化學工學 分野에 관련된 文獻情報의 收集에 관한 硏究

양종현 全北大學校 産業技術大學院 1994 국내석사

Processing of the primary and secondary information source concerning the field of chemical engineering, the effective and accumulating way of the information concerned with the chemical engineering origination from the present was studied and suggested, when the data about an information research process and a collecting way of information was not produced as Data Base, that is, the method which searches for by a hand. It is a fact that the secondary data technical journal with a research tool of the primary documents is used. And the guidance on this usage, the data which form the basis of a literature research originated from the article in the primary document records and the investigation about the usuage of documents was achieved. It was concluded as the following by the result which investighted and examined the phenomena of the secondary information introduction as the target of the domestic journals and Japanese journals. (1) The first important thing to look into the concerned information about chemical engineering makes the aims of information clear, and the subject which is going to investigated should be fully understood, and we should know what is the data suitable for the aims and subject. (2) After setting up the aims of information research and subject, the data suitable for the aims and the subject should be selected in the information research, We should search for the place in the data and achieve the process recopying the original. (3) The information collection is more effective and desirable than a person when a study team has a common subject. After each team of a study group accumulate an information of the journals and literature of special style in parts, meet each other in arranged time, analyze and synthesize the results. (4) After the information researcher basically investigate "Chemical Abstract", it is desirable for him to inquire into another special abstracts. (5) Because the most of patent literature including Korea in WPI was given in, We can meet with it in domestics through on-line system, it is a very useful information source, and We can investigate the confrontation patents as C.A. index. (6) We can read a publication or use the reference, abstracts, and an index as a general way for the information acquisition. An outline and Review take an important part in knowing the view of any field and seeking for the subject related to the original journals. (7) Though the secondary information source is used as the effective means of inquiring into the primary information source, We can obtain the information differing from the secondary information technical journals in the periodicals of the primary information source. Though the article about the original journals and memories in the primary information source form the basis, We can get the information in another journals concerned the field, literature abstract, literature index, and patents published in technical report.

유럽연합(EU)의 신(新) 화학물질관리제도(REACH)와 국내 "화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률"의 비교분석 및 국내 제도 개선방안 연구

이선영 한양대학교 공학대학원 2014 국내석사

인시츄 화학가교에 의해 제조된 고분자 전해질을 적용한 리튬폴리머전지의 싸이클 특성

최지애 한양대학교 대학원 2014 국내박사

최근 리튬이온전지는 휴대폰이나 노트북과 같은 소형기기뿐만 아니라, 전기자동차(electric vehicles), 에너지저장시스템(energy storage systems) 등 대용량을 갖는 중대형 전원에의 응용으로 주목 받고 있다. 이러한 수요를 만족시키기 위해서 전지의 우수한 싸이클 수명과 안전성이 요구되는 가운데 겔 고분자 전해질을 사용하는 리튬폴리머전지의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중 액체 전해질, 중합이 가능한 고분자 그리고 리튬 염을 사용하여 고온에서 인시츄 화학가교반응을 시킴으로써 겔 고분자 전해질을 제조할 수 있으며, 이들은 우수한 이온전도도와 전기화학적 안정성을 보인다. 이렇게 제조된 겔 고분자 전해질은 상온에서 10-3 Scm-1 수준의 이온전도도 값을 보이지만 기계적 물성은 매우 취약하다. 일반적으로, 겔 고분자 전해질의 기계적 안정성은 리튬이온전지의 성능 향상을 위한 또 하나의 중요한 요소이다. 이를 극복하기 위해서 다공성의 폴리올레핀 분리막을 사용함으로써 치수 안정성을 확보하고 이로 인해 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 기존의 액체전해질을 사용할 경우 전지 내의 전극/전해질 사이의 계면특성이 취약하여 전해질의 부 반응이 지속적으로 일어나 전지의 성능을 악화시킨다. 따라서 본 연구에서는 인시츄 화학가교법을 이용하여 겔 고분자 전해질을 제조하고 이를 적용한 리튬폴리머전지를 제조하여 우수한 충방전 수명특성 결과를 기대하였다. 제 2장에서는 기존의 액체전해질과 아크릴레이트 기반의 가교제, 개시제를 포함하는 겔 고분자 전해질을 합성하였다. 인시츄 화학가교법에 의해 제조된 겔 고분자 전해질의 전기화학적 안정성을 평가한 결과 5.0V까지 안정함을 알 수 있었고, 임피던스 분석법을 통하여 전극과 전해질의 계면특성을 해석하였다. 리튬이온폴리머전지는 카본음극과 가교된 겔 고분자 전해질, LiCoO2 양극을 사용하여 제조하였고, 가교제의 함량에 따라 전해질을 제조하여 싸이클 수명을 비교하였다. 제 3장에서는 기존의 액체전해질을 대신하여 우수한 전기화학적 안정성을 가지며 난연성을 갖는 이온성액체를 적용하였다. 또한 열 적 특성이 우수한 인계 가교제를 합성하여 이온성 액체, 인계 가교제 그리고 개시제를 포함하는 겔 고분자 전해질을 제조하였다. 제조된 겔 고분자 전해질의 이온전도도와 산화 및 환원 안정성을 평가하였으며, 리튬 음극과 화학 가교된 겔 고분자 전해질, LiCoO2 양극으로 이루어진 리튬폴리머전지를 제조하여 싸이클 특성을 평가하였다. 그 결과 가교제의 함량이 증가할수록 이온의 이동도가 느려져 방전용량이 감소함을 보였고, 이는 고율방전테스트에서도 같은 경향을 보였다. 그러나 전극과 전해질 사이의 계면이 안정화되면서 추가적인 부 반응이 억제되어 싸이클 수명의 향상을 가져올 수 있었다. C rate가 증가할수록 전지 내의 저항이 증가하게 되어 고율특성이 떨어짐을 보였다. 전지의 안전성을 확인하기 위하여 싸이클 테스트 완료 후 양극 활물질을 채취하여 시차주사열량분석(DSC)을 진행하였다. 그 결과 열 가교반응을 통해 제조된 겔 고분자 전해질을 적용한 경우 발열량이 작게 나타나고, 발열온도도 낮아짐을 확인할 수 있었다. 제 4장에서는 인시츄 화학가교 된 겔 고분자 전해질을 이용하여 리튬 파우더 음극과 LiV3O8 양극으로 구성되는 리튬폴리머전지를 제조하였다. 이렇게 제조된 셀의 충방전 테스트를 진행한 결과 높은 방전용량과 우수한 용량 유지율을 나타내었고 기존의 액체전해질을 사용한 경우보다 고율특성도 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 리튬 파우더를 사용함으로써 표면적이 증가하여 면적당 리튬이 받는 전류밀도가 작게 되므로 저항이 감소하게 되고 동시에 겔로 전극이 둘러 싸고 있어 리튬의 덴드라이트 성장을 억제할 수 있었기 때문이다. 제 5장에서는 기존의 폴리올레핀 분리막 대신 전기 방사한 나노 포러스 구조의 멤브레인을 이용하여 고체고분자 전해질을 제조하였다. 올리고머 형태의 가소제와 가교가 가능한 아크릴래이트계 모노머, 개시제를 포함하는 고분자 전해질을 전기방사 멤브레인에 함침 시킨 후 인시츄 화학가교 반응을 진행시켜 리튬 메탈 음극과 LiCoO2 복합 전극을 이용하여 리튬폴리머전지를 구성하였다. 제조된 고체고분자 전해질의 이온 전도도를 확인해 본 결과 상온에서 5 x 10-4 S cm-1 값을 나타내었으며 전기화학적 안정성도 우수함을 확인하였다. 충방전 테스트 결과, 상온에서 200회 싸이클을 진행한 후에도 상온에서 87%의 용량 유지율을 보였으며, 싸이클 완료 후 전극과 전해질의 단면을 분석한 결과 가교에 의하여 안정한 계면을 형성함으로써 전기화학반응이 원활하게 일어날 수 있었음을 확인하였다. 제 6장에서는 폴리에틸렌옥사이드 고분자를 이용한 전기방사 분리막을 이용하여 고체고분자 전해질을 합성하고 이들의 전기화학적 안정성을 연구하였다. 제조된 고체전해질의 이온전도도는 상온에서 4 x 10-4 Scm-1 의 값을 보였으며 약 5.0V까지 전기화학적으로 안정함을 확인하였다. 또한 이들의 기계적 안정성을 평가한 결과, 가교도가 증가할수록 인장강도가 향상됨을 확인하였다. LiFePO4 복합 양극과 리튬 금속전극 그리고 가교된 고체고분자 전해질로 구성되는 리튬폴리머전지를 제조하였으며 충방전 테스트 결과, 100회 싸이클이 진행된 후 약 97% 이상의 용량 유지율을 보였다.

