KIST, 친환경

‘플라즈마 전해 양극산화 코팅 기술’ 이전 
- KIST-(주)뉴파워프라즈마, 플라즈마 코팅기술(PEO) 기술이전 조인식 개최

- 반도체, 디스플레이, 항공ㆍ우주 등 첨단산업분야에 적용 가능한 신기술 개발
  
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과 ㈜뉴파워프라즈마(대표이사 위순임)는 2월 8일(목) KIST 서울본원에서 ‘플라즈마 전해 양극산화 코팅 기술’에 대한 기술이전 및 사업화 협력을 위한 총 기술료 10억 원의 기술이전 조인식을 가졌다.

 

KIST 도정만 박사팀이 개발한 PEO(Plasma Electrolytic Oxidation, 플라즈마 전해 양극산화) 코팅기술은 자체 개발한 전원공급장치, 전해액, 공정기술 및 플라즈마 아크 제어기술을 통해 알루미늄 합금 표면에 경질 코팅층(두께 50〜100㎛, 표면조도 1㎛, 경도 1500〜1100Hv)을 생성시킬 수 있는 원천기술이다.

그림 1. 양극산화(a)와 PEO(b) 코팅층의 단면 조직 비교

특히, KIST에서 개발한 PEO 코팅기술은 친환경성 알카리 전해액을 사용하는 친환경 기술로서, 경량 합급인 알루미늄 표면에 치밀하고 밀착성이 우수한 알루미나(Al2O3) 코팅층을 실시간으로 생성시켜 내식ㆍ내마모ㆍ내침식성을 부여하는 기술이다. 또한, 반도체ㆍ디스플레이, 항공우주, 수송기기, 군사용 등 첨단산업분야에 널리 적용 가능한 신기술로 평가된다.

 

이번 기술이전식을 통해 이전한 PEO 코팅기술은 차세대 반도체 및 디스플레이용 플라즈마 원격세정기의 핵심 원천기술로 전문업체인 ㈜뉴파워프라즈마가 원격세정기 업계  세계 시장을 선도하기 위한 필수적인 기술이다. KIST는 이번 조인식을 통해서 세계적으로 급성장하는 디스플레이와 반도체 공정장비에 부합하는 신기술 개발과 함께 ㈜뉴파워프라즈마의 상용화 전략을 바탕으로 2018년 약 5,000억 원 규모로 성장할 것으로 전망되는 플라즈마 원격세정기 시장에서의 사업화 성과를 창출해 나갈 예정이다.

 

KIST 이병권 원장은 “이번 기술이전을 통해 플라즈마 코팅기술의 상용화를 앞당기고, 세계 최고의 경쟁력을 갖고 있는 국내 반도체와 디스플레이 산업의 경쟁력을 더욱 공고히 할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다. 또한 ㈜뉴파워프라즈마의 위순임 대표이사는 “획기적인 KIST의 플라즈마 코팅기술을 이전받고 국내 반도체 디스플레이 장비 시장에서의 선두주자가 되기 위해 노력할 것이며, 나아가 글로벌 시장 진출에 앞장서도록 노력하겠다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 중소기업을 지원하여 상용화 기술로의 전환을 유도하는 BP(Bridge Program)과제로 수행되었다.

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초고속 충·방전 가능한

전기자동차용 배터리 신소재 개발

– 간단한 1회 공정으로 합성한 양극재로 열화 현상 억제 가능
– 2분 이내의 급속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기 성능 유지 

 

최근 친환경 전기자동차가 주목을 받으면서 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 것에 높은 관심이 모아졌다. 빠른 충전 속도가 가능하고 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 장수명의 전지를 개발하는 데 관심이 모아지고 있다. 최근 국내 연구진이 고용량 및 고출력 특성의 새로운 양극(+)재를 개발하여 전기자동차(EVs) 배터리 성능을 향상시킨 결과를 발표해 주목받고 있다.

그림 1. 주사투과전자현미경 (HAADF-STEM)으로 관찰한 LMR 입자의 벌크 및 표면 원자 배열 구조 (층상형 구조의 벌크, 암염 구조의 표면)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구진과의 공동연구를 통해 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-manganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성하여 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공하였다. 차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 여타 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재이다. 하지만 충·방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 인해 상용화 적용에는 한계를 가지고 있었다. 이러한 현상은 주로 양극재 입자의 표면에서 일어나므로 표면 특성의 제어는 LMR 소재의 상용화를 좌우하는 핵심요소이다.  

KIST 연구진은 LMR 양극재 표면을 안정화하고 나아가 빠른 리튬이온전달을 가능하게 하는 표면구조를 형성하는 새로운 기술을 개발하였다. 쉽고 간편한 한 번의 공정으로 이온전도도가 높은 지르코늄 혼합산화물을 LMR 활물질 표면에 1~2 나노미터 코팅층으로 형성하여, 표면에서 원활한 리튬이온의 확산이 가능하게 하고 소재의 열화 현상을 억제하는데 성공하였다. 본 연구를 통해 개발된 ‘수 나노미터 크기의 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층’이 생성된 양극재는 2분 이내의 고속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기의 우수한 특성을 그대로 유지하였다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능한 소재로서 전기자동차 배터리에 적용 시 충전 시간을 단축하고 주행거리를 향상시키며, 제조 공정을 간소화시킬 것이 기대되는 등 상용화에 근접한 기술로 평가되고 있다. 아울러, 본 연구에서 개발된 양극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 전기차 및 중·대형 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage Systems)에 응용 가능한 다른 핵심 전극 소재 개발에도 새로운 해법을 제시할 것으로 전망된다.

그림 3. 새로운 LMR 양극의 (a) 충·방전 속도에 따른 전압곡선 및 (b) 수명 특성

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano Letters’(IF: 12.712, JCR 분야 상위 4.00%)에 11월 16일(목)자 온라인에 게재되었다.


