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Æø¹ß À§Çè¾ø°í Àú·ÅÇÑ ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö °³¹ß

KAIST È­Çаú º¯Çý·É, ¹é¹«Çö ±³¼ö, POSTECH È­Çаú ¼­Á¾Ã¶ ±³¼ö °øµ¿¿¬±¸ÆÀ, 

½ÅÀç»ý¿¡³ÊÁö ÀúÀåÀåÄ¡ ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö °³¹ß

¾ÈÀüÇϰí Àú·ÅÇÑ Â÷¼¼´ë ESS(¿¡³ÊÁöÀúÀåÀåÄ¡)·Î È°¿ë ±â´ë

 

KAIST È­Çаú ¹é¹«Çö ±³¼ö, º¯Çý·É ±³¼ö.

½ÅÀç»ý ¿¡³ÊÁö¸¦ ÀúÀåÇÒ ¼ö Àִ ¾ÈÀüÇÑ ESS·Î ¸®Æ¬ÀÌ¿ÂÀüÁö ³Î¸® »ç¿ëµÇ¾î ¿Ô´Ù. ±×·¯³ª ÃÖ±Ù ¸®Æ¬ÀÌ¿ÂÀüÁö·Î ÀÎÇÑ È­À砹߻ýÀÌ ºó¹øÇÔ¿¡ µû¶ó ¾ÈÀüÇϰí Àú·ÅÇÑ ¿¡³ÊÁö ÀúÀåÀåÄ¡(ESS, energy storage system) °³¹ß¿¡ ´ëÇÑ °ü½ÉÀÌ °íÁ¶µÇ¾ú´Ù. ¼ö°è ¹Ù³ªµã ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö´Â ÀÌ·¯ÇÑ ÇÊ¿äÁ¶°ÇÀ» ÃæÁ·½Ãų ¼ö Àִ ESSÀ̸ç ÇöÀç Àü¼¼°èÀûÀ¸·Î »ó¿ëµÇ°í ÀÖ´Ù. ±×·¯³ª ¹Ù³ªµã ´Ü°¡ÀÇ »ó½ÂÀ¸·Î À̸¦ ´ëüÇÒ ¼ö Àִ Ȱ¼º¹°Áú¿¡ ´ëÇÑ ¿¬±¸ÀÇ Çʿ伺ÀÌ ´ëµÎµÇ¾ú´Ù. ÀÌ Áß À¯±âºÐÀڴ ´Ù¾çÇÑ ÇÕ¼º µðÀÚÀÎÀ» ÅëÇØ ¿ëÇØµµ, Àü±âÈ­ÇÐÀû ·¹µ¶½º ÀüÀ§, ÀüÀÚÀü´Þ ¼ö¸¦ Á¶ÀýÇÒ ¼ö ÀÖ¾î À¯¸ÁÇѠȰ¼º¹°ÁúÀÇ È帱ºÀÌ´Ù.

KAIST È­Çаú º¯Çý·É, ¹é¹«Çö ±³¼ö ¿¬±¸ÆÀ, POSTECH È­Çаú ¼­Á¾Ã¶ ±³¼öÆÀÀÌ °øµ¿¿¬±¸¸¦ ÅëÇØ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö¿¡ È°¿ëÇÒ ³ôÀº ¿ëÇØµµÀÇ ¾ÈÁ¤ÇÑ À¯±â È°¼º ºÐÀÚ¸¦ °³¹ßÇß´Ù°í 23ÀÏ ¹àÇû´Ù.

