[Weekly 신기술 및 정책소식] 원자력연, 방사성 물질 '삼중수소' 분리용 신소재 개발

◇ 원자력연, 방사성 물질 '삼중수소' 분리용 신소재 개발

한국원자력연구원은 해체기술개발부 박찬우 박사 연구팀이 방사성 폐액에서 삼중수소를 분리하기 위한 수전해용 신소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

연구팀은 삼중수소 분리를 위한 수전해(물을 전기분해 해 수소를 분리하는 기술) 공정의 고분자 전해질막에 그래핀(흑연의 한 층에서 떼어낸 육각형 벌집 모양의 2차원 물질) 박막을 코팅하는 방법으로 삼중수소 분리 성능을 획기적으로 개선했다.

수전해 공정은 삼중수소 수를 분해해 발생한 수소이온이 고분자 전해질막을 투과해 반대편 전극으로 이동하면, 촉매로 수소이온을 결합해 수소 기체를 발생시키는 기술이다. 

이 과정에서 삼중수소나 중수소 등 수소의 다른 동위원소들도 전극으로 이동하는 문제가 있었다. 연구팀은 그래핀 박막을 다른 동위원소들의 이동을 막는 거름막으로 활용했다.

◇ 고려대, '웨어러블 스마트 섬유' 소재 개발

고려대는 최원준 기계공학부 교수 연구팀과 서병석 노스웨스턴 대학(총장 마이클 H. 쉴) 박사가 우리나라 전통 종이인 한지와 금속성 신소재 맥신을 결합한 다기능 스마트 섬유를 개발했다.

금속성 나노 물질 맥신은 전기전도성이 높아 반도체, 전자기기, 센서 등 여러 사업에 활용되고 있다. 특히 맥신은 물과 친해 용액으로 제작해 섬유에 도포가 가능하다. 그러나 맥신은 외부 환경에 큰 영향을 받고 쉽게 변형돼 실제 섬유에 적용해 옷으로 제작하기 어렵다. 

이를 보완하고자 공동 연구팀은 수용성 고분자인 폴리비닐알코올(PVA)과 폴리아크릴산(PAA)을 활용해 맥신에 안전성을 부여했다. 그런 다음 수분에 상대적으로 강한 우리나라의 전통 종이 한지와 비대칭 구조로 결합해 새로운 섬유 소재를 개발했다.

◇ 금오공대, 유기물 기반 지능형 반도체 소자 특성 조절 기술 개발

국립금오공과대학교는 배근열 소재디자인공학과 교수 연구팀이 이은호 서울과기대 화공생명공학과 교수팀과 함께 차세대 반도체로 주목받고 있는 지능형 반도체 소자의 선형성 확보를 위한 다양한 소재 가운데 유기 반도체 소자의 이온 수송 특성을 제어할 수 있는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

지능형 반도체 소자는 연산·학습에 대한 선형성이 낮아 이를 보정하기 위한 추가 모듈이 필요한데 이는 높은 전력 소모를 야기하는 단점이 있다. 이에 선형성 확보를 위해 학계에 보고되고 있는 다양한 소재 가운데 유기 반도체(Organic semiconductor) 소재가 상대적으로 저렴할 뿐만 아니라 특성 개질이 용이하다는 장점이 있어 지능형 반도체 소재로 각광받고 있다.

다만 기존 보고된 유기물 기반 지능형 반도체 소자는 이온 수송 특성 제어를 위해 별도의 이온 조절층 설계를 포함하고 있어 공정의 복잡성을 증가시키고 반도체 소재의 특성 저하를 유발할 수 있다. 연구팀은 유기 반도체 소재를 가교시키고 가교 밀도도 정밀하게 조절함으로써 유기물 기반 지능형 반도체 소자의 이온 수송 특성을 제어했다. 

◇ “두꺼운데 잘 휘어진다” 차세대 유연 배터리 상용화 발판

한국연구재단은 한국기계연구원 현승민 박사와 소혜미 박사 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체로 활용해 이차전지의 두꺼운 유연 전극을 개발, 기존 유연 배터리보다 높은 에너지밀도를 구현하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 배터리 전극에 가벼운 섬유형 집전체와 다공성 전극 구조를 결합하는 방식으로 고성능 유연 배터리를 개발했다.

열유도 상분리 공정으로 다공성 이중 연속 구조를 형성해 두껍고 유연한 전극을 구현할 수 있었다. 열유도 상분리는 고분자의 용융점보다 높은 온도에서 균일하게 혼합된 용융액을 막의 형태로 성형한 후 가해진 열을 냉각시켜 고분자와 활물질의 상분리를 일으킨다.

연구팀은 스테인리스 스틸 섬유 보강으로 계면 접착력과 굽힘 내구성 그리고 전기 전도성도 강화했다. 이러한 과정을 거쳐 개발한 이차전지 전극은 직각 수준으로 굽혀도(최소 굽힘 반경 3㎜) 성능 저하 없이 작동하면서도 기존의 유연한 배터리보다 우수한 성능을 보였다.

◇ 국내 연구진, 전고체전지 음극재 '주석-철 화합물' 제시 주목

한국전기연구원(KERI)은 국립금오공대, 인하대 교수팀과 함께 전고체전지 음극재로 '주석-철 화합물(FeSn2)'을 제시한 연구 결과가 에너지 분야 세계 최정상급 저널 'Joule(줄)' 10월호 표지논문으로 선정됐다고 21일 밝혔다.

