• 전기화학회지
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• 제23권3호
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• pp.57-65
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• 2020

리튬이온전지의 열적 열화 메커니즘을 이해하는 것은 전지의 안전성을 향상시키기 위한 필수적인 과정이다. 본 논문에서는 대표적인 양극물질의 하나인 리튬코발트산화물(LiCoO₂, LCO)이 고온에서 작동할 때 형성되는 표면 필름에 의한 전기화학적 성능 열화를 조사하였다. 먼저 25℃와 60℃ 각각의 온도에서 사이클 테스트를 진행한 결과, 60℃에서 25℃에 비해 저하된 사이클 수명을 보였다. 이후 처음 5사이클을 25℃, 60℃에서 구동시킨 LCO 양극을 각각 25-LCO, 60-LCO라 명명하였으며, 이후 임피던스 및 출력 특성 분석은 25℃에서 진행하였다. 이때 두 샘플 모두 저속에서의 초기 용량은 비슷함에도 불구하고 60-LCO가 25-LCO에 비해 높은 임피던스와 낮은 출력 특성을 보였다. X-선 광전자분광 (XPS)분석 결과 60-LCO 샘플에서 cathode-electrolyte interphase의 성분 중 하나인 절연성의 수산화 리튬 (LiOH) 성분이 다량 검출되었으며, 이는 고온에서 과도한 표면 필름 형성이 양극의 표면 저항 증가 및 속도/수명 특성 저하를 가져왔음을 보여준다.

• 자원리싸이클링
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• 제32권6호
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• pp.25-33
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• 2023

이차전지 산업의 성장과 함께 이차전지의 생산량과 사용량의 급격한 증가가 예상되며, 이와 맞물려 생산 스크랩을 포함한 폐이차전지의 재활용에도 많은 관심과 노력이 이루어지고 있다. 그동안 폐이차전지 재활용은 양극재를 중심으로 많은 노력이 이루어졌지만, 핵심 광물의 공급망 확보와 재활용률 향상을 위해 음극재의 재활용에도 많은 관심이 기울이기 시작하였다. 음극재의 주성분인 흑연 분석을 위해 석탄의 함량을 측정하는 공업분석이 활용될 수 있지만, 기존의 석탄 분석에 활용되는 공업분석 방법은 블랙 매스의 구성 성분 간의 상호작용으로 인해 정확한 측정이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 산소 분위기에서 950℃까지의 온도 상승에 따른 블랙 매스 각 성분의 열중량 변화를 측정하였다. 측정 결과 양극재의 경우에는 양극재에 포함된 바인더와 도전재의 산화에 의한 약 5%의 질량 감소 이외에는 질량 변화가 측정되지 않았으며, 음극재의 경우에는 약 2%의 바인더에 의한 질량 감소 이외에는 모두 고정 탄소에 의한 질량 감소로 측정되었다. 또한 블랙 매스에 함유될 수 있는 금속 전극(Al, Cu)들은 온도가 상승함에 따라 산화되어 질량이 증가하는 현상이 관찰되었다. 다양한 혼합 비율의 양극재/음극재 혼합 시료의 열중량 변화 측정 결과는 양극재와 음극재 각각의 열중량 변화를 통해 계산할 수 있는 예측값과 유사한 결과를 보여, 블랙 매스의 열중량 특성 변화를 통해 음극재의 함량 도출이 가능할 수 있음을 확인하였다.

• 한국진공학회지
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• 제21권6호
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• pp.333-341
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• 2012

본 연구는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 산소유량 변화에 따라 증착된 ITO 박막 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. ITO (Indium Tin Oxide) 박막은 $1.0{\times}10^{-3}$ Torr의 공정 압력과 2 kW 및 13.56 MHz의 RF 전력, 1,000 sccm의 Ar 가스 조건하에 0~12 sccm의 $O_2$ 가스 유량을 변경하면서 증착하였다. 광투과율 측정은 적분구를 이용하였으며, 측정 파장 범위는 300~1,100 nm이다. 4-point probe를 이용하여 면저항을 측정하였으며, Hall Measurement System을 이용하여 비저항, 캐리어 농도 및 전자이동도를 측정하였다. Scanning electron microscope 장비를 이용하여 ITO 박막 표면을 분석하였고, 박막의 거칠기는 Atomic force microscope을 이용하여 측정하였다. ${\gamma}$-Focused ion beam system을 이용하여 ITO 박막의 이차전자방출계수를 측정하였으며, 이차전자방출계수 값으로 Auger neutralization mechanism 분석법을 이용해 ITO 박막의 일함수를 결정하였다. 3 sccm의 산소 유량에서 증착된 ITO 박막의 비저항은 약 $2.4{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$로 가장 좋았으며, 광학적 특성 또한 84.93% (Weighted average)로 가장 좋은 것을 확인할 수 있었다. 이 조건에서 이차전자방출 계수가 가장 높았고 일함수는 가장 낮은 경향의 일치함을 확인하였다.

