- KIST, 아라미드 섬유 국산화에 성공했던 故 윤한식 박사에 이어 슈퍼섬유 시장의 게임체인저(Game Changer) 개발 -‘황금 실’ 아라미드 섬유에 탄소 나노튜브를 접목, 전기도 통하는‘검은 실’ 아라미드 섬유는 무게가 강철의 20% 수준에 불과하지만, 강도는 5배 이상으로 강하고 섭씨 500도에서도 불타지 않아 ‘슈퍼섬유’ 또는 ‘황금실’이라고 불린다. 방탄복, 방화복, 광케이블 보강재, 고성능 타이어, 우주항공 소재 등 다양한 분야에서 필수적인 소재로 쓰이는 아라미드 섬유는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)의 故 윤한식 박사가 1979년부터 국산화를 위해 연구해 1984년 독자적 원천기술을 확보했다. KIST 전북 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사 연구팀은 23일 아라미드 섬유에 탄소나노튜브를 적용해 가볍고, 강하면서 불에 타지 않을 뿐 아니라 기존의 아라미드 섬유가 갖지 못했던 전기 전도성까지 갖는 새로운 복합섬유를 개발했다고 밝혔다. 새로 개발한 섬유는 탄소 나노튜브로 인해 검은색을 띤다. KIST 연구팀은 누에고치에서 아이디어를 얻어 극도로 낮은 분산성을 가지는 아라미드와 탄소나노튜브를 결합하는 데 성공했다. 누에고치는 고농도의 단백질로 고강도의 섬유를 만들어내는데, 이는 액정상을 이용하기에 가능한 일이다. 유동성과 규칙성을 모두 가지는 액정상을 이용하면 복합섬유를 제작할 때 아라미드와 탄소나노튜브의 응집을 최소화하면서 동시에 배열을 향상시킬 수 있다. 연구팀은 액정상을 이용해 기존에 상용화된 아라미드 섬유와 같이 높은 비강도를 가지며 비전기전도도가 구리 전선의 약 90% 수준에 이르는 복합섬유를 구현해냈다. 이번에 개발한 차세대 아라미드 섬유는 전기 전도성을 가지고 있음에도 불구하고 금속을 전혀 사용하지 않았기 때문에 유연하고, 부식성이 없으며, 구리 전선의 무게 대비 약 30% 수준으로 가볍다. 향후 스마트 밀리터리, 의료용 로봇, 친환경 모빌리티, 항공우주 등 다양한 분야에서 차세대 전선으로 활용될 것으로 기대된다. 김대윤 박사는 “故 윤한식 박사님은 독자기술로 아라미드 섬유 국산화에 성공하셨지만, 후발주자였기 때문에 시장에 먼저 진출한 美 듀폰사와 오랜 시간에 걸쳐 특허분쟁을 겪었다”라며, “이번에 개발된 기술은 슈퍼섬유 시장의 판도를 바꿀 수 있는 원천기술”이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 K-Lab 프로그램과 NRF의 우수신진연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 섬유 분야의 저명한 국제학술지인 ‘Advanced Fiber Materials’ (IF: 12.924, JCR 1.923%)에 게재되었다. (논문명) Boost Up the Mechanical and Electrical Property of CNT Fibers by Governing Lyotropic Liquid Crystalline Mesophases with Aramid Polymers for Robust Lightweight Wiring Applications - (제1저자) 한국과학기술연구원 유기현 연수생 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김대윤 선임연구원 ※ DOI: https://doi.org/10.1007/s42765-022-00246-4 [그림 1] 아라미드 섬유와 탄소나노튜브 복합으로 탄생한 ‘검은 실’ [그림 2] ‘검은 실’의 인장 강도 (가로축) 및 전기 전도도 (세로축) 성능 분포 그래프 [그림 3] ‘검은 실’ 개발 핵심 요소 모식도 및 에너지 수송용 전선 응용 예시

- KIST-수림문화재단, '내추럴 레플리카展' 개막 - 2019년부터 과학자-예술가 협업작품 전시회 AVS 개최 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수림문화재단(이사장 최규학)과 공동으로 주최하는 <Artist View of Science: 과학을 바라보는 예술가의 시선(이하 AVS)> 전시가 3월 16일(목)부터 4월 29일(토)까지 김희수아트센터(서울 동대문구 소재)에서 진행된다고 밝혔다. KIST와 수림문화재단은 2019년부터 과학기술과 예술이 만난 과학예술융합 전시 프로젝트인 AVS를 진행해오고 있다. 2019년 ‘사용된 미래’, 2020년 ‘재난감각’, 2021년 '데이터 정원' 이후 올해로 4회째를 맞이하는 ‘AVS’는 과학자와 예술가의 협업을 통해 과학기술과 예술의 융합 콘텐츠를 대중에게 선보임으로써 과학의 대중화에 앞장서고 있는 대표적인 전시회이다. 올해에는 ‘자연 복제(natural replica)’를 주제로 서로 다른 분야에 종사하는 KIST의 과학자와 예술가가 함께 창작한 5개의 작품을 비롯해 총 8개의 작품이 전시된다. 