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화학적 도핑을 통한 탄소신소재 개발
- 재료분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 25주년 특집호 발표 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수가 ‘화학적 도핑을 통한 탄소 신소재 개발’을 주제로 재료분야 저명학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 25주년 기념 초청 리뷰논문(10월 14일자)을 게재했다.
이번 논문에서 김 교수는 그래핀과 탄소나노튜브에 다양한 이종원소 도핑을 통해 새로운 탄소 소재를 개발하고, 적용 가능한 수준까지 재료의 특성을 끌어올려 배터리, 광촉매 등은 물론 미래 기술로 각광받고 있는 태양전지, 휘어지는 디스플레이 등에도 응용될 것이라고 전망했다.
‘도핑’은 운동경기에서 좋은 성과를 내기 위해 선수들이 약물이나 주사 등을 사용하는 것으로 널리 알려져 있다. 그러나 과학계에서는 순수한 물질에 필요한 불순물을 첨가시키는 것을 ‘도핑’이라고 부른다.
두 가지 도핑 모두 성능을 향상시키는 데 도움이 된다는 공통점을 가지고 있지만 과학계의 도핑은 부작용이 없으며 요구되는 성능을 획득하는데 반드시 필요한 존재라는 특징을 갖고 있다. 실리콘 반도체의 경우에도 다양한 원소가 도핑된 반도체를 사용해 요구 성능을 확보하고 있다.
최근 주목받는 그래핀이나 탄소나노튜브와 같은 신소재는 재료 특성이 매우 우수한 것으로 알려져 있지만 산업적으로 활용하기 위해서는 다양한 원소를 도핑이란 첨가 방법을 통해 재료 특성을 우수하게 끌어올리는 방법이 필요했다.
도핑을 할 경우 탄소원자로만 구성된 그래핀과 탄소나노튜브에 다른 원소의 주입이 가능하게 되고 이들 원소의 특징에 따라서 전자를 주거나 받게 되어 전기를 보다 잘 통하게 할 수 있다. 또 반응성을 향상시켜 산업적 응용을 방해하던 낮은 용매 분산성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 함께 향상된 용매 분산성과 전기 전도도는 그동안 탄소 계열 신소재에서는 불가능하게 여겨졌던 용액 공정을 가능하게 할 수 있다. 이를 통해 휘어지는 반도체, 오래가는 배터리, 효율 높은 광촉매 등의 개발을 가능하게 한다.
김상욱 교수는 “이번 기술 개발로 현재 사용되는 배터리보다 더 오래가는 배터리, 더 빛을 잘 차단해주는 자외선 차단제, 태양열로 가는 자동차 및 휘어지는 휴대폰 등에 활용할 수 있는 신소재의 개발이 한층 더 앞당겨진 것으로 기대된다”고 말했다.
어드밴스드 머티리얼스는 재료분야 최고 수준의 학술지로 이번 25주년 기념 특집에서는 세계적으로 저명한 재료 과학자들로 구성된 학술지 편집진이 엄격한 심사과정을 거쳐 선정한 가장 선도적인 업구업적을 내고 있는 연구자들을 초청해 연구 성과를 소개했다.
그림1. 도핑을 통해 만들어진 탄소 신소재와 이들의 다양한 적용사례
- 1. 태양전지, 2. 휘어지는 기판, 3. 액정, 4. 선택적 흡착제, 5. 에너지 저장 및 변환소자, 6. 복합재료(왼쪽 위부터 시계방향)
2013.11.05 조회수 18143 -
양자점 이용한 고효율 투명 태양전지 개발
- 양자점 전해질에 분산해 9%대 고효율 염료감응 태양전지 원천기술 개발 -- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 19일자 게재 -
우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용해 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.
현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수를 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 빛 흡수를 높이기 위해 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.
아직은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.
이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율이 증가했으며 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교에서도 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.
강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.
그림1. 모바일 양자점이 포함된 염료감응태양전지의 흡수 스펙트럼, 외부양자효율, 전압-전류.(상단) 플라즈몬 구조, 빛반사층과 모바일 양자점이 구현된 태양전지의 외부양자효율, 산란파워, 그리고 사진의 비교. (하단)
그림2. 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(좌측)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (우측): Foster Resonance Energy Transfer (FRET) (상단), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(중단), 2광자 흡수 (하단)
그림3. 염료감응 태양전지 샘플
그림4. 연구원 사진
2013.09.25 조회수 19909 -
리튬공기 이차전지 핵심기술 개발
- KAIST-경기대 공동연구팀, 나노섬유·그래핀 복합촉매 개발 -- 리튬이온 이차전지보다 5배 용량 향상, 최대 800km 주행가능 -
서울-부산을 전기차로 왕복할 수 있는 시대가 열릴까? 차세대 초고용량 전지로 주목받고 있는 리튬공기 이차전지의 핵심기술이 개발됐다.
