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화학연·부경대 공동연구팀, 세계 최고 강도 자가치유 신소재 개발

- 고체와 젤리 상태 오가면서 “높은 자가치유 능력”과 “높은 강도”의 모순적 속성을 동시에 갖춘 신규 소재 개발, 네이처 커뮤니케이션즈에 논문 게재한국화학연구원·부경대 공동연구팀은 실온에서 절단되어도 스스로 회복하는 자가치유(self-healing)* 기능을 가지면서 신발 밑창만큼 질긴 소재를 개발했다. 이 소재는 지금까지 개발된 자가치유 소재 중 기계적 강도가 가장 높다.* 자가치유 (self-healing) : 상처를 스스로 치유하는 실제 피부처럼, 외부 환경에 의해 손상을 입은 고분자가 스스로 결함을 감지하여 자신의 구조를 복구함은 물론 원래의 기능을 회복할 수 있는 지능형 재료이 소재를 절단 후 다시 이어붙여도 (좌) 400% 이상 늘어나고, (우) 10kg 이상의 하중을 견딘다.울버린, 터미네이터와 같은 SF 영화에서 주인공은 신체가 찢어지거나 절단되어도 상처를 스스로 회복하는 자가치유 초능력을 갖는다. 의류, 신발, 타이어, 자동차, 롤러블·폴더블 디스플레이 코팅 등의 제품이 자가치유 된다면 수명이 길어지고 항상 새것과 같은 상태를 유지할 수 있다. 이에 전 세계적으로 자가치유 신소재를 개발하는 연구가 활발히 진행 중이다.자가치유 소재는 지금까지 인장강도*가 약했다. 자가치유가 잘 되려면 분자 간 결합이 느슨하고 분자들이 자유롭게 이동해야 하기 때문이다. 즉, 단단한 고체가 아닌 젤리처럼 부드러워야 회복이 잘 된다. 기존 자가치유 소재는 이처럼 말랑말랑하고 무르다. 하지만 자가치유 소재가 상품화되기 위해서는 외부 마찰이나 압력을 견딜 수 있어야 해 이 부분을 해결해야 한다. * 인장강도: 여러 기계적 강도를 측정하는 방법 중 한 가지로 소재를 당겨 끊어질 때까지 들어가는 힘. (위) 정지 시에는 불규칙한 수소결합으로 부드러워 자가치유가 잘되며, (아래) 외부에서 충격이 발생하였을 때는 규칙적인 수소결합으로 단단해진다.한국화학연구원 오동엽, 박제영, 황성연 연구팀은 단단하고 질기면서도 자가치유 능력이 좋은, 두 가지 모순된 속성을 동시에 갖는 새로운 소재를 개발했다*. 외부 마찰이나 충격을 받으면 순식간에 물질의 분자 결합이 견고해지면서 단단한 결정(크리스탈)으로 변해 충격으로부터 스스로 보호하고, 충격 후에는 분자 이동이 자유로운 부드러운 상태로 돌아가 손상을 스스로 회복하는 원리다. 이렇게 외부 충격 여부에 따라 화학물질이 변하는 현상을 소재에 적용한 예는 지금까지 보고되지 않았다.* 기존 상업화 소재인 열가소성 폴리우레탄 기본 골격에, 외부 충격을 받으면 수소결합 형성해 단단해지고 충격이 없을 때는 수소결합을 하지 않아 말랑해지는 특수한 카보네이트(Carbonate) 화합물을 도입하였다.