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이정용 교수. 근적외선 이용한 영구 무선충전 플랫폼 개발
〈 이 정 용 교수 〉
우리 대학 EEWS 대학원 이정용 교수와 서울대학교 최장욱 교수 공동 연구팀이 눈에 보이지 않는 근적외선 대역의 빛 에너지를 전기로 변환하는 기술을 통해 웨어러블 전자기기용 영구 무선충전 플랫폼을 개발했다.
백세웅 박사, 조정민 석사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 5월 11일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Colloidal quantum dots-based self-charging system via near-infrared band)
수 나노미터 수준의 콜로이달 양자점은 광 특성 변환이 쉽고 용액 공정을 통해 합성이 가능해 차세대 반도체 재료로 각광받는다. 특히 황화납(PbS) 양자점의 경우 가시광 뿐 아니라 적외선 영역까지 광 흡수가 가능해 여러 광전소자에 응용할 수 있다.
콜로이달 양자점을 이용한 광전변환소자는 지속적 연구와 발전을 통해 현재 12% 이상의 광전변환효율을 달성했으나 그동안 뚜렷한 응용 분야를 찾지 못하고 있었다.
연구팀은 콜로이달 양자점 전지의 높은 근적외선 양자효율을 웨어러블 전자기기의 무선충전에 응용했다. 기존 웨어러블 전자기기는 번거로운 충전 방식이 분야 발전의 큰 걸림돌이었다.
이번 연구에서는 양자점 전지 모듈을 유연 기판에 제작해 고 유연성 웨어러블 배터리와 함께 웨어러블 헬스케어 팔찌의 가죽 내부에 이식했다. 이를 통해 양자점 전지가 근적외선 광자를 통해 생성되는 전기를 배터리에 충전할 수 있는 플랫폼을 개발했다.
이전에도 비슷한 방식으로 태양광 발전 방식이 개발된 바 있으나 이번 연구에서 개발한 플랫폼은 더 많은 장점을 갖는다. 근적외선은 비가시대역의 빛이기 때문에 생활에 지장을 주지 않으며 가시광 대역에 비해 높은 투과도를 가져 전지를 노출할 필요 없이 내부 이식이 가능하다.
위와 같은 측면으로 인해 실제 상용화에 중요한 요소인 디자인 측면에서 더 많은 자유도를 가지며 기존 구조보다 더 높은 소자 효율과 안정성을 확보했다.
연구팀은 이미 상용화된 웨어러블 헬스케어 팔찌의 기존 배터리를 제거하고 개발한 무선충전 플랫폼을 도입했고, 이를 통해 실제 개발한 플랫폼이 상용화된 저전력 웨어러블 전자기기에 응용 가능함을 증명했다.
이 교수는 “근적외선 대역을 이용해 실제 웨어러블 전자기기의 충전문제를 해결한 것은 새로운 방식이다”며 “이번에 개발한 플랫폼의 규모를 넓히면 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업의 핵심 분야의 새로운 방식의 에너지 변환 플랫폼이 될 것이다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 개발한 근적외선 무선충전 플랫폼과 웨어러블 헬스케어밴드에 응용한 모식도"
그림2. 개발한 기술에 대한 양자점 광전변환기기의 구조와 무선충전 플랫폼 성능
2018.06.14 조회수 13829 -
이정용 교수, 고효율의 콜로이달 양자점 태양전지 기술 개발
〈 이정용 교수, 이상훈 박사과정 〉
우리 대학 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 산소와 수분에 저항성을 갖는 박막을 이용해 고성능, 고안정성의 양자점 태양전지 제작 기술을 개발했다.
