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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 13158 -
박정영, 정유성 교수, 합금 촉매의 화학반응 실시간 관찰 성공
〈 박 정 영, 정 유 성 교수〉
우리 대학 EEWS 대학원 박정영, 정유성 교수 연구팀이 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다.
연구팀의 관찰 결과는 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기반이 될 것으로 기대된다.
GIST 물리․광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 13일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Adsorbate-driven reactive interfacial Pt-NiO1-x nanostructure formation on the Pt3Ni(111) alloy surface, 백금-니켈 합금 표면위의 촉매 활성도가 높은 금속-산화물 경계 나노구조물 형성의 실시간 관찰)
합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용되고 있다. 하지만 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존의 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 ‘상압 주사 터널링 전자 현미경’과 ‘상압 X-선 광전자분광기’를 활용해 백금-니켈 합금 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다.
이를 통해 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 이유가 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성으로부터 시작됨을 밝혀냈다.
또한 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 혹은 니켈 산화물 단일 촉매에 비해 금속-산화물 계면 나노구조가 갖는 비교적 낮은 활성화 에너지는 촉매 반응 원리 상 반응성 향상에 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있음을 확인했다.
이 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과를 통해 입증됐다.
박정영 교수는 “초고진공 환경을 기반으로 한 기존의 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례이다”며 “합금 촉매의 계면이 촉매 향상도를 높일 수 있고, 현재 진행 중인 촉매전자학 연구와도 밀접한 관계를 가지고 있다. 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획이다.”고 말했다.
이론적 원리 규명 연구를 주도한 정유성 교수는 “직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 규명한 연구로, 다양한 합금 촉매의 설계 및 최적화에 중요한 단서가 될 것이다”고 말했다.
상압 표면 분석을 주도한 GIST 문봉진 교수는“이 연구는 외부의 분자들과 쉴 새 없이 반응하면서 움직이는 마치 살아서 숨쉬고 있는 원자의 움직임과 반응성을 동시에 측정한 완벽한 표면물리연구이다”고 말했다.
이번 연구는 기초과학연구원 및 한국연구재단, GIST 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 주사 터널링 전자 현미경을 이용한 실시간 표면 관찰 이미지
그림2. 시간에 따른 표면 직접 관찰 이미지
2018.07.16 조회수 12876 -
정우철 교수, 5분 코팅만으로 연료전지 전극반응성 1천배 향상 기술 개발
〈 정 우 철 교수, 서 한 길 박사과정 〉
우리 대학 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 5분 이내의 산화물 코팅만으로 연료전지의 수명과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 전극 코팅 기술을 개발했다.
서한길 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 7월 5일자 표지 논문(Inside Front Cover)에 게재됐다. (논문명 : Exceptionally Enhanced Electrode Activity of (Pr,Ce)O2-δ-Based Cathodes for Thin-Film Solid Oxide Fuel Cells, 박막 고체산화물연료전지용 (Pr,Ce)O2-δ 기반 공기극의 향상된 전극 활성)
연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전장치로 특히 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높고 값비싼 수소 이외에 다양한 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점을 가져 세계적으로 큰 주목을 받고 있다.
하지만 고체산화물 연료전지를 구동하기 위해서는 700℃ 이상의 높은 작동온도가 필요하며 이는 소재 및 시스템 비용의 증가, 장시간 구동 시 성능 저하 등의 문제를 일으켜 연료전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
최근에는 박막 공정을 도입해 전해질의 두께를 수백 나노미터 크기로 줄임으로써 작동온도를 600℃ 이하로 크게 낮추고 가격 경쟁력을 확보하려는 박막형 고체산화물연료전지가 새로운 해결책으로 제시되고 있지만, 낮은 작동온도에서 급격히 떨어지는 전극 성능의 한계를 극복하지 못하고 있다.
연구팀은 공기극으로 사용되는 백금 박막의 산소환원반응 활성점을 극대화하고, 백금 전극이 고온에서 응집되는 현상을 막기 위해 산화물 코팅 기술을 개발했다.