개발된 소재는 인장강도가 43MPa 이상으로 측정됐다. 신발 밑창으로 쓰이는 폴리우레탄 소재와 유사한 수준으로, 연구팀이 2018년 개발한 소재보다 강도가 6배나 높다. 지금까지 인장강도 최고기록은 일본 동경대학교나 RIKEN 연구소가 달성한 20~30MPa 정도다. 또한, 신규 소재는 외부 압력의 세기에 따라 물질이 단단해지는 정도가 달라진다. 외부 압력의 정도에 따라 고체와 젤리 상태를 오가면서 충격의 흡수를 조절하고 스스로 손상도 회복하는 것이다. 부경대 고분자공학과 엄영호 교수 공동연구팀은 화학연에서 개발한 자가치유 소재의 물리적 특성을 분석했다. 실험 결과 본 소재는 점도가 높지 않아 가공이 쉬워 다양한 모양의 제품으로 성형하는 데 유리한 것으로 나타났다. 좌부터 화학연 오동엽 박사, 황성연 박사, 김선미 연구원, 박제영 박사오동엽 박사는 “차세대 첨단기기인 롤러블·폴더블 스마트폰은 여러 번 펼치고 접는 과정에서 화면이나 본체가 점차 하얗게 변하면서 약해진다. 이러한 현상을 소재 피로 손상이라고 하는데, 롤러블·폴더블 디스플레이 상용화 후에도 소비자들 만족도가 떨어지는 부분이다. 개발된 소재를 적용할 시 롤러블·폴더블 디스플레이를 접었다 폈다 하면서 발생하는 손상을 끊임없이 회복하여 이런 문제를 극복할 것으로 기대된다”고 밝혔다.이번 연구결과는 과학 분야 최고 권위지 중 하나인 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’1월호*에 게재되었다. * 논문 제목: Mechano-responsive hydrogen-bonding array of thermoplastic polyurethane elastomer captures both strength and self-healing. (Impact factor: 12.121)한편 이번 성과는 한국화학연구원의 수월성 연구그룹 육성 사업 및 연구재단의 신진연구 지원을 받아 수행됐다.연구진 소개 >>• 이름: 오동엽 연구원• 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터 선임연구원• 이메일: dongyeop@krict.re.kr• 이름: 박제영 박사• 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터 선임연구원• 이메일: jypark@krict.re.kr• 이름: 황성연 박사 (센터장)• 소속: 한국화학연구원 바이오화학연구센터 센터장• 이메일: crew75@krict.re.kr• 이름: 엄영호 교수• 소속: 부경대학교 고분자공학과• 이메일: eomyh@pknu.ac.kr 문의: 한국화학연구원 정밀바이오화학연구본부 바이오화학연구센터 오동엽 박사(010-7433-3340)박제영 박사(010-4014-4330)