¿¬±¸ÆÀÀº À¯±â ºÐÀÚÀÇ ¼³°è¸¦ ÅëÇÑ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧 ÀüÁö °³¹ß ¿¬±¸¿¡ ÁýÁßÇÏ¿´´Ù. À¯±â ºÐÀڴ ´Ù¾çÇÑ ÇÕ¼º µðÀÚÀÎÀ» ÅëÇØ ¿ëÇØµµ, Àü±âÈ­ÇÐÀû ·¹µ¶½º ÀüÀ§ µîÀ» Á¶ÀýÇÒ ¼ö À־ٳªµãº¸´Ù ³ôÀº ¿¡³ÊÁö ÀúÀåÀÌ °¡´ÉÇÑ À¯¸ÁÇѠȰ¼º¹°ÁúÀÇ È帱ºÀÌ´Ù. ´ëºÎºÐÀÇ À¯±â ·¹µ¶½º È°¼º ºÐÀÚµéÀº ³·Àº ¿ëÇØµµ¸¦ °¡Áö°Å³ª ·¹µ¶½º ¹ÝÀÀ ½Ã È­ÇÐÀû ¾ÈÁ¤¼ºÀÌ ³·Àº ¹®Á¦Á¡À» °¡Áö°í ÀÖ´Ù. È°¼º ºÐÀÚµéÀÇ ¿ëÇØµµ°¡ ³·À¸¸é ¿¡³ÊÁö ÀúÀå ¿ë·®ÀÌ ³·¾ÆÁö¸ç, ºÐÀÚÀÇ È­ÇÐÀû ¾ÈÁ¤¼ºÀÌ ³·À¸¸é »çÀÌŬ ¼º´ÉÀÇ °¨¼Ò°¡ ³ªÅ¸³­´Ù. ¿¬±¸ÆÀÀº ³ªÇÁÅ»·» ´ÙÀÌÀ̵̹å(naphthalene diimide, NDI)¸¦ È°¼ººÐÀڷΠ»ç¿ëÇÏ¿´´Âµ¥, NDI´Â ³ôÀº Àü±âÈ­ÇÐÀû ¾ÈÁ¤¼ºÀ» °¡Áü¿¡µµ ¼ö°è ÀüÇØ¾×¿¡¼­ ³·Àº ¿ëÇØµµ¸¦ °¡Á® Áö±Ý±îÁö ¿¬±¸°¡ ¸¹ÀÌ ÀÌ·ç¾îÁöÁö ¾Ê¾Ò´Ù.

 

(a) ´Ù¾çÇÑ NDI ºÐÀÚµéÀÇ ±¸Á¶. (b) NDI ºÐÀÚµéÀÇ ¹°¿¡¼­ÀÇ ¿ëÇØµµ (°ËÀº ¸·´ë) ¹× KCl ÀüÇØÁúÀ» Æ÷ÇÔÇÑ ¼ö°è ÀüÇØ¾×¿¡¼­ÀÇ ¿ëÇØµµ (ÆÄ¶õ ¸·´ë). (c-d) °³¹ßÇÑ NDI ºÐÀÚ°¡ µÎ °³ÀÇ ÀüÀÚ¸¦ ÀúÀåÇÔ¿¡ µû¶ó 2ÀüÀÚ ÀúÀ堽àºÐÀÚµéÀÇ ±¸Á¶ º¯È­. (c) ·¹µ¶½º ¹ÝÀÀ ½Ã °³¹ßÇÑ NDI ºÐÀÚµéÀǠŬ·¯½ºÅÍ °áÇÕ ¹× ºÐ¸® ±×¸² ¹× (d) MD ½Ã¹Ä·¹À̼Ǡ½º³À¼¦. ¿ÞÂÊ¿¡¼­ºÎÅÍ ÁغñµÈ NDI ºÐÀÚ, Ã¹ ¹øÂ° È¯¿ø¹ÝÀÀ ÈÄ 2ºÐÀÚü ¹× 4ºÐÀÚü Å¬·¯½ºÅÍ Çü¼º, ±×¸®°í µÎ ¹øÂ° È¯¿ø ¹ÝÀÀ ÈÄ ÀÔü±¸Á¶ÀÇ ´ÜºÐÀÚ¸¦ ³ªÅ¸³¿.

