발전기금
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- [연구] 신소재공학과 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진을 위한 태양광 물분해 광전극과 저항변화메모리의 기술융합
- 신소재공학과 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진을 위한 태양광 물분해 광전극과 저항변화메모리의 기술융합 - 뛰어난 내구성과 높은 수소변환 효율 동시에 달성 - 이론값 대비 80%에 도달하는 광전극 소자 개발 - 에너지 분야의 세계적 학술지 Advanced Energy Materials 9월호 표지논문 선정 [그림] 조형균 교수, 김동수 연구원(왼쪽부터) 연구팀은 누구도 시도하지 않은 전도성 필라멘트의 기술력을 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 상용화의 가능성을 확인하고, 무한한 청정에너지인 태양광과 물을 기반으로 그린수소를 생성할 수 있는 광전극의 효율을 이론값 대비 80% 수준까지 달성했다. 친환경 수소에너지는 태양광에너지를 흡수하여 물을 그린수소로 변환함으로써 얻을 수 있다. 이때 광전극은 태양광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하여 광전류를 형성한다. 하지만, 기존의 광전극은 의도하지 않은 자발적 광부식이 발생하여 장시간 안정성을 보장할 수 없었다. 이를 해결하기 위해 내식성이 뛰어난 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 표면보호층 적층기술이 연구되었으나, 표면보호층의 낮은 전도성 때문에 극심한 광전류의 손실이 야기된다. 결과적으로 광전극의 장시간 안정성과 수소변환 효율이 상충관계(trade-off)를 가지게 되어 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 이에 조형균 교수 연구팀은 저항변화메모리 소자에서 반도체의 전도성을 인위적으로 제어할 수 있는 전도성 필라멘트 기술력을 광전극에 적용하였다. 산화구리(Cu2O) 기반의 광전기화학셀에 필라멘트 기술 도입은 세계 최초 시도이며, 연구진은 전도성 필라멘트의 메커니즘까지 규명하였다. 광전극 내부에 산소공공(Oxygen vacancy)으로 구성된 필라멘트를 전기화학적방법으로 형성하여 이산화티타늄(TiO2)의 전도성을 증가시키며 광전류를 11.9mA/cm2(산화구리 광음극 world record, 이론값 대비 약 80%) 까지 달성하였고 약 100시간 이상의 장시간 안정성까지 동시에 보장하였다. 또한 수소 변환 촉매인 백금(Pt)을 전도성 필라멘트 영역에 광전기화학증착방법을 통해 선택적으로 성장시키는 기술도 효율 향상에 큰 기여를 하였다. 조형균 교수는 “본 연구는 태양광과 물을 통해 무한한 그린수소의 시대를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 메모리 반도체에 사용되어온 기술을 수소 생산에 적용한 창의적인 아이디어로 융합연구의 좋은 본보기가 된 결과이다”고 말했다. 본 연구에서는 산화구리 기반의 광전극에 전기화학적방법으로 영구적인 전도성 필라멘트를 인위적으로 형성하여 기존의 광전극과 비교하여 광전류를 10배 이상 증가시켰다. 대면적화, 고효율, 저비용을 가능케 하는 전기화학증착 방법을 기반으로 구성된 광전기화학셀은 시간당 188μmol/cm2의 그린수소를 생성하였으며, 광전극에서 생성된 전하가 인위적 필라멘트를 통하여 가속전달 되는 전도성 메커니즘을 새롭게 규명하였다. 본 연구는 국가연구과제 "광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리분야(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지를 장식했다. ※ 논문명 : Towards simultaneous achievement of outstanding durability and photoelectrochemical reaction in Cu2O photocathodesviaelectrochemicallydesignedresistiveswitching
