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Research Highlights
- 화공 용기중 교수팀, 리튬 전해질의 혁신, 그린 암모니아 시대를 열다
- [POSTECH · KIAST, 친환경 국소 고농도 전해질 기반 그린 암모니아 생산 기술 개발]
화학공학과 용기중 교수, 통합과정 윤혜주 · 임채은 씨 연구팀은 KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 서동화 교수 연구팀, POSTECH 윤용주 교수 연구팀과의 연구를 통해 특정 부분에서 고농도처럼 작용하는 특별한 전해질을 기반으로 그린 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다. 이 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.
암모니아는 비료와 화학 공정에 필수적인 물질이다. 최근에는 수소 에너지를 저장 및 운송하는 매개체로서 탄소 배출을 줄일 고부가가치 물질로도 주목받고 있다. 하지만 암모니아를 생산하는 기존의 ‘하버-보쉬(Haber-Bosch)’ 공정은 400~500℃의 고온과 200bar의 고압환경이 필요하고, 그로 인해서 세계 에너지 소비의 약 2%를 차지하며, 매년 6억 톤에 달하는 이산화탄소를 배출해 환경에 큰 부담을 주고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 리튬 기반 질소 환원 반응(이하 Li-NRR)*1을 활용한 전기화학적 암모니아 생산 연구가 활발하지만 리튬의 소모량이 많고, 효율이 낮은 한계를 안고 있다. 이를 극복하려면 반응이 일어나는 ‘고체 전해질 계면(이하 SEI*2)’의 성질을 개선해 반응물의 선택성과 안정성을 높여야 한다.
이에 POSTECH·KAIST 연구팀은 SEI 성질을 개선하기 위해 전해질의 ‘용매화 구조’에 주목했다. ‘용매화 구조’란 용매의 분자가 용질(이온 또는 분자)을 둘러싸는 배열이나 구조를 뜻한다. 연구팀은 Li-NRR 반응 용매로 사용되는 테트라하이드로퓨란(THF)에 테트라플루오로에틸 테트라플루오로프로필 에테르(TTE)를 혼합해 저농도에서도 고농도와 유사한 용매화 구조를 만드는 국소 고농도 전해질(LHCE*3)를 개발했다. 전해질의 전체 농도는 낮지만 이처럼 첨가제를 더해 일부 구역에서는 고농도 전해질처럼 작용하도록 설계한...
2024-12-02
- 기계 이상준 교수팀, 선박의 새로운 친환경 갑옷, 생태계를 지켜라
- [이상준 교수팀, 실리콘 기반 지속 가능한 방오 · 방빙 · 저마찰 표면 기술 개발]
최근 기계공학과 이상준 교수, 통합과정 박규도 씨 연구팀은 실리콘 기반의 새로운 표면 코팅 기술을 개발해 해양 생물 부착 및 결빙 방지, 마찰 감소 성능을 장기간 지속적으로 유지하는 데 성공했다. 이번 연구는 코팅 과학 분야 저명 국제 학술지인 ‘응용 표면 과학(Applied Surface Science)’와 ‘유기 코팅의 발전(Progress in Organic Coatings)’에 게재됐다.
선박에 부착된 따개비나 조류와 같은 해양 생물은 선박의 표면 마찰을 증가시켜 연료 소비를 최대 40%까지 늘리고, 그로 인해 경제적 손실을 초래한다. 이를 방지하기 위해 독성 물질을 방출하는 방오 도료가 사용되고 있으나, 이는 해양 생태계를 교란시킨다는 우려를 낳고 있다. 최근 국제해사기구(IMO)가 해양 환경 보호와 탄소 배출 저감을 위한 새로운 규제를 발표함에 따라, 조선업계는 해양 생물 부착에 따른 선박의 마찰 저항을 줄이면서도 생태계를 해치지 않는 친환경 도료 개발에 주력하고 있다.
이번 연구에서 POSTECH 이상준 교수 연구팀은 긴 사슬을 가진 자유 고분자가 얽힌 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지에 저점도 오일을 함침시킨 LEP(long-chain entangled PDMS) 젤 기술을 개발했다. LEP 젤을 표면에 코팅하자 물이나 기름이 묻지 않고 미끄러졌으며, 해양 생물이나 오염물질의 부착이 억제되었다. 또한, 개발한 LEP 젤은 고속/고압의 수중 환경(11m/s 및 1.2bar)에서도 우수한 미끄럼 성능을 유지했으며, 자가 재보충(self-replenishment) 특성을 가진 오일층 덕분에 그 효과가 장기간 지속됐다.
이 LEP 젤은 강한 표면 오염을 일으키는 홍조류인 피떡말이 자생하는 환경에서 37주 이상 표면을 깨끗하게 유지했다. 또한, 해양 파울링이 극심한 여름철 인천 바다에서 2개월간 수행한 실증 시험에서, LEP 젤 표면에는 해양 생물이...
2024-11-29
- 기계·화공·전자 노준석 교수팀, 빛을 완벽히 제어하다, 결정 변화 통한 메타렌즈 혁신
- [POSTECH · 고려대, 온도 변화에 따른 졸-겔 이산화 티타늄 결정 변화 이용해 고효율 메타렌즈 개발]
기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대 신소재공학과 이헌 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고효율 메타렌즈를 위한 새로운 개념의 이산화 티타늄(TiO2) 소재를 개발했다. 이 연구는 최근 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.