이번 전시는 인공지능이 생활화된 시대에 인간과 기계라는 이분법적 사고를 넘어 우리가 가져야 할 태도, 새롭게 발견해야 할 ‘인간성’, 그리고 이 시대 인간에 의해 범주화되고 규범화된 프레임이 만들어낸 ‘자연성’에 대해 이야기한다. KIST 윤석진 원장은 "과학과 예술은 관찰력과 창의력이라는 공통분모를 가지고 있다. 이번 전시회에서는 과학자와 예술가의 교감을 통해 서로 다르게 보이는 두 분야가 하나로 연결되는 모습을 확인할 수 있으니 많은 분이 와서 새로운 영감을 받기를 기대한다."라고 말했다. 전시에 대한 자세한 내용은 공식 인스타그램 계정(@avs_artnscience)과 문의(02-962-7911)를 통해 확인할 수 있다. 사진1_AVS_과학자-예술가 헙업작품_(작가)최재영-이소요_(작품명)흙으로 사진2_AVS_과학자-예술가 헙업작품_(작가)임화섭-민찬욱_(작품명)디지털 자아는 스스로 죽을 수 있는가 사진3_AVS_내추럴 레플리카 포스터

KIST양자정보연구단, 개방형연구소로 탈바꿈 산학연 협력 강화 다이아몬드로 양자컴 연구, 큐비트 오류정정 등 연구 확대 예측 어려운 양자컴 미래 “우리 삶 변화시킬 것” 올해 첫 마블영화로 '앤트맨 3(앤트맨과 와프스:퀀텀매니아)'가 공개됐다. 마블팬덤이 꽤나 큰 우리나라에서도 개봉해 많은 관람객을 모았다. 앤트맨의 능력은 핍입자로 몸 크기를 늘렸다 줄이는 슈트에서 나온다. 여기에는 과학적인 개념 '양자역학'이 숨어있다. 물질을 이루고 있는 기본적인 구성단위이자 최소단위인 '원자'는 원자핵과 전자로 이뤄져있는데, 둘 사이의 텅빈 공간을 늘렸다 줄였다하면서 물체의 크기를 조절할 수 있다는 것이 영화 적 설정이다. 이 외에도 시간여행, 다중우주 등 여러 양자 개념이 영화 속에 녹아져있다. 그렇다면 양자역학은 SF요소로 상상 속에서만 실현되고 존재하는걸까? 최근 과학자들은 양자기술을 현실에 적용하고 있다. 대표적인 기술이 양자컴퓨터다. KIST 양자정보연구단연구실 모습. "영화 앤드게임에서 닥터스트레인지가 타노스에 승리할 방법을 동시에 시뮬레이션 하는 장면이 나옵니다. 순차적 탐색이 아닌 모든 경우의 수를 동시에 찾는 것, 양자컴퓨터가 상용화되면 이런 모습이지 않을까요." KIST 양자정보연구단의 이정현 박사가 설명하는 양자컴퓨터는 히어로 닥터스트레인지 능력과 닮았다. 0과 1의 값을 갖는 비트단위로 정보를 순차적으로 처리하고 저장하는 디지털컴퓨터와 달리 양자컴퓨터는 0과 1의 상태를 동시에 갖는 중첩상태를 갖는데, 이를 활용하면 닥터스트레인지 능력처럼 경우의 수를 동시에 계산할 수 있다는 것이다. 슈퍼컴퓨터보다 빠른 연산이 기대되는 것도 중첩상태를 이용해 가능하다. 현존하는 컴퓨터가 몇만년 걸릴 문제를 수초만에 풀 수 있을 것으로 기대되는 양자컴퓨터는 미래 게임체인저로 불린다. 기존의 보안체계를 무너뜨리는 등 안보위협과도 직결돼 독자적인 연구개발이 필요한 분야다. 미국의 IBM, 구글, 아마존, MS 등이 양자컴퓨터 선점을 위한 연구를 하고 있으며, 우리나라도 12대 국가전략기술 중 하나로 양자컴퓨터를 포함, 올해 예산 984억원을 투입할 계획이다. 출연연 중 가장 먼저 양자기술에 도전장 내민 KIST 연구 유서 깊은 다이아몬드로 실용화 도전 "KIST는 다이아몬드와 인연이 깊습니다. 국내 최초 공업용합성 다이아몬드를 개발해 상용화하는 등 친숙한 소재입니다. 다이아몬드 소재가 가진 장점을 양자기술에 적용해보고자 합니다." 국내 출연연 가운데 가장 먼저 양자기술 연구개발에 도전한 KIST는 인공다이아몬드를 활용해 양자 소재부터 시스템을 아우르는 연구를 수행하고 있다. 양자암호통신 시스템 기술이전, 세계 두번째 상온 동작 포터블 양자컴퓨터, 센서 측정 한계를 뛰어넘는 양자센서 등 연구성과로 주목받고 있다. 양자컴퓨터를 설명할 때 많이 등장하는 단어가 큐비트다. 양자컴퓨터는 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위를 처리하고 저장하는데, 큐비트단위가 50이 넘으면 특정 문제에서 슈퍼컴퓨터의 능력을 넘어설 수도 있다는 가능성을 보인 바 있다. 큐비트를 설계하기 위한 방법은 ▲초전도 루프 ▲이온덫 ▲광자 ▲실리콘 양자점 ▲중성원자 ▲고체 점결함 등으로 크게 나뉜다. KIST는 다이아몬드 점결함을 이용해 양자컴퓨터를 연구개발한다. 다이아몬드의 장점은 고온, 고압이 필요한 다른 방법과 달리 상온, 상압에서 작동 가능하다는 점이다. 탄소격자로 이뤄져있는 다이아몬드 격자위치에 탄소가 아닌 다른 불순물을 주입시키면 원자들이 하나의 큐비트처럼 작동하도록 만들 수 있다. KIST 외에도 일본 후지츠와 네덜란드 델프트공대 등에서 다이아몬드 결함시스템을 연구개발하고 있다. 다만 다이아몬드는 이온덫이나 초전도와 달리 위치제어가 어려워 큐비트 갯수를 늘리는 것이 쉽지 않다. 이에 이 박사는 "물리적 한계는 있지만 이론적으로 완전 불가능한 것은 아니다. 소자개발, 재료연구자들과 협업해 다이아몬드도 확장성을 갖도록 시스템을 만드는 중"이라고 설명했다. KIST는 가장 안정적인 고체로 꼽히는 다이아몬드를 활용한 스핀 큐비트 기술을 보유하고 있다. 