마인드맵을 활용한 화학 Ⅱ 학습에 대한 학생들의 인식 조사

이길연 한국교원대학교 교육대학원 2010 국내석사

In the real situation of high school, I came to know two problem; students feel difficult on chemistry and less and less students choose it among the subject in University Entrenace Exam every year. So I suggested that review by utilizing minf-map could solve the problem above. The purpose of this study is to find out students' recognition about the effect of mind-map used during chemistry learning. That is, I surveyed on students' recognition that chemistryⅡ learning by utilizing mind-map would have effects on 'interest toward chemistry', 'understanding and remembering concept og chemistry', 'improving the ability of problem-solving and self-led learning over chemistry'. For this study, I had 4 classes (121 students) of third-grade students in W high school in Bucheon, Gyeonggi, to apply mind-map to review. Then I analyzed post-survey from those classes and interviewed 9 students to analyze the effect more deeply. The results of this study follows ; First, 26% of students think that chemistry learning by utilizing mind-map is helpful to increase the interest of chemistry. High achievement group students showed more positive results than others. Second, 71% of students think that chemistry learning by utilizing mind-map is helpful in understanding the concept of chemistry. Middle level students more positive results than others. 66% of students think that chemistry learning by utilizing mind-map is helpful in remembering of concept of chemistry. High level students more positive results than others. Third, 38% of students think that chemistry learning by utilizing mind-map IS helpful to improve the ability of problem-solving over chemistry. Low level students showed more positive results than others. 34% of students think that chemistry learning by utilizing mind-map is helpful to improve the ability of self-led learning over chemistry. High and low level students showed more positive results. Synthetically, utilizing mind-map IS the one of learning helpful method of chemistry. 실제 학교 현장에서 학생들이 화학Ⅱ 과목을 많이 어려워하고, 수능 선택과목에서 선택하는 학생이 해마다 감소하는 점을 발견하게 되었다. 이에 본 연구자는 마인드맵 복습법을 해결책으로 제시하였다. 이 연구의 목적은 마인드맵을 활용했을 때 화학Ⅱ 학습에 영향을 주는지에 대한 학생들의 인식을 알아보기 위한 것이다. 즉, 마인드맵을 활용한 화학 학습이 화학교과의 ‘흥미’, ‘학습개념이해와 파지’, ‘문제해결능력과 자기주도적인 학습능력’에 영향을 주는지에 대한 학생들의 인식을 조사하였다. 위 연구를 위해 경기도 부천시 소재 인문계 W고등학교 3학년 학생 중 화학Ⅱ 과목을 선택한 121명을 대상으로 마인드맵 복습법을 적용하고 사후 설문지를 분석하였다. 또한, 9명의 학생을 선정하여 인터뷰를 통해 더 자세히 분석하였다. 본 연구결과는 다음과 같다. 첫째, ‘화학교과의 흥미’에서 전체 학생 중 26%의 학생들이 마인드맵 활동이 교과의 흥미를 느끼는데 도움이 된다고 하였다. 학업성취도에 따른 그룹별로 비교해보면 학업성취도가 높은 상그룹이 다른 그룹보다 긍정적인 응답이 높게 나왔다. 둘째, ‘학습개념이해’에서 전체 학생 중 71%의 학생들이 마인드맵 학습이 화학 개념의 이해에 도움이 된다고 하였다. 학업성취도에 따른 그룹별로 비교해보면 학업성취도 중그룹이 다른 그룹보다 긍정적인 응답이 높게 나왔다. ‘학습 파지’에서 전체 학생 중 66%의 학생들이 마인드맵 학습이 화학 개념의 기억에 도움이 된다고 하였다. 학업성취도에 따른 그룹별로 비교해보면 학업성취도가 높은 상그룹이 다른 그룹보다 긍정적인 응답이 높게 나왔다. 셋째, ‘문제해결능력’에서 전체 학생 중 38%의 학생들이 마인드맵 학습이 화학 문제를 푸는데 도움이 된다고 하였다. 학업성취도에 따른 그룹별로 비교해보면 학업성취도가 낮은 하그룹이 다른 그룹보다 긍정적인 응답이 높게 나왔다. ‘자기주도적 학습능력’에서 전체 학생 중 34%의 학생들이 마인드맵 학습이 스스로 학습하는 태도에 도움이 된다고 하였다. 학업성취도에 따른 그룹별로 비교해보면 학업성취도 상그룹과 하그룹이 긍정적인 응답이 높게 나왔다. 이와 같이 연구를 종합해 볼 때 마인드맵의 활용은 화학 학습에 유익한 방법이다.

