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고용량 배터리 수명 증대 영상화하다
전기자동차에서 볼 수 있는 고용량 배터리에 사용되고 있는 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 갖고 있으나, 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창/수축률이 배터리 수명에 악영향을 미치고 있다. 이를 해결하기 위해서 단일벽 탄소나노튜브를 소량 첨가해 수명 특성이 향상되는 결과를 얻었는데, 이런 향상이 어떻게 가능한지 나노스케일에서 영상화한 연구 결과가 공개됐다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해 배터리의 수명 특성 향상 메커니즘 영상화 결과를 국제학술지‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, Impact Factor: 22)’에 게재했다고 19일 밝혔다. (논문명: Spatially Uniform Lithiation Enabled by Single-Walled Carbon Nanotubes)
연구팀은 이전에는 실리콘 활물질이 충·방전을 거치면서 전자 전도 네트워크가 열화되는 과정을 영상화하였는데, 이번 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브의 존재로 인해서 그 형태를 유지하고 있는 전자전도 네트워크가 활물질 내에 균일한 충·방전이 가능하도록 기능하고 있음을 보여 수명 증대 메커니즘을 검증했다.
구체적으로 연구팀은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy) 기반의 켈빈 프루브 현미경(Kelvin Probe Force Microscopy)를 이용해 1회 및 90회 충·방전 싸이클 후의 전극 내 천연흑연과 실리콘 산화물 입자에서의 표면 전위를 측정 및 영상화했다. 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SW-CNT)가 첨가된 전극에서는 활물질 내 표면 전위가 균일하게 분포하고 있는 반면, 첨가되지 않은 기존 전극의 경우에는 90회 충·방전 후에 불균일한 표면전위를 보여, 전자 전도 네트워크가 제대로 기능을 발휘하지 않아 불균일한 충·방전이 됨을 연구팀은 확인했다.
이처럼 활물질 내부의 표면 전하를 영상화할 수 있는 기술은 실리콘 활물질 뿐만 아니라, 다양한 전극 시스템에 적용될 수 있으며, 향후 배터리 충전 및 방전 상태 균일성을 확인하고 수명 향상 연구로 발전할 수 있다.
이번 연구의 제1 저자인 신소재공학과 박건 연구원은 “충·방전 시 수반되는 실리콘 계열 활물질의 급격한 부피 변화에도 불구하고 가느다란 탄소나노튜브가 전자 전도 채널을 유지하고 이로 인해 전극 내에 균일한 충·방전을 가능케하는 것이 매우 신기한 일이었는데, 이를 나노스케일에서 직접 영상화해 그 역할을 미시세계에서 이해할 수 있었던 것이 큰 의미가 있다”라고 말했다. 교신 저자인 홍승범 교수는 “원자간력 현미경을 활용해서 나노스케일에서 일어나는 전기화학적인 현상을 영상화하고 이를 통해서 배터리 성능 및 수명을 향상할 수 있는 혁신적인 아이디어를 창출할 수 있게 되어 매우 기쁘다”라고 말했다.
이번 연구는 LG에너지솔루션, LG에너지솔루션-KAIST Frontier Research Lab.과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2023.09.19 조회수 4166 -
최고 수준의 전기차 배터리 첨가제 기술 개발
1회 충전에 500km 이상 운행할 수 있는 전기자동차를 실현하기 위해서는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발이 필수적이다. 이에 높은 가역용량을 가지는 니켈리치 양극과 흑연보다 10배가량 높은 용량을 발현하는 실리콘 음극 물질이 차세대 리튬이온전지의 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 전해질 첨가제 연구는 기존 물질들의 스크리닝 기법을 통하여 시행착오를 거쳐 개발되기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되어 신규 전극 소재에 대응하기 어려운 한계점을 보였다.
