- 종이접기 활용한 3D프린팅 기술, 태양전지의 집적도 및 신축도 대폭 향상 - 전자소자 3차원 설계, 향후 3D 프린팅 의류 및 웨어러블 소자 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 이필립 박사, 조만식 박사, 한양대학교 고민재 교수 공동 연구팀은 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기 기술을 융합하여, 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능한 고신축성 페로브스카이트* 태양전지 모듈을 개발했다. *페로브스카이트 : 빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질 3D 프린팅 기술은 공간배치에 따라 성능이 극대화될 수 있는 태양전지를 포함한 에너지 소자 분야에 활용할 때 잠재력이 클 것으로 기대되고 있으나, 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지 소자 모듈에 관한 연구는 많지 않은 실정이다. 3차원 설계가 가능한 에너지 소자 모듈 기술은 태양전지를 포함한 기존 에너지 소자의 성능 및 적용 분야의 큰 확장이 가능하다는 측면에서 많은 연구가 필요하다. 기존에 신축성 소자 제작을 위해서는 주로 섬-다리(island-bridge) 구조를 활용했다. 하지만, 이 구조에서는 신축성을 높이게 되면 에너지 소자의 집적도가 저하되고, 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었다. 공동 연구진은 3D 프린터 공정과 종이접기 기술**(오리가미, 키리가미 구조)을 활용하여, 신축성을 가지는 태양전지 연결부를 3차원상에 효율적으로 배치했다. 이를 통해 만들어진 페로브스카이트 태양전지 모듈은 100%에 가까운 태양전지 집적도를 달성하여 태양전지 소자로 기판을 가득 채울 수 있었다. 또한, 초기 상태 대비 5배까지 늘어나도 문제가 없었다. 제작된 페로브스카이트 태양전지 모듈은 5배로 늘이는, 1000번의 반복적인 인장 시험에서도 초기의 성능을 유지하였다. **오리가미(Origami) : 한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기 **키리가미(Kirigami) : 접은 종이를 절단하여 여러 가지 모양을 만드는 예술 이는 기존에 발표된 반도체 공정 혹은 2차원 기반 인쇄공정으로 제작된 기존 신축성 소자와 비교하여, 월등한 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성한 결과이다. 공동 연구팀이 도입한 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 얼마든지 늘리는 것이 가능하다. 해당 고 신축성·전도성 플랫폼 기술은 태양전지 외에도 에너지 소자, 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이하며, 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다. 또한, 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 복합적으로 활용하게 될 경우, 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로의 확장이 가능하다. KIST 이필립 박사는 “이번 성과는 3D 프린팅 기술과 에너지 소자와의 융합을 통해 기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하는 접근법을 제시한 것으로, 앞으로 태양전지 유연화 및 경량화, 3차원 설계기술 제어, 그리고 형상기억 고분자 기술과의 융합을 통해 시너지 효과를 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프런티어사업, 멀티스케일 에너지시스템연구단 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR 분야 상위 5.74%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) 3D Printer-Based Encapsulated Origami Electronics for Extreme System Stretchability and High Areal Coverage - (제1저자) 한국과학기술연구원/고려대학교 조만식 박사(現, 공군) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이필립 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 고민재 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 3D 프린팅을 활용한 고 신축성 태양전지 모듈 제작 공정 (b) 제작된 고 신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈 (좌) 및 반복 인장 특성 (우) (좌측) 페로브스카이트 태양전지 모듈 인장 사진 (우측) 1000회의 반복적인 400% 시스템 인장에 따른 성능 변화 그래프

