- 옥수수, 고구마 전분 사용, 튀김 공정을 응용한 배터리 음극소재 개발 - 값싸고 손쉬운 공정으로 대량생산 가능, 우수한 특성으로 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 정훈기 박사팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80%이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 밝혔다. 이를 전기자동차에 적용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 크게 늘어날 것으로 보인다. 현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 전지 용량이 적어 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 한계가 있다. 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘이 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전이 반복되면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어들어 상용화가 쉽지 않았다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시되었지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다. KIST 정훈기 박사팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤, 가열하여 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것과 같은 손쉬운 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방하였다. 연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 우수한 특성은 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제하여 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다. 본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “옥수수 전분과 같이 일상생활에서 구하기 쉬운 재료를 활용하고, 복잡한 반응기 없이 재료의 단순 혼합과 열처리를 통해 탄소-실리콘 복합소재를 개발했다.”라며, “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용되어 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Nano/Microstructured Silicon-Carbon Hybrid Composite Particles Fabricated with Corn Starch Biowaste as Anode Materials for Li-Ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 석사과정(現, LG화학) - (제 1저자) 전남대학교 신소재공학부 황장연 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정훈기 선임연구원 - (교신저자) 한양대학교 에너지공학과 선양국 교수 <그림설명> <대표 이미지> KIST 연구진이 친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열하여 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리로 전기자동차가 기존보다 2배 이상 주행거리가 늘어나는 상황을 그린 예상도. [그림 1] 탄소-실리콘 복합체 합성 과정 요약 물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성됨 [그림 2] 제조된 탄소-실리콘 복합체의 전기화학적 성능평가를 통한 용량·수명 특성 평가 결과

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 스핀융합연구단 장차운, 최준우, 류혜진 박사팀이 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 강상관계물질연구단 (단장 노태원)박세영 박사팀과 공동연구를 통해 최근 차세대 반도체인 ‘스핀트로닉스’ 소재로 주목받고 있는 반데르발스 자성체(Fe3GeTe2, FGT)의 자성 특성을 제어하는 데 성공했다고 밝혔다. 반데르발스(van der Waals) 물질이란 층간 결합이 반데르발스 결합, 즉 약한 층간 결합으로 이루어진 층상구조 물질로, 2차원 물질인 그래핀을 포함하여 이황화몰리브덴 등 다양한 물질이 있다. 또한 다른 2차원 물질과의 조합을 통해 기존에 없던 새로운 소재로 바뀔 수 있어 그간 초전도성, 반도체성, 금속성, 절연성 등의 다양한 성질의 2차원 물질이 연구되어 왔다. 특히 2017년 새로운 2차원 반데르발스 자성체들이 발견되며 전 세계적으로 연구에 속도가 붙기 시작했다. 하지만 이러한 반데르발스 자성체는 퀴리온도, 보자력(Coercivity) 등의 자성 특성이 소자 응용에 적합하지 않아 스핀트로닉스 소재로서 한계에 봉착하고 있었다. KIST-IBS 공동연구진은 최근 발견되어 많은 연구들이 진행되고 있는 층상구조를 가진 반데르발스 자성체인 ‘FGT’의 특성을 효율적으로 제어할 수 있는 방법과 원리를 찾아냈다. 