연구소소개
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고성능·고안정성 유기태양전지 구현하는 새로운 고분자 복합소재 개발
- 유기 태양전지 내 정공수송층으로 쓰이는 전도성 고분자 대체할 신소재 물질 개발 - 안정적 성능 보장, 향후 플렉시블 태양전지 및 유기 광전자 소자에 응용 기대 KIST 연구진이 유기태양전지의 높은 효율과 동시에 높은 안정성을 갖는 태양전지를 구현할 수 있는 새로운 고분자 물질을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 유기태양전지의 핵심 구성요소인 정공수송층(Hole Transport Layer)*으로 널리 사용되는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’를 대체할 수 있는 새로운 고분자 복합소재를 개발했다. *정공수송층(Hole Transport Layer) : 유기태양전지의 정공(Electron Hole)을 전달하는 역할을 하는 층 유기태양전지는 값이 저렴하고 대면적화가 비교적 용이하며 플렉서블한 태양전지 생산이 가능한 장점을 가지고 있다. 태양전지 내의 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층의 소재로 쓰이던 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’는 유기태양전지에 널리 사용되고 있지만 강한 산성수용액으로 인한 전극 분해현상, 제한된 용매사용, 낮은 전도성으로 인해 효율저하 및 짧은 수명을 야기해 이를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있었다. KIST 백경열 박사팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 전도성을 가지는 블록공중합체와 카본소재를 복합화한 복합소재를 개발, 기존 정공수송층의 문제를 보완하면서 향상된 성능을 지닌 새로운 정공수송층 소재를 개발했다. KIST 연구진이 개발한 새로운 고분자 소재는 산성이 아닌, 중성상태에서 다양한 용매에 대한 용해도를 가지고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능하고, 기존의 산성수용액에 의한 전극의 부식 현상을 극복함으로써 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있는 안정성을 부여 할 수가 있다. 새롭게 개발된 정공수송층 소재는 용액공정 이후에 간단한 열처리 공정을 통하면 전도성고분자의 도핑 현상을 유도함으로써 기존 정공수송층 소재와 유사한 일함수(5.1 eV)를 가지면서 기존 대비 5배 향상된 전기전도도를 가지는 것으로 나타났다. 또한 열처리시 동시에 불용의 물리적 가교가 형성되어 추가적인 용액공정 시 높은 내화학성**을 가지는 장점이 있어 용액공정을 다변화와 유기태양전지의 성능 안정성과 에너지변환 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. **내화학성 : 물질이 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도 KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 새로운 정공수송층 소재는 유기 태양전지 내의 정공수송층의 문제를 보완하면서 에너지변환 효율을 높일 수 있을 것으로 전망한다”라며, “향후 유기태양전지 뿐만 아니라 다양한 유기광전자소자에도 널리 활용 가능한 소재가 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 산업통상자원부(장관 성윤모) 지원으로 소재부품기술개발사업과 KIST의 기관고유사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 국내특허(10-1681186)와 미국특허(9260572)에 등록이 되었으며, 재료과학 및 복합체 분야의 국제 학술지인 ‘Composites Science and Technology’ (IF : 5.160, JCR 상위 1.923%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Potentially self-dopable poly(3-hexylthiophene) block copolymers/carbon nanotubenanocomposites for enhanced processibility and electrical properties - (제1저자) 한국과학기술연구원 조계용 박사((현)Texas A&M University) 한국과학기술연구원 김현지 박사((현)삼성 SDI 연구소) - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 <그림설명> <그림 1> (위) 전도성고분자를 기반으로 하는 블록공중합체와 카본 소재와의 복합화를 통해 얻어진 중성의 정공수송층 소재 모식도와 열처리 이후 도핑효과를 통해 얻어진 기존 정공수송층(PEDOT:PSS) 대비 유사한 일함수값과 5배 높아진 전기전도도. (아래) 개발 소재의 중성적 특성으로 인하여 다양한 유기용매에 대한 용해도를 갖고 있으나 용액공정 이후 열처리로 인한 불용의 물리적 가교가 형성됨으로써 다양한 용액공정의 적용이 가능.
