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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 심형철(Hyung Cheoul Shim)
      나노 소재 기반의 에너지 저장/변환 소자의 연구
      심형철(Hyung Cheoul Shim)(한국 기계연구원)
      이메일:scafos at kimm.re.kr
      1907 2 2
    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    - 제가 연구하고 있는 분야는 다양한 나노 소재 개발을 기반으로 한 에너지 저장용 (리튬이온 이차전지) 또는 변환용 소자 (태양전지)입니다. 학위 기간에는 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube, CNT)라는 1차원의 나노 소재를 원하는 곳에 조립 및 정렬시키는 기술을 중심으로 다양한 연구주제를 수행하였습니다. 어쩌면 이러한 주제는 일반적인 기계공학 분야가 아닐 수 있습니다. 그렇지만 제가 공부했던 연구실은 로봇을 플랫폼으로 하여 주변환경이나 독성물질을 탐지하는 장치에 대해 연구하는 소규모 그룹이 있었고, 그곳에서 주로 탄소나노튜브를 사용하고 있었기에 자연스럽게 관련 분야를 접할 수 있었습니다.

    나노 소재를 원하는 곳에 정렬 및 조립시키는 기술은 Bottom-Up 나노 기술의 중요한 부분을 차지하고 있습니다. 특히 소자를 제작하거나 특정 구속 조건이 적용된 시스템에 나노 소재를 적용할 때 유용하게 쓰일 수 있습니다. 나노 소재를 조립 및 정렬시키는 많은 방법 중에 제가 주로 적용했던 방법은 유전영동 힘 (Dielectrophoretic Force, DEP force)을 이용하는 것으로서, 균일한 전기장을 형성하여 전하를 띠는 입자가 이동하는 메커니즘을 기반으로 한 전기영동 (Electrophoresis)과는 다른 것입니다. 유전영동 힘은 전기장의 구배 (Gradient)를 이용하여 전기장 내 입자가 전하를 띠는 여부와는 관계없이 물체를 움직일 수 있게 하는 외력입니다. 양단 전극의 형상학적 인자의 차이가 클수록 높은 전기장 구배가 형성되고, 전기장의 크기가 클수록 더 큰 힘이 생성될 수 있게 됩니다. 또한 입자가 거동 중인 유체나 기체 내부에서 각각의 유전상수와의 관계를 나타내는 수식 중 하나인 클라우지우스 모소티 인자 (Clausius Mossotti Factor)에 따라 전극 방향으로 향하는 양의 힘을 가할 수도 있고, 전극으로부터 밀려나는 음의 방향을 가할 수도 있는데, 이는 전기장의 주파수와 밀접한 관련이 있습니다.

    저는 초창기 이러한 현상을 이용하여 원자힘 현미경 (Atomic Force Spectroscopy, AFM) 탐침 끝에 CNT를 DEP 힘을 사용하여 부착함으로써, AFM의 분해능을 높이는 동시에 탐침의 수명을 향상시키는 일을 했습니다. 이렇게 CNT와 관련된 일을 하다 보니 CNT를 정제하고 또 전기적 성질별로 분리하는 일을 할 수 있어야 CNT를 제대로 이용할 수 있음을 알게 되어 미세유로 칩 (Microfluidic Chip)을 이용하여 각종 불순물로부터 CNT를 정제하는 일로 석사학위를 취득하였습니다. 또한 CNT의 경우 탄소원자가 어떤 식으로 배열되었는지에 따라 전기적 물성이 달라질 수 있는데, 비슷한 물성끼리 CNT를 분리하는 연구도 많이 진행하였습니다.

    박사학위로는 DEP 힘을 이용하여 CNT에 양자점 (Quantum Dot, QD)이라는 나노 소재를 부착하여 광기전 소자(Optoelectronic Device)를 제작하는 연구로 취득하였습니다. 양자점은 CNT보다 훨씬 작은 입자이기 때문에 단순히 DEP 힘을 이용하여 움직임을 제어하기는 어렵습니다. 즉, DEP 힘으로 열적 현상에 기반하는 브라운 운동 (Brownian Motion)에 관련된 힘을 이기기 힘들기 때문에 CNT 자체를 전극으로 사용하는 동시에 전기장 인가 방향을 조정하는 방식으로 DEP 힘을 비약적으로 증대시켜 이를 해결하였습니다.

    이렇게 CNT에 QD를 부착하게 되면, QD사이에 이동하는 전하의 전달 경로를 CNT를 이용하여 감소시킴으로써 소자의 반응시간을 좀 더 단축시킬 수 있는 장치를 제작할 수 있습니다. 또한 밴드갭 엔지니어링 (Band-gap Engineering)을 할 수 있는 QD의 특이성을 사용하여 파장 선택성이 있는 광기전 소자 또한 제작 가능합니다.