- 종이접기 활용한 3D프린팅 기술, 태양전지의 집적도 및 신축도 대폭 향상 - 전자소자 3차원 설계, 향후 3D 프린팅 의류 및 웨어러블 소자 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 이필립 박사, 조만식 박사, 한양대학교 고민재 교수 공동 연구팀은 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기 기술을 융합하여, 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능한 고신축성 페로브스카이트* 태양전지 모듈을 개발했다. *페로브스카이트 : 빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질 3D 프린팅 기술은 공간배치에 따라 성능이 극대화될 수 있는 태양전지를 포함한 에너지 소자 분야에 활용할 때 잠재력이 클 것으로 기대되고 있으나, 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지 소자 모듈에 관한 연구는 많지 않은 실정이다. 3차원 설계가 가능한 에너지 소자 모듈 기술은 태양전지를 포함한 기존 에너지 소자의 성능 및 적용 분야의 큰 확장이 가능하다는 측면에서 많은 연구가 필요하다. 기존에 신축성 소자 제작을 위해서는 주로 섬-다리(island-bridge) 구조를 활용했다. 하지만, 이 구조에서는 신축성을 높이게 되면 에너지 소자의 집적도가 저하되고, 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었다. 공동 연구진은 3D 프린터 공정과 종이접기 기술**(오리가미, 키리가미 구조)을 활용하여, 신축성을 가지는 태양전지 연결부를 3차원상에 효율적으로 배치했다. 이를 통해 만들어진 페로브스카이트 태양전지 모듈은 100%에 가까운 태양전지 집적도를 달성하여 태양전지 소자로 기판을 가득 채울 수 있었다. 또한, 초기 상태 대비 5배까지 늘어나도 문제가 없었다. 제작된 페로브스카이트 태양전지 모듈은 5배로 늘이는, 1000번의 반복적인 인장 시험에서도 초기의 성능을 유지하였다. **오리가미(Origami) : 한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기 **키리가미(Kirigami) : 접은 종이를 절단하여 여러 가지 모양을 만드는 예술 이는 기존에 발표된 반도체 공정 혹은 2차원 기반 인쇄공정으로 제작된 기존 신축성 소자와 비교하여, 월등한 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성한 결과이다. 공동 연구팀이 도입한 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 얼마든지 늘리는 것이 가능하다. 해당 고 신축성·전도성 플랫폼 기술은 태양전지 외에도 에너지 소자, 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이하며, 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다. 또한, 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 복합적으로 활용하게 될 경우, 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로의 확장이 가능하다. KIST 이필립 박사는 “이번 성과는 3D 프린팅 기술과 에너지 소자와의 융합을 통해 기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하는 접근법을 제시한 것으로, 앞으로 태양전지 유연화 및 경량화, 3차원 설계기술 제어, 그리고 형상기억 고분자 기술과의 융합을 통해 시너지 효과를 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프런티어사업, 멀티스케일 에너지시스템연구단 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR 분야 상위 5.74%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) 3D Printer-Based Encapsulated Origami Electronics for Extreme System Stretchability and High Areal Coverage - (제1저자) 한국과학기술연구원/고려대학교 조만식 박사(現, 공군) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이필립 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 고민재 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 3D 프린팅을 활용한 고 신축성 태양전지 모듈 제작 공정 (b) 제작된 고 신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈 (좌) 및 반복 인장 특성 (우) (좌측) 페로브스카이트 태양전지 모듈 인장 사진 (우측) 1000회의 반복적인 400% 시스템 인장에 따른 성능 변화 그래프