백세웅 박사, 이상훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스’ 5월 10일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : A hydro/oxo-phobic top hole-selective layer for efficient and stable colloidal quantum dot solar cells)
콜로이달 양자점 태양전지는 매우 가볍고 유연하며 근적외선 영역까지 흡수하는 특성 때문에 차세대 전자소자의 에너지 소재로 주목받고 있다. 최근 변환효율이 향상되면서 다양한 상업적 응용 가능성이 높아지고 있지만 아직까지 효율과 안정성, 비용 측면에서 기존의 상업화된 태양전지에 비해 경쟁력이 부족했다.
연구팀은 비정질의 단분자 박막이 산소 및 수분에 높은 저항성을 갖는 것에 주목해 이를 양자점 태양전지의 외부 전극 쪽 정공선택층으로 활용하는 기술을 개발했다.
산소 및 수분에 저항성이 높은 막을 외부 전극 쪽에 활용하면 공기 중에 노출됐을 때 산소나 수분의 침투를 효과적으로 막아 양자점 태양전지소자의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
특히 이 단분자 박막은 유기 반도체 증착을 통해 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있어 단순한 배리어 층이 아닌 태양전지에서 생성된 정공(正孔)을 효과적으로 전달하는 역할도 수행할 수 있다.
연구팀의 기술은 다양한 장점을 갖는다. 우선 진공증착 방식을 이용하기 때문에 소자 종류와 상관없이 어떠한 박막소자에도 응용 가능하다. 또한 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 박막이 갖는 산소 및 수분의 차단 특성을 극대화할 수 있다.
또한 양자점 층에서 생성된 정공을 전극까지 효과적으로 전달할 수 있고 비싼 금 전극을 성능 감소 없이 저렴한 은 전극으로 대체할 수 있기 때문에 소자의 생산비용을 크게 낮출 수 있다.
연구팀은 이 기술로 고성능 및 고안정성 양자점 태양전지를 제작하는데 성공했다. 이는 기존의 금 전극을 사용해 제작한 고효율 양자점 태양전지와 비슷한 효율을 가진다.
연구팀은 단분자 박막을 이용한 양자점 태양전지를 제작해 약 11.7%의 최고효율을 달성했고, 산소 및 수분 저항성을 확보해 소자를 공기 중에서 보관할 시 약 1년이 지나도 초기 효율의 90% 이상을 유지함을 확인했다.
이 교수는 “양자점 태양전지 뿐 아니라 양자점 발광소자, 유기 전자소자, 페로브스카이트 소자 등 다양한 분야에 적용이 가능한 기술이다”며 “저렴한 가격에 고효율의 양자점 태양전지를 제작해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 비정질 단분자 박막을 3D 이미지로 묘사한 개념도
그림2. 개발한 기술에 대한 개념도와 제작된 양자점 태양전지 성능 그래프
2018.06.07 조회수 12897 -
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 12878 -
이상엽 특훈교수, 대장균 이용한 나노재료 생물학적 합성법 개발
〈 최 유 진 박사과정, 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균을 이용해 다양한 나노재료를 생물학적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 기존의 물리, 화학적 방법으로 합성되지 않는 새로운 나노재료도 생물학적으로 합성할 수 있는 가능성을 제시했다.
중앙대학교 박태정 교수 팀과 공동으로 진행하고 우리 대학 최유진 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘미국 국립과학원 회보(PNAS)’ 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
기존의 생물학적 나노재료는 주로 고온, 고압의 조건에서 합성되고 유독한 유기용매와 값비싼 촉매를 사용하기 때문에 환경오염과 높은 에너지 소모의 문제가 있었다.
대안으로 친환경적이고 경제적인 미생물을 활용한 생물 공학적 나노재료 합성법에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재까지 보고된 합성기술은 나노재료의 종류가 다양하지 않고 결정질과 비결정질 나노재료의 합성 원리가 규명되지 않아 다양한 결정질의 나노재료를 만드는 데 어려움이 있다.
이 교수 연구팀은 유전자 재조합 대장균을 이용해 주기율표 기반의 35개 원소로 이뤄진 60가지의 다양한 나노재료를 친환경적으로 생물학적 합성하는 기술을 개발했다.
