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Research

Topics

고기능성 그래핀 섬유 소재 개발

2D 구조의 그래핀은 높은 전기전도성, 열전도성, 강도 등 소재가 지닌 다양한 특성에 의해 기능성 부여를 위한 섬유 소재 연구가 활발히 이루어지고 있음. 그래핀 섬유는 필름 변환, 전기 영동, 건식 방사 및 습식 방사에 의해 제조될 수 있으나 이 중 액정성을 이용한 습식 방사에 의해 제조되는 그래핀 옥사이드 (GO) 기반 섬유의 경우 제조 방법이 간단하며 대량으로 제조 가능함. 섬유가 방사되는 조건, 소재 전구체의 조성, 소재의 표면 처리 등에 따라 소재의 특성이 달라지며 이를 이용한 고강도, 고전기전도성, 고유연성 섬유 등 부여되는 기능성이 조절 가능하여 섬유 특성 변화를 관찰하고 이를 통한 고기능성 그래핀 섬유 소재를 개발하고자 함,

그림 1. 고기능성 그래핀 섬유 소재 개발

고신축성/고이온전도성 고분자 전해질 소재 및 전극 촉매 개발

현재는 기능성 전자 소자의 소형화, 휴대성이 중요하게 여겨지는 발전 방향이 정해짐에 따라 웨어러블 전자 소자의 개발이 시급함. 아연-공기전지(Zinc–air battery)는 리튬 이온 전지보다 폭발 위험성이 적고 에너지 밀도는 훨씬 높으며 공기를 이용하여 전기를 생성하므로 웨어러블 소자에 적용 시 많은 이점들을 지니고 있음. 유연성, 신축성 전지 개발을 위해서는 고분자 전해질 및 고성능 전극(촉매, 전기전도성 소재) 연구가 필수적이며 이를 해결하기 위한 고이온전도성 고분자 및 전극 소재를 개발하고자 함.

그림 2. 고신축성/고이온전도성 고분자 전해질 소재 및 전극 촉매 개발

이온 기반 차세대 반도체 소자 개발

폰 노이만 아키텍쳐 기반의 메모리와 연산을 분리한 프로세서는 오늘날 모든 컴퓨터 설계의 근간으로 발전해왔지만 최근 4차 산업혁명의 도래와 함께 인공지능, 자율주행, 빅데이터 및 사물인터넷 등의 발전으로 늘어난 실시간 데이터 처리 속도의 요구에 대응하기 위한 미세화 및 집적화는 한계에 다다르고 있고, 복잡한 연산을 수행하기 위해서는 수 MW의 높은 전력 소모가 필요함. 이온 기반 차세대 반도체 소자는 이온의 연결성을 이용한 저항 변화로 메모리 소자에서 연산 기능을 수행할 수 있음. 본 센터의 연구진에 의해 개발된 Li를 기반의 이온 기반 차세대 반도체 소자는 70 pJ의 매우 낮은 전력 소비로 인간의 단기기억과 장기기억을 모방하는 전기적 특성을 구현하였음. Li은 고분자 전해질층에서 높은 이온이동도를 가지고 있기 때문에 1 V의 전압에서 1 μs의 빠른 응답성을 가짐. Li이온의 정교한 제어를 통한 저전력 및 선형적 컨덕턴스 특성의 차세대 반도체 소자에 대한 연구가 진행 중.

그림3. Li-implanted 멤리스틱 소자의 단기 및 장기 기억 특성 모방 특성 (좌측), 전압 및 sweep 횟수에 따른 컨덕턴스의 변화와 컨덕턴스 변화가 일어나는 메커니즘 (우측)

