- 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄 기술 이용, 3차원 나노구조 전극 개발 - 촉매 내구성 증대 및 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 경제성 확보 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 한다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수 밖에 없다. 국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄 기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다. 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5 nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화 시켜 놓은 것이다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다. 연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20 nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발하였다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다. 이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매전극보다 내구성이 3배 이상 향상 됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다. KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했다. 공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다.”고 밝혔다. 한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술원 정연식 교수 그림 설명 [그림 1] 철골구조와 비슷한 형태의 멀티스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도 [그림 2] 멀티스케일 백금 나노아키텍처 기반 박막형 막전극접합체(MEA) 모식도 [그림 3] PET 유연기판위에 롤투롤 대면적 나노인쇄공정 구현 및 전사된 백금 나노선 SEM 이미지 [그림 4] 20 nm 급 고해상도 나노인쇄공정과정 및 마스터몰드에 따른 백금 나노아키텍처 SEM 이미지 [그림 5] 기존 상용 Pt/C 전극 및 다양한 나노아키텍처 백금 전극 성능 비교 및 탄소담지체 열화테스트 이후 최대전력밀도 유지율

- 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄 기술 이용, 3차원 나노구조 전극 개발 - 촉매 내구성 증대 및 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 경제성 확보 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 한다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수 밖에 없다. 국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄 기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다. 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5 nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화 시켜 놓은 것이다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다. 연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20 nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발하였다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다. 이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매전극보다 내구성이 3배 이상 향상 됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다. KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했다. 공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다.”고 밝혔다. 한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술원 정연식 교수 그림 설명 [그림 1] 철골구조와 비슷한 형태의 멀티스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도 [그림 2] 멀티스케일 백금 나노아키텍처 기반 박막형 막전극접합체(MEA) 모식도 [그림 3] PET 유연기판위에 롤투롤 대면적 나노인쇄공정 구현 및 전사된 백금 나노선 SEM 이미지 [그림 4] 20 nm 급 고해상도 나노인쇄공정과정 및 마스터몰드에 따른 백금 나노아키텍처 SEM 이미지 [그림 5] 기존 상용 Pt/C 전극 및 다양한 나노아키텍처 백금 전극 성능 비교 및 탄소담지체 열화테스트 이후 최대전력밀도 유지율

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○ 추진배경 : 인구의 고령화에 따른 의료 수요증가 및 건강보험 재정의 한계를 극복하기 위해, 의료서비스의 비용 대비 품질 향상을 위한 기술 개발 필요 ○ 추진기간 : 2021.1.1 ~ 계속 ○ 총사업비 : 계속 ○ 주요내용 : 4IR 핵심기술인 인공지능(AI), 확장현실(XR), 로봇(Robot)기술을 융합한 차세대 디지털 수술의 원천기술 개발 - 의료 빅데이터 기반 인공지능(AI) 진단 및 수술계획 기술 개발 - 디지털 지원 미세수술 및 의료인력 지원 로봇 기술 개발 ○ 추진경과 - 2021.1.1. : 신규사업 선정에 따른 과제수행

세부내용 첨부 참조

세부내용 첨부 참조

숙명여대 이경숙 총장과 박호군 원장이 협정서를 들어보이며 기념 촬영을 하고 있다.

