- KIST, 탄소포집공정이 필요 없는 단순화된 이산화탄소 전환공정 개발 - 기존 이산화탄소 전환기술 대비 경제성, 친환경성 모두 높여 대부분의 사람들이 일상생활에서 기후 위기를 체감할 정도로 탄소중립은 인류가 직면한 생존의 문제가 되고 있다. 탄소중립 구현을 위한 여러 방법 중 하나인 온실가스인 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS, Carbon dioxide Capture Utilization and Storage) 기술은 이산화탄소 감축을 위한 혁신 기술로 주목받고 있다. CCUS는 테슬라의 최고경영자(CEO) 일론 머스크가 2021년부터 4년간 1억 달러의 상금을 분배하겠다고 밝혔던 바로 그 기술이다. 이산화탄소의 고순도화, 압축, 분리 및 재사용 과정에서 소모되는 에너지가 워낙 커서 이러한 기술의 실용화 전망을 어둡게 하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 이웅 박사, 원다혜 박사 연구팀은 액상 흡수제에 포집된 이산화탄소를 전기화학적으로 직접 전환해 고부가가치 합성가스를 생산하는 공정을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 현재까지 CCUS 기술의 한계로 지적되어 온 경제성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 연구팀이 개발한 이산화탄소 전환공정은 액상 흡수제에 포집된 고순도 기체 이산화탄소를 활용하기 때문에 기존의 복잡하고, 많은 에너지가 소모되는 이산화탄소의 고순도화 및 압축 과정을 생략할 수 있다. 이 때문에 기존 CCUS 기술 대비 가격경쟁력이 높고, 탄소배출 저감효과가 크다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 미반응 이산화탄소는 여전히 액상 흡수제에 포집되어 있기 때문에 생성물인 합성가스와의 추가 분리 공정 또한 필요 없고 합성가스의 수소와 일산화탄소 비율을 손쉽게 제어할 수 있다는 것도 또 다른 장점이다. 한편, 연구팀은 최적의 흡수제 선정, 반응 촉매 개발, 전기화학 반응기 개발, 장시간 운전 안정성 검증과 관련한 실험을 수행하여 액상에서의 이산화탄소 직접 전환 반응 효율을 극대화할 수 있었다. 또한, 개발 공정에 대한 상용화 가능성을 확인하기 위해 상용급 공정에 대한 컴퓨터 모델링 시뮬레이션 연구도 수행했다. 이 밖에도 기술경제성 및 전 과정 평가를 통해 새로 개발한 이산화탄소 전환공정은 기존 CCUS 기술 대비 생산 단가 27.0% 절감 및 탄소배출 75.7% 저감이 가능할 것으로 예상하였다. 뿐만 아니라 화석연료 기반 기술 중심으로 형성된 화학 시장 가격과 비교해도 대등한 가격경쟁력을 확보할 수 있었다. 특히, 합성가스의 경우는 기존 전환기술 대비 27.02% 생산 단가가 절감(생산 단가를 $0.89/kg 에서 $0.65/kg까지 절감할 수 있으며 탄소배출은 1.13kg CO2/kg에서 0.27kg CO2/kg 저감이 가능하다. 개발된 이산화탄소 전환공정을 화력발전소 등 이산화탄소 대량 배출원에 설치할 경우, 낮은 비용으로 이산화탄소 저감과 동시에 에틸렌 등 고부가가치 화합물을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 원다혜 선임연구원은 “개발된 기술은 포집된 이산화탄소를 활용해 전기화학적으로 고농도 합성가스를 효율적으로 합성하는 기술적 진보를 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다.”고 밝혔다. 연구책임자인 KIST 이웅 책임연구원은 “이산화탄소를 활용하는 다양한 전기화학적 전환 시스템에 응용 가능할 것으로 기대하고 있으며, 향후 이를 위한 연속 공정 실증 및 기업으로의 기술이전을 추진할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 “유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구 결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 17.694, JCR 7.432%)’에 12월 5일 게재되었다. * (논문명) Toward economical application of carbon capture and utilization technology with near-zero carbon emission - (제1저자) 한국과학기술연구원 Langie 박사과정생 - (제1저자) 한국과학기술연구원 탁경재 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이웅 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 원다혜 선임연구원 ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-35239-9 [그림 1] 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)과 기존 기술과의 차이점 [그림 2] 단순화된 이산화탄소 전환 공정 [그림 3] 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)의 개략도 [그림 4] 화석연료 기반 기술 대비 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)의 가격경쟁력

- 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.