NDI ºÐÀڴ ¹°¿¡ °ÅÀÇ ¿ëÇØµÇÁö ¾ÊÁö¸¸ ¿¬±¸ÆÀÀº NDI¿¡ ³× °³ÀÇ ¾Ï¸ð´½ ±â´É±â¸¦ µµÀÔÇÏ¿© ¿ëÇØµµ¸¦ ÃÖ´ë 1.5 M*±îÁö »ó½Â½ÃÄ×´Ù. ¶ÇÇÑ, 1 MÀÇ °³¹ßµÈ NDI ºÐÀÚ¸¦ Áß¼ºÀÇ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö¿¡ »ç¿ë½Ã 500 »çÀÌŬ µ¿¾È ¾à 98%ÀÇ ¿ë·®ÀÌ À¯ÁöµÊÀ» È®ÀÎÇÏ¿´´Ù. À̴ ÇÑ »çÀÌŬ ´ç ¾à 0.004%ÀÇ ¿ë·®¸¸ÀÌ °¨¼ÒÇϸç ÃÑ 45Àϰ£ ÀÛµ¿ ½Ã Ã³À½ÀÇ ¿ë·® ´ëºñ ¿À·ÎÁö 2%¸¸ÀÌ °¨¼ÒµÊÀ» ÀǹÌÇÑ´Ù. ¶ÇÇÑ °³¹ßµÈ NDI´Â ÇÑ ºÐÀÚ´ç 2°³ÀÇ ÀüÀÚ¸¦ ÀúÀåÇÒ ¼ö ÀÖ¾î 1 MÀÇ NDI¸¦ »ç¿ë ½Ã ¾à 2 MÀÇ ÀüÀÚ ÀúÀåÀÌ °¡´ÉÇÔÀ» Áõ¸íÇÏ¿´´Ù. Âü°í·Î °í³óµµÀǠȲ»ê¿ë¾×À» »ç¿ëÇϴ ¹Ù³ªµã ·¹µ¶½º È帧 ÀüÁöÀǠȰ¼º¹°ÁúÀΠ¹Ù³ªµãÀÇ ¿ëÇØµµ´Â ¾à 1.6 MÀ̸ç ÀüÀÚ ÀúÀå ¼ö´Â ¿ø¼Ò´ç 1°³¿©¼­ ÃÑ 1.6 MÀÇ ÀüÀÚ ÀúÀåÀÌ °¡´ÉÇÏ´Ù. µû¶ó¼­ °³¹ßÇÑ NDI È°¼º ºÐÀڴ ±âÁ¸ÀÇ ¹Ù³ªµãº¸´Ù ³ôÀº ¿ë·®À» ±¸ÇöÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.

*1 M (mol/L) : ¿ë¾× 1 L¿¡ 6.022 x 1023 °³ÀǠȰ¼ººÐÀÚ°¡ Á¸ÀçÇÔÀ» ÀǹÌÇÔ

½Ì ºñÅ©¶÷ ¿¬±¸±³¼ö, ±Ç¼º¿¬, ÃÖÀ±¼· ¹Ú»ç°úÁ¤ ¿¬±¸¿øÀÌ 1 ÀúÀڷΠÂü¿©ÇÑ À̹ø ¿¬±¸´Â ±¹Á¦ ÇмúÁö `¾îµå¹ê½º ¸ÓÅ͸®¾óÁî(Advanced Materials)' 2¿ù 7ÀÏ¿¡ ¿Â¶óÀÎÀ¸·Î ÃâÆÇµÆ´Ù. (³í¹®¸í : Controlling π–π interactions of highly soluble naphthalene diimide derivatives for neutral pH aqueous redox flow batteries). ¶ÇÇÑ ÀüÀÚ»óÀÚ¼º °ø¸í ºÐ¼®ÀÇ KAIST È­Çаú ÀÌ¿¹¸² ¹Ú»ç°úÁ¤ ¿¬±¸¿ø ¹× ÀÓ¹ÌÈñ ±³¼öÆÀÀÌ ÇÔ²² ¿¬±¸¸¦ ¼öÇàÇß´Ù.