큐비트 개수보다 중요한건 정확도! 오류율정정 확실하게 잡는다 과거 양자컴퓨터 연구는 큐비트 갯수를 늘리는 연구가 많은 주목을 받았다. 하지만 큐비트를 무조건 많이 확보했다고 빠른 연산능력을 갖는 것은 아니다. 큐비트 하나가 가진 오류율을 줄여야 정확한 연산을 달성할 수 있다. 큐비트 1000개 보다 오류 적은 큐비트 50개가 훨씬 연산능력이 높을 수 있다는 이야기다. KIST는 올해 본격적으로 양자오류정정 연구를 시작할 계획이다. 이 박사는 "영국과 호주가 100큐비트를, IBM가 1000큐비트를 목표로 내세우기는 했지만, 아마존과 구글 등은 오류정정에 집중하는 방향성을 밝혔다"며 "양자컴퓨터의 성능을 결정짓는 요인이 다양한 만큼 우리 연구단도 양자오류 정정을 주제로 연구에 집중할 계획"이라고 설명하며 "최근 MOU를 맺은 캐나다 기업 자나두와 관련한 업무협력을 추진할 계획" 이라고 밝혔다. 또한 양자 오류 해결을 위해 KIST는 반도체 공정, 즉 나노공정기술에 주목하고 있다. 양자컴퓨터 분야 세계적 석학으로 아이온큐를 공동창업한 김정상 듀크대 교수도 최근 국내 학술대회에서 한국의 양자컴퓨팅 연구개발에 반도체를 강조한 바 있다. 이 박사에 따르면 반도체 공정은 원하는 물질을 나노미터 수준의 형태로 제작하는 기술을 활용한다. 양자컴퓨터의 경우 큐비트라는 작은 단위를 제어하고 큐비트를 원하는 위치에 생성하기 때문에 반도체의 나노공정기술을 적용할 수 있다. 이 박사는 "다이아몬드 내부에 불순물을 주입하는 '이온주입'을 정확한 위치에 하려면 작은 구멍을 원하는 위치에 제대로 뚫는 것이 중요하다. 이런 공정을 반도체에서도 유사하게 쓰고 있어 활용이 가능할 것"이라고 설명하며, “이러한 정밀 이온주입 기술을 이용하여 양자오류정정 기술에 필요한 저잡음 양자 소자를 개발 할 수 있을 것”이라고 설명했다. 양자정보양자컴퓨팅양자센싱 연구를 하고 있는 이정현 박사. 양자컴 후발주자지만...“안보와 연결된 중요 기술, 독자적 기술 확보해야” "전자컴퓨터의 조상인 에니악은 군사적 목적으로 개발됐지만 대중화되면서 다양한 문제를 풀고 일상에 활용되고 있습니다. 양자컴퓨터도 비슷하다고 생각해요. 지금 당장은 전자컴퓨터보다 느린 부분도 있을지 모릅니다. 하지만 전자컴퓨터의 난제라고 여겨지는 수학적 특정 조건에 대한 문제에 특화된 만큼 우리 삶을 변화시킬 것이라고 생각합니다." 현존하는 슈퍼컴퓨터보다 빠른 연산이 가능 할 것으로 기대되는 양자컴퓨터지만 현재로썬 하드웨어적인 제약으로 한계가 많다. 덧셈뺄셈은 오히려 기존 컴퓨터보다 느릴지도 모른다는 소리가 나온 이유도 바로 이 때문이다. 하지만 군사적 목적으로 개발된 컴퓨터의 조상 에니악도 처음부터 뭐든 잘 해내진 못했다. 현재 컴퓨터가 그래픽을 만들고 연구, AI 개발 등 다양한 분야에 적용되듯 양자컴퓨터도 상용화 이후 우리 삶을 어떻게 바꿀 수 있을지 예측하기가 쉽지 않다. 이 박사는 “양자 우월성을 가진 양자컴퓨터가 개발되면 고전컴퓨터에서 난제라고 여겨졌던 몇몇 NP-난해 문제들을 해결 할 수 있을 것으로 생각된다. 이는 화학, 바이오, 물리학 등 폭넓은 분야에 응용 될 수 있을 것으로 내다보고 있다”면서 “또한 양자 우월성을 가진 양자 센싱이 가능해지면 질병의 신속한 진단이나 세포 동역학 미세 연구 등에 응용될 수 있어서 신약개발과 같은 연구에도 활용이 가능하여 막대한 경제적인 파급 효과가 있을 것”이라고 말했다. 국가안보와 산업경쟁력을 좌우하는 등 게임체인저로 불리는 양자컴퓨터지만 우리나라는 후발주자다. 정부에서 양자기술에 예산을 늘리고 있지만 실제 연구개발에 필요한 전문인력도 턱없이 부족하다. 과기부가 지난해 양자분야 논문 저자를 총 피인용수로 분석한 결과 한국 연구자수는 500명으로 중국 5518명, 유럽연합 4100명, 미국 3122명, 영국 881명, 일본 800명에 비해 턱없이 부족한 것으로 나타났다. 연구는 결국 사람이 한다. 정부가 양자대학원 설립 등 인력확보를 위한 정책을 내놓고 있지만 단발성 투자가 아닌 미래중점사업 가능성을 꾸준히 보여주고 실현해야 인재가 자연스럽게 모인다는 것이 과학계 중론이다. 그는 “우리나라는 선진국 대비 양자컴퓨터 연구 후발주자다. 일각에서는 차라리 기술을 사오는게 낫지 않겠냐는 목소리를 높인다. 하지만 양자기술은 기존 보안체계를 위협하는 등 안보와도 깊게 연관돼있어 독자적인 기술을 확보하는게 중요하다”면서 “우리는 반도체 강국이지만 다음 먹거리도 고민해야한다. 다음 스텝으로 가기 위해서는 그 분야에 많은 사람들이 뛰어들어야한다. 좋은 인력이 양자기술에 관심 갖고 모일 수 있는 환경이 마련되길 바란다”고 말했다. 한편, 양자정보연구단은 최근 광교에 있던 연구단을 홍릉본원으로 옮기면서 새로운 미래를 준비 중이다. 출연연의 높은 칸막이를 부수고 개방형연구소 탈바꿈하며 학교교수나 기업 등 양자관련 연구자들이 집대성해 연구에 몰두할 수 있는 환경을 만들고 있다.

