초록 ▼

□ 연구개요
이차전지는 에너지 축적 기술의 하나로서 다양한 분야에서 활용도가 점점 높아지고 있으며, 요구되는 용량이 커짐에 따라 내구성이 좋고, 효율 높고, 유연성을 가지는 관련 소재의 개발은 지속가 능한 미래기술의 구현에 중요하다. 리튬과 기타 금속산화물 및 그라파이트가 이용되는 이차전지의 전극의 유연성과 내구성의 향상을 위해 기존의 전극 물질을 대체할 수 있는 새로운 물질에 대한 연구가 지속되어 오고 있는바, 본 연구에서는 기존의 전극물질에 대한 개념을 바꾼 순수한 유기물리로 이루어진 유기 이차전지 개발의 가능성을 탐구하고

□ 연구개요
이차전지는 에너지 축적 기술의 하나로서 다양한 분야에서 활용도가 점점 높아지고 있으며, 요구되는 용량이 커짐에 따라 내구성이 좋고, 효율 높고, 유연성을 가지는 관련 소재의 개발은 지속가 능한 미래기술의 구현에 중요하다. 리튬과 기타 금속산화물 및 그라파이트가 이용되는 이차전지의 전극의 유연성과 내구성의 향상을 위해 기존의 전극 물질을 대체할 수 있는 새로운 물질에 대한 연구가 지속되어 오고 있는바, 본 연구에서는 기존의 전극물질에 대한 개념을 바꾼 순수한 유기물리로 이루어진 유기 이차전지 개발의 가능성을 탐구하고자 하였다. 안정한 반방향족 화합물은 산화-환원 반응을 통해 반방향족⇄방향족 가역적 상호전환이 가능하다. 이러한 산화-환원적 가역성을 적절히 이용하면 가역적 충전-방전이 가능한 전지의 제작이 가능 할 것이다. 반복적인 산화환원 사이클에 안정하며, 전자의 저장 및 방전이 용이 할 것으로 예상되는 새로운 소재를 개발하고자 하였다. 이에 새로운 형태의 헤테로고리 반방향족 또는 방향족인 물질을 신규 합성 하였으며, 전극활물질로서의 가능성에 대한 기초연구를 수행 하였다. 합성된 물질은 graphene처럼 평면구조를 가지면서 2전자 또는 4전자 산화-환원 반응에 안정한 물질로서 가능성을 보여 주었다. 합성방법이 개발 되지 않아 유도체의 확보에 제약조건이 되었으나 이를 극복하고 다수의 새로운 물질을 합성 하였으며, 그 구조를 규명하고, 나아가 전극물질로서의 응용 가능성을 분광학적 및 전기화학적 연구를 통해 그 가치를 검증 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1-2차 년도에는 소기의 결과를 얻기 위한 연구가 정상적으로 진행되었으나, 코로나의 발발과 더불어 외국 박사연구원들의 갑작스러운 귀국과 게속된 락다운으로 인하여 약간의 차질이 불가피 하였다. 보고서를 내는 시점이 돼서야 논문투고가 이루어진 상황이다. 당초의 연구 목표와 결과를 분석해 보면 다음과 같다.
◆ 고안정성 이차전지의 전극물질을 개발하기 위해서 본 연구에서는 차별화 된 순수한 유기물질에 기초한 새로운 전극 활물질을 개발 하고자 하였으며, 그 가능성을 확인한 바 있는 반방향성의 확장된 포르피린에 기초한 새로운 물질을 개발 하였다. 그라파이트와 같이 평평한 구조와 콘쥬게이션 파이전자가 풍부하고 HOMO-LUMO 에너지 갭이 적은 물질로서 여러 산화-환원 상태에 안정하게 존재할 수 있는 화합물로서 물질 자체가 양극 또는 음극 역할을 할 수 있는 기능을 가진 물질이다. 가역적이고 안정한 산화-환원 반응 사이클을 가짐을 관찰하였다.
◆ 콘쥬게이션 파이계의 [방향성 ⇆ 반방향성] 사이의 산화-환원에 의한 가역적인 상호변환을 이용하면 새로운 개념의 유기 이차전지가 될 수 있을 것이다.