우리 대학 생명화학공학과 최남순 연구팀이 고려대 곽상규 교수팀, UNIST 홍성유 교수팀, 현대자동차, 한국화학연구원과 공동연구를 통해, 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈리치 양극으로 구성된 리튬이온 이차전지의 상온 및 고온 장수명화를 가능하게 하는 전해질 첨가제 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
연구팀이 개발한 전해질 첨가제는 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극의 저온, 상온 및 고온에서의 가역성을 증대시켜 배터리 충방전 횟수 증가에 따른 급격한 용량 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이다.
연구팀은 전해질 첨가제 설계 초기 단계부터 타겟으로 하는 양극과 음극에 적합한 작용기를 분자공학적 기법으로 조합하여 첨가제를 디자인하고 합성하는데 성공하였다. 디자인된 전해질 첨가제는 전자 수용 및 전자 공여 그룹의 전기화학적 반응에 의해 고용량 실리콘 기반 음극 및 니켈 리치 양극 표면에 고체전해질 계면막을 형성해 전지의 상온 및 고온 수명을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다.
개발 기술은 일반적인 실험실 수준이 아닌 기업에서 요구하는 수준의 높은 합재밀도를 가진 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극을 사용하여 배터리의 저온, 상온 및 고온 장수명을 실현하였다는 점과 저비용으로 극대화된 효율을 낼 수 있는 전해질 첨가제 디자인의 방향성을 제시하였다는 점에서 그 의미가 크다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 KAIST 생명화학공학과 문현규 연구원은 "개발된 전해질 첨가제는 내열성과 유연성이 우수한 전극 계면 층을 형성하여 전기차 구동 온도 45도에서 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극으로 구성된 전지의 반복적인 300회 충방전 후에도 초기 용량의 72.5%를 발현가능했으며, 이는 기존에 사용되고 있는 첨가제인 비닐렌 카보네이트(VC), 플루오르에틸렌 카보네이트(FEC) 대비 각각 54%, 38% 향상된 수준이었다. 또한, 실리콘 음극 부피변화에 따른 전지 열화를 억제하여 희박 전해질 조건에서도 효과가 있었다ˮ 라고 말했다.
최남순 교수는 “이번 성과는 기존 상용 첨가제들(VC, FEC)의 한계를 극복할 수 있는 전해질 첨가제 기술로, 물질 구조 디자인, 합성 및 계산화학을 통해 연구시간 및 비용을 줄이고 타겟 양극 및 음극 특성에 적합한 첨가제를 정확하게 개발해 내는 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의미를 강조했다. 뿐만 아니라 양산 수준의 전극 로딩 조건에서 저온에서부터 고온에 이르기까지 온도 내구성이 뛰어난 전극 계면 층을 형성하는 세계 최고 수준의 전해질 첨가제 기술로서 전기차 배터리 등에 활용이 기대된다고 밝혔다.
이번 연구에서 KAIST 최남순 교수와 문현규, 남희범(現 현대자동차 연구원) 연구원은 전해질 시스템 개발과 실험적 원리 규명을 담당하였다. UNIST 홍성유 교수와 김민평, 전민호(現 한국화학연구원 연구원) 연구원은 디자인된 첨가제를 쉽게 얻는 합성법을 개발하였다. 고려대학교 곽상규 교수와 이승민, 김형준 연구원은 계산화학 시뮬레이션을 통해 음극 및 양극에서의 전해질 첨가제의 계면 층 형성 과정을 이론적으로 규명하였다.
한편 이번 연구는 저명한 국제 학술지 `어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)'에 4월 4일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Elastic Interfacial Layer Enabled the High-Temperature Performance of Lithium-Ion Batteries via Utilization of Synthetic Fluorosulfate Additive).
이번 연구 수행은 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
2023.04.19 조회수 6423 -
반도체 웨이퍼 절단 없는 두께 분석장비 개발
우리 대학 기계공학과 이정철 교수 연구팀이 근적외선의 간섭 효과를 이용해 실리콘 박막-공동 구조를 검사할 수 있는 웨이퍼 비파괴 분석 장비를 개발했다고 19일 밝혔다.