- 반 고체형 겔 전해질 개발로 집전체부터 패키징까지 배터리 소재를 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지 개발 - 사물화 인터넷, 센서, 의료삽입형 기기의 초소형 에너지원으로 사용 기대 IoT 디바이스, 생체로봇, 삽입형 의료기기 기술이 급속도로 발전됨에 따라 개인화된 작은 기기에도 전원 공급이 가능한 자유형상 초소형 리튬이온전지가 주목받고 있다. 현재 휴대기기, 전기차 등에는 원형 또는 사각형 등 매우 정형화된 디자인의 리튬이온배터리가 사용되고 있었으며, 기존의 리튬이온배터리는 금속 집전체를 사용하여 매우 무겁고, 가연성이 있는 액체 전해질을 사용하는 등의 한계가 있었다. 이를 넘어 사용자 맞춤형 초소형 기기 설계 시 공간을 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리의 모양을 자유롭게 제작할 수 있는 기술이 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 서울대 화학부 임종우 교수와의 공동연구를 통해 가벼우면서 디자인 자유도가 높고, 개인화된 작은 기기에도 도입할 수 있는 자유형상 리튬이온전지를 개발했다고 밝혔다. 본 연구에서는 집전체부터 패키징까지 모든 배터리 소재를 3D 프린팅 공법을 이용하여 자유롭게 인쇄한 리튬이온전지를 제작했다. 이를 위해서는 고해상도로 안정적인 패턴 형성이 가능한 배터리 소재 잉크 개발이 필수적인데, 기존의 액체 전해질 혹은 반고체 겔 전해질 연구에서는 잉크의 유변학적 특성 제어가 어려워 고해상도 패턴을 형성하지 못했다. 연구진은 두 개의 고분자 비율을 조절함으로써 밀리미터 (mm) 이하의 고해상도 패턴 형성과 높은 이온전도도를 동시에 만족하는 반고체 겔 전해질 개발에 성공했다. 또한 무거운 금속 집전체를 가벼우며 전기 전도성이 높은 금속 나노 입자 잉크와 고분자 잉크로 대체하여 집전체를 구현하였다. 그 결과 배터리에 필요한 모든 소재를 3D 프린팅으로 인쇄할 수 있었고, 기존 배터리가 적용될 수 없었던 공간에 형태의 제약 없이 기기에 집적화되어 전원을 공급할 수 있음을 입증했다. 개발한 프린팅 배터리는 사물화 인터넷, 센서, 의료삽입형 기기 등에서 필요한 수 mAh의 용량을 달성하였다. 연구를 주도한 KIST 정승준 박사는 “본 연구에서 개발한 리튬이온전지는 기존의 배터리가 적용되기 어려운 3D 형상의 자유형상 기기, 의료 삽입형 기기, 소형 로봇 분야 부분에 에너지 공급원으로 사용될 것으로 기대된다” 라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 국가핵심소재연구단(특화형)으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 Energy Storage Materials (IF 20.831, JCR 상위 4.203%)에 게재되었다. * (논문명) High-performance, Printable Quasi Solid-state Electrolytes Toward All 3D Direct Ink Writing of Shape-versatile Li-ion Batteries - (제 1저자) 한국과학기술연구원 배준호 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정승준 책임연구원 / 서울대학교 화학부 임종우 교수 (논문 DOI) https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.016 [그림 1] 본 연구에 사용된 높은 이온전도도를 가지며 모양 형성이 우수한 반고체형 겔 전해질(왼쪽), 기존의 상용 액체 전해질 (오른쪽) [그림 2] 1센트보다 작은 크기의 플라스틱 기판 위에 올라간 12개의 마이크로 프린팅 배터리 (빨간색 사각형안)

