- 계산과학 도입, 화학물질 없는 건식 공정으로 고성능 단원자 촉매 개발 - 수(水) 처리 공정에 적용해 신종 환경호르몬 비스페놀류 신속 제거 비스페놀은 열에 강하고 기계·화학적 물성이 뛰어나 영수증, 물병, 생수통, 비닐 등 플라스틱 소재의 주요 원료로 널리 사용되고 있다. 비스페놀류 중 비스페놀A(이하 BPA)는 우리가 흔히 ‘환경호르몬’이라고 부르는 내분비교란물질로 생식, 발달, 지능 뿐 아니라 다양한 대사성 질환에도 악영향을 준다. 최근, BPA의 대체물질로 개발된 비스페놀-Free(BPF) 역시 신경계 교란 및 다양한 건강위험을 초래할 수 있다고 학계를 통해 보고되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사, 극한소재연구센터 김상훈 박사와 고려대학교 전기전자공학부 주병권 교수 공동연구팀은 화학물질을 사용하지 않는 친환경 건식 기반 아크 플라즈마 증착 공정을 통해 고성능 코발트 단원자 촉매를 제작했다고 밝혔다. 연구팀은 이를 전기화학적 과산화수소 합성에 기반한 전기-펜톤 공정(electro-Fenton)에 적용해 수용액 내 비스페놀류 환경호르몬을 짧은 시간 내 제거하는 데 성공했다. 아크 플라즈마 공정은 진공 상태에서 반복적인 펄스 전압으로 금속 또는 세라믹을 증발시켜 이를 물체 표면에 얇은 막으로 입히는 방식으로 펄스 횟수를 조절해 원하는 두께나 특성을 가진 증착층을 만들 수 있다. 아크 플라즈마 공정을 통해 제작한 코발트 단원자 촉매는 기존에 보고된 건식 공정의 단원자 촉매 담지율(1 wt% 내외) 대비 세계 최고 수준의 금속 단원자 촉매 담지율(2.24 wt%)을 보였다. 계산과학을 비롯한 다양한 재료분석을 통해 제작한 단원자 촉매의 배위 구조와 활성점을 규명하였으며, 전기화학적 측정을 통해 과산화수소 생성에 매우 우수한 단원자 촉매임을 확인했다. 연구진은 개발한 코발트 단원자 촉매를 전기-펜톤 수처리 공정 내 과산화수소를 실시간으로 공급하는 전극 소재로 적용했다. 그 결과 수용액 내 타겟팅된 20ppm 농도의 신종 환경호르몬인 BPF를 5분 이내 100% 신속히 분해될 수 있음을 확인했다. 반복 실험 및 폐수처리 테스트를 통해서 촉매의 안정성과 비스페놀류 제거를 검증하였으며, 이를 바탕으로 실제 대도시 주변 하수 처리장 또는 특정 산업폐수 처리 시설 등에서 신종 오염물질 제거에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. KIST 김종민 박사는 “이번 성과는 화학물질을 사용하지 않는 건식 공정 방식으로 고성능 단원자 촉매를 제작하고 이를 수 처리 분야까지 응용한 점에서 의의가 있다”라고 밝혔으며, KIST 김상훈 박사는 “아크플라즈마 증착법으로 금속 나노입자를 만드는 연구는 널리 알려져 있으나, 단원자 증착까지 가능하다는 것을 보여준 연구는 이번 연구가 처음”이라고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 나노소재기술개발사업(NRF-2022M3H4A7046278) 및 환경부(장관 한화진)의 지원으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Carbon Energy (IF: 19.5 JCR 분야 상위 3.8%)」에 7월 5일 온라인 게재됐다. * 논문명: Arc plasma deposited Co single atom catalysts supported on aligned carbon nanofiber for hydrogen peroxide electrosynthesis and an electro-Fenton process [그림 1] 아크플라즈마 증착 기술을 이용한 금속(코발트) 단원자 촉매 제조에 관한 모식도 [그림 2] 아크플라즈마 증착(Arc plasma deposition, APD)을 이용해 제작한 코발트 단원자 촉매 이미지 및 기존 건식 공정을 통한 제조된 단원자들의 담지량 비교 [그림 3] KIST 연구진이 건식기반 아크플라즈마 증착 공정을 통해서 개발한 고성능 코발트 단원자 촉매가 담지된 탄소나노섬유를 확인하고 있다.

