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에너지 저장, 하중지지 동시 가능한 구조배터리 개발
친환경 에너지 기반 자동차, 모빌리티, 항공우주 산업군 등에 활용되는 구조배터리는 높은 에너지 밀도를 통한 에너지 저장과 높은 하중 지지의 두 기능을 동시에 충족되어야 한다. 기존 구조배터리 기술은 두 가지 기능이 상충하여 동시에 향상하기 어려웠지만 우리 연구진이 이를 해결하기 위한 기반 기술 개발에 성공했다.
우리 대학 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 하중 지지가 가능하고 화재 위험이 없고 얇고 균일한 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리*를 개발했다고 19일 밝혔다.
*다기능 복합재료 구조 배터리(Multifunctional structural batteries): 복합재료를 구성하는 각 소재가 하중 지지 구조체 역할과 에너지 저장 역할을 동시에 수행할 수 있다는 점을 의미
초기의 구조 배터리는 상용 리튬이온전지를 적층형 복합재료에 삽입한 형태로, 기계적-전기화학적 성능 통합 정도가 낮으므로, 이는 소재 가공, 조립 및 설계 최적화에 어려움이 있어 상용화되기 어려운 실정이었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 김성수 교수 연구팀은 ‘에너지 저장이 가능한 복합재료’의 관점에서 기존 복합재료 설계에서 중요한 계면 및 경화 특성을 중심으로 구조전지의 다기능성을 최대화할 수 있는 고밀도 다기능 탄소섬유 복합재료 구조 배터리를 개발하기 위한 체계적인 방식을 연구했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 기계적 물성이 높은 에폭시 (Epoxy) 수지와 이온성 액체(ionic liquid)/탄산염 전해질(carbonate electrolyte) 기반 고체 폴리머 전해질이 단단해지는 경화 메커니즘을 분석하고 이를 통해 적절한 온도와 압력 조건을 제어하여 경화 공정을 최적화하였다.
또한 개발된 구조 배터리는 진공 분위기에서 복합재료를 압축 성형하여 구조배터리 내에서 전극과 집전체 역할을 담당하는 탄소섬유의 부피 비율을 기존 탄소섬유를 활용한 배터리 대비 약 160% 이상 향상시켰다.
이를 통해 전극과 전해질과의 접촉면이 획기적으로 증가함으로써 전기화학적 성능을 개선된 고밀도 구조 배터리를 제작할 수 있었다. 뿐만 아니라 경화 공정 중 구조배터리 내부에 발생할 수 있는 기포를 효과적으로 제어하여 구조 배터리의 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있었다.
연구 책임자인 김성수 교수는 “고강성 초박형 구조 배터리의 핵심 소재인 고체 폴리머 전해질을 소재 및 구조적 관점에서 설계하는 프레임워크를 제시하였고, 이러한 소재 기반의 구조배터리를 자동차, 드론, 항공기, 로봇 등의 구조체 내부에 삽입하여 한번 충전으로 작동시간을 획기적으로 늘릴 수 있는 차세대 다기능 에너지 저장 어플리케이션 개발에 일조하는 기반 기술이 될 것”이라고 연구의 의미를 설명했다.
기계공학과 모하마드 라자(Mohamad Raja) 석사가 제1 저자로 참여하고 국제 저명 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 9월 10일 자로 게재됐다. 이번 연구는 해당 논문의 우수성을 인정받아 국제 학술지의 표지 논문(Supplementary cover)으로 선정됐다.
(논문명 : Thin, Uniform, and Highly Packed Multifunctional Structural Carbon Fiber Composite Battery Lamina Informed by Solid Polymer Electrolyte Cure Kinetics. https://doi.org/10.1021/acsami.4c08698).
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 및 국가반도체연구실개발사업의 지원으로 수행되었다.
