Research

전자 최수석 교수팀, 자유자재로 컬러 변화 조절하는 광소자 기술 개발

[최수석 교수팀, 전 방향 색 파장 위치를 제어하는 스트레쳐블 능동 색파장 조절 소자 개발] 전자전기공학과 최수석 교수 · 박사과정 남승민 씨 연구팀은 빛의 파장을 자유롭게 제어할 수 있는 스트레쳐블(stretchable) 광소자를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤 애플리케이션(Light: Science & Applications)’에 지난 22일 게재됐다. 구조색(structural color)은 물체의 미세한 나노 구조가 특정한 빛의 파장을 간섭함으로써 나타내는 색을 말한다. 기존 디스플레이 기기나 이미지 센서처럼 빛의 3원색(RGB)을 혼합한 색 혼합 방식을 사용하지 않고, 빛의 고유한 파장의 순색을 이용하기 때문에 훨씬 더 선명하고, 많은 색을 표현할 수 있다. 이처럼 빛과 나노 구조의 상호작용의 결과인 구조색 기술은 나노 · 광 응용 산업에서 유망한 기술로 떠오르고 있다. 특히, 염료나 발광체 등을 이용한 기존 색 혼합 기술이 특정한 색에 고정되는 수동적 색 표현에 그치는 데 반해, 빛의 파장에 해당하는 나노 구조의 제어를 통해서 빛의 순색을 자유롭게 조절하는 능동적 색 파장 조절(Tunable Color) 기술로 발전이 가속되고 있다. 그러나, 지금까지의 연구에서는 서로 다른 색으로 바꾸려고 할 때, 빨간색에서 파란색으로 색으로 바꿀 수는 있지만, 파란색보다 파장이 더 긴 빨간색으로 역방향으로의 색을 바꿀 수는 없었다. 현재 기술로는 파장이 더 짧은 길이의 파장 방향으로만 조정이 가능하기 때문에 이상적인 자유 파장 방향으로의 다양한 색을 표현하기 어려운 것이다. 따라서, 색 파장 조절 기술의 극대화된 활용을 위해서는 양방향의 자유로운 빛의 위치로 자유롭게 파장을 조절할 수 있는 새로운 광학 소자로의 기술적 도약이 필요하다. 최수석 교수 연구팀은 이러한 구조색 기술의 한계를 극복하기 위해 카이랄*1 액정*2 탄성체(chiral liquid crystal elastomers, 이하 CLCE)와 유전 탄성체 액추에이터(dielectric elastomer actuator)를 사용했다. CLCE는 이리저리 늘일 수 있는 유연한 튜너블 나노 구조색 소재이며, 액추에이터는 전기적인 에너지를 받아 유전체의 유연 변형을 일으키는 소자다. 이번 연구에서 연구팀은 두 기술을 조화하여 늘이는 것뿐 아니라 수축도 가능하도록 액추에이터 구조를 최적화하고, 이를 CLCE와 결합해 짧은 파장에서 긴 파장으로, 또, 긴 파장에서 짧은 파장으로 자유롭게 파장 위치를 조절할 수 있는 극대화된 능동형 스트레쳐블 색 파장 조절 기술을 개발했다. 실험 결과, 연구팀이 개발한 CLCE 기반 광소자는 전기적인 자극을 이용해 가시광(파랑:450nm~빨강:650nm)을 포함하는 광범위한 영역에서 자유롭게 구조색을 조절하는 데 성공했다. 파장이 짧아지는 방향으로만 색 변환이 가능했던 기존과 달리 파장이 긴 방향으로도, 즉 양방향으로 파장을 조절할 수 있게 된 것이다. 특히, 이번 연구는 우수한 광소자 응용을 위한 기반 기술을 개발하고, 실험을 통해 이를 입증함으로써 실제 산업 현장 활용 가능성도 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다. 최수석 교수는 “이 기술은 디스플레이, 광학 센서, 광학적 위장, 생체 모방 센서, 스마트 웨어러블 기기 등 빛과 색 및 광범위의 전자파를 응용한 다양한 분야에 사용될 수 있다”라며, “후속 연구를 통해 기술 응용 범위를 더 넓혀가겠다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원사업과 산업기술평가원의 디스플레이 혁신공정 개발 사업 지원으로 진행되었다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01470-w 1. 카이랄 오른손과 왼손처럼 서로 겹치지 않는 상태, 즉 분자의 비대칭성을 의미한다. 2. 액정 고체와 유체 사이의 상태를 의미한다.

신소재 강병우 교수팀, 새로운 배터리 플랫폼 찾으려면? 본질에 집중하라!

