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윤준보 교수, 700℃로 열처리된 나노와이어 옮기는 기술 개발
우리 대학 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 고온에 열처리된 나노와이어 다발 물질을 유연 기판에 옮기는 기술과 이를 이용한 고성능의 유연 에너지 수확 소자를 개발했다. 서민호 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 1월 30일자 온라인 판에 게재됐다. 대표적인 나노물질인 나노와이어(nanowire)는 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 1차원 구조에 기반한 우수한 물리, 화학적 특성과 높은 응용성 덕분에 과학 및 공학적으로 중요하게 사용되고 있다. 특히 완벽하게 정렬된 배열, 평균보다 긴 길이 등 특수한 구조를 갖는 나노와이어는 그 성능이 더욱 우수한 것으로 밝혀졌다. 따라서 나노와이어들을 손쉽게 제작 및 분석하고 이를 통한 고성능의 응용 소자를 구현하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 최근에는 물리, 화학적으로 우수한 나노와이어를 유연 기판에 제작하고 고성능 웨어러블 센서 등의 유연 전자소자에 응용하는 연구가 각광을 받고 있다. 그러나 기존 기술은 화학적 합성법으로 제조된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 도포하는 무작위 분포 방식을 활용했기 때문에, 나노와이어의 구조적 장점을 활용하는 고성능 소자의 구현에는 어려움이 있다. 최첨단 나노 공정법과 내열성을 갖는 유연 물질을 이용하기도 하지만 이는 경제적으로 비효율적이고 700℃ 이상의 초고온에서 안정적인 재료를 제작하기에는 부적합해 사용 범위가 제한적이다. 연구팀은 문제 해결을 위해 대면적으로 제작된 실리콘 나노그레이팅(nano-grating) 기판과 나노희생 층(nano-sacrificial layer) 공정을 결합하는 새로운 나노 옮기기(nano-transfer) 기술을 개발했다. 이 기술은 옮기기의 틀(mold)이 되는 나노그레이팅 기판과 나노와이어 사이에 존재하던 나노희생 층이 열처리 이후 나노와이어를 유연 기판으로 옮길 때 희생 층이 없어진다. 이를 통해서 초고온에서 물성 확보가 된 나노와이어를 정렬된 형태로 유연 기판에 안정적으로 제작할 수 있다. 연구팀은 개발된 기술을 이용해 700℃ 이상부터 물성이 확보되는 티탄산바륨 나노와이어를 유연 기판 위에 완벽하게 정렬해 제작했다. 또한 이를 웨어러블 에너지 수확에 응용해 기존에 보고된 일반적인 티탄산바륨 나노와이어 기반 에너지 수확 소자의 특성을 뛰어넘는 높은 전기적 에너지를 얻었다. 이 기술은 반도체식 공정인 물리기상 증착법을 기반으로 제작하기 때문에 세라믹, 반도체 등 다양한 물질을 나노와이어의 유연 기판 위 제작에 활용 가능하다. 유연 트랜지스터, 열전소자 등 다양한 고성능 유연 전자소자 제작에 활발히 이용 가능할 것으로 기대된다. 서민호 박사과정은 “물성이 향상된 나노와이어 물질을 유연 기판 위에 옮기고 이를 이용한 소자 수준의 성능 향상을 선보였다”며 “다양한 나노와이어 물질의 유연 기판 위 제작 및 고성능 웨어러블 전자 소자의 구현에 기반이 될 것이다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 도약연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1.티탄산바륨( BaTiO₃) 나노와이어를 이용한 전사의 광학적, 물질적, 단면 전자현미경 결과 그림2. 개발된 새로운 나노와이어 전사 공정 과정과 나노희생층 식각 원리의 모식도 그림3. 에너지 수확소자의 모식도와 검지에 부착된 소자의 에너지 수확 실험 광학사진
2017.02.23
조회수 13334
조병진, 이건재 교수, 레이저빔 공정을 이용한 고성능 유연 열전소자 개발
우리 대학 전기및전자공학부 조병진 교수와 신소재공학과 이건재 교수 공동 연구팀이 전자기기의 전력공급원으로 사용될 수 있는 고성능 유연 열전 소자를 개발했다. 김선진 박사와 이한얼 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 나노 및 에너지소재 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 2016년 12월 27일자에 게재됐다. 연구팀은 쿼츠 기판위에 스크린 프린팅 공정으로 열전 후막을 형성한 후 레이저빔 공정을 이용해 단단한 쿼츠 기판을 제거함으로써 쉽게 휘어지는 유연 열전 소자를 개발했다. 기존 상용 열전소자 양면에는 단단하고 무거운 세라믹 기판이 있어 휘어지지 않고 중량이 무거운 단점이 있었다. 따라서 굴곡이 있는 열원에 열전소자를 부착하여 사용하기 어려웠으며 활용이 매우 제한적이었다. 