초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
• 나노수준의 표면구조 가공과 유·무기 소재의 복합화 공정의 최적화를 통한 신개념의 목적 지향적 다차원 이종구조체 전극 및 이를 적용한 장기구동 안전성을 가지면서, 초경량, 고출력인 새로운 고성능의 유연 에너지 저장 장치를 개발하고자 함.
• 연구 개발 목표: 장치 비정전용량: >400 F/g @ 1 A/g, 에너지 밀도:>150 Wh/kg @ 출력밀도 10 KW/kg, 내구성: > 95% (20,000회 구동 후)

◼ 전체 내용
I) 고 다공성 유연 중공탄소섬

□ 연구 목표 및 내용
◼ 최종 목표
• 나노수준의 표면구조 가공과 유·무기 소재의 복합화 공정의 최적화를 통한 신개념의 목적 지향적 다차원 이종구조체 전극 및 이를 적용한 장기구동 안전성을 가지면서, 초경량, 고출력인 새로운 고성능의 유연 에너지 저장 장치를 개발하고자 함.
• 연구 개발 목표: 장치 비정전용량: >400 F/g @ 1 A/g, 에너지 밀도:>150 Wh/kg @ 출력밀도 10 KW/kg, 내구성: > 95% (20,000회 구동 후)

◼ 전체 내용
I) 고 다공성 유연 중공탄소섬유 개발 및 다차원 이종구조체 최적 구조 설계
• 2중 노즐 전기방사시스템을 활용한 고다공성 유연중공탄소나노섬유 개발
• 유연 중공탄소나노섬유 표면 미세기공 크기 및 분포 조정 기술 개발
• 전산모사 해석연구를 통한 다차원 이종구조체 최적 구조 및 성분 조성비 설계
II)다차원 이종 구조체 개발 및 계면 Junction 최적화
• 나노레벨 구조 조정을 통한 다차원 이종금속 구조체 합성 및 전극 활성 면적 향상 기술 개발
• 그래핀 캡슐화를 통한 다차원 이종금속 구조체 층간 고정화 기술 개발
• 다차원 이종금속 구조체와 그래핀 계면 접합력 향상을 통한 내구성 향상 기술 개발
III) 바인더 프리 다차원 이종구조체 고정화 유·무기 복합 유연중공탄소나노 섬유 전극 개발
• 2way 전기방사 공정을 통한 Pseudo capacitor 금속나노입자 충진 유·무기 복합 유연중공탄소나노섬유 개발
• 유·무기 복합 유연중공탄소나노섬유 표면 다차원 이종 구조체 코팅 기술 개발 및 계면 접합력 향상 방안 확보
• 바인더 프리 공정을 통한 다차원 이종구조체 증착 유·무기 복합 유연 중공탄소나노섬유 전극 개발
IV) 최적화된 소재 적용 프로토타입 유연 에너지 저장 소자 개발 및 최적화
• 인체 적합성 고분자 Protective층 개발 및 내마모성 향상 기술 개발
• 바인더 프리 다차원 이종구조체 증착 유·무기 복합 유연 중공탄소나노섬유 전극 적용 유연 에너지 저장 장치 개발
• 최적화된 소재 적용 프로토타입 유연 에너지 저장 소자 개발 및 인체 적용 가능성 확보
• 프로토타입 유연 에너지 저장 소자 특성 평가 및 내구성 향상 공정 기술 확보

◼ 1단계
❏ 연구 목표
• 나노수준의 표면구조 가공과 유·무기 소재의 복합화 공정의 최적화를 통한 신개념의 목적 지향적 고성능 다차원 이종구조체 전극소재 개발 및 소자적용 최적화 공정방안 확보
• 개발 목표 (전극): 비정전용량: > 500 F/g @ 1 A/g, 전극 내구성: > 95% (50,000회 구동 후)
❏ 연구 내용
[1차년도 연구 내용]
• 3중 노즐 전기방사시스템을 활용한 고다공성 유연 중공탄소나노섬유 개발
• 유연중공탄소나노섬유 표면 미세기공 크기 및 분포 조정 기술 개발
• 전산모사 해석연구를 통한 다차원 이종구조체 최적 구조 및 성분 조성비 설계
[2차년도 연구내용]
• 나노레벨 구조조정을 통한 다차원 이종금속구조체 합성 및 전극 활성 면적 향상기술 개발
• 그래핀 캡슐화를 통한 다차원 이종구조체 층간 고정화 기술 개발 (다차원 이종구조체 개발)
• 다차원 이종금속 구조체와 그래핀간 계면 접합력 향상을 통한 내구성 향상 기술 개발
[3차년도 연구내용]
• 2way 전기방사 공정을 통한 Pseudo capacitor 금속나노입자 충진 유·무기 복합 유연중공탄소나노섬유 개발
• 유·무기복합 유연중공탄소나노섬유 표면 다차원 이종구조체 코팅기술 개발 및 계면 접합력 향상 방안 확보
• 바인더 프리 공정을 통한 다차원 이종구조체 증착 유·무기 복합 유연중 공탄소나노섬유 전극 개발

