단층 구조의 초전도체 - 초전도 디바이스 개발의 가능성을 열다
Brookhaven Na
tional Laboratory의 물리학자들은 초전도성을 가지는 단일 층 박막을 구현하는데 성공했다.
2009년 10월 30일 Science를 통해 발표된 이 기술은 매우 얇은 박막에 가변 가능한 초전도성을 부여함으로서 매우 높은 효율의 전자소자를 제작하는데 응용될 수 있다. 박막의 두께가 얇으면 얇을수록, 초전도체의 임계온도가 높으면 높을수록, 외부의 전기장을 이용하여 물질의 초전도성을 조절하기 용이하다. “외부에서 인가되는 전기장이 침투할 수 있는 깊이는 고작 수 나노미터 정도이기 때문에 두꺼운 필름의 초전도성을 전기장으로 조절하는 것은 매우 어려운 일”이라고 Brookhaven의 물리학자이자 연구팀의 리더인 Ivan Bozovic는 설명했다. Bozovic의 연구팀은 전기적으로 초전도성을 조절할 수 있는 박막 두께의 한계를 알아보기 위해 다양한 방식으로 구리화합물의 한 종류인 큐퍼레이트(Cuperate) 재질의 고온 초전도체를 합성하는 실험을 수행하였다. 연구팀은 큐퍼레이트 초전도체에 함유된 아연이 초전도성을 떨어뜨린다는 사실에 착안하여 초전도체에 함유된 미소량의 아연을 구리산화물 층으로 치환하는 실험을 진행하였으며 이를 통해 초전도체에 함유되어 있던 아연원소의 치환이 초전도성 박막형성에 필수적이란 사실을 밝혀냈다. Bozovic연구팀의 이번 발명은 전기장이나 자기장으로 초전도성을 조절하는 전자소자 제작을 향한 새로운 길을 열어주었다. ACB

산소량을 억제, 피막의 성능 향상
(재)파인세라믹스센터는 여러 가지 고온구조부재에 사용되고 있는 내열합금의 내식성을 사용 전의 예비산화조건을 제어하는 것만으로 간단하게 향상시키는 방법을 개발했다.
알루미늄을 포함하는 내열합금은 고융점, 또 우수한 고온기계적 특성을 갖는다는 점에서 이미 차열 코팅재와 라지안트 튜브 등의 고온산화 분위기 하에서 작동하는 구조부재로서 널리 사용되고 있다. 그러나 이들 부재의 내식성은 합금위에 형성하는 알루미나 보호막의 다형(多形)에 강하게 의존한다. 구체적으로는 준안정상인 γ, θ-알루미나로 된 산화막은 결정학적으로 많은 결함을 포함한다는 점에서 합금산화에 대한 보호막 효과가 안정상인 α-알루미나에 비해 현저하게 떨어진다는 것이 알려져 있다. 또 내열합금 위에 세라믹스로 된 차열 코팅을 실시한 경우, 코팅 시의열프로세스로 합금 표면이 산화되면 합금과 세라믹스 차열층의 계면에 θ-알루미나층이 형성되기 쉽고, 이 상태로 고온 하에 두고 사용하면 θ상에서 α상으로의 상전이에 따른 체적수축으로 차열층이 쉽게 박리되어 기판인 내열합금의 내구성이 현저하게 저하된다는 것이 문제였다. 바꿔 말하면, 치밀질인 α-알루미나로 된 보호막을 내열합금 위에 확실하게 형성시킬 수 있게 되면 그 후의 내열합금의 수명을 대폭 개선시키는 것으로 이어진다. 이전부터 합금에 포함된 성분을 조정함으로써 준안정상에서 α상으로의 상전이를 촉진시켜 건전한 α-알루미나 보호막을 형성하는 일이 검토되어 왔다. 그러나 이 방법으로는 합금 조성이 한정되는데다가 각각의 예비 산화 조건으로 성분조정의 효과가 크게 변동하므로 아직 효과적인 제어방법의 확립에는 이르지 못했다. 또 1200℃ 이상의 고온에서 예비산화하면 α상만을 형성할 수 있으나 현저한 합금의 열화를 동반한다. 따라서 α상만으로 된 보호막을 저온이며 단시간의 예비산화로 형성시키는 기술의 확립이 절실히 요망되어 왔다.
