- 기존의 고가의 백금 촉매 대체가능한 저가형 탄소튜브 기반 합금 촉매 개발 - 성능 및 내구성 향상으로 상용화 기대, 향후 차세대 비백금계 촉매 연구 기여 연료전지는 이용되는 전해질에 따라 다양한 연료전지로 나뉘는데, 그중 알칼리 연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 발생 과정에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 기존 알칼리 연료전지는 에너지 발생을 위한 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 고가의 백금 대신 탄소튜브 기반 합금을 적용한 촉매를 개발하여 연료전지 성능 및 내구성을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 울산과학기술대학교(UNIST) 김광수 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용 가능한 고성능 탄소튜브 기반 질소-전이금속(철-코발트) 합금 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 비싼 가격 문제와 소재 자체의 안정성에 대한 한계점에 대한 문제가 꾸준히 제시되어 왔다. 연료전지용 촉매는 장시간 산화 환경에 노출되면서 백금계 소재의 성능 및 내구성 저하 같은 안정성 문제는 해결해야할 과제로 남아있었다. KIST-UNIST 공동연구진은 알칼리 환경에서 적용 가능한 고활성, 고안정성 소재인 탄소튜브계 질소-전이금속 합금 나노 촉매를 적용해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 합성된 촉매의 탄소튜브 내에 존재하는 질소-코발트, 질소-철 및 철-코발트 합금의 공존에 의해 촉매 표면에서 전자 이동 및 산소 분자의 흡착성을 높여 향상된 산소 환원 반응으로 우수한 활성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 또한, 개발된 촉매는 현재 상용화된 백금 촉매에 비해 30% 향상된 산소 환원 반응 활성 및 내구성을 보이며 성능을 입증했고, 제조 단계에서 드는 합성 비용이 1/12 정도로 감소되어 경제성까지 개선된 신규 비백금계 촉매임을 보였다. 연구진은 실제 연료전지에 적용하여 구동이 가능함을 밝혀, 비백금계 촉매 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다. 특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 고온에서 다양한 공정을 거쳐 제조되던 것과 달리, 재료의 교반 후 비활성 기체 조건에서 열처리를 통한 최소화된 공정을 거쳐 합성이 가능하기에 시간당 촉매 제조 생산량을 극대화하고, 실제 연료전지 구동을 통해 상용화에 대한 가능성을 보여주었다. 이에 따라 추후 상업적인 단계에서도 소재의 생산 공정 및 연료 전지 적용에 대한 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 차세대 알칼리 연료전지용 촉매 성능 및 내구성 향상 뿐 아니라 기존 촉매의 문제점인 백금에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 저가형 촉매 적용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라 말하며, “향후 차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 설계, 제조 공정 기술 및 연료전지 적용에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 글로벌 프론티어 R&D 연구사업(멀티스케일 에너지 시스템) 및 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 저명한 국제 학술저널인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF : 21.875, JCR 상위 1.712%) 최신호에 표지논문(Back Cover)로 게재되었다. * (논문명) Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction Activity of Graphitic Tube Encapsulating Nitrided CoxFey Alloy - (제1저자) 울산과학기술대학교 S. Sultan 연구원(Graduate student) - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 울산과학기술대학교 김광수 교수 <그림설명> <그림 1> 본 연구에서 개발한 탄소튜브 기반 합금 촉매의 알칼리 연료전지에서의 활성화 모식도 <그림 2> 탄소튜브 기반 질소-전이금속 합금 촉매 합성 과정, 제조된 형상 및 전기화학 반응 결과

