연구분야
경북대학교(경북대) 에너지화학공학과 ACE² Lab의 3대 화학공학·에너지공학 핵심 연구분야. 이차전지·슈퍼커패시터용 에너지 저장 소재(2D MXene·MOF), 초고속 광열(IPL) 나노공정, 웨어러블 유연 생체·환경 가스 센서 소자 기술을 임창용·김태욱 교수 연구팀이 연구합니다.
차세대 에너지 저장 및 기능성 나노소재 (Advanced Energy Storage & Nanomaterials)
본 연구실은 차세대 전기화학 에너지 저장 및 환경 촉매 시스템을 위한 저차원 나노소재의 합리적 구조 설계와 계면 공학에 집중하고 있습니다. 빠른 이온 전달 동역학과 장기 충·방전 안정성을 갖춘 하이브리드 슈퍼커패시터, 다공성 2D MXene 이차전지 음극재, 그리고 고내구성 환경·에너지 변환 촉매를 개발합니다.
하이브리드 슈퍼커패시터 및 구조형 전극
금속-유기 골격체(Co-MOF) 및 전이금속 황화물(Ni–Co sulfide) 복합 나노페탈 어레이 합성과 더불어, 레이저 및 초고속 펄스광(IPL)으로 설계된 Co₃O₄·Co(OH)₂ 탄소나노섬유 전극을 통해 출력 특성 저하 없이 높은 에너지 밀도를 구현합니다.
2D MXene 및 차세대 이차전지 음극재
2차원 Ti₃C₂Tₓ 및 바나듐계 MXene의 토포케미컬 전환, 수직 배향 및 광열 다공성 구조화를 통해 나노시트 재적층(restacking)을 방지하고 리튬이온 및 전고체전지의 충·방전 부피 팽창을 완충합니다.
환경 촉매(De-NOₓ SCR) 및 적층제조 소재 내구성
질소산화물(NOₓ)의 선택적 촉매 환원(SCR)을 위한 V₂O₅–WO₃/TiO₂ 촉매 설계, 산업용 나트륨계 탈황 흡착제 재생 공정, 그리고 3D 적층제조 합금의 in-situ 수소취화 저항성 진단 기술을 연구합니다.
대표 발표 논문 (Representative Publications)
- Journal of Energy Storage (2024) Cobalt-Based Metal-Organic Framework/Nickel-Cobalt Sulphide Composite Nanopetal Arrays for High-Performance Hybrid Coin Cell Supercapacitor DOI: 10.1016/j.est.2024.111764
- Chemical Engineering Journal (2024) Flashlight Treatment for Instantaneous Structuring of Dense MXene Film into Porous MXene/TiO2 Nanocomposite for Lithium-Ion Battery Anodes DOI: 10.1016/j.cej.2024.149598
- ACS Applied Energy Materials (2024) Laser-Assisted Rapid Fabrication of Cobalt Hydroxide@Carbon Fiber Composites for High-Performance, Robust Structural Supercapacitors DOI: 10.1021/acsaem.4c02261
초고속 광열 나노공정 (Ultrafast Photonic Nanomanufacturing)
기존의 고온 전기로 열처리 공정은 수 시간이 소요되며 열에 취약한 유연 고분자 기판을 손상시키고 원치 않는 상분리를 유발합니다. ACE² Lab은 상온·밀리초(ms) 단위의 나노제조 플랫폼으로서 초고속 제논 펄스광(IPL) 광열 소결과 레이저 유도 그래핀(LIG) 공정을 선도하고 있습니다.
초고속 펄스광(IPL) 소결 및 상전이 제어
광대역 제논 플래시 램프에서 방출되는 고에너지 밀리초 광학 펄스를 통해 선택적 광열 전환을 유도하며, 열변색 스마트 윈도우용 VO₂(B) → VO₂(M) 초고속 상전이 제어 및 유연 기판 위 내산화성 금속 배선 소결을 달성합니다.