취재부 2021-06-14

생기원, 자동차·선박·항공기 대형부품 제작에 유리한 ‘와이어 아크 3D 적층 제조기술’ 개발

- 제작속도 기존 주조공법보다 2배 이상 빨라, 도입비용은 상용 3D프린터 1/10 수준용접토치가 달린 로봇팔이 금속 와이어를 이용해 금형 틀을 적층하고 있다.금형을 제작하고 있는 와이어 아크 3D 적층 시스템각종 부품의 대부분이 금속 소재로 이루어지는 제조업 특성상, 제조혁신을 이끌 핵심기술로 ‘금속 3D프린팅’이 각광받고 있다. 금속 3D프린터는 복잡한 형상의 어떠한 금형도 높은 정밀도로 맞춤제작이 가능하기 때문에 시제품 개발부터 양산까지의 제품 라이프 사이클(life-cycle) 비용을 효과적으로 절감해준다. 특히 선박, 항공기 등 중대형 수송기기 부품처럼 부가가치가 높지만, 다품종 소량생산이 필요한 경우, 가장 효율적인 대안으로 꼽힌다. 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 금속 3D프린팅 분야에 최신 용접기술을 접목하여 중대형 부품 또는 다이캐스팅(Die-casting)* 금형을 보다 신속하고 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 개발했다.* 금형에 소재가 되는 금속을 녹여서 높은 압력으로 강제로 밀어 넣는 정밀주조법기존 ‘PBF(Powder Bed Fusion)*’ 방식의 3D프린팅 기술은 고출력 레이저장비와 값비싼 분말 재료로 오랜 시간 한 층씩 적층해야 하므로 금형이 커질수록 제조단가는 높아지고 생산성은 떨어진다는 단점이 있다.* 파우더 분말을 평평히 깔고 레이저를 선택적으로 쏘아 소결시키거나 녹여 적층하는 방식또한, 대형 금속 3D프린터 1대당 가격이 약 10억 원 이상의 고가여서 중소기업들이 이를 도입해 운용하기에도 재정적으로 부담되는 상황이다.생기원 첨단정형공정연구그룹 지창욱 박사 연구팀은 이 같은 단점들을 극복하고자 푸시풀(Push-Pull) 방식의 최신 용접 기법으로 금속 와이어를 빠르게 적층하는 ‘와이어 아크(Wire+Arc) 3D 적층 제조방식’을 고안하고 관련 공정을 최적화했다. 이 방식은 3D프린팅의 또 다른 방식인 ‘DED(Directed Energy Deposition)*’와 유사하지만, 열원(熱源)을 레이저 대신 고온의 전기불꽃 ‘아크(Arc)’를 사용하고 금속분말이 아닌 ‘와이어’를 녹여 적층한다는 점에서 차별화된다.* 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 쏘면 순간적으로 녹는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간 적층하는 방식와이어 아크 적층 방식으로 제작한 금형 시제품연구팀은 용접기와 로봇, 적층 경로설정 소프트웨어 등을 하나의 시스템으로 통합하고 와이어 소재, 가스 유량, 작업온도 등 각종 공정변수들에 대한 데이터베이스를 쌓아 3D프린팅에 적합하도록 최적화했다.개발된 기술은 제작할 부품·제품의 캐드(CAD) 도면을 시스템에 입력하면 경로설정 소프트웨어가 최적 적층 경로를 선정, 로봇팔에 부착된 용접토치가 그 경로를 따라 와이어를 녹이며 층층이 쌓는 자동화 방식이다. 이 방식은 부품 제작속도가 기존 주조공법보다 2배 이상 빠르고, 특히 다이캐스팅 금형 제작의 경우 CNC 가공법*과 비교해 제조단가는 약 20%, 소재 손실률도 80% 더 낮다. 장비 구축비용도 대형 3D프린터의 10분의 1 수준에 불과해 경제적이다.* computer numerical control의 약자. 자동화 공작기계로 모재(母材)를 깎아 금형을 제작하는 기법와이어 아크 3D 적층 시스템으로 제작한 2m 크기의 대형 선박 프로펠러또한, 적층 과정에서 이종 소재를 접합하는 용접 기법인 ‘클래딩(Cladding)’ 방식도 적용할 수 있는데, 이를 통해 금형의 냉각속도, 내마모성 등을 향상시켜 금형 수명을 늘리고 제품의 치수 안정성까지 높일 수 있다. 연구팀은 이 기술을 이용해 통상 2개월가량 소요되는 2m 크기의 대형 선박 프로펠러를 3주 만에 제작해냈고, 강도·내구성과 같은 물적 특성의 우수성도 인정받아 ‘선급 인증*’까지 받았다.* 선박의 외항 항해를 인증하는 일종의 보증서지창욱 박사는 “개발된 기술은 자동화 용접시스템과 캐드 도면만 갖추면 중소 제조업체들도 쉽게 도입 가능한 고속·저가 3D프린팅 기술”이라며, “향후 적용 소재를 철, 알루미늄뿐만 아니라 경량화에 유리한 마그네슘 합금으로 확대하여 항공부품 제작에 활용할 계획”이라고 말했다. 한편, 이번 기술개발은 산업통상자원부의 산업기술혁신사업과 기관 주요사업인 ‘신시장창출지원사업’을 통해 진행됐으며, 현재 관련 SCI급 논문 5편이 발행되고 특허 4건이 출원된 상태다.문의: 한국생산기술연구원 첨단정형공정연구그룹 지창욱 박사(052-980-7709 / cwji@kitech.re.kr)