우리 학교 신소재공학과 김일두·전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀은 나노섬유·그래핀 복합촉매를 개발하고 리튬공기 이차전지에 적용해 리튬이온 이차전지 보다 용량이 5배 높은 ‘리튬공기 이차전지’를 만드는 데 성공했다.
연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 8월 8일자 온라인판에 게재됐다.
‘리튬이온 이차전지’의 음극과 양극에는 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 구성돼 있다. 이 전지는 핸드폰, 노트북 등에 널리 사용되고 있는데 전기차에 적용할 경우 한 번 충전에 약 160km 정도만 주행할 수 있어 아직은 전기차용으로는 용량이 충분하지 않다는 것이 일반적인 평가다.
연구팀이 이번에 개발한 ‘리튬공기 이차전지’는 음극은 리튬, 양극은 산소를 사용한다. 무게가 가벼우면서도 실제 얻을 수 있는 에너지밀도가 리튬이온 이차전지보다 훨씬 높아 차세대 이차전지 중 가장 큰 각광을 받고 있다.
그러나 방전 시 리튬과 산소가 서로 만나 리튬산화물(Li2O2)이 형성되고 충전 시 다시 분해되는데 이 과정이 원활하게 일어나지 않는 문제점으로 인해 높은 저항이 발생하며, 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다. 따라서 리튬산화물의 형성 및 분해반응을 보다 수월하게 해주는 고효율 촉매 개발이 필수적이었다.
연구팀은 전기방사 방법으로 대량생산이 가능한 코발트산화물 나노섬유와 그래핀을 섞어 나노 복합촉매를 개발했다.
촉매활성이 매우 높은 ‘코발트산화물 나노섬유’에 큰 비표면적과 높은 전기전도도를 가지고 있는 ‘비산화그래핀’을 결착시킴으로써 리튬공기 이차전지의 성능을 극대화 시킬 수 있었다고 연구팀은 전했다.
개발된 나노 복합촉매를 리튬공기 이차전지의 양극에 적용하면 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1000mAh/g 이상의 고용량에서도 80회 이상의 충·방전이 가능한 우수한 수명특성을 보였다.
연구팀이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준이며, 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용했기 때문에 저렴하게 만들 수 있다. 상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800Km이상 주행할 수 있어 서울-부산을 왕복 가능해질 것으로 기대된다.
김일두 교수는 “안정성 등 상용화까지는 해결할 과제들이 많이 있지만 본격적인 전기차 시대를 위해 여러 기관들과 협력해 연구할 것”이라며 “우리나라에서 리튬공기 이차전지 분야의 핵심 소재 중에 하나인 나노촉매 합성 기술 개발을 주도해 차세대 리튬공기 이차전지 분야의 활성화에 기여하고 싶다”고 말했다.
한편, 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 류원희 박사, 송성호 박사과정 학생, 경기대학교 윤택한 석사과정 학생이 참여했다.
그림1. 나노복합촉매로 구성된 리튬공기 이차전지 개념도
그림2. 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 이미지
그림3. 리튬공기 이차전지용 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 제조과정 이미지
2013.09.05 조회수 21832 -
호흡 분석해 질병 진단한다!
- 나노섬유 형상 120ppb급 당뇨병 진단센서 개발 -- 음주 측정하듯 후~ 불면 질병 진단할 수 있어 -
우리 학교 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 인간이 호흡하면서 배출하는 아세톤 가스를 분석해 당뇨병 여부를 파악할 수 있는 날숨진단센서를 개발했다.
연구 결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 5월 20일자 표지논문으로 게재됐다.
인간이 숨을 쉬면서 내뿜는 아세톤, 톨루엔, 일산화질소 및 암모니아와 같은 휘발성 유기화합물 가스는 각각 당뇨병, 폐암, 천식 및 신장병의 생체표식인자(바이오마커)로 알려져 있다.
당뇨병의 경우 일반적으로 정상인은 900ppb(parts per billion), 당뇨환자는 1800ppb의 아세톤 가스를 날숨으로 내뿜는다. 따라서 날숨 속 아세톤 가스의 농도 차이를 정밀하게 분석하면 당뇨병을 조기에 진단할 수 있고 발병 후 관리를 쉽게 할 수 있다.
연구팀은 얇은 껍질이 겹겹이 둘러싸인 다공성 산화주석(SnO2) 센서소재에 백금 나노입자 촉매가 균일하게 도포된 1차원 나노섬유를 대량 제조하는 기술을 개발했다. 이 소재의 표면에 아세톤 가스가 흡착될 때 전기저항 값이 변화하는 120ppb급 아세톤 농도 검출용 센서에 적용해 날숨진단센서를 개발했다. 개발한 나노섬유 센서는 1000ppb급 아세톤 농도에서 소재의 저항 값이 최대 6배 증가해 당뇨병을 진단할 수 있음이 입증됐다.