2024.11.19 조회수 8838 -
김천곤 교수 연구팀, 항공우주논문상 최우수상 수상
우리 대학 항공우주공학과 김천곤 교수 연구팀이 지난달 24일 항공우주산업(KAI)이 주최하고 산업통상자원부, 항공우주학회가 후원하는 항공우주논문상에서 최우수논문상(KAI CEO)과 특별상을 수상했다.
김천곤 교수 연구팀은 우주 방사선을 막아내고 전자기를 흡수하는 구조를 통해 인공위성에 스텔스 성능을 더하는 동시에 우주전자장비의 신뢰성과 수명을 연장하는 다기능 복합재료를 개발해 최우수논문상을 수상했다.(논문명 : A space stealth and cosmic radiation shielding composite: Polydopamine-coating and multi-walled carbon nanotube grafting onto an ultra-high-molecular-weight polyethylene/hydrogen-rich benzoxazine composite) 항공우주공학과 차지훈 박사과정 학생이 제1 저자로, 공저자로는 장우혁, 노정언, 최주승 박사과정 학생들이 참여했다.
기존 우주재료들은 우주방사선을 막아내는데 한계가 있어 우주전자장비들의 수명이 감소되거나 오작동이 발생하는 문제가 있었다. 또한, 위성에 스텔스 설계를 적용하면 지상의 관측을 피해 정찰하기에 유리하고 요격무기의 공격을 받았을 때 생존할 가능성을 높일 수 있지만, 재료의 구조적 성능이 감소되는 제약이 있었다.
김천곤 교수 연구팀은 이같은 문제점을 해결하고 충분한 우주환경저항성을 갖는 '우주방사선 차폐-우주스텔스 복합재료 및 RAS 제조방법'을 개발했다. 우주방사선을 막아내는 성능이 기존의 재료보다 뛰어나며, 전자기 흡수 구조를 구현한 동시에 재료의 구조적인 성능을 끌어올렸다. 김 교수팀이 제안한 복합재료는 군용 위성 및 우주무기체계 외에도 유인우주전투기, 북극해를 비행하는 군용 항공기 및 핵 추진 군함에 탑승하는 승무원들의 방사선 피폭량을 줄이는 일에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.김천곤 교수는 "우주환경에서 응용할 수 있는 복합재료를 연구하기까지 오랜 시간에 걸쳐 시험 인프라를 구축하고 연구자들의 창의적인 연구 아이디어를 바탕으로 분명한 조사, 분석, 연구를 진행했다"라며, "이런 노력들이 한데 어우러져 수상이라는 좋은 성과를 맺을 수 있어 기쁘다"라고 소감을 밝혔다. 김천곤 교수는 이번 논문을 지도한 공로를 인정받아 이번 항공우주논문상에서 특별상을 수상했다. 이번 '항공우주논문상'에서 KAIST 항공우주공학과는 최우수논문상 수상 외에도 이창훈 교수 연구팀(1저자 : 정기욱, 논문명: 재사용 발사체를 위한 궤적 최적화 기반 연료 최적 착륙 유도 및 제어 알고리즘 연구)이 우수논문상을 받았다.
이정률 항공우주공학과 학과장은 "총 9개의 논문상 중 최우수논문상과 우수논문상의 동시 수상은 KAIST 항공우주공학과의 위상과 연구 우수성을 입증한 결과"라고 강조했다.한편, 올해로 20회째를 맞이한 항공우주논문상은 국내 항공우주 부문의 최고 권위의 상이다. 경영, 기계·엔진, 재료·소재, 전자·전기 등 항공우주 전 분야에 걸쳐 논문이 접수되었고 항공우주학회의 심사를 거쳐 9개 수상팀을 선정했다.
2022.12.14 조회수 9989 -
김지한 교수, 컴퓨터 설계 기반 다공성 복합재료 합성
〈 김지한 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수와 UNIST 화학과 문회리 교수 공동연구팀이 컴퓨터 설계를 기반으로 한 이론적 디자인을 통해 새로운 다공성 복합재료를 합성하는 데 성공했다.