연구팀은 레이저빔을 열전소자 양면에 조사해 딱딱한 기판을 완전히 분리시키는 공정을 개발했다. 레이저빔을 이용한 기판 박리기술은 30 ns (ns : 10억분의 1초)의 매우 짧은 시간의 레이저빔을 조사하기 때문에 지난 2014년 동연구실에서 발표한 니켈박리 기술 (논문명: Wearable Thermoelectric Generator Fabricated on Glass Fabric) 보다 간편하고 공정 안전성이 매우 높다. 레이저를 이용한 기판 박리 공정기술을 개발함으로써 기존의 기판에서 발생하는 열에너지 손실문제를 개선함과 동시에 열전소자의 경량화와 유연화를 동시에 달성했다. 또한 스크린 프린팅으로 형성되는 열전후막 공정의 최적화를 통해 유연열전소자의 성능을 더욱 개선했다. 연구팀이 시험 개발한 유연 열전소자는 온도차 25 ֯C에서 단위 면적당 발전량 4.78 mW/cm2, 단위 무게당 발전량 20.8 mW/g로 최근 보고된 프린팅 기반 유연열전소자 중 가장 높은 전력밀도를 갖는다. 유연 열전소자는 잘 휘어지는 특성 때문에 굴곡이 있는 열원에 쉽게 부착해 여분의 전기에너지를 생산해 낼 수 있고 열이 발생하는 다양한 곳에 광범위하게 활용할 수 있다. 인체, 자동차, 항공기, 발전소, 산업현장 등 열이 발생하는 다양한 곳에 적용하여 여분의 전기에너지를 생산할 수 있기 때문에 그 활용성이 매우 넓다. 일례로 따뜻한 물이 흐르는 수도관 외부에 유연 열전소자를 부착하게 되면 물에서 발생하는 열을 이용해 전기에너지를 생산해 낼 수 있고, 무선 전자기기(wireless electronic device)를 동작 시킬 수 있다. 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 레이저 멀티스캔 박리 공정으로 제작된 유연 열전소자
2017.01.23
조회수 13143
오일권 교수, 귀금속 촉매 대체할 친환경 물 분해 촉매 개발
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 값비싼 백금 등의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 친환경 물 분해 기술을 개발했다. 물 분해 기술은 수소를 친환경적으로 생산할 수 있다. 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 수소의 대량 생산 및 수소에너지 상용화에 기여할 것으로 기대된다. 배석후 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 1월호 표지논문에 게재됐다. 현재 가장 많이 사용되는 수소에너지의 발전 방식은 물을 전기 분해시켜 수소를 생산하는 방법이다. 이 방식은 공해 없이 순수한 수소를 생산할 수 있다. 하지만 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있다. 특히 산소가 발생하는 플러스(+) 전극에는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 귀금속 촉매가 필요하고, 수소가 발생하는 마이너스(-) 전극에는 백금이 필요하다. 따라서 이를 대체할 수 있는 값싼 재료의 촉매를 개발하는 것이 상용화를 앞당길 수 있는 길이다. 연구팀은 문제 해결을 위해 플러스 전극에 사용되는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 금속 기반의 화합물 촉매를 제작하는 데 성공했다. 니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격이 저렴하지만 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매에 비해 높은 전압을 필요로 하는 등 상대적으로 낮은 성능으로 인해 사용되지 못했다. 연구팀은 문제 해결을 위해 수열합성을 이용했다. 수열합성은 고온, 고압 상태에서 물 혹은 수용액에 금속 등을 녹여 물질을 합성하는 기술이다. 연구팀은 니켈-코발트 전구체가 녹아 있는 용액을 바탕으로 수열합성을 진행했다. 이를 통해 니켈-코발트 촉매의 낮은 성능 문제를 해결하는 동시에 촉매의 표면적을 넓히는 데 성공했다. 또한 추가적인 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸면서 전극과 나노선 복합체 사이의 전하 전달 능력을 극대화시킨 이중 나노선 형태의 촉매를 제작했다. 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 구성했기 때문에 탄소 직물로 만들어진 전극 기판과 상승효과(Synergy)를 내면서 단일 니켈-코발트계 금속 촉매에 비해 30% 낮은 전압과 2.7배 높은 단위 면적당 촉매 활성도를 보였다. 기존의 나노선은 원뿔 모양으로 종횡비가 커 나노선 전체로 전달되는 전압이 일정하지 않았다. 