기존 롤투롤 공정에 많이 쓰이던 슬롯다이(slot-die) 코팅 기술은 공기 중의 공정에서 용매 건조 시간이 길어 산소와 수분에 취약하다는 단점이 있었다.
이 교수 연구팀은 1미터 길이의 단일 유기 박막을 형성한 후 롤투롤 시스템을 이용해 유연 기판에 옮기는 데 성공했다. 자발적 순간 확산 공정을 통해 대량 생산이 가능하고, 수분과 산소에 취약한 유기소자 제작 공정의 시간과 복잡도를 낮출 수 있음을 증명했다.
이 교수는 “초고속으로 대면적의 유기 박막을 형성할 수 있는 유기 태양전지 상용화를 위한 완전히 새로운 공정이다”며 “저렴한 가격에 고효율의 유기 태양전지를 공급해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 개발한 기술의 매커니즘을 3D 이미지로 묘사한 개념도
그림2. 개념도 및 제작된 유기 태양전지 성능 그래프
2016.08.23 조회수 14737 -
박정영 교수, 촉매 비밀의 핵심인 '핫 전자' 검출 및 전류 측정 성공
〈 박 정 영 교수 〉
우리 대학 EEWS 대학원 박정영 교수 연구팀이 과산화수소 수용액에 금속 나노 촉매를 넣어 액상 환경 속 촉매반응에서 핫전자를 검출하고 전류를 측정하는 데 성공했다.
대다수 상용 화학공정과 동일한 액체 환경에서 핫전자를 검출해낸 것은 이번이 처음이다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 앙게반테 케미(Angenwandte Chemi International Edition)에 7월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
촉매는 원유 정제, 플라스틱 합성 등 다양한 화학공정에서 반응 효율을 높여 작업시간을 줄이고 비용을 낮춰주는 핵심요소다.
청정 동력원으로 떠오른 수소연료전지, 이산화탄소 제거를 위한 인공광합성 장치 등 새로운 환경기술영역에서도 큰 역할이 기대되고 있다.
학계에서는 고효율 촉매 개발을 위해 촉매의 작동원리를 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 반응 시 촉매에서 발생하는 ‘핫전자’가 촉매의 원리를 규명할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다.
연구팀은 나노 두께의 금속박막 촉매를 실리콘 기판 위에 붙여 둘 사이에 낮은 전위장벽을 생성했다. 이후 촉매반응으로 만들어진 핫전자가 전위장벽을 넘어 전류로 흐르는 것을 측정, 액체 내 촉매반응에서 생긴 핫전자를 검출했다.
연구팀은 반응에서 생긴 산소 기체를 기체크로마토그래피로 분석, 핫전자 측정값으로 계산해 낸 이론값이 실제 실험값과 일치함을 확인했다.
특히 금속박막 나노촉매의 소재를 백금, 금, 은으로 다양화하고 박막 두께와 과산화수소 수용액의 농도를 조절, 다양한 조건에서 핫전자 전류를 측정함으로써 액상 환경의 고체 촉매 반응 원리 규명에 한 발짝 더 다가섰다.
연구팀은 앞서 그래핀을 이용한 핫전자 촉매센서를 개발, 수소산화반응시 백금 나노촉매 표면에서 발생하는 핫전자를 처음으로 검출하는 데 성공한 바 있다.
당시 기체-고체 계면에서 발생한 핫전자 검출 효율은 1% 미만에 그쳤으나, 이번 액상 환경에서의 검출 효율은 훨씬 높은 10%에 달했다.
이에 액상 환경의 핫전자 검출기술이 보완돼 고온·고압 환경에 적용된다면, 에너지 및 환경 분야를 포함한 화학산업 전반의 고효율 나노촉매 개발이 활기를 띌 전망이다.
박정영 교수는 “액체에서 작동하는 ‘촉매 핫전자 탐지기’를 이용해, 액상 촉매 반응 핫전자를 세계 최초로 검출했다”라며 “핫전자 검출 효율이 기상 화학반응보다 액상 화학반응 시 월등히 높아, 촉매 작동 원리 규명파악이 가능해졌다. 이로써 새로운 형태의 고효율 나노촉매 시스템 개발을 앞당길 것”이라고 전했다.