순수 그라핀 제조, 분석에서 씨앗 성장법까지, 그라핀 연구의 새로운 가능성을 제시하다 - 대면적 그라핀 제작을 위한 그라핀 씨앗(seed) 성장법의 가능성 확인 - X-ray 분석기법 개발로 획기적 그라핀 분석기술 개발 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 2차원 물질인 그라핀(Graphene)은 탁월한 전자소자 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있으나 두께 0.4 나노미터인 순수 그라핀 제조에는 어려움이 있었다. 국제 연구팀이 5 나노미터(nm) 크기의 나노분말 및 수 십 크기의 시트형 순수 그라핀을 제조할 수 있는 방법을 개발했다. 또한 연구팀은 제조된 순수 그라핀을 투과전자현미경뿐만 아니라 사용이 용이한 X-ray로 증명함으로써 그라핀 분석에 획기적인 방법을 제시했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 이재갑 박사팀은 기계적 방법으로 나노분말 형태의 순수 그라핀을 대량으로 제조하고 이를 씨앗(Seed)으로 이용해 시트형으로 크게 성장시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 관련 연구는 Nature 자매지인 Scientific Reports에‘The seeded growth of graphene’라는 제목으로 7월 14일 게재되었으며, 국내외 특허등록(미국등록 3, 한국등록 2) 및 출원(2건)하였다. 연구팀은 2013년 응용물리분야 권위지인‘Applied Physics Letters’지에 다중벽탄소나노튜브(MWNT)가 튜브 구조가 아니라 튜브로 보이는 나선형 흑연 구조체임을 발표한 바 있다.* 연구팀은 이러한 연구의 연장선에서 다중벽탄소나노튜브를 기계적으로 파쇄하였고, 그 결과 5 나노미터(nm) 크기의 그라핀 분말을 대량으로 제조할 수 있었다(그림 1 참고). 이것은 꼬아만든 지푸라기 줄을 짧게 자를 경우 이의 구성재료인 지푸라기(그라핀에 대응)으로 분해되는 원리와 같다. * Structure of multi-wall carbon nanotubes: AA' graphene helices, Vol. 102, No. 16, 161911-1~5 (2013, 04) 연구팀은 제조된 그라핀 나노분말을 X-ray장치로 분석하였다. 그 결과 그라핀으로 분해 전(MWNT, 즉 나선 흑연)과, 분해 후(그라핀 나노분말) 그리고 그라핀 나노분말의 액상처리 후 각 단계에서 특이한 패턴을 보였다(그림 2 참고). 연구팀은 이 “특이한 X-ray 패턴”이 순수 그라핀의 검증방법이 될 수 있음을 알았다. 그라핀을 전자소자 등으로 사용하기 위해서는 큰 면적을 가진 그라핀 제작이 필요하다. 연구팀은 5 나노미터 크기의 그라핀 분말을 씨앗(seed)으로 사용하고 기상화학 플라즈마증착(CVD)*장치를 이용하여 수십 나노미터 크기의 시트형 그라핀으로 성장시킬 수 있음을 보였다. 제조된 시료의 투과전자현미경분석에서 평면으로 보이는 그라핀 시트의 끝단이 한 원자층임을 확인할 수 있는 “가장자리(edge) 조직”이 나타남을 확인하였다. 