Research

IT융합/전자 백창기 교수팀, “시작부터 끝까지 친환경으로!” 포논을 막으면 가능하다

[POSTECH 연구팀, 반도체 표면 가공 기술로 친환경 열전기술 상용화 앞당겨] 에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 버려지는 에너지(폐열, 태양광, 풍력 등)를 유용한 전기로 바꾸는 친환경 에너지 기술이다. 이 중 열과 전기를 상호변환할 수 있는 기술을 열전기술(Thermoelectric technology)이라고 부른다. 기존 열전 연구 대부분 독성과 희소성이 높은 금속을 주로 사용하고 있다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀은 친환경 물질인 실리콘(Si)을 열전 반도체 소재로 활용하는 기술을 개발해 진정한 의미의 친환경 에너지 기술을 완성했다. IT융합공학과 · 전자전기공학과 백창기 교수 · 통합과정 유형석 씨, IT융합공학과 · 융합대학원 박주홍 교수, 전기전자공학과 · 반도체공학과 공병돈 교수 공동 연구팀은 기존 반도체 공정을 이용해 친환경 물질을 기반으로 한 고성능 열전 반도체 소재를 만들었다. 이번 연구 결과는 나노 · 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 게재됐다. 현재 열전 반도체 소재로 사용하는 비스무스(Bi), 텔루륨(Te), 납(Pb) 등은 매장량이 적고 독성이 있다. 그래서 이를 대체하기 위해 저렴하면서도 친환경적인 실리콘 기반의 나노와이어(nanowire)가 대안으로 떠오르고 있으나 높은 열전도도로 인해 열 손실이 커 열전 성능이 떨어진다는 한계가 있었다. 연구팀은 반도체 내 포논(phonon)*1의 움직임에 주목했다. 열은 포논이라는 준입자 상태로 이동하는데, 열 손실을 줄이려면 포논의 이동을 막아야 한다. 연구팀은 반도체 물질을 깎는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)*2공정으로 나노선 표면에 물결 무늬 구조를 만들었다. 이 구조는 마치 거울처럼 포논을 튕겨내며 다양한 산란*3을 유도해, 포논의 움직임을 방해한다. 실험 결과, 이 공정으로 표면이 가공된 실리콘 나노와이어는 기존 벌크 실리콘(Bulk silicon)*4 대비 열전도도가 약 30분의 1로 감소했으며, 열전 성능은 약 300배 향상되었다. 기존 반도체 공정으로 실리콘의 한계를 극복하고, 대면적 반도체 공정 기술을 통해 열전 반도체 대량생산과 상용화의 가능성을 엿본 것이다. 연구를 이끈 백창기 교수는 “이번 연구는 글로벌 보일링(Global boiling) 시대를 대비하는 열전 반도체 상용화에 큰 주춧돌을 놓아 에너지 절감에 크게 기여할 것”이라며, “다양한 제조 산업 현장에서 소자의 성능을 검증하고, 기술 상용화를 추진하겠다”는 의지를 전했다. 한편 이 연구는 경상북도와 포항시가 지원하는 '푸드테크 R&D 센터 개발 및 지원 프로그램'의 일환으로 수행되었다. 1. 포논(phonon) 응집 물질 물리학에서 결정 격자의 양자화된 진동을 나타내는 준입자를 의미한다. 2. DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 반응성 이온을 이용한 식각 방식으로, 주로 마이크로 · 나노 규모에서 비등방성 식각을 가능하게 하는 에칭 기술이다. 3. 산란(Scattering) 어떤 매질을 통과하는 빛이나 소리 입자 등의 복사가 국부적인 불균일성으로 인해 경로를 벗어나는 물리적 과정을 말한다. 4. 벌크 실리콘(Bulk silicon) 사용되지 않은 일반적인 상태의 실리콘 웨이퍼로 약 150W/m·K의 열전도도를 갖는다.