• 전기화학회지
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• 제22권1호
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• pp.36-42
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• 2019

두께가 $52{\mu}m$의 주석필름을 고농도의 질산을 사용한 화학적 식각과정을 거쳐서 리튬이온 이차전지용 고용량 음극인 다공성 주석후막을 제조하였다. 다공성 주석필름은 반응면적이 증가하게 되어 리튬과의 합금화 반응에 대한 과전압이 감소하였으며, 동시에 충방전 시의 부피변화에 대응할 수 있는 공간이 확보되었다. 또한, 이러한 다공성 주석후막 전극은 바인더 및 도전재의 사용이 필요하지 않기 때문에 실질적으로 더욱 큰 에너지 밀도의 구현이 가능하다. 식각용액에서의 질산농도가 증가할 수록 주석필름의 식각되는 정도가 증가하여 주석의 무게와 두께가 더욱 감소하였다. 3 M 농도 이상의 질산에서 주석필름의 식각이 효과적으로 진행되었으나, 5 M 농도에서는 식각속도가 더욱 증가하여 60초 내에 대부분의 주석이 용출되어 회수할 수 없었다. 4 M 농도의 질산용액에서 식각한 경우에는 두께는 40.3%가 감소하며 무게는 48.9%가 감소된 다공성 구조가 형성되었다. 주석필름의 식각되는 정도가 증가함에 따라 전기화학적 활성이 증가하게 되어 리튬저장에 대한 가역용량이 증가하였으며, 4 M 농도에서 식각한 주석필름의 경우에는 650 mAh/g의 가역용량을 나타내었으며, 안정적인 사이클 특성을 나타내어 주석분말을 사용하여 기존의 전극제조 방법으로 제조한 경우보다 향상된 사이클 성능을 나타내었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.100-101
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• 2012

The plasma damage free and room temperature processedthin film deposition technology is essential for realization of various next generation organic microelectronic devices such as flexible AMOLED display, flexible OLED lighting, and organic photovoltaic cells because characteristics of fragile organic materials in the plasma process and low glass transition temperatures (Tg) of polymer substrate. In case of directly deposition of metal oxide thin films (including transparent conductive oxide (TCO) and amorphous oxide semiconductor (AOS)) on the organic layers, plasma damages against to the organic materials is fatal. This damage is believed to be originated mainly from high energy energetic particles during the sputtering process such as negative oxygen ions, reflected neutrals by reflection of plasma background gas at the target surface, sputtered atoms, bulk plasma ions, and secondary electrons. To solve this problem, we developed the NBAS (Neutral Beam Assisted Sputtering) process as a plasma damage free and room temperature processed sputtering technology. As a result, electro-optical properties of NBAS processed ITO thin film showed resistivity of $4.0{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}m$ and high transmittance (>90% at 550 nm) with nano- crystalline structure at room temperature process. Furthermore, in the experiment result of directly deposition of TCO top anode on the inverted structure OLED cell, it is verified that NBAS TCO deposition process does not damages to the underlying organic layers. In case of deposition of transparent conductive oxide (TCO) thin film on the plastic polymer substrate, the room temperature processed sputtering coating of high quality TCO thin film is required. During the sputtering process with higher density plasma, the energetic particles contribute self supplying of activation & crystallization energy without any additional heating and post-annealing and forminga high quality TCO thin film. However, negative oxygen ions which generated from sputteringtarget surface by electron attachment are accelerated to high energy by induced cathode self-bias. Thus the high energy negative oxygen ions can lead to critical physical bombardment damages to forming oxide thin film and this effect does not recover in room temperature process without post thermal annealing. To salve the inherent limitation of plasma sputtering, we have been developed the Magnetic Field Shielded Sputtering (MFSS) process as the high quality oxide thin film deposition process at room temperature. The MFSS process is effectively eliminate or suppress the negative oxygen ions bombardment damage by the plasma limiter which composed permanent magnet array. As a result, electro-optical properties of MFSS processed ITO thin film (resistivity $3.9{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$, transmittance 95% at 550 nm) have approachedthose of a high temperature DC magnetron sputtering (DMS) ITO thin film were. Also, AOS (a-IGZO) TFTs fabricated by MFSS process without higher temperature post annealing showed very comparable electrical performance with those by DMS process with $400^{\circ}C$ post annealing. They are important to note that the bombardment of a negative oxygen ion which is accelerated by dc self-bias during rf sputtering could degrade the electrical performance of ITO electrodes and a-IGZO TFTs. Finally, we found that reduction of damage from the high energy negative oxygen ions bombardment drives improvement of crystalline structure in the ITO thin film and suppression of the sub-gab states in a-IGZO semiconductor thin film. For realization of organic flexible electronic devices based on plastic substrates, gas barrier coatings are required to prevent the permeation of water and oxygen because organic materials are highly susceptible to water and oxygen. In particular, high efficiency flexible AMOLEDs needs an extremely low water vapor transition rate (WVTR) of $1{\times}10^{-6}gm^{-2}day^{-1}$. The key factor in high quality inorganic gas barrier formation for achieving the very low WVTR required (under ${\sim}10^{-6}gm^{-2}day^{-1}$) is the suppression of nano-sized defect sites and gas diffusion pathways among the grain boundaries. For formation of high quality single inorganic gas barrier layer, we developed high density nano-structured Al2O3 single gas barrier layer usinga NBAS process. The NBAS process can continuously change crystalline structures from an amorphous phase to a nano- crystalline phase with various grain sizes in a single inorganic thin film. As a result, the water vapor transmission rates (WVTR) of the NBAS processed $Al_2O_3$ gas barrier film have improved order of magnitude compared with that of conventional $Al_2O_3$ layers made by the RF magnetron sputteringprocess under the same sputtering conditions; the WVTR of the NBAS processed $Al_2O_3$ gas barrier film was about $5{\times}10^{-6}g/m^2/day$ by just single layer.