- 저차원 나노구조 물질 개발로 태양전지 기능과 압전효과 기능 동시 수행 - 차세대 스마트 센서의 전력 공급원 및 신개념 입력 소자로 활용 가능 우리를 둘러싼 여러 사물과 기기들이 언제 어디서나 연결될 수 있도록 하는 유비쿼터스(Ubiquitous) 환경에 대한 관심이 증가하면서 스마트 센서와 그에 대한 전력 공급원에 대한 관심도 커지고 있다. 특히 스마트 센서의 전력 공급원으로는 태양광이나 인공광선의 광전압 효과를 활용하거나 바람, 심장 박동, 인간의 움직임과 같은 물리적 진동의 압전 효과를 활용하여 재사용 에너지를 얻는 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 차세대 반도체 물질(InGaAs)를 이용한 저차원 나노구조를 개발하여 압전 효과와 광전압 효과를 동시에 거둘 수 있는 에너지 수확(Energy Harvesting) 장치의 가능성을 입증해 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송진동 박사(단장)팀은 연세대학교 물리학과 조만호 교수팀과의 공동연구를 통해 태양전지용으로 사용되는 나노선 구조 반도체의 원자 구조 배열을 압전 현상이 발생하는 구조 배열로 조절하는 것에 성공, 기존의 빛에 의한 전기 생산 기능에 물리적 진동에 의한 전기 생산 기능을 함께 수행할 수 있는 물질을 개발했다. 이를 통해 하나의 물질에서 태양전지의 태양광 에너지 확보 효과와 물리적 압력 혹은 진동을 통한 압전 특성을 활용한 에너지 수확 효과를 동시에 거둘 수 있는 가능성을 입증했다. 기존의 에너지 수확 기술은 압전 특성과 광전자효율 특성이 분리되어 각각의 특성을 향상시키는 방향으로 진행되어 왔다. 예를 들어, 기존의 태양전지용 물질인 실리콘(Si)기반 반도체 물질이나 삼오(III-V)족 화합물 반도체 물질(InP, GsAs, InGaAs)은 태양광의 흡수에 적절한 원자구조를 가지고 있는 반면, 물리적 진동에 의한 전기생산은 불가능한 것으로 알려져 있었고, 티탄산 지르콘산 연(PZT, Lead zirconate titanate)등의 기존의 압전체는 바람, 인간의 움직임, 심장박동 등 주변의 물리적 진동을 전기로 바꾸는 기능을 향상시키는 방향으로 각기 다른 분야처럼 연구가 진행되어왔다. KIST 송진동 박사팀은 나노선 기반 고효율 태양전지 연구과정에서 화합물 반도체(InGaAs) 일부분의 원자 구조 배열이 압전 효과를 발생시킬 수 있는 구조임을 발견, 나노선 내 원자 격자 구조를 모두 압전 효과 구조로 변경하는 연구를 수행하였다. 연구진은 InGaAs의 나노선 형성 중 성장과정의 매개 변수를 재설계하여 3차원에서 구현하기 어려운 결정구조(Wurtzite)를 만들고, 이렇게 만들어진 새로운 구조의 나노선(Wurtzite-InGaAs)이 외부 압력에 의해 기울어졌을 때 압전 전류가 흐르는 것을 확인하여, 기존의 광흡수는 물론, 인간의 움직임이나 바람에 의한 물리적 진동을 동시에 흡수할 수 있는 첨단재료 개발에 성공하였다. 이를 통해 하나의 물질에서 압전과 광전압 효과를 모두 거둘 수 있는 가능성이 입증되어, 낮에는 주로 태양전지로 사용하고 빛이없는 밤에는 압전으로 에너지를 흡수하는 방식으로 빛이 없는 환경에서 에너지를 만들 수 있다는 측면에서 응용 및 활용 범위가 넓을 것으로 전망하고 있다. 이 기술은 향후 우리 주변 스마트 센서의 전력공급에 활용 가능한 동시에 빛과 소리를 동시에 기록하는 새로운 입력 소자로도 활용 가능할 전망이다. KIST 송진동 박사는 “이번 연구결과를 바탕으로 차세대 스마트 센서의 전력공급원으로의 활용을 기대한다.”고 말하며, “향후, 외투 같은 웨어러블 장비에 응용된다면, 사람 주변에 장착된 센서를 작동시키는 전원 역할을 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Nano Energy’ (IF : 13.12, JCR 분야 상위 4.4%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Growth of Pure Wurtzite InGaAs Nanowires for Photovoltaic and Energy Harvesting Applications - (제1저자) 한국과학기술연구원 강항규 학생연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 송진동 책임연구원 - (교신저자) 연세대학교 조만호 교수 <그림설명> <그림 1> InGaAs 나노선을 이용하여 빛에 의한 광전자 에너지 생산과 바람에 의한 압전 특성을 동시에 수확할 수 있는 모식도

- 고전계하((高電界)에서 전류 증폭하는 ‘애벌런시’ 현상 최초로 규명 - 이차원 초박막 반도체소자의 안정적 구동에 핵심정보를 제공할 것으로 기대 ‘꿈의 소재’로 주목받고 있는 그래핀(Graphene)과 같은 이차원 물질은 뛰어난 물리？화학적 특성을 가지고 있어 이를 활용한 웨어러블 전자기기 구현에 대한 연구가 활발하다. 그러나 그래핀은 전계효과트랜지스터*와 같은 반도체 소자에 응용되기 어려운 점이 한계점이 있었다. 이차원 신소재 중 이황화 몰리브덴(molybdenum disulfide, MoS2)은 박막화가 용이하여 초박막 웨어러블 전자소자에 응용할 수 있다는 장점과 본연의 밴드갭**으로 인해 반도체 채널 층으로 활용될 수 있어 잘 휘어지고, 투명한 속성, 높은 전하 이동속도를 가지는 차세대 웨어러블 반도체 소재로 큰 주목을 받고 있다. *전계효과트랜지스터(field-effect transistor, FET) : 박막상(薄膜狀)의 반도체에 흐르는 전류를 그것과 수직인 전계를 가해서 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어 형 반도체 **밴드갭(band gap) : 반도체, 절연체의 띠구조에서 가장 높은 곳과 가장 낮은 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대학교 물리천문학부 이탁희 교수팀과의 공동연구를 통해 강한 전기장 하에서 이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터(field-effect transistor, FET)의 임계전압 후의 전류 증폭이라는 독특한 물리적 현상의 원인이 ‘전자사태 항복’(애벌런시, avalanche breakdown) 현상***임을 밝혔다. 