◇ 포스텍·UC버클리 연구팀, 태양에너지로만 대기에서 물 수확 성공

포스텍은 환경공학부 송우철 교수와 미국 캘리포니아 주립대 버클리 캠퍼스(UC버클리) 화학과 오마르 음완네스 야기(Omar M. yaghi) 교수 공동 연구팀이 태양에너지를 이용해 대기 중 수분에서 물을 수확하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

금속 이온과 유기 분자가 결합된 MOF(metal-organic framework)는 1~2 나노미터(nm) 크기의 매우 작은 구멍을 포함하고 있는 다공성 물질이다. 표면적이 큰 MOF는 대기 중 수분을 흡착하는 흡착제 역할을 한다.

연구팀은 이 MOF를 기반으로 밤에는 대기중으로부터 수분을 흡수하고, 낮에는 태양에너지를 이용해 흡수한 수분을 액체로 모으는 수확기를 개발했다.

연구팀이 개발한 수확기는 직사각형 모양인 기존 수확기와 달리 원통형 모양으로 설계돼 본체의 투영 면적이 태양 궤적을 따라 일정하기 때문에 일출부터 일몰까지 태양에너지 활용을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.

◇ 서울대 연구팀, '종이접기 원리' 착안…DNA 나노기술 개발

하나의 구조체를 다양한 모양으로 접거나 펼 수 있는 디엔에이(DNA) 나노기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부는 김도년 서울대학교 기계공학부 교수 연구팀이 종이접기 작동 원리에 착안해 이같은 기술 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. DNA는 생명체의 유전 정보를 담을 수 있는 나노물질이다.

기능성 나노구조체는 외부자극에 의한 형상 변화를 통해 특정 기능의 발현을 제어할 수 있어 약물전달, 분자진단 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 특히 DNA 나노기술은 기능성 나노구조체 개발을 위한 차세대 기술로 큰 관심을 받고 있다.

기존 연구에서는 나노 크기에서 하나의 구조체가 다양한 모양으로 변할 수 있는 다중 변형 작동 원리의 부재로 단순한 변형과 제한적 기능 구현만 가능하다는 한계가 있었다.

김 교수 연구팀은 하나의 종이를 다양한 모양으로 접을 수 있는 종이접기 원리에 착안해 이러한 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 방법을 제안했다.

◇ 경희대 연구팀, 미세먼지 주범 '질소산화물' 제거 촉매 개발

4일 경희대학교 화학공학과 김종식 교수 연구팀에 따르면 산업현장에서 배출되는 미세먼지 주범인 질소산화물(NOx)을 인체에 무해한 질소로 전환하는 새로운 촉매를 개발했다.

연구 결과는 과학적 수월성을 인정받아 최근 저명 학술지 '화학재료A저널' 6월호 표지 논문으로 게재됐다.

연구팀은 니켈을 바나듐과 융합해 소수성(Hydrophobicity)이 극대화된 니켈 바나데이트 기반 신촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 상용 촉매 대비 저온 내피독성이 3~4배 높고, 550도에서 150시간의 수열 조건에 노출돼도 저온 SCR 성능을 지속하는 성능 향상을 보였다.

향후 연구팀은 SCR 반응을 극한 조건에서 활성화하는 신촉매 개발을 계속 진행하고, SCR 수요처를 탐색해 기술이전을 진행할 계획이다.

◇ 금속 내 전자 궤적, 변화구처럼 휘게…"전자소자 개발 기대"

국내 연구팀이 원자 번호가 낮은 가벼운 금속(경금속) 내부에서 전자가 움직이는 궤적을 야구 변화구처럼 휘도록 제어하는 기술을 개발했다. 전자를 제어하는 기술을 활용하면 미래 전자소자인 자성메모리(MRAM) 등 저전력 소자 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 성균관대 최경민 교수와 포항공대 이현우 교수 공동연구팀이 세계 최초로 전자 궤적을 연구 결과를 6일 국제학술지 '네이처'에 발표했다고 밝혔다.

낮은 전력을 활용하는 기술 중에는 홀 효과 중 전자가 자기장에 대해 회전운동을 하는 현상인 '스핀'에서 일어나는 각운동량을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 '스핀 홀 효과'가 있으나, 원자 번호가 큰 중금속에서만 이런 현상이 나타났다.

연구팀은 이를 대체하기 위해 타이타늄 금속에서 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해 전자 궤적을 휘게 만드는 '궤도 홀 효과'를 처음으로 시현했다.

◇ 세계 최고 효율 진청색 OLED 소자 개발

한국과학기술원(KAIST)은 유승협 전기및전자공학부 교수 연구팀이 김윤희 경상국립대 화학과 교수 연구팀과의 협력을 통해 진청색 OLED 소자를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 진청색 OLED 소자 구현을 위해 최근 각광 받는 차세대 발광체인 붕소계 지연형광 재료의 설계에 주목했다. 해당 재료는 뛰어난 색 순도 구현의 장점을 갖고 있으나 평평한 분자구조로 인해 분자 간 강한 상호작용이 생겨 낮은 농도에서만 진청색이 가능한 한계가 있다. OLED 소자의 충분한 효율 확보를 위해 발광 분자의 농도를 높이면 발광체 자체가 가진 색 순도 장점을 충분히 살리지 못하는 어려운 문제가 있다.

연구팀은 합성이 매우 까다로운 것으로 알려진 기존의 붕소계 재료에 비해 합성 과정을 단순화하면서도 낮은 수율을 개선했다. 분자 동역학 관점에서 분자 간 상호작용을 억제할 수 있는 분자구조를 성공적으로 규명했다. 이를 분자 설계를 통해 구현함으로써 색 순도와 효율이 저하되는 난제를 해결했다.