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학부 정현석, 이재찬, 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀, 강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발
- 신소재공학부 정현석, 이재찬, 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀, 강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발 - 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향 제시 기대 [그림1] 신소재공학부 정현석 교수, 이재찬 교수, 에너지과학과 안태규 교수 신소재공학부 정현석 교수(공동 제1저자 Jun Zhu 박사과정), 이재찬 교수(공동 제1저자 박슬용 석박사통합과정), 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀은 할라이드 페로브스카이트 소재에 강산화제 물질을 도입해 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다. 할라이드 페로브스카이트는 높은 광흡수율, 광여기된 전자와 정공의 긴 수명 등 태양전지의 소재로서 뛰어난 특성을 보여준다. 최근 이를 활용한 태양전지는 이미 상업화된 태양전지보다 높은 에너지 변환 효율을 보여 차세대 태양전지 소재로 큰 주목을 받고 있다. 하지만 할라이드 페로브스카이트에 본질적으로 존재하는 할라이드 공공과 같은 결함은 전자의 국부화를 유도해 비방사성 재조합을 유도하는 결함복합체를 형성, 광여기된 전자와 정공의 수명을 급격히 감소시킨다. 이로 인해 할라이드 페로브스카이트의 태양전지 소재로서 뛰어난 특성들이 충분히 활용되지 못했다. 이에 연구진은 강산화제인 이황화 포름아미딘 이온을 첨가하여 페로브스카이트 결함에 국부화된 전자를 제거했다. 이황화 포름아미딘 이온은 강한 산화제로서 다른 물질의 전자들을 빼앗아 산화시키는 성질을 갖고 있으며, 페로브스카이트 내에서도 요오드 공공에 국부화된 전자를 제거했다. [그림2] 그림 1은 일반적인 포름아미드요오드화납(FAPbI3) 내 요오드 공공에 국부화된 전자가 비방사성 재조합 중심역할을 하는 결함 복합체를 만드는 과정의 개략도이며, 그림 2의 개략도에서 보는 것과 같이 포름아미드요오드화납 내 이황화 포름아미딘은 요오드 공공에 전자가 국부화되는 것을 막아 결함복합체의 생성을 효과적으로 억제한다. 본 연구에서는 이황화 포름아미딘 이온이 페로브스카이트 구조에 안정적으로 통합되며 요오드 공공의 국부화된 전자를 빼앗아 비방사성 재조합 중심이 되는 결함복합체의 형성을 효과적으로 억제하는 것을 제일원리계산을 통해 밝혔으며, 이를 바탕으로 제작된 페로브스카이트 소재에서 광여기된 전자와 정공의 수명이 향상되는 것을 실험적으로 입증했다. 또한 이황화 포름아미딘 이온은 페로브스카이트 소재 합성과정 중 전구체들이 중간상을 형성하도록 유도해 제작된 페로브스카이트의 결정성 및 결정립계의 크기를 개선해 소재의 특성과 안정성을 더욱 향상시키는 것을 확인했다. [그림3] 그림 3은 이황화 포름아미딘을 첨가한 페로브스카이트를 활용하여 제작한 태양전지 모듈이며, 그림 4와 같이 대면적의 태양전지 모듈에서 매우 높은 에너지 변환 효율을 보여주고 있다. 연구진은 “이황화 포름아미딘 이온이 첨가된 페로브스카이트를 이용한 태양전지는 단위 셀뿐만 아니라 넓은 면적의 태양전지 모듈에서 20% 이상의 우수한 효율을 나타냈다”며 “본 연구는 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성의 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 전했다. 본 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 에너지&엔바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental science, IF 38.532)에 7.30(금)에 게재되었다. ※ 논문명 : Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules ※ Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules - Energy &Environmental Science (RSC Publishing)
