Research

화공 한지훈 교수팀, 이온성 액체, ‘흔들지 마시오’

[POSTECH · 한국화학연구원 · 전남대, 혁신적인 이온성 액체 합성 · 정제 기술 개발] 두유처럼 침전물이 있는 제품 겉면에는 혼합물이 잘 섞이도록 흔들어 마셔야 한다는 문구가 적혀 있다. 하지만 때로는 모든 것이 다 섞이지 않아야 좋을지도 모른다. 최근 POSTECH · 한국화학연구원 · 전남대 연구팀이 잘 섞여 있는 혼합물을 분리하는 기술로 공정을 개선해 학계의 주목을 받고 있다. 화학공학과 한지훈 교수 연구팀은 한국화학연구원 CO2에너지연구센터 박지훈 센터장, 김수민 책임연구원, 최명호 연구원, 전남대 변재원 교수팀과의 공동 연구를 통해 이온성 액체를 효과적으로 합성하고, 정제하는 공정 기술을 개발했다. 이번 연구는 화학공학 분야 국제 학술지인 ‘I&EC research(Industrial & Engineering Chemistry Research)’ 온라인판 표지 논문으로 최근 게재됐다. 이온성 액체(ionic liquid)는 이온 간 강한 전기적 상호작용으로 인해 상온이나 비교적 낮은 온도에서도 액체인 상태를 유지하는 염이다. 일반적인 염과 달리 불연성과 낮은 휘발성, 열적 · 화학적 안정성 등 독특한 특성을 나타내며, 그 덕분에 촉매나 전해질을 포함한 산업 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있다. [bmim][BF4]*1는 안정성이 높고, 독성이 낮아 가장 많이 연구되는 이온성 액체 중 하나다. 그러나, 합성 과정에서 LiCl(염화리튬) 등의 불순물을 제거하는 공정이 매우 복잡하고, 막대한 비용이 소요되어 기술 상용화에 큰 걸림돌이 되었다. 이번 연구에서 연구팀은 이온성 액체인 [bmim][BF4]을 기존 방식보다 경제적이고 효율적으로 합성하기 위해 할로겐 원소가 결합된 할로카본(Halocarbon) 냉매*2를 사용했다. 연구팀은 염화디플루오로메탄(chlorodifuoromethane, 이하 Rf-22)을 상 분리 매개체로 활용하여 메틸이미다졸(methylimidazole)을 포함한 혼합물이 물과 기름처럼 두 층으로 분리되도록 유도했다. 이를 바탕으로 연구팀은 [bmim][BF4]와 물, 할로카본 혼합물의 비율을 다양하게 조절하면서 상 분리 현상을 관찰하고, 수집된 데이터를 삼원상 다이어그램(ternary phase diagram) 모델에 적용했다. 세 가지 종류의 성분이 포함된 혼합물 조성과 상(phase)을 시각적으로 보여주는 이 모델은 각 성분 비율에 따라 혼합물이 어떤 상을 형성하는지 예측하는 데 활용되는 도구다. 삼원상 다이어그램 모델링을 통해 연구팀은 99% 이상의 고순도 [bmim][BF4]를 생성하고, 합성 반응에 참여하지 않은 메틸이미다졸이 포함된 층을 효과적으로 회수해 이를 재활용하는 데도 성공했다. 이어, 연구팀은 이번 연구를 통해 개발한 정제 기술의 경제성을 평가하기 위한 공정 시뮬레이션을 진행했다. 하루 1톤(t) [bmim][BF4] 생산량을 기준으로 비용을 분석한 결과, [bmim][BF4]의 최소 판매 가격은 톤당 약 12,000달러로, 이는 기존 공정 기술보다 가격 경쟁력이 높아 기술 상업화의 가능성도 입증한 것이다. 한지훈 교수는 “이번 연구가 이온성 액체에 대한 이해를 바탕으로 이온성 액체의 상업화를 앞당기고, 산업화의 실질적인 해결책을 찾는 데 도움이 되기를 바란다”라고 전했다. 또, 한국화학연구원 김수민 책임연구원은 ”이 기술은 다른 용매에도 적용할 수 있어 다양한 이온성 액체를 고순도로 합성할 수 있을 것“이라며 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구 사업 및 한국화학연구원 기본 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c01218 1. [bmim][BF4] 1-Butyl-3-methyl Imidazolium Tetrafluoroborate(1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트), 여기서 ‘[’, ‘]’는 이온을 나타내는 기호다. 2. 할로카본 냉매 할로겐 원소가 결합된 탄소 기반 화합물로, 냉장고, 에어컨, 산업용 냉각 시스템 등에서 열을 흡수하고 방출하는 역할을 한다.