연구진은 실험적으로 전자의 개수를 조절하며 자성체를 관찰한 결과, 반데르발스 자성체(FGT)의 특성 변화가 생기는 것을 확인했다. 연구진은 그 원인이 제어한 전자의 개수로 자성체 내부에서 자화 방향에 따라 에너지가 바뀌는 현상(자기이방성(Magnetic anisotropy) 때문이라는 사실을 밝혔다. 이번 연구결과는 반데르발스 자성체(FGT)의 자성 특성 변화 원인을 규명함으로써, 향후 다양한 2차원 자성체의 자성 특성을 효과적으로 제어할 수 있는 가능성을 제시하게 됐다. 또한, 연구진에 따르면, 원자 한 층 두께에 자성을 구현할 수 있는 반데르발스 물질의 특성 제어 가능성이 높아진다면, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전자를 이동시키는 스핀트로닉스 소자의 개발도 한층 빨라지게 될 것으로 전망한다고 밝혔다. KIST 류혜진 박사는 “반데르발스 자성체 특성을 밝혀 스핀트로닉스 소자로 응용해 보고자 연구를 시작하게 됐다.”라고 말하면서 “향후 반데르발스 자성물질과 다른 반데르발스 물질들의 이종 접합구조를 이용해, 보다 다양한 특성의 반도체 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대하고 있다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원으로 KIST 주요사업 및 창의형 융합연구사업, 해외협력기반조성-국가간협력기반조성사업의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 나노과학 분야의 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Controlling the Magnetic Anisotropy of the van der Waals Ferromagnet Fe3GeTe2 through Hole Doping - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김동섭 인턴(現,University of Texas at Austin) - (제 1저자) 기초과학연구원 강상관계물질연구단(서울대학교 물리천문학과) 박세영 연구 조교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장차운 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 최준우 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 류혜진 선임연구원 <그림설명> [ 연구결과 대표이미지 ] (위) 이차원 자성체를 이용한 차세대 스핀 반도체 소자 개념도 (아래) KIST-IBS 공동연구진이 규명한 반데르발스 자성체(FGT)의 자성 특성 제어법을 활용한 반도체 소자 모식도 [그림 1] FGT nano flake의 자화곡선(왼쪽)과 도핑에 따른 자기이방성과 자기모멘트(오른쪽) flake의 자성특성 (i) FGT nano flake의 두께에 따른 보자력 [그림 2] FGT nanoflake의 자성 특성 (a) FGT nano flake의 광학현미경 사진 (b) FGT nano flake의 두께 (c-h) FGT nano flake의 자성특성 (i) FGT nano flake의 두께에 따른 보자력

- 귀금속 촉매 없이 고효율의 광전극 제조기술, 대면적·대량생산 가능 - 저비용의 태양광-수소 생산기술, 친환경 수소 생산 시스템 구현에 기여 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 이동기 박사, 김병우 박사 연구팀은 기존 공정보다 값싼 제조법과 소재를 활용하여 비싼 귀금속 촉매 없이도 고효율의 태양광-수소 생산 성능을 보이는 광전극을 개발했다고 밝혔다. 수소는 에너지 사용 과정에서 온실가스와 미세먼지 발생 문제가 없는 대표적인 청정 연료이며, 수소차의 보급 등을 통해 그 쓰임이 크게 증가할 전망이다. 하지만 기존의 화석연료를 이용하는 공정을 통해 수소를 생산하면 수소 생산량의 10배에 달하는 이산화탄소가 발생 되는 문제가 있어 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 그중 ‘태양광 물 분해’를 통한 수소 발생 기술은 햇빛과 물을 원료로 하여 이산화탄소 등의 부산물 없이 청정한 수소를 생산할 수 있는 기술이다. 이에 다양한 광전극과 수소 발생 촉매들이 태양광-수소 발생 소재로 연구되어 오고 있으나, 고비용의 제조법 및 값비싼 귀금속 소재를 필요로 하는 문제로 실용화에 어려움을 겪고 있다. KIST 연구진은 저렴한 제조 공정을 개발하기 위해 유연 박막 태양전지 소재로 주목받고 있는 황셀레늄화구리인듐갈륨(CIGS) 소재를 활용했다. 대량생산과 대면적화가 쉬운 저가의 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하여 고효율의 CIGS 광전극을 제조하는 데 성공하였다. 또한, 고비용을 발생시키는 주된 요소인 귀금속 촉매 대신에 CIGS 광전극의 합성 과정에서 자연스럽게 형성되는 황화구리를 수소 발생 촉매로 활용하여 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 방법을 제시하였다. 본래 황화구리는 CIGS 제조 중 생성되는 부산물로 취급되어 제거하는 것이 일반적이었다. 하지만 KIST 연구진은 해당 물질이 부산물이 아니라 유용한 수소 발생용 촉매로도 활용될 수 있다는 것을 밝혀내고 이를 백금 대체 소재로 활용하였다. KIST 연구진이 개발한 CIGS 광전극은 기존까지 보고된 용액공정 CIGS 광전극 중에서 가장 높은 태양광-수소 발생 전류량(-26mA/cm2)을 기록하였다. 