연구팀은 전자와 산소이온 모두에 대한 높은 전도성과 산소환원 반응에 대한 뛰어난 촉매 특성을 가진 ‘프라세오디뮴이 도핑된 세리아((Pr,Ce)O2-δ)라는 새로운 코팅 소재를 전기화학도금을 통해 백금 표면에 코팅하는 데 성공했다. 이를 통해 기존 백금 박막 전극에 비해 1천 배 이상의 성능을 향상시켰다.
추가적으로 연구팀은 백금을 전혀 사용하지 않고 (Pr,Ce)O2-δ의 나노구조화를 제어하는 것만으로도 고성능의 박막형 고체산화물연료전지 공기극을 구현하는데 성공했다.
정 교수는“이번 연구에서 사용된 전극 코팅 기술은 쉽고 대량생산이 가능한 전기화학도금을 활용했기 때문에 그 기술적 가치가 매우 뛰어나다”며 “향후 박막형 고체산화물연료전지의 백금 전극을 대체할 수 있어 가격 저감을 통한 시장경쟁력 제고가 기대된다.”고 말했다.
이번 연구는 한국에너지기술평가원과 한국전력공사의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 표지(Inside Front Cover)
그림2. 코팅된 (Pr,Ce)O2-δ 나노구조체 유무에 따른 전극성능 변화
2018.07.09 조회수 15163 -
박정영, 정유성 교수, 합금 나노촉매 성능 향상 원리 밝혀
〈 박 정 영 교수, 정 유 성 교수〉
우리 대학 EEWS 대학원 및 화학과 박정영 교수 연구팀이 정유성 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 합금 나노 촉매 표면에 형성된 금속-산화물 계면이 촉매 성능을 향상시키는 중요한 요소임을 밝혔다.
이번 연구결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 6월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
합금 나노입자는 높은 효율의 촉매 활성도를 가져 석유화학 공정뿐만 아니라 수소 연료 전지, 물 분해 등 친환경 촉매로 주목받고 있다. 합금 나노입자는 화학적 조성에 따라 촉매 표면의 전자 구조 및 결합 에너지를 제어할 수 있어 활용성이 크다.
이런 우수한 특성에도 불구하고 실제 촉매 환경에서는 반응물과 조건에 따라 나노 입자 표면 구조가 쉽게 달라져 합금 나노 촉매의 반응 원리 규명에 어려움이 있었다.
촉매 반응의 원리를 결정하는 핵심 요소는 핫전자이다. 화학반응이 일어날 때 촉매 표면에 순간적으로(펨토초, 1천조분의 1초) 발생하고 사라지지만 촉매 반응의 활성도를 파악할 수 있는 척도와 같다. 촉매 활성도가 증가하면 핫전자 양도 늘어나기 때문이다. 실시간으로 핫전자를 직접 검출할 수 있는 방법이 마땅히 없던 중 2015년 박정영 부연구단장 연구진이 핫전자를 관찰할 수 있는 핫전자 촉매센서를 개발했다. 이후 박 부연구단장은 핫전자 촉매센서를 중심으로 활발한 연구를 통해 다양한 결과를 내고 있다.
이번 연구에서는 백금과 코발트가 합금된 나노입자를 핫전자 촉매센서에 접목하는 방식으로 연구를 설계했다. 백금-코발트 합금 나노입자는 화학산업 및 에너지·환경 분야에 중요한 촉매 구성요소다. 백금-코발트 합금 나노입자처럼 복잡한 구조를 가진 나노 촉매 구조에 핫전자 촉매센서를 적용해 실시간으로 핫전자를 관찰하는 것이 이번 실험의 큰 관건이었다.
먼저 연구진은 여러 비율로 백금과 코발트를 합성해 합금 나노 촉매들을 제작하고 핫전자 촉매센서를 적용했다. 그 결과 75% 백금과 25% 코발트 비율로 합금 나노입자를 합성할 경우, 가장 많은 핫전자가 발생하고 촉매 성능이 높다는 것을 확인했다. 이후 핫전자 발생량과 촉매 성능의 상관관계를 보다 명확히 밝히고자 실시간 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy)으로 실험 과정을 관찰했다.
