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우리 학교 조성범 교수 연구팀이 차세대 배터리 시스템에 사용될 새로운 설계 전략을 개발했다. 전기차의 확산으로 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 배터리에 대한 요구가 높아지고 있어, 차세대 배터리의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 주목된다.조성범 교수(첨단신소재공학과)와 한국세라믹기술원 최정현 박사 연구팀 차세대 고체 배터리 시스템의 핵심인 고체 전해질 소재의 다성분계 도핑을 통한 새로운 조성 설계 전략을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘향상된 리튬 이동도를 가지는 큐빅-Li7La3Zr2O12 소재의 다양한 동종 이온가 수 도핑을 통한 상 안정화 전략(Isovalent multi-component doping strategy for stabilizing cubic-Li7La3Zr2O12 with excellent Li mobility)’이라는 제목으로 화학공학 분야 세계 최고 수준의 학술지인 <화학공학저널(Chemical Engineering Journal)> 9월호에 게재됐다.에너지 저장 장치로서의 배터리는 우리의 일상생활에 필수적인 요소로 자리 잡았다. 특히 전기 자동차가 널리 보급·확산 되면서 높은 안정성과 에너지 밀도를 가진 배터리 시스템의 필요성이 높아지고 있다. 현재 사용되는 리튬이온 배터리는 액체 전해질로 인해 부피가 큰 데다 충격 시 화재가 발생할 수 있어, 이를 개선한 가벼우면서도 높은 저장 용량을 가진 새로운 시스템의 개발이 필요하다.차세대 배터리 시스템 중 산화물계 기반 전고체 배터리 산화물계 기반 전고체 배터리는 기존에 널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리와 달리 고체 전해질을 사용, 안정성과 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있다. 그러나 이러한 산화물계 고체 전해질은 합성 온도가 1000℃ 이상으로 높아 제작에 높은 비용이 수반되며, 수율 저하의 원인이 되기도 한다. 또 고체 전해질의 경우, 배터리가 실제 작동하는 온도인 상온에서 불안정한 소재 결정 구조를 보임에 따라 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다. 이를 극복하기 위해 학계와 산업계에서 다양한 원소의 도핑을 통해 신규 조성을 설계하는 전략이 많이 시도되고 있다. 그러나 실험을 통해 신규 조성을 설계하는 것은 매우 시간이 많이 소모되는 작업으로, 도핑하는 원소의 종류가 늘어나기 때문에 여러 난관이 존재한다. 이에 아주대 공동 연구팀은 AI와 모델링과 같은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 신규 조성을 설계했다. 해당 고체 전해질 배터리 소재의 개발을 위해 주기율표 상 다양한 원소의 신규 조합을 설계하고, 실험을 통해 저온 합성 및 상 안정화가 가능함을 실증해 낸 것. 연구팀은 선정된 후보군에 대한 실험을 통해, 기존 물질 대비 400℃ 낮은 온도에서 합성이 가능함을 확인했다. 이 작업은 모두 원소에 대한 기존 데이터베이스를 통해 컴퓨터 시뮬레이션으로 이루어졌다. 조성범 아주대 교수는 “연구팀의 AI 기술과 시뮬레이션 모델링을 통해 높은 성능에 안정성도 우수한 전고체 전해질을 새로 찾아낼 수 있었다”라고 설명했다.조 교수는 이어 “특히 저온 공정이 가능해짐에 따라 배터리 생산 과정에서 에너지 소모를 줄이고 안정성과 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라며 “전고체 배터리의 상용화를 앞당겨 환경친화적인 에너지 저장 솔루션을 개발하는 데 기여할 수 있기를 기대한다”고 전했다.