- 팔라듐의 수소 감응성을 이용하여 실시간 색상 변화가 가능한 유리창 개발 - 수소 플랜트, 연료전지 가스 연결부 등 협소 설비 내 수소 가스 누출 지점 쉽고 빠르게 확인 친환경 에너지원으로 주목받는 수소 가스는 산소와 만나면 폭발할 위험이 크다. 따라서 수소 경제의 모든 단계에서 가스 누출을 감지하기 위한 센서 기술이 꼭 필요한데, 현재 주로 쓰이는 저항식 및 전기화학식 수소 센서는 큰 부피, 많은 전력 소모, 높은 생산 단가로 인해 수소 플랜트나 잠수함, 연료전지 시스템 등 협소한 설비에는 적용하기 어렵다. 또한 누출된 수소 가스의 정량적인 농도 정보만을 제공하기 때문에 가스가 누출된 지점을 빠르게 확인하는 것은 불가능하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 상온‧상압‧고습의 실제 환경에서 수소 가스가 누출된 지점을 색상 변화를 통해 쉽고 빠르게, 육안으로 확인할 수 있는 가스 감응형 변색 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 KIST 센서시스템연구센터 박유신 박사팀과 고려대학교 바이오의공학과 유용상 교수팀의 공동연구를 통해 이뤄졌다. 팔라듐은 수소 흡수 특성이 우수해 수소 감지 센서 소재로 이용된다. 기존 센서는 수소를 흡수한 팔라듐의 전기적, 화학적 특성 변화를 정량적으로 검지하는 방식인 데 반해, KIST-고려대 공동연구팀은 대기 중에 항상 존재하는 산소와 누출된 수소의 자발적인 촉매 반응과 이에 수반되는 물 생성 현상을 이용했다. 그런데 팔라듐 표면에 흡착된 수소와 산소의 촉매 반응으로 생성된 물 분자는 바로 증발하기 때문에 육안으로 관측하기 어렵다는 문제가 있었다. 연구팀은 수소와 산소만 선택적으로 투과할 수 있는 고분자 박막의 위아래를 팔라듐 박막으로 감싸는 금속-고분자-금속 적층형 센서 구조를 개발해 박막 위에 나노미터 두께의 물 층이 형성되도록 했다. 이렇게 형성된 물 층은 센서의 빛 공명과 반사에 영향을 주어 육안으로 관찰되는 색상의 변화를 유도한다. 반대로 수소 가스 누출이 없다면 물이 서서히 증발해 처음 색상으로 돌아온다. 연구팀은 이와 같은 과정을 통해 염료 없이도 나노구조의 규격을 조절해 원하는 색상을 쉽고, 저렴하게 구현할 수 있었다. 이 기술은 유리, 플라스틱 등 투명 기판에도 적용할 수 있을 뿐 아니라 소모 전력 없이 작은 크기로 제작할 수 있어 수소 플랜트, 자동차 연료전지 시스템 등 좁고 복잡한 수소 배관이 지나가는 곳 어디든지 쉽게 부착해 적용할 수 있다. 또한, 수소 가스를 선택적으로 흡수하고 배출하는 고분자 박막을 활용했기 때문에 온도와 습도 등 주변 환경의 변화에 영향을 받지 않고 동작할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 고려대학교 유용상 교수는 “가시화 센서가 보급되면 수소 폭발 사고를 예방할 수 있어 수소 플랜트나 연료전지 가스 연결부를 제작하는 기업의 수요가 있을 것으로 기대한다”고 말했다. KIST 박유신 박사는 “이번 연구성과는 기존 저항식 및 전기화학식 수소 센서 기술의 난제인 수소 흡수에 의한 선명한 색상 변화를 구현할 수 있는 새로운 기술”이라며, “후속 연구에서는 더 낮은 수소 농도에서도 빠르게 동작하는 고성능 변색 센서 기술을 확보하는 것이 목표”라고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요사업(K-DARPA 파급혁신형사업), 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 한국연구재단 중견연구자지원사업(No. 2021R1A2C2009236)과 고려대학교 교내과제 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 광학분야 최상위 세계적 학술지 ‘포토닉스(PhotoniX)’ (IF 16.500, JCR 4.5%)에 6월 26일 온라인 게재되었다. * 논문명 Naked-eye observation of water-forming reaction on palladium etalon: transduction of gas-matter reaction into light-matter interaction [그림 1] 수소 감응형 변색 센서 구조 