또한 연구진은 이차원 반도체의 두께에 따라 임계전압이 조절 가능하다는 것을 밝혀 다양한 응용 연구에의 기반을 마련했다. *전자사태 항복(avalanche breakdown) : 반도체 속의 강한 전계에 의해 새로운 캐리어를 발생하는 과정이 반복, 이때 생기는 전류의 증폭에 의해 현저하게 전기저항이 작아지는 상태. 최근 전자 소자의 크기가 수 마이크로미터(㎛) 이하로 작아짐에 따라 반도체 층이 강한 전기장 환경에 노출되었을 때, 반도체 내부의 높은 전류에 의한 열로 인해 소자 동작 실패에 대한 많은 보고가 있었다. 하지만 특정 임계전압 이후 전류가 ‘증폭’하는 물리적 현상에 대한 명확한 원인 규명은 보고된 바가 없었다. KIST-서울대 공동연구팀은 이러한 임계전압 이후 급작스런 전류의 증폭에 대한 물리적 현상에 대해 주목했다. 연구진은 실험을 통해, 이 현상이 기존에 보고되었던 이차원 반도체의 접촉 영역에서 발생하는 열 문제보다는 ‘전자사태 항복’(애벌런시, avalanche breakdown) 현상이 가장 큰 원인임을 관측하는데 성공했다. 특히 연구진은 전류 증폭의 임계전압은 이차원 반도체의 두께에 따라 변화한다는 것을 규명하여, 두께가 두꺼울 때, 임계전압이 낮아지고, 두께가 얇을 때, 임계전압이 높아지는 것을 밝혔다. 공동연구진은 이번 결과로 이차원 반도체 분야에 다양한 응용 연구의 가능성에 대한 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다. KIST 정승준 박사는 “이번 연구가 점점 작아지는 이차원 반도체의 소자 크기로 인해 발생할 수 있는 물리적 현상과 전기적 특성 변화에 대한 이해도를 높이고, 향후 초박막 이차원 반도체 및 전자재료 기반 차세대 웨어러블 응용소자 구현에 핵심기반이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 창의연구단 과제로 수행되었으며, 연구결과는 ‘ACS Nano’ (IF : 13.709, JCR 분야 상위 4.23%)에 최신호에 게재되었다. * (논문명) Two-Dimensional Thickness-Dependent Avalanche Breakdown Phenomena in MoS2 Field-Effect Transistors under High Electric Fields - (제1저자) 서울대학교 물리천문학부 박진수 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정승준 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 물리천문학부 이탁희 교수 <그림설명> MoS2 전개효과트랜지스터에서의 애벌런시(아발란체) 현상 연구. (a) 채널 길이에 따른 아발란체 현상. (b) 아발란채 현상 설명을 위한 밴드다이어그램. (c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR). (d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate).

- 이산화탄소로부터 플라스틱의 원료(에틸렌) 생성하는 저가의 고내구성 촉매 개발 - 고부가가치 화학원료 생산 및 온실가스 자원화 기술로 각광, 기후변화 대응 기대 화석 연료 기반의 에너지 소비는 대기 중의 이산화탄소 농도를 지속적으로 증가시키고, 지구 온난화를 야기하고 있다. 2015년 UN의 新기후변화협약에 따라 세계 각국은 온실가스 배출량을 감축하기 위해서, 이산화탄소를 사용하는 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 이중에서 전기화학적 이산화탄소 전환은 태양광과 같은 신재생에너지기술과 융합할 수 있어 주목받고 있다. 특히, 이산화탄소와 물과 같은 풍부한 자연 원료로부터 고부가가치의 화학원료를 직접 생산하게 된다면 경제적 가치 창출뿐 아니라, 이산화탄소 저감에도 기여할 수 있어 기후 변화 대응의 핵심기술이 될 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀은 구리 금속 호일 위에 간단한 양극산화 방식을 적용하여 이산화탄소를 에틸렌으로 선택적으로 전환하는 고 내구성 촉매를 개발했다. KIST 연구진은 구리 기반의 나노 구조 촉매를 개발하여 에틸렌 생성의 선택성과 안정성을 동시에 향상 시킬 수 있는 방안을 제시하여 온실가스 자원화의 새로운 가능성을 선보이고 있다. 에틸렌은 대표적인 플라스틱 소재인 폴리에틸렌 제조에 쓰이며, 이외에도 다양한 화학제품 생산에 필요한 중요한 화학원료 물질이다. 에틸렌은 폭넓은 활용성으로 인해, 전 세계적으로 연간 147백만 톤(약 1,217억 달러, 2016년 기준)에 달하는 거대 시장 규모를 가지고 있는 고부가가치 화합물이다. 전기화학적으로 이산화탄소를 직접 전환하여 에틸렌을 생산하는 기술은 아직 전 세계적으로 초기 단계에 있으며, 고성능 촉매 소재의 부재로 인해 원천 소재 기술 확보를 위한 연구개발이 매우 활발히 일어나고 있다. 