◆ 개발된 물질은 2전자 또는 4전자 산화화원 반응을 가역적으로 일으킬 수 있는 물질이므로 그 화학적 안정성과 이들을 음극 또는 양극으로 사용하는 2차전지의 가능성 연구는 산화-환원의 효과적인 제어를 통해 궁극적으로 유기2차전지 등이 안고 있는 유연성에 대한 개선의 여지를 제공할 것이다. 또 합성한 안정한 22파이계를 양극으로 이용하고, 금속리튬을 음극으로 하는 이차전지를 생각해 볼 수도 있다. 음극과 양극이 모두 유기물질로 대체된 전지를 제조하여 그 성능을 테스트하고, 충방전을 반복한 후에도 성능이 유지되는 시스템의 구현은 미진한 분분이 있으나, 물질의 합성 및 개발부분은 성공적으로 진행되었으며, 현재도 게속 연구가 진행 중이다.
◆ 그 결과 지금까지 알려지지 않은 새로운 비방향성 또는 반방향성의 파이시스템을 다수 합성하였고, 산화-환원 반응의 안정성과 치환기가 산화-환원 전위에 미치는 영향을 조직적으로 살펴보기 위해 다양한 치환기가 도입된 유도체를 합성하였으며, 전극물질이 되기 위한 여러 조건을 실험하여 최적의 물질을 찾기 위한 실험을 수행 하였다. 산화-환원 반응에 안정하면서 원하는 성질을 가지는 분자의 개발이 핵심이기 때문에 치환기의 다양성을 주는데 연구를 집중하였다. 이를 위한 빌딩블럭의 합성과 거대고리 파이스시템의 합성 및 구조 규명을 수행하였다.
◆ 당초 게획에는 없었으나, 연구를 수행하는 도중에 새로운 고리확장 반응을 통하여 bipyrrole 고리를 bipyridien 고리로 전환할 수 있는 고리 확장 반응을 발견하였으며, 이 결과로부터 새로운 전이금속착물을 합성할 수 있었다. 이것은 완전히 새로운 분야로서 얻어진 빌딩블럭을 이용하면 pyridine 으로 이루어진 새로운 반방향족 물질을 합성할 수 있다. 나아가 전기화학 및 분광학적 연구를 통하여 전극활물질로서의 가능성을 심도있게 연구 할 수 있다.
◆ 또한 전구체의 일탄소 확장반응을 발견하여 bipyrrole 유도체를 bipyridine 유도체로 변환시키는 반응을 발견하여 이를 활용하여 전도성 MOF의 합성을 시도하였다. 그 결과 2차원 평면 구조를 가질 것으로 예상되는 반방향족 물질로 이루어진 새로운 형태의 MOF를 제조하였다. 전도성 MOF가 최근 다양한 용도롤 각광을 받고있는바, 그 응용가능성을 연구하고 있다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
◆ 순 유기화합물로서 이차전지에 응용 가능성이 있는 새로운 물질의 개발은, 유기물질을 이용한 전극 활물질이 가능 하다는 가능성과 지금까지 거의 연구가 이루어지지 않은 분야를 새로 개척하는데 의의가 있다.
◆ 지금까지 산화-환원 바응에 안장한 반방향족 화합물은 거의 개발의 초기 단계에 있다고 볼 수 있다. 특히 전극소재로서의 활용가능성을 제시한 논문은 매우 적은 편인데, 본 연구에서는 유기물질에 바탕을 둔 전극소재 개발의 가능성을 제시하였다. 이러한 연구는 나아가 내구성이 높은 유기화합물에 기초한 이차전지의 개발에 기여하게 될 것이다
◆ 새로운 합성법의 개발로 유기합성에 기초한 신소재의 개발에 기여 할 것이다. 합성된 물질의 전반적인 특성규명을 통한 응용연구 가능성을 제시하는 선택적이고 집중적인 연구를 수행함으로써 최대의 시너지 효과를 창출할 수 있다.
◆ 지역 대학의 연구 인프라의 구축과 전문 인력 양성에 기여 한다. 지역대학의 세계적 경쟁력 확보에 기여 할 수 있다..
◆ 기초 원천 연구로 시작 하였 지만 여기에 그치지 않고, 궁극적으로 기술경쟁력과 연구의 완성도를 높일 수 있는 측면에 기여 하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1) 주요 연구 변경사항 ... 5
• 2) 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 정도 ... 14
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• 6. 참고문헌 ... 15
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 21
• 끝페이지 ... 38