모식도(왼쪽), 센서 소재와 구조에 변화를 주어 수소 흡수 시 다양한 색상을 가지도록 제작한 꽃무늬(오른쪽) [그림 2] 수소와 산소의 흡수 비율에 의존하여 생성되는 물 층(layer)의 두께가 제어되며 이에 따른 색상 변화 거동 [그림 3] 제작한 prototype 윈도우를 이용한 상온, 상압, 고습 환경에서 수소 가스 누출 테스트 시연 사진 ○ 논문명: Naked-eye observation of water-forming reaction on palladium etalon: transduction of gas-matter reaction into light-matter interaction ○ 학술지:포토닉스(PhotoniX) ○ 게재일: 2023.06.26. ○ DOI: https://doi.org/10.1186/s43074-023-00097-1 ○ 논문저자 - 이종수 박사과정(제1저자/KIST 센서시스템연구센터), - 박유신 선임연구원(교신저자/KIST 센서시스템연구센터) - 유용상 교수(교신저자/고려대학교 바이오의공학과)

- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

- 수 나노미터 크기 백금 나노입자 촉매 안정성 계산하는 BE-CGCNN 모델 개발 - 다양한 금속 나노입자에 적용 가능해 신소재 촉매 개발에 활용 기대 수소 자동차에 주로 사용되는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)에는 백금(Pt)계 촉매가 주로 사용된다. 촉매의 성능은 연료전지의 수명과 직결되기 때문에 백금 촉매의 성능, 특히 안정성을 높이는 연구가 필수적이다. ‘표면 푸베이 도표’를 이용하면 실제 작동환경에서 촉매 물질의 표면 구조와 안정성을 예측할 수 있다. 표면 푸베이 도표는 밀도범함수이론(DFT)을 이용한 흡착에너지 시뮬레이션 계산으로 구할 수 있지만, 수 나노미터 크기의 나노입자 구조를 가진 백금 촉매의 경우 수천 시간이 소요된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 계산과학연구센터 한상수 박사, 김동훈 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 신소재공학과 이혁모 교수 공동연구팀이 수 나노미터 크기의 백금 나노입자에 대해서 표면 푸베이 도표를 빠르고 정확하게 구성할 수 있는 새로운 AI 기술을 개발했다고 밝혔다. 공동연구팀은 촉매 표면에서 흡착 물질이 결합하는 에너지를 정확하게 예측하기 위해 결합 임베딩-결정 그래프 합성곱 신경망(BE-CGCNN) 모델을 개발했다. 이 모델은 기존의 결정 그래프 합성곱 신경망(CGCNN) 모델에 원자 간 결합 종류를 고려하는 결합 임베딩(Bond-embedding) 기술을 도입한 것이다. BE-CGCNN 모델을 이용하면 백금 나노입자의 표면에 존재하는 흡착물의 흡착 에너지를 밀도범함수이론에 따른 계산 대비 0.1 eV 오차 수준으로 예측해 표면 푸베이 도표를 정확하게 구성할 수 있다. 기존 CGCNN 모델과 비교해서는 최대 85.7%만큼 오차가 감소했다. 실제 PEMFC에 사용되는 약 5 nm 크기의 백금 나노입자에 대해서 표면 푸베이 도표를 계산하는 데 걸린 시간은 불과 약 70초였다. 기존 밀도범함수이론을 사용하면 1년 이상의 시간이 걸리던 계산이다. KIST 한상수 박사는 “백금뿐만 아니라 다양한 금속 및 합금 나노입자의 안정성을 예측하는데 BE-CGCNN 모델을 적용할 수 있어 긴 수명을 가지는 신소재 촉매 개발에도 활용이 가능할 것”이라고 기대했다. 김동훈 박사는 “향후 본 기술을 활용해 높은 안정성을 보유한 신소재 나노입자 촉매를 개발하면 연료전지의 수명이 획기적으로 연장된다. 백금 이외의 다양한 소재에 적용할 수 있도록 모델 학습용 데이터를 확보하고, 딥러닝 모델을 확장할 예정”이라고 말했다. 