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하여 에틸렌을 생성하는 반응은 일반적으로 구리 촉매를 이용하는데, 지금까지 에틸렌 생성물의 선택도와 그 선택도를 유지하는 안정성 면에서 큰 한계점이 있었다. 부반응물인 수소나 메탄 기체가 경쟁적으로 생성되어 이를 억제하여 에틸렌을 선택적으로 생성할 수 있는 고효율 촉매 기술 개발이 절실한 상황이었다. KIST 연구진은 구리 호일을 간단한 전기화학적 방법으로 산화시킴으로써 나노와이어 구조의 구리 수산화물을 합성하였고, 이를 이산화탄소 환원 촉매 전극으로 사용하였다. 개발된 촉매 전극은 기존 구리 금속 호일에 비해 에틸렌 생성 선택도는 2배 이상 증가 시켰고, 부반응 물질로 나오는 메탄의 생성 선택도는 기존 대비 30분의 1 수준으로 억제하는 성능을 보여주었다. 또한 기존에 보고된 구리기반 촉매가 1~2 시간 수준의 촉매 안정성을 보여주는 것에 비해, 본 연구진이 개발한 촉매는 20배 이상 증가된 안정성을 확보하고 있다. 이번 기술개발로 인해 향후 고성능, 고안정성 촉매의 설계에 큰 파급효과를 줄 것으로 기대하고 있다. KIST 황윤정 박사는 “이 기술의 가장 큰 장점은 저가의 구리 촉매를 이용하여 매우 간단하고 짧은 시간의 전기화학적 처리만으로도 월등히 향상된 촉매 전극을 제조할 수 있다는 점”이라고 말하면서 “향후 이산화탄소 전환 고부가가치 에틸렌 생산 기술의 상용화에 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. KIST 연구진이 개발한 이번 기술은 이산화탄소 환원 촉매의 수명 증대에 큰 기여를 하여 온실가스의 자원화기술의 실용화 가능성을 높일 것으로 기대되고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 기후변화대응기술개발사업(차세대탄소자원화 사업단, 단장 전기원) 및 KIST 기관고유 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지인 미국화학학회지(Journal of the American Chemical Society: JACS)(IF : 13.038, JCR 상위분야 6.13%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) ‘Mixed Copper States in Anodized Cu Electrocatalyst for Stable and Selective Ethylene Production from CO2 Reduction’ - (제1저자) UST 과학기술연합대학원대학교 이시영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 개발된 촉매는 40시간 이상 안정하게 효과적으로 에틸렌을 생성함을 확인하였고, 구리 촉매의 화학적 상태의 변화에 따라 에틸렌 생성의 선택도가 영향을 받는 것을 규명하였다.

- 양자역학계산과 나노촉매 합성 기술로 설계 및 성능 검증, 연료전지 수명 향상 기대 - 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 것으로 전망 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에도 이용되어 왔는데, 에너지 발생을 위한 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금기반의 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 양자역학 계산(Density Functional Theory)과 나노 촉매 합성 기술을 사용하여 백금을 대체할 수 있는 이리듐(Ir, Iridium) 기반 합금 촉매를 개발하여 연료전지 내구성을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종, 함형철 박사팀은 양자역학 계산을 사용하여 소재를 구성하는 원자와 전자 구조의 물리·화학적 제어를 통해 촉매 내부에 크롬이 추가된 이리듐 표면 단층 촉매를 도출하였다. 또한 이를 나노 수준의 전기화학 실험을 통해 성공적으로 합성하여 기존 순수 이리듐에 비해 성능이 약 12배 이상 증가하고 안정성은 백금 수준 이상으로 증가했다는 것을 확인하였다. 일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서는 에너지 발생의 핵심 역할을 하는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 촉매를 사용해왔으나, 비싼 가격과 소재 자체의 안정성에 대한 단점이 있었다. 연료전지용 소재는 장시간 산성 환경에 노출되는데, 백금은 촉매 전체의 내구성을 감소시키므로 안정성 측면에서 한계를 가지고 있었다. KIST 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 이리듐(Ir, Iridium)을 활용하여, 다양한 전이금속을 첨가하고 촉매 내부 및 표면의 원자 분포를 변화시켰다. 그리고, 촉매 성능과 내구성을 양자역학 계산을 사용하여 예측하여본 결과, 촉매 내부에 크롬이 주입된(Doping) 이리듐 표면 단층 촉매가 산소 친화력을 감소시키고 동시에 내구성을 향상시켜 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 연구진은 연료전지 촉매로는 거의 사용되지 않았던 이리듐을 원자 및 전자 레벨 수준에서의 표면 및 내부 전자 구조 제어 기술을 통해 크롬 합금 촉매에 사용하게 되면 안정성 및 활성이 증가하여 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것을 밝혔다. 