본 연구에서는 처음에 합금의 산화로 알루미나가 생성하고 동시에 α상에 대한 상전이를 촉진시키는 성분(예를 들면, 크로미아)도 동시에 생성하는 산화조건을 열역학 계산으로 예측했다. 이 조건을 재현하기 위해서 산소 펌프를 사용하여 엄밀하게 제어한 저산소 환경 하에서 합금을 예비산화하면, α상에 대한 상전이가 현저하게 촉진되어 단시간의 처리에도 불구하고 치밀, 평평하며 우수한 보호막 성능을 발현한다는 것을 밝혀냈다. 이 방법은 열역학 계산으로 사전에 처리해야 할 최적조건을 예측할 수 있기 때문에 여러 가지 합금의 내식성 향상에도 전개 가능하다. CJ
유기물만 선택적으로 흡수하는 탄소나노튜브 스펀지
중국의 과학자들은 탄소나노튜브를 이용하여 유기물만 선택적으로 흡수하는 스펀지를 만드는 방법을 개발했다고 한다. 이들이 개발한 탄소나노튜브 스펀지는 재사용이 가능 할 뿐 아니라 매우 높은 흡수율을 가지고 있으며 물은 흡수하지 않고 유기물만 흡수하기 때문에 해상, 호수, 강변 등에 기름이 유출되었을 때 유출된 기름을 제거하는 용도로 매우 유용하게 사용할 수 있을 것으로 보인다. Peking University의 Cao와 Tsinghua University의 Dhai Wu의 주도하에 이루어진 CNT 스펀지에 관한 연구결과는 Advanced Materials를 통해 소개되다. 연구팀에 따르면 CNT 스펀지는 매우 큰 표면적을 가지는 에어로겔의 [에어로겔은  지구상에 존재하는 물질 중 가장 낮은 밀도를 가지는 물질이다.] 장점과 일반적인 스펀지의 부드럽고 플랙서블한 특성을 모두 갖추고 있다고 한다. Cao와 Wu에 따르면 CNT 스펀지는 잘 부서지지 않고 탄력을 가지며 가벼울 뿐 아니라 자기 자신의 무게에 180배에 해당하는 유기물을 흡수할 수 있는 놀라운 흡수력을 가지고 있다고 한다. 상업적으로 사용되고 있는 셀룰로오스, 레진, 폴리머, 또는 세라믹 기반의 스펀지가 자체 무게의 일부 또는 몇 배의 흡수율을 가질 뿐이며 재사용하기 위해선 별도의 가열 또는 화학적 처리를 통해 흡수된 물질을 제거해 주는 과정이 필요하다는 점을 생각해 보면 CNT스펀지가 보여주는 특성은 매우 놀라운 것이 아닐 수 없다. CNT 스펀지의 경우 흡수된 유기물을 짜내기만 하면 재사용이 가능 하다. Advanced Materials를 통해 발표된 연구팀의 논문에 따르면 Cao와 Wu의 연구팀이 개발한 CNT 스펀지는 30~50nm 굵기, ~수백㎛ 길이의 CNT로 구성되어 있다. 연구팀은 CNT가 지니는 유기물에 대한 높은 표면 친화력과 발수성이 CNT 스펀지가 유기물만 선택적으로 흡수하고 물은 흡수하지 않도록 해주는 역할을 하며 CNT 스펀지의 낮은 밀도가 CNT 스펀지가 물위에 쉽게 떠 있을 수 있도록 해준다고 한다. CNT 스펀지의 제작에 사용된 CNT는 화학기상증착과 자기배열조립을 이용하여 만들어 진다. 연구팀에 따르면 CNT 스펀지 제조 기술의 핵심은 긴 탄소나노튜브를 무작위한 방향으로 배열하게 하는데 있으며 이러한 배열이 CNT 스펀지의 플랙서블한 특성과 높은 탄성을 지닐 수 있게 해준다고 한다. CNT 스펀지는 처음 사용할 때 가장 좋은 흡수 특성을 보이며 흡수된 물질은 CNT 스펀지를 압축하여 부피를 줄이는 과정을 통해 다시 방출 될 수 있다. 