최정현 한국세라믹기술원 박사는 “시뮬레이션을 통해 예측된 아주대 연구진의 조성 설계 기술과 한국세라믹기술원 에너지저장소재센터의 산화물계 고체전해질 합성 기술이 시너지를 내 의미 있는 연구 결과를 도출할 수 있었다”라고 말했다. 한편 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 우수신진연구사업과 브릿지융합기술개발사업 등의 지원을 통해 수행됐다.다성분계 도핑을 통한 상안정화 전략 개요도 및 리튬 확산 성능 향상의 확인(왼쪽) 다양한 원소의 도핑을 통한 고체 전해질 물질 신규 조성 개발 전략 개요도. 주기율표상의 다양한 원소를 기존의 데이터베이스를 통해 도핑 가능성을 분석하고 가능한 원소 조합을 탐색했다. 이어 후보 원소 조합에 대해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고속으로 상 안정성을 분석했다. (오른쪽) 연구팀의 시뮬레이션을 통해 선정된 신규 조성 물질과 도핑하지 않은 물질 간의 리튬 확산 성능을 보여주는 그래프. 도핑으로 인해 리튬 확산 성능이 향상될 수 있음을 확인했다.* 위 사진 : 왼쪽부터 조성범 아주대 교수, 이한욱 학생(에너지시스템학과 석사과정), 최정현 한국세라믹기술원 선임연구원
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아주대 연구진이 중견기업 대현에스티와 산학 공동 연구를 통해 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 센서 모듈의 국산화에 성공했다. 차세대 친환경 에너지로 주목받고 있는 수소는 연료 자체의 무색·무취한 특성 탓에 폭발 위험성이 높아 안정성 확보 및 순도 측정 기술에 대한 요구가 크지만 국내 기술로 광범위 농도를 측정하는 수소 센서를 구현한 사례는 그동안 없었다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 중견기업 대현에스티와 공동으로 다층 초박막 합금 촉매-전극을 이용한 고정밀·고신뢰성 수소 농도 센서 모듈 시스템을 개발했다고 밝혔다. 공동 연구팀이 구현해 낸 수소 농도 센서는 뛰어난 내구성을 가지고 있을 뿐 아니라 촉매-전극 신소재를 기반으로 ppm 단위부터 100%까지의 수소 농도를 탐지할 수 있다. 단일 센서 소자로 이 농도 범위를 측정하는 기술은 세계 최초다. 수소는 차세대 친환경 에너지 연료원으로 자동차와 전기 생산 분야 등 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 특히 수소전기차의 보급이 늘면서 친환경 수송 분야에서 수소의 중요성이 높아지고 있다. 기존 산업 분야에서도 수소는 반도체, 디스플레이, 원자력, 정유, 우주항공 분야에서 필수적으로 활용되고 있다. 그러나 수소 연료 자체의 특성으로 인한 안전성 확보 문제가 한계로 지적되어 왔다. 수소는 무색·무취의 특성을 가지고 있는 데다 무게가 가벼워 누설의 위험성이 높기 때문이다. 공기 중의 수소 농도가 4%만 되어도 낮은 에너지의 점화원만 있으면 폭발할 수 있다. 특히 수소 연료는 에너지 밀도(단위부피 당 저장된 에너지) 향상을 위해 수백 기압의 고압을 활용하고, 금속 재질의 수소 용기 소재는 균열 발생 가능성이 높아 수소 누설의 사전 감지가 꼭 필요하다.또한 수소연료전지를 포함해 여러 형태로 수소를 활용하기 위해서는 수소의 순도 모니터링과 농도 제어가 필요하다. 이를 위해서는 실시간으로 95-100% 구간의 고농도 수소를 높은 농도 분해능으로 정밀 모니터링하는 센서가 필요하다. 하지만 고순도 수소의 측정이 가능한 수소 센서 구현은 고난이도 기술로, 전 세계적으로 미국 및 유럽에서 극소수의 고가 제품만이 나와 있는 상황이다. 