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- 작성자물질구조제어연구센터 백경열 박사팀
- 작성일2019.04.11
- 조회수12391
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화학무기 독성제거가 가능한 고활성 제독촉매 개발, 화학전과 테러로부터 국민의 생명과 안전을 지킨다
- KIST, 간단한 구조제어로 최고 수준의 제독성능을 갖는 대용량 촉매 합성법 개발 - 향후 실증화로 차세대 보호복/방독면 및 산업폐기물 처리에 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 원재료의 농도 및 산도(pH) 조절과 같은 간단한 방법을 통해 높은 효율을 보이는 나노미터 수준의 균일한 입자크기의 지르코늄(Zr) 기반의 제독 촉매를 대량으로 합성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 활성탄 기반의 제독제는 독성 화학물질을 흡착만 한다. 그렇기 때문에, 이 흡착된 독성 물질을 제거하는 재처리 과정에서 2차 오염 문제가 발생했다. 또한 기존의 제독촉매 소재는 복잡한 유기물을 합성하는 과정이 필요해 대량생산이 어려운 한계를 갖고 있었다. KIST 연구진은 기존 제독방법인 흡착의 한계를 넘은 직접 독성제거가 가능한 촉매 소재를 개발했다. 연구진은 금속유기물 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 중 가격이 저렴하고 제조방법이 간단한 ‘UiO-66’ 이라는 소재를 기반으로 약 100㎚ 입자크기의 MOF 합성에 성공했다. 새로 개발된 촉매는 기존 촉매의 1/6수준의 부피를 가지고 있어, 부피 대비 표면적이 높아 기존 소재보다 100배 이상 높은 반응효율을 기록하여 세계 최고 수준의 제독 성능을 보였다. 또한, KIST 연구진은 양자화학계산을 통해 기존의 촉매소재가 일회성 사용에 그쳤던 원인을 밝혀냈다. 이는 향후 지속 사용가능한 촉매 시스템을 개발하고, 실제 코팅소재 및 방독면 등에 응용할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대된다. KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 촉매소재는 화학무기의 독성을 근본적으로 제거하는 방법이다”라며, “기존의 제독제와 함께 사용하면 화학무기 또는 고위험성 화학물질로부터 보다 능동적으로 국민의 생명과 안전을 지킬 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 국가과학기술연구회(NST) 민군융합기술 연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF : 11.698, JCR 상위 1.000%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Facile control of defect site density and particle size of UiO-66 for enhanced hydrolysis rates: insights into feasibility of Zr(IV)-based metal-organic framework (MOF) catalysts - (제1저자) 한국과학기술연구원 조계용 박사((현)Texas A&M University) 한국과학기술연구원 서진영 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 <그림설명> (a) 가격 경쟁력을 가지면서, 쉽고 간단한 방법으로 촉매활성을 극대화시킨 MOF 나노-촉매소재의 고용량 제조방법 개발을 통하여 본 소재의 실증화 가능성 규명 (b) 양자화학계산법을 기반으로 반응 에너지의 계산을 통하여 촉매 반응 메커니즘 규명 및 해석 (c) 기존과 달리 고성능의 촉매성능을 지속할 수 있는 제독 시스템 개발과 실증화된 코팅소재, 보호의 또는 방독면 등으로의 응용개발에 있어서 새로운가능성을 이론적으로 제시
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- 작성자물질구조제어연구센터 백경열 박사팀
- 작성일2019.02.12
- 조회수12726
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새로운 패러다임 제시한 최고 성능의 중저온 연료전지 개발, 혁신적인 연료전지 성능개선의 기틀 마련했다
- KIST-고려대 공동연구진, 세계 최고 수준의 고성능 중저온 세라믹 연료전지 개발 - 중저온 연료전지 전해질의 박막화 성공, 저항 줄여 획기적인 성능 향상 - 연료전지 연구의 혁신적 성능 개선 기반 마련, 새로운 패러다임 제시 기존 연료전지는 작동온도에 따라 크게 저온형(200°C 이하)과 고온형(600°C 이상)으로 구분되어 왔다. 저온형 연료전지는 값비싼 백금 촉매를 사용해야하는 반면, 고온형 연료전지는 저렴한 세라믹 물질로 제작이 가능하지만, 높은 작동 온도로 인해 열화에 의한 성능 저하가 문제시 되고 있다. 연료전지 작동에 있어 300~600°C의 중저온 온도 구간은 제조 단가 및 효율, 신뢰성 측면에서 모두 유리하다고 알려져 있다. 그러나, 기존의 연료전지들은 해당 온도 구간에서 낮은 이온전도도를 가져 높은 성능을 가진 연료전지 제작에 어려움이 있었다, 최근 국내 연구진이 중저온 세라믹 연료전지의 성능을 획기적으로 개선하여 관련분야 전 세계 연구진의 이목을 끌고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀은 고려대학교(총장 염재호) 심준형 교수팀과의 공동연구를 통해 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(protonic ceramic fuel cell, PCFC)의 성능을 극대화하는 방안에 대한 연구를 진행하였고, 전해질의 박막화를 효과적이고, 안정적으로 이끌어낼 수 있는 제조방법을 개발하여 중저온 연료전지의 성능을 획기적으로 향상시키는데 성공했다. KIST-고려대 공동연구진은 기존의 중저온 연료전지들의 한계점들을 극복하고자 프로톤 세라믹 연료전지(protonic ceramic fuel cell, PCFC)를 연구에 도입했다. 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)는 산소 대신 가장 가벼운 이온인 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지이다. 프로톤 세라믹은 중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보여 차세대 연료전지 재료로 주목받고 있었으나 박막으로 제작하기 어렵고 다른 세라믹 물질과의 결합력이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 문헌상에 보고되는 실제 성능들은 기존 연료전지에 비해 현저하게 낮은 수준으로, 실용화 가능성 측면에서 회의적인 평가가 지배적이었다. KIST-고려대 공동연구진은 전해질 박막화를 안정적으로 제작할 수 있는 멀티스케일 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC) 구조체를 개발하여, 기존 프로톤 세라믹 연료전지 대비 2배 이상 높은 성능을 보고하였다. 