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학과 강주훈 교수 연구팀, 반도체 이종접합을 활용한 3진법 소자 개발
- 신소재공학과 강주훈 교수 연구팀, 반도체 이종접합을 활용한 3진법 소자 개발 - 2진법 소자의 물리적 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소재 및 소자 기술 [그림1] 신소재공학과 강주훈 교수 신소재공학과 강주훈 교수가 연세대학교 화공생명공학부 조정호 교수와 함께 3진법 연산이 가능한 차세대 반도체 소재 및 소자기술을 개발했다고 밝혔다. 최근 4차 산업혁명의 핵심인 AI, 자율주행, IoT 등의 기술에 대한 수요가 많아지면서 대규모 정보를 빠르게 처리하는 고성능 반도체 연구개발 또한 주목을 받고 있다. 현재 2진법 기반의 반도체 소자는 단위면적당 집적도 향상을 위한 물리적 한계에 봉착한 상태이며, 이에 짧은 정보처리 시간, 높은 성능, 낮은 소비전력 등의 조건을 만족하기 위한 새로운 패러다임으로 3진법 이상의 다진법 소자 구현에 관한 연구가 대안으로 등장했다. 이러한 난제를 해결하기 위하여 연구팀은 서로 다른 문턱전압을 갖는 두 종류의 반도체를 순차적으로 구동하는 방식을 통해 3진법 정보 처리를 위한 “0”, “1”, “2” 상태를 안정적으로 구현했다. 더불어 본 3진법 반도체 소자를 이용하여 다양한 논리 연산 또한 안정적으로 구동하는 것을 확인했다. 강주훈 교수는 “본 기술 구현을 위한 소자구조는 기존의 반도체 공정상의 큰 변경이나 추가 없이 웨이퍼 단위의 대면적 다진법 소자 구현이 가능하다는 점에서 기초연구를 넘어 실제 반도체 산업에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. [그림2] 다진법 구현이 가능한 소자 구조의 모식도와 구동원리 연구진은 계산을 통해 이상적인 반도체 소재 조합을 효율적으로 설계하고 실제 구현을 통해 3진법을 초과하는 다진법 연구에 본 기술을 확장하여 적용시킬 계획이다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 신진연구자지원사업, 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 소재 분야의 세계적 권위지인 Advanced Materials (Impact Factor=30.849, JCR ranking 상위 2.2%)'에 7.22(목) 출판되었다. 아울러 연구진은 관련 연구 동향을 다룬 내용을 4.21(수) Advanced Science(Impact Factor=16.806, JCR ranking 상위 5.2%)에 표지논문으로 출판한 바 있다. ※ 논문명 : Multi-State Heterojunction Transistors Based on Field-Effect Tunneling-Transport Transitions ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101243
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 관성을 이용한 인체삽입형 에너지 하베스팅 기술 개발
- 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 관성을 이용한 인체삽입형 에너지 하베스팅 기술 개발 - 인체 움직임을 이용한 자가발전형 심장박동기 기술 개발 - 걸음 걸이당 심장박동기의 소모 전력과 유사한 40μW수준의 에너지 발전 - 향후 다양한 인체삽입형 의료기기의 동력원으로 활용 기대 [그림1] 신소재공학부 김상우 교수, 유한준 박사 신소재공학부 김상우 교수(교신저자)와 유한준 박사(제1저자)는 에너지마이닝社 박현문 대표(공동 제1저자) 및 서울대학교병원 순환기내과 최의근 교수(공동저자) 연구팀과 함께 마찰전기 현상을 활용하여 인체 움직임에 의해 체내에서 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 동전 형태 건전지 크기와 유사한 인체삽입형 에너지 하베스팅 소자 기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 인체 움직임을 이용하여 체내 의료기기를 충전할 수 있어, 기존 인체삽입형 의료기기의 동력원 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공한 것이다. [그림2] 인체삽입형 의료기기는 한정적인 배터리 수명 문제로 인해 주기적으로 의료기기를 교체하는 재수술이 필요하고, 환자의 신체적, 경제적 손실을 일으키고 있다. 