보도자료
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초저가와 고효율 달성이 동시에 가능한 신구조 플렉서블 태양전지 기술개발
초저가와 고효율 달성이 동시에 가능한 신구조 플렉서블 태양전지 기술개발 - 고가의 투명전도성 전극소재가 필요하지 않아 기존 소재의 절반 가격으로 고효율 플렉서블 태양전지 구현 가능 - 전사법을 이용하여 플렉서블한 다양한 기판에 광전극 구현이 가능해 향후 웨어러블 기기에 구현이 가능 태양전지 가격경쟁력은 전지를 구성하는 소재의 가격과 태양전지 효율에 의해서 결정된다. 국내 연구진이 현재 태양전지 가격에 큰 영향을 미치는 고가의 투명전도성 전극을 전혀 사용하지 않으면서도 고효율 달성이 가능한 신 구조 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 고온에서 열처리 한 무기 광전극을 떼어내어 플라스틱처럼 잘 휘어지는 기판 (플라스틱, 종이, 섬유) 등에 전사하여 붙이는 방식을 이용한 신 구조 고효율의 염료감응 플렉서블 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 태양전지나 디스플레이 등의 전자소자는 소자의 효율 향상을 위해 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 전기 전도도를 요구하는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전도성 전극(Transparent conducting oxide)이 필요하다. 하지만, ITO의 주원료인 인듐은 희귀 금속으로 가격이 비싸, 차세대 태양전지인 염료감응 태양전지의 재료비 중 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 고효율의 태양전지를 제작하기 위해서는 이러한 값비싼 투명전도성 전극외에도 무기 광전극을 고온에서 열처리하는 과정이 반드시 필요한데, 이는 무기 광전극 내부가 단단히 연결이 되고 기판과의 접착력이 좋아져서 소자저항이 작아지기 때문이다. 플렉서블 태양전지를 만들기 위해 기존에는 유연하지만 열에 약한 플라스틱 기판을 활용하기 위해 효율이 낮은 저온 공정을 사용했다. 또한 투명전도성 전극을 사용하는 경우, 태양전지를 휘었을 경우 ITO가 깨져 전기적 특성이 감소하는 등의 단점이 있었다. 연구팀이 개발한 제작방법은 유리기판 위에 고온에서 열처리한 TiO2(산화타이타늄) 전극을 형성시킨 후, 플렉서블한 기판에 옮겨 붙이는 전사 방법을 적용하여 플라스틱 기판에서 고효율의 태양전지를 구현하였다. 전사방법을 사용하면 고온 열처리한 저항이 낮은 광전극을 다양한 플렉서블한 기판에 옮겨 붙일 수 있기 때문에 고효율 달성이 용이하다. 후면전극 역시 인듐보다 상대적으로 가격이 저렴한 타이타늄 질화물(nitride)로 만들었고, 상대전극도 투명 전도성 물질을 사용하지 않고 탄소와 백금 복합체를 사용하여 플라스틱 전극 위에 제작하였다. 이렇게 제작된 염료감응 태양전지는 기존 전지에 비해 소재가격은 50% 이하로, 전체 태양전지 가격은 30%이하로 가격이 낮아지는 효과를 보였다. 또한 개발한 전사법은 휘어짐에 강한 타이타늄 계열의 광전극을 고분자 필름위에 붙여, 태양전지를 휘었을 경우에도 기판의 손상과 효율의 감소 없이 특성이 좋은 태양전지를 제작할 수 있었다. 이렇게 개발한 태양전지는 투명 전도성 물질을 전혀 사용하지 않음에도 불구하고, 보고된 염료감응 플렉서블 태양전지 중 최고 수준인 8.10%의 광변환 효율을 기록하였다. 연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 기판의 종류에 상관없이 제작할 수 있고, 잘 휘어지면서도 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 분야의 핵심소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다” 며 “연구팀에서 개발한 전사법을 이용하면 태양전지 이외에도 다양한 전자 기기 및 전기화학 기기 등 전자소자를 사용하는 응용분야에서 직물이나 종이, 플라스틱, 금속 등 휘어질 수 있는 다양한 기판 위에 제작할 수 있어 광범위한 응용을 기대할 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 나노 분야의 전문학술지인 ACS Nano 4월 28일자에 게재되었으며, 국내 및 해외 특허를 출원하였다. 이번 성과로 지난 '15.4.22(수) 정부가 발표한 "기후변화 대응을 위한 에너지 신산업 및 핵심기술개발전략"에서 제시한 차세대 태양전지 개발에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다. <그림 1> 투명 전도성 전극이 없는 고효율 초저가 플렉서블 태양전지 / 전지 사이즈 2cm X 2cm의 태양전지 전류전압 곡선. (대면적인 10cm X 10cm에서도 가능) <그림 2> (a) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 (b) 전사법을 이용하여 염료가 흡착된 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 (c) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 염료 흡착하여 극세사(천) 위에 적용 (d) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 OHP 필름 위에 적용 (e) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극의 전도성을 보기 위해 밴딩 후에 LED연결 (f) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 극세사(천) 위에 적용 (g) 고온소성한 태양전지 상대전극을 전사법을 극세사(천) 적용 (접힌 후에도 전도성을 가지고 있음) (h) 전사법을 이용하여 고온소성한 Ag 전극을 전사하여 연필에 감싼 뒤에도 좋은 전도도를 가짐을 확인하였음. <그림 3> (a) 전사법을 이용하여 태양전지 광전극을 만드는 방법 (b) 전사법을 이용하여 태양전지 상대전극을 만드는 방법 <그림 4> 일반적인 태양전지와 신구조 태양전지의 구조 비교
