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10배 더 안정적으로 정보 저장 가능한 차세대 반도체 소재 특성 발견

- 2차원 소재인 반데르발스 자성체만의 자성 특성 발견 - 교환 바이어스 특성 10배, 스핀 반도체의 획기적 성능 개선 기대 전 세계 반도체 기업과 연구소는 양산되고 있는 실리콘 반도체의 효율 향상에 한계를 느끼고, 이를 뛰어넘을 수 있는 스핀 메모리를 주목하고 있다. 스핀 메모리의 작동원리에 대한 연구는 상당 부분 진전이 있었고 최근에는 적합한 소재를 찾기 위한 노력이 한창인데, 국내 연구진이 스핀 메모리의 소재 후보로 주목받고 있는 반데르발스 자성체의 정보저장 안정성이 다른 소재보다 10배 이상 높다는 연구 결과를 내 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 스핀융합연구단 최준우 박사팀이 반데르발스 자성체가 정보를 저장할 수 있는 안정성을 나타내는 ‘교환 바이어스’ 특성이 일반 자성체보다 10배 이상 크고, 근본적으로 다른 물성을 가짐을 규명했다고 밝혔다. 반데르발스(van der Waals) 자성체란 물질의 층과 층 사이가 결합력이 약한 ‘반데르발스’ 결합으로 이루어진 자성체로, 3차원의 입체 구조를 갖는 일반 물질과는 달리 층간 결합력이 약해 단일 원자층으로 쉽게 분리시킬 수 있어 평면 형태로도 만들 수 있어 2차원 물질이라고도 불린다. 2017년에는 반데르발스 물질 중 외부의 자성을 유지하려는 특성인 강자성을 나타내는 물질들이 새로이 발견되어 이를 활용하여 자성의 스핀 방향을 정보로 저장하는 차세대 스핀 반도체 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 활발한 연구에도 불구하고 반데르발스 자성체들은 철, 코발트 등의 기존 자성체와 비교해 원자층 단위로 분리된다는 구조적 특성 외에 눈에 띄게 다른 자성 특성을 발견하지는 못했었다. 최준우 박사 연구팀은 대표적 반데르발스 자성체인 ‘Fe3GeTe2’의 특성을 분석한 결과 두께가 두꺼워 짐에 따라 교환 바이어스의 크기가 약해지는 기존 자성체들과는 달리 두께에 영향을 거의 받지 않으며, 그 교환 바이어스의 크기(정보저장 안정성)가 10배 이상 클 수 있음을 찾아냈다. 또한, 이러한 특이한 자성 특성이 반데르발스 물질이 갖는 내재적 성질인 약한 층간 상호작용 때문인 것을 밝혔다. 교환 바이어스는 2018년부터 양산되고 있는 차세대 스핀 메모리의 핵심 동작 원리로, 스핀 정보의 안정적인 저장에 결정적 역할을 한다. 따라서 이번 연구결과는 큰 교환 바이어스를 갖는 반데르발스 자성체를 활용해 차세대 스핀 메모리의 정보 저장 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다. KIST 최준우 박사는 “본 연구결과를 토대로 향후 반데르발스 자성체와 다른 성질의 반데르발스 물질들의 접합구조를 활용해 우수한 성능을 가진 스핀 반도체 신소재 개발이 가능해질 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원으로 KIST 주요사업 및 창의형융합연구사업, 선도연구센터지원사업으로 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 나노과학 분야의 국제 저널인 ‘Nano Letters’ (IF: 12.279, JCR 분야 상위 5.743%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Exchange Bias in Weakly Interlayer-Coupled van der Waals Magnet Fe3GeTe2 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권형근 박사후연구원(現, 삼성전자) - (교신저자) 한국과학기술연구원 최준우 책임연구원 <그림설명> [그림 1] KIST 최준우 박사팀이 개발한 반데르발스 자성체를 활용한 스핀소자의 모습 [그림 2] 층상구조를 가진 Fe3GeTe2 반데르발스 자성체와 반강자성체의 접합구조 [그림 3] 반데르발스 자성체와 일반적인 자성체에서 나타나는 두께에 따른 교환 바이어스 크기 변화. 일반적인 자성체에는 교환 바이어스가 두께에 반비례하여 급격히 감소하는 반면, 반데르발스 자성체에서는 두께 의존성이 작아서, 교환 바이어스가 훨씬 큼.