해당 연구에서 개발된 박막 전해질은 프로톤 세라믹의 가장 큰 문제였던 높은 결정립계(grain boundary) 저항을 획기적으로 줄임으로써 성능을 극대화할 수 있었다. 상대적으로 전해질의 저항이 큰 영향을 끼치는 세라믹 연료전지의 경우, 전해질의 두께 증가가 연료전지 전체 성능저하로 이어질 수 있는데, 연구진이 개발한 연료극 지지형 박막 PCFC는 멀티스케일(multi-scale) 구조를 기반으로 하고 있으며, 전해질을 나노미터 수준의 작은 입자들 위에서 성장시킬 수 있어 1μm(마이크로미터, 십 만분의 1cm) 수준까지 전해질 두께를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 이렇게 머리카락보다 얇은 전해질이 연료전지 전체저항을 획기적으로 줄이기 때문에, 기존 동종물질 기반 PCFC들에 비해 두 배 이상의 높은 출력성능을 나타냈다고 설명했다. 본 연구를 주도한 KIST 손지원 박사(센터장)는 “중저온 연료전지 개발은 향후 연료전지가 에너지·시스템 분야 전반에서 성공적으로 자리매김하기 위한 필수적 요소이며, 고성능 PCFC를 개발한 이번 연구결과는 기존 연료전지 연구에 새로운 패러다임을 제시하는 매우 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 글로벌프론티어 멀티스케일에너지 시스템 연구사업 및 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원(원장 임춘택)의 연구과제로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 기술 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF : 21.875, JCR 분야상위 : 1.712%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) High-Performance Protonic Ceramic Fuel Cells with 1 μm thick Y:Ba(Ce,Zr)O3 Electrolytes - (제1저자) 고려대학교 배기호 연구교수 (前 한국과학기술연구원 학생연구원 및 방문연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 손지원 책임연구원 고려대학교 심준형 교수 <그림설명> <그림 1> (좌) 멀티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도 / (우) 전자현미경 이미지 <그림 2> 이번 연구결과와 문헌상에 앞서 보고된 PCFC 최고출력밀도와의 온도별 비교
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- 작성자고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀
- 작성일2018.07.23
- 조회수15643
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조류인플루엔자(AI) 바이러스가 남긴 지문(fingerprint)으로 바이러스 판별하는 신기술 나온다
- 형광 방출물질로 나타나는 AI 바이러스 패턴 분석하여 판별하는 신기술 개발 - 특수 장비(PCR) 없이 신속한 AI 감염 여부 및 아형 판별 가능, 확산 방지 기대 최근 국내·외에 큰 피해를 일으킨 조류인플루엔자(AI, Avian Influenza) 바이러스는 매년 주기적으로 반복·발생하고 있으며, 국가적인 막대한 손실을 가져다주고 있다. AI 바이러스는 갈수록 그 규모가 커지고 있으며 특성상 변종을 쉽게 일으키는데, 작년에는 2개 이상의 바이러스 유형이 동시 발생하는 등 대규모 피해 사례가 증가하고 있다. 국내에서는 조류인플루엔자의 확산을 통제하기 위해 대량 살처분의 방식을 취하고 있는데, 추가적인 확산 및 피해를 줄이기 위해 조기에 대량의 샘플로부터 바이러스를 검출하고 판별할 수 있는 진단기술이 매우 중요하다. 최근 국내 연구진이 AI 바이러스에 감염된 세포에서 형광을 방출하는 물질을 기반으로 감염 여부 및 아형(subtype)*까지 판별 가능한 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. *아형(subtype) : 아류형(亞類型), 일반형에 포함되어 있는 특수형 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 이준석 박사팀은 건국대학교 수의학과 송창선 교수팀과의 공동연구를 통해 초과산화물(superoxide)**에 감응하는 형광염료를 활용하여 AI 바이러스에 감염된 세포주(cell line, 세포의 집합)에 처리한 뒤, 나타나는 형광 패턴 분석을 통해 바이러스의 감염 여부 및 아형을 구별하는 진단 방법을 개발하였다. **초과산화물(superoxide) : 생체 내에서 산화환원효소에 의한 반응결과로 생산되며, 반응성이 아주 높고 많은 화합물을 산화한다. 세포가 바이러스 감염시 활성산소가 발생하는데, 초과산화물의 모태가 된다. 기존의 현장진단키트로 사용되고 있는 방법은 종란접종법과 유전자 검사법으로 결과를 얻기 위해 짧게는 3~4일, 길게는 약 7일정도의 시간이 소요된다. 또한 종란을 배양하기 위한 추가시설이 필요하며, 면역측정 또는 중합효소연쇄반응(PCR) 같은 기법을 활용하기 때문에 분석을 위한 추가적인 장비와 소요시간이 필요하다는 단점이 있었다. KIST 이준석 박사팀은 이러한 기존의 한계점들을 극복하기 위해 각종 세포가 바이러스에 감염되는 민감도(sensitivity)가 다르다는 점과 감염 시 활성산소가 발생하는 점에 착안했다. 연구진은 활성산소군의 모태가 되는 초과산화물에 형광 탐침(probe, 특이적으로 검출하는 물질)을 AI 바이러스 검출에 적용하였다. 연구진은 사전에 23종의 포유동물 세포주(cell line)에 3종의 AI 바이러스의 감염 정도를 수치화시키고, 이를 기반으로 바이러스 감염에 따른 형광 세기의 변화를 계산하였다. 그 결과 3종의 AI 바이러스의 아형(subtype)을 완벽히 구별하는데 성공했다. KIST 이준석 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 조류인플루엔자(AI) 바이러스의 지문 기술을 이용하여 경제성이 높은 1차 진단기술을 보급하고, 이를 통해 AI 바이러스의 신속한 확산 방지 및 금전적 손실 최소화에 기여할 것으로 기대한다.“고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST-ORP(Open Research Program)사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업 및 한국연구재단 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Angewantde chemie international edition’ (IF: 12.102, JCR 분야 상위 7.90 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Discrimination of Avian Influenza Virus using Host-cell Infection Fingerprinting by Sulfinate-based Fluorescence Superoxide Probe - (제1저자) 한국과학기술연구원 홍성철 학생연구원(박사과정) 한국과학기술연구원 장세영 학생연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이준석 선임연구원 (https://leegroup.chembiol.re.kr) <그림설명> <그림 1> 형광 프로브를 활용한 조류독감 바이러스 검출 원리 및 분석 프로세스 모식도