별도의 후공정이나 백금 촉매 없이도 기존의 백금 촉매를 사용한 CIGS 광전극들 보다 더욱 높은 효율을 기록했다는 점에서 혁신적인 연구결과이며, 산업적 활용 가능성도 크다. KIST 민병권 본부장은 “본 연구는 태양광-수소 전환기술의 핵심 기술인 고효율 광전극을 저비용으로 구현할 수 있는 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다.”라고 말하며, “본 연구를 통해 개발된 저가의 고성능 광전극은 다가올 수소경제 시대에서 수소의 생산 및 사용 전체에 걸쳐 탄소발자국을 남기지 않는 친환경 시스템 구현에 이바지할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 「ACS Energy Letters」(IF : 16.331, JCR 분야 상위 1.923%) 최신호에 출판되었다. * (논문명) Cu(In,Ga)(S,Se)2 photocathodes with grown-in CuxS catalyst for solar water splitting - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병우 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 책임연구원(본부장) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이동기 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 황화구리가 자연 증착된 용액공정 CIGS 광전극(CIGS/CuxS)의 태양광 물분해 수소 발생 성능

- 나노소재 맥신 유기 잉크 개발, 물과 산소에 쉽게 산화되지 않아 - 전극소재의 코팅 및 액상공정 등 다양한 공정에 응용 가능 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 연구팀은 전자파 차폐 소재로 사용될 수 있는 전기전도성이 우수한 2차원 나노 신물질인 ‘맥신(MXene)’의 상용화를 앞당길 유기 잉크 제조기술을 개발했다고 밝혔다. 드론, 자율주행차, 스마트폰 등 최신 IT 기기들에 점점 더 많은 반도체 칩과 전자 부품들이 사용되고 있다. 그만큼 전자파가 서로 뒤엉켜 생길 수 있는 기기 오작동의 우려도 커지고 있다. 그동안은 전자파 간섭을 막기 위해 금속필름으로 기판을 덮었지만, 이는 비싸고 무거우며 가공하기 어려운 단점이 있었다. 전자파 차폐 효율은 전기전도성이 높을수록 좋아지는데, KIST 구종민 센터장 연구팀은 금속 소재에 대한 대안으로 금속과 같은 수준의 높은 전기전도도(106S/m)를 갖는 2차원 나노 재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다. (※Science 353, Issue 6304, pp. 1137-1140, 2016년) KIST 연구진이 개발한 맥신 소재는 우수한 전자파 차폐성능을 보여 차세대 전자파 차폐 소재 후보로서 두각을 나타냈다. 또한, 전기전도성이 우수하면서 가볍고, 수용액을 이용한 가공성이 우수하여, 전기전도성이 요구되는 전자파 차폐 및 전극 패턴 소재로의 응용뿐만 아니라 이차전지나 축전지, 가스센서, 바이오센서 등 매우 다양한 응용이 가능하다. 하지만, 이러한 장점에도 불구하고, 맥신은 수용액 속에서 물 분자 및 산소에 의해 쉽게 산화되어 그 본래의 전기전도도를 잃어버리게 되어 안정성이 좋지 않았다. 또한, 친수성 표면을 가지는 맥신은 그 반대의 성질, 즉 물과 화합되지 않는 성질인 ‘소수성’을 가지는 고분자 재료 및 특성 재료들과의 친화도가 좋지 않아 다양한 소재와의 응용이 어려웠다. KIST 연구진은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 화학적 표면처리를 통해 2차원 맥신 입자가 소수성을 갖도록 하여 유기용매에 분산된 맥신 유기 잉크를 개발하였다. 또한, 이렇게 제조된 맥신 유기 잉크는 내부에 물 분자 및 산소가 적어 맥신이 쉽게 산화되지 않을 수 있었다. 개발된 맥신 유기 잉크를 활용하면 산화 불안전성을 극복하여 기존 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린트 등의 액상 공정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 장기간 보관할 수 있도록 안정성이 보장된 맥신은 전자파 차폐, 전극 소재 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. KIST 구종민 센터장은 “세계 최초로 맥신(Ti3C2) 유기분산 잉크를 제시하고, 산화 안정성을 확보함으로써 맥신의 상용화 가능성을 높였다.”라며 “향후 맥신 잉크를 기반으로 물을 사용하지 않는 용액공정 및 양산화 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 차세대 전자파 차폐 및 전자소자 응용 연구를 촉진하는 계기를 마련하게 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Young Fellow 사업, 한국연구재단 도약과제, 중견연구자사업, 건설기술연구사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:13.903, JCR 분야 상위 5.973%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Nonpolar Organic Dispersion of 2D Ti3C2Tx MXene Flakes via Simultaneous Interfacial Chemical Grafting and Phase Transfer Method - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김대신 인턴연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조상호 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 책임연구원(센터장) <그림설명> 그림1. 