- KIST, 전기 없이도 여름철 냉방 효율을 높이는 차세대 냉각 소재 개발 - 소재에 색상 부여해 디자인과 에너지 절감 두 마리 토끼 동시에 잡아 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 나노포토닉스연구센터 강진구 박사 연구팀은 외부 전력 없이 냉각하면서 동시에 색상을 낼 수 있는 색상형 복사냉각 액정 소재를 개발했다고 밝혔다. 복사냉각 기술은 태양광의 선택적 반사·흡수를 통해 열을 방출해 온도를 떨어뜨리는 무전력 냉방 기술이다. 따라서 전력 소모가 심한 에어컨을 보조할 수 있는 차세대 친환경 냉각 기술로 주목받고 있다. 낮 시간용 복사냉각 소재는 태양광 흡수를 낮추기 위해 하얀색을 띠고 있다. 이 경우 냉각 성능은 우수하나 여러 색상 구현이 어려워 심미성이 필요한 건물이나 차량에 활용할 수 없다는 단점이 존재한다. 이에 따라 냉각과 심미성을 동시에 충족하는 색상형 복사냉각 소재 개발이 최근 관심받고 있다. 기존에 알려진 색상형 복사냉각 소재는 빛 흡수를 이용해 색깔을 냈기 때문에 온도 하강 효과가 낮았다. 대안으로 제시된 빛 반사를 이용한 광결정 형태의 색상형 소재들의 경우, 냉각 성능은 뛰어났으나 뚜렷한 색상을 구현하는데 한계가 있었다. 연구팀은 굴곡진 나선형 액정 광결정을 제작하여 이러한 문제점을 해결했다. 이번 연구에서 사용된 상용화 액정(LC242)은 복사냉각을 통해 온도를 떨어뜨리는 물질일 뿐만 아니라 유도체를 이용해 나선형으로 정렬시키면 주기적 구조를 통해 색을 띠는 광결정을 형성한다. 연구팀은 회전 코팅 공정을 이용해 이런 색상형 광결정에 굴곡을 부여했고 그 결과 각도에 따라 색상이 다르게 표현된 기존 광결정과 달리 선명한 색상을 구현할 수 있었다. 제작된 색상형 복사냉각 액정 소재를 상부 투명 고분자 필름 및 하부 금속 박막과 결합한 결과 한낮에 동일 색상 상용 페인트보다 약 30.8°C, 주변 공기보다 약 3.1°C 낮은 온도를 달성할 수 있었다고 연구팀은 밝혔다. 본 소재를 이용하면 심미성이 고려되는 건물 외부나 차량의 에어컨 소비량 절감이 가능할 뿐 아니라 야외 레저용 소품이나 군사용 텐트에도 전력 소모 없이 냉방을 공급할 수 있을 것으로 기대한다. KIST 강진구 박사는 “이번 연구에서 개발된 색상형 복사냉각 액정 소재는 저가의 단순한 회전 코팅 공정을 통해 신속하게 제작할 수 있다”라며 “본 기술의 대면적화가 성공한다면 향후 전자기기나 모빌리티 등 광범위한 분야의 냉각에 이용될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요 사업과 산업통상자원부(장관 안덕근)의 지원(20213091010020)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal(IF: 13.3, JCR 분야 상위 3.1%)」 최신 호에 게재됐다. * (논문명) Efficient full-color daytime radiative cooling with diffuse-reflection-dominant cholesteric liquid crystals [그림 1] 색상형 복사 냉각 액정 소재 모식도 및 실제 사진 색상형 냉각 소재를 구성하는 나선형 액정 광결정 (좌) 구조 모식도 및 (우) 실제 사진. 첨가물(카이랄 도펀트) 양을 조절하여 전 영역 색상을 구현함. [그림 2] 색상형 복사 냉각 액정 소재의 냉각 성능 (좌) 개발된 소재로 제작한 여러 색상의 “KIST” 글자를 광학 카메라와 적외선 카메라로 각각 촬영한 결과. 글자 온도가 주변부보다 낮음을 확인. (우) 색상형 냉각 소재와 상용 페인트의 한낮 온도 변화를 측정한 결과. 상용 페인트 대비 최대 30.8 oC 낮은 온도 달성함. [사진 1] 공정 실험실에서 연구팀의 김민정 박사후연구원(좌)과 강진구 책임연구원(우)이 직접 제작한 색상형 복사냉각 소재를 보여주고 있다.

- 단순 자동화 장치 대비 소재 개발 효율 500배 이상 높인 AI 로봇 기반 스마트 연구실 - 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결하는 새로운 R&D 패러다임 기대 20세기 초 하버-보슈법에 의한 암모니아 합성용 촉매 개발은 성공하기까지 10,000회 이상의 실험이 따랐다고 한다. 이처럼 신소재 개발은 설계에서 상용화까지 많은 시간과 비용이 필요한 작업이다. 그런데 최근에는 인공지능(AI)을 활용해 소재개발 기간을 단축하는 연구가 활발하다. 여기에 로봇까지 접목하면 사람의 개입 없이도 1년 365일, 24시간 동안 소재개발 연구를 할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 계산과학연구센터 한상수 박사, 김동훈 박사와 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 이관영 교수 공동연구팀이 AI와 로봇을 활용한 맞춤형 금속 나노입자 설계 플랫폼 즉, 스마트연구실을 개발했다고 밝혔다. KIST-고려대 공동연구팀은 먼저 로봇팔을 기반으로 나노입자를 합성하고, 합성된 나노입자의 광학적 특성을 측정하는 자동화 장치를 개발했다. 여기에 AI 기술을 접목해 연구자가 원하는 소재의 물성을 입력하면 요구물성을 정확히 충족시키는 나노소재를 합성해주는 맞춤형 소재 개발 스마트연구실이 탄생했다. 스마트연구실 플랫폼에 적용된 AI 기술은 기존의 베이지안 최적화 방법에 얼리 스톱핑(early stopping) 기술을 접목해 단순 자동화 장치 대비 소재탐색 효율성을 500배 이상 높였다. 사람이 하는 실험은 연구환경이나 연구자에 따라 결과가 달라져 재현성 있는 결과를 얻기 힘든 경우가 많지만, 개발된 스마트연구실에서는 일관성 있는 양질의 데이터를 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 스마트연구실의 안전확보를 위한 AI 기술도 개발했다. 