이러한 복합물질은 각각의 특성을 동시에 가지면서 융합된 새로운 성질을 나타낼 수 있어 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
권오민 박사과정과 UNIST 김진영 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 8월 9일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Computer-aided discovery of connected metal-organic frameworks)
이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체(Metal-Organic Framework, MOF)는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공을 갖는 결정성 물질이다.
금속 유기 구조체는 각 구성요소의 다양성 덕분에 지난 20년간 8만여 개 이상의 구조들이 실험으로 합성됐다. 금속 유기 구조체는 표면적이 매우 넓고 기공의 물리-화학적 특성을 세밀하게 조절할 수 있어 기존의 제올라이트를 대체할 수 있는 차세대 다공성 물질이기도 하다.
최근 금속 유기 구조체를 다른 소재와 혼합해 기능을 다양화하거나, 한가지 물질의 단점을 다른 물질의 장점으로 보완함으로써 성능을 최적화하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 기존의 합성된 금속 유기 구조체 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지에 대한 정확한 정보가 없고 그 형태가 무질서해 어떻게 만들어지는지에 대한 이해가 부족했다.
8만여 개의 금속 유기 구조체 중 표면에서 서로 결합할 수 있는 조합을 일일이 눈으로 찾아내는 것은 매우 시간이 오래 걸리기 때문에, 화학자의 직관만으로 새로운 이종 금속 유기 구조체 간 단결정 복합재료를 합성하기 위해서는 수많은 시행착오를 겪어야 했다.
따라서 8만여 개 이상의 금속 유기 구조체를 사용해 복합물질을 형성할 수 있는 경우의 수가 상당히 많음에도 불구하고 지금까지 합성된 복합재료의 수는 극히 일부로 제한됐다.
문제해결을 위해 공동연구팀은 미시적인 분자구조 정보를 활용해 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤, 이를 실험적으로 합성함으로써 실제 새로운 복합물질을 개발하고 합성하는 시간을 획기적으로 단축했다.
김지한 교수가 이끈 시뮬레이션팀은 직접 개발한 컴퓨터 알고리즘을 활용해 기존에 발표된 8만여 개의 데이터로부터 특정 구조체의 결정면과 상호 연결될 수 있는 결정면을 가진 다양한 금속 유기 구조체 쌍들을 얻는 데 성공했다.
또한, 양자역학 시뮬레이션을 통해 두 금속 유기 구조체가 연결된 경계면이 가질 수 있는 안정적인 구조를 예측해냈다.
문회리 교수의 연구팀은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종류의 새로운 금속 유기 구조체 복합재료를 성공적으로 합성함으로써 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실험적으로 합성될 수 있음을 증명했다.
또한, 금속 유기 구조체 결정면 위에 다른 구조체가 하나의 구조로 자라나는 원리를 규명했고, 두 물질의 기공이 서로 연결돼 내부까지 분자가 자유롭게 이동할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에서 성공한 서로 다른 두 금속 유기 구조체 간 경계면을 분자 수준에서 깨끗하게 하나의 구조로 연결하는 다공성 복합재료는 지금껏 없던 새로운 개념의 물질이다.
문회리 교수는 "실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 그간 합성이 어려웠던 다기능 다공성 복합재료를 설계하고 합성할 수 있음을 보여줬다. 기존 신약개발에서 활용되던 연구 방식이 거대시스템인 다공성 재료에까지 확대된 성공적 사례이다”라고 말했다.
김지한 교수는“세계 최초로 나노 다공성 복합물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례라는 사실에 의미가 있다”라며 “새로운 복합재료 개발을 위해 필요한 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 적용 분야를 MOF-나노입자, MOF-제올라이트, MOF-고분자 복합재료로 쉽게 확장할 수 있다”라고 말했다.