연구진은 촉매 내부에 크롬 주입(Doping)으로 이리듐 기반 합금 촉매의 산소 친화력 감소 및 산소 환원 반응성과 내구성 증가로 이어지게 되는데, 연구진은 양자역학 계산을 통해 촉매의 성능 및 안정성의 증가를 확인하였고, 계산과학적인 관점에서 앞으로의 산소환원 반응용 촉매 설계원리를 제시하여 연료전지 촉매의 확장성에 기여할 수 있다는 점에서 큰 의의를 지닌다. KIST 함형철 박사는 “이번 연구는 연료전지 촉매 소재의 활성과 내구성 향상에 대한 원리 규명 및 초고속 후보 물질의 탐색에 있어서 양자 역학 계산의 중요성을 확인해주는 결과”라 말했다. 또한 KIST 유성종 박사는 “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국에너지기술평가원, 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Computational and Experimental Design of Active and Durable Ir-based Nanoalloy for Electrochemical Oxygen Reduction Reaction - (제1저자) 한국과학기술연구원 조진원 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 함형철 박사, 유성종 박사 <그림설명> <그림 1> 촉매 표면 원자-원자 길이, 표면 원자의 d-오비탈 전자 점유율 엔지니어링을 통한 표면 단층 합금 촉매의 컴퓨터 설계, 나노 촉매 합성 기술을 통한 촉매 성능 검증

- 인간의 시각과 유사한 빛 감지 능력을 갖는 ’인공 광수용체’ 최초 구현 - 향후 광수용체 손상 망막 질환치료의 첫 걸음을 내딛는 연구에 기여 인간의 눈은 신체 오감 중 가장 중요한 기관 중 하나로, 손상 시 치명적인 영향을 주는 감각 기관이다. 사고를 통한 장애나, 황반변성, 당뇨성 망막증 등의 질환에 의해 의학적으로 시력의 회복이나 복원이 불가능한 상태가 될 수 있다. 손상된 망막을 대체하기 위한 기술로 ‘인공망막’ 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 시각 질환자에게 이식하여 시력을 일부 회복시키기 위한 노력이 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 망막 내에 구성 단백질인 광수용체를 인공적으로 제작하여 일반인의 시각 기능과 유사하게 빛을 인지할 수 있는 소재를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 김재헌 박사(센터장)팀은 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 이광식) 송현석 박사 및 서울대 박태현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 빛 인지 뿐 아니라 색까지 구분 할 수 있는 인공 생체 소재 개발 및 특성 분석에 성공했다. 망막에서 빛을 인지하는 단백질인 광수용체 단백질을 생산하고 그래핀 소재와의 결합을 통해 인공 광수용체가 인지하는 광학적 신호를 전기화학 신호로 측정 및 분석 하였다. 인간의 눈에 있는 망막은 원추세포와 간상세포로 구성되어 있다. 원추세포는 빛의 3원색인 빨강, 초록, 파란색의 빛을 각각 흡수하는 광수용체 단백질을 이용하여 가시광선을 흡수하고, 간상세포는 광수용체 단백질을 이용하여 주로 명암을 구분하는 기능을 하여 사물 인지와 색 인지 기능을 수행한다. 이번 연구는 인간 광수용체 단백질 4종을 인공적으로 생산한 후, 생체물질과의 결합 친화성이 높고 전기화학적으로 예민한 특성을 지닌 그래핀과 결합하여 이 소재가 빛을 흡수하여 일으키는 생화학적 변화를 전기화학적 신호로 포착하여 특성을 분석하는 내용이다. 연구진은 인간 광수용체를 인공적으로 세포내에서 생산하였고, 그래핀 소재 표면에 적층을 성공하여 인간 광수용체 단백질 기반 인공 생체 소재를 세계 최초로 구현하였다. 본 연구진이 개발한 생체 소재는 가시광선 빛에 대해 인간의 빛 감지 스펙트럼과 매우 유사한 스펙트럼으로 반응하는 모습을 보였고, 따라서 이 소재는 빛의 3원색인 붉은색, 초록색, 파란색 빛과 명암을 인지하는 인간 눈 특성과 유사하게 가시광선의 빛을 색깔별로 구분할 수 있는 것이다. 본 연구는 순수 국내 연구진의 연구에 의한 원천 기술로 향후 망막 질환으로 고통 받는 환자들의 치료를 돕기 위해 활용 될 수 있으며 장기적인 연구를 기획하고 진행하고 있다. KIST 김재헌 박사(센서시스템연구센터장)는 “이번에 개발한 인공 생체 소재는 순수 국내 연구진에 의해서 개발된 생명공학과 광학 분야의 융합 원천 기술로 향후 망막 질환 해소를 위한 소재로 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. KBSI 송현석 박사는 “이번에 개발된 생체 소재는 인간 시각을 가장 가깝게 모방할 수 있는 소재로, 향후 시각 질환 환자에 적용 가능한 인공 망막으로 개발될 경우 인간의 망막과 비슷하게 작동하여 기존 인공 망막 기기보다 훨씬 효율적일 