□ 그림 설명
그림1. 은나노촉매 표면에서 과산화수소 분해 촉매 반응 중에 발생하는 핫전자의 측정 원리 및 모식도
그림 2. 다양한 나노 촉매 다이오드에서 측정된 화학 전류와 촉매 물질의 두께와의 상관관계
2016.08.02 조회수 12253 -
니콜라이 츠베코프 박사, 성능 30배 증가된 연료전지 소재기술 개발
〈 니콜라이 츠베코프 박사 〉
우리 대학 EEWS 대학원 니콜라이 츠베코프(Nikolai Tsvetkov) 박사가 30배 증가된 성능과 긴 수명을 갖는 연료전지의 전극 소재를 개발했다.
이 기술은 이종원소로 알려진 페로브스카이트 산화물을 물리적으로 표면 처리하는 방법으로 이를 통해 소재의 전기적 특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
니콜라이 박사는 지난 1월 EEWS 대학원 강정구 교수 연구실에 우수 해외 신진연구자로 참여했다. 이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 6월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
페로브스카이트 산화물은 최근 수 년 간 연료전지, 비휘발성 메모리, 이산화탄소의 광 변환 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 연구됐다.
그러나 고온에서 수분과 공기에 노출되면 산화물 표면이 화학적으로 불안정해져 메모리, 연료 전지 등의 수명과 성능을 저하시키는 주요 원인이 됐다.
이러한 현상이 발생하는 이유는 페로브스카이트 산화물의 원소 중 스트론튬이 표면에서 산화물 절연막을 형성해 전자전달 및 산소교환반응을 방해하기 때문이다.
이를 방지하기 위해 금속 산화물 표면에 수 나노미터 수준으로 코팅하는 방법이 있지만 근본적인 문제 해결에는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 다양한 이종 원소를 이용해 표면에 존재하는 산소 원자결함을 선택적으로 제거하는 기술을 개발했다. 이를 통해 반응을 방해하는 표면의 절연층 형성을 억제하고 우수한 전기적, 촉매적 특성 및 반응속도를 갖는 소재를 개발했다.
연구팀은 촉매로서의 활성이 없는 것으로 알려진 하프늄을 사용해 기존 소재 대비 연료전지 전극의 성능을 30배 증가시켰고 소재의 안정성도 대폭 향상시켰다.
이 연구 결과는 기존에 알려지지 않은 새로운 현상으로서 그동안 연료전지 성능 향상의 가장 큰 걸림돌이었던 전극 표면에서의 산소환원반응의 원인을 이론적으로 규명했다는 의미를 갖는다. 또한 고체 산화물 연료전지의 안정성에 대한 해답을 제시했다.
니콜라이 박사는 “극소량의 이종원소 표면처리 기술을 이용해 연료전지를 비롯한 다양한 분야의 전기화학촉매가 될 것이다”며 “기존의 기술적 한계를 극복하는 핵심 기술로 널리 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미국항공우주국(NASA) ‘화성탐사 2020 프로젝트’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 페로브스카이트 산화물 박막(좌)에 이종 원소의 도핑으로 표면의 산소 원자결함을 제어한 박막구조
그림2. 도핑된 이종 원소별 산소교환 성능 그래프
2016.07.07 조회수 11601 -
강정구, 김용훈 교수, 초고속 충전 가능한 리튬이온 배터리 소재 개발
우리 대학 EEWS 대학원 강정구, 김용훈 교수 공동 연구팀이 빠른 속도의 충, 방전이 가능한 동시에 1만 번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다.
이번 연구는 3차원 그물 형상의 그래핀과 6나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자로 구성된 복합 구조체를 간편한 공정으로 제조하는 기술이다.
이를 통해 탄소계열 물질 위주의 기존 전극이 갖고 있던 고출력 성능이 제한되는 문제를 개선해 고성능의 배터리 전극을 구현했다. 향후 전기자동차, 휴대용 기기 등 높은 출력과 긴 수명을 요구하는 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이규헌 박사과정, 이정우, 최지일 박사가 주도한 이번 연구 결과는 국제 과학 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 지난 5월 18일자 온라인 판에 게재됐다.