효율 좋은 전기화학발광 발색단의 개발과 그들의 분석적 응용

유상욱 경희대학교 대학원 2013 국내석사

전기화학발광(ECL)실험은 빛이 발생하는 장소의 통제와 간단한 에너지원을 가지는 장점 때문에 최근 생화학적 센서와 flow injection analysis(FIA), high-performance liquid chromatography(HPLC), capillary electrophoresis, micro total analysis(μTAS)등에서 검출방법으로서 사용되어지고 있다. 더 나아가 전기화학발광 실험을 자체적으로 분석 sensor로 사용하기 위해 기존의 물질들보다 효율이 좋은 유기, 무기 발색단을 개발과 그 응용분야를 찾는 것은 매우 중요하다. 그 이유는 전기화학발광 물질은 전기화학 신호 뿐 아니라 광학적 신호를 가지기 때문이다. 2장에서는 약한 주개 그룹이 phenylethynylpyrene 응용물질의 시리즈 제조를 위한 페닐 그룹의 para위치에 치환체로서 사용되었다. phenylethynylpyrene 응용물질은 pyrene을 중심으로 phenylethynyl그룹의 첨부한 개수를 바꾸면서 합성하였다. 이러한 체계는 양ion과 음ion radical 안정도를 동시에 향상시켰고, 결과적으로 전기화학적 발광을 증가 시켰다. Density functional theory(DFT)기반의 이론적 계산은 관련 물질들의 물리광학적, 전기화학적 성질과 일치했다. 3장에서는 다양한 N-heterocyclic carbene(NHC) ligand 가 연결된 Ru화합물 1-3 이 합성되고, 특정한 전압에서 특정한 색을 나타내는 그들의 광물리학적, 전기화학적, 전기화학발광학적 성질들이 연구 되어 졌다. 흥미롭게도 발광된 빛은 녹황색부터 적색 까지였고, 그것은 Ru화합물이 여러 가지 색을 가질 수 있음을 보여 주었다. 4장에서는 Pyrene에 N,N-dimethylethynylaniline이 말단기로 십자가 형태로 합성된 pyrene 응용물질은 Fe3+ ion의 선택적 검출에 다양한 분석 신호를 가진다. 다양한 금속 ion들을 검출한 결과, 1은 오직 Fe3+ion에서만 광학적, 전기화학적, 전기화학발광학적 으로 중요한 변화를 보여 주었다.