 

1MÀÇ °³¹ßÇÑ NDI ºÐÀÚ¸¦ À½±Ø ÀüÇØ¾×À¸·Î, 3.1MÀÇ ¾Ï¸ð´½ ¿ä¿Àµå¸¦ ¾ç±Ø ÀüÇØ¾×À¸·Î »ç¿ëÇÑ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö ¼º´É

º¯Çý·É ±³¼ö´Â "±âÁ¸¿¡ ³·Àº ¿ëÇØµµ¸¦ °¡Áö´Â À¯±â È°¼º ºÐÀÚ¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© ·¹µ¶½º È帧ÀüÁöÀǠȰ¼º ºÐÀڷΠ»ç¿ëÇÒ ¼ö Àִ ºÐÀÚ µðÀÚÀΠ¿ø¸®¸¦ º¸¿´´Ù. ¶ÇÇÑ ·¹µ¶½º ¹ÝÀÀ¿¡¼­ ºÐÀÚµéÀÌ °áÇÕÇϰųª ºÐ¸®µÇ´Â »óÈ£ °áÇÕ·ÂÀ» ÀÌ¿ëÇÏ¿© ¶óµðÄ®·Î Çü¼ºµÈ ºÐÀÚµéÀÇ È­ÇÐÀû ¹ÝÀÀ¼ºÀ» ¾ïÁ¦ÇÒ ¼ö ÀÖÀ½À» º¸¿©ÁÖ¾ú´Ùˮ ¶ó¸ç "ÇâÈÄ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö·Î »ç¿ë ½Ã °í¿¡³ÊÁö¹Ðµµ, °í¿ëÇØµµÀÇ ÀåÁ¡°ú ÇÔ²² Áß¼ºÀÇ ¼ö°è ÀüÇØ¾×À» »ç¿ëÇÒ ¼ö ÀÖ¾î, ±âÁ¸ÀÇ ¹Ù³ªµã ·¹µ¶½º È帧ÀüÁöÀÇ »ê¼º¿ë¾× »ç¿ë¿¡¼­ ¿À´Â ºÎ½Ä ¹®Á¦ µîÀ» ÇذáÇÒ ¼ö ÀÖÀ» °ÍÀ¸·Î ±â´ëµÈ´Ù. ÇöÀç »ç¿ëÇϰí Àִ ¸®Æ¬-ÀÌ¿ÂÀüÁö ±â¹ÝÀÇ ESS´Â È­ÀçÀÇ À§ÇèÀÌ ³ô±â ¶§¹®¿¡ ¾ÈÀüÇϰí Àú·ÅÇÑ Â÷¼¼´ë ESSÀÇ °³¹ßÀÌ ÇÊ¿äÇϸ砺» ¿¬±¸´Â ±× °¡´É¼ºÀ» º¸¿©ÁØ °Íˮ À̶ó°í ¸»Çß´Ù. À̹ø ¿¬±¸´Â »ï¼º¹Ì·¡±â¼úÀ°¼º»ç¾÷, ±âÃʰúÇבּ¸¿ø, Àç´ÜÇѱ¹¿¬±¸Àç´ÜÀÇ Áö¿øÀ» ¹Þ¾Æ ¼öÇàµÆ´Ù.

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À¯±âºÐÀڴ ´Ù¾çÇÑ ÇÕ¼º µðÀÚÀÎÀ» ÅëÇØ ¿ëÇØµµ, Àü±âÈ­ÇÐÀû ·¹µ¶½º ÀüÀ§, ÀüÀÚÀü´Þ ¼ö¸¦ Á¶ÀýÇÒ ¼ö ÀÖ¾î À¯¸ÁÇѠȰ¼º¹°ÁúÀÇ È帱ºÀÌ´Ù. ¶ÇÇÑ À̵é Á¶°ÇÀ» ±Ø´ëÈ­ ½Ã, ±âÁ¸ÀÇ ¹Ù³ªµã ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö º¸´Ù ³ôÀº ¼º´ÉÀÇ ESS¸¦ ±¸ÃàÇÒ ¼ö ÀÖÀ» °ÍÀ¸·Î ±â´ëµÇ°í ÀÖ´Ù. ±×·¯³ª ´ëºÎºÐÀÇ À¯±â ·¹µ¶½º È°¼º ºÐÀÚµéÀº ³·Àº ¿ëÇØµµ¸¦ °¡Áö°Å³ª ·¹µ¶½º ¹ÝÀÀ ½Ã È­ÇÐÀû ¾ÈÁ¤¼ºÀÌ ³·Àº ¹®Á¦Á¡À» °¡Áø´Ù.