- 종이접기 활용한 3D프린팅 기술, 태양전지의 집적도 및 신축도 대폭 향상 - 전자소자 3차원 설계, 향후 3D 프린팅 의류 및 웨어러블 소자 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 이필립 박사, 조만식 박사, 한양대학교 고민재 교수 공동 연구팀은 전도성 나노물질을 활용한 3D 프린팅 기술과 종이접기 기술을 융합하여, 집적도 및 신축도에 대한 자유로운 제어가 가능한 고신축성 페로브스카이트* 태양전지 모듈을 개발했다. *페로브스카이트 : 빛을 전기로 혹은 전기를 빛으로 바꾸는 특성이 있는 육방면체 구조의 반도체 물질 3D 프린팅 기술은 공간배치에 따라 성능이 극대화될 수 있는 태양전지를 포함한 에너지 소자 분야에 활용할 때 잠재력이 클 것으로 기대되고 있으나, 3D 프린팅 기술을 활용한 에너지 소자 모듈에 관한 연구는 많지 않은 실정이다. 3차원 설계가 가능한 에너지 소자 모듈 기술은 태양전지를 포함한 기존 에너지 소자의 성능 및 적용 분야의 큰 확장이 가능하다는 측면에서 많은 연구가 필요하다. 기존에 신축성 소자 제작을 위해서는 주로 섬-다리(island-bridge) 구조를 활용했다. 하지만, 이 구조에서는 신축성을 높이게 되면 에너지 소자의 집적도가 저하되고, 집적도를 높이게 되면 신축성이 저하되는 문제가 있었다. 공동 연구진은 3D 프린터 공정과 종이접기 기술**(오리가미, 키리가미 구조)을 활용하여, 신축성을 가지는 태양전지 연결부를 3차원상에 효율적으로 배치했다. 이를 통해 만들어진 페로브스카이트 태양전지 모듈은 100%에 가까운 태양전지 집적도를 달성하여 태양전지 소자로 기판을 가득 채울 수 있었다. 또한, 초기 상태 대비 5배까지 늘어나도 문제가 없었다. 제작된 페로브스카이트 태양전지 모듈은 5배로 늘이는, 1000번의 반복적인 인장 시험에서도 초기의 성능을 유지하였다. **오리가미(Origami) : 한 장의 종이를 접어 개서 다양한 형태의 모양을 만드는 종이접기 **키리가미(Kirigami) : 접은 종이를 절단하여 여러 가지 모양을 만드는 예술 이는 기존에 발표된 반도체 공정 혹은 2차원 기반 인쇄공정으로 제작된 기존 신축성 소자와 비교하여, 월등한 집적도 및 시스템 신축성을 동시에 달성한 결과이다. 공동 연구팀이 도입한 접근법을 활용하게 되면 3차원 배치에 따라 집적도 및 신축도를 한계 없이 얼마든지 늘리는 것이 가능하다. 해당 고 신축성·전도성 플랫폼 기술은 태양전지 외에도 에너지 소자, 센서, 액츄에이터 등 다양한 전자 소자에 적용이 용이하며, 3차원 설계에 따른 다양한 소자의 성능 향상을 기대할 수 있다. 또한, 의류, 패션 분야 적용에 강점을 갖는 3D 프린팅 기술을 복합적으로 활용하게 될 경우, 웨어러블 소자와 같은 생활 밀착형, 고부가 가치 사업 분야로의 확장이 가능하다. KIST 이필립 박사는 “이번 성과는 3D 프린팅 기술과 에너지 소자와의 융합을 통해 기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하는 접근법을 제시한 것으로, 앞으로 태양전지 유연화 및 경량화, 3차원 설계기술 제어, 그리고 형상기억 고분자 기술과의 융합을 통해 시너지 효과를 낼 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프런티어사업, 멀티스케일 에너지시스템연구단 및 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR 분야 상위 5.74%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) 3D Printer-Based Encapsulated Origami Electronics for Extreme System Stretchability and High Areal Coverage - (제1저자) 한국과학기술연구원/고려대학교 조만식 박사(現, 공군) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이필립 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 고민재 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 3D 프린팅을 활용한 고 신축성 태양전지 모듈 제작 공정 (b) 제작된 고 신축성 페로브스카이트 태양전지 모듈 (좌) 및 반복 인장 특성 (우) (좌측) 페로브스카이트 태양전지 모듈 인장 사진 (우측) 1000회의 반복적인 400% 시스템 인장에 따른 성능 변화 그래프

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.

