연구
〈 배재형 박사과정, 김일두 교수, 윤태광 박사 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 아주 소량의 물(0.15ml) 또는 대기 중의 수분을 자발적으로 흡수하는 조해성 물질을 활용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전기를 개발했다.
연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 ‘ACS Nano’ 11월 26일자 논문으로 발표됐다. 또한, 환경 분야의 권위 학술지인 에너지 및 환경과학 (Energy & Environmental Science) 온라인판에 게재됐으며, 1월호 후면 표지 논문으로 발표될 예정이다.
ACS Nano 연구는 증산 작용을 활용한 자가발전기의 원리를 규명한 논문으로 윤태광 박사와 배재형 박사과정 학생이 제 1 저자로 참여했으며, 테크니온 재료공학과의 아브너 로스칠드(Avner Rothschild) 교수가 공저자로 참여했다.
Energy & Environmental Science 논문은 조해성염을 활용하여 대기중의 수분 흡수를 통해 지속적으로 에너지를 생성하는 발전기에 관한 연구내용으로 제 1 저자인 배재형 박사과정과 윤태광 박사의 주도하에 진행이 됐고, 생명화학공학과의 서봉임 박사 , 김지한 교수가 공저자로 참여했다.
김 교수 연구팀은 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견했다.
이를 통해 물이 완전히 증발하기 전까지 수소 이온이 천천히 이동하며 약 1시간 동안 발전이 가능함을 확인했지만, 물이 완전히 증발하게 되면 전기 발생이 멈추게 된다. 지속적인 발전을 위해서는 주기적으로 물을 떨어뜨려야 하는 실용성 측면에 문제가 있다.
연구팀은 발전 시간을 늘리기 위해 대기 중의 물을 스스로 흡수한 후 천천히 방출하는 조해성 물질 중 하나인 염화칼슘(CaCl2)에 주목했다. 탄소 입자가 코팅된 면섬유의 한쪽 면에 염화칼슘을 묻혔더니, 습도 20% 이상에서는 자발적인 수분 흡착으로 전력이 지속해서 유지되는 결과를 얻었다.
이렇게 개발한 자가발전기 6개를 직렬로 연결해 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했다.
태양광, 풍력 발전 등 친환경 발전기들이 외부의 환경적인 요소에 제약을 많이 받는 것에 비해 연구팀이 개발한 발전기는 20∼80% 습도 구간에서는 외부에서 물을 공급해 주지 않더라도 전기를 만들어 낼 수 있어 다양한 사물인터넷, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
김 교수는 "움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 없을까? 라는 의문에서 연구를 시작했다"라며, "조해성 염이 포함된 자가발전기는 일반 대기 환경에서 2주 이상 발전하는 성능을 보임을 확인했고, 사물인터넷용 지속 전력 공급원 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 이차전지를 충전하는 용도 등으로 활용할 수 있다"라고 말했다.
이번 연구 성과는 삼성전자미래육성재단 과제(SRFC-MA1802-05)의 지원으로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물의 증산작용을 이용한 자가 발전기
그림2. 식물의 증산 과정을 통해 수분이 순환하는 원리를 모사하여, 수분의 순환을 전기 에너지로 변환하는 발전기
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연구 섬유 위에 기능성 나노구조체 구현
기계공학과 박인규 교수와 한국기계연구원 정준호 박사 공동 연구팀이 섬유 위에 다양한 기능성 나노 구조체를 구현하는 생체적합성 공정을 개발했다. 연구팀은 개발한 공정을 통해 다양한 재료의 나노 구조체를 섬유 위에 자유롭게 구현하는 데 성공했다. 섬유 위에 직접 나노 구조체를 전사할 수 있어 추가적인 기판이나 접착층 없이도 기능성 기기를 손쉽게 제작할 수 있다. 연구팀은 전기적·광학적 특성을 이용해 환경 및 신체 움직임 모니터링, 나노 구조색을 이용한 보안패턴, 광촉매를 이용한 자가 세정 기능 등을 섬유에 부여할 수 있으며, 스마트 섬유로 활용 가능할 것으로 전망했다. 고지우 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 나노분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano, IF: 13.903)’2월 25일 자 14권 2호 논문에 게재됐다. (논문명: Nanotransfer Printing on Textile Substrate w
2020-03-18 -
연구 적외선 세기·위상 제어 가능한 메타표면 개발
우리 대학 전기및전자공학부 장민석 교수와 미국 위스콘신 대학 브라(Victor Brar) 교수 연구팀이 적외선의 세기와 위상을 독립적으로 제어하는 동시에 전기 신호로 광학적 특성을 조절할 수 있는 그래핀 기반 메타 표면을 이론적으로 제안했다. 이번 연구를 통해 기존 능동 메타 표면 분야의 난제였던 빛의 세기와 위상의 독립적 제어 문제를 해결해 중적외선 파면을 더 정확히 고해상도로 변조할 수 있을 것으로 기대된다. 한상준 석사과정과 위스콘신 대학교 김세윤 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 1월 28일 자 전면 표지논문으로 게재됐다. (논문명 : Complete complex amplitude modulation with electronically tunable graphene plasmonic metamolecules) 광변조기술은 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광통신 등 차세대 광학 소자 개발에 필
2020-02-18 -
인물 김일두 교수, 2019 과학언론의 밤 올해의 과학자상 수상
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수가 11월 29일 서울 중구 롯데호텔에서 개최된 2019 과학언론의 밤 행사에서 기자들이 뽑은 올해의 과학자상을 수상했다. 김일두 교수는 권위학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano) 저널의 부편집장에 선임돼 올 한 해 500여 건의 투고 논문을 담당했으며, 에이씨에스 나노 5월호에 우리 대학의 설립 배경, 그간의 발전 과정과 비전을 상세히 소개하는 에디토리얼 글을 발표하는 등의 활발한 활동에 대한 공을 인정받았다. 2021년 50주년 기념을 위해 나노과학 분야에서 활발한 연구 활동을 하고 있는 교원 15명의 연구 성과를 하나로 묶는 스페셜 리뷰 논문집을 발표할 예정이다. 김 교수의 연구는 과학기술정통부와 산업통상자원부가 공동 후원하고 나노기술연구협의회가 주최한 나노융합성과전 행사에서 2019년 10대 나노기술 ‘나노섬유 소재 기반 유해황경 및 호흡가스 분석 센서 기술’로 선정이 되기도 했다. 또한, 중국 상하이의 동
2019-12-09 -
정책 국제 학술지 ACS Nano에 KAIST를 소개하다
나노과학 분야의 저명 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 우리 대학의 설립 배경, 비전, 나노과학 분야 연구 성과 등을 상세히 소개하는 사설(Editorial)이 게재됐다. 에이씨에스 나노는 2007년 8월 첫 발간 이후 13.709의 피인용지수(Impact Factor, 2017년 기준)를 갖는 나노과학 분야 전문 학술지로 최근 신소재공학과 김일두 교수가 부편집장에 선임되기도 했다. 이번 사설은 에이씨에스 나노의 편집장인 폴 와이즈(Paul S. Weiss) UCLA 교수로부터 우리 대학의 나노과학 연구 성과 소개 요청을 받아 진행된 것으로, 신소재공학과 홍승범, 정우철, 이혁모 교수가 함께 참여해 국내 선도연구기관으로서의 우수성과 더불어 주목할만한 대표 나노과학 연구 성과를 소개했다. 우리 대학은 지난 7년간 에이씨에스 나노 저널에 총 126편의 논문을 발표했
2019-05-03 -
연구 이진우 교수, 그래핀 기반의 자연 효소 모방물질 개발
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2019-04-23