- 광촉매를 이용해 물속에 잔류한 미량 알코올을 빠른 시간 안에 완전 제거 - 반도체 생산라인 증설에 따른 폐수처리 수요 증가 대비 반도체나 전자제품 생산 공정에서 표면에 있는 불순물을 제거하기 위하여 알코올류가 사용되고, 이를 함유한 폐수는 역삼투압, 오존, 생물학적 분해 등의 방식으로 처리되고 있다. 그러나 이러한 방식으로는 고농도의 알코올 폐수를 저농도로 낮추는 것은 가능하지만 저농도의 알코올 폐수에서 알코올류를 완전 분해 처리하기는 어렵다. 알코올류는 물과 잘 섞이는 성질이 있어 물리적 방법으로는 완전 분리가 불가능하며, 화학적 또는 생물학적 방법으로는 그 처리가 매우 비효율적이기 때문이다. 이 때문에 저농도로 1차 처리된 알코올 폐수는 다량의 깨끗한 물로 희석한 후 방류하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 극한소재연구센터 김상훈, 문건희 박사 연구팀이 고도산화공정에서 촉매제로 사용되는 산화철에 극미량의 구리를 첨가함으로써 물속의 미량 알코올을 빠른 시간에 완전히 분해할 수 있는 광촉매 재료를 개발했다고 밝혔다. 연구진은 수처리 고도산화공정 중 산화제와 촉매를 사용하는 펜톤산화법을 사용했다. 펜톤산화법에서 알코올류는 라디칼 생성을 검증하는 시약으로 사용되었으나, 이번 연구에서는 제거 목표 물질로 주목한 것이 특징이다. 이는 반도체 폐수처리에 투입되는 비용과 수자원을 획기적으로 줄일 수 있는 수처리 기술이다. 기존에는 10ppm의 알콜 폐수를 1ppm 이하 농도로 낮추려면 처리하고자 하는 폐수의 10배에 해당하는 깨끗한 물을 희석 용도로 투입했다. 그런데, KIST가 개발한 광촉매를 수처리 공정에 활용하면 그만큼의 수자원을 절약할 수 있게 된다. 연구팀은 실제 반도체 공정에서 폐수를 받아와 개발한 광촉매를 적용했으며, 그 결과 실험실에서 보였던 것과 비슷한 알코올 분해 성능을 보여 실제 적용 가능성이 크다는 사실도 입증했다. KIST 김상훈 박사는 “평택과 이천에 대규모 반도체 생산라인의 신설이 예정되어 있어 향후 반도체 폐수처리 수요도 빠르게 증가할 것으로 예상된다”라면서, “이번 연구결과는 적은 자원과 비용으로 반도체 폐수를 효과적으로 처리하는 해결책을 제공할 수 있을 것”이라고 의의를 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부 국가핵심소재연구단의 소재혁신선도사업과 환경부 환경기술개발사업 및 한국과학기술연구원 주요사업에서 지원받아 한국과학기술연구원이 수행하였으며, 관련 논문은 화공 및 환경 분야의 대표적인 학술지인 Chemical Engineering Journal(IF: 14.610, JCR(%): 2.465)에 게재 예정이다. * (논문명) Control of copper element in mesoporous iron oxide photocatalysts towards UV light-assisted superfast mineralization of isopropyl alcohol with peroxydisulfate - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Le Thi Thao 학생연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 책임연구원, 문건희 선임연구원 그림설명 [그림 1] 이소프로필알콜 (IPA)을 개발한 촉매를 이용해 광촉매 펜톤산화법으로 분해하는 반응기작 얼개도

- 피부처럼 손상 정도 파악이 가능하고 스스로 회복 - 반복하여 재사용해도 기능성을 유지해 폐기물 절감 가능 자동차나 선박, 건물은 외부 환경으로부터 내부를 보호하기 위해 사람의 피부에 해당하는 코팅제를 표면에 바른다. 현재 사용되고 있는 코팅제는 손상 여부를 파악하기 힘들고, 재사용도 불가능해 일정 기간이 지나면 일괄 교체해야 한다. 이 때문에 대량의 폐기물과 처리 비용이 발생하고 있다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 김태안 박사팀이 손상 부위에 색 변화가 나타나 즉각적인 진단이 가능하면서 높은 온도에서 스스로 회복하는 코팅 소재를 개발했다고 밝혔다. 기존에 연구되고 있는 손상 감지 또는 자가 회복이 가능한 코팅 소재는 기능성 물질을 포함하고 있는 매우 작은 캡슐을 혼합하는 방식이다. 하지만 한번 깨진 캡슐은 다시 사용할 수 없으므로 반복적인 손상 감지와 자가 회복이 어렵다. KIST 연구진은 외부 자극으로 화학적 결합이 끊어지더라도 원래의 형태로 돌아올 수 있는 화학적 구조를 지닌 분자를 이용해 손상 진단과 자가 회복 기능을 여러 번 반복하여 구현할 수 있는 소재를 개발했다. 본 연구에서는 외부에서 힘이 가해질 때 특정 화학적 결합이 끊어지면서 색을 나타내는 기능을 가진 응력 시각화 분자와, 온도에 의해 결합이 분리되었다 재형성 될 수 있는 분자가 도입된 고분자 소재를 합성했다. 응력 시각화 분자에 힘을 가하면 특정 결합이 끊어지며 색을 나타낼 수 있는 형태로 바뀐다. 합성된 코팅 소재는 손상된 부위가 보라색이 되었다가 100도 이상의 온도를 가하면 가공 가능한 형태로 바뀌면서 물리적으로 치유되어 무색이 되는 특성을 보였다. 연구진은 분자 단위의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기계적 힘을 가해 원하는 특정 화학적 결합만이 선택적으로 끊어져 색이 나타나는 구조로 바뀔 수 있음을 예측하였고, 이에 실제 코팅제를 합성하여 그 기능이 구현되는 것을 확인했다. 본 연구에서 개발된 다기능성 코팅 소재는 자동차, 해양, 방호, 목재, 철도, 포장, 항공 우주 사업 등 기존 산업용 코팅제의 적용 분야 전반에서 광범위하게 활용되어 산업용 폐기물을 절감하는 데 크게 이바지할 수 있다. 