    - 학위를 마친 후로는 삼성 코닝 정밀소재에 입사하여 리튬 이온 배터리 소재를 개발하는 업무를 3년 동안 진행하였습니다. 당시에 전혀 모르는 분야인 소재/화공 기반의 리튬 이온 전지소재 개발 업무를 맡아서 조금 당황한 면도 없지 않았지만, 주변 분들의 도움으로 인해 단기간 내에 많은 일을 배우고 접할 수 있었습니다. 또한 학위 때 다룬 여러 가지 나노 소재 및 기계과에서 배운 시스템 구성/디자인에 대한 지식을 바탕으로 배터리 소재 개발업무에 미약하게나마 기여할 수 있었습니다. 그 당시 주로 일을 맡아서 연구를 진행하던 소재는 크게 두 가지 였습니다. 에너지 밀도가 조금 낮지만 가격 경쟁력이 뛰어나고, 안정적 전압을 공급할 수 있는 리튬철망간인산화물 (Lithium Iron Manganese Phosphate)과 양극소재  (Cathode Material) 중 비용량 (Specific Capacity)이 가장 높은 축에 속하는 신규 소재인 리튬과량층상구조물 (Lithium Rich Layered Oxides)에 대한 것 이였습니다. 아이러니 하게도 그 당시에 연구하던 소재들은 지금까지 제가 주로 흥미를 가지고 일하는 주제로 이어지고 있습니다.


    - 현재는 한국기계연구원에서 크게 두 가지 일을 진행하고 있습니다. 첫째는 학위 때 광기 전 소자의 핵심소재로 사용했던 양자점을 활용하여 태양전지를 제작하는 일입니다. 양자점은 앞서 말씀드린 바와 같이 크기에 따라 밴드 갭 에너지를 제어할 수 있는 양자구속 효과 (Quantum Confinement Effect)에 기인한 장점과 더불어 다중 여기자 생성 (Multiple Exciton Generation, MEG) 현상에 기반한 높은 광전변환 효율  (Power Conversion Efficiency)의 가능성을 내포하고 있는 차세대 태양전지용 소재입니다. 물론 현재는 높은 효율을 자랑하는 페로브스카이트 (Perovskite) 태양전지가 차세대 태양전지의 선두주자 역할을 하고 있지만, 그에 못지않게 양자점 태양전지도 많은 장점을 내포하고 있습니다. 양자점은 반도체성 나노결정체라고 할 수 있는데, 이를 용액상태로도 제조할 수 있으므로 진공 공정 대비 상대적으로 저렴한 용액공정을 적용하여 저가의 태양전지 제작이 가능합니다. 또한 무기물이기 때문에 유기물을 기반으로 한 유기 태양전지나 주로 유무기 혼합체로 구성된 페로브스카이트 태양전지보다 대기 안정성이 높을 수 있습니다. 그러나 양자점은 매우 작은 소재이므로 분산 안정성을 위해 표면에 부착된 리간드 (ligand)를 어떻게 제어하느냐가 양자점 간 전하전달 성능을 좌우하는 핵심 지표라고 할 수 있습니다. 또한 양자점은 비표면적이 매우 큰 소재이기 때문에 표면 결함이 벌크 (Bulk) 소재 대비 매우 많고 양자점의 크기에 따라 소재의 구성면 (Facet) 정보 및 각각의 면에 따른 원자 배치가 다르기 때문에 이를 제어하기가 상당히 까다롭다고 알려져 있습니다. 저희는 표면화학 및 양자점의 전문가이신 성균관대학교 에너지과학과 정소희 교수님과 나노 소재 분광학의 전문가이신 미국 신재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory, NREL)의 Matthew C. Beard 박사님과 함께 이 일을 진행하고 있습니다. 저희는 양자점의 표면을 잘 제어하고, 소자의 구조를 최적화하여 현재 인증효율 12%의 양자점 태양전지를 제작할 수 있는 기술을 보유 중입니다.

    또한 이 일과 관련하여 저는 2018년에 미국 콜로라도 주 덴버 (Denver)에 위치한 NREL로 파견되어 국제공동기술개발을 진행하기도 하였습니다. 현재는 페로브스카이트 나노 결정체를 적용하여 고효율 양자점 태양전지를 제작하는 데 집중하고 있습니다.