화학 박수진 · 신소재 김연수 교수팀, 양쪽성 이온의 마법, 전지 수명 늘렸다

[박수진 · 김연수 교수 공동 연구팀, 에너지 저장 시스템 아연 전지 내구성 향상] 뒤뚱뒤뚱 땅 위를 걷는 모습이 매력적인 펭귄은 바다에서도 자유롭게 헤엄칠 수 있다. 육지와 바다 생활이 모두 가능한 펭귄처럼 ‘양쪽성 이온(zwitterion)’ 분자는 양이온성과 음이온성 작용기를 모두 갖고 있어 산성과 염기성 환경에서 안정하다. 최근, 이 양쪽성 이온 분자를 활용해 전지의 수명을 늘린 흥미로운 연구가 있다. 화학과 박수진 교수 · 신소재공학과 김연수 교수 · 한임경 박사 · 융합대학원 첨단재료과학부 통합과정 이상엽 씨 연구팀은 양쪽성 이온 분자로 에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 수계 아연(Zn) 전지의 내구성을 높였다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다. 에너지 저장 시스템은 2차 전지를 사용해 재생에너지를 저장한 후 필요할 때 사용하는 장치다. 보통 배터리로 리튬(Li) 전지를 사용하는데, 유기성 용매를 기반으로 한 이 전지는 가격이 비싸고, 화재와 폭발의 위험이 있다. 최근 물을 전해질로 사용하여 안전하고, 저렴하면서도 풍부한 아연을 기반으로 한 전지가 주목받고 있으나 충 · 방전을 반복하는 경우 내구성이 급격하게 떨어진다는 문제점이 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 양쪽성 이온 분자인 폴리설포베타인 메타크릴레이트(이하 SBMA, poly sulfobetaine methacrylate)를 사용했다. 이 분자에 다양한 양의 황산아연(ZnSO4) 염을 녹여 겔(gel) 형태의 전해질을 만들었다. 그 결과, 양이온성과 음이온성 작용기를 모두 가진 SBMA와 황산아연 이온 (Zn2+, SO42-) 사이에 견고한 결합이 형성되었으며, 전해질의 농도가 증가할수록 균일하게 이온이 분포되며 전지의 안정성이 높아졌다. 황산아연 염을 5 mol/kg 사용했을 때, 아연 전지는 3,600시간 동안 충 · 방전을 반복한 후에도 안정적으로 작동하며 높은 내구성을 보였다. 이번 연구를 이끈 박수진 교수는 “아연 전지의 내구성 향상 연구에 새로운 방향성을 제시했다”며, “저렴할 뿐 아니라 제조 과정도 간단한 아연 전지가 앞으로 더욱 더 많은 분야에서 활용될 것”이라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 우수신진 연구사업의 지원으로 진행됐다.

전자·IT융합·기계·융합 김철홍 교수팀, 수술 중 조직검사를 하는 고해상도 현미경

[POSTECH·가톨릭대 성모병원, 자외선에서 투명한 센서로 조직검사 정확도 높여] 수술 중 악성으로 의심되는 종양을 발견하면 수술이 끝난 후 검사를 진행하고, 필요한 경우 재수술을 한다. POSTECH 연구팀은 지난 연구에서 실시간으로 조직검사가 가능한 자외선 광음향 현미경(이하 UV-PAM*1)을 개발해 수술 기간을 획기적으로 줄였다. 그리고 최근 UV-PAM의 해상도를 향상시키는 데 성공하여 빠르고 정확한 조직검사가 가능한 현미경을 개발했다. 전자공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, IT융합공학과 김진영 교수 · 통합과정 김동규 · 박사과정 박은우 씨, 가톨릭대 성모병원 정찬권 교수 공동 연구팀은 자외선 영역에서도 투명한 초음파 센서를 개발해 UV-PAM의 해상도를 높였다. 이 연구는 소재 분야 국제 학술지인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)’에 게재됐다. 세포의 핵산이 자외선을 강하게 흡수하는 특성을 이용한 UV-PAM은 염색이나 표지(labeling)없이 시료를 빠르게 분석한다. 그래서, 수술 중 악성으로 의심되는 종양이 발견되는 경우 바로 조직검사를 진행할 수 있다. 하지만 UV-PAM으로 촬영한 이미지는 기존 현미경에 비해 해상도가 낮다는 한계가 있었다. UV-PAM의 해상도를 높이려면 자외선의 초점거리를 획기적으로 줄여야 하며, 이를 위해서는 자외선 영역에서 투명한 센서가 필요하다. 연구팀은 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride)를 압전소자로, 은 나노와이어(nanowire)를 전극으로 활용해 자외선에서도 투명한 센서를 개발했다. 연구팀이 개발한 센서를 UV-PAM에 적용한 결과, 현미경의 개구수(Numerical Aperture)*1가 0.38로 향상되었으며, 측면 해상도(spatial resolution)도 0.47±0.03 μm로 개선되었다. 이어, 실제 동물의 뇌와 암 조직검사에서도 이 센서를 적용한 UV-PAM은 우수한 성능을 보였다. 김철홍 교수는 “자외선 영역에서도 투명한 초음파 센서를 개발한 연구는 이번이 처음”이라며, “수술 중 조직검사의 정확성을 높여 촌각을 다투는 환자들에게 큰 도움이 되기를 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견기술사업, BRIDGE융합연구개발사업, 대학중점연구소지원사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업, BK21사업, 산업혁신인재 성장지원(R&D)사업 지원으로 수행됐다. 1. 자외선 광음향 현미경(Ultraviolet Photoacoustic Microscopy) 형광 라벨을 사용하지 않고 세포 내에서 핵산(DAN 또는 RNA)를 이미지화 하는데 사용하는 현미경이다. 2. 개구수(Numerical Aperture) 렌즈가 물체로부터 고정된 거리에서 빛을 모으는 능력을 말한다.