압축된 CNT 스펀지는 펠렛 정도의 작은 크기 정도의 부피를 지니며 이렇게 수축된 CNT 스펀지는 자신의 면적에 800배에 해당하는 넓이에 걸쳐 퍼져있는 디젤을 매우 빨리 흡수한다. 연구팀의 논문에 따르면 CNT 스펀지는 자체무게의 143배에 달하는 디젤, 175배에 달하는 ethylene glycol을 흡수 할 수 있다고 한다. Cao는 CNT 스펀지가 다양한 용도로 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있었다. “CNT 스펀지는 액체 및 가스에 포함되어 있는 각종 불순물 빛 박테리아를 제거하는 필터, 투과막, 또는 흡수제로 사용될 수 있습니다. CNT 스펀지는 이외에도 가정용 방음재, 군사용 충격흡수 기기는 물론 단열 소재로도 사용될 수 있을 것으로 생각됩니다.” ACB

그라핀을 이용한 새로운 개념의 유기발광다이오드
스탠포드 대학(Stanford University) 연구진은 투명 전도체로서 몇 나노미터의 그라핀을 가진 새로운 개념의 유기 발광 다이오드(organic lighting-emitting diodes, OLED)를 개발하는데 성공했다. 이것은 대면적의 저렴한 플렉서블 플라스틱 기판 위에 저렴한 OLED를 대량 생산할 수 있는 길을 열어 줄 것이다. 또한 이것은 벽지 같이 감을 수 있고 원하는 모든 곳에 실제적인 적용이 가능하다. OLED는 뛰어난 이미지 품질, 낮은 전원 소모 그리고 초박막 장치 구조 때문에 20년 이상 동안 개발되었고 디지털 카메라, 휴대폰, 초박막 텔레비전, 다른 디스플레이 스크린에 응용되고 있다. OLED는 두 개의 전극 사이에 투명 전극이 샌드위치 된 활성 유기 발광 구조를 가지고 있다. 기존에는 인듐 주석 산화물(ITO)이 주로 사용되고 있다. 그러나 인듐은 희소하고 비싸고 재활용하기가 어렵다. 그래서 과학자들은 대체 후보 물질을 활발하게 조사하고 있었다.
차세대 광전자 장치는 가볍고, 플렉서블하고, 저렴하고, 친환경적이고 대규모 제조 공정과 호환될 수 있는 투명 전도성 전극이 필요하다. 흑연 단일층으로 되어 있는 그라핀은 독특한 전자 및 광학 성질 때문에 매우 유망한 후보물질로 알려졌다. 최근에, 스탠포드 대학 연구진은 OLED에 그라핀을 적용할 수 있다는 것을 최초로 증명하는데 성공했다.
이 연구를 이끌었던 Junbo Wu 교수는 그라핀이 기존의 ITO 투명 양극과 유사한 성능을 달성하는데 성공했다고 말했다. 이것은 실질적인 적용을 위해서 매우 흥미롭고 유망한 결과이다. 이 연구에 따르면 그라핀은 상당히 높은 시트 저항을 가진 투명 전도체로서 기존의 물질과 경쟁할 수 있는 위치에 도달했다고 나타나 있다. 그라핀은 더 높은 성능을 가진 투명 전도체가 될 수 있는 잠재력을 가진다. 즉, 더 투명하고 더 전도성을 띠게 할 수 있다. 또한 ITO 같은 기존의 투명 전도체에 비해서 더 저렴하게 제조될 수 있다. 결국, 그라핀은 더 나은 성능을 가지면서 더 저렴한 투명 전도체가 될 수 있을 것이라고 연구진은 말했다. 또한 그라핀 전극은 몇 나노미터 두께로 되어 있어서 장치를 설계하는데 훨씬 더 많은 자유도를 줄 수 있다.