- KIST-GIST 공동연구팀, 리튬메탈 전지의 구리박막 음극재를 탄소섬유 페이퍼로 대체 - 내구성 3배 이상 향상됐지만, 에너지 밀도 높고 가벼워 경량화도 가능 전기자동차의 보급 확대로 이차전지 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 리튬이온 전지보다 용량이 크고 급속충전이 가능한 차세대 이차전지의 필요성이 커지고 있다. 그 가운데 리튬이온의 음극 소재인 흑연을 리튬메탈로 대체한 리튬메탈 전지는 이론적으로 리튬이온 전지보다 10배 높은 용량을 구현할 수 있다. 그러나 충·방전 중에 리튬 표면에 결정 돌기가 생성되면서 분리막을 찢는 현상이 나타나기 때문에 내구성과 안전성 문제가 있어 상용화되지 못하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김진상) 탄소융합소재연구센터 이성호 센터장 연구팀이 광주과학기술원(GIST, 총장 직무대행 박래길) 엄광섭 교수팀과 함께 탄소섬유 페이퍼를 음극소재로 사용하여 리튬메탈 전지의 내구성을 3배 이상 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 리튬메탈 전지의 음극 소재로 쓰이는 리튬메탈을 코팅한 구리 박막을 리튬메탈이 함유된 얇은 탄소섬유 페이퍼로 대체했다. 개발된 탄소섬유 페이퍼는 탄소 단섬유 위에 무기 나노입자인 비결정질 탄소와 탄산나트륨으로 표면처리를 하여 리튬 친화적인 특성을 가지는 동시에 리튬 수지상 결정이 뾰족하게 성장하지 못하도록 하였다. KIST-GIST 공동연구진은 개발한 탄소섬유 페이퍼 음극소재를 사용한 결과 구리 박막보다 3배 이상 높은 내구성을 갖는 리튬메탈 전지를 제조할 수 있었다. 구리 박막은 약 100회의 충·방전 사이클 이후에서 단락이 일어났지만, 새로 개발한 탄소섬유 페이퍼는 300 사이클 이상에서도 안정적인 성능을 보였다. 또한 구리 박막을 사용하는 리튬메탈 전지의 에너지 밀도를 240 Wh/kg에서 428 Wh/kg으로 약 1.8배 증가시킬 수 있었다. 더 나아가 녹은 리튬이 탄소섬유 페이퍼에 빠른 시간 내에 흡수되는 특성을 보이기 때문에 전극 제조공정을 단순화시킬 수 있을 것으로 예상된다. 연구를 주도한 KIST 이성호 센터장은 “구리 대비 탄소섬유의 밀도가 5배 낮고 가격도 저렴한 점을 고려할 때, 연구팀이 제안한 음극재는 내구성이 높고 경량화된 리튬메탈 전지 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 성과”라고 연구의 의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘어드벤스드 에너지 머티리얼즈’ (IF=29.698, JCR 상위 2.464%) 1월호에 게재되었다. * (논문명) "Construction of Hierarchical Surface on Carbon Fiber Paper for Lithium Metal Batteries with Superior Stability" - (제1저자) 한국과학기술연구원 이윤기 연구원 - (공동교신저자) 광주과학기술원 엄광섭 교수 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 이성호 박사 ※ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202203770 [그림 1] 고분자의 탄화를 통해 비결정질 탄소와 무기나노입자의 형성으로 계층적 구조가 형성된 탄소섬유 표면에 리튬 수지상 돌기를 억제하는 효과를 제시한 모식도와 녹은 리튬이 빠른 시간에 탄소섬유페이퍼에 흡수되는 사진임. [그림 2] 기존 탄소섬유페이퍼와 계층적 구조가 형성된 탄소섬유페이퍼의 리튬 도금량에 따른 형태 사진임.

