고성능/고안정성 리튬음극 및 실리콘복합재 음극 설계 및 제조 연구 아이엘사이언스가 설립한 ‘차세대 이차전지 R&D 센터’(가천대소재)의 고재환 박사와 송성근 대표이사가 공동저자로 저술한 논문이 최고 권위의 국제 학술지 ‘카본(Carbon)’에 등재됐다. ‘차세대 이차전지 R&D센터’의 고재환 박사, 아이엘사이언스의 송성근 대표, 가천대학교 ‘전지 및 에너지 변환 연구소’(Energy Materials Lab)의 윤영수 교수 및 석사과정 강하은씨가 공동으로 저술해 발표한 논문의 제목은 ‘리튬이온배터리용 실리콘의 부피 팽창을 억제하고 전기 전도도를 높이기 위한 탄소 나노튜브와 그래핀을 활용하는 최근의 진전’이다. 아이엘사이언스와 가천대 연구진은 전고체 전지를 위한 차세대 음극(리튬음극, 실리콘음극)을 개발 중이며, 2019년부터 2023년까지는 실리콘음극 고성능화(부피팽창 억제, 실리콘함량 증대) 연구를 진행했다. 고재환 박사는 “실리콘은 높은 이론 비용량, 낮은 작동전위, 풍부한 자원 등이 장점으로 리튬과 마찬가지로 유망한 음극물질”이라며, “본 논문은 실리콘 음극의 고성능화를 위해 고강도/고전도성 카본나노 소재인 탄소 나노튜브와 그래핀을 활용한
첨단신소재 기업 그래핀스퀘어는 내년 1월 열리는 세계 최대 IT 전시회 CES(Consumer Electronics Show) 2023 개막에 앞서 최고 혁신상을 수상했다고 17일 밝혔다. CES를 개최하는 CTA는 16일(미국 현지시간) 뉴욕에서 진행된 '최고혁신상(Best of Innovation)' 발표행사에서, 그래핀스퀘어의 '그래핀 라디에이터'를 포함한 30개의 미래 혁신제품을 공개했다. CES 최고혁신상은 CES 혁신상 중에서도 가장 뛰어난 혁신을 이루어낸 제품에만 주어지는 영예로, 전 세계 8000여 업체가 참여한 지난 1월 CES에서는 574개 혁신상 중 31개 만이 최고혁신상에 선정되었을 정도로 경쟁이 치열하다. 그래핀 라디에이터는 세상에서 가장 얇고, 강한 물질인 그래핀의 뛰어난 발열성을 이용한 신개념 난방 가전이다. 홀로그램 디스플레이를 통해 다양한 영상과 정보를 실감 나게 표시할 수 있을 뿐 아니라 'Z' 모양의 폴더블 구조로 간단하게 접어 휴대하는 것도 가능하다. 그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양으로 연결되어 단층의 평면을 이루고 있는 첨단 나노소재로 강철보다 강하고 구리보다 전도도가 좋다. 전자의 이동 속도가 실리콘의 100배에 이르
베이징대와 공동 연구…"차세대 전자기기 재료로 사용 가능" 울산과학기술원(UNIST)은 그래핀을 10만 층 높이로 쌓아 '완벽한 단결정 흑연'을 합성했다고 30일 밝혔다. UNIST에 따르면 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding) 교수는 중국 베이징대 연구팀과 공동으로 단결정 흑연 필름을 합성하는 데 성공했다. 개발된 흑연은 일반 흑연보다 열이나 전기의 전도성이 뛰어난 데다 얇고 유연해, 붙이거나 접을 수 있는 배터리와 휴대전화 등 차세대 전자기기에 쓰일 수 있다. 흑연은 판상형 물질인 그래핀이 켜켜이 쌓여 있는 형태인데, 이 그래핀 층들은 서로 고정하는 힘이 스카치테이프로 떼어낼 수 있는 수준으로 약한 특성이 있다. 이러한 특성 대문에 역으로 그래핀을 쌓는 방식으로는 고품질 흑연을 합성하기 어렵다. 층 사이가 잘 고정되지 않아 그래핀들이 쉽게 다결정 형태로 으스러지는데, 결정이 여러 개로 분리된 다결정은 단결정보다 품질이 떨어진다. 연구팀이 합성한 흑연 필름은 천연 흑연이나 기존 인조 흑연과 달리 완벽한 단결정 형태다. 흑연 필름 면적은 1제곱인치에 이를 만큼 크며, 내부 불순물도 0에 가깝다. 그래핀 층간 간격도 이제껏 나온 어떤 흑연보다 조밀하다. 간격