기계 김석 교수팀, 차가운 반도체에 따뜻한 미술 한 방울

[김석 교수팀, 반도체 · 초소형 전자 소자를 위한 리소그래피 마스크 개발] 스텐실(Stencil)은 판에 구멍을 낸 후 잉크를 통과시켜 그림을 표현하는 미술 기법이다. 이 기법은 전자 · 반도체 분야에서도 찾아볼 수 있다. 스텐실 리소그래피(lithography)는 섀도 마스크(shadow mask)라는 도안을 사용해 기판에 금속을 쌓아 패턴을 만드는 기술이다. 보통 나노미터(nm) 규모의 소자나 회로를 만드는 데 활용되는데, 평면이 아닌 곡면에서는 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 기계공학과 김석 교수 · 통합과정 이상엽 씨, 화학공학과 정대성 교수 연구팀은 평면과 곡면에서 모두 사용할 수 있으며, 구조적 손상 없이 부착 · 분리가 가능한 스텐실 리소그래피용 섀도 마스크(shadow mask)를 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 테크놀로지(Advanced Materials Technologies)’의 앞 속표지 논문(front inside cover)으로 지난 10일 게재됐다. 굴곡이 있는 표면에서 스텐실 리소그래피 공정을 진행하려면 섀도 마스크가 곡면 형태에 적합하도록 유연하고 얇아야 한다. 현재 유기 소재로 제작된 마스크를 사용하고 있으나 보관 · 조작이 어렵고 손상되기 쉬워 다시 사용하기 어려웠다. 또, 기존 연구에서는 섀도 마스크를 정렬하기 위해 추가 구조물이 필요했는데, 그로 인해 기판 재료 선택과 공정 확장에 제한이 많았다. 연구팀은 이전 연구에서 아세톤을 사용해 실리콘 박막이 틀에서 자체적으로 분리되는 기술을 개발했다. 핀셋이나 손으로 실리콘을 떼어낼 필요가 없어 실리콘을 손상하지 않고 마스크를 만들 수 있다. 연구팀은 이 기술을 이용해 평면과 곡면 모두 적용할 수 있는 매우 얇은 실리콘 섀도 마스크를 만들었다. 그리고, 섀도 마스크를 기판에 부착하기 위해 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 건식 접착제를 만들었다. 마스크와 기판 사이의 거리가 가까울수록 패턴의 해상도가 높아져 선명하게 패턴을 인쇄하려면 그 거리를 좁혀야 한다. 이 접착제는 붙였다 떼도 깔끔한 포스트잇(post-it)처럼 기판에 마스크를 편리하게 부착 · 분리할 수 있었으며, 그 과정에서 어떠한 손상도 없었다. 연구팀은 새로 개발한 마스크와 접착제로 굴곡이 있는 기판에서 선명하게 패턴을 인쇄했다. 또, 반도체 공정에서 주로 사용하는 크롬(Cr)과 티타늄(Ti) 금속을 층층이 쌓아 올리는 다층 패터닝과 곡면과 평면 기판에서 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 제작도 성공했다. 이번 연구를 이끈 김석 교수는 “높은 해상도와 곡면 호환성, 다층 패터닝을 모두 이룬 섀도 마스크를 개발했다”며, “여러 번 사용한 후에도 식각액 등으로 세척하면 마스크를 다시 사용할 수 있어 잠재력이 무궁무진하다”고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, PIM인공지능 반도체 핵심기술개발사업, 기초연구실사업의 지원으로 진행됐다.