협업하며 인간과 상호작용하는 도서관 시스템 ‘콜래봇’ 수년간 호흡 곽소나·강다현 박사 개발, 종이에서 시작된 연구 ‘공간’으로 “도서관 넘어 집, 병원 등 확장할 것” KIST 로봇연구자가 모두 모여 있는 국제협력관에 최근 작은 도서관이 설치됐다. 이곳은 단순히 책을 보는 도서관과는 다르다. 원하는 책을 휴대폰으로 클릭하면 책장이 움직이고, 책이 많아 손이 모자라면 로봇이 움직여 이동을 돕는다. 책읽기 적합한 밝기로 조명이 조절되기도 하고, 손이 닿지 않는 곳에 책이 꽂혀있으면 로봇이 자동인식해 발판이 되어 도움을 준다. 마법이 현실이 된듯한 이곳은 다수의 로봇들이 협업해 인간과 상호작용하는 도서관이다. 일명 로보틱 도서관 시스템 '콜래봇(CollaBot)'이다. 이 도서관은 전체가 소셜로봇이다. 사용자의 마음을 읽어 도움을 주는 도서관의 비결은 로봇과 AI시스템의 콜라보에 숨어있다. <콜래봇 기술과 서비스 예시> 도서관 입구에 부착된 초음파센서가 사용자의 키 인식, 책장과 의자로봇에 정보 전달->사용자가 휴대폰으로 어플을 켜고 원하는 도서를 검색하면 연결된 로보틱 책장이 움직이며 도서가 꽂힌 위치를 돌출-> 책 위치가 사용자 키와 맞지 않을 경우 의자로봇이 사다리 역할을 하기 위해 스스로 사용자에게 다가감->사용자가 많은 책을 원하는 경우 의자로봇이 카트역할을 위해 스스로 이동->조명이 어두운 경우 사용자가 책 읽기 적당한 밝기로 스스로 조절. 마법 같은 공간을 만든 주인공은 KIST 지능로봇연구단 곽소나·강다현 박사다. 두 사람은 로봇 상호작용 디자이너로 인간처럼 움직이는 로봇을 구현하는 공학자가 아닌, 로봇과 인간이 상호작용하도록 디자인하고 있다. 수년간 호흡을 맞춘 두 사람이 연구한 콜래봇의 우수성을 먼저 알아본 건 해외다. 콜래봇은 2022년 12월 13일부터 16일까지 이탈리아 피렌체 상공회의소에서 개최된 국제 소셜로봇 학술대회 일환으로 열린 로봇디자인대회에서 '하드웨어, 디자인 인터페이스'부문 최고상의 영예를 안았다. KIST는 최근 다수의 로봇이 협업해 인간과 상호작용하는 도서관 ‘콜래봇’을 개발했다. 강다현 박사는 "콜래봇은 사용자 상태를 인식해 각 제품들이 협업해 적합한 서비스를 제공한다. 협업시나리오를 무한대로 늘릴 수 있다는 것 또한 재밌는 포인트 중 하나"라고 설명했다. 휴머노이드 연구 50년, 상용화 한계 뛰어넘는 연구가 시작이었죠 "인류는 오랫동안 로봇을 연구했습니다. 하지만 기존 휴머노이드는 실용화 벽을 넘지 못하고 연구에 그치거나 일부 서비스를 제공하는데 머물렀죠. '이 한계를 어떻게 뛰어넘을 수 있을까' 그 고민이 우리 연구의 출발점이 됐습니다."(곽소나 박사) 올해는 인류가 두발로 걷는 최초의 휴머노이드를 개발한지 50년이 되는 해다. 일본의 와세다대학교 가토 이치로 교수팀이 두발로 걷는 최초의 휴머노이드를 선보였고 이후 로봇선진국에서 다양한 휴머노이드를 꾸준히 연구 개발했다. 하지만 애석하게도 실생활 서비스 휴머노이드를 찾아보기란 쉽지 않다. 인간이 처한 상황을 인식해 그에 맞는 서비스를 제공하는 것이 휴머노이드의 목표지만 실용화 벽을 넘지 못한 것이 현실이다. 휴머노이드 관련 기술들은 산업전반에 확대돼 사용되고 있지만, 휴머노이드 자체를 활용한 서비스는 성공하지 못하고 대부분 연구에 그치거나 일부 서비스를 제공하는데 머물러있다. 사람들이 휴머노이드 로봇에 만족하지 못하는 이유는 외형이 미치는 영향도 크다는 것이 곽 박사 설명이다. 곽 박사는 "사람들은 제품의 외형을 보고 어떤 서비스를 할 수 있을지 예측하고 기대한다. 