연구팀은 이 투과전자현미경의 가장자리 조직과 위에서 설명한 특이한 X-ray 패턴을 순수 그라핀 존재의 직접적인 증거임을 제시하였다. 특히, X-ray 분석법은 투과전자현미경 분석과 비교할 때 매우 간단하므로 비용과 시간을 크게 줄일 수 있어 순수한 분말상 그라핀 연구에 활기를 불어 넣을 것이다. * 플라즈마증착 방식: 일정의 진공용기에 가스를 넣고 전기에너지를 가하면 중성의 가스가 전자와 이온으로 분리되어 플라즈마가 발생된다. 플라즈마는 기체의 높은 에너지 상태이기 때문에 이 증착 방식은 물질성장에 필요한 활성종 또는 이온을 효과적으로 형성시켜 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 한편, 연구팀은 씨앗 성장실험에서 일부의 그라핀 시트가 서로 붙어 적층 그라핀(흑연)으로 변화함을 관찰하였다. 이 결과는 순수 그라핀을 수십 나노미터 이상의 크기로 제조하는데 어려움이 있고, 향후 이를 극복하는 것이 다음 과제임을 보여주는 것이다. 또한, 나노분말형 및 시트형 그라핀의 양자점, 유연전극 등의 응용연구가 수행될 것이다. 관련 연구는 KIST 이재갑 박사가 주도하고 한국표준과학연구원 김용일 박사, 한국기초과학지원연구원 김진규 박사, 영남대학교 민봉기 박사, KIST 이경일 박사, 박예슬 씨 및 영국의 Heriot-Watt대학교 John Phillip 교수가 참여하였다. ○ 연구진 KIST 이재갑 박사 ○ 관련자료 <특허/등록> o (미국)불규칙 흑연 및 나노리본상 그라핀을 이용한 그 제조 방법, 8586000 (2013.11.19). o (미국)그라핀분말의 정제방법, 8672246(2013.12.20) o (미국)그라핀리본의 제조방법, 8597607(2013.12.03) o (한국)그라핀제어 나노흑연의 제조방법, 1312104(2013.09.13) o (한국)구조제어된 그라핀리본의 제조방법,1096518(2011.12.14) <특허/출원> o (미국)그라핀탄소섬유 조성물 및 탄소섬유의 제조방법, 13/939349 (2013.07.11) o (한국)그라핀 시드를 이용한 탄소시트제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소 시트, 10-2014-0076000 (2014.6.20.) ○ 그림자료 <그림 1> 나선형의 다중벽탄소나노튜브(MWNT)를 파쇄하여 나노크기의 그라핀 분말을 제조한 후 이를 플라즈마 CVD 장치에서 그라핀 시트로 성장시키는 과정을 보여주는 모식도 <그림 2> X-ray 패턴 및 모식도. (a, a’) 다중벽탄소나노튜브 (MWNT) , (b, b’) MWNT를 파쇄하여 제조한 그라핀 나노분말, (c, c’) 알콜에서 정제된 후의 그라핀 나노분말. 정제된 그라핀 나노분말의 X-ray 패턴에서 (002) 픽은 면간거리가 AB 적층의 3.35 Å, AA’ 적층의 3.44 Å, AA 적층의 3.53 Å의 대략적인 평균값인 3.48 Å에서 나타났는데, 이것은 분말상 순수 그라핀의 증거가 될 수 있다.