무인으로 운영되는 스마트연구실은 연구자가 다칠 위험은 없지만, 로봇의 과부하로 인한 오작동 등 안전사고를 예방하기는 어렵다. 연구진은 이러한 안전사고를 사전에 감지하고, 예방하기 위한 AI 비전기술(DenseSSD)을 개발해 스마트연구실에 탑재했다. DenseSSD는 실험실 내 연구장비와 재료 등 다양한 물체를 감지하고, 이상이 있으면 사용자에게 알림을 보내 적절한 조치를 취할 수 있게 한다. KIST 한상수 박사는 “사람의 개입 없이 소재개발이 가능한 스마트연구실 플랫폼은 노령화에 따른 연구인력 감소 문제를 해결할 수 있는 새로운 R&D 패러다임이 될 것”이라고 기대했다. 김동훈 박사는 “향후 비전문가도 스마트연구실을 쉽게 사용할 수 있도록 챗GPT와 같은 대화형 언어모델을 접목할 계획이다”라고 밝혔다. 연구팀은 촉매, 배터리, 디스플레이 등 다양한 소재분야로 스마트연구실 플랫폼을 확장할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 한국연구재단 나노및소재기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제저널인 「Advanced Functional Materials」* 및 「npj Computational Materials」**에 3월 6일과 2월 22일에 각각 온라인 게재되었다 * Bespoke Metal Nanoparticle Synthesis at Room Temperature and Discovery of Chemical Knowledge on Nanoparticle Growth via Autonomous Experimentations ** Machine Vision-based Detections of Transparent Chemical Vessels toward the Safe Automation of Material Synthesis [그림1] AI로봇을 활용한 Closed-loop 실험 단계 개념도 [그림2] 기존 방법론 대비 AI 기반 실험 설계의 정량적 효율성 비교 그림 [그림3] KIST 계산과학연구센터 스마트연구실 개발 인원 사진

- 테라헤르츠 메타물질과 팔라듐의 수소 감응성 이용, 실시간 극미량의 수소 가스 누출 검출 - 나노미터 스케일에서 나노 물층 형성 메카니즘 규명 성공 수소 가스는 알려진 모든 분자 중 가장 작고 가벼우면서 무색·무취의 성질을 가져 누출이 쉽고, 밀폐된 공간에서 4% 이상 농축되면 발화 또는 폭발의 위험을 가진다. 수소가 미래 에너지 산업의 대표주자로 자리매김하기 위해서는 수소가스의 생산·보관·운송 과정에서 안정성을 보장하기 위한 안전한 검지 기술이 필수적이다. 그러나 기존 전기식 센서는 전기 스파크가 발생하기 쉬워 수소 가스의 폭발을 유발하는 위험성을 지니고 있다. 또한 주류를 이루는 전극 기반의 접촉식 센서들은 접촉 상태에 따라 신호 안정성에 영향이 있어 비접촉식 광센서의 필요성이 대두되었다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 센서시스템연구센터 & KU-KIST 융합대학원 서민아 박사팀과 고려대학교 보건과학대학 바이오의공학부 유용상 교수팀이 공동연구를 통해 상온, 상압의 실제 환경에서 0.25% 수준의 극미량의 수소 가스 누출까지 확인할 수 있는 비접촉식 테라헤르츠 광센서를 개발했다고 밝혔다. 분광법은 반응 물질이 수소 가스와 만나면 기체에서 액체로 변화하는 반응을 광학 상수값의 변화를 통해 비접촉식으로 관찰한다. 테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어 가스 분자의 고유 진동에 민감한 분광법에 활용하면 다양한 가스, DNA, 아미노산 등 분자들의 미세한 고유 정보 및 차이점까지 해석 가능한 특징을 가진다. 그러나 극미량의 수소 가스와의 상호작용 확률이 낮고, 테라헤르츠파의 신호를 증폭하는 기술이 없어 실제로 활용되기 어려웠다. 연구진은 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 기능을 하는 메타물질을 이용해 극미량의 가스에 의한 테라헤르츠 광신호의 변화를 민감하게 측정할 수 있는 가스 검출 센싱 플랫폼을 개발했다. 이를 위해 먼저 가스에 민감한 테라헤르츠 대역에서 신호를 증폭할 수 있는 테라헤르츠 메타물질을 개발했다. 그리고 이 메타물질에 팔라듐을 균일하게 도포해 14 nm 수준의 극도로 좁은 공간을 형성함으로써 테라헤르츠 신호의 민감도를 극대화시켰다. 팔라듐은 흡착된 수소와 산소의 촉매 반응에 의해 표면에 물 분자를 생성하는 역할을 한다. 이후 수소 및 산소 가스 등을 개발한 센싱 플랫폼에 주입해 광학 신호 값을 분석한 결과, 수 분 이내로 가스 검출 여부를 탐지할 수 있었다. 팔라듐과 같은 금속수소화물은 상변이 후 다시 원래 상태로 돌아올 수 없는 비가역성을 가지기 때문에 재사용이 어려운데, KIST-고려대 공동연구팀은 특수 처리 기술을 통해 샘플의 재사용성을 확보했다. 또한 나노미터 스케일에서 수소가 탈착되는 메커니즘을 광신호를 통해 비접촉식으로 실시간 추적하는 기술개발에 성공했다. 교신저자인 KIST 서민아 박사는 “기존 광 센서는 상온, 상압, 상습 환경에서의 신뢰도 측정이 매우 제한적이었는데, 민감도를 획기적으로 증대시켜 가스 뿐 만 아니라 다양한 생화학 물질을 극미량에서 검출하고 선별할 수 있는 유망 기술”이라면서, “이동식, 현장‧현시 검사를 통해 각종 유해인자나 가스, 질병에 대해 즉각적으로 대처할 수 있는 시스템을 개발하는데 활용이 기대된다”고 밝혔다. 