(A) study on surface engineering to improve electrode performance for advanced lithium-ion batteries

안진혁 한양대학교 대학원 2023 국내박사

Since their commercialization in 1991, Li-ion batteries (LIBs) have been frequently used as an energy source for various electronic devices. Recently, to combat global warming, there has been a high demand for medium and large-sized LIBs for use in electric vehicles (EVs) and grid-level energy storage systems (ESSs). For EVs to completely replace existing fossil fuel vehicles, a driving range of more than 500 km must be achieved on a single charge. This implies that an energy density of over 235 Wh kg−1 or 500 Wh L−1 should be achieved at the battery-pack level. However, current LIBs have an energy density of either in the range of 130–140 Wh kg−1 or higher than 210 Wh L−1. Therefore, the development of advanced LIBs, which is dependent on the electrode materials having a higher specific capacity than that of current LIB electrode materials, is currently underway. Among the cathode materials, LiNixMnyCozO2 (NMC; x+y+z=1, x ≥0.5) has been developed to replace the conventional LIB cathode of LiCoO2 (LCO), which is disadvantageous owing to the limitation of Co resources. The NMC cathode containing Ni, Co, and Mn as the main components, has the advantages of high capacity, excellent electrochemical performance, and stability of LiNiO2 (LNO), LCO, and LiMn2O4 (LMO). The energy density of NMCs can be upgraded by increasing their Ni content or by enabling a high-voltage operation (>4.3 V). However, as the Ni content increases, cation mixing occurs, in which the Ni2+ (0.69 Å) ions having a similar size as the Li ions occupy the Li (0.76 Å) position in the layered structure of the NMC, resulting in the degradation of its electrochemical performance. This phenomenon is accelerated by high-voltage operation. Furthermore, the increase in Ni content and operating voltage makes thick and unstable cathode electrolyte interphase, which also degrades the cell performance and increase increases the impedance resistance. Therefore, for the successful development of high-Ni and high-voltage NMCs, a solution is required for suppressing the side reactions on the electrode surface. Furthermore, there is an urgent demand for high-energy-density anode materials, which can overcome the capacity limit (380 mAh g−1) of existing graphite anodes. Li metal anode (LMA) has been spotlighted as a “holy grail” for next-generation anodes among the anode candidates because it has a high theoretical capacity (3860 mAh g−1) and the lowest electrochemical potential (−3.04 V compared to that of the standard hydrogen electrode). The LMA-based advanced batteries can be classified into Li metal batteries (LMBs) using high-Ni NMC cathodes, Li-sulfur batteries using sulfur cathodes, and Li-air batteries using oxygen cathodes. Among them, LMBs have the highest potential for commercialization as next-generation LIBs. However, owing to various problems with the surface of the LMA, it is still in the development stage. Particularly, the Li dendrite growth and continuous formation of solid electrolyte interphase (SEI) on the LMA surface during battery cycling lead to short circuits, depletion of the electrolyte and Li salt, and an inactivated Li (dead Li), resulting in capacity loss and safety issues. Therefore, to successfully develop next-generation LIBs, it is essential to control the side reactions on the LIB electrode surfaces. In this thesis, a report has been provided on the utilization of surface engineering technologies to control the electrode surface reactions for enhancing the performance of the NMC cathode and LMA among advanced LIB electrode materials. The physical and chemical properties of the electrode surfaces were modified and the corresponding effect on the surface and electrochemical properties of the NMC and LMA were investigated and have been reported herein. This dissertation consists of five chapters. Chapter 1 introduces the development and research trend of LIBs and the challenging issues of NMC and LMA. The theoretical background of surface engineering has been explained, cases of improved performance of the LIB electrode materials via surface engineering techniques have been discussed, and the importance of electrode surface control has been presented. Chapter 2 discusses the process of coating, zirconia (ZrO2) on the surface of the prepared NMC532 electrode via the atomic layer deposition (ALD) technique, which is a thin film deposition technique. An explanation has been provided on how a uniform and ultra-thin coating layer (< 1 nm) could be successfully achieved according to the shape of the electrode surface via ALD. Thereafter, the effect of the ZrO2 ALD coating on the high-voltage (4.6 V) operating performance of the NMC532 cathode has been reported, which is that ZrO2 could suppress the corrosion of the cathode surface from the