환경 감종훈 교수팀, ‘팬데믹 = 건강생활, ’엔데믹 =여행’ 인공지능이 읽었다

[감종훈 연구팀, 소비 패턴 분석에 대한 빅 데이터 가치 입증] 코로나 엔데믹의 영향으로 해외 여행객이 꾸준히 증가하고 있다. 여신금융협회에 따르면 올해 3분기 말 카드사 7곳의 개인용 체크카드 해외 결제액이 전년 대비 약 38% 증가했다. 팬데믹과 엔데믹으로 인한 사회적 변화를 분석하려면 이처럼 카드나 공항 이용 실적 자료가 필요하다. 그런데, 최근 머신러닝 기술로 사람들의 소비 패턴을 읽어낸 연구가 발표되어 화제를 모으고 있다. 환경공학부 감종훈 교수 · 통합과정 송지암 씨 연구팀은 최첨단 인공지능 기술로 코로나 팬데믹이 사람들의 온라인 소비 심리와 행동에 미친 영향을 분석했다. 이번 연구는 사회과학 융합 분야 국제 학술지인 ‘인문학과 사회과학 커뮤니케이션(Humanities and Social Sciences Communications)’에 게재됐다. 로그(log)는 시스템이나 웹사이트 내 활동에 대한 기록으로 데이터 로깅(data logging)은 이를 기록 · 저장하는 기술이다. 기업은 데이터 로깅으로 제품 검색 패턴을 분석하고, 쇼핑 트렌드를 파악한다. 특히, 특정 제품에 대한 검색량이 증가하면 수요가 늘어나고 있다고 판단해 새로운 재고 관리 계획을 세운다. 국내 주요 포털 사이트인 네이버(NAVER)는 데이터 로깅으로 저장된 제품 검색 데이터를 제공하고 있다. 연구팀은 이를 기반으로 2017년부터 2021년까지 1,800개 이상의 제품 온라인 검색 데이터를 머신러닝 기술인 주성분 분석(PCA)*1 방법으로 분석했다. 또, 팬데믹과 소비 패턴 간 관계를 파악하기 위해 코로나의 심각성과 관련된 치명성 지표와 정부의 강력한 정책과 관련된 엄격성 지표 등 총 6개의 지표를 사용했다. 그 결과, 사회적 거리두기 등 정부의 정책으로 외부 활동이 엄격하게 제한되고, 건강에 대한 우려가 높아진 코로나 발생 직후에는 건강과 생활 카테고리의 제품 온라인 검색량이 증가했다. 또, 시간이 지나 정부의 정책이 완화되고, 코로나에 대한 사람들의 공포심이 줄어든 시기에는 면세 · 여행 관련 제품에 대한 온라인 검색량이 늘어났다. 코로나의 심각성과 정부의 정책 수준에 따라 사람들의 제품 검색 패턴에 변화가 생긴 것이다. 또, 연구팀은 분석 결과를 ‘RCA 프레임워크*2’ 이론으로 설명했다. 팬데믹이라는 특수한 상황으로 인해 사람들의 구매 패턴이 변하는 시기는 반응(React) 단계에, 새로운 구매 패턴을 찾게 되는 시기는 대처(Cope) 단계에 해당하며, 새로운 구매 패턴이 정착되는 시기가 바로 적응(Adapt) 단계인 것이다. 이번 연구를 이끈 감종훈 교수는 “팬데믹을 포함해 여러 글로벌 위기 속에서 대중들의 온라인 소비 심리와 구매 패턴을 예측하는 것은 기업의 리스크와 공급 관리 관점에서 매우 중요하다”며 빅 데이터의 가치를 강조했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐다. 1. 주성분 분석(Principal Component Analysis) 데이터의 변수가 너무 많을 때,주요 특징을 추출해 차원을 축소하는 방법이다. 2. RCA 프레임워크(RCA Frame work) 사람들의 행동 변화를 반응(React), 대처(Cope), 적응(Adapt) 단계로 설명하는 이론이다.