이 때문에 나노선 전체가 촉매 반응에 참여하지 못하는 현상이 발생했으나, 연구팀의 촉매는 탄소층으로 둘러싸여 있기 때문에 전자의 활발한 이동이 가능했고 이는 일정한 전압 전달로 이어졌다. 연구팀은 “연이은 수열합성을 통해 비교적 간단한 공정으로 이상적인 이중 구조의 나노선 촉매를 제작하는 데 성공했다”며 “기존의 값비싼 귀금속 촉매에 비해 훨씬 저렴하면서도 성능은 거의 차이가 없다”고 말했다. 오 교수는 “생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하며 성능 또한 기존 귀금속 촉매에 뒤지지 않는다 ”며 “이번 연구를 통해 물을 수소같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다. 이번 연구는 기계기술연구소 김지은 박사, EEWS 대학원 박정영 교수가 참여했고, 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 선정된 표지논문(front cover) 이미지 그림2. 탄소층이 코팅된 니켈-코발트 이중 나노선 촉매 입자의 미세구조 사진 그림3. 이중 나노선 구조의 전기화학적 촉매로써의 작용 모습 그림4. 이중 나노선 형상의 촉매 제작 과정을 나타낸 모식도
2017.01.19
조회수 13456
국내최초 녹색건축물 전환 인증 받은 KAIST 기계공학동
< 기계공학동 리모델링 준공식 > 우리 대학은 12일(월) 기계공학동 로비에서 강성모 총장, 안충환 국토교통부 건축정책관, 교내·외 주요 관계자 등 100여 명이 참석한 가운데 국내 최초 ‘녹색건축물 전환 인증’ 을 받은 ‘KAIST 기계공학동 리모델링’ 준공식 행사를 가졌다. ‘녹색건축물 전환 인증’ 은 연간 냉난방 에너지 요구량의 20%이상 개선한 녹색 건축물에 국토교통부가 부여하는 인증제도이다. 기계공학동 리모델링 공사는 냉난방 에너지 요구량의 32% 절감효과를 인정받아 국토교통부로부터 지난 9일 ‘녹색건축물 전환 인증’ 을 받았다. 총공사비 101억원이 투입된 기계공학동 리모델링은 지상 7층 지하 1층(연면적 30,387.36㎡)으로 구성됐으며 에너지 절감형 기술과 제품을 적용해 만든 녹색건축물로 개축됐다. 공동강의실 등 공용실의 조명기구를 LED제품으로 교체하고, 외벽 및 옥상 단열 보강과 고효율 2중 창호를 설치해 단열 기능을 높여 에너지소비를 줄였다. 특히 노후 개별 냉·난방기를 철거하고 한곳에서 통합제어가 가능한 고효율 시스템 냉·난방기를 설치해 에너지 소비량과 설비운전 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 ‘건물에너지관리시스템’ 을 구축했다. KAIST는 이번 기계공학동 ‘녹색건축물 전환 인증’ 을 계기로 향후 모든 신·개축 건물에 대해 녹색건축물 인증을 추진할 계획이다. 강성모 총장은 “학생들이 노후 건물을 벗어나 안전하고 쾌적한 환경에서 공부할 수 있게 돼 기쁘다”며 “교육 및 연구시설 개선과 안전한 캠퍼스 구축을 위해 지속적으로 노력 하겠다”고 말했다. < 리모델링 후 기계공학동 전경 >
2016.12.12
조회수 11161
덴마크공대와 스타트업 학생 교환 및 공동연구 협정 체결
우리 대학은 덴마크 총리 라스 뢰케 라스무센 (H.E. Lars Løkke Rasmussen)의 방한에 따라 주한 덴마크대사관에서 개최하는 녹색성장동맹회의 및 에너지 세미나 (Green Growth Alliance Meeting and Energy Seminar)를 통해 덴마크공대(Technical University of Denmark, 이하 DTU)와의 스타트업(Startup) 학생교환 및 공동연구를 위한 협력협정을 10월 25일 체결했다. 본 협약을 통해 양교의 우수한 스타트업 (Startup) 프로그램 틀을 활용한 스타트업 학생교류 진행과 연구 주제 공동 발굴을 통한 공동연구 등 실질적 협력이 추진될 예정이다. 이번 협력을 주관한 강성모 총장은 “유럽의 전략적 파트너인 DTU와는 국제 교환학생 교류 및 연구협력의 새로운 모델을 제시하여 왔으며, 이번 협약을 통해 우리 대학의 창업원, K-School과 DTU의 SkyLab 및 StarDUST를 활용한 Startup 학생교류프로그램은 양교의 우수한 교육 및 연구인프라를 공유하는 또 하나의 성공 사례가 될 것” 이라고 언급하며 “아울러 양 대학간 협의를 거쳐 다양한 공동연구 분야를 발굴하고 지원할 예정” 이라고 말했다. 우리 대학과 DTU는 18개의 유효 협약을 맺고 있는 전략적 파트너로 최근 3년간 약 120여명의 학생교류가 진행되고 있으며 세미나 및 워크샵을 위한 교원들의 상호간 다양한 방문도 이어지고 있다. 1829년에 설립된 DTU는 덴마크의 대표적인 공과대학으로 2016 QS 세계대학순위’에서 109위, Engineering 및 Technology분야 세계 46위를 기록했으며, 부설 과학단지를 운영 다양한 창업지원을 하고 있다.