    다음으로는 나노 소재를 활용한 리튬이온배터리 제작에 관련된 일을 하고 있습니다. 나노 소재는 표면적이 높고 리튬과의 반응에 따른 부피 변화에 기인한 변형률 (Strain)을 줄일 수 있으므로 고성능 배터리를 제작하는데 기여할 수 있습니다. 저는 우선 학위 때 다룬 소재인 CNT를 활용하여 나노 크기의 리튬 금속산화물을 합성한 후 복합화시킴으로써 수명특성을 향상하는 일뿐만 아니라 배터리의 형상 학적 자유도를 확장할 수 있는 일을 하고 있습니다. 즉, CNT는 종횡비 (Aspect Ratio)가 매우 큰 소재이기 때문에 전기화학 반응이 진행되는 동안 에너지 저장 소재 간 전하전달 네트워크를 유지하는데 이점이 있습니다. 또한 유연/신축 배터리를 제작/설계 하는 데 있어서 외력에 따른 구조의 변화 시 형상을 유지해주거나 전하전달 경로의 손실을 최소화하게끔 하는 부재로서 역할을 할 수 있기 때문에, 배터리의 물리적인 형태인 폼 팩터(Foam Factor)를 변화시키는 데 유용하게 적용될 수 있습니다. 일례로 우리 연구원에서는 이러한 CNT를 이용한 각종 구조물을 기반으로 하여 유연 배터리, 섬유형 배터리 개발 등에 적용하고 있습니다.

    또한 차세대 고용량 배터리 음극 (Anode) 소재로 주목받고 있는 실리콘과 관련하여 전기화학 반응에 따른 부피팽창과 연계된 많은 문제점을 해결하기 위해 CNT/실리콘 복합체를 사용하여 장수명 특성이 뛰어난 소재를 개발하기도 하였고, 고압 환경하에서 유한확산 집합체 (Diffusion Limited Aggregation, DLA) 현상을 이용하여 주석 (Sn) 나노 구조체 음극 소재를 개발하여 에너지 밀도가 높으면서 신뢰성이 향상된 리튬 이온 배터리를 제작하기도 하였습니다.

    현재는 전기차 보급의 확장에 따라 고속 충/방전 성능이 중요해지는 시점에서 이와 연계된 소재의 성능을 향상할 수 있는 열쇠로 고상 전해질 계면 (Solid Electrolyte Interface, SEI) 층에 대한 규명 및 분석이 중요하다고 생각되어 이와 연계된 일을 진행 중에 있습니다. 또한 제가 기계공학을 전공했기 때문에 배터리 분야 중에 시스템 설계/제작적인 면이 주목받을 수 있는 레독스 흐름 배터리 (Redox Flow Battery)에 흥미를 느끼고 이와 연관된 개인 과제도 수행 중입니다.


    2. 본인의 대표 논문 소개

    - Sohee Jeong, Hyung Cheoul Shim(co-1st author), Soohyun Kim, and Chang-Soo Han, “Efficient Electron Transfer in Functional Assemblies of Pyridine-Modified NQDs on SWNTs,” ACS NANO, 2010, 4, 324-330.

    - Jihoon Jang, Hyung Cheoul Shim(co-1st author), Yeonkyeong Ju, Jung Hoon Song, Hyejin An, Jong-Su Yu, Sun-Woo Kwak, Taik-Min Lee, Inyoung Kim, Sohee Jeong, “Allsolution-processed PbS quantum dot solar modules,” Nanoscale, 2015, 7, 8829-8834.

    - Hyung Cheoul Shim, Ilhwan Kim, Chang-Su Woo, Hoo-Jeong Lee, Seungmin Hyun, “Nanospherical solid electrolyte interface layer formation in binder-free carbon nanotube aerogel/Si nanohybrids to provide lithium-ion battery anodes with a long-cycle life and high capacity,” Nanoscale, 2017, 9, 4713-4720.

    - Hyung Cheoul Shim, Donghan Kim, Dongwook Shin, Seungmin Hyun, Chang-Su Woo, Taehwan Yu and Jae-Pyoung Ahn, “Observation of partial reduction of manganese in the lithium rich layered oxides, 0.4Li2MnO3–0.6LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, during the first charge,” Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 1268–1275.

    - Hyung Cheoul Shim, Hyekyoung Choi, Sohee Jeong, “AC-dielectrophoretic force assisted fabrication of conducting quantum dot aggregates in the electrical breakdowninduced CNT nanogap,” Applied Physics Letters, 2018, 112, 133105.


