충북대학교 공업화학과 나노복합재료연구실

연구실 소개

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충북대학교 나노복합재료연구실(Nano Composite Materials Laboratory)에서는 에너 지 저장, 약물전달, 센서, 촉매 등 다양한 응용분야 에 활용이 가능한 신규 나노구조체를 설계, 합성 및 평가하는 연구를 수행하고 있다. 전도성 탄소, 세라믹 등을 복합한 고 기능성 나노구조체를 개발 하고 이를 배터리 소재(리튬-황, 리튬-이온, 소듐- 이온, 리튬-셀레늄 등)에 적용하여 평가 및 분석 하는 연구를 주력으로 하고 있다. 다공 및 중공구 조에서부터 다양하게 설계된 다양한 계층적 구조 합성 mechanism을 실험실만의 독자적인 기술로

개발, 이를 합성에 적용하고 있으며 개발된 신규 나노구조체를 이용하여 고 에너지 밀도를 갖는 휘 어지는(Flexible) 및 늘어나는(Stretchable) 배터 리를 성공적으로 개발하기도 하였다. 최근에는 배 터리 분야뿐만 아니라 약물전달 시스템과 수전해 전기화학촉매 등 연구 응용분야를 더욱 확장하며 열정 가득한 도전을 이어나가고 있다.

주요 연구 분야

(1) 신규 나노구조체 합성 mechanism 및 공정 개발 신규 나노구조체의 합성은 에너지 저장, 약물 전달, 센서, 촉매 등 다양하게 활용되고 있다. 이를 위해 분무열분해 공정, 분무건조 공정 및 전기방 사 공정을 주요 공정으로 활용하고 있으며 공침법 및 수열합성법 등의 액상공정과의 공정간 복합화 를 통한 다양한 신규구조체 개발을 진행하고 있다.

또한, 상업화 관점에서 신규 구조체의 대량생산을 위한 분무건조공정 기술을 개발(1kg/day), 다양한 합성기전의 적용을 통해 다양한 형상의 구조체 합 성을 가능하게 하며 현재, 공정의 상업화를 위한

충북대학교 공업화학과 나노복합재료연구실

조중상

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 40, No. 3, 2022 …

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(2) 차세대 배터리 전극소재 개발

리튬이온을 대체할 차세대 배터리로서 리튬- 황, 소듐 및 포타슘 이온배터리용 전극소재를 연구 중이다. 해당 배터리의 전기화학 성능을 높이기 위 한 다양한 연구를 진행 중이며 그 중 다양한 메커 니즘의 적용을 통해 신규 나노구조체를 설계, 이 를 배터리 소재로 적용 중이다. 리튬-황 배터리에 서 황은 낮은 전도성 및 충·방전 중의 shuttling 현 상에서 기인한 낮은 황의 활용도 등 아직 해결해야 할 과제가 많다. 이를 위해 구조체적 관점에서 연 구를 진행 중이며 CNT, 그래핀 등과의 복합화 및 nano-scale 수준에서 금속화합물의 구조체 내 균 일분산을 위한 실험을 진행 중이다.

최근 소듐 및 포타슘 사용이 전지 분야의 새로 운 화두로 제시되고 있지만 기존 리튬 배터리에 비

해 큰 이온직경 및 분자량을 갖는 소듐 및 포타슘 은 배터리로 적용 시 여러 문제점을 야기한다. 해 당 이온의 느린 확산속도로 인한 저 출력 현상 및 큰 직경을 갖는 소듐, 포타슘 이온의 반복적인 삽 입과 탈리로 인한 전극 내 생성된 응력은 음극활 물질의 붕괴 및 극판과의 박리를 야기, 결국 전지 수명을 단축시킨다. 따라서, 충방전 시 전극 물질 의 부피팽창을 효과적으로 완화, 또는 억제시키 기 위해 다양한 구조체적인 접근 및 전극설계 연구 를 진행 중이다. 자세한 사항은 연구실 홈페이지 (https://jjj777.wixsite.com/professor-cho)에 서 확인가능하다.

연구 성과

나노 복합 재료 연구실은 전기방사, 분무열분 해, 분무건조 등 다양한 공정을 사용하여 신규 구

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조체를 설계하고 그에 따른 새로운 mechanism 을 규명하고 있다. 또한, 그래핀, CNT, 금속-유기 골격체 및 중공, 다공성 구조 생성기술을 복합 적 용하여 전기전도도 향상, 전극물질의 부피팽창 억 제, 이온의 빠른 확산 및 그래핀/CNT 네트워크를 통한 신속한 전자이동을 가능하게 하여 고출력, 고 용량 및 장주기 특성을 갖는 이차전지 소재를 개 발 중이다. 최근에는 웨어러블 기기 용 flexible 및 stretchable 에너지소자 기술을 개발하여 인체에 적용 가능한 바이오 기기의 이동용 전원뿐만 아니 라 IoT기반의 웨어러블 소자 및 시스템에 핵심적 인 기반기술을 제공하고 있다. 본 연구들을 통해 도내 산업체와 연계하여 지역 신성장 사업/미래유 망사업에 원천기술 제공 및 대형 국책연구과제를

발굴하였다.

연구실 구성원 및 향후 연구 계획

본 연구실은 2022년 5월 현재 박사후 연구원 2 명, 박사과정 1명, 석사과정 5명, 학부연구생 2명, 연구원 1명 총 11명으로 구성되어있다. 향후 본 연구실은 차세대 에너지저장 장치에 적용될 다양 한 소재들을 보다 정밀하게 설계하고 평가하여 고 성능의 핵심 소재를 개발하고자 한다. 이와 더불어 연료전지와 연관성이 깊은 수전해 전기화학촉매 및 인체친화적인 약물 전달 소재를 개발하는 등 연 구의 범위를 더욱 확장하고자 한다.