1 마이크로미터(이하 μm) 급의 두께를 갖는 박막-공동 구조는 압력센서, 마이크로미러, 송수신기 등의 다양한 미세전자기계시스템(MEMS) 소자로 사용된다. 이러한 MEMS 소자에서 박막의 두께와 공동의 높이는 소자 성능의 주요 설계 인자이기 때문에 소자의 거동 분석을 위해서는 제작된 구조의 두께 측정이 필수적이다. 하지만 최근까지 후속 공정에 사용할 수 없는 단점에도 불구하고 웨이퍼를 절단해 주사 전자 현미경과 같은 고해상도 현미경으로 두께를 측정하는 단면 촬영 기법이 사용됐다.
연구팀은 1μm 급의 두께를 갖는 실리콘 박막-공동 구조의 두께를 비파괴적으로 측정하기 위해 근적외선 간섭 현미경을 개발했다. 연구팀은 실리콘의 광특성과 빛의 간섭 길이를 고려해 근적외선 계측 장비를 설계 및 구축했으며 개발한 근적외선 간섭 현미경은 1μm 급과 서브 1μm 급의 단층 박막-공동 구조를 100 나노미터(nm) 미만의 편차로 측정했다. 이에 더불어 다중 반사로 인한 가상의 경계면을 특정하는 방법을 제안해 복층의 실리콘 박막-공동 구조에서 숨겨진 실리콘 박막의 두께 측정을 성공적으로 시연했다.
이번 연구는 국제학술지 `어드밴스드 엔지니어링 머터리얼즈(Advanced Engineering Materials)'에 지난 7월 14일 字에 온라인 게재됐으며 지난 10월 호의 후면 표지 논문(back cover)으로 선정됐다.
이번 연구는 실리콘 박막-공동 구조뿐만 아니라 기능성 웨이퍼인 실리콘 온 인슐레이터(Silicon-on-Insulator, SOI) 웨이퍼에서도 실리콘과 내부에 숨겨진 산화막의 두께를 성공적으로 측정함으로써 다양한 구조의 반도체 소자 비파괴 검사에 적용 가능함을 연구팀은 확인했다. 또한 연구팀은 적합한 파장 선택을 통해 실리콘뿐만 아니라 게르마늄 등 다른 반도체 물질의 비파괴 검사에도 적용할 수 있음을 밝혔다. 반도체 기판의 비파괴 검사 방법을 제안하는 이번 연구는 반도체 공정 중 소자 결함을 판별하기 위한 실시간 비파괴 검사에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구를 주도한 이정철 교수는 "개발된 기술은 널리 사용되는 적외선 광원을 사용해 비파괴 방식으로 반도체 물질 내부 구조를 측정한 점에서 기존 방법과 다르고, 안전하고 정밀한 장점 때문에 반도체 소재 및 소자 검사 속도를 향상하는 효과를 가져와 반도체 관련 산업과 우리 삶의 발전에 기여할 것이다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.12.20 조회수 6273 -
리튬이차전지 실리콘 기반 음극의 수명과 관련된 전자전도도 퇴화를 나노스케일에서 영상화 성공
고에너지 밀도를 갖는 리튬이차전지 개발에 대한 수요가 폭발적으로 증가하면서, 실리콘 기반 음극 개발에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 가지고 있어, 고에너지 밀도를 가지는 리튬이차전지용 음극의 유력한 후보로 자리 잡고 있다.