이 연구는 그라핀의 무한한 잠재력을 보여주고 있고 OLED와 유기 태양전지 같은 플렉서블 광전자 장치를 위한 효과적이고 경제적인 투명 전도체의 발전에 새로운 혁신을 불어올 것이다. 성질이 다른 플렉서블 기판에 대면적 그라핀 박막을 이동시키는 것은 이전에 증명되었다. 이번 기술과 이 기술이 결합되면, 가까운 시일 내에 플렉서블 플라스틱 위에 그라핀 OLED 제품을 만들어질 수 있을 것이라고 연구진은 기대한다. GTB
급속가열냉각에 대한 내구성을 갖춘 고온가스실 재료 개발
(재)파인세라믹스센터(회장 庄山悅彦) 須田聖一 수석연구원 등 연구팀은 급가열 급랭에 견딜 수 있는 고온용 가스실 재료를 개발했다.
고체산화물형 연료전지(SOFC)에서 사용하는 가스실 재료의 큰 과제는 급속 승온과 냉각에 대한 내구성이었다. 따라서 유리가 가진 융착 후의 높은 밀착성과 세라믹스의 높은 기계적 강도를 최대한 활용할 것을 목표로 하여 유리/세라믹스 복합 가스 실 재료의 개발을 추진해 왔다. 그 중에서 복합 입자 속에 포함된 유리 성분을 약간 결정화시킴으로써 650℃까지의 급속 승온이나 실온까지의 급속 냉각에 견딜 수 있는 가스 실 재료를 개발할 수 있었다. 이 가스 실 재료는 850℃ 이하에서 융착할 수 있으며 융착할 상대 재료가 다공질이라도 충분한 실 성능을 얻을 수 있다. 이들 복합 실 재료는 70~250㎛ 두께의 시트 형상, 또는 페이스트로서 이용하므로 적용 범위는 넓다.
SOFC의 셀과 스탁크에 대해서는 튜브 형상 등의 연구로 급속기동정지에 대한 내구성을 부여할 수 있다는 것이 알려져 있다. 가스실 재료에 대해서도 내구성을 부여할 수 있었으므로 급속 기동 정지에 견딜 수 있는 SOFC의 실현에 한 걸음 다가섰다. 이 센터에서는 이 실 재료를 이용한 장기 안정성, 신뢰성에 대해서 더욱 검토해 나갈 예정이다. CJ

멤프로사 (MemPro)의 세라믹 촉매 변환장치로
NSF 주최 중소 기업상 수상
언론보도에 따르면, 최근 멤프로사는 중소기업 기술 이전 부문(Small Business Technology Transfer)을 수상했고, 전미 과학 재단(NSF)으로부터 $147,000를 상금으로 받았다. NSF는 이번 시상식에서 총 중소기업부문 상금으로 $847,000를 수여한다.
전형적인 촉매변환장치는 백금, 팔라디움, 로디움등과 같은 고가의 금속으로 제조하였다. 이러한 이유로 산업에서는 촉매변환장치를 고가의 금속의 사용량을 최소한으로 하는 것이 이슈였다. 멤프로사의 “nCATfiber”로 명명된 세라믹 재료 사용은 특히 촉매변환장치 재료로 각광 받을 수 있게 되었다. 이는 고가의 금속 대신 세라믹이라는 흔한 재료를 사용하여 만들 수 있으며 원가를 줄일 수 있음을 의미한다.
