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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 19819
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최성민교수, 세포막의 탄성특성 변화현상 규명
- 피지컬 리뷰 레터스 7월16일자 게제 -- 새로운 의약품 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대-
우리학교 원자력 및 양자공학과 최성민 교수 연구팀은 세포막을 형성하는 인지질 이중막과 향균 펩타이드의 상호작용에 따른 세포막의 탄성특성 변화 현상을 첨단 중성자 산란 측정을 이용하여 세계 최초로 규명했다.
이번 연구결과는 지난 16일 물리학 분야의 세계적 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표됐다.
최성민 교수와 박사과정 이지환 씨가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 원자력연구기반확충사업(원자력기초공동연구소)의 지원을 받아 수행됐다.
세포막은 인지질 분자의 이중막으로 구성되어 있으며, 세포 내부의 물질을 유지하는 방어막 역할과 다양한 기능의 단백질을 함유하고 있는 등 매우 중요한 역할을 담당한다.
세포막을 통한 물질전달, 세포 분열 등 세포에서 일어나는 여러 가지 현상은 세포막과 단백질의 상호작용에 의해 지배되며 세포막은 이러한 과정에서 다양한 형태의 구조적 변화를 겪게 된다.
세포막의 탄성특성, 즉 탄성계수는 세포막이 얼마나 부드럽거나 단단한가를 나타내는 것으로 세포막과 단백질의 상호작용에 따른 탄성특성 변화에 대한 이해는 세포에서 일어나는 여러 가지 과정과 이에 따른 구조적 변화를 이해하는데 매우 중요한 사안이다.
최 교수팀은 펩타이드라는 작은 단백질들이 세포막을 구성하는 인지질 이중막에 흡착되어 인지질 이중막의 구조적 변화를 일으키는 과정에서 인지질 이중막의 탄성특성이 어떻게 변하는가를 중성자 스핀에코 분광법이라는 최첨단 비탄성 중성자 산란 기법을 이용하여 규명했다.
이번 연구결과에 의하면 멜리틴이라는 펩타이드는 그 양이 적을 때는 인지질 이중막 표면에 흡착되어 이중막을 형성하고 있는 인지질 분자들의 정렬도를 저해함으로써 인지질 이중막을 부드럽게 만드는 효과를 보인다.
반대로, 멜리틴의 양이 일정량보다 많아지게 되면 인지질 이중막을 통과하는 구멍을 형성하고 동시에 이중막을 단단하게 만들기 시작하며, 멜리틴에 의해 형성된 인지질 이중막의 구멍이 더욱 많아지게 되면 구멍들이 서로 상호작용을 일으켜 인지질 이중막이 급격하게 단단해짐을 밝혔다.
현재 여타 단백질과 인지질 이중막의 상호작용에 대한 추가적인 연구가 진행되고 있으며, 이러한 현상에 대한 이해는 세포에서의 생명현상에 대한 근본적인 이해와 향후 새로운 의약품 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
최 교수팀은 최근 중성자 및 X-선 산란을 이용하여 탄소나노튜브 및 나노입자의 자기조립 초구조체 개발 연구를 수행하여 신소재 및 화학분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials), 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 등에 연속적으로 논문을 게재하는 등 연성나노물질 연구에서도 우수한 연구성과를 거두고 있다.
최 교수는 중성자를 이용한 연성나노물질 연구분야에서 국제적 전문성을 인정받고 있으며 대표적인 국제 중성자 협회인 아시아-오세아니아 중성자 산란협회(AONSA)의 총무이사를 담당하고 있다. 또한 최성민 교수와 한국원자력연구원이 공동으로 개발한 하나로 냉중성자 연구시설의 40m 소각중성자산란 장치는 세계 최고수준의 나노구조 측정능력을 갖추고 있어 우리나라 나노소재 연구분야의 발전에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대되고 있다.