생명 이윤태 교수팀, 루푸스 발병 메커니즘, 드디어 밝혀냈다

[이윤태 교수팀, 자가면역질환 루푸스 조절 표적 단백질 규명] 최근 생명과학과 이윤태 교수 · 통합과정 박지호 씨 연구팀은 특정 단백질이 전신성 홍반성 루푸스(Systemic lupus erythematosus, 이하 SLE)의 발병을 촉진한다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 생명과학 분야 국제 학술지인 ‘PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 미국 국립과학원회보)에 게재됐다. 체내 면역 시스템을 구성하는 B세포는 외부에서 세균 등 병원체가 들어왔을 때 이에 대항할 항체를 만들며, 여포 보조 T세포(T follicular helper cell, 이하 TFH)는 B세포가 항체를 잘 생성할 수 있도록 돕는 역할을 한다. 그런데, TFH가 과도하게 증가하는 경우 B세포가 비정상적으로 활성화되어 병원체가 없어도 체내 조직과 세포를 병원체로 인식해 자가 항체를 생성하는 자가 면역 질환이 발생한다. 대표적인 자가 면역 질환 중 하나인 SLE는 코와 볼을 중심으로 한 나비 모양의 붉은 발진과 관절염이 주요 증상이다. 특히, SLE는 환자마다 증상 범위와 문제가 되는 면역 세포가 다양한데, 발병 원인과 관련 메커니즘이 명확하게 밝혀지지 않아 환자 유형에 따른 맞춤형 치료를 제공하는 데 어려움이 많았다. 이윤태 교수 연구팀은 이전 연구를 통해 T세포에서 발현되는 특정 전사 인자인 ETV5가 T세포가 TFH로 분화되는 과정을 촉진하며, 그로 인해 SLE가 발생할 수 있다는 가능성을 제시했다. 이번 연구에서 연구팀은 그 가능성을 확인하기 위해 실제 생쥐와 사람을 이용한 실험을 설계했다. 그 결과, ETV5가 결핍된 SLE 생쥐 모델에서 자가 항체 농도와 체내 조직으로의 면역 세포 침투, 신장 사구체염 등 자가 면역 증상이 완화됐고, TFH 발달 역시 억제됐다. 이를 통해 연구팀은 ETV5가 타겟 단백질인 오스테오폰틴(Osteopontin, 이하 OPN) 발현을 촉진하고, OPN이 T세포 특정 단백질(CD44-AKT)의 신호 전달 경로를 활성화해 TFH로의 분화를 유발한다는 사실을 밝혀냈다. 이어, 연구팀은 사람의 T세포(CD4)에서도 ETV5와 OPN 발현 정도에 따라 TFH 로의 분화가 조절됨을 확인했다. 또한, 동물 모델 실험 결과와 마찬가지로 SLE 환자 모델에서 일반인보다 ETV5와 OPN이 더 많이 발현됐으며, 질병의 활성도와 혈중 자가 항체 농도는 ETV5와 OPN 발현 정도에 비례하는 경향을 보였다. 연구를 이끈 이윤태 교수는 “실제 실험을 통해 ETV5와 OPN이 관여하는 SLE 발병 메커니즘을 밝혀냈다”라며, “후속 연구를 통해 TFH 발달을 조절하는 ETV5 억제제를 개발해 SLE 환자들의 치료를 돕겠다”라는 포부를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2322009121