이와 함께 7.6초의 매우 빠른 아세톤 센서 반응속도를 나타내 실시간 모니터링이 가능해져 상용화에 대한 기대를 높였으며, 전기방사 기술로 제조해 나노섬유형상을 쉽게 빠르게 대량생산할 수 있는 게 큰 장점이다.
연구팀이 개발한 날숨진단센서는 사람의 호흡가스 속에 포함된 다양한 휘발성 유기화합물의 농도를 정밀하게 분석할 수 있다. 따라서 당뇨병은 물론 향후 폐암, 신장병 등의 질병을 조기에 진단하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김일두 교수는 이번 연구에 대해 “ppb급 농도의 날숨 휘발성 유기화합물 가스를 실시간으로 정밀하게 진단하는 나노섬유 센서를 당뇨병 또는 폐암 진단용 감지소재로 이용하면 다양한 질병을 조기에 검출하고 관리하는 일이 가능해질 것”이라고 말했다.
김 교수는 향후 다양한 촉매와 금속산화물 나노섬유의 조합을 통해 많은 종류의 날숨가스를 동시에 정확하게 진단하는 센서 어레이(array)를 개발해 상용화를 앞당길 계획이다.
미래창조과학부 글로벌프린티어사업 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받은 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 신정우 학부생(2월 졸업), 최선진 박사과정 학생, 박종욱 교수, 고려대학교 신소재공학과 이종흔 교수가 참여했다.
그림1. 날숨진단센서 어레이(우측)와 날숨진단센서 크기 비교(좌측 상단)
그림2. 나노섬유 센서들이 어레이로 구성된 당뇨진단 센서 이미지
그림3. 날숨 가스들을 분석하는 질병진단 분석기의 소형화 및 실시간 분석
그림4. 주석산화물 나노섬유를 이용한 당뇨진단 센서 이미지
2013.05.30 조회수 25646 -
휘어지는 고집적 반도체회로 구현
- 차세대 유연 스마트기기의 두뇌 상용화 길 열어 -
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 입는 컴퓨터 및 플렉시블 디스플레이에서 가장 핵심적인 역할을 하는 유연한 고집적회로(LSI)를 구현하는데 성공했다.
자유롭게 휘어지는 스마트폰과 컴퓨터를 제작하기 위해서는 높은 집적도의 반도체회로, 즉 모바일 기기의 두뇌인 애플리케이션 프로세서(AP), 고용량 메모리 및 무선통신소자의 유연화가 필수적이다.
지금까지 플렉시블 디스플레이 구동에 필요한 박막트랜지스터(TFT)와 여러 유연소재들을 개발하는 연구는 활발히 진행되고 있다. 그러나 수천 개 이상의 고성능 나노반도체를 연결해 대량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 유연 고집적회로를 제작하지 못했다. 따라서 전체가 자유자재로 휘어지는 유연한 스마트기기 등 입을 수 있는 컴퓨터의 상용화에 어려움이 있었다.
이건재 교수팀은 고집적 무선통신소자를 단결정 실리콘에 형성한 뒤 100nm(나노미터) 두께의 매우 얇은 실리콘 칩의 회로를 뜯어내 플라스틱 기판위에 안정적으로 옮김으로써, 자유자재로 구부릴 수 있는 반도체회로를 구현했다.
이건재 교수는 “이번에 나노두께의 얇은 실리콘 소재로 개발한 반도체회로는 유연하면서도 고집적 고성능을 유지할 수 있고, 곧 상용화될 플렉시블 전자소자에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 인체 친화적 유연한 액정폴리머 소재위에 구현하였기 때문에 인체내부의 좁고 굴곡진 틈에 삽입할 수 있어서, 최근 미국 FDA가 승인한 인공망막의 통신 및 정보처리 기기에 적용하는 등 삶의 질을 향상시키는 데에도 기여할 수 있을 것이다"라고 말했다.
또한 이번 연구의 공저자로 참여한 KAIST 전기및전자공학과 이귀로 교수(나노종합기술원 원장)는 “이번성과는 세계 500조 규모의 반도체 및 디스플레이 시장에서 휘어지는 유연 고집적 회로로 패러다임이 바뀌는 시기에 개발된 핵심 원천기술”이라며 “향후 상용화를 위한 정부의 지원이 뒷받침 된다면 세계 시장에서 앞서가고 있는 한국 스마트폰, 반도체, 디스플레이 산업을 한 단계 더 업그레이드시켜 미래 먹거리로써 창조경제에도 이바지할 수 있을 것”이라고 평가했다.
이건재 교수는 현재 나노종합기술원, 한국기계연구원과 공동으로 이번 연구 결과물인 고집적 유연 반도체 회로를 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 양산하는 연구를 계획하고 있다.