반도체 활용에 적절한 밴드갭과 높은 전도성 가져…Chem 8월 30일자 발표 가볍고 잘 휘어지는 ‘유기 반도체’를 실제 반도체 소자에 응용할 가능성이 열렸다. 실리콘 같은 ‘무기 반도체’에 못 미치던 성능을 보완한 새로운 ‘2차원 유기 반도체 소재’가 합성된 덕분이다. UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 ‘방향족 고리화 반응’을 통해 ‘HP-FAN 2차원 유기 고분자 구조체’를 합성했다. 이 물질은 반도체로 활용하기 적절한 ‘밴드갭(Band-gap)과 높은 점멸비(On/off), 전하이동도(Mobility)’를 가지고 있어 실제 반도체 소자로 활용이 가능할 전망이다. 현재 사용 중인 ‘실리콘 반도체(무기 반도체)’는 딱딱하고 무거워 ‘돌돌 말리는 디스플레이’나 ‘입는 전자기기’에 적용하는 데 한계가 있다. 이를 대체할 반도체 물질로 가볍고 유연하며 단단하고 전기가 잘 통하는 ‘그래핀’이 주목받았으나 그래핀의 밴드갭이 너무 작아 점멸비가 낮고 결국은 반도체 내에서 전류 흐름을 통제하기 어렵다는 문제가 있었다. 그래핀처럼 유연하고 가벼울 뿐 아니라 공정비용이 낮고 물성 조절이 쉬운 ‘유기 반도체’ 연구가 활발히 진행 중이지만, 유기 반도체 역시 소재 내부
그래핀/탄소나노튜브 복합 전극을 활용한 1분 이내 충전 가능한 고성능 알루미늄 배터리 개발 리튬이온 배터리는 스마트폰과 같은 모바일 기기, 전기자동차에 이르기까지 다양하게 사용되고 있다. 하지만 짧은 수명, 폭발 위험성, 리튬의 희소성에 따른 가격 변동성이 커 리튬이온 배터리의 대안을 찾으려는 노력이 계속되고 있다. 이러한 가운데 국내 연구진이 그래핀/탄소나노튜브 복합 전극을 활용해 1분 이내 초고속 충전이 가능한 고성능 알루미늄 배터리를 개발했다. 한국에너지기술연구원은 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구진이 목포대학교(유충열 교수), UC 버클리 대학, 하버드 대학과 공동연구를 통해 초고속 충전 가능한 차세대 알루미늄 배터리의 전하저장 메커니즘 및 핵심 성능을 규명하고, 이를 통해 그래핀/탄소나노튜브 복합 전극을 이용한 초저가, 초고속 충전, 장기간 사용이 가능한 고성능 알루미늄 배터리 개발에 성공했다고 밝혔다. 알루미늄은 독성과 폭발 위험성이 없고 재활용 가능하며 지구상에서 3번째로 많은 원소로 가격이 저렴해 수급이 용이하다. 알루미늄을 이용한 이차전지는 알루미늄 이온을 사용해 에너지를 저장하는 최신 기술로 상용 배터리를 대체할 수 있는 안전한 대안으로 주
IBS 나노구조물리 연구단, 그래핀 단점 보완한 ‘홀리그래파인’ 합성 기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대학교 교수) 연구팀이 반도체 특성을 띠는 새로운 2차원 탄소 동소체인 ‘홀리그래파인’을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 반도체 구현이 어려운 그래핀의 단점을 보완하는 물질을 합성함으로써 광전자공학, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 대표적인 탄소 동소체는 다이아몬드와 흑연이다. 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브 등 현대에 발견된 다양한 탄소 동소체는 나노물질 과학에 혁명을 일으키고 있다. 특히 그래핀의 전자 이동 속도는 실리콘의 140배에 이르고 강도는 강철의 200배에 달하여 꿈의 소재로 각광을 받았다. 하지만 그래핀은 밴드갭이 없어 반도체로 사용하기에 한계가 있다. 밴드갭이 존재해야 때로는 전기를 통하게 하고 때로는 통하지 않게 하는 반도체로 활용할 수 있다. 그래핀의 한계를 보완하기 위해 빠른 전하 이동 속도를 가지는 동시에 밴드갭 조절이 가능한 새로운 유형의 2차원 탄소 동소체를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀에 물리적·화학적 방법으로 구멍을 생성하면 전류의 흐름을 방해하여
