[사우스 캐롤라이나 대학교] 나노에너지재료 연구실
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미국 사우스 캐롤라이나 주를 대표하는 연구중심의 종합대학교인 사우스 캐롤라이나 대학교 (University of South Carolina)에 위치한 나노에너지재료 연구실 (Nanostructured Materials for Energy Laboratory)은 2018년 시작된 신생 연구실입니다. 연구실의 지도교수인 이동규 박사는 메사추세츠 공과대학교 (Massachusetts Institute of Technology)에서 박사 학위를 받은 후 테네시 주에 위치한 오크리지 국립 연구소 (Oak Ridge National Laboratory)에서 박사 후 연구원 과정을 거쳐 2018년 1월 사우스 캐롤라이나 대학교에 임용되었습니다. 나노에너지재료 연구실은 현재 사우스 캐롤라이나 주에서 운영되는 Solid Oxide Fuel Cell Center (SOFC Center)에 속해 있으며 학부 연구생 2명, 박사과정 1명, 박사 후 연구원 1명으로 구성되어 있습니다.
사우스 캐롤라니아 대학교는 미국 동남부 사우스 캐롤라이나 주의 주도 콜롬비아 (Columbia)에 위치한 전통 있는 지역의 명문 주립 대학교로 1801년에 설립되었으며 현재 총 학생수는 3만 3천 여명으로 미국 50여개주 및 100개국 이상에서 온 유학생이 재학중입니다. 대학이 위치한 콜럼비아는 미국 내 최고의 대학 도시 중 하나로 이상적인 작은 마을의 친절함과 큰 도시의 매력이 독특하게 조화되어 있으며 1년 중 평균 217일이 햇빛이 내리쬐는 화창한 날씨를 자랑합니다. 또한 콜롬비아에는 General Motors, Boeing 등의 다양한 회사가 위치하고 있어 인턴십 및 취업 기회가 풍부합니다. 지난 2018년에는 삼성전자 콜럼비아 가전 공장이 설립되어 사우스 캐롤라이나 대학교와 연구 콘소시엄이 결성되었으며 사우스 캐롤라이나 대학교는 향후 5년간 투자를 받게 됩니다. 캠퍼스에서 차량으로 20분 거리에는 콜롬비아 공항이 있으며 약 90분 정도 거리에는 노스 캐롤라이나의 샬롯 국제 공항이 위치하고 있습니다.
[(좌) 사우스 캐롤라이나 대학교 캠퍼스, (우) 콜롬비아 도심]
저희 연구실은 에너지 전환 및 저장 장치에서 일반적으로 많이 사용되는 복합산화물 (Complex Oxides) 및 이종접합산화물 (Oxide Heterostructures) 소재에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 특히 펄스레이저 증착법 (Pulsed Laser Deposition; PLD)을 이용하여 산화물 박막 (Oxide Thin Films and Superlattices) 및 다양한 형태의 나노구조산화물 (1,2,3-dimensinal Oxide Nanostructures) 형성을 통한 에너지 장치용 산화물 소재 설계에 중점을 두고 있으며 이렇게 설계된 산화물 소재의 물리, 화학, 그리고 전기화학적 분석을 통하여 에너지 전환 및 저장 효율을 높일 수 있는 최적의 산화물 설계 조건을 도출하는 연구를 진행하고 있습니다. PLD는 다양한 박막형성 방법 중에서 PVD (Physical Vapor Deposition) 방법 중의 하나로서 1980년대 중반 PLD를 통한 고온 산화물 초전도체를 만드는 방법이 발견된 이후 PLD 증착에 대한 연구가 급격하게 발전되었습니다. PLD는 일반적으로 KrF 엑시머 레이저를 타겟 물질에 조사시켰을 때 타겟 물질 표면 근처에서의 레이저와 반응하여 발생하는 표면박리현상 (Surface Ablation)을 이용하여 박막을 증착합니다. PLD를 사용하여 산화물박막이나 나노구조산화물을 형성시 원자단위의 구조를 조절하여 산화물을 형성할 수 있기때문에 정교하고 새로운 산화물 재료의 설계가 가능하다는 큰 장점을 지니고 있습니다.