순수 그라핀 제조, 분석에서 씨앗 성장법까지, 그라핀 연구의 새로운 가능성을 제시하다 - 대면적 그라핀 제작을 위한 그라핀 씨앗(seed) 성장법의 가능성 확인 - X-ray 분석기법 개발로 획기적 그라핀 분석기술 개발 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 2차원 물질인 그라핀(Graphene)은 탁월한 전자소자 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있으나 두께 0.4 나노미터인 순수 그라핀 제조에는 어려움이 있었다. 국제 연구팀이 5 나노미터(nm) 크기의 나노분말 및 수 십 크기의 시트형 순수 그라핀을 제조할 수 있는 방법을 개발했다. 또한 연구팀은 제조된 순수 그라핀을 투과전자현미경뿐만 아니라 사용이 용이한 X-ray로 증명함으로써 그라핀 분석에 획기적인 방법을 제시했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 이재갑 박사팀은 기계적 방법으로 나노분말 형태의 순수 그라핀을 대량으로 제조하고 이를 씨앗(Seed)으로 이용해 시트형으로 크게 성장시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 관련 연구는 Nature 자매지인 Scientific Reports에‘The seeded growth of graphene’라는 제목으로 7월 14일 게재되었으며, 국내외 특허등록(미국등록 3, 한국등록 2) 및 출원(2건)하였다. 연구팀은 2013년 응용물리분야 권위지인‘Applied Physics Letters’지에 다중벽탄소나노튜브(MWNT)가 튜브 구조가 아니라 튜브로 보이는 나선형 흑연 구조체임을 발표한 바 있다.* 연구팀은 이러한 연구의 연장선에서 다중벽탄소나노튜브를 기계적으로 파쇄하였고, 그 결과 5 나노미터(nm) 크기의 그라핀 분말을 대량으로 제조할 수 있었다(그림 1 참고). 이것은 꼬아만든 지푸라기 줄을 짧게 자를 경우 이의 구성재료인 지푸라기(그라핀에 대응)으로 분해되는 원리와 같다. * Structure of multi-wall carbon nanotubes: AA' graphene helices, Vol. 102, No. 16, 161911-1~5 (2013, 04) 연구팀은 제조된 그라핀 나노분말을 X-ray장치로 분석하였다. 그 결과 그라핀으로 분해 전(MWNT, 즉 나선 흑연)과, 분해 후(그라핀 나노분말) 그리고 그라핀 나노분말의 액상처리 후 각 단계에서 특이한 패턴을 보였다(그림 2 참고). 연구팀은 이 “특이한 X-ray 패턴”이 순수 그라핀의 검증방법이 될 수 있음을 알았다. 그라핀을 전자소자 등으로 사용하기 위해서는 큰 면적을 가진 그라핀 제작이 필요하다. 연구팀은 5 나노미터 크기의 그라핀 분말을 씨앗(seed)으로 사용하고 기상화학 플라즈마증착(CVD)*장치를 이용하여 수십 나노미터 크기의 시트형 그라핀으로 성장시킬 수 있음을 보였다. 제조된 시료의 투과전자현미경분석에서 평면으로 보이는 그라핀 시트의 끝단이 한 원자층임을 확인할 수 있는 “가장자리(edge) 조직”이 나타남을 확인하였다. 연구팀은 이 투과전자현미경의 가장자리 조직과 위에서 설명한 특이한 X-ray 패턴을 순수 그라핀 존재의 직접적인 증거임을 제시하였다. 특히, X-ray 분석법은 투과전자현미경 분석과 비교할 때 매우 간단하므로 비용과 시간을 크게 줄일 수 있어 순수한 분말상 그라핀 연구에 활기를 불어 넣을 것이다. * 플라즈마증착 방식: 일정의 진공용기에 가스를 넣고 전기에너지를 가하면 중성의 가스가 전자와 이온으로 분리되어 플라즈마가 발생된다. 플라즈마는 기체의 높은 에너지 상태이기 때문에 이 증착 방식은 물질성장에 필요한 활성종 또는 이온을 효과적으로 형성시켜 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 한편, 연구팀은 씨앗 성장실험에서 일부의 그라핀 시트가 서로 붙어 적층 그라핀(흑연)으로 변화함을 관찰하였다. 이 결과는 순수 그라핀을 수십 나노미터 이상의 크기로 제조하는데 어려움이 있고, 향후 이를 극복하는 것이 다음 과제임을 보여주는 것이다. 또한, 나노분말형 및 시트형 그라핀의 양자점, 유연전극 등의 응용연구가 수행될 것이다. 관련 연구는 KIST 이재갑 박사가 주도하고 한국표준과학연구원 김용일 박사, 한국기초과학지원연구원 김진규 박사, 영남대학교 민봉기 박사, KIST 이경일 박사, 박예슬 씨 및 영국의 Heriot-Watt대학교 John Phillip 교수가 참여하였다. ○ 연구진 KIST 이재갑 박사 ○ 관련자료 <특허/등록> o (미국)불규칙 흑연 및 나노리본상 그라핀을 이용한 그 제조 방법, 8586000 (2013.11.19). o (미국)그라핀분말의 정제방법, 8672246(2013.12.20) o (미국)그라핀리본의 제조방법, 8597607(2013.12.03) o (한국)그라핀제어 나노흑연의 제조방법, 1312104(2013.09.13) o (한국)구조제어된 그라핀리본의 제조방법,1096518(2011.12.14) <특허/출원> o (미국)그라핀탄소섬유 조성물 및 탄소섬유의 제조방법, 13/939349 (2013.07.11) o (한국)그라핀 시드를 이용한 탄소시트제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소 시트, 10-2014-0076000 (2014.6.20.) ○ 그림자료 <그림 1> 나선형의 다중벽탄소나노튜브(MWNT)를 파쇄하여 나노크기의 그라핀 분말을 제조한 후 이를 플라즈마 CVD 장치에서 그라핀 시트로 성장시키는 과정을 보여주는 모식도 <그림 2> X-ray 패턴 및 모식도. (a, a’) 다중벽탄소나노튜브 (MWNT) , (b, b’) MWNT를 파쇄하여 제조한 그라핀 나노분말, (c, c’) 알콜에서 정제된 후의 그라핀 나노분말. 정제된 그라핀 나노분말의 X-ray 패턴에서 (002) 픽은 면간거리가 AB 적층의 3.35 Å, AA’ 적층의 3.44 Å, AA 적층의 3.53 Å의 대략적인 평균값인 3.48 Å에서 나타났는데, 이것은 분말상 순수 그라핀의 증거가 될 수 있다.