<용어설명>
❶ 세포막(cell membrane)
세포와 세포 외부의 경계를 짓는 막으로 세포 내의 물질들을 보호하고 세포간 물질 이동을 조절한다. 세포막은 인지질 및 단백질 분자로 구성된 얇고 구조적인 인지질 이중층으로 되어 있으며, 선택적인 투과성을 지닌다.
❷ 펩타이드(Peptide)
아미노산의 중합체이다. 보통 소수의 아미노산이 연결된 형태를 펩타이드라 부르고 많은 아미노산이 연결되면 단백질로 부른다.
❸ 멜리틴(melittin)벌 독에서 분리한 26개의 아미노산으로 구성된 단백질로 10∼20년 전에 그 성분과 역할이 알려져 항균물질로 사용된다.
[그림]세포막을 구성하는 인지질 이중막에 멜리틴 펩타이드가 흡착되어 형성하는 구조의 각 단계별 모식도 (왼쪽). 멜리틴 펩타이드 양의 증가에 따른 인지질 이중막의 각 단계별 탄성특성 변화 (오른쪽).
2010.07.19
조회수 22298
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KAIST, POSTECH 공동연구팀 전자의 입자-파동 이중성에 대한 새로운 이론 발표
- 비평형 상태에서의 물질특성 규명에 도움 기대- 미국 물리학회 피지컬 리뷰 포커스 프로그램에 소개
반도체에 형성된 가는 선 모양 구조에서의 전자 움직임을 공동 연구한 KAIST(총장 서남표) 물리학과 심흥선(沈興善, 35) 교수와 대학원생 윤석찬(尹錫燦, 25)씨, 포스텍(총장 백성기) 물리학과 이현우(李鉉雨, 39) 교수팀은 최근 미국 물리학분야 학술지(Physical Review Letters)를 통하여 전자의 입자-파동 이중성에 대한 새로운 이론을 발표했다고 밝혔다.
이 논문의 결과는 전자의 입자-파동 이중성에 대한 많은 학자들의 예상을 벗어난 결과로 거의 동시에 비슷한 결과를 얻은 이스라엘 학자들의 논문과 같이 지난 22일자 미국 물리학회 피지컬 리뷰 포커스(Physical Review Focus)에 소개되었다. 이 프로그램은 미국물리학회에서 출간하는 여러 학술지에 매월 게재되는 천 편 이상의 논문들 중 과학계 전반에 특별 소개가 필요하다고 판단되는 논문을 한 달에 5편 내외를 골라 논문의 내용과 가치를 전문가의 평과 함께 소개하고 있다.
전자와 같은 입자들이 야구공과 같은 입자처럼 행동할 수도 있지만 어떤 경우에 음파나 빛과 같이 파동처럼 행동할 수도 있다는 양자물리학의 입자-파동 이중성 이론이 많은 학자들이 생각했던 것보다 복잡하다는 사실이 이번 공동연구를 통해 밝혀졌다. 입자-파동 이중성은 원자의 성질뿐 아니라 금속이나 반도체와 같은 여러 물질의 특성에 영향을 미치는 중요 요인으로 이 발견은 양자물리학의 효과가 강하게 나타나는 저온에서의 물질 특성들, 특히 비평형 상태에서의 물질 특성을 규명하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
전자들 간에는 서로 밀어내는 강한 전기력이 작용하고 이 전기력을 통해서 각 전자들은 다른 전자들의 위치를 어느 정도 파악할 수 있다. 이제까지 많은 학자들은 전기력이 강해질수록(예를 들어 전자간의 거리가 작아져서) 전자 위치가 더 정확히 파악되고 이로 인해 파동성이 약해지고 입자성이 강해질 것으로 믿어왔다. 그런데 이번 공동논문에 의하면 전기력이 강해질 때 어느 한계까지는 파동성이 점점 약해지지만 전기력의 세기가 이 한계를 넘어서고 나면 파동성이 다시 강해지고, 전기력의 크기가 더 커져 두 번째 한계를 넘고 나면 파동성이 다시 약해지는 형태로, 파동성의 세기가 전기력의 세기에 따라 진동할 수 있다고 한다.
2008.05.29
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