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- 작성자분자인식연구센터 이준석 박사팀
- 작성일2018.07.17
- 조회수15274
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양자계산으로 도출된 신(新) 산화물 소재, 태양전지 유망재료로 떠오른다
- KIST-포스텍 공동연구진, 고속 대량 양자계산으로 태양전지용 新산화물 소재 제시 - 향후, 고효율과 안정성을 모두 갖춘 산화물 기반 차세대 태양전지 상용화 기대 산화물 재료는 고온 또는 고습도 조건에서도 재료 변형이 잘 일어나지 않는 성질을 지니고 있다. 태양전지는 고온 또는 고습도 조건에 쉽게 노출되므로 안정성이 뛰어난 산화물 재료를 사용함이 바람직하다. 하지만 산화물에 기반한 태양전지는 낮은 출력으로 효율이 매우 낮아 활용가치가 없다고 여겨져 왔다. 최근 국내 연구진이 이러한 고정관념을 깨고, 안정성이 높은 산화물 기반 태양전지의 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 방안을 찾아내고, 그 결과로 태양전지용 신(新) 산화물 재료들을 다수 제시하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 포스텍 장현명 교수팀과의 공동연구를 통해, 비스무스-철-크롬계 산화물 재료(Bi2FeCrO6)가 이중 페로브스카이트* 결정구조를 가질 때 전자(electron)의 수명이 연장되는 현상을 규명하였고, 그 결과 태양전지의 전력 생성량이 크게 증가될 수 있음을 밝혀내었다. *이중 페로브스카이트 (Double perovskite): 재료의 결정구조 중 하나로, A2B’B”O6 (B’, B”은 서로 다른 양이온)의 화학 양론을 가지고 있는 구조. KIST-포스텍 공동 연구진은 전자의 거동을 살펴볼 수 있는 계산법(범밀도함수론**)을 활용하여, 이중 페로브스카이트 구조의 산화물 물질 내에서 전자-정공 분리(electron-hole separation)*** 현상이 일어남을 발견하였다. 이와 같이 전자와 정공이 공간적으로 분리되면 전자의 수명이 매우 늘어나는데, 그 결과 기존의 단일 페로브스카이트 산화물 재료를 태양전지에 사용했을 때보다 약 1,000배 이상 높은 전류값을 출력할 수 있음을 증명하였다. **범밀도함수론(Density functional theory) : 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나임. ***전자-정공 분리(Electron-hole separation) : 반도체 물질이 빛을 받았을 때 생성되는 전자-정공 짝이 공간적으로 분리되는 현상임. 이 현상의 결과로 들뜬 상태의 전자의 수명이 매우 늘어남. 더 나아가 연구진은 양자계산을 활용한 고속대량 스크리닝 기술로 약 1,000여개의 이중 페로브스카이트 산화물 재료물성의 데이터베이스를 구축하였고, 그 결과 태양전지의 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있는 새로운 산화물 재료 5가지(Bi2TiVO6, Bi2VCuO6, Bi2CoCrO6, Bi2MnCoO6, Bi2FeVO6)를 엄선하여 제시했다. 본 연구결과는 재료물성의 빅데이터를 수집 및 활용하여 태양전지용 신소재 개발을 가속화시켰다는 점에서도 그 의미가 매우 크고, 산화물 재료가 태양전지의 유망재료로 활용될 가능성을 다시금 제고하여, 해당 연구 분야의 부흥을 이끌 뿐만 아니라 더 나아가 차세대 태양전지로서의 상용화로 이어지길 기대하고 있다. KIST 김동훈 박사는 “본 연구로 새롭게 제시된 산화물 소재들은 기존의 실리콘 소재와는 달리 밴드갭****을 넘어서는 큰 전압출력이 가능한 장점이 있어, 태양전지 효율의 이론적 한계치(Shockley-Quisser limit)를 넘어서는 것도 가능하다. 과학적 그리고 기술적 측면에서 모두 흥미로운 연구결과이다.”고 말하며, “앞으로 고효율과 안정성을 모두 잡은 산화물 태양전지가 시장에 등장하길 기대한다.”고 포부를 밝혔다. ****밴드갭(Bandgap) : 반도체 재료가 흡수할 수 있는 빛 에너지의 최소값. 일반적으로 태양전지의 출력전압은 광활성층 소재의 밴드갭 크기를 넘어서지 않음. 이번 연구는 KIST 김동훈 박사, 포스텍 장현명 교수의 공동지도하에 김동훈 박사과정 (스위스 취리히 연방공대)학생이 제1저자로 참여하였다. 본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 국립연구재단(NRF)의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.) (IF: 10.4, JCR 상위 5.469%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Electron-Hole Separations in Ferroelectric Oxides for Efficient Photovoltaic Responses - (제1저자) 김동훈 연구원(취리히 연방공대 박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김동훈 박사, 포스텍 장현명 교수 <그림설명> <그림 1> 비스무스-철-크롬계 산화물 재료 (Bi2FeCrO6)가 이중 페로브스카이트 결정구조를 가질 때 전자-정공 분리 (Electron-hole separation) 현상이 일어남을 발견함. 이와 같이 전자와 정공이 공간적으로 분리되면 전자의 수명이 매우 늘어나, 태양전지의 출력 전류값이 기존 대비 약 1,000배 이상 증가할 수 있음을 증명함. <그림 2> 고속 대량 양자계산을 활용하여 산화물 재료물성 데이터베이스(약 1,000여개)를 구축하였고, 그 결과로 태양전지의 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있는 신新 산화물 재료 5가지 (Bi2TiVO6, Bi2VCuO6, Bi2CoCrO6, Bi2MnCoO6, Bi2FeVO6)를 엄선하여 제시함.
