| 초록 |
□ 연구 목표 및 내용 ◼ 최종 목표 본 연구에서는 신규 동전기적 에너지 변환 소재개발을 통해서, 물과 나노소재의 상호작용에 기반한 에너지 변환 효율이 높으며 안정적인 증산(Transpiration) 기반 에너지 하베스팅 시스템 개발과 앞과 동일한 에너지 변환 원리를 활용한 중금속 양이온 환경 센서의 개발을 목표로 함. 구체적인 세부연구목표로는 1) 고전도성, 친수성, 선택적 이온 투과성 및 화학 퍼텐셜의 구배가 조절된 복합나노소재의 개발을 통해 고효율, 안정성의 수 mW급 동전기적 에너지 변환 소재의 개발, 2) 물에 포함되어 증산 기반 에너지 하베스터의 에너지 효율 및 에너지 생성 시간을 증가할 수 있는 금속유기 구조체 및 광산화합물 기반 기능성 첨가제 개발, 3) 물속 양이온과 나노소재의 상호작용에 기반한 동전기적 에너지 변환 현상을 활용한 전자식 중금속 양이온 검출 환경 센서를 개발함. 4) 최종적으로 친환경 고성능 증산 기반 에너지 하베스터로 얻은 전기에너지로 중금속 양이온 환경 센서를 구동하는 융복합기술의 연구를 통하여 수질환경점검용 사물인터넷 융복합 시스템의 원천기반기술을 확립하고자 함. ◼ 전체 내용 본 과제는 물과 나노소재의 상호작용으로 인한 동전기적 에너지 변환 원리를 이용한 친환경, 고성능 증산(Transpiration) 기반 에너지 하베스터와 신개념 중금속 양이온 환경센서 개발에 관한 것으로, 소량의 물(약 100 μL)로 시간과 장소의 제한 없이 자가발전이 가능한 친환경 에너지 하베스터의 개발과 극소량의 시료(10 μL)로 수용액 상의 중금속 양이온을 검출할 수 있는 일회용 전자식 환경 센서의 개발을 본 과제의 연구기술로 정의함. - 본 연구는 물과 나노소재의 동전기적 에너지 변환을 극대화, 안정화가 가능한 복합나노소재의 개발을 포함하며, 구체적으로 1) 고전도성 및 친수성 나노판상 금속산화물인 맥신(MXene)과 전도성 나노소재(그래핀, 전도성 고분자)를 이용하여 액정기반 복합나노소재를 개발을 통해 단일 소자 수mW 전력급의 고효율 증산 기반 에너지 하베스터 개발, 2) 대면적 밀리초(Miliseconds) 광소결 공정을 이용한 화학 퍼텐셜 구배 조절 기술을 개발하여, 산화그래핀의 구조적, 화학적 구배 제어를 통한 장수명 및 고안정성 에너지 하베스터 개발, 3) 전도성 고분자의 선택적 이온투과 성질에 따른 이온-나노 소재의 동전기적 에너지 변환 성질을 연구하고, 이를 이용하여 다양한 이온이 포함한 바닷물, 폐수 등 활용도가 낮은 수자원을 활용해도 구동이 가능한 친환경 에너지 하베스터 개발을 진행할 예정임. - 본 연구는 에너지 효율 및 에너지 생성 시간을 높여주는 증산 기반 에너지 하베스터용 기능성 첨가제를 개발하는 것을 포함하며, 4) 수분 흡착성 금속유기 구조체(Metal-organic framework)를 이용한 저습 환경(사막, 겨울철)에서도 안정적으로 수분을 자가 흡수하여 에너지를 생산할 수 있는 저습환경용 자가발전 첨가제 개발. 5) 빛 에너지를 받으면 가역적으로 수소 이온을 생성할 수 있는 광산화학물을 동전기적 에너지 변환 물질에 적용하여 빛 에너지를 이용하여 추가로 에너지를 효율을 높일 수 있는 첨가제 개발을 진행할 예정임. - 본 연구는 6) 개발한 여러 종류의 동전기적 에너지 변환 소재와 수용액상의 양이온의 상호작용으로 인한 전압, 전류, 저항의 신호 차이를 분석하여, 신개념의 중금속 양이온 검출용 일회용 전자식 환경 이온 센서의 개발을 진행할 예정임. - 궁극적으로 개발한 증산 기반 친환경 자가 에너지 하베스터에서 얻은 전기에너지를 중금속 양이온 환경센서를 구동하는 전력원으로 사용하는 기술 연계를 통하여, 강과 저수지 등 다양한 위치에 설치되어 원격으로 수질검사가 가능한 환경 센서의 사물인터넷 원천기반기술 개발을 목표로 함. ◼ 1단계 ❏ 연구 목표 (1) MXene(Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub>x</sub>)을 이용한 에너지 하베스팅 시스템 개발 (2) 전도성 고분자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템 개발 (3) 광산화합물(Photoacid)을 이용한 신개념 액체 기반 태양전지 개발 (4) 동전기적 변환 현상을 이용한 수질환경 관리를 