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UNIST 최남순·송현곤·곽상규 교수팀, 항산화 작용 전해액 첨가제 기술 개발

- 장수명·고용량 리튬이온배터리 실현… Advanced Energy Materials 표지 게재인체 노화의 주범으로 꼽히는 ‘활성산소’는 배터리 수명과 성능에도 악영향을 준다. 고용량 리튬이온배터리용으로 도입한 전극 물질에서 활성산소가 나오면 목표한 성능이나 수명을 달성하지 못하게 되는 것이다. 이 문제를 ‘체내 항산화 작용’에서 힌트를 얻어 해결한 기술이 개발됐다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 최남순·송현곤·곽상규 교수팀은 리튬이온 배터리의 양극에서 만들어지는 활성산소와 배터리 내 부반응을 일으키는 물을 제거하는 ‘전해액 첨가제(MA-C60)’를 개발했다. 이 첨가제는 체내 항산화 효소처럼 배터리 내에 발생한 활성산소와 반응해 배터리 노화를 방지한다. 이 물질을 고용량 리튬 이온 배터리용 전해액 시스템으로 활용하면 더 오래 안전하게 사용하는 배터리를 만들 수 있다.전기자동차를 비롯해 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증하면서 리튬이온배터리의 용량을 키우기 위한 시도가 많다. 리튬이 많이 함유된 물질인 ‘리튬 리치(Lithium-rich) 양극’을 사용하는 게 대표적인데, 풀어야 할 문제가 있다. 리튬 리치 양극을 적용한 배터리의 충·방전 반응 중에 활성산소가 발생한다는 점이다. 활성산소는 전해액을 분해하고, 일산화탄소나 이산화탄소 같은 가스를 발생시켜 배터리의 수명과 안정성을 떨어트린다.기존 전해질 사용 시 문제점 및 새로운 첨가제의 기능(좌측) 기존 전해액을 리튬 리치 양극에 사용할 경우 초과 산화물이 전해질의 주된 용매인 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate, EC)의 분해를 유도하여 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 가스가 발생한다. 이러한 기체는 전지의 부풀어 오름(스웰링)을 야기함. 또 수분에 의해 리튬염(LiPF6)의 가수분해로 형성되는 반응성 화합물들에 의해 전이금속 용출 및 마이크로 크랙킹(금이 가는 현상) 현상이 촉진된다.(우측) MA-C60을 사용할 경우 초과산화이온 안정화, 물 분자(H2O) 흡착을 통한 불화수소(HF) 형성 억제, 올리고머(Oligomer) 기반 양극 보호막 형성 효과를 통해 전극 내 전이금속 용출 및 구조적 열화(마이크로 크랙킹, 전극에 미세한 금이 가는 현상)를 효과적으로 억제시킬 수 있다.최남순 교수팀은 기존 전해액에 ‘말론산이 결합된 풀러렌(malonic acid-decorated fullerene, MA-C60)’ 첨가제를 넣어 이 문제를 해결했다. MA-C60는 탄소 원자가 축구공처럼 5각형과 6각형 구조로 이어진 풀러렌(C60)에 말론산이 결합한 물질이다. 이 물질을 전해액 속에 소량(1%) 첨가하면 전해질 용매 대신 활성산소와 반응해 전해액이 분해되는 것을 막는다. 게다가 전지 작동 초기에는 첨가제가 용매와 반응해 보호막을 만들기 때문에 양극 표면을 보호하는 역할도 한다. 전지의 초기 활성화 단계에서 MA-C60의 말론산(Malonic acid) 작용기 부분과 다수의 용매(EC)가 함께 분해돼 올리고머(Oligomer) 기반의 양극 보호막을 형성하는 메커니즘이다. 