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- 작성자광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀
- 작성일2015.05.07
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흡연자도 싫은 흡연실 담배연기 나노촉매로 잡는다
흡연자도 싫은 흡연실 담배연기 나노촉매로 잡는다 - 니코틴, 타르 등 입자상 물질은 물론 아세트알데히드와 같은 가스상 물질을 크게 감소시키는 청정화장치 기술 KIST-KT&G 공동 개발 전국적으로 금연구역이 확대됨에 따라, 흡연실 수요가 증가하는 추세이지만 흡연실 공기질 개선방안은 미흡한 실정이다. 국내 연구진이 담배연기의 가스성분 중 가장 많은 양을 차지하는 1급 발암물질인 아세트알데히드를 100% 제거하는 흡연실 공기정화용 나노 촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 이 외에도 니코틴, 타르 등 담배의 입자성분 역시 100% 제거해 인체에 무해한 물과 이산화탄소로 바뀌는 것으로 나타났다. 연구팀은 개발한 촉매로 만든 공기정화기를 흡연실에 설치하면 약 5평 규모 흡연실에서 10명이 동시에 피운 담배연기를 30분 내에 약 80% 이상, 1시간 내에는 100% 처리할 수 있다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(원장 이병권) 환경복지연구단 정종수, 배귀남 박사 연구팀은 “흡연실에 사용 가능한 망간산화물계 나노촉매를 코팅한 나노촉매 필터를 ㈜KT&G와 공동으로 개발하여 흡연실 실내의 담배연기의 주요 성분을 크게 감소시킬 수 있는 청정화시스템을 개발했다”고 밝혔다. 기존 흡연실에서 담배연기 제거에 쓰이는 필터는 가스상 물질의 제거를 위한 활성탄 필터를 사용하지만, 아세트알데히드 등 가스상 물질의 제거 효과가 적고, 흡연실과 같은 시설에서는 흡착성능이 빨리 감소해 2주마다 교체해야해 관리가 어려웠다. 연구팀은 망간산화물계열(Mn/TiO2)의 나노촉매를 세라믹계열의 필터에 균일하게 코팅하여 나노촉매필터를 제조했다. 나노촉매필터는 필터에 코팅한 나노촉매 표면에서 공기 중의 오존을 분해시켜 발생된 산소라디칼을 이용하여 담배연기 성분을 분해하는 기술이다. 담배연기의 가스상 성분 중 가장 많은 양을 차지하는 아세트알데히드와 니코틴, 타르 등 총 휘발성 유기화합물(total volatile organic compounds: TVOC)을 이용하여 본 개발 촉매의 성능을 평가한 결과, 98% 이상 분해하는 성능이 확인되었다.(그림 3 참고) 망간 촉매 표면에서 생성된 산소라디칼은 유해성분 분해 후 인체에 무해한 산소의 형태로 외부로 배출된다. 연구팀은 제조한 나노촉매필터를 활용한 청정화장치 시제품을 제작하여, 약 8평 규모의 실제 흡연실에 설치하여(처리유량 4 CMM) 성능 평가를 진행한 결과, 30분 내 약 80%, 1시간 내에 100% 담배연기 성분이 인체에 무해한 물과 이산화탄소로 처리되는 것을 확인했다. 이는 약 8평 규모 흡연실 실내의 전체 공기를 15분마다 1회 순환시킬 수 있는 처리유량으로 설계한 것이다. *처리유량 4 CMM : 1분당 청정화장치로 투입되는 공기량이 4 입방미터 연구팀은 이미 나노촉매 및 필터 코팅 기술 개발이 완료된 만큼 1년 정도의 시간이면 상용화가 가능할 것으로 예상했다. 연구를 주도한 정종수, 배귀남 박사는 "간단한 촉매를 설치한 청정기로 기존 흡연실 담배연기처리기술에서 처리가 어려웠던 가스상물질 처리 문제를 해결했다는 것이 연구의 의의”라며 “이러한 장치의 단순화 및 경제성 확보를 달성하여 안전하고 쾌적한 흡연 공간의 제공에 크게 도움이 될 수 있으며, 또한 이 기술의 연계 개발을 통해 공기청정기, 에어컨 등 다양한 공기청정 분야에서 적용할 융합기술을 선보일 수 있을 것이다“라고 전했다. 본 연구는 KIST 기관고유사업과 환경부 “나노기술 기반의 오염제어용 필터소재 개발 과제” 등을 통해 지원되었고, 관련하여 “담배연기 청정화 처리장치 및 방법(대한민국 특허 출원번호: 2015-0039021, 2015.3.20.)” 특허를 출원하였다. <그림설명> <그림 1> 흡연실 담배연기 청정화 장치 나노촉매 및 코팅 필터 제조 공정 모식도. (1단계) CVC(화학기상응축법)에 의한 나노 TiO2 지지체 입자 합성, (2단계) TiO2 지지체에 망간계 촉매 담지시켜 담배연기 분해 기능성 촉매 소재 합성. (3단계) 합성된 촉매를 하니컴 구조체에 코팅하여 나노촉매필터를 제조하는 방법을 나타내고 있다. <그림2> (1) 청정화장치 내의 유동을 위해 상부에 순환 팬이 설치되어 있고, 오존을 공급하는 UV 램프, 그리고 오염물질 처리 나노 촉매 필터 순으로 장치가 구성되어 있다. 순환 팬은 5평형 기준으로 약 4 CMM(m3/min)으로 작동된다. (2) 실제 흡연실 현장에 설치된 담배연기 청정화장치 시제품 사진 <그림 3> 담배연기 및 연기 성분이 제거 되는 것을 보여주는 그래프나 증빙자료 <그림 4>흡연실 실내에서의 흡연 시 측정 결과, 타르 등 입자상 물질은 약 5배 수준으로 급격히 증가하는데, (그림참조) 청정장치 가동 후 5분 이내 초기 농도 대비 약 70% 감소한다. <그림 5>약 8평 규모 흡연실(체적 60 m3) 실내의 공기를 15분 기준으로 1회 정도 순환시킬 수 있는 유량으로 설계한 것이다. 흡연시 발생되는 TVOC의 양은 1명 흡연시 약 40 ppb 정도이며, 12명이 동시에 흡연 시 흡연실내의 TVOC 농도는 약 350±50 ppb 정도가 된다. (아래 그림 참조) 4 CMM의 의미는 1분당 청정화장치로 투입되는 공기량(입방미터)
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- 작성자환경복지연구단 정종수, 배귀남 박사 연구팀
- 작성일2015.04.21
- 조회수32972
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외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조
외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.