다양한 금속 이온과 결합할 수 있는 단백질인 메탈로싸이오닌(metallothionein)과 펩타이드인 파이로킬레틴(phytochelatin)을 합성하는 파이오킬레틴 합성효소(phytochelatin synthase)를 대장균 내에서 동시에 발현해 다양한 나노재료를 합성하는 데 성공했다.
연구팀은 각 원소별 푸베 다이어그램(pourbaix diagram)을 분석해 생물학적 나노재료의 합성 과정에서 열역학적 안정성을 갖는 화학종의 상태를 파악했다. 이를 기반으로 생물학적으로 합성 가능한 물질을 예측 및 생산하는 데 성공했다.
또한 용액의 pH를 조절해 기존 생물학적 합성 조건에서 합성이 불가능하거나 비결정질 나노재료로 합성되는 물질을 합성이 가능하게 만들었다.
연구팀의 이번 연구는 화학적 방법으로 합성하기 어렵거나 아직 보고되지 않은 다양한 나노소재의 종류를 확장시켰다는 의의를 갖는다.
이상엽 특훈교수는 “기존의 물리, 화학적인 공정을 통한 나노재료 합성이 아닌 박테리아를 대사공학적으로 개량한 뒤 생물 공학적 배양을 통해 원하는 나노입자를 쉽고 효율적으로 합성 가능한 기술이다”고 말했다.
또한 “생물공학적 방법으로 합성된 60개의 나노재료들은 나노입자, 나노막대, 나노 판상형 등의 모양을 가지며 향후 에너지, 의료, 환경 분야 등 다양한 산업적 응용이 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 연구과제’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 재조합 대장균을 이용한 다양한 나노재료들의 생물학적 합성 기술의 전체 모식도 및 이미지
2018.05.23 조회수 13918 -
조은애 교수, 사용량 90% 줄이고 수명 2배 늘린 백금촉매 개발
〈 조 은 애 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 백금 사용량을 90% 줄이면서 동시에 수명은 2배 향상시킨 연료전지 촉매를 개발했다.
임정훈 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 4월호(4월 11일자)에 게재됐다.
연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전장치로 기존 발전 설비를 대체할 수 있다. 연료전지를 주원료로 이용하는 수소 전기차 한 대는 성인 70명이 호흡하는 공기로부터 미세먼지와 초미세먼지를 98% 이상 정화할 수 있는 달리는 공기청정기로 불린다.
하지만 이 연료전지에 전극촉매로 사용되는 백금의 비싼 가격은 상용화를 가로막는 큰 장벽이다. 또한 현재 개발된 탄소 담지 백금 나노촉매는 상용화 기준에 못 미치는 산소환원반응 활성과 내구성을 보여 한계로 남아있다.
연구팀은 기존 백금 기반 촉매들의 산소환원반응 활성 및 내구성을 증진하는 것을 목표했다. 우선 백금과 니켈 합금 촉매를 합성한 뒤 성능 증진을 위해 여러 금속 원소를 도입한 결과 갈륨이 가장 효과적임을 발견했다.
연구팀은 백금-니켈 합금 촉매를 팔면체 형태의 나노입자로 만들고 나노입자의 표면에 갈륨을 첨가해 기존 백금 촉매에 비해 성능을 12배 향상시켰다.
특히 기존 연료전지 촉매들이 대부분 실제 시스템에 적용하는 데는 실패한 반면 조 교수 연구팀은 개발한 촉매를 이용해 연료전지를 제작해 가격을 30% 줄이고 수명도 2배 이상 향상시켜 실제 적용이 가능함을 증명했다.
1저자인 임정훈 연구원은 “기존 합성 방법으로 제조 가능한 백금 니켈 합금 촉매 표면에 갈륨을 첨가해 가열만 하면 촉매가 합성되기 때문에 기존 공정에 쉽게 도입이 가능하고 대량 생산이 용이해 실용화 가능성이 높다.”고 말했다.