메타렌즈(metalens)는 나노미터(10-9m) 크기의 구조체로 빛을 정밀하게 제어하는 차세대 광학 소자로 통신, 의료 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 메타렌즈를 제작하는 공정 중 하나인 ‘나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography)‘는 스탬프를 찍듯이 나노 패턴을 복제하는 기술로 빠르고 경제적으로 메타렌즈를 제작할 수 있어 산업적으로 매우 유망한 기술로 평가받고 있다. 하지만, 기존에 보편적으로 사용되던 재료인 레진(resin)은 굴절률이 낮아 고효율의 메타렌즈를 만드는 데 한계가 있었다.
이에 비해 이산화 티타늄은 굴절률이 훨씬 높아, 메타렌즈의 성능을 개선할 수 있는 재료로 떠오르고 있지만 고체 상태의 이산화 티타늄을 그대로 적용하기는 어려웠다. POSTECH · 고려대 연구팀은 이번 연구에서 ’졸-겔(Sol-Gel)‘ 합성법을 사용했다. 졸-겔 공정은 액체 상태의 물질을 고체로 변환하는 기술로, 연구팀은 이를 통해 기존 고수율 공정이 어려웠던 이산화 티타늄을 잉크 형태로 만들어 나노임프린트 리소그래피 공정에 적용할 수 있도록 했다.
이 잉크는 그 자체로 1.6~1.7의 굴절률을 가지지만, 높은 온도에서 가열할수록 결정형태가 달라지고, 굴절률이 변화했다. 400℃로 가열하자 비정질(amorphous) 상태로 굴절률이 2.3~2.5로 증가했고, 600℃에서는 아나타제(anatase) 결정상으로 바뀌면서 굴절률도 2.5~2.7로 높아졌다. 가열 온도가 800℃에 도달하자 잉크는 루타일(rutil...
2024-11-28
- 화학 박선아 교수팀, 나노클러스터로 '빛의 시간'을 늘리다
- [POSTECH, 구조에 따른 발광 특성 변화 구현한 새로운 나노소재 기반 구조체 개발]
화학과 박선아 교수팀은 화학과 류순민 교수, 심지훈 교수와의 공동 연구를 통해 새로운 나노클러스터(nanocluster)*1 기반 구조체를 성공적으로 합성하고, 그 구조에 따라 발광 특성이 달라지는 원리를 규명했다. 이 연구는 나노 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다.
나노클러스터는 원자 수준에서 정밀하게 설계된 작은 입자로 그 크기와 구조, 조성을 조절해 가시광선에서 근적외선까지 다양한 영역의 발광 특성을 조정할 수 있다. 특히 근적외선에서 발광하는 나노클러스터는 생체 적합성, 광안정성이 뛰어나고, 높은 용액 가공성으로 인해 바이오 이미징, 센서, 광전자 소자 등의 분야에 응용될 가능성이 크다.
하지만 근적외선 영역에서 발광 특성을 가지는 나노클러스터는 일반적으로 양자 수율(quantum yield)*2이 낮으며, 나노클러스터의 무작위한 배열로 인해 거리, 위치 정보를 정확히 측정하기 어려워 발광 특성 분석에 한계가 있었다.
이를 해결하기 위해, POSTECH 연구팀은 나노클러스터의 보호 리간드(protective ligand)에 있는 카르복실산(carboxylic acid)과 전이 금속 간 상호 작용을 이용하여 육각형(Au25−Zn-Hex)과 막대형(Au25−Zn-Rod)의 서로 다른 나노클러스터 배열을 가진 두 가지 형태의 구조체를 성공적으로 합성했다.
연구팀은 성공적으로 합성된 두 물질의 구조를 단결정 X-선 회절(single crystal X-ray diffraction) 실험을 통해 원자 수준에서 정확히 규명했으며, 이를 바탕으로 서로 다른 구조에서 나타나는 상호작용의 차이가 발광 특성에 미치는 영향을 비교했다. 그 결과, 막대형 구조는 더 밀도 높은 수소 결합 및 S···π 상호작용*3으로 인해 육각형 구조보다 발광 성능이 6배 뛰어났으며, 빛을 내는 시간도 27배 더 길었다. 또한, 연구팀은 밀도...
2024-11-26
- 화학/첨단재료과학부 황승준 교수팀, 지구온난화 막는 신비의 광물 제올라이트
- [황승준 교수팀, 제올라이트(Cu-ZSM-5) 모방한 탄화수소 활성화 촉매 개발]
화학과 · 첨단재료과학부 황승준 교수 연구팀은 중요 에너지원이자 강력한 온실가스 중 하나인 메탄가스(methane)를 유용한 화합물인 메탄올(methanol)로 전환하는 ‘제올라이트(zeolite)’를 모방한 탄소-수소 활성화 촉매 시스템을 개발했다. 이번 연구는 새로운 형태의 촉매 개발을 통해서 친환경 에너지 산업을 위한 촉매 개발의 기틀을 마련했다는 평가를 받으며, 세계 최고 권위 화학 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’에 게재됐다.
천연가스의 주요 성분인 메탄가스는 중요한 에너지원이지만 기체 형태로 존재하기 때문에 운송과 저장이 어려워 활용에 제약이 있다. 또한, 대기 중으로 방출되면 이산화탄소보다 25배 강력한 온실효과를 일으키기 때문에 대부분 연소시켜 이산화탄소로 전환하여 배출하고 있는 실정이다. 따라서 메탄가스를 메탄올로 전환하면 에너지 효율을 높일 수 있고, 온실가스 배출을 줄이는 데도 기여할 수 있다. 그러나 메탄 분자의 강력한 탄소-수소 결합을 끊는 것은 여전히 어려운 과제로, 이를 위한 효과적인 촉매 개발이 큰 도전으로 남아 있다.
POSTECH 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 자연에서 쉽게 발견되는 광물인 ‘제올라이트(zeolite)’에 주목했다. 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 증가하였고, 반응속도 ...
2024-11-26