맥신의 계면 축합 및 상 이동 동시 반응 모식도 그림 2. (a) 맥신 수용액 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지. (b) 맥신 비수계 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지. (c) UV-Vis 장치로 확인한 시간에 따른 맥신 잉크의 농도변화. 그림 3. (a) 맥신 필름의 유연성 확인 (b) 유기 리간드 처리 맥신 필름의 유연성 확인 (c) 맥신 및 유기 리간드 처리된 맥신 필름들의 전기전도도 (d) 맥신 필름의 물 접촉각. (접촉각이 높을수록 소수성 특성을 가진다) (e) 유기 리간드 처리 맥신 필름의 물 접촉각

- 아크방전 이용하는 고품질 그래핀 분말 대량 제조기술 개발 - 고농도 질소가 에너지 저장량 높여,“슈퍼커패시터 발전 기대” 국내 연구진이 인공번개의 일종인 아크방전을 이용해 고성능 그래핀을 대량 생산하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 기능성복합소재연구센터 김명종, 김남동 박사 연구팀이 전기용접에 주로 사용하는 아크방전을 이용해 고농도의 질소가 도핑된 그래핀 분말을 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 이렇게 형성된 그래핀은 우수한 기계적 물성은 물론, 에너지 저장능력이 기존의 탄소전극보다 3배가량 높아 ‘슈퍼커패시터’의 대용량화에 큰 기여를 하게 될 것으로 전망되고 있다. 슈퍼커패시터(super capacitor)는 커패시터(콘덴서)의 전기 용량을 중점적으로 강화한 것이다. 화학반응을 통해 충·방전하는 일반 이차전지와 달리 탄소 소재에 붙는 전자의 물리적 흡·탈착을 이용하기 때문에 급속충전이 가능하고 수명이 반영구적이다. 특히, 순간적으로 고출력의 전기를 낼 수 있는 특성으로 전력 수요와 공급을 실시간으로 관리하는 스마트 그리드와 지역별 재생에너지 발전 시스템의 핵심기술로 주목받고 있지만, 일반 배터리에 비해 낮은 에너지 저장량이 걸림돌이었다. 이런 한계를 극복하기 위해 KIST 연구진은 꿈의 신소재 그래핀에 집중했다. 그래핀(graphene)은 전류를 형성하는 전자의 속도가 매우 빠르고 열을 전달하는 능력 역시 탁월하여 고효율 태양전지, 슈퍼커패시터 등의 핵심소재로 각광받고 있다. 하지만 기존의 제조법인 산화 그래핀(GO) 기술은 제조 과정에서 결정성이 훼손되는 등 많은 결점이 발생해 그래핀 고유의 성능들이 제대로 구현되기 어려웠다. KIST 연구진이 새로 개발한 아크방전 그래핀 제조기술은 원료로 쓰이는 탄소봉 내부에 그래핀 산화물과 함께 질소가 포함된 폴리아닐린을 첨가하는 것이 특징이다. 이를 고온에서 아크로 가열하면 그래핀 산화물과 첨가물이 원자화되고 재조합되는 과정에서 고농도 질소가 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. 고농도 질소가 도핑된 그래핀은 우수한 전도도와 표면 이온 흡착성으로 인해 기존 탄소전극 대비 전하저장능력이 2~3배 향상되며, 단위면적당 충전량에서 세계 최고 수준을 나타냈다. 이는 슈퍼커패시터의 장점인 빠른 충·방전 특성을 유지하는 동시에 단점으로 꼽혔던 에너지 저장능력의 획기적 향상을 기대할 수 있게 하는 결과다. KIST 김명종 책임연구원은 “슈퍼커패시터는 거대 발전소를 대신해 지역별로 분산된 발전소에서 전기를 자급자족하는 친환경 발전 시스템의 열쇠”라면서 “이번 연구에서 개발된 고성능 그래핀 분말이 에너지 생산 및 저장 시스템의 혁신과 함께 다양한 에너지 소자 개발에도 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부의 그래핀 소재·부품 기술개발사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 「Advanced Functional Materials」 (IF : 15.62, JCR 분야 상위 3.04%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) High areal capacitance of N-doped graphene synthesized by arc discharge - (제1 저자) 한국과학기술연구원 탕 비엣 팜 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김명종 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 전기용접에 주로 사용하는 아크를 이용하여 질소를 고농도로 도핑하였다. 원료로 쓰이는 탄소봉에 그래핀 산화물, 흑연분말, 폴리아닐린을 첨가하고 고온에서 아크로 가열하고 원자화시키고 재조합되는 과정에서 고품질 질소 도핑된 그래핀 분말이 생성된다. [그림 2] 개발된 고농도 질소 도핑된 고품질의 그래핀의 단위 면적당 전하 저장능력을 다른 우수한 탄소 소재들과 비교한 그림. 단위면적 당 충전량이 세계 최고 수준임을 알 수 있다.