수소산화 반응에 합금 나노촉매를 적용하자 한 층의 코발트 산화물이 백금-코발트 합금 나노 입자 표면 위에 형성되면서 금속-산화물(백금-코발트 산화물)계면이 만들어졌다. 금속-산화물 계면에서 전하 이동이 늘어나면서 핫전자 검출 효율이 증가한 것이다. 다시 말해 금속-산화물 계면이 합금 나노 촉매의 활성을 높이는 데 결정적임을 실제로 입증한 것이다.
이번 연구는 실험 뿐 아니라 이론적으로도 계면과 촉매 성능 간 상관관계를 입증했다. 정유성 교수 연구진은 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 기반의 양자계산을 통해 백금-코발트 산화물 계면에서 낮은 활성화 에너지로 일어나는 반응 원리를 이론적으로 뒷받침해 핫전자 발생 및 촉매 성능에 대한 근원적인 해석을 제안했다.
정 교수는 “이번 결과는 촉매 연구자들이 금속-산화물 계면의 중요성을 다시 주목하게 되는 계기가 될 것이다”고 말했다.
박 교수는 “이번 연구로 합금 나노촉매의 반응 중 자연스럽게 형성되는 두 물질 사이의 계면이 촉매 반응성과 핫전자의 생성을 증폭시킨다는 점을 규명했다”며 “실제 촉매반응이 일어나는 상압과 고온 환경에서 얻어진 결과를 토대로 향후 고효율의 차세대 촉매물질을 개발하는데 연구 결과를 응용할 수 있다”고 전망했다.
□ 그림 설명
그림1. 나노 촉매계면에서의 핫전자 움직임 실시간 관찰
그림2. 핫전자 촉매센서를 이용한 합금 나노입자에서의 핫전자 움직임 관찰
2018.07.06 조회수 11561 -
김신현 교수, 풍뎅이 외피 본뜬 머리카락 굵기 레이저 공진기 개발
〈 이상석 박사과정, 김신현 교수, 김종빈 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 한국화학연구원 김윤호 박사와의 공동 연구를 통해 머리카락 굵기 수준의 캡슐형 레이저 공진기를 개발했다.
연구팀의 캡슐형 레이저 공진기는 크리슈나 글로리오사 풍뎅이(Chrysina gloriosa, 이하 글로리오사 풍뎅이)의 외피와 동일한 구조를 미세 캡슐에 탑재한 기술로 치료용 레이저 등 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이상석 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 사이언스 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 6월 22일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Wavelength-tunable and shape-reconfigurable photonic capsule resonators containing cholesteric liquid crystals , 파장 가변성과 모양 재구성성을 갖는 콜레스테릭 액정 기반의 캡슐형 레이저 공진기)
글로리오사 풍뎅이는 좌측으로 원편광된 빛을 비추면 나뭇잎과 비슷한 초록색을 띠고, 우측으로 원편광된 빛을 비추면 아무 색도 보이지 않는다. 이러한 독특한 광학 특성은 포식자들을 피해 글로리오사 풍뎅이 간의 통신 수단으로 활용된다고 알려져 있다.
글로리오사 풍뎅이가 편광 방향에 따라 다른 색을 보이는 이유는 외피에 왼쪽 방향으로 휘감아 도는 나선구조가 존재하기 때문이다. 이러한 나선구조는 동일한 방향의 원편광 빛만을 선택적으로 반사해 반사색을 보인다.
글로리오사 풍뎅이가 가진 나선구조를 활용하면 인공적으로 액정을 구현하는 것이 가능하다. 이러한 액정 나선구조는 글로리오사 풍뎅이의 외피처럼 편광 방향에 따른 반사 특성을 보이며 특정 파장의 빛을 제어할 수 있기 때문에 보통의 레이저와 달리 거울 없이도 레이저 공진기를 구현할 수 있다.
