◇ AI로 다공성 소재 물성 예측하는 기술 개발

한국과학기술원(KAIST)은 김지한 생명화학공학과 교수 연구팀이 세계 최초로 멀티모달 트랜스포머를 적용한 AI를 통해 다공성 소재의 다양한 물성을 예측하는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 멀티모달 트랜스포머는 서로 다른 형태의 정보를 효율적으로 결합하도록 설계된 신경망 모델로 챗GPT와 같은 생성형 AI에 쓰였다.

다공성 소재는 넓은 공극과 표면 면적을 지니고 있어, 가스 흡착, 분리, 촉매 등 다양한 에너지 및 환경 분야에서 적용된다. 다공성 소재의 한 종류인 금속 유기 골격체(MOF)는 표면 면적이 무한대에 가까워 이로부터 최적의 물질을 추출하고 그 특성을 연구하는 데 AI를 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존 AI성능으로 이를 분석하기는 어려웠다.

이에 김 교수 연구팀은 멀티모달 트랜스포머를 고도화해 다공성 소재의 모든 성능을 예측할 수 있는 인공 신경망을 개발했다. 연구팀이 개발한 AI는 원자 단위 정보를 그래프로, 결정성(물질 입자가 규칙적으로 배열된 상태) 단위 정보를 3차원(3D) 그림으로 바꿔 스스로 학습하는 식으로 작동한다. 덕분에 다양한 물성을 한꺼번에 갖고 있는 금속 유기 골격체를 높은 정확도로 분석할 수 있게 됐다.

◇ UNIST 연구팀, 리튬이온배터리 상태 진단 모델 개발

UNIST 에너지화학공학과 김동혁, 최윤석 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수팀이 ‘리튬이온배터리 건강 상태 진단 모델’에 관한 연구를 진행했다.

연구진은 인공지능 분야의 딥러닝 모델을 기반으로 ‘리튬이온 배터리 평가를 위한 딥러닝 기반 그래픽 접근법’(Deep-learning-based Graphical approach to Estimation of Lithium-ion batteries SOH, D-GELS) 모델을 개발했다.

D-GELS 모델은 전압, 전류, 온도 데이터를 RGB 값으로 변환해 이미지를 생성한다. 이번 모델은 LFP(리튬·인산·철) 배터리, NCA(니켈·코발트·알루미늄) 배터리, NMC(니켈·코발트) 배터리 등에 적용 가능하다는 특징을 보인다.

D-GELS에서 예측한 배터리 건강 상태 값의 정확도를 보여주는 지표로써 평균 제곱근 오차(Root meansquare error, RMSE)값을 활용했다. 값은 0.0088로 확인됐다.

◇ 급속 냉간 시동운전 가능한 연료전지 개발

금오공과대는 5일 기계시스템공학과 신성수 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터의 김형철 박사 연구팀과 연구를 통해 급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 이동형 전원용 '고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템'을 개발했다고 밝혔다.

700도 이상 고온에서 작동하는 '고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)'는 연료전지 중 가장 높은 효율을 가지며, 값비싼 촉매를 사용하지 않아도 된다.

그러나 SOFC는 높은 작동온도와 복잡한 밀봉 시스템이 필요하기 때문에 그동안 '고정형 및 건물형' 발전 시스템으로만 이용돼 왔다.

연구팀은 적외선 할로겐 램프를 열원으로 급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 '고성능 LT-SOFC 시스템'과 운모 밀봉재 및 디스크 스프링의 집적 스택 기술을 이용해 독립적으로 전력을 생산할 수 있는 '체결형 압축 패키징 기술'을 개발하고 고성능 박막 기반 LT-SOFC에 적용했다.

◇ 빛 속도로 데이터 처리할 수 있는 기술 개발

포스텍은 4일 물리학과 박경덕 교수와 러시아 ITMO 바실리 크럅초프 교수 연구팀이 이중접합반도체에 존재하는 층내 엑시톤과 층간 엑시톤을 활용해 기존 트랜지스터의 한계를 극복한 '나노 엑시톤 트랜지스터' 개발에 성공했다고 밝혔다.

빛을 이용한 '나노 엑시톤 트랜지스터'는 방대한 양의 정보를 빛의 속도로 처리하면서도 열에너지 손실을 줄일 수 있다.