하지만 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창/수축률이 실리콘 활물질의 상업화를 방해하고 있다. 실리콘 기반 음극의 급격한 부피 변화는 특히 전극 내 전자 전달 시스템에 큰 악영향을 미치고 있으며, 이를 보완하기 위해 다양한 도전재 시스템을 적용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 전극 내 전자 전도 채널의 확보는, 활물질 내 균등한 전기화학 반응을 유발하기 위해 필수적이지만, 이를 나노스케일 공간 분해능을 갖고 영상화하는 방법론에 관해서는 많은 연구가 진행되지 않은 실정이다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해, 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량적으로 추출하는 방법론을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 연구팀은 전극 소재와 같이 표면 거칠기가 큰 시료에서 전도성 원자간력현미경(Conductive Atomic Force Microscopy, C-AFM) 운용 시 발생하는 왜곡 정보인 용량성 전류(capacitive current)의 원인을 규명하고, 피어슨 상관 분석 방법을 기반으로 해당 왜곡 정보를 제거했다. 이 방법론을 실리콘/흑연 기반 복합 음극에 적용해 도전재 성분에 따른 전자 전도 채널 영상화를 실시했으며, 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(Signle-Walled Carbon Nano Tube, 이하 SWNCT)가 적용된 전극의 전기적, 전기화학적 우수성을 입증하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 기반 전극과 같이 활물질의 부피 변화가 큰 시스템에서는 기존의 점형 도전재 대비 선형의 구조적 장점을 갖고 있는 SWCNT가 안정적인 전자 전도 채널을 확보하는 데 유리함을 보였다. 또한 SWCNT가 포함된 복합 전극의 경우, 130 사이클 이후에도 활물질의 분쇄가 보다 억제됐음을 보여주며, 전자 전도 채널의 불균일성이 활물질의 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있음을 가설을 들어 설명했다.
제1 저자인 신소재공학과 박건 박사과정은 "전자 전도 채널 불균일이 유발한 전극의 전기화학 특성 퇴화라는 주제로 후속 연구를 진행 중이다ˮ라며 "나노스케일 영상화를 기반으로 지금껏 관찰하지 못했던 현상을 탐구할 수 있어 즐겁다ˮ라고 말했다. 교신 저자인 홍승범 교수는 "왜곡 신호의 원인을 규명하고, 이를 정량적으로 제거하는 연구는 영상화 분야에서 매우 중요하다ˮ라며 "이번에 개발한 방법론이 전극 내 전자 전도 채널을 강화하는데 적용돼, 실리콘 기반 복합 음극의 고도화를 앞당기는 데 도움이 되면 좋겠다ˮ라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재됐다. (논문명: Nanoscale Visualization of the Electron Conduction Channel in the SiO/Graphite Composite Anode)
한편 이번 연구는 LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩(Frontier Research Lab)과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.11.08 조회수 7614 -
고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
신소재공학과 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀(서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해, 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다.
이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에, 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 3월 26일 자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites)
기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있다.
하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.
연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔고, 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다. 공동 연구팀은 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.
연구팀의 기술은 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있으며, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
신병하 교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기이다. 실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것이다”라며 “연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.30 조회수 17218 -
박인규, 정연식 교수, 모바일 기기 탑재 가능한 고성능 수소센서 개발
〈 가오민 연구원, 박인규 교수, 조민규 연구원 〉
우리 대학 기계공학과 박인규 교수, 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀이 폴리스티렌(Polystyrene) 구슬의 자기 조립(self-assembly) 현상을 이용해 고성능의 실리콘 기반 수소센서를 개발했다.
연구팀이 개발한 수소 센서는 제작 과정이 단순하고 비용이 저렴해 모바일 기기에 탑재할 수 있어 전력 소모에 어려움을 겪는 모바일 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
가오 민(Gao Min) 연구원, 조민규 박사후 연구원, 한혁진 박사과정이 참여한 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 3월 8일자 표지논문에 선정됐다.
청정에너지인 수소 가스는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 현재도 냉각 시스템이나 석유 정제시설 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있지만 무색, 무취의 가연성 물질이기 때문에 조기 발견이 어려워 고성능 수소 센서를 개발하는 것이 중요하다.
그러나 기존 수소 센서들은 부피가 크고 소모 전력이 높으며 제작비용이 상대적으로 높은 단점이 있다.