• 한국진공학회지
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• 제18권3호
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• pp.213-220
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• 2009

Al이 도핑된 투명 전도성 Al:ZnO (AZO) 박막에 대한 RF magnetron sputtering 증착 법을 이용한 저온 최적공정조건을 연구하였다. 투명전극 재료로써의 AZO 박막의 전기적, 결정학적 물성을 최대한 향상시키기 위해서, in-situ상태에서 유리기판상에 최적화된 증착 조건의 AZO 버퍼 층을 삽입하는 이중박막 구조를 제작하였다. RF 인가 전력 $50{\sim}60\;W$에서 증착된 버퍼층 위에 120 W의 RF 전력에서 성장한 AZO 박막의 경우, 비저항 $3.9{\times}10^{-4}{\Omega}cm$, 전하 캐리어농도 $1.22{\times}10^{21}/cm^3$, 홀 이동도 $9.9\;cm^2/Vs$의 전기적 특성을 보였다. 이러한 결과는 버퍼 층이 없는 기존의 단일 구조와 비슷하나, 전기적 비저항 특성을 약 30% 정도 향상시킬 수 있었으며, 전기적 특성의 향상 원인을 $Ar^+$ 이온의 입사 에너지의 변화에 따른 버퍼 층의 압축응력과 결정화 정도와의 의존성으로 설명하였다.

• 에너지공학
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• 제25권3호
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• pp.66-72
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• 2016

본 연구에서는 술폰화된 sodium 5,5'-carbonylbis(2-fluorobenzene sulfonate) 단량체를 이용하여 친수성 올리고머를 합성한 뒤 소수성 올리고머와 1:1로 공중합반응을 시켜 sulfonated poly(arylene ether ketone) (SPAEK) 공중합체를 합성하였다. 제조한 공중합체의 구조 분석은 $^1H$-NMR, FT-IR, GPC를 사용하여 실시하였고, GPC에서 공중합체의 평균분자량은 $209,700g\;mol^{-1}$, 다분산지수(PDI)는 1.25이었다. 열적 안정성을 확인하기 위하여 TGA 분석을 실시하였고, $200^{\circ}C$이상에서의 열 안정성을 확인하였다. 고분자 전해질 막의 양이온 전도도는 상대습도 100%, $80^{\circ}C$의 온도에서 약 $9.0mS\;cm^{-1}$이었다. 측정된 결과로부터 본 연구에서 제조한 탄화수소계 전해질 막은 술폰화 정도를 증가시키거나 약간의 구조적 변형을 통해 연료전지용 고분자 전해질 막으로 적용 가능할 것으로 기대된다.

• 전기화학회지
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• 제17권4호
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• pp.229-236
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• 2014

본 연구에서는 리튬이온 이차전지 양극 활물질로 사용되는 $LiFePO_4$ 활물질을 이용하여 전지를 제조한 후 그 특성들을 평가하였다. 공침법을 이용하여 $FePO_4$ 전구체를 합성한 후 생성된 전구체에 리튬을 합성시키며, 열처리를 통하여 활물질을 생성시킨다. 열처리 온도에 의한 결과 중 $750^{\circ}C$에서의 결과가 가장 우수함을 확인하였으며 전도성을 확보하기 위하여 카본을 코팅하는 방법을 물리적 코팅 방식과 화학적 코팅방법으로 나누어 실험하였으며 물리적 카본 코팅의 결과 6wt%를 코팅했을 때 125 mAh/g의 용량을 보였으며 화학적 코팅에서는 코팅하지 않은 기본 활물질 보다 약 40%의 성능향상을 보여 130~140 mAh/g 대의 활물질 용량을 보였다. 다공성 구조체를 형성하기 위하여 nanocomposite을 투입한 실험에서는 $Al_2O_3$를 첨가한 활물질이 porous 형태의 구조체를 형성하고 $SiO_2$을 첨가한 활물질 보다 132 mAh/g의 용량으로 우수함을 알 수 있었다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제28권4호
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• pp.41-45
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• 2021