[(좌) PLD 증착 방법, (우) PLD 장점]
2-1. 고체 산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells)
고체산화물 연료전지는 친환경적이며 에너지 변환 효율이 높은 차세대 에너지 변환 및 생성 장치 중의 하나입니다. 이름에서도 알 수 있듯이 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었습니다. 일반적으로 양극, 전해질, 음극으로 구성되어 있으며 양극에서는 산소환원반응 (Oxygen Reduction Reaction), 전해질에서는 산소 이온의 이동현상 (Oxgyen Ion Transport), 음극에서는 수소산화반응 (Hydrogen Oxidation Reaction) 이 발생합니다. 고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도 (1000 ℃)에서 작동하기 때문에 작동온도를 낮추어 주는 것이 중요한데 이때 작동온도가 600 ℃ 정도로 내려가면 양극에서의 산소환원반응이 너무 늦어지기 때문에 에너지 전환 효율이 낮아지게 됩니다. 따라서, 양극에서의 산소환원반응 속도를 증가시켜주는 것이 전체 에너지 전환 효율을 향상시키는데 필수적입니다. 저희 연구실에서는 산화물 박막 사용하여 strain, orientation, heterointerface등의 방법을 적용하여 양극에서의 산소환원반응을 향상시키는 연구를 진행하고 있습니다.
2-2. 산화물 열전 에너지 변환 (Oxide Thermoelectric Generators)
열전재료 (Thermoelectric Materials)는 전기를 통하면, 그 양단에 온도차를 발생하거나 (Peltier Effect), 역으로 그 양단에 온도 차이를 부여하면 전기를 발생하는 (Seebeck Effect) 특성을 지니고 있습니다. 이러한 열전재료는 냉매를 사용하지 않는 열전냉각 (Thermoelectric Cooling)이나, 열을 직접 전기로 변환하는 열전발전 (Thermoelectric Generation) 에 사용됩니다. 즉, 열전현상은 고체상태에서 열과 전기 사이의 가역적, 직접적인 에너지 변환 현상으로 열전발전에서 일반적으로 사용되는 재료는 칼코게나이드 (Chalcogenides) 계열의 재료입니다. 하지만, 칼코게나이드 재료들은 유독성 물질들이며 가격이 비싸다는 단점이 있기 때문에 칼코게나이드 재료를 대체할만한 새로운 열전재료를 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 저희 연구실에서는 산화물박막 및 나노구조 산화물들을 이용하여 기존의 칼코게나이드 재료들의 열전특성에 비교할만한 산화물을 설계하는 연구를 진행하고 있습니다.
사우스 캐롤라이나 대학교에는 현재 5개의 개별 연구실이 SOFC Center에 속하고 있습니다. 따라서, SOFC Center내 다른 연구실들과 활발한 교류를 통해 다양한 공동연구를 수행하고 있습니다. 그리고 저희 연구실은 오크리지 국립 연구소와도 활발한 공동연구를 진행하고 있으며, 일년에 한번씩 오크리지 국립 연구소를 방문하여 첨단 실험설비들을 사용한 연구도 진행 중입니다. 저희 연구실 구성원 모두는 연구에 대한 강한 열정을 가지고 있으며, 학생 및 박사 후 과정은 현재 다양한 연구 과제 참여를 통해 scholarship, stipend, health insurance 등을 지원받고 있기에 걱정없이 연구에 전념할 수 있습니다. 또한 지도교수인 이동규 박사는 언제나 실험에 대한 조언을 아끼지 않으며 연구실 구성원들이 하고싶어 하는 주제의 실험을 자율적인 분위기에서 할 수 있게 지원해주기 때문에, 본인이 원하는 연구를 수행하기에 적합한 연구실입니다. 일주일에 한번 전체 그룹미팅과 저널클럽을 진행하고 있으며 이와 별도로 구성원들의 필요에 따라 언제나 시간에 구애받지 않는 자유로운 개별미팅을 하고 있습니다.
한국에서 오시는 경우 콜럼비아 메트로폴리탄 공항 (Columbia Metropolitan Airport)을 통해 학교로 오실 수 있습니다. 저희 연구실은 사우스 캐롤라이나 대학교의 Horizon I 이라는 가장 최근에 설립된 건물의 3층에 위치하고 있으며 연구실에 방문하길 원하시는 분들께서는 아래 이메일로 먼저 문의를 주시면 자세하게 안내해 드리겠습니다.
■ 주소 : 541 Main Street, Room 315, Columbia, South Carolina 29208, USA
■ 이메일 : dongkyu@cec.sc.edu (이동규 박사)
■ 홈페이지 : https://sites.google.com/view/theleegroup