한편, 이번 연구는 미국 화학회가 발행하는 나노과학기술(NT) 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano 4월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
휘어지는 고집적 반도체회로의 모습(좌), 얇고 유연한 고집적 통신소자를 적용한 인공망막의 모습(우)
유튜브 링크:http://www.youtube.com/watch?v=5PpbM7m2PPs&feature=youtu.be
2013.05.07 조회수 19828 -
휘어지는 대용량 반도체 원천기술 개발
- KAIST 김상욱 교수, 세계 최고의‘분자조립’기술력 활용해 휘어지는 대용량 반도체 원천기술 확보 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 원하는 형태로 분자가 스스로 배열하는 ‘분자조립’ 기술을 활용해 유연한 그래핀 기판 위에 양산중인 반도체 패턴의 최고 수준인 20nm(나노미터)급 초미세 패턴을 구현하는데 성공했다.
이번 기술 개발로 향후 유연하게 휘어지면서도 많은 양의 데이터를 저장할 수 있는 반도체를 구현할 수 있어 고성능 플렉시블 전자기기 개발에 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 연성소재의 특성을 이용해 초미세 패턴을 형성하기 어려운 3차원 굴곡진 기판에서도 자유롭게 구현하는데 성공, 다양한 응용소자에 활용할 수 있는 것은 물론 화학 반응으로 물질을 섞어주기만 하면 원하는 형태로 스스로 배열해 고가의 장비가 필요하지 않아 반도체 제작비용이 훨씬 저렴해질 것으로 전망된다.
이번 연구의 핵심 기술인 ‘분자조립’이란 플라스틱, 액정, 생체분자 등과 같이 딱딱하지 않고 유연한 연성소재의 고분자를 원하는 형태로 스스로 배열하게 해 기존에 만들기 어려웠던 작은 나노구조물을 효율적으로 만드는 기술이다. 마치 물과 기름이 서로 섞이지 않는 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 상분리되어 섞이지 않는다는 점을 이용하는 것이다.
연구팀은 기계적 물성이 우수하고 원하는 기판에 쉽게 옮길 수 있는 그래핀 위에 ‘블록공중합체’라는 분자조립기술을 통해 초미세 패턴을 형성한 후, 이를 3차원 기판 혹은 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PDMS(폴리디멜틸실론산) 등과 같은 플렉시블 기판에 옮겨 자유롭게 3차원 혹은 플렉시블 기판에 구조물을 구현했다.
김상욱 교수는 이번 연구에 대해 “지금까지 발표된 휘어지는 반도체는 온도에 취약한 플라스틱 기판을 사용해 극한 공정조건을 극복해낼 수 없어 상용화에 어려움이 많았다”며 “이번 기술은 기계적 물성이 우수한 그래핀을 회로 기판으로 적용하는 데 성공한 획기적인 연구성과”라고 말했다.
김 교수는 이어 “이번 연구에 대해 세계적으로 많은 관심을 받아 3월 20일 열리는 미국 물리학회에서 초청 강연을 할 예정”이라며 “이번에 개발한 원천기술을 바탕으로 후속 연구를 진행해 반도체 회로와 같이 복잡한 회로의 설계에 도전할 것”이라고 포부를 밝혔다.
한편, 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 다차원 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 3월 6일자에 실렸다.
그림1. 제작공정
1. 스핀 코딩이라는 도포법을 사용해 그래핀 박막을 형성
2. 그래핀 박막 위에 블록공중합체를 형성
3. 블록공중합체을 식각 또는 패턴 전사법을 통해 나노 구조를 형성4. 그래핀을 전사층으로 활용해 다양한 기판에 나노 구조를 형성
그림2. 블록공중합체 분자조립기술
블록공중합체 분자조립기술은 물과 기름이 서로 섞이지 않은 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 섞이지 않는다는 점을 이용한 기술이다. 물과 기름의 경우, 서로 섞이려고 하지 않는 물질이기 때문에, 물과 기름은 혼합하게 되면, 물을 물끼리 어울려 덩어리 지고, 기름은 기름끼리 어물려 덩어리가 지게 된다. 하지만, 물과 기름이 서로 떨어질 수 없게끔 결합이 되어 있다고 가정하면, 다른 현상이 예상된다. 동일하게 물은 물끼리 있으려 하고 기름은 기름끼리 있으려고 하지만, 물 옆에는 결합된 기름이 있게 된다. 따라서 물과 기름의 거대한 두 덩이리가 형성되는 것이 아니라, 매우 미세하게 물과 기름이 번갈아가면서 형성되게 된다. 동일하게 블록공중합체에서는 화학적으로 서로 다른 고분자가 공유 결합이라는 쉽게 깨지지 않은 결합을 통해 연결되어 있다., 따라서, 결합된 물과 기름에서와 동일하게 미세한 크기의 상분리가 일어나게 된다. 이러한 구조의 크기는 대개 고분자의 크기에 의해 결정되면, 머리카락 크기의 1/10000 수준으로 매우 미세하며 주기적인 패턴을 형성하게 된다. 패턴의 형태는 서로 다른 고분자의 비율에 따라 구, 원통형, 판형 등으로 나타난다.