교신저자인 고려대학교 유용상 교수는 “테라파 측정기술뿐 아니라, 금속 표면에서 일어나는 다양한 기체 흡착 및 탈착 과정과 분자 단위의 화학반응 메커니즘을 시각적으로 확인할 수 있는 가능성까지 열었다”라고 연구성과의 의의를 밝혔다. [그림 1] 수소와 산소의 농도 비율에 따라 팔라듐 촉매반응을 통해 변화하는 메타구조와 광학상수 및 생성되는 물 층(layer)의 두께, 그리고 이에 따른 테라헤르츠 신호 변화 관찰 ○ 논문명: Advancements in intense terahertz field focusing over metallic nanoarchitectures for monitoring hidden interatomic gas-matter interactions ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.11.23.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202308975 ○ 논문저자 - 이진우 석사(제1저자/KIST 센서시스템연구센터) - 이종수 박사(제1저자/KIST 센서시스템연구센터) - 이건 박사과정(제1저자/KIST 센서시스템연구센터) - 유용상 교수(교신저자/고려대학교) - 서민아 책임연구원(교신저자/KIST 센서시스템연구센터)

- 1g/m2 적은 양의 코팅으로 바이러스 사멸 효과와 함께 다양한 색 구현 가능 - 의료소재, 가전, 건자재 등 다양한 산업 분야에서 활용 기대 코로나19 이후로 엘리베이터 버튼이나 대중교통 손잡이 등에 항바이러스 필름이 붙어있는 모습이 이제는 익숙하다. 그런데, 일반적인 항바이러스 필름은 항바이러스 기능성 금속 입자를 고분자와 함께 섞어 제작하므로 제작 과정에서 금속 입자의 극히 일부분만 표면에 드러난다. 이 때문에 이 필름들이 바이러스로부터 우리를 지켜줄 것이라는 믿음과는 달리 실제 필름 표면의 접촉에 의한 항바이러스 효과는 크지 않았다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 조소혜 박사와 연구동물자원센터 이승은 박사 공동연구팀이 항바이러스 표면의 활성을 극대화할 뿐 아니라 다양한 색까지 구현할 수 있는 나노코팅 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 졸겔법을 이용해 실리카 코팅층을 다양한 표면에 형성한 후 은(Ag)을 포함한 수용액을 이용해 은 나노입자(Ag nanoparticle)를 실리카층 표면에 코팅하는 방법으로 효과적인 항바이러스 및 항균 효과를 보이는 표면을 개발했다. 은 나노입자는 바이러스 표면의 단백질과 결합해 바이러스의 구조와 기능을 파괴함으로써 감염 능력을 제한하고 세포에 침투하는 것을 어렵게 만드는 역할을 한다. 기존의 항바이러스 필름은 항바이러스 기능성 금속 입자가 박막 내부에 침투되어 있어 바이러스와의 접촉이 어려웠는데, KIST 연구팀이 개발한 기술은 은 나노입자가 박막의 표면에 위치해 적은 양으로도 높은 활성을 보였다. 코로나바이러스의 유사체로 개발된 렌티 바이러스를 이용해 바이러스의 사멸 속도를 실험한 결과 상용 필름 대비 2배 이상의 빠른 바이러스 사멸 효과를 보였다. 그뿐만 아니라, E. coli 박테리아에 대한 항균 실험에서는 24시간 내 박테리아를 완전히 박멸하는 결과를 얻기도 했다. 개발된 항바이러스 코팅 기술은 그 코팅층의 두께를 달리해 빛의 간섭을 제어함으로써 다양한 색을 제공할 수 있다는 부가적인 장점도 있다. KIST 조소혜 박사는 “이번 금속 나노입자 코팅 기술은 1g/m2 미만의 적은 코팅으로도 상용제품보다 높은 항바이러스 및 항균 효과를 보여 산업화 가능성이 매우 높다”라며, “의료소재, 가전, 건자재 등 다양한 산업 분야에서 항바이러스‧항균 효과를 구현해 미생물 관리 및 감염예방에 도움을 줄 수 있을 것”이라고 기대했다. [그림 1] 시중에서 사용되는 항바이러스 필름 구조와 개발한 항바이러스 컬러나노코팅 구조의 비교 [그림 2] 졸겔법을 이용한 실리카 코팅층 형성 및 은(Ag) 전구체 용액으로부터 in-situ환원법으로 은 나노입자를 실리카층 표면에 도입 과정 [그림 3] 은 나노입자가 표면에 잘 드러난 실리카층 SEM/TEM 분석 결과 [그림 4] 상용 은나노 필름 대비 기 개발 표면의 항바이러스 효과 비교 [그림 5] 상용 은나노 필름 대비 기 개발 표면의 항박테리아 효과 비교 [그림 6, 6-1, 6-2] 항바이러스 코팅의 두께에 따른 광학현상으로 다양한 색 발현 결과 ○ 논문명: In Situ Metal Deposition on Perhydropolysilazane-Derived Silica for Structural Color Surfaces with Antiviral Activity ○ 학술지: ACS Applied Materials and Interfaces ○ 게재일: 2023.11.09.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.3c12622 ○ 논문저자 - 버락 다르야 박사과정 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 조소혜 책임연구원(공동저자/KIST 지속가능환경연구단) - 이승은 선임연구원(교신저자/KIST 연구동물자원센터)

- 기존 내화 전도성 소재와 달리 공기 중 1,000℃ 고온에서도 산화되지 않고 성능 유지 - 우주·항공, 열광 발전(TPV) 등 광범위한 극한 환경에서 활용 기대 열복사는 온도를 지닌 모든 물체에서 방출되는 전자기파로 지구로 유입되어 온실효과를 발생시키는 태양 복사 스펙트럼이 대표적이다. 