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 식품 당도 측정, 딥러닝으로 더 간편하게

[POSTECH · 대구대 연구팀, 혁신적인 마이크로웨이브 당도 측정 센서 개발] 최근, 통화 중에 실시간으로 음성을 번역해주는 휴대폰 기능이 화제가 됐다. 이 기술은 인공신경망을 기반으로 기계를 학습하는 딥러닝(deep learning)의 결과다. AI는 이미 우리 생활 깊숙이 뿌리를 내렸으며, 다양한 연구 분야에서도 AI를 활용하여 큰 성과를 내고 있다. 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이석호 · 김경태 씨, 대구대 물리교육과 이희조 교수 공동 연구팀은 최근 딥러닝 기술을 이용해 새로운 당도 측정 방법을 개발했다. 이번 연구는 나노 · 재료 · 센싱 분야 국제 학술지인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)’에 게재됐다. 메타물질은 자연계에서 발견되지 않는 특이한 전자기적 특성을 가지는 인공 물질로, 빛이나 마이크로파 등 전자기파를 제어할 수 있다. 메타물질을 설계할 때 자주 사용하는 구조 중 하나인 스플릿 링 공진기(Split Ring Resonator, 이하 SRR)는 중앙 부분이 갈라진 반지 형태로 이루어져 있다. 고리 전체를 통해 전류가 원활하게 흐르지 않고, 고리 내에서 전 · 자기적 공진이 발생해 특정 주파수에서 전자기장을 흡수하거나 투과, 반사해 신호를 증폭하는 특성이 우수하다. 이 SRR은 특히 센서 분야에서 많이 활용되고 있지만, 온도나 습도, 샘플 위치 등 여러 조건에 따라 측정값의 일관성과 신뢰성이 떨어지는 한계가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 SRR을 기반으로 한 센서의 전기적 신호가 샘플의 위치 변화에 따라 변동하는 문제를 해결하는 데 초점을 맞췄다. 먼저, 연구팀은 빛으로 반도체 위에 패턴을 만드는 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 센서가 0.5~18GHz 주파수 범위에서 전기 신호를 효과적으로 증폭할 수 있도록 최적화했다. 그리고, 당도 측정 센서가 다양한 위치에서 측정된 전기적 신호를 학습할 수 있도록 딥러닝 기술을 이용했다. 이를 바탕으로 1차원 컨볼루션 신경망(이하 1D CNN)을 만들어 실험한 결과, 이 모델은 각각 0.695%와 0.876%의 평균 절대 오차(이하 MAE)와 평균 제곱 오차(이하 MSE)를 보이며 샘플 위치 변화로 인한 오차를 효과적으로 보정했다. 이어, 파인애플과 제주 감귤, 샤인머스캣 등 실제 과일 주스 당도를 예측하는 실험에서도 연구팀의 1D CNN 모델을 적용한 당도 측정 센서는 MAE 0.45%와 MSE 0.305%의 높은 정확도를 보였다. SRR의 고질적인 문제를 해결하고, 실제 생활에서 안정적으로 사용할 수 있는 수준의 당도 측정 센서를 개발한 것이다. 노준석 교수는 “샘플 위치 변화에 민감하게 반응하는 전기 신호를 제어하고, 당도 측정 디바이스의 일관성과 신뢰성을 높이는 데 성공했다”라며, “현재 반도체 산업에서 널리 사용되고 있는 포토리소그래피 공정을 이용해 기술 상용화 · 대량 생산이 가능하다는 점에서도 큰 의의가 있다”라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 대구대 산학협력단, POSCO(포스코) 산학연융합연구소, 삼성전자(삼성전략산학과제) 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202300768

화공 박태호 교수팀, 그린 수소 위한 음이온 교환막 기술 찾았다

[POSTECH · 한국재료연구원, AEMWE 장기 내구성 높일 새로운 전략 제시] 그린 수소(green hydrogen)는 온실가스 배출량이 거의 없어 가장 친환경적인 수소다. 주로 태양광이나 풍력 등 재생 가능한 에너지로 생산한 전기를 이용하여 물로 수소를 만드는데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) · 한국재료연구원 연구팀이 그린 수소를 얻는 수전해 시스템의 내구성을 높여 학계의 주목을 모으고 있다. 화학공학과 박태호 교수, 박사과정 임해량 씨 연구팀은 한국재료연구원 에너지 · 환경재료연구본부 최승목 박사, 정재엽 씨 연구팀과의 공동 연구를 통해 음이온 교환막 수전해(이하 AEMWE*1)에 필요한 고이온전도도 · 고안정성 음이온 교환막을 개발했다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 최근 게재됐다. 수전해(Water electrolysis) 시스템은 전기를 이용해 물(H2O)에서 수소(H2)를 얻는 친환경 기술이다. 여러 시스템 중에서도 수전해 과정에서 음이온(OH-)의 이동을 돕는 음이온 교환막을 사용한 AEMWE의 경우 값싼 비귀금속 촉매를 사용해 수소 생산 단가가 낮아 차세대 수전해 기술로 떠오르고 있다. 그러나, AEMWE는 양이온 교환막 수전해(이하 PEMWE*2)에 비해 이온전도도가 낮다는 문제점이 있었다. 이는 AEMWE가 선택적으로 이동시키는 음이온(OH-)이 PEMWE가 선택적으로 이동시키는 양이온(H+)보다 무겁고, 음이온 교환막이 고리 모양의 방향족 구조로 이루어져 이온 분자 간 상호작용이 강해 이온의 이동성이 낮기 때문이다. 또한, 알칼리 환경에서 음이온 교환막이 쉽게 분해되어 안정성과 에너지 전환 효율이 떨어졌으며, 내구성도 PEMWE의 10분의 1에 불과했다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 AEMWE 교환막을 구성하고 있는 고분자 주 사슬 및 이온 전도성 작용기들 사이 사이에 탄소가 선형적으로 연결된 기다란 모양의 알킬기(alkyl group)를 도입해 ‘틈새 알킬 사슬(Interstitial alkyl chain)’을 가진 음이온 교환막을 합성했다. 이 사슬은 음이온 교환막의 이온 전도채널 형성과 막과 촉매 층 간 상호작용을 개선하여 AEMWE 내 이온 이동 속도를 높였다. 그리고, 연구팀이 만든 교환막은 유연한 특성을 가져 외부 압력과 충격에도 강한 내구성을 보였다. 실험 결과, AEMWE는 1.0A/cm²(표면적당 전기 전류 밀도)에서 2mV/kh(시간당 전압)의 낮은 전압 감쇠율을 보이며, 안정성을 입증했다. 그리고, 대면적(63.6cm2) 시스템에서도 2,000여 시간 동안 80.2%라는 높은 에너지 전환 효율을 보였으며, 초기 효율의 90%를 기준으로 대략 50,000여 시간 작동이 가능한 예측 수명을 보이는 데 성공했다. 박태호 교수는 “AEMWE 상용화의 큰 문제였던 낮은 내구성 문제를 극복했다”라며 연구의 의의를 전하며, “지속가능한 에너지 산업 발전에 기여해 환경 보호와 자원 절약에 큰 도움이 되길 바란다”라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 탄소제로 그린암모니아 사이클링연구사업 및 C2S(Catalyst to Stack) 성능 저하 최소화를 위한 전극 형상 · 구조 제어 기술 개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401725 1. AEMWE Anion Exchange Membrane Water Electrolysis 2. PEMWE Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