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부지원(장관 유영민)으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 재료분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’ (IF: 19.791, JCR 분야 상위 1.027%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Artificial Rod and Cone Photoreceptors with Human-like Spectral Sensitivities - (제1저자) 연세대학교 박병호 박사과정 - (공동 제1저자) 서울대학교 양희홍 박사 - (교신저자) KIST 김재헌 박사, KBSI 송현석 박사, 서울대학교 박태현 교수 <그림설명> (좌) 인간 광수용체 (녹색)를 생산하는 세포 (중) 위 세포를 이용하여 나노 크기 소포 (vesicle) 형태로 생산한 인간 광수용체 (우) 그래핀 표면에 인간 광수용체를 적층하여 제작한 신소재 [그림 2] 빛의 3원색인 파란색 (1SW), 녹색 (1 MW), 붉은색 (!LW) 빛을 흡수하고 주로 명암을 구분 (Rho)하는 인간 광수용체 단백질 4종을 각각 활용하여 제작한 인공 생체 소재가 인간의 망막과 유사하게 빛을 인지하여 색을 구분하는 것을 보여주는 가시광선 영역 빛 감지 스펙트럼 결과

- 근적외선 신호기반 AI 검출 기술개발 및 진단 플랫폼(키트) 개발 - 현장 시료에서 안정적으로 고감도 검출 가능, 신속한 현장 진단 기대 최근 국제적으로 큰 피해를 일으킨 조류인플루엔자(AI, Avian Influenza) 바이러스는 국내에서 매년 주기적으로 반복·발생하고 있으며, 갈수록 변종되거나 그 규모가 커지고 있다. 작년에는 2개 이상의 바이러스 유형이 동시 발생하는 등 대규모 피해 사례가 증가하고 있다. 조류인플루엔자는 심각한 감염병으로 확산을 조기에 통제하기 위해서는 분변과 같은 현장 시료에서도 안정적으로 바이러스를 검출할 수 있는 고감도 신속진단기술이 매우 중요하다. 최근 국내 연구진이 근적외선 파장*을 흡수·발광하는 상향변환 나노입자**를 이용하여 조류인플루엔자 바이러스를 검출 할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. *근적외선 파장 : 빛의 스펙트럼에서 가시광선보다 파장이 긴 영역으로 자외선과 가시광선보다 에너지가 낮고 파장이 길어 투과도가 높고, 배경(Back Ground) 신호가 낮아 신호 판별에 용이 **상향변환 나노입자 : 근적외선을 흡수하여 상대적으로 높은 에너지의 빛을 방출하는 나노사이즈의 소재. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 이준석 박사팀은 건국대학교 수의학과 송창선 교수팀과의 공동연구를 통해 검출에 용이한 근적외선 파장을 흡수·발광하는 상향변환 나노입자를 개발하고, 임상시료 테스트를 통해 현장의 불투명한 시료 검체에서도 안정적으로 조류인플루엔자 바이러스를 검출할 수 있는 진단 플랫폼(키트)을 개발하였다. 기존의 현장진단키트로 사용되고 있는 금 나노입자 기반의 진단키트는 사용이 편리하지만 육안으로 신호를 확인하기 때문에 감도가 낮고 불투명한 검체 내에서 구별이 어렵다는 한계가 있었다. 또한 가시광선 파장의 형광을 검출신호로 사용하는 유기염료는 안정성이 떨어져 농가나 계류장과 같은 야외현장에서 사용하기에는 어렵다는 단점이 있었다. KIST 이준석 박사팀은 이러한 기존의 한계점들을 극복하기 위해 검출 신호를 명확히 구별·인지할 수 있도록 상향변환을 통해 발광을 하는 무기나노입자로 근적외선 파장을 흡수하고 발광하도록 설계하였다. 또한 연구진은 칼슘이온을 추가로 첨가(Doping)하여 민감도를 높여 발광효율을 극대화 시켰다. 그리고 나노입자를 기반으로 하는 진단키트의 검출신호를 분석하기 위해 소형 리더기를 제작하여 어플리케이션을 통해 간단히 휴대전화 화면에서 조류인플루엔자 바이러스 검출 신호를 확인하는 것이 가능하도록 하였다. KIST 이준석 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 기술을 이용하여 신속성과 정확성, 경제성 및 사용편의성을 갖춘 보급형 소자를 개발하고, 이를 통해 조류인플루엔자의 신속한 현장 진단 및 확산 방지에 기여할 것으로 기대한다.“고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF : 7.78, JCR 분야 상위 1.72%)에 최신호에 게재되었다. * (논문명) Rapid and background-free detection of avian influenza virus in opaque sample using NIR-to-NIR upconversion nanoparticle-based lateral flow immunoassay platform - (제1저자) 한국과학기술연구원 김재영 학생연구원(석사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이준석 선임연구원 <그림설명> <그림 1> 조류인플루엔자 바이러스 검출을 위한 근적외선 흡/발광 상향변환 나노입자 기반의 진단플랫폼의 모식도 <그림2> KIST 분자인식연구센터 이준석 박사팀이 개발한 조류독감(AI) 바이러스 현장 검출용 키트