본 연구에서는 멤리스터 소자의 높은 신뢰성을 확보하기 위해 소자 제작 단계에서 30 nm 두께의 ZrO₂ 금속산화물 박막 위 국부영역에 리튬 filament seed 층을 패턴하여 작은 이온반경의 리튬이온을 저항변화 주체로 활용하는 멤리스터 소자를 구현하였다. 패턴 된 리튬 filament seed 대비 다양한 상부전극의 면적을 적용하여 멤리스터-커패시턴스 병렬 구조의 이온형 저항변화 소자에서 커패시턴스가 filament type 저항변화 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 이를 위해 ZrO₂ 박막 위에 5 nm 두께, 5 ㎛ × 5 ㎛ 면적의 리튬 filament seed 증착 후 50 ㎛, 100 ㎛ 직경의 상부전극을 증착, 리튬 메탈의 확산을 위한 250℃ 열처리 전 후 샘플에서 저항변화 특성을 확인하였다. 열확산에 의해 형성된 전도성 filament의 경우 전압에 의한 제어가 불가함을 확인하였으며, 전압에 의해 형성된 filament만이 electrochemical migration에 의한 가역적 저항변화 특성 구현이 가능한 것을 확인하였다. 전압에 의한 filament 형성 시 병렬로 존재하는 커패시턴스의 크기가 filament의 형성 및 소실에 중요한 인자임을 확인하였다.

• Journal of Radiation Protection and Research
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• 제39권4호
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• pp.199-205
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• 2014

중성자 검출분야에서$^3He$는 높은 중성자 검출효율 때문에 아주 많이 사용되고 있다. 하지만 2009년 초반부터 발생하고 있는 전세계적인 $^3He$의 품귀현상으로 인하여 가격이 급등하고 수급이 어려워졌기 때문에 대체 중성자 검출물질에 대한 필요성이 높아졌다. 그러므로 중성자 검출물질로 사용될 수는 있지만 $^3He$에 비해 반응효율이 낮아 중성자 검출용으로 주로 사용되지 않던 물질들을 사용하여 검출기를 제작하는 연구가 다시 활발하게 진행되고 있다. $BF_3$, $^6Li$, $^{10}B$, $Gd_2O_2S$ 등과 같은 $^3He$ 대체 물질들 중 하나인 $^{10}B$은 손쉬운 감마선 구별, 무독성, 낮은 가격 등과 같은 여러 장점으로 인하여 여러 연구그룹에서 연구되고 있다. $^{10}B$ 박막을 이용한 중성자 검출은 중성자와 반응하여 발생되는 2차 방사선을 측정하여 간접적으로 중성자를 측정하는 검출기법이다. 반응을 통해 생성된 알파입자의 비정은 고체 내에서 아주 짧기 때문에 $^{10}B$ 층은 박막 형태로 얇게 제작해야 한다. 그러므로 중성자와 박막의 반응을 통해 발생되는 알파입자의 검출효율을 증가시키기 위해서는 $^{10}B$ 박막의 두께를 얇게 제작하는 것이 중요하다. 하지만 박막의 두께를 얇게 제작하는 것은 중성자와 반응하여 생성되는 알파입자의 수집효율을 증가시키는 장점이 있지만 또한 중성자와 반응할 단면적을 감소시키는 단점이 있다. 본 논문에서는 리튬이온전지에 사용되는 초박막 극판 제조 기술을 이용하여 중성자 검출을 위한 대략 $60{\mu}m$ 두께의 얇은 $^{10}B$ 박막을 제작하였다. 그리고 전도성, 분포, 점착력, 유연성와 같은 간단한 물리적 실험을 통해 제작된 $^{10}B$ 박막의 물성을 확인하였다. 또한, 제작된 $^{10}B$ 박막을 사용하여 중성자 모니터링을 위한 비례계수기 제작하고 이를 이용하여 한국원자력연구원의 중성자 조사시설의 중성자 파고 스펙트럼을 측정하였다. 또한, 중성자 검출효율을 증가시킬 수 있는 방법 중 하나인 다층 박막을 이용한 중성자 측정 방법을 이용하여 박막 층수에 따른 중성자 검출효율의 변화를 몬테칼로 전산모사 기법을 이용하여 계산하였고 실험을 통해 박막층의 증가에 따른 신호변화를 측정하였다.