또, 이와같이 형성된 양극 보호막은 4.4V 이상의 고전압에서 리튬 리치 양극으로부터 발생되는 초과산화이온이 전해액 내 용매와 반응하기 전에 안정화 시키기 때문에, 초과산화이온에 의한 부반응을 효과적으로 제어할 수 있다.송현곤 교수는 “우리 몸도 활성산소를 없애기 위해 다른 효소들이 활성산소와 반응하는 ‘항산화 작용’을 한다”라며, “배터리 내 활성산소도 다른 물질과 반응해 제거할 수 있도록 새로운 물질(MA-C60)을 첨가한 전해질을 개발했다”고 밝혔다.곽상규 교수팀은 양극 표면에 보호막이 생성되는 원리를 계산화학을 이용해 분석했다. 곽 교수는 “항산화 첨가제의 말론산 작용기가 전해질의 고리 형태 분자구조를 열어주고, 절단된 구조 끝에서 또 다른 전해질 분자가 달라붙어 양극을 보호하는 물질(올리고머)이 만들어진다”고 설명했다. (좌측) 전극 및 전지 구성성분에 흡착된 수분 분자들은 전해액 내 주요 성분인 리튬염(LiPF6) 염을 가수분해해, 전극 계면 구조 결함 및 손상을 유발하는 반응성 화합물의 형성을 촉진시킨다. 다양한 반응성 화합물 중 특히 불화수소(HF)는 전해액이 만든 보호막인 양극-전해액 계면(Cathode-electrolyte interface, CEI)을 공격하여 전지 성능의 열화를 일으킬 수 있는 CO2, H2O를 형성한다. 또한, 저항성이 큰 불화 리튬(LiF) 기반의 양극 피막을 형성하여 양극-전해액 계면의 저항을 증가시키는 문제가 있다. (우측) 반면, MA-C60은 물 분자를 물리적으로 흡착시켜 반응성 화합물의 발생을 억제시킨다. 이를 통해, 반응성 화합물로부터 발생될 수 있는 부반응을 차단하고, 양극-전해액 계면의 안정성을 확보해 전지의 전기화학적 성능을 개선한다.첨가제는 배터리 내의 수분도 효과적으로 제거했다. 전지 작동 중에 만들어지는 수분은 전해질 염(LiPF6)를 분해해 배터리의 수명과 성능을 단축하는 산성 화합물(HF)과 전극 피막(LiF)을 만든다. 산성 화합물을 전극 표면을 공격해 전지 용량을 결정하는 전이금속(리튬, 니켈 등)을 밖으로 흘러나오게 하고, 전극 표면에 생기는 피막은 전지가 과열되게 한다.최남순 교수는 “이번에 개발된 전해액은 전지에 부반응을 일으키는 활성산소와 물을 제거할 뿐만 아니라, 양극 표면에 보호막도 형성하는 ‘다기능성 전해질’”이라며, “리튬 리치 양극뿐 아니라 다른 고용량 양극 소재에도 적용해 전기차 배터리와 같은 고용량 전지의 성능과 수명을 동시에 개선할 수 있을 것”이라고 전망했다.이번 연구는 재료 분야의 세계적인 저널 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 4월 6일 자로 공개됐으며, 그 중요성을 인정받아 표지(Front Cover)논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 삼성전자가 시행하는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 이뤄졌다.논문명: An Anti-Aging Electrolyte Additive for High-Energy-Density Lithium-Ion Batteries< 자료문의 >대외협력팀: 장준용 팀장, 양윤정 담당 (052)217-1228에너지 및 화학공학부: 최남순 교수 (052)217-2926