취재부 2021-06-14

기계연, 대면적 2차원 나노소재 롤 기반 무 손상 전사기술 개발

취재부 2021-06-14

부록 : 성형 불량의 종류 (Molding Fault Categories) 1

기고 : LS엠트론 김영기 고문010-6603-8210 / ykkim2025@gmail.com자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 / (http://lsmtronacademy.com)

편집부 2021-06-10

탄소나노튜브 기반의 고성능 유연 열전소재

편집부 2021-06-10

사출성형 현장에서 자주 사용하는 사출 용어에 대하여

자료제공: 우진플라임 기술교육원 / 교수 한선근사출현장에서 사용되고 있는 용어들이 잘 정리되어 있지 않아, 서로 원활한 소통을 위하여 기본적인 사출 용어를 숙지하고 있는 것이 바람직합니다.1) 형체력, 형체결력 – clamping force사출 압력에 금형이 열리지 않게 버틸 수 있게 금형을 닫아주는 힘2) 형판 – die plate일반적인 유압식 사출 성형기(소형, 중형)는 형판이 고정측, 이동측, 후판 등 3개가 있습니다. 고정측 형판과 이동측 형판 사이에 금형을 체결하고 후판은 금형의 크기에 따라 조절하는 형판을 말하는 것입니다. 대형 사출 성형기는 형판이 2개로 이루어져 있습니다. 즉 two plate 방식입니다.3) 클램프 – clamp금형을 고정측 형판과 이동측 형판에 설치 시 금형을 고정하는 도구입니다. 클램프 고정용 라쳇렌치를 이용하여 금형을 고정합니다. 다만 대형 금형은 유압을 이용하여 금형을 고정하기도 하고, 클램프의 사용이 불필요한 마그네틱 형판을 사출 성형기에 부착해서 사용하는 사출현장도 있습니다.4) 형후 조정 장치 – mold adjustment part금형의 두께에 따라 조정 및 형체력 설정을 위한 역할을 하는 장치입니다.유압 모터 및 전동 모터가 장착되어서 기어를 움직여서, 또는 유압 실린더의 전·후진 동작으로 금형의 두께에 따라 조정이 되게 하는 기구입니다.5) 토글 – toggle작은 조작력으로 큰 힘을 얻는 데 쓰이는 링크 기구의 하나로, 관절 운동으로 큰 힘을 얻을 수 있는 기구입니다. 6) 타이바 – tie bar사출 성형기 가동측 판이 금형 형개/폐 운동을 할 때 가이드 역할을 하고 형체력을 발생시키는 긴 봉의 형태입니다.(형체력은 타이바의 복원력에 의하여 발생함)7) 에젝타 – ejector금형 안에 제품을 측 코어부에 있는 제품을 취출하기 위하여 금형 안에 있는 제품을 밀어주는 장치입니다. 에젝타 방식은 제품에 따라 여러 가지가 있을 수 있습니다.8) 금형 보호 – mold protect금형을 닫을 때 이물이나 제품이 취출되지 않은 상태로 금형에 끼어 있을 때 금형을 파손되지 않게 하려고 일정 구간을 압력, 시간, 위치 등으로 설정하여 금형의 손상을 막는 사출 성형기의 기능입니다.9) 계량 – plastic cutting, charging사출성형에서 한 행정이 끝난 후 다음 사출을 하기 위한 동작으로 재료를 용융하는 과정과 수지를 가열 실린더 선단으로 이송하는 과정의 진행을 말하는 것입니다.10) 배압 - back pressure수지가 계량되어 screw 선단에 쌓이면 screw를 뒤로 후퇴하게 만드는데, 그 후퇴를 조절함으로 배럴 안에 있는 수지의 밀도를 조절하는 압력을 배압이라고 합니다.11) 슬러그 웰 – slug well사출 성형기의 노즐을 통해 금형 안으로 유입되는 수지가, 즉 식은 수지(노즐 앞쪽에 남아있던) 재료가 스프루, 런너, 게이트를 통해 캐비티로 유입 되기전에 담길 수 있게 만든 공간을 말하는 것입니다.12) 점도 – Viscosity점성이라는 것은 흐름을 방해하려는 플라스틱의 성질을 뜻하는 것으로 점성 계수에 의해 정도를 나타내는데, 이 점성 계수를 점도라고 하고, 플라스틱의 끈적함 정도에 따라 플라스틱의 속도가 변화하기도 합니다.

