KIC News, Volume 15, No. 4, 2012
KIC News, Volume 15, No. 4, 2012 33 기 나노튜브 겔을 개발했다. 이 유기 나노튜브 겔은 단백질을 열이나 화학물질로부터 보호할 수 있다.
이 기술은 목표 단백질에 맞게 내외 표면의 구조나 나노 채널의 지름을 정밀 제어한 유기 나노튜브 겔의 형성에 의해 실현되었다. 유기 나노튜브 겔을 형성하는 과정에서 변성된 단백질을 포접(包接)시켜, pH변화 를 이용하여 유기 나노튜브 겔로부터 회수․조작함으로써 활성이 회복된 단백질만을 고순도로 얻을 수 있 다. 유기 나노튜브를 겔의 운반체로 사용할 수 있기 때문에 여과나 원심분리 조작을 하지 않고, 물 세정을 통해 변성제를 제거하거나 목표 단백질의 분리․회수를 간편하게 할 수 있다는 이점이 있다. 또한 유기 나 노튜브 내부의 나노 채널에 단백질을 포접시키면 가열이나 고농도의 변성제로 인해서도 단백질의 활성이 상실되지 않는다. 이 기술은 향후 고순도 단백질의 효율적인 조제에 활용될 것으로 기대되며, 유기 나노튜 브에 효소를 복합화하여 나노 리액터나 효소 센서로도 활용될 것으로 보인다.
한편, 이 연구 성과의 상세 내용은 미국 학술지 ｢ACS Nano｣의 온라인 판에 공개되었다.
※ 발표논문 : “Soft Nanotube Hydrogels Functioning As Artificial Chaperones”, Naohiro Kameta, Mitsutoshi Masuda, and Toshimi Shimizu, ACS Nano, May 22, 2012
DOI: 10.1021/nn301041y
Figure. 유기 나노튜브 겔의 나노 채널을 이용하여 변성 단백질로부터 정상 단백질로 리폴딩되는 모습.
출 처 : 2010.05.23 AIST (http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120523/pr20120523.html) 작 성 : 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)
리튬 이온 이동의 가시화를 위한 전자현미경 관찰 기술 개발
일본의 산업기술종합연구소는 리튬 이온 전지의 양극에서 리튬 이온의 출입 모습을 나노미터 스케일로 가시화하는 전자 현미경 기술을 개발했다. 리튬-이온 배터리의 고성능화를 위해 전지의 양극재료 리튬이 온의 출입 모습을 가시화할 필요가 있다. 기존의 STEM-EELS 스펙트럼 이미징법은 시료의 구성 원소의 농도 분포를 가시화할 수 있는 전자 현미경 기술이지만, 리튬은 가벼운 원소이기 때문에 지금까지 시각화 가 어려웠다. 본 소개기술에서는 독자적인 스펙트럼 데이터 처리법을 개발, 리튬의 농도 분포의 가시화에 성공했다. 이 기술을 이용하여 정극 재료의 나노 구조와 리튬 이온의 거동 관계의 해명이 가능해지므로 나 노단위의 미세 구조를 설계·제어가 가능하여 새로운 정극 재료의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
http://www.ksiec.or.kr
34 공업화학 전망, 제15권 제4호, 2012
Figure 1. 리튬 이온 전지의 작동 원리.
리튬 이온 배터리의 동작 원리는 Figure 1에서 설명한 것과 같이 충전 시 양극재료(리튬전이 금 속 산화물)에서 리튬이온이 이탈하여 전해액을 지나 음극재료(흑연 등)로 이동한다. 방전 시에 는 반대로 음극 측에서 양극 측으로 리튬 이온이 돌아온다. 양극재료로부터 얼마나 리튬 이온이 나올 수 있는지의 용량을 결정하고, 양극재료로 부터의 이탈-삽입 시의 전압이 배터리 전압을 결정짓는다.
본 소개기술에서 가시화 대상으로 한 재료는 Li2 MnO3-LiFeO2이다. 이 재료의 각 입자에서 는 Li2MnO3와 LiFeO2의 두 산화물 결정이 나노 미터 사이즈의 도메인을 형성하고 있지만, 산소 는 두 도메인에 대한 일반적인 격자를 형성하고 특이한 나노 구조체임이 전자 현미경 관찰에 의 해 밝혀졌다(Figure 2). Figure 2(b)와 같이 입자 에는 망간이 고농도의 도메인(녹색 파랑), 철분 이 고농도의 도메인(노란색)이 있다. Figure 2(c) 와 같이 각각, Li2MnO3에 가까운 조성의 도메인 과 LiFeO2에 가까운 조성의 도메인이다.