- 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

- 전기-광집게현상, 표면증강라만산란을 통해 초미세플라스틱 빠르게 검지 - 안전한 수자원 확보 기술로 적용 기대 최근 우리나라 주요 강의 미세플라스틱 농도가 세계에서 가장 높다는 연구결과가 발표되었다. 생활 속에서 간단히 마시는 티백제품에도, 마시는 물에도 미세플라스틱이 검출되었다는 뉴스를 쉽게 접할 수 있다. 미세플라스틱은 우리 생활 속 플라스틱이 폐기 후 생태계로 유입되어 물리적·화학적으로 쪼개져 마이크로~나노 크기로 존재하는 플라스틱으로 우리의 건강과 환경 전반에 미치는 영향이 매우 크다. 하지만 미세플라스틱, 그 중에서도 100nm 이하의 초미세플라스틱은 그 크기가 매우 작고 농도도 매우 낮기 때문에 검지에 한계가 있다. 나노 크기의 플라스틱 입자를 검지하기 위해서는 플라스틱 시료를 농축하는 전처리 과정에 수시간~수일에 걸친 시간과 많은 비용이 소요되기 때문이다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 뇌융합기술연구단 유용상 박사 연구팀은 초미세 나노 플라스틱을 나노 사이즈의 금, 은 입자와 함께 전기-광집게를 이용해 짧은 시간 내 시료를 농축시키고, 빛을 이용한 실시간 검지시스템을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 절연막을 사이에 두고 양면이 금속으로 된 대면적 3층 수직배열의 전극에 전기를 공급하고, 동시에 분자의 진동수에 따른 입사광과 산란광의 에너지 차이를 분석하는 라만 광검지 방식을 채택했다. 이 과정에서 나노 사이즈의 금, 은 입자인 플라즈모닉 나노입자를 활용해 시료를 농축했으며, 그 결과 미세플라스틱 검지를 위해 필요한 농축, 검지시간을 수 초로 줄일 수 있었다. 실제 실험에서 10μg/L 농도의 30nm 크기 폴리스티렌 입자를 검지하는데 성공해 초저농도 실시간 나노플라스틱의 광검지 성능을 확인했다. 한편, 연구진은 유전영동(Dielectrophoresis) 현상을 이용해 시료에서 입자를 쉽게 분리해냈다. 이를 통해 기존에 나노플라스틱 분석을 위해 채집 (collection), 분류 (separation), 분석(analysis)까지 하루 이상이 걸리던 전 과정을 하나의 플랫폼 안에서 실시간으로 1초 단위로 분리 및 검지 가능한 원천기술을 확보할 수 있었다. 본 연구를 수행한 KIST 정의태 연구원과 유의상 박사(이상 공동 주저자)는 “미세플라스틱의 실시간 초고감도 검지가 가능해졌다는데 이번 연구성과의 의의가 있으며, 향후 연구 결과를 확장해 실제 여러 수자원의 미세플라스틱 농도를 측정하고 안전한 수자원 확보 기술로의 활용을 기대하고 있다.”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지인 「ACS Nano」 (IF : 18.027) 최신호에 표지논문으로 게재되었다. * (논문명) Real-time Underwater Nanoplastic Detection Beyond Diffusion Limit and Low Raman Scattering Cross-section via Electro-photonic Tweezers - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정의태 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 유의상 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유용상 책임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1021/acsnano.2c07933 [그림1] ACS Nano 전면 표지 선정 [그림 2] 전기-광 집게 현상 및 표면증강라만현상을 이용한 나노플라스틱 라만 광검지 메커니즘과 이에 따른 축적시간 감소 및 광신호 증폭 오른쪽 위: 이에 따른 축적시간 감소 모식도 (파란색: 기존, 빨간색: 본 연구) 오른쪽 아래: 이에 따른 광신호 증폭 모식도 (파란색: 기존, 빨간색: 본 연구)

