- 용액 공정 기반의 투명하고 유연한 2차원 대면적 히터 개발 - 2차원 신 나노물질 맥신(MXene) 기반의 차세대 기능성 히터로 각광 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장과 연세대학교 나노고분자연구실 박철민 교수 공동 연구팀은 각광받는 2차원 나노 신물질인 맥신(MXene)을 기반으로 한 유연하고, 대면적으로 제작이 가능한 차세대 투명 웨어러블 히터를 개발했다고 밝혔다. 전기적 히터는 공간 가열, 자동차 및 빌딩의 서리 제거, 의료 기기 등의 넓은 분야에 유용하게 이용되고 있다. 최근에는 유연 전자 소자나 헬스 케어 분야에 응용되는 기능성 히터들이 주목 받고 있어, 투명성 및 기계적 유연성이 확보된 히터들에 대한 요구가 증가하고 있다. 차세대 기능성 히터 응용을 위하여 우수한 성능 및 공정성을 모두 확보할 수 있는 신규 소재 개발이 필요한 시점이다. 차세대 히터를 개발하기 위해 기존 연구들은 금속 나노와이어, 그래핀, 산화 그래핀을 환원시키는 방식 등을 중점적으로 다루어왔다. 그러나 금속 나노와이어는 비싼 재료값, 큰 밀도 및 기계적인 유연성 부족, 제한적인 공정이 단점으로 지적 되었다. 또한, 그래핀은 대면적으로 제작하기 힘든 공정상의 문제가 단점이고, 산화 그래핀을 환원 시키는 방식은 상대적으로 낮은 전기전도도 및 공정에서 발생하는 유해물질이 문제로 지적받았다. KIST 구종민 센터장은 금속과 같은 수준의 높은 전기 전도도(106S/m)를 갖는 2차원 나노재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다.(※Science 353, Issue 6304, 2016) 이 맥신(Ti3C2) 소재는 높은 전기전도도 뿐만 아니라 표면에 많은 친수성 그룹(-OH)을 포함하고 있어 용액공정을 가능하게 할 수 있다. KIST 구종민 센터장 연구팀은 이러한 맥신을 활용하여 용액공정을 통한 히터를 개발하여 다른 후보물질들이 해결하지 못했던 문제를 해결하였다. KIST-연세대 공동연구진은 이번 연구를 통해 다양한 기판에 수십 나노 수준의 얇은 2차원 박막을 구현하였으며, 맥신의 우수한 전기적 성질을 활용하여 빠른 응답속도 및 우수한 성능을 보이는 히터를 개발했다. 또한, 고분자 기판위에 박막을 형성하여 유연하면서도 큰 면적을 갖는 히터 소자에 적용할 수 있음을 보였다. 나아가, 실용적인 히터 제작을 위해 다양한 섬유 위에 맥신 히터를 제작하여 바느질 및 직조 가능한 새로운 방식의 입는 히터 방식(웨어러블)을 제시하였다. KIST 구종민 센터장은 “우수한 광 투과도를 가지는 맥신(Ti3C2) 히터를 세계 최초로 제시하고, 실생활에 사용 가능한 고분자 섬유위에 코팅하여 차세대 웨어러블 히터를 개발하였다.”며 “향후 맥신 박막을 기반으로 한 향상된 히터를 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 용액공정을 활용한 차세대 2D 전기 소자에 적용이 가능할 수 있을 것으로 사료된다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 도약과제, 중견 연구자 사업, 미래 소재 디스커버리 사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:13.709, JCR 분야 상의 4.035%) 최신호에 게재되었다.· *(논문명) Shape-Adaptable 2D Titanium Carbide (MXene) heater - (제 1저자) KIST 물질구조제어연구센터 유승건 연구원((現)한국전기연구원 선임연구원) - (제 1저자) 연세대학교 나노고분자재료연구실 박태현 연구원 - (교신저자) KIST 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 - (교신저자) 연세대학교 나노고분자재료연구실 박철민 교수 <그림설명> (a) 용액공정을 통해 제작한 맥신 박막 개략도. (b) 전압을 인가하였을 때 발열하는 맥신 히터의 IR 카메라 사진. (a) 맥신이 고분자섬유 표면에 코팅된 고분자 섬유 히터 개략도. (b) 바느질 및 직조가 가능한 차세대 웨어러블 히터 사진 및 IR 카메라 사진.