위한 양이온 검출 환경 센서 개발 ❏ 연구 내용 (1) Ti<sub>3</sub>C<sub>2</sub>T<sub>x</sub> MXene을 이용한 증산 기반 에너지 하베스터 (MTEPG)를 제작하고, 맥신이 가진 뛰어난 전도성과 친수성이 에너지 하베스팅에 미치는 영향을 분석함. MTEPG는 높은 에너지 생성량을 기반으로 소형 배터리를 충전할 수 있을 만한 충분한 에너지를 생성하는 것을 보여주었으며, 다른 종류의 물질보다 월등히 뛰어난 에너지 생성량을 보여주는 것을 확인함. (2) PEDOT:PSS를 이용하여 증산기반 에너지 하베스터(p-TEPG)를 제작하고, p-TEPG에 물 혹은 전해질 용액이 더해졌을 때의 계면에서 일어나는 선택적 이온 투과성에 의한 전압 차이를 Poisson-Nernst-Plank equation을 이용하여 분석함. 1가 양이온과 1가 음이온으로 이루어진 전해질 용액을 이용하여 p-TEPG를 구동한 결과 그 실험값이 계산값과 매우 유사한 것을 확인하였으며, 이 때문에 전도성 고분자의 에너지 생산량을 증폭할 수 있다는 것을 증명함. 또한, 전해질을 다량 분포하고 있는 바닷물에서 가장 높은 에너지가 생성되는 것을 확인함. (3) 액체 형태의 광산화합물은 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 바꿔주는 ‘액체형 태양전지’를 세계 최초로 제안하고 현실화함. 두 개의 전극을 가지는 전기화학 시스템을 제작하고 각각의 전극이 빛에 비대칭적으로 노출되어 양쪽 전극 사이에 화학에너지의 구배를 만들고, 동시에 화학에너지를 슈퍼캐패시터처럼 전기에너지로 바꿔줄 수 있는 장치를 고안함. 만들어진 액체형 태양전지는 빛에 노출되면 전압을 형성하고 빛이 사라지면 전압이 다시 사라지며, 그 과정중 전류가 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 왕래하며 전기에너지를 생성하는 에너지 하베스터를 성공적으로 구현함. (4) 수용액상의 양이온은 전하량과 이온반경에 따라 동전기적 에너지 변환 소재에 적용될 시, 각각 다른 전압, 전류 값을 생성함. 이를 활용하면 양이온 센서로 활용할 수 있지만, 일반적인 동전기적 에너지 변환 소재를 사용할 경우, 재사용이 불가능한 일회용 센서로 활용될 수밖에 없음. 이를 극복하고자 본 연구책임자는 값이 저렴한 친수성 고분자인 polyethylene glycol(PEG)와 동전기적 에너지 변환 현상 및 원리를 사용하며, 물로 세척하여 재사용할 수 있는 다회용 양이온 검출 환경센서를 개발하고 있음. ◼ 2단계 ❏ 연구 목표 (1) 광산화합물 기반 액체 태양전지용 고에너지 변환 효율을 가지는 전극 물질 개발 (2) 배터리 전해질에 팽윤이 가능한 리튬금속 음극용 기능성 고분자 보호막 개발 (3) 동전기적 변환 현상을 이용한 수질환경 관리를 위한 양이온 검출 환경 센서 개발 ❏ 연구 내용 (1) 기존 연구에서 규명한 액체 태양전지의 에너지 생성 원리를 활용하여 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있는 나노소재를 디자인하고, 이를 활용하여 기존 대비 약 10배 이상의 높은 7.2 mA m<sup>-2</sup>의 전류 밀도를 목표로 도전적인 연구를 하고자 함. 높은 에너지 변환 효율을 가지는 전극 물질을 성공적으로 개발하기 위해, 현재 KIST 물질구조제어연구센터 연구팀과 함께 고전도성 2차원 나노소재인 MXene을 활용한 무기물 복합 나노소재를 설계 및 제작. 높은 에너지 변환 효율을 가지는 전극에 최적화된 집광 구조 설계와 여러 액체 태양전지를 적은 면적에 고직접화될 수 있는 설계를 진행하여 고성능 액체 태양전지 모듈을 개발하고자 함. (2) 본 연구책임자가 개발한 배터리 전해질에 팽윤이 될 수 있는 기능성 고분자는 리튬금속 음극에 적용되어 순수 리튬금속 대비 약 650% 이상 향상된 수명을 가질 수 있음. 장수명, 고에너지의 리튬금속 음극용 기능성 고분자 보호막을 성공적으로 개발하기 위해, 현재 KAIST 임성갑 교수님 연구팀, 김일두 교수님 연구팀과 함께 공동연구를 통하여 iCVD 기반의 배터리전해질에 팽윤이 가능하며 가교된 기능성 고분자 박막을 설계 및 제작. 팽윤된 구조체 안에 형성된 Solid-electrolyte-interp |