- KIST-전북대, 주변 환경에 반응하여 자유롭게 움직이는 소프트 로봇 개발 - 광결정 필름을 소프트 로봇에 적용하여 주변 환경의 변화에 따라 색깔 신호 변해 오늘날 로봇은 산업현장을 넘어 재난, 보건, 보안, 국방 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 전통적인 금속 기반 로봇은 단단한 몸체를 관절부로 엮고 이를 모터와 같은 구동 장치에 연결하여 작동하기 떄문에 강한 힘을 발휘하지만, 유연한 동작을 하기 힘들고 오작동시 사람에게 위해를 가할 수 있다. 최근에는 부드럽고 유연한 소재로 된 ‘소프트 로봇’이 등장하였으나, 금속 기반 로봇과 비교할 때 제어 난도가 높다는 문제가 있다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 김대윤 박사, 탄소융합소재연구센터 전승렬 박사, 전북대학교 (JBNU, 총장 직무대행 양규혁) 고분자나노공학과 정광운 교수 연구팀이 야누스 (Janus) 구조를 가지는 소프트 로봇을 제조하고, 메탄올 검출 스마트 센서로 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 메탄올은 과다 섭취 시 인체에 두통, 구토, 어지러움, 시력장애 등 치명적인 영향을 미칠 수 있으나 에탄올보다 값이 70% 이상 저렴하여 코로나19 이후 오남용 피해사례가 증가하고 있다. 연구팀은 문어와 같은 연체동물의 자유로운 움직임에 착안하여 소프트 로봇의 움직임을 치밀한 컴퓨팅으로 제어하기보다 주변 환경에 자동적으로 반응하도록 맡겨두는 방식을 채택하였다. 즉, 유연하지만 팽창되는 능력이 서로 다른 두 종류의 고분자 필름을 패터닝하여 주변 환경에 따라 소프트 로봇이 자연스럽게 원하는 방향으로 굽힘, 접힘, 비틀림과 같은 움직임을 갖도록 하였다. 또한 나비와 같은 곤충에게서 볼 수 있는 나선형 나노 구조를 소프트 로봇에 도입하여 다양한 색깔의 빛을 선택적으로 반사하는 광결정 특성을 보이게 하였다. 이를 통해 주변 환경이 변화하여 소프트 로봇이 움직임을 가지게 되면 색깔 변화를 통해 사용자가 쉽게 이를 인지할 수 있다. 한승희 인턴 연구원(제1저자)은 개발한 소프트 광결정 로봇을 응용하여 물이 메탄올에 오염되었는지 쉽고 빠르게 알아낼 수 있는 센서를 개발하였다. 소프트 광결정 로봇을 이용한 메탄올 검출 센서는 수십 회 이상 재사용이 가능하므로 경제적이다. 소프트 광결정 로봇을 이용한 메탄올 검출 센서는 전기와 같은 에너지가 필요하지 않아 언제 어디서나 간편하게 메탄올에 오염된 물을 검출할 수 있다. 게다가 소프트 로봇의 나선형 나노 구조로부터 나오는 원형 편광 특성은 위변조가 까다로워 제품의 신뢰성을 확보하는 데에도 굉장히 효과적이다. KIST 김대윤 박사는 “이번 연구는 기술적으로 초기 단계에 있는 소프트 로봇을 일상에 도움이 될 수 있도록 구현한 데 그 의의가 있다”며, “향후 다양한 외부 자극에 동시에 즉각적으로 반응할 수 있는 다중 자극 반응형 소재가 개발된다면 소프트 로봇이 폭 넓게 상용화될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 K-Lab 프로그램과 NRF의 우수신진연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 19.924, JCR 4.658%)에 게재되었고, 표지 논문을 장식함과 동시에 로봇 공학 분야 Hot Topic에 선정되었다. (논문명) Chiroptical 3D Actuators for Smart Sensors - (제 1저자) 한국과학기술연구원 한승희 연수생 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김대윤 선임연구원 ※ 논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202210680 [그림 1] 표지 논문 장식 [그림 2] 식물, 곤충, 동물들이 보여주는 다양한 움직임을 구현 [그림 3] 물의 메탄올 오염 여부를 알아내는 키트 개발