불소화 선형 설페이계 불연성 전해액 적용을 통한 과니켈 양극 기반 리튬이온전지의 전기화학적 성능 및 안전성 향상

곽세현 忠南大學校 大學院 2022 국내석사

전 세계적 기후 변화를 억제하기 위해 리튬이온전지 (LIB)는 전기자동차 (EV)와 에너지 저장 시스템 (ESS)으로 응용되고 있다. 이에 따라 LIB는 고에너지밀도, 장수명, 보장된 안전성이 요구된다. 에너지밀도는 리튬이온전지가 적용되는 전기자동차 또는 가전제품의 주행거리와 사용시간을 결정하는 중요한 요소이다. 고에너지밀도를 달성하기 위하여, 고용량 양극 활물질 과니켈 양극, LiNi1-x-yCoxMnyO2 (NCM;1-x–y≥0.5) 산화물의 충전 전압을 기존 4.2 V 보다 높이는 방법이 요구된다. 하지만, 고전압 충전 시 극심한 전해액 계면 반응에 의한 성능과 수명 저하에 대한 문제 해결이 필요하다. 이에 따라, 산화 안정성이향상된 고전압 형 전해액 연구가 관심을 끌고 있다. 특히, 황을 포함하는 조성인 술폰 (sulfone), 술포네이트 (sulfonate), 설페이트 (sulfate)가 전해액 용매 또는 첨가제로 사용되는 연구가 진행되어왔다. 하지만, 용매로 연구가 진행된 술폰의 경우 산화 안정성과 열적 안정성이 우수하지만 높은 점도와 녹는점으로 전해액의 사용이 제한적이고, 술포네이트와 설페이트는 높은 점도와 저조한 젖음성으로 2 wt% 이하의 첨가제로 사용된다. LIB는 소형 전자 제품, 전기자동차 등에 적용돼 전지의 안전성은 사용자의 생명과 직접적으로 연결된다. 현재. 전기자동차 화재 사고가 발생하는데 이는 LIB의 상용화 된 유기 전해액이 환형 카보네이트 ethylene carbonate (EC), 선형 카보네이트 ethyl methyl carbonate (EMC), 첨가제로 구성되는데 선형 카보네이트의 낮은 인화점, 큰 휘발성으로 인한 문제 및 과충전 등 여러 요소에 의해 전지의 온도가 증가하며 불꽃반응이 발생하고 결과적으로 온도가 가파르게 상승하는 열폭주 현상이 발생해 폭발 하게 된다. 위와 같은 이유로 최근 LIB 안전성의 중요성이 점차 부각 되고 있다. 안전성의 위험 요소인 전해액의 문제를 해결하기 위해 전해액 첨가제를 통한 난연성 특성을 부여하는 시도 했지만 전지의 성능이 저하되고 난연성에 그치는 문제가 야기됐다. 또한, 고농도의 리튬염을 사용해 열적 안정성을 향상시켜 불연성 또는 난연성 성질이 향상되고 성능 저하를 막을수 있지만, 이는 비용 증가 또는 리튬금속전지에 제한되는 문제점을 가지고 있다. 최근에는 안전성 향상을 위하여 고체 전해질 연구가 활발하지만 상용 리튬이온전지의 성능과 수명에 비해 미치지 못하고 큰 계면 저항과 덴드라이트 형성 문제점을 극복해야 할 필요성이 있다. LIB가 연구되며 양극과 음극에 형성되는 전해액 분해 산물인 solid electrolyte interphase (SEI)가 LIB의 성능과 수명에 큰 영향을 끼치는 것이 알려졌다. 전해액의 환형 카보네이트 중 EC는 이온전도도가 높고, 흑연 음극과 리튬금속산화물 양극에서 작용하는 계면, 음극과 양극에 표면 보호 SEI층을 형성하는 것으로 자주 선택되는 환형 카보네이트이다. 그러나 36.4℃의 높은 녹는점을 갖는 EC는 제한된 온도 범위에서 구동이 가능해 EV와 ESS의 열 관리 시스템이 필요한 문제점을 가지고 있다. 이에 반해, propylene carbonate(PC)는 낮은 녹는점 (-48.8℃)를 가져 추운 지역, 계절과 같은 낮은 온도 범위에서 EV, ESS의 LIB를 구동을 가능하게 한다. 또한, PC는 EC보다 산화 안정성이 높아 고전압셀 구동에 유리하다. 그러나 PC는 흑연 층에 리튬 이온과 용매화된 상태로 함께 삽입되어 흑연 층 탈리 및 층 내에서 PC 분해 생성물로 인한 가스가 발생하여 비가역 반응과 셀 구동 불가로 이어진다.이러한 PC의 문제점을 신규 전해액을 통해 극복하고 장점은 살리며 불연성 용매와 조합을 통해 안전성과 넓은 구동 온도 범위, 전압 범위, 향상된 성능 및 고에너지밀도의 LIB에 적합한 불연 전해액을 개발하는 것이 고에너지밀도와 안전성을 동시에 확보하는 새로운 대안으로 제시되었다. 본 연구는 PC와 불소 치환된 선형 설페이트 bis-(2,2,2-trifluoroethyl) sulfate (FES)와 불소 치환된 선형 카보네이트, methyl(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate (FEMC) 공용매 기반 신규 불연성 전해액을 사용하여 열적 안정성과 산화 안정성이 우수한 불연성 전해액 기반 고성능과 고안전성 LIB 구현이 가능하도록 하는 것이다. 일반적으로 고용량 Ni-rich 양극인 NCM811을 충전 전압 4.3 V 이상 상용 전해액을 사용해 구동 시 NCM811 양극 금속 용출, 구조 변화 등으로 인해 빠른 성능 퇴화를 보인다. 이와 같은 문제를 극복하고 에너지밀도와 안전성을 동시에 향상하기 위하여 본 신규 불연성 전해액을 고용량 NCM811 양극과 흑연 음극을 사용한 풀셀(full-cell)에 적용하였다. 신규 불연성 전해액 사용 시 충전 전압 4.4 V 하에서 상용 전해액 사용 대비 향상된 전기화학적 성능과 양극과 음극의 구조적 안정성을 보인다. 이는 신규 불연성 전해액의 향상된 열적 안정성 및 산화 안정성, 또한, 불연성 전해액에 따른 양극과 음극 표면에 안정적인 SEI 형성에 기인한 것으로 전기화학적 성능 평가, 계산화학, 표면 분석, 구조 분석 등을 통하여 전해액과 양극과 음극간 계면 안정화와 이에 따른 성능 향상과의 상관관계를 연구하였다. 추가적으로, 코인셀 수준을 넘어 실용적인 수준의 730 mAh 공칭용량의 소형 파우치 셀에 적용하여 신규 불연성 전해액의 응용성과 열폭주 현상의 원인인 과충전 안전성 테스트를 통해 불연성 전해액의 안정성 향상 효과를 연구하였다.