그래핀 용도에 맞게 두께 조절할 수 있는 합성법 단서...Adv. Mater. 게재 UNST 신소재공학과 펑 딩·이종훈 교수 연구팀(이상 IBS 다차원탄소재료 연구단)이 나선 은하 모양으로 합성된 그래핀 흡착층을 최초로 발견하고 이를 새로운 이론으로 규명해 냈다고 29일 밝혔다. 흡착층(adlayer)은 그래핀 층 아래에 덧대어 생기는 또 다른 그래핀 층이다. 이번 연구는 용도에 맞게 그래핀 층수를 조절할 수 있는 합성법 개발에 단서가 될 전망이다. 그래핀은 탄소 원자 한 개 두께의 2차원 물질로 알려져 있지만 실제 합성된 그래핀은 탄소 원자가 여러 층으로 쌓인 형태가 많다. 층수에 따라 특성도 다르다. 두 겹 그래핀으로는 끄고 켤 수 있는 반도체 소자를 만들 수 있지만 한 겹은 불가능하다. 대신 전하이동도가 두 겹 그래핀보다 뛰어나다. 용도에 맞게 그래핀을 층수별로 합성할 수 있는 기술 개발이 중요한 이유다. 딩 교수 연구팀은 기존의 확률 기반 모델링(kinetic Monte Carlo simulation) 등을 개량해 그래핀이 나선 형태로 합성될 수 있었던 원인을 분석해 냈다. 그래핀은 물론이고 다른 물질에서도 이러한 나선형 구조가 발견된 적이 없어 기존
매우 낮은 온도에서 전기 저항이 ‘0’이 돼 전류가 흐르는 물질을 초전도체라고 한다. 이 초전도체는 대용량의 전류를 에너지 손실 없이 보낼 수 있어 MRI, 자기부상열차 등 다양한 기술에 활용될 수 있다. 특히 비싼 액체헬륨을 사용하는 저온초전도체와 달리, 고온초전도체는 값이 싼 액체질소를 사용할 수 있지만 작동원리가 아직 베일에 싸여 있다. 이 가운데 최근 국내 연구진이 두 조각의 초전도체를 비틀리게 쌓아 고온초전도체의 원리를 확인했다. 포스텍 물리학과 이후종 명예교수·이길호 교수, 통합과정 이종윤 씨 연구팀은 산화구리 기반 Bi2Sr2CaCu2O8+x(이하 Bi-2212) 조각의 각도를 비틀어 쌓음으로써 고온초전도체의 비등방 초전도성을 검증했다. 같은 물질이더라도 각도를 비틀어 쌓으면 지금까지 존재하지 않았던 물성이 나타날 수 있다. 초전도체가 아닌 두 개의 그래핀을 약 1.1도 비틀어 쌓으면 초전도성을 띠는 현상이 그 예다. 그래핀은 결정 방향과 관계없이 물성이 동일한 등방성 결정층인데, 방향에 따라 물성이 달라지는 비등방성 결정층의 경우 비틀어 쌓는 각도에 따라 물성이 더 극적으로 바뀐다. 특히 비등방성 결정 구조에서 비롯하는 비등방 초전도성은 고온초
헬로티 조상록 기자 | 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 ‘그래핀(Graphene)’ 나노구조를 모델로, 탄소소재의 초미세 결함을 분광분석법으로 찾아낼 수 있음을 세계 최초로 밝혀냈다. 핵심은 여기에 ‘그래핀(Graphene)’ 나노구조 모델을 활용했다는 것이다. 그래핀 구조란 탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 서로 연결돼 있는 0.2 나노미터(㎚) 두께의 평면 구조로, 다양한 탄소소재 분석 연구의 기초 모델이 된다. 따라서, 이번 연구결과는 향후 ▲초경량·고강도 특성의 탄소섬유복합재(CFRP), ▲흑연 및 활성탄 기반의 에너지저장소재, ▲나노탄소 기반의 차세대 전자소재 등 여러 소재 분야의 결함분석 기초데이터로 활용될 것으로 전망된다. 탄소소재 내부에 존재하는 나노 단위의 초미세 결함은 안정적인 육각형 벌집구조를 깨뜨려 소재 고유의 전기적, 화학적 물성을 변질시킨다. 이 경우, 원하는 용도로 쓰기 위한 물성 최적화 작업이 어려워지기 때문에 산업적 활용 확대 및 소재 자립을 위해서는 정확한 결함분석이 매우 중요하다. 지금까지의 나노결함 분석은 현미경을 활용한 ‘형상분석법’이 주류였는데, 현미경이 닿는 일부 겉면 구조만 볼 수 있어 내부를 비롯한 전체를 관