    3. 나노 소재를 이용하여 효율성이 좋은 이차 전지를 개발하고 계신 걸로 알고 있습니다. 현재 이차 전지의 개발과 관련해서 반드시 해결해야 할 목표나 과제가 있다면?

    - 현재 전기차의 보급 및 확산에 따라 고용량/장수명 및 고성능 배터리용 소재 개발은 더욱 중요해지고 있습니다. 고용량 및 장수명이라 함은 한번 충전 시 먼 거리를 운용하기 위함이고, 고성능은 출력특성이 좋은 소재로 구성된 배터리를 의미합니다. 용량 문제는 여러 개의 배터리 집합체를 잘 설계하여 이를 운용하는 배터리 운용 (Battery Management, BM)의 기술로 소재의 한계를 극복해나가고 있습니다. 그러나 전기차는 기존 화석연료 차량에 견주어 충전 시간이 많이 소요되기 때문에 단시간에 충전할 수 있고 오래 쓸 수 있는 고출력 소재개발의 중요도가 더욱더 주목받고 있습니다. 나노 소재는 이러한 특성에 부합하는 배터리를 제작할 수 있는 소재로써 유용하게 적용될 수 있습니다. 즉, 물질 간 전하 또는 이온 전달 경로를 다변화시키거나 오히려 제약시킴으로써 전하나 이온의 이송 효율을 높일 수도 있고, 고속 충전 시 발생할 수 있는 소재의 변화에 따른 열화 현상을 벌크 소재 대비 줄일 수도 있습니다. 또한 이와는 별개로 전기화학 반응 시 소재 표면에 형성되는 고상 전해질 계면의 형성 및 반응 메커니즘이 배터리 고속 충/방전 효율 향상과 연계되는 인자라 생각되어 관련 연구를 진행 중입니다.


    4. 본인의 연구에서 가장 중점을 두고 있는 내용이 있으시다면?

    - 제 연구에서 가장 중점을 두고 있는 내용은 재현성 (Reproducibility)입니다. 과학기술의 발전은 혼자의 힘으로는 어렵고 집단 지성의 연구 결과를 바탕으로 한 끊임없는 개선의 산물이라고 믿고 있습니다. 결과 개선의 기본이 되는 다른 사람의 연구 결과가 재현되지 않는다면, 다음 과정으로 나가기 어려울 뿐만 아니라 연구자 간 신뢰성에도 타격을 줄 수 있다고 생각됩니다. 따라서 저는 연구주제를 떠나서 특정 조건에서만 작동하는 기술보다는 범용적으로 적용될 수 있는, 누구나 접근 가능한 방법을 기반으로 한 연구개발을 지향하고 있습니다.

    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면 소개를 부탁드립니다.

    - 제가 가장 많은 영향을 받은 분은 현재 성균관대학교 에너지과학과 교수로 재직 중이신 정소희 박사님입니다. 정소희 박사님과의 인연은 제가 박사과정 학생 때부터 이어졌는데, 양자점이라는 나노 소재를 제게 처음으로 소개해 주신 분이기도 하고, 논문 작성법 등을 포함해서 연구의 진행 방법에 대해 많은 지도를 해주신 분이기도 합니다. 정소희 박사님은 미국의 미시간 앤 아버 대학 화학과에서 박사학위를 취득하시고 로스앨러모스 연구소에서 박사후과정을 마치신 뒤 귀국하여 기업 및 정부출연 연구소 경력을 거쳐 현재 교수로 재직 중이십니다. 특히 양자 구조체 관련하여 국내 및 국외에서 주목받는 전문가이며, 표면 화학의 중요성 및 관련 부문을 꾸준히 탐색하셔서 동일 분야 연구자분들이 많은 인용을 하는 결과물도 내신 바 있습니다. 정소희 박사님께서는 제게 연구자가 가져야 할 태도에 대해서 많은 가르침 및 자극을 주신 바 있고, 실제로 제게는 롤 모델로서 자리 잡고 있습니다. 특히, 외부 연구 환경 변화가 있음에도 불구하고 꾸준히 본인의 연구주제를 이끄는 동시에 변화에도 적응하시며 연구 결과를 End Product로 연결하고자 하시는 노력은 제게 많은 감명을 주었습니다. 계속해서 인연을 이어나가 저도 박사님께 도움 되는 일원이자 동료가 될 수 있도록 노력 중입니다.