또한, 외부의 에너지원 없이 피부와 유사한 기능을 수행할 수 있어 휴머노이드와 같은 로봇의 인공피부로도 활용이 기대된다. KIST 김태안 박사는 “캡슐과 같은 외부 인자의 도움 없이도 소재 스스로 손상 감지와 자가 회복 기술을 동시에 구현하는 방안을 제시한 연구”라고 말하며, “다만 반복적인 자가치유가 가능하다고 하더라도 영구히 사용할 수 있는 것은 아니므로, 수명 한계에 다다른 소재를 환경에 해가 없는 물질로 분해하거나 재자원화할 수 있는 형태로 변환하는 추가 연구를 진행 중이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업(K-Lab)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지인 ‘NPG Asia Materials’(IF: 10.761) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Mechanochromic and thermally reprocessable thermosets for autonomic damage reporting and self-healing coatings - (제 1저자) 한국과학기술연구원 윤수빈 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김태안 선임연구원 그림설명 [그림 1] 손상 감지 및 자가 회복이 동시에 가능한 코팅제의 작동원리 [그림 2] 다양한 기판에 코팅제로 적용되어 손상 발생 및 자가 회복 기능을 수행

- 네펜데스를 모사한 섬모구조를 재생 셀룰로오스 등 친환경 소재에 구현 - 해수에서 고형화 된 저유황유도 잘 걸러지는 친환경 기름 뜰채 개발 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 대기오염의 주원인인 황산화물(SOx)의 발생을 억제하고 기후변화에 대응하기 위해 2020년부터 황 함량이 0.5% 이하인 저유황유만을 선박 연료유로 사용하는 IMO2020을 발표했다. 기존 연료유의 황 함유량 상한선이 3.5%인 것을 고려하면 환경오염을 줄이고자 하는 적극적 행보이다. 하지만 저유황유는 점도가 매우 높고, 특히 기름이 바다에 유출되면, 차가운 해수와 만나 고체처럼 딱딱해진다. 이렇게 고형화된 저유황유는 기존 기름 회수 장비로는 회수가 어려워 특화된 방제 기술의 개발이 필요한 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 극한소재연구센터 문명운 박사 연구팀과 고려대학교(총장 정진택) 기계공학과 정석 교수 연구팀은 이러한 저유황유 등 고점도 유출유에 대응하기 위해 셀룰로오스 소재를 이용해 기름을 떠서 제거하는 친환경 기름 뜰채를 개발했다고 밝혔다. 개발된 기름 뜰채는 식충식물인 네펜데스의 곤충채집 원리를 적용한 것이다. 네펜데스의 포충낭 표면에는 곤충을 채집하기 위한 섬모가 있는데, 이 섬모는 물을 쉽게 흡수해 물층을 견고하고 두껍게 유지하는 역할을 한다. 곤충들은 네펜데스의 화려한 색과 향기에 끌려 포충낭 입구로 이동하고, 입구에 있는 섬모에 미끄러져 내부로 들어가게 된다. 연구진은 셀룰로오스 소재의 막(멤브레인)에 네펜데스의 섬모구조를 모사한 나노섬모를 제작해 단단한 물 구조층(윤활층)을 소재 표면에 유지되도록 했다. 이렇게 만들어진 소재를 뜰채에 적용할 경우 물윤활(water lubricant) 원리 물윤활 원리 : 표면과 물질 사이에 물막을 형성하여 표면과 물질의 접촉에서 발생하는 마찰, 점착을 제어 하는 것에 의해 표면에서 기름이 쉽게 미끄러지고, 물은 잘 통과하는 현상을 확인할 수 있었다. 연구진은 실제 효과를 검증하기 위해 저유황유의 바다 기름 유출 현장의 기름회수 평가를 진행한 결과, 저유황 선박연료유 기준 1일 1톤 규모의 기름을 회수할 수 있음을 확인했다. 기존 소재의 경우 소수성 소재에 친수성 코팅을 해 수 회 사용 후에는 소재 표면이 기름에 쉽게 오염되는 현상을 보였으나, 개발된 소재는 견고한 물 윤활층을 유지함으로써 수백 회 이상 사용 시에도 성능 저하 없이 작동해 뛰어난 내구성을 보였다. KIST 극한소재연구센터 문명운 책임연구원은 “본 기술은 식물의 구조를 소재에 모사해 성능과 내구성을 모두 향상시켰다는 데 의의가 있다”며, “기름 뜰채나 유출유 회수기와 같은 오염 방제기기 뿐만 아니라 기름제거용 장갑이나 작업 의류에 적용 범위를 넓힐 수 있다는 장점이 있다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 해양경찰청 과제를 통해 수행되었으며, 연구 결과는 소재, 환경 분야 국제학술지 ‘Advanced Science*’ (IF 17.521)에 5월(5월 5일-온라인)에 표지논문으로 선정되었으며 및 환경 분야 국제학술지 ‘Environmental Pollution**’ (IF: 9.98)에 6월(온라인)에 잇따라 게재되었다. * (논문명 1) Slippery, Water-infused Membrane with Grooved Nanotrichomes for Lubricating-induced Oil Repellency - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이영아 학생연구원 - (교신저자-공동) 고려대학교 정 석 교수 - (교신저자-공동) 한국과학기술연구원 문명운 책임연구원 ** (논문명 2) Hygroscopic Ramie Fabrics for Recovering Highly Viscous Low Sulfur Fuel Oil - (제 1저자-공동) 한국과학기술연구원 이영아 학생연구원 - (제 1저자-공동) 한국과학기술연구원 박영철 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 문명운 책임연구원 그림 설명 * (논문명 1) Slippery, Water-infused Membrane with Grooved Nanotrichomes for Lubricating-induced Oil Repellency [그림 1] 식충식물의 변형잎 (포충낭)안에 개미들이 빠져 있는 모습. 