[강병우 교수팀, 뛰어난 공기 안정성과 Li 젖음성 가진 가넷형 고체 전해질 개발] 삶에서 마주하는 여러 어려움 속에서, 우리는 종종 해결책을 찾기 위해 복잡한 접근법을 선택할 때가 있다. 그러나, 이를 깊게 들여다보면 답은 우리가 상상했던 것보다 훨씬 더 간단하며, 해답을 찾는 핵심은 바로 ‘본질’에 있다. 이처럼 문제의 본질에 집중해 전고체 배터리의 고질적인 문제를 해결한 POSTECH팀의 연구가 발표됐다. 최근 신소재공학과 강병우 교수 · 김아빈 박사(現 LG에너지솔루션)연구팀은 새로운 특성을 가진 고체 전해질을 개발해 안정성과 에너지 밀도가 높은 초박막 리튬 금속 전고체전지 플랫폼 구현에 성공했다. 이 연구는 미국화학협회 에너지 분야 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 최근 게재됐다. 액체가 아닌 고체 전해질을 사용해 에너지 밀도와 안전성을 높인 전고체 배터리(solid-state battery)는 차세대 전지이자 ‘꿈의 배터리’로 불린다. 그중 가넷형*1 산화물 고체 전해질(Li7La3Zr2O12, 이하 LLZO)은 높은 이온 전도성을 가지지만, 반응성이 매우 커 공기 중에 노출됐을 때 물질 표면에 오염층(Li2CO3)이 형성되는 문제가 있다. 이 오염층은 전지 구성 시 저항층으로 작용해 전해질과 반응 물질, 특히 리튬(Li)*2 금속 음극과의 접촉 특성과 계면 특성을 떨어뜨렸다. 현재 LLZO 표면을 코팅하거나 합성 후, 추가적인 화학 또는 열처리 공정으로 이러한 문제를 해결하려는 시도가 많이 이어지고 있지만 개선되지만 LLZO가 다시 대기에 노출되면 다시 오염층이 생기는 등 문제를 완전히 해결할 수 없었다. 연구팀은 효과적인 코팅이나 추가 공정을 개발하는 것이 아니라 ‘LLZO’ 자체에 집중했다. 본질에 집중해 LLZO 표면과 내부 특성을 동시에 개선하여, 오염층 형성을 원천적으로 막을 수 있는 AH-LLZO(Air-Handleable LLZO) 기술을 개발한 것이다. 실험 결과, 개발된 가넷형 고체전해질은 소수성을 가진 새로운 화합물(Li-Al-O)을 표면과 내부에 동시에 만들어 오염층 형성 자체를 억제했다. 따라서, 오염층이 생겨도 공기 중에서 수분과 거의 반응하지 않아 오염층이 내부로 퍼지지는 것을 효과적으로 막았다. 그로 인해 리튬 금속과의 접촉성(및 젖음성*3)이 향상됐으며, 연구팀은 이를 바탕으로 머리카락 두께의 약 10분의 1에 해당하는 얇은(~3.43 μm) 초박막 리튬 전고체 배터리를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 복잡한 후처리 단계 없이 전고체 전지에서 음극과 양극의 용량 비율이 약 0.176인 초박막 리튬 금속층을 간단한 젖음성 공정으로 만들었다는 데 큰 의의가 있다. 이를 통해 리튬 금속의 양을 획기적으로 줄여 전체 배터리 무게와 부피를 줄여 에너지 밀도가 획기적으로 향상될 수 있을 것이다. 또한, 특별한 처리 · 시설 없이 공기 중에서 보관할 수 있어 가넷형 고체전해질의 실제 사용 가능성 및 공정을 간소화할 수 있다는 장점이 있다. 강병우 교수는 “후처리 단계 없이 LLZO의 고질적인 오염층 문제를 해결했다”라며, “고안전성 · 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 초박형 리튬 금속 전고체 전지 연구를 계속 이어가겠다“라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 기초연구실지원사업과 산업통상자원부 기판실장용 산화물계 초소형 적층 전고체전지(MLCB)개발 사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00217 1. 가넷형(garent) 석류석과 유사한 결정 구조를 말한다. 2. 리튬 에너지 용량은 전지에 사용되는 음극에 큰 영향을 받는데, 리튬 금속은 상용화된 음극 재료인 흑연에 비해 용량이 10배 이상 높다. 3. 젖음성(wettability) 액체가 고체 표면과 접촉을 유지하는 능력을 말한다.