- 기존 '철' 기반 촉매 대신 저비용/고효율로 수 처리하는 '니켈황화물' 촉매 개발 - 분해성능 9배 향상, 우수한 성능/지속성 보이는 활성화 메커니즘 세계 최초 규멍 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 하·폐수 처리를 위한 ‘구하기 쉽고 저렴한’ 니켈을 이용한 촉매를 개발, 이를 이용하여 수용성 오염물들을 보다 효율적이고 안정적으로 분해시킬 수 있는 전기화학 공정을 개발했다고 밝혔다. 산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수는 오염물을 제거한 후 방류되어야 한다. 이를 위하여 물에 포함된 염료, 항생제 등의 오염물을 환경에 무해한 물 및 이산화탄소 등으로 분해하기 위하여 강력한 분해제인 ‘ ？OH 라디칼’*을 이용하고 있다. 기존의 공정은 ‘철’ 기반의 촉매를 사용, 라디칼 전구체**를 활성화시켜 산화역할을 하는 라디칼을 형성하여 오염물을 분해했다. *라디칼(Radicals) : 물에 잘 분해되지 않는 오염물들의 산화분해에 의한 물 및 이산화탄소 생성에 적용되는 산화제 **라디칼전구체(Radical precursors): 라디칼 형성을 위한 재료 그러나 기존의 철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이라는 단점을 가지고 있다.·· 또한 현재까지 공정개선을 통한 오염물 분해 성능향상의 연구방향으로만 진행되고 있고, ‘비(非)철’계 소재를 활용한 촉매개발에 대한 연구는 드문 실정이었다. KIST 김종식 박사팀은 최근 철 이외의 금속들이 하·폐수 처리용 촉매로 사용될 수 있는 가능성에 주목하고, 각광 받는 소재들을 살펴보았다. 철과 유사한 물리,화학적 특징을 가진다고 알려진 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용하여 동일한 화학구조를 가지는 5가지의 황화물 촉매를 제작, 연구하였다. 그 결과, ‘니켈황화물’ 촉매가 라디칼 전구체 활성화 및 오염물 분해에 가장 우수한 성능 및 지속성을 제공함을 밝혀내었다. 새로 개발된 니켈황화물 촉매는 기존 철 기반 촉매들(철황화물 포함)보다 약 3배 향상된 라디칼 생산성을 제공하고, 약 9배 향상된 오염물 분해 성능을 보였다. 또한, ‘철’ 기반 촉매들의 치명적인 단점인 1회성을 극복, 여러 번 사용가능하여 큰 경제적 이점이 발생할 것으로 예상되어 향후 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다. KIST 연구진은 단순히 효율적인 오염물 처리를 위한 성능 향상에만 치중하지 않고, 니켈황화물 촉매가 우수한 성능을 보이는 이유에 주목하였다. 연구진은 형성된 라디칼이 촉매표면으로부터 떨어지는 ‘탈착’ 단계가 용이할수록 오염물이 보다 효과적으로 분해된다는 사실을 규명, 금속황화물 촉매의 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 세계 최초로 밝혀냈다. KIST 김종식 박사는 “이번 연구를 통해 물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 그에 대한 메커니즘과 효용성을 세계 최초로 검증한 획기적이며, 도전적인 연구였다.”라고 말하며. “향후 상용화를 위한 니켈황화물 촉매의 표면 개선에 대한 연구에 매진하겠다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단의 중견핵심사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 촉매분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF : 11.698, JCR 분야 상위 1.00%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Grasping Periodic Trend and Rate-Determining Step for S-Modified Metals of Metal Sulfides Deployable to Produce ？OH via H2O2 Cleavage - (제1저자 및 교신저자) KIST 물질구조제어연구센터 김종식 선임연구원 - (공저자) KIST 물질구조제어연구센터 최윤정 학생연구원(박사과정) <그림설명> 그림 1. (a) 전원 입력 하의 오염물 분해반응 개략도. (b) 사용된 금속황화물 촉매들

- 낮은 전압으로 촉매 표면 활성화, 기존 2배 이상의 분해효율 나타내 - 물과 전기만으로 오염물 제거, 반영구적인 수처리 촉매 상용화 앞당겨 최근 강화되는 수질규제와 끊임없는 수질개선 요구가 잇따르고 있어 새로운 수처리 방식의 개발이 시급한 시점이다. 최근 더 깨끗한 물을 사용하기 위해서 하수나 폐수에 존재하는 염료, 항생제 등 기존 방식으로는 분해하기 어려운 오염물들을 효율적, 지속적으로 분해하는 공정 개발에 대한 필요성이 제기되고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 분해가 어려웠던 수용성 오염물들을 효율적이고 지속적으로 분해시킬 수 있는 촉매와 그에 필요한 공정을 개발했다고 밝혔다. 기존에 상용화된 공정은 오염물들을 수질에 무해한 물 및 이산화탄소 등으로 전환하는 강력한 분해제인 라디칼*을 이용하여 오염물을 분해한다. 하지만 지속적인 오염물 분해를 위한 촉매의 수명이 1회성이어서, 라디칼을 형성하는 라디칼 전구체**를 끊임없이 공급해야 하는 치명적인 단점들을 가진다. *라디칼(Radicals) : 물에 잘 분해되지 않는 오염물들의 산화분해에 의한 물 및 이산화탄소 생성에 적용되는 산화제 **라디칼전구체(Radical precursors): 라디칼 형성을 위한 재료 KIST 연구진이 개발한 새로운 공정은 단순한 전기화학 설비로 구성되어 있으며, 추가적인 분해제의 공급이 필요하지 않다. 또한, 낮은 전압의 전원만 걸어주면 상용공정 대비 최소 2배 이상의 오염물 분해효율을 반영구적으로 제공한다. KIST에서 개발된 공정은 단순하고 저렴한 방법에 의하여 내구성 및 수명이 극대화된 라디칼 생성용 촉매 사용을 핵심으로 한다. 기존 공정에 적용된 촉매의 주요 역할은 라디칼 생산에만 국한되어 있는데, 이와는 대조적으로 KIST 연구진이 개발한 촉매는 단순히 라디칼을 생산하는 것 이외에 생성된 라디칼들을 촉매표면에 고정시킬 수 있다는 차별점을 지닌다. 