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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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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