- 자가치유 고분자 활용 레고처럼 쌓는 유연한 페로브스카이트 태양전지 실마리 (그림1) 자가치유 고분자 이용 페로브스카이트 광전소자 봉지(encapsulation) 공정 □ 차세대 태양전지 소재로 페로브스카이트가 주목받는 가운데 페로브스카이트를 구성하는 납 성분이 물에 녹아 외부로 유출될 우려를 막기 위한 소재 기술이 소개되었다. ○ 기존 딱딱한 유리 대신 가볍고 유연한 자가치유 소재로 열과 수분에 취약한 페로브스카이트에서 납 성분이 유출되는 것을 방지하려는 전략이다. 구부리거나 늘이는 것은 물론 외부 충격으로 소재가 찢어져도 자가치유를 통해 납 유출을 차단할 수 있도록 했다. (그림2) 자가치유 고분자로 감싼 페로브스카이트 소자의 납 유출 차단 효과 □ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김인수 박사 연구팀(한국과학기술연구원)과 손동희 교수(성균관대학교) 등이 납 유출을 방지하기 위한 신축/유연 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발했다고 밝혔다. ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업 및 세종펠로우쉽사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 11월 29일 게재되었다. □ 페로브스카이트 소재는 열과 수분에 취약하여 외부환경과의 차단을 위해 유리 기반의 봉지(encapsulation) 공정을 거치고 있다. ○ 하지만 봉지용 유리는 얇아 외부 충격에 의해 손상될 우려가 높을 뿐만 아니라 딱딱한 유리를 활용하기에 신축성이 필요한 웨어러블 디바이스 등에 응용되기에 한계가 있었다. □ 이에 연구팀은 찢어지는 등의 손상시 수소결합을 통해 손상된 부분을 회복하는 PDMS 기반의 자가치유 고분자를 봉지막과 전극소재로 적용하여 별도 추가 공정 없이 납 화합물 유출 방지효과와 신축성을 모두 얻는데 성공했다. ○ 페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화를 앞당기는 데 기여하는 한편 응용분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. □ 실제 자가치유 고분자 소재로 봉지된 페로브스카이트 기반 태양전지를 우박으로 인한 충격을 모사하여 인위적으로 손상시킨 뒤 물에 넣고 흘러나온 납 화합물의 양을 확인하였다. ○ 납 화합물의 유출량은 0.6 ppb 수준으로 나타나 5.6 ppm 수준의 기존 유리 방식 봉지기술 대비 ~5,000배 가량 높은 납 유출 차단 효과를 확인하였다. □ 한편 스스로 접합이 가능한 자가치유 고분자 소재의 특성을 이용,납땜 공정 없이 사용자가 원하는 소자를 마치 블록을 쌓듯 포개는 방식으로 원하는 광전소자 모듈을 구현할 수 있어 개인용 휴대기기, 신체 부착형 기기 등의 응용 측면에서 더욱 의미가 있다. □ 연구팀은 물을 잘 투과시키고 열에 취약한 자가치유 고분자의 내구성을 개선, 고온 다습한 환경에서도 페로브스카이트 기반 광전소자의 내구성을 확보하기 위한 후속연구를 진행하고 있다.