그림3. 플렉시블 기판 상에 옮겨진 금 나노 구조체
2013.03.12 조회수 19050 -
이정용 교수, 이달의 과학기술자상 수상
이정용 교수
액체 내의 수많은 반응 메카니즘을 규명할 수 있는 기술을 개발한 우리 학교 신소재공학과 이정용 교수가 "이달의 과학기술자상" 2월 수상자로 선정됐다.
이 교수는 세계 최초로 액체 시료를 그래핀(graphene)에 밀봉하는 기술을 개발해 액체 내에서 나노입자가 성장하는 과정을 원자 단위에서 실시간으로 관찰하는 데 성공한 공로를 인정받았다.
그래핀이란 탄소 원자가 벌집 모양의 육각형 형태로 연결된 2차원 평면 구조를 이루는 물질로 구리보다 100배 이상 전기 전도성이 우수해 "꿈의 신소재"로 불린다.
일반적으로 전자현미경은 광학현미경보다 수천배의 배율을 가지고 있어 원자 단위까지 관찰이 가능하지만 고체상태의 시료만 관찰이 가능했다.
전자와 공기가 만나 산란하는 현상을 방지하기 위해 전자현미경 내의 전자빔이 지나가는 길이 모두 진공으로 유지되는데, 액체 시료는 진공 속에서 모두 증발해 관찰이 불가능하기 때문이다.
하지만 나노재료 제조, 전기화학·촉매 반응, 인체·동식물 세포 속의 반응과 같은 수많은 반응들은 액체 내에서 일어나거나 액체를 포함한 반응들이다.
따라서 이번 이 교수가 개발한 기술은 액체 내에서 일어나는 과정을 원자 규모로 관찰할 수 있는 길을 열어준 셈이다.
이 교수의 연구 성과는 지난해 4월 학술지 사이언스(Science)에 게재됐으며, 사이언스지의 "디스 위크(This week)", "전망(Perspectives)", 네이처지의 "주목받는 연구(Research Highlights)"에도 소개되었고, BBC 등 유명 해외 언론매체에도 보도된 바 있다.
이와 함께 그는 지난 20여 년간 미세구조에서 나타나는 현상들을 원자단위에서 규명하는 연구를 통해 과학인용색인(SCI) 등재 국제학술지에 450여편의 논문을 게재해왔으며 7편의 저서를 편찬하는 등 활발한 연구 업적을 보이고 있다.
현재까지 발표한 다수 논문들은 사이언스, 나노 레터스(Nano Letters), 첨단기능재료들(Advanced Functional Materials)와 같은 권위 있는 학술지에 실려 지금까지 총 피인용 횟수 3600회 이상, 31회 이상 피인용된 논문이 31편에 달하는 등 업적을 쌓았다.
이 밖에도 그는 이같은 공로를 인정받아 ▲2012년 한국세라믹학회의 학술상 ▲2012년 올해의 KAIST인상을 받는 영예를 얻었다.
이 교수는 "그동안 베일에 싸여있던 액체 내에서 일어나는 많은 과학 현상들을 원자단위로 규명해 우리의 생활을 더 편리하거나 이롭게 하는 데 최선을 다하겠다"고 수상소감을 말했다.
2013.02.06 조회수 17569 -
‘EEWS 사업기획 경진대회 2012’시상식 개최
- 녹색사업 분야에 장대준 교수, 녹색기술 분야에 박종욱 교수를 각각 최우수 수상자로 선정 -
- 수상자는 하반기 창업투자회사 대상 투자설명회 기회 제공 -
에너지 고갈과 환경오염, 물 부족 및 지속성장 가능성 등 인류가 직면한 글로벌 이슈 해결을 추진하고 있는 KAIST가 녹색성장 연구성과의 사업화를 본격화한다.
우리 학교는 21일 13시 본원 제1회의실에서 EEWS 연구성과 사업화 제고를 위한 ‘EEWS 사업기획 경진대회 2012’ 시상식을 개최하고 4개 수상팀에게 상금과 상패를 수여했다.
올해로 세 번째 열리는 ‘EEWS 사업기획 경진대회’는 EEWS 연구결과의 사업화를 장려하고 창의적 인재발굴을 목적으로 KAIST와 한국녹색기술센터, 창업투자회사 디에프제이 아테네 엘엘씨(DFJ Athena LLC) • 일신창업투자(주) • 대교 인베스트먼트가 공동으로 개최하는 대회다.