태양광, 화력 발전, 산업 현장에서 발생하는 열에서 방출되는 열복사 에너지를 제어해 활용하면 전력 생산비용을 절감할 수 있어 냉각, 방열, 에너지 생산 등의 분야에서 복사 스펙트럼 제어 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지 복사 스펙트럼을 제어하는 기술은 일반적인 환경 조건에서 주로 이루어졌으나, 최근 우주 및 항공, 열광 발전(TPV) 등 극한 환경을 견딜 수 있는 소재가 필요하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 나노포토닉스연구센터 김종범 선임연구원 팀이 공기 중 1,000℃의 고온과 강한 자외선이 있는 환경에서도 광학적 특성을 유지하는 복사 스펙트럼 제어용 내화성 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 란타넘이 도핑된 주석산염(이하 “LBSO”)을 레이저 증착법을 통해 격자 변형이 없는 나노 단위의 얇은 박막 형태로 제작했다. LBSO 소재는 고온에서 산화되는 텅스텐, 니켈, 질화 티탄늄 등 기존 내화 전도성 소재들과 달리 1,000℃의 고온과 9 MW/cm2의 강한 자외선 빛에 노출됐을 때도 성능을 유지했다. 이후 LBSO 소재로 적외선 대역의 파장만을 선택적으로 방출할 수 있는 다층 박막 구조 기반의 열 복사체를 제작해 실험한 결과, 복합적인 구조에서도 박막 형태일 때와 마찬가지로 열과 빛에 대한 안정성을 가져 열광전지(TVP) 발전 기술로의 적용 가능성을 확인했다. LBSO 소재를 사용하면 공기와 만나 산화하는 것을 막기 위한 추가적인 조치 없이도 열복사를 열광 전기 셀에 전달할 수 있다. KIST 김종범 선임연구원은 “날씨에 따라 전기 생산량이 달라지는 태양광이나 풍력 재생에너지의 대안으로 태양열 및 고온 환경에서 방출되는 복사에너지를 활용해 전력을 생산하는 친환경 열광 발전 기술이 주목받고 있다”라면서, “LBSO 소재로 열광 발전의 상용화를 앞당겨 기후변화 및 에너지 위기 대응에 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 연구진은 LBSO 소재가 열광 발전 기술이나 산업용 장비에서 발생하는 폐열을 재활용하는 기술뿐 아니라, 자외선 노출에도 강한 내구성을 보인다는 점에서 우주·항공과 같이 극한의 환경에서 강한 태양 빛의 노출과 흡수로 발생하는 열을 관리하는 기술에도 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 정보통신‧방송 기술개발사업 및 표준개발지원사업(RS-2023-00223082)과 KIST 미래원천연구사업으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Science」(IF: 15.1, JCR(%): 6.2)에 11월 23일 게재*되었다. * 논문명 : Perovskite Lanthanum-Doped Barium Stannate: A Refractory Near-Zero-Index Material for High-Temperature Energy Harvesting Systems [그림 1] LBSO 열 방사체의 TPV 에너지 변환 기술 활용에 관한 모식도 LBSO 열 방사체가 TPV(Thermophotovoltaic, 열광전지) 기술에 적용되었을 때 가지는 효과를 모식도로 표현함. 일반적인 흑체는 열을 흡수하면 매우 넓은 파장대역으로 복사에너지를 방출하는데, 이 경우 TPV 셀에서 활용할 수 없는 파장의 복사 에너지가 포함되기 때문에 그 효율이 떨어진다. 하지만 LBSO 열 방사체를 적용할 경우 TPV 셀이 가장 높은 효율을 가지는 파장대역에 맞추어 선택적으로 열을 방사할 수 있으므로 에너지 발전 효율이 높아진다. [그림 2] LBSO 박막과 LBSO 열 방사체의 열 내구성 (위) LBSO 박막의 결정구조 및 열처리 전/후의 광학 특성 변화. LBSO와 유사한 특성의 금속 산화막 소재인 ITO와 AZO는 400도 이하의 온도에 노출되면 플라즈마 주파수 및 감쇠계수를 비롯한 광학 특성의 변화가 발생하지만, LBSO 경우에는 1000도에서도 안정적인 성능을 유지하는 것을 확인함 (아래) LBSO 포함한 다층 구조의 단층 전자현미경 사진과 결정구조. 열 방사체는 박막과 유사하게 공기 중에서 고온 및 강한 자외선 레이저 노출에도 특성 변화가 매우 적음을 확인함. [그림 3] LBSO 박막의 열처리 전, 후 표면 변화 각 온도, 레이저 세기 별 열처리를 진행하였을 때 박막 표면 변화. 표면의 경우 미세한 나노구조물이 형성되는 것을 확인하였으나, 소재의 선형적인 광학 특성에는 영향을 주지 않음을 실험적으로 확인함. 반도체 소재의 경우 밴드갭보다 높은 에너지의 자외선의 빛을 흡수하는데, 매우 강한 자외선의 빛을 흡수하면 소재의 특성 변화가 발생하게 된다. 하지만 LBSO 소재는 박막이 식각될 만큼 강한 빛을 조사하여도 특성에는 변화가 없음을 실험적으로 확인함. ○ 논문명: Perovskite Lanthanum-Doped Barium Stannate: A Refractory Near-Zero-Index Material for High-Temperature Energy Harvesting Systems ○ 학술지: Advanced Science ○ 게재일: 2023.11.23.(온라인) ○ DOI: 10.1002/advs.202302410 ○ 논문저자 - 김종범 선임연구원(제1저자/KIST 나노포토닉스연구센터) - 김혜비 학생연구원(제1저자/KIST 나노포토닉스연구센터)