또한, 낮은 전압만 걸어주면 촉매표면에 라디칼들을 반영구적으로 고정시킬 수 있음이 실험과학(KIST 김종식 박사) 및 계산과학(육군사관학교 정근홍 교수)으로 규명되었다. KIST 김종식 박사는 “이와 같은 라디칼에 의한 표면활성화 기작은 지금까지 보고된 바가 없는, 기존 수처리 촉매들의 한계를 넘어서는 창조적인 발견으로, 현재 실험·계산 융합연구 및 공정최적화 연구를 진행 중이며, 하/폐수 처리장으로 상용화될 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견핵심사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 촉매분야 최고 수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF:11.698, JCR 분야 상위 1.00%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Enhancing the Decomposition of Refractory Contaminants on SO42―Functionalized Iron Oxide to Accommodate Surface SO4？- Generated via Radical Transfer from ？OH - (제1저자 및 교신저자) KIST 물질구조제어연구센터 김종식 선임연구원 - (공저자) 육군사관학교 정근홍 부교수 <그림설명> (a) 개질된 산화철(Fe2O3/Fe3O4) 표면 도식 (b) Feδ+ 활성종에 의한 H2O2 분해 및 ？OH의 생성 (c) ？OH에 의한 표면 SO42- 기능기(Fe-SO42-)의 활성화 및 이에 기반한 (d) 표면 SO4？- 라디칼(Fe-SO4？-)로의 전환

- 유기 태양전지 내 정공수송층으로 쓰이는 전도성 고분자 대체할 신소재 물질 개발 - 안정적 성능 보장, 향후 플렉시블 태양전지 및 유기 광전자 소자에 응용 기대 KIST 연구진이 유기태양전지의 높은 효율과 동시에 높은 안정성을 갖는 태양전지를 구현할 수 있는 새로운 고분자 물질을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 유기태양전지의 핵심 구성요소인 정공수송층(Hole Transport Layer)*으로 널리 사용되는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’를 대체할 수 있는 새로운 고분자 복합소재를 개발했다. *정공수송층(Hole Transport Layer) : 유기태양전지의 정공(Electron Hole)을 전달하는 역할을 하는 층 유기태양전지는 값이 저렴하고 대면적화가 비교적 용이하며 플렉서블한 태양전지 생산이 가능한 장점을 가지고 있다. 태양전지 내의 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층의 소재로 쓰이던 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’는 유기태양전지에 널리 사용되고 있지만 강한 산성수용액으로 인한 전극 분해현상, 제한된 용매사용, 낮은 전도성으로 인해 효율저하 및 짧은 수명을 야기해 이를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있었다. KIST 백경열 박사팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 전도성을 가지는 블록공중합체와 카본소재를 복합화한 복합소재를 개발, 기존 정공수송층의 문제를 보완하면서 향상된 성능을 지닌 새로운 정공수송층 소재를 개발했다. KIST 연구진이 개발한 새로운 고분자 소재는 산성이 아닌, 중성상태에서 다양한 용매에 대한 용해도를 가지고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능하고, 기존의 산성수용액에 의한 전극의 부식 현상을 극복함으로써 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있는 안정성을 부여 할 수가 있다. 새롭게 개발된 정공수송층 소재는 용액공정 이후에 간단한 열처리 공정을 통하면 전도성고분자의 도핑 현상을 유도함으로써 기존 정공수송층 소재와 유사한 일함수(5.1 eV)를 가지면서 기존 대비 5배 향상된 전기전도도를 가지는 것으로 나타났다. 또한 열처리시 동시에 불용의 물리적 가교가 형성되어 추가적인 용액공정 시 높은 내화학성**을 가지는 장점이 있어 용액공정을 다변화와 유기태양전지의 성능 안정성과 에너지변환 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. **내화학성 : 물질이 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도 KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 새로운 정공수송층 소재는 유기 태양전지 내의 정공수송층의 문제를 보완하면서 에너지변환 효율을 높일 수 있을 것으로 전망한다”라며, “향후 유기태양전지 뿐만 아니라 다양한 유기광전자소자에도 널리 활용 가능한 소재가 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 산업통상자원부(장관 성윤모) 지원으로 소재부품기술개발사업과 KIST의 기관고유사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 국내특허(10-1681186)와 미국특허(9260572)에 등록이 되었으며, 재료과학 및 복합체 분야의 국제 학술지인 ‘Composites Science and Technology’ (IF : 5.160, JCR 상위 1.923%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Potentially self-dopable poly(3-hexylthiophene) block copolymers/carbon nanotubenanocomposites for enhanced processibility and electrical properties - (제1저자) 한국과학기술연구원 조계용 박사((현)Texas A&M University) 한국과학기술연구원 김현지 박사((현)삼성 SDI 연구소) - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 <그림설명> <그림 1> (위) 전도성고분자를 기반으로 하는 블록공중합체와 카본 소재와의 복합화를 통해 얻어진 중성의 정공수송층 소재 모식도와 열처리 이후 도핑효과를 통해 얻어진 기존 정공수송층(PEDOT:PSS) 대비 유사한 일함수값과 5배 높아진 전기전도도. (아래) 개발 소재의 중성적 특성으로 인하여 다양한 유기용매에 대한 용해도를 갖고 있으나 용액공정 이후 열처리로 인한 불용의 물리적 가교가 형성됨으로써 다양한 용액공정의 적용이 가능.