이러한 액정을 활용한 레이저 공진기는 필름 형태로 구현되곤 했는데 필름 형태의 공진기는 레이저의 발광 방향이 고정돼 있고 크기가 커 미세한 부분에 사용하기에는 한계가 있었다.
연구팀은 액정 레이저 공진기를 머리카락 크기 수준의 캡슐 내부에 제작해 목표 지점에 주사하거나 이식할 수 있는 새로운 형태의 레이저 공진기를 개발했다.
캡슐형 레이저 공진기는 삼중 구조로 구성된다. 코어의 액정 분자와 발광 분자의 혼합물을 액체 상태의 배향층과 고체 상태의 탄성층이 겹으로 감싸는 형태이다.
배향층은 코어의 액정 분자가 높은 배향 수준을 갖게 하는 역할을 통해 레이저 공진기의 성능을 향상시키고, 탄성층은 캡슐의 기계적 안정성을 높인다. 연구팀은 미세유체기술을 이용해 복잡한 삼중 구조를 제어된 방식으로 설계했다.
캡슐형 레이저 공진기는 공기 중에서도 안정적으로 구형을 유지하며 레이저 발광이 캡슐 표면을 따라 수직 발생해 3차원의 전방향(omnidirectional) 레이저 발광이 가능하다.
또한 캡슐형 공진기를 기계적으로 변형시켜 발광 방향과 레이저의 세기를 조절할 수 있고 온도 조절을 통해 액정의 나선구조 간격을 변화시키면 레이저 발광의 파장도 조절이 가능하다.
김 교수는 “개발한 새로운 형태의 캡슐형 레이저는 작은 크기와 높은 기계적 안정성을 가져 주사 및 이식이 가능하며 국부적인 영역에만 조사할 수 있는 치료용 레이저로 사용 가능하다”며 “자연에 존재하는 C.글로리오사 풍뎅이의 외피 구조를 모방해 발전시킨 것으로 인간은 자연에서부터 배우고 공학적으로 창조하게 됨을 증명한 연구이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 X-project 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 좌원편광 빛과 우원편광 빛에 노출된 C. gloriosa 풍뎅이의 사진
그림2. 캡슐형 레이저 공진기의 구성 (좌) 및 광학 현미경 사진 (우)
2018.07.03 조회수 10229 -
이건재 교수, 유연한 청색 박막 마이크로 LED 기술 개발
〈 이 건 재 교수 〉
우리 대학 이건재 교수 연구팀과 한국나노기술원(KANC) 협력팀이 고효율의 유연 박막 수직형 청색 마이크로 LED 저비용 양산 기술을 개발했다.
이 기술을 통해 청색 마이크로 LED 생산 기술의 활성화를 유도해 차세대 유연 디스플레이의 대중화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 6월호 표지논문으로 게재됐다.
2018년 세계 최대 가전박람회(CES)에서 공개된 마이크로 LED TV는 아몰레드(AMOLED)를 대체할 차세대 디스플레이로 각광받았다. 마이크로 LED는 기존 LED 칩 크기를 크게 축소시켜 적, 녹, 청색의 발광소재로 사용하는 기술로 낮은 전력과 빠른 응답속도를 갖는다.
하지만 현재 산업계에서는 두꺼운 미니 LED 칩을 소형화해 개별 전사하는 방식을 사용해 수천만 화소의 디스플레이를 대량 생산하기 어렵고 높은 제조 가격 등으로 인해 초기 시장에서는 수 억 원대의 프리미엄 고가제품이 될 수밖에 없을 것으로 예측된다.
마이크로 LED 디스플레이가 모바일 및 TV 등의 분야에서 대중화되기 위해서는 칩 개별전사가 아닌 수 십 만개의 LED를 한 번에 전사하는 박막형 마이크로 LED 전사 기술이 필수적이며 모든 색 구현에 중요한 고효율 청색 박막 마이크로 LED 기술이 핵심이다.