휴머노이드의 경우 사람처럼 생겼으니 걷고 말하며 다양한 업무를 수행할 수 있을 거라고 기대할 수 있고, 이에 따라 소비자는 휴머노이드를 특정 기능을 수행하는 기존 제품군에 범주화하는 데에 어려움을 가져 제품 수용으로 이어지는데에 한계가 있을 수 있다”고 설명했다. 여기서 곽소나 박사팀은 사람의 기대치를 낮춰 '각 제품에 기존 로봇기술을 분산시켜 입히자'는 아이디어를 냈다. 의자나 책상, 티슈케이스 등 제품에 로봇화를 시작한 것이다. 여기에 곽 박사는 분산시킨 로봇들이 협업하는 시스템을 더했다. 곽 박사는 "우리가 밥을 먹을 때 손을 쓰기도 하지만 입도 마중을 나간다. 사람의 몸이 협업하듯 제품들도 협업하는 것이 필요하다고 봤다"며 "각각 정보들이 많아지면서 맥락을 파악하는 인식기술로 확대해 멀티서비스를 제공할 수 있도록 설계했다"고 설명했다. 두 연구자의 첫 협업은 2014년 종이접기 방식과 로봇기술을 접목한 '종이봇'개발이다. 종이접기에 온도나 정전기센서를 연결해 모터가 움직이는 모듈화된 키트를 개발했다. 악어와 같은 동물부터 모자 등 소품까지 접은 종이가 움직이거나 노래가 나오도록 디자인했다. 콜래봇은 도서관 모습을 하고 있지만 다양한 협업 시나리오를 만들 수 있다. 예를 들어 사용자가 로봇의자에서 책을 읽고 있다가 하품을 하면, 이 소리를 인식해 여러 대의 의자가 결합하여 침대가 되는 등 사용자의 의도를 파악한 맞춤형 서비스를 만들어낼 수 있다. 테이블 위에 주전자와 찻잔, 사무용품들을 대상으로 사용자 의도파악 서비스도 가능하다. 강다현 박사는 "우리의 목표는 도서관만은 아니다. 모든 제품을 로봇화 시킬 수 있는 만큼 집이나 병원 등 다양한 곳에 적용하도록 로봇을 디자인할 것"이라고 설명했다. 종이봇에서 시작해 공간으로 확장 연구 "기술고도화로 더 다양한 서비스 구현" 두 연구자의 첫 협업은 2014년 종이접기 방식과 로봇기술을 접목한 '종이봇'개발이다. 종이접기에 온도나 정전기센서를 연결해 모터가 움직이는 모듈화된 키트를 개발했다. 악어와 같은 동물부터 모자 등 소품까지 접은 종이가 움직이거나 노래가 나오도록 디자인했다. 두 연구자는 종이접기를 로봇화한 개념이 확장돼 대규모의 가구를 로봇화한 연구로 발전했다고 설명했다. 또 각 사물의 상호작용 디자인에서 다수의 사물 간 협업 기반 상호작용으로 연구를 확장했다. 이 연구는 KIST의 다양한 로봇연구진 덕에 가능한 일이기도 하다. 곽 박사는 "로봇 상호작용을 디자인하다보니 큰 모터를 사용해 제품을 로봇화하는데는 한계가 있었다. KIST에서 본격 연구를 시작하면서는 엔지니어분들의 도움을 받아 큰 모터로 가구를 로봇화하는 등 기존 연구를 확장할 수 있게 됐다"며 "종이접기를 시작으로 꿈에 그리던 공간을 만든 만큼 콜래봇은 특별한 장소"라고 설명했다. 인간과 상호작용하는 도서관 시스템 ‘콜래봇’ 앞으로도 두 연구자는 콜래봇을 꾸준히 업그레이드할 계획이다. 강 박사는 "사용자 인원수를 인식해 회의를 위한 책상과 의자를 이동시키거나 사용자가 처해있는 상황에 맞는 가구배치 등 구현하고 싶은 것이 많다. 사용자의 행동 데이터를 꾸준히 누적해 필요한 서비스를 적절하게 해줄 수 있도록 기술을 고도화하고 싶다"며 "이런 서비스가 실제 인간의 삶에 어떤 변화를 주게 될지 보는 것 또한 우리 과제"라고 말했다. 곽 박사는 "제일 많이 상용화되어 수익을 낸 로봇은 자동문이다. 기존 제품을 약간 로봇화한것도 모두 로봇화오브젝트라고 생각한다"며 "휴머노이드는 고장 나면 서비스가 어렵지만 자동문이나 에스컬레이터는 고장 나도 문, 계단처럼 쓸 수 있다. 제품이 로봇화되면 풍성한 서비스를 줄 수 있지만 고장 나더라도 쓸 수 있는, 소비자 입장에서 받아들일 수 있는 다양한 측면을 고려하면서 연구해 나가겠다"고 덧붙였다.