물리 이길호 교수팀, 초전도체 양자속박상태 새로운 조절법 찾았다

[POSTECH·日NIMS, 이중층 그래핀 기반 초전도 소자의 양자 특성 제어하는 새로운 방법 발견] 물리학과 이길호 교수 · 조길영 교수 연구팀은 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 켄지 와타나베(Kenji Watanabe) 박사 · 타카시 타니구치(Takashi Taniguchi) 박사팀과의 공동 연구를 통해 이중층 그래핀 기반 안드레예프 속박 상태(Andreev bound states)*1의 양자역학적 특성을 게이트 전압*2으로 제어하는 데 성공했다. 이 연구는 물리학 분야 국제 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 최근 게재됐다. 초전도체는 영하 200도 이하와 같은 극저온 및 고압 등 특정한 환경에서 전기 저항이 0이 되는 물질이다. 두 초전도체 사이에 매우 얇은 일반 도체를 삽입하면 초전도성이 일반 도체에 스며드는 근접 효과(Proximity effect)로 인해 일반 도체를 통해 초전류가 흐르는 현상이 발생하는데, 이를 조셉슨 접합(Josephson junction)*3 구조라고 한다. 이때 일반 도체에는 안드레예프 속박 상태 (Andreev bound states)라는 새로운 양자 상태가 형성되며, 이는 일반 도체에 흐르는 초전류를 매개하는 중요한 역할을 한다. 조셉슨 접합의 전기적 특성을 결정하는 안드레예프 속박 상태의 에너지 준위 개수는 전자들이 자유롭게 이동할 수 있는 ‘전도 채널 길이(Conduction channel length)’와 초전도 상태가 형성된 ‘초전도 결맞음 길이(superconducting coherence length)*4’ 비율에 따라 달라진다. 전도 채널이 짧아 안드레예프 속박 상태 준위가 한 쌍으로 제한되는 경우, ‘짧은 접합 한계(short junction limit)에 있다’고 말하며, 두 쌍 이상일 때는 ‘긴 접합 한계(long junction limit)에 있다’고 한다. 이번 연구에서 연구팀은 게이트 전압을 이용해 이차 함수와 유사한 이중층 그래핀 전자 상태와 에너지 분포, 초전도 결맞음 길이를 실시간으로 제어했다. 연구팀은 이전 연구를 통해 개발한 터널링 분광법(tunneling spectroscopy)으로 다양한 게이트 전압에서 안드레예프 속박 상태 변화를 실시간으로 관측하는 데 성공했으며, 실험 결과가 이론적 계산과도 일치함을 확인했다. 제1저자인 POSTECH　양자정보소자 인력양성 연구센터 박건형 연구원은 ”짧은 조셉슨 접합 한계에서 주로 관측되던 안드레예프 속박 상태를 긴 조셉슨 접합 한계에서 명확하게 관측했다“라며, ”게이트 전압을 가해주는 것만으로 에너지 준위의 수를 쉽게 조절할 수 있어 양자 컴퓨팅과 고정밀 양자 센서 등 다양한 양자 정보 소자 분야에 활용될 수 있을 것이라 기대한다“라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 대학정보통신연구센터 협의회, Air Force Office of Scientific Research, 기초과학연구원, 삼성미래기술 육성사업, 삼성전자, 기초과학연구소, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI), World Premier International Research Center Initiative(WPI)의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.226301 1. 안드레예프 속박 상태(Andreev bound states) 일반 도체가 포함된 Josephson junction에서 초전도체와 일반 도체의 경계에서 전자-정공 쌍이 반사되어 형성되는 에너지 상태. 조셉슨 접합의 전기적 특성에 밀접한 연관이 있다. 2. 게이트 전압 전류의 흐름을 시작하거나 멈추는 등 전자의 흐름을 제어하기 위한 제어 전압이다. 3. 조셉슨 접합(Josephson junction) 초전도체 사이에 초전도 결맞음 길이보다 짧은 비초전도체(일반 금속 혹은 부도체. Weak link 라고도 한다)를 삽입했을 때 이 비초전도체를 통해 초전류를 매개하는 쿠퍼 쌍(Cooper pair)이 전도될 수 있는 소자를 말한다. 4. 초전도 결맞음 길이(Superconducting coherence length) 초전도체에서 쿠퍼 쌍을 유지할 수 있는 길이의 척도. 일반적으로 초전도성을 유지할 수 있는 영역의 크기를 의미한다.

