[Weekly 신기술 및 정책소식] 한미 연구팀, 차세대 고해상도 이미지 센서 기술 개발

◇ 그린수소·배터리 신소재, 빠르게 찾아내는 AI

KAIST는 이강택 기계공학과 교수팀이 한국에너지기술연구원, 한국지질자원연구원, KAIST 신소재공학과 공동연구팀과 함께 그린수소·배터리에 활용되는 스피넬 산화물 신소재를 설계하고 성능을 예측하는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

스피넬 산화물(AB2O4)은 친환경 에너지원인 그린수소나 배터리의 차세대 촉매·전극 물질로 쓰여 산소환원반응(ORR), 산소발생반응(OER) 속도를 높일 수 있는 잠재력이 있다. ORR과 OER은 전체 에너지 변환 효율을 좌우하는 중요한 과정이다. 수천 개가 넘는 스피넬 산화물 후보 물질을 하나하나 실험으로 검증하기엔 시간과 노력이 많이 든다.

연구팀은 AI와 계산화학을 결합해 1240개의 스피넬 산화물 후보 물질을 선별하고 후보 물질의 구조적 안정성 등을 평가해 기존 촉매보다 뛰어날 것으로 예상되는 촉매 물질들을 찾는 데 성공했다. 원자들이 결합할 때 전자를 끌어들이는 상대적 지수인 전기음성도를 바탕으로 스피넬 촉매의 안정성과 성능을 예측할 수 있는 지표도 개발했다.

◇ 다 쓴 배터리 가루, 재활용 쉬워진다…희소금속 확보 '숨통'

리튬과 니켈, 코발트, 망간 등 희소금속이 포함돼 검은 황금으로 불리는 폐배터리 분쇄물 가루, '블랙파우더' 재활용이 쉬워진다. 다음달부터 블랙파우더가 폐기물이 아닌 '원료제품'으로 분류되기 때문이다. 이에 따라 폐배터리 분쇄물 재활용을 통해 희소금속을 안정적으로 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

정부는 21일 한덕수 국무총리 주재로 국정현안관계장관회의를 열어 그동안 현장에 불편을 초래한 규제 13건을 신속히 해소하는 방안을 확정했다. 전기차에 포함된 배터리는 리튬, 코발트 등 각종 희소금속이 포함돼 있다. 하지만 다쓴 배터리가루는 그동안 '폐기물' 규제를 받고 있어 재활용이 쉽지 않았다.

이번에 환경부는 다음달까지 폐기물관리법 시행규칙을 개정해 일정 기준을 충족한 블랙파우더를 폐기물이 아닌 원료제품으로 인정하기로 했다.

◇ 한미 연구팀, 차세대 고해상도 이미지 센서 기술 개발

한국과학기술원(KAIST)은 전기·전자공학부 김상현 교수팀이 미국 예일대와 공동으로 초박형 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 

1㎛(마이크로미터·100만분의 1ｍ) 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자효율을 달성, 기존보다 흡수층 두께를 70% 이상 줄일 수 있다.

흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도를 구현할 수 있고 원가도 절감할 수 있지만, 장파장의 빛의 흡수가 줄어들게 되는 문제가 있었다.

연구팀은 도파 모드 공명(GMR·특정 파동이 특정 파장에서 공명하는 현상으로 해당 조건에서 에너지가 최대화됨) 구조를 통해 400∼1천700㎚의 넓은 파장 대역에서 높은 효율의 광 흡수를 유지할 수 있음을 증명했다. 1나노미터(㎚)는 100만분의 1㎜이다.

◇ 에너지연, '탄소 배출 제로' 청록수소 생산 위한 촉매 개발

한국에너지기술연구원은 김우현 박사 연구팀이 청록수소 생산과 상용화를 앞당길 니켈-코발트 합성 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 

청록수소는 메탄을 열분해해 생산하는 수소로, 생산과정에서 이산화탄소가 발생하지 않아 그린수소와 함께 친환경 청정수소로 분류된다. 

청록수소 생산에는 주로 니켈과 철 기반 촉매가 활용되는데, 저온에서는 반응성이 낮아 900도 이상의 고온을 유지해야 해 상용화가 쉽지 않다. 

연구팀은 니켈 기반 촉매에 코발트를 첨가, 기존보다 낮은 온도에서도 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 신개념 촉매를 개발했다.

◇ 포스텍, 제올라이트 모방한 탄소-수소 활성화 촉매 시스템 개발

포스텍(POSTECH)은 황승준 화학과·첨단재료과학부 교수 연구팀이 중요 에너지원이자 강력한 온실가스 중 하나인 메탄가스를 유용한 화합물인 메탄올로 전환하는 '제올라이트(zeolite)'를 모방한 탄소-수소 활성화 촉매 시스템을 개발했다 22일 밝혔다.

제올라이트는 메탄을 메탄올로 산화하는 반응을 촉진한다고 알려졌지만 광물에 포함된 알루미늄(Al) 등의 원소들이 어떻게 반응에 영향을 미치는지는 그동안 명확하게 밝혀지지 않았다.