잎내부의 기다란 섬모는 물층을 두껍게하고, 두꺼워진 물층은 매우 미끄러우며, 개미 등의 곤충이 쉽게 미끌어지게 되어 포충낭 속으로 빠짐. 포충낭에 빠진 개미들은 포충낭 속 소화액에 녹아서 식충식물의 부족한 영양분이 됨. [그림 2] 물 윤활층 형성 및 물윤활층 위의 기름 거동 이미지. A) 두꺼운 물 윤활층 위에서 기름이 분리되는 과정. C) 두꺼운 물층. B) 얇은물 윤활층 위에서 기름이 붙어 있는 과정. D) 얇은 물층. [그림 3] 나노기름뜰채 적용 이미지. A, B & C) 공기중에서 기름이 씻겨나가는 과정. D) 저유황유용 기름뜰채에서 기름제거 모습. ** (논문명 2) Hygroscopic Ramie Fabrics for Recovering Highly Viscous Low Sulfur Fuel Oil [그림 4] 모시 소재 이용 ‘기름 묻지 않은 장갑’ 이미지. 모시로 만든 기름장갑(i)에 기름을 묻히고(ii) 다시 물에 넣으면 (iii & iv) 깨끗이 씻겨나가는 모습

- 이오노머 미세다공성 구조에 영향 미치는 분산용매 파라미터 발견 - 고온, 무가습 조건에서 고분자전해질 수소연료전지 성능 향상 수소연료전지는 수소와 공기 중의 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 만들어내는 장치로, 공해 물질을 배출하지 않아 친환경 전원 공급 장치로 주목받고 있다. 다양한 방식의 수소연료전지 가운데 이온교환이 가능한 고분자 막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)는 비교적 무게가 가볍고 시동 시간이 빨라 가정용, 자동차용 전원으로 연구되고 있다. PEMFC는 작동 온도가 높을수록 전기화학 반응 속도가 빨라지고 불순물에 대한 높은 저항성을 갖기 때문에 고성능을 요구하는 트럭, 지하철, 기차, 비행기, 선박 등에 사용될 수 있다. 그러나 100℃ 이상의 고온에서는 고분자 내 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소하는 것을 방지하기 위해 별도의 냉각 시스템이 필요하고, 이로인해 증가되는 무게는 PEMFC의 효율성 저하로 이어진다. 냉각 시스템 없이 PEMFC를 사용하기 위해서는 80~200℃의 고온·무가습 조건에서의 성능 개선이 필요한 상황이다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사팀이 로스알라모스 연구소 (LANL) 김유승 박사팀과의 공동연구를 통해 고분자전해질 연료전지의 성능향상에 핵심역할을 하는 이오노머의 미세다공성 구조를 조절할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 포스폰산(RPO3H2)을 함유하는 고분자와 설폰산(RSO3H)을 함유하는 고분자를 조합하면 산의 세기가 더 센 설폰산의 수소가 포스폰산으로 전달되고, 양성자화된 포스폰산 이오노머가 형성된다. 이러한 복합 이오노머를 사용하면 물 없이도 이온전도가 가능하여 고온·무가습 조건에서 높은 수소연료전지 성능을 보이게 된다. 여기에 반응기체인 수소와 산소의 접근성을 높인다면 더 높은 성능 향상을 기대할 수 있다. KIST-LANL 공동연구진은 복합 이오노머가 미세다공성 구조를 가지도록 하여 반응기체의 접근성을 유도하였다. 연구진은 복합 이오노머의 미세다공성 구조는 이를 분산시킨 용매에 달려있으며, 특히 분산 용매의 pKa (산의 세기)와 포스폰산 이오노머 미세다공성 구조 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것을 밝혀냈다. 이후 고온-수소연료전지의 성능평가를 통해 복합 이오노머의 미세다공성 구조가 연료전지의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. KIST 이성수 박사는 “이번 성과는 고온-수소연료전지에서 이오노머 분산 용매의 pKa의 중요성을 발견한 것”이라며 “소형 이동 수단 뿐만 아니라 트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지의 활용처를 넓혔다”고 연구의 의의를 밝혔다. 이번 연구는 미국 에너지부 Advanced Research Projects Agency-Energy, 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신선도사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 23.101, JCR 상위 3.302%)에 게재되었다. * (논문명) Dispersing Agents Impact Performance of Protonated Phosphonic Acid High-Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정지윤 학생연구원 - (제 1저자) Los Alamos 연구소 임희은 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이성수 선임연구원 - (교신저자) Los Alamos 연구소 김유승 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 이오노머 분산 용매에 따른 양성화된 포스폰산 필름의 모습과 전자현미경으로 살펴본 필름의 미세구조 및 원소 분석. [그림 2] 다양한 분산 용매로 처리된 MEAs(Membrane Electrode Assemblies, 막전극접합체)의 출력 밀도. 다공성도가 높은 유기용매로 성형한 MEA가 최대 출력 밀도를 나타냄.