삼성전자(대표이사 경계현)의 삼성미래기술육성사업(SRFC-MA1801-03)으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Communications」에 5월 25일 온라인 게재*되었다. * Machine Learing-Enabled Exploration of the Electrochemical Stability of Real-Scale Metallic Nanoparticles [그림 1] 실제 크기 나노입자의 표면 푸베이 도표 예측 및 DFT와의 계산시간 비 [그림 2] BE-CGCNN 모델의 개념도 [그림 3] BE-CGCNN 흡착에너지 예측 결과 및 나노입자 구조에 따른 표면 푸베이 도표 비교 ○ 논문명 : Machine Learing-Enabled Exploration of the Electrochemical Stability of Real-Scale Metallic Nanoparticles ○ 학술지: Nature Communications ○ 게재일: 2023. 5. 25. (온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38758-1 ○ 논문저자 - 방기훈 박사후 연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터), - 김동훈 선임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터), - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터), - 이혁모 교수(교신저자/KAIST )

- 계면제어형 비백금계 고활성 촉매 제작 통한 신규 구조 제어 기술 구현 - 음이온교환막 수전해 기술 중 최고 수준 성능 비백금계 음극촉매 개발 사람들은 수소를 환경오염 물질을 전혀 발생시키지 않는 깨끗한 에너지원으로 생각한다. 하지만 화석연료를 사용해 이산화탄소를 배출하는 ‘그레이 수소’, 그레이 수소 생산 과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 생산하는 ‘블루 수소’는 완전한 청정 에너지원과는 거리가 있다. 생산 과정에서 탄소를 전혀 배출하지 않는 ‘그린 수소’는 물을 전기 분해해 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 수전해 방식으로 생산한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사와 성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 윤원섭 교수, 화학공학·고분자공학부 유필진 교수가 공동연구를 통해 산소 발생 반응(OER) 성능을 높인 촉매소재 계면 제어기술을 개발했다고 밝혔다. 산소 발생 반응 촉매는 물을 분해하여 수소를 생산하는 속도와 효율성을 높이는 역할을 담당한다. 그러나 산소 발생 반응 촉매의 구조-성능 간 상관관계와 이를 바탕으로 한 촉매 구조 제어 기술 연구는 부족하여 단순한 입자 형태의 금속 촉매 혹은 복잡한 제작과정이 필요한 계면 촉매를 주로 사용해왔다. 철 원자는 산화수가 다양한 원소 중 하나로, 높은 산화수를 가지면 활성점이 증가하고 전하의 이동 속도가 빨라져 산소발생 반응성능이 극대화된다. 일반적으로 금속 나노입자의 기상 반응에서는 반응물이 기체 상태이기 때문에 원하는 촉매 구조를 달성하도록 반응성을 제어하기 어렵다. 연구팀은 기상 반응을 제어하여 고산화수 원자를 갖는 촉매 구조를 얻기 위해 기체 투과도가 낮은 고결정성 흑연 탄소 껍질로 둘러싸인 금속 나노입자를 합성했다. 이후 기상 반응을 수행한 결과 고결정성 흑연 탄소 껍질의 제한적인 기체 투과성으로 인해 커켄달 효과가 불완전하게 발생하여 나노입자 내 공극이 적은 환경이 만들어졌고, 촉매 계면에서 철 원자가 높은 산화수를 가지는 구조를 구현할 수 있었다. 연구팀은 이렇게 개발한 촉매를 최근 가장 주목받고 있는 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 장치의 음극의 산소 발생 반응 촉매로 활용했다. 그 결과 최근 에너지 분야 권위지에 발표된 음이온 교환막 수전해 기술에 적용되는 비백금계 촉매 성능보다 고전류밀도 성능을 2.0 V 조건에서 약 1.5배 높일 수 있었다.(12.26 A/cm2 @ 2.0 V 및 6.34 A/cm2 @ 1.8 V). 