현재 음극 배터리 물질로는 그래핀이 가장 많이 사용된다. 이 그래핀을 쉽게 만드는 방법은 용액 상에서 흑연을 분리시키는 방법인데 이 과정에서 결함 및 표면의 불순물이 발생해 전기 전도성을 높이는데 방해가 된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 화학기상증착법을 이용해 기존의 평평한 형태가 아닌 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 제조했다. 그 위에 메조 기공이 형성된 이산화티타늄 나노입자 박막을 입혀 복합 구조체를 구현했다.
이 기술로 일반적인 전극 구성물질인 유기 접착제와 전도성 재료를 사용하지 않음으로써 전극 제조 공정을 간소화했고 전기 전도성을 높였다.
또한 3차원 그물 형상의 그래핀과 화학적으로 안정된 이산화티타늄 나노입자가 형성하는 다양한 크기의 기공들이 전해질의 접근성을 높이는 역할을 한다. 이를 통해 이온들의 접근을 촉진시키고 원활한 전자의 이동이 가능하게 한다.
이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용하기 때문에 표면부터 중심까지의 거리가 짧다. 따라서 짧은 시간 내에 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충, 방전 속도에서도 효율적인 에너지 저장이 가능하다.
연구팀은 1분 이내에 130mAh/g의 용량을 완전히 충, 방전하는데 성공했고, 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 작동함을 확인했다.
연구팀은 “재료의 물성을 극대화시킬 수 있는 구조적 설계를 통해 기존 이차전지의 문제점을 해결하고 성능을 효과적으로 높이는 방법을 제시했다”고 밝혔다.
강 교수는 “재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구 결과이다”며 “구조적 측면에서도 향후 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 클 것이다”고 말했다.
이 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단의 도약사업과 KISTI 슈퍼컴퓨팅의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 그물 형상의 그래핀위에 증착된 메조기공을 형성하는 이산화 티타늄 박막 복합 구조체의 모식도
그림2. 리튬이 삽입된 구조분석
그림3. 바인더 없이 제조된 고출력고수명 특성
2016.06.20 조회수 13584 -
강정구, 김용훈 교수, 태양광 이용 이산화탄소로 메탄올 변환 성공
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수, 김용훈 교수 공동 연구팀이 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있는 광촉매를 개발했다.
이 기술은 값싼 물질에 간단한 공정으로 이산화탄소를 고부가가치의 화학물질로 변환시킬 수 있다. 향후 탄소배출규제 시행에 따른 이산화탄소 처리 및 저감 문제를 해결할 수 있는 대안 기술이 될 것으로 기대된다.
이동기, 최지일 박사가 참여한 이번 연구는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 5월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
매년 우리나라에서는 6억 톤의 이산화탄소가 발생하고 세계적으로는 250억 톤에 이른다. 이산화탄소를 메탄올로 변환할 수 있다면 1톤 당 약 40만원에 판매가 가능해지고, 운반의 문제를 해결할 수 있다.
경제 및 환경문제에서도 효과가 클 것으로 예상되기 때문에 과학계 및 관련 산업계는 이산화탄소를 메탄올로 변환하기 위한 노력을 하고 있다.
식물의 광합성 효과를 모방한 인공광합성 기술은 태양에너지만으로 메탄올과 같은 고에너지 밀도의 화학물질을 제조할 수 있다. 이 반응을 이끌어내기 위해서는 백금, 금, 루테늄과 같은 금속 광물이 필요하다.
하지만 낮은 에너지 변환 효율 문제가 개선되지 않아 광촉매 물질의 보호막 정도로만 사용되고 있다. 에너지 효율이 낮은 이유는 태양 에너지의 극히 일부만 활용 가능해 전자 전달 능력이 낮기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 콜드 플라즈마(cold Plasma) 반응을 기반으로 한 기술을 이용했다. 기존 산화물 공정은 한 물질에 질소와 수소 처리를 동시에 구현하는 것이 불가능했지만, 기체 콜드 플라즈마 기술을 이용하면 상온에서도 고 반응성의 수소 및 질소 라디칼을 형성할 수 있다. 이를 통해 순간적 반응만으로 금속 산화물 내부에 질소 및 수소를 주입하는 데 성공했다.