이 연구 결과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 합성에 성공한 MOF 구조
2019.08.26 조회수 24981 -
이대길 교수, 제20회 국제복합재료구조학회( ICCS20) 특별공로상 수상
〈 이 대 길 교수 〉
우리 대학 기계항공공학부 이대길 명예교수가 제 20회 국제복합재료 구조학회(ICCS20 : 20th International Conference on Composite Structures)에서 특별 공로상을 수상했다.
매년 열리는 ICCS는 복합재료의 실용성을 강조하는 복합재료응용 분야의 최대학술대회로 올해는 9월 4일부터 7일 까지 프랑스 파리의 국립 공예원( CNAM : Conservatoire National des Arts et Métiers)에서 개최됐다.
올해는 45개 국가에서 650여 편의 논문이 발표됐고 이대길 교수는 논문 발표 실적, 대학원생 참여도, 논문심사 공헌도를 인정받아 특별 공로상을 수상했다.
이대길 교수는 ICCS7(1993년)부터 ICCS20까지 참가했고 ICCS7 및 ICCS8에서 최우수 논문상을 수상한 경력이 있다.
이 교수는 이번 학회에서 수상 기념 초청강연 (Light weight carbon composite Proton Exchange Membrane Fuel Cells)을 실시했다.
이 교수는 “학회에 발표된 논문과 관련 특허를 기반으로 우리 연구실 출신이 창업한 스탠다드 에너지(Standard Energy)의 발명품인 VRFB(Vanadium Redox Flow Battery-ESS)의 성능혁신 및 이를 통한 인류의 에너지 문제의 해결에 일조하기 위해 노력하겠다”고 말했다.
2017.10.18 조회수 18938 -
이동영 박사과정, 복합구조학회 최우수 논문상 수상
이 동 영 박사과정
우리 대학 기계공학과 이동영 박사과정(지도교수 이대길)이 지난 6월 포르투갈 리스본에서 열린 제 18회 복합구조학회(ICCS : International Conference on Composite Structures)에서 최우수 논문상을 수상했다.
ICCS는 2년마다 열리는 복합재료 분야 최고 권위의 국제 학회이다. 올해는 총 680편의 논문이 발표됐고 그 중 이동영 학생을 포함한 2편의 논문이 최우수 논문상에 선정됐다.
논문 제목은 ‘고온 연료 전지용 가스켓 일체형 탄소/실리콘 복합재료 분리판(Gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate for high-temperature PEMFC)’이다.
이 연구를 통해 기존 복합재료의 틀을 벗어나 고무로 복합재료 분리판을 개발하고, 연료 전지의 상용화에 걸림돌이었던 가스켓을 일체형으로 만들었다. 이를 통해 연료 전지의 성능 및 생산성을 크게 향상시켰다.
이 논문은 구글 스콜라 매트릭스(Google Scholar Metrics)의 기계공학 분야 1위 저널인 컴포지트 스트럭쳐스(Composite Structures) 9월호에 게재될 예정이다.
이동영 학생은 “다양한 분야의 학문을 융합하여 콜럼버스의 달걀과 같은 혁신을 이끌어 내는 이대길 교수님의 지도 덕분에 수상이 가능했다”며 “지속적인 기술 개발을 통해 에너지 문제 해결 및 복합재료 원천기술의 국산화에 기여하고 싶다”고 말했다.
이번 연구는 이동영 박사과정 외에 임준우 전북대 교수, 최일범 국방과학연구소 선임연구원, 남수현 박사과정의 참여로 진행됐다.
2015.07.03 조회수 20292 -
유민규 박사과정, 국제 군사과학기술 경진대회 은상 수상
유민규 박사과정(맨 좌측)이 수상 후 기념촬영을 하고 있다.
우리 학교 신소재공학과 유민규 박사과정 학생(지도교수 권혁상)이 지난 5월 29일부터 6월 1일까지 경기도 고양시 킨텍스(KINTEX)에서 열린 ‘2014 국제군사과학기술 경진대회’에서 융합신기술분야 은상을 수상했다.