광열 표면 개질 및 결함 제어 공학
밀리초 펄스광 표면 처리와 계면 공학을 통해 하부 기능성 박막 손상 없이 열유도 표면 트랩 준위를 치유하고 산소 공공(Oxygen vacancy) 농도를 제어하며 다공성 2D MXene/산화물 나노복합체를 구조화합니다.
플래시 및 레이저 유도 그래핀 (FIG / LIG)
폴리이미드 필름, 셀룰로오스 종이 및 인쇄 토너를 대기 중에서 마스크 없이 광열 흑연화하여 마이크로 슈퍼커패시터, 수분 유도 발전 소자 및 웨어러블 전자소자용 3차원 다공성 그래핀 전극을 직접 제작합니다.
대표 발표 논문 (Representative Publications)
- Small (2024, Front Cover) Suppression of Thermally Induced Surface Traps in Colloidal Quantum Dot Solids via Ultrafast Pulsed Light DOI: 10.1002/smll.202400380
- ACS Applied Electronic Materials (2023) Highly Efficient Moisture-Induced Power Generators through Flashlight-Induced Graphitization of FeCl₃-Impregnated Cellulose Papers DOI: 10.1021/acsaelm.3c00920
- ACS Applied Energy Materials (2023) Exploring the Effect of Ultrafast Intensive Pulsed Light (IPL) Annealing on the Structure and Performance of Cobalt Oxide Electrodes for Supercapacitors DOI: 10.1021/acsaem.3c00656
유연 센서 및 생체·환경 모니터링 소자 (Flexible Sensors & Bio-Environmental Devices)
ACE² Lab은 실시간 헬스케어 생체신호 모니터링, 호기(날숨) 기반 질병 진단, 유해 환경가스 감지를 위한 유연 웨어러블 센싱 시스템을 설계합니다. 2D MXene, 레이저 유도 그래핀(LIG), 반도체 나노구조체와 머신러닝 데이터 분석을 결합하여 높은 민감도·선택성·기계적 신뢰성을 달성합니다.
유연 촉각 및 호흡 헬스케어 센서
실시간 심폐소생술(CPR) 피드백 등 광대역 압력 감지가 가능한 다층 MXene 코팅 한지 촉각 센서와, 인체 호흡을 연속 추적하는 레이저 직접 패터닝 3D 다공성 그래핀(LIG) 습도 센서를 개발합니다.
인공지능(AI) 결합 나노 전자코 및 호기 진단
InGaN/GaN 다중양자우물(MQW) 나노와이어, Ga₂O₃/Ti₃C₂Tₓ MXene 이종접합, Pd/rGO 기능화 중공 SnO₂ 나노구체를 머신러닝 알고리즘과 결합하여 sub-ppm급 NO, NO₂, NH₃ 및 아세톤 바이오마커를 고선택성으로 판별합니다.
마이크로 공진기 및 나노다공성 흡착 플랫폼
수정진동자 미세저울(QCM) 및 마이크로캔틸레버 어레이 표면에 나노다공성 금속-유기 골격체(ZIF-8, MIL-53, Cu-BDC)를 직접 기능화하여 휘발성 유기화합물(VOC), CO₂ 및 병원체 면역반응을 초고감도로 정량 감지합니다.
대표 발표 논문 (Representative Publications)
- Small (2026) MXene‐Coated, Multi‐Layered Mulberry Paper‐Based Flexible Tactile Sensor With High Sensitivity Over a Wide Pressure Range DOI: 10.1002/smll.74205
- Chemical Engineering Journal (2026) Nanostructured composite E-nose for selective exhaled nitric oxide detection and machine learning-assisted respiratory disease diagnosis DOI: 10.1016/j.cej.2026.176545
- Sensors and Actuators B: Chemical (2026) InGaN-GaN-MQW-ZnO based e-nose sensors for nitrogen dioxide detection using advanced machine learning approaches DOI: 10.1016/j.snb.2025.138650
- ACS Applied Nano Materials (2024) Rapid and Flexible Humidity Sensor Based on Laser-Induced Graphene for Monitoring Human Respiration DOI: 10.1021/acsanm.3c05283