환경 감종훈 교수팀, 지하수, 이제는 지하세계에서만 맛볼 수 있다

[POSTECH 감종훈 교수팀, 고급 통계 기술 사용해 미래 지하수 고갈 위험 예고] 지하수는 말 그대로 땅속, 지표면 아래에 있는 물을 말한다. 비나 눈 등 강우가 지반과 강, 호수에 스며들어 지하수가 형성되는데, 우리가 마시는 생수가 바로 이 지하수에서 공급된다. 그런데, 2080년까지 우리나라 미취수 지역 인구 중 약 삼백만 명이 지하수 고갈을 경험할 수 있다는 연구가 발표돼 학계에 충격을 주고 있다. 환경공학부 감종훈 교수 · 환경연구소 박창균 박사 (現 LG에너지솔루션) 연구팀은 표층과 심층 지하수 수위 모니터링 데이터에 고급 통계 기술을 적용해 2009년부터 2020년까지 지하수 수위의 주요 시공간 패턴을 추출하는 데 성공했다. 이번 연구는 환경과학 분야 국제 학술지인 ‘종합환경과학지(Science of the Total Environment)’에 최근 게재됐다. 지하수는 생태계와 사회경제 발전을 위한 주요 자원 중 하나로 수도 시스템이 부족한 산악 지역에서는 그 중요성이 더욱 부각된다. 그러나, 최근 사회 발전과 경제적 활동 증가와 도시 개발 계획으로 최근 지하수 과잉 이용 문제가 심각해지고 있다. 이에 더해, 지표면 온난화는 지역적인 물의 흐름과 공급을 변화시키고 있어 자연과 인간의 영향을 고려하여 기후 변화 대응을 위한 수자원 정책을 수립해야 한다. 이번 연구에서 연구팀은 2009년부터 2020년까지 한반도 남부지역 약 200개의 표층과 심층 지하수 관측소에서 관측한 수위 데이터에 고급 통계 기술인 ‘기정상성 실증 직교 함수 분석(Cyclostationary empirical orthogonal function analysis, CSEOF)’법을 적용해 지하수 수위의 주요 시공간 패턴을 추출했다. 첫 번째와 두 번째 주요성분에서는 수위 패턴이 계절과 가뭄의 반복 패턴과 유사한 특성을 보였다. 특히, 얕은 수심의 지하수가 깊은 수심의 지하수에 비해 강수량 변화에 빠르게 반응했는데, 이는 얕은 수심의 지하수가 지역사회의 물 수요를 맞추고, 가뭄을 완화하는 데 중요한 역할을 했음을 의미한다. 반면, 심층부는 수평 · 수직 층 유입과 유출 등 복잡한 수문학적 영향을 더 많이 받았다. 세 번째 주요 성분에서 연구팀은 2009년 이후 한반도 서부지역 지하수 수위가 계속 감소하고 있다는 패턴을 찾았다. 또한, 연구팀은 이러한 심층 지하수 수위 감소 추세가 계속된다면, 2080년까지 한반도 남서부 지역 중심으로 미취수 지역이나 신도시 개발 지역의 최소 삼백만 명이 지하수 고갈을 경험할 가능성이 있다고 예측했다. 연구팀의 예측이 맞다면 가뭄에 취약한 미취수 지역에서 지하수를 주로 활용하는 만큼, 그 피해가 더욱 크게 나타날 것으로 예상된다. 감종훈 교수는 “오랜 기간 축적된 국내 다층 지하수 수위 빅데이터와 고급 통계 기술을 사용해 심층과 표층 지하수 수위 변화 패턴을 분석하고, 지하수 고갈 위험을 예측하는 데 성공했다”며, “지역적 균형뿐만 아니라 수자원의 지역적 균형을 포함한 통합적인 국토 개발 계획이 필요하다“고 강조했다. 한편, 이 연구는 행정안전부 재난안전 공동연구 기술개발사업과 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.172221

화학 박수진 교수팀, 고분자 보호막, 황화물 고체 전해질로부터 음극을 지켜줘!