편집부 2021-06-10

KIST, 열 영상 센서 저가화 기술 개발, 100℃에서도 물체의 온도 식별 가능

- 휴대폰 및 자율주행 자동차용 열 영상 센서 분야 적극 활용 기대 인체나 물체의 온도를 검지하여 영상화하는 열 영상 센서1)는 최근 코로나19로 인해 수많은 건물의 출입구에서 비접촉식으로 얼굴의 온도를 체크하는 열 영상 온도계로 이용되고 있다. 이러한 상황에서 스마트폰 업계에서는 열 영상 센서를 휴대용 센서로 적용하여 실시간으로 온도를 측정할 수 있는 부가 기능 만드는 것을 적극적으로 고려하고 있다. 또한, 이를 자율주행 자동차에 적용하여 활용하면 더 안전한 자율주행이 가능할 것으로 보인다. 열 영상 센서(Thermal Image Sensor): 인체나 물체의 온도에 따라 방사되는 열을 검지하여 영상화하는 센서 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 최원준 박사팀이 전자재료연구단 백승협 박사팀, 성균관대학교 백정민 교수 연구팀과의 융합연구를 통해 기존의 가격과 작동온도 문제를 극복한 열 영상 센서 소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 열 영상 센서는 100℃에서도 냉각소자 없이도 동작할 수 있어 기존 센서의 가격 문제를 극복하고, 스마트폰과 자율주행 자동차에 적용할 수 있을 것으로 보인다.스마트폰 및 자율주행 자동차의 부품으로 사용되기 위해서는 각각 85℃ 및 125℃의 고온에서도 문제없이 안정적으로 동작해야만 한다. 이를 위해 기존의 열 영상 센서는 별도의 냉각소자가 필수적이어서 고 사양 소자의 경우 가격이 이백만 원을 넘고, 냉각소자가 있어도 85℃ 이상에서는 작동하지 못하기 때문에 이들 분야에 적용되지 못하고 있었다.KIST-성균관대학교 공동 연구진은 열 영상 센서 원가의 10% 이상을 차지하고, 전력 소모가 큰 냉각소자를 없애기 위해 100℃ 이상에서도 안정적인 이산화바나듐(VO2)-B2) 박막을 이용하여 열에서 발생하는 적외선을 감지하여 전기신호로 바꾸는 소자를 제작했다. 이산화바나듐(VO2): 상온 및 고온에서 반도체 성질을 갖는 산화물 반도체. 결정상태에 따라 특정 온도에서 급격하게 금속을 특성을 보이기도 하나 B 상의 경우 고온까지 안정된 반도체 특성을 보여줌. 연구진이 개발한 볼로메터 소자의 주사전자현미경 이미지(왼쪽)과 모식도(오른쪽) 제작된 소자는 100℃에서도 상온에서와 동일한 수준으로 적외선 신호를 얻을 수 있었다. 또한, 외부의 원적외선을 최대한 흡수할 수 있는 흡수체를 제작해서 함께 사용한 결과 물체의 열을 3배 더 민감하게 감지하여 전기신호로 변환할 수 있었다. 특히 응답속도는 기존 초당 30~40프레임 수준을 뛰어넘어 100프레임의 화상의 촬영이 가능하여 자율주행 자동차 부품으로 사용할 수 있을 것으로 보인다.KIST 최원준 박사는 “융합연구를 통해 개발한 소자 기술로 열 영상 센서의 제작가격을 획기적으로 낮출 원천기술을 확보했을 뿐만 아니라 기존 소자보다 민감도 및 동작 속도가 우수하다”라고 말하며, “앞으로 열 영상을 이용하는 군수용 산업 및 향후 전개될 열 영상 센서의 스마트폰 및 자율주행 자동차용 센서로의 활용이 가속화될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받은 KIST 주요사업과 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터사업으로 수행되었으며, 연구결과는 박막 분야의 저널인 ‘Applied Surface Science’(JCR 분야 상위 2.38%) 최신 호에 게재되었다.* 논문명: Wide-temperature (up to 100℃) operation of thermostable vanadium oxide based microbolometers with Ti/MgF2 infrared absorbing layer for longwavelength infrared (LWIR) detection - (제1저자) 한국과학기술연구원 이혜진 학생연구원 - (제1저자) 한국과학기술연구원 왕다솜 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 최원준 책임연구원 - (교신저자) 성균관대학교 백정민 교수 [ 연구진 이력 사항 ]백승협 박사(공저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 차세대반도체연구소 전자재료연구단 책임연구원○ 전화: 02-958-5382○ e-mail: shbaek77@kist.re.kr 최원준 박사(교신저자)○ 소속: 한국과학기술연구원 차세대반도체연구소 광전소재연구단 책임연구원○ 전화: 02-958-5783○ e-mail : wjchoi@kist.re.kr 백정민 교수(교신저자)○ 소속: 성균관대학교 신소재공학부 (교수)○ 전화: 031-290-7409○ e-mail: jbaik97@skku.edu 문의: 광전소재연구단 최원준 책임연구원(T.02-958-5783, 010-8959-0673)