- KIST, 간단한 구조제어로 최고 수준의 제독성능을 갖는 대용량 촉매 합성법 개발 - 향후 실증화로 차세대 보호복/방독면 및 산업폐기물 처리에 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 원재료의 농도 및 산도(pH) 조절과 같은 간단한 방법을 통해 높은 효율을 보이는 나노미터 수준의 균일한 입자크기의 지르코늄(Zr) 기반의 제독 촉매를 대량으로 합성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 활성탄 기반의 제독제는 독성 화학물질을 흡착만 한다. 그렇기 때문에, 이 흡착된 독성 물질을 제거하는 재처리 과정에서 2차 오염 문제가 발생했다. 또한 기존의 제독촉매 소재는 복잡한 유기물을 합성하는 과정이 필요해 대량생산이 어려운 한계를 갖고 있었다. KIST 연구진은 기존 제독방법인 흡착의 한계를 넘은 직접 독성제거가 가능한 촉매 소재를 개발했다. 연구진은 금속유기물 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 중 가격이 저렴하고 제조방법이 간단한 ‘UiO-66’ 이라는 소재를 기반으로 약 100㎚ 입자크기의 MOF 합성에 성공했다. 새로 개발된 촉매는 기존 촉매의 1/6수준의 부피를 가지고 있어, 부피 대비 표면적이 높아 기존 소재보다 100배 이상 높은 반응효율을 기록하여 세계 최고 수준의 제독 성능을 보였다. 또한, KIST 연구진은 양자화학계산을 통해 기존의 촉매소재가 일회성 사용에 그쳤던 원인을 밝혀냈다. 이는 향후 지속 사용가능한 촉매 시스템을 개발하고, 실제 코팅소재 및 방독면 등에 응용할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대된다. KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 촉매소재는 화학무기의 독성을 근본적으로 제거하는 방법이다”라며, “기존의 제독제와 함께 사용하면 화학무기 또는 고위험성 화학물질로부터 보다 능동적으로 국민의 생명과 안전을 지킬 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 국가과학기술연구회(NST) 민군융합기술 연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF : 11.698, JCR 상위 1.000%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Facile control of defect site density and particle size of UiO-66 for enhanced hydrolysis rates: insights into feasibility of Zr(IV)-based metal-organic framework (MOF) catalysts - (제1저자) 한국과학기술연구원 조계용 박사((현)Texas A&M University) 한국과학기술연구원 서진영 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 <그림설명> (a) 가격 경쟁력을 가지면서, 쉽고 간단한 방법으로 촉매활성을 극대화시킨 MOF 나노-촉매소재의 고용량 제조방법 개발을 통하여 본 소재의 실증화 가능성 규명 (b) 양자화학계산법을 기반으로 반응 에너지의 계산을 통하여 촉매 반응 메커니즘 규명 및 해석 (c) 기존과 달리 고성능의 촉매성능을 지속할 수 있는 제독 시스템 개발과 실증화된 코팅소재, 보호의 또는 방독면 등으로의 응용개발에 있어서 새로운가능성을 이론적으로 제시

- KIST-고려대 공동연구진, 세계 최고 수준의 고성능 중저온 세라믹 연료전지 개발 - 중저온 연료전지 전해질의 박막화 성공, 저항 줄여 획기적인 성능 향상 - 연료전지 연구의 혁신적 성능 개선 기반 마련, 새로운 패러다임 제시 기존 연료전지는 작동온도에 따라 크게 저온형(200°C 이하)과 고온형(600°C 이상)으로 구분되어 왔다. 저온형 연료전지는 값비싼 백금 촉매를 사용해야하는 반면, 고온형 연료전지는 저렴한 세라믹 물질로 제작이 가능하지만, 높은 작동 온도로 인해 열화에 의한 성능 저하가 문제시 되고 있다. 연료전지 작동에 있어 300~600°C의 중저온 온도 구간은 제조 단가 및 효율, 신뢰성 측면에서 모두 유리하다고 알려져 있다. 그러나, 기존의 연료전지들은 해당 온도 구간에서 낮은 이온전도도를 가져 높은 성능을 가진 연료전지 제작에 어려움이 있었다, 최근 국내 연구진이 중저온 세라믹 연료전지의 성능을 획기적으로 개선하여 관련분야 전 세계 연구진의 이목을 끌고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀은 고려대학교(총장 염재호) 심준형 교수팀과의 공동연구를 통해 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(protonic ceramic fuel cell, PCFC)의 성능을 극대화하는 방안에 대한 연구를 진행하였고, 전해질의 박막화를 효과적이고, 안정적으로 이끌어낼 수 있는 제조방법을 개발하여 중저온 연료전지의 성능을 획기적으로 향상시키는데 성공했다. KIST-고려대 공동연구진은 기존의 중저온 연료전지들의 한계점들을 극복하고자 프로톤 세라믹 연료전지(protonic ceramic fuel cell, PCFC)를 연구에 도입했다. 