이러한 멤프로사의 기술은 flexible nanoscale ceramic fibers를 사용하는데 이 fiber는 촉매재료를 여전히 포함하고 있으나, 매우 적은양만을 사용한다. 이 나노섬유는 더 넓은 표면적을 지니며, 임베디드 금속을 더 효율적으로 사용할 수 있게 한다.
멤프로사 CEO, John Finley는 촉매변환장치는 재료비용을 줄임으로써 75%가량의 비용절감 효과가 있다고 밝혔다. 이 세라믹 나노섬유를 사용함으로써 고온 공정과 완전한 재활용이 가능하다고 덧붙였다. 이 섬유는 전자 스피닝 기술로 생산되며 첨단기술로 Akcon 대학 인증을 받았다.
멤프로사는 현재 이 촉매변환장치를 소규모 비도로용 엔진 제조사들에게 마케팅중이다. 이 제조사들은 잔디 깎기 장비, 제설기, 잡초 제거기 등을 만드는 업체들이다. 이 장치는 현재 미규제 상태이지만, 2012년까지 EPA의 배출규제기준에 포함될 것이다. 멤프로사는 NSF 상금으로 대형 엔진, 생물연료 합성, 새로운 전지 기술과 중화가스 전환 기술을 이용한 황산가스 제거 기술연구에 투자할 예정이라고 밝혔다.
Summit (Colorado) Daily News 와의 인터뷰에서 멤프로사의 CEO, Finley는 NSF는 멤프로사가 기술 발전에 긍정적 역할을 했을 뿐만 아니라, 촉매변환장치의 상업화에 큰 기여를 할 것이라고 믿는다고 말했다. 또한 NSF는 국회로부터 받은 돈을 성공 가능 기업을 지원하는 좋은 일을 한다고 덧붙였다. 이 비디오 인터뷰에서 Finley CEO는 이 촉매 변환장치로 잠정적으로 100억 달러 규모의 시장을 형성할 것이라고 했다. 이 세라믹 섬유의 샘플과 몇 개 응용 장치 등을 공개했다. 이 기술은 청정에너지원 기술 발달의 교두보 역할을 할 것이라고 밝혔다. ACB

저항변화형 메모리
100배 이상 대용량화
奈良先端科學技術大學院大學의 浦岡行治 교수 등은 바이오 기술을 이용하여 전원을 꺼도 데이터를 잃지 않는 고성능 저항변화형 메모리를 시작했다. 바이오 기술로 금속 나노 도트를 매립함으로써 안정적인 동작을 실현. 이 성과는 종래의 100배 이상의 대용량화가 가능해져 고성능 정보기기와 정보단말의 실현에 다가섰다.
저항변화형 메모리는 차세대 반도체 메모리로서 유망한 구조인데, 동작의 불안정성과 전압의 비균일에 과제가 있다. 이번에는 우선 생체의 세포에 포함되어 금속분자를 감싸서 저장하는 구각상(球殼狀) 단백질 분자를 이용하여 사이즈가 균일한 나노입자를 제작. 다음으로 구각상 단백질이 가진 자기조직화의 능력을 이용하여 실리콘 기판의 평면 위에 나노입자를 규칙적으로 배치했다. 또한 바깥 측의 단백질만을 선택적으로 제거하는 기술로 기판 위에 남은 나노 입자의 분산배치와 반도체 소자가 단백질에 오염되지 않는 방법을 실현. 이러한 바이오 기술을 이용하여 제작한 크기가 균일한 나노 도트는 전류가 흐르는 경로를 제어할 수 있기 때문에 그 개수와 도트의 위치에 따라서 메모리의 동작 조건을 제어할 수 있게 된다. 일간공업

흑연 공동 내의 단일 전자
그라핀(graphene) 알려진 원자 하나 두께의 탄소는 새롭고 유용한 형태의 자성을 갖는다. 이러한 특성은 탄소 원자가 빠진 위치에 전자가 채워질 때 발생한다. 최근 Physical Review Letters에 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)이용하여 위와 같은 위치에 단일 전자가 존재한다는 사실이 보고되었다. 위와 같은 위치의 전자는 힘을 결합시켜 상대적으로 고온에서 모든 층을 자성으로 만든다. 흑연 표면과 현미경 팁 사이의 전도도에 대한 주사 터널링 현미경 이미지는 탄소 원자가 제거된 위치에서 추가적인 전도도를 나타냄. 잉여 전자는 공동에 위치하며, 이는 재료의 자성 생성에 기여하게 됨.