공동 연구팀은 수백 나노미터 (nm) 직경의 폴리스틸렌 구슬들을 자기조립 현상을 이용해 규칙적으로 실리콘 기판 위에 배열시켰다. 이를 이용해 수십 나노미터 수준의 그물 모양 패턴을 구현해 초소형 고성능 수소 센서를 개발했다.
이 기술은 수소가스가 센서에 노출되면 팔라듐 나노입자와 반응해 팔라듐의 일함수(work function)가 변화하고 그에 따라 실리콘 나노 그물 내 전자의 공핍 영역(depletion region)의 크기가 변화하면서 전기 저항이 바뀌는 원리이다.
이번에 개발한 수소 센서는 최소 선폭 50 나노미터 (nm) 이하의 실리콘 나노 그물 구조 센서를 저비용으로 구현할 수 있다.
일반적으로 수소 센서의 성능은 민감도, 반응속도, 선택성 등에 따라 구분된다. 연구팀의 센서는 0.1%의 수소 농도에서 10%의 민감도와 5초의 반응속도를 기록해 기존 실리콘 기반 수소 센서보다 50% 이상 빠르고 10배 이상 높은 민감도를 보였다.
박인규 교수는 “기존의 값비싸고 복잡한 공정을 거치지 않고도, 단순한 방법으로 초미세 나노패턴 구현이 가능하며, 수소센서 뿐만 아니라 다양한 화학, 바이오센서에도 응용이 가능할 것이다”고 말했다.
과학기술정보통신부의 나노소재기술개발사업, 한국연구재단의 국민위해인자에 대응한 기체분자식별․분석기술개발사업, 해양수산부의 해양수산환경기술개발사업, KUSTAR-KAIST 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스몰(Small) 2018년 3월 8일자 Issue 표지논문
그림2. 완성된 수소센서의 일반 사진 (왼쪽), 전자현미경 사진 (중간, 오른쪽)
그림3. 수소 농도 변화에 따른 수소센서의 감지 그래프
2018.04.04 조회수 21345 -
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 19166 -
김정, 박인규 교수, 로봇의 피부 역할 할 수 있는 촉각센서 개발
우리 대학 기계공학과 김정, 박인규 교수 공동 연구팀이 실리콘과 탄소 소재를 활용한 로봇의 피부 역할을 할 수 있는 촉각 센서를 개발했다.
이 기술은 충격 흡수가 가능하면서 다양한 형태의 촉감을 구분할 수 있어 향후 로봇의 외피로 이용 가능할 것으로 기대된다.
이효상 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’ 1월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
피부는 인체에서 가장 많은 부분을 차지하는 기관이며 주요 장기를 외부 충격으로부터 보호하는 동시에 섬세한 촉각 정보를 측정 및 구분해 신경계에 전달하는 역할을 한다.
현재 로봇 감각 기술은 시각, 청각 부분에서는 인간의 능력에 근접하고 있으나 촉각의 경우는 환경의 변화를 온몸으로 감지하는 피부 능력에 비해 많이 부족한 것이 사실이다
인간과 비슷한 기능의 피부를 로봇에게 적용시키기 위해선 높은 신축성을 갖고 충격을 잘 흡수하는 피부 센서 기술의 개발이 필수이다. 전기 배선을 통해 몸 전체에 분포된 많은 센서를 연결하는 기술 또한 해결해야 할 문제이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 실리콘과 탄소나노튜브(CNT)를 혼합해 복합재를 만들었고 이를 전기임피던스영상법(EIT)라는 의료 영상 기법과 결합했다. 이를 통해 넓은 영역에 가해지는 다양한 형태의 힘을 전기 배선 없이도 구분할 수 있는 기술을 개발했다.
이를 통해 개발된 로봇 피부는 망치로 내려치는 수준의 강한 충격도 견딜 수 있으며 센서의 일부가 파손돼도 파손 부위에 복합재를 채운 뒤 경화시키면 재사용이 가능하다.