특히 인체삽입형 의료기기 중 심장박동기의 경우 전 세계적으로 신규 환자 및 재수술 건수가 지속적으로 증가하고 있으며, 의료기기의 동작 수명을 증가시키기 위해 시스템의 소모 전력을 최소화하려는 연구가 주로 진행됐다. ㅇ 의료기기의 소모 전력을 최소화하는 방안이 최우선적으로 연구되고 있지만, 시스템에서 소모하는 전력을 더 줄이기가 어렵고 오히려 더 많은 기능을 요구하고 있어 소모 전력이 증가하고 있다. 또한 체내삽입형기기의 소형화에 맞물려 배터리 크기 또한 소형화되고 있어 실제 체내삽입형기기의 사용시간이 증가하지 못하고 있다. [그림3] 공동연구팀은 박스 속의 물체가 외부 움직임에 의한 관성으로 인해 쉽게 움직인다는 점에서 힌트를 찾았다. 의료용 소재로 완전히 밀폐된 환경에서도 신체 움직임에서 발생하는 관성과 중력에 의해 수직 운동하는 자유무게층과 고정된 물질층 간의 마찰에 의한 정전기 발생을 이용하여 전기에너지를 발전시켰다. 발전된 에너지는 전원 관리 집적 회로(PMIC, Power Management Integrated Circuit)를 이용해 배터리를 충전할 수 있음을 입증했다. 대형 동물에서 발생하는 다양한 움직임을 전기에너지로 변환하는 실험을 진행하였고, 다양한 움직임에서 에너지로 발전할 수 있는 점을 무선 계측 시스템을 통해 확인하였다. 나아가 발전소자의 무해성과 실제 동물 움직임을 활용하여 커패시터와 배터리를 충전할 수 있음을 검증하였다. [그림4] 본 실험에서 발전소자가 발전하는 에너지양을 역산해 보았을 때, 심장박동기 구동 수명을 약 10% 이상 증가시킬 수 있을 것으로 예측되며, 향후 집적화된 소자의 개수를 증가시키면 발전 출력이 선형 증가할 것으로 기대된다. 나아가 본 실험에서는 자가발전형 심장박동기 시스템을 제안하였으며, 심장박동기가 정상 동작함을 실증하였다. 김상우 교수는 “본 연구는 마찰대전 기반 인체삽입형 에너지 하베스팅 기술로, 기존 무선 에너지 송신 기술과 다르게 전자파, 발열 등이 없어 체외로부터의 충전 없이 구동하는 자가발전 의료기기의 가능성을 제시해 주는 기술이다”며 “기존 연구결과가 제시하지 못했던 체내 배터리 충전 가능성, 자가발전형 심장박동기 시스템까지 실증하였으며, 추후 후속 연구를 통해 발전 효율을 극대화할 예정이다”라고 말했다. [그림5] 본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 7월 16일(금) 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Self-rechargeable cardiac pacemaker system with triboelectric nanogenerators ※ 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대학교 신소재공학부), 유한준 박사(제1저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 박현문 박사(제1저자, 현 에너지마이닝 대표이사), 김무강 연구원(참여저자, 서울대학교병원), 김보성 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 명현석 박사(참여저자, 에너지마이닝 연구원), 김태윤 박사(참여저자, 현 삼성반도체연구소), 윤홍준 박사(참여저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 곽성수 박사(참여저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 김지혜 박사(참여저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 황태호 박사(참여저자, 전자부품연구원), 최의근 교수(참여저자, 서울대학교병원 순환기내과) [그림6]