2016.10.26
조회수 9616
2016 KAIST EEWS 워크숍 개최
EEWS대학원에서는 10월 20일(목) KI빌딩 퓨전홀에서 에너지 과학 분야 전문가 400여 명이 참석한 가운데 ‘2016 KAIST EEWS 워크숍’을 개최한다. 에너지 과학 및 공학의 세계적 석학 8명은 이번 워크숍에서 나노물질 ․ 이론 ․ 촉매 ․ 광촉매를 망라하는 다양한 분야의 최신 연구경향을 소개하고, EEWS(에너지, 환경, 물, 지속가능성)의 현재와 미래 예측에 대한 열띤 토론의 장도 연다. 나노소재의 세계적 전문가 추이이(Yi Cui) 스탠포드 교수와 윌리엄 고다드(William A. Goddard) 캘리포니아 공대 교수는 각각 에너지 및 환경 주제를 위한 소재 디자인에 대한 실험과 이론방향의 최근 연구결과를 발표한다. 로렌스버클리 국립연구소의 전 재료과학분과 소장 미쿠엘 살메룬(Miquel Salmeron) 박사와 동경대학의 유이치 이쿠하라(Yuichi Ikuhara) 교수는 촉매 및 에너지 물질에 대한 원자수준의 분석을 소개한다. 국내 전문가로는 미국화학회 촉매지(ACS Catalysis)의 부편집장이자 기초과학연구원 분자활성촉매반응연구단의 단장을 맡고 있는 KAIST 화학과 장석복 교수와 미국화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)의 부편집장인 선양국 한양대 에너지공학과 교수가 각각 새로운 촉매반응 개발 및 에너지 저장에 대한 최신 연구결과를 보여준다. 워크숍은 △ 에너지 및 환경 물질 디자인 △ 에너지 및 촉매 소재 분석 △ 에너지 전환 및 촉매 등 3개 세션으로 진행된다. EEWS대학원은 2008년 12월 세계수준연구중심대학(WCU) 사업의 일환으로 설립되었으며, 올해 노벨화학상을 수상한 노스웨스턴 대학의 프레이저 스토다트(J. Fraser Stoddart) 교수가 2011년 가을부터 2년간 WCU 초빙교수로 재직하였고 해당 연구실 출신의 알리 코스쿤(Ali Coskun) 교수는 EEWS대학원 전임교원으로 재직하고 있다. 정유성 EEWS대학원 학과장은“이번 워크숍은 에너지 과학과 기술분야에서 세계적으로 주목받는 연구를 수행하는 석학들과 한자리에서 교류할 수 있는 의미 있는 시간”이라며 “수준 높은 연구 성과를 쌓아온 KAIST EEWS대학원의 위상과 인지도를 국제적으로 한층 더 높일 수 있는 소중한 기회가 될 것”이라고 말했다.