2009개정 교육과정의 화학1, 화학2 단원분석

이은미 울산대학교 2012 국내석사

본 연구는 2009개정 교육과정을 고등학교 과학과 교육과정 중 화학Ⅰ, 화학Ⅱ를 중심으로 기존의 개정 교육과정과 비교, 분석한 것으로 새로운 교육과정의 성격, 목표, 내용, 교수학습방법 및 평가 등에서 중요한 정보를 도출하여 기존의 교육과정과 비교해서 변화된 단원과 그에 따르는 내용을 비교 분석함으로써 학교와 교사들이 새로운 교육과정의 적용에 대비하고 앞으로의 과학학습에 의미 있는 시사점을 제공하는데 그 목적이 있다. 이에 본 연구는 2009개정 교육과정의 필요성을 살펴보고 화학Ⅰ, 화학Ⅱ를 중심으로 단원별 분석을 하고 2007개정 교육과정과 비교하여 단원 및 내용의 변화를 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 2009년 12월 23일 교육과학기술부 고시 제2009-41호로 고시된 ‘2009개정 과학과 교육과정’은 본격적인 ‘융합형’ 교육을 통해 과도한 분과적 교육의 한계를 극복하고, 불합리한 문과와 이과의 구분을 넘어서 모든 학생들에게 현대과학의 의미, 가치, 역할을 이해시키는 동시에 완성도 높은 심화 교육을 통해 미래 과학기술 사회가 요구하는 높은 수준의 창의성과 인성을 고루 갖춘 합리적 인재를 양성하는 것을 목표로 한다. 둘째, 화학Ⅰ의 화학 반응들을 통해 화학의 세계에서 소통의 도구가 되는 원소, 원자, 분자, 화합물, 몰 등과 같은 기초 개념을 다룬 첫 번째 단원 ‘화학의 언어’를 시작으로 화학이 인류 복지에 이바지한 면을 강조하여 화학에 대한 긍정적 평가와 흥미를 높여줄 수 있도록 하고 각종 질병을 치료하는 의약품 개발, 인간과 환경에 안전한 화학 기술이나 산업, 획기적인 수소 에너지 공급 방법으로서의 물의 광분해 반응 연구 등을 소개함으로써 화학과 기술에 대한 우호적 태도를 가지게 하고 화학과 관련된 진로 선택에 도움을 주도록 한 화학Ⅱ의 ‘인류 복지와 화학’ 단원을 끝으로 화학Ⅰ과 화학Ⅱ의 단원별 소개를 하였다. 셋째, 그 단원에서 설명하고자 하는 내용을 가지고 탐구 활동 예시, 내용의 연계 및 그에 따른 유의 사항을 알 수 있었다. 넷째, 2009개정 교육과정의 단원과 내용요소들을 2007개정 교육과정과 비교 분석해 보면 화학Ⅰ의 경우, 기본 개념 설명이 부족하다는 지적을 수용하여 화학에 필요한 기초적 언어를 시작으로 기본적 개념들을 습득하고 이를 기초로 화학 반응들을 이해할 수 있도록 단원 간 위계성이 고려되어 화학에 관련된 기초 지식을 학습할 수 있도록 구성하였다. 다섯째, 화학Ⅰ의 내용요소들이 삭제되거나 이동한 내용요소 보다 추가된 내용요소와 화학Ⅱ의 내용들이 일부 이동하여 내용이 양적으로 증가하였다. 여섯째, 화학Ⅱ는 화학Ⅰ에서 학습한 개념들을 기초로 학습할 수 있도록 화학Ⅰ과의 연계성을 높여 기본 개념들을 모두 다루기에는 내용이 많고 학생들이 느끼는 난이도가 상당했던 화학Ⅱ 교과의 문제가 일부 해결되었다. 이 연구 결과를 토대로 몇 가지 제언을 하면 첫 번째, 원활한 탐구 활동과 실험 수업이 이루어 질 수 있게 실질적으로 학교 현장에서 활용될 수 있는 방안이 필요하고, 두 번째, 더욱더 창의적이고 인성적인 학생들을 배출하고자 현장의 교사들이 새로운 교육과정을 이해할 수 있도록 다양한 연수가 충분히 이루어져야 할 것이다.

