◇ 수소차 연료전지 발전성능 2배로

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단 단장과 성영은 부연구단장 연구팀이 연료전지의 발전 효율을 높이는 새로운 촉매합성법을 개발했다고 16일 밝혔다. 수소 연료전지 촉매로 사용되는 백금은 가격이 1kg당 3000만원 이상으로 비싸다. 

연구팀이 개발한 기술은 백금 촉매를 손쉽게 대량 생산하는 기술이다. 열처리 공정만으로 간단하게 백금 기반 연료전지 촉매를 합성한다. 개발한 촉매는 백금과 코발트라는 2개의 금속 원소가 결합한 구조다. 탄소 지지체 위에 두 원소를 두고 온도를 900도까지 올리면 두 금속 원소가 규칙적으로 배열되며 4nm 크기의 나노 결정을 이룬다.

촘촘히 배치된 나노입자로 산소 기체의 이동도 용이해진다. 연료전지의 반응물로 사용되는 산소 기체의 유입이 쉬워 효율이 더욱 좋아진다는 의미다. 이온의 이동을 용이하게 하는 아이노머라는 첨가제를 탄소 기판 위에 고르게 분산시켜 기존 촉매가 연료전지로 구현됐을 때 제 성능을 구현하지 못하는 문제도 해결했다.

◇ UNIST 연구팀, 세계 최고 효율 태양전지 제조기술 개발

UNIST 에너지화학공학과의 석상일 특훈교수 팀이 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 결정성 반도체를 박막으로 코팅해 제조한다. 따라서 내부 결함이 적도록 박막의 결정화 거동을 제어하는 것이 고효율화에 매우 중요하다.

UNIST 연구팀은 ‘페로브스카이트 광활성 층 반도체의 결정성을 제어하는 새로운 방법과 원리’를 발견해 페로브스카이트 태양전지의 제조에 활용했다. 이 원리로 제조된 태양전지는 세계 최고의 효율인 26.08%를 달성했고 미국 재생에너지연구소 (NationalRenewable Energy Laboratory)에서도 세계 최고 효율 (25.73%)로 공인했다. 

이번 성과는 세계 최고 권위의 저널 ‘네이처 (Nature, Impact Factor: 69.504)’에 2월 16일 자, AAP(Accelerated Article Preview)로 공개됐다.

◇ 양자점 발광효율 100% 수준 달성

한국연구재단은 임재훈 교수(성균관대) 연구팀이 핵·껍질 구조의 양자점 발광체를 합성할 때 껍질이 표면으로부터 성장하는 원리를 규명하고 약 0.3 나노미터(nm) 두께의 껍질을 성장시켜 97.3%의 발광효율을 달성했다고 16일 발표했다.

성균관대 연구팀은 양자점의 리간드(나노입자의 표면에 결합한 분자)가 껍질 전구(양자점 핵과 껍질 구성원자를 포함하고 있는 반응 원재료)와 반응해 껍질 원자들이 표면에 흡착되고 이들이 비정질 분자층 상태를 거쳐 결정질 껍질로 변화하는 전 과정을 분자 수준에서 규명했다.

분자층이 껍질로 변화하기 위해서는 고온의 열처리가 필요한데 이 과정에서 껍질 전구체가 핵 표면을 산화시켜 껍질이 완전히 핵 표면을 덮는 것을 방해한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이를 바탕으로 껍질 성장 과정을 정밀히 제어할 수 있는 ‘표면개시성장법’을 만들었다. 약 0.3 nm두께의 초균일 껍질을 핵 표면에 성장시켜 이론적 한계치에 근접한 97.3%의 발광 효율을 구현하는데 성공했다.

◇ 한밭대 교수팀, SOFC 공기극 전기전도도 특성 규명

한밭대학교는 최근 김정현 신소재공학과 교수 연구팀이 영국 랭커스터대학교(Lancaster University) Harald Schlegl 박사와 함께 층상 구조를 보이는 고체산화물 연료전지 공기극 물질의 비화학량 조성에 따른 전기전도도의 특성을 규명했다고 15일 밝혔다.