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)는 산소 대신 가장 가벼운 이온인 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지이다. 프로톤 세라믹은 중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보여 차세대 연료전지 재료로 주목받고 있었으나 박막으로 제작하기 어렵고 다른 세라믹 물질과의 결합력이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 문헌상에 보고되는 실제 성능들은 기존 연료전지에 비해 현저하게 낮은 수준으로, 실용화 가능성 측면에서 회의적인 평가가 지배적이었다. KIST-고려대 공동연구진은 전해질 박막화를 안정적으로 제작할 수 있는 멀티스케일 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC) 구조체를 개발하여, 기존 프로톤 세라믹 연료전지 대비 2배 이상 높은 성능을 보고하였다. 해당 연구에서 개발된 박막 전해질은 프로톤 세라믹의 가장 큰 문제였던 높은 결정립계(grain boundary) 저항을 획기적으로 줄임으로써 성능을 극대화할 수 있었다. 상대적으로 전해질의 저항이 큰 영향을 끼치는 세라믹 연료전지의 경우, 전해질의 두께 증가가 연료전지 전체 성능저하로 이어질 수 있는데, 연구진이 개발한 연료극 지지형 박막 PCFC는 멀티스케일(multi-scale) 구조를 기반으로 하고 있으며, 전해질을 나노미터 수준의 작은 입자들 위에서 성장시킬 수 있어 1μm(마이크로미터, 십 만분의 1cm) 수준까지 전해질 두께를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 이렇게 머리카락보다 얇은 전해질이 연료전지 전체저항을 획기적으로 줄이기 때문에, 기존 동종물질 기반 PCFC들에 비해 두 배 이상의 높은 출력성능을 나타냈다고 설명했다. 본 연구를 주도한 KIST 손지원 박사(센터장)는 “중저온 연료전지 개발은 향후 연료전지가 에너지·시스템 분야 전반에서 성공적으로 자리매김하기 위한 필수적 요소이며, 고성능 PCFC를 개발한 이번 연구결과는 기존 연료전지 연구에 새로운 패러다임을 제시하는 매우 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 글로벌프론티어 멀티스케일에너지 시스템 연구사업 및 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원(원장 임춘택)의 연구과제로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 기술 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF : 21.875, JCR 분야상위 : 1.712%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) High-Performance Protonic Ceramic Fuel Cells with 1 μm thick Y:Ba(Ce,Zr)O3 Electrolytes - (제1저자) 고려대학교 배기호 연구교수 (前 한국과학기술연구원 학생연구원 및 방문연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 손지원 책임연구원 고려대학교 심준형 교수 <그림설명> <그림 1> (좌) 멀티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도 / (우) 전자현미경 이미지 <그림 2> 이번 연구결과와 문헌상에 앞서 보고된 PCFC 최고출력밀도와의 온도별 비교

- 형광 방출물질로 나타나는 AI 바이러스 패턴 분석하여 판별하는 신기술 개발 - 특수 장비(PCR) 없이 신속한 AI 감염 여부 및 아형 판별 가능, 확산 방지 기대 최근 국내·외에 큰 피해를 일으킨 조류인플루엔자(AI, Avian Influenza) 바이러스는 매년 주기적으로 반복·발생하고 있으며, 국가적인 막대한 손실을 가져다주고 있다. AI 바이러스는 갈수록 그 규모가 커지고 있으며 특성상 변종을 쉽게 일으키는데, 작년에는 2개 이상의 바이러스 유형이 동시 발생하는 등 대규모 피해 사례가 증가하고 있다. 국내에서는 조류인플루엔자의 확산을 통제하기 위해 대량 살처분의 방식을 취하고 있는데, 추가적인 확산 및 피해를 줄이기 위해 조기에 대량의 샘플로부터 바이러스를 검출하고 판별할 수 있는 진단기술이 매우 중요하다. 최근 국내 연구진이 AI 바이러스에 감염된 세포에서 형광을 방출하는 물질을 기반으로 감염 여부 및 아형(subtype)*까지 판별 가능한 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. *아형(subtype) : 아류형(亞類型), 일반형에 포함되어 있는 특수형 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 분자인식연구센터 이준석 박사팀은 건국대학교 수의학과 송창선 교수팀과의 공동연구를 통해 초과산화물(superoxide)**에 감응하는 형광염료를 활용하여 AI 바이러스에 감염된 세포주(cell line, 세포의 집합)에 처리한 뒤, 나타나는 형광 패턴 분석을 통해 바이러스의 감염 여부 및 아형을 구별하는 진단 방법을 개발하였다. **초과산화물(superoxide) : 생체 내에서 산화환원효소에 의한 반응결과로 생산되며, 반응성이 아주 높고 많은 화합물을 산화한다. 세포가 바이러스 감염시 활성산소가 발생하는데, 초과산화물의 모태가 된다. 