2016.10.19
조회수 8212
최정우, 조병진, 김상욱 교수, 3차원 그래핀 기반 평판 스피커 개발
우리 대학 전기 및 전자공학부 최정우, 조병진 교수, 신소재공학과 김상욱 교수 공동 연구팀이 3차원 그래핀 에어로젤을 이용해 전기 에너지로부터 박막의 진동 없이 소리를 발생시킬 수 있는 초박형 열음향 스피커를 개발했다. 이번 연구 결과는 나노 분야 학술지 ‘에이씨에스 에이엠아이(ACS AMI : ACS advanced Materials & Interfaces)’ 8월 17일자 온라인 판에 게재됐고 9월 9일자 IEEE 스펙트럼을 통해 외신에 소개됐다. 이번 연구는 김충선 박사과정, 이경은 박사과정, 기계공학과 이정민 박사가 공동 저자로 참여했다. 열음향 스피커란 얇은 도체에 교류 전기 신호를 인가함으로써 발생되는 열의 파동을 통해 공기의 진동을 발생시키는 원리로 소리를 낼 수 있는 스피커이다. 기존의 다이내믹 스피커와 다르게 매우 얇고 유연하게 만들 수 있다. 또한 박막의 진동 없이 소리를 발생시킬 수 있고 모든 방향으로 동일한 위상의 소리가 발생되기 때문에 어떠한 구조물에 붙이더라도 감쇄 없이 소리를 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 열음향 스피커는 열을 발생시키는 도체의 열용량이 작을수록 효율이 높아져 그래핀 등의 얇은 박막이 스피커 구현의 적합한 재료로 여겨진다. 그러나 매우 얇은 나노 박막들을 지지하기 위한 기판에 의한 열 손실은 열음향 스피커의 효율을 감소시키는 문제점으로 지적됐다. 연구팀은 수 나노미터의 그래핀으로 이루어진 삼차원 그래핀 에어로젤 구조를 열음향 스피커에 적용시켜 그래핀의 열용량은 유지하면서 기판으로의 열 손실은 최소화된 삼차원 그래핀 열음향 스피커를 제안했다. 김상욱 교수 연구팀에서 개발한 이 삼차원 그래핀 구조는 산화 그래핀 용액을 동결 건조하고 열처리해 환원 및 도핑하는 간단한 과정을 통해 얻어질 수 있어 대량 생산이 가능하고 원하는 모양대로 가공이 가능하다. 최정우, 조병진 교수 공동 연구팀은 삼차원 그래핀이 최적의 효율로 소리를 발생시키기 위한 조건 및 구조를 이론적, 실험적으로 규명했다. 그리고 이를 사용해 어레이 형태의 스피커를 제작했고 현재까지 보고된 이차원 및 삼차원 열음향 스피커에 비해 향상된 음압 레벨을 보임을 입증했다. 제 1저자인 김충선 박사과정은 "이번 연구를 통해 대량 생산이 가능한 삼차원 그래핀 에어로젤로 손쉽게 제작이 가능한 열음향 스피커를 개발했다"며 "교내의 다양한 주제로 연구중인 그룹들이 가지고 있는 기술의 융합이 성과를 내는 데 큰 도움이 됐다"고 말했다. 이번 연구는 삼성미래기술 육성센터 및 한국연구재단 창의연구지원사업 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 16개의 삼차원 그래핀 에어로젤로 구성된 어레이 열음향 스피커 그림2. 제작 과정 및 삼차원 그래핀 에어로젤의 특성
2016.09.30
조회수 11780
유승협 교수, 열차단과 전기생산 동시에 가능한 태양전지 개발
〈 유 승 협 교수 〉 우리 대학 전기 및 전자공학부 유승협 교수와 성균관대 화학공학부 박남규 교수 공동 연구팀이 열을 차단하는 동시에 전기도 생산할 수 있는 반투명 태양전지 기술을 개발했다. 이는 다층 금속 박막 기반의 투명전극을 이용한 기술로써 가시광선은 투과하고 적외선(열선)은 선택적으로 반사한다. 동시에 전기도 생산하기 때문에 에너지를 효율적으로 사용하면서 낮은 실내 온도를 유지할 수 있다. 자동차 선팅이나 건물 창호 등에 다방면으로 이용 가능할 것으로 기대된다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 7월 20일자 표지 논문으로 선정됐다.(논문명: Empowering Semi-Transparent Solar Cells with Thermal-Mirror Functionality) 태양전지는 지붕 위에 설치하는 청색의 사각 패널 뿐 아니라 건물이나 차량 유리창에 적용할 수 있는 반투명 모양으로도 발전될 수 있다. 하지만 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 속성 상 빛을 투과시키는 태양전지의 반투명한 특성은 효율을 감소시킬 수밖에 없다. 또한 기존의 상용화된 결정질 실리콘 기반의 태양전지는 반투명하게 제작이 어렵다는 한계를 갖는다. 연구팀은 문제 해결을 위해 차세대 태양전지 재료로 주목받는 유, 무기 복합물로 이뤄진 페로브스카이트를 광전변환 재료로 이용했다. 그리고 양면에 투명 전극을 사용해 반투명한 태양전지를 구현했다. 