2004년에 과학자들은 탄소 원자가 육각으로 형성된 단일 시트인 그라핀의 제조법을 알 수 있었으며, 시트 내에서 전자의 빠르고 특이한 움직임을 관찰할 수 있었다. 또한 이론학자들은 본 구조에서 공동(vacancy)과 같은 결함이 특이한 방식으로 자성을 야기한다고 예측하였다. 각 공동은 매달린 결합(dangling bond)을 갖고 있는데, 자성 단위를 따라 하나의 단일 전자에 효과적으로 추가되는 이웃한 원자의 전자이다. 그러나 이러한 예측은 하나의 공동에 초점을 맞추기보단 많은 공동의 평균 효과를 측정한 것으로서 간접적인 증거만 확인되었다.
하나의 공동을 연구하기 위해 스페인 마드리드대(University of Madrid) 연구진은 그라핀 시트가 적층된 흑연을 조사하였다. 그들은 흑연 시료 몇 층을 벗겨내어 거의 완벽한 표면을 얻어낼 수 있었다. 공동을 용이하게 제조하기 위해 연구진은 아르곤 이온 스프레이로 원자의 결합을 헐겁게 만들었다. 이후 표면을 가로질러 주사 터널링 현미경의 날카로운 금속 팁을 이동시킴으로써, 시료와 팁간의 전류 흐름에 대한 전기 전도도(conductance)가 측정되었다. 공동에서 멀리 떨어져 있을 경우 팁의 전압이 0근처 혹은 양/음의 전압으로 변화될 때 전도도는 매끄럽게 변화된다. 그러나 팁이 공동 위를 지나칠 때 전도도는 0의 전압에서 급격히 증가하게 된다. 연구진은 이러한 전도도 피크가 하나의 단일 전자를 소유하고 있는 잉여의 양자 상태임을 의미한다고 주장하였다. 팁에서 전압은 특정 에너지를 갖는 전자를 선택하며, 이러한 경우에 0의 전압은 시료에서 최상의 에너지를 갖는 전자를 선정하게 된다. 따라서 공동과 관계된 상태에 근접하려는 둘째 전자는 보다 큰 에너지를 갖고 있지 않다면 첫째 전자의 반발력을 극복할 수 없다. 연구진이 직접 측정할 순 없었지만 쌍을 이루지 않은 전자는 자성을 갖는다.