물리 이대수 교수·신소재 최시영 교수팀, 사소한 변화가 만든 소재 연구의 혁신

[이대수 · 최시영 교수팀, 원자 수준 제어로 차세대 고효율 메모리 소재 개발] 나비의 날갯짓처럼 미세하고 작은 변화가 때로는 우리의 삶에서 예상치도 못한 큰 성과와 변화를 만들기도 한다. 최근 POSTECH 연구팀은 아주 사소한 부분을 바꾸어 차세대 DRAM 메모리 분야에서 뜨거운 감자로 떠오르고 있는 ‘스핀-궤도 토크(spin-orbit torque, 이하 SOT)’ 소재를 개발했다. 물리학과 이대수 교수 · 통합과정 조용주 씨, 신소재공학과 최시영 교수 연구팀은 복합 산화물의 원자 수준 제어를 통해 고효율 자유장*1 SOT 자화 전환에 성공했다. 이번 연구는 나노 과학과 나노 기술 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다. 전자의 스핀(자기적 성질)과 운동(전기적 성질) 간의 상호작용으로 발생하는 SOT는 전류가 흐를 때 스핀의 움직임을 통해 자기 상태를 제어하는 현상이다. 전기가 아닌 자기 정보를 이용하면 메모리의 전력 소모를 줄이고, 전원이 꺼져도 정보가 보존되는 비휘발성 메모리 연구에 유리해 최근 반도체와 금속 등 다양한 소재를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 자성과 ‘스핀 홀 효과’*2를 동시에 나타내는 소재를 찾고, SOT에 의한 효율적 자화 전환 연구가 큰 주목을 받고 있지만, 단일층 내에서 발생한 서로 반대 방향의 스핀 전류가 상쇄되어 사라지는 문제가 있었다. 이대수 · 최시영 연구팀은 이번 연구에서 소재의 아주 작고 사소한 물질 구조를 체계적으로 바꿔 문제를 해결했다. SrRuO3(루테륨산 스트론튬)은 자성과 스핀 홀 효과가 동시에 나타나는 복합 산화물로 SOT 연구에서 많이 사용되고 있다. 연구팀은 이 복합 산화물의 위쪽과 아래쪽 표면층의 원자 격자 구조를 미세하게 조절해 상하층 간 서로 다른 스핀 홀 효과를 내는 SrRuO3를 합성했다. 전략적으로 설계된 비대칭 표면 구조로 스핀 홀 효과의 불균형을 만듦으로써 특정 방향으로 자기적인 효과를 제어할 수 있게 된 것이다. 이를 바탕으로 연구팀은 자기장 없이 효율적 자화 전환(switching)에 성공했다. SrRuO3를 기반으로 한 소자에서 SOT를 구현해 전류만으로 자기 도메인 방향을 바꿔 데이터를 쓰고 읽을 수 있게 된 것이다. 연구팀의 메모리 소자는 지금까지 알려진 단일층-자유장 시스템 중에서 최고의 효율(2~130배)과 최소 전력 소비(2~30배)를 기록했다. 기존 연구에서 사용되던 SrRuO3의 기존 물성은 유지하면서도, 자기장 없이 자화 전환에 성공한 것이다. 이대수 교수는 “연구팀이 합성한 비대칭 SrRuO3는 강자성과 스핀 홀 효과 간 상호작용을 연구하는 중요한 플랫폼”이라며, “후속 연구를 통해 새로운 SOT 메커니즘을 발견하고, 고효율 상온 단일 상 SOT 소재를 구현하겠다“라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 중견연구지원사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01788 1. 자유장(field-free) SOT 자화 스위칭에 면내 자기장의 도움을 필요로 하지 않는 경우를 말한다. 2. 스핀 홀 효과(spin-Hall effect) 홀 효과와 유사하게 계에 인가된 전기장에 수직인 방향으로 스핀 전류가 흐르는 현상을 말한다.

