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국가연구개발성과

성과
연구보고서 고분자 직물 소재 및 탄성체 기반의 고성능 나노복합체 전극 플랫폼 개발 및 에너지 저장/발생 시스템 응용
(Development of Polymer Textile/Elastomer-based High Performance Nanocomposite Electrode Platform and Their Applications to Energy Storage/Generation System)
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등록번호 TRKO202200018137 발행년월 2021-03
발행기관명 고려대학교 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 고분자 직물/탄성체;리간드교환 층상자기조립법;슈퍼커패시터/배터리;바이오 연료전지;마찰전지 발전소자;
Polymer textile/elastomer;Ligand-exchange Layer-by-Layer;Supercapacitor Battery;Biofuel cell;Triboelectric generator;
초록
□ 연구개요
본 연구는 선행연구 (2015년 중견연구자지원사업, “초박막 계면 설계를 통한 층상자 기조립형 에너지 저장/하베스팅 및 촉매용 박막”)를 통해 개발한 새로운 층상박막제조 기술을 바탕으로 높은 표면적과 전기전도성을 갖는 고분자 직물 소재 및 탄성체전극을 개발하고 이를 기능성 나노복합체와 결합함으로써 다기능성의 고성능 에너지 저장 및 발생 소자에 응용하는 데 목적이 있음.

□ 연구 목표대비 연구결과
■ 넓은 표면적과 높은 전기전도성을 갖는 고분자 직물 소재 및 탄성체 전극 개발
- XRD와 TEM을 통한 금속 나노입자의 합성여부를 확인함.
- 40% 이상의 나노입자 흡착량 밀도를 유도함.
- 직물 소재 탄성 지지체 위 형성된 다층박막의 매우 높은 전기전도성(Au 나노입자 기반 다층박막 : ~2.2 × 105 S/cm, Ag 나노입자 기반 다층박막 : ~1.6 × 105 S/cm)을 얻음.
- 다양한 물리적 변형(구부리기, 접기, 구기기, 수축/이완) 하에서도 안정적인 전기전도성을 유지함.
■ 에너지 저장소자 (배터리, 슈퍼커패시터)의 기계적 안정성 및 성능 평가
- 1000번의 물리적 변형(구부리기)하에서도 약 97.5%의 축전용량을 유지함.
- 슈퍼커패시터의 경우 약 295.8 mF/cm2 (@5 mV/s), 배터리의 경우 약 2305 mAh/cm3 (@470 mA/cm3)의 축전용량을 확보함.
- 에너지 저장 나노입자 층 사이 금속 나노입자를 주기적으로 삽입해줌으로써 에너지 저장입자 간 낮은 전도성을 극복함.
■ 바이오 연료전지 시스템 개발 및 성능 향상 방법 모색
- 금속 나노입자의 도입으로 생성전력(~1.2 mW/cm2) 및 높은 개회로 전압(~0.9V)을 얻음.
- 15일 동안 높은 구동 안정성(초기 전력생성 성능 대비 84% 유지)을 확보함.
- 직렬로 연결된 산화 전극과 환원 전극의 전류 밀도(~7.1 mA/cm2)와 생성전압 (~1.8V)을 확보함.
■ 고분자 탄성체 전극 기반 마찰전기 발전소자를 통한 전자기기 구동
- 다양한 물리적 변형(누름, 굽힘, 비틀림) 하에서도 전력생성이 가능함.
→ 누름(~100 V), 굽힘(~25 V), 비틀림(~20 V) 확보함.
- 누름을 통해 30개의 발광 다이오드(LED)의 안정적인 구동을 확인함.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구결구를 통해 주변에서 쉽게 구하거나 제작할 수 있는 고분자 직물 소재 및 탄성체를 기반으로 층상자기조립법을 접목하여 높은 표면적과 전기전도성을 갖는 전극(집전체)을 제작함. 특히 리간드교환 기반의 층상자기조립 기반의 나노복합체 박막을 통해 소재의 물리적 화학적 성질을 나노미터 수준으로 제어, 다른물질간의 융합, 분석, 이해함으로써 고분자 전극 플랫폼을 개발하였으며, 이를 기반으로 에너지 저장 및 발생분야에 새로운 가능성을 마련함. 이러한 연구개발 성과의 실용화 및 원천기술의 산업화를 위하여 기술이전을 추진하고, 국가 산업발전에 크게 이바지하고자 함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차
표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
1) 연구개발의 목적 및 필요성 ... 4
2) 연구개발의 최종목표 ... 4
3) 연구범위 ... 5
4) 연구의 가설 ... 5
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
1) 정성적/정량적 연구개발성과(연구개발결과) ... 9
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
3) 목표 달성 수준 ... 16
4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
6. 참고문헌 ... 19
[붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
[붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 29
끝페이지 ... 39

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