- OLED 구성물질을 비접촉·비파괴·실시간 검사 가능성 - OLED 디스플레이 불량 검사로 테라헤르츠파의 새로운 응용 분야 개척 빛과 전파의 중간영역에 존재하며 1초에 1조 번 진동하는 ‘테라헤르츠파’는 직진성과 침투성을 가지면서도 에너지가 낮아 물질을 파괴하지 않고 인체에 무해한 성질을 가진다. 그래서 테라헤르츠파는 ‘꿈의 주파수’라 불리며 의료, 산업, 국방 등 많은 분야에서 사용되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전영민 박사(센서시스템연구센터), 서민아 박사(센서시스템연구센터, KU-KIST 융합대학원) 연구팀이 고려대학교 주병권 교수(전기전자공학부) 연구팀과 공동으로 테라헤르츠파 분광기술을 이용하여 OLED 구성물질의 투과 특성을 실시간·비파괴로 분석할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 백라이트가 필요한 LCD와 달리 유기발광다이오드(OLED)는 스스로 발광하는 성질이 있어 전력소모가 적고, 디스플레이의 박막화 및 경량화가 가능하다. 또한 유연성이 있어 접거나 돌돌 마는 형태 등으로 활용할 수 있는 장점이 있으나 제조원가가 비싸다는 단점이 있다. 제조 중간단계에서 결함을 찾아 수리하여 수율을 높인다면 OLED 디스플레이의 가격 경쟁력을 높일 수 있는데, 이를 위해서는 OLED 디스플레이를 비접촉·비파괴·실시간으로 검사할 수 있어야 한다. 전통적인 전기검사법은 OLED 디스플레이에 전극을 붙여야 하므로 시간이 걸리고, 전극을 부착할 때 OLED 디스플레이가 파괴되어 재사용할 수 없다. 전기검사법의 한계를 극복하기 위한 형광검사법은 자외선을 조사하여 OLED 물질에서 나오는 형광을 측정하는데, 비접촉이기는 하지만 자외선을 조사한 곳의 OLED 물질이 일부 파괴되어 특성이 변한다는 사실이 밝혀졌다. 본 연구에서는 OLED 구성물질인 mCBP, mCP, DPEPO에 인위적으로 결함을 주기 위해 5시간 동안 자외선을 조사해가면서 테라헤르츠파 주파수에 따른 OLED 물질별 흡수율을 측정하여 최적화된 신호를 1.1 THz에서 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 테라헤르츠파의 투과율 변화를 통해 감쇠시간을 구함으로써 OLED 물질별 성능저하(결함)의 정도를 실시간·비파괴로 측정하는 데 성공하였다. 이와 더불어 보다 국소한 부위의 OLED 물질 특성 변화를 보다 고감도로 검출하기 위해 테라헤르츠파의 공명 주파수 대역(1.0 THz)에 맞춰 나노 슬롯 구조 (폭 500 nm, 길이 60 μm)의 메타물질 센싱 칩을 제작하였다. 이 칩에 테라헤르츠파를 집속시킨 결과 석영 기판을 이용했을 때와 비교해 mCBP는 53%, mCP는 43%, DPEPO는 31%만큼 향상된 투과율 변화를 나타냈다. KIST 전영민 박사는 “본 연구는 고려대의 OLED 연구경험에 KIST의 테라헤르츠파 분광 기술을 접목하여 OLED 비파괴 검사의 가능성을 제시했다는 점에서 그 의미를 찾을 수 있다”고 밝히면서 “테라헤르츠파의 응용영역을 OLED 디스플레이 결함 검사라는 새로운 분야로 확장할 것”으로 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 미래원천미래융합기술개발사업, KU-KIST 사업, 한국연구재단 글로벌프론티어사업 및 BK21사업, 범부처 의료기기사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학분야의 국제학술지 ‘Applied Surface Science’ (IF:6.707, JCR 상위 2.381%)에 게재되었다. * (논문명) Sensitive non-destructive real-time monitoring of blue OLED materials on extreme surface using terahertz near-field enhancement - (제 1저자) 한국과학기술연구원/고려대학교 정영곤 학생연구원 - (제 1저자) 금오공과대학교 이상훈 교수 - (교신저자) 고려대학교 주병권 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 서민아 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 전영민 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 성능저하가 잘 일어나는 OLED 청색발광물질 mCBP가 광분해에 의해 파괴되는 과정을 나노슬롯 메타물질 센싱칩을 이용한 테라헤르츠파 분광기술로 측정하는 도식도 [그림 2] 테라헤르츠파 투과율 측정용 분광장치 (좌) 와 이를 이용하여 측정한 OLED 물질의 성능저하(자외선 조사에 의한)를 나타내는 투과율 변화 그래프 (우) [그림 3] 일반 Quartz기판 및 Nano-slot 메타 센싱칩을 이용한 경우의 감쇠시간 측정 그래프. (시료두께 각각 150 nm (좌) 와 50 nm (우))

