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2-5. 소프트 전원 소자용 그래핀 기반 나노 복합 소재 기술 개발

| 연구참여자

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이름 :임종선
소속 :한국화학연구원
전화 :042-860-7217
이메일 :jslim@krict.re.kr
홈페이지 :http://www.krict.re.kr
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이름 :안기석
소속 :한국화학연구원
전화 :042-860-7356
이메일 :ksan@krict.re.kr
홈페이지 :http://www.krict.re.kr

| 연구목표

기능화된 그래핀과 다양한 이종물질과의 복합화를 통한 소프트 전원(에너지 하베스팅, 에너지 저장) 소자용 그래핀 기반 복합 소재 개발 및 소프트 전원 소자화 기술 개발

| 연구내용

Topic 1. 유연 나노발전 소자용 탄소소재-압전체 복합 소재 개발

- PZT 전구체를 산화된 MWCNT와 반응시켜 MWCNT에 PZT가 직접 성장된 CNT-PZT 복합소재 합성
- CNTs-PZT 나노발전 소자 제조 : CNTs-PZT 분말과 PDMS가 혼합된 용액을 플라스틱 기판에 스핀 코팅하고 건조 후에, CNTs-PZT/PTFE 필름을 박리하고 Au/Cr이 증착된 두 PI 필름 사이에 끼워 넣어 제조
- CNT-PZT 압전체가 적용된 유연 압전 발전 소자: 출력전압 ~ 8.6 V


(a)CNT에 PZT가 직접 성장된 CNTs-PZT의 모식도 (b) CNTs-PZT의 합성 과정


CNTs-PZT 유연나노발절 소자 제작 과정과 압전 발전 특성

Topic 2. 유연 에너지 저장 소자용 그래핀 기반 복합소재 개발

- 다공성 그래핀 nanoplatelet 기반 전극 내에 고분자 전해질을 함침 제조 기술을 개발
- 유연 슈퍼캐패시터 제조 : 에너지 밀도 ~ 39.6 Wh/kg, 출력 밀도 ~ 2.0 kW/kg
- 다차원 탄소소재 기반 복합 소재의 슈퍼캐패시터의 전극 적용 : 방전비용량 > 1,000 mAh/g


다공성 그래핀 전극이 적용된 유연 슈퍼캐패시터의 특성


다차원 탄소소재를 이용한 에너지 저장 장치의 전극 제작 과정


집전체에 따른 방전비용량

Topic 3. 용액공정이 가능한 소프트 전원 소자용 2차원 물질 개발

- 몰리브덴과 황이 포함된 단일 전구체를 이용하여 유년 기판 위에 대면적의 균일한 MoS2 박막 형성
- 낮은 온도(450 ℃)에서 균일한 MoS2 합성이 가능하여 유연 2D 응용소자 제조 기술 개발


균일한 대면적 MoS2 합성 조건과 X선 광전자 분광 스펙트럼


유연한 기판 위에 직접 합성한 MoS2의 사진, X선 광전자 분광 스펙트럼, 유연성 테스트 결과

| 기대효과

- 고품질 기능성 2차원 면소재의 화학적 기능화 기술을 개발하여, 소프트 리소그래피 공정을 이용한 차세대 NIT 소자 개발에 있어 원천소재로의 대안을 제시하고, 다양한 응용연구의 기반을 확보함.
- 소프트 2차원 면소재 상의 나노구조 제작 및 나노 관찰기술의 개발을 통한 차세대 소프트 일렉트로닉스 (컴퓨터 메모리, 집적회로칩, 나노센서, 그리고 태양전지와 같은 유용한 기능의 전자디바이스) 분야의 활성화

| 대표연구실적

1. J. K. Han, D. H. Jeon, S. Y. Cho, S. W. Kang, S. A. Yang, S. D. Bu, S. Myung, J. Lim, M. Choi, M. Lee, M. K. Lee, Scientific Reports 2016, 6, 29562.
2. Y. R. Lim, W. Song, J. K. Han, Y. B. Lee, S. J. Kim, S. Myung, S. S. Lee, K.-S. An, C.-J. Choi, J. Lim, Adv. Mater. 2016, 28, 5025.
3. S. J. Kim, M.-A Kang, S. H. Kim, Y. B. Lee, W. Song, S. Myung, S. S. Lee, J. Lim, K.-S. An, Scientific Reports 2016, 6, 24054.
4. H.-S. Shin, K. W. Kim, Y.G-. Kang, S. Myung, J. S. Kim, K.-S. An, I. Y. Lee, S. S. Lee, RSC Adv. 2016, 6, 18809.
5. Y. R. Lim, Y. B. Lee, S. K. Kim, S. J. Kim, Y. Kim, C. Jeon, W. Song, S. Myung, S. S. Lee, K.-S. An, J. Lim, Applied Surface Science. 2017, 392, 557.