- ‘바나듐 레독스 흐름전지’성능 높이는‘PBI’고분자막 초박막화 성공 - 4마이크로미터(μm) 두께 얇은 고분자막, 빠른 방전·용량 감소 막아 화재로부터 안전한 차세대 에너지 저장장치 ‘바나듐 레독스 흐름전지’의 핵심 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 수소·연료전지연구단 디억 헨켄스마이어(Dirk Henkensmeier) 박사 연구팀이 기존의 상용 불소계 전해질막보다 우수한 성능의 고분자 전해질막을 개발했다고 밝혔다. 현재 차세대 에너지저장장치(ESS)에 주로 사용되는 리튬이온전지는 출력 용량이 높지만 화재가 잇따르면서 안전성에 대한 우려가 커지고 있다. 소방당국에 따르면 지난 2017년 8월부터 최근까지 국내에서 발생한 ESS 화재 누적건수는 28회에 이르고 있다. 이에 따라 리튬이온전지의 대안으로 부상하고 있는 ‘바나듐 레독스 흐름전지(VRFB)’는 물 기반의 바나듐 전해액이 산화-환원 반응에서 일으키는 전위차로 에너지를 충·방전하는 배터리이다. 대용량화가 가능하고 배터리 수명이 평균 20년 이상으로 긴 데다 특히 화재 위험이 없어 국내와 해외 모두 관련 기술 개발과 장치 도입을 서두르고 있는 상황이다. VRFB 시스템은 화학 반응에 필요한 이온을 통과·전달하는 이온 분리막이 필요하다. 현재 상업화된 불소계 분리막은 화학적 분해에는 안정적이지만 특정 이온을 선택해 전달하는 성능이 낮아 방전 속도가 빨라진다는 단점이 있다. 이런 문제는 분리막을 두껍게 만드는 것으로 해결할 수 있지만, 이온전달 저항도 함께 증가하기 때문에 전압효율이 낮아진다. KIST 연구진은 이전 연구를 통해 폴리벤지이미다졸(PBI) 고분자막을 사용하면 분리막 두께와 이온전도도 사이의 상충 관계를 감소시켜 에너지 저장 시스템 전반의 비용 절감을 유도할 수 있다는 가능성을 발견한 바 있다. 하지만 이런 장점에도 불구하고 PBI의 상용화를 위해서는 낮은 이온전도도를 극복할 얇은 고분자를 어떻게 만들 것인지 후속 연구가 필요했다. 이에 따라 연구팀은 유효면적 저항을 줄이기 위해 다공성 담지체 위에 4μm(마이크로미터) 두께의 얇은 PBI 스프레이 코팅막을 형성하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 이렇게 개발된 PBI 고분자막은 서울과학기술대학교 권용재 교수팀과 독일 항공우주센터(German Aerospace Center)를 통해 진행된 물성 평가를 통해 200회 이상의 충·방전 사이클 테스트에서 기존 불소계 상용막보다 안정적인 성능을 나타내는 것으로 확인됐다. KIST 디억 헨켄스마이어 박사는 “자체 방전 테스트에서도 기존 상용 분리막이 적용된 장치가 10.7시간 후 방전된 반면 PBI 막을 적용한 장치는 방전까지 16.4시간이 걸렸다”면서 “국경을 맞대고 있는 유럽과 달리 국가 간 전력거래가 어려운 한국이 고효율의 재생 에너지 저장 시스템을 개발하는 데 도움이 되기를 바란다.”라고 밝혔다. 본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원, 한국에너지기술평가기획원의 한국-독일 합동 중소기업 연구 프로그램으로 수행되었으며, 연구결과는 「Journal of Membrane Science」 (IF : 7.02, JCR 분야 상위 1.72 %) 최신 호에 출판되었다. * (논문명) Layered composite membranes based on porous PVDF coated with a thin, dense PBI layer for vanadium redox flow batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정미나 - (제 1저자) 서울과학기술대학교 이원미 - (교신저자) 한국과학기술연구원 디억 헨켄스마이어 책임연구원 - (교신저자) 서울과학기술대학교 권용재 교수 <그림설명> [그림 1] 100 um 두께 PVDF에 스프레이 코팅된 4μm 두께 PBI 막. 양이온은 PBI를 통과하지만, 바나듐 이온은 통과하지 못한다. (copyright Elsevier, J. Membr. Sci.) [그림 2] 3-셀 스택 실험에서 측정한 전하 효율 및 에너지 효율 (60mA/㎠ 전류 밀도를 가지고 PVDF에 지지된 4μm 두께 PBI 막을 사용한 장치와 나피온 117을 사용한 장치의 비교). [그림 3] 전도도와 면저항 측정 데이터 (14μm 두께의 PBI, PVDF에 지지된 4μm 두께의 PBI, 그리고 나피온 212막의 비교) (copyright Elsevier, J. Membr. Sci.)