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 이방성 반도체 소재를 활용한 불규칙 저농도 독성이산화질소 탐지용 메모리 타입 센싱 시스템 제시
- 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 이방성 반도체 소재를 활용한 불규칙 저농도 독성이산화질소 탐지용 메모리 타입 센싱 시스템 제시 [그림1] 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 공동 제1저자 김영빈 박사, 정성현 박사과정 신소재공학부 조형균 교수 연구팀(공동 제1저자 김영빈 박사, 정성현 박사과정)은 일반적인 고농도 독성이산화질소 가스에 대한 경보 기능뿐만 아니라, 불규칙적/지속적 노출에 따른 누적량을 탐지하는 진보적 기능을 모두 탑재한 메모리 타입 가스 센싱 시스템을 제시했다고 밝혔다. 기존의 독성 가스 센싱 시스템은 치사량 이상의 순간적인 독성가스 노출을 탐지하여 시그널을 생성하는 것이 주된 기능이지만, 실생활에서는 치사량 이하 저농도 독성가스가 불규칙적이고 지속적으로 체내에 누적되어 치사량을 넘는 상황이 발생한다. 불규칙적인 가스 노출 환경에 따른 시그널을 생성하기 위해선 구동 및 자발적 회복기능이 동일한 환경에서 이뤄져야 하지만, 기존에 연구된 산화물 반도체와 같은 소재는 강한 화학흡착 기구를 통해 구동되기 때문에 불규칙적인 가스 노출 환경에 대한 시그널 생성에 어려움이 있었다. [그림2] 이에 연구팀은 저차원 결정구조 반도체인 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3) 나노플레이크(Nanoflake)를 디자인 및 개발하고, 이를 기반으로 고농도에서의 비상 경보기능과 저농도에서의 메모리타입 가스 센싱이 모두 가능한 시스템을 구현했다. [그림3] 일반적으로 저차원구조 소재 기반 가스 센싱은 결함이 존재하지 않는 반 데르 발스(van der Waals) 면에서 발생하는 물리적 흡착 (Physisorption)에 의해 상온에서 구동가능하며, 산화물 기반 센싱 소재의 끊어진 결합, 즉, 댕글링 본드(Dangling bonds) 면에서는 고온에서 반응하는 화학적 흡착(Chemisorption)을 통해 구동한다. Sb2Se3 나노플레이크 구조는 이방성 2차원 결정구조로 인해, 형성된 표면이 반 데르 발스 결정면과 댕글링 본드 결정면으로 이루어지는 이방성을 보이며, 상온 및 고온에서 모두 이산화질소 탐지가 가능하다. 특히 기존소재와 달리, 본 Sb2Se3 가스 센서는 상온에서도 매우 낮은 구동전압(1V)만을 필요로 하며, 자발적 회복 기능으로 별도의 처리 없이 지속적인 구동이 가능하다. [그림4] 연구팀은 2차원 결정구조를 가지는 Sb2Se3 나노플레이크 구조를 가지는 전도성 재료의 결정면에 따른 물리흡착기구와 화학흡착기구를 적극 활용하여 상온 구동 및 자발적 회복기능을 갖는 메모리타입의 센싱 시스템의 구현이 가능하게 하였다. [그림5] 조형균 교수는 “Sb2Se3 가스 센서 개발을 통해 치사량을 넘는 고농도 가스에 대한 비상경보 기능을 포함해, 극미량의 불규칙적이고 지속적인 노출 환경에서 체내에 누적됨에 따라 치사량을 넘을 수 있는 상황을 실시간으로 확인할 수 있도록 하는 메모리타입 센싱 시스템을 구현한 것은 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 국가연구과제 "광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)와 “스마트 플랫폼 첨단소재 개발연구 (Development of Advanced Materials for Smart Platform)” (No.2019R1A6A1A03033215)의 지원을 받아 수행되었으며, 소재과학(Materials science) 분야 상위 4.33% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Functional Materials (IF 18.808)에 2021년 6월 온라인 게재되었다.