성균관대 유필진 교수는 “이번 연구에서 개발한 신규 계면 제어기술로 촉매 재료의 구조-전기화학적 성능 상관관계 연구의 다각화가 가능해졌다”고 연구의 의의를 밝혔다. KIST 이성수 박사는 “그린 수소의 운전비용 및 에너지 효율을 획기적으로 개선함으로써 향후 대형 수소기반 발전소, 선박, 트럭, 잠수함, 드론, 비행기 등 신규 수소산업 형성에 기여할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 미래소재디스커버리사업(2018M3D1A1058624) 집단연구지원사업(2021R1A4A1024129), 개인기초연구(2021R1C1C2095034), 세종과학펠로우십(2021R1C1C2095034), KIST 주요사업(Young Fellow)으로 수행되었으며, 결과는 국제 학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental(IF: 24.319, JCR(%): 0.93)’에 게재되었다. [그림 1] 흑연 탄소 껍질을 갖는 금속 입자를 기반으로 한 확산 속도가 제어된 음이온 확산 제한형 Kirkendall 효과 및 이종 계면 구조의 설계에 대한 전체 개념도 [그림 2] FeCo/FeCoP 이종 계면을 갖는 촉매 소재의 투과전자현미경 사진 및 에너지 분산 X-선 분광법 기반의 원소 분석 결과 [그림 3] 음이온교환막 수전해 적용의 모식도 / 다양한 음극 촉매에 따른 수전해 장치 성능 (전류-전압 그래프)을 나타냄. / 수전해 장치의 동일 전류밀도 인가 조건에서의 장기 내구성 테스트. 100시간 동안의 구동을 통한 안정한 수소 생산 확인함. ○ 논문명: HIgh-valent metal site incorporated heterointerface catalysts for high-performance anion-exchange membrane water electrolysers ○ 게재일: 2023.09.15. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122816 ○ 논문저자 - 최관현 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - N. Clament Sagaya Selvam 박사후연구원(제1저자/성균관대학교) - 이성수 선임연구원(교신저자/KIST 전자파솔루션융합연구원) - 윤원섭 교수(교신저자/성균관대학교 에너지과학과) - 유필진 교수(교신저자/성균관대학교 화학공학과)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 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)

- 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

- 자동 공진(共振) 튜닝 기술이 탑재된 소형‘에너지 하베스팅’기술 - 실증을 통한 소형 전자기기 (IOT Sensor)의 안정적인 전원 공급 현실화 사물인터넷(IoT) 기술은 시공간에 구애받지 않고 설치되어야 하기 때문에 배터리나 전원선에 구애받지 않는 독립전원을 필요로 한다. 자동차, 건물, 가전제품 등의 일상 환경에서 진동, 열, 빛, 전자기파와 같이 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술을 이용하면 외부 전원장치 없이 주변 에너지원 수확만으로도 소형 전자기기를 구동하기에 충분한 전기를 생산할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사 연구팀이 주변 환경에 따라 에너지 하베스터 스스로 공진을 맞추는 자동 공진 튜닝(Automous Resonance Tuning, ART) 압전 에너지 하베스터를 개발했다고 밝혔다. 개발한 에너지 하베스터는 30Hz 이상의 광대역 주파수 범위에서 스스로 공진을 튜닝하고 흡수한 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 진동을 에너지 하베스팅 기술을 통해 전기에너지로 변환하는 과정에서 불가피한 기계적 에너지 손실이 발생해 에너지 변환 효율이 낮아지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해서는 물체의 고유진동수와 진동의 주파수가 일치할 때 큰 진동이 발생하는 공진(Resonance) 현상을 활용한다. 그러나 에너지 하베스터의 고유진동수는 고정되어 있는 반면, 우리가 일상생활에서 경험하는 다양한 진동들은 각기 다른 범위의 주파수에 분포하고 있다 이 때문에 에너지 하베스터의 사용환경에 맞춰 매번 고유진동수를 조정하고, 공진을 유도해야 하기 때문에 실용화에 어려움이 있었다. 