이 교수팀은 올해 초 두께 2마이크로미터 이하의 박막형 적색 마이크로 LED를 개발한 데 이어 이번 연구를 통해 수천 여개의 박막형 청색 마이크로 LED를 한 번에 플라스틱 위에 구현하는 원천기술을 개발하는 데 성공했다. 이는 모든 색깔을 저비용으로 구현하기 위한 핵심적인 기술이다.
개발된 청색 마이크로 LED는 수직형 박막 구조를 가지며 매우 유연하다. 또한 1제곱밀리미터(mm2)당 30밀리와트(mW) 이상의 강한 빛을 내며 기존 수평형 박막 마이크로 LED보다 광 효율이 3배 이상 뛰어나고 발열이 적어 10만 시간(10년 이상) 구동될 수 있다.
이건재 교수는 “마이크로 LED 디스플레이를 대중화하기 위해서는 박막 전사기술, 고효율 소자 구조, 접속 및 패키징 기술이 필요하며 올해 말까지 새 전사방법을 활용해 스마트 워치 급 풀 칼라 마이크로 LED 디스플레이를 구현할 예정이다”고 말했다.
이 연구 결과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(선도연구센터) 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 고효율의 유연 수직형 청색 마이크로LED 어레이(어드밴스드 머티리얼즈 2018년도 6월호 표지)
그림2. 고효율의 유연 수직형 청색 마이크로 LED 30x30 어레이
2018.06.18 조회수 10334 -
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 13834 -
김희영 교수, 반도체 기판 내 불량칩 탐지, 군집화 기술 개발
〈 이영민 박사과정, 김희영 교수, 김진호 석사 〉
우리 대학 산업및시스템공학과 김희영 교수 연구팀이 반도체 기판 내 여러 형태의 혼합된 불량 칩 패턴을 효과적으로 탐지하고 군집화하는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 산업공학 분야 저명 국제 학술지 ‘IISE Transactions’ 2월호에 게재됐다. 특히 이 논문은 특집 기사(featured article)로 선정돼 ‘ISE(Industrial and Systems Engineering)’ 매거진 1월호에도 게재됐다.
반도체 기판 제조공정은 기판 표면에 집적회로를 형성하는 복잡한 일련의 공정을 통해 구성된다. 기판 가공이 끝나면 기판 내 각 칩의 불량 여부를 테스트하는 과정을 거친다.
이 때 불량칩은 공정 이상 원인에 따라 특정한 패턴(예 : 원, 링, 스크래치 등)을 보이며 분포한다고 알려져 있다. 불량칩의 분포 패턴을 분석하는 것은 공정 이상을 탐지하고 그 원인을 파악하는데 중요한 단서를 제공한다.
최근 반도체 제조 공정이 점점 복잡해짐에 따라 한 기판 안에 여러 형태의 불량칩 패턴이 혼재되는 사례가 증가하고 있다. 연구팀은 다수의 불량칩 패턴을 효과적으로 파악하기 위해 일정 패턴을 형성하고 있는 불량칩을 선택한 후 여러 개의 특정 패턴으로 군집화하는 방법을 제시했다.
연구팀은 무작위 분포가 아닌 특정 패턴을 형성하고 있는 불량칩을 효과적으로 탐지할 수 있는 CPF(connected-path filtering) 기술을 개발했다. CPF는 특히 스크래치 형태로 분포된 불량칩 탐지에 탁월한 성능 향상을 보였다.
탐지한 불량칩을 다수의 패턴별로 군집화하는 과정에서는 사전에 서로 다른 몇 개의 패턴이 혼재됐는지 알지 못한다는 점과 각 패턴이 복잡한 모양을 가진다는 점이 어려움으로 남아 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 무한 비선형 혼합 모형(infinite warped mixture model)을 이용함으로써 군집화 과정에서 데이터가 스스로 군집 수를 결정할 수 있도록 했다.
또한 복잡한 모양의 패턴을 바로 이용하는 대신 은닉 공간(latent space)에서의 단순한 모양의 패턴을 이용해 보다 효과적으로 군집화하는 데 성공했다.