- 마찰발전 이용, 초음파 무선 에너지 전송 효율↑ - 바닷속 또는 인체삽입형 전자기기의 배터리 무선 충전에 활용 기대 의료기술의 발전과 고령화가 맞물려 인공 심박동기, 제세동기와 같은 인체삽입형 전자기기를 이용하는 환자 수가 전 세계적으로 증가하는 추세이다. 현재는 인체삽입형 전자기기의 배터리를 교체하려면 절개수술이 필요하며 이 과정 중 합병증이 발생하기도 한다. 이에 따라 인체 내부에 무선으로 전력을 전송해 배터리를 충전하는 기술의 필요성이 부각 되고 있다. 무선 전력전송 기술은 이외에도 해저케이블의 상태를 진단하는 센서와 같이 수중 환경에서 배터리를 충전해야 하는 기기에 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사 연구팀이 이러한 문제를 해결할 수 있는 초음파 무선 전력전송 기술을 개발했다고 밝혔다. 대표적인 무선 전력 전송기술로는 전자기유도 방식과 자기공명 방식이 있다. 전자기유도 방식은 이미 스마트폰과 무선 이어폰 등에서 쓰이는 기술이지만 물이나 금속과 같은 전도체는 통과하지 못하고, 충전거리도 매우 짧다. 또한 충전 중 발열 문제로 신체에 해를 끼칠 수 있는 단점이 있다. 자기공명 방식은 자기장 발생 장치와 송신장치의 공진주파수가 정확하게 일치해야만 하므로 와이파이나 블루투스와 같은 무선통신 주파수와 간섭을 일으킬 우려가 있다. 연구진은 전자기파나 자기장 대신 초음파를 에너지 전송매체로 채택했다. 이미 바다에서는 초음파를 이용한 소나 장비가 보편화되어있으며, 의료계에서는 장기 또는 태아 상태를 진단할 때 초음파를 흔히 쓸 정도로 인체에 대한 안정성이 보장되었다. 그러나 기존의 초음파를 이용한 에너지 전송기술은 에너지 효율이 낮아 상용화가 어려웠다. 연구진은 매우 작은 기계적 진동도 전기에너지로 변환이 가능한 마찰발전 원리를 이용하여 초음파를 수신하고 전기에너지로 변환하는 소자를 개발했다. 연구진은 마찰 발전기에 강유전물질을 추가함으로써 채 1%도 되지 않던 기존 초음파 에너지 전송효율을 4% 이상으로 크게 높였다. 이를 통해 6cm 떨어진 거리에서 8mW 이상의 전력을 충전하는 데 성공하였는데, 이는 200개의 LED를 동시에 키거나 혹은 물속에서 블루투스 센서를 작동시켜 데이터를 전송할 수 있는 정도의 수치이다. 또한 연구진이 개발한 소자는 에너지 전환 효율이 높아 열 발생이 거의 없었다. 송현철 박사는 “본 연구에서 초음파를 통한 무선 전력 충전으로 전자기기 구동이 가능함을 보였기에, 앞으로 소자의 안정성과 효율을 더 개선한다면 배터리 교체가 번거로운 체내 이식형 센서 또는 심해저 센서에 전력을 무선으로 공급하는 기술로의 적용이 기대된다”라고 이번 연구 결과의 의의를 설명하였다. 이번 연구결과는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업, 한국연구재단 신진연구개발사업과 산업통상자원부(장관 문승욱) 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’ (IF: 38.5, JCR 분야 상위 0.182%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Ferroelectrically augmented contact electrification enables efficient acoustic energy transfer through liquid and solid media - (공동 1저자) 한국과학기술연구원 김현수 학생연구원 - (공동 1저자) 한국과학기술연구원 허성훈 위촉연구원 - (공동교신저자) 인하대학교 정종훈 교수 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 송현철 책임연구원 그림설명 그림 1. 바닷속에서 초음파를 전송해 무선으로 전력을 발생시켜 무인 잠수정 또는 센서를 구동하는 개념도 그림 2. 초음파 프로브를 이용해 신체 삽입형 전자기기의 구동을 위한 전력을 무선충전하는 아이디어 개념도 그림 3. 사람 인체를 대신해 돼지 피부와 살을 통과해 무선으로 에너지 전송하는 사진 그림 4. 수중에서 초음파로 무선으로 에너지를 전송하여 200개의 LED 조명을 켜고, 무선센서를 실시간으로 구동하는 사진 그림 5. KIST 전자재료연구센터의 송현철 박사(책임연구원) 연구팀은 물 속과 인체 내에서도 초음파를 이용해 무선 에너지를 전송하는 전자기기 시스템을 개발했다. (좌부터) 전자재료연구센터 김현수 학생연구원, 송현철 박사(책임연구원), 허성훈 박사(위촉연구원) 그림 6. 연구의 제1저자인 KIST 전자재료연구센터의 허성훈 박사(좌)와 김현수 학생연구원(우)이 개발한 전자 소자기기를 물속에 설치하여 초음파를 수신해 전기에너지로 변환해 LED 불빛을 밝히는 실험을 하고 있다.