이에 KIST 연구진은 별도의 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조의 에너지 하베스터를 개발했다. 에너지 하베스터 내부에 주파수에 따라 움직이는 적응형 클램핑 시스템 (튜닝 시스템)을 부착하여 에너지 하베스터가 주변의 진동을 감지하면 튜닝 시스템이 공진 주파수에 도달하게 되어 외부의 진동과 같은 진동수를 갖고 공진할 수 있게 된다. 그 결과, 2초 이내 빠른 공진 주파수 튜닝으로 광대역 주파수 대역(30Hz) 이상에서 연속적으로 전기를 생산할 수 있다. 이번 연구에서는 기존에 문헌에 보고되었던 압전 진동형 에너지 하베스터들과 달리 튜닝 시스템이 장착된 에너지 하베스터를 실제 주행하는 자동차 엔진에 부착하여, 진동 주파수가 지속적으로 변화하는 환경에서 자동 공진 튜닝(Autonomous Resonance Tuning, ART)으로 배터리 없이도 무선 위치 추적장치를 구동하는데 성공했다. 본 연구를 주도한 KIST 송현철 책임연구원은 "이번 연구성과는 진동을 이용한 에너지 하베스터가 이제 곧 우리 실생활에 적용될 수 있음을 시사하는 결과이며, 향후 사물인터넷을 비롯하여 무선 센서의 독립전원으로 사용될 수 있을 것으로 보인다“고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 산업통상자원부(장관 이창양) 지원으로 에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Science’(IF : 17.521, JCR 5.942%) 최신 호에 Front Cover로 게재되었다. * (논문명) Autonomous Resonance-Tuning Mechanism for Environmental Adaptive Energy Harvesting - (제 1저자) 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 이동규 학생연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 신준철 박사후연구원 - (교신저자) 금오공과대학교 신소재공학과 조경훈 부교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 송현철 책임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1002/advs.202205179 [그림 1] Advanced Science 표지 [그림 2] 에너지 하베스터의 구조 및 자가 튜닝 원리 [그림 3] 자가 튜닝 에너지 하베스터의 특성을 보여주는 그래프 [그림 4] 자동차 엔진의 진동 에너지를 활용하여 위치 추적 장치 구동에 성공한 자가 튜닝 에너지 하베스터의 실용화 가능성을 보여주는 그림

- 마이크로미터부터 밀리미터까지 다양한 크기 비말의 방역 마스크 표면에서의 오염 현상을 규명 코로나19 이후 마스크 착용이 일상화되면서 감염원에 대한 저항성과 착용감을 동시에 만족하는 고기능성 마스크에 관한 관심이 높아지고 있다. KF94 등급 이상의 마스크는 밀리미터(mm) 크기의 큰 물방울에 대해 높은 물 접촉각을 가져 감염 환자의 침방울과 같은 감염원에 대한 저항성이 높다고 알려져 있는데, 감염전파와 밀접한 연관이 있는 것으로 알려진 마이크로미터(μm) 크기 비말의 젖음성 현상에 관한 연구는 진행되지 못했다. KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진)은 극한소재연구센터 문명운 책임연구원·조혜성 선임연구원 연구팀이 마이크로미터부터 밀리미터까지 다양한 크기 비말의 KF 마스크 표면에서의 젖음성 현상을 규명하고, 플라즈마 기술을 적용한 초발수 항비말 마스크를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 마이크로미터부터 밀리미터 크기를 포함한 비말의 젖음성 현상을 마스크 위에서 평가하고 비말의 크기가 작아질수록 섬유 표면에 의한 구조효과가 감소하여 물에 대한 접촉각이 작아짐을 규명했다. 접촉각이 급격하게 작아지는 구간에서는 물이 증발한 후 오염물 흡착이 증가했다. 