이번 연구를 통해 연구팀은 구리(Cu)와 알루미늄을 결합한 새로운 형태의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 '다중 금속 복합체'로, 두 금속의 결합을 통해 반응 효율을 크게 개선할 수 있는 플랫폼이다.

이 플랫폼을 이용해 실험 결과, 알루미늄이 포함된 경우 기존 대비 활성화 가능한 탄화수소의 결합 세기는 11kcal/mol 증가했고, 반응속도 14배 증가해 반응 효율이 크게 향상했다. 특히, 알루미늄이 포함된 촉매는 87kcal/mol의 결합 해리 에너지를 가진 탄소-수소 결합을 활성화해 기존 구리 옥소 복합체 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 보였다.

◇ KIST "폐액 속 희토류 금속 회수율 4배 높인 섬유 소재 개발"

한국과학기술연구원(KIST)은 물자원순환연구단 최재우 책임연구원 연구팀이 네오디뮴과 디스프로슘 등 희토류 금속을 높은 효율로 회수하는 섬유상 회수 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

네오디뮴과 같은 희토류는 적은 양만 첨가해도 물질이 다양한 화학, 전기, 자성 특성을 가지게 할 수 있어 최근 친환경 차 및 신재생에너지 분야 핵심 소재로 사용량이 크게 늘고 있다.

하지만 한국은 희토류 핵심광물 95%를 수입에 의존하고 있어 대신 폐자원에서 이를 회수해 재활용하기 위한 연구가 진행 중이다.

연구팀은 흡착력이 좋은 금속-유기 구조체 나노 입자를 값싼 아크릴 섬유 물질 표면에 복합 구조 형태로 구현해 흡착력을 강화한 섬유 소재를 개발했다. 개발된 섬유는 1g당 네오디뮴은 468㎎, 디스프로슘은 435.13㎎을 흡착해 회수할 수 있어 기존 최고 흡착 용량보다 약 4배 높아졌다고 연구팀은 설명했다.

◇ KAIST 보행로봇, 마라톤 풀코스 완주…`라이보2`, 4시간19분 기록

KAIST 4족 보행로봇이 두 번째 도전 끝에 국내 마라톤 풀코스 완주에 성공했다. 4족 보행 로봇 최초의 마라톤 풀코스 완주 성공사례다. 

KAIST는 황보제민 기계공학과 교수 연구팀이 해변을 달렸던 4족 보행로봇 '라이보'의 성능 향상시킨 '라이보2'가 17일 경북 상주시민운동장에서 열린 '제22회 상주곶감마라톤 풀코스(42.195㎞)'에 참가해 4시간 19분 52초의 기록으로 완주했다고 밝혔다.

지난 9월에 열린 '금산인삼축제 마라톤대회'에 처음 도전해 37㎞ 지점에서 배터리 방전으로 실패했던 완주에 성공한 것이다.

◇ KAIST·버클리대 연구진, 특수전자소자 측정 시 오차 원인 규명

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 미국 버클리 대학 레인 마틴 교수팀과 주사탐침현미경 측정의 최대 난제였던 신호 정확도를 저해하는 핵심 요인을 규명하고 이를 제어하는 획기적인 방법을 개발했다고 18일 밝혔다. 

연구팀은 현미경 탐침과 시료 표면 사이에 존재하는 비접촉 유전 간극이 측정 오차의 주요 원인임을 밝혀냈다. 이 간극은 측정환경에서 쉽게 변조되거나 오염물질로 채워져 있어 전기적 측정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 

이에 연구팀은 물과 같은 고유전율 유체를 이용해 간극을 채우는 방법을 고안, 나노스케일 분극 전환 전압 측정의 정밀도를 8배 이상 향상했다. 이러한 접근은 기존의 대칭 커패시터 구조에서 얻은 결과와 거의 일치하는 값을 얻을 수 있어 강유전체 박막의 특성 분석에 새로운 장을 열 것으로 기대된다.

◇ "자율운항선박 안전하게 정박" 기계硏, 자동계류시스템 개발

한국기계연구원은 김용진 책임연구원 연구팀이 배를 항구에 자동으로 고정할 수 있는 자동 계류 시스템을 개발했다고 18일 밝혔다.

굵은 줄(계류삭)로 작업자가 선박을 직접 항구에 수동으로 고정하는 기존 방식은 계류 작업에 상당한 인력과 시간이 소요되고, 와이어가 끊어져 사고가 발생할 위험이 있다. 

이번에 개발한 시스템을 이용해 사람이 직접 줄을 매지 않고도 선박을 안전하게 고정할 수 있다. 

진공 흡착패드를 이용해 배를 항구에 밀착시킨 뒤 유압 시스템을 이용해 자동으로 제어함으로써 자율운항선박을 항구에 안전하게 계류시킬 수 있는 기술이다. 계류 작업의 속도와 정확성을 높이고 인명 사고를 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.