2. ¿¬±¸ ³»¿ë

º» ¿¬±¸¿¡¼­ »ç¿ëÇϴ ³ªÇÁÅ»·» ´ÙÀÌÀ̵̹å (naphthalene diimide NDI) ºÐÀڴ ºÐÀÚ³¢¸®ÀÇ °­ÇÑ π–π °áÇÕÀ¸·Î ¼ö°è ÀüÇØ¾×¿¡¼­ °ÅÀÇ ¿ëÇØµÇÁö ¾Ê¾Æ À¯±â È°¼º¹°ÁúÀÇ Èĺ¸¿¡¼­ Á¦¿ÜµÇ¾î ¿Ô´Ù. ¿¬±¸ÆÀÀº ³× °³ÀÇ ¾Ï¸ð´½ ±â´É±â¸¦ µµÀÔÇÏ¿© NDI ºÐÀÚ(4A4+-NDI·Î ÁöĪ)µéÀÌ ¾çÀüÇϸ¦ °¡Áöµµ·Ï ¼³°èÇÏ¿´´Ù. À̵頺ÐÀÚ°£ÀÇ Á¤Àü±âÀû ¹Ý¹ß·ÂÀ¸·Î ÀÎÇØ ¹°¿¡¼­ ¿ëÇØµµ´Â ¾à 1.5 M±îÁö »ó½ÂÇÏ¿´´Ù.

·¹µ¶½º È帧ÀüÁö ±¸µ¿ ½Ã Àü±âÈ­ÇÐÀû ¹ÝÀÀÀÌ ÁøÇàµÇ¸é¼­ 1 MÀÇ 4A4+-NDI ºÐÀÚ ¿ëÇØµµ°¡ Àß À¯ÁöµÇ¾ú´Ù. ¿¬±¸ÆÀÀº ±ÙÀû¿Ü¼± ºÐ±¤ ºÐ¼®, ÀüÀÚ»óÀÚ¼º °ø¸í ºÐ¼®, Àü±âºÐ¹« Áú·® ºÐ¼®, ±×¸®°í DFT/MD °è»ê ½Ã¹Ä·¹À̼ǠµîÀ» ÅëÇØ ºÐÀÚµéÀÇ π–π °áÇÕ°ú Á¤Àü±âÀû ¹Ý¹ß·Â °£ÀÇ ¼¼±â, ±×¸®°í À̷ΠÀÎÇÑ ºÐÀÚµéÀÇ ±¸Á¶ º¯È­¸¦ ÀÌÇØÇÏ¿´´Ù.

ù ÀüÀÚÀü´Þ È¯¿ø¹ÝÀÀ¿¡¼­ ¶óµðÄ® ÀÌ¿ÂÀÌ µÈ 4A4+-NDI ºÐÀÚµéÀº ¶óµðÄ® À̿½ÖÀ» Çü¼ºÇϸ鼭 2ºÐÀÚü È¤Àº 4ºÐÀÚüÀǠŬ·¯½ºÅ͸¦ Çü¼ºÇÏ¿´´Ù. Â¦¼ö°³·Î ÀÌ·ïÁø 4A4+-NDIºÐÀڠŬ·¯½ºÅʹ ¶óµðÄ®ÀǠȰ¼ºÀ» ¾ïÁ¦ÇÏ¿© ³ôÀº È­ÇÐÀû ¾ÈÁ¤¼ºÀ» À¯ÁöÇÔÀ» º¸¿´´Ù. À̵éÀº Ä§ÀüÀÌ µÉ ¼ö Àִ ±ä ÁýÇÕü·Î´Â Çü¼ºÀÌ ÁøÇàµÇÁö ¾Ê¾Ò´Ù. µÎ ¹øÂ° ÀüÀÚÀü´Þ È¯¿ø¹ÝÀÀ ½Ã Å¬·¯½ºÅ͵éÀÌ ´Ù½Ã ºÐ¸®µÇ¸é¼­ ÀÔüÀû ±¸Á¶¸¦ °¡Áö´Â ´ÜÀÏ ºÐÀÚü¸¦ Çü¼ºÇÏ¿´´Ù.