김 교수팀은 송경은 석사 졸업생과 전기공학과 강현일·최원석 교수 등으로 구성됐다. 이들은 연구 결과를 토대로 작성한 논문 'Electrochemical characteristic of non-stoichiometric SmBa0.45Sr0.5Co2O5+d layered perovskite oxide system for IT-SOFC cathode'를 국제수소에너지협회에서 발행하는 'International Journal of Hydrogen Energy' 온라인판에 게재했다.

김 교수팀은 'SmBa0.5Sr0.5-xCo2O5+d'와 'SmBa0.5-xSr0.5Co2O5+d', 'SmBa0.5-xSr0.5-xCo2O5+d (x=0.01~0.05)' 층상 페로브스카이트 산화물 시스템의 전기화학적 특성을 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr)의 치환량 비율을 이용해 확인했다. 또 특정 조성에서 가장 낮은 면적비 저항과 가장 높은 전기전도도의 특성을 보인다는 사실도 발견했다.

◇ 경희대 연구팀, 음성 인식 기반 휴대용 시료 전처리 시스템 개발

경희대학교는 음성 인식으로 바이러스 핵산 추출을 수행해 코로나19 등 세균성 질병 검사를 할 수 있는 휴대용 시료 전처리 시스템을 개발했다고 13일 밝혔다. 이번에 개발된 시스템은 핵산 추출 칩, 공기 라우터, 공기 펌프 모터 등이 설치된 손바닥 크기의 기계를 통해 작동한다.

사용자가 핵산 추출과 관련된 음성 명령을 내리면 스마트폰이 이를 수신한 뒤 블루투스로 해당 기계 마이크로 컨트롤러에 전달하는 방식으로 운영된다.

연구팀은 "통상 검사자가 시료 채취 후 바이러스 핵산을 추출하는 과정에서 감염 위험이 생기는데, 해당 기계는 인간의 간섭 없이 이를 수행해 감염 위험을 줄일 수 있다"고 밝혔다.

◇ DIGIST 연구팀, 고성능 투명-유연 전자소자 제작

DGIST는 에너지공학과 이윤구 교수 연구팀이 섬광을 이용해 구리-그래핀 나노선을 저원가 대량합성할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발하고 해당 기술을 바탕으로 고성능의 투명-유연 전자소자를 제작하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

차세대 투명-유연 전극 소재로 주목받는 구리 나노선은 전기적 특성이 우수하나 화학적 안정성이 매우 낮아 상용화에 많은 제약이 있다. 반면 그래핀은 우수한 전기적 특성과 화학적 안정성으로 주목받는 소재지만 고품질의 그래핀은 진공 장비 활용이 필수여서 생산 단가가 높고 대량 합성이 어렵다는 단점이 있다.

이에 DGIST 이윤구 교수 연구팀은 구리 나노선 표면에 강력한 섬광을 비춰 그래핀을 합성하는 방법으로 고품질 투명-유연 전극 소재의 원가를 절감하고 생산 속도를 높여 대량 생산이 가능한 기술을 개발했다. 특히 해당 기술은 다양한 2차원 소재(하나의 원자층으로 이루어진 결정형 물질의 단일 층)도 활용이 가능하고 향후 다양한 종류의 금속-2차원 소재 나노선 합성으로 확장이 가능한 것으로 확인했다.

◇ 녹색 에너지 수소 생산 효율 높일 실시간 분석법 개발

13일 박은덕 아주대 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)는 태양광 물 분해를 통해 수소를 제조하는 광전극을 실시간으로 분석할 수 있는 라만 분광기법을 개발했다고 밝혔다.

아주대 연구팀은 이상적인 광전기화학적 수소 생산 물질로 고려되는 p-형 반도체인 황화구리인듐(CuInS2)에 n-형 반도체인 황화몰리브데넘(MoSx)을 도입했다. 황화구리인듐(CuInS2) 전극 표면에 존재하는 결정결함 등에 따라 전자-정공 쌍이 재결합해 수소 생산 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있기 때문. 이에 전자-정공의 분리를 유도하기 위해 황화몰리브데넘(MoSx)을 도입한 것이다.