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- 작성자복합소재기술연구소 유남호 박사팀
- 작성일2015.04.07
- 조회수17744
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탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선
탄소나노소재와 산화아연 양자점을 결합하여 빛을 수소로 바꾸는 소자 기능 획기적으로 개선 - 불안정한 산화아연 양자점과 전기적으로 우수한 탄소나노소재를 일체형 핵-껍질 구조로 제작 - 수소에너지 생성을 위한 광전기화학 소자의 소재로 탄소나노소재의 가능성 부각 친환경 에너지인 태양광을 에너지 효율이 높고 전기 에너지로의 전환이 용이한 수소에너지로 전환하는 연구가 전 세계적으로 진행중이다. 태양광을 수소 에너지로 바꾸는 에너지 전환 소자에는 광전기화학소자가 대표적인데, 국내 연구진이 탄소나노소재를 산화아연(ZnO) 양자점 보호막으로 코팅해 기존 소자 효율보다 7배 향상되고, 안정성이 획기적으로 개선된 소자를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 연세대학교 화학생명공학부의 박종혁 교수팀과 공동 연구로 차세대 탄소나노소재재료인 그래핀 양자점과 풀러렌(C60)을 이용하여 산화아연 양자점을 핵-껍질 구조로 감싸서 보호막을 형성하는 방법을 이용하여 전하 운반 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 광전기화학소자를 개발했다. 수소 에너지는 전기 에너지에 비해 단위 질량 및 면적 당 저장할 수 있는 에너지의 양이 크고 전기 에너지로의 변환이 용이한데다, 수소 자동차와 같이 바로 연료로 활용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 태양광 에너지를 수소 에너지로 전환하여 사용하기 위한 연구가 진행돼 오고 있다. 현재 광전기화학소자는 아직 매우 낮은 광-수소 에너지 전환 효율로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있으며, 광촉매 소자에 쓰이는 금속 산화물 표면에서 부식이 일어나거나 혹은 다른 부가적 화학반응이 발생해 장기 안정성이 좋지 못해 시장성 확보가 어려운 상태이다. 광전기화학소자에서 산화아연(ZnO)은 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광양극 (photoanode)으로 친환경 소재로 각광받는 재료이다. 그러나, 전해질과의 접촉 시 빛에 의한 부식이 일어나 생성된 정공이 쉽게 유실되거나 표면에서 전자와 정공이 재결합 (recombination) 되는 등 전하 전달 효율이 좋지 않아 소자의 안정성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 연구팀은 산화아연보다 크기가 커 탄소나노소자가 표면에 완전히 코팅이 가능한 산화아연 양자점을 제작했다. 이러한 합성 과정 중에 순수한 산화아연 양자점은 표면에 노출된 불안정한 산소 원자에 의해 쉽게 광부식이 발생함을 발견했다. 이를 해결하기 위해 용액 상태의 그라파이트 산화물, 산화 풀러렌 등을 함께 넣고 섞었다. 그 결과 화학적 반응을 통해 산화아연 양자점을 그래핀 양자점 또는 풀러렌이 균일하게 감싸는 핵-껍질(핵-산화아연양자점, 껍질-그래핀 양자점, 풀러렌 )구조를 가진 양자점을 제작할 수 있었다. 이는 그래핀 양자점과 풀러렌과 같은 탄소나노소재들이 산화아연을 감싸면서 산화아연과 결합할 때 산화아연 표면의 산소 원자와 결합하므로 광부식을 억제할 수 있어 장기 안정성이 매우 큰 폭으로 향상되기 때문이다. 뿐만 아니라, 빛을 흡수한 전하들의 이동 속도가 큰 탄소나노소재에 의해 전하 이동 효율이 대폭 향상되어 소자의 광전기화학적 성능 또한 동시에 크게 개선됨을 확인하였다. 이는 기존 광전기화학소자의 효율보다 7배 이상 개선된 것이다. 연구를 이끈 손동익 박사는 “개발한 핵-껍질 구조의 양자점을 나노에서 마이크로 사이즈로 크게 합성하여 빛을 흡수하는 시간을 증가시키고 수소 전환효율을 높인다면 광전기화학소자를 통한 수소에너지 생산 산업에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 KIST 기관고유사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널 2월 14일자로 게재되었다. * (논문명) "Nano carbon conformal coating strategy for enhanced photoelectrochemical responses and long-term stability of ZnO quantum dots" - (공동 제1저자) 성균관대 김정규 연구원 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 배수강 박사 - (공동 교신저자) 연세대학교 박종혁 교수 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사 <그림자료> <그림 1> ‘Nano Energy’의 2015년 2월에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 노란색의 산화아연 양자점에서 표면에 존재하는 붉은색의 산소 원자가 탄소나노소재인 그래핀 양자점 혹은 풀러렌과 강한 결합을 하면서 감싸서 핵-껍질 구조가 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 표면을 둘러싸는 나노 탄소가 형성된 전자와 정공이 유실되지 않도록 형성에 도움을 주어 전하 이동 효율의 향상에 도움을 주는 역할을 물론이고, 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다. <그림 2> 산화아연 양자점을 탄소나노소재가 둘러싼 소재를 이용한 전극의 구조: (A) 탄소나노소재는 산화아연 양자점 표면의 불안정한 산소 원자와 강한 결합을 하여 핵-껍질 구조를 형성한다. (B) 탄소나노소재가 광부식에 의해 정공을 유실하지 않도록 하여 전하의 이동을 효율적으로 이끄는 모식도. 산화아연(Bare ZnO)에서 발생하는 산화과정이 산화아연양자점에서는 X 로 표현되어 발생되지 않는다. <그림 3> 탄소나노소재가 코팅된 산화아연 양자점으로 구성된 광전기화학 소자의 성능: (A) 탄소나노소재 코팅된 산화아연 양자점을 활용한 경우, 소자 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 기존 산화아연(블랙)과 비교해 산화아연 양자점(레드, 블루)의 10배정도(7배이상) 높게 나타남을 확인할 수 있다. (B) 탄소나노소재 코팅에 의한 안정성 증가 확보
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- 작성자소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀
- 작성일2015.04.06
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비용매 공정 개발로 그래핀 복합소재 상용화 박차
비용매 공정 개발로 그래핀 복합소재 상용화 박차 - 비용매공정으로도 그래핀 입자의 균일한 분산이 가능해 건조가 필요 없는 경제적인 공정 개발 - 그래핀 상용화를 앞당기는 혁신적 기술 그래핀의 가장 유망한 응용분야 중 하나인 그래핀 기반 고분자 복합소재는 관련 분야에서 향후 가장 큰 시장을 형성할 것으로 기대되는 분야 중 하나다. 그래핀 기반 고분자 복합소재의 상용화에 있어, 그래핀 입자를 균일하게 분산시키기 위한 분산제 및 용매의 건조 공정에서 소요되는 시간과 이 때 발생하는 그래핀 입자의 재응집이 걸림돌로 지목되어 왔다. 국내 연구진이 그래핀 입자를 더 균일하게 용매없이 분산할 수 있는 경제적 공정을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 김성륜 박사팀은 서울대 재료공학부 윤재륜 교수팀과 함께 꿈의 신소재인 그래핀에 용매를 사용하지 않고 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀 고분자 복합소재는 가열하는 용융공정으로는 그래핀 입자를 균일하게 분산시키기 어렵다. 그래핀 입자의 균일한 분산을 위해 용액공정을 도입할 경우 비경제적일 뿐만 아니라 용매의 건조를 위한 후공정에서 발생하는 그래핀 입자의 재응집에 필요한 비용과 시간 때문에 상용화에 어려움이 있었다. 그래핀 입자가 균일하게 분산되지 않으면 후에 결함의 주요 원인이 된다. 서로 반응이 가능한 소중합체의 일종인 CBT(Cyclic butylene terephthalate)는 최초 용융 시 액체처럼 잘 흐르다가 열을 가하면 중합되어 고분자가 되는 특징이 있다. 연구팀은 CBT 입자를 그래핀 입자와 섞은 후(Powder mixing) 중합반응을 일으켜 용매를 사용하지 않고 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 뿐만 아니라, 이렇게 제조한 그래핀 복합소재의 단면을 이미지 처리 (Image processing) 한 후, 통계를 산출해 그래핀 입자 간 평균거리 및 표준편차를 구하여 그래핀 입자의 분산 정도를 정량적으로 평가하는 방법 또한 개발했다. 이를 통해, 그 동안 어려움을 겪고 있던 그래핀 복합소재의 정밀한 분산 평가를 위한 분석 평가 방법이 도출뿐 아니라, 연구팀의 공정으로 제작한 그래핀 복합재료가 기존 용매 공정에 비해 훨씬 고르게 분산되었음을 정량적으로 확인할 수 있었다. KIST 김성륜 박사는 “혁신적이고 효율적인 비용매 복합소재 제조공정 개발로 그래핀 고분자 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유연구사업, 나노융합 2020사업(미래창조과학부 및 산업통상자원부 공동 지원)에서 지원되었으며, 연구 결과는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 3월 16일자 게재되었다. * (논문명) "Ultra-high dispersion of graphene in polymer composite via solvent free fabrication and functionalization" - (제1저자) 한국과학기술연구원 노예지 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김성륜 박사 - (교신저자) 서울대학교 윤재륜 교수 <그림자료> <그림 1> CBT 입자를 그래핀 입자와 입자 믹싱 (Powder mixing) 한 후 반응 중합시켜 용매를 사용하지 않고 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합소재를 제조할 수 있는 공정의 모식도. <그림 2> 고분자 복합소재에서 그래핀 입자의 분산성 정량 평가, (a) 그래핀 고분자 복합소재 파단면을 전자현미경으로 관찰한 이미지. (b) 정확한 정량평가를 위해 입자만 남긴 이미지. (c) 통계처리를 통하여 구한 입자간 평균거리 분포.
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- 작성자복합소재기술연구소 김성륜 박사팀
- 작성일2015.03.30
- 조회수15002
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백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다
백금보다 100배 싼 황화니켈로 무한에너지 수소 싸게 만든다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 수소발생 촉매 개발 성공 - 친환경 수소에너지 보급화 및 상용화에 기여 국내 연구진이 미래 대체에너지인 수소 생산을 위해 쓰이는 고가의 백금 촉매를 대체 할 수 있는 황화니켈 촉매 원천기술을 개발했다. 백금 촉매는 높은 가격으로 인해 수소 대량 생산을 가로막는 가장 큰 걸림돌이었다. 황화니켈은 백금 대비 100배 이상 가격이 낮아 수소 생산의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사는 서울대 화학생물공학부 성영은 교수와 카이스트 생명화학공학과 이현주 교수팀과의 공동연구를 통해 나노 크기 구조의 단결정 황화니켈을 사용하여 수소 발생 시스템에서 백금을 대체함으로서 촉매 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소는 친환경에너지로 세계 각국에서 연구 개발을 활발히 진행하고 있다. 그 중 수소 스테이션 등 수소를 바로 발생시켜 공급하는 방법에 주목하고 있지만, 물의 전기분해법은 에너지 이용 효율이 낮고, 전극을 소형화해야 하는 등 해결과제가 남아있다. 또한 수소 발생용 전극 재료로는 백금이 가장 우수하지만 비용이 높기 때문에 백금을 대체하는 대체 재료의 개발이 요구되고 있다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 저가의 니켈기반 화합물에 주목했고 계산과학에 기반한 설계를 통해서 수많은 니켈 화합물 중 황화니켈이 수소발생을 위한 촉매 중 활성도가 우수하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 단결정 나노 구조의 황화니켈 화합물을 합성하는 데 성공하였고 합성된 황화니켈 나노 입자의 전기화학적 활성이 극대화됨을 확인해 촉매 성능의 우수성을 규명하였다. 