HF attack. Chapter 3 explains how 10-μm deep surface reliefs were created on the surface of the LMA via a micropatterning technique and discusses the effect of this surface patterning on controlling the extent of Li plating/stripping during cell cycling. From the point of view of commercialization of LMA, it is important to optimize the surface patterning process for thin LMA (<30 μm), and to determine the effect of surface reliefs on the improvement of the electrochemical performance of LMA in high C-rate and Li overflow conditions. The effect of surface morphology of the LMA on Li plating/stripping behavior has been reported by comparing continuous and discontinuous surface reliefs; particularly, the effect of 10-μm discontinuous patterns on improving the LMB performances has been described. Chapter 4 discusses a surface engineering technique for controlling the cathode electrolyte interphase (CEI) and SEI formation on the surface of the NMC cathode and LMA simultaneously during cell cycling. This chapter explains how a controlled release system (CRS), a biotechnology used for controlling the drug release rate over an extended period of time for a single dose, was introduced into the LIBs for controlling the spread of surface films. For this study, a functional additive and 1D inorganic nanotube were selected as the model drugs for stabilizing the electrode surface and carrier material, respectively. The effect of CRS on the enhancement of the NMC/Li battery performance has been demonstrated. Chapter 5 summarizes the results of this dissertation and suggests further research directions concerning surface engineering techniques for improving next-generation LIB electrode performances. 1991년 상용화 이후 리튬이온전지는 다양한 전자 기기의 에너지원으로 자리매김해왔다. 현재는 지구온난화와 관련해 기존 화석연료 기반의 운송 수단의 대체를 위한 전기자동차 및 신재생에너지 발전의 에너지 저장 장치로서 중대형 리튬이온전지의 수요가 급증하고 있는 추세이다. 전기자동차가 기존 화석연료 자동차를 대체하기 위해서는 1회 충전에 500km 이상의 주행거리를 확보가 필수적이다. 이는 배터리 팩 단위에서 235 Wh kg−1 혹은 500 Wh L−1 이상의 에너지 밀도를 구현한다는 것을 의미한다. 현재의 리튬이온전지는 130–140 Wh kg−1 혹은 210 Wh L−1 이상 수준의 에너지 밀도를 가지고 있다. 때문에 현재의 리튬이온전지 전극 소재 대비 높은 비용량을 가지는 전극 소재를 기반으로 한 차세대 리튬이온전지 개발이 활발히 진행되고 있다. 양극 활물질 중 LiNixMnyCozO2 (NMC; x+y+z=1, x ≥0.5)는 기존의 리튬이온전지 양극인 LiCoO2 (LCO)에서 Co 자원의 제한성을 극복하기 위해 개발되었다. Ni, Co, Mn를 주성분으로 하는 NMC 양극은 LiNiO2 (LNO), LiCoO2 (LCO), 및 LiMn2O4 (LMO) 각각의 고용량, 우수한 전기화학 성능, 및 안정성의 장점을 고루 지닌다. 니켈 함량 증가 및 고전압 (>4.3 V) 구동을 통해 NMC의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 하지만 니켈의 함량이 증가함에 따라 NMC 내부에서는 Li+ (0.76 Å)의 크기와 비슷한 Ni2+ (0.69 Å)가 층상구조의 리튬 층을 차지하는 현상인 양이온 혼합과 불안정한 양극 전해질 계면 (Cathode electrolyte interphase, CEI)이 형성되고 전극 열화가 가속되어 전기화학적 성능 저하로 이어진다. 전지의 구동 전압을 높이면 이러한 문제가 더욱 증가한다. 따라서 니켈 고함량, 고전압 구동 NMC의 성공적 개발을 위해서는 전극 표면의 부반응을 억제하기 위한 해결 방안이 필요하다. 음극의 경우, 기존 흑연 음극의 용량 한계 (380 mAh g−1)를 극복하기 위한 차세대 음극 소재의 연구가 증가하고 있다. 이 중, 리튬 메탈 음극은 높은 이론 용량 (3860 mAh g−1)과 가장 낮은 전기화학 전위 (표준 수소전극 전위 대비 −3.04 V)을 가지고 있어서 차세대 음극으로 각광받고 있다. 이러한 리튬 기반 차세대 전지로는 니켈 고함량 NMC를 양극으로 하는 리튬 메탈 전지, 황을 양극으로 하는 리튬황 전지, 공기 중 산소를 양극으로 하는 리튬공기 전지가 있다. 그 중 NMC를 양극으로 하는 리튬 메탈 전지가 차세대전지로 상업화 가능성이 가장 높다. 하지만 리튬 음극 표면의 다양한 문제점으로 현재까지는 개발 단계에 머물러 있다. 특히, 전지 충·방전시 리튬 표면에서 형성되는 수지상 리튬 성장과 이에 따른 SEI 피막의 지속적 형성 및 파괴 과정은 전지 내부 쇼트 및 전해액과 리튬 염의 고갈, 불활성화 리튬 (Dead Li) 등의 결과로 이어져, 전지의 수명 감소 및 전지 안전성 문제로 이어지게 된다. 따라서 차세대 전지의 성공적인 개발을 위해서는 양극 및 음극 전극 모두에서 표면 부반응을 제어하는 것이 필수적이다. 본 학위논문에서는 차세대 리튬이온전지의 전극 소재 중 NMC 양극 및 리튬 메탈 음극의 성능 향상을 목표로, 전극 표면 반응을 제어하기 위한 표면 공학 기술 연구를 다룬다. 다양한 표면 공학 기술을 도입해 전극 표면의 물리 및 화학적 성질을 개질하고, 이에 따른 차세대 리튬이온전지의 NMC 및 리튬 메탈 전극 표면 특성 및 전기화학적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 연구 결과에 대해 총 5장에 걸쳐 논의하였다. 제1장에서는 리튬이온전지의 개발 동향과 NMC 양극 및 리튬 메탈 음극의 연구 동향과 도전과제들을 소개한다. 우선 표면 공학에 대한 이론적 배경과 리튬이온전지 소재에서의 표면 공학 설계에 대한 사례를 소개한다. 다음으로 차세대 리튬이온전지 전극 소재에서 표면 공학적 설계를 통한 표면 제어에 대한 사례를 집중적으로 다루고 이에 대한 중요성을 시사한다. 마지막으로 본 학위논문에서의 연구 목적과 접근 방법에 대해서 논의한다. 제2장에서는 제조된 NMC (NMC532) 전극 극판 표면에 원자층 박막 증착 기법을 이용해 지르코니아 (ZrO2)를 합성하고, 이를 통한 NMC532 양극의 고전압 구동 (4.6V) 성능 향상 효과를 증명한다. 원자층 박막 증착을 통해 제조된 전극 표면의 형상을 따라 수 nm 이하의 균일한 초박막 코팅층이 성공적으로 제조될 수 있음을 밝힌다. 지르코니아 소재가 전극 표면에서 리튬 이온 전도 특성을 향상시킬 수 있다는 것과 전지의 고전압 구동시 리튬염 분해로 발생하는 불산에 의한 양극 표면 부식을 억제하는 것을 증명한다. 제3장에서는 리튬 메탈 음극 표면에 마이크로 패터닝 기법을 이용해 10 μm 깊이 패턴을 제조하고, 리튬 전/탈착 제어에 따른 전지 충·방전 성능 향상 효과를 증명한다. 리튬 패터닝 기술의 상용화 관점에서, 10 μm 깊이 이하의 패턴 제조 공정을 최적화하고, 패턴 내부 용량 이상의 리튬이 전착/탈착되는 리튬 오버플로 조건, 높은 율속 조건 등에서 패턴 도입에 따른 전기화학적 성능 향상 효과를 규명한다. 리튬 패턴을 연속, 불연속 패턴으로 제조하여 리튬 패턴 형상에 따른 리튬 전/탈착 영향을 밝히며, 10 μm 불연속 패턴의 도입을 통한 상용화 리튬 메탈 전지 조건에서의 전지 성능 향상 효과를 증명한다. 제4장에서는 차세대 리튬이온전지의 NMC 양극 및 리튬 메탈 음극 표면에서 전지 충·방전 구동에 따른 전극 표면 SEI 층 형성을 제어하는 기법에 대해 논의한다. 이를 위해 기존 생명 공학 기술 중 하나인 서방형 방출 제어 시스템을 리튬이온전지에 도입하고, 시간에 따라 전극 표면 회복물질로 모델 회복물질, 담지체 등의 소재 선정과 담지체 제조, 방출 제어 및 방출 거동 분석 등을 최적화한다. 서방형 방출 제어 시스템 도입에 따른 양극 및 음극 표면 피막을 제어 및 이에 따른 전지 성능 향상 효과를 증명한다. 제5장에서는 본 학위 논문에서 다룬 연구 성과를 요약하고, 차세대 리튬이온전지 전극 성능 향상을 위한 연구·개발 방향을 제안한다. 추후 상업화를 위한 중요 도전과제들을 파악하고, 이들을 해결할 수 있는 방안과 새로운 관점의 연구 전략을 제시하며 이를 통한 차세대 리튬이온전지 상용화에 대한 기대 효과를 논의한다.

