Research Area

Research Overview - Carbon Nanomaterials

우리 연구실은 탄소나노소재(탄소나노튜브 및 그래핀)의 전기적, 광학적, 물리적 특성을 제어, 조절하여 에너지 분야, 전자소자 분야, 바이오메디칼 분야에 적용하는 연구를 수행하고 있습니다. 예를 들어 탄소나노튜브는 금속성 탄소나노튜브(구리 등의 전 도성 금속과 성질이 동일)와 반도체성 탄소나노튜브(실리콘 등의 반도체 물질과 성질이 동일)들이 존재하는데 현재 탄소나노튜브 생산공정들은 이들의 혼합물들만을 제조할 수 있습니다. 때문에, 실제 응용에 제약이 있습니다. 우리 연구실은 화학적 방법을 사용하여, 탄소나노튜브 혼합물로부터 금속성 및 반도체 성 탄소나노튜브를 분리하는 다양한 기술들을 보유하고 있으며, 이를 태양전지 주소재 인 실리콘을 대체하는 신소재로 활용하거나, 투명 유연 전자소자의 전도성 고분자와 혼 합하여 성능개선에 활용하거나, 생체 내로 주입, 암치료용 광열소재로 활용하는 연구를 수행하고 있습니다.

Kim Research Group is engaged in interdisciplinary research activities interfacing with chemical engineering and materials sciences, spanning nanoelectronics, renewable energy and biological applications. Our group has made advances to surface engineering of carbon nanotubes to tailor their electronic structures and applied this engineering technique to industrially scalable carbon nanotube separation. Our past research has focused on the basic science and technology development of novel carbon based nanomaterials. Our future research focuses on the application of novel carbon based nano-materials to flexible electric devices, high efficient solar cells and bio-medical applications.


Carbon Nanomaterials Research Topics
금속성 CNT 및 반도체성 CNT 분리 기술 개발
  • 탄소나노튜브는 금속성 또는 반도체성을 갖는데, 금속성 CNT는 이차전지(배터리) 양극 및 음극 소재, 투명전극 소재로, 반도체성 CNT는 태양전지, 바이오센서, 전자소자 및 에너지소자에서 기존 반도체 물질을 대체할 수 있는 재료로 활용될 수 있음. 본 연구팀에서는 표면반응을 이용, CNT 혼합물로 부터 고순도 반도체 CNT를 분리해 내는 연구를 진행 중에 있으며, 또한 다른 탄소나노재료인 그래핀의 고순도 분리 연구도 같이 진행하고 있음


수직성장 고순도 탄소나노튜브 제조 기술 개발
  • 수직성장 고순도 탄소나노튜브(CNT) 제조기술 보유 : 10X100mm 기판에 균일하게 3mm이상의 탄소나노튜브 성장가능, 최대 8mm이상 성장



암치료용 광열나노소재 개발 기술 개발
  • 생체친화성 CNT 복합체 제조기술 (특허보유) 를 이용하여, 염증세포 및 암세포에 선택적으로 침투할 수 있는 광열나노소재를 개발 (특허 보유), 특정 적외선 파장의 레이져를 조사하였을 때 암세포 등을 광열 효과를 사용하여 제거할 수 있는 광열나노소재 제조 기술 보유


Research Overview – Hydrogen Production

우리 연구실은 기존의 화석 연료에 비해 친환경적이며, 연료전지 자동차를 위해 수요가 급증하고 있는 수소 에너지를 화석 자원이 아닌 (1) 재생자원으로 부터 생산하고, (2) 공정 중에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 (3) 새로운 수소생산기술 개발에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 재생자원으로서 해조류를 포함한 다양한 바이오매스를 이용하고, 친환경 반응메카니즘으로 알칼리 열처리반응 (Alkali Thermal Treatment)을 적용하며, 이를 바탕으로 고순도 수소를 생산할 수 있는 새로운 수소전환기술을 개발, 이를 연료전지 자동차에 직접 적용하는 연구를 수행하고 있습니다. 최근에는 폐플라스틱을 수소로 전환하는 공정을 개발하고 있습니다

Given the rapid development of the global economy and ever-increasing population, the world’s energy demand will increase by 30% by 2040 according to the International Energy Agency (IEA). Global CO2 emissions from energy use are expected to increase up to 35.7 GT per year, which is far from the necessary level required to avoid severe climate change. Thus, further use of renewable low-carbon and carbon-neutral energy sources (e.g., solar photovoltaic, wind, hydropower, and biomass) is urgently needed. H2 has a high energy density and is the only carbon-free energy carrier compared to conventional fuels. With the emerging market of fuel cell vehicles, H2 is also increasing in demand. At present, it is mainly produced from fossil sources leading to inevitable CO2 emissions. That is, with current thermochemical methods to generate H2 including gasification and steam reforming of coal and natural gas, anthropogenic CO2 emission is inevitable. However, a truly transformative scheme of H2 production should be renewable and carbon-neutral. Biomass is a carbon-neutral energy source, absorbing CO2 from atmosphere through photosynthesis, and can be even carbon-negative when combined with carbon capture and storage. If biomass is used as a source of H2, the process can be considered carbon-neutral. Particularly, seaweed is a unique aquatic biomass that does not compete for land or fresh water. Its use as an energy source is not well studied and its high moisture and salt contents will be challenging if used in conventional biomass conversion processes. Unfortunately, reaction pathways to thermochemically convert salty and wet biomass into H2 are limited.

To address these challenges, we developed a novel catalytic alkaline thermal treatment (ATT) of seaweed, which can innovatively produce high purity H2 from wet and salty biomass feedstock with substantially suppressed CO2 formation, making the overall biomass conversion not only carbon-neutral but also potentially carbon-negative. We recently demonstrated that high-purity 1.57 L H2 is produced from 1 g of brown seaweed with a conversion as high as 71%, which is considerably greater than those reported in the literature. ATT can simplify reaction pathways to produce only H2, while conventional gasification reaction generates various gas products, including CO, CO2, and various hydrocarbons. The ATT also captures CO2 as solid carbonates (therefore, doesn’t produce any green house gas) as well as fragments the biomass to produce high purity H2, working together with reforming catalysts. By in-situ capturing CO2 and regenerating the hydroxide via mineral carbonation, this bio-H2 production technology has shown a great BioEnergy with Carbon Capture and Storage (BECCS) potential. This study provides insights into the future deployment of carbon-negative H2 production from unconventional biomass sources such as seaweed, food waste, and algae, which are often high in water and salt contents.




Hydrogen Production Research Topics
High-Purity Hydrogen Production from Biomass with Carbon Capture
  • 음식물 쓰레기 등의 바이오매스를 고순도 수소로 전환하는 알칼리 열처리 촉매 공정에 대한 연구를 진행하고 있음

Waste Plastic to Hydrogen Conversion
  • 폐플라스틱을 고순도 수소로 전환하는 알칼리 열처리 촉매 공정에 대한 연구를 진행하고 있음