이번 경진대회에서 유 씨가 수상한 분야는 국방 융합기술, 방산 정책, 경영, 관리, 부품국산화, 미래 무기체계, 군사기술 등에 관한 연구 논문이 발표됐다.
유 씨는 ‘장갑판재 및 연료전지 기반 보조전원장치의 수소 에너지원으로 사용 가능한 탄소나노튜브 강화 알루미늄 복합재료’에 대한 연구로 은상을 수상했다.
탄소나노튜브 강화 알루미늄 복합재료는 우수한 기계적 특성으로 인해 일부국가에서 장갑판재로 사용되고 있는 재료다.
유 씨는 알칼리 수용액내에서 수소를 발생시키는 알루미늄의 특성과 탄소나노튜브-알루미늄간 갈바닉 부식현상을 이용해 탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 에너지원으로 하는 탑재형 수소발생시스템을 제작했다. 고분자 전해질 연료전지와 연계한 보조전원장치시스템을 통해 10kg의 탄소나노튜브 강화 알루미늄 복합재료를 활용 5kw의 전력을 22일 동안 생산할 수 있었다.
이번 연구를 통해 전장상황에서 연료 수송의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 예상된다. 또 차후 항공기 및 장갑차량의 보조전원장치 연구개발에 적용이 가능해 많은 주목을 받았다.
2014.06.23 조회수 17183 -
케미컬 커뮤니케이션즈 초청논문 게재
- 국내 과학자 중 KAIST 이효철․김상욱 교수, 유일하게 초청- “국내연구의 위상을 드높일 수 있는 발판 마련”
우리학교 화학과 이효철 교수와 신소재공학과 김상욱 교수가 영국왕립화학회에서 발간하는 화학분야 저명학술지 ‘케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications)’ 신진과학자 특집호에 1월 7일자로 초청논문을 게재했다.
케미컬 커뮤니케이션즈는 화학분야 3대 학술지로, 이번 특집호에서는 전세계적으로 이 분야에서 가장 선도적인 연구업적을 내고 있는 140여명의 신진과학자들을 초청했다.
이번호에는 세계적인 화학자들로 구성된 편집진의 엄격한 심사과정을 거쳐 선정한 신진과학자들의 초청논문이 소개됐다. 초청된 과학자 중 국내에서는 KAIST 이효철 교수와 김상욱 교수만이 유일하게 포함됐다.
이효철 교수는 이 초청 논문에서 인간의 근육에서 산소를 저장하는 역할을 하는 미오글로빈 단백질이 시간에 따라 어떻게 구조가 변하는지를 규명한 연구결과를 발표했다.
이 연구결과는 지난 2008년 네이처 자매지인 네이처 메서드(Nature Methods)지에 발표한 바 있는 ‘시간분해 용액상 엑스선 산란방법으로 인간의 혈액 속에서 산소 운반을 담당하는 헤모글로빈 단백질의 구조변화를 실시간으로 추적해 나가는 연구’를 더 작은 단백질에 적용한 경우다.
미오글로빈 단백질은 지난 수십 년 간 수많은 연구자들이 다양한 분광학적인 방법과 구조적인 분석방법을 통해 연구해 왔다. 이번 연구결과는 이전의 연구들에서 밝혀내지 못했던 구조적 변화를 수반하는 모든 반응동력학적 단계들을 규명해 냈다는 데 큰 의미가 있다.
이 결과를 바탕으로 앞으로 단백질의 구조변화를 실시간으로 탐색할 수 있게 되면 질병 관련 단백질 연구에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 탄소나노튜브에 생광물화(Biomineralization) 기술을 적용한 신개념 나노기술을 소개했다.