[POSTECH · KAIST, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용 규명] 가족과 친구, 동료 등 사람들은 사회에서 다양한 인간관계를 맺으며 살아간다. 이러한 관계는 삶에서 매우 큰 부분을 차지하지만, 너무 가깝게 지내면 서로에 대한 감정이 격해지거나 갈등이 생길 수 있기 때문에 적당한 거리를 유지해야 한다. 그런데, 최근 화학 세계에서도 이처럼 적당한 거리를 유지해 전기자동차의 배터리 성능을 높인 흥미로운 연구가 발표됐다. 화학과 박수진 교수 · 조성진 박사 · 박사과정 송영진 씨는 KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 임성갑 교수팀과의 공동연구를 통해 황화물계 전고체(all-solid-state) 배터리에서 음극을 안전하게 구동시킬 수 있는 고분자 보호막을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전기자동차의 경쟁력은 주행거리와 충전 속도에 달려있다. 이 두 가지 요소 모두 배터리의 성능에 직접적으로 영향을 받기 때문에 현재 배터리 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 전기자동차의 안정성 또한 중요한 요소인데, 현재 상용화된 리튬(Li) 이온 배터리는 액체 전해질과 고분자 분리막을 포함해 온도 변화와 외부 충격에 취약하다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 액체 전해질과 고분자 분리막 역할을 동시에 할 수 있는 고체 전해질 기반의 전고체 배터리가 떠오르고 있다. 황화물계 고체 전해질은 이온 전도성(2.5x10-2S/cm)이 높고, 이를 활용한 배터리 조립 공정도 매우 간단하다. 하지만 전극 활물질과 전해질이 직접 맞닿은 계면이 화학적 · 전기화학적으로 불안정해 배터리 내부 저항을 높이고, 성능을 떨어뜨리는 문제가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 이를 해결하기 위해 배터리 내 음극과 전해질 간 직접적인 접촉을 막아줄 수 있는 고분자 물질을 도입했다. 연구팀은 화학적 기상 증착(iCVD) 공정을 통해 서로 다른 극성을 가진 여덟 가지의 고분자 물질로 100 nm(나노미터) 두께의 균일한 음극 코팅막을 만들었다. 연구팀은 음극 코팅용 고분자 박막 8종을 사용해 계면 안정성과 배터리 성능을 평가했다. 그 결과, –COOH와 C-F 결합을 포함하는 고분자(pAA*1, pC6FA*2)로 만든 박막이 전고체 배터리 음극과 전해질 사이의 계면 안정성을 효과적으로 높였다. 또, 이를 적용한 전고체 배터리는 100회 이상 작동한 후에도 높은 용량 유지율(pAA: 64.8%, pC6FA: 50.7%)을 기록했으며, 이는 음극이 코팅되지 않은 기존 전고체 배터리 용량 유지율이 29.0%였던 것에 비해 매우 향상된 결과다. 현재까지 황화물계 전고체 배터리 분야에서 이러한 고분자 물질에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았는데, 고분자 물질과 황화물 고체 전해질 간 상호작용을 밝혀냈다는 점에서 이번 연구는 큰 의의가 있다. 박수진 교수는 “황화물계 전고체 배터리의 장기 안정성을 높일 수 있다는 새로운 가능성을 보였다”며, “이번 연구가 차세대 배터리 기술인 황화물 전고체 배터리 연구의 획기적인 전환점이 될 것이다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202314710 1. pAA 폴리아크릴산(poly(acryl acid)) 2. pC6FA 폴리퍼플루오로헥실(poly((perfluorhexyl)ethyl acrylate))

생명 이승우 교수팀, 고형암에 이중항체 사용할 방법, 드디어 찾았다

[POSTECH · 강원대 · 네오이뮨텍, 고형암 치료제 효능 높이는 후보 물질 발굴] 최근 생명과학과 이승우 교수, 통합과정 이건주 씨는 네오이뮨텍 최동훈 연구소장, 강원대학교 김대희, 최선심 교수와의 공동 연구를 통해 고형암에서 이중항체 치료제 효능을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 증명했다. 이번 연구는 보건의료 연구 분야 국제 학술지인 ‘셀 리포트 메디슨(Cell Reports Medicine)에 지난 13일 게재됐다. 이중항체는 두 종류의 항원과 결합할 수 있어 항암 치료 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 그중 T세포 결합 이중항체(T cell engager)는 T세포와 종양 세포를 동시에 잡아 T세포가 효과적으로 종양을 공격할 수 있도록 유도한다. 최근 2년간 FDA에서 승인된 T세포 결합 이중항체만 7종으로 항암면역치료제 시장을 주도하는 방법으로 자리매김했다. 그런데, T세포 이중항체를 이용한 방법은 혈액암 치료에서 뛰어난 효능을 보이지만, 폐나 대장 등 고형암 치료에는 적용하기는 어렵다. 많은 고형암에서는 종양 살상에 필요한 T세포의 수가 부족하고 또한 T세포의 기능이 탈진(Exhaustion)돼 있기 때문이다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 네오이뮨텍에서 임상 개발 시험 중인 rhIL-7-hyFc*1(NT-I7, epinepatakin-alfa)을 사용했다. rhIL-7-hyFc은 유전자재조합 단백질로 T세포의 수를 늘릴 수 있다고 알려져 있는데, 연구팀은 이 물질을 사용해 동물 실험을 진행했다. 그 결과, 대장암과 피부암 동물 모델에서 rhIL-7-hyFc은 고형암에서 ‘방관자(Bystander) T세포’ 수를 증폭시켰다. 방관자 T세포는 원래 종양 특이적으로 반응하지는 않지만, 그들이 활성화되면 종양 세포에 반응할 수 있다. 또, rhIL-7-hyFc으로 인해 증가한 고형암 내 방관자 T세포가 이중항체에 의해 활성화되어 종양을 살상할 수 있음이 밝혀졌다. 즉 T세포의 수와 기능이 부족해 고형암 치료에 적용이 어려웠던 이중항체의 어려움을 rhIL-7-hyFc을 도입해 해결할 수 있었던 것이다. 이번 연구를 이끈 이승우 교수는 “T세포 결합 이중항체의 항암 효능을 개선하는 기폭제로서 rhIL-7-hyFc의 잠재력을 확인했다”며, “우리 연구가 임상 시험을 통해 입증돼 정체돼있는 고형암 항암면역 치료에 큰 도움이 되기를 바란다”며 연구의 의미를 설명했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101567 1. rhIL-7-hyFC hybrid Fc 도메인이 결합되어 반감기가 연장되고, 생체이용률이 증가된 인간 재조합 IL-7 단백질