조은애 교수는 “연료전지의 가격저감과 내구성 향상을 동시에 달성한 연구 성과로 수소 전기차, 발전용 연료전지의 시장경쟁력 제고가 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 에너지기술평가원, 한국연구재단 기후변화대응사업과 국방과학연구소의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 내구성 평가 후의 촉매 입자 형상 변화
2018.04.17 조회수 15053 -
김도경 교수, 모세관현상 이용한 리튬-황 전지 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다.
연구팀이 개발한 면적당 용량(mAh/㎠)이 우수한 저중량, 고용량 리튬-황 기반 이차전지 전극소재를 통해 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
윤종혁 박사과정이 1저자로 참여하고 김도경 교수, UNIST 이현욱 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.
최근 전기자동차, 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증함에 따라 기존 리튬이온 전지를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도의 이차전지 개발 필요성이 커지고 있다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬이차전지로 각광받고 있으며 이론적으로 리튬이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다.
하지만 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 인해 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상은 리튬-황 전지 상용화의 걸림돌이다.
이를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기전도도를 향상시키고 부피변화를 완화시키며 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발에 대한 연구가 주로 진행돼 왔다.
그러나 이러한 구형의 0차원 탄소 분말들은 입자 간 무수한 접촉 저항이 발생하고 황을 감싸는 합성 과정이 까다로울 뿐 아니라 입자들을 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야한다는 단점이 있다.
연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고 고체 황 분말이 분산된 슬러리(slurry, 고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 통해 현상을 관찰했다. 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.
이는 복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.
또한 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/㎠이 넘는 황 함량을 달성했고 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다.
1저자인 윤종혁 박사과정은 “금속집전체 위에 전극물질을 도포하는 기존의 전극 제조 방법과는 전혀 다른 전극 구조 및 제조 방식을 적용한 연구로 향후 리튬 이차전지의 연구 범위를 넓히는 데에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한 단계 다가선 연구성과로 전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 EEWS 연구센터의 기후변화연구허브사업과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성
그림2. 탄소나노섬유들 사이에 흡수되어 맺힌 형태 그대로 고체화 된 황의 미세구조와 모식도
그림3. 액상의 리튬 폴리설파이드를 효과적으로 흡수하는 탄소나노섬유 구조체
2018.03.22 조회수 17269 -
조용훈 교수, 금속나노구조 이용해 효율 높인 퀀텀닷 LED 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 금속나노 배열 구조를 이용해 퀀텀닷(Quantum Dot) 발광다이오드(LED)의 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 차세대 디스플레이 기술이 한 단계 발전하는 데 기여할 것으로 기대된다.
현재 사용되는 퀀텀닷 기반의 디스플레이는 청색 LED를 광원으로 사용해 녹색과 적색 퀀텀닷을 여기(勵起, 광자 에너지가 분자로 옮아가 높은 에너지상태로 방출되는 상태)해 색 변환을 하는 방식이다.
이러한 방식은 높은 가격의 퀀텀닷을 이용하기 때문에 디스플레이 소자의 단가가 높아진다. 또한 액체 상태인 퀀텀닷을 소재에 적용하기 위해 공기 중에 말리면 발광 효율이 급격히 저하된다.
연구팀은 문제 해결을 위해 금속 나노구조가 청색 LED의 빛을 받으며 발생하는 국소 표면 플라즈몬 효과를 이용해 퀀텀닷의 발광효율을 증가시켰다. 더불어 발광 휘도를 높일 수 있는 LED 구조를 이론적으로 제시하고 구현하는 데 성공했다.
이 구조는 기본 청색 LED를 여기 광원으로 이용한다. 알루미늄 금속 나노구조와 녹색 퀀텀닷을 여기해 녹색 발광 휘도를 증가시키고, 은 금속 나노구조와 적색 퀀텀닷을 여기해 적색 발광 휘도를 증가시키는 방식이다.