- 열전-압전 소자의 단순 결합을 넘어 더 높은 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 하베스터 개발 - 상용 GPS 위치추적 센서 구동에 성공, 실생활 적용 가능성 보여 산업 현장, 자동차 등 일상 환경에서 버려지는 열, 진동, 빛, 전자기파와 같은 에너지원을 수확한 후 전기적 에너지로 변환하는 기술을 ‘에너지 하베스팅’이라 한다. 에너지 하베스팅 기술을 이용하면 현재 널리 사용되는 IoT 센서나 배터리 교환이 힘든 환경에 위치하는 무선 디바이스를 쉽게 구동 시킬 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 전자재료연구센터 송현철 박사, 허성훈 박사 공동연구팀은 열전 효과와 압전 효과를 접목함으로써 생산 전력을 50% 이상 높인 하이브리드 에너지 하베스팅 시스템을 개발했다고 밝혔다. 소자 양단에서 발생하는 열에너지를 전기적 에너지로 변환하는 ‘열전 효과’는 낮은 에너지 변환 효율을, 기계적 진동을 전기적 에너지로 변환시키는 ‘압전 효과’는 높은 임피던스를 갖는다는 한계로 인해 에너지를 안정적으로 수확할 수 없었다. 기존에도 단일 모드 에너지 하베스터의 한계를 극복하기 하이브리드형 에너지 하베스터가 제시됐으나, 각 메커니즘에서 생성된 에너지를 단순 결합하는 방식이 주를 이뤘다. 이에 KIST 연구팀은 열전소자와 압전소자의 단점을 상호보완하여 열원과 진동이 있는 환경에서 시너지 효과를 낼 수 있는 열전-압전 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다. 먼저 부피가 크고 공기가 닿는 단면적이 넓은 정적인 형태인 히트싱크 대신, 캔틸레버형의 동적 히트싱크를 제작하여 진동 환경에서 방열 효과를 향상시킴으로써 25% 이상 향상된 열전 소자 출력을 얻었다. 또한 이 캔틸레버에 폴리머형 압전 소자(MFC)를 부착하여, 캔틸레버의 떨림에 따라 압전 소자의 인장-압축 변형을 발생시키는 방식으로 추가 전력을 생산하는 하이브리드 에너지 하베스팅 구조를 제안했다. 연구팀은 이와 같은 하이브리드 에너지 하베스터를 적용하여 상용 IoT 센서 (GPS 위치추적 센서, 3 V, 20 mW)를 안정적으로 구동하는 데 성공함으로써 향후 IoT 센서가 배터리 전력 공급 없이도 상시 가동될 가능성을 보여주었다. 본 연구를 주도한 KIST 허성훈 박사는 “하이브리드 에너지 하베스팅 시스템이 우리 실생활에 안정적으로 적용될 수 있음을 확인한 연구 결과”라며, “자동차 엔진처럼 열과 진동이 함께 존재하는 곳에서 효과성을 확인했으며, 현재 전력을 공급하기 어려운 공장 설비 또는 건설기계 엔진 등에 적용해 무선으로 상태진단이 가능한 시스템을 구축하는 연구를 구상 중”이라고 밝혔다. [그림 1] KIST 연구진이 개발한 캔틸레버 형 동적 히트 싱크를 활용한 열전-압전 하이브리드 하베스터 [그림 2] 캔틸레버 형 동적 히트 싱크를 활용한 열전-압전 하이브리드 하베스터의 특성을 보여주는 그래프 [그림 3] 열전-압전 하이브리드 하베스터의 출력을 이용해서 IoT 센서 구동 시간을 단축하여, 열전-압전 메커니즘의 시너지로 인해 하이브리드 전력을 증가시킬 수 있음을 보여주는 그림 ○ 논문명: A synergetic effect of piezoelectric energy harvester to enhance thermoelectric Power: An effective hybrid energy harvesting method ○ 학술지: Energy Conversion and Management ○ 게재일: (온라인) 2023.10.30. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117774 ○ 논문저자 - 신준철 박사후연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터) - 김승범 학생연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터) - 송현철 책임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터) - 허성훈 선임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터) - 최원준 교수(교신저자/KIST 전자재료연구센터)

- 단일 전자소자로 추가 센서, 메모리 없이 외부 기체 자극을 감지, 기억 - 기존 가스 센서의 한계 극복해 전자 코 및 휴머노이드 분야 활용 기대 최근 인공지능과 휴머노이드가 대두되면서 인간처럼 다양한 감각을 감지하기 위한 전자소자 연구가 활발하다. 인공후각도 그 가운데 하나인데, 산업 현장에서 가스 유출을 감지하고, 세균과 바이러스 같은 유해 요소를 단시간에 찾아내는 데 쓰일 수 있다. 하지만 물리적인 자극을 감지하는 시각, 청각, 촉각에 비해, 화학적인 자극을 감지해야 하는 후각은 정보처리 과정이 까다로워 지금까지 발전이 더뎠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 첨단소재기술연구본부 강종윤 본부장, 전자재료연구센터 윤정호 박사팀이 뉴로모픽 반도체 전자소자인 멤리스터 소자를 이용해 인간의 후각 신경 시스템과 유사하게 외부 기체 자극을 손쉽게 전기적인 신호로 변환하고 처리하는 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 연구팀이 개발한 전자소자는 단일소자에서 외부 기체 자극을 전기적인 신호로 변환하고 이력을 저장할 수도 있다. 인간의 후각 시냅스는 외부 자극에 대한 정보를 변형해 다음 뉴런에게 전달한다. 이때 시냅스가 자극을 변형하는 정도를 ‘가중치’라 한다. 이를 모방하기 위해서는 외부 기체 자극에 대한 정보를 아날로그 방식으로 제어할 수 있어야 하는데, 지금까지 인공후각 분야에서 주로 연구하고 있는 산화물 반도체형 가스 센서로는 불가능했다. KIST 연구진은 멤리스터 소자에 산소 공공이 발생함에 따라 전기저항이 낮아지는 현상을 통해 인간의 후각 시냅스를 모사했다. 후각 시냅스가 외부 기체의 종류(산화, 환원성 기체)에 따라 반응이 달라지는 것을 이용해 산소 공공의 개수를 미세하게 조절함으로써 점진적으로 소자의 전도도를 변환시켜 인공후각 시냅스의 아날로그 특성을 모방한 것이다. 연구진은 개발한 인공후각 시냅스 소자를 어레이(array) 형태로 구성했을 때 가스 누출 지점으로부터의 거리에 따라 감응 특성이 달라지는 것을 통해 가스 누출의 특정 패턴을 감지하는 신경망 시뮬레이션을 수행했다. 개발된 뉴로모픽 인공후각 시냅스 소자는 최대 92.76%의 추론 정확도를 확보해 우수한 성능을 입증했다. 