편집부 2020-05-31

생기원 스마트 윈도우, 외부 기온에 따라 실내온도 조절

- 태양광 적외선의 투과율을 자동 조절해 냉난방 에너지 30% 절감- 외부 전원 필요 없고, 대면적 필름 형태로 양산 가능해 상용화 유리전 세계 에너지 사용량의 약 41%는 건물 냉난방에 사용되고 있으며, 그중 45%가량의 에너지가 외부로 노출된 유리창을 통해 손실된다. 특히 최근 유리창이 건물 외곽의 대부분을 차지하는 커튼 월(Curtain Wall) 구조의 고층 건물들이 늘어나면서 에너지 손실을 줄이기 위한 방안으로 ‘스마트 윈도우(Smart Window)’가 주목받고 있다. 스마트 윈도우란 실내로 들어오는 태양광선을 차단하거나 그 투과율을 제어함으로써 에너지 손실을 줄이고 냉난방 효율을 향상시켜주는 기능성 창호이다.스마트 윈도우 필름 시제품을 제작하고 있는 생기원 전북본부 소속 연구원한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 외부 기온 변화에 따라 태양광 적외선의 투과율을 스스로 조절해 쾌적한 실내온도를 유지해줄 수 있는 스마트 윈도우 제조기술을 개발했다.개발된 스마트 원도우는 특정 온도에서 가시광선은 투과시키지만, 적외선을 차단하는 특성을 지닌 열변색 소재 ‘이산화바나듐(이하 VO2)’을 사용해 외부 기온이 일정 수준 이상 상승할 경우 적외선 투과를 자동 제어한다. 특히 여름철 고온에서는 적외선을 70%가량 차단시켜 냉방 효율을 향상시켜주는 반면, 겨울철 상온에서는 적외선을 최대한 받아들여 보온 효과를 냄으로써 적정 실내온도 유지에 필요한 에너지 소비를 일반 창호보다 30%가량 절감시켜준다. 개발한 스마트 윈도우 필름 시제품을 점검하고 있는 김대업 박사개발을 주도한 생기원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 연구팀은 스마트 윈도우 제작비용 감소와 설치 편의성 증대에 초점을 두고 2016년부터 자체 연구비로 개발에 착수해 4년 만에 성과를 냈다.기존 전기변색 방식의 스마트 윈도우의 경우 전력 구동 회로가 복잡해 공정비용이 많이 들고, 설치 시 전기 배선 작업이 필요하다는 단점으로 인해 그동안 상용화에 어려움을 겪어왔다. 반면 개발된 스마트 윈도우는 기온 변화에 자동 반응하는 소재 특성상 별도의 외부 전원과 전력 구동 회로가 필요 없어 제작비용이 저렴하다. 또한, 창호뿐만 아니라 유리창에 덧붙이는 필름 형태의 플렉시블(Flexible) 제품도 생산 가능해 사용자가 쉽고 간편하게 시공할 수 있다.현재 50㎝×50㎝ 크기의 필름 개발을 완료한 상태이며, 향후 1m×1m 크기의 대면적 필름을 고속 생산에 유리한 롤투롤(Roll-to-roll) 공정*을 통해 저렴하게 양산할 수 있을 것으로 예상된다.* 필름, 동박 등 얇은 소재를 회전 롤에 감으면서 소정의 물질을 도포해 새로운 기능을 부가하는 공정이번 기술개발의 핵심은 유리 또는 필름 기판 위에 VO2 박막을 코팅하는 공정에 세계 최초로 인쇄전자* 분야에서 주로 활용돼왔던 백색광 저온 소결 공정을 적용했다는 데 있다.* 원하는 전자회로 부분을 기판이나 필름 등에 전도성 전자잉크로 인쇄하듯이 제조하는 기술기존 VO2 박막은 68℃ 수준에서 적외선을 반사하는 특성을 보여 이보다 온도가 낮은 상온에서는 스마트 윈도우 소재로 활용하기 어렵고, 결정성이 낮아 반사 효율도 떨어진다는 한계가 있었다.연구팀은 VO2 소재에 도핑 물질을 첨가해 적외선 반사 온도를 23℃ 수준까지 낮췄으며, 이 소재로 만든 용액을 코팅해 박막을 만들고 40℃~60℃ 사이의 저온 영역에서 제논램프(Xenon lamp)*의 광에너지로 VO2 나노입자를 소결, 결정성을 높임으로써 적외선 반사 효율을 향상시키는 데 성공했다.* 고압 제논 가스가 이온화를 통해 전기를 인가시켜 빛을 생성하는 백색 전등이 공정을 통해 기존 열처리 공정 대비 소결 시간을 1/10,000 수준 이하로 단축했고, 제조비용도 약 40% 이상 절감해 상용화 가능성을 높였다.생기원 전북본부에 구축된 백색광 저온 소결 공정 장비김대업 박사는 “적외선램프를 활용한 시제품 비교 평가결과 스마트 윈도우 필름 부착 여부에 따라 실내 온도 차가 13℃가량 발생했다”고 밝히며, “현재 상품성을 높이기 위해 소비자들이 선호하는 푸른색 계열의 필름 색상 개발에 주력하고 있으며, 향후 자동차나 온실, 옥외 디스플레이용 필름까지 응용 분야를 확대할 예정”이라고 말했다.한편 연구팀은 국내 특허 9건과 해외 특허 3건을 출원해 우수특허 1건을 포함한 국내 특허 4건이 등록되고, 게재된 SCI 논문 10편 중 4편이 우수논문에 포함되는 실적을 냈다. 또한, 2019년 12월 액정필름 제조 전문기업 ㈜큐시스와 기술이전 계약을 체결해 건축 창호용 필름 양산을 준비 중이며, 현재 다른 전문기업 2곳과 추가 기술이전을 협의하고 있다.관련문의: 한국생산기술연구원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 (063-210-3740 / 010-7128-9166 / dukim@kitech.re.kr)한국생산기술연구원 홍보문화실 이한영글 행정원 (041-589-8039 / 010-3126-7596 / left0723@kitech.re.kr)