엑스톤은 반도체 물질이 빛을 내게 하는 물질로 전기적으로 중성인 상태에서 빛과 물질 간의 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 발광소자나 양자 정보통신 광원의 핵심이다.

◇ 그린수소 시장 우위 선점할 세계 최고 수전해 분리막 개발

한국에너지기술연구원은 수소연구단 조현석 박사 연구팀이 알카라인 수전해 장치의 수소 생산밀도를 혁신적으로 향상시킬 수 있는 분리막을 개발했다고 4일 밝혔다.

해외 상용제품보다 수소 생산밀도를 3배 이상 향상시키면서 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발 위험은 현저히 억제하는 기술이다.

알카라인 용액의 물을 전기분해해 수소를 생산하는 알카라인 수전해 기술은 저가의 전극과 분리막 소재를 사용하고 기술적 성숙도와 내구성이 높아 대용량의 그린수소를 생산하기에 적합하지만, 상용 분리막의 친수성 세라믹 입자 분포가 균일하지 않고 미세구조가 치밀하지 않을 뿐만 아니라 수소와 산소의 혼합을 쉽게 억제할 수 없는 단점이 있다. 

연구팀은 40㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1ｍ) 크기의 미세 기공이 치밀한 다공성 구조를 구현하고, 기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 조밀하고 균일하게 분포하게 해 문제를 해결했다.

◇ "독성 위험 경화과정 없앤 인공장기용 바이오잉크 개발"

한국과학기술연구원은 송수창 생체재료연구단 책임연구원 연구팀이 온도조절만으로 구조를 안정적으로 유도하고, 조직 재생을 유도한 후 일정 시간이 지나면 생분해되는 바이오 잉크를 개발했다고 2일 밝혔다.

바이오 잉크는 세포와 생체재료를 사용해 3차원(3D) 인공조직 구조를 구현하기 위한 재료로 3D 바이오 프린팅 기술에 활용된다.

바이오 잉크를 출력해 3D 지지체를 만들고 여기에 배양 세포를 넣어 인공 조직을 만드는데, 지지체를 단단하게 만들기 위해 화학적 가교제를 넣고 자외선을 가하는 '광경화' 과정이 세포 독성을 일으킬 수 있는 문제가 있었다.

연구팀은 저온에선 액상 형태로 존재하면서 체온에선 단단한 젤로 변화하는 온도 감응성 폴리포스파젠 하이드로젤을 이용해 광경화 과정을 없앤 잉크를 개발했다.

◇ 100% 실리콘 전극 사용한 전고체전지 최초 개발

임종우 서울대 화학부 교수 연구팀은 이 같은 연구결과를 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 에너지 레터스’에 지난달 27일 발표했다고 3일 밝혔다. 

전고체전지는 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 전해질을 액체가 아닌, 화재나 폭발 위험성이 낮은 고체로 대체한 것이다. 기존의 흑연 음극을 대신해 고용량의 실리콘 또는 리튬 금속 음극을 그대로 사용할 수 있다. 

연구팀은 실리콘 분말 전극이 아닌 반도체에서 사용하는 실리콘 웨이퍼를 전고체전지 전극으로 만들었다. 제 1저자로 연구에 참여한 나익천 박사과정생은 “여태까지 실현 불가능하다고 여겨진 100% 실리콘만을 포함하는 전극을 전고체전지에서 실현한 최초의 연구”라며 “실리콘 웨이퍼로 전극로 만든 전고체전지로 안정적 구동에 성공했다”고 밝혔다.

◇ 한 장의 렌즈로 자동초점·줌 가능 기술 개발…세계 최초

한국기술교육대학교(이하 한기대)는 에너지신소재화학공학부 응용화학전공 배진우 교수 연구팀이 PVC 고분자 젤 기반의 다방향 초점 조절이 가능한 적응형 렌즈를 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다. 이 기술은 전압 변화로 렌즈의 형태를 자유롭게 변형할 수 있는 기술이다.

기존 고체렌즈는 형태를 바꿀 수 없어 초점이나 화각 변화 시 필요한 렌즈를 교체해 사용해야 한다. 

연구팀은 4개의 독립된 전극을 이용해 렌즈의 형상을 자유롭게 바꿀 수 있게 했다. 전극에서 발생하는 전기장이 스마트 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC) 젤의 형태를 변형시켜 초점 조절이 가능하다. 범위 확장은 물론 수직, 수평, 대각선 방향으로도 초점을 조절할 수 있다.