또한 동일한 구조를 가지는 인공후각 시냅스 소자와 위험 정도 조절기(risk-level controller)를 직렬로 연결해, 가스의 노출 농도를 모니터링하고 위험한 정도를 넘으면 알려주는 알람 시스템을 개발했다. 기존 반도체식 가스 센서는 자체적으로 위험 가스 노출 이력을 저장할 수 없어 메모리를 추가해야 하기 떄문에 시스템이 복잡하고 추가 전력 소비도 필요하다. 반면 KIST 연구진이 개발한 소자는 자체적으로 위험 가스의 노출 시간에 따른 절대량을 기억할 수 있기 때문에 상시 모니터링이 가능할 뿐만 아니라 에너지 효율도 높은 장점이 있다 KIST 강종윤 박사는 “이번에 개발한 인공후각 시냅스 소자는 산소 공공의 개수를 미세하게 조절하는 새로운 메커니즘으로 단일소자를 이용해 외부 기체 자극을 탐지할 뿐만 아니라 이를 기억할 수도 있어 기존 가스 센서의 한계를 극복하고, 향후 인공후각 분야를 선도할 수 있는 연구성과”라고 밝혔다. 함께 연구를 주도한 윤정호 박사는 “인간의 날숨이나 피부에서 분출되는 화학물질에서 질병 유무를 진단할 수 있는 헬스케어용 센서 등, 실시간으로 인체의 생체신호 데이터를 처리하는 in-sensor 컴퓨팅 연구에 기여할 것”이라고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 우수신진연구사업, 차세대지능형반도체기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ (IF : 32.086, JCR 분야 상위 2.17%) 온라인판에 게재되었고, 표지논문(inside back cover)으로 최신호에 출판되었다. [그림 1] 인공 후각을 모사한 전자소자 기술 [그림 2] 외부 기체 종류에 따른 아날로그 후각 시냅스 특성을 나타내는 전자소자 ○ 논문명: An Artificial Olfactory System Based on a Chemi-Memristive Device ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023. 4. 28. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202302219 ○ 논문저자 - 전석엽 학생연구원(제1저자/KIST 첨단소재기술연구본부장실) - 송영근 박사후연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터) - 김지은 학생연구원(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 권재욱(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 소근호 학생연구원(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 권주영 위촉연구원(공저자/KIST 전자재료연구센터) - 강종윤 책임연구원(교신저자/KIST 첨단소재기술연구본부장) - 윤정호 선임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터)

- 수 년 걸리던 3200여개 촉매 후보소재 성능 하루 만에 탐색 완료 - 백금(Pt) 촉매보다 값싸고 효율적인 삼원소계 합금(Cu-Au-Pt) 신촉매 개발 수소차에 사용되는 양성자 교환막 수소연료전지(PEMFC)는 양극에서 산소 환원 반응이 잘 일어나도록 값비싼 백금 촉매를 사용한다. 백금보다 더 효율적이고, 경제적인 촉매 소재를 개발하기 위해서 탐색해야 하는 원소의 조합과 조성이 방대해 이 순간에도 연구자들은 실험실에서 수많은 시행착오를 거치고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 계산과학연구센터 김동훈 박사, 한상수 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 신소재공학과 이혁모 교수 공동연구팀이 새로운 인공지능 기반 촉매 선별 방법론을 제시하고, 이를 통해 순수 백금 촉매보다 더 값싸고, 2배 이상 높은 성능의 삼원소계 합금(Cu-Au-Pt) 신규 촉매 소재 개발에 성공했다고 밝혔다. 공동연구팀은 촉매 표면에서 흡착 물질이 결합하는 에너지를 정확하게 예측하기 위해 SGCNN(촉매구조 그래프 합성곱 신경망) 인공지능 모델을 개발했다. 소재 탐색에 인공지능을 적용한 사례가 처음은 아니다. SGCNN 모델은 고체 소재의 벌크(bulk) 물성 예측에 특화된 CGCNN(결정 그래프 합성곱 신경망) 모델을 촉매 소재의 표면 물성 예측이 가능하도록 발전시킨 것이다. 그런데 벌크 물성과 표면 물성을 예측하는 것의 차이는 크다. 촉매의 표면 물성을 빠르고 정확히 예측할 수 있으면 이를 바탕으로 소재의 안정성, 성능, 비용의 3요소를 모두 충족하는 촉매를 더욱 효율적으로 선별할 수 있다. 실제로 해당 방법론으로 연료전지 양극반응 촉매를 개발했을 때 약 3,200개의 삼원소계 후보 소재들의 가능성을 단 하루 만에 탐색할 수 있었는데. 이것은 기존에 촉매 물성 예측에 사용되던 밀도범함수이론(DFT)을 이용한 흡착에너지 시뮬레이션 계산법으로는 수년이 소요되던 규모다. 연구진은 약 3,200개의 후보 소재 가운데 백금 촉매를 능가할 가능성이 있는 10개의 촉매에 대한 실험검증을 통해 삼원소계(Cu-Au-Pt) 신규 합금촉매를 개발했다. 이 촉매는 순수 백금촉매 대비 백금 원소를 37%만 사용하지만, 반응전류밀도(kinetic current density)는 순수 백금 촉매보다 2배 이상 높게 나오는 고성능을 보였다. 또한 해당 촉매는 안정성 테스트를 5,000회 거친 후에도 성능 열화가 거의 일어나지 않는 훌륭한 내구성을 보였다. KIST 김동훈 박사는 “향후 양질의 흡착에너지 데이터를 지속해서 구축해 더욱 정교한 인공지능 모델링을 수행할 계획이며, 이는 촉매 소재 개발의 성공률을 더욱 향상시킬 것”이라고 기대했다. 