이는 금속 나노구조를 통해 특정 휘도를 얻기 위해 필요한 퀀텀닷의 양을 많이 줄일 수 있다는 의미이고 결과적으로 소재의 단가를 낮출 수 있다.
이번 연구는 소재의 구조를 이론적으로 모델링했기 때문에 목적에 따라 금속 나노구조를 간단하게 새로 디자인해 조절할 수 있다.
조 교수는 “향후 퀀텀닷 디스플레이에 금속 나노구조를 도입하는 기술이 적절히 도입된다면 소재에 필요한 퀀텀닷의 양을 줄이고 효율적인 색 변환을 통해 단가를 줄일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
박현철 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 12월 27일자 표지 논문에 선정되었으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스몰(Small)저널의 12월 27일자 표지 논문 그림
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그림2. 금속 나노구조가 있을 경우와 없을 경우의 발광 세기 차이를 보인 스펙트럼
2018.01.15 조회수 13513 -
자패르 야부즈 교수, 물속 오염물질 선택적 제거 가능한 흡착제 개발
〈자패르 야부즈 교수〉
우리 대학 EEWS대학원 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수 연구팀이 물속의 유기 오염 물질을 선택적으로 제거할 수 있는 흡착제를 개발했다.
개발된 수(水)처리 흡착제는 불소를 기반으로 한 미소공성 고분자로 오염수 내의 물에 녹는 성질을 가진 미세 분자를 선택적으로 제거할 수 있다. 또한 값싸면서 손쉽게 합성할 수 있고 재생 가능하다는 장점을 갖는다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 11월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
전 지구적 산업 개발과 지구 온난화로 인해 수자원의 오염은 가속화되고 있다. 농, 산업 분야에서 다양한 신소재를 개발하고 응용하면서 하수, 폐수에 유입되는 오염 물질의 종류 또한 다양해지고 있다.
특히 약물, 염료, 농약 등 크기가 작고 수용성이 높은 유기 분자들은 기존의 수(水)처리 공정을 통해 처리되지 않고 음용수(마실 수 있는 물)에 잔류해 인체에 피해를 줄 가능성이 높다.
기존의 수처리는 활성탄, 오존 분해, 역삼투 박막 등의 기술을 통해 이뤄진다. 이러한 기술들은 물에 잘 녹지 않는 성질을 갖고 크기가 큰 유기 분자를 대상으로 하기 때문에 잘 녹고 크기가 매우 작은 유기 분자들은 현재의 수처리 시스템으로는 제거가 어렵다. 또한 이러한 미세 분자들의 구조는 전하를 띠기 때문에 액상에서 분리가 어렵다.
연구팀은 새로운 흡착 기술을 이용해 이러한 작은 분자들을 제거하고자 했다. 수용액 내 용해된 유기 분자를 제거하기 위해선 미세한 크기의 유기 분자를 흡착할 수 있어야 한다.
그밖에 유기 분자를 선택적으로 흡착하기 위해 적절한 화학적 기능기의 도입이 가능해야 하고, 물속에서 사용하기 때문에 물에 대한 구조적 안정성이 높아야 한다.
연구팀은 위와 같은 조건을 충족하는 불소 기반의 다공성 유기 고분자 흡착제를 개발했다. 이 흡착제는 기공의 크기를 조절하는 방법을 통해 물에 존재하는 유기 분자 중 1~2 나노미터 미만의 미세 분자만을 특정해 흡착하는 성능을 보인다.
또한 화학적으로 유기 분자를 선택적으로 제거하기 위해서는 표적 물질과 강하게 상호작용할 수 있는 화학적 기능기가 필요하다. 불소 이온은 모든 원소 중 가장 전기 음성적이기 때문에 물속에서 전하를 띠는 유기 분자와 강하게 상호작용한다.
