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탄소중립을 위한 핵심기술, 대용량 이산화탄소 전환 시스템 개발

- 이산화탄소 전환용 고성능 대면적 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극 - 전기화학적 이상화탄소 전환 스택 시스템 구현을 통한 실용화 기틀 마련 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야이다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있어 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많은 분야이기도 하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아진다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상되었다. 또한, CO2 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인하였다. 연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했다. KIST 오형석 박사는 “이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행되었으며 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개요도 [그림 2] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 대용량 스택 시스템의 적용 및 그에 대한 실제 운전 결과 [그림 3] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 전자 현미경(TEM) 사진

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충전 없이 웨어러블 기기 사용할 원천기술 개발

- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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충전 없이 웨어러블 기기 사용할 원천기술 개발

- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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충전 없이 웨어러블 기기 사용할 원천기술 개발

- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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- 설탕을 녹여 스펀지 형태의 지지체 개발, 열전소자 유연성 확보 - 성능저하 문제 해결하여 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려 스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들이 속속들이 개발, 상용화되고 있지만, 정기적으로 충전이 필요하다는 커다란 불편함이 존재한다. 이러한 불편함을 극복할 새로운 기술을 국내 연구진이 개발해 화제다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 개발한 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작하여 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용하여 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다. 일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵지만, 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다. 이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다. 하지만 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못하여 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다. KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다. 그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변하여 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 되었는데 이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용하여 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였고, 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다. 연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다. KIST 전북분원 김진상 분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다.”라며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다. (논문명) Porous organic filler for high efficiency of flexible thermoelectric generator - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정성진 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김진상 책임연구원 <그림설명> [그림1] 대표이미지 [그림 2] 스펀지 형태의 PDMS를 유연 열전소자의 기판으로 활용하면 기존 유연 열전소자 대비 높은 유연성을 가지면서도 우수한 발전 성능을 나타낼 수 있다. [그림 3] 체온과 대기와의 온도 차를 이용하여 전기를 생산하고 이를 전자기기를 동작하는 데 활용할 수 있다. 해당 그림에서는 적색 LED를 동작시켰다.

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