이번 대회에는 ‘녹색사업’ 과 ‘녹색기술’ 분야로 나눠 진행됐으며 총 10개팀이 참여했다.
녹색사업 분야 최우수상에는 장대준 해양시스템공학과 교수가 제안한 ‘LNG 연료 선박 추진을 위한 글로벌 LNG 인프라" 제안서가, 우수상에는 박희경 건설 및 환경공학과 교수가 제안한 ’도심주상단지 및 빌딩용 on-site bio-gas 생산을 위한 그린박스 기술‘ 제안서가 각각 선정됐다.
녹색기술 분야 최우수상에는 박종욱 신소재공학과 교수팀이 제안한 ‘알루미늄 용탕용 수소센서와 계측시스템 개발’ 제안서가, 우수상에는 이대길 기계공학과 교수가 제안한 ‘신형 대용량 레독스 흐름전지 기술을 이용한 에너지 저장장치’ 제안서가 각각 선정됐다.
수상자들에게는 올 하반기 창업투자회사를 대상으로 투자설명회에 참가해 사업제안서를 설명할 기회가 제공된다. 지난해 투자설명회에는 삼성물산, 제일모직, 다산네트웍스, 한화 L&C 등의 관련 기업들과 쿨리지코너 인베스트먼트, 대덕인베스트먼트(주), KPM, 로커스 케피탈 파트너(Locus Capital Partners), 보광창업투자 등 창업투자회사들이 참가해 KAIST EEWS 연구성과에 대한 큰 관심을 보였다.
이번 경진대회를 주관한 이재규 EEWS 기획단장은 “EEWS 기획단은 KAIST를 대표할 수 있는 획기적인 융합 연구성과를 지속적으로 내놓을 계획”이라며 “창업투자회사 대표가 경진대회 심사위원으로 참여해 사업성을 최우선으로 고려한 만큼 투자자들이 큰 관심을 보일 것으로 기대하고 있다”라고 말했다.
2013.01.21 조회수 19673 -
2012년 ‘올해의 KAIST인 상’에 이정용 교수
이정용 교수
- 액체를 원자단위까지 관찰하고 분석하는 기술 세계 최초로 개발 -
- 과학계 80년 숙원 풀어낸 업적 인정받아 선정 -
2012년 ‘올해의 KAIST인 상’에 이정용 신소재공학과 교수가 선정됐다. 시상식은 2일 오전 10시 교내 대강당에서 진행됐다.
이정용 교수는 지난 80년 간 과학계의 숙원으로 꼽히던 액체를 원자단위로 관찰하고 분석하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
이 기술은 ▲액체에서 나노 재료 제조 ▲전극과 전해질의 반응 규명, ▲액체와 촉매 반응 연구 ▲인체, 동물 및 식물 세포에서의 반응 규명 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있어, 2012년 KAIST 최고의 연구성과로 평가받았다.
이 교수의 연구 성과는 세계적 학술지 "사이언스(Science)" 2012년 4월 6일자에 실리는 등 세계 과학계의 주목을 받았다. 또 BBC News, Science & Environment에서 톱기사로 보도하는 등 국내·외 언론에서도 연구 성과를 크게 다뤄 KAIST의 이미지 제고와 함께 위상을 높인 점을 인정받았다.
물질을 나노 수준 또는 원자단위까지 관찰하려면 광학 현미경만으로는 관찰할 수 없고, 이보다 훨씬 높은 배율을 갖는 전자 현미경으로만 가능한데 전자 현미경 속은 진공상태이기 때문에 액체 시료를 넣으면 증발해버려 관찰할 수 없었다.
이 교수 연구팀은 원자 한 층 두께의 그래핀을 이용해 액체를 감싸서 증발을 막아 세계 최초로 액체 속에서 백금이 성장하는 과정을 실시간으로 원자단위까지 관찰하는 데 성공했다.
이 연구 성과는 4월 과학의 날 기념식 대통령 치사에서는 우수 연구사례로 소개되기도 했다.
이정용 교수는 “이번 연구로 인해 ‘액체 전자현미경’, ‘나노액체’라는 새로운 학문 분야가 개척되는 계기가 마련됐다”며 “이 기술을 통해 그 동안 베일에 싸여있던 액체 속에서 일어나는 많은 과학 현상들을 원자단위로 규명할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
한편 ‘올해의 KAIST인 상’은 한 해 동안 국내•외적으로 KAIST를 빛낸 교원에게 수여하는 상으로 ▲세계적인 학술잡지에 표지인물로 선정된 교원 ▲세계적인 신기술 개발 또는 학술연구 업적이 탁월한 교원 ▲거액의 연구비 및 발전기금을 유치한 교원 ▲ KAIST 위상을 대내•외적으로 높인 교원에게 수여하며 이번이 12회째다.