표면 반응을 포함한 경쟁적 이온교환 칼럼 모델 개발

안현경 순천향대학교 2011 국내박사

PCR 진단 방식의 문제점 개선: 나노 다공성 금 전극과 전극 표면 개질을 통한 전기화학적 시그널 증폭, 광경화성 고분자를 이용한 3D dPCR 가능성 탐구

오찬식 홍익대학교 대학원 2023 국내석사

COVID-19 (coronavirus disease-2019), which began in 2019, has caused significant damage worldwide. In April 2022, the International Monetary Fund (IMF) estimated the global cumulative production loss due to COVID-19 to be $13.8 trillion. The importance of accurate and rapid diagnosis has been emphasized socially because it can prevent further damage by isolating the source of infection in advance. Molecular diagnostics, which detect nucleic acids using fluorescence, have shown superior sensitivity and specificity compared to immunological diagnostics. However, expensive fluorescence measurement equipment is not suitable for on-site diagnostics in hospitals or health centers. On the other hand, electrochemical measurement devices are inexpensive and can be miniaturized. Therefore, previous studies have utilized electrochemical impedance spectroscopy (EIS), a method that measures magnesium pyrophosphate (MgPPi), a byproduct of polymerase chain reaction (PCR), to determine amplification. However, the changes in electrochemical signals were minimal, indicating the need for improvement. In this study, we aimed to enhance the sensitivity of electrochemical diagnostics using EIS by focusing on the recent attention given to nanoporous gold and thiol self-assembled monolayers (SAMs) on electrode surfaces in the field of biosensing. Experimental results showed that nanoporous gold did not improve the changes in electrochemical signals, whereas surface modification using thiol SAMs increased the signal changes. Consequently, it is expected that molecular diagnostics using electrochemistry can replace immunological diagnostics in on-site diagnostics. Furthermore, digital PCR (dPCR), a next-generation molecular biology technology, exhibits superior performance in absolute quantification and detection of rare genes compared to traditional quantitative PCR (qPCR). To enhance dynamic range and accuracy, a revolutionary increase in the number of partitions is required in dPCR, which utilizes a Poisson distribution. Therefore, we devised a method of rapidly and easily forming partitions by mixing photocurable polymers with PCR solution and subjecting them to UV irradiation. During the process, we identified PCR inhibition by hydrogel monomers during PCR and investigated enhancers to overcome this inhibition. PEGDMA (polyethylene glycol dimethacrylate) strongly inhibited PCR even at very low concentrations (~0.1%). However, the addition of nonionic surfactants with low critical micelle concentration (CMC) such as Tween 20, Tween 80, and NP-40 significantly improved the inhibition. Additionally, acrylamide, which possesses thiol groups, did not inhibit PCR due to the reaction with nucleophiles through Michael addition. The swelling phenomenon of the hydrogel could be improved by adding PEGDMA, and the production of transparent hydrogels through low-temperature polymerization was confirmed. Therefore, by utilizing photocurable polymers, a remarkable increase in the number of partitions can be achieved, enabling high-precision disease diagnosis, liquid biopsy, copy number variation (CNV) analysis, and accurate quantification in next-generation sequencing (NGS) library preparation. 2019년 시작된 COVID-19 (coronavirus disease-2019)는 전 세계적으로 많은 피해를 입혔다. IMF (international monetary fund, 국제 통화 기금)에서는 2022년 4월, COVID-19로 인한 전 세계 누적 생산 손실을 13조 800억 달러로 예상했다. 정확하고 신속한 진단은 감염원을 사전에 격리함으로써 추가 피해를 막을 수 있기 때문에 사회적으로 진단의 중요성이 부각되고 있다. 분자 진단은 형광을 이용하여 핵산을 검출하는 방식으로 면역 진단에 비해 민감도와 특이도가 매우 우수하다. 그러나 고가의 형광 측정 장비는 병원이나 보건소 등 현장 진단에 적합하지 않다. 반면 전기 화학 측정 장비의 경우 가격이 저렴하며 소형화도 가능하다. 따라서 EIS (electrochemical impedance spectroscopy) 전기 화학 측정 방식을 이용해 PCR (polymerase chain reaction) 부산물로 생성되는 MgPPi (magnesium pyrophosphate)를 측정함으로써 증폭 여부를 판단하는 연구가 선행되었지만 전기 화학 시그널 변화량이 적어 개선이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 EIS를 이용한 전기 화학적 진단 방식의 민감도를 올리기 위해 최근 바이오 센싱 분야에서 다양한 특성으로 주목받고 있는 나노 다공성 금과 전극 표면의 thiol SAM (self-assembled monolayer) 형성을 통해 민감도를 증가시키는 연구를 진행했다. 실험 결과 나노 다공성 금은 전기 화학 시그널 변화량을 개선하지 못했고, thiol SAM을 이용한 표면 개질 시 전기 화학 시그널 변화량이 증가하는 것을 확인했다. 이를 통해 현장 진단에서 전기 화학을 이용한 분자 진단이 면역 진단을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 또 차세대 분자 생물학 기술인 dPCR (digital PCR)은 절대 정량, 희귀 유전자 검출 등 기존 qPCR (quantitative PCR) 보다 많은 부분에서 우수한 성능을 보인다. dPCR은 푸아송 분포를 이용하기 때문에 동적 범위와 정확성을 높이기 위해 파티션 수의 획기적인 증가가 요구된다. 이에 광경화성 고분자를 PCR 용액과 혼합한 뒤 UV 조사를 통해 빠르고 간편하게 파티션을 형성하는 방법을 고안했다. 해당 과정은 공정상 고분자 단량체의 존재 하에서 PCR이 수행되기 때문에 하이드로 젤 단량체별 PCR 저해를 파악했고 저해 현상을 개선하기 위한 enhancer에 대해 탐구했다. PEGDMA (polyethylene glycol dimethacrylate)의 경우 아주 낮은 농도 (~0.1%)에서부터 PCR을 강하게 저해했지만, Tween 20, Tween 80, NP-40 등 CMC (critical micelle concentration)가 낮은 비이온성 계면 활성제의 추가로 저해 현상이 월등히 개선되었다. 또한 acrylamide는 thiol group을 가진 친핵체와 michael 첨가 반응을 통해 그 활성을 잃고 PCR 저해 역시 일으키지 않았다. 하이드로 젤의 팽윤 현상은 PEGDMA의 첨가를 통해 개선할 수 있었으며 저온 중합을 통해 투명한 하이드로 젤의 제작이 가능함을 확인했다. 따라서 광경화성 고분자를 이용해 파티션의 수를 획기적으로 늘려 질병 진단, 액체 생검, CNV (copy number variation) 분석, NGS (next generation sequencing) library 정량에서 높은 정확성을 도모할 수 있을 것으로 예상된다.