- 현 시장가격과도 경쟁이 가능한 인공광합성 기술 제안 - 인공지능기술과 자동 공정설계기법을 적용한 경제성평가 방법론 개발 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 이웅, 오형석, 나종걸 박사 연구팀은 꿈의 미래 기술이라고 할 수 있는 인공광합성 기술 분야의 실용화에 가장 높은 장벽으로 여겨지던 낮은 경제성 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. e-케미컬 기술은 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 대량 흡수하는 동시에 청정에너지 및 부가가치를 갖는 화학 원료를 대량 생산할 수 있어 주목받고 있다. 특히 에틸렌, 알콜 등 석유화학제품의 원료가 되는 물질을 생산할 수 있어 기존 화석연료 기반 석유화학산업을 뒤흔들 수 있는 차세대 주력산업으로 기대되고 있다. 하지만 기존의 e-케미컬 기술은 투자비용이 많이 들고 생산성이 부족하여 산업화에 대한 회의적인 시선이 있었다. 석유 화학을 통해 생산한 화학 원료보다는 가격경쟁력이 부족한 것도 사실이었다. KIST 연구진은 e-케미컬의 단점을 극복하기 위해 동시생산공정 기술을 개발하여 현재 시장가격과 비교해도 부족하지 않은 가격경쟁력을 확보해냈다. 기존의 e-케미컬 기술은 물과 이산화탄소를 투입하여 화학 원료를 생산하는데, 그 부산물로 산소가 생성된다. 산소는 경제적 가치가 없어 다른 곳에 사용하지 않고 폐기하는 실정이었다. KIST 연구진은 반응 부산물로 산소가 아닌 고부가가치 화합물을 생성할 수 있도록 유기화합물을 물 대신 사용하였다. 그 결과, 화학 원료 생산 반응을 일으키면 또 다른 화학 원료가 부산물로 생성되는 동시생산공정을 개발할 수 있었다. KIST 연구진은 동시생산공정이 기존보다 더 낮은 전기에너지로도 구현할 수 있으며, 생산된 화합물이 산소보다 비싼 가격에 팔릴 수 있다는 점에 주목하였다. KIS T 이웅 박사는 인공지능기술과 자동공정 설계기술을 적용하여 이 공정을 활용했을 때 최적의 효과를 얻을 수 있는 화합물을 찾아냈다. 공정설계에 필요한 모든 시스템을 고려하여 경제성을 분석한 결과, 실제 산업 시장에서도 가격경쟁력을 가질 수 있음을 확인했다. e-케미컬 기술 연구의 총책임자인 KIST 민병권 본부장은 “본 연구는 e-케미컬 연구를 실험실 수준에서 산업계의 관심으로 옮기기 위해 풀어야 할 숙제인 경제성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있다.”라고 말하며, “본 연구를 통해 제안된 e-케미컬 공정설계안 및 기술경제성평가 방법론은 e-케미컬 분야뿐만 아니라 유사 분야인 인공광합성 및 이산화탄소 자원화 기술의 실용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업으로 수행되었으며 연구결과는 종합 과학 분야 저명 국제 학술지인 「Nature Communications」 (IF : 11.878, JCR 분야 상위 6.52%) 최신호에 ‘Editor’s Highlight Article’로 온라인 게재되었다. * (논문명) General technoeconomic analysis for electrochemical coproduction coupling carbon dioxide reduction with organic oxidation - (제 1저자) 한국과학기술연구원 나종걸 박사((現)Carnegie Mellon University 박사후연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이웅 선임연구원 <그림설명> [그림 1] e-케미컬 이미지

- 전기자동차 고출력 시 전극 소재 성능 저하 메커니즘 분석 플랫폼 구축 - 전기자동차용 차세대 배터리 소재 설계를 위한 발판 마련 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 장원영 박사, 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사 공동연구팀은 전기자동차용 리튬이온배터리의 급속한 배터리 사용 시에 전극 소재의 변형과 전기화학 성능 저하 정도를 규명할 수 있는 플랫폼을 구축했다고 밝혔다. 최근 전기자동차가 주목받으면서 동력원인 리튬이온전지의 우수한 성능 및 수명을 유지할 수 있게 하는 것에 관심이 쏠리고 있다. 즉, 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력 장수명의 전지를 개발하는 것이 핵심이다. 전기자동차용 리튬이온전지는 기존의 소형 리튬이온전지와는 다르게 급가속 등 고출력이 필요한 상황에서도 문제없이 사용 가능해야 한다. 고출력으로 리튬이온전지를 사용하게 되면 전지가 급속도로 방전되게 된다. 이렇게 급속하게 충·방전되는 조건에서는 완속 충·방전 시에 얻을 수 있는 전지의 용량보다 훨씬 줄어들게 되는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 고출력의 충·방전의 반복은 결국 리튬전지의 수명을 크게 감소시켜 전기자동차 시장 확대를 어렵게 하는 원인이었다. KIST 장원영 박사 연구팀은 이전 연구에서 3원계(Ni, Co, Mn) 양극(+) 물질 소재를 분석하여 리튬이온전지를 급속으로 충전할 때 일어나는 전지의 성능 저하를 분석할 수 있는 플랫폼을 구축한 바 있다.