최치호 KIST 홍릉강소특구사업단장 중국은 최근 ‘2035 바이오굴기’를 선언하면서 처음으로 경제개발계획에 바이오를 포함하였다. 바이오 경제가 인류 복지를 해결하고 경제 성장을 이끌 새로운 어젠다로 떠오르면서 바이오 경제 패권을 잡으려는 선도국가 간 치열한 경쟁이 가속화하고 있다. 그 본질을 들여다보면 결국은 규제혁신의 경쟁으로 볼 수 있다. 불필요한 규제는 국가경쟁력 저하와 성장동력 창출 실패의 결정적 요인이 되기도 한다. 지난해 우리나라의 국제경영개발대학원(IMD) 국가경쟁력 종합순위가 23위에서 27위로 낮아진 것도 각종 규제에 영향을 받는 ‘기업여건’이 48위에 불과한 점이 크게 작용한 것은 아닌지 의문이다. 2017년 미국 식품의약국(FDA)은 공개적으로 ‘우리가 혁신의 걸림돌이 되지 않겠다’고 천명하며 일찌감치 디지털 헬스케어 분야에서 파격적인 규제 개선방안을 발표하였다. 개별 제품에 대하여 의료기기 여부와 안전성, 유효성을 심사하는 대신 개별 개발업체를 기준으로 심사하여 더욱 빠르게 환자들에게 기술혁신의 수혜를 줄 수 있도록 파격적인 변화를 선보인 것이다. 혁신은 예측하기 어렵고 대체로 이를 심사할 기준조차 마련되지 않은 현실을 받아들인 것이다. “바이오헬스 골든타임 놓칠 위기” 지난 주 우리 정부도 바이오헬스 세계 시장의 급속한 성장에 대응할 수 있도록 선제적 규제개선 방안을 담은 ‘바이오헬스 신산업 규제혁신 방안’을 발표하였다. 여러 규제들로 인해 “우리나라 바이오헬스는 골든타임을 놓칠 위기에 처했고, 디지털 헬스케어 시장에서 한국은 이미 갈라파고스로 전락했다”고 토로한 기업들에는 가뭄 속 단비와 같은 소식일 것이다. 바이오헬스의 국가경쟁력은 글로벌 경쟁력을 갖춘 혁신 클러스터 보유와 큰 연관성이 있다. 미국은 보스턴 등 세계 최대 바이오클러스터를 중심으로 글로벌 제약시장의 41%를 점유하고 있다. 우리나라의 낮은 신약개발 효율성(세계 15위)과 의약품·의료기기의 글로벌 시장 점유율(2%)에서 벗어나기 위해서는 글로벌 선도 바이오클러스터를 육성하는 것이 긴요하다. 여기에 포괄적 규제유예와 장기적인 재정지원 및 안정적인 전문인력 육성 등을 통합적으로 디자인하여 글로벌 기업의 유치를 유도할 필요가 있다. 우리나라도 2010년도에 글로벌 신약·의료기기 개발에 필요한 세계적인 수준의 연구개발(R&D) 및 기업 연계 생태계를 구축하고자 오송과 대구에 첨단의료복합단지를 조성한 바 있다. 단지의 첨단 인프라를 활용하여 공동 R&D를 수행하고, 기술 유효성 평가 및 시제품 제작지원 등을 통해 기술 수출, 글로벌 임상 수행 등의 성과를 창출하고 있다. 그러나 바이오헬스 산업이 더욱 도약하기 위해서는 첨단의료복합단지에 대한 규제도 합리적으로 개선하여 개방형 혁신을 촉진하여야 할 필요가 있다. 당장 첨단의료복합단지 내에서 연구개발한 의약품·의료기기에 한해서만 소규모 생산시설의 설치를 허용해 온 것을 기업의 본사가 첨복단지 내에 위치하면 단지 밖에서 연구개발한 제품까지도 단지 내에서 생산할 수 있도록 허용하고, 무분별한 임대 난립을 우려해서 입주기업의 임대를 제한하였던 것도 공동연구 수행 등 임대 필요성이 인정되는 경우에는 임대를 허용한다면 첨단의료복합단지가 더욱 활성화될 수 있을 것으로 보인다. 英 ‘붉은깃발법’ 전철 밟지 말아야 신산업이 태동할 때 등장하는 규제의 대표적인 실패사례로 영국의 ‘붉은 깃발법’이 자주 인용되곤한다. 성능 좋은 차량을 개발해놓고도 제한된 중량과 속도, 그리고 각종 규제들로 자동차 산업의 선두자리를 독일, 미국에 내주고 말았다. 이러한 우를 범하지 않도록 해묵은 규제 논쟁에서 벗어나서 단호하게 ‘헤어질 결심’을 실행하여 ‘바이오헬스 글로벌 중심국가’로 가는 마지막 골든타임을 놓치지 않기를 간절하게 기대해 본다. 출처: 이투데이 (링크)

- 상온에서 고체전해질을 원팟(one-pot) 합성하는 신공정과 원리 제시 - 전고체전지의 제조단가 절감과 계면 문제 해결할 돌파구 마련 전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성(이온전도도 10 mS/cm 이상)을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 그런데 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다. 연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다. 연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다. 합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다. 본 연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며, “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(장관 이창양)이 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행되었으며, 연구결과는 기능성 재료 분야 저널 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 분야 상위 4.658%)에 게재되었다. * (논문명) Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정으뜸 박사과정 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형철 책임연구원 (DOI) https://doi.org/10.1002/adfm.202211185 <대표 이미지> KIST 연구진의 상온·상압 원팟 공정으로 합성된 고탄성·슈퍼이온전도성 고체전해질이 독보적인 차세대 전고체전지 기술임을 보여주는 일러스트. Advanced Functional Materials 저널 겉표지(front cover)로 선정됨. [그림 1] 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 고체전해질 형성을 통해 이온전도도와 탄성계수를 제어하는 신기술의 요약 할로겐 원소 충진률 제어를 통해 이온전도도를 극대화하며 동시에 낮은 탄성계수를 지니는 전고체전지용 고체전해질을 합성함. [그림 2] 2 단계 기계화학적 밀링법으로 합성된 전해질의 결정성, 이온전도도, 1일당 공정 진행률에 대한 성과 요약 상온·상압 원팟 공정으로 개발된 신규 고체전해질은 고온 열처리 공정 없이 높은 결정성(약 57.39%)과 이온전도도(약 13.23 mS/cm)를 보유함. 덧붙여, 본 연구 성과는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 소재 합성법 중 가장 높은 생산성을 지님.