그 결과 초기에 제작된 황화몰리브데넘(MoSx)은 수소생산 효율이 매우 낮았지만, 광전기화학 반응이 진행됨에 따라 수소 생성 효율이 26배 이상 대폭 증가함을 알 수 있었다. 이 원인을 밝히기 위해 연구팀은 표면 분석을 반응이 진행되는 도중 실시간 분석이 가능한 라만 분광 장치를 새롭게 구성했다.

◇ 3D 바이오프린팅 기술 활용한 이중장기 모사체 개발

포스텍은 조동우 기계공학과 교수·장진아 교수·윤정빈 박사 연구팀이 3차원(3D) 바이오프린팅 기술을 활용한 이중장기 모사체를 개발했다고 16일 밝혔다. 연구팀은 또 각 장기 유기적 연결을 기반으로 복합 장성 과수산뇨증 질환의 병리학적 현상을 생체 외 모사체 내부에 재현하는 데 성공했다.

장성 과수산뇨증(Secondary Hyperoxaluria)은 염증성 장 상피에서 옥살산(Oxalate)이 과흡수 돼 신장 내부로 유입되면서 신장 결석을 유도하는 복합질환이다. 장성 과수산뇨증 발병률은 매년 빠르게 증가하고 있는데, 이런 다중 장기에 걸쳐 나타나는 복합질환을 대상으로 하는 치료법을 찾기 위해 장 조직과 신장 조직이 연결된 고성능 이중장기 모사체 개발이 필요하다.

연구팀은 3D 바이오프린팅 기술을 바탕으로 미세 유체 시스템에 연결, 장-신장 모듈의 유기적 상호작용을 강화했다. 동시에 세포배양 배지가 순차적으로 각 장기 모듈에 순환, 통과될 수 있도록 설계해 장 장벽 파괴, 신장 결석 생성·신장 결석에 의한 신근위세뇨관 손상과 같은 장성 과수산뇨증의 주요 병태생리학적 특징을 생체 외 이중장기 모사체 내부에 재현하는 데 성공했다.

◇ 하루 걸리던 미세플라스틱 검출 1초에 끝낸다

한국과학기술연구원(KIST)은 유용상 뇌융합기술연구단 박사 연구팀이 초미세 나노 플라스틱을 나노 사이즈의 금, 은 입자와 함께 전기-광집게를 이용해 짧은 시간 내 시료를 농축시켜 빛을 이용해 실시간으로 검출해 낼 수 있는 시스템을 개발했다고 16일 밝혔다. 

연구팀은 절연막을 사이에 두고 양면이 금속으로 된 대면적 3층 수직배열의 전극에 전기를 공급하고, 동시에 분자의 진동수에 따른 입사광과 산란광의 에너지 차이를 분석하는 라만 광검지 방식을 채택했다. 이 과정에서 나노 사이즈의 금, 은 입자인 플라즈모닉 나노입자를 활용해 시료를 농축했다. 그 결과 미세플라스틱 검지를 위해 필요한 농축, 검지시간을 수 초로 줄일 수 있었다. 실제 실험에서 10마이크로그램(μg)/ℓ농도의 30나노미터(nm) 크기 폴리스티렌 입자를 검지하는데 성공해 초저농도 실시간 나노플라스틱의 광검지 성능을 확인했다.

◇ 연세대 심은지 교수팀, 새로운 양자 계산법 개발

연세대는 화학과 심은지 교수 연구팀이 캘리포니아대학교 어바인 연구팀과 협업 연구를 통해 물의 다양한 성질을 정확하게 기술하는 양자 계산 방법을 개발했다고 15일 밝혔다. 

심은지 교수 연구팀이 연구·개발한 '밀도보정-밀도범함수 이론'은 전자 밀도에 의한 오류에 집중해 오차를 줄이는 방법으로, 관련 양자 계산화학 연구에 획기적인 돌파구를 제시했다는 평가를 받으며 학계의 주목을 받는 새로운 이론이다. 

연구팀은 밀도보정-밀도범함수 이론의 원칙에 기반해 물의 다양한 성질을 정확하게 예측하는 계산법을 개발했다. 이 계산법은 비슷한 수준의 다른 방법들과 비교했을 때, 화학적 정확도 수준 이상으로 정확하게 물의 거동을 모사할 수 있으며 나아가 분자 간 약한 상호 작용까지도 섬세하게 포착해 낼 수 있다.