그 중에서도 단일 형태 센서 소자로 ppm부터 100%까지의 광범위 농도 감지를 구현한 바는 현재까지 없었다. 아주대 연구팀은 수소 농도의 정밀 모니터링과 신뢰성 확보를 위해 기존 화학저항식 수소 센서에 널리 활용되는 팔라디움(Pd) 촉매 전극을 탈피, Pd 합금 기반의 초박막 전극에 대한 원천기술을 확보했다. 이 원천기술이 적용된 수소 센서는 약 3만번의 반복적 고순도 수소 농도 감지가 가능할 만큼 내구성도 우수하다. 수소전기차의 수소 센서는 99% 이상 고순도 수소 농도를 수 초 이내에 연속적으로 측정해야 해 내구성은 센서의 상용화를 위해 중요한 요소다. 8명의 아주대 연구진이 7년에 걸쳐 개발한 이 기술은 두 차례에 걸쳐 총 37억원 상당 규모로 중견기업 대현에스티에 기술이전됐고, 연구팀은 국내외 특허도 확보했다. 이후 아주대와 대현에스티는 공동 산학 연구를 통해 양산화 공정, 신뢰성 최적화, 센서 동작 로직 및 신호처리 기술 개발, 모듈화 및 패키징까지의 모듈 제품화 기술을 개발하는 데 성공했다. 서형탁 교수는 “수소 에너지 기술에 대한 전 세계적 주목도가 높아지고 있는 가운데 한국 기업들은 수소 인프라 및 전기차 기술에서 리더십을 키워가고 있다”며 “더불어 수소의 정밀 농도 측정 및 안전 확보를 위한 측정 센서의 중요성이 날로 커지고 있으나, 신뢰성 있는 국내 기술의 부재로 고가의 수입 제품에 의존할 수밖에 없었다”라고 설명했다.이어 “이번에 개발한 광범위 수소 전기식 센서 모듈화 기술은 수소를 활용하는 여러 산업 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 말했다. 공동 연구팀은 이번에 개발한 센서 모듈을 국내에서 개최되는 세계 최대 수소 기술 전시회인 ‘H2 MEET 2023’에 출품한다. 이 행사는 9월 13일부터 9월 15일까지 킨텍스(KINTEX)에서 개최된다. 아주대와 대현에스티는 이번에 앞서 상용화에 성공한 수소 변색 필름을 기반으로 구현해 낸 근적외선· 가시광 기반 광학 감지 및 전기식 센서 일체화 광학식 다중모드 센서 기술에 대해서도 발표한다. 아주대는 지난 2021년 수소 변색 필름을 대현에스티에 기술이전했고, 이 기술은 글로벌 시장에서 최고 수준으로 인정받아 수소연료 전기차 업체와 수소 충전소 등 글로벌 기업에 공급되고 있다. 한편 이번 국산화 기술 개발은 산업통상자원부·한국에너기술평가원 주관 에너지기술개발사업, 과학기술정보통신부·과학기술일자리진흥원 주관 중대형성과확산사업, 한국전력공사·전력연구원 주관 기초연구개발사업의 지원으로 수행됐다. 해당 기술은 국내·외 특허 등록이 완료됐다. * 위 그림 설명 : (왼쪽 그림) 아주대 연구팀이 개발한 나노 합금 촉매 구조. Pd 나노 초박형 합금을 전극으로 적용하여 ppm-100%까지의 수소 농도 응답성, 99.99% 수소에 대해 3만회 수소 감지 가속 내구 신뢰성 시험을 거쳤다. 이에 광범위 농도의 수소를 우수한 응답성으로 감지하고 내구성이 탁월함을 확인했다. (오른쪽 위 그림) 대현에스티와 공동개발한 광범위 수소 센서 모듈 시스템과 (오른쪽 아래 그림) 아주대-대현에스티가 개발한 수소 변색 필름 기반 광학 감지 센서 모듈
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아주대 첨단신소재공학과 조인선∙안병민 교수 공동 연구팀이 청정 수소 생산용 전기화학촉매 신소재를 개발했다. 