- 계면제어형 비백금계 고활성 촉매 제작 통한 신규 구조 제어 기술 구현 - 음이온교환막 수전해 기술 중 최고 수준 성능 비백금계 음극촉매 개발 사람들은 수소를 환경오염 물질을 전혀 발생시키지 않는 깨끗한 에너지원으로 생각한다. 하지만 화석연료를 사용해 이산화탄소를 배출하는 ‘그레이 수소’, 그레이 수소 생산 과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 생산하는 ‘블루 수소’는 완전한 청정 에너지원과는 거리가 있다. 생산 과정에서 탄소를 전혀 배출하지 않는 ‘그린 수소’는 물을 전기 분해해 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 수전해 방식으로 생산한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사와 성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 윤원섭 교수, 화학공학·고분자공학부 유필진 교수가 공동연구를 통해 산소 발생 반응(OER) 성능을 높인 촉매소재 계면 제어기술을 개발했다고 밝혔다. 산소 발생 반응 촉매는 물을 분해하여 수소를 생산하는 속도와 효율성을 높이는 역할을 담당한다. 그러나 산소 발생 반응 촉매의 구조-성능 간 상관관계와 이를 바탕으로 한 촉매 구조 제어 기술 연구는 부족하여 단순한 입자 형태의 금속 촉매 혹은 복잡한 제작과정이 필요한 계면 촉매를 주로 사용해왔다. 철 원자는 산화수가 다양한 원소 중 하나로, 높은 산화수를 가지면 활성점이 증가하고 전하의 이동 속도가 빨라져 산소발생 반응성능이 극대화된다. 일반적으로 금속 나노입자의 기상 반응에서는 반응물이 기체 상태이기 때문에 원하는 촉매 구조를 달성하도록 반응성을 제어하기 어렵다. 연구팀은 기상 반응을 제어하여 고산화수 원자를 갖는 촉매 구조를 얻기 위해 기체 투과도가 낮은 고결정성 흑연 탄소 껍질로 둘러싸인 금속 나노입자를 합성했다. 이후 기상 반응을 수행한 결과 고결정성 흑연 탄소 껍질의 제한적인 기체 투과성으로 인해 커켄달 효과가 불완전하게 발생하여 나노입자 내 공극이 적은 환경이 만들어졌고, 촉매 계면에서 철 원자가 높은 산화수를 가지는 구조를 구현할 수 있었다. 연구팀은 이렇게 개발한 촉매를 최근 가장 주목받고 있는 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 장치의 음극의 산소 발생 반응 촉매로 활용했다. 그 결과 최근 에너지 분야 권위지에 발표된 음이온 교환막 수전해 기술에 적용되는 비백금계 촉매 성능보다 고전류밀도 성능을 2.0 V 조건에서 약 1.5배 높일 수 있었다.(12.26 A/cm2 @ 2.0 V 및 6.34 A/cm2 @ 1.8 V). 성균관대 유필진 교수는 “이번 연구에서 개발한 신규 계면 제어기술로 촉매 재료의 구조-전기화학적 성능 상관관계 연구의 다각화가 가능해졌다”고 연구의 의의를 밝혔다. KIST 이성수 박사는 “그린 수소의 운전비용 및 에너지 효율을 획기적으로 개선함으로써 향후 대형 수소기반 발전소, 선박, 트럭, 잠수함, 드론, 비행기 등 신규 수소산업 형성에 기여할 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 미래소재디스커버리사업(2018M3D1A1058624) 집단연구지원사업(2021R1A4A1024129), 개인기초연구(2021R1C1C2095034), 세종과학펠로우십(2021R1C1C2095034), KIST 주요사업(Young Fellow)으로 수행되었으며, 결과는 국제 학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental(IF: 24.319, JCR(%): 0.93)’에 게재되었다. [그림 1] 흑연 탄소 껍질을 갖는 금속 입자를 기반으로 한 확산 속도가 제어된 음이온 확산 제한형 Kirkendall 효과 및 이종 계면 구조의 설계에 대한 전체 개념도 [그림 2] FeCo/FeCoP 이종 계면을 갖는 촉매 소재의 투과전자현미경 사진 및 에너지 분산 X-선 분광법 기반의 원소 분석 결과 [그림 3] 음이온교환막 수전해 적용의 모식도 / 다양한 음극 촉매에 따른 수전해 장치 성능 (전류-전압 그래프)을 나타냄. / 수전해 장치의 동일 전류밀도 인가 조건에서의 장기 내구성 테스트. 100시간 동안의 구동을 통한 안정한 수소 생산 확인함. ○ 논문명: HIgh-valent metal site incorporated heterointerface catalysts for high-performance anion-exchange membrane water electrolysers ○ 게재일: 2023.09.15. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122816 ○ 논문저자 - 최관현 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - N. Clament Sagaya Selvam 박사후연구원(제1저자/성균관대학교) - 이성수 선임연구원(교신저자/KIST 전자파솔루션융합연구원) - 윤원섭 교수(교신저자/성균관대학교 에너지과학과) - 유필진 교수(교신저자/성균관대학교 화학공학과)

- KIST 스파이킹 신경망 반도체 활용 연구과제 총 5개, 10억원 규모 공모 - 국내 뉴로모픽 컴퓨팅 연구 생태계 조성하여 차세대 반도체 기술 자립 기여 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 6월 5일(월)부터 스파이킹 신경망 반도체를 활용한 뉴로모픽 컴퓨팅 응용 및 알고리즘을 연구하는 ‘K-DARPA 파급혁신형사업’(2개 분야, 10억원)을 공모한다. ※ 공모 바로가기 https://www.kist.re.kr/ko/notice/general-notice.do?mode=view&articleNo=9163&article.offset=0&articleLimit=10 K-DARPA 파급혁신형사업은 산‧학‧연 협력을 통해 KIST가 개발한 혁신적 기술의 사업화를 촉진하는 사업이다. 이번 공모에서는 KIST가 2022년 국내 최초로 개발한 스파이킹 신경망 반도체인 ‘뉴플러스(Neu+)’와 ‘뉴로핏(NeuroFit)’을 제공하고 산업계와 학계가 이를 자유롭게 활용해 뉴로모픽 컴퓨팅 응용 및 알고리즘을 연구할 수 있는 과제를 추진한다. ※ 뉴플러스: 대규모의 스파이킹 뉴런을 집적한 프로그래밍 가능한 범용 뉴로모픽 시스템으로, 스파이크 이벤트 기반 시공간적 데이터 처리 방식을 통해 드론 및 자율주행 로봇 등 저전력을 필요로하는 자율 시스템 분야에 적용할 수 있는 스파이킹 신경망 기반 응용 어플리케이션을 개발할 수 있음 ※ 뉴로핏: 두뇌 신경망의 운동학습 방식을 모사하여 로봇 관련 다양한 응용분야로의 활용이 가능한 운동지능에 특화된 뉴로모픽 프로세서로, 초저전력 보정학습 기능을 통해 근력증강 웨어러블 로봇의 보조력 적응제어, 이족보행 로봇의 동적 균형제어, 자율주행차의 인간운전자 모방학습 등에 활용할 수 있음 이번 사업은 총 10억원의 예산을 투입하며, 뉴플러스, 뉴로핏 2개 분야에서 총 5개 내외의 과제를 지원한다. 연구 기간은 ’23. 7. 1.일부터 ’24.12.31.까지 총 18개월이며, 평가에 따라 후속 단계 추진여부도 검토할 예정이다. 과제 공모는 ’23.6.5.(월)부터 6.21.(수)까지이며, 6월말 선정평가를 거쳐 7월 초부터 본격 착수할 계획이다. 스파이킹 신경망 반도체는 현재 주로 활용되는 심층신경망 구조의 인공지능 기술의 단점인 연산 복잡성과 그로 인한 과도한 에너지 소모 문제를 해결하기 위해 등장했다. 두뇌의 동작 원리 및 구조를 모사함으로써 스파이크 신호가 발현되었을 때만 정보 처리가 이루어지기 때문에 정보의 중요도에 상관없이 모든 입력값에 대해 계층별 연산이 필요한 기존 DNN의 구조의 AI 반도체와 비교해 매우 효율적이다. 스파이킹 신경망 하드웨어 분야의 선두 주자인 인텔은 2018년부터 북미와 유럽 기관을 위주로 인텔 뉴로모픽 리서치 커뮤니티(Intel Neuromorphic Research Community)를 결성하고 뉴로모픽 칩의 상용화를 연구하고 있다. 한편 국내의 뉴로모픽 반도체 연구역량은 뉴런 및 시냅스 신소자 개발에 집중되어 실제 뉴로모픽 컴퓨팅 응용연구를 위해 필요한 프로세서에 대한 접근성은 매우 떨어졌다. KIST의 이번 과제 공모를 통해 국내 독자적인 뉴로모픽 컴퓨팅 연구 생태계 조성의 발판을 마련하고 향후 시장성이 높은 뉴로모픽 컴퓨팅 응용 선별 및 관련 기술을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 윤석진 KIST 원장은 “반도체 산업의 경쟁력은 외교·안보를 움직이는 전략 물자 확보 문제로 이어진다”면서, “KIST와 국내 뉴로모픽 반도체 기술개발 트렌드를 선도하고 국외 선도 그룹과 어깨를 나란히 할 수 있는 위대한 도전을 함께할 학계와 산업계의 많은 지원 바란다”고 말했다.