편집부 2021-04-21

실내조명으로 충전되는 고효율 배터리 시스템 개발!

- UNIST 연구진, 전극 물질 성능 개선으로 13.2% 에너지효율 기록- 리튬이온배터리 고속 충전에도 응용 가능… ACS Energy Lett. 표지 선정 버려지는 실내조명(빛)으로 배터리를 충전해 쓰는 에너지 재활용 시대가 앞당겨질 전망이다. 조명 불빛의 충전 효율을 크게 끌어올린 전극 소재가 새롭게 개발됐기 때문이다. UNIST(총장 이용훈) 송현곤·권태혁 교수 연구팀은 실내조명을 이용한 에너지효율을 13.2%까지 끌어올린 배터리 시스템을 개발했다. 이는 이제껏 개발된 광 충전 시스템 중 최고 기록인 11.5%를 훌쩍 뛰어넘는다.* 에너지효율: 외부로부터의 빛 에너지를 화학 에너지로 저장했다가, 다시 전기 에너지로 변환하여 사용하는 효율. (=에너지 변환·저장 효율) 태양전지의 광전변환 효율과 구분된다. 전기화학적 자극을 통한 결정 정렬 및 입자 크기 향상결정(입자) 정렬 및 크기 증가로 충전성능이 좋아진다. 입방정계(cubic)와 정방정계(tetragonal) 사이의 결정 구조 변화가 있는 3V 반응에서만 결정 정렬이 일어난다. 연구진은 전극 소재인 리튬 망간 산화물(LiMn2O4)에 리튬이온을 더 빠르게 집어넣는 방법으로 충전 효율을 높였다. 리튬 망간 산화물에 전기화학적 자극을 줘 입자들을 한 방향으로 정렬시키고 그 크기를 키움으로써, 리튬이온이 전극에 더 많이, 더 빨리 저장될 수 있도록 했다. 투과전자현미경 사진으로 입자의 방향 정렬성과 크기 개선이 확인됐다. 특히 입자 하나의 크기가 기존 26㎚(나노미터, 10-9)에서 34㎚로 커졌다. 결정이 정렬된 전극을 적용한 광 충전 배터리와 이차전지 리튬이온전지의 성능결정이 정렬된 LMO(L34 및 L34*)를 사용한 경우 실내조명에서의 효율이 그렇지 않은 경우에 비해 모든 조명에서 높은 효율을 보여준다. 빛 세기가 약할수록 결정 정렬의 효과가 크다. 또한, LIB(리튬이온배터리)의 율속 특성을 보면, 4VLi/Li+ 반응과 3VLi/Li+ 반응 모두 빠른 속도로 리튬이 삽입되는 상황에서 우수한 성능을 보여준다. 개발된 광 충전 이차전지 시스템은 염료감응 태양전지(발전기)와 발전으로 얻은 전력을 저장하는 배터리가 합쳐진 시스템이다. 리튬이온이 배터리 전극에 단위 시간당 더 많이 저장될수록 충전 효율이 높다. 연구진은 이 같은 시스템을 선행연구를 통해 개발하고, 11.5%의 높은 에너지 변환·저장 효율을 기록한 바 있다.* 염료감응 광(태양)전지: 일반적인 실리콘 태양전지 등과 달리 어두운 밝기(저조도) 빛을 통해서도 전기 생산 효율이 높다. 빛이 있을 때만 발전하기 때문에 이를 저장해 안정적으로 쓸 수 있는 배터리 시스템이 필요하다. 