이번에 개발된 방법론은 수소 연료전지용 촉매뿐만 아니라 수소경제 실현에 필수적인 수전해 기반 수소 생산과 같은 다양한 촉매 반응에도 즉각 적용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 연구팀은 소재 및 시스템 최적화를 통해 개발된 촉매의 단가를 더 낮추고, 성능을 향상시킬 계획이다. 이번 연구성과는 삼성전자(대표이사 경계현)의 삼성미래기술육성사업(SRFC-MA1801-03) 및 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재연구데이터플랫폼사업 지원으로 수행되었으며, 한국에너지기술연구원 박영태 박사후 연구원과 한국과학기술연구원 물질구조제어연구센터 황창규 연수생 (고려대학교 박사과정 학생)이 공동 제1저자로 참여하여 국제 학술지 「Applied Catalysis B: Environmental」에 7월 24일 온라인 개재되었다. [그림 1] 인공지능 기반 수소연료전지 촉매 설계 연구의 요약 도식도 [그림 2] 인공지능 모델 개발을 위해 사용된 KIST 계산과학연구센터 서버팜(server farm) 및 고성능 GPU 기반 슈퍼컴퓨팅 자원 [그림 3] 인공지능 모델링 기반의 고기능성 촉매 선별 방법론 [그림 4] 머신러닝을 통해 예측한 삼원계 합금촉매(Cu3Au@Pt)의 구현을 위한 스퍼터링, 아크플라즈마 박막 증착 공정 및 산소환원반응 특성 결과 ○ 논문명: Machine learning filters out efficient electrocatalysts in the massive ternary alloy space for fuel cells ○ 학술지: Applied Catalysis B: Environmental ○ 게재일: 2023.07.24. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123128 ○ 논문저자 - 박영태 박사후연구원(제1저자/KAIST 신소재공학과) - 황창규 박사과정 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김동훈 선임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 이혁모 교수(교신저자/KAIST 신소재공학과)

- KIST, 마찰전기 섬유와 땀 전지 섬유를 직조해 새로운 스마트 섬유 개발 - 높은 에너지 발생 효율, 뛰어난 경제성과 세탁 내구성 보유 주변 환경이나 외부의 자극을 스스로 감지하고 스마트 폰을 활용해 온도를 조절하는 등 패션에 정보기술(IT)을 결합한 스마트 의류 제품이 출시되면서 기존의 이차전지가 아닌 새로운 에너지원에 대한 관심도 높아지고 있다. 사람이 활동하면서 발생하는 마찰이나 땀에 함유된 포도당을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술이 대표적이다. 하지만 마찰전기 섬유는 습도에 취약해 주변의 습기나 인체의 땀에 의해 전력 효율이 낮아지는 문제가 있고, 땀 전지는 발생 전력이 작아 활용이 어려웠다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사팀과 장지수 박사팀이 공동연구를 통해 마찰전기 섬유와 땀 전지 섬유를 직조해 다양한 습도 조건에서도 전기를 발생시키는 새로운 형태의 스마트 의류용 섬유 기술을 개발했다고 밝혔다. 사람이 활동할 때 발생하는 마찰뿐만 아니라 마찰전기 섬유의 전력 효율을 저하하는 습기와 땀까지 에너지원으로 활용하여 두 마리 토끼를 잡는 셈이다. KIST 연구진은 탄성중합체와 혼합된 용질(설탕)을 녹이는 간단한 제조 공정을 통해 마찰전기 섬유의 마찰 표면적을 증가시켜 에너지 효율을 향상시켰다. 또한 땀 전지 섬유에 이온 염(ionic salt) 및 파릴렌(parylene-C)을 코팅해 발전 성능을 향상시키고 비대칭 습윤성을 유지하도록 했다. 이후 이들 섬유를 직조방식으로 결합해 습기에 취약한 마찰전기 섬유와 전력 효율이 낮은 땀 전지 섬유의 한계를 극복한 스마트 의류용 기능성 섬유를 개발했다. 연구진은 마찰전기 섬유 1개와 땀 전지 섬유 36개 (3개 병렬, 12개 직렬)로 구성된 의류용 섬유 두 개를 연결해 배터리 없이 인체의 움직임과 땀으로부터 위치 추적 센서 (3 V, 7~20 mA)를 구동하는 데 성공했다. 이 스마트 의류용 기능성 섬유는 단순한 코팅 공정과 직조 기술만으로도 대면적, 대량 생산이 가능해 제작 단가와 공정시간을 획기적으로 절감할 수 있다. 또한, 10회 이상의 반복적인 세탁 이후에도 전기에너지 발생 특성이 유지해 상용화 가능성이 높다. KIST 송현철 박사는 “이번에 개발한 기술은 의류형 전자기기 및 웨어러블 디바이스 전분야에 활용 가능하지만, 특히 소방관, 군인, 산악인 등 극한 환경에서 활동하는 종사자들을 위한 전원공급원으로 적용이 기대된다”고 밝혔다. 또한 “스마트 의류에 적용해 다양한 신체 정보들을 제공해주는 센서로 활용하기 위한 추가 실험도 진행 중이다”라고 밝혔다. [그림 1] KIST 연구진이 개발한 인체모션 및 땀을 활용해 전력발생 시키는 스마트 의류 섬유 [그림 2] KIST 연구진이개발한 인체모션 및 땀을 활용해 전력발생 시키는 스마트 의류 섬유 작동원리 모식도 ○ 논문명: Bio‐Physicochemical Dual Energy Harvesting Fabrics for Self‐Sustainable Smart Electronic Suits ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ 게재일: 2023.03.25. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202300530 ○ 논문저자 - 박지원 박사후연구원(제1저자/KIST 전자재료연구센터) - 송현철 책임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터), - 장지수 선임연구원(교신저자/KIST 전자재료연구센터)