생광물화현상은 생물체가 자연계에서 조개껍질이나 진주와 같은 광물을 만들어내는 과정으로 지금까지는 단백질과 같은 유기물에서만 일어나며 기계적 강도가 약하고 전기가 통하지 않는 부도체만 합성할 수 있는 것으로 알려져 왔다.
김 교수는 유기물이 아닌 질소가 도핑된 탄소나노튜브에서도 생체석화현상이 일어날 수 있음을 처음으로 발견했으며, 이를 통해 손쉽게 나노미터 두께의 광물박막이 입혀진 신개념의 고기능성 나노복합재료를 합성할 수 있음을 보였다. 이러한 나노복합재료를 이용해 태양전지나 2차전지의 성능향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.
우리학교 화학과 유룡 특훈교수는 “이번 초청논문을 계기로 우리나라가 충분한 연구경쟁력을 갖췄다는 것을 국내외에 알린 계기”라며 “앞으로 국내연구의 위상을 드높일 수 있는 발판을 마련했다”고 말했다.
2011.01.20 조회수 19817 -
이인 교수 ‘미국항공우주학회’ 석학회원 선임
우리학교 항공우주공학전공 이인 교수가 2011 년 미국항공우주학회(AIAA ; American Institute for Aeronautics and Astronautics) 석학회원 (Fellow) 에 선임됐다.
이 교수는 항공우주구조, 복합재료 및 스마트구조의 해석 및 설계의 권위자로 그 동안 한국항공우주학회장 및 한국복합재료학회장, 나로호 발사 조사위원회 위원장 등을 역임했다.
한편, AIAA 는 전세계 160 여 개 국가에 회원을 두고 있는 세계 최대 및 최고의 학회로 회원 가운데 업적이 뛰어난 최상위 0.08 % 정도의 회원만을 매년 석학회원 (Fellow) 으로 선임한다.
2011.01.07 조회수 20403 -
대한민국특허왕 이대길교수, 올해의 KAIST인에 선정
2009년도 ‘올해의 KAIST인 상’에 기계공학과 이대길(李大吉, 57)교수가 선정됐다. 시상식은 2010년 1월4일(월) 오전 10시 교내 대강당에서 열리는 2010년도 시무식에서 있게 된다.
李 교수는 복합재료와 신소재를 응용한 경량 구조설계 및 제조분야에서 선도적 연구결과를 기업에 이양, 제품화와 실용화를 통해 산업전반에 걸쳐 수입대체 효과 및 부품 국산화 등에 기여했다. 특히, 대형 LCD 작업용 로봇 팔을 고 강성 탄소섬유 복합재료로 세계 최초로 개발했다. 삼성, LG 등을 비롯한 국내.외 반도체 공장은 모두 이 복합재료 로봇 팔을 사용하고 있다. 또한, 독일과 일본에서 전량 수입하던 엔진 가공용 텅스텐(Tungsten) 카바이드 보링바보다 성능이 우수한 탄소섬유 복합재료 보링바를 개발했다. 이 보링바는 국내외의 자동차 엔진 크랭크 샤프트 가공시에 사용되고 있다.
이러한 공로로 2003년 대한민국 근정포장, 2004년 장영실상 등을 수상했다. 그리고 산업체와 연관된 새로운 연구를 통해 많은 특허를 등록하여 2009년 11월13일 특허청으로부터 ‘대한민국 특허왕(대학부문 최다 특허보유자)’의 칭호를 수여 받았다. 또한 201편의 SCI급 논문 등록 및 게재가 허가된 상태다.
현재 경량 탄소섬유 과학기술 인공위성 3호 구조 개발, 경량 PEM 연료전지의 개발, 함정용 스텔스 레이돔, LNG선의 단열탱크 국산화 연구를 수행중인 이 교수는 "앞으로도 최선을 다하라는 채찍으로 알고 계속 교육과 연구에 정성을 다 하겠다"며 수상 소감을 밝혔다.
2009.12.30 조회수 19138