- 상온에서 고체전해질을 원팟(one-pot) 합성하는 신공정과 원리 제시 - 전고체전지의 제조단가 절감과 계면 문제 해결할 돌파구 마련 전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성(이온전도도 10 mS/cm 이상)을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 그런데 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다. 연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다. 연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다. 합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다. 본 연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며, “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(장관 이창양)이 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행되었으며, 연구결과는 기능성 재료 분야 저널 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 분야 상위 4.658%)에 게재되었다. * (논문명) Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정으뜸 박사과정 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형철 책임연구원 (DOI) https://doi.org/10.1002/adfm.202211185 <대표 이미지> KIST 연구진의 상온·상압 원팟 공정으로 합성된 고탄성·슈퍼이온전도성 고체전해질이 독보적인 차세대 전고체전지 기술임을 보여주는 일러스트. Advanced Functional Materials 저널 겉표지(front cover)로 선정됨. [그림 1] 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 고체전해질 형성을 통해 이온전도도와 탄성계수를 제어하는 신기술의 요약 할로겐 원소 충진률 제어를 통해 이온전도도를 극대화하며 동시에 낮은 탄성계수를 지니는 전고체전지용 고체전해질을 합성함. [그림 2] 2 단계 기계화학적 밀링법으로 합성된 전해질의 결정성, 이온전도도, 1일당 공정 진행률에 대한 성과 요약 상온·상압 원팟 공정으로 개발된 신규 고체전해질은 고온 열처리 공정 없이 높은 결정성(약 57.39%)과 이온전도도(약 13.23 mS/cm)를 보유함. 덧붙여, 본 연구 성과는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 소재 합성법 중 가장 높은 생산성을 지님.

- 상온에서 고체전해질을 원팟(one-pot) 합성하는 신공정과 원리 제시 - 전고체전지의 제조단가 절감과 계면 문제 해결할 돌파구 마련 전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성(이온전도도 10 mS/cm 이상)을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 그런데 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다. 연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다. 연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다. 합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다. 본 연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며, “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(장관 이창양)이 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행되었으며, 연구결과는 기능성 재료 분야 저널 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 분야 상위 4.658%)에 게재되었다. * (논문명) Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정으뜸 박사과정 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형철 책임연구원 (DOI) https://doi.org/10.1002/adfm.202211185 <대표 이미지> KIST 연구진의 상온·상압 원팟 공정으로 합성된 고탄성·슈퍼이온전도성 고체전해질이 독보적인 차세대 전고체전지 기술임을 보여주는 일러스트. Advanced Functional Materials 저널 겉표지(front cover)로 선정됨. [그림 1] 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 고체전해질 형성을 통해 이온전도도와 탄성계수를 제어하는 신기술의 요약 할로겐 원소 충진률 제어를 통해 이온전도도를 극대화하며 동시에 낮은 탄성계수를 지니는 전고체전지용 고체전해질을 합성함. [그림 2] 2 단계 기계화학적 밀링법으로 합성된 전해질의 결정성, 이온전도도, 1일당 공정 진행률에 대한 성과 요약 상온·상압 원팟 공정으로 개발된 신규 고체전해질은 고온 열처리 공정 없이 높은 결정성(약 57.39%)과 이온전도도(약 13.23 mS/cm)를 보유함. 덧붙여, 본 연구 성과는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 소재 합성법 중 가장 높은 생산성을 지님.

- 상온에서 고체전해질을 원팟(one-pot) 합성하는 신공정과 원리 제시 - 전고체전지의 제조단가 절감과 계면 문제 해결할 돌파구 마련 전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성(이온전도도 10 mS/cm 이상)을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 그런데 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다. 연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다. 연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다. 합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다. 본 연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며, “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(장관 이창양)이 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행되었으며, 연구결과는 기능성 재료 분야 저널 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 분야 상위 4.658%)에 게재되었다. * (논문명) Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정으뜸 박사과정 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형철 책임연구원 (DOI) https://doi.org/10.1002/adfm.202211185 <대표 이미지> KIST 연구진의 상온·상압 원팟 공정으로 합성된 고탄성·슈퍼이온전도성 고체전해질이 독보적인 차세대 전고체전지 기술임을 보여주는 일러스트. Advanced Functional Materials 저널 겉표지(front cover)로 선정됨. [그림 1] 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 고체전해질 형성을 통해 이온전도도와 탄성계수를 제어하는 신기술의 요약 할로겐 원소 충진률 제어를 통해 이온전도도를 극대화하며 동시에 낮은 탄성계수를 지니는 전고체전지용 고체전해질을 합성함. [그림 2] 2 단계 기계화학적 밀링법으로 합성된 전해질의 결정성, 이온전도도, 1일당 공정 진행률에 대한 성과 요약 상온·상압 원팟 공정으로 개발된 신규 고체전해질은 고온 열처리 공정 없이 높은 결정성(약 57.39%)과 이온전도도(약 13.23 mS/cm)를 보유함. 덧붙여, 본 연구 성과는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 소재 합성법 중 가장 높은 생산성을 지님.