- 저가의 니켈로 저비용 · 대량생산 가능한 물 분해 촉매 전극 제조 기술개발 - 물 분해 수소 생산 상용화 기대, 인공광합성 시스템 효율 향상에 기여 물로부터 수소를 얻는 기술은 가장 대표적인 청정연료 생산방법으로 알려져 있다. 가까운 미래에는 연료전지의 보급 등으로 청정에너지인 수소의 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상된다. 그러나 현재의 수소 제조법은 대부분 화석연료를 기반으로 하여 제조 과정에서 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 방출하는 문제점을 가지고 있어, 새로운 청정 수소 제조법의 개발이 절실하다. 이에 다양한 촉매전극을 이용하는 물 분해-수소 제조법이 많이 연구되고 있으나 아직까지 생산 효율이 매우 낮고, 고비용 전극 제조 방법을 사용하고 있어 실용화에 크게 어려움을 겪고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사팀은 저가형 금속 소재인 니켈(Nickel)을 이용하여 매우 간단한 공정을 통해 고효율의 물 분해 촉매전극을 만들 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히 이 기술은 수소 생산뿐만 아니라, 자연의 나뭇잎과 마찬가지로 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 생산할 수 있는 미래 기술인 인공광합성 분야의 물 산화 촉매로도 응용가능하기 때문에 그 파급성은 매우 크다고 할 수 있다. 물 분해 수소생산 기술에는 크게 두 가지 중요 촉매 기술이 필요한데, 한 가지가 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 물 산화 촉매이고 다른 하나는 수소이온을 환원시켜 수소를 만드는 촉매 기술이다. 이 중 물을 분해하여 산소를 만들어 내는 반응이 훨씬 더 많은 에너지를 요구하는 어려운 반응이며, 아직까지 저가 소재를 기반으로 한 고성능의 촉매가 개발 되지 못한 상태이다. 기존에 이리듐, 루테늄 등의 희귀 고가 소재로 이루어진 촉매전극으로 높은 성능의 결과가 보고되었으나, 대량생산 및 상용화를 위해서는 저가 소재를 이용하여 고효율 촉매를 만들 수 있는 기술 개발이 절실한 상황이었다. KIST 연구진은 다공성의 니켈 폼(Ni foam)을 이용하여 단순히 황(Sulfur) 기체 조건에서 열처리 한 후 물 분해 반응을 진행시키면, 처음 황 기체에 의해 황화가 된 니켈 폼의 표면이 물 분해 활성이 매우 높은 형태(니켈하이드록사이드(Ni(OH)2/NiOOH))로 자발적으로 전환되면서 고효율의 물 분해 촉매로 변신하는 현상을 발견하였다. 연구진은 이러한 간단한 공정을 통해 만든 촉매전극을 개발하여, 세계 최고 수준의 고성능(과전압 256 mV @ 10 mA/cm2)을 나타내었다. 특히 이렇게 만들어진 촉매는 중성 pH 조건에서도 잘 작동하는 것이 검증되어 향후 인공광합성 시스템에 활용되어 효율과 내구성 향상에 기여할 것으로 기대된다. KIST 민병권 센터장은 “ 이 기술은 저가이면서 대량생산이 가능한 소재인 니켈 폼을 이용하여 매우 간단한 황화 열처리만으로 고효율의 물 분해 촉매 전극을 제조할 수 있다는 것이 장점으로 향후 물 분해 수소 생산 기술의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행 되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Activation of a Ni electrocatalyst through spontaneous transformation of nickel sulfide to nickel hydroxide in an oxygen evolution reaction - (제1저자) 한국과학기술연구원 이민오 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 책임연구원, 황윤정 책임연구원 <그림설명> <그림 1> (상단) 자발적 변신에 의해 형성된 고활성 니켈 폼의 모습 (하단) 이 촉매를 구성하고 있는 물질 및 형태를 도식으로 나타낸 모습

- 저비용, 고내구성 전극 제조를 위한 이리듐산화물 전해도금 기술 개발 - 친환경 수소생산 및 신재생에너지 보급 확대 기반 기술로 응용 기대 전 세계적으로 기후변화문제에 대처하기 위한 방안의 하나로 수소전기자동차 등 친환경 자동차에 사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 수소 연료는 대부분 천연가스 등 화석연료를 사용하여 생산되고 있는 실정인데, 이에 대한 대안으로 친환경 수소를 생산할 수 있는 물 전기분해 기술에 대한 관심이 커지고 있다. 최근 국내 연구진이 수소를 생산할 수 있는 친환경 기술인 물 전기분해 장치의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 장종현 박사팀은 전해도금을 통해 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 전극 기술을 개발했다. 이 기술은 전기화학적 수소 생산 성능과 내구성이 우수하여, 귀금속 촉매 사용량 저감 및 전극 제조 공정 단순화의 측면에서 가격 경쟁력 확보가 가능할 것으로 전망된다. 대용량, 장기간용 에너지저장장치(ESS)로 물 전기분해 기술을 적용하여 잉여전력을 수소로 저장하는 방식이 주목 받고 있다. 