- 자가치유 고분자 활용 레고처럼 쌓는 유연한 페로브스카이트 태양전지 실마리 (그림1) 자가치유 고분자 이용 페로브스카이트 광전소자 봉지(encapsulation) 공정 □ 차세대 태양전지 소재로 페로브스카이트가 주목받는 가운데 페로브스카이트를 구성하는 납 성분이 물에 녹아 외부로 유출될 우려를 막기 위한 소재 기술이 소개되었다. ○ 기존 딱딱한 유리 대신 가볍고 유연한 자가치유 소재로 열과 수분에 취약한 페로브스카이트에서 납 성분이 유출되는 것을 방지하려는 전략이다. 구부리거나 늘이는 것은 물론 외부 충격으로 소재가 찢어져도 자가치유를 통해 납 유출을 차단할 수 있도록 했다. (그림2) 자가치유 고분자로 감싼 페로브스카이트 소자의 납 유출 차단 효과 □ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김인수 박사 연구팀(한국과학기술연구원)과 손동희 교수(성균관대학교) 등이 납 유출을 방지하기 위한 신축/유연 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발했다고 밝혔다. ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업 및 세종펠로우쉽사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 11월 29일 게재되었다. □ 페로브스카이트 소재는 열과 수분에 취약하여 외부환경과의 차단을 위해 유리 기반의 봉지(encapsulation) 공정을 거치고 있다. ○ 하지만 봉지용 유리는 얇아 외부 충격에 의해 손상될 우려가 높을 뿐만 아니라 딱딱한 유리를 활용하기에 신축성이 필요한 웨어러블 디바이스 등에 응용되기에 한계가 있었다. □ 이에 연구팀은 찢어지는 등의 손상시 수소결합을 통해 손상된 부분을 회복하는 PDMS 기반의 자가치유 고분자를 봉지막과 전극소재로 적용하여 별도 추가 공정 없이 납 화합물 유출 방지효과와 신축성을 모두 얻는데 성공했다. ○ 페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화를 앞당기는 데 기여하는 한편 응용분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. □ 실제 자가치유 고분자 소재로 봉지된 페로브스카이트 기반 태양전지를 우박으로 인한 충격을 모사하여 인위적으로 손상시킨 뒤 물에 넣고 흘러나온 납 화합물의 양을 확인하였다. ○ 납 화합물의 유출량은 0.6 ppb 수준으로 나타나 5.6 ppm 수준의 기존 유리 방식 봉지기술 대비 ~5,000배 가량 높은 납 유출 차단 효과를 확인하였다. □ 한편 스스로 접합이 가능한 자가치유 고분자 소재의 특성을 이용,납땜 공정 없이 사용자가 원하는 소자를 마치 블록을 쌓듯 포개는 방식으로 원하는 광전소자 모듈을 구현할 수 있어 개인용 휴대기기, 신체 부착형 기기 등의 응용 측면에서 더욱 의미가 있다. □ 연구팀은 물을 잘 투과시키고 열에 취약한 자가치유 고분자의 내구성을 개선, 고온 다습한 환경에서도 페로브스카이트 기반 광전소자의 내구성을 확보하기 위한 후속연구를 진행하고 있다.

- 자가치유 고분자 활용 레고처럼 쌓는 유연한 페로브스카이트 태양전지 실마리 (그림1) 자가치유 고분자 이용 페로브스카이트 광전소자 봉지(encapsulation) 공정 □ 차세대 태양전지 소재로 페로브스카이트가 주목받는 가운데 페로브스카이트를 구성하는 납 성분이 물에 녹아 외부로 유출될 우려를 막기 위한 소재 기술이 소개되었다. ○ 기존 딱딱한 유리 대신 가볍고 유연한 자가치유 소재로 열과 수분에 취약한 페로브스카이트에서 납 성분이 유출되는 것을 방지하려는 전략이다. 구부리거나 늘이는 것은 물론 외부 충격으로 소재가 찢어져도 자가치유를 통해 납 유출을 차단할 수 있도록 했다. (그림2) 자가치유 고분자로 감싼 페로브스카이트 소자의 납 유출 차단 효과 □ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김인수 박사 연구팀(한국과학기술연구원)과 손동희 교수(성균관대학교) 등이 납 유출을 방지하기 위한 신축/유연 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발했다고 밝혔다. ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업 및 세종펠로우쉽사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 11월 29일 게재되었다. □ 페로브스카이트 소재는 열과 수분에 취약하여 외부환경과의 차단을 위해 유리 기반의 봉지(encapsulation) 공정을 거치고 있다. ○ 하지만 봉지용 유리는 얇아 외부 충격에 의해 손상될 우려가 높을 뿐만 아니라 딱딱한 유리를 활용하기에 신축성이 필요한 웨어러블 디바이스 등에 응용되기에 한계가 있었다. □ 이에 연구팀은 찢어지는 등의 손상시 수소결합을 통해 손상된 부분을 회복하는 PDMS 기반의 자가치유 고분자를 봉지막과 전극소재로 적용하여 별도 추가 공정 없이 납 화합물 유출 방지효과와 신축성을 모두 얻는데 성공했다. ○ 페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화를 앞당기는 데 기여하는 한편 응용분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. □ 실제 자가치유 고분자 소재로 봉지된 페로브스카이트 기반 태양전지를 우박으로 인한 충격을 모사하여 인위적으로 손상시킨 뒤 물에 넣고 흘러나온 납 화합물의 양을 확인하였다. ○ 납 화합물의 유출량은 0.6 ppb 수준으로 나타나 5.6 ppm 수준의 기존 유리 방식 봉지기술 대비 ~5,000배 가량 높은 납 유출 차단 효과를 확인하였다. □ 한편 스스로 접합이 가능한 자가치유 고분자 소재의 특성을 이용,납땜 공정 없이 사용자가 원하는 소자를 마치 블록을 쌓듯 포개는 방식으로 원하는 광전소자 모듈을 구현할 수 있어 개인용 휴대기기, 신체 부착형 기기 등의 응용 측면에서 더욱 의미가 있다. □ 연구팀은 물을 잘 투과시키고 열에 취약한 자가치유 고분자의 내구성을 개선, 고온 다습한 환경에서도 페로브스카이트 기반 광전소자의 내구성을 확보하기 위한 후속연구를 진행하고 있다.

- 자가치유 고분자 활용 레고처럼 쌓는 유연한 페로브스카이트 태양전지 실마리 (그림1) 자가치유 고분자 이용 페로브스카이트 광전소자 봉지(encapsulation) 공정 □ 차세대 태양전지 소재로 페로브스카이트가 주목받는 가운데 페로브스카이트를 구성하는 납 성분이 물에 녹아 외부로 유출될 우려를 막기 위한 소재 기술이 소개되었다. ○ 기존 딱딱한 유리 대신 가볍고 유연한 자가치유 소재로 열과 수분에 취약한 페로브스카이트에서 납 성분이 유출되는 것을 방지하려는 전략이다. 구부리거나 늘이는 것은 물론 외부 충격으로 소재가 찢어져도 자가치유를 통해 납 유출을 차단할 수 있도록 했다. (그림2) 자가치유 고분자로 감싼 페로브스카이트 소자의 납 유출 차단 효과 □ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김인수 박사 연구팀(한국과학기술연구원)과 손동희 교수(성균관대학교) 등이 납 유출을 방지하기 위한 신축/유연 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발했다고 밝혔다. ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업 및 세종펠로우쉽사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 11월 29일 게재되었다. □ 페로브스카이트 소재는 열과 수분에 취약하여 외부환경과의 차단을 위해 유리 기반의 봉지(encapsulation) 공정을 거치고 있다. ○ 하지만 봉지용 유리는 얇아 외부 충격에 의해 손상될 우려가 높을 뿐만 아니라 딱딱한 유리를 활용하기에 신축성이 필요한 웨어러블 디바이스 등에 응용되기에 한계가 있었다. □ 이에 연구팀은 찢어지는 등의 손상시 수소결합을 통해 손상된 부분을 회복하는 PDMS 기반의 자가치유 고분자를 봉지막과 전극소재로 적용하여 별도 추가 공정 없이 납 화합물 유출 방지효과와 신축성을 모두 얻는데 성공했다. ○ 페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화를 앞당기는 데 기여하는 한편 응용분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. □ 실제 자가치유 고분자 소재로 봉지된 페로브스카이트 기반 태양전지를 우박으로 인한 충격을 모사하여 인위적으로 손상시킨 뒤 물에 넣고 흘러나온 납 화합물의 양을 확인하였다. ○ 납 화합물의 유출량은 0.6 ppb 수준으로 나타나 5.6 ppm 수준의 기존 유리 방식 봉지기술 대비 ~5,000배 가량 높은 납 유출 차단 효과를 확인하였다. □ 한편 스스로 접합이 가능한 자가치유 고분자 소재의 특성을 이용,납땜 공정 없이 사용자가 원하는 소자를 마치 블록을 쌓듯 포개는 방식으로 원하는 광전소자 모듈을 구현할 수 있어 개인용 휴대기기, 신체 부착형 기기 등의 응용 측면에서 더욱 의미가 있다. □ 연구팀은 물을 잘 투과시키고 열에 취약한 자가치유 고분자의 내구성을 개선, 고온 다습한 환경에서도 페로브스카이트 기반 광전소자의 내구성을 확보하기 위한 후속연구를 진행하고 있다.