- 초저온(210℃급)·고농도 황포함 극한탈질공정 맞춤형 신촉매표면 재단기술 - 상용촉매 대비 고탈질율(30%↑)·고재생능(240℃)·고내구능(3배↑) 부여 탈질촉매 공정은 배기가스에 포함된 초미세먼지의 대표적인 원인물질인 질소산화물(NOX)을 질소로 환원시켜 대기환경을 개선하는 기술이다. 탈질촉매의 활성화에 필요한 막대한 열에너지 감축과 배기가스에 포함된 황(SOX) 기반 피독물에 대한 내구성 확보는 탈질촉매 개발에 당면한 최대 난제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 극한소재연구센터 김종식, 하헌필 박사팀이 바나데이트 기반 신탈질촉매를 제안하고, 황을 사용하여 촉매 표면을 개질함으로써 초저온에서도 고탈질 특성을 가지고 황에 대한 고내구 특성을 달성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 탈질촉매와 관련한 기존 연구 동향은 바나듐, 전이금속, 희토금속 산화물들을 선정하고, 최적의 물리적 조합조건(성분, 산화조건, 조합순서 등)을 찾는 “금속산화물 기반” 연구였다. 반면 KIST 연구진은 바나듐 산화물과 금속산화물을 화학적으로 융합하는 “금속 바나데이트 기반” 탈질촉매 연구를 제안하였다. 연구진은 기존 금속산화물 기반 촉매와 대비하여 바나데이트 촉매가 보다 우월한 촉매표면, 원자적, 전자적 특성 및 탈질활성을 가져 배기가스에 포함된 증기, 황, 피독물로 인해 촉매 성능이 낮아지는 현상을 개선시킬 뿐만 아니라 수열(hydro-thermal aging)에 대한 내성도 개선시키는 효과가 있음을 밝혔다. 또한 연구진은 촉매를 피독시켜 내구성을 떨어뜨린다고 알려진 황(SOX)에 대한 인식을 전환하여, 황과 산소를 융합시켜 황산염·아황산염 기능기들을 바나데이트 촉매 표면에 생성시키되, 생성된 기능기들이 탈질 반응 및 피독물 분해 반응 활성들을 제어하는 방법론을 고안하였다. 연구진은 황과 산소가 융합되는 촉매 표면의 온도를 변화시켜 기능기들의 종류, 분포, 표면결합 형상(한 자리 결합 또는 두 자리 결합)을 제어하고, 피독물 분해 반응 기작을 규명하였다. 한 자리 결합 또는 황산염이 많은 바나데이트 촉매의 경우 초저온(210℃)에서는 상용 촉매 대비 30% 높은 탈질율을, 220℃ 이상에서는 100%에 가까운 탈질율을 제공한다. 두 자리 결합이 많은 바나데이트 촉매의 경우에는 상용촉매 대비 작은 열에너지(낮은 온도)하에서 피독물들을 효율적으로 분해할 수 있고, 이에 따라 최소 3배 이상의 내구성을 가진다. 예를 들어 배기가스의 온도를 240℃로 설정하면 두 자리 결합이 많은 바나데이트 촉매는 피독물을 원활히 분해하여 탈질율을 회복(재생)할 수 있는 반면에 상용 촉매는 피독물 분해가 어려워 피독 전의 탈질율을 회복시킬 수 없다. KIST 김종식 박사는 “바나데이트는 금속의 종류나 바나듐과 금속의 화학양론비를 제어하여 다양한 결정상들로 가공될 수 있고, 황산염？아황산염 기능기와 융합시 탈질능/재생능/내구능의 맞춤형 증진이 가능하다”고 연구성과의 의의를 밝혔다. KIST 하헌필 박사는 “이번 연구결과는 온도가 낮거나 촉매가 피독되기 쉬운 극한조건에서 운전되는 탈질공정의 다양한 요구를 충족시킬 수 있는 실용화 가능한 기술”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 화학분야 국제 학회지인 ‘ACS Catalysis’ 및 ‘Chemistry of Materials’ 최신호에 게재되었다. * (논문 1: Chemistry of Materials) Contrasting Catalytic Functions of Metal Vanadates and Their Oxide Composite Analogues for NH3-Assisted, Selective NOX Transformation - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이석현 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종식 책임연구원, 하헌필 책임연구원 * (논문 2; ACS Catalysis) Decrypting Catalytic NOX Activation and Poison Fragmentation Routes Boosted by Mono- and Bi-Dentate Surface SO32？/SO42？ Modifiers under a SO2-Containing Flue Gas Stream - (제 1저자 및 교신저자) 한국과학기술연구원 김종식 책임연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김동호 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 하헌필 책임연구원 그림 설명 [그림 1] ACS Catalysis(논문 2; supplementary cover 선정) 이미지 [그림 2] 피독물(AS/ABS) 생성 및 분해기작