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- 작성자계산과학연구센터 김동훈 박사팀
- 작성일2018.06.28
- 조회수15972
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자동차·선박에서 나오는 미세먼지 원인 물질, 저비용?고효율의 친환경성 전환 촉매로 잡는다
- 미세먼지 생성원인인 질소산화물을 물과 질소로 고효율·지속적으로 바꾸는 촉매 개발 - 기존 대비 저비용 생산·독성 억제 효과 상승, 저온에서 향상된 성능?안정성 구현 최근 디젤을 연료로 사용하는 발전소 및 주요 운송수단들(자동차, 선박)에서 배출되는 질소산화물*(nitrogen oxide, NOX)에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있는데, 이는 질소산화물이 미세먼지를 생성시키는 주요 원인물질 중 하나이기 때문이다. 미세먼지를 줄이기 위한 방법은 질소산화물을 환원제인 암모니아와 촉매 상에서 반응시켜 환경 친화적인 물 및 질소 등으로 전환시키는 화학적 처리방법이 가장 친환경적이고 효율적이다. *질소산화물 : 연소과정에서 발생하는 질소와 산소의 화합물, 공해문제는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2)이다. 일반적으로 발전소 및 자동차 등에 적용되는 상용촉매의 경우, 300°C 이상의 고온에서는 질소산화물을 물로 바꾸는데 아주 높은 전환율을 나타낸다. 하지만 이 경우 사용온도가 300°C 이상의 고온 환경을 만들어야하는 등 막대한 비용이 든다. 또한 촉매가 고온에 노출될 때, 독성의 촉매성분이 증발되어 대기 중에 방출되는 문제점이 있어 일본을 비롯한 여러 국가에서는 고온에서 독성을 지닌 바나듐 등을 포함한 촉매의 사용을 제한하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 하헌필, 김종식 박사팀은 기존 상용촉매의 단점을 극복한 촉매를 개발했다. 개발된 탈질촉매는 대기 중에 독성 방출을 억제하고, 300°C 이하의 상대적 저온 영역에서도 높은 효율을 유지한다. 이 촉매는 높은 안정성을 보이며, 저가로 제조 가능하여 대량 생산이 가능하다. KIST 하헌필, 김종식 박사팀이 개발한 촉매는 기존에 보고되지 않은 ‘구리바나듐 복합산화물’(Cu3V2O8)을 주촉매성분으로 사용하되, 촉매구조 개량을 통하여 독성의 촉매성분 증발이 억제되고, 자동차·선박 기준으로 상대적으로 저온인 230°C 에서도 상용촉매 대비 10~15% 향상된 질소산화물 전환율을 보이며, 배연가스에 포함되어 있는 이산화황이 존재하는 상황에서 촉매의 내구(안정)성이 약 4배 향상되었다. 특히, 연구진은 활성물질을 안정화시키는 재료설계 기법을 사용하여, 고온에서 대기 중으로 활성물질이 증발될 수 있는 가능성을 획기적으로 줄인 친환경 촉매를 개발했다고 밝혔다. KIST 김종식 박사는 “이번 연구를 통해 촉매구조 개량을 통하여 저비용으로 대량생산이 가능한 촉매를 개발했다. 독성의 촉매성분 승화가 억제되었고, 상대적으로 저온인 250 °C 이하에서 기존의 상용촉매 대비 향상된 성능과 효율을 보이며, 촉매의 내구(안정)성 또한 향상되는 장점들이 있다.”고 밝혔다. 연구책임자인 하헌필 박사(본부장)는 “본 연구에서 개발된 촉매를 발전소·자동차 등에 실제 장착 및 상용화를 위해 노력할 것이며, 현재 촉매 성능의 향상을 위한 촉매성분 최적화 연구를 진행 중이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 미래소재 디스커버리사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Exploration of surface properties of Sb-promoted copper vanadate catalysts for selective catalytic reduction of NOX by NH3 - (제1저자) 한국과학기술연구원 김종식 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 하헌필 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 개발된 촉매 관련 key idea의 illustration: (a) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 화학반응식 도식, (b and c) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 촉매점들 위에서 NOX와 NH3의 변환과정 도식, (d) 주촉매점으로 적용 가능한 구리바나듐산염들 도식 (Cu1: Cu1V2O6; Cu2: Cu2V2O7; Cu3: Cu3V2O8; Cu5: Cu5V2O10), (e) 안티모니게 조촉매점 및 비바람직한 반응부산물 ((NH4)2SO4, (NH4)HSO4, H2SO4)의 형성 관련 화학반응식 도식
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- 작성자물질구조제어연구센터 하헌필, 김종식 박사팀
- 작성일2018.06.05
- 조회수18400
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친환경 수소 연료전지 성능·효율 증대시킬 비밀 찾았다