폐자원 기반 실리콘옥시카바이드가 코팅된 실리콘 입자

리튬이온배터리의 음극소재로서 실리콘은 높은 이론용량 (4200 mAh/g)을 가지고 있어 현재 상용화된 흑연 기반 음극을 대체할 주요 소재로 기대되고 있음. 하지만 리튬이온전지의 음극재로 사용할 경우 400%의 부피 팽창으로 인해 안정적인 충/방전 거동이 불가능함. 한편, 심각한 환경파괴를 야기하는 산업/생활폐기물의 재활용 방안이 필요한 실정임. 따라서, 산업/생활폐기물이 가지고 있는 환경적 문제들을 해결할 고부가가치 소재 전환 및 자원순환 공정 시스템이 필요한 실점임. 앞서 언급한 전지와 환경문제를 동시에 해결할 방법으로서 산업폐기물인 실리콘오일(silicone oil), 생활폐기물인 왕겨(rice husks), 국내 4대강의 녹조를 야기하는 남조류 오실라토리아를 활용하여 저렴하고 친환경적인 소재를 개발하고자 함. 또한, 실리콘의 부피 팽창을 방지하기 위해 왕겨로부터 추출한 실리콘을 실리콘오일과 미세조류로부터 합성된 실리콘옥시카바이드로 코팅하여 실리콘의 부피팽창을 막을 수 있는 고부가가치 소재를 개발하고자 함.

그림4. 산업폐기물과 바이오매스를 활용한 리튬이온배터리 음극소재 개발

rGO 부직포를 활용한 리튬금속전지용 분리막 연구

전기자동차의 보급이 확대되며, 중대형 리튬이차전지는 높은 에너지 밀도 뿐만 아니라 급속 충전 기술의 확보가 시급한 상황임. 이를 보완하기 위해 개발되는 차세대 전지인 리튬금속전지는 음극의 리튬금속으로 인해 높은 에너지 밀도의 달성이 가능하지만 기존 흑연과는 충/방전 원리가 다르기 때문에 음극과 전해질 계면에 대한 새로운 제어기술이 필요함. 본 연구에서는 상업화 관점에서 기존 공정을 그대로 사용하며, 분리막에 기능성을 부여하는 효율적인 공정 및 원천기술을 확보하고자 함.

그림5. rGO기반 분리막 개발 및 리튬금속전지 음극 성능평가

복사냉각 섬유 기반 열전지 연구

복사냉각은 우주로부터 대기를 통과하는 태양의 복사를 반사 혹은 투과 시켜 냉각소재가 자외선-가시광선 영역의 에너지를 받지 않음과 동시에, 소재 스스로가 내뿜는 원적외선 중 Atmospheric Transparency Window영역(8-13㎛)의 적외선을 우주의 절대온도로 에너지를 복사형태로 전달하면서 에너지 소실로 인해 나타나는 상대적인 냉각임. 대표적인 자연현상으로 가을의 일교차가 있음. 자외선-가시광선 영역에서 산란을 일으키는 패턴이나 구조를 통해서 반사를 크게 하면서 ATW 영역의 선택적 방사가 가능한 소재를 사용하면 그 효과가 극대화될 것이며, 이러한 냉각효과를 통해 방열, 열전효과를 이용한 발전등의 여러 분야에 적용시킬 목적으로 연구를 함.

그림6. 유무기 복합소재 기반 복사냉각소자 개발

파장 선택성 투과형 메타물질 연구

0.1~10 THz 사이의 주파수로 정의되는 테라헤르츠대역은 기존 주파수 대비 광대역 무선통신 및 초고속 데이터 통신이 가능한 장점이 있음. 테라헤르츠관련 전자기파 이론 기반 전산모사기법을 활용하여 고주파수(테라헤르츠)대역 전자파 필터링 및 차폐에 관한 연구를 진행하고 있음

그림7. 테라헤르츠 대역 전자파 필터링 및 차폐 메타물질에 대한 전산모사

증식블랑켓시험모듈 구조재료의 중성자조사결함 및 수소취화저감 연구

국제핵융합실험로인 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)는 중수소-삼중수소 반응에 의해 중수소를 생산함. 핵융합 반응을 지속시키기 위해서는 삼중수소를 재생산해야 하며. 증식블랑켓시험모듈인 TBM (Test Blanket Module)에서 1n(6Li,4He)3T 반응에 의해 재생산함. 따라서, 증식블랑켓시험모듈 구조재료는 수소동위원소 취화, 중성자 조사에 노출되어 있으므로, 이에 대한 건정성 평가와 수소동위원소 투과방지막의 개발이 필요함. 몬테카를로 수송해석 및 열해석을 통해 중성자 조사결함 평가 및 구조재료를 선정할 수 있고, RF 스퍼터링을 통해 제작한 시험시편의 중성자조사실험 및 수소동위원소 투과도 측정을 통해 건전성을 평가하고자 함.