- 고감도 정량검출이 가능한 바이오센서로 신경전달물질의 불균형을 측정 - 조현병, 우울증, 치매 등 다양한 정신 질환의 정확한 진단법으로 활용기대 과도한 스트레스와 평균수명의 증가로 현대인은 과거와 비교해 현저히 높은 비율로 조현병, 우울증, 불면증, 공황장애, 치매 등 다양한 형태의 정신질환을 앓고 있다. 그런데, 정신질환은 다른 질병과 달리 환자 행동과 판단에 기반해 의료진이 진단을 내리는 간접적인 진단법만을 활용하고 있어서 환자의 행동이상이 나타날 정도로 병이 진행된 상황에서만 진단이 가능했다. 또한 정밀한 진단을 위해 시행하는 MRI, CT, PET 검사 등은 비용이 비싸고 영상을 판독하는 과정에서 의사의 주관적인 판단이 개입된다는 문제가 있었다. 이에 뇌와 관련된 생체활동에 중요한 역할을 하는 체액 내 신경전달물질의 불균형을 정신질환의 지표로 활용하는 연구가 진행되었으나, 신경전달물질은 대부분 분자량이 매우 작고 유사한 화학구조를 가지고 있어 이를 선택적으로 검출하기 위해서는 액체 크로마토그래피 등 고가의 대형 장비와 전문인력이 필요했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체분자인식연구센터 정영도, 이관희 박사팀은 체액에서 신경 전달물질들을 구분하고 정확한 양을 측정할 수 있는 바이오센서를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 신경전달물질이 선택적으로 흡착될 수 있는 다공성 재료인 전도성 MOF를 필름 형태로 제작해 현장형 전기신호 센서에 적용했다. 각 신경전달물질들은 그 크기, 전하세기, 화학결합 친화도의 차이에 따라 MOF에 흡착되는 정도가 다르기 때문에 신경전달물질의 종류와 양에 따라 특이적인 전기 신호의 패턴을 만드는 바이오센서를 만들 수 있었다. 이 바이오센서는 화학구조가 유사한 여러 종의 신경전달물질을 정확하게 구분했고, 고감도 정량검출이 가능하다. 예를들어 우울증 환자에게서는 세로토닌이, 파킨슨 병 환자에서는 도파민이 낮은 농도로 관찰되는데 본 시스템을 활용하면 다종의 바이오센서 없이 한번에 여러 신경전달 물질의 불균형을 측정할 수 있다. 연구진은 “개발된 기술은 신경전달물질의 정량적 분석결과를 기반으로 정신질환을 조기에 진단할 수 있다는 장점이 있다. 추후 임상중개 연구로 확장해 MRI, CT 등 추가의 정밀검사가 필요한 대상을 스크리닝 할 수 있는 검진기술로 개발할 예정이다.”라며 향후 계획을 밝혔다. 본 성과는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 전주기의료기기연구개발사업단 KIST 출연금사업, KU-KIST, HY-KIST, 나노종합기술원 나노메디컬 디바이스 개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 결과는 화학공학 권위지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Modular conductive MOF-gated field-effect biosensor for sensitive discrimination on the small molecular scale - (제 1저자) 한국과학기술연구원 금창준 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성욱 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김현노 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정영도 선임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141079 [그림 1] (좌) MOF가 도입된 반도체 기반 바이오센서의 구조 (우) 바이오센서를 활용하여 신경전달물질을 전기적 신호 패턴을 통해 구분한 결과. 구조가 매우 비슷한 다종의 신경전달물질은 MOF에 선택적으로 흡착되며, 이에 따라 다른 전기신호 패턴을 나타냄. 패턴 분석을 통해 각 신경전달물질을 구분하고 정량적으로 검출함.