- 상온에서 고체전해질을 원팟(one-pot) 합성하는 신공정과 원리 제시 - 전고체전지의 제조단가 절감과 계면 문제 해결할 돌파구 마련 전고체 전지는 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지로 에너지 밀도가 높고 기존의 리튬이온전지 대비 화재·폭발 위험성이 현저히 낮아 차세대 배터리 기술로 손꼽힌다. 최근 전고체 전지 분야 소재 연구는 액체 전해질과 비슷한 수준의 이온전도성(이온전도도 10 mS/cm 이상)을 확보하기 위해 소재 결정성을 극대화하는 전략에 집중하고 있다. 그런데 이러한 방식은 소재 혼합 혹은 반응 이후 500oC 이상의 고온에서 최대 수일에 걸친 결정화 공정이 필요하다. 이 때문에 공정비용이 높아지고, 기계적 탄성 감소로 인한 전지 계면 접촉 문제를 가지고 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀은 슈퍼 이온전도성과 높은 탄성변형성을 가진 고체전해질을 상온·상압 원팟(one-pot) 공정으로 합성하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 전고체 전지 소재의 생산성을 극대화하는 한편, 탄성변형력을 제고해 고질적 계면 문제를 해결할 수 있어 주목받고 있다. 연구팀은 상온·상압 조건에서 고탄성·고이온 전도성 고체전해질 소재를 합성하기 위해 황화물 아지로다이트(argyrodite) 소재의 결정학적 특징에 주목했다. 이론적으로는 아지로다이트 결정 내 4a 및 4c 자리의 할로겐 치환율을 최대로 높인 상태에서 이온전도성을 극대화할 수 있지만, 열역학적 불안정성으로 소재가 실용적으로 합성된 사례가 없었다. 또한 일반적인 슈퍼 이온전도성 아지로다이트 결정질 소재는 500oC 이상의 고온 열처리를 거쳐야하므로 할로겐 치환율을 극대화할 수 없었으며, 높아진 결정성만큼 탄성변형성은 낮아져 전지 성능의 빠른 열화를 가져왔다. 반대로 고온 열처리를 하지 않으면 유리질처럼 낮은 탄성계수 확보는 가능하지만, 이온전도도는 3 mS/cm 내외에 머물러 고체전해질로의 가치가 낮아지는 한계가 있었다. 연구팀은 결정질과 유리질 각각의 장점을 취하고, 열역학적으로 불안정한 할로겐 완전 치환형 구조를 확보하기 위해 새로운 전략, 즉 아지로다이트의 결정화 온도를 낮추는 조성 제어법과 낮아진 결정화 온도에 적합한 2단 기계화학적 밀링(milling) 신공정을 개발했다. 이를 통해 고온 열처리 공정 없이 약 13.23 mS/cm의 슈퍼 이온전도도를 가지는 할로겐 완전 치환형(약 90.67% 치환률) 아지로다이트 합성에 성공했다. 합성된 소재는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 가운데 가장 낮은 약 12.51GPa의 탄성계수를 동시에 가지기 때문에 전고체 전지 계면성능 향상에도 유리하다. 또한 상온·상압 원팟 신공정은 전체 15시간 이내에 공정이 완료되어 슈퍼 이온전도성을 확보한 고체전해질 가운데 생산성이 가장 높다. 이는 슈퍼 이온전도성 고체전해질을 합성하는 기존 공정 대비 약 2배~6배가량 향상된 소재 생산성으로 독보적 성과이다. 본 연구를 주도한 KIST 김형철 박사는 “상온·상압 신공정으로 고탄성·고이온전도성 고체 전해질 신소재를 개발하는 데 성공했다”며, “개발된 신소재는 고온 열처리 공정을 없애 소재 생산성이 극대화되었고, 전고전지 전극 계면 문제 해결에 적합한 고탄성·고이온전도성을 동시에 보유하고 있어 전기자동차와 에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 전고체 전지 상업화의 기폭제가 될 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)가 지원한 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(장관 이창양)이 지원한 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술 개발사업 등으로 수행되었으며, 연구결과는 기능성 재료 분야 저널 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 분야 상위 4.658%)에 게재되었다. * (논문명) Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정으뜸 박사과정 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김지수 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김형철 책임연구원 (DOI) https://doi.org/10.1002/adfm.202211185 <대표 이미지> KIST 연구진의 상온·상압 원팟 공정으로 합성된 고탄성·슈퍼이온전도성 고체전해질이 독보적인 차세대 전고체전지 기술임을 보여주는 일러스트. Advanced Functional Materials 저널 겉표지(front cover)로 선정됨. [그림 1] 할로겐 완전 치환형 아지로다이트 고체전해질 형성을 통해 이온전도도와 탄성계수를 제어하는 신기술의 요약 할로겐 원소 충진률 제어를 통해 이온전도도를 극대화하며 동시에 낮은 탄성계수를 지니는 전고체전지용 고체전해질을 합성함. [그림 2] 2 단계 기계화학적 밀링법으로 합성된 전해질의 결정성, 이온전도도, 1일당 공정 진행률에 대한 성과 요약 상온·상압 원팟 공정으로 개발된 신규 고체전해질은 고온 열처리 공정 없이 높은 결정성(약 57.39%)과 이온전도도(약 13.23 mS/cm)를 보유함. 덧붙여, 본 연구 성과는 보고된 슈퍼 이온전도성 고체전해질 소재 합성법 중 가장 높은 생산성을 지님.