화학 박수진 교수팀, 리튬 금속 배터리를 위한 새로운 이정표

[POSTECH·한국에너지기술연구원·포스코 미래기술연구원, 리튬 금속 전지를 위한 다공성 구조체 개발] 마치 여행 중 길을 잃지 않도록 방향과 거리를 알려주는 표지판처럼 ‘이정표’는 어떤 상황에서 사람들이 나아가야 할 방향을 제시해준다. 최근 화학 분야에서도 이와 유사한 역할을 하는 구조체 연구가 발표되어 학계의 주목을 모으고 있다. 화학과 박수진 교수 · 화학과 통합과정 한동엽 씨는 한국에너지기술연구원 송규진 박사, 포스코홀딩스 미래기술연구원 연구팀과의 공동연구를 통해 무게가 가벼우면서 리튬(Li) 이온의 이동을 돕는 3차원 고분자 구조체를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전기차나 스마트폰 등 전자 기기에서 사용되는 배터리 기술은 계속 발전하고 있다. 그중에서도 리튬 금속 음극의 무게당 에너지 용량은 3,860mAh/g로 현재 상용화된 흑연 음극에 비해 10배 이상 높다. 이처럼 리튬 금속 음극은 더 많은 에너지를 더 작은 공간에 저장할 수 있을 뿐 아니라 흑연이나 실리콘과 다르게 전극 자체로서 전기화학 반응에 직접 참여할 수도 있다. 그런데, 배터리를 충 · 방전하는 과정에서 리튬 이온이 균일하지 않게 분포되는 경우 ‘죽은 리튬(dead Li)’이라 불리는 영역이 생기는데, 이는 배터리의 용량과 성능을 떨어뜨리는 요인이다. 또한, 리튬이 한 방향으로 자라면 반대편의 양극에 닿아 내부 단락이 발생해 최근 3차원 구조체로 리튬 이동을 최적화하는 연구가 많이 진행되고 있지만 대부분 무거운 금속 기반의 구조체라 배터리의 무게당 에너지 밀도 측면에서 크게 손해를 보고 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 무게가 가벼우면서도 리튬 이온과 친화성이 높은 고분자인 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol)과 단일 벽 탄소 나노 튜브 · 나노 카본 구(sphere)를 사용해 하이브리드(hybrid) 다공성 구조체를 개발했다. 이 구조체는 배터리 음극에 흔히 사용되는 구리(Cu) 집전체에 비해 무게가 5배 이상 가벼우며, 리튬 이온과 친화성이 높아 3차원 다공성 구조체의 공간 사이로 리튬이 균일하게 전착될 수 있도록 이온의 이동을 도왔다. 실험 결과, 연구팀의 3차원 구조체를 적용한 리튬 금속 음극 배터리는 200주기 이상 충전과 방전을 반복한 후에도 높은 안정성을 보였으며, 344Wh/kg(셀 전체 무게 대비 에너지)이라는 높은 에너지 밀도를 보였다. 특히, 실험실 수준의 코인(coin) 셀이 아니라 실제 산업 현장에서 사용하고 있는 파우치(pouch) 셀 수준으로 실험을 진행했다는 점에서 이번 연구는 기술 상용화 가능성도 매우 크다. 박수진 교수는 “리튬 금속 배터리의 에너지 밀도를 극대화할 새로운 가능성을 열었다”며 연구의 의의를 전했다. 또한, 한국에너지기술연구원 송규진 박사는 “배터리 경량화와 고(高)에너지 밀도를 동시에 달성한 이 구조체는 미래 배터리 기술의 획기적인 전환점이 될 것”이라고 강조했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202402156

신소재/반도체 최시영 교수팀, 원자 사이의 숨바꼭질, 도펀트를 찾아라!