- KIST, 마그네슘 금속 화학적 활성화 공정으로 충·방전 효율 높여 - 부식성 없는 일반 전해질 활용으로 마그네슘 이차전지 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 에너지저장연구센터 이민아 박사 연구팀은 부식성 첨가제가 없고 대량생산이 가능한 일반 전해질에서 마그네슘 전지의 고효율 구동을 가능하게 하는 마그네슘 금속 화학적 활성화 기술을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차, 에너지 저장장치(ESS) 시장의 급격한 성장으로 인해 리튬이온전지의 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 가운데 핵심 원자재인 리튬, 코발트 등의 수급은 특정 국가에 대한 의존도가 절대적이어서 안정적인 공급망 확보에 대한 우려가 크다. 이러한 이유로 차세대 이차전지 소재의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 그 가운데 지각에 풍부하게 매장된 마그네슘을 이용하는 이차전지도 주목받고 있다. 마그네슘을 활용한 이차전지는 리튬과 같은 알칼리 금속 이온과 달리 2가 이온인 Mg2+을 활용하기 때문에 높은 에너지 밀도를 기대할 수 있고, 특히 리튬 금속에 비해 약 1.9배 높은 용량을 가지는 마그네슘 금속을 직접 음극으로 활용할 경우 가장 높은 에너지밀도를 얻을 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 전해질과의 반응성으로 인해 마그네슘 금속의 효율적인 충·방전이 어렵다는 결정적인 단점이 상용화를 가로막고 있었는데, KIST 연구팀이 마그네슘 금속의 고효율 충·방전 반응 유도 기술을 개발해 마그네슘 이차전지의 상용화에 대한 기대감이 높아지고 있다. 특히 마그네슘의 충·방전을 촉진하기 위해 부식성 전해질을 활용하는 기존 연구와 달리 기존 상용 전해질과 유사한 성분의 일반적인 전해질을 활용함으로써 고전압 전극을 활용하고, 전지 부품의 부식 또한 최소화할 수 있게 되었다. 연구팀은 전지 조립 전에 음극으로 활용할 마그네슘 금속을 반응성 알킬 할라이드(Reactive alkyl halide) 용액에 담그는 간단한 공정으로 마그네슘 표면에 마그네슘 알킬 할라이드 올리고머 기반의 새로운 조성을 가지는 인공 보호막을 합성했다. 여기에 특정 반응 용매를 선택하면 마그네슘 표면에 나노구조가 함께 형성되어 마그네슘 충·방전이 촉진되는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 전해질과의 원치 않는 반응을 억제하고, 나노구조화를 통해 반응 면적을 극대화해 높은 효율의 마그네슘 충·방전 유도에 성공했다. 개발된 기술을 적용하면 부식성 첨가제가 없는 일반적인 전해질에서 마그네슘 금속을 충·방전 할 때 2V 이상이던 과전압을 0.2V 미만으로 낮출 수 있으며, 10% 미만이던 쿨롱 효율을 99.5% 이상으로 끌어올릴 수 있었다. 연구팀은 990회 이상 안정적인 마그네슘 금속의 충·방전을 구현해 대량생산이 가능한 일반적인 전해질에서도 마그네슘 이차전지가 안정적으로 구동됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 마그네슘 금속 표면에 계면층 형성을 원천 차단하는 부식성 전해질을 사용하던 기존 마그네슘 이차전지 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “에너지 저장시스템(ESS)에 적합한 일반 전해질 기반의 저비용, 고에너지밀도 마그네슘 이차전지의 상용화 가능성을 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노 소재 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’ (IF:18.027, JCR 분야 상위 5.652%) 최신 호에 게재됐다. [그림 1] 화학적 활성화 전 후 마그네슘 금속의 충방전 반응 비교 [그림 2] 활성화된 마그네슘 금속의 충방전 성능 ○ 논문명: Reversible magnesium metal cycling in additive-free simple salt electrolytes enabled by spontaneous chemical activation ○ 논문저자 - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 전승윤 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터)