헬로티 함수미 기자 | KBI그룹이 그래핀 복합소재 사업 협력을 위해 넥스젠그래핀폴리머스와 업무 협약식을 개최했다고 27일 밝혔다. 이번 협약을 통해 KBI그룹은 넥스젠그래핀폴리머스가 개발한 그래핀 복합소재를 활용한 관련 제품들의 시장성을 확인하고 구체적인 협력관계를 정의해 향후 그룹의 계열사를 통해 국내외 판매 확대는 물론 신기술 소재사업 협력체제를 구축할 예정이다. 최근 가장 주목받고 있는 첨단소재인 그래핀 복합소재 제품은 기계적 물성강화, 전자파차폐, 정전기방지, 높은 열전도성, 원적외선 방출 외 친환경적이고 인체친화적 다중효과를 기대할 수 있는 꿈의 소재로 주목받고 있다. KBI그룹은 국내 유일하게 특허기술로 인정된 그래핀복합소재 자동화 양산설비를 갖추고 소비재에서 산업재까지 폭넓은 그래핀응용제품을 출시한 넥스젠그래핀폴리머스와 협력한다. 우선 ▲차량용 및 일반용 냉공조 시스템에 사용되는 에어필터 ▲그래핀이 함유된 섬유 원사 및 원단 ▲그래핀 복합폴리머소재 및 기타 응용 제품 등 주요 협력 제품 3가지를 선정했다. KBI그룹은 그래핀 복합소재 제품 라인업을 KB오토텍, 갑을합섬, KBI코스모링크 등 적용이 가능한 계열사에서 생산하는 다양한 제품에 적용해
헬로티 서재창 기자 | 그래핀 같은 2차원 신소재는 금속 기판을 ‘밭’ 삼아 그 위에서 합성된다. 증기상태의 원료를 기판에 달라 붙여 얇은 막을 형성하는 방식이다. 이 방식은 기판 특성이 2차원 소재의 품질에 큰 영향을 주기 때문에 기판을 잘 고르는 것이 중요하다. UNIST 연구진이 새로운 기판 선택 기준을 내놨다. UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding) 교수(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더)팀은 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하기 위해 필요한 기판 선택 기준을 이론적으로 제시했다. 같은 물질이더라도 단결정 형태는 다결정 형태보다 품질이 우수하다. 이론 계산 결과에 따르면 기판 단면에 계단 모양 구조가 더 조밀한 고 밀러지수 기판이 2차원 물질을 단결정 형태로 합성하는 데 적합한 것으로 나타났다. 밀러 지수는 물질의 단면 모양을 수학적 기호로 표현한 것이다. 수박을 가로 또는 세로로 잘랐을 때 단면 모양이 다른 것처럼 원자가 차곡차곡 쌓인 구리 같은 금속 기판도 절단 방향에 따라 단면 모양이 달라진다. 단면을 대각으로 자른 고 밀러지수 면(high index surface)은 원자가 한 층씩 계단처럼 쌓인 구조(step ed
헬로티 이동재 기자 | 고용량 리튬이온전지용 복합 음극재의 상용화가 눈앞이다. 한국전기연구원(이하 KERI)이 개발한 ‘고용량 리튬이온전지용 실리콘/그래핀 복합 음극재 대량 제조기술’이 기업체에 11억원에 기술이전됐다. KERI 전기재료연구본부 소속의 나노융합연구센터 이건웅·정승열 박사팀, 차세대전지연구센터 김익준·양선혜 박사팀이 공동으로 개발한 이 기술은 전기차 및 스마트폰 등에 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재인 ‘실리콘(Si)’의 단점을 보완한다. 리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘은 기존에 사용되던 흑연보다 에너지 밀도가 10배나 높고 충·방전 속도도 빠르다는 장점을 가지고 있지만, 충·방전 시 부피 팽창(3배 수준) 문제와 전기 전도도가 낮다는 단점이 있다. 또한 실리콘 입자가 부서지거나 전극 박리 및 연속적인 전해액 분해 반응으로 인해 전지 성능을 급격히 감소시킬 수 있다는 점도 있어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 이러한 이유로 실리콘의 장점은 살리면서 단점을 보완해주는 소재의 복합화 연구가 국내·외에서 활발하게 진행돼 왔다. 이에 KERI가 주목한 소재는 ‘그래핀’이었다. 그래핀은 2차원 탄소나노소재로서 전도성이 매우 우수하고,