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발
- 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발 - 정전기와 나노와이어 기반 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술 개발 - 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중 병원체 제거 - 향후 실내외 공조시스템 및 마스크 방호복으로 활용 [그림1] 신소재공학부 김상우 교수, 김영준 연구원 우리 대학은 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용하여 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체(바이러스, 박테리아)를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이로써 우리 주변에 흔히 존재하지만 사용되지 못하고 버려지는 진동 등의 운동 에너지를 수확(energy harvesting)하여 정전기를 발생시키고 실내외 병원체를 단기간에 제거할 수 있게 되었다. 공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적·경제적 손실이 발생하고 있다. 특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 COVID-19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있다. ㅇ 백신 개발에 필요한 시간을 고려하였을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제가 있다. 또한 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성이 있다. 연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 찾았다. 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 연구진은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음을 확인했다. 이는 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터와 비교했을 때 유사한 수준이지만 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술이다”며 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 17일(목) 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Triboelectrification induced self-powered microbial disinfection using nanowire- enhanced localized electric field ※ 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 김영준 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정), Zheng-Yang Huo 박사(제1저자, 성균관대 연구교수), 서인용 연구원(참여저자, 성균관대 석사과정), 이동민 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 이정환 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원), Ye Du 박사(참여저자, Sichuan University), Si Wang 연구원(참여저자, UESTC), 윤홍준 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원, 현 Northwestern University 박사후연구원) [그림2] 전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법에 의한 박테리아 사멸 [그림3] 병원체 제거 시스템의 작동 원리 [그림4] 정전기 에너지 하베스터의 구조 및 공진에 따른 출력 증가 [그림5] 공기 중 바이러스 및 박테리아 제거 효율 [그림6] 대전부 설계에 따른 제거 효율 및 상용화된 필터와 차압 비교
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- 작성일 2022-02-08
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- [학생실적] 성균나노과학기술원 김영준 교수 연구팀 (신소재공학과 박창원 박사과정), 그래핀 코팅을 통해 리튬이온전지의 부피를 줄이는 고밀도 전극 설계기술 개발
- 성균나노과학기술원 김영준 교수 연구팀 (신소재공학과 박창원 박사과정), 그래핀 코팅을 통해 리튬이온전지의 부피를 줄이는 고밀도 전극 설계기술 개발 - 전극 소재에 단순 공정을 통해 그래핀 코팅하는 기술 확보 - 전극 밀도 한계 돌파 및 향후 고에너지밀도 리튬이온전지 기술 선도 기대 [그림1] 성균나노과학기술원 김영준 교수, 신소재공학과 박사과정 박창원 연구원 성균나노과학기술원 김영준 교수(교신저자) 연구팀이 신소재공학과 박창원(제1저자, 박사과정) 등과 함께 그래핀 코팅을 통한 고밀도 전극 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 고용량 니켈 층상계 양극 소재의 경우 입자의 강도가 낮아 전극 밀도를 높이는데 한계가 있으며, 도전재로 사용하는 카본블랙 소재는 비효율적 분포로 인해 전극의 밀도를 높이는데 걸림돌로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로 전자전도성이 우수한 미세 입자의 그래핀을 전극소재 표면에 균일하게 코팅하여 전자의 전달을 효과적으로 유도하고 양극 소재 입자간 마찰력을 줄여 고밀도 리튬이온전지 전극기술을 실현했다. 양극소재 표면에 그래핀을 코팅하여 도전재와 바인더의 사용량을 최소화했으며, 이를 통해 리튬이온전지 양극의 용량밀도 한계로 여겨지던 700mAh/cc를 25% 이상 극복한 880mAh/cc의 고에너지 전극기술을 확보하게 되었다. [그림2] 전자전도성이 없는 니켈층상계 양극 소재 표면에 그래핀이 흡착하는 모식도 연구팀은 기존의 전자전도성이 떨어지는 산화그래핀 코팅 기술과는 차별화된 전자전도성이 우수한 그래핀 코팅을 자체 발굴한 계면활성제를 통해 구현하였으며, 양산이 가능한 단순화된 공정으로 만들었다고 발표했다. 김영준 교수는 “본 연구는 기존 전극의 formulation에 새로운 방향을 제시한 것으로, 향후 고에너지밀도 리튬이온전지의 전극 구성과 차세대 이차전지 소재, 전극 기술에 혁신을 기대할 수 있다”고 말했다. 본 연구결과는 세계적 권위지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=12.121)에 4.9(금) 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Graphene collage on Ni-rich layered oxide cathodes for advanced lithium-ion batteries
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- 작성일 2022-02-08
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