- 나노 구조 박막 고체전해질의 전기전도도 향상 매커니즘 원리 규명 - 내부응력 조절을 통한 새로운 설계방안 확립 및 고성능 연료전지 개발 기대 연료전지에 들어가는 전해질 중 고체전해질은 높은 선택적 이온 전도 특성과 기계·전기화학적 안정성 때문에 친환경 에너지 전환 및 저장시스템으로 각광받고 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등 다양한 차세대 에너지 분야에 사용되고 있다. 그러나 이러한 친환경 에너지시스템에 필수적으로 사용되고 있는 박막형 고체전해질에서 나노구조재료의 실효성에 대한 검증문제로 실용화에 어려움을 겪고 있었다. 최근 국내연구진이 그간 논란이 되어온 전기전도도 향상 메커니즘을 최초로 규명하고, 이를 기반으로 고체전해질의 물성을 향상시킬 수 있는 원자스케일의 새로운 설계 방안 및 기법을 제시했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀은 박막형 고체 산화물 전해질의 내부응력을 조절하여 기존 재료보다 높은 전기전도도를 가지는 고체전해질을 개발하였다. 그동안 재료의 나노구조화를 통한 물성 향상 현상에 대한 결과는 많이 보고되었지만, 실험적으로 제어하기 어려운 변수들과 재현성이 없는 실험 결과로 인해 고성능의 나노구조재료를 실제 에너지 시스템에 적용하는데 한계가 있었고, 고성능이 발현되는 정확한 메커니즘 조차 규명하는데 어려움이 있었다. KIST 연구진은 전도성 기판을 이용하여 전기전도도 측정 시 실험적 오차를 발생시키는 요인들을 효과적으로 제거할 수 있는 실험기법을 설계하고, 나노구조에서 발생하는 내부 응력을 정량적으로 평가할 수 있는 고분해능의 분석장비를 도입하여 나노구조 고체전해질의 이온전도도를 박막의 내부응력 제어를 통해 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 설계 기법을 제시하였다. KIST 이종호 박사팀은 연료전지나 배터리의 내부에 들어가는 고체전해질을 박막으로 성장시켰을 때 발생하는 응력을 이용하면, 재료의 원자간 거리를 제어할 수 있고 이를 통해 고체전해질 내에서 이온이 이동할 때 필요한 에너지장벽을 낮춰 기존 고체전해질 고유의 물성 보다 약 10배 이상 높은 전기전도도를 보여 고성능의 박막 고체전해질을 개발할 수 있다고 밝혔다. 본 연구를 주도한 KIST 이종호 박사는 “이번 고성능 박막 고체전해질 개발을 통해 원자스케일에서 재료의 물성을 설계하는 새로운 패러다임을 제시한 연구로, 고성능의 박막 고체전해질을 실제 친환경 에너지 시스템에 적용하고, 기존보다 획기적으로 향상된 성능의 연료전지를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 저명 학술지 ‘나노레터’ (Nano Letters, (IF : 12.712, JCR 상위 3.45%)) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Identification of an Actual Strain-Induced Effect on Fast Ion Conduction in a Thin-Film Electrolyte - (제1저자) 한국과학기술연구원 안준성 학생연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이종호 책임연구원 <그림설명> <그림 1> (좌측)박막 고체전해질의 내부응력에 의한 산소이온전도도 향상 메커니즘 모식도 (우측)실제 박막 내 작용하는 응력과 산소이온전도 에너지장벽 간 상관관계 실험결과
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- 작성자고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀
- 작성일2018.04.30
- 조회수19225
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컴퓨터 시뮬레이션 기술로 전지의 화학반응 예측한다
컴퓨터 시뮬레이션 기술로 전지의 화학반응 예측한다 - 전지 성능저하의 원인인 계면막(SEI) 형성을 예측하는 시뮬레이션 기술 개발 - 전극의 계면막 제어를 통한 전지 성능 향상 및 수명 개선 기대 리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다. 리튬이온전지는 충?방전을 거듭할수록 전극 표면에서 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막(SEI, Solid-Electrolyte Interphase)이 형성되어 적층되는데 이것이 전지의 성능을 저하시킨다. 최근 국내 연구진이 이러한 전지의 계면현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드’(ReaxFF, Reactive Force Field)라는 자체 개발한 시뮬레이션 기술을 통해 실리콘(Si) 전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어(S/W)를 개발함으로써, 화학반응 중에 생성되는 다양한 계면막 구성성분(유·무기화합물) 및 가스 생성 메커니즘을 규명하고, ‘안전하고 우수한 전해질·첨가제 선택의 조건’을 정립했다고 밝혔다. 전지를 반복적으로 충?방전 하면, 계면막이 형성되어 전지의 성능(수명, 용량 등) 및 안전성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 간혹 휴대폰 혹은 노트북 충전 시 전지가 부풀어 오르거나 폭발하는 사고를 볼 수 있는데, 원인은 계면막 형성과 직결되어 있으나 현재의 분석 장비로는 이러한 계면 반응을 분석하기가 불가능하다는 것이 일반적인 견해였다. 