- 자가치유 고분자 활용 레고처럼 쌓는 유연한 페로브스카이트 태양전지 실마리 (그림1) 자가치유 고분자 이용 페로브스카이트 광전소자 봉지(encapsulation) 공정 □ 차세대 태양전지 소재로 페로브스카이트가 주목받는 가운데 페로브스카이트를 구성하는 납 성분이 물에 녹아 외부로 유출될 우려를 막기 위한 소재 기술이 소개되었다. ○ 기존 딱딱한 유리 대신 가볍고 유연한 자가치유 소재로 열과 수분에 취약한 페로브스카이트에서 납 성분이 유출되는 것을 방지하려는 전략이다. 구부리거나 늘이는 것은 물론 외부 충격으로 소재가 찢어져도 자가치유를 통해 납 유출을 차단할 수 있도록 했다. (그림2) 자가치유 고분자로 감싼 페로브스카이트 소자의 납 유출 차단 효과 □ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김인수 박사 연구팀(한국과학기술연구원)과 손동희 교수(성균관대학교) 등이 납 유출을 방지하기 위한 신축/유연 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발했다고 밝혔다. ○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구사업 및 세종펠로우쉽사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 11월 29일 게재되었다. □ 페로브스카이트 소재는 열과 수분에 취약하여 외부환경과의 차단을 위해 유리 기반의 봉지(encapsulation) 공정을 거치고 있다. ○ 하지만 봉지용 유리는 얇아 외부 충격에 의해 손상될 우려가 높을 뿐만 아니라 딱딱한 유리를 활용하기에 신축성이 필요한 웨어러블 디바이스 등에 응용되기에 한계가 있었다. □ 이에 연구팀은 찢어지는 등의 손상시 수소결합을 통해 손상된 부분을 회복하는 PDMS 기반의 자가치유 고분자를 봉지막과 전극소재로 적용하여 별도 추가 공정 없이 납 화합물 유출 방지효과와 신축성을 모두 얻는데 성공했다. ○ 페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화를 앞당기는 데 기여하는 한편 응용분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. □ 실제 자가치유 고분자 소재로 봉지된 페로브스카이트 기반 태양전지를 우박으로 인한 충격을 모사하여 인위적으로 손상시킨 뒤 물에 넣고 흘러나온 납 화합물의 양을 확인하였다. ○ 납 화합물의 유출량은 0.6 ppb 수준으로 나타나 5.6 ppm 수준의 기존 유리 방식 봉지기술 대비 ~5,000배 가량 높은 납 유출 차단 효과를 확인하였다. □ 한편 스스로 접합이 가능한 자가치유 고분자 소재의 특성을 이용,납땜 공정 없이 사용자가 원하는 소자를 마치 블록을 쌓듯 포개는 방식으로 원하는 광전소자 모듈을 구현할 수 있어 개인용 휴대기기, 신체 부착형 기기 등의 응용 측면에서 더욱 의미가 있다. □ 연구팀은 물을 잘 투과시키고 열에 취약한 자가치유 고분자의 내구성을 개선, 고온 다습한 환경에서도 페로브스카이트 기반 광전소자의 내구성을 확보하기 위한 후속연구를 진행하고 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.