기존의 현장진단키트로 사용되고 있는 방법은 종란접종법과 유전자 검사법으로 결과를 얻기 위해 짧게는 3~4일, 길게는 약 7일정도의 시간이 소요된다. 또한 종란을 배양하기 위한 추가시설이 필요하며, 면역측정 또는 중합효소연쇄반응(PCR) 같은 기법을 활용하기 때문에 분석을 위한 추가적인 장비와 소요시간이 필요하다는 단점이 있었다. KIST 이준석 박사팀은 이러한 기존의 한계점들을 극복하기 위해 각종 세포가 바이러스에 감염되는 민감도(sensitivity)가 다르다는 점과 감염 시 활성산소가 발생하는 점에 착안했다. 연구진은 활성산소군의 모태가 되는 초과산화물에 형광 탐침(probe, 특이적으로 검출하는 물질)을 AI 바이러스 검출에 적용하였다. 연구진은 사전에 23종의 포유동물 세포주(cell line)에 3종의 AI 바이러스의 감염 정도를 수치화시키고, 이를 기반으로 바이러스 감염에 따른 형광 세기의 변화를 계산하였다. 그 결과 3종의 AI 바이러스의 아형(subtype)을 완벽히 구별하는데 성공했다. KIST 이준석 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 조류인플루엔자(AI) 바이러스의 지문 기술을 이용하여 경제성이 높은 1차 진단기술을 보급하고, 이를 통해 AI 바이러스의 신속한 확산 방지 및 금전적 손실 최소화에 기여할 것으로 기대한다.“고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST-ORP(Open Research Program)사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업 및 한국연구재단 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Angewantde chemie international edition’ (IF: 12.102, JCR 분야 상위 7.90 %) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Discrimination of Avian Influenza Virus using Host-cell Infection Fingerprinting by Sulfinate-based Fluorescence Superoxide Probe - (제1저자) 한국과학기술연구원 홍성철 학생연구원(박사과정) 한국과학기술연구원 장세영 학생연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이준석 선임연구원 (https://leegroup.chembiol.re.kr) <그림설명> <그림 1> 형광 프로브를 활용한 조류독감 바이러스 검출 원리 및 분석 프로세스 모식도

- KIST-포스텍 공동연구진, 고속 대량 양자계산으로 태양전지용 新산화물 소재 제시 - 향후, 고효율과 안정성을 모두 갖춘 산화물 기반 차세대 태양전지 상용화 기대 산화물 재료는 고온 또는 고습도 조건에서도 재료 변형이 잘 일어나지 않는 성질을 지니고 있다. 태양전지는 고온 또는 고습도 조건에 쉽게 노출되므로 안정성이 뛰어난 산화물 재료를 사용함이 바람직하다. 하지만 산화물에 기반한 태양전지는 낮은 출력으로 효율이 매우 낮아 활용가치가 없다고 여겨져 왔다. 최근 국내 연구진이 이러한 고정관념을 깨고, 안정성이 높은 산화물 기반 태양전지의 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 방안을 찾아내고, 그 결과로 태양전지용 신(新) 산화물 재료들을 다수 제시하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 포스텍 장현명 교수팀과의 공동연구를 통해, 비스무스-철-크롬계 산화물 재료(Bi2FeCrO6)가 이중 페로브스카이트* 결정구조를 가질 때 전자(electron)의 수명이 연장되는 현상을 규명하였고, 그 결과 태양전지의 전력 생성량이 크게 증가될 수 있음을 밝혀내었다. *이중 페로브스카이트 (Double perovskite): 재료의 결정구조 중 하나로, A2B’B”O6 (B’, B”은 서로 다른 양이온)의 화학 양론을 가지고 있는 구조. KIST-포스텍 공동 연구진은 전자의 거동을 살펴볼 수 있는 계산법(범밀도함수론**)을 활용하여, 이중 페로브스카이트 구조의 산화물 물질 내에서 전자-정공 분리(electron-hole separation)*** 현상이 일어남을 발견하였다. 이와 같이 전자와 정공이 공간적으로 분리되면 전자의 수명이 매우 늘어나는데, 그 결과 기존의 단일 페로브스카이트 산화물 재료를 태양전지에 사용했을 때보다 약 1,000배 이상 높은 전류값을 출력할 수 있음을 증명하였다. **범밀도함수론(Density functional theory) : 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나임. ***전자-정공 분리(Electron-hole separation) : 반도체 물질이 빛을 받았을 때 생성되는 전자-정공 짝이 공간적으로 분리되는 현상임. 이 현상의 결과로 들뜬 상태의 전자의 수명이 매우 늘어남. 더 나아가 연구진은 양자계산을 활용한 고속대량 스크리닝 기술로 약 1,000여개의 이중 페로브스카이트 산화물 재료물성의 데이터베이스를 구축하였고, 그 결과 태양전지의 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있는 새로운 산화물 재료 5가지(Bi2TiVO6, Bi2VCuO6, Bi2CoCrO6, Bi2MnCoO6, Bi2FeVO6)를 엄선하여 제시했다. 