이 기술로 자외선(UV)영역에 국한되는 이산화티타늄의 빛 감지 범위를 가시광선 영역까지 확대시켰고, 전자 전달 능력을 1만 배 증가시킴으로써 귀금속 광물 없이도 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있었다.
또한 인공광합성 반응이 잘 일어나도록 도와주는 별도 화학첨가제나 전기적 에너지 없이도 반응을 가시광 범위까지 이끌어냈다.
이산화티타늄 광촉매는 해당 물질이 갖는 이론한계치의 74%에 달하는 광전류를 발생시켰고, 이산화탄소를 이용한 메탄올 발생량이 25배 이상 향상됐다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자 수준 모델링을 통해 수많은 변수를 측정함으로써 촉매 반응 향상의 원리를 이론적으로 규명했다.
강 교수는“이 기술을 기반으로 향후 산업체에서 대량 생산할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 목표다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 태양광을 이용한 이산화탄소의 메탄올로의 변환 과정
그림2. 가시광에서 연료변환이 가능하도록 만든 코어-쉘 촉매
2016.05.26 조회수 15054 -
최민기, 김형준 교수, 1년 이상 유지 가능한 백금 단일원자 촉매 개발
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수, EEWS 대학원의 김형준 교수 공동 연구팀이 1년 이상 유지가 가능하고 과산화수소를 생산할 수 있는 단일 원자 크기의 백금 촉매 개발에 성공했다.
연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8일자 온라인 판에 게재됐다.
백금 고체 촉매는 산업계에서 널리 이용된다. 고가의 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해 백금 촉매입자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 많이 이뤄지고 있다.
과학계에서는 효율적인 금속의 사용을 위해 가장 작은 구성원소인 단일 원자로 이뤄진 백금 촉매(1/10 나노미터 수준)를 개발했다.
백금을 비롯한 모든 금속은 나노미터 수준에서는 매우 불안정하기 때문에 특정 금속 산화물을 담지체로 사용해 백금 원자를 안정화해야 한다. 그러나 이 방법으로 합성된 촉매 또한 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이다.
탄소 소재의 경우 전기전도성이 높고 저렴해 담지체로서 장점을 갖지만 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성시키기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노구조를 합성했고, 이 물질에 백금 촉매를 형성했을 때 단일 원자 형태로도 백금을 안정화시키는 것을 발견했다.
연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적인 촉매 합성 방법을 통해서도 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것을 확인했다. 또한 기존의 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만 연구팀이 개발한 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분의 촉매가 단일 원자로 존재하는 안정성을 보였다.
그밖에도 연구팀은 추가적인 성과를 확인했다. 일반적인 단일 원자 백금 촉매를 수소와 산소를 이용해 연료 전지 기술에 적용할 경우 대부분 물(H2O)이 형성되지만, 연구팀의 단일 원자 백금 촉매는 고부가가치 물질인 과산화수소가(H2O2) 95% 이상의 선택도로 생성돼 저렴하게 과산화수소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
최 교수는 “기존의 불균일계 촉매로는 불가능했던 특이 촉매 선택성을 구현할 수 있을 것으로 예상된다” 며 “다른 단일 원자 촉매군 에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
김 교수는 “양자역학 시뮬레이션을 이용해 단일 원자 백금 촉매가 탄소 담지체에서 갖는 안정성 및 특이한 선택성 등의 원인을 규명했다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 백금 단일 원자 촉매에서의 과산화수소 (H2O2) 생성 반응 모식도
그림2. 백금 단일 원자 사진
2016.03.14 조회수 10868 -
이희승 교수, 펩타이드 자기 나침반 개발
〈이 희 승 교수〉
우리 대학 화학과 이희승(47) 교수 생체모방 유기분자 연구팀이 순수 유기화합물만으로 구성된 펩타이드 자기 나침반을 개발했다.