- 빛으로 동작하는 페로브스카이트 광-논리소자 개발 - 하나의 광-논리소자로 5개의 기본 논리연산을 모두 구현 가능 최근 인공지능, 자율주행 자동차, 드론, 메타버스 기술이 미래 먹거리 산업으로 주목받으면서 수많은 정보를 빠르게 계산하고 처리할 수 있는 컴퓨터에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 그런데 오늘날 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 전자식 반도체 논리소자는 초고속 데이터 계산 및 처리능력에 한계가 있으며, 에너지 소모가 크고 열이 많이 발생하는 단점이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)는 센서시스템연구센터 박유신 박사 연구팀이 광주과학기술원(GIST, 총장 김기선) 신소재공학부 정건영 교수 연구팀과 함께 유·무기 페로브스카이트 소재를 이용해 빛으로 동작하는 초고속, 고효율 광-논리소자를 개발했다고 밝혔다. 광-논리소자는 물리적으로 에너지 손실이 작은 빛을 입력 신호로 이용하고, 전기 공급 없이 빛 에너지만으로 동작할 수 있어 초고속·고효율의 특성을 가진다. 연구진은 두 층의 페로브스카이트 박막을 샌드위치처럼 쌓아 올린 적층형 페로브스카이트 광-논리소자를 구현하고, 여기에 파장과 세기가 다른 두 개의 빛을 입력하면 원하는 이진수 한 개 혹은 두 개의 이진수에 적용되는 연산으로, 정해진 규칙에 따라 결과값을 도출하는 체계를 의미한다. 논리연산이 가능함을 입증했다. 페로브스카이트 광-논리소자는 빛을 이용해 광전류의 극성을 자유자재로 바꿀 수 있으므로 같은 입력값에 대해 한 가지 이상의 논리연산 결과 값을 만들어 내는 것이 가능하다. 따라서 하나의 소자에서 오직 한 개의 논리연산만 할 수 있었던 기존 논리소자에 비해, 연구진이 개발한 것은 하나의 소자로 AND, OR, NAND, NOR, NOT의 5가지의 서로 다른 기본 논리연산을 모두 구현할 수 있다. 하나의 소자가 다섯 개 소자만큼의 기능을 하므로 높은 공간효율성과 집적도를 가지는 광-프로세서 개발이 가능하다. KIST 박유신 박사는 “빛을 입력하여 전기신호를 출력하는 페로브스카이트 광-논리소자는 향후 초소형·저전력 범용성 광센서 플랫폼으로 활용이 기대된다”고 밝혔다. GIST 정건영 교수는 “본 연구를 통해 개발한 광-논리소자는 5가지 기본 논리연산을 하나의 소자로 구현한 광 컴퓨팅 연구개발의 성과이며, 차세대 광통신, 광네트워크, 헬스케어 연구개발에 크게 기여할 수 있을 것이다”라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원으로 KIST 기본사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ‘Nature Communications’ (IF 14.919, JCR 분야 상위 4.86%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Perovskite Multifunctional Logic Gates via Bipolar Photoresponse of Single Photodetector - (제 1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 김우철 박사후연구원 - (제 1저자) 퍼듀대학교(Purdue University) 김형훈 박사후연구원 - (교신저자) 광주과학기술원(GIST) 정건영 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 박유신 선임연구원 그림 설명 [그림 1] 페로브스카이트 광-논리소자의 모식도와 OR, AND, NAND, NOR, NOT의 논리연산 결과 [그림 2] 페로브스카이트 광-논리소자를 활용한 광컴퓨터용 광-프로세서 칩의 컨셉 아트

- 유사 구조를 갖는 바이러스를 비표지식으로 구별 가능한 분석 기술 - 코로나-19와 같은 유행성 전염병과 파생된 변종 검출 및 특정 가능 현재 일반적으로 활용되고 있는 SARS-CoV-2 검출법으로는 PCR검사와 신속항원검사가 있다. PCR검사는 정확성이 높으나 4시간 이상의 긴 검사시간이 소요되고, 신속항원검사는 검출시간이 20분 내로 짧지만 비슷한 단백질 구조를 갖는 시료들을 구별하기 어려워 정확도가 낮다는 한계가 있다. SARS-CoV-2가 포함된 베타코로나바이러스 속(genus)의 바이러스들은 82% 이상의 유사한 아미노산 배열을 보유하고 있어 이를 신속하게 검출할 진단 기술의 개발이 시급하다. 테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어 생체분자의 고유 진동에 민감한 분광법에 활용할 경우 DNA, 아미노산, 단위체와 같은 생체시료들의 미세한 고유 정보 및 차이점까지 해석이 가능한 특성을 가진다. 그러나 테라헤르츠파는 극미량 존재하는 바이오 시료와의 낮은 상호작용 확률, 신호 증폭 기술의 부재 등의 측정 환경적 어려움으로 인하여 미량의 생체 내 시료를 직접 검출하기에 많은 어려움이 있었다. 연구진은 이를 극복하기 위하여 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 메타물질을 이용하여 시료의 고유 정보가 반영된 테라헤르츠 광신호를 미량에서도 민감하게 측정할 수 있는 생체 분자 진단 플랫폼을 개발하였다. 우선 테라헤르츠 대역에서 우수한 흡수율을 갖는 아미노산을 특정한 후, 해당 신호를 증폭할 테라헤르츠 메타물질을 개발했다. 