성균관대학교 공과대학 화학공학부
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에너지 기술 Energy Technology
에너지 기술은 여러 학문분야가 관련된 영역으로 에너지의 효율적이고 안전한 추출, 사용, 저장, 이송, 변환에 관한 학문임. 화학공학은 이러한 에너지 기술 분야에서 중추적인 역할을 하고 있음. 성균관대학교 화학공학부의 에너지 기술에 대한 연구는 탄화수소 및 태양광을 활용한 수소제조, 태양광 에너지로부터 전기를 생산하는 태양전지, 수소 또는 알코올로부터 전기를 생산하는 연료전지, 전기에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 리튬이차전지 및 커패시티 등 다양한 연구분야에서 세계 탑 수준의 연구성과를 도출하고 있으며 최근 국제적으로 에너지의 무기화가 진행됨에 따라 화학공학은 국가 안보와 직결되는 매우 중요한 역할을 하고 있다.
촉매공학
에너지공학
고분자물리 및 응용
다상유동 및 분체 공학
에너지촉매
미세유체 및 코팅공정
에너지 저장 및 환경 소재
에너지 저장 및 환경 소재
주요연구분야
본 연구실에서는 탄소나노튜브, 그라핀와 같은 다양한 나노소재의 기능화 및 구조체화를 통해서 에너지 전환 및 저장 소자(리튬이온이차전지, 슈퍼커패시터, 연료전지) 혹은 환경 시스템(온실가스 제거, 수 처리)에서 발생하는 문제점을 화학공학적인 관점에서 해결하고자 합니다. 또한, 화학적 혹은 전기화학적 소자나 시스템 상에서 나노스케일에서 일어나는 물리적 현상을 이해하고 이러한 지식을 바탕으로 새로운 에너지소재 디자인 및 소자 개발에 응용하고자 합니다.
현재 MIT, University of Illinois at Urbana-Champaign, Brookhaven National Laboratory, KIST, KBSI, Pohang Accelerator Laboratory 등의 세계적인 연구기관과 활발하게 공동연구를 수행 중이고, 중점 연구분야는 아래와 같습니다.

1. 에너지 저장 소자
2. 환경 시스템
3. 나노소재의 기능화 및 구조체화

전기화학적 에너지 저장 소자
: 리튬이차전지, 슈퍼커패시터, 기능성 에너지 저장 소자
리튬이차전지나 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 저장 소자는 화석에너지의 고갈과 지구온난화 등의 사회적 이슈와 더불어 전기자동차, 그리드 기술, 전자기기 관련 산업이 발전하면서 지속가능한 에너지 시스템으로 크게 각광을 받고 있습니다. 전기화학적 에너지 저장 소자는 기본적으로 전극, 전해질, 분리막, 집전체 등의 구성 요소로 이루어져 있으므로, 구성 요소 자체의 물성이나 구성 요소 간의 계면 특성에 의해서 소자의 성능(용량, 출력, 싸이클)이 결정됩니다.
본 연구실에서는 탄소나노소재 및 하이브리드소재를 기반으로 전극과 전해질 성능을 향상시킴으로써 고성능 에너지 저장 소자를 개발하고 있습니다. 또한, 전자기기의 기능성과 디자인에 대한 소비자의 요구 사항이 다양해지고 에너지 저장 소자의 응용 범위가 점차 넓어지면서, 여러 가지 외부 조건(예: 스트레스, 제한된 공간, 고온)에서도 고효율로 에너지를 공급할 수 있는 새로운 형태의 기능성 에너지 저장 소자에 대한 연구를 수행 중입니다. 예를 들면, 아래 그림과 같은 유연성(flexible) · 접힘성(foldable) · 압축성(compressible) · 신축성(stretchable) 에너지 저장 소자를 개발 중입니다.

환경 시스템
: 온실가스 포집, 수 처리
2013년 인류가 기상관측을 시작한 이래로 최초로 CO2의 농도가 400 ppm을 넘어섰고 계속해서 온실가스와 관련된 여러 가지 이상기후와 지구온난화 문제가 발생하면서 CO2를 비롯한 온실가스 포집 기술에 대한 필요성이 범국가적인 차원에서 대두되고 있습니다. 현재까지는 MEA와 같은 아민 기반의 흡수 공정이 주로 사용되고 있지만, 높은 재생열이나 부식과 같은 문제점으로 인해서 새로운 포집 기술이 요구되고 있습니다. 또한, 기름 유출이나 중금속, 방사능과 같은 오염물을 선택적으로 포집하는 기술도 수 처리나 환경 복원에 응용되고 있습니다.
본 연구실에서는 다공성 탄소나노소재의 기능화 및 계층적 구조체화를 통해서 고성능 흡착 소재를 개발하고 있습니다. 기체 · 고체(온실가스 포집) 혹은 액체 · 고체(수 처리) 흡착 기술을 적용하여서 대기나 수질 상에서 목표로 하는 흡착물질을 고용량으로 선택적으로 빠르게 포집할 수 있고 재생이 가능한 흡착제를 개발하고, 화학공학의 기본 학문인 열역학과 반응공학 지식을 적용해서 시스템을 해석하고 여러 가지 물리적 의미를 찾고자 합니다. 예를 들면, 아래 그림과 같이 그라핀을 이용한 흡착제 디자인이 가능합니다.

나노소재의 기능화 및 구조체화
: 탄소나노튜브, 그라핀 및 2차원 나노물질
현재까지 에너지 및 환경 분야의 breakthrough는 혁신소재의 등장과 밀접한 상관관계를 가지며 이루어졌고, 향후에도 당면 문제를 해결함으로써 지속가능한 성장을 하기 위해서는 소재 관련 원천기술의 확보가 매우 중요합니다. 예를 들면, 재래커패시터에서 현재의 슈퍼커패시터로 용량을 order of magnitude 향상시킨 것은 나노다공성 활성탄의 등장에 의해 이루어졌고, 또 한 번의 breakthrough는 그라핀과 같은 탄소나노소재 개발에 의해서 현재 시도되고 있습니다. 그러므로, 에너지 저장 및 화학물질(온실가스 및 액체) 포집 기술은 대부분 고체(전극 혹은 흡착제)의 표면에서 발생하므로 전극 혹은 흡착제의 표면 화학이나 구조를 어떻게 제어하느냐에 따라서 소자 및 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
본 연구실에서는 아래 그림과 같이 탄소나노튜브나 그라핀 및 2차원 나노물질과 같은 저차원 물질을 조립함으로써 3차원 (거시적 구조 내에 미시적 구조가 존재하는) 계층적 구조를 유도하고, 도핑, 기능화 및 하이브리드화 등을 통해서 표면에서의 화학 조성을 제어하고자 합니다. 이를 통해서 원하는 전하(리튬이온, 프로톤) 및 물질(온실가스, 오염물)을 높은 용량으로 저장 및 포집할 수 있고 빠른 반응속도와 전하 및 물질 이동을 통해서 실제 조업에서도 열역학적인 이론 값에 가까운 비평형 수치를 얻을 수 있으며 장기적인 충 · 방전 혹은 흡 · 탈착이 가능한 에너지 저장 및 환경 소재를 개발하고 있습니다.



 
 
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