[POSTECH·KRICT·LG에너지솔루션, 전기차 배터리 양극 도핑 안정화 메커니즘 규명] 신소재공학과 · 최시영 교수, 통합과정 김소연 씨, 양유정 씨는 KRICT(한국화학연구원) 최성호 박사, LG 에너지솔루션 이소라 팀장, 조치호 책임과의 공동 연구를 통해 단일 원소 도핑(doping)*1으로 인한 고용량 고니켈 양극 소재의 표면 구조 안정화 메커니즘을 정량 분석법을 통해 규명하는 데 성공했다. 이 연구는 최근 화학공학 분야 국제 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재됐다. 전기차의 주행거리를 늘리려면 더 높은 전력을 저장할 수 있는 고용량 배터리가 양극 소재가 필요하다. 니켈(Ni)은 에너지 밀도가 높아 전기차 배터리 분야에서 많이 활용되고 있으며, 니켈의 함량이 높은 고니켈 화합물(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)은 대표적인 배터리 양극 소재다. 그런데, 니켈 함량이 높아질수록 표면 일부에서 크기가 비슷한 니켈과 리튬이 자리를 바꿔 리튬층에서 니켈 이온이 발견되는데, 이러한 양이온 혼합이 과도하게 발생하는 경우 배터리 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 도펀트(dopant)*2 역할을 할 금속 이온을 추가하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 이 금속 양이온은 고니켈 양극 소재의 전이 금속층이나 리튬층에 위치하는데, 배터리 양극의 구조 안정화 메커니즘에 양이온이 미치는 영향을 밝히려면 도핑되는 위치를 잘 찾아야 한다. 하지만, 양극 소재 성능을 높이기 위해 첨가되는 금속 양이온 양이 매우 적어 정확한 위치를 찾고, 안정화 메커니즘을 연구하는 데 어려움이 많았다. 이번 연구에서 연구팀은 원자 구조 이미지로 양이온 혼합 결함을 정량 분석하는 딥 러닝 AI 기술을 개발해 이를 원자단위의 전자 현미경(HAADF-STEM*3) 기술과 결합했다. 이를 바탕으로 연구팀은 고니켈 양극 소재에 1몰 농도(mol %) 이하의 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 금속 도핑 위치를 처음으로 시각화하고, 양극 소재의 표면 구조와 전기화학적 특성에 미치는 영향을 분석했다. 분석 결과, 전이 금속층에 도핑된 세 종류의 금속 양이온은 니켈과 산소 원자 간 결합을 강화하며 양이온 혼합을 억제해 구조 안정성을 높였다. 또, 알루미늄과 타이타늄, 지르코늄 모두 고용량 니켈 양극 소재의 방전 용량과 용량 유지율을 높였으며, 타이타늄을 사용했을 때 효과가 가장 컸다. 정성적인 분석만 가능했던 양이온 혼합 결함을 정량적으로 비교 · 분석하는 데 성공한 것이다. 이번 연구를 이끈 최시영 교수는 “고니켈 양극 소재의 양이온 혼합 정량 분석용 딥 러닝 기술을 개발해 원자단위 구조 분석 효율을 높였다”며, ”고 민감성 소재를 분석하는 기술의 기반을 마련해 차세대 양극 소재의 성능 향상 메커니즘 규명에 기여하겠다“는 포부를 밝혔다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 나노및소재기술개발사업, 산업통상자원부와 방위사업청의 민군겸용기술개발사업, 교육부 한국기초과학지원연구원 국가연구 시설장비진흥센터, LG 에너지솔루션의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148869 1. 도핑(doping) 어떤 물질이 가진 순수한 전기적, 광학적 및 구조적 특성을 조절하기 위해, 결정 제조 과정 중에 불순물(원소나 화학 물질)을 의도적으로 첨가하는 것을 말한다. 2. 도펀트(dopant) 도핑 과정에서 의도적으로 첨가되는 불순물이다. 3. HAADF-STEM (High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy) 내각이 70 mrad 이상인 환형 검출기를 통해 얻은 STEM 분석 기술을 말한다. HAADF-STEM 이미지의 신호 강도는 원자번호의 제곱에 비례하기 때문에 중원소 분석에 유리하다. STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy)은 수십 피코미터 수준의 높은 분해능을 보유하여 원자 구조 분석이 가능한 주사 투과 전자 현미경이다.