그리고 테라헤르츠 신호 변화를 면밀하게 관찰하기 위하여 메타물질 표면에 시료를 균일하게 분산시킨 후 시료의 광학 상숫값을 분석함으로써 수 분 이내로 단위체의 검출 및 전하량, 극성, 소수성 지표와 같은 시료 특성 및 양을 추론할 수 있었다. 또한, 아미노산 단위의 변화를 감지하여 유사한 구조를 갖는 변이 바이러스들을 특정하는데도 활용할 수 있었다. KIST 서민아 박사는 “향후 발생할 전염병과 그 변이들을 추적하는 진단 기술 개발에 테라헤르츠 분석법이 적용 가능할 것으로 전망 한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업 및 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 분석화학 분야 상위 국제 학술지인 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF: 10.618, JCR 분야 상위 2.87%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Detection and discrimination of SARS-CoV-2 spike protein-derived peptides using THz metamaterials - (공동제1저자) 한국과학기술연구원 이수현 박사후연구원 - (공동제1저자) 한국과학기술연구원 이연경 학생연구원(박사과정) - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 송현석 선임연구원 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 & 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 서민아 책임연구원 그림 설명 [그림1] 테라헤르츠 메타물질을 이용한 SARS-CoV-2 단위체 검출 및 아미노산 단위 분석 고민감도 메타물질을 적용하여 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질 내 수용체 결합 영역에 있는 핵심 단위체를 검출함. 표면처리기법과 건조방식의 최적화로 핵심 단위체를 나노갭에 균일하게 분산시켜 유사한 아미노산 배열을 갖는 SARS-CoV의 핵심 단위체로부터 구별함.

- 약한 자극에는 적응하고 위험한 자극은 고통으로 느끼게 해 - 인체의 감각을 모사해 휴머노이드 개발 앞당겨 사람의 피부는 계속 가해지는 약한 자극에는 쉽게 적응하지만, 강하고 위험한 자극에는 피부 조직의 손상을 피하고자 지속적인 고통을 느끼게 된다. 이러한 특성은 우리 몸을 외부의 환경에 쉽게 적응할 수 있도록 도와주고, 위험한 상황으로부터 스스로 보호할 수 있도록 한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 첨단소재기술연구본부 강종윤 본부장, 전자재료연구센터 윤정호 박사팀이 사람의 피부처럼 약한 자극에 쉽게 적응하고 위험한 자극에는 고통을 느끼는 반도체 전자소자를 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 은(Ag, Silver) 입자의 양을 조절하여 외부 자극 정도에 따라 뇌에 전달하는 생체 신호의 강도를 조절할 수 있는 전자소자를 개발하였다. 은 입자는 전기적 자극에 의해 쉽게 이동하는 성질을 가진다. 적은 양의 은 입자가 소자에 포함되면 나노 크기 실선 형태의 약한 필라멘트가 형성되고, 마치 백열전구의 필라멘트처럼 발열이 발생해 전기 회로가 끊어진다. 이러한 특성을 기반으로 반복되는 외부의 약한 자극은 시간이 지남에 따라 흐르는 전류의 양을 줄여 추가 신호를 발생하지 않도록 할 수 있다. 반면, 많은 양의 은 입자가 소자에 포함되면 두껍고 강한 필라멘트에 의해 전기 회로가 만들어지고, 열이 발생해도 쉽게 끊어지지 않는다. 이러한 원리를 이용해 강한 자극이 가해질 때는 지속해서 고통을 느낄 수 있도록 신호를 발생시키는 것이다. KIST 강종윤 본부장은 “이번 연구는 전자소자가 단순히 고통을 모방하는 특성을 넘어, 인체에 무해한 약한 자극에는 고통을 느끼지 않도록 쉽게 적응하고 인체에 유해한 강한 자극에는 고통을 느낄 수 있도록 한 것에 의의가 있다”고 밝혔으며, 윤정호 박사는 “개발한 기술을 통해 인공 피부, 장기 및 휴머노이드 로봇 발전에 크게 기여할 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Science’ (IF : 16.806, JCR 분야 상위 5.24%) 최신호에 표지논문(inside back cover)으로 출판되었다. * (논문명) Artificial Adaptive and Maladaptive Sensory Receptors Based on a Surface-Dominated Diffusive Memristor - (제 1저자) 한국과학기술연구원 송영근 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 강종윤 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 윤정호 선임연구원 그림 설명 [그림 1] 인체의 신호를 모사한 전자소자 기술 [그림 2] 외부 환경에 쉽게 적응하고 고통을 느낄 수 있는 전자소자