본 연구결과는 재료물성의 빅데이터를 수집 및 활용하여 태양전지용 신소재 개발을 가속화시켰다는 점에서도 그 의미가 매우 크고, 산화물 재료가 태양전지의 유망재료로 활용될 가능성을 다시금 제고하여, 해당 연구 분야의 부흥을 이끌 뿐만 아니라 더 나아가 차세대 태양전지로서의 상용화로 이어지길 기대하고 있다. KIST 김동훈 박사는 “본 연구로 새롭게 제시된 산화물 소재들은 기존의 실리콘 소재와는 달리 밴드갭****을 넘어서는 큰 전압출력이 가능한 장점이 있어, 태양전지 효율의 이론적 한계치(Shockley-Quisser limit)를 넘어서는 것도 가능하다. 과학적 그리고 기술적 측면에서 모두 흥미로운 연구결과이다.”고 말하며, “앞으로 고효율과 안정성을 모두 잡은 산화물 태양전지가 시장에 등장하길 기대한다.”고 포부를 밝혔다. ****밴드갭(Bandgap) : 반도체 재료가 흡수할 수 있는 빛 에너지의 최소값. 일반적으로 태양전지의 출력전압은 광활성층 소재의 밴드갭 크기를 넘어서지 않음. 이번 연구는 KIST 김동훈 박사, 포스텍 장현명 교수의 공동지도하에 김동훈 박사과정 (스위스 취리히 연방공대)학생이 제1저자로 참여하였다. 본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 국립연구재단(NRF)의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Sciences, U.S.A.) (IF: 10.4, JCR 상위 5.469%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Electron-Hole Separations in Ferroelectric Oxides for Efficient Photovoltaic Responses - (제1저자) 김동훈 연구원(취리히 연방공대 박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김동훈 박사, 포스텍 장현명 교수 <그림설명> <그림 1> 비스무스-철-크롬계 산화물 재료 (Bi2FeCrO6)가 이중 페로브스카이트 결정구조를 가질 때 전자-정공 분리 (Electron-hole separation) 현상이 일어남을 발견함. 이와 같이 전자와 정공이 공간적으로 분리되면 전자의 수명이 매우 늘어나, 태양전지의 출력 전류값이 기존 대비 약 1,000배 이상 증가할 수 있음을 증명함. <그림 2> 고속 대량 양자계산을 활용하여 산화물 재료물성 데이터베이스(약 1,000여개)를 구축하였고, 그 결과로 태양전지의 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있는 신新 산화물 재료 5가지 (Bi2TiVO6, Bi2VCuO6, Bi2CoCrO6, Bi2MnCoO6, Bi2FeVO6)를 엄선하여 제시함.

- 미세먼지 생성원인인 질소산화물을 물과 질소로 고효율·지속적으로 바꾸는 촉매 개발 - 기존 대비 저비용 생산·독성 억제 효과 상승, 저온에서 향상된 성능？안정성 구현 최근 디젤을 연료로 사용하는 발전소 및 주요 운송수단들(자동차, 선박)에서 배출되는 질소산화물*(nitrogen oxide, NOX)에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있는데, 이는 질소산화물이 미세먼지를 생성시키는 주요 원인물질 중 하나이기 때문이다. 미세먼지를 줄이기 위한 방법은 질소산화물을 환원제인 암모니아와 촉매 상에서 반응시켜 환경 친화적인 물 및 질소 등으로 전환시키는 화학적 처리방법이 가장 친환경적이고 효율적이다. *질소산화물 : 연소과정에서 발생하는 질소와 산소의 화합물, 공해문제는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2)이다. 일반적으로 발전소 및 자동차 등에 적용되는 상용촉매의 경우, 300°C 이상의 고온에서는 질소산화물을 물로 바꾸는데 아주 높은 전환율을 나타낸다. 하지만 이 경우 사용온도가 300°C 이상의 고온 환경을 만들어야하는 등 막대한 비용이 든다. 또한 촉매가 고온에 노출될 때, 독성의 촉매성분이 증발되어 대기 중에 방출되는 문제점이 있어 일본을 비롯한 여러 국가에서는 고온에서 독성을 지닌 바나듐 등을 포함한 촉매의 사용을 제한하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 하헌필, 김종식 박사팀은 기존 상용촉매의 단점을 극복한 촉매를 개발했다. 개발된 탈질촉매는 대기 중에 독성 방출을 억제하고, 300°C 이하의 상대적 저온 영역에서도 높은 효율을 유지한다. 이 촉매는 높은 안정성을 보이며, 저가로 제조 가능하여 대량 생산이 가능하다. KIST 하헌필, 김종식 박사팀이 개발한 촉매는 기존에 보고되지 않은 ‘구리바나듐 복합산화물’(Cu3V2O8)을 주촉매성분으로 사용하되, 촉매구조 개량을 통하여 독성의 촉매성분 증발이 억제되고, 자동차·선박 기준으로 상대적으로 저온인 230°C 에서도 상용촉매 대비 10~15% 향상된 질소산화물 전환율을 보이며, 배연가스에 포함되어 있는 이산화황이 존재하는 상황에서 촉매의 내구(안정)성이 약 4배 향상되었다. 특히, 연구진은 활성물질을 안정화시키는 재료설계 기법을 사용하여, 고온에서 대기 중으로 활성물질이 증발될 수 있는 가능성을 획기적으로 줄인 친환경 촉매를 개발했다고 밝혔다. KIST 김종식 박사는 “이번 연구를 통해 촉매구조 개량을 통하여 저비용으로 대량생산이 가능한 촉매를 개발했다. 