이에 물을 분해해 수소 연료를 생산하는 수전해 수소 생산 기술의 효율성과 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 조인선∙안병민 교수(첨단신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 청정 연료인 수소의 생산을 위한 전기화학촉매 신소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘CuCoNiFeMn 고엔트로피 전기 촉매의 수전해 특성 향상을 위한 바나늄의 상호보완적 기능(Complementary Functions of Vanadium in Boosting Electrocatalytic Activity of CuCoNiFeMn High-Entropy Alloy for Water Splitting)’이라는 논문으로 재료 분야 저명 학술지인 <어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.0, JCR%=4.2%)> 8월22일자에 게재됐다.이번 연구에는 아루무감 시바난담(Arumugam Sivanantham) 박사(현 나노정보융합기술 연구소)와 이한성 학생(대학원 에너지시스템학과 박사과정 재학)이 공동 제1저자로 참여했다. 황성원(대학원 에너지시스템학과 박사과정 재학) 학생은 공저자로 함께 했다. 수소는 청정 에너지로 주목받고 있으나, 연료 생산 과정에서 탄소 배출이 수반된다는 점에서 활용에 어려움이 존재한다. 천연가스와 같은 화석 연료를 활용해 높은 온도에서 개질(reforming)해야하기에 탄소가 배출되기 때문이다. 그러나 물을 활용하는 전기화학적 수전해 기술(electrocatalytic water splitting)은 전기로 물을 분해, 상온에서 청정 수소 연료를 생산하는 지속 가능한 기술이다. 이에 학계에서 고성능 전기화학촉매 소재를 개발해 안정성과 전류 밀도를 높이기 위해 노력해왔으나 이는 백금을 비롯한 귀금속 기반 소재 중심으로 진행되어 왔다. 아주대 연구팀은 고엔트로피 합금(HEAs)을 주목했다. 이는 5개 이상의 금속 원소가 무작위로 단일 결정 구조에 포함된 합금의 일종으로 표면 활성 원소를 원하는 대로 제어할 수 있고, 물리∙화학적으로 안정적이다. 또 강산 또는 강염기 용액에서 부식(화학반응으로 인해 분해되는 현상)되지 않는다는 장점도 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 몇몇 이론 연구에서 고엔트로피 합금(HEAs)을 전기화학적 수전해 기술의 촉매전극 소재로 유망할 것으로 예측해왔다. 하지만, 최적의 합금 원소 선택과 조합을 위해서는 각 금속 원소들의 상호 보완 작용 및 특성 향상 기작을 이해하는 것이 중요하다.아주대 연구팀은 고엔트로피 합금(VxCuCoNiFeMn기반)을 고에너지 볼밀링 공정으로 제조하고, 바나듐(V) 원소 첨가량에 따른 결정구조, 표면 조성, 전자 구조 및 전기화학적 거동을 체계적으로 측정 및 분석했다. 이를 통해 알칼리성 환경에서 수전해 수소 발생 반응을 향상시키는데 바나듐이 결정적인 역할을 함을 실험적∙이론적으로 규명했다. 특히 바나듐이 표면 활성점과 전하 이동 특성을 현저히 증가시키고 동시에 물 분해 및 수소 흡착 에너지 장벽을 크게 낮춰 고성능 수전해 촉매 전극 소재로 활용될 수 있음을 확인했다. 조인선 교수는 “대규모 전기화학 수전해 장치에서 활용할 수 있는 고엔트로피 합금 촉매 전극 소재 개발의 길을 열었다는 데 이번 연구의 의의가 있다”며 “더 나아가 각 원소의 역할을 연구, 더욱 경제적이고 효율적인 수전해 시스템을 설계, 상용화 할 수 있도록 노력할 것”이라고 전했다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실 지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.제조된 고엔트로피합금 신소재의 전자현미경 원소 분석 결과고엔트로피합금 신소재 이용를 이용한 전기화학 수전해 소자의 특성 측정 결과 비교 결과* 위 사진 설명 : 왼쪽부터 아루무감 시바난담(Arumugam Sivanantham) 박사, 조인선 교수, 안병민 교수
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