이 결과는 일반 KF94 등급 마스크는 매우 심한 기침을 할 때 나오는 1-5 밀리미터 이상 크기의 비말에 대해서는 높은 저항성을 갖지만, 마이크로미터 크기의 미세 비말은 쉽게 달라붙어 오염된다는 것으로 해석할 수 있다. KIST 연구팀은 이러한 단점을 극복하고 마스크의 감염예방 효과를 향상시키기 위해 플라즈마 기술을 적용하여 고(高)종횡비 나노구조를 가지는 마스크 외피 소재를 개발했다. KIST 조혜성 선임연구원은 “이렇게 나노구조가 형성된 마스크 표면에서는 비말의 크기가 작아도 높은 접촉각을 유지하여 1-10 마이크로미터 정도의 작은 물방울에 대해서도 높은 저항성을 갖고, 이를 통해 감염성 비말이 마스크 표면에 흡착하여 오염되는 현상을 현저히 감소시킬 수 있다”고 밝혔다. KIST 문명운 책임연구원은 “본 기술은 롤투롤 (roll-to-roll)과 같은 대량 생산 방식이 적용될 수 있다”고 밝히며, ”향후 팬데믹 상황이 다시 발생했을 때 효과적으로 비말 전파 감염병 확산에 대응하기 위한 차세대 마스크, 고글 및 의료복 등의 내오염성 기능 향상 등 의료재난 대응 기술로의 활용할 수 있다”고 기대했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 국민생활안전 긴급대응연구사업, KIST 주요사업 및 해양경찰청 과제를 통해 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보 (PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, USA) (IF :12.779, JCR(%) : 12.3 %)에 게재되었다. (논문명) Multiscale Landscaping of Droplet Wettability on Fibrous Layers of Facial Masks - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박상진 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 문명운 책임연구원, 조혜성 선임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1073/pnas.2209586119 (12월 5일 온라인 게재) [그림 설명] [그림 1] N95 등급 마스크 외피에서 나타나는 다양한 비말사이즈의 젖음성 거동 - 기존의 마스크 표면에서의 젖음성과 관련된 논문들은 모두 밀리미터 크기의 비말에 대하여 젖음성 관찰. - 본 연구에서는 밀리미터 크기부터 마이크로미터 크기까지 다양한 크기의 비말에 대하여 마스크 표면에서의 젖음성 관찰. [그림 2] 마스크 표면에서 나타나는 다양한 사이즈의 비말에 대한 젖음성 모식도 및 접촉각 측정 A) 밀리미터크기부터 마이크로크기까지 나타나는 비말의 젖음성 거동 모식도. B) 마스크 표면 및 단일 섬유에서 보이는 다양한 크기의 비말 접촉각 측정. 비말의 크기가 작아지면 섬유 표면에 의한 구조효과가 감소하여 접촉각이 작아진다. [그림 3] 고분자 섬유에서의 초발수 나노구조 형성 및 초발수 마스크 표면에서 나타나는 다양한 사이즈의 비말에 대한 접촉각 측정 A) 저진공 산소 플라즈마에 의해 고분자섬유에서 결정질과 비정질의 선택적 에칭이 일어나 나노구조가 형성됨. B) 나노구조가 형성된 고분자 섬유 C) 나노구조가 형성된 초발수 마스크 표면에서 관찰한 다양한 크기의 비말 접촉각 비말이 크기가 작아지더라도 초발수 나노구조에 의해 높은 접촉각을 유지하고 있음을 알 수 있다. [그림 4] 증발이 진행됨에 따라 변하는 마이크로 크기의 비말의 접촉각 측정 A) 기존 상용 N95 등급의 마스크 단일 섬유 표면에서 나타나는 접촉각 변화 접촉각이 급격하게 낮아지는 구간에서 오염물 흡착이 증가함. B) 초발수 나노구조가 형성된 마스크 섬유 표면에서는 증발이 진행되어도 높은 접촉각이 유지되어 오염물의 흡착이 현저하게 적음. [그림 5] 기침등에 의해서 공기중에서 퍼지는 비말에 의한 마스크 외피와의 충돌 실험 i) 공기중에서 퍼지는 비말이 상용 N95 마스크 표면에 연속적으로 충돌하였을 때 액적이 누적됨. ii) 초발수 나노구조가 형성된 마스크 섬유 표면에서는 공기중에서 퍼지는 비말이 연속적으로 충돌하여도 뛰어난 발수성질을 굳건하게 유지함을 확인하였고 표면에서의 감염원에 의한 오염을 억제할 수 있음을 확인.