취재부 2020-05-18

화학연, 냉장식품 변질 여부 알려주는 스티커 기술이전 설명회 개최

- 콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드테이블 5월 19일(화) 13시 서울 양재aT센터서 열려- 기업들의 높은 관심 속 국내외 유통·제조기업 15개사 참여 의사 밝혀한국화학연구원(원장 이미혜)은 5월 19일(화) 오후 1시 서울 양재aT센터 세계로룸에서 기술 도입 희망기업을 대상으로 ‘콜드체인 안심 스티커 제조기술 라운드 테이블’을 개최한다.콜드체인 안심 스티커 제조기술은 그 우수성을 인정받아 ‘어드밴스트 머티리얼스’ 3월호 내지 삽화(Frontispiece)로 실렸다.‘콜드체인(저온유통) 안심 스티커’는 냉장·냉동 식료품 변질 여부를 알려주는 스티커로, 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름을 이용한 것이다.이번 기술설명회는 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진이 개발한 안심 스티커 제조기술이 지난 4월 초 언론에 보도된 이후, 기업들이 높은 관심을 보여 열리게 됐다. 현재 국내외 유통 및 제조기업 15개사가 기술설명회 참여 의사를 밝혔다.이번 기술설명회는 크게 연구진의 기술소개와 질의응답, 기업별 기술상담으로 나눠 진행된다.콜드체인(저온유통) 안심 스티커 제조기술 라운드테이블 개최 안내문우선, 한국화학연구원 바이오화학연구센터 황성연 센터장과 오동엽, 박제영 박사가 콜드체인 안심 스티커 제조기술에 대해 설명하고, 참여기업들의 질문에 답하는 시간을 갖는다. 이어서 제조기업과 유통기업으로 나눠 기업별 기술상담이 진행될 예정이다.이번 기술설명회에 참여하고 싶은 기업은 5월 13일(수)까지 한국화학연구원 기술사업화실에 전화(042-860-7076)나 이메일(chanian@krict.re.kr)로 신청하면 된다.한국화학연구원 바이오화학연구센터 오동엽·박제영·황성연·최세진 박사팀은 지난 4월 7일 냉장으로 배송받은 식료품의 변질 여부를 확인할 수 있는 스티커를 개발했다고 밝혔다.콜드체인 안심 스티커는 10℃ 이상의 상온에 노출되면 투명해지는 나노섬유 필름이 핵심으로, 나노섬유 필름과 일반 필름 두 겹으로 이뤄져 있다. 나노섬유 필름은 저온 상태에서 안정된 형태로 빛을 산란시켜 불투명하다. 하지만 상온에 일정 시간 동안 노출되면 나노섬유 구조가 붕괴되면서 빛이 투과해 투명해진다.이 같은 원리를 이용해 스티커 앞면의 나노섬유 필름이 상온에 노출되어 투명해지면 뒷면의 일반 필름 이미지가 나타나는 것이다. 이를 통해 식료품의 변질 여부를 알 수 있다. 이 스티커는 식료품뿐만 아니라 고가의 의약품 저온유통에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 스티커 자체가 얇고 유연한 데다 예상 제작 비용이 개당 10원 대로 저렴하기 때문이다.이 연구성과는 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF:25.809)’ 3월호에 ‘식품의 콜드체인 배송 시 온도·시간 이력을 지시하는 나노섬유 스티커’라는 제목의 논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 한국화학연구원 주요사업으로 수행됐다.기술설명회 문의: 연구전략본부 기술사업화실 이영석 실장(042-860-7995, 010-8803-1841)연구전략본부 기술사업화실 최경선 선임연구원(042-860-7076, 010-7942-7164)

취재부 2020-05-14

KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀, 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산기술 개발