이번 성과는 네이처(Nature) 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
금속화합물, 산화금속과 같은 강자성(ferromagnetic) 및 상자성(paramagnetic)을 갖는 자성물질은 이들의 자기적 특성을 이용해 다양하게 응용되고 있다.
반면, 펩타이드와 같은 반자성(diamagnetic) 유기분자들은 금속성 물질에 비해 자기민감성(magnetic susceptibility)이 현저히 낮아 수 테슬라(Tesla) 이상의 강한 자기장에도 반응하지 않기 때문에 비 자성(non-magnetic) 물질로 취급됐다.
또한 반자성 특성은 분자수준에서 관찰이 어렵고 효율성이 낮아 한계가 있는 것으로 여겨졌다.
물론 이론적으로는 반자성 분자라도 열에너지를 극복할 수 있는 다수의 분자가 일정한 규칙으로 정렬된 집합체가 되면 반자성 정렬(diamagnetic alignment)이 가능하다. 따라서 외부자기장의 변화에 실시간으로 반응하는 분자기계의 개발이 가능하지만, 이를 실험적으로 증명한 예는 없었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 폴덱쳐(foldecture)라고 이름 지은 독창적인 나선형 펩타이드 분자 자기조립체를 개발했다. 이는 독특한 3차원 모양의 일정한 크기를 갖는 비금속 유기물질이고, 반자성 특성을 갖지만 이를 구성하는 펩타이드 분자들이 높은 결정성과 일정한 규칙성을 갖도록 설계됐다.
이러한 규칙성과 결정성 등의 특징은 펩타이드 자기조립체가 외부 자기장 방향을 따라 정렬할 수 있게 만들었다.
또한 MRI 장비의 자기장 세기보다 낮은 1 테슬라 이하의 회전자기장에서도 폴덱쳐들이 실시간으로 감응하며 정렬해 수용액상에서 실시간 회전운동도 가능함을 최초로 증명했다.
연구팀은 체내에 마그네토좀이라는 자기나침반을 지닌 주자성 박테리아(magnetotactic bacteria)의 행동 양식에 착안해, 순수 유기화합물질인 폴덱쳐를 이용해서 외부 자기장의 방향 변화를 민감하게 가리킬 수 있는 수 밀리미터 크기의 하이드로겔 나침반을 구현하는데 성공했다.
이번 연구에서 밝혀진 펩타이드 자기조립체의 반자성 정렬 현상은 반자성 물질 연구에 대한 새로운 시각을 제시했을 뿐 아니라 폴대머 및 펩타이드 자기조립 연구와 자극반응성 분자기계, 유기나노물질의 움직임 제어 등 다양한 관련 응용연구 분야에 영향을 끼칠 것으로 기대된다.
이 교수는“이번 성과를 통해 자기제어가 가능한 생체 친화적 유기 나노/마이크로소재 연구개발이 활성화될 것으로 기대된다”고 말했다.
KAIST 화학과 권선범 박사가 제 1 저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐고, KAIST EEWS 대학원 김형준 교수팀, 화학과 최인성 교수의 세포피포화 연구단과의 공동연구를 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 주사전자현미경을 통해 관찰된 폴덱쳐의 자기정렬 현상
그림2. 펩타이드 1 및 2 의 분자구조식과 이들의 자기조립을 통해 합성된 폴덱쳐의 전자현미경 사진
2015.12.02 조회수 11869 -
기체가 저장물질에 흡착되는 과정 관찰
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수와 오사무 테라사키 공동 연구팀이 2~5 나노미터(10억분의 1m) 크기의 구멍을 갖는 메조다공성 금속유기골격체(metal organic framework, MOF) 안에 기체가 흡착되는 과정을 관찰하는 데 성공했다.
관찰 과정에서 기체들이 각자의 기공에 일정하지 않은 각기 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 이는 기존의 학설과 반대되는 개념으로 금속유기골격체에서 기체가 초격자 구조를 형성한다는 사실을 최초로 발견한 것이다.
이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처’ 11월 9일자 온라인 판에 게재됐다.
메조다공성 금속유기골격체는 넓은 비표면적을 갖고 있어 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 가스 저장에 용이한 저장물질이다. 효율적인 가스 저장을 위해서는 기체가 저장물질에 어떻게 흡착하는지 이해하는 것이 중요하다.