(※J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 23, 5758-5763) 이번에는 다른 양극 물질인 ‘하이-니켈계 소재(NCA)’를 분석하여 배터리의 과도한 사용으로 인해 빠르게 방전될 때 일어나는 성능 저하를 규명하였다. KIST 연구진은 리튬이온전지의 급속 충·방전 등 전기차의 다양한 주행환경에서 작동 오류 및 안전사고를 초래할 수 있는 전극 소재의 변형을 분석했다. 연구진은 다양한 투과전자현미경 분석기법(고분해능 이미징 기법, 전자에너지 분광분석법, 전자회절 분석법 등)을 활용하여 각각 마이크로·나노 스케일에서 전극 구조를 관찰·분석하였다. 이를 통해 급가속 등의 빠른 속도의 방전 현상은 양극으로 전달되는 리튬이온의 양을 제한하며, 이 결과로 불완전하게 회복된 전극 물질의 내부 변형이 결국 전지 용량 감소와 수명 단축의 요인임을 밝혔다. 특히 고용량 사용을 위하여 고전압으로 충·방전을 하게 되면 이러한 전극 구조의 불안정성은 더욱 높아짐을 확인하였다. KIST 연구진은 성능 저하로 이어지는 전극 내부구조에서 일어나는 미세한 초기변화를 다양한 범위에서 한눈에 확인할 수 있는 전지 소재의 성능 저하 분석 플랫폼을 확립하였고, 전지 소재의 성능 저하 메커니즘을 규명하였다. KIST 장원영 박사는 “본 연구를 통해 전기자동차의 급가속 시 불규칙한 전지 소재 내부 변형으로 인한 배터리 성능 저하 메커니즘을 밝혀냈다.”라고 말하며, “이를 바탕으로 향후에는 급가속 시에도 배터리의 성능에 문제가 없는 안정한 배터리 소재 개발을 위해 매진할 계획이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘Angewandte Chemi’ (IF:12.257, JCR 분야 상위 9.59%) 최신호에 표지 논문으로 게재될 예정이다. * (논문명) In-depth TEM Investigation on Structural Inhomogeneity within a Primary LixNi0.835Co0.15Al0.015O2 Particle: Origin of Capacity Decay during High-rate Discharge - (제 1저자) KIST 이혜수 연구원(現 삼성SDI 연구원) - (제 1저자) KIST 조은미 연구원(박사과정) - (교신저자) KIST 에너지저장연구단 장원영 박사(책임연구원) - (교신저자) KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터 김승민 박사(책임연구원) <그림설명> [그림 1] 전기자동차 전극소재인 니켈계 양극재(NCA)의 고율 방전 시 전압 조건에 따른 전지 용량 감소 변화 및 표면 및 벌크 내부구조 변화와의 상관관계 도식도 [그림 2] <표지 논문 이미지> 전기자동차가 급가속 등 고출력으로 주행할 때, 전지의 성능이 감소하는 현상 이미지

- 식량이 아닌 목질계 바이오매스로부터 청정 바이오연료 생산 - 저해물질이 있는 상태에서도 고농도 바이오연료 생산 가능한 신규 미생물 개발 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 고자경, 이선미 박사팀은 목질계 바이오매스를 이용, 고농도의 바이오연료를 생산할 수 있는 미생물을 개발하여 2세대 바이오매스 상용화의 가능성을 크게 높였다고 밝혔다. 바이오연료는 온실가스 및 미세먼지를 저감시킬 수 있는 청정연료로서 전 세계적으로 휘발유나 경유에 혼합되어 사용되고 있다. 현재 바이오연료는 전분, 당, 식물성 기름 등과 같은 작물을 원료로 생산하고 있는데, 식량을 활용하여 연료를 만들어 낸다는 윤리적 논란이 있다. 이를 대체하기 위해 연간 생산량이 약 1000억 톤에 달할 만큼 지구상에 가장 풍부하게 존재하는 목질계 바이오매스를 원료로 활용하는 2세대 바이오연료 생산 기술이 개발되고 있다. 하지만 목질계 바이오매스는 전환공정에서 바이오연료를 생산하는 미생물의 활동을 억제하는 물질이 발생하여 생산 효율이 낮아지는 문제로 상용화되지 못하고 있었다. KIST 연구진은 이러한 미생물의 억제물질에 의한 성능 저하를 극복하여 고농도 바이오연료 생산이 가능한 신규 미생물을 개발했다. 유전자 가위를 이용하여 바이오연료 생산 미생물의 유전체를 편집하고, 자연계에서 발생하는 진화의 과정을 실험실 안에서 단시간 내에 효과적으로 유발하는 공법(적응진화공법)을 적용했다. 이를 통해 바이오연료 생산 미생물의 성능을 저해하는 대표적인 물질인 아세트산에 대한 저항성이 강화된 신규 미생물을 개발하였다. 이 신규 미생물을 활용하면 기존 바이오연료 생산 시 버려지던 성분으로부터 이론적 최대치의 98% 수율로 바이오연료를 생산할 수 있었다. 특히, 설탕을 추출하고 버려지는 사탕수수 부산물로는 세계최고의 수율로 바이오연료를 생산할 수 있었다. 또한, 그동안 개발된 바이오연료 생산 미생물은 특정 바이오연료만 생산할 수 있었던 것에 반해 KIST 연구진이 개발한 미생물은 유전자 가위를 이용한 유전체 편집기술을 활용하여 개발되었기 때문에, 추가적인 연구를 통하여 바이오연료뿐 아니라 바이오플라스틱, 바이오폴리머 등의 생산이 가능한 플랫폼 미생물로서도 활용 가능하다. KIST 이선미 박사는 “이번 연구성과는 기존에 상용화된 1세대 바이오연료의 한계를 넘어서 지속가능성과 경제성이 향상된 2세대 바이오연료의 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 기술이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 이공분야 기초연구사업(대통령Post-Doc.