- 그래핀과 반도체 퀀텀닷을 결합한 혼합차원소재로 상온 발광효율 8배 증가 - 디스플레이 소비전력을 획기적으로 낮춘 친환경 소재로 개발 기대 최근 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 용 헤드마운트 디스플레이, 스마트 워치 등 차세대 전자제품에 사용되는 LED의 해상도를 높이기 위해 점점 작은 발광소자가 개발되고 있다. 하지만 소자의 크기가 작아질수록 부피 대비 표면적이 늘어나기 때문에 표면에서 손실되는 전자들이 많아지면서 발열이 발생하고 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 정대환 박사팀이 2차원 소재인 그래핀과 0차원 소재인 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점)을 결합한 혼합차원소재를 개발하여 상온 발광효율이 8배까지 증가된 발광 소재를 개발했다고 밝혔다. 그래핀은 1 나노미터(nm) 보다도 얇은 원자층으로 이루어져 있으면서 표면이 화학적으로 매우 안정적이기 때문에 에너지 손실이 적어 고효율 재료로 사용될 수 있다. 퀀텀닷은 이름처럼 점과 같은 작은 크기로 많은 전자를 효과적으로 가두어둘 수 있으므로 발광효율이 높다. 혼합차원 이종구조는 여러 차원의 나노소재에서 나타나는 특성들을 결합해 새로운 물성을 나타낼 수 있기 때문에 최근 광검출기, LED, 레이저 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. KIST 연구팀은 고효율 발광 특성을 얻어내기 위해, 그래핀의 2차원 소재에 대한 표면 안정성과 퀀텀닷의 전자 구속력 특성을 결합한 혼합차원 이종구조를 활용했다. 연구팀은 분자 단위로 초정밀 합성이 가능한 분자빔 성장 방법을 이용해 0차원 구조를 가진 그래핀-퀀텀닷 혼합차원 소재를 합성하고, 개발한 혼합차원 소재를 광루미네선스(Photoluminescence)로 분석해 발광효율이 기존 연구결과 대비 최대 8배까지 증가한 것을 확인했다. 이러한 발광효율 향상 효과는 그래핀과 퀀텀닷의 거리가 가까울수록 서로의 상호작용이 강해져 더욱 커졌다. KIST 정대환 박사는 “이번 연구성과는 마이크로 LED와 같이 발광소자의 크기가 작아질수록 소자 효율이 줄어드는 스케일링(scaling) 문제점의 한계를 극복하는 방안이 될 것”이라며, “디스플레이 소비전력을 획기적으로 낮추어 글로벌 에너지 절감에 기여하는 소재로 개발이 기대된다”고 설명했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 개인기초연구, 나노소재기술개발사업과 KIST 미래원천연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘Nano Letters(IF: 12.262, JCR(%): 7.764)’에 게재됐다. [그림 1] 2차원 소재인 그래핀과 0차원 소재인 퀀텀닷을 융합한 혼합차원소재를 보여준다. 퀀텀닷은 분자빔 성장을 통해서 합성된다. 화학기상증착법을 통해서 합성된 그래팬은 전사되어 퀀텀닷 소재와 융합된다. ○ 논문명: Graphene/III–V Quantum Dot Mixed-Dimensional Heterostructure for Enhanced Radiative Recombinations via Hole Carrier Transfer ○ 게재일: 2023.04.07. ○ DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00321 ○ 논문저자 - 퀀 낫 당 렁 학생연구원(제1저자/KIST 광전소재연구단) - 라파엘 추 학생연구원(제1저자/KIST 광전소재연구단) - 정대환 선임연구원(교신저자/KIST 광전소재연구단)