물리 송창용 교수팀, “빠른 빛으로 물질의 융해를 새롭게 바꾸다” 초고속 융해의 신비

[POSTECH 송창용 교수팀, 광(光) 유도 비평형 융해의 뒤집어진 핵 생성 관측] 물리학과 송창용 교수 · 통합과정 황준하 씨, 화학과 임영옥 연구부교수 연구팀은 초고속 광 유도 융해과정에서 일어나는 독특한 현상을 관측하고, 초고속 융해를 이해를 위한 연구 기반을 구축했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 물질이 고체에서 액체로 변하는 융해 현상은 우리 주변에서 일어나는 가장 보편적인 상 변이 현상 중 하나다. 하지만 이러한 보편적인 현상이 극한의 짧은 시간에서 일어나면 융해는 기존과 다른 새로운 특성을 나타낸다. 강력한 초고속 레이저를 물질에 가하면 피코초(ps, 10-12초) 수준의 시간에서 융해가 일어나는 ‘초고속 광 유도 융해 현상’이 발생한다. 레이저 에너지는 주로 전자로 흡수되어 이 현상은 전자와 이온의 강한 비평형 상태에서 진행되는데, 이를 이해하기 위해서는 물질 내부의 전자와 이온 간에서 빠르게 일어나는 에너지 전달에 의한 동역학적 변화를 파악해야 한다. 이번 연구에서 연구팀은 초고속 광 유도 비평형 융해 현상을 연구하기 위해 포항가속기연구소 엑스선 자유전자레이저(PAL-XFEL)를 사용한 ‘단일 펄스 시분해 결맞는 회절 이미징(sinlge-pulse time-resolved coherent diffraction imaging)*1’을 이용했다. 이 기술은 펨토초(fs, 10-15초) 간격으로 레이저와 X-선을 조사해 물질의 내부 구조 변화를 추적하는 방법이다. 레이저가 물질의 초고속 융해를 유도하고 그 직후의 X-선에 의한 회절 신호로부터 물체의 구조적 정보를 얻는 것이다. 연구팀은 이 기술을 이용해 금(Au) 나노입자들이 융해될 때 내부의 밀도 분포를 시각화한 후, 이온도(two-temperature) 분자 동역학 시뮬레이션으로 실험 결과를 분석했다. 분석 결과를 바탕으로 연구팀은 빛에 의해 활성화된 전자의 에너지를 전달받은 이온들이 피코초 동안 기가 파스칼(GPa) 수준의 강력한 압력을 만들어 물질 용융 과정을 제어한다는 사실을 밝혀냈다. 특히, 높은 에너지와 빠른 환경 변화로 인해 초고속 비평형 융해는 물질 내부 비어있는 공간이 핵(중심)처럼 자라 나는 ‘뒤집힌 핵 형성 과정’을 수반한다는 사실을 확인했다. 이처럼 비어있는 공간의 형성은 일반적인 융해 현상에서는 발견되지 않는 현상으로 광유도 초고속 비평형 융해의 극한환경에서만 발생한다. 또한, 연구팀은 레이저의 편광과 세기가 공간의 변화 양상을 조절한다는 사실도 확인했다. 레이저의 편광은 공간 생성 위치를 조절하며, 레이저의 세기는 공간의 생성 분포를 결정했다. 송창용 교수는 “이번 연구를 통해 광 유도 비평형 융해 현상에서 새롭게 일어나는 ‘뒤집힌 핵 형성 과정’을 직접 관측하고 해석했다”며, “관측 및 분석 결과는 광 유도 초고속 비평형 융해 현상을 이해하기 위한 지식기반 구축에 기여할 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업과 중견연구자 지원사업, 방사광가속기공동이용연구지원사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adl6409 1. 결맞는 회절 이미징 (coherent diffraction imaging) 물질의 결맞는 회절 무늬를 측정하여 위상복원 알고리즘을 통하여 해당 물질의 전자밀도를 이미징 할 수 있는 영상 기법.

물리 신희득 교수팀, 새로운 시선으로 양자 기술의 미래를 열다

[신희득 교수팀, 기존과 다른 NOON 양자얽힘 관측 성공] 최근 물리학과 신희득 교수, 이동진 박사 연구팀은 양자 과학 분야의 핵심기술인 NOON 양자얽힘을 새로운 형태로 구현하였다. 이 연구는 광학 분야 국제 학술지인 ‘Light: Science & Applications’ 온라인판에 최근 게재됐다. 양자역학은 원자와 분자, 광(光)자 등 미시 세계의 물리적 현상을 다루는 분야로 양자역학의 이론과 원리는 기초 과학 분야뿐 아니라 양자컴퓨팅과 통신, 센싱 등 여러 산업 분야에서 혁신적인 기술의 발전을 이끌고 있다. ‘양자얽힘’은 두 개 이상의 양자가 서로 연결된 것처럼 영향을 주고받는 현상으로 양자역학에서 가장 독특하고 중요한 현상 중 하나이다. 입자들이 물리적으로 떨어져 있더라도 한 입자의 상태를 측정하면 다른 입자의 상태가 결정되는데, 아인슈타인은 이를 ‘유령 같은 원거리 작용’이라고 불렀다. 양자얽힘 현상 중에서 ‘NOON 양자얽힘’은 두 경로를 갖는 간섭계에서 하나의 경로에 광자가 N개가 있고, 나머지 경로에는 광자가 없는 상태와 그 반대되는 경우가 중첩된 상태다. 이러한 두 상태가 섞이면서 같은 주파수를 가지더라도 광자들이 두 경로로 동시에 이동해 해상도가 N배 늘어나는 효과가 있는데, 이는 양자 이미징과 센싱, 컴퓨팅 분야에서 기존의 한계를 극복하고, 특히 양자 센싱에서는 초해상도(super-resolution) · 초민감도를 이룰 기술로 주목받고 있다. 이번 연구에서 연구팀은 기존에 알려진 NOON 양자얽힘 현상과 다른, 새로운 형태의 NOON 양자얽힘을 구현하기 위한 실험을 설계했다. 이를 위해 연구팀은 광자의 주파수를 바꾸는 주파수 광분할기를 사용해 하나의 단일모드 광섬유에 두 가지 주파수(236.45THz와 235.85THz)를 가진 광자가 중첩된 상태를 이용했다. 연구팀의 방식으로 양자얽힘을 구현한 결과, 기존의 단일 광자 실험보다 해상도가 두 배 더 높았으며, 여러 광자가 동일한 경로로 이동해 훨씬 안정적임을 확인했다. 연구팀은 이번 연구가 의학과 자율주행차 레이더, 통신 등 분야에서 고해상도 센싱과 안전한 통신을 가능하게 할 것으로 기대한다. 신희득 교수는 “연구팀이 발견한 주파수 기반 양자얽힘의 고유한 특성 덕분에 양자 센싱과 통신 등 여러 산업 분야에서 기여하기를 바란다”는 기대를 전했다. 또한, 이동진 박사는 “단일 경로에 두 주파수를 가지는 특이성으로 인해 기존에 볼 수 없던 높은 안정성을 확인할 수 있었다”며 연구의 의의를 전했다. 한편, 이 연구는 정보통신기획평가원 양자암호통신 집적화 및 전송기술 고도화 사업과 대학ICT연구센터(ITRC)사업, 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01439-9