2013.01.02 조회수 16688 -
세계 최고 연구를 위해 대학과 연구원이 하나가 되다.
- 철도연, 최첨단 분야 23명 KAIST 교수를 초빙연구원으로 임명 -
한국철도기술연구원(이하 철도연, 원장 홍순만)은 미래 녹색교통 연구개발 활성화를 위해 KAIST 교수진 23명을 철도연이 진행하는 연구사업의 초빙연구원으로 임명했다.
지난 3월 KAIST와 철도연은 ‘인적자원 상호 활용에 관한 협약’을 체결했고, 이후 KAIST는 초빙교수 규정을 개정하고 철도연은 초빙연구원의 규정을 신설하여 이번 인력교류가 결실을 맺게 됐다.
이로서 국내 최초로 대학과 정부출연 연구원간 교수 및 연구원 지위를 공식적으로 상호 동시에 인정하게 함으로써 첨단 녹색교통 명품기술 개발을 위해 대학과 정부출연 연구원간 장벽이 허물고 하나가 되었다. 이는 향후 우리나라의 대학과 정부출연 연구원 협력의 본보기가 될 것으로 보인다.
이번 인력 교류에는 유도급전 분야의 세계 최고 권위자 조동호 교수(ICC 부총장)와 미세먼지 제어 및 환경에너지 재료 분야에서 두드러진 성과를 내고 있는 박승빈 교수(생명화학공학과), 10년 뒤 한국을 빛낼 100인에 선정(동아일보, 2012년)되는 등 나노기술분야에서 탁월한 업적을 인정받고 있는 김상욱 교수(신소재공학과), 구조물 안전진단 분야의 실력자 손훈 교수(건설 및 환경공학과) 등 세계적인 연구성과와 실적을 보이고 있는 KAIST 교수진 23명으로 구성됐다.
각 분야 최고의 과학자가 참여하는 만큼 미래 첨단 교통기술 연구가 더욱 탄력을 받아 실질적인 연구성과 도출에 큰 진전이 있을 것으로 보인다.
또한 협약에 따라 철도연의 연구원 15명도 KAIST의 초빙교수로 2학기부터 강의 및 실습, 논문지도 등을 시작한다. 연구개발 현장에서의 오랜 경험이 녹색교통 분야 전문 인재 양성에 크게 기여할 것으로 기대된다.
철도기술연구원 홍순만 원장은 “앞으로 철도연에서는 세계 최고속도의 500km대 고속철도 기술개발, 초고속 자기부상열차 기술개발 등 첨단 녹색교통기술로 세계 기술을 선도해 나가야 하는 만큼 세계 최고 역량을 지닌 과학자가 필요하다. 계속해서 유능한 과학인재가 철도기술연구원 연구과제에 함께 참여할 수 있도록 최선의 노력을 다하겠다” 밝혔다.
또한 “최첨단 미래 녹색교통기술 개발을 위해 역량 있는 KAIST 교수진을 초빙연구원으로 임명할 수 있도록 배려를 해주신 KAIST 서남표 총장님과 철도연과 첨단기술 개발에 함께 하기 위해 초빙연구원 직을 수락해 주신 각 분야 최고의 교수님들에게 감사하다” 고 전했다.
한편 철도연은 세계적 수준의 연구성과 도출을 위한 연구개발 역량을 더욱 강화하기 위해 삼성전자, 현대자동차 등 현장 경험이 풍부한 기업 연구소 출신의 과학인재와 해외 유수 대학 졸업자 등 국내외 다양한 경험이 있는 역량 있는 8명의 연구원을 신규 채용했다고 밝혔다.
2012.09.06 조회수 18812 -
휘어지는 고성능 배터리 제작기술 개발
- 플렉시블 OLED 디스플레이와 배터리의 완전 결합길 열려 -
휘어지는 디스플레이의 에너지원으로 반드시 필요한 고효율 유연 배터리를 KAIST 연구진이 세계 최초로 개발하는데 성공했다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 유연한 고효율 배터리를 개발하는데 성공, 이 연구결과가 재료분야 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8월호 온라인판에 실렸으며, 미국 화학학회 뉴스레터인 C&EN(Chemical & Engineering News)에도 (8월 10일자) 특집으로 보도됐다.
얇고 가벼우면서도 유연한 디스플레이로의 혁신적인 기술 발전을 위해서는 필연적으로 휘어지며 충전밀도가 높고, 폭발위험이 극히 적은 고성능 유연 고상배터리의 개발이 요구돼 왔다.
그러나 고효율 배터리를 만드는 소재 중 산화물 양극재료는 고온의 열처리가 필요하기 때문에 플라스틱 기판위에서는 구현할 수 없을 뿐만 아니라 고온 열처리 없이 분말 형태로 만들 경우에는 충전밀도가 매우 낮다는 문제점이 있었다.