고등학교 화학교육에서 멀티미디어 활용을 위한 웹사이트의 분석 및 적용

김영화 한양대학교 교육대학원 2001 국내석사

웹사이트를 활용한 멀티미디어 화학교육은 수업에 참여하는 학습자에게 흥미유발, 자기주도적 학습, 개별화 학습 등에서 큰 효과를 기대할 수 있는 수업방법이다. 따라서 본 연구는 인터넷상에서 이미 활용되고 있거나 활용 가능한 화학관련 웹사이트 중에서 우수하게 만들어진 곳을 찾아내어 분석하고 실제 화학수업에 적용하는 것이 목적이다. 우선 구성과 내용이 비교적 우수한 웹사이트 12곳을 선정하여 기술․디자인, 내용 구성, 동기유발, 수업 적용적 측면 등에 관련된 설문지를 작성하여 고등학교 1, 2학년 학생을 대상으로 설문을 실시하고 웹사이트의 구성과 완성도 등을 학습자의 객관적인 시각으로 살펴봄으로써 화학관련 웹사이트의 우수성 여부를 평가하였다. 또한 인터넷을 활용한 4가지 화학수업 모형인 정보검색형(자율학습형), 토론형(대화형), 문제해결(프로젝트)형, 탐구활동형 인터넷 학습 중에서 12개의 웹사이트를 어떤 모형에 적용하는 것이 타당한가를 평가하였으며 설문을 통해 얻은 자료를 기초로 하여 고등학교 2학년 과정의 수소결합에 대한 멀티미디어 학습지도안의 예를 개발하였다. 설문의 분석 결과 인터넷상에 올려져 있는 화학관련 웹사이트들은 기술․디자인, 내용 구성, 동기유발, 화학수업 적용 측면에서 평균 이상의 우수한 구성으로 꾸며진 것으로 평가되었다. 특히 웹사이트들의 멀티미디어 효과는 기술 디자인 측면과 화학수업의 동기유발 측면에서 학습자들에게 가장 큰 호응을 얻고 있는 것으로 나타났다. 내용구성 측면에서는 학습자의 수준에 따라 난이도를 조절하여 학습할 수 있으므로 자기주도적 학습, 개별화 학습, 학습자의 수준에 따른 피드백 등이 가능함을 시사한다. 또한 본 연구의 설문 결과로 보아 4가지의 화학수업모형 중에서 토론형과 문제해결형 인터넷 학습이 멀티미디어 수업에 가장 효과가 클 것으로 기대된다. 마지막 단계에서는 설문에 의해 분류된 웹사이트를 활용하여 고등학교 2학년 화학Ⅱ 과정의 수소결합과 물의 특성을 중심으로 멀티미디어 활용교육의 화학수업 지도안의 예를 작성하였다. 연구자가 제안한 수소결합에 대한 4가지 수업모형 중 실제수업에서는 1~2가지 정도를 이론수업과 적절히 병행하는 것이 바람직할 것으로 생각된다. Educating chemistry through web sites using various multimedia is a very effective way of education in which students feel interested and self-initiative towards the learning materials and is also a well-individualized learning for students of different levels. For that reason, the goal of this study is to identify and analyze well-made chemistry-related web sites or online materials that are currently in use or possible to be used by students and to actually apply them to chemistry classes. First, the researcher has selected 12 web sites, at her discretion, that seem to be relatively better than the rest. she then drew out questionnaires1) for those web site on the level of technology, design, organization of content, provision of reason for studying, and the applicability to classes1). The questionnaires were given to high school students(freshmen and sophomores) The researcher, then, evaluated the level of excellencies of the selected web sites by examining the degree of organization and completion of the web sites by studying from the actual learner's objective point of view. After looking at the results from the questionnaire, the researcher also evaluated the appropriateness on the application of four models of online chemistry learning on each web site. The four applying learning models are: 1) Information Search Type(Independent Work Type) 2) Discussion Type(Conversation Type) 3) Problem Solving Model(Project Type) 4) Research Activity Model(Online Learning) And based on the questionnaire results, the researcher has also developed a sample multimedia learning direction outline on the subject of hydrogen bond that appears on the 2nd-year high school chemistry course. The results from the questionnaires showed that the selected chemistry-related webs sites are evaluated to be above average in all levels of technology, design, content, reason for development, and applicability to classes. Especially, the effectiveness of the use of multimedia in the selected web sites heavily depended on the level of technology, design and its provision of reason for studying chemistry. The results from the organization of content showed suggested the feasibility of self-initiative learning, individualized learning, and the interactive learning in which learners receive feedbacks depending on the level of each learner. In the last part of the thesis, the researcher wrote out a sample4) multimedia learning direction outline on the subject of hydrogen bond that appears on the 2nd-year high school chemistry course. It is advisable that 1~ 2 learning models from the 4 learning models suggested by the researcher should be used simultaneously with the traditional theoretical learning.

Click Reactions in Metal-Organic Frameworks for Functionalizations

이하은 충북대학교 2021 국내석사

클릭 화학은 다양한 유기분자 및 생분자 합성에 널리 이용되는 손쉬운 유기 작용기 조절법이다. Sharpless 교수님에 의해 구리 촉매를 이용한 아자이드-알카인의 고리첨가 반응(CuAAC)이 첫 클릭 화학으로 정의된 이후에, 싸이올-엔이나 황-플루오린 치환반응(SuFEx) 등의 다양하고 실용적인 유기 반응들이 클릭 화학의 범주로 소개되었다. 금속-유기 골격체(MOFs)는 유기-무기 다공성 혼성 물질로, 3차원의 다공 구조를 가지고 있다. 금속-유기 골격체의 매우 높은 다공성과 분자 수준의 조절 가능한 성질 때문에, 유기화학, 유기금속화학, 무기화학, 고분자화학 및 재료화학 등 화학 전분야에서 많은 관심을 가지고 있는 물질이다. 금속-유기 골격체의 작용기 조절을 위해서는 아실화 반응, 브로모화 반응, 사이안화 반응 등이 잘 알려져 있으며, CuAAC 반응으로 대표되는 클릭화학도 MOF의 작용기 조절법으로 잘 알려져 있다. 이 연구에서는 세 가지 잘 알려진 클릭 반응들, CuAAC 반응, 싸이올-엔 반응, SuFEx 반응을 지르코늄 기반 금속-유기 골격체에 도입하였다. 이를 이용하여 여러 종류의 반응물과 함께 클릭 반응의 효율성을 비교하는 연구를 수행하였다. 기질 자체의 효과와 촉매 반응 조건의 차이에 대한 연구를 진행하였다. ‘Click chemistry’ is a versatile and convenient organic transformation for organic synthesis and biocompatible small molecules. Since Professor Sharpless defined the first ‘Click chemistry’ with Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) toward triazole synthesis, several useful and practical organic transformations have been achieved and recognized as a ‘Click Chemistry’ such as thiol-ene click reaction and sulfur (VI) fluoride exchange (SuFEx). Metal-Organic Frameworks (MOFs) are three dimensional, porous organic/inorganic hybrid materials. Due to their superior porosity and tunable nature in the molecular level, MOFs are emerging materials in organic, organometallic, inorganic, polymer and material chemistry. Several organic transformations such as acylation, bromination, and cyanation have been utilized in MOFs for additional functionalizations. The ‘Click chemistry’ has also been adopted for functionalization methods of MOFs, especially, CuAAC reactions. In this study, three, the most well-known ‘Click reactions’; CuAAC reaction, thiol-ene reaction, and SuFEx have been introduced into Zr-based MOFs. Several comparisons of ‘Click reaction’ for efficiency with several coupling partners have been mainly performed. The substrate effects and catalytic condition effects have been investigated.