환경 감종훈 교수팀, 댐, 이제는 AI로 똑똑하게 운영한다

[감종훈 교수팀, 인공지능 모델로 댐 운영 분석 성공] 수년간의 가뭄 이후 집중호우가 내렸던 2020년 8월, 섬진강 인근 댐의 물을 방류하는 과정에서 강이 범람해 1천억 원 이상의 피해가 발생했다. 수해 원인은 당시 댐의 수위를 평소보다 6m가량 높게 유지했기 때문이다. 미리 이 상황을 예측하고 댐을 관리했다면 충분히 막을 수 있지 않았을까? 최근 환경공학부 감종훈 교수 · 통합과정 이은미 씨 연구팀은 딥 러닝(Deep Learning) 기술을 이용해 댐 운영 패턴을 분석하고, 그 실효성을 검증했다. 이번 연구는 수자원 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘저널 오브 하이드롤로지(Journal of Hydrology)’에 게재됐다. 우리나라는 강수가 여름에 집중되어 댐 등의 시설로 물을 관리한다. 그러나 세계적 기후 위기로 예상치 못한 태풍과 가뭄이 반복되며 댐 운영에 어려움을 겪고 있다. 이를 극복하기 위해 최근 기존 물리적 모델에서 나아가 빅데이터를 학습한 인공지능(이하 AI) 모델을 활용한 새로운 연구가 시도되고 있다. 연구팀은 AI 모델로 섬진강 유역에 있는 댐들(섬진강댐, 주암댐, 주암조절댐)의 운영 패턴을 예측하고, 또 어떻게 댐 수위를 예측하는지 설명가능한 시나리오를 개발하는 데 주목했다. 연구팀은 2002년부터 2021년까지 섬진강 인근 댐의 데이터로 딥 러닝 알고리즘 중 하나인 게이트 반복 단위(Gated Recurrent Unit, 이하 GRU) 모델을 학습시켰다. 이때, 댐의 강수량과 유입량, 유출량 데이터를 입력값으로, 시간당 댐 수위를 출력값으로 사용했다. GRU 모델을 통한 분석은 효율성 지수 0.9 이상의 높은 정확도를 보였다. 이어, 연구팀은 입력값들을 -40%, -20%, +20%, 40%로 조절하며 설명가능한 시나리오들(Explainable Scenarios)을 디자인했다. 또 이를 활용해 학습된 GRU 모델이 입력값들의 변화에 따라 어떻게 수위를 결정하는지 분석했다. 강수량의 변화에 대해서는 댐의 수위가 크게 변하지 않은 반면, 댐을 통한 유입량 변화에 따라 댐 수위가 크게 변했다. 또한, 같은 유출량 변화에도 댐마다 다른 수위 변화를 확인해 각 댐의 운영 방식을 GRU 모델이 학습한 것을 확인했다. 감종훈 교수는 “AI 기술로 댐 운영 방식과 패턴을 분석하고, 실효성을 검증했을 뿐 아니라 지금까지 AI 기반 블랙박스 모델(Black Box Model)로 어떻게 댐 수위를 결정하는지 간접적으로 이해하는 방법론을 제시했다”며, “앞으로 댐 운영 방식을 이해하고 효율적으로 운영하는 데 도움이 되기를 바란다”고 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.