이 때 한쪽 면의 투명 전극은 연구팀이 수년 간 전자소자에 적용해온 ‘절연층-금속-절연층’ 구조의 금속 기반 다층 박막을 사용했다. 금속은 통상적으로 빛이 투과되기 어렵다. 하지만 연구팀은 수십 나노미터 두께의 얇은 박막으로 제작한 뒤 그 위에 반사를 줄이는 굴절률이 높은 절연층을 적층하는 방법으로 투명한 전극을 구현했다. 또한 투명 전극 각 층의 두께를 세밀하게 조절해 사람의 눈에 보이는 가시광선 대역의 빛은 투과시키고, 눈에 보이지 않는 대역의 빛은 반사되도록 설계했다. 이를 통해 차량용 선팅 필름과 비슷한 수준인 7.4% 평균 가시광선 투과율을 갖는 동시에 13.3%의 광전변환효율을 보이는 반투명 태양전지 제작에 성공했다. 연구팀은 적외선 반사를 최대화해 태양광의 열선을 효과적으로 반사시키는 기능을 더했다. 선팅 필름 제품의 태양열차단 성능은 총태양열에너지차단율(Total Solar Energy Rejection : TSER) 지수로 평가되는데 연구팀의 반투명 태양전지는 고가 선팅 필름 제품과 동등한 수준인 89.6%의 우수한 TSER 값을 보였다. 다수의 선팅 필름 제품들이 흡수를 통해 태양빛을 차단하기 때문에 태양빛에 노출 시 필름 자체의 온도가 올라간다. 반면 연구팀의 태양전지는 반사를 통해 열을 차단해 빛에 노출돼도 온도가 거의 올라가지 않아 태양전지의 안정성 향상 측면에서도 유리할 것으로 기대된다. 유 교수는 “열 차단 기능성 반투명 태양전지는 추가적 광학 설계를 통해 색 조절도 가능하고 궁극적으로는 필름형으로도 제작 가능해 기존 차량 및 건물의 유리창을 멋있고 스마트하게 업그레이드할 수 있을 것이다”며 “태양전지가 친환경 에너지를 생산하는 것에서 더 나아가 새로운 부가가치를 갖출 때 기존보다 더 큰 시장을 개척할 수 있을 것이다”고 말했다. 김호연, 하재원 박사과정 학생과 성균관대 김희선 학생이 공동으로 참여한 이번 연구는 KAIST 기후변화연구허브 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 게재된 저널의 표지논문 그림 그림2. 태양전지 사진 그림3. 열화상 사진 그림4. 모식도
2016.08.01
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강정구, 김용훈 교수, 태양광 이용 이산화탄소로 메탄올 변환 성공
우리 대학 EEWS 대학원 강정구 교수, 김용훈 교수 공동 연구팀이 태양광을 이용해 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있는 광촉매를 개발했다. 이 기술은 값싼 물질에 간단한 공정으로 이산화탄소를 고부가가치의 화학물질로 변환시킬 수 있다. 향후 탄소배출규제 시행에 따른 이산화탄소 처리 및 저감 문제를 해결할 수 있는 대안 기술이 될 것으로 기대된다. 이동기, 최지일 박사가 참여한 이번 연구는 에너지 분야 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 5월 9일자 온라인 판에 게재됐다. 매년 우리나라에서는 6억 톤의 이산화탄소가 발생하고 세계적으로는 250억 톤에 이른다. 이산화탄소를 메탄올로 변환할 수 있다면 1톤 당 약 40만원에 판매가 가능해지고, 운반의 문제를 해결할 수 있다. 경제 및 환경문제에서도 효과가 클 것으로 예상되기 때문에 과학계 및 관련 산업계는 이산화탄소를 메탄올로 변환하기 위한 노력을 하고 있다. 식물의 광합성 효과를 모방한 인공광합성 기술은 태양에너지만으로 메탄올과 같은 고에너지 밀도의 화학물질을 제조할 수 있다. 이 반응을 이끌어내기 위해서는 백금, 금, 루테늄과 같은 금속 광물이 필요하다. 하지만 낮은 에너지 변환 효율 문제가 개선되지 않아 광촉매 물질의 보호막 정도로만 사용되고 있다. 에너지 효율이 낮은 이유는 태양 에너지의 극히 일부만 활용 가능해 전자 전달 능력이 낮기 때문이다. 연구팀은 문제 해결을 위해 콜드 플라즈마(cold Plasma) 반응을 기반으로 한 기술을 이용했다. 기존 산화물 공정은 한 물질에 질소와 수소 처리를 동시에 구현하는 것이 불가능했지만, 기체 콜드 플라즈마 기술을 이용하면 상온에서도 고 반응성의 수소 및 질소 라디칼을 형성할 수 있다. 이를 통해 순간적 반응만으로 금속 산화물 내부에 질소 및 수소를 주입하는 데 성공했다. 이 기술로 자외선(UV)영역에 국한되는 이산화티타늄의 빛 감지 범위를 가시광선 영역까지 확대시켰고, 전자 전달 능력을 1만 배 증가시킴으로써 귀금속 광물 없이도 이산화탄소를 메탄올로 변환시킬 수 있었다. 또한 인공광합성 반응이 잘 일어나도록 도와주는 별도 화학첨가제나 전기적 에너지 없이도 반응을 가시광 범위까지 이끌어냈다. 