디지털 전자기기용 저저항 탄탈륨 고체전해질 캐피시터 제조

김재근 中央大學校 2003 국내박사

디지털 전자기기용 저저항 탄탈륨 고체전해질 캐패시터를 개발하기 위하여 기존의 고체전해질로 사용되고 있는 MnO2 적용공정 개선연구와 전도성고분자로의 대체연구를 수행하였다. 공정 개선연구는 기존의 개방형 강제송풍식 대류열분해에 의한 MnO2 적용방식대신 밀폐형 건식 복사열분해 방식을 중심으로 수행하였다. 밀폐형 건식 복사열분해에 의한 MnO2 적용은 열분해 중에 발생하는 분해가스 압력에 의해 3차원 미세다공구조인 탄탈륨 소결체 내부에 대한 MnO2의 충진도가 증가하고, 복사열전달로 열분해로 안에 급격한 공기순환이 없기 때문에 균일한 MnO2 층이 형성되며, 열분해로 분위기를 건식으로 유지함으로써 전기전도도가 낮은 α-Mn2O3의 생성 없이 양질의 β-MnO2가 얻어짐으로써 기존 대류방식에 비해 저저항 특성 구현이 가능한 것으로 밝혀졌다. 재료 대체연구는 전기전도도가 10-1 S/㎝에 불과한 MnO2 대신 101?102 S/㎝에 달하는 폴리피롤로의 대체공정 개발 중심으로 수행하였다. 폴리피롤을 캐패시터의 전해질로 적용하기 위하여 화학중합에 의한 파우더 형태의 폴리피롤 및 전기화학중합에 의한 필름 형태의 폴리피롤 특성을 고찰하고, 이의 캐패시터 적용연구를 통해 화학적, 전기화학적, 물리적 변수 및 적용공정을 최적화 하였다. 이러한 캐패시터 특성 중심의 최적화 연구를 토대로 6% 질산망간 수용액을 사용하여 밀폐형 건식 복사열분해에 의해 MnO2 제1전해질 층을 구성하고, 0.3, 0.8 M의 ammonium persulfate 산화제 수용액과 2.0 M의 피롤 단량체를 화학중합에 의해 폴리피롤 제2전해질 층을 추가 구성한 뒤, 이들 전해질 층을 바탕전극으로 하여 0.5, 0.5, 0.02 M의 피롤 단량체, Na-p-toluene sulfonate 도판트, oxalic acid 수용액을 지지전해액으로 사용하여 0.5 ㎃/소자의 전류밀도로 4시간 연속 전기화학중합을 실시하여 최종적으로 폴리피롤 제3전해질 층을 구성하는 복합전해질 층 구성을 통해 고온부하, surge 전압, 납내열성, 내습성 시험 등의 기본 신뢰성기준을 만족하는 100 ㎑ 기준 주파수에서 MnO2 적용 대비 1/3 수준인 40 mΩ 대의 저저항 탄탈륨 캐패시터를 개발하였다.