에너지 변환/저장장치용 타이타늄 전극소재 합성 및 전기화학적 특성 연구

김경옥 울산대학교 대학원 2013 국내석사

최근 기후변화 위기에 대한 심각성이 세계적인 공감대로 확장됨에 따라 청정자원을 이용한 재생에너지에 대한 관심이 급증하고 있다. 그 중에서도 태양에너지는 저렴하고 안정적으로 에너지를 확보할 수 있는 장점이 있으므로, 미래의 중요한 에너지원이 될 것이다. 인공위성, 산업용으로 사용되던 태양전지가 가정용으로의 사용범위가 확대되고 있는 실정이며, 제조단가가 더 저렴하고 건물의 외벽이나 유연성 있는 응용제품으로 구현될 수 있는 제 3세대 태양전지인 염료감응형 태양전지가 주목을 받고 있다. 그러나 아직 상용화된 실리콘 태양전지에 비해 효율이 많이 낮은 단점을 해결해야 하는 과제를 가지고 있다. 그리고 변환된 에너지를 저장할 수 있는 에너지 소자로서 휴대용 전자기기의 전원인 소형 IT용으로 사용된 리튬이차전지는 최근에는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 및 EV(Electric Vehicle)와 같은 비IT용 전원으로서도 중요성을 더하고 있다. 한편으로 응용기기가 복잡해지면서 요구되는 특성도 한층 강화되었다. 특히, 중대형 전지의 개발로 인해 높은 작동전압, 고용량, 긴 수명 및 안정성이 요구된다. 본 연구에서는 에너지 변환/저장장치용 타이타늄 전극 구조를 변화시키고, 소재를 합성하였으며 그에 따른 전기화학적 특성을 연구하였다. 낮은 변환효율을 증가시키기 위해 염료감응형 태양전지의 TiO2 전극을 변화, 전기 자동차용으로 사용 가능한 고안정성, 고출력 성능을 가지는 음극활물질인 Li4Ti5O12을 합성하고, 각각의 성능을 평가하였다. 염료감응형 태양전지의 TiO2 전극은 염료가 충분히 흡착할 수 있는 자리와 생성된 전자가 기판까지 잘 도달할 수 있는 경로를 제공하는 중요한 역할을 한다. 성능 향상을 위해 TiO2전극의 입자 크기와 두께를 달리하였고, 기판과 전극의 표면을 TiCl4 용액으로 처리, 광 산란층을 도입하였다. 전극 두께를 확인하기 위해 FE-SEM을 측정하였으며, 전기화학적 특성 분석을 위해 전류-전압(I-V) 측정, 교류 임피던스, 양자효율(IPCE), 그리고 전자의 이동과 확산을 연구하기 위해IMPS/IMVS을 측정하였다. 9nm TiO2 가 20nm TiO2 보다 더 넓은 비표면적을 가지므로, 상대적으로 염료의 흡착량이 많지만, 표면에 재결합 자리를 많이 제공해 주므로 보다 낮은 효율을 가진다. 그리고 유효한 확산 거리 내에서 두께를 증가한 전극 또한 염료 흡착량이 증가하므로 효율이 증가한다. 전자-정공 재결합을 줄이고, TiO2 입자 간 연결을 강하게 하기 위해 유리 기판과 전극 표면에 TiCl4 용액으로 처리하면, 전극/염료/전해질 간의 계면 저항이 줄어들고 효율이 증가한다. 그리고 투과하는 장파장의 빛의 손실을 줄이기 위해400nm TiO2를 광 산란층으로 도입하면 효율이 증가한다. IPCE측정을 통해 장파장의 빛의 흡수와 양자효율 증가를 확인할 수 있다. TiO2 전극에 따른 효율 증가의 원인은 IMPS/IMVS 분석을 통해 전자의 이동 및 확산과 관련하여 설명할 수 있다. TiCl4 용액을 처리한 결과 상대적으로 전자 이동 시간은 감소하고 재결합 시간, 확산 계수와 유효 확산 거리가 증가하였다. 그리고 광 산란층을 도입한 전극은 상대적으로 전자 이동 시간이 감소하여 확산 계수가 증가하였다. 에너지 저장장치로 쓰이는 리튬이차전지의 음극 활물질인 Li4Ti5O12는 사이클과 열적 안정성이 뛰어나며 고출력이 가능한 장점을 가지고 있다. 한편, 높은 작동전압과 낮은 용량, 전기전도도가 좋지 않은 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 용액 연소법을 통해 확산 속도가 상대적으로 빠른 나노 크기로 구성된 활물질을 합성하였다. 전기전도도를 향상시키기 위해 탄소 물질을 소량 첨가하였고, 이온 전도도를 증가시키기 위해 산소 자리에 음이온인 Cl을 도핑하여, 상대적으로 높은 성능과 고출력을 구현할 수 있는 Li4Ti5O12을 합성하고 전기화학적 분석을 수행하였다. 합성된 물질의 구조, 화학적 조성, 입자의 형상 및 코팅 층을 확인하기 위해 XRD, ICP, FE-SEM, FE-TEM을 측정하였다. 그리고 리튬이차전지의 전기화학적 특성 분석을 위해 율속 특성, 수명 특성, CV 분석, 확산 계수 계산, 그리고 교류 임피던스 분석 등을 측정하였다. 유기물을 탄화시켜 얻은 활물질의 구조 변화는 없었으며, 얇은 비정질의 탄소 층이 생성되었다. 방전 시 5 C 이상의 높은 율속에서 용량이 상대적으로 증가함을 알 수 있었으며, 교류 임피던스의 저항의 감소와 CV 피크 분석을 통해 전기전도도의 향상을 예상할 수 있다. 그리고 이온 전도도 증가를 위해 산소 자리에 음이온인 Cl을 소량 도핑한 결과 구조의 변화는 없었으며, 율속 특성이 개선되었다. 전기화학적으로 성능이 향상되는 것은 전하 보상(Charge compensation)효과로 예상할 수 있다. Cl이 산소 자리에 도핑이 되면 음전하가 부족하므로 Ti3+/Ti4+ mixing valence를 유발하여 격자 내에서 리튬 이온이 쉽게 탈리 되도록 도와준다. 이와 같이 이온전도도가 향상됨을 예상할 수 있으며, 방전 시 10 C에서 142mAh/g로 높은 용량을 나타내었다.