이산화티타늄 광촉매는 해당 물질이 갖는 이론한계치의 74%에 달하는 광전류를 발생시켰고, 이산화탄소를 이용한 메탄올 발생량이 25배 이상 향상됐다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자 수준 모델링을 통해 수많은 변수를 측정함으로써 촉매 반응 향상의 원리를 이론적으로 규명했다. 강 교수는“이 기술을 기반으로 향후 산업체에서 대량 생산할 수 있도록 기술을 발전시키는 것이 목표다”고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 인공광합성 사업과 KISTI의 슈퍼컴퓨터 사업의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 태양광을 이용한 이산화탄소의 메탄올로의 변환 과정 그림2. 가시광에서 연료변환이 가능하도록 만든 코어-쉘 촉매
2016.05.26
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美 백악관 과학기술정책실장 홀드렌 박사 30일 특별강연
우리 대학은 30일(수) 오전 11시 30분 교내 KI빌딩 메트릭스홀에서 美 대통령 과학기술자문위원 겸 백악관 과학기술정책실장(장관급)인 존 홀드렌(John P. Holdren) 박사를 초청해 특별강연을 연다. 이번 방문은 휴보랩 등 KAIST 연구시설을 방문해 한국 과학기술의 현주소를 살펴보고 한국의 과학기술인에게 미국 정부의 과학기술 정책기조를 설명하기 위해 마련됐다. ‘과학, 기술, 그리고 글로벌 도전과제들을 위한 혁신’을 주제로 열리는 이번 강연에서 홀드렌 박사는 오바마 정부의 정책 우선과제인 ‘기후변화 ‧ 클린 에너지 ‧ 건강분야 등’의 정책방향을 설명할 예정이다. 홀드렌 박사는 2009년 3월부터 현재까지 美 오바마 대통령 과학보좌관 겸 백악관 과학기술정책실장으로 활동 중이다. 한편, 홀드렌 박사는 현재 한-미 과학기술공동위원회 회의 차 방한 중이다. 끝.
2016.03.28
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버려지는 온실가스로 고부가 가치의 전극소재 제조 기술개발
〈 KAIST - 성일에스아이엠 간 기술이전 체결식 〉 우리 대학과 ㈜성일에스아이엠(대표이사 우창수)이 ´이산화탄소 전환을 통한 탄소 전극소재 제조 기술´에 대해 기술이전 계약을 체결했다. 이번 성과는 국가 R&D 사업의 성과가 중소기업의 신성장동력 창출에 기여했다는데 의의가 있다. 우리 대학 이재우 교수 연구팀의 이번 성과는 기존 탄소 제조 기술의 한계점인 고온․고압의 반응 조건을 획기적으로 개선하여 500℃, 1기압의 조건에서도 탄소물질을 제조할 수 있게 된 것이다. 기존의 이산화탄소 전환 기술은 매우 안정한 이산화탄소 분자간 결합을 끊어 탄소물질로 전환하기 위해서는 많은 에너지를 공급할 수 있는 고온․고압 조건 요구되었다. 그러나 본 기술은 강력한 환원력을 가진 수소화붕소나트륨(이하 NaBH4)을 환원제로 사용하여 기존 기술 대비 1/10 이하의 적은 에너지만으로도 탄소 전극 물질로 전환할수 있어 저에너지․저비용의 생산공정 구축이 가능해 상용화가 매우 용이하다. ㈜성일에스아이엠은 이전받은 기술을 적용한 양산시설을 구축하는 등 조기 상용화를 통해 양산된 탄소물질을 국내외 연료전지, 수퍼캡, 및 각종 전지 전극소재 시장에 진입할 계획이다. 본 기술이 적용될 수 있는 연료전지, 고성능 축전지 및 이차전지는 에너지저장 기술로서 주목을 받고 있는 가운데, 신재생에너지 확산 및 글로벌 전력 수요의 증가에 따라 세계 에너지저장시스템* 시장은 오는 2020년 약 47.4조원 규모가 될 것으로 전망되고 있다. ㈜성일에스아이엠 우창수 대표는 “KAIST로부터 이전 받은 탄소 전극 기술에 대한 기대가 매우 크다” 면서 “해당 기술이 조기 상용화되어 당사의 신성장 동력원이 되길 기대한다”고 밝혔다. □ 그림 설명 그림1. NaBH4를 이용한 CO2 전환 공정의 개념도 그림2. 합성된 다공성 탄소 물질
2016.03.03
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전기자동차용 차세대 전지의 성능 극대화