현재 전고체전지의 음극재로는 리튬금속(Li-metal)이 가장 많이 연구되고 있으나, 충·방전을 거듭할수록 리튬 표면에 나뭇가지 모양의 형태로 리튬이 자라나는 일명 '수지상(dendrite) 성장'이 발생하여 내부 단락을 일으키는 등 전지의 수명과 안정성을 위협하는 단점이 있다.

리튬금속 이외 실리콘 음극재도 있으나 낮은 전자·이온 전도도, 부피 팽창으로 인한 균열 등의 문제를 가지고 있다.

이번에 한국전기연구원 및 대학 교수팀이 제시한 음극재는 주석(원소기호 Sn) 기반의 합금계 소재인 '주석-철 화합물(FeSn2)'이다.

◇ 가천대·경북대 연구팀, 종이 기판 활용한 친환경 전자소자 개발

가천대 반도체공학과 유호천 교수·경북대 전자전기공학과 장병철 교수·한국세라믹기술원 김영재 박사 공동 연구팀은 종이 기판을 활용한 친환경 전자소자를 개발했다고 24일 밝혔다.

연구팀은 저온 용액 공정을 활용해 종이 기판 위에 안정적으로 전자소자를 구현하는 데 성공했다. 이를 통해 고가의 반도체 기판을 대체할 수 있는 경제적이고 실용적인 대안을 제시해 종이 기반 전자소자의 실용화 가능성을 열었다.

이와 함께 보안 애플리케이션에서 중요한 물리적 복제 방지 기능을 지폐 위에 구현하는 데도 성공했다.

◇ 인하대 백성현 교수 연구팀, 다기능성 전극촉매 개발

인하대학교는 최근 백성현 화학·화학공학 융합학과 교수 연구팀이 아연·공기 이차전지와 음이온 교환막 연료전지의 상용화 가능성을 높일 수 있는 다기능성 전극촉매를 개발했다고 23일 밝혔다. 

아연과 산소가 각각 음극·양극에서 화학 반응을 일으켜 전기를 만드는 아연·공기 이차전지는 차세대 배터리로 리튬이온배터리를 대체할 수 있는 잠재력을 인정받고 있다. 하지만 두 셀의 공기극에서 일어나는 산소 환원 반응과 발생 반응은 반응속도가 느려 셀 성능을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다. 또한 현재 사용되고 있는 촉매는 대부분 비싼 귀금속으로 만들기 때문에 상용화를 위해선 비용을 낮출 수 있는 비귀금속 기반 촉매의 개발이 반드시 필요하다.

연구팀은 비귀금속을 기반으로 한 다양한 전극 촉매를 합성하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 촉매는 산소 환원 반응과 발생 반응에서 뛰어난 촉매능, 안정성을 보였다. 연구팀은 다기능 촉매 개발의 연구 성과를 인정받아 최근 다양한 국제 저명 학술지에 논문을 게재했다.

◇ 탄소 배출 없는 폐플라스틱 열분해 공정 효율 높였다

한국에너지기술연구원 전상구 박사와 한국생명공학연구원 안정오 박사 공동 연구팀은 친환경 폐플라스틱 열분해 공정을 통해 고부가 플라스틱 원료를 생산하는 데 성공했다고 24일 밝혔다. 

열분해는 혼합된 플라스틱을 무산소의 고온 환경에서 가열해 기체, 액체, 고체로 분해하는 과정이다. 다만 열분해 시 나오는 열분해유 중 플라스틱 원료로 재활용되는 것은 30% 정도에 그친다. 나머지는 온실가스를 배출하는 저급 연료로 활용된다. 연구팀은 기존 화학적 공정에 생물학적 반응 공정을 결합, 열분해 효율을 높이는 데 성공했다.

남은 열분해유를 수소로 가득 찬 400도의 고온에서 촉매와 반응시켜 불순물과 독성이 제거된 노르말 파라핀(직선 사슬 구조를 갖는 탄화수소 화합물)으로 정제한 뒤 이를 미생물 먹이로 활용, 고부가 플라스틱 원료인 '디카르복실산'을 생산해 냈다.

◇ 미국, 중국도 실패한 양자역학 실험, 국내 연구팀 세계 최초로 증명

GIST(광주과학기술원)은 남창희 물리·광과학과 교수와 성재희 IBS(기초과학연구원) 고등광기술연구소 수석연구원 연구팀이 초강력 레이저를 이용해 강력장 양자전기역학(Strong Field Quantum Electrodynamics) 현상인 '비선형 콤프턴 산란'을 실험적으로 입증했다고 21일 밝혔다. 

양자전기역학을 실험적으로 입증하는 방법 중 하나가 '비선형 콤프턴 산란'이다. 빛이 충분히 센 상태에서 전자 한 개와 광자 여러 개가 동시에 충돌하며 고에너지 광자 한 개가 탄생하는 물리 현상이다. 

비선형 콤프턴 산란을 입증하면 빛과 물질의 상호작용을 뚜렷하게 보여주는 증거를 얻는 셈이어서 지난 10년 간 유럽, 미국, 중국 등 초강력 레이저를 보유한 국가의 연구 그룹이 관련 연구를 추진해왔다. 하지만 비선형 콤프턴 산란에 대한 간접적인 증거를 보여주거나, 빛이 충분히 세지 못한 영역에서의 부분적인 결과만 제시하는 데 그쳤다.

GIST-IBS 연구팀은 초강력 레이저를 이용해 빛의 세기가 매우 강력한 영역에서 비선형 콤프턴 산란을 직접적으로 증명하는 데 세계 최초로 성공했다. 자체 개발한 세계 최고 세기의 4페타와트(PW·1000조 와트)의 초강력 레이저를 이용했다.