탄소나노섬유 복합체 제조 및 물리화학적 특성에 관한 연구

이혜민 단국대학교 대학원 2011 국내석사

폴리피롤 미세 입자를 함유한 계의 전기화학적 성질과 부식 방지의 응용성

이미정 고신대학교 대학원 2001 국내석사

일반적으로 전도성 고분자는 대부분의 용매에서 난용성 이기 때문에 응용하기가 어렵다. 그래서 최근 용액상태의 전도성 고분자를 제조하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에는 dodecylbenzene sulfonate anion 을 dopant 로 해서 폴리피롤을 화학적으로 합성한 후 planetary - micro milling machine 을 이용하여 다양한 농도로 폴리피롤 미세입자 분산액을 제조하였다. 폴리피롤 미세입자 분산액의 전기화학적 성질과 부식 방지 응용성은 Cyclic Voltammetry(CV), Polarization measurement, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS),Open Circuit Voltage (OCV), Chronoamperometry (CA), Scanning Electron Microscopy (SEM) 와 같은 다양한 전기화학적 방법을 사용하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다. 1. DBSA 로 doping 된 폴리피롤을 정전위중합법에 의하여 중합한 것은 CV 측정한 결과 가역적인 반응을 하였다. 그러나 폴리피롤 미세입자 분 산액을 free standing film 으로 제조하여 CV 와 Impedance 을 측정한 결과 독특한 전기화학적 특성을 나타내었다. 2. 폴리피롤 미세입자 분산액의 부식 방지 응용성은 1, 2, 3% NaCl 수용액 에서 전기화학적 측정법에 의하여 얻어졌다. 폴리피롤 미세입자 분산액은 순수 철, Chloroform 에 녹인 폴리피롤을 코팅한 철의 corrosion potential,corrosion current, weight loss 에서 좋은 부식방지 효과를 보였다. 3. 폴리피롤 미세입자 film 의 SEM 측정을 통하여 film 의 입자의 밀도는 폴리피롤의 무게 비에 의존하며 다양한 입자 크기가 존재는 suspension 상태였다. In general, conducting polymers are insoluble in most solvents and difficult for application. Then recently, there have been increasing interest in making conducting polymers of solution condition. In this work, polypyrrole doped with dodecylbenzene sulfonate anion were prepared by the chemical synthesis method. Poly-pyrrole micro-particle dispersive were obtained in a planetary-micro milling machine. Electrochemical properties of polypyrrole micro-particle and application to corrosion protection were investigated by the several electrochemical method, such as Cyclic Voltammetry(CV), Polarization measurements, Electrochemical Impedance Spectro-scopy (EIS), Open Circuit Voltage (OCV), Chronoamperometry (CA), and Scanning Electron Microscopy (SEM). Summary 1. Polypyrrole film doped DBSA were formed by potentiostatic electropolymerization and Cyclic Voltammogram of polypyrrole film showed reversible reaction. But Cyclic Voltammogram and Impedance spectra of polypyrrole micro-particle free standing film appeared unique electrochemical properties. 2. Application to corrosion protection of polypyrrole miro-paricle dispersive were obtained by electrochemical measurements in 1, 2, 3% NaCl aqueous solution. Polypyrrole miro-particle coatings were appeared lower than corrosion potential, corrosion current,and weight loss of pure iron and soluble polypyrrole in chlor-oform solvent. 3. SEM of polypyrrole micro-particle films showed density of the particles in the films depends on the Wt % of polypyrrole and various particle sizes. It showed the suspension condition.