이번 연구 결과는 예상을 확인한 것이지만, 여전히 중요한 의미를 담고 있다. 이전의 모든 실험적 증거들은 간접적인 것이었다. 위와 같은 상태가 존재하는 사실이 직접 확인됨으로써 강자성에 대한 추가적인 연구가 가속화될 전망이다. 자성은 특정 임계 온도(critical temperature) 이상에서 사라지는데, 많은 재료의 경우 온도가 너무 낮아 실용적이지 못했었다. 그러나 이론학자들은 그라핀의 경우 임계 온도가 기존의 자성 반도체에 비해 높기 때문에 실용적이라고 말한다. GTB

나노물질을 이용한 고성능 에너지 저장장치
University of Wisconsin은 무기화학과 교수인 Charles Gibson이 설립한 회사인 Oshkosh사가 미 국립과학재단(National Science Foundation : NSF)의 중소기업 기술 이전 프로그램으로부터 83,400불의 연구비를 지원받았다고 발표했다. Gibson교수는 현재 100나노미터 이하 크기의 결정립으로 이루어진 이온/전자전도성 혼합전도체(Mixed Ion/Elec
tronic Ceramic Conductor : MIEC)를 이용한 고성능 전기에너지저장장치(Electrical Energy Storage : EES)를 개발하고 있다. Gibson이 NSF에 제출한 제안서는 Gibson의 연구팀이 개발하고 있는 EES에 대해 자세히 설명하고 있다. MIEC의 높은 전자전도도는 이층구조의 EES 개발을 용이하게 해주고 우수한 이온전도도는 산화환원작용을 용이하게 해주는 역할을 하기 때문에 MIEC는 EES소자의 특성을 향상시켜줄 재료로 주목받고 있다. 최근에 보고된 연구결과들에 따르면 MIEC를 구성하는 결정립의 크기가 나노스케일로 작아지면 공간전하 효과의 영향으로 MIEC의 표면결함밀도가 현저히 줄어든다고 한다. 이번 프로젝트의 목표는 MIEC의 결정립크기가 나노사이즈로 작아짐에 따라 전력저장능력이 증가하는 현상에 대한 설득력 있는 증거를 찾는 것으로 주요 연구 목표는 1)EES 구성 요소로서 MIEC의 적합성 판단 2)MIEC를 사용한 전극성능평가 3)MIEC가 적용된 EES 시제품의 성능평가 4)전극 및 EES 시제품의 성능 최적화 이며 이러한 목표는 1)다양한 MIEC의 합성과 특성분석 2)MIEC 혼합물로 구성된 전극의 제조 3)전극물질의 전기화학적 분석과 평가 4)시제품의 제작과 성능테스트를 통해 달성될 것으로 보인다. 이 프로젝트가 성공할 경우 예상되는 결과로는 향상된 전하저장능력을 가진 의사[擬似]커패시터 (Pseudocapacitor), 높은 파워와 큰 용량을 동시에 지니는 하이브리드 배터리 개발, 앞서 언급한 두 가지의 시제품 제작으로 요약할 수 있다. “Gibson과 그의 연구팀은 대학에서 개발된 기술이 어떻게 이전될 수 있는지, 교수의 연구능력과 기업가 정신이 상호보완적이며 시너지 효과를 발생시킬 수 있는 지에 대한 가장 훌륭한 예라고 생각합니다.” Oshkosh사의 연구원이자 University of Wisconsin의 졸업생인 Linda Freed는 이야기 했다. “나노스케일의 세라믹을 이용한 고성능 배터리 및 슈퍼커패시터에 관한연구는 UW에서 2008년 8월에 시작되었으며 UW에 갖춰진 최신의 분석 장비의 덕을 톡톡히 봤습니다.”라고 Gibson은 전했다. “우리는 UW에서의 오랜 연구를 통해 얻게 된 다양한 경험을 얻었고 이러한 경험들은 한층 개선된 에너지 저장능력을 제공하는 나노스케일 세라믹스의 개발에 매우 큰 도움이 되었습니다.” Gibson과 그의 연구원들에 따르면 Nano-MIEC기술은 빠른 충방전 성능과 더욱 길어진 수명을 제공할 뿐 아니라 전력저장 분야에서 사용되는 배터리를 보완하거나 대체하는 역할을 할 수 있을 것이라 한다. Nano-MIEC기술의 적용될 것으로 예상되는 시장으로는 운송수단(하이브리드 또는 전기자동차), 무선전력장치, 군수장비 등이 될 것으로 보인다. ACB

고성능 고분자 주석 황 리튬 이온 배터리
높은 이론 비에너지(specific energy)와 에너지 밀도의 리튬-황 배터리 화학(각각 2,500Wh/kg and 2,800Wh/L)의 이점을 이용하는 독특한 고분자 주석 황 리튬-이온 배터리가 로마 라 사피엔자 대학교(Universita degli Studi di Roma La Sapienza)의 연구팀에 의해 개발되었다.