- 수전해 장치에 사용되는 백금 및 이리듐 사용량 대폭 저감 - 이리듐 사용량을 현재보다 1/10 수준으로 낮추면서도 높은 성능 유지 최근 탈탄소 경제 실현을 위한 노력의 일환으로 화석연료의 사용이나 이산화탄소의 배출이 없이 수소를 생산하는 그린수소의 중요성이 부각되고 있다. 하지만, 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 높은 생산비용으로 인해 그린수소의 경제성이 그리 높지 않은 것이 현실이었다. 그러던 와중에 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속의 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발되면서 생산비용을 낮출 수 있는 길이 열리고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발해 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존 장치와 동등한 수준의 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히, 다량의 백금과 금을 전극 보호층으로 사용하는 구조는 유지한 채 이리듐 촉매 사용량 저감에 초점을 둔 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 값싼 질화철로 대체하고, 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅해 수전해 장치의 경제성을 크게 높였다. 고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다. 일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1mg/cm2 가량 코팅하여 보호층으로 사용하고, 그 위에는 1-2mg/cm2의 이리듐 촉매를 코팅한다. 이처럼 수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인이다. 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/cm2 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다. 개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다. KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구로, 백금 대신 값싼 질화철을 사용한 것은 큰 의미가 있다”며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 산업통산자원부(장관 이창양) 및 KIST 주요사업의 지원으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다. [그림 1] (A) 기존 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-백금) (B) 본 개발 기술로 제조한 촉매 모양(빨강-이리듐 촉매 / 녹색-질화철) [그림 2] (A) 본 개발 전극 제조 공정 모식도 [그림 3] (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 성능 [그림 4] (A) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (B) 본 개발 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 (C) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 (D) 기존 기술로 제조한 전극을 적용한 수전해 장치의 내구성 실험 전/후 수전해 성능 [표 1] 상용 전극과 본 개발 전극의 비교 [사진 1] 백금 대신 값싼 질화철 보호층 위에 이리듐을 담지하여 그린수소 생산이 가능한 전극을 개발한 KIST 수소·연료전지연구센터 박현서 박사 연구팀 [사진 2] KIST 박현서 박사팀 연구진 ((좌)오진호 연구원(박사과정), (우)이규성 연구원(박사과정)이 개발한 성능과 내구성이 최적화된 전극을 활용하여 수전해 실험을 하고 있다. ○ 논문명: High–performance water electrolyzer with minimum platinum group metal usage: Iron nitride–iridium oxide core–shell nanostructures for stable and efficient oxygen evolution reaction ○ 논문저자 - 오진호 박사과정(제1저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 정희윤 박사(제1저자/로렌스 리버모어 국립연구소) - 박현서 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST 수소·연료전지연구센터)