조직공학과 재생의학을 이용한 인공 골과 신경에 관한 연구

이상진 한양대학교 대학원 2003 국내박사

The thesis is related with the development of novel artificial bone and nerve based on the tissue engineering and regenerative medicine. The tissue engineering and regenerative medicine are the concept of repair the damaged body by developing new tissues and organs. This dissertation consists of three parts and divides into eleven chapters. Part I describes behavior of various cells onto surface modified polymeric materials for tissue engineered bone and nerve. Part II concerns the bone tissue engineering for osteoconduction and osteoinduction using the natural/synthetic hybrid and bone stimulating drug-loaded PLGA scaffolds. Part III deals with the nerve regeneration of central and peripheral nerve system. It is recognized that the behavior of the cell adhesion and proliferation on materials depends largely on surface characteristics such as wettability (hydrophobicity/hydrophilicity), chemistry, charge, rigidity, roughness and so on. We observed the cell behavior onto surface-modified polymers as polycarbonate (PC) with different micropore sizes (roughness), adhesive protein- or polypeptide-adsorbed poly(lactide-co-glycolide) (PLGA), and wettability gradient polyethylene (PE) surfaces. First, the adhesion and proliferation of MG63 cells were progressively inhibited as the PCs had micropores with increasing size, probably due to surface discontinuities produced by track-etched pores. Second, bone marrow stromal stem cells (BMSCs) were cultured on the protein- or polypeptide-adsorbed PLGA scaffolds BMSCs were more strongly adhered to the protein- or polypeptide-adsorbed PLGA scaffolds than to control. Especially, BMSCs were well adhered and proliferated on the collagen type IV- and fibronectin-adsorbed PLGA scaffolds. Third, induction and growth of neuritis from the PC-12 cells attached onto the polymer surfaces with different hydrophilicity were investigated using the wettability gradient PE surfaces prepared by corona discharge treatment. We observed that neurite formation of PC-12 cells was increased more onto the positions with moderate hydrophilicity of the wettability gradient surface than onto the more hydrophobic or hydrophilic positions. In short, surface properties play an important role for cell behavior on the polymer surfaces. In order to endow with new bioactive functionality, we prepared natural/synthetic hybrid scaffolds for bone repair. Natural sources are porcine small intestine submucosa (SIS) and demineralized bone particle (DBP). The SIS material consists of naturally occurring ECM that has been shown to be rich in components which support angiogenesis. It is reported that bone morphogenetic protein in DBP acts as local mitogen to stimulate bone healing of mesenchymal stem cells. SIS/PLGA and DBP/PLGA scaffolds were fabricated by solvent casting/salt leaching technique. These scaffolds had relatively homogeneous pore structures throughout the matrix and showed an average pore size in the range 100 ~ 200 m and over 90% porosity. We observed that the effects of SIS/PLGA and DBP/PLGA scaffolds on bone induction are stronger than control. In addition, 1,25(OH)2 vitamin D3 (VD3) stimulates the proliferation and differentiation of osteoblastic cells for bone healing. From the results, this sustained, besides, constant localized release system can potentially provide VD3 and encourage calcium and phosphate, which plays an important role for osteoconduction and osteoinduction. For nerve