물의 전기분해(water electrolysis)를 통해 수소와 산소를 생성하는 반응은 수증기 개질(steam reforming)에 비해 대용량의 고순도 수소 제조가 가능하기 때문에 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 수소 발생 반응 (hydrogen evolution reaction)은 알칼라인 전해질에서 상대적으로 느린 반응 속도로 말미암아 물 분해에 있어서 효율성이 낮아 기술적으로 큰 진입 장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해소하기 위해 촉매를 사용하는데, 촉매에 사용되는 값비싼 백금을 대체하기 위해, 가격이 낮으면서도, 낮은 과전압과 높은 안정성을 갖는 원료의 개발이 필수적이다. 연구팀은 니켈, 코발트 등의 3d 전이금속 기반의 산화물의 경우, 수소 발생 반응의 산화 표준 전위 (0 V vs. RHE) 기준으로 낮은 과전압에서 높은 반응성을 보이며 기존 물질에 비하여 안정성이 뛰어난 것에 착안하여 단결정 황화니켈 나노입자 기반의 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 단결정 황화니켈 나노 입자들은 표면에서의 니켈 금속과 황 사이의 강한 전자 상호 작용에 의해 니켈금속의 전자 구조를 변형 시켜 수소 발생 반응에 유리한 촉매 활성점을 극대화시켰다. 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 세계 최초로 밝힌 것이다. 이렇게 개발된 황화니켈 화합물 나노 입자는 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 그 동안 물 분해 반응에 많이 사용되던 순수 니켈 촉매의 활성보다 2배를 넘어서는 성능을 보여주었으며, 백금과 동등한 수준이었다. 황화니켈 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 니켈을 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 니켈 금속은 가격이 ㎏당 14달러 수준에 불과하고 단결정 황화니켈 화합물 합성조건 역시 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 백금을 사용한 기존 공정에 비해 100배 이상 저렴해 촉매로 개발했을 때 저비용, 고효율 촉매라 할 수 있다. 뿐만 아니라, 개발한 촉매는 전기화학적 촉매 반응에 중요한 역할을 하는 분자친화도 (molecular affinity)를 조절할 수 있어 연료전지 및 다른 전기화학 반응에도 적용할 수 있는 구조적 장점을 가질 것으로 기대된다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지를 통해 물에서 수소 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화가 무엇보다 중요하다”라며, “이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 촉매합성과 설계부문, 분석으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구 및 분석은 KIST 연료전지연구센터와 카이스트에서, 설계연구는 충북대와 서울대에서 주도적으로 수행되었다. 본 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 분야의 국제 저명 학술지인 나노스케일 (Nanoscale)에 3월 28(월)일자 표지논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) Structure dependent active sites of NixSy as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction - (공동 제1저자) (서울대학교) 정동영 박사, (연세대학교) 한정우 박사과정 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 카이스트 이현주 교수, 서울대학교 성영은 교수 <그림1> 'Nanoscale'의 2015년 3월 28일자 권두 표지논문이미지, 원자단위에서 본 단결정 황화니켈 구조의 모습, 이러한 단결정 황화니켈 나노화합물은 백금을 상회하는 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림 2> (a?d) NiS 나노입자와 (e?h) Ni3S2 나노입자의 전자현미경 이미지. 단결정 황화니켈 화합물 나노입자 합성조건이 1 step 공정이기 때문에 제조비용이 매우 저렴해 저비용 고효율 촉매라 할 수 있다.
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- 작성자연료전지연구센터 유성종 박사, 서울대 성영은 교수, 카이스트 이현주 교수팀
- 작성일2015.03.30
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극치환된 구조의 양자점 LED 제작, 차세대 발광 디스플레이 개발 박차
극치환된 구조의 양자점 LED 제작, 차세대 발광 디스플레이 개발 박차 - 고분자 물질과 산화아연을 이용하여 극치환된 구조의 양자점 LED 개발 - 소자의 발광 효율을 극대화 시키는 특성 확보 반도체 산업과 더불어 국내 주요 양대 산업의 하나인 디스플레이(Display)는 영상 전달 매체로서 그 중요성이 점차 강조되고 있다. 디스플레이가 더 발전하기 위해서는 저소비전력화, 경량화, 고화질화, 유연성 등의 요건들이 필요하다. 이를 위해 차세대 디스플레이 및 면발광 조명 소재로 양자점 발광 소자가 연구되고 있다. 국내 연구진이 소재의 양 극을 치환한 구조로 제작한 LED 디스플레이는 소자의 구동이 안정적이며 발광 효율이 3배이상 개선되는 효과를 보였다. 고휘도, 저소비전력의 디스플레이 및 조명 개발이 한층 가까워질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 황도경 박사/미래융합기술연구본부장실 최원국 박사 연구팀은 고분자 물질(PEIE)과 산화아연(ZnO) 나노입자 이중층을 전자 주입층/수송층으로 사용하여 소자의 안정성과 발광 효율을 극대화할 수 있는 극치환된 구조의 양자점 LED 개발에 성공하였다. 고분자 물질인 PEIE은 값이 싸고, 친환경적인 물질로, 금속, 전도성 유기물 등과 만나게 되면, 각 물질들이 지니고 있는 일함수를 낮춰주는 표면 개질체로서의 기능을 할 수 있다. 산화주석인듐(ITO)은 일함수가 높기 때문에(4.8eV) 주로 양(Anode)극으로 사용이 많이 되었으나, PEIE(표면 개질체)를 코팅 함으로서 일함수를 낮춰주어(3.08eV) 음(Cathode)극으로 극을 치환 할 수 있다. 이렇게 극이 치환된 구조는 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다. 그러나 고분자물질(PEIE)만으로 주입층/수송층을 만드는 경우 고분자물질이 주입층의 역할만을 수행하여 외부 주입된 정공을 차단하며 전자를 효과적으로 수송시켜주는 전자 수송층를 역할을 하지 못하는 문제가 발생한다. 