또한 3D 프린터 등으로 만들어진 3차원 형상 틀에 실리콘-나노튜브 복합재를 채워 넣는 방식으로 제작할 수 있다. 기존 2차원 평판 뿐 아니라 다양한 3차원 곡면으로 제작이 가능해 새로운 형태의 컴퓨터 인터페이스도 개발할 수 있다.
이 기술은 다른 형태의 위치나 크기 등을 촉각적으로 구분할 수 있고 충격 흡수가 가능한 로봇의 피부, 3차원 컴퓨터 인터페이스, 촉각 센서 등에 적용 가능할 것으로 예상된다.
특히 이번 연구는 나노 구조체 및 센서 분야의 전문가인 박인규 교수와 바이오 로봇 분야 전문가인 김정 교수가 공동으로 진행해 실제 제품 적용 가능성이 높다.
김정 교수는 “신축성 촉각 센서는 인체에 바로 부착 가능할 뿐 아니라 다차원 변형상태에 대한 정보를 제공할 수 있다”며 “로봇 피부를 포함한 소프트 로봇 산업 및 착용형 의료기기 분야에 기여할 것이다”고 말했다.
박인규 교수는 “기능성 나노 복합소재와 컴퓨터단층법의 융합을 이용해 차세대 유저인터페이스를 구현한 것이다”고 말했다.
이번 연구는 1저자 이효상 박사과정 외 권동욱, 조지승 연구원과의 공동연구로 진행됐고, 미래창조과학부 이공분야 기초연구사업(중견연구자 지원사업)과 초정밀 광기계기술 연구센터(선도연구센터지원사업)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 제작한 촉각 센서와 연결돼 저항에 반응하는 로봇 손
그림2. 실리콘 고무와 카본나노튜브를 이용한 압저항 복합재 제작 과정
그림3. 압저항 복합재를 활용한 컴퓨터 인터페이스
2017.02.02 조회수 18800 -
신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24 조회수 20188 -
화학적 도핑을 통한 탄소신소재 개발
- 재료분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 25주년 특집호 발표 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수가 ‘화학적 도핑을 통한 탄소 신소재 개발’을 주제로 재료분야 저명학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 25주년 기념 초청 리뷰논문(10월 14일자)을 게재했다.
이번 논문에서 김 교수는 그래핀과 탄소나노튜브에 다양한 이종원소 도핑을 통해 새로운 탄소 소재를 개발하고, 적용 가능한 수준까지 재료의 특성을 끌어올려 배터리, 광촉매 등은 물론 미래 기술로 각광받고 있는 태양전지, 휘어지는 디스플레이 등에도 응용될 것이라고 전망했다.
‘도핑’은 운동경기에서 좋은 성과를 내기 위해 선수들이 약물이나 주사 등을 사용하는 것으로 널리 알려져 있다. 그러나 과학계에서는 순수한 물질에 필요한 불순물을 첨가시키는 것을 ‘도핑’이라고 부른다.
두 가지 도핑 모두 성능을 향상시키는 데 도움이 된다는 공통점을 가지고 있지만 과학계의 도핑은 부작용이 없으며 요구되는 성능을 획득하는데 반드시 필요한 존재라는 특징을 갖고 있다. 실리콘 반도체의 경우에도 다양한 원소가 도핑된 반도체를 사용해 요구 성능을 확보하고 있다.
최근 주목받는 그래핀이나 탄소나노튜브와 같은 신소재는 재료 특성이 매우 우수한 것으로 알려져 있지만 산업적으로 활용하기 위해서는 다양한 원소를 도핑이란 첨가 방법을 통해 재료 특성을 우수하게 끌어올리는 방법이 필요했다.