황 cathode와 리튬 금속 anode를 사용하는 일반적은 접근법을 채택하기 보다, Jusef Hassoun 와 Bruno Scrosati는 cathode로써 탄소 리튬 설파이드 복합체(carbon lithium sulfide composite)를 사용하고 anode 로써 주석 탄소 복합체(tin carbon composite)를 사용함으로써, 리튬 금속이 없는 배터리를 개발하였다. 지난 2월 28일 Angewandte Chemie International Edition 지에 게재된 연구에서, 셀(cell)의 비에너지는 1,100Wh/kg임을 보고하였다.
리튬-이온 배터리가 전극의 분자 사이에 이온을 삽입하는 방법에 의해 리튬 이온을 저장하기 위해 층간삽입(intercalation)이라는 공정을 사용하는 반면에, 리튬-황 배터리는 황과 중간체인 설파이드 이온(sulfide ion)을 다수 생성해 내는 다단계 산화환원 반응에 의존한다. 전형적인 접근법에 따르면, 음극의 리튬 전극은 방전 때 용액에 용해되며 충전 시 도금된다. 중간체인 설파이드 이온의 용해성은 전해질로 사용된 용매에 의존하며, 배터리의 전압 및 방전 용량 프로파일은 사용된 용매에 의존한다.
리튬-황 배터리의 실제적 개발은 몇 가지 문제로 인해 지연되어 왔다. 주요 문제는 유기 전해질에서 폴리설파이드 Li2Sx(1≤x≤8)의 높은 용해성이다. 폴리설파이드는 충전과 방전과정에서의 중간체 형태이다. 이런 높은 용해도는 실제 질량손실을 일으키며, 이것은 황 음극의 활용도가 낮은 까닭이자 반복에 따른 심각한 용량의 저하를 발생시킨다. 용해된 폴리설파이드 이온은 전해질을 통해 이동하면서 리튬 금속 양극에 도달하여 표면에 비용해성 물질을 생성한다. 이 과정은 또한 배터리의 성능에 악영향을 끼친다.
핵심은 일정하게 높은 용량, 긴 주기성 및 안전성을 부여하기 위한 개선된 구조를 성취하는 것과 같은 이 배터리의 화학특성을 완전히 교체하는 것이다. 이에 연구팀은 리튬 금속이 없는 새로운 배터리를 개발하고 시연하였으며, 대략 이런 목표를 효과적으로 만족시킨 것으로 보인다. 지금까지 제안된 대부분의 리튬-황 배터리의 경우처럼 충전 상태에서 제조되고 탄소-황 복합체 cathode와 리튬 금속 anode를 사용하여 16Li+S8→8Li2S 의 방전 과정이 진행되는 것과는 달리, 본 연구에서 제작한 배터리는 탄소 리튬 설파이드 복합체를 cathode로 사용하여 방전된 상태에서 제조된다.
또한 연구팀은 보통의 액상 유기 용액 대신에 겔 타입의 고분자막을 사용하였다. 전기화학 과정을 진행시키기 위해 필요한 리튬 이온은 Li2S/C cathode에 의해 제공되기 때문에, 리튬 이온을 방출하거나 받아들일 수 있는 어떤 물질도 anode로 사용되어 리튬 금속을 대체할 수 있다고 저자들은 밝혔다. 연구팀은 주석/탄소 나노복합체(Sn/C) 1:1 중량비로 하였다. 개선된 Sn/C 전극의 비용량은 Li2S/C 전극의 것과 같았으며, Sn/C 전극은 높은 화학적 안정성을 보여주었다.
실용적인 리튬-황 배터리에 대한 연구는 아직 지속된다고 표현한 연구팀은, 전극 형태 및 배터리 구조의 최적화를 이룬다면 수명 주기와 고속 충방전 효율(rate capability)을 보여줄 것으로 예상하고 있다. GTB