신소재 한세광 교수팀, 금, 이제 웨어러블 기기의 황금빛 미래를 연다

[한세광 교수팀, 금 나노 와이어를 이용해 지능형 의료용 통합 센서 개발] 올림픽에서 가장 우수한 성적을 낸 사람은 금으로 된 메달을 받는다. 동서고금을 막론하고 금은 부와 명예의 상징이다. 금은 공기 중에서 안정하고 전기 전도성이 높아 의료용 및 에너지 분야에서 ‘1등 촉매’로 빛을 내고 있는데, 최근 최첨단 웨어러블(wearable) 기기 분야에서도 그 빛을 발해 주목을 모으고 있다. 신소재공학과 한세광 교수 · 김태연 박사 연구팀은 두 가지 종류의 생체 신호를 동시에 측정하고, 처리하는 통합형 웨어러블 센서 기기를 개발했다. 이번 연구는 소재 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다. 웨어러블 기기는 부착형과 패치형 등 그 형태가 다양하며, 물리 · 화학 · 전기 생리학적 신호를 감지해 질병을 진단하고 관리하는 데 도움을 준다. 최근 다양한 종류의 생체 신호를 동시에 측정하는 웨어러블 기기 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 각 신호를 측정하는 소재가 서로 달라 소재 간 계면(interface) 손상이 심하고 제작 과정이 복잡하며 안정성이 낮다는 문제점이 있었다. 또한, 각 신호를 구분하기 위한 후속 신호 처리 시스템과 알고리즘이 추가로 필요했다. 연구팀은 금(Au) 나노와이어(nanowire)로 이를 해결했다. 웨어러블 기기에는 매우 얇고 가벼우면서 전기 전도성이 우수한 은(Ag) 나노와이어가 사용되고 있는데, 여기에 금을 결합했다. 먼저, 갈바닉(galvanic)*1 현상을 억제해 은 나노와이어 겉에 금을 코팅한 벌크(bulk)형 금 나노와이어를 제작했다. 또, 금이 코팅된 나노와이어의 안쪽에 있는 은만 부분적으로 깎아내 중공(hallow)형 금 나노와이어를 만들었다. 벌크형 금 나노와이어는 온도 변화에 민감했으며, 중공형 금 나노와이어는 아주 미세한 스트레인(strain)*2 변화도 감지했다. 이어, 연구팀은 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 고분자로 구성된 기판에 두 나노와이어를 경계 없이 하나의 패턴처럼 가공했다. 다른 특성을 가진 두 금 나노와이어로 온도와 스트레인을 모두 측정할 수 있는 통합형 센서를 만든 것이다. 또한, 이 패턴에 마이크로미터(μm) 크기의 주름 구조를 도입했을 때 나타나는 네거티브 게이지 팩터(negative gauge factor)*3를 바탕으로 신호 분석을 위한 논리회로를 제작했다. 하나의 재료로 신호 측정과 분석이 동시에 가능한 지능형 웨어러블 디바이스 시스템을 성공적으로 구현한 것이다. 실험 결과, 연구팀이 제작한 센서는 미세한 근육의 떨림과 손상, 심장박동, 성대 떨림에 의한 음성인식, 체온의 변화를 측정하는 성능이 우수했으며, 소재 간 계면의 손상이 없어 안정성이 높았다. 또, 유연하면서도 잘 늘어나는 연신성이 우수해 굴곡진 피부에도 잘 부착되었다. 한세광 교수는 “이번 연구로 다양한 생체 신호를 분석할 수 있는 미래형 바이오 일렉트로닉스 플랫폼 개발 가능성을 확인했다”며, “헬스케어 및 융합형 전자 시스템 등 다양한 산업 분야에서 새로운 가능성을 확인했다”라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 바이오 의료기술개발 사업, 포스코 홀딩스의 지원으로 수행됐다. 1. 갈바닉(galvanic) 전위차가 있는 두 가지 금속을 사용해 한 금속이 부식 · 도금되거나 전류가 흐르게 되는 현상이다. 2. 스트레인(strain) 피부, 근육, 인대, 혈관, 관절 등의 조직에 힘이나 압력이 가해질 때 발생하는 변형을 나타낸다. 3. 네거티브 게이지 팩터 (negative gauge factor) 스트레인이 증가할 때, 저항이 감소하는 현상이다.