- 물 정화 필터와 전도성 고분자의 결합을 통한 새로운 분리막 개발 - 수질개선, 지속적 전력발생, 간단한 동작방법으로 상용화 가능성↑ 빗물이나 바닷물, 지하수, 강물, 오·폐수 등 우리 주변에 존재하는 다양한 형태의 물을 마시거나 사용할 수 있는 물로 정화하는 데에는 막대한 에너지가 필요하다. 그렇다면, 물을 정화하는 과정에서 전력을 발생시킬 수 있다면 어떨까? 국내 연구진이 폐수를 식수로 정화하면서 전기를 생산할 수 있는 분리막(Membrane)을 개발해 화제다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 장지수 박사팀은 명지대학교(총장 유병진) 신소재공학과 윤태광 교수팀과의 공동연구를 통해 오·폐수, 바닷물, 지하수 등 다양한 물자원을 활용해 전기를 연속적으로 발생시키면서 식수를 제공할 수 있는 신개념 분리막을 개발했다고 밝혔다. 연구진이 개발한 분리막은 하부에는 물을 정화시키는 다공성 필터 분리막이, 상부에는 전기가 통하는 전도성 고분자가 샌드위치 구조로 결합되어 있다. 분리막은 물이 흐르는 방향을 제어해 수직으로 관통하면 정화되고, 수평방향으로 확산하면 직류 전기를 만들어 내도록 설계되었다. 10 nm (1억분의 1미터) 이하의 오염물질을 95%이상 제거할 수 있어 폐수에 존재하는 미세플라스틱이나 중금속 입자 등을 정화할 수 있으며, 단 10 µl (마이크로 리터)의 물로도 3시간 이상 전력을 발생시킬 수 있다. 또한 개발된 분리막은 단순한 용액 프린팅 공정을 통해 크기 제한 없이 제작이 가능하기 때문에 제작 단가와 공정에 소요되는 시간을 동시에 절감해 상용화 가능성이 크다. 연구진은 개발된 분리막을 실제 공장 현장에 적용하여 폐수의 수질을 식수 수준으로 향상시키면서 전기를 생산하는 후속 연구를 진행 중이다. KIST 장지수 박사는 “물부족 문제 해결과 친환경 에너지 생산이 동시에 가능한 신기술로 수질 관리시스템 및 비상전력 시스템으로도 응용 가능성이 매우 크다.”고 연구성과에 대한 기대를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST의 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야의 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ (IF: 32.086, JCR 분야 최상위 2.17%) 최신 호에 게재되었으며, 대표 Front-cover로 선정되었다. * (논문명) Bidirectional Water-Stream Behavior on a Multifunctional Membrane for Simultaneous Energy Generation and Water Purification - (제 1저자 및 교신저자) 한국과학기술연구원 장지수 선임연구원 - (교신저자) 명지대학교 윤태광 조교수 [그림 1] KIST-명지대 공동연구진이 개발한 전력발생 물정화 멤브레인 모식도 [그림 2] KIST-명지대 공동연구진이 개발한 전력발생 물정화 멤브레인 작동원리 모식도

- 태양전지 저가화에 필수적인 용액공정, 초박막, 고안정성을 갖춘 무기박막 태양전지 개발 - 가격 경쟁력 확보를 통해 실리콘 태양전지 대체 효과 기대 우리나라 탄소중립 시나리오에 따르면, 우리나라는 탄소중립을 위해 2050년까지 전력의 90%를 태양광으로 대체하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 태양광 발전에서 큰 비중을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 비용, 효율 측면에서 가장 경쟁력 있는 기술로 여겨지지만 국토의 70% 이상이 산지이면서 태풍과 같은 자연재해가 자주 발생하는 우리나라의 지리적 특성상 태양광 발전시설의 지속 가능성에 대한 물음표는 여전히 남아 있다. 