- 반복적인 세탁, 구부림에도 물리 화학적으로 안정적인 저가의 탄소 직물 개발 - 에너지 저장 소재, 차세대 웨어러블 제품 등 다양한 분야에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 선임연구원 손동익 박사, 전북대학교 김학용 교수 공동 연구팀은 손상되어 쓰지 못하게 된 소재를 재활용하여 탄소 방적 직물을 제작하고, 리튬이온 이차전지 소재로 적용했다고 밝혔다. 웨어러블 전자 기기에서 필수적 구성요소 중 하나인 유연한 전극은 수 많은 연구들을 통해 다양한 소재들이 적용되어 왔다. 하지만 그 성과로 개발된 소재들의 뛰어난 효율에도 불구하고 높은 제조 비용과 적용된 소재의 물리적, 화학적 특성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있었다. 손동익 박사팀은 산업용 신소재 제조 과정 중 손상된 섬유(‘Oxi-PAN’*)를 재활용하였다. 기존의 면섬유 제조 기술인 방적 공정을 통해 실 형태(방적사**)로 만든 뒤, 편직 공정을 통해 면섬유(방적 직물)로 만들었다. 그 후 안정화 및 탄화 공정을 거쳐 최종적으로 탄소 방적사와 탄소 방적 직물을 제조하였다. *Oxi-PAN 섬유(Oxidized PolyAcryloNitrile) : 내염화(anti-flammable) 섬유로써 유연성이 뛰어나 방적, 직포, 부직포 가공이 용이하고 내약품성, 내열성이 우수한 섬유 **방적사 : 면이나 양털과 같이 길이가 짧은 섬유, 단섬유를 방적한 실의 총칭 연구팀이 만든 탄소 소재는 버려지는 섬유를 재활용하고, 기존의 섬유 제조기술을 적용했기 때문에, 저렴하게 제조할 수 있어 상용화될 가능성이 매우 크다. 연구진은 이 소재를 스마트 의류에 적용 가능한 탄소 의류와 탄소 장갑으로 제조하였다. 실험을 통해 10,000번 이상 반복적으로 접거나 구겨도 형태나 전기전도도가 유지되며 세탁 또한 가능할 만큼 물리 화학적으로도 안정적인 것을 확인했다. KIST 연구진은 한발 더 나아가 제조한 탄소 소재가 이차전지의 소재로 활용하기에 최적화된 구조임을 확인하고, 이차전지의 전극의 필수소재인 집전체***로 활용하였다. 적용된 탄소섬유 집전체는 기존의 알루미늄 집전체 대비 낮은 저항값과 향상된 성능을 나타냈다. 특히, 1,200번 이상의 굽힘 테스트에도 초기 대비 90%이상의 용량을 유지하였으며, 탄소 방적 직물로 제작한 전극은 수차례의 충·방전 테스트에도 우수한 성능을 보였다. 파우치형 리튬이온 이차전지는 자유롭게 변형이 가능하며, 우수한 안정성 및 유연성을 나타내었다. ***집전체 : 이차전지 구조 소재 중에서 전기 저항이 낮으며, 충전과 방전 중에 활물질로 전류를 전달하거나 활물질에서 전류를 전달하도록 하는 구조체 KIST 손동익 박사는 “세탁 가능하고, 구겨지고, 비틀어도 원상복원이 가능한 저가의 탄소 방적 직물 개발은 에너지 저장 소재로의 응용뿐만 아니라 유연한 전자소재, 환경 소재 등 다양한 곳에 널리 응용이 가능할 것으로 생각된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었다. 전북대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재 분야 국제 저널인 ‘Composites Part B : Engineering’ (IF: 6.864, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Versatile 3D porous recycled carbon garments with fully-loaded active materials in the current collector for advanced lithium-ion batteries - (제 1저자) National Research Council Canada(NRC) 조현진 박사 - (제 1저자) 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김연호 박사 - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 선임연구원 - (교신저자) 전북대학교 김학용 교수 <그림설명> [그림 1] Oxi-PAN 방적사 제조부터 전도성 탄소 편직물의 제조 및 에너지 저장장치로의 응용 a. Oxi-PAN 단섬유. b. 방적사 공정에 의해 제조된 옥시-팬 방적 섬유. c. 편직 공정에 의해 제조된 Oxi-PAN 방적 직물, 티셔츠 및 장갑. d. 