연구진는 이를 개선하기 위해 PEIE 고분자 표면 개질체와 효과적인 전자수송층의 역할을 하는 산화아연(ZnO) 나노 입자를 이중 층으로 형성하여 나노 이중 층이 전자 주입층/수송층으로 사용하여 극치환 구조의 양자점 LED 제작에 성공하였다. 산화아연/고분자물질(ZnO/PEIE) 이중층의 경우 PEIE 단일층보다 양자점내에 정공과 전자의 재결합을 보다 효과적으로 이루게 하여 LED 소자의 발광 휘도가 3배 이상 향상된 결과를 확인하였다. 황도경, 최원국 박사는 “PEIE와 ZnO은 값싸고 친환경적인 물질일 뿐만 아니라 지구상에 풍부한 자원이라 대량 생산에 적합하며, 이를 통하여 제작된 극치환된 구조의 소자는 구동이 안정적인 장점이 있다. 또한 이런 이유로 디스플레이의 수명 연장에 효과적이며, LED 디스플레이와 구동 원리가 유사한 태양 전지 또는 광센서 소자에도 적용 가능 할 것” 이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업 및 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 3월 10일(화)자 Scientific Reports에 온라인 게재되었다. (논문명) “Inverted Quantum Dot Light Emitting Diodes using Polyethyleniminee ethoxylated modified ZnO” (DOI: 10.1038/srep08968) - (제1저자) 한국과학기술연구원 김홍희 박사과정 학생 연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 박사 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 최원국 박사 <그림1> 전분자 물질(PEIE)와 산화아연(ZnO)를 이용하여 제작된 극치환 구조의 양자점 발광 다이오드. (a) 극치환된 구조의 양자점 LED 모식도. (b) 양자점 LED 단면의 광학 현미경 사진(왼쪽), 그리고 양자점(CdSe/ZnS)과 산화아연(ZnO)의 원자 격자 구조(오른쪽). (c) 고분자 물질(PEIE)와 산화아연(ZnO) 간의 에너지 준위 다이어그램. (d) 제작된 발광다이오드의 전계 발광 스펙트럼 및 발광 사진(적색, 녹색, 청색, 백색 모두 구현이 가능함을 보여준다)
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- 작성자광전소재연구단 황도경 박사, 미래융합기술연구본부 최원국 박사 연구팀
- 작성일2015.03.25
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바이러스로 유해한 휘발성 유기물에만 반응하는 초 고감도 센서 개발
바이러스로 유해한 휘발성 유기물에만 반응하는 초 고감도 센서 개발 - 기존 기술로는 비슷한 화학품과 구별하지 못하던 발암물질 벤젠을 1000만분의 1 수준까지 실시간 모니터링 - 바이러스 활용하여 기체분자에 선택적으로 결합하는 단백질 조각을 찾아 초소형 초고감도 센서로 구현 새집증후군으로 잘 알려진 포름알데히드와 같은 유해한 휘발성 유기물은 종종 건강에 심각한 위협이 되곤 한다. 이런 휘발성 기체는 종류가 매우 다양하고 화학적으로 비슷한 물질들이 많아서, 고가의 분석 장비를 통해서만 구별하고 측정할 수 있었다. 국내 연구진이 가늘고 긴 모양의 바이러스를 유전적으로 조절해 인체에 유해한 휘발성 유기물만 명확히 구분하는 초소형 센서를 개발했다. 개발한 센서는 단백질 조각을 활용해 값이 싸고 대량생산이 가능할 뿐 아니라, 1000만분의 1( 0.1 ppm) 수준의 초고감도 센싱이 가능하다. 실내?외 공기질 파악이나 위험물 감지 뿐 아니라 인간의 호흡에서 배출되는 대사산물도 확인할 수 있어 다양한 IoT 기반의 센서 개발에 활용될 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 KIST 바이오마이크로시스템연구단 김상경 박사, 황교선 박사와 스핀융합연구단 이현정 박사 공동연구팀이, “바이러스와 단백질 조각을 이용하여 유기계 (발암성) 환경유해물질을 정확히 구분하여 모니터할 수 있는 초소형 센서를 개발했다”고 밝혔다. 생활 환경이나 산업현장에서 발견되는 휘발성 유기물(volatile organic compound, VOC)은 호흡을 통해 흡수되거나 피부, 점막에 오랜 시간 노출되면 알러지, 천식, 심하면 암과 같은 심각한 만성질환을 일으킨다. 최근 나노기술을 이용한 초고감도의 센서들이 개발되었지만 VOC와 비슷한 기체에 대하여 다 같은 신호를 내기 때문에, 유해한 특정기체가 포함되어 있는지 별 문제가 없는 유기물이 다량 있는지 구분할 수 없었다. 또한 생활 환경에서 흔하게 발생하는 비교적 무해한 가스에도 같은 신호를 내서 위험을 감별하기 어려웠다. 본 연구에서는 유전자를 조절하여 가늘고 긴 모양의 바이러스인 박테리오파지를 다양하게 만든 다음, 그 중 벤젠 유도체 기판에 결합하는 박테리아파지만을 찾아내어 분석해 벤젠만 잘 잡는 단백질 조각, 즉 펩티드를 찾아내었다. 이렇게 찾아낸 펩티드들은 우리 주변에 흔히 볼 수 있는 알콜이나 유해성이 높지 않은 아세톤 등의 화학물질에는 반응하지 않기 때문에, 대표적 발암성 화학물질인 벤젠을 정확히 찾아낼 수 있다. 연구진이 개발한 센서는 기존의 센서들이 차이를 구별할 수 없었던 벤젠과 톨루엔과 같은 유사한 화학약품들도 분명하게 구분할 수 있어 센싱 능력이 더욱 향상되었다. 벤젠은 불완전 연소나 다양한 용매로부터 발생할 수 있는 대표적인 유해 VOC로 주거환경이나 자동차에서 실내 공기의 질을 좌우하는 중요한 요소이다. 벤젠과 그와 유사한 화학약품인 톨루엔은 석유화학공정에서도 대량으로 취급되는 중요한 원료로서, 산업현장의 안전을 위해서도 모니터할 필요가 높다. 사람과 동물이 가진 냄새를 구분하는 후각수용체 단백질은 모두 휘발성 기체에 반응하는 센서들이다. 따라서 사람의 후각수용체 단백질을 그대로 이용하여 기체 센서로 구현하려는 시도도 이어지고 있다. 본 연구는 후각수용체 단백질과 비슷한 성질의 펩티드를 이용한 센서로 연구에 쓰이는 펩티드는 단백질과 같이 아미노산으로 만들어졌지만 백분의 일 정도의 아주 작은 조각으로서, 값싸게 대량으로 제조할 수 있고 다양한 온도, 습도 환경에서 매우 안정하여 초소형 소자에 적용하고 제품화하는데 쉬운 장점이 있다. 이 외에도 다양한 휘발성 유기물은 식품의 신선도, 숙성이나 발효를 확인할 수 있는 지표가 되며 사람의 호흡에 섞인 유기물은 건강상태와도 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 개발된 펩티드(단백질 조각)을 이용한 VOC 감지는 환경, 식품, 건강관리 등의 다양한 영역에서 적용될 수 있는 원천기술로서, IoT 기반의 새로운 초소형 센서 개발로 이어질 것으로 전망된다. 