◼ 2단계
❏ 연구 목표
• 바인더 프리 다차원 이종구조체 증착 유·무기 복합 유연중공탄소나노섬유 전극을 적용한 유연 에너지저장 장치 개발 및 프로토타입 소자 내구성 향상 기술 확보
• 개발 목표 (소자): 비정전용량: > 400 F/g @ 1 A/g, 에너지 밀도: > 150Wh/kg @ 출력밀도 10 KW/kg, 내구성: > 95% (20,000회 구동 후)
❏ 연구 내용
[1차년도 연구내용]
• 인체적합성 고분자 Protective층 개발 및 내마모성 향상 기술 개발
• 바인더 프리 다차원 이종구조체 증착 유·무기 복합 유연중공탄소나노섬유 전극 적용 유연 에너지 저장 장치 개발
• 소자 특성 평가 및 내구성 향상 기술 개발
[2차년도 연구내용]
• 최적화된 소재 적용 프로토타입 유연 에너지 저장 장치 개발 및 인체 착용 가능성 확보
• 프로토타입 유연 에너지 저장 장치 특성 평가 및 내구성 향상 기술 확보

□ 연구성과
• 2중 노즐 전기방사 공정을 통한 유연중공탄소나노섬유 제작 방사 공정 확보 및 PVP:PAN 함량 최적화를 통해 1,972 m² g^-1의 높은 비표면적을 갖는 고다공성 중공탄소나노섬유 제작을 위한 표면 미세 기공 형성 기술을 확보함.
• 전구체 결정구조 열전환 반응을 통해 질소도핑 탄소결정질층으로 FeO nanospindles 응집체가 그래핀 표면에 캡슐화된 458 F g^-1(@ 1.0 Ag^-1)의 높은 비정전 용량을 갖는 다차원 이종구조체 합성 기술을 개발함.
• 다차원 이종구조체와 중공탄소나노섬유 계면 접합력 향상 기술 및 2way 전기방사 공정을 통해 다차원 이종구조체가 질소 도핑 탄소결정질 코팅층으로 중공탄소나노섬유 표면에 고정화된 바인더 프리 고성능, 고내구성 전극 제작 기술을 개발함 (비정전 용량: 383 F g^-1@1.0 A g^-1, 내구성:>97%@50,000회).
• 본 연구수행을 통해 도출된 연구결과는 3편의 SCI 논문 및 4건의 국내 학술대회 발표논문과 같은 연구 성과를 도출함.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
[기술적 측면]
• 신개념 다차원 이종 나노구조체 소재 제조기술 확보는 여러 다양한 미래형 휴대용 전자 제품의 핵심요소인 유연소자, 폴더블 투명 소자, 경량의 고효율 에너지 저장 및 변환장치 등에 적용 할 수 있어 다양한 산업전반에 큰 파급효과를 야기할 것임.
• 특히, 고성능 에너지 저장장치는 국내·외에 큰 시장성을 가지고 있어 경제적 가치가 높을 뿐만 아니라 본 연구에서 개발될 에너지 저장 소자는 에너지 밀도, 안전성, 내구성, 경량화, 효율성 측면에서 기존 에너지 저장장치의 한계를 뛰어넘을 수 있는 핵심기술을 제공하여 미래의 신성장 동력사업의 소재원천 요소 기술을 제공할 것으로 기대됨.
[경제, 산업적 측면]
• 우수한 내구성을 가지면서 고에너지 저장 용량을 구현하는 에너지 저장 장치는 현재 신재생 에너지 시스템의 기술적 문제로 고려되는 에너지 손실, 생산 불균일성 및 낮은 활용률을 동시에 해결할 수 있는 기술을 제공하여 신재생 에너지 활용기술의 비약적 발전에 크게 이바지할 것으로 기대되며 세계시장에서 기술적 우위를 선점할 수 있는 원천소재 핵심 기술을 확보할 수 있을 것으로 고려됨.
• 본 연구에서 개발될 소재원천기술 및 실용화 기술은 에너지 소재의 자국화를 이끌어 국내 기술 자립도를 높일 뿐만 아니라 ESS시장의 확장성을 향상시키고 연관 기술 신시장 창출과 생산성 증대를 통한 중소/중견 기업의 매출 증대와 일자리 창출 효과가 있을 것으로 기대됨.
[사회적 측면]
• 바인더 프리 제조 공정을 통해 소자의 노화현상을 억제한 고내구성을 갖는 고성능 에너지 저장장치 개발은 유연전자제품, 헬스케어 산업, 드론 산업, 미래형 자동차 산업 등의 연관 산업의 발전을 꾀하여 인간의 삶을 윤택하게 하는 기반기술을 제공할것으로 고려됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 12
• 1) 연구수행 결과 ... 12
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 14
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 15
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 15
• 끝페이지 ... 27