도핑을 할 경우 탄소원자로만 구성된 그래핀과 탄소나노튜브에 다른 원소의 주입이 가능하게 되고 이들 원소의 특징에 따라서 전자를 주거나 받게 되어 전기를 보다 잘 통하게 할 수 있다. 또 반응성을 향상시켜 산업적 응용을 방해하던 낮은 용매 분산성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 함께 향상된 용매 분산성과 전기 전도도는 그동안 탄소 계열 신소재에서는 불가능하게 여겨졌던 용액 공정을 가능하게 할 수 있다. 이를 통해 휘어지는 반도체, 오래가는 배터리, 효율 높은 광촉매 등의 개발을 가능하게 한다.
김상욱 교수는 “이번 기술 개발로 현재 사용되는 배터리보다 더 오래가는 배터리, 더 빛을 잘 차단해주는 자외선 차단제, 태양열로 가는 자동차 및 휘어지는 휴대폰 등에 활용할 수 있는 신소재의 개발이 한층 더 앞당겨진 것으로 기대된다”고 말했다.
어드밴스드 머티리얼스는 재료분야 최고 수준의 학술지로 이번 25주년 기념 특집에서는 세계적으로 저명한 재료 과학자들로 구성된 학술지 편집진이 엄격한 심사과정을 거쳐 선정한 가장 선도적인 업구업적을 내고 있는 연구자들을 초청해 연구 성과를 소개했다.
그림1. 도핑을 통해 만들어진 탄소 신소재와 이들의 다양한 적용사례
- 1. 태양전지, 2. 휘어지는 기판, 3. 액정, 4. 선택적 흡착제, 5. 에너지 저장 및 변환소자, 6. 복합재료(왼쪽 위부터 시계방향)
2013.11.05 조회수 15190 -
다양한 물질로 만든 나노선 상용화 가능성 열려
- 산·학·연 2년간 공동연구 끝에 나노선 상용화 가능한 기술 개발 -- 폭 50nm, 길이 20cm 나노선 2시간이면 200만 가닥 대량생산 가능해 -
폭이 수십 나노미터 정도로 매우 얇은 나노선의 상용화를 앞당길 혁신적인 기술이 국내 산·학·연 공동연구진에 의해 개발됐다. 향후 나노선을 이용한 반도체, 고성능 센서, 생체소자 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다.
우리 학교 전기및전자공학과 윤준보 교수 연구팀은 (주)LG이노텍(대표 이웅범), 나노종합기술원(원장 이재영)과 공동으로 첨단 과학 분야에서 핵심적인 소재로 쓰이고 있는 나노선을 다양한 소재로 필요한 길이만큼 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
연구결과는 나노 과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월 30일자 온라인판에 게재됐다.
나노선은 폭이 최대 100나노미터 정도에 불과한 긴 선 모양의 구조체로 기존에 발견되지 않았던 다양한 열적, 전기적, 기계적 특성을 보이는 다기능성 나노 소재다. 나노 세계에서만 보이는 특성을 활용하기 위해 나노선은 반도체, 에너지, 생체소자, 광학소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 첨단 소재로 각광 받고 있다.
그러나 수 밀리미터를 성장시키는데 3~4일이 소요될 만큼 합성 속도가 매우 느리고 대량 생산이 어려운 것은 물론 원하는 물질을 자유자재로 나노선으로 제작할 수 있는 기술이 개발되지 않았다.
또 제작된 나노선을 실제로 적용하기 위해서는 가지런히 정렬시켜야 하는데 기존 기술은 정렬을 위해 복잡한 후처리를 해야 하고 정렬 상태도 완벽하지 못해 상용화에 커다란 걸림돌이었다.
연구팀은 이러한 종래의 문제점을 극복하기 위해 기존의 화학적 합성법을 사용하지 않고 반도체공정을 적용했다.
연구팀은 직경 20센티미터의 실리콘 웨이퍼 기판에 광식각 공정을 이용해 목표하는 주기보다 큰 패턴을 형성한 뒤 이 주기를 반복적으로 줄여가는 방법을 이용해 100나노미터 초미세 선격자 패턴을 제작했다.
이 패턴을 기반으로 반도체 제조과정에서 널리 쓰이는 박막증착공정을 활용해 폭 50nm(나노미터), 최대 길이 20cm(센티미터)의 나노선을 완벽한 형태로 대량 제조하는데 성공했다.