펠로우십)으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Global Change Biology Bioenergy’ (IF: 4.849, JCR 분야 상위 0.562%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Improved bioconversion of lignocellulosic biomass by Saccharomyces cerevisiae engineered for tolerance to acetic acid - (제 1저자) 한국과학기술연구원 고자경 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이선미 선임연구원 <그림설명> [그림 1] 고효율 바이오연료 생산 미생물 개발 전략 모식도

- 신개념 효소 표적 형광물질로 몸속의 염증 변화 실시간 추적 - 염증 관련 효소 영상화 기술 및 염증성 질환 치료제 연구에 응용 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 테라그노시스연구단 권익찬 박사팀은 서울대학교 의과대학 조남혁, 김혜선 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 암, 치매, 패혈증 등 만병의 원인인 염증을 영상으로 관찰하고 추적할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술을 활용하면 체내 염증 효소의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있어 다양한 염증성 질병의 조기진단이 가능하다. 염증성 질환은 가장 광범위한 질환으로 사망률 1위인 암, 퇴행성 질환인 알츠하이머병, 세균 감염으로 인한 패혈증까지 다양한 질병들이 해당된다. 이들은 모두 염증 반응의 조절이 제대로 이뤄지지 않아 생기는 질병이다. 따라서 염증에 관한 심층 연구는 다양한 질환을 진단하거나 치료하는 데 도움을 줄 수 있다. 관절염, 통풍, 알츠하이머병 등과 같은 염증성 질환들은 공통적으로 특정한 단백질(인플라마좀)이 활성화된다는 사실이 알려지면서 이를 추적하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 그러나 기존의 기술은 체내에서 인플라마좀의 활성화를 시공간적으로만 분석한다는 한계를 가졌다. 몇몇 연구의 경우 유전자 조작을 하여 실시간 관찰을 유도하였으나 유전자 조작이 필요하기 때문에 연구 목적으로만 사용 가능했다. KIST 연구진은 염증성 효소인 캐스페이즈-1을 관찰하기 위해 이 효소에 의해 절단되는 물질을 활용했다. 이 물질에 빛을 발하는 형광물질과 빛을 억제하는 소광물질을 결합하였다. 이를 통해 형광 신호의 노이즈를 줄이고 민감도를 극대화하여 영상화에 활용할 수 있는 형광물질을 만들어 냈다. KIST 연구진은 개발한 형광물질을 알츠하이머병, 대장염, 암 등의 다양한 동물실험에 투여하여 실시간 캐스페이즈-1의 변화 영상을 얻을 수 있었다. 이 기술은 염증 초기에 관여하는 효소를 빠르고 직접적으로 관찰할 수 있으므로 염증성 질환을 조기 진단할 수 있다. 또한, 이 형광물질은 독성이 없고 체내에서 빠르게 분해되어 생체적합성이 높다. KIST 권익찬 박사는 “이 기술을 활용하면 실시간으로 염증 물질을 모니터링하고, 염증성 질환의 조기 진단과 치료제 개발 및 효능을 평가하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 바이오의료기술개발사업 및 분당서울대학교병원의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 생체재료 분야의 국제학술지 ‘Biomaterials’ (IF:10.273, JCR 분야 상위 1.56%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Non-invasive in vivo imaging of caspase-1 activation enables rapid and spatiotemporal detection of acute and chronic inflammatory disorders - (제 1저자) 한국과학기술연구원 고영지 박사 과정 - (제 1저자) 서울대학교 의과대학 이재원 박사 과정 - (제 1저자) 서울대학교 의과대학 양은정 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 권익찬 책임연구원 - (교신저자) 서울대학교 의과대학 조남혁 교수 - (교신저자) 서울대학교 의과대학 김혜선 교수 <그림설명> [그림 1] 펩타이드 기반 캐스페이즈-1 효소 표적 형광체의 모식도 간편하고 민감도 높은 캐스페이즈-1 효소 검출을 위한 캐스페이즈-1 효소 표적 형광체의 모식도. 캐스페이즈-1 효소에 반응하여 형광을 낼 수 있는 기술로 체내에서 실시간 형광 영상화가 가능한 기술. [그림 2] 다양한 염증성 질환 모델에서 캐스페이즈-1 효소 표적 형광 영상화 기술을 통한 조기 진단 영상 캐스페이즈-1 효소 표적 형광 영상 기술을 이용해 다양한 염증성 질환 (알츠하이머병, 대장염, 암) 모델에서 조기 진단 영상화. 각기 병변이 나타나기 전 캐스페이즈-1 효소 검출에 따른 조기 진단이 가능함을 확인할 수 있었음.