환경 감종훈 교수팀, 가뭄의 비극: 저수지가 탄소 농도를 높인다?

[감종훈 교수팀, 농업용 저수지 저수량과 총 유기 탄소 시공간적 분석 성공] 환경공학부 감종훈 교수 · 박사과정 이광훈 씨 연구팀은 국내 농업용 저수지의 저수량과 수질 데이터를 분석해 극심한 가뭄이 수자원 관리 시스템에 미치는 수(水)문학적 영향을 분석했다. 이번 연구는 수자원 분야 국제 학술지인 ‘물 연구(Water Research)’에 최근 게재됐다. 최근 기후 위기로 인해 가뭄과 홍수 등 기상 이변이 빈번하게 발생하고 있다. 이에 따라 효과적인 수자원 정책을 수립하기 위해 전 세계적으로 이러한 재해가 물 순환과 지구의 탄소 순환에 미칠 것이라는 가설은 모델에서 증명되었지만, 관측데이터를 통해 정량적으로 이해하려는 연구 시도는 저수량과 수질의 수자원 빅데이터 부재로 제한적이었다. 모내기가 시작되는 봄철에는 논과 밭에 충분한 양의 물이 필요하다. 강수량이 매년 일정하지 않기 때문에 현재 국내에 있는 3,000개 이상의 농업용 저수지를 활용해 수자원을 관리하고 있다. 모내기 시기 이용가능한 수자원량을 감시하기 위해 농업용 저수지의 물수위 데이터를 수집하고, 2020년 이후부터는 계절별 저수지 수질 데이터도 함께 수집하고 있다. 3,000개 이상의 농업용 저수지들에서 관측되는 수자원 빅데이터는 물순환을 통한 탄소순환 변화를 연구할 수 있는 기회를 제공한다. 이번 연구에서 연구팀은 농업용 저수지 수위와 수질 빅데이터의 차원을 축소하는 회전 주성분 분석(rotated Principal Component Analysis)*1을 이용했다. 분석에 사용한 데이터는 2020년부터 2022년까지 국내 2,200개 이상의 농업용 저수지에 보관된 저수량과 총 유기 탄소(total organic carbon, 이하 TOC) 농도 관련 자료로, 해당 연구 기간 저수지의 저수량은 289~360mt(106t), TOC 농도는 3.54~4.60mg/L, TOC 부하는 1,165~1,492톤으로 각각 추정됐다. 첫 번째 회전 주성분 분석 결과, 2022년 한반도 남부 지역에서 가뭄으로 인해 수온이 증가하고 저수지 수위가 낮아지는 경우 TOC 농도가 증가했다. 또, 연구팀은 두 번째 분석에서도 중부 지역 저수지 수위 변화와 TOC 농도 변화 간 높은 상관성을 발견했다. 농업용 저수지 주변의 논 · 밭 면적이 넓은 지역일수록 TOC 농도가 일부분 높아진다는 사실도 확인했다. 이번 연구는 극심한 가뭄 발생시 탄소를 저장하던 농업용 저수지가 대기 중으로 탄소를 방출하는 공급원으로 만들 수 있음을 증명하였습니다. 감종훈 교수는 “수자원 빅데이터와 고급 통계 기술을 이용해 극심한 가뭄으로 인한 물순환과 탄소순환의 정량적인 변화를 제시하는 데 성공했다”며, “현재까지 수량에만 집중되어 오던 수자원 정책에서 수량과 수질 모두를 고려한 탄소 중립 시대 맞춤형 환경 및 수자원 정책 변환이 시급하다”고 강조했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 해양-육상-대기 탄소순환시스템 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121610 1. 회전 주성분 분석 고차원 데이터에서 가장 중요한 정보를 나타내는 적은 수의 차원(주성분)으로 데이터를 추출하고 이런 주성분을 회전시켜 변환하는 고급통계기법