그림8. Al2O3/SS316L시료의 중성자 조사결함 평가 및 중성자 조사후 시료분석 예시

테라헤르츠파 유전분광학

유전분광학은 외부 전자기파에 의한 물질의 반응을 유전율로 측정하는 기법으로, 주파수에 따른 측정을 통하여 물질안의 진동, 회전 역학 등을 측정할 수 있다. 특히 물은 GHz-THz 주파수 영역 대에서 회전 동역학에 의한 큰 유전반응이 분포하고 있다. 이를 측정하여 생체 시스템에서의 물의 동역학의 변화를 민감하게 측정할 수 있다.

그림9. 유전반응 메커니즘과 GHz-THz 영역대에서 나타나는 물의 유전반응

생체 분자 수화 역학 연구

물은 생체 내에서 DNA, 단백질, 세포막과 같은 생체분자의 구조와 기능을 조절한다. 테라헤르츠 유전분광학을 통하여 생체 내 물이 가지는 특이 구조와 동역학을 이해함으로써 생체분자의 구조 변화와 기능 조절에 물이 어떠한 역할을 하는지 이해하는 연구를 진행하고 있다.

그림10. 지질막 사이 나노공간에 수화된 물 분자의 구조와 온도에 따른 테라헤르츠파 흡수차이

유전측정을 이용한 피부 수화 연구

피부를 구성하는 층에는 각기 다른 구성요소가 있고, 스트레스나 운동 등의 생리적 변화에 따라 각 피부 층을 구성하는 성분의 변화가 일어난다. 이를 sub-THz 영역에서의 피부 층 유전상수 변화로 측정을 통하여, 지문에서 일어나는 수화현상이 그립액션에 끼치는 영향, liveness 측정 등을 연구하고 있다.

그림11. 지문 수화 현상과 수분 함량에 따라 변화하는 마찰력을 통해 그립액션에 미치는 역할 연구

그래핀 이용 냉음극 개발

RF 소스가 더 높은 주파수로 이동함에 따라 음극 방출기능의 제한으로 높은 power를 가지는 소스 설계를 위해 음극에서 직접 전류밀도가 높은 전자빔을 생성하는 것이 중요하다. 이를 위해 얇은 free standing 그래핀 산화물 필름을 음극으로 이용하여 높은 전류밀도의 전자빔을 대면적의 시트형태의 빔을 만들기 위한 연구를 진행하고 있다.

그림12. 그래핀 이용 냉음극 개발과정과 높은 전류밀도를 가지는 전자빔 연구결과

고출력 테라헤르츠파 진공소자 개발

기존 electronic 기반 고출력 테라헤르츠 진공 소자는 열 및 breakdown 문제와 같은 다양한 물리적 한계가 존재한다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위해 전자 소스 및 전자기파 상호작용의 연구를 통하여 고출력 테라헤르츠파 진공소자 개발을 진행하고 있다.

그림13. 고출력 테라헤르츠파 진공소자의 필요성과 개발

테라헤르츠 메타물질

파장보다 작은 스케일의 슬릿으로 구성된 금속 메타물질은 전자와의 상호작용을 위해 사용되는 기존 유전물질을 대체할 수 있다. 표면에서 움직이는 전자와 메타물질과 상호작용을 통하여 금속 메타물질은 소형 고출력 테라헤르츠 소자를 개발하는데 활용될 수 있다.

그림14. 금속 파노 메타물질의 전자기적 특성 연구