친환경소재/화공 조창신 교수팀, 피부에 바르지 마세요, 배터리에 양보하세요

[조창신 교수팀, 화장품 원료인 바이오 고분자로 배터리 전극 보호막 개발] 양배추 등 식물에서 얻은 균에 탄수화물을 주입한 잔탄검(xanthan gum)은 화장품의 좋은 성분들이 피부에 오래 남아있도록 보호막 역할을 한다. 그런데 최근 이 물질로 피부가 아닌 배터리 전극의 보호막을 만든 흥미로운 연구가 나와 눈길을 모으고 있다. 친환경소재대학원 · 화학공학과 조창신 교수, 박사과정 장주영 씨 연구팀은 고분자를 혼합해 배터리 전극의 내구성을 높여줄 보호막을 개발했다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’에 게재됐다. 태양광 등 재생 에너지를 이용한 전력 생산은 매우 불규칙하다. 그래서 전력을 저장한 후 필요할 때 사용하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, 이하 ESS)이 재생 에너지를 위한 핵심기술로 주목받고 있다. 보통 ESS의 배터리로 리튬(Li) 이온 배터리를 많이 사용하는데, 가격이 높고 리튬이 고갈될 우려가 있어 이를 대체하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 리튬을 대체할 후보 물질 중 하나는 바로 지구상에 풍부한 아연(Zn)이다. 아연 이온 배터리는 많은 양의 전력을 저장할 수 있고, 리튬 이온 배터리에 비해 화재의 위험으로부터도 안전하다. 그러나 ESS 배터리 전극에 아연을 균일하게 증착시키는 공정이 까다롭고, 충 · 방전이 반복되는 경우 아연 표면에 나뭇가지 모양의 결정이 형성되며 전지의 내구성을 떨어뜨린다는 문제가 있었다. 연구팀은 이번 연구를 통해 바이오 고분자인 잔탄검과 이온전도성 고분자로 전극의 보호막을 제작했다. 두 고분자의 상호작용으로 전극 표면에는 매끄러운 막이 형성되었고, 물리적 충격과 화학적 오염으로부터 전극을 보호했다. 또, 이 막은 산소 작용기가 풍부해 아연의 균일한 핵 형성을 도와 전극 표면에 아연이 잘 증착되도록 했다. 그 결과, 아연 표면에 나뭇가지 모양의 결정이 형성되는 비율이 급격하게 줄었으며, 200일 동안 충 · 방전을 반복한 후에도 높은 안정성을 보였다. 조창신 교수는 “이번 연구가 친환경 에너지 생산을 위한 ESS 기술 상용화에 큰 도움이 되면 좋겠다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 한국에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다.

화학 최창혁 교수팀, 수소 상용화를 위한 또 한 걸음

[POSTECH·KAIST·KIST, 촉매 성능 저하 요인 규명 및 내구성 향상한 촉매 개발] 수소와 산소만으로 전기를 만드는 수소 연료전지는 친환경 수소 경제의 핵심 기술이다. 이 전지의 양극은 촉매 물질로 덮여있는데, 성능이 좋은 금속은 가격이 비싸고, 저렴한 비귀금속 물질은 내구성이 비교적 낮다는 한계가 있었다. 그런데 최근 POSTECH 연구팀이 내구성과 경제성 측면에서 모두 합격점을 받을 수 있는 수소 연료전지용 촉매를 만들었다. 화학과 최창혁 교수, KAIST(한국과학기술원) 화학과 김형준 교수, KIST(한국과학기술연구원) 오형석 박사 연구팀은 철-질소-탄소(Fe-N-C) 촉매 성능을 떨어뜨리는 주요 원인을 밝히고, 내구성을 높일 합성 전략을 제시했다. 이번 연구는 화학 · 화학공학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 게재됐다. 철을 기반으로 한 철-질소-탄소 촉매는 수소 연료전지에서 값비싼 귀금속 대신 사용되고 있다. 하지만 수소차 등에 실제로 적용하면 촉매의 열화현상으로 연료전지의 성능이 급격하게 저하된다는 문제가 있었다. 연구팀은 수소 연료전지 구동 중 실시간으로 전극의 열화를 모니터링하는 질량 분석기(ICP-MS) 기반 분석 시스템을 이용했다. 이 시스템으로 촉매의 변화를 추적한 결과, 전지에 전압이 가해지면 촉매를 구성하는 철 이온이 전해질 속으로 용출(涌出)되었다. 그로 인해 활성점(active site)*1 금속인 철의 밀도가 급격하게 감소하며 촉매의 안정성이 낮아져 전지에 흐르는 전류량이 감소했다. 연구팀은 시간에 따른 촉매 활성 감소 원인을 활성점 밀도와 전환빈도(turnover frequency)*2 의 변화로 밝혀냈다. 이어, 연구팀은 전지 온도와 기체 조성, 산성도(pH) 등 조건이 철의 용출과 전지 성능에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, 온도와 산성도는 용출되는 철의 양을, 기체 조성은 용출된 철 이온의 상(phase)을 결정하는 데 큰 역할을 했다. 이를 바탕으로 연구팀은 철-질소-탄소 촉매의 내구성을 높이기 위한 합성 전략을 제시했다. 연구팀은 철 이온 주변에 안정제 금속 이온을 도입하여 활성점 금속인 철의 용출을 효과적으로 완화했다. 그리고, 이를 수소 연료전지 양극에 적용하여 전지의 안정성과 내구성을 높임으로써 기술 상용화에 한 걸음 더 다가갔다. 연구를 이끈 최창혁 교수는 “철-질소-탄소 촉매의 내구성을 저하시키는 요인을 명확하게 규명했다”며, “수소 연료전지를 포함한 다양한 신재생 에너지 분야에서 전지의 효율을 높일 촉매 역할을 하기 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래소재디스커버리 지원사업과 집단연구지원사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 1. 활성점(active site) 촉매에서 특정 화학 반응을 촉진하는 부분을 말한다. 2. 전환빈도(turnover frequency) 활성점 당 단위시간에 전환되는 분자의 개수다.