- 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고, 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시왼쪽부터 생명화학공학과 김기배 박사과정, 안정호 박사, 이종언 박사과정, 이상엽 특훈교수국내 연구진이 플라스틱의 원료와 식품·의약품 합성에 사용되는 중요한 화학물질인 숙신산을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다. KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대학교(총장 김상동) 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산을 가능케 하는 세계 최고의 효율을 지닌 숙신산 생산 균주를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 교수와 김 교수가 이끄는 공동연구팀의 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 4월 23일 저 온라인판에 게재됐다.(논문명 : Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase) 기후변화 대응기술 중 바이오리파이너리 기술은 화석연료에 의존하지 않고 바이오매스 원료로부터 생물공학적‧화학적 기술을 이용해 화학제품과 바이오 연료 등 산업 화학물질을 친환경적으로 생산하는 분야이다. 이 중 특히 핵심 기술인 ‘시스템 대사공학’은 미생물의 복잡한 대사 회로를 효과적으로 조작해 산업 화학물질의 생산 효율을 높일 수 있다. 현대산업 전반은 화석연료를 바탕으로 하는 산업에 매우 의존적이며 숙신산의 생산 또한 화석연료를 기반으로 이뤄진다. 그러나 이는 화석연료의 고갈과 이에 따른 원류 가격의 지속적인 증가, 화석연료 기반 산업으로부터 발생하는 지구 온난화 등 매우 심각한 부작용을 낳는다. 또 급속도로 고갈돼 가는 화석연료를 대체할 수 있는 바이오 기반의 숙신산 생산은 필수적이다. 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사 회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며, 이번에 세계 최고의 생산 효율을 지닌 숙신산을 생산할 수 있는 개량 균주를 개발하는 데 성공했다.개발된 숙신산 생산 미생물의 대사 회로 및 숙신산 생산에 핵심적인 말산 탈수소효소의 효소 구조숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산인데 대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여한다. 연구팀은 이번 연구 과정에서 숙신산 전환에 핵심역할을 하는 효소의 구조를 밝히는 한편 단백질 공학을 통해 효소 성능을 개선했으며, 이를 전체 대사회로 최적화에 연계시키는 시스템 대사공학을 수행했다. 이를 통해 포도당, 글리세롤, 이산화탄소를 원료로 리터당 134g(그램)의 높은 농도로 숙신산을 생산하고 경제와 가장 밀접하게 연관되는 생산성이 시간당·리터당 21g(그램)에 달하는 등 매우 효율적인 공정을 개발했는데 이는 세계 최고의 효율성을 지닌 숙신산 생산 공정으로 평가를 받고 있다. 지금까지는 일반적으로 시간당·리터당 1~3g(그램)이 최고 수준이었다.기후변화 등 환경 문제의 주범으로 꼽히는 화석연료에 대한 의존성을 대폭 낮추고 주요 산업 기반 화학물질인 숙신산을 효과적으로 생산할 수 있는 근간을 제시한 이번 연구성과는 학계로부터 중요성을 인정받아, 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션지에 게재됐다. KAIST 이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 미생물 기반 바이오 숙신산 대량 생산기술은 화학산업의 플랫폼 화학물질로 사용될 수 있는 숙신산을 보다 더 효율적으로 생산할 수 있기 때문에 환경친화적인 바이오화학산업으로의 전환에 기여할 것”이라고 설명했다.한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘C1 가스 리파이너리 사업’ 및 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템 대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.