◇ UNIST "나트륨 이온 전지 수명 조절하는 방법 발견"

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 '프러시안 블루 계열' 소재를 통해 나트륨 이온 전지 수명에 영향을 미치는 주요 원인을 발견했다고 5일 밝혔다.

연구팀에 따르면 프러시안 블루 계열 소재는 18세기부터 사용된 프러시안 블루라는 청색 염료 물질 중 하나로 청바지 염료로 사용된다. 연구팀은 배터리 양극 소재를 합성하는 대표적인 방식인 '수용액 기반 공침법'을 이용해 서로 다른 특성을 지닌 프러시안 블루 계열 양극 소재를 합성했다.

합성 후엔 프러시안 블루 계열 양극 물질의 물 분자량에 따라 배터리가 어떤 특성을 보이는지 분석했다. 실험 결과 물 분자 수가 적은 양극 소재가 더 높은 에너지 효율을 보이고 수명도 긴 것으로 나타났다.

◇ KIST "3차원 구조 제어 기술로 고안정성·고성능 연료전지 개발"

수소연료전지 성능을 떨어트리는 부산물인 물의 영향을 줄이는 구조 개선 기술이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구센터 유성종 책임연구원 연구팀이 3차원 구조체를 제어하는 기술로 오랜 시간 높은 안전성을 가지고 기존 대비 전력밀도도 높인 연료전지 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 전극층을 1차원과 3차원 다중 차원 구조로 설계하는 제어 기술을 개발했다. 이는 기존 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서도 물이 일으키는 성능 저하 문제를 해결할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

또 전해질막 구조체도 표면에 패턴을 주는 방식으로 설계해 연료전지 내 저항을 줄이고 전기화학적인 활성 표면적을 늘려 전력밀도를 기존보다 40% 높였다.

◇ 한국재료연구원, 차세대 복합가스터빈 핵심부품 국산화

한국재료연구원(KIMS)은 금속재료연구본부 타이타늄연구실 이상원 박사 연구팀이 한스코, 부산대학교, 에스앤더블류, 진영TBX와 산·학·연 공동연구를 통해 차세대 복합가스터빈 핵심부품인 타이타늄 압축기 블레이드 제조기술을 국산화하는 데 성공했다.

'타이타늄 압축기 블레이드'는 넓은 유로(flow path)에서 대기 흡입과 압축을 할 수 있고, 기존 철강 소재와 비교해 공력성능 측면에서 효율적으로 고온·고압의 공기를 연소기에 공급 가능해, 차세대 복합가스터빈의 에너지 고효율 달성을 위한 핵심부품이다.

기존 압축기 블레이드 소재를 철강에서 타이타늄으로 대체할 경우 에너지효율이 0.1% 상승이 예상되고, 이는 가스터빈 1기당 연간 수백만 달러의 경제적 가치를 갖는 수치다.

이러한 이유로 최근 개발된 세계 최고의 에너지효율을 가진 해외 가스터빈 모델에는 타이타늄 압축기 블레이드가 적용되고 있다.

◇ 처리 곤란 'PVC 폐플라스틱' 친환경 분해법 개발

연세대는 7일 김병수 연세대 화학과 연구팀이 PVC를 무독성, 수용성 물질로 분해하는 기술을 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’ 최신호에 발표했다고 밝혔다.

PVC는 강도가 높고 부식에 강해 산업에 다양하게 활용되고 있지만, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등의 플라스틱과 달리 재활용이 어렵다. 매립이나 소각을 통해서만 처리할 수 있기 때문에 PVC 첨가제가 누출될 가능성이 있고, 소각 시 방출되는 염화수소와 다이옥신 방출 등도 문제가 되고 있다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 기계화학적 볼밀링(분쇄의 일종) 시스템을 이용해 PVC를 분해하는 실험을 설계했다. 기계화학은 기계적인 힘으로 화학반응을 일으키는 새로운 연구 분야다. 일반 합성법과 달리, 용매가 불필요해 친환경적인 방법으로 주목받고 있다.

연구팀은 PVC 사슬 내부에 옥시란 분자를 도입하기 위해 볼밀링으로 두 단계의 탈염소화 및 에폭시화 반응을 진행했다. 이 과정에서 옥시란 분자는 카보닐 일라이드 중간체를 형성했고, 이는 PVC 사슬에 아세탈 구조를 추가적으로 도입하는 결과로 이어졌다.

◇ 자가 치유 능력 있는 고성능 이온성 열전소재 개발

사람 피부처럼 스스로 회복되고 늘어나면서도 고효율 열전 성능을 가진 소재를 국내 연구진이 개발했다. 배터리 걱정 없이 인체의 ‘열’만으로 충전이 가능해, 착용 기술(Wearable technology)의 상용화에 한 발짝 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장성연 교수팀과 국민대학교 응용화학부 전주원 교수팀이 공동으로 기계적·전기적 오류와 문제에 대한 자가 치유 능력을 지닌 '고성능 이온성 고분자 열전소재'를 개발했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 세계 최초로 소재 내부의 이온 열전 효과를 열역학적으로 분석해 열에너지 변환 성능을 최적화했다.

또 분자 간 강한 인력을 통해 찢어지거나 잘려도 이를 복구시킴으로써 기계적 성질과 전기적 성능을 유지하는 '자가 치유성 열전소재'를 활용했다. 이렇게 개발된 소재의 이온 열전 성능지수는 12.3으로 이전 최고 기록보다 70% 이상 높았다.