탄화 공정을 이용한 탄소방적직물, 탄소 의류 및 탄소 장갑의 제조. e. 전도성 탄소 의류(티셔츠) 및 탄소 장갑 제작, 그리고, 탄소방적직물을 사용한 방열판 및 히터 적용. f. 탄소방적직물을 열 보호소재로 응용. g. 3차원 다공성 구조를 갖는 탄소방적직물을 이용해 에너지 저장 장치 중 코인 셀 및 파우치 셀에 적용. [그림 2] 탄소방적직물(CSF)의 반복된 저항 테스트, 탄소방적직물의 열 확산 측정과 히터 응용 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 사진. b 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트동안의 저항 자료 사진. c 1100도에 탄화된 탄소방적직물의 10,000 cycle 반복된 굳힘 테스트 동안의 변화된 분석 자료 사진. d 굳힘과 늘어남에 대한 변화 동안의 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향(Course)) 실험 사진. e 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (120 s, 1 to 6 V) 의 열분석 자료. f 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC) over time (600 s, 1 to 6 V) 의 반복된 열분석 자료. g, h, i 1100도에 탄화된 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course))의 가해진 전압 (1 V, 3.75 V, and 6 V)의 사진. j, k 굳힘 테스트 동안의 전압 (3.6 V and 3.8 V)에 가해진 탄소방적직물 (건조, 가로방향(Wale)와 세로방향 (Course), 1100 oC) 사진. [그림 3] 탄소방적직물(CSF)의 이론적 열 확산 계산, 열 분산, 단열 및 안정성 실험 a, b 기본 세로방향 직물 (course standard)과 세로방향 직물 늘어남 (course stretching (40%))의 주사전자현미경 (SEM) 이미지. c, d 세로 방향(course) 탄소방적직물 (표준 (0 %) 및 연신 (40 %))의 finite element analysis (FEA)에서 Joule heating 시뮬레이션 자료 이미지와 탄소방적직물의 모델링 및 시뮬레이션과 실험 간의 온도 비교. e 웨어러블 전자기기용 전극으로서 유연하고 구겨진 접히고 뒤틀린 탄소방적직물 (CSF) 사진. f 탄소방적직물의 단열 시험 사진. g A-D 적외선 열화상 카메라으로 부터 열 분석 데이터와 함께 방열판으로서 상용 Cu 호일과 탄소방적직물 (Dry, 1100 oC)의 LED 전기 회로 사진. [그림 4] 리튬 이온 베터리를 적용하기 위한 LiFePO4/탄소 직물 복합재의 분석 a 코인 셀의 개략도. b 코인 셀에 적용된 탄소방적직물 (CSF) (pristine) 및 CSF/LFP 합성물의 도식도. c 3 차원 다공성 구조 (top image, A)를 가진 유일한 CSF (pristine)의 비파괴 3D X-ray Microscopes (XRM)의 가상 단면 사진. 충 방전 Nc = 200 후 CSF/LFP 복합체 구조의 가상 단면 사진 (bottom image, B). d 충전/방전 후 CSF/LFP 복합체의 총 면적을 나타내는 XRM 이미지 (Nc = 200). e CSF를 제외한 LFP 활물질의 면적 계산. f LFP 활물질 및 CSF를 제외한 기공 면적. SEM-AFM (KPFM)에 의한 CSF/LFP 복합체의 구조 및 전기 분석. g 충전/방전 전에 CSF/LFP 복합체에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. h, i Surface topography 및 충전/방전 이전의 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. j 충전/방전 Nc = 200 주기 후 샘플에 접근하는 AFM 팁의 SEM 이미지. k, l Surface topography 과 충전/방전 사이클 후 Surface potential 데이터, 스캔 크기 1.5 μm × 1.5 μm. [그림 5] 카본섬유를 집전체로 적용한 플렉서블 리튬이차전지 특성 (a-d) 플렉서블 카본섬유가 집전체로 적용된 리튬이차전지의 코인셀 특성 (e-g) 형태의 변형이 가능한 파우치 형태로 제작된 리튬이차전지의 굽힘 및 전지 특성.