연구팀은 SK 하이닉스의 실제 반도체 데이터를 활용해 제안된 방법을 검증함으로써 실제 반도체 제조 현장 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에 1저자로 참여한 김진호 석사졸업생은 SK 하이닉스의 수학 파견 인원으로 선발돼 석사과정 동안 2저자인 이영민 박사과정과 공동 연구를 수행했다. 김진호 졸업생은 현재 SK 하이닉스 수석 엔지니어로 근무하고 있으며 Alius TEST 기술팀을 이끌고 있다.
□ 그림 설명
그림1. CPF 적용 전, 후 결과
그림2. 여러형태의 혼합된 불량칩 패턴과 각 특정 패턴으로 군집화된 불량칩 패턴
2018.06.12 조회수 12682 -
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 12901 -
장대준 교수, 형상 조절 가능한 압력탱크 상용화 성공
〈 (주)래티스태크놀로지 박근오 사장, KAIST 유화롱 연구원, 장대준 교수 〉
우리 대학 기계공학과 장대준 교수와 폴 베르간(Pål G. Bergan) 교수(2009년~2015년 재직, 현재는 은퇴) 연구팀이 개발한 자유자재로 형상을 조절할 수 있는 격자형압력탱크 기술이 상용화에 성공해 울산항 청항선의 LNG 연료탱크(15m3, 9기압)에 적용됐다.
격자형압력탱크라 불리는 이 기술은 내부 격자구조를 통해 압력을 견디는 방식으로 기존의 실린더형이나 구형으로만 가능했던 압력용기 기술의 한계를 극복해 압력용기 설계의 새로운 표본을 제시할 것으로 보인다.
연구팀은 2011년에 원천 특허 출원 이후 2012년부터 포스코와 협업을 통해 상용화에 착수해 7개의 국제인증과 4개의 시험탱크를 성공적으로 제작 및 시험해 기술의 적용 가능성을 입증했다.
이 기술은 KAIST 기술창업 기업인 ㈜래티스테크놀로지에 이전돼 상용화가 추진됐고, 지난 25일 청항선의 LNG 연료탱크로 채택됐음을 확정했다.
연구팀의 기술은 친환경 선박의 LNG 및 액체수소(LH2) 연료 저장 탱크에 활용할 수 있다. 대형 선박 1척은 자동차 5천 대 분량의 배기 가스량을 분출한다.
자동차에 대한 강력한 배기가스 규제와 달리 대양을 운항하는 대형 선박은 그동안 배기가스 규제가 없어 저품질의 중질류를 연료로 사용해 황산화물, 질소 산화물, 미세먼지, 이산화탄소 등을 대량으로 배출해 왔다.
이에 UN 산하의 국제해사기구(IMO)는 대형 선박의 배기가스에 대한 규제를 매년 강화하고 있으며 특히 2020년까지 선박 연료의 황 함유량을 0.5%, 2025년까지 이산화탄소 배출량을 50% 감축하는 규제를 발표했다.
이러한 목표 달성을 위해서는 선박 연료가 LNG와 액체수소로 바뀌어야 하는데 이 연료를 저장하는 기술이 가장 큰 기술적 및 경제적 걸림돌이었다. 격자형압력탱크는 이러한 걸림돌을 제거할 이상적인 압력탱크기술로 인정받았고 이번 적용을 통해 상용화에도 성공했다.
기존의 구형 또는 실리콘형 압력 탱크는 풍선과 유사하게 압력 하중을 막응력(Membrane Stress)으로만 견디기 때문에 표면에 작은 결함들이 성장하면서 전체적으로 파괴되거나, 크기가 커지면서 표면 두께가 증가해 용접이 어려워져 대형화에 한계가 있었다.