그러나 일반적인 기체 흡착 측정 장비의 경우에는 흡착 거동을 직접적으로 관찰할 수 없다는 한계가 있었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 기존에 존재하는 두 개의 장비를 이용했다. 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 소각산란(small angle X-ray scattering, SAXS) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합했다.
두 장비가 결합된 실시간 기체 흡착 SAXS 시스템을 개발해 메조다공성 금속유기골격체의 결정에 기체가 흡착하는 과정을 실시간으로 관찰했다.
연구팀은 관찰 과정에서 금속유기골격체의 모든 기공에 기체가 균일하게 흡착되지 않고 각자 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 그리고 압력이 증가하면서 급격하게 초격자 구조로 변이된 후 서서히 균일하게 분포하는 것 또한 확인했다.
이는 모든 기공에 균일하게 기체가 들어간다는 학설을 뒤집는 발견이다. 이것이 가능했던 이유는 메조다공성 금속유기골격체의 경우 골격이 얇고 기공이 커 다른 구멍의 기체분자끼리도 상호작용하기 때문에 발생하는 현상이다.
따라서 메조다공성 금속유기골격체를 사용한다면 기존 저장물질에 비해 더 적은 용량으로 더 많은 가스를 저장할 수 있는 고효율 저장장치를 개발할 수 있게 된다.
이 기술을 기반으로 새로운 고용량 가스저장 물질의 제작이 가능해짐으로써, 여러 운송수단이나 가스를 사용하는 기계의 성능을 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.
연구를 주도한 조해성 박사는 “단일 기공 내부의 기체 분자 뿐 아니라 다른 기공의 기체 분자 간 상호작용에 의해 기체의 흡착 메커니즘이 발생함을 새롭게 발견했다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업, 인공광합성사업, BK21PLUS의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 실시간 기체흡착 SAXS 시스템 모식도
그림2. 메조다공성 MOF 결정에 기체가 흡착되는 과정
그림3. 메조다공성 MOF 결정에서 기체분자의 상호작용 모델
2015.11.11 조회수 12466 -
중대형 이차전지 전극 재료 개발
우리 학교 EEWS 대학원 윌리엄 고다드(William Goddard III) 교수, 정유성 교수, 최장욱 교수 공동연구팀은 고전압에서 구동하고 1000사이클 이상 안정하게 충방전이 가능한 새로운 나트륨 이차전지의 양극을 개발해 미국한림회보 (PNAS) 2013년 12월 30일자 온라인판에 게재됐다.
나트륨 이차전지는 현재 흔하게 쓰이고 있는 리튬이차전지의 차세대 개념으로서 원재료의 가격이 30~40배 가량 낮아, 스마트 그리드용 에너지 저장 수단으로 관심을 받고 있다.
그러나 현재까지 대부분의 나트륨 전지용 전극 재료는 리튬 이온에 비해 큰 나트륨 이온의 특징으로 인해 충방전 거동이 불안정하고, 전압이 명확하게 나타나지 않는 문제를 극복하지 못했다.
이번 연구에서 공동연구팀은 이러한 한계를 뛰어넘은 바나듐 기반의 전극을 개발했다.
특히, 이번 연구에서는 전극 재료를 디자인하고, 전기화학적 특성을 이해하는데 이론 연구가 결정적 역할을 하여, 차세대 이차전지 연구에 이론 연구의 중요성을 보여주는 선례로 자리잡을 것으로 기대된다.
이는 또한 전세계적으로 진행되고 있는 "소재 지놈 이니셔티브(materials genome initiative)"와 같이 이론 연구가 다양한 분야의 재료 발굴에 핵심적 기능을 할 수 있음을 증명하는 것이어서, 재료 연구에서의 확대되고 있는 이론 연구의 역할을 반영한다.
연구팀은 나트륨 이차전지 분야가 아직은 초기단계에 있지만, 이론과 실험을 접목한 연구를 지속하여 해당 분야의 성숙도를 높이는 것이 후속 연구의 목표라고 밝혔다
2014.01.03 조회수 14611