편집부 2020-05-14

UNIST 박혜성·양창덕 교수팀, 폴리이미드·그래핀 일체형 유연 투명 전극 개발

- 투과성·내구성 높아 고성능 웨어러블 전자기기 적용에 가능… 줄(Joule) 게재꿈의 신소재로 불리는 ‘그래핀’을 이용한 유연하고 투명한 전극이 개발됐다. 이 전극을 유기 태양전지에 적용하자, 같은 종류의 태양전지 중 최고 효율을 기록했다. 새로운 전극은 태양전지뿐 아니라 디스플레이나 광센서 등에도 쓸 수 있어 활용도가 높을 전망이다.UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·양창덕 교수팀은 ‘그래핀 기반 고성능 투명 유연 전극’을 개발했다. 그래핀이 가진 우수한 전기 전도성과 내구성을 해치지 않도록 새로운 제조기법을 고안해, 기존 그래핀 전극의 단점을 보완했다.그래핀 전극은 ‘유기 태양전지’의 상용화를 앞당길 구성요소로 주목받는다. 태양전지는 태양광을 받아 전자를 만들어내는 ‘광활성 층’과 전자의 통로 역할을 하는 ‘전극’, 전체 전지구조를 유지하는 ‘기판’ 등 여러 층으로 이뤄진다. 유기 태양전지는 광활성 층으로 가볍고 유연한 유기물을 사용하므로 차세대 태양전지로 각광 받고 있다. 하지만 기존의 딱딱한 전극을 사용하면 유연하고 가벼운 태양전지를 구현하기 어려워진다.‘그래핀 전극’은 가볍고 유연한 데다 전기 전도성이 뛰어나고 내구성도 좋아 유기 태양전지의 특성을 살릴 수 있는 소재로 손꼽혀왔다. 그러나 그래핀이 원자 한층 수준으로 얇아서 전극 기판으로 옮길 때 지지층이 필요했다. 보통 지지층으로 전기가 안 통하는 고분자 물질을 쓰는데, 이들이 완전히 제거되지 않아 전기 전도성을 떨어트리는 문제가 있었다. 또 기판 위에 그래핀을 고정하는 힘이 부족해 굽히거나 외부 힘을 반복적으로 가하면 떨어지기도 했다.그림 1. 폴리이미드 그래핀 일체형 투명 전극 제작 공정 모식도공동연구팀은 그래핀을 옮기는 지지층을 기판으로도 사용하는 새로운 제조법으로 ‘기판 일체형 그래핀 전극’을 개발했다. 이 전극을 유기 태양전지에 적용한 결과, 15.2%의 광전변환 효율(태양광을 전기 에너지로 바꾸는 효율)을 기록했는데, 이는 이제껏 개발된 유연한 유기 태양전지 중 가장 높다. 이 태양전지는 또 5,000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다.그림 2. 개발된 그래핀 전극의 내구성(유연성)과 투명도(A) 개발된 전극을 적용한 유연 유기 태양전지 (B) 1000회의 굽힘에도 고른 전극 표면 유지 (C) 전극의 투명도제1 저자인 구동환 에너지 및 화학공학과 박사과정 연구원은 “투명한 폴리이미드(PI) 소재를 지지체 및 기판으로 사용해 잔여물도 없고 투명한 그래핀 전극을 얻었다”며, “그래핀 전극 위에 폴리이미드 기판을 직접 형성해 기판과 전극 사이의 접착력이 향상돼 내구성도 좋다”고 설명했다.이번에 개발한 기판 일체형 그래핀 전극의 경우 ‘고온 공정’이 필요한 다른 전기 소자에도 적용할 수 있다. 기존 그래핀 전극의 기판으로 이용되는 물질은 고온에서 변형됐으나, 폴리이미드 소재는 400℃ 이상의 고온도 견딜 수 있어 변형이 나타나지 않기 때문이다.그림 3. 폴리이미드/그래핀 일체형 투명 전극 기반 유기 태양전지 성능폴리이미드/그래핀 일체형 전극 기반 소자가 ITO 및 PET/그래핀 전극 기반 유연 소자 대비 우수한 효율(빨간선)을 보이며(좌), 우수한 광 투과도에 의해 광 흡수량이 증가한 것을 보여준다(중). 또한, 5㎜의 곡률 반경 아래에서 5,000회 굽힘 시험을 반복한 뒤에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 확인할 수 있다(우).박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘고성능 그래핀 전극’은 유기 태양전지의 효율과 내구성 등을 크게 높였다”며, “향후 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소자 개발에도 크게 도움이 될 것”이라고 기대했다.이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘줄 (Joule)’ 4월 6일 자로 온라인에 미리 공개됐으며, 추후 출판될 예정이다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 미래창조과학부, 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 통해 이뤄졌다.논문명: Flexible Organic Solar Cells Over 15% Efficiency with Polyimide-Integrated Graphene Electrodes자료문의: 대외협력팀 _ 장준용 팀장, 양윤정 담당 (052)217-1228에너지 및 화학공학부 _ 박혜성 교수 (052)217-2563

편집부 2020-05-12

UNIST 장성연 교수팀, 고효율 ‘양자점-유기고분자 접합 태양전지’ 개발

편집부 2020-05-12

5G 이동통신용 화학소재 동향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

편집부 2020-05-08

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 22

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

편집부 2020-05-08