특히 실린더 주위는 버려지는 공간이 돼 다수의 실린더를 사용할 경우 실질적 저장 공간이 절반 이하로 떨어지게 되는 공간 효율성 문제를 해결하는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 격자구조를 내부에 적용해 기존 압력 용기와는 전혀 다른 설계 이론을 개발했다. 내부 압력을 받는 마주보는 두 면을 격자구조로 연결하고 용기 표면은 보강재를 사용해 굽힘 응력(Bending Stress)으로 압력을 견디게 했다. 또한 레고 블록 쌓듯이 규칙적인 격자구조를 반복적으로 사용해 단순하고 일관적인 방법으로 대형화를 가능하게 했다.
이러한 설계 구조는 여러 가지 장점을 갖는다. 구조적 다중성으로 안전도를 크게 높일 수 있고 탱크가 커져도 구조의 두께가 유지되며 최대의 공간 효율성을 보장한다. 그밖에도 격자 구조가 내부 유체의 움직임을 제한해 선박용 LNG 저장 탱크의 가장 큰 숙제인 슬로싱(sloshing, 탱크 내부의 유체의 움직임에 의한 하중) 현상과 피뢰파괴 위험을 획기적으로 낮췄다.
장 교수 연구팀과 ㈜래티스테크놀로지 기술팀은 경량화와 경제성을 중점에 두고 상용화 개발 연구를 수행했다. 내부 격자 구조가 너무 밀집되면 탱크는 가벼워지지만 제작이 어려워지고 경제성이 떨어진다.
반면 다수의 실린더를 단일 격자형 압력용기로 대체한다면 탱크 자체 경제성 뿐 아니라 배관, 전계장 등의 부수적 비용과 운용의 복잡성을 낮출 수 있다. 연구팀은 구조 및 생산 최적화를 통해 다수의 실린더를 단일 탱크로 대체하면서 중량과 비용은 감소시키는 격자형압력탱크를 개발했다.
장 교수는 “압력용기는 물질과 에너지를 저장하는 가장 기본적인 장치로 가정부터 산업까지 다양한 곳에 필요해 원하는 형상의 압력탱크인 격자형압력탱크의 응용 범위는 매우 넓다”며 “LNG 추진 선박용 연료 탱크 뿐 아니라 육상 산업 설비, 철도, 차량 등에 적용 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 포스코 산학공동연구 및 중소기업청 시장창출형 창조기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 격자형압력탱크의 내부 구조
그림2. 다양한 크기와 형상의 격자형압력탱크
그림3. 24제곱미터 실린더 탱크와 22제곱미터 격자형압력탱크 비교 사진
그림4. 6개의 실린더와 1개의 격자형압력탱크를 장착한 크루즈선
2018.05.30 조회수 13768 -
서민호 박사, 윤준보 교수, 완벽 정렬된 나노와이어 옮기는 기술 개발
〈 서 민 호 박사, 윤 준 보 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 서민호 박사, 윤준보 교수 연구팀이 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발을 대면적의 유연 기판에 옮기는 데 성공했다.
이 나노와이어 전사(transfer) 기술은 기존 화학 반응 기반의 나노와이어 제작 기술이 갖고 있던 낮은 응용성과 생산성을 높였다는 의의를 갖는다.
서민호 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 나노 과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 5월 24일자에 게재됐다. (논문명 : Material-Independent Nano-Transfer onto a Flexible Substrate Using Mechanical-Interlocking Structure, 기계식 연동 구조를 활용하는 재료 선택폭 넓은 나노와이어 전사 방법)
대표적 나노 물질인 나노와이어는 작고 가볍다는 구조적 장점과 우수한 물리적, 화학적 특성 덕분에 소형 및 유연 전자 소자에 사용될 수 있다.
기존 나노와이어 전자 소자 제작은 화학적 합성법으로 제조된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 무작위로 뿌리는 방식을 활용했다. 이로 인해 같은 방법을 사용해도 제작된 전자 소자들의 특성이 매우 다르다는 불균일성 문제가 있었다.
이러한 문제 때문에 화학적 표면 처리를 이용한 나노와이어 전사 공정이 개발돼 유연 기판 위 정렬된 나노와이어를 균일하게 제작하는 방법이 개발되기도 했다. 그러나 이 기술은 화학적인 접촉력의 조절이 가능한 일부 나노와이어만 제작 가능하기 때문에 사용 범위가 극히 제한적이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기계식 접촉력 조절 원리를 활용하는 새로운 나노와이어 전사 기술을 개발했다.