연구팀은 불소 기능을 함유함으로써 개발된 흡착제가 전하를 띠는 유기 분자를 중성인 분자보다 최대 8배 빠르게 흡착하고 제거함을 확인했다.
연구팀이 개발한 흡착제는 산업적 활용 가능성이 크고 회분식 공정 뿐 아니라 칼럼 공정을 통해서도 전하 및 크기에 따라 선택적 흡착이 가능하다.
야부즈 교수는 “불소 기능기가 가지는 전하의 선택성은 향후 담수화 재료 또는 수처리용 멤브레인 개발 등 다양한 기술에 응용 가능할 것이다”고 말했다.
변지혜 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 KAIST 하이리스크 하이리턴(High Risk High Return) 사업과 미래창조과학부의 중견연구자지원사업 및 기후변화대응사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 불소 기반의 다공성 고분자의 전하,크기 선택적 흡착 개념도
그림2. 불소 다공성 고분자 칼럼을 이용한 유기 분자의 분리 전, 후 농도 변화 관측
그림3. 유기 분자의 전하, 크기에 따른 불소 고분자의 흡착 특성
2016.11.29 조회수 14948 -
조용훈 교수, 종이 위에서 빛나는 초소형 반도체 레이저 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 종이 위에서 작동하는 초소형 반도체 레이저를 개발했다.
나노 크기의 광결정 소자를 흡수성이 높은 종이와 결합함으로써 최첨단 반도체 센서를 저렴한 가격으로 다양한 질병 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구 결과는 소재 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 11월 17일자에 게재됐다.
빛을 매개체로 사용하는 광소자는 높은 대역폭을 갖고 있어 대용량으로 정보 전송이 가능하고 낮은 전력으로도 구동할 수 있다.
일반적으로 반도체 광소자는 직접적으로 특정 기능을 수행하는 부분 외에 이들을 단순히 지탱하기 위한 반도체 기판이 필요하다. 반도체 기판의 부피는 전체 소자 부피의 대부분을 차지하고 자연적으로 부패하지 않는 물질이기 때문에 소자를 폐기할 때 환경 문제를 일으킨다.
연구팀은 문제 해결을 위해 두꺼운 반도체 기판을 제거했고 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 종이를 광소자의 기판으로 사용했다. 종이의 주원료는 나무이기 때문에 자연적으로 썩어 없어진다. 또한 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있고 가격이 저렴하기 때문에 종이를 이용한 소자는 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
종이는 기계적으로도 우수한 특성들을 지닌다. 자유자재로 구부릴 수 있고 접었다 피는 것을 반복해도 끊어지지 않는다. 이러한 특성은 기존 플렉서블 기판들이 구현하고자 하는 우수한 특성이다.
연구팀은 반도체 광소자를 종이 위에 옮기기 위해 나노 광소자를 마이크로 스탬프로 떼어 내는 기술을 이용했다. 이를 통해 반도체 기판에 높은 집적도로 패터닝(특정 부분을 깎아내는 식각 과정을 통해 회로를 새겨 넣는 과정)한 나노 광소자를 새로운 종이 기판에 원하는 간격으로 재배열 할 수 있었다.
이번에 종이 위에 결합된 광소자는 폭 0.5 마이크로미터. 길이 6 마이크로미터, 높이 0.3 마이크로미터 크기로 머리카락(약 0.1 mm) 두께의 100분의 1 수준이다.
연구팀은 개발한 광소자를 유체 채널(Fluid channel)이 형성된 종이 위에 결합해 굴절률 센서로도 활용 가능함을 증명했다. 이미 상용화된 임신진단키트 등에서도 볼 수 있듯이 종이는 좋은 흡수성을 가지고 있고 광결정 소자는 높은 민감도를 가지고 있어 센서 응용에 매우 적합하다.