* (논문명) Nanoscale zirconium-abundant surface layers on lithium- and manganese-rich layered oxides for   

              high-rate lithium-ion batteries
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 안주현 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 오시형 박사, 서울대학교 최장욱 교수

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특정 파장의 빛에 반응하여 약물을 활성화하고 방출하는 시스템 개발 
부작용 없는 약물 전달체 및 스마트 코팅 소재개발 가속화 지원

 

자극 감응형 나노캡슐은 약물전달체, 화장품 소재, 세정용 소재 및 기능성 코팅 소재로 사용된다. 대부분의 나노캡슐은 연성의 물질로 이루어져 원하지 않게 분해되어 부작용을 유발하기도 한다. 최근 국내 연구진에 의해 약물 등이 원하는 조건에서만 안전하게 활성화되고 방출되는 진보된 형태의 분자밸브* 기술이 개발되었다. 분자밸브는 2016년 분자기계로 노벨화학상을 받은 美 노스웨스턴大 프레이저 스토더드(Fraser Stoddart) 교수 등이 선도적으로 수행해오고 있으며, 병을 치료하는 나노로봇을 구현하는 기반 기술 중 하나로 각광을 받고 있다.
*분자밸브 : 나노공간에서 물질의 방출을 조절해 주는 화학분자 물질. 

(좌)기존의 만년필 잉크 등에 사용되던 폴리페놀-철 이온의 착물 용액 (우)위 착물 용액을 수정 이용한 표면에 코팅된 다공성 나노입자의 분산 용액 기존 합성법은 24시간 이상 소요되고, 복잡한 공정이 필요한 반면, 다공성 나노입자에 물질을 포집하고 표면을 코팅하는데 걸리는 시간은 1시간 이내로 매우 빠르고 간단하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 박치영 박사팀은 기존의 분자밸브 시스템 합성보다 시간을 수십 배 단축하고, 가격을 낮추면서도 부작용을 보다 억제하는 원천 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존의 분자밸브는 견고한 나노 채널의 입구 표면에 부착되어 특정 자극에서만 열리고 닫히므로, 기존의 자극 감응형 나노캡슐에 비해 안정성이 높고 정교하다는 장점이 있지만, 합성이 복잡하고 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 또한 여전히 미세하게 약물이 방출되는 경우가 있어 부작용을 원천적으로 억제하는데 한계가 존재한다. KIST 박치영 박사팀은 식품첨가제, 의료용 제제, 잉크 등으로 폭넓게 사용되는 식물성 폴리페놀이 나노 채널의 입구 표면에서 분자밸브와 유사하게 거동하는 조건을 발견하였다. 또한 채널 내에 약물 등의 화합물을 비활성화 상태로 포집하고, 특정 파장대의 빛을 비추었을 때만 활성화 되고, 분자밸브의 구동에 의해 순차적으로 방출되도록 고안하였다. 따라서, 원하지 않는 조건에서 포집된 물질이 방출되는 일이 발생되더라도, 관련 부작용이 발생하지 않도록 설계하였다.
  

<그림 2> (좌) 연구에 사용된 폴리페놀인 tannic acid의 화학적 구조 (우) 시뮬레이션을 통해 tannic acid가 SiO2 (실리카) 나노채널의 표면에 선택적으로 흡착되는 것을 확인할 수 있었고, 이들이 구리 이온과 착물을 형성할 경우 다공성 실리카의 기공을 막을 수 있음을 확인하였다. 이러한 원리로 인해 다공성 입자의 기공 내에 포집된 물질은 착물 코팅으로 안정하게 포집할 수 있다. (하) 착물은 산에 의해서 분해가 가능하며, 다공성 입자의 기공 내에 빛에 의해 산을 발생할 수 있는 물질(photoacid generator, PAG)을 같이 넣어주게 되면 착물 분해와 동시에 방출이 가능하게 된다.

연구진은 이 기술이 기존의 분자밸브 시스템보다 합성이 매우 간단하고 부작용을 이중으로 억제하는 진보된 형태로, 약물전달체 및 다양한 기능성 코팅 소재 등으로 활용 가능할 것으로 전망했다. KIST 탄소융합소재연구센터의 박치영 박사는 “이번 연구를 통해 보다 복잡한 신호 전달 체계에서도 구동하는 나노로봇을 실현하는 토대를 마련할 것”이라고 밝혔다.

 

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기본연구사업으로 수행되었고, 독일에서 발행하는 화학 분야의 세계적 학술지인 ‘앙게반테 케미 국제판’(Angewandte Chemie International Edition)에 5월 8일(월) 표지논문(Inside Cover)으로 게재되었다.

<그림3> (좌) 빛에 의해 포집된 물질의 형광 특성이 변하는 동시에 방출되는 과정을 관찰한 공초점 형광현미경 이미지 (우) 나노반응기 입자가 함유된 하이드로젤의 광분해 및 약물 방출 거동을 보여주는 이미지

* (논문명) ‘Signal-Induced Release of Guests from a Photolatent Metal-Phenolic Supramolecular Cage and

Its Hybrid Assemblies’
  - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 박치영 박사 

 

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[단독] 조원일 박사팀 리튬금속 코팅기술 개발

 

KIST 에너지융합연구단의 조원일 박사님과 김문석 박사님이 차세대 전지의 성능을 향상시키는 리튬금속 코팅 기술을 개발했습니다. 김희탁 카이스트 교수님과 한밭대 유명현 교수님과 함께 연구한 결과라고 합니다. 아래 에너지 경제 기사에서 확인해보세요

 

[에너지경제 기사보기]

 

조원일 박사 

김문석 박사 


 

 

 

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