신소재/친환경소재 김용태 교수팀, 급정거로 늙는 수소차, 텅스텐이 방지한다

[김용태 교수팀, 텅스텐 산화물 코팅으로 수소 연료전지 내구성 향상] 보통 휴대폰을 구매하면 가장 먼저 튼튼한 케이스와 액정 보호 필름을 찾게 된다. 외부의 충격으로부터 휴대폰을 보호해야 하기 때문이다. POSTECH 연구팀은 최근 이러한 케이스와 필름처럼 친환경 수소 연료전지 전극을 보호하는 텅스텐 코팅법으로 학계의 주목을 받고 있다. 최근 신소재공학과 · 친환경소재대학원 김용태 교수, 신소재공학과 박사과정 유상훈 씨 연구팀은 수소 연료전지 핵심 부품인 막 · 전극 접합체(이하 MEA)*1를 텅스텐 산화물(이하 WO3)로 코팅해 전극의 성능과 효율을 높였다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’의 표지 논문(front cover)으로 게재됐다. 수소차의 시동을 걸거나 차가 갑자기 정지하는 경우(Start-up/Shut-down, 이하 SU/SD) 차 내부로 외부 공기가 유입된다. 이 공기에 포함된 산소로 인해 전지 내부에 전기화학 반응이 일어나 촉매의 부식이 촉진된다. 도로 위를 달리고 멈추는 자동차의 특성 상 SU/SD 상황은 빈번하게 발생할 수밖에 없으며, 이로 인한 촉매의 성능 열화 역시 심각한 수준이다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 금속-절연체 전이(metal-insulator transition, 이하 MIT)를 이용했다. MIT는 주변 기체의 농도나 온도 등 외부 자극으로 전기가 흐르지 않던 절연체에 전류가 흐를 수 있게 되는 현상이다. WO3은 양성자의 삽입과 분리에 따라 MIT 현상을 구현하여 선택적으로 전도도를 가지는 특성이 있다. 연구팀은 WO3를 MEA의 양극에 있는 촉매 층 위에 코팅하여 일반적인 작동 조건에서는 전기 전도성을 가지다가 SU/SD 조건에서만 선택적으로 전류의 흐름을 차단해 촉매의 부식을 유발하는 전기화학적 반응을 억제했다. WO3가 코팅된 MEA를 실제 셀에 적용한 결과, SU/SD 조건에서 촉매가 부식되지 않았고, 94%의 높은 성능 유지율을 보였다. WO3를 MEA에 코팅하는 연구팀의 기술은 전지의 내구성 향상에 아주 효과적이면서 동시에 이미 어느 정도 양산화 조건이 잡혀있는 MEA 공정에 바로 적용할 수 있다는 효용성까지 갖추고 있다. 김용태 교수는 “상용 수소연료전지 자동차 내구성을 높이는 데 직접적이면서도 효과적으로 기여할 수 있을 것”이라며, “무엇보다 MEA 양산 공정에 즉시 적용할 수 있어 실용화가 수월할 것으로 기대한다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 미래소재 디스커버리 사업과 중견연구자 지원사업의 지원으로 진행됐다. 1. 막·전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 수소와 산소의 화학 에너지를 전기로 변환시켜주는 역할을 하는 연료전지의 핵심 소재