신소재/친환경 김형섭 교수팀, 인공지능과 함께 여는 금속 연구의 미래

[POSTECH · 브라질 미나스제라이스 연방대, 금속 항복강도 예측 AI 기술 개발] 최근 친환경소재대학원 · 신소재공학과 김형섭 교수 · 통합과정 이정아 씨 연구팀은 브라질 미나스제라이스 연방대(Federal University of Minas Gerais) 금속재료공학과 피게이레두(Figueiredo) 교수와의 공동 연구를 통해 기존의 비용과 시간 제약을 극복하고, 다양한 금속의 항복강도를 예측하는 최적의 인공지능 모델을 개발했다. 이 연구는 금속소재 공학 분야 국제 학술지인 ‘악타 머터리얼리아(Acta Materialia)’ 온라인판에 게재됐다. 항복강도(yield strength)란 외부 응력에 의해 금속 등 재료가 변형되기 시작하는 지점을 말한다. 재료공학 분야에서 성능이 우수한 소재를 개발하고, 구조적 안정성을 높이기 위해서는 항복강도를 정확하게 예측해야 한다. 그런데, 이 특성을 예측하기 위해서는 재료의 결정립*1 크기와 불순물의 종류를 포함한 다양한 변수를 고려해야 하고, 데이터를 얻기 위해 오랜 시간 동안 수많은 실험을 반복해야 한다. 이를 위해 현재 재료의 항복강도와 결정립 크기 간 관계를 규명한 ‘Hall-Petch (홀-페치) 관계식*2’이 널리 사용되고 있지만 온도와 변형률 등 다양한 환경 조건과 새로운 재료의 특성을 반영해 항복강도를 정확하게 예측하기에는 한계가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 항복강도 예측에 필요한 비용과 시간을 절약하면서도 정확도를 높이기 위해 물리 이론에 인공지능(AI) 기술을 결합했다. 물질 내부의 입자들이 맞닿아 움직이는 방식을 설명하는 ‘입자 경계 미끄럼’*3 메커니즘과 기계 학습 알고리즘을 적용하여 항복강도를 예측하는 머신러닝 모델을 개발하였다. 먼저, 연구팀은 블랙박스 모델*4을 이용해 재료의 여러 특성이 항복강도에 미치는 영향을 분석한 다음, 이를 토대로 입력값과 출력값이 명확한, 항복강도 예측의 정밀도를 높인 화이트박스 모델을 개발했다. 그리고, 연구팀은 항복강도 예측 모델을 학습시킬 때 사용하지 않았던 다양한 철 기반 합금 등을 이용해 연구팀의 모델을 검증하였다. 그 결과, 연구팀의 모델은 훈련되지 않은 데이터에 대한 예측에서도 실제 대비 평균 절대 오차값 7.79MPa(메가파스칼)을 기록하며, 매우 높은 정확도를 보였다. 김형섭 교수는 “다양한 유형의 금속과 실험 조건에서 항복강도를 정확하게 예측할 수 있는 범용적인 인공지능 모델을 개발했다”라며, “앞으로도 인공지능 기술을 적극적으로 활용하여 재료공학 분야 연구에서 중요한 발전을 이루겠다”라는 포부를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 추진하는 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120046 1. 결정립 금속이나 다결정 재료에서 하나의 단일 결정 구조를 가진 작은 입자나 영역을 의미한다. 2. Hall-Petch 관계식 로 k는 상수, d는 평균 결정립 직경, 는 기존 항복 응력이다. 3. 입자 경계 미끄럼 입자가 서로 미끄러지는 재료 변형 메커니즘으로 이는 대부분 높은 온도와 낮은 변형률에서 외부 응력을 받는 다결정 재료에서 발생한다. 4. 블랙박스 모델 입력과 출력 사이의 복잡한 관계를 설명하기 어려운 머신러닝 모델을 말한다.

화공 이효민 교수·신소재 정성준 교수팀, 투명 기판의 오염과 김 서림 막는 다기능성 테이프

[이효민·정성준 교수팀, 김 서림 방지와 자가 세정 가능한 테이프 개발] 최근 화학공학과 이효민 교수 · 통합과정 김형정 씨, 신소재공학과 정성준 교수 연구팀은 마이크로미터 규모로 패턴화된 탄성중합체 위에 부분적으로 하이드로젤 패턴을 잉크젯 프린팅하여 다양한 환경에서도 투명도를 유지할 수 있는 테이프를 개발했다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다. 일상에서 흔히 사용하는 안경부터 현미경, 태양전지를 포함한 광학 장치에는 빛을 흡수하거나 전달하는 등 빛을 제어할 수 있는 여러 종류의 투명 기판들이 사용된다. 이처럼 우수한 광학적 특성을 갖추려면 기판의 투명함을 유지해야 하지만, 때때로 표면에 김이 서리고, 오염되거나 기계적 변형이 일어나 기판이 불투명해지는 문제가 발생한다. 이효민 · 정성준 교수 연구팀은 폴리디메틸실록산(이하 PDMS*1)이라는 고무 재질의 탄성중합체를 사용해 투명한 기판을 보호할 수 있는 다기능성 테이프를 개발하였다. PDMS는 실리콘을 기반으로 한 고분자 물질로, 매우 유연하면서 투명한 소재다. 연구팀은 이 PDMS를 사용해 일체형 마이크로 기둥 구조를 만든 후, 잉크젯 프린팅 기술로 기둥 구조 사이에 하이드로젤 패턴을 삽입한 테이프를 제작했다. 연구팀이 만든 테이프는 돌기처럼 표면에 솟은 여러 기둥으로 인해 초발수성*2을 띠어 표면에 오염 물질이 부착하기 어려우며, 오염 물질이 묻더라도 물로 쉽게 제거할 수 있다. 그리고, 잉크젯 프린팅 기술로 만든 하이드로젤 패턴은 이와 반대로 물 분자를 흡수할 수 있어 습윤 환경에서도 김이 서리는 현상을 방지하고, 기판의 투명도를 유지하도록 도왔다. 또한, 연구팀의 테이프는 기저층의 유연한 성질로 인해 별도의 접착제 없이 다양한 기판에 탈부착할 수 있으며, 반복적으로 늘이고 오랜 시간 물에 노출되어도 우수한 기계적 안정성을 유지했다. 테이프 하나로 기존의 투명 기판이 갖고 있던 여러 문제를 한 번에 해결한 것이다. 이효민 교수는 ”광학 기판은 표면에 김이 쉽게 서리고, 오염 물질로 인해 기판의 투명도가 떨어질 수 있다”라며 “연구팀이 만든 초발수성, 김 서림 방지 테이프를 사용하면 극환 환경에서도 투명도를 유지할 수 있어 자율주행 자동차 등 다양한 고부가가치 광학용 센서 제작에 폭넓게 활용될 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 기초연구실지원사업과 선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업, 바이오산업기술개발사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202401869 1. PDMS Polydimethylsiloxane 2. 초발수성 표면에 물방울이 형성되어 쉽게 떨어지는 특성을 말한다.