독성의 촉매성분 승화가 억제되었고, 상대적으로 저온인 250 °C 이하에서 기존의 상용촉매 대비 향상된 성능과 효율을 보이며, 촉매의 내구(안정)성 또한 향상되는 장점들이 있다.”고 밝혔다. 연구책임자인 하헌필 박사(본부장)는 “본 연구에서 개발된 촉매를 발전소·자동차 등에 실제 장착 및 상용화를 위해 노력할 것이며, 현재 촉매 성능의 향상을 위한 촉매성분 최적화 연구를 진행 중이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 미래소재 디스커버리사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고수준의 과학전문지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Exploration of surface properties of Sb-promoted copper vanadate catalysts for selective catalytic reduction of NOX by NH3 - (제1저자) 한국과학기술연구원 김종식 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 하헌필 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 개발된 촉매 관련 key idea의 illustration: (a) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 화학반응식 도식, (b and c) 선택적 질소산화물 환원반응 관련 촉매점들 위에서 NOX와 NH3의 변환과정 도식, (d) 주촉매점으로 적용 가능한 구리바나듐산염들 도식 (Cu1: Cu1V2O6; Cu2: Cu2V2O7; Cu3: Cu3V2O8; Cu5: Cu5V2O10), (e) 안티모니게 조촉매점 및 비바람직한 반응부산물 ((NH4)2SO4, (NH4)HSO4, H2SO4)의 형성 관련 화학반응식 도식

- 나노 구조 박막 고체전해질의 전기전도도 향상 매커니즘 원리 규명 - 내부응력 조절을 통한 새로운 설계방안 확립 및 고성능 연료전지 개발 기대 연료전지에 들어가는 전해질 중 고체전해질은 높은 선택적 이온 전도 특성과 기계·전기화학적 안정성 때문에 친환경 에너지 전환 및 저장시스템으로 각광받고 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등 다양한 차세대 에너지 분야에 사용되고 있다. 그러나 이러한 친환경 에너지시스템에 필수적으로 사용되고 있는 박막형 고체전해질에서 나노구조재료의 실효성에 대한 검증문제로 실용화에 어려움을 겪고 있었다. 최근 국내연구진이 그간 논란이 되어온 전기전도도 향상 메커니즘을 최초로 규명하고, 이를 기반으로 고체전해질의 물성을 향상시킬 수 있는 원자스케일의 새로운 설계 방안 및 기법을 제시했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 이종호 박사팀은 박막형 고체 산화물 전해질의 내부응력을 조절하여 기존 재료보다 높은 전기전도도를 가지는 고체전해질을 개발하였다. 그동안 재료의 나노구조화를 통한 물성 향상 현상에 대한 결과는 많이 보고되었지만, 실험적으로 제어하기 어려운 변수들과 재현성이 없는 실험 결과로 인해 고성능의 나노구조재료를 실제 에너지 시스템에 적용하는데 한계가 있었고, 고성능이 발현되는 정확한 메커니즘 조차 규명하는데 어려움이 있었다. KIST 연구진은 전도성 기판을 이용하여 전기전도도 측정 시 실험적 오차를 발생시키는 요인들을 효과적으로 제거할 수 있는 실험기법을 설계하고, 나노구조에서 발생하는 내부 응력을 정량적으로 평가할 수 있는 고분해능의 분석장비를 도입하여 나노구조 고체전해질의 이온전도도를 박막의 내부응력 제어를 통해 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 설계 기법을 제시하였다. KIST 이종호 박사팀은 연료전지나 배터리의 내부에 들어가는 고체전해질을 박막으로 성장시켰을 때 발생하는 응력을 이용하면, 재료의 원자간 거리를 제어할 수 있고 이를 통해 고체전해질 내에서 이온이 이동할 때 필요한 에너지장벽을 낮춰 기존 고체전해질 고유의 물성 보다 약 10배 이상 높은 전기전도도를 보여 고성능의 박막 고체전해질을 개발할 수 있다고 밝혔다. 본 연구를 주도한 KIST 이종호 박사는 “이번 고성능 박막 고체전해질 개발을 통해 원자스케일에서 재료의 물성을 설계하는 새로운 패러다임을 제시한 연구로, 고성능의 박막 고체전해질을 실제 친환경 에너지 시스템에 적용하고, 기존보다 획기적으로 향상된 성능의 연료전지를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노기술 분야의 저명 학술지 ‘나노레터’ (Nano Letters, (IF : 12.712, JCR 상위 3.45%)) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Identification of an Actual Strain-Induced Effect on Fast Ion Conduction in a Thin-Film Electrolyte - (제1저자) 한국과학기술연구원 안준성 학생연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이종호 책임연구원 <그림설명> <그림 1> (좌측)박막 고체전해질의 내부응력에 의한 산소이온전도도 향상 메커니즘 모식도 (우측)실제 박막 내 작용하는 응력과 산소이온전도 에너지장벽 간 상관관계 실험결과