이러한 화학 나노 도메인 구조가 고용량을 만
들어내는 메커니즘을 해명하려면 천이 금속 농도 분포뿐만 아니라 리튬 원소 분포를 관찰하고 충전 방전 과정에서 리튬 이온의 거동을 관찰할 필요가 있다. STEM- EELS 스펙트럼 이미징법은 Figure 2에서 천이 금속 농도를 분석한 것처럼 원소 농도 분포를 정량화, 시각화하는 데 효과적이지만 리튬에 대해서는 스펙 트럼의 피크가 낮은 에너지준위에 있기 때문에 배경이나 다른 원소의 피크와 혼성 및 정량적인 신호 강도
(a) (b) (c)
Figure 2. 고용량 양극 재료 Li2MnO3-LiFeO2 입자: (a) 투과 전자 현미경 이미지, (b) STEM-EELS 스펙트럼 이미징 법에 의한 전이 금속 원소 농도 분포, (c) 화학 나노 도메인 구조의 개념.
KIC News, Volume 15, No. 4, 2012
KIC News, Volume 15, No. 4, 2012 35 해석이 용이하지 않고 농도 분포의 가시화는 곤란했다.
시료가 얇은 경우, EELS 스펙트럼의 2층 미분값이 이론적으로 농도에 비례하는 사실을 발견, 2층 미분 값을 이용한 신호 강도 해석 방법을 독자적으로 개발하는 것으로, 리튬에 의한 신호 강도를 계량 농도 분포 로 가시화하는 것에 성공했다. Figure 3과 같이 실제 충전, 방전의 각 과정에서 꺼낸 시료 입자에 대한 전 이 금속 원소 농도 분포와 리튬 원소 농도 분포를 모두 관측할 수 있게 되어 각 과정에서 리튬 이온 거동을 가시화하여 확인할 수 있었다.
Figure 3. 리튬 이온 전지의 양극 재료 (Li2MnO3-LiFeO2) 리튬 원소 농도 분포(왼쪽)와 전이 금속 원소 농도 분포 (오 른쪽). 리튬 원소 농도는 청색 → 녹색 → 적색 → 황색 차례로 오른다. 전이 금속 농도 분포는 노란색이 철을 포함 LiFeO2 도메인(오른쪽 그림 B' ), 녹색 파랑이 망간을 포함 Li2MnO3 도메인(오른쪽 그림 A' ). 50% 충전(충전 정극 재 료에서 리튬을 뽑아 과정)의 것으로, LiFeO2 도메인(왼쪽 그림 B)에서 리튬이 빠져 있지만, Li2MnO3 도메인(왼쪽 그림 A)에는 리튬이 남아 있다.
출 처 : 일본산업기술종합연구소(2012. 7. 30) 작 성 : 김 선 회(상지대학교)
스프레이 표면이 가능한 Li-ion 배터리의 개발 - Flexible Printed Circuits -
라이스 대학 연구팀은 배터리 설계에 새로운 접근 방식을 도입하였다. 다양한 표면에 스프레이가 가능한 재료를 사용하여 배터리 제조에 대한 새로운 접근법을 제시하였다. 이 기술은 flexible printed circuits과 spray-on 태양전지의 기술을 결합하여 휴대폰이나 카메라와 같은 스마트 디바이스 등에 혁신적인 에너지 저장장치로서 적용이 가능할 것이다.
기존 리튬 이온 전지는 양극, 세퍼레이터, 음극과 금속 포일의 전류집전체를 포함한 다양한 구성 요소의 여러 층으로 만들어진다. 이 ‘jelly-role’ 구조는 리튬 이온 배터리의 구조를 원통형 혹은 사각형, 또는 프 리즘 모양의 구조로 제한한다.
라이스대학 연구팀은 스프레이가 가능한 액체 구성 요소를 이용했다. 다섯 개의 기존의 전지를 이용하여