조 교수는 “이 기술은 종이를 광소자의 기판으로 사용함으로써 최근 화두인 친환경 광소자 플랫폼을 만드는데 크게 기여할 수 있다”며 “저렴한 종이와 고성능 광결정 센서를 결합해 전체 소자의 단가는 낮추면서 성능은 뛰어난 적정기술로 활용할 수 있다”고 말했다.
물리학과 김세정 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 서강대학교 신관우 교수, 우리 대학 이용희 교수가 참여했고, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 종이 기판 위 광결정 레이저 모식도
그림2. 종이 기판위에서 동작하는 광결정 공진기 레이저 및 굴절률 센서
2016.11.25 조회수 18608 -
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 16951 -
조용훈 교수, 피라미드 구조로 방향성과 집광 효율을 높인 고성능 반도체 양자 광원 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 반도체 피라미드 구조의 양자점이 피라미드 밑면으로 강한 빛을 방출함을 발견하고 이 빛을 높은 효율로 모을 수 있는 기술을 개발했다.
김세정, 공수현 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 12일자에 게재됐다.
반도체 양자점은 빛 알갱이를 하나씩 내뿜는 단일광자원(양자광원)으로 활용가능하다. 단일광자원은 미래의 양자컴퓨터 또는 양자암호기술 등을 구현하기 위한 필수 요소이다.
일반적인 양자점은 불규칙적인 위치에 형성되는 반면 3차원 피라미드 구조에 얇게 양자우물(Quantum well)을 성장시키면 정확히 피라미드 꼭짓점 위치에 양자점(Quantum dot)을 형성할 수 있다. 이 기술을 활용하면 위치가 제어된 단일광자원을 높은 수율로 얻을 수 있다.
하지만 양자점에서 나오는 빛은 빛 알갱이 개수가 적고 양자점이 굴절률 높은 반도체 물질에 갇혀 있기 때문에 일반적으로 구조 바깥으로 빠져나오기 어렵다. 반도체 단일광자원 소자가 상용화 단계로 나아가려면 빛의 집광 효율을 높여야만 한다.
연구팀은 일반적으로 가지고 있는 고정관념을 벗어나 문제를 해결했다. 피라미드 구조의 빛의 지향성(directionality)을 관찰했고 이를 이용했다. 그 동안 피라미드 양자점에서 나오는 빛은 피라미드의 위, 즉 꼭짓점 방향으로 나오는 신호만을 측정했다. 피라미드 밑면 방향으로는 성장 과정상 두꺼운 기판이 반드시 존재하기 때문이다.
하지만 연구팀은 시뮬레이션을 통해 양자점이 피라미드 위쪽보다 밑면 방향으로 더 많은 빛을 방출함을 확인했다.
또한 피라미드 밑면 방향으로 진행하는 빛은 가우시안 형태의 전기장 분포 형태를 갖고 있어, 광도파로 또는 광섬유의 단일 모드와 잘 일치한다. 이는 제품과 전선을 결합하듯이 광원과 광도파로 간의 결합 효율을 높일 수 있다.
이에 연구팀은 폴리머를 이용해 피라미드 구조체를 기판에서 떼어냈다. 피라미드의 밑면으로 나오는 빛이 두꺼운 반도체 기판을 거치지 않고 공기 중으로 직접 방출되도록 한 것이다.
연구팀이 떼어낸 피라미드는 쉽게 다른 광학 소자들과 직접 결합할 수 있어 피라미드 양자점의 응용분야가 확대될 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.
조 교수는 “이번 연구 내용은 양자 광원 뿐 아니라 LED와 같은 광원 소자에도 적용 가능해 활용도가 높을 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 폴리머로 떼어낸 피라미드 양자점의 모식도
그림2. 피라미드 양자점에서 방출된 빛의 상반구 및 하반구 먼장 (far-field) 방출 패턴(좌)와 폴리머로 떼어내기 전후의 나노 피라미드 구조체(후)
2016.10.18 조회수 18331 -
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 14744