화공 박태호 교수팀, 이온-이온 덜 친해야 전지 효율 높인다

[POSTECH · 성균관대 · 충남대, 페로브스카이트 태양전지 효율성과 안정성 향상 ] 친한 관계에서도 적당한 거리가 중요하다. 친밀한 관계가 모든 것을 해결하지는 못하며, 개인적인 공간과 독립성이 필요할 때가 있다. 이는 화학의 세계에서도 마찬가지다. POSTECH · 성균관대 · 충남대 연구팀은 양쪽성 이온(Zwitterion) 분자 간 친밀도를 낮춰 태양전지 연구에서 큰 성과를 냈다. 화학공학과 박태호 교수 · 통합과정 김한결 · 최경원 동문 연구팀은 성균관대 신소재공학과 정현석 교수 · 윤건우 씨, 충남대 응용화학공학과 송슬기 교수팀과의 연구를 통해 페로브스카이트(Perovskite)*1를 기반으로 한 태양전지의 효율성과 안정성을 높였다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 태양전지는 태양 에너지를 전기로 변환하는 소자로 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트를 활성층으로 사용하는 전지다. 이 전지는 제작 공정이 간단하고, 비용도 저렴할 뿐 아니라 기존 실리콘 태양전지에 비해 가볍고, 유연성도 우수해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만, 페로브스카이트와 전자수송층*2 사이 계면의 결함으로 인해 효율과 안전성, 내구성이 저하되는 문제가 있었다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 페로브스카이트를 보호할 필름을 만드는 것이다. 필름을 만들 때 양쪽성 이온을 주로 사용하는데, 이 이온은 양전하와 음전하를 모두 갖고 있어 페로브스카이트 결정과의 결합력이 우수하다. 하지만, 이온 분자 간 정전기적 인력이 매우 강해 유기 용매에 잘 녹지 않아 균일한 두께로 필름을 만들기 어려웠으며, 고성능이나 대면적 필름 제작에도 한계가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 LiTFSI*3라는 첨가제를 넣어 기존과 다른, 액체 형태의 양쪽성 이온(Liquid-type zwitterion, 이하 LTZ)을 만들었다. 이 첨가제를 양쪽성 이온에 넣으면 하드 소프트 산-염기 이론(Hard Soft Acid Base theory)*4에 따라 양쪽성 이온 분자 간 상호작용이 감소한다는 점에 주목한 것이다. LTZ로 실험한 결과, 이온 분자 간 응집이 효과적으로 억제되어 이온 용해도가 증가했고, 연구팀은 균일한 두께로 필름을 합성하는 데 성공했다. 또, 이 LTZ는 태양전지 내에 존재하는 결함과 강하게 결합하여 소자의 전기적 성능도 높였다. LTZ를 사용한 연구팀의 전지는 단일면적에서 24.9%의 높은 전력 변환 효율을 보였으며, 1,968시간 동안 60도 환경에서 초기 전력 변환 효율의 80% 이상을 유지했다. 대면적(32.7cm2) 전지 모듈에서도 19.9%라는 높은 효율을 기록했다. 박태호 교수는 “LTZ를 기반으로 한 연구팀의 인터페이스 엔지니어링 기술로 페로브스카이트 태양전지의 효율성과 안전성을 높이는 데 성공했다”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 단계도약형 탄소중립 기술개발사업, 탄소제로 그린 암모니아 사이클링 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401263 1. 페로브스카이트(Perovskite) 러시아 광물학자 페로브스키(L.A.Perovski)가 최초로 발견한 광물로, ABX3 화학식으로 표현되는 모든 화합물을 일컫는다. 2. 전자수송층(Electron transporting layer) 페로브스카이트에서 생성된 전자를 전극으로 이동시키는데 필요한 구성층이다. 3. LiTFSI Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide 4. 하드 소프트 산-염기 이론(Hard Soft Acid Base theory) 각 화합물을 하드와 소프트로 분류해 분류가 같은 물질끼리 더 강한 결합을 형성한다는 이론이다.