연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간으로 모니터링 가능하며, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악하고 이를 제어하는 방법에 대한 결과를 제시할 수 있다고 밝혔다. 또한 연구진은 개발된 시뮬레이션 기술을 온라인상에 그래픽사용자인터페이스(GUI, Graphical User Interface) 환경을 기반으로 하는 리튬이온 배터리 시뮬레이션 플랫폼인 ‘iBat’(http://battery.vfab.org) 내에 장착함으로써 계산전문가가 아닌 실험연구자도 쉽게 계면막 형성거동을 예측해 볼 수 있도록 무상으로 제공(*2017년 6월 1일(목) 공개)하고 있다. KIST 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극 표면에서 계면반응을 미리 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발의 비용을 절감하고 개발 시기를 앞당길 수 있다”라고 말하며, “또한, 이 기술은 기존 계산과학기술의 한계였던 소규모 샘플링 방법을 극복해 실제 실험과 유사한 조건에서 결과를 도출해 낼 수 있다”라고 말했다. 연구진이 개발한 이 기술은 향후 탈리튬계 이차전지, 연료전지 및 촉매 개발 등에 폭 넓게 활용될 전망이다. 본 연구는 미래창조과학부 지원의 KIST 기관고유사업, 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 국제학술지인 '저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters / IF : 9.353, JCR 분야 상위 2.86%)' 7월 6일(목)자로 출판되었다. <그림설명> <그림 1> 리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술 <그림 2> 실리콘 전극과 에틸렌카보네이트(EC) 전해질과의 계면반응 예측. (a) 시간에 따른 전해질 분해 및 가스 생성물 변화량. (b) 전해질이 분해되어 일산화탄소 가스가 생성되는 과정. (c) 에틸렌 가스가 생성되는 과정 <그림 3> 계면막(SEI) 층 내부 리튬무기물 분포량 분석 프로파일 <그림 4> KIST 계산과학연구센터 주도로 개발된 리튬이온배터리 시뮬레이션 플랫폼 ‘iBat’ 메인화면(http://battery.vfab.org) *6월 1일 무상공개
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- 작성자계산과학연구센터 한상수 박사팀
- 작성일2017.07.07
- 조회수31153
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나노 주름에 물 한 방울, DNA 나노선 만든다
나노 주름에 물 한 방울, DNA 나노선 만든다 - KIST-프린스턴大 공동연구팀, 나노 주름이 나노터널로 전이되는 현상 규명 - 나노크기의 물질 전달 및 배열이 필요한 생체 센서, DNA나 단백질 정밀분석에 활용 고분자 실리콘 화합물(PDMS) 소재를 압축하게 되면 주름이 생기게 된다. 이 표면에서 우리 손바닥의 손금과 같은 ‘구조의 접힘(folding)’ 상태를 만들기 위해서는 소재의 30%이상의 압축 변형이 필요하다. 최근 국내 연구진이 매우 낮은 수치인 1%정도의 작은 변형에서 물방울로 인한 표면장력으로 나노주름에 더 큰 변형을 유도하여 접힘 구조를 만들 수 있게 되는 현상을 규명하고, 이로 인해 DNA 나노선(nano-wire)을 만드는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 문명운 박사 연구팀은 프린스턴大 하워드 스톤(Howard A. Stone) 교수팀과 공동 연구를 통해 ‘액체 표면장력에 의한 나노 주름 형상이 나노터널로 전이되는 현상’을 규명하고 이를 적용하여 ‘DNA 나노선을 만드는 매우 손쉬운 방법’을 제안하였다고 밝혔다. 수 십 나노미터 높이의 나노 주름 위에 물방울과 같은 액체를 올려두게 되면 물방울 주변의 표면장력이 주름의 표면에 작용하여 나노 주름의 입구를 잡아당기며 물이 닿은 주름 안쪽의 단면을 원형 터널에 가깝게 만든다. 특히 친수성을 가지는 나노주름 표면에서 물이 보다 강력한 압축응력을 만들어내게 되어 나노 주름의 깊이가 더욱 깊어지게 되고 그 결과 접힘 구조(folding)의 나노터널이 형성되는 현상이 생긴다. 연구진은 이를 통해 액체의 표면 장력에 의해 고체 표면의 2차원 변형이 가능함을 처음으로 밝혔다. 물 등의 액체 내에 나노입자, 나노와이어와 같은 나노물질이나 DNA 등의 생체 분자물질을 같이 넣고, 나노주름 표면에 떨어뜨리게 되면 물방울과 DNA 등의 물질이 함께 나노터널을 타고 들어가게 된다. 이후 물을 건조, 제거한 뒤에도 함유된 물질은 나노터널이 있었던 곳에 그대로 남아 특정 간격을 유지하면서 DNA로 만들어진 나노와이어가 형성된다. 이와 같이 연구진은 나노터널을 통해 물에 나노 크기의 약물이나 기능성 나노 입자를 혼합하여 나노와이어 형태로 손쉽게 배열하게 할 수 있다는 것을 밝혔다. KIST 문명운 박사는 “나노 터널의 길이를 수십 마이크로 미터에서 수 밀리미터까지 변화시킴으로써 용액 내에 있는 DNA나 단백질 같은 작은 바이오 물질을 포집 혹은 저장하거나 전달할 수 있는 분야에 응용할 수 있다”라고 말하며, “또한, 나노 형광입자를 배열하는데 중요한 수단으로 활용될 수 있는 등 기존에 접근하기 어려웠던 나노크기의 물질 전달 및 배열이 필요한 다양한 분야에 응용될 것”이라고 말했다. 