공동 연구자인 KIST 김상경 박사와 황교선 박사, 이현정 박사는 “이번에 개발한 방식은 표적기체가 정해지면 그에 대한 선택적 펩티드를 찾아내는 방식이기 때문에 향후 원하는 VOC에 최적화된 센서를 빠르게 구현할 수 있으며 가격경쟁력과 안정성을 갖추어 광범위한 가스센서 제품에 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 본 연구는 환경부 글로벌탑 환경기술개발사업과 KIST 기관고유 과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)지에 3월 17(화)일자 온라인판에 게재되었다. * (논문명) Single-carbon discrimination by selected peptides for individual detection of volatile organic compounds - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 주수미, 이기영 박사 - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 박사, 김상경 박사, 황교선 박사 <그림설명> <그림 1> 벤젠 모사 기판에 특정 박테리오파지가 붙는 방식과 박테리오파지의 자세한 구조 모식도. 펩티드 라이브러리를 기판과 결합시킨 후 잘 씻어내면 특정 펩티드로 둘러싸인 박테리오파지만이 벤젠 모사기판에 붙어서 남는다. <그림2> 가스의 농도와 습도 및 온도를 정확히 조절하여 센서의 성능을 평가할 수 있도록 구성한 시스템. 가운데 작은 반응조 (동그라미 안)에 펩티드를 이용한 마이크로센서가 들어가게 되며 각종 가스에 연결된 밸브를 전자식으로 조절하서 신호를 측정한다. 한개 마이크로칩의 크기는 1cm보다 작다. <그림3> 펩티드 기반 센서들이 화학적으로 미세한 차이를 가진 벤젠과 그 유사 가스들에 각각 다른 신호를 내 구분한다. 특히, 신호 방해물질인 알콜 등에 대해서는 거의 반응하지 않아서 유해물질만 정확히 측정할 수 있다. (좌) 벤젠과 매우 유사한 톨루엔은 1000배 이상 많은 양을 주입해도 벤젠 센서는 더 미약하게 반응한다. (우)
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- 작성자바이오마이크로시스템연구단 김상경 박사팀
- 작성일2015.03.23
- 조회수17261
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자연현상 나노돌기 표면을 활용 쉽고 친환경적으로 기능성 유리 제작
자연현상 나노돌기 표면을 활용 쉽고 친환경적으로 기능성 유리 제작 - 기존 공정보다 효율성을 높인 친환경 초발수 저반사, 투명 유리 제조 기술 - 스마트 폰, 자동차 유리, 카메라 렌즈 등 다양한 유리제품의 표면에 반사 방지, 김서림 방지 등 기능 추가 - 구면 카메라 렌즈, 곡면 TV, 곡면 모바일 기기 등 곡면 유리에 기능성부여 가능 유리에 나노돌기를 간단하고 친환경적으로 만들어 기능성 유리를 제작하는 방법이 국내 연구진에의해 개발되었다. 자연의 연꽃잎이나 나방 눈의 나노돌기를 기능성 유리에 적용하는 것인데, 수분을 튕겨내거나 어두운 곳에서 시각을 확보해주는 김서림 방지 유리나 안경, 후방 카메라 등 다양한 기능성 유리에 응용이 가능할 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 문명운 박사 연구팀은 유리에 나노돌기 형상을 쉽고 간단한 방법으로 제조할 수 있는 기술을 개발하였으며 이를 김서림 방지나 초발수 특성을 가지는 안경, 자동차용 백미러나 후방카메라 같은 곳에 적용했다고 밝혔다. 자연에 존재하는 연꽃잎이나 소금쟁이의 발, 건조한 사막에서 물을 포집하여 수분을 섭취하는 나미브 비틀, 어두운 밤에 적은 빛으로 사물을 구별 할 수 있는 저반사 표면의 나방 눈 등의 공통점은 표면에 나노 돌기들이 존재한다는 것이다. 이런 나노돌기 표면을 활용하면 김이 서리지 않는 안경이나 물이 묻지 않는 렌즈 등의 유리를 만들 수 있다. 또한 강한 안개나 어두운 곳에서도 앞이 잘 보이는 자동차 유리도 제작이 가능하다. 자동차용 백미러에 나노돌기를 만들면 비오는 날에 거울을 닦을 필요가 없고 야간 운전시 헤드라이트 반사불빛에도 시야 확보가 가능하다. 나노돌기를 유리 표면에 제작하기 위해 다양한 방법들을 사용하였는데 공정이 복잡하거나 내구성이 낮거나, 유해한 물질을 사용하는 등의 단점이 있었다. 유리의 모양을 만들고 강도를 향상시키기 위해 첨가하는 알칼리 금속들이 나노돌기가 형성되는 것을 방해하기 때문이다. 연구팀은 유리 위에 투명한 막(SiO2)을 미리 코팅하여 플라즈마로 표면을 부식시키는 공정 도중에 투명 막 위에 나노 점들이 자가 배열되도록 유도하였고, 이렇게 배열된 점들이 기존 표면과의 부식속도 차이를 유발하여 유리 표면에 나노구조를 형성하게 만들었다. 개발된 방법은 기존 마이크로 금속입자를 이용하는 유리 패턴 제작 방법 대비 공정 과정을 몇단계 줄이고, 금속입자를 환경에 유해한 강산용액을 통해서 제거해야 하는 후처리 공정을 친환경적인 수처리 공정만으로 가능하게 하였다.(그림 1) 또한 이와 같이 제조된 나노돌기들은 유리위에 첨가된 것이 아닌 유리 자체의 구조이므로 내구성이 뛰어나 오랫동안 기능성을 유지할 수 있다. 연구를 주도한 문명운 박사는 “내구성이 높은 기능성 유리를 쉽게 만들 수 있게 되었다는데 본 연구의 의의가 있다”며, “기능성 유리제품에 대한 수요가 높은 만큼 활용도가 매우 높을 것으로 보인다”고 밝혔다. 또한 “이러한 나노 돌기 제작 공정은 평면 뿐아니라 곡면 유리나 렌즈에도 적용 가능하기 때문에 비구면 렌즈나, 안경, 곡면 TV, 모바일용 등 3차원 구조의 유리에 활용할 수 있을 것이다”고 말했다. 본 연구는 KIST 미래원천 사업과 산업부 산업융합원천 과제에서 지원되었으며 연구 결과는 Scientific Reports 3월 20일자에 게재되었다. *(논문명) Extreme wettability of nanostructured glass fabricated by non-lithographic, anisotropic etching - (제 1저자) (한국과학기술연구원 계산과학연구센터, 서울대학교 재료공학부) 유의선 연구원 - (교신저자) (한국과학기술연구원 계산과학연구센터) 문명운 박사 <그림자료> <그림 1.> 나노돌기를 가진 유리의 제조방법과 그 구조- 투명박막을 코팅한 후 CF4 플라즈마로 부식공정 진행 : 금속 나노점의 자가 배열이 진행되고 부식이 동시 진행되어 나노구조가 형성되는 모습. 금속 나노점은 공정이 끝난 후 물로 쉽게 제거하여 초친수표면 제작. 그 후에 표면에너지가 낮은 DLC 박막을 코팅 해주면 초소수 성도 부여 가능하다. <그림 2.> 안경에 초발수 초친수 기능성을 부과하여 자가세척과 성에가 끼지 않는 기능성을 부가한 모습
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- 작성자계산과학연구센터 문명운 박사 연구팀
- 작성일2015.03.19
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값비싼 화학원료 이제 태양빛으로부터 직접 만든다!