이에 대한 대안으로 건물일체형 태양전지(Building Integrated Photovoltaic, 이하 BIPV)기술에 대한 관심이 커지고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정신기술연구본부 민병권 본부장 연구팀은 BIPV에 사용되는 고안정성 무기박막 태양전지의 가격경쟁력을 확보하는 공정을 개발해 기술이전까지 완료했다고 밝혔다. 다양한 태양전지 기술 가운데 CIGS 무기박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 네 원소로 구성되는데, 광흡수 계수가 매우 커서 얇은 박막으로도 높은 변환효율을 낼 수 있다는 특징을 갖고 있다. 하지만 이를 BIPV에 실제로 적용하기 위해서는 가격 경쟁력과 양산성 확보가 중요한 상황이었다. 이를 위해 연구팀은 기존의 진공공정 대신 용액 코팅법을 활용해 설비에 소요되는 비용을 절감하는 한편, 광흡수층의 두께를 기존대비 1/5 수준으로 줄여 고가 희귀원소인 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 사용량을 저감해 생산성을 개선했다. 특히 후면 계면 제어는 CIGS 초박막 태양전지의 효율을 개선하는 핵심적인 요소인데, 비정질 TiO2 층을 활용하여 CIGS 초박막 태양전지의 후면계면을 양산화에 매우 적합한 방식으로 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 이 경우 기존의 부도체 산화물(Al2O3, SiO2, HfO2)을 적용했을 때와는 달리 나노구조 패터닝 없이도 전하를 원활하게 전달할 수 있었으며, 전기적 결함도 제거할 수 있었다. 다시 말해 기존의 기술과 비교해 더 얇고 간편하고 저렴한 비용으로 대면적 소자의 효율을 개선할 수 있다는 것이다. 연구팀은 CIGS 박막태양전지의 용액 코팅 공정의 원천기술 개발을 위해 지난 10여년 간 꾸준히 연구를 수행해왔다. 기존의 판이 돌아가며 용액을 코팅하는 스핀방식이 아닌 대면적화에 훨씬 유리한 페인트칠을 하듯 바르는 바코팅 기술을 확보했으며, 단위셀 효율은 16% 이상을 달성하고 있다. 이 기술은 지난해 11월 태양전지 전문 중소기업에 기술이전 되었으며, KIST와 기업이 함께 미래 태양전지 시장을 개척하기 위한 공동연구도 진행중이다. KIST 민병권 본부장은 “인쇄 태양전지 기술은 아직 상용화에 성공하지 못한 도전적인 분야이지만, 실험실 수준에서는 이미 세계 최고 기술을 확보하고 있기 때문에 기업과 긴밀한 협업을 진행한다면, 머지 않은 미래에 세상을 놀라게 할 새로운 태양전지를 시장에 내놓을 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 및 농림축산식품부(장관 정황근) 농촌진흥청(청장 조재호)의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜연구개발사업단(단장 조성인)의 스마트팜다부처패키지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며 연구 결과는 에너지 분야 권위지인 「Advanced Energy Materials」 (IF : 29.698, JCR 분야 상위 2.46%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Amorphous TiO2 Passivating Contacts for Cu(In,Ga)(S,Se)2 Ultra-Thin Solar Cells: Defect-State-Mediated Hole Conduction - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박기순 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 본부장 - (교신저자) 국민대학교 도영락 교수 그림1. 인쇄 공정 기반 대면적 용액 코팅. 바 코팅 기반 대면적 용액 코팅법의 실물 사진 그림2. 용액공정 CIGS 초박막 태양전지 그림3. 용액공정 CIGS 초박막 태양전지 단면 모식도