개발된 기술은 장시간의 합성 공정을 거칠 필요가 없으며 별도의 후처리를 하지 않아도 완벽하게 정렬된 상태로 만들 수 있어 상용화 가능성이 높은 것으로 학계와 산업계는 평가하고 있다.
윤준보 교수는 이번 연구에 대해 “낮은 생산성, 긴 제조시간, 물질합성의 제약, 나노선 정렬 등과 같은 기존 기술의 문제점을 해결했다는 데 의미가 있다”면서 “그동안 나노선을 산업적으로 널리 활용하지 못했지만 개발된 기술을 활용하면 나노선을 사용한 고성능의 반도체, 광학, 바이오 소자 등의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다.
KAIST 전기및전자공학과 연정호 박사과정 학생, LG이노텍 이영재 책임연구원 나노종합기술원 유동은 선임연구원이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행됐다.
2013.08.22 조회수 15721 -
그래핀 반도체 개발 난제 풀었다!
- 톱니모양 게이트 전극 이용해 그래핀 트랜지스터 스위칭 효율 극대화 -- 그래핀의 높은 전하 이동도 기반한 매우 빠른 논리 소자 구현 가능 -
그래핀을 이용해 속도가 매우 빠른 반도체 만들 수 있는 가능성이 높아졌다.
우리 학교 EEWS대학원 김형준 교수와 윌리엄 고다드 교수가 공동으로 그래핀을 이용한 트랜지스터의 온오프 스위칭 효율을 극대화 할 수 있는 방법을 제시했다.
연구 결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 5월 13일자 온라인판으로 게재됐다.
그래핀은 전자 이동속도가 실리콘에 비해 100배 높기 때문에 반도체 소자로 응용했을 경우 컴퓨터의 속도가 매우 빨라질 수 있다. 이러한 장점 덕분에 그래핀은 기존의 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로써 각광을 받고 있다.
그러나 그래핀의 원자구조 특성으로 인해 온오프 스위칭 효율이 매우 낮아 반도체 소재로 적용이 불가능했다.
최근 그래핀의 스위칭 특성을 높이기 위해 원자 구조를 변형시켜 밴드갭을 확보하는 방법이 제시됐지만 동시에 그래핀의 가장 큰 장점인 높은 전자 이동 속도가 급격히 낮아지는 문제점이 발생한다.
연구팀은 그래핀의 전자 이동 메커니즘이 빛의 전파 과정과 유사함에 착안했다.
김 교수 연구팀은 빛을 반사시키는 원리를 그래핀 전자에 적용, 게이트 전극을 톱니 모양으로 디자인했다. 이를 이용해 트랜지스터를 제작할 경우 스위칭 효율을 최대 100배 정도 높일 수 있음을 이론적으로 입증했다.
이 기술은 그래핀의 원자 구조를 변형시키지 않기 때문에 그래핀의 높은 전자이동 특성을 그대로 사용할 수 있다는 게 큰 특징이다.
이와 함께 기존 실리콘 기반 반도체와 유사한 구조를 갖고 있기 때문에 현재의 반도체 제작 공정을 그대로 응용할 수 있을 것으로 학계는 예상하고 있다.
김형준 교수는 이번 연구에 대해 “이론적으로 제안된 메커니즘을 실현한다면 그래핀을 활용한 연산 속도가 매우 빠른 차세대 컴퓨터 개발에 커다란 기여를 할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 김형준 교수 및 윌리엄 고다드 교수와 고등과학원(KIAS) 손영우 교수, 그리고 미국 캘리포니아 공과대학(Caltech) 장민석 박사, 해리 애트워터 교수가 공동으로 연구를 수행했다.
그림1. 이번 연구에서 제안된 톱니 모양 게이트 구조를 가진 그래핀 트랜지스터 구조.
2013.05.22 조회수 16325