이번에 개발한 고성능 유연 고상배터리는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극재료를 운모 희생기판에서 4㎛(머리카락의 약 10분의 1 두께) 정도인 박막형태로 고온 성장시켜 만든 후, 기판으로 쓰인 딱딱한 희생기판을 제거해 얇은 배터리 부분만 남긴 후 유연한 기판위에 전사해 완성했다.
이 교수 연구팀이 개발에 성공한 유연 배터리는 휘어지더라도 전압이 3.9~4.2V로 거의 변하지 않고, 충·방전 10,000번(방전심도 80%) 정도의 안정적 작동과 함께 2200㎼h/㎤의 높은 에너지밀도(패키징 포함)를 지닌 게 큰 특징이다.
이번 연구를 주도한 구민 박사는 “충전밀도가 높은 박막형태의 고효율 유연 배터리는 완전한 형태의 유연 전자 제품를 만드는 데 획기적인 역할을 할 것”이라고 말했다.
이건재 교수 연구팀은 현재 대량생산을 위한 레이저 리프트 오프(Laser lift-off) 기술과 충전용량을 높이기 위해 삼차원으로 적층하는 후속 연구를 진행 중인데, 이들 연구가 끝나는 대로 상용화 수준의 유연 배터리가 나올 것으로 이 교수 연구팀은 예상하고 있다.
한편, 이번 연구결과는 지난 13일부터 일주일간 미국에서 열린 세계적인 국제학회인 국제광자공학회(SPIE)에서 이건재 교수가 기조강연으로 발표했으며, 국내외에서 다수의 특허를 등록하거나 출원했다.
<동영상 설명>http://www.youtube.com/watch?v=Sh-SkpCZ4AE&feature=player_embedded굽힘 상태에서 상용 블루 LED를 켜며 전압특성이 유지되는 유연 배터리 모습
그림1. 연구팀이 이번에 개발한 유연한 배터리와 기존의 휘어지는 OLED를 결합해 만든 최초의 완전한 플렉시블 디스플레이
그림2. 연구팀이 개발한 플렉시블 배터리와 결합된 디스플레이의 구조
그림3. 연구팀이 개발한 휘어지는 배터리가 LED를 켜고 있다. 휘어져도 전압이 떨어지지 않아 안정적이다.
그림4. 휘어지는 고효율 배터리 제작공정. (g)운모를 제거하고 나서 (h)폴리머 기판으로 옮긴 후 (i)폴리머로 감싸는 공정이 연구팀의 독자기술이다.
그림5. 이건재 교수 연구팀이 유연배터리를 희생기판에서 레이저로 제거하는 연구를 수행하고 있다.
2012.08.21 조회수 20135 -
KAIST-산업은행 ‘기술이전 및 사업화’ 촉진 협력
우리 대학은 12일(목) 오전 11시 대전 본관 제 1회의실에서 KDB산업은행과 ‘기술이전 및 사업화 촉진’을 위한 업무제휴 협약을 체결했다.
이번 협약을 계기로 KAIST는 산업은행이 관리 중인 440여 기술 수요기업에 보유중인 특허기술을 제공하고 KAIST 보육 기업들에게 금융자문 등 사업화를 위한 컨설팅서비스를 제공 할 수 있게 됐다.
대략 일만 건의 특허를 보유중인 KAIST 산학협력단은 특허기술을 기업에 어떻게 알릴 것인지와 어떻게 상용화시킬 것인지를 항상 고민해 왔다.
KAIST는 이번 업무제휴로 한국산업은행이 보유한 ‘KDB 기술이전 ・사업화 컨설팅 시스템’을 활용해 KAIST가 보유한 특허기술 정보를 기업에 제공하는 한편 보육 기업들에게 경영전반에 대한 컨설팅 서비스를 제공할 수 있게 돼 기술이전이 활성화될 것으로 기대하고 있다.
백경욱 연구부총장은 “KAIST 산학협력단은 우수한 특허기술을 많이 가지고 있으나 시장이 요구하는 기술과의 접목 및 상용화에 어려움이 많았다”며 “이번 협약으로 KAIST 특허기술이 많은 기업들에게 제공돼 기술이전이 활성화 되고 상용화 되는 계기가 됐으면 한다” 라고 말했다.
KAIST는 또한 보육기업의 기술력・사업성 검증과정에서 양 기관의 전문가 참여하는 ‘전문가 활용제도’도 도입할 예정이다.
[사진설명]
12일 오전 11시 KAIST 본관 회의실에서 백경욱(왼쪽) KAIST 연구부총장과 김상로 KDB 산업은행 부행장이 업무제휴 협약을 체결한 뒤 기념촬영을 하고 있다.
2012.07.12 조회수 12796