◇ 3D 프린팅 기술, 생체실험 없이 당뇨 연구하는 시대 열었다

생체실험 없이도 대규모 당뇨병 연구가 가능한 생체모사칩을 국내 연구진이 개발했다.

원재연 은평성모병원 안과 교수와 조동우 포항공대 기계공학과 교수 공동연구팀은 3D 바이오 프린팅을 활용해 제2형 당뇨병과 당뇨병성 망막병증을 모사한 인공 생체칩을 전 세계 최초로 학계에 보고했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 제2형 당뇨병 발생에 있어 중요한 장기로 꼽히는 췌장·간·지방 조직·혈관을 1개의 칩 위에 유기적으로 배열해 제2형 당뇨병 모사칩을 개발했다. 고분자 화합물 프레임에 △인슐린 분비 환경을 구현하기 위한 췌장 베타세포 △지방조직 구현을 위한 지방세포와 대식세포 △간을 조성하는 간세포(HepG2)를 정교하게 프린팅한 다음 인체와 유사한 환경을 구현하기 위해 각 장기 세포층에 혈관내피세포 및 생체적합 플라스틱 소재를 추가하고 관류 가능한 형태로 만들었다. 이렇게 만들어진 칩은 실제 제2형 당뇨병 환자들에게 나타나는 여러 질병 특성은 물론, 현재 임상에서 사용되는 당뇨병 치료제의 효과를 그대로 재현할 수 있다.

◇ 유기용매 정제용 친환경 초고성능 나노여과막 개발

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 2차원 다공성 탄소 기반 유기용매 정제용 초고성능 나노여과막을 개발했다고 3일 밝혔다.

기존 유기용매 분리 공정은 혼합물을 이루는 물질 간 끓는점 차이를 이용해 분리하는 증류법이 사용돼 막대한 에너지가 소모되는 단점이 있었다.

연구팀은 2나노미터(nm) 이하의 작은 마이크로 기공을 갖는 결정성 알루미노실리케이트 물질인 제올라이트를 주형으로 활용해 분리막에 사용할 2차원 마이크로 다공성 탄소 물질을 합성했다. 

2차원적 기공 연결구조를 지니는 제올라이트 내부에 탄소를 채워 넣은 뒤 제올라이트만을 선택적으로 녹여내 판 형태의 2차원 탄소 물질을 합성하는 데 성공했다. 

◇ 반도체·디스플레이·차세대전지 초격차 기술 확보에 160조 투입

정부가 반도체·디스플레이·차세대전지 등 우리나라 3대 주력 기술 분야에서 이른바 '초격차'를 확보하기 위한 미래 핵심기술 100개를 선정하고 중점 확보에 나선다.

2027년까지 5년간 민간에서 156조원, 정부 4조5천억원 규모 연구개발(R&D) 자금을 투입하고, 민관 연구 협의체를 출범시켜 기술 확보를 지원한다는 목표다.

과학기술정보통신부는 6일 오전 비상경제장관회의에서 이런 내용의 '3대 주력기술 초격차 R&D전략'을 관계부처 합동으로 발표했다고 밝혔다. 이번 전략은 지난 2월 정부가 발표한 '신성장 4.0 전략'의 세부 계획으로 마련됐다.

이들 3개 분야는 경제 버팀목이자 시장이 크게 성장할 것으로 전망되는 기술군으로 민관 협업 기반 선제적 R&D 투자가 시급한 상황이라고 과기정통부는 설명했다.

◇ 연료전지·전기차 제조기술 '국가핵심기술' 추가지정

산업통상자원부는 국가핵심기술에 수소분야를 신설하고 연료전지 2개 기술을 신규 지정하는 한편, 자동차 분야에서도 세부범위를 추가 지정하는 ‘국가핵심기술 지정 등에 관한 고시’를 개정하고 6일 공포한다.

이번 고시에서는 기존 12개 분야에 수소분야를 신설하고 ▲건설·산업기계용 연료전지 설계, 공정 및 제조기술 ▲발전이나 건물용으로 사용되는 고정형 연료전지 설계·제조·진단 및 제어기술 등 두 가지 기술을 해당 분야 기술로 지정했다.

또 자동차 분야 내 ‘하이브리드 및 전력기반 자동차 시스템 설계 및 제조기술’ 세부 범위에 ‘전기구동시스템(모터·인버터)과 공조시스템’을 추가했다.