헬로티 이동재 기자 | 국내 연구진이 전기가 잘 통해 전자 재료로 쓸 수 있는 수준의 고품질 그래핀(Graphene)을 대량 생산할 수 있는 기술을 새롭게 개발했다. 유연하고 투명한 그래핀으로 만든 디스플레이 전극 등의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다. UNIST 에너지화학공학부의 장지현 교수팀은 탄소가스 배출 없이 고품질 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 촉매 환원법 기반 기술을 개발했다. 합성하기 쉬운 산화 그래핀을 대량으로 만든 뒤, 산화 그래핀의 산소를 제거해(환원) 고품질 그래핀을 얻는 방식이다. 산소만 선택적으로 제거할 수 있는 산화구리철(CuFeO2) 촉매를 써서, 그래핀 구성 원소인 탄소가 같이 제거되고 탄소가스가 배출되는 기존의 문제를 해결했다. 그래핀은 탄소 원자가 6각형 벌집구조로 결합된 평판형 물질이다. 전선 재료인 구리보다 전기가 더 잘 통할 뿐 아니라 투명하고 유연해 새로운 전극 소재로도 주목받는다. 하지만 전자 재료로 쓸 정도로 전기전도도가 우수한 그래핀을 대량으로 합성하기는 쉽지 않다. 증기 상태 그래핀 원료를 금속 기판위에 하나씩 이어 붙여 얻는 수준의 방식(CVD; Chemical Vapor Disposition)은 대량 생
[헬로티] 한국광기술원은 AI에너지연구센터 손명우 박사팀이 저온 합성공정 기술을 이용, 반도체 전극의 물리적 손상을 방지하는 고성능 그래핀-구리 적층 배선 제작 기술을 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다. 그래핀 저온 대면적 합성 기술을 기반으로 한 이 기술은 반도체와 디스플레이 분야에 폭넓게 적용이 가능하다. 그래핀은 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 '꿈의 신소재'로 불리는 물질이다. 지금까지 그래핀-구리 배선은 800℃ 이상의 고온에서 저압 화학 기상 증착법을 활용, 구리 호일 위에 그래핀을 합성하고 구리 배선에 전사해 제작하지만, 고온으로 인해 배선 기판이나 반도체에 물리적 손상이 발생하는 문제를 안고 있다. 저온의 화학기상증착법에 플라즈마를 적용해 그래핀을 구리 배선에 직접 합성하는 방식을 사용하지만 플라즈마의 높은 에너지로 그래핀의 물리적인 손상은 여전히 해결되지 않고 있다. 손 박사팀은 이러한 문제 해결을 위해 벤젠이나 피리딘 등의 액상 탄소소스를 그래핀 공정에 사용, 400℃ 이하의 저온 상압 화학기상증착법으로 기판이나 반도체의 물리적 손상 없이 그래핀-구리 배선 제작에 성공했다. 또 아르곤 가스를 주입하는 정화공정을 새롭게 개발해 저온
[헬로티] "그래핀 산업적 응용에 기여" 한국연구재단은 아주대 이재현 교수·목포대 손석균 교수·삼성디스플레이 조성호 상무 공동 연구팀이 흑연에서 그래핀을 결점 없이 떼어내는 박리법을 개발했다고 1일 밝혔다. 그래핀은 흑연의 한 층에서 떼어낸 벌집 모양의 2차원 물질이다. 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 '꿈의 신소재'로 불린다. 기존에는 테이프로 흑연의 표면에서 그래핀을 기계적으로 떼어내는 박리법이 주로 쓰이지만, 그래핀의 두께가 수 ㎚(나노미터·100만분의 1㎜) 수준으로 얇아 층수와 면적을 제어하기 어렵다. 흑연과의 결합력이 큰 팔라듐과 니켈 등으로 표면을 코팅하고 테이프를 떼어내면 생각했던 것보다 균열이 커져 그래핀이 너무 두꺼워지게 된다. 연구팀은 테이프로 떼어낼 때 생기는 균열의 크기와 방향을 원자 수준에서 제어해 원하는 면적과 층수의 그래핀을 얻는 데 성공했다. 그래핀 층 간 결합력과 비슷한 수준의 금(Au)으로 흑연 표면을 코팅한 뒤 테이프로 떼어내면 균열이 수직 방향이 아닌 수평 방향으로 생겨 단층의 그래핀만 분리해낼 수 있다. 그림. 흑연에서 그래핀을 박리하는 방법 모식도 (출처: 연합