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융합에너지신소재공학과 잇단 연구성과 주목!강용묵 교수팀 리튬전지 향상 촉매 개발 이어 노용영 교수 N-형 반도체 성능 원리규명해

내용을 2012년 학문구조개편에 따라 학과가 신설된 후 2013년 첫 신입생을 받으며 출발한 융합에너지신소재공학과가 해외저명 학술저널
로부터 주목받는 연구성과를 잇따라 내놓으며 학내외의 주목을 받고 있다. 지난 겨울 발표된 두 편의 논문을 소개한다.

 

   
▲강용묵 교수
KAIST 송현준 교수팀과 공동으로 리튬전지 성능 향상 촉매 개발

차세대 전기 자동차 등 대형 에너지 시스템에 활용이 기대되고 있는 리튬-공기 전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 고효율 촉매 소재가 융합에너지신소재공학과 강용묵, 한영규 교수가 개발해 화제다. 강용묵 교수팀과 한영규 교수팀은 KAIST 화학과 송현준 교수팀과 공동 연구를 통해, 산소발생반응에 뛰어난 촉매효과를 가지는 것으로 알려진 팔라듐(Pd)을 구리(Cu)와 합금화시킴으로써 산소발생반응은 물론 산소환원반응에도 뛰어난 촉매효과를 가지는 촉매를 개발하는데 성공했다. 또, 제 1원리 계산을 통해 이러한 촉매가 리튬-공기 전지 내에서의 전기화학반응을 가속화시킬 수 있음을 이론적으로 증명했다.

리튬-공기 전지는 방전 시 산소환원반응, 충전 시 산소발생반응이 발생하는데, 현재까지 이러한 반응을 가역적으로 일어나게 하는 양극 촉매로는 우수한 산소환원반응을 보이는 것으로 알려진 알파 망간산화물(α-MnO2)이 주로 사용되어 왔다. 하지만 알파 망간산화물을 포함한 대부분의 산화물 촉매를 사용하는 경우 산소발생반응에 대한 약한 촉매 효과로 낮은 충방전 효율이 야기돼, 리튬-공기 전지가 가진 에너지 밀도 측면에서의 장점을 퇴색시키는 맹점이 있었다.

   
▲한영규 교수
이와 관련해 강용묵 교수는 “하이브리드 전기자동차(HEV)나 소규모의 에너지 저장 시스템에는 현재의 리튬이온이차전지의 적용이 기대되고 있지만, 본격적인 대형 에너지 저장 시스템의 경우 에너지 밀도가 높은 차세대 전지 시스템의 적용이 요구되고 있다”며 “본 연구는 대표적인 차세대 전지 시스템인 리튬-공기 전지에 있어서 이금속 촉매가 그 특성을 획기적으로 향상시키는데 기여할 수 있음을 실험적으로 이론적으로모두 밝혀냈다는 데에 큰 의의가 있다”고 말했다.

이번 연구는 최근 신재생 에너지 기술의 핵심이라 할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기자동차(EV) 부문에서 높은 출력, 높은 에너지 밀도를 동시에 구현할 수 있는 차세대 이차 전지 시스템의 개발을 요
구하고 있는 가운데, 리튬-공기 전지가 기존의 화석연료 엔진에 필적하는 높은 이론 에너지 밀도를 가지고 있어, 향후 전기 자동차 등의 대형 에너지 시스템에 활용이 기대되고 있는 터라 더욱 주목된다.

이 연구결과는 에너지 환경분야의 최고 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’에 지난 2월 9일 인터넷 판으로 게재됐으며, 해당 호 논문 중에 우수성을 인정받아 뒷표지로 선정됐다. 해당 결과는 (주)포스코의 ‘포스코 차세대 전지 program’ 및 한국연구재단의 ‘기후변화대응 기술개발사업’, ‘중견연구자지원사업(도
약)’ 등의 지원을 받아 수행되었다.

   

▲노용영 교수

노용영 교수, N-형 유기반도체 물질 성능 결정짓는 원인 규명

우리대학 융합에너지신소재공학과 노용영 교수팀이 플렉서블 디스플레이에 적용될 전자회로의 핵심 소재인 용액 공정형 N-형 유기 반도체 물질의 성능을 결정짓는 원인을 규명했다. 연구결과는 재료분야의 세계 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’에 지난 2월 26일자로 출간됐다.

기존의 딱딱한 평면형태를 벗어나 가볍고, 깨지지 않으며, 다양한 디자인으로 변형해 제조가 가능한 디스플레이 개발을 위해서는 반드시 높은 성능의 P-형과 N-형 유기반도체 물질을 이용한 플렉서블 전자회
로가 필요하게 된다. 이번 연구에 사용된 NDI 계열의 물질은 일반적으로 공기 중에서 쉽게 성능이 저하
되는 기존의 N-형 물질과 다르게, 공기 중에서 장시간동안 높은 성능을 보이는 장점이 있어 상업화를 위한 차세대 물질로 학계에서 많은 관심을 받고 있다.

그러나 높은 성능에 비해, 그 성능 향상의 원인규명에 관한 연구가 부족하여, 이를 이용한 후속 연구에 어려움을 겪고 있었다. 노용영 교수팀이 이번에 학계에 보고한 연구 결과는 N-형 유기반도체의 성능을 결
정짓는 원인을 다양한 각도에서 접근하여 규명하였으며, 이 결과를 활용하면 더 높은 성능을 가지는 N-형 유기반도체를 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 노 교수팀 연구결과를 통해, 단순 소자성능 향상이 아닌, 유연 유기 전자회로의 성능을 향상시키기 위한 핵심 부품인 고성능 N-형 유기반도체를 디자인 할 수 있는 가이드라인을 제시했다. 또한 이 분야에 원
천 기술을 확보함으로써 추가 후속연구에 대한 기대감을 더 하고 있다.

노용영 교수는 “이번 연구를 통해 그동안 규명되지 않았던 N-형 고분자의 성능 향상을 위한 물질 디자인에 관한 원천기술을 확보할 수 있었으며, 향후 플렉서블 디스플레이, 유연전자회로, 웨어러블 전자소자에 적
용되는 핵심 유기반도체 소재의 구조와 소자 성능간의 비밀을 밝힌 것이 특징”이라고 밝혔다.

동대신문  dgupress@dongguk.edu

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