하지만, 물 전기분해 기술이 상업적 경쟁력을 확보하기 위해서는 재료 및 제조 공정 측면에서 비용 저감과 성능 증대를 동시에 실현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 기존의 기술은 분말을 물리적으로 도포하는 방식으로 귀금속 촉매 사용량(1~5 mg/cm2)이 많으며 보호 코팅막 제조가 필요했던 단점이 있었던 반면, 이번에 개발한 기술은 소량의 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 간단한 방법으로서 소재 및 공정의 비용 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 장종현 박사팀은 기존의 단점을 해결하기 위해 이리듐산화물을 전해도금으로 다공성금속지지체에 코팅하여, 촉매와 지지체 보호막 역할을 동시에 수행하는 새로운 전극 제조 기술을 개발하였다. 연구진은 전해도금 조건을 조절하여 이리듐산화물의 담지량 및 미세구조를 제어할 수 있음을 확인하였으며, 소량의 이리듐산화물을 균일하게 형성하는 조건을 도출하였다. 개발된 전극으로 물 전기분해 장치를 제작하여 저감된 귀금속량 (0.4 mg/cm2)에서도 우수한 수소 생산 성능을 확인하였다, 또한, 이리듐산화물층이 물 전기분해 조건에서 다공성금속지지체의 보호막으로 활용될 수 있음을 전기화학적 분석 및 수소생산 안정성 평가로 확인하였다. KIST 장종현 박사는 “본 연구로 개발된 전해도금 이리듐산화물 촉매·보호막 기술은 반응 활성화와 부식 방지의 두 가지 역할로 활용될 수 있으므로, 물 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 저감에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 이를 통해 청정 수소 생산 및 신재생에너지 보급 확대의 기반 기술 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.” 고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업통상자원부(장관 백운규) 산업기술혁신사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호(온라인 ‘17.12.16)에 게재되었다.

- 탄소나노튜브 실로 구성된 유연한 열전소자 개발, 뛰어난 발전 밀도 보여 - 향후 열에너지를 변환하는 플렉서블, 웨어러블 열전소자에 적용 기대 열전소자는 소자 양끝의 온도 차이를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자이다. 최근 외부 온도와 체온의 온도 차이를 통해 생산되는 전력을 웨어러블 기기의 전력원으로 사용하려는 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 하지만, 기존의 상용화된 열전소자는 무기 반도체 재료를 기반으로 하여 무겁고, 유연하지 않아 웨어러블 기기에 적용하기가 어려웠다. 최근 국내 연구진이 탄소나노튜브 실*을 이용하여 사람의 체온으로 전기 발전을 가능케하는 유연한(flexible) 열전 소자를 개발했다고 밝혔다. *탄소나노튜브 실(Carbon Nanotube Yarn) : 두께 5 nm(나노미터, 십억 분의 1m)의 탄소나노튜브 수천가닥을 꼬아서 실 형태로 제작, 강철의 100배 정도의 강도를 지니며 첨단섬유에 사용 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 광전하이브리드연구센터 김희숙, 최재유 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 탄소나노튜브를 실 형태로 제작한 후 별도의 금속 전극 없이 열전 소자에 적용하여 기존 열전 소자의 한계를 해결했다고 밝혔다. 연구진은 개발된 열전 소자가 의류와 같은 형태로 착용하여 전기를 발전해 낼 수 있게 디자인 되었으며, 스마트 의류 및 차세대 웨어러블 기기에 적용 가능할 것으로 기대한다고 밝혔다. 연구진이 개발한 열전소자는 기존 연구와 달리 금속 전극을 사용하지 않아 더욱 유연하고, 내부에서 발생하는 저항이 적어 높은 발전 성능을 가지게 된다. 먼저, 탄소나노튜브 실을 합성하고 n-, p- 타입으로 도핑하여 열전소자를 제작하였고, 또한 금속 전극을 추가로 도입하지 않고 탄소나노튜브 자체의 고전도성을 활용하여 전극으로 사용함으로써 소자의 저항을 낮추어 발전밀도를 향상시켰다. 본 연구에서 5도의 온도 차이로부터 10.85 마이크로 와트(μW/g)의 에너지 발전 밀도를 기록하였으며, 이 발전량은 보고된 유연 열전 재료 기반 소자 중 최고 수준의 결과이다. KIST 김희숙 박사는 “이번에 개발한 탄소나노튜브 실을 이용한 열전소자는 가볍고, 기계적 성질이 뛰어나며 높은 열전발전 성능을 보인다.”고 말하며, “이를 활용하면 향후 체온으로부터 웨어러블 디바이스에 직접 전원 공급이 가능하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회 R&D 컨버젼스 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’(IF: 13.942) 8월 23일에 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 탄소나노튜브 실을 이용한 플렉서블 열전 모듈의 제작 과정 <그림 2> 사람의 체온을 이용한 열전 발전 모듈