regeneration, we found that undifferentiated cultured of BMSCs express some markers characteristic of neuronal cells. By treating BMSCs with -mercaptothanol, dimethylsulfoxide and butylated hydrocyanisole for neuronal differentiation, about 76.2% of the BMSCs differentiated into cells with typical neuronal cell morphology and with neuronal phenotype expression of neurospecific enolase and neurofilament. In sciatic nerve repair using novel nerve guidance channel by SIS, graft between cut nerve ends were performed with rolled SIS tube. Histologically, all graft contained axons and myelination, but the number of the axon and the degree of myelination was significantly high in rolled SIS tube than control. Finally, we fabricated BMSCs seeded polyglycolide (PGA)/Pluronic F127 implant for rat spinal cord regeneration. Fischer rats received an implant in the gap (T8 ~ T9; about 5 mm) created by the spinal cord resection. In histological evaluation and motor function test, we observed that the effects of implants with BMSCs on neuroinduction are stronger than control. In conclusion, regeneration of transected spinal cord with recovery of lost function may be accomplished by implantation of BMSCs associated with a synthetic, biocompatible, and biodegradable scaffold. 본 논문은 조직공학과 재생의학을 기초로한 인공 골과 신경의 개발로 의학, 생물학, 및 공학을 기반으로한 생체조직재생에 관한 연구이다. 조직공학과 재생의학의 개념은 새로운 기관이나 장기의 개발에 의한 손상된 신체의 회복이다. 본 논문은 크게 3부로 구분되며 총 11장으로 구성된다. 1부에서는 인공 골과 신경 재생재료를 위한 재료의 표면 특성에 따른 세포의 거동 연구로 표면 개질된 고분자 재료와 다양한 세포의 상호작용에 관한 연구이며, 2부에서는 천연재료와 합성재료가 복합화된 하이브리드 재료와 1,25(OH)2 비타민 D3를 함유하고 서방화하는 락타이드-글리콜라이드 중합체 (PLGA)로된 조직공학용 지지체를 이용한 인공뼈의 개발, 3부에서는 조직공학과 재생의학을 바탕으로한 중추신경계와 말초신경계의 신경재생에 대해 다루었다. 세포의 점착과 성장 거동은 재료의 표면 특성에 크게 의존하는데, 이는 표면의 젖음성 (소수성/친수성), 화학적 성질, 전하, 경직성, 거침성 등이다. 우리는 거침성이 도입된 폴리카보네이트와 여러 가지 단백질이나 폴리펩타이드가 흡착된 PLGA, 젖음성 점진구배표면을 갖는 폴리에틸렌 (PE) 필름을 제조하였으며 이들 표면과 세포와의 상호작용을 관찰하였다. 첫째로, 거침성이 도입된 폴리카보네이트 표면에서의 MG63 세포는 다공의 크기가 증가할수록, 즉 거침성이 증가하는 표면에서 점착과 성장이 점진적으로 감소하였는데, 이는 표면의 불연속성에 기인하는 것으로 사료된다. 둘째로, 점착성 단백질이나 폴리펩타이드가 흡착된 PLGA 표면에서의 골수유래 간엽줄기세포는 강한 점착과 성장 거동을 보였으며 특히, 콜라겐 IV형과 파이브로넥틴이 흡착된 표면에서 가장 우수하였다. 셋째로, 코로나 방전처리로 제조된 젖음성 점진구배표면이 도입된 PE 표면에서의 신경표현형을 가지는 PC-12 세포는 세포활성을 가지는 농도 이하의 신경성장인자하에서 젖음성이 중간단계를 가지는 표면에서 신경돌기의 수와 성장이 가장 우수하였다. 결과적으로, 다양한 세포의 재료 표면과의 상호작용에서 재료의 표면특성은 매우 중요하였다. 새로운 생체활성 기능을 도입하기 위해서 우리는 천연/합성 하이브리드 조직공학용 지지체를 제조하였다. 천연재료로는 돼지의 소장점막하조직 (SIS)와 미네랄이 제거된 골분 (DBP)를 사용하였다. SIS 재료는 혈관생성을 유도하는 물질에 풍부하게 포함되어 있으며, DBP 재료는 골수의 줄기세포를 골세포로 분화하도록 자극하는 골형성인자가 함유되어 있다. SIS/PLGA와 DBP/PLGA 지지체를 용매증발/염추출법으로 제조하였으며 제조된 지지체는 균일한 다공구조를 가지고 평균 다공의 크기는 100 ~ 200 m, 다공도는 90% 이상이었다. 우리는 제조된 천연/합성 하이브리드 지지체가 기존의 지지체와 비교해서 골 유도에 더욱 우수한 효과를 가짐을 관찰하였다. 더욱이, 약물전달체계와 융합된 1,25(OH)2 비타민 D3를 함유된 PLGA 지지체는 이를 30일 이상 서방화하여 골 형성에 유익한 작용을 하는 것으로 관찰되었다. 신경재생을 위한 조직공학적 접근으로는 미분화 줄기세포의 신경세포화와 신경유도관을 이용한 말초신경의 재생, 척수신경 재생이다. 먼저, 분화되지 않은 골수유래 간엽세포를 -메캅토에탄올과 디메틸설폭사이트, 뷰틸레이트 하이드로사이안니졸로 처리하여 신경세포로 유도하였다. 신경세포로 유도된 간엽세포는 전형적인 신경세포형과 신경세포에서 특이적으로 발현하는 단백질 염색을 통해 확인한 바 76.2%가 분화되었다. 결과적으로, 신경질환에 골수유래 간엽줄기세포를 이용한 치료가 가능해졌다. 다음으로, 말초신경계인 좌골신경의 재생을 위해 절단된 신경 양 말단에 원통형의 SIS 튜브를 사용하여 연결하였다. 조직학적 분석 결과, 모든 이식물은 축삭과 마이엘린이 형성되었으며 SIS 튜브를 사용한 군에서 다른 모든 군에 비해 월등히 우수함이 관찰되었다. 마지막으로, 중추신경계인 척수재생을 위해 우리는 골수유래 간엽세포가 파종된 폴리글리콜라이드/플루로닉 F127를 제조하였다. Fischer 쥐의 척수를 5 mm 절단 (T8 ~ T9)한 후 제조된 세포/고분자 이식물을 삽입하였다. 4주와 8주 후, 조직학적 평가와 운동력 회복 실험을 통해 우리는 골수유래 간엽줄기세포가 척수 재생에 많은 도움을 주는 것으로 판단하였다. 이식된 부위에서 축삭이 자라는 것이 관찰되었으며 실험군이 운동력이 다른 군에 비해 월등히 우수하였다. 결론적으로 절단된 척수의 재생은 골수유래 간엽줄기세포와 이를 지지해주는 생분해성 지지체에 의해 수반된 것으로서 척수재생의 가능성을 확인하였다는 데에서 본 연구의 중요성이 확인되었다.