이 기술은 전사의 모체(master mold)가 되는 나노그레이팅 기판(nanograting substrate)에 나노희생 층(nanosacrificial layer)과 나노와이어를 순차적으로 형성한 후, 나노희생 층을 건식 식각 공정을 통해 구조적으로 약하게 만든다.
나노희생 층은 나노와이어와 모체를 매우 약하게 연결하고 있기 때문에 이후 유연 기판이 되는 재료를 이용하면 마치 테이프를 이용해 바닥의 먼지를 떼어내듯 나노와이어를 쉽게 모체에서 유연 기판으로 옮길 수 있다.이 기술은 일반적인 물리적 증착법을 기반으로 제작되고 재료 의존성이 낮기 때문에 손쉽게 나노와이어를 유연 기판에 제작할 수 있다.
연구팀은 개발한 기술을 이용해 금, 백금, 구리 등 다양한 금속 나노와이어와 결정화된 금속 산화물을 유연 기판 위에 완벽하게 정렬해 제작했다.
또한 이를 유연 히터와 가스 센서 소자에 응용함으로써 실제 생활에 사용될 수 있는 안정적인 응용 소자를 구현할 수 있음을 증명했다.
서민호 박사는 “우수한 물성의 다양한 금속, 반도체 나노와이어를 웨이퍼 수준으로 완벽 정렬해 유연 기판에 옮기고 이를 소자 제작에 응용했다”며 “다양한 나노와이어 재료의 유연 기판 위 제작을 위한 플랫폼 기술로 고성능 유연 전자 소자의 안정적 개발에 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노종합기술원 오픈 이노베이션 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 연구팀의 기술로 제작된 금 단면
2018.05.29 조회수 10440 -
김희탁 교수, 도넛모양 황화리튬 이용 리튬황이온전지 개발
〈 팽민 예 연구교수, 김희탁 교수 〉
우리대학 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 가지면서 저렴하고 600사이클 이상의 수명을 갖는 도넛 모양 활물질 구조의 리튬황이온전지를 개발하는데 성공했다.
전기자동차의 배터리로 사용되는 리튬이온전지는 낮은 에너지 밀도 때문에 1회 충전시 가능 주행 거리가 짧아 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬황전지의 개발이 10여 년 간 경쟁적으로 이뤄져 왔지만 리튬황전지는 음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성으로 인해 전지의 사이클 수명을 확보하는데 어려움이 많았다.
이러한 문제 해결을 위해 연구팀은 리튬금속음극 대신 리튬이온전지에 사용되는 사이클 수명이 우수한 흑연음극 이용과 함께 용량이 높은 황화리튬(Li2S) 양극을 결합해 에너지 밀도와 수명 향상에 힘썼다. 그러나 황화리튬이 고가이고, 흑연음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.
이에 연구팀은 저가의 황산리튬(Li2SO4)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 제조했다. 그러면서 고농도 염 전해액을 이용해 흑연음극과 황화리튬 양극을 이용한 리튬황이온 전지를 구현했다. 내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 리튬이온의 전달력을 향상시켜 높은 충, 방전 가역성을 보였고, 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다.
연구팀은 이 기술을 통해 기존 리튬이온전지보다 30% 높은 에너지 밀도를 구현함과 동시에 600사이클 이상의 수명을 확보하는 데 성공했다. 연구팀의 도넛모양 황화리튬 전극은 저가의 원재료를 이용하면서 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있고, 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “저가 황 화합물을 리튬이온전지에 적용해 에너지 밀도와 수명을 동시에 향상시킬 수 있음을 증명했다”고 말했다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원 및 한국연구재단 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
팽민 예(Fangmin Ye) 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 지난 7일자 온라인 판 논문에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도넛 모양 황화리튬 활물질 구조 및 제조 원리
2018.05.24 조회수 13978