〈 김 일 두 교수〉 우리 대학 신소재공학과 김일두 연구팀이 리튬-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다. 리튬-공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬-이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있으며, 이번에 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 리튬-공기전지의 상용화에 한 발짝 다가갈 것으로 기대된다. 연구팀은 촉매활성이 뛰어난 두 소재인 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했고, 이를 리튬-공기전지에 적용하는데 성공했다. 이번 연구는 나노재료 분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: One-Dimensional RuO2/Mn2O3 Hollow Architectures as Efficient Bifunctional Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries) 리튬-공기전지는 리튬-이온전지에 비해 용량이 10배 이상 높고 대기 중의 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차를 위한 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다. 그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율 및 수명특성이 저하돼 상용화에 어려움을 겪었다. 따라서 탄소재 양극 내의 리튬산화물의 형성 및 분해를 안정적으로 도와주는 촉매 개발이 필수적으로 요구됐다. 리튬-공기전지용 촉매는 가벼우면서 내구성이 우수하고 촉매의 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다. 현재 상용화 수준으로 대량생산이 가능하고 우수한 촉매 활성을 갖는 소재는 아직 개발되지 않았었다. 연구팀은 위의 문제 해결을 위해 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했다. 이는 누에가 실을 뽑듯이 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체를 기반으로 한 고분자 복합 섬유를 합성해내는 기술이다. 이후 이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어지고, 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매가 완성된다. 연구팀이 개발한 이중 튜브는 직경 220 나노미터의 외부튜브와 80 나노미터의 내부튜브로 이뤄져 안쪽 및 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여 가능하고, 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점을 갖는다. 연구팀은 초기 충전, 방전 시의 과전압 차이가 약 0.8V 이내로 감소하는 효과를 얻었다. 기존 탄소재 사용시 과전압은 약 2.0V 이상이다. 또한 용량제한 1000 mAh/g 하에서 100사이클 이상의 안정적인 리튬-공기전지 특성을 확인했다. 위의 기술 향상이 가능한 이유는 리튬산화물의 생성반응(산소환원 반응)을 도와주는 망간산화물 촉매와 분해반응(산소발생 반응)을 돕는 루테늄산화물 촉매가 내, 외부 튜브에서 나노단위로 균일하게 존재하기 때문이다. 김 교수 연구팀의 핵심 기술인 전기방사 기술은 고분자, 금속 전구체가 포함된 용액을 전기적 인력으로 연신시켜 수십에서 수백 나노 직경의 나노섬유를 얻을 수 있는 기술이다. 이 기술은 쉽게 기능성 나노섬유를 대량생산할 수 있어 수처리용 필터, 황사 마스크, 마스크팩 소재, 바이오 필터 등에 활발히 사용되고 있다. 연구팀은 “휘발점이 다른 두 용매의 온도 상승 속도를 조절하는 간단한 공정을 통해 리튬-공기전지의 충전 및 방전에 이상적인 촉매구조 디자인에 성공했다”고 밝혔다. 김 교수는 “생산 공정이 매우 손쉽고 대량생산이 가능한 기술이다”며 “촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것이다”고 말했다. 신소재공학과 김상욱 교수와 공동 연구로 진행된 이번 연구는 윤기로 박사과정이 제1저자로 참여했고, ‘한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(Korea CCS R&D Center)’ 및 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다. □ 그림 설명 그림1. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 미세구조 사진 그림2. 나노튜브 촉매가 사용된 리튬-공기전지의 구성 그림3. 리튬-공기전지의 구동 원리 그림4. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 형성원리
2016.02.16
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