최신연구소식

과학자에게는 국적이 있다 - KIST 윤석진 원장

새해 벽두 주요 보직자들과 국립대전현충원에 참배했다. 서울 동작동이 아니라 대전 현충원을 찾은 것은 과학입국(科學立國)의 초심이 그곳에 묻혀 있기 때문이다. KIST 초대 소장인 故 최형섭 박사는 연구소 설립 당시 해외의 한국인 연구자 800명에게 초대장을 보냈다. 국내 교수의 2~3배, 심지어 대통령보다 많은 급여를 제시했다지만 선진국의 절반에도 못 미쳤다. 그럼에도 500명이 넘는 이들이 고국의 부름에 응답했다. 그중 산업 발전에 가장 도움이 될 연구 계획서를 제출한 18인의 과학자가 선정됐다. 국가가 힘 닿는 대로 지원했지만 척박한 연구 환경은 쉽게 개선되기 힘든 것이었다. 하지만 다시 돌아간 이는 아무도 없었다. KIST에는 흰 꽃이 쌀밥처럼 보였다는 이팝나무가 곳곳에 있다. 과학기술로 가난한 국민의 배를 채우고자 했던 선배 연구자들의 염원을 담았다고 한다. 그들의 순수한 결의와 헌신에 가슴이 뜨거워진다. 개인보다 나라를 먼저 걱정하는 과학기술 문화는 우리의 자부심이었다. 필자도 그 구심력 안에서 30년 넘게 한눈팔지 않을 수 있었다. 2014년 국가과학기술연구회(NST) 초대 융합연구본부장에 지원한 것 역시 같은 맥락이다. 당시 마이클 포터 교수의 국가 경쟁력 이론에 따르면 한국은 생산 요소와 투자가 이끄는 성장 단계를 지나 혁신 주도(innovation-driven)의 단계로 고도화하고 있었다. 국가 전체 연구개발(R&D)의 민간 비중이 70%를 넘기며 공공 연구개발의 역할 재정립이 불가피했다. NST는 국가 현안 해결을 위한 중장기적 융합 연구에 주목했다. 압축 성장 과정에서 발생한 문제들이 사회적 비용을 가중시키며 나라의 발전을 저해하고 있었다. 필자는 그 시기 우리나라에 꼭 필요한 공공 연구개발이 무엇인지 치열하게 고민했다. 첫 도전 대상은 도심에 큰 위협으로 떠오른 싱크홀이었다. 예측하기 어려운 점이 국민을 더 불안에 떨게 했다. 이런 사회적 문제는 투자만큼 보상이 따르지 않아 정부출연연구기관이 아니면 감당하기 어렵다. 전자통신연구원·건설기술연구원·철도기술연구원·지질자원연구원의 연구자들이 의기투합하여 1년 8개월여의 융합 연구는 싱크홀을 사전 예측하는 사물 인터넷 기반 도시 지하 매설물 모니터링·관리 시스템을 탄생시켰다. 융합연구단과 출연연들은 여전히 치매·초연결 인공지능(AI)·신종 바이러스처럼 국민의 삶의 질과 국가안보에 직결되는 현안 대응에 몰두하고 있다. 최형섭 박사는 “과학에는 국경이 없지만 과학자에게는 국적이 있다”는 파스퇴르의 명언을 자주 인용했다. 백신의 아버지 루이 파스퇴르는 자녀의 죽음과 뇌졸중 투병 속에서도 누에병 바이러스 연구로 모국 프랑스의 농업을 구했다. 독일 침공 때는 49세의 나이에도 군대에 지원했고 독일 대학에 명예박사 학위를 반납할 만큼 애국심이 강했다. 국가의 지원과 과학기술인의 애국심은 근원이 같아 무엇이 원인이고 결과인지 분리하기 힘들다. 두 가지가 모두 원인이자 결과이다. 선배 과학자들의 정신은 문화유전자 밈(meme·문화 전달에 유전자 같은 중간 매개물 역할을 하는 정보의 형식)으로 여전히 후배들의 가슴에 면면히 이어지고 있다. 곧 과학의 달인 4월이다. 만개하는 이팝나무를 보며 과학자들에게 국적이란 어떤 의미인지를 다시 한번 되새겨볼 때다. 출처 : 서울경제 (https://www.sedaily.com/NewsVIew/22K0CVSMCW)

KIST Opinion

[Vol.189] 천천히 그리고 꾸준히 가야 할 길

정책고객 뉴스레터

그린 수소 생산·발전 효율 획기적으로 향상된 일체형 연료전지 개발

- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

최신연구성과

그린 수소 생산·발전 효율 획기적으로 향상된 일체형 연료전지 개발

- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

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그린 수소 생산·발전 효율 획기적으로 향상된 일체형 연료전지 개발

- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

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그린 수소 생산·발전 효율 획기적으로 향상된 일체형 연료전지 개발

- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

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- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

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그린 수소 생산·발전 효율 획기적으로 향상된 일체형 연료전지 개발

- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

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그린 수소 생산·발전 효율 획기적으로 향상된 일체형 연료전지 개발

- 물과 가스의 효율적 이동을 위한 친수성, 소수성 양친매성 전극 개발 - 일체형 재생 연료전지 수소 생산 효율 2배, 발전 효율 4배 최근 탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제다. 일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치이다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발하여 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있다. 박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅하여 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인하였다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다. KIST 박현서 박사는 “본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다.”라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Amphiphilic Ti Porous Transport Layer for Highly Effective PEM Unitized Regenerative Fuel Cells - (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김종민 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 <그림설명> [그림 1] (A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존 전극과 양친매성 전극의 비교), (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도, (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(좌)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지

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