¿¬±¸ÆÀÀº 1 MÀÇ 4A4+-NDI È°¼º ºÐÀÚ¸¦ À½±ØÀÇ ÀüÇØ¾× ±×¸®°í ¿ä¿Àµå ºÐÀÚ¸¦ ¾ç±ØÀÇ ÀüÇØ¾×À¸·Î »ç¿ëÇÑ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö¸¦ ±¸µ¿ ½Ã ¾à 500 »çÀÌŬ µ¿¾È 98%ÀÇ ¿ë·® À¯Áö·Î ÀÛµ¿ÇÔÀ» Áõ¸íÇÏ¿´´Ù. ±ä »çÀÌŬ µ¿¾È 4A4+-NDI ºÐÀÚÀÇ ºÎ¹ÝÀÀ ¹× È°¼ººÐÀÚµéÀÌ ºÐ¸®¸·À» Åë°úÇϴ ũ·Î½º¿À¹ö (crossover) Çö»óÀº °üÂûµÇÁö ¾Ê¾ÒÀ¸¸ç ¼ö°è ÀüÇØ¾×Àº Áß¼ºÀÇ pH¸¦ À¯ÁöÇÏ¿´´Ù. º» °á°ú´Â 2ÀüÀÚÀü´ÞÀÌ °¡´ÉÇÑ NDI¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© 1 MÀÇ ¿ëÇØµµ¿¡¼­ µÎ ¹èÀÇ ÀüÀÚ ÀúÀåÀÌ °¡´ÉÇÔÀ» Áõ¸íÇÏ¿´´Ù.

3. ±â´ë È¿°ú

º» ¿¬±¸´Â ±âÁ¸¿¡ ³·Àº ¿ëÇØµµ¸¦ °¡Áö´Â À¯±â È°¼ººÐÀÚ¸¦ ÀÌ¿ëÇÏ¿© ·¹µ¶½º È帧ÀüÁöÀǠȰ¼ººÐÀڷΠ»ç¿ëÇÒ ¼ö Àִ ºÐÀÚ µðÀÚÀΠ¿ø¸®¸¦ º¸¿©ÁÖ¾ú´Ù. ¶ÇÇÑ ·¹µ¶½º ¹ÝÀÀ¿¡¼­ ºÐÀÚµéÀÌ °áÇÕÇϰųª ºÐ¸®µÇ´Â »óÈ£ °áÇÕ·ÂÀ» ÀÌ¿ëÇÏ¿© ¶óµðÄ®·Î Çü¼ºµÈ ºÐÀÚµéÀÇ È­ÇÐÀû ¹ÝÀÀ¼ºÀ» ¾ïÁ¦½Ãų ¼ö ÀÖÀ½À» Áõ¸íÇÏ¿´´Ù. 4A4+-NDI ºÐÀÚ¸¦ ÇâÈÄ ¼ö°è ·¹µ¶½º È帧ÀüÁö·Î »ç¿ë ½Ã °í¿¡³ÊÁö¹Ðµµ, °í¿ëÇØµµÀÇ ÀåÁ¡°ú ÇÔ²² ¼ö°è ÀüÇØ¾×ÀÇ pH¸¦ Áß¼ºÀ¸·Î À¯ÁöÇÒ ¼ö ÀÖ¾î, ±âÁ¸ÀÇ ¹Ù³ªµã ·¹µ¶½º È帧ÀüÁöÀÇ »ê¼º¿ë¾× »ç¿ë¿¡¼­ ¿À´Â ºÎ½Ä ¹®Á¦ µîÀ» ÇذáÇÒ ¼ö ÀÖÀ» °ÍÀ¸·Î ±â´ëµÈ´Ù.

KAIST È«º¸½Ç Á¦°ø

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