    6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    - 제가 학위 기간 동안 연구를 진행했던 곳은 KAIST 기계공학과입니다. 석사 학위 때는 (故) 곽윤근 교수님 지도를 받았으며, 박사 학위 때는 김수현 교수님 지도를 받았습니다. 제가 공부한 MSC 랩은 다른 랩들과는 다르게 특이하게도 두 분의 교수님께서 공동으로 설립한 장소였습니다. 스승과 제자 관계이신 곽 교수님과 김 교수님은 기본적으로는 로보틱스 (Robotics) 분야를 전문으로 하셨지만 다양한 분야의 학문을 폭넓게 수용하여 응용 광학 및 나노 소재/소자도 같이 연구하셨습니다. 저는 학부 때 심리학을 부전공했기 때문에 감성 로봇을 개발하고자 하는 (故) 곽윤근 교수님의 지도하의 석사생으로 KAIST에 입학했으나, 현재 부산대 나노 에너지공학과에 교수로 재직 중인 이형우 교수님의 조언으로 나노 소재/소자로 연구 분야를 변경하게 되었습니다. 이와 관련하여 곽 교수님께서는 흔쾌히 허락해 주셨을 뿐만 아니라 오히려 기계공학도의 입장에서 색다른 조언 및 심사평을 아끼지 않으셨습니다. 교수님께 지도받지 않았다면 제가 KAIST에서 어떻게 적응했을까 싶을 정도로 항상 고맙게 느끼고 있습니다만 3년 전에 병환으로 작고하셔서 안타까울 뿐입니다. 박사 학위 때는 현재 KAIST 대외부총장으로 재직 중이신 김수현 교수님의 지도를 받았습니다. 학생들의 의견을 적극적으로 듣는 동시에 발전적인 방향으로 나갈 수 있게끔 항상 열린 자세로 조언을 마다하지 않으신 김 교수님의 지도방식 덕분에 재미있게 박사 생활을 지낼 수 있었습니다.

    졸업 후에는 삼성코닝 정밀소재에 책임연구원으로 입사하여 3년 동안 리튬 이온 이차전지용 양극 소재개발 업무에 매진하였습니다. 외적 경제환경변화에 따른 많은 조직 이동의 부침이 있었지만, 그때 같이 생활했던 연구원분들은 아직도 정기적으로 만나며 서로의 든든한 인적 네트워크가 되어가고 있습니다. 그 당시 유리기판 외에 신규 사업의 핵심 아이템으로써 리튬이온전지용 소재를 개발하고 있었기 때문에 회사의 전폭적인 지지를 받으면서 밀도 있게 연구할 수 있었고, 그 당시 열심히 일했던 기억은 아직도 연구원 생활을 할 수 있는 원동력이 되고 있습니다.

    현재는 정부출연 연구소인 한국기계연구원 나노응용역학연구실 선임연구원으로서 6년째 근무 중입니다. 우리 기관은 대전에 본원이 있고, 부산 (레이저), 김해 (LNG/극저온), 대구 (의료)에 각자의 기술 특징을 살린 개별 분원이 운영 중입니다. 또한 국민 생활 증진에 도움 될 수 있는 공익적 기술개발과 더불어 기계산업 전반에 파급력을 줄 수 있는 선도적 연구개발에 힘쓰고 있습니다. 특히 제가 근무 중인 나노 응용 역학연구실은 나노 융합 기계본부라는 조직에 속해있는데, 주로 나노 스케일의 가공/제작 기술을 기반으로 소재, 소자, 시스템 등의 여러 분야를 다양한 학문과 융합하여 개발 중입니다.



    7. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    - 제가 연구한 결과가 다른 분들에게 유용하게 인용되거나 적용될 때 특히 많은 보람을 느낍니다. 또한 제가 생각한 가설이나 설계대로 실험 결과가 나올 때의 그 기분 좋음은 이루 말할 수 없기 때문에 제가 계속해서 이 일을 하게 되는 원동력이 되는 것 같습니다.


    8. 이 분야로 진학하려는 후배에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    - 나노 소재 및 소자 분야는 어느 한 부분의 학문의 지식만으로는 진행할 수 없는 분야라고 생각합니다. 즉, 다양한 학문의 융합으로 인해 비로소 꽃피울 수 있는 분야라고 생각되기 때문에 다른 분야의 사람과 협업하려고 하는 적극적인 태도가 중요하다고 생각됩니다.

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    사용자 프로필 이미지
    |2019.08.05
    연구주제에 관해 알기쉽게 설명을 해주셔서 많은 도움이 되었습니다. 늘 건승하시길 기원합니다
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    |2019.03.18
    로보틱스 (Robotics) 분야를 전문으로 하다가 나노 소재/소자쪽의 에너지 연구로 전환을 하신거네요. 주변에 좋은 멘토분들이 많아서 여러가지로 많은 도움이 된거 같습니다.
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