화학 박수진 교수팀, 전해질을 지배하는 자, 전기차 시장을 선도한다

[박수진 교수팀, 상용성 · 안전성 모두 확보한 리튬 배터리용 겔 전해질 개발] 화학과 박수진 교수 · 통합과정 남서하 씨 · 손혜빈 박사 연구팀은 안정성과 상용성을 모두 갖춘 겔 전해질 기반 배터리를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 최근 게재됐다. 리튬이온 배터리는 전기차를 포함해 휴대용 전자제품이나 에너지 저장 장치 등 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 그런데, 배터리에 사용되는 액체 전해질은 화재와 폭발의 위험이 커 이를 대체할 전해질 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그중 하나는 액체 전해질을 기반으로 한 기존 리튬이온 배터리와 전고체 배터리의 중간 형태인 반고체 배터리다. 이 배터리는 젤리 같은 겔(gel) 형태의 전해질을 사용하기 때문에 안정성과 에너지 밀도가 높으며, 수명도 비교적 길다. 겔 전해질을 제작하려면 장시간의 고온 열처리 공정이 필요한데, 그로 인해 전해질이 분해되는 등 배터리 성능에 악영향을 줄 수 있고, 제작 단가도 높아질 수 있다. 또한, 반고체 전해질과 전극 간 계면 저항도 겔 전해질 제작 공정에서 해결해야 할 과제이며, 특히 기존 연구들은 까다로운 제작 방식이나 대면적화의 어려움과 같은 공정상의 한계로 현재 상용 배터리 생산 라인에 바로 적용할 수 없다는 문제가 있었다. 박수진 교수 연구팀은 이중 기능성 가교형 첨가제(Cross-linkable additive, 이하 CIA)인 디펜타에리트리폴 헥사아크릴레이트(이하 DPH*1)과 전자빔(e-beam)으로 이를 해결했다. 기존 파우치(pouch) 타입의 배터리 제작 공정은 전극 공정과 전해액 주입과 조립, 활성화 공정*2과 가스 제거 공정*3 단계로 이루어져 있는데, 연구팀은 가스 제거 공정 이후 전자빔 조사 공정만을 추가하는 단순한 방법으로 DPH에 이중 기능성을 부여했다. 연구팀이 사용한 CIA는 활성화 공정 단계에서는 양극과 음극 표면에 안전한 계면을 형성할 수 있도록 첨가제 역할을 했으며, 전자빔 조사 단계에서는 고분자 구조를 형성하는 가교제 역할을 했다. 연구팀의 겔 전해질을 활용한 파우치형 배터리는 초기 충 · 방전 과정에서 배터리 부반응으로 인한 가스 발생을 억제해 기존 대비 가스 발생량을 2.5배 줄였으며, 전극과 겔 전해질 간 호환성도 높아 계면 저항도 효과적으로 낮췄다. 이어, 1.2Ah(암페어아워)의 고용량 배터리를 만들어 전해질 분해가 가속화되는 55도에서 성능을 실험했다. 그 결과, 기존 전해질을 사용한 배터리는 가스가 다량 발생해 배터리가 팽창하고, 50사이클 이후에는 정상적인 구동이 어려웠다. 반면, 연구팀이 개발한 배터리는 가스가 발생하지 않고, 200사이클 이후에도 1Ah 용량을 유지해 안전성을 입증했다. 특히, 이번 연구는 기존 파우치형 배터리 제작 공정 라인을 유지하면서 빠르게 대량 생산할 가능하다는 점에서 의의가 크다. 전해질과 배터리의 안정성, 그리고 상용성 모두 확보하는 데 성공한 것이다. 박수진 교수는 “안정성과 상용성 모두 입증한 이번 연구는 전기차 산업에서 혁신적인 기술로 인정받을 것”이라며, “전기차뿐만 아니라 리튬 이온 배터리가 사용되고 있는 다양한 분야에서 큰 도움이 되기를 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견과제 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202401426 1. DPH dipentaerythritol hexaacrylate 2. 활성화 공정 최초 충방전 과정을 통해 조립된 배터리가 전기적 특성을 갖도록 활성화하고 결함 여부를 파악하는 마무리 공정이다. 3. 가스 제거 공정 파우치 타입의 배터리는 활성화 공정을 거치면서 배터리 내부에 가스가 발생하는데 이때 발생한 가스를 없애주는 공정이다.