값비싼 화학원료 이제 태양빛으로부터 직접 만든다! - 나뭇잎보다 뛰어난 세계 최고 효율의 일체형 인공광합성 디바이스 개발 - 태양빛만으로 고가의 일산화탄소와 같은 화학원료를 생산 할 수 있는 새로운 패러다임의 지속가능한 화합물 생산 방법 제시 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가가치의 화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 세계 최고 수준의 인공 광합성 디바이스 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 태양전지기술과 촉매기술을 융합하여 태양광에너지만으로 작동하는 세계 최고 효율(4.23%)의 일체형 인공광합성 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다. *광합성 : 식물인 나뭇잎이 태양빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 탄화수소(포도당)를 만들어 내는 기작을 의미함 자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 고부가가치의 화합물로 바꾸어 주는 인공광합성 기술은 오랫동안 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 최근 지구 온난화 등 기후변화가 심화되면서 이에 대응할 수 있는 친환경적 고부가가치 화합물 제조 방법이 절실한 시점이다. 연구진은 1%의 효율 수준을 가진 자연의 나뭇잎보다 성능이 뛰어난 인공광합성 디바이스를 구현함으로써 이러한 기술이 현실화 될 수 있는 가능성을 제시했다. 인공광합성 기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술의 융합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물분해를 위한 촉매 기술, 또한 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기 위한 촉매 기술은 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다. 지금까지는 전 세계적으로 각 개별 요소 기술에 대한 연구가 대부분 진행되어 왔다. KIST 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술을 통합해 실질적으로 태양빛으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스를 제조하였고 4.23%의 효율을 가진 디바이스의 성능을 시연했다. 이는 현재 알려진 인공광합성 디바이스의 효율이 최고 1.8%임을 감안할 때 획기적인 성능이다. 연구진은 저가 박막태양전지 기술을 촉매 기술과 융합해 광전극의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발하였으며 환원전극 촉매 종류를 단순히 교체하는 작업으로 원하는 고부가화합물을 생산할 수 있는 디바이스를 구현하였다. 환원전극을 금 또는 은과 같은 금속 촉매로 변경할 경우 일산화탄소가 주로 만들어 지는데, 이를 비스무스(Bi) 금속 촉매로 바꾸게 되면 개미산(Formic Acid)이 주로 만들어 지게 된다. 연구팀은 프린팅기반 CIGS 박막 태양전지 기술, 저온 코팅 코발트산화물 촉매 기술, 금 나노촉매 기술의 융합을 통해 이산화탄소로부터 선택도 90% 이상으로 고가의 일산화탄소를 생산하는 디바이스를 구현하였다. 일산화탄소는 주로 화학원료로 활용되며 톤당 1,320,000원에 달하는 고가의 화합물이다. * 선택도 : 생성물이 여러 종류일 때 원하는 생성물이 전체에서 차지하는 비율 개발한 기술은 또한 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 디바이스를 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다. 또한 이렇게 만들어진 인공광합성 디바이스의 효율을 향후 10% 까지 올린다고 가정했을 때, 100km2 면적 (울릉도 면적의 약 1.4배)에 설치하여 하루 6시간씩 가동시킨다면 1년에 약 8백만톤의 일산화탄소를 생산할 수 있는데, 이는 10조원의 가치에 해당하는 양이다. ※ 출처: Carbon dioxide Utilization: Electrochemical Conversion of CO2-Opportunities and Challenges, Det Norske Veritas (DNV), Hovik 2011 민병권 박사는 “이번에 개발된 인공광합성 디바이스 기술은 향후 태양전지와 마찬가지로 패널형으로 제조 및 설치가 가능해 태양빛만 이용해서 원하는 고부가화합물을 직접 대량 생산할 수 있는 미래형 화학원료 및 연료 생산 시스템으로 발전할 수 있다.” 고 말했다. 이 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 3월 21일, 세계적 수준의 과학전문지인 ‘Journal of Materials Chemistry A' 에 back cover 논문으로 선정 게재될 예정이다. ※ 논문명 : A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature - (제 1저자) (한국과학기술연구원 청정에너지연구센터, 연합대학원 대학교) 전효상 - (교신저자) (한국과학기술연구원 청정에너지연구센터) 민병권, 황윤정 박사 <개발된 인공광합성 디바이스는 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어 태양빛 흡수를 원활하게 하고 대량으로 화합물을 생산할 수 있다는 것을 표현한 그림 (저널 back cover에 사용된 그림)>
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- 작성자청청에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀
- 작성일2015.03.17
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