바나듐 레독스 흐름전지의 전기화학적 성능 개선을 위한 니트로화 반응 기반의 음극 표면 질소 작용기 조절에 관한 연구

강민구 한양대학교 대학원 2022 국내석사

바나듐 레독스 흐름전지는 바나듐 이온의 산화,환원 반응의 화학적 에너지를 전기에너지로 저장하는 2차 전지 종류 중 하나에 해당하는 장치이다. 여기서 산화,환원 반응이 일어나는 탄소 기반의 graphite felt 전극은 고온에서 제조되는 특성상 소수성과 부족한 표면 작용기의 특성을 가지고 있다. 이러한 특성은 바나듐 레독스 흐름전지의 낮은 전기화학적 성능의 원인들 중 하나에 해당한다. 따라서 전극 표면의 개선을 위한 연구가 많이 있었고, 그 중 헤테로 원자(heteroatom)를 이용한 전극표면 개선의 시도가 많이 있었다. 본 연구에서는 다양한 헤테로 원자 중 높은 전자 밀도를 가지고 있으며 친수성의 효과를 기대할 수 있는 질소 작용기를 활용하여 전극의 표면을 개선하고자 한다. 여기서 질소 작용기는 pyridonic, nitro에 해당하는 작용기이다. 실험 방법은 두 단계에 걸쳐 질소 작용기를 부여하고 조절함으로서 진행된다. 첫째, 암모니아 가스 열처리를 통해 1차 적으로 graphitic, pyridinic 질소 작용기를 전극 표면에 부여한다(NGF). 둘째, 황산 질산을 이용한 혼합 산 용액 내에서 hydroxylation, nitration 반응을 통해 pyridonic 질소 작용기로의 변환과, nitro 질소 작용기의 추가 생성을 진행한다(TNGF). 만들어진 전극은 SEM, TEM, contact angle, XPS, Raman과 같은 다양한 물리적 분석을 통해 전극 표면의 질소 작용기의 변화를 확인하였으며 CV, EIS와 같은 전기화학적 분석을 통해 전기 화학적 촉매 활동성 개선과 분극 감소 효과를 확인 할 수 있다.또한 DFT 분석을 통하여 바나듐 이온(V2+/V3+)과 pyridonic-N, nitro-N의 작용기 사이의 상호작용에서 질소 작용기의 기여도를 확인할 수 있었다. 그리고 cell test를 통해 VRFB의 전기화학적 성능을 확인 할 수 있다. TNGF 전극 기반 VRFB의 에너지 효율은 70%로 GF, NGF에 비해 11.3%, 6.9% 향상된 결과를 확인할 수 있다. 본 연구를 통해 질소 작용기를 사용했을 때 우수한 VRFB 성능을 확인 할 수 있었다. The vanadium redox flow battery is a device corresponding to one of the types of secondary batteries that store the chemical energy of the oxidation and reduction reactions of vanadium ions as electrical energy. Here, the carbon-based graphite felt electrode, where oxidation and reduction reactions occur, has the characteristics of hydrophobicity and insufficient surface functional groups due to the characteristics of being manufactured at high temperature. This characteristic corresponds to one of the causes of the low electrochemical performance of the vanadium redox flow battery. Therefore, there have been many studies for improving the electrode surface, among which there have been many attempts to improve the electrode surface using a heteroatom. In this study, we intend to improve the surface of the electrode by utilizing a nitrogen functional group that has a high electron density among various heteroatoms and can expect a hydrophilic effect. Here, the nitrogen functional group is a functional group corresponding to pyridonic and nitro. The experimental method proceeds by providing and controlling nitrogen functional groups over two steps. First, graphitic and pyridinic nitrogen functional groups are primarily provided to the electrode surface through ammonia gas heat treatment (NGF). Second, in a mixed acid solution using sulfuric nitric acid, conversion to a pyridonic nitrogen functional group and additional generation of a nitro nitrogen functional group are carried out through hydroxylation and nitration reactions (TNGF). The made electrode confirmed the change of nitrogen functional group on the electrode surface through various physical analyzes such as SEM, TEM, contact angle, XPS, and Raman, and improved electrochemical catalyst activity and reduced polarization through electrochemical analysis such as CV and EIS Also, through DFT analysis, it was possible to confirm the contribution of nitrogen functional groups to the interaction between vanadium ions (V2+/V3+) and functional groups of pyridonic-N and nitro-N. And the electrochemical performance of VRFB can be confirmed through cell test. The energy efficiency of TNGF electrode-based VRFB is 70%, which is 11.3% and 6.9% improved compared to GF and NGF. Through this study, excellent VRFB performance was confirmed when a nitrogen functional group was used.

알카리 연료전지에서의 수소극 Ni촉매의 분산성 및 활성에 관한 연구

조원일 漢陽大學校 1992 국내석사