식물이 광합성을 할 때 식물 잎의 엽록소라는 염료가 빛을 흡수해 전자를 만드는 원리에서 착안한 전지다. 염료감응형 광 충전 이차전지(Dye-sensitized photorechargeable battery, DSPB)의 구조 및 작동 원리.빨간색 화살표는 빛으로 인해 광 전극(PE)에서 전자가 생성되고 저장 극(SE)에 저장되는 흐름을, 파란색은 방전 시 방전 전극(DE)으로의 전자의 흐름을 나타낸다. 제1 저자인 이명희 UNIST 에너지화학공학과 박사는 “리튬 망간 산화물은 일반적 리튬이온배터리에서 일어나는 반응 외에 리튬이온을 저장하는 또 다른 반응 경로가 있는데, 이를 이용하여 결정 구조를 정렬시킬 수 있었다”고 설명했다.공동 제1 저자인 김병만 UNIST 화학과 연구조교수는 “실제로 리튬이온을 추가로 넣는 반응에서는 결정 구조가 정육면체 구조(cubic)에서 정방정계 구조(tetragonal)로 바뀌게 된다”며, “충·방전으로 이런 변화가 반복되면서 입자를 정렬시키는 것”이라고 설명했다.* 리튬이온배터리: 리튬이온의 산화 환원 반응을 이용해 전기 에너지를 저장하는 장치. 각종 전자기기나 전기차의 배터리로 쓰이고 있다. 한편, 염료감응 태양전지를 이용한 실내조명 발전은 실리콘 태양전지 등과 달리 어두운 밝기(저조도) 빛으로 전기 생산이 가능하지만, 빛이 없는 조건에서도 안정적으로 쓰기 위해서는 생산된 전력을 저장하는 배터리 시스템이 함께 필요하다.권태혁 교수는 “실내조명 발전은 조명으로 버려지는 전기 에너지를 재활용하는 기술일 뿐만 아니라 태양광발전과 달리 장소, 날씨, 시간 제약이 없다는 장점이 있다”며, “개발된 일체화된 시스템 사용할 경우 실내조명으로 생산된 전기를 효율적으로 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다.송현곤 교수는 “간단한 전기화학적 자극만으로도 저장 전극 물질의 동역학 성질을 개선해 배터리의 충전 효율을 증가시킨 것이 주효했다”며, “이 물질은 리튬이온배터리의 고속 충전 등에서도 응용될 수 있을 것”이라고 설명했다.이번 연구는 에너지 분야의 권위 학술지인 ACS Energy Letters의 표지 논문(supplementary cover)으로 선정돼 출판될 예정이다. 연구 진행은 ㈜한국전력공사(KEPCO)와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다.* 논문명: Electrochemically Induced Crystallite Alignment of Lithium Manganese Oxide to Improve Lithium Insertion Kinetics for Dye-Sensitized Photorechargeable Batteries 자료문의: 에너지화학공학부: 이명희 박사 052-217-2962

관리자 2021-04-20