리튬이차전지용 정극활물질 LiFe₁-xSnxPO₄의 Fe 전하변환에 따른 전기화학적 특성연구

이진수 단국대학교 대학원 2011 국내석사

리튬이차전지용 정극활물질 LiFePO4는 합성시 Fe가 Fe3+로 산화되면서 불순물이 발생하기 쉽다. 그래서 LiOH·H2O, FeSO4·7H2O, (NH4)2HPO4를 출발물질로 사용하여 기계화학적 합성법과 액상 합성법으로 리튬이차전지용 정극활물질 LiFePO4를 합성하기 위한 최적의 조건을 찾고 환원제로 탄소(Sucrose, 숯)를 이용하여 열처리 분위기 조절을 통해 Fe가 Fe3+로 전환됨에 따른 물리적, 전기화학적 특성을 조사하였다. 또한 고용비 x에 따른 복합산화물 LiFe1-xSnxPO4의 전기화학적 특성을 조사하여 전기화학적 성능이 우수하고 안정적인 정극활물질을 개발하고자 하였다. 기계화학적 합성법에 의한 합성 시 적정조건은 환원제로 숯을 전구체 무게의 8wt%. 첨가하여 반응온도 700℃, 반응시간 8시간이었다. 적정조건에서 LiFePO4를 합성하였을 때 Fe3+가 미량 존재하였을 경우 결정상의 불순물은 존재하지 않았다. 하지만 CV 및 임피던스, 충·방전과 같은 전기화학적 분석 결과 Fe3+가 증가함에 따라 전기화학적 성능은 저하되었다. 액상 합성법에 의한 합성 시 적정조건은 환원제로 Sucrose를 전구체 무게의 8wt.% 첨가하여 반응온도 700℃, 반응시간 4시간이었다. 적정조건에서 LiFePO4를 합성하였을 때 기계화학적 합성법과 마찬가지로 결정상의 불순물은 존재하지 않았다. 하지만 액상 합성법으로 제조한 물질도 마찬가지로 , 충·방전과 같은 전기화학적 분석 결과 Fe3+가 증가함에 따라 전기화학적 성능은 저하되었다. 적정조건에서 합성한 LiFe1-xSnxPO4는 Sn의 양이 증가함에 따라 lattice parameter c가 증가하였다. Fe-site를 대체하는 Sn의 양을 적당히 첨가시키면 하지만 Sn의 양이 너무 많이 증가할 시에는 단일상의 LiFe1-xSnxPO4가 합성되지 않고 SnO2와 같은 불순물이 나타나게 된다. 이것이 원인이 되어 Sn의 양이 많은 고용체(x =0.15)는 CV 결과 산화전류는 7.6mA/cm2, 환원전류는 -3.3mA/cm2가 나왔다. 이것은 Sn의 양을 적당량(x=0.05, 0.10) 넣었을 때 보다 산화환원 전류의 폭이 감소한다는 것을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 LiFePO4의 Fe-site에 Sn을 적당량 치환하는 것은 전기화학적 성능 향상에 도움이 되지만 과량 넣었을 경우 LiFePO4의 구조가 붕괴되어 성능이 저하되는 것으로 사료된다. LiFe0.9Sn0.1PO4에서 Fe3+ 함량에 따른 특성을 분석해본 결과 앞선 실험과 마찬가지로 Fe3+가 미량 존재하였을 경우 결정상에 불순물은 존재하지 않았다. 하지만 전기화학적으로 분석해본 결과, Fe3+가 증가할수록 산화환원 폭이 감소하고, 방전용량 역시 감소하였다. 반면, Fe3+가 존재하지 않을 경우 방전용량은 158.13mAh/g의 높은 초기 용량을 나타내었다. 이상의 결과를 종합하여 보면 Fe3+ 생성 억제를 통해 전체적으로 안정성이 증가하였으며 Fe3+가 존재하지 않을수록 용량면에서 우수한 특성을 나타내었다. 합성방법에서의 차이점은 액상 합성법에 의해 합성된 물질이 기계화학적 합성법에 의해 합성된 물질에 비해 우수한 전기화학적 특성을 보였다. Fe-site의 Sn 치환양은 적정 수준까지 첨가하면 전기화학적 성능 향상을 기대할 수 있었다.