연구진이 개발한 이 기술은 향후 약물전달 장치나 생체 센서, DNA나 단백질 정밀 분석 등에 활용이 높을 전망이다. 본 연구는 한국과학기술연구원 미래원천연구 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보 'PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.)'온라인 판에 5월 31일(수)자로 실렸다. <그림설명> <그림 1> 액체 내의 DNA가 나노터널을 따라서 배열하는 이미지 <그림 2> 물의 표면장력에 의해서 나노 주름(wrinkle, 중간 아래 이미지)이 나노 접힘(fold, 중간 위 이미지)으로 만들어진 나노 터널 (오른쪽 이미지)로 전이되는 현상에 대한 이미지
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- 작성자계산과학연구센터 문명운 박사팀
- 작성일2017.06.05
- 조회수22670
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수소와 전기 생산하는 고성능 연료전지 개발
수소와 전기 생산하는 고성능 연료전지 개발 - 화학용액 침투공정으로 고온에서 나노 촉매를 합성하는 매커니즘 규명 - 나노 촉매 접합된 전극으로 향상된 성능의 가역 고체산화물전지 상용화 기대 가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cell, RSOC)*는 수소를 연료로 하여 전기를 생산하고, 물을 전기로 분해하여 수소를 생산하는 에너지 저장기능을 단일 시스템에서 동시에 수행 가능하여 미래 청정에너지 기술로 큰 기대를 받고 있다. 최근 국내 연구진이 전력과 수소 생산이 가능한 고온에서 작동하는 가역 고체산화물전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나노 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다. *가역 고체산화물전지 : 수소와 같은 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 반응과 물을 수소와 공기로 분리시키는 전해반응이 합쳐진 고체산화물로 이루어진 에너지 변환장치. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 윤경중 박사팀은 고온에서 안정된 구조를 유지할 수 있는 나노 사이즈의 촉매를 개발하였고, 이를 가역 고체산화물전지에 적용하여 전력 생산과 수소 생산의 효율과 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 현재 다양한 분야에 적용되고 있는 나노 소재 기술이 가역 고체산화물전지의 성능향상을 위해 접목되는 연구가 주목받고 있다. 하지만 가역 고체산화물전지는 700도 이상의 높은 온도에서 작동하고, 이러한 고온의 환경에 나노 소재가 노출될 경우 화학적, 구조적 변형이 발생한다. 따라서 고성능 및 안정성 확보가 매우 어려워져 이 분야에 나노 기술을 적용하는 것은 한계가 있었다. KIST 윤경중 박사팀은 나노 촉매의 형상과 크기, 분포를 정확히 조절할 수 있는 화학용액 침투공정을 개발하여 이 문제를 해결하였다. 온도가 높아지는 과정에서 화학용액으로부터 나노 촉매가 형성되는 메커니즘을 규명하고, 화학적·구조적 특성을 결정하는 단계들을 제어하여 700도 이상의 고온에서도 안정적인 나노 촉매가 접합된 고성능 전극을 제조하였다. 연구진은 일반적인 화학용액 침투 공정과 달리 용액의 건조가 일어나기 전에 화학적으로 침전을 일으키고 침전물을 전극 표면에 부착시키는 기술을 개발하여 건조되는 과정에서 발생되는 불확실성을 제거하고 나노 촉매의 분포와 크기를 정확히 제어할 수 있었다. 연구진이 최적의 나노 전극 구조를 구현한 결과, 기존 전극이 적용된 연료전지에 비하여 전력생산은 1.5배, 수소 생산량은 2배 이상 향상되었고 장시간동안 나노소재의 변형으로 인한 성능 감소가 전혀 발생하지 않는 안정적인 특성을 나타내는 것을 규명했다. KIST 윤경중 박사는 “이번 나노 촉매 기술 개발과 구현된 고성능 전극으로 다양한 나노 기술들이 고온에서 안정적으로 사용될 수 있는 플랫폼을 제공할 것이며, 가역 고체산화물전지의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 예상된다.”라고 말하며, “이는 미래 신재생 에너지 시스템의 중추적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 연구진은 향후 에너지 저장과 전력 생산이 가능한 가역 고체산화물전지를 신재생 에너지원과 결합한 하이브리드 시스템을 구축하여 온실가스 감축과 수소 경제 시대 구현에 기여할 것으로 전망하고 있다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업부 에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었으며 연구결과는 나노에너지(IF : 11.553)에 4월 18일(화) 온라인 게재되었다. <그림 설명> <그림 1> 나노촉매 제조 과정 (좌측), 나노 촉매가 접합된 전극 구조 (우측)
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- 작성자고온에너지재료연구센터 윤경중 박사팀
- 작성일2017.04.27
- 조회수21739