- 기능성 고분자 설계를 통한 제독촉매 복합화로 다양한 기재에 제독코팅 - 차세대 보호의 및 보호장비, 화학물질 누출 오염처리에 기여할 것으로 전망 고독성 유기화합물은 무색무취의 특성을 가지며 극소량으로 대량학살이 가능하여 전 세계적으로 화학무기금지협약을 통해 사용을 금지하고 있다. 그럼에도 불구하고 최근 화학무기를 사용한 사례가 발생하여 이에 대응하기 위한 방호소재 개발의 필요성이 대두되고 있다. 현재 주로 활성탄을 사용하여 독성 화학물질을 흡착하는 보호의 및 방독면으로 화학무기에 대응하고 있으나, 2차 오염 등의 문제가 있어 독성을 원천적으로 제거할 수 있는 제독촉매의 개발이 요구되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 백경열 책임연구원 연구팀이 2019년 나노기반 제독촉매를 개발한 데 이어, 가공과 코팅이 용이한 제독용 복합소재의 개발에 성공했다고 밝혔다. 기존에 개발한 금속유기골격체(Metal-Organic Framework, MOF) 제독촉매는 제독 성능은 높지만 모래와 같이 부서지는 입자 형태로 되어 있어 군복 및 군용장비 코팅에 실용화하지 못하고 있었다. 백경열 책임연구원 연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 기능성 고분자를 설계하고 이를 제독촉매와 혼합함으로써 필름, 섬유 등의 형태로 가공할 수 있으면서도 성능을 유지할 수 있는 신개념 제독기술을 개발하였다. 연구팀은 기존에 개발하였던 나노미터 수준의 지르코늄(Zr) 기반 제독촉매의 높은 반응성을 유지하면서 가공성을 향상시키는 기능성 고분자형 지지체를 신규로 개발하여 이를 혼합한 복합소재를 제독촉매로 이용하였다. 군복 및 군용장비의 스프레이 공정에 복합소재를 적용하여 제독 코팅층을 형성하고, 실제 화학무기인 신경작용제 소만(GD)을 이용하여 제독성능을 테스트한 결과, 개발한 소재가 제독용 코팅소재로써 실증적용이 가능한 것으로 확인하였다. KIST 백경열 책임연구원은 “기존에 보고된 전기방사법이 아닌 단순 스프레이 공정을 통해서 넓은 면적까지 빠른 속도로 코팅이 가능하며 화학무기의 독성을 손쉽게 제거할 수 있다는 것이 이번 연구의 차별점”이며, “스프레이 코팅을 통하여 유사시 군복과 군용장비에 사전제독뿐만 아니라 오염된 부분의 사후제독도 가능하여 보다 효과적으로 화학무기 또는 고독성 화학물질로부터 군인 및 국민의 생명과 안전을 지킬 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다. 본 연구는 KIST 안보·재난안전기술단과의 협력으로 기관고유사업 (K-DARPA) 및 과학기술정보통신부의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 복합체 분야의 국제 학술저널인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’(IF : 10.383, JCR 상위 14.05%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Feasible Detoxification Coating Material for Chemical Warfare Agent using PMMA-BPEI Copolymer and Metal-Organic Framework Composites - (제 1저자) 한국과학기술연구원 서진영 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 [그림 설명] [그림 1] 기능성 고분자 지지체와 나노제독촉매를 활용한 코팅소재 개발 전략 및 화학무기 분해에 관한 모식도 [그림 2] KIST 연구진이 개발한 제독촉매 분말(좌)과 제독촉매를 유리에 코팅한 소재(우)