- 안트라퀴논 공정 대안으로 저비용‧친환경 전기화학적 합성법 이용 - 시간 당 284kg의 과산화수소 대량 생산이 가능한 탄소 촉매 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사와 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 이재우 교수 연구팀이 고전류밀도에서도 우수한 성능으로 과산화수소 대량생산이 가능한 고효율 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 과산화수소는 표백제, 살균제부터 종이 및 펄프 산업, 반도체 산업에서의 웨이퍼 세정제까지 폭넓게 쓰이는 산업적 수요가 큰 물질이다. 그런데, 현재 산업용 과산화수소 합성에 주로 쓰이는 ‘안트라퀴논(Anthraquinone) 공정’은 고가의 팔라듐 촉매를 사용하고, 고농도의 과산화수소를 저장‧운송하는 과정에서 큰 비용이 발생한다. 또한 촉매 반응 과정에서 유기 오염물질이 발생해 환경오염을 일으킨다는 우려도 있다. 안트라퀴논 공정의 대안으로는 산소 환원반응을 통해 친환경적으로 과산화수소를 합성하는 전기화학적 합성법이 제시되는데, 저렴한 탄소계 소재를 촉매로 이용할 수 있을 뿐 아니라 저장 및 운송 단계를 거치지 않고 현장에서 과산화수소 생산이 가능한 장점이 있다. 산소 환원반응에는 산소와 수소 및 전자가 반응에 참여하기 때문에 전류 밀도가 높을수록 생산성이 향상된다. 하지만 카본 블랙과 같은 기존의 상업용 탄소 촉매는 수백 mA/cm2의 고전류밀도에서 낮은 과산화수소 촉매 선택도와 활성을 갖기 때문에 대량생산이 어렵다는 한계가 있었다. KIST-KAIST 연구팀은 500°C, 상압 조건에서 이산화탄소 가스를 흘려주면서 강한 환원제인 수소화붕소나트륨(NaBH4)과 반응시켜 붕소가 도핑된 다공성의 탄소 촉매를 합성했다. 실험과 계산과학 방법을 병행하여 개발한 탄소 촉매를 분석한 결과, 탄소 촉매 표면의 붕소(B)와 산소(O)가 같이 결합한 지점에서 과산화수소 생성률이 극대화되는 것을 규명했다. 해당 반응점은 고전류 밀도에서도 매우 높은 과산화수소 생성 효율을 보였다. 개발한 촉매를 실제 유동식 반응기에서 테스트했을 때 한 시간마다 촉매 1kg당 284kg의 과산화수소를 생산이 가능한 최고 수준의 활성을 보였고, 100시간 동안 성능 저하 없이 안정적인 과산화수소 생산이 가능했다. 제1저자인 KIST 최재원 박사후 연구원은 “본 연구는 저비용, 고효율의 탄소 기반 촉매 개발과 더불어 계산과학과의 협업을 통해 높은 활성을 갖는 산소 환원반응의 활성점을 규명하여 향후 고성능의 과산화수소 촉매개발에 대한 방향을 제시했다는 데에 의의가 있다.”라고 설명했다. 교신저자인 KIST 김종민 박사는 “물과 산소를 바탕으로 하는 친환경적 과산화수소 합성법의 경우 저렴한 탄소를 전극소재로 활용하기에 상용화의 가능성이 매우 높으며, 현장 생산 방식의 장점을 갖기 때문에 수처리와 같이 다양한 산업분야로 응용확장이 가능하다”고 말했다. KIST 연구팀은 탄소 소재 촉매의 활성도를 높이기 위해 붕소와 같은 비금속 원소를 도핑하는 방법 외에도 코발트 금속 단원자를 산화 카본 블랙에 담지하여 우수한 전기화학적 과산화수소 생성 특성을 가지는 촉매를 개발했다. 해당 촉매를 전기펜톤산화공정의 전극 소재로 활용했을 때 우수한 과산화수소 생성 특성으로 인해 기존 전극보다 훨씬 더 빨리 유기 오염물을 분해하는 것을 확인해 수처리 분야로의 응용 가능성을 보였다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업, 선행융합연구사업, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업, 나노및소재기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.93%)에 3월 2일 및 3월 20일 두 편의 온라인 논문으로 각각 출판되었다. [그림 1] 이산화탄소 전환 반응으로 합성된 과산화수소 생성용 고효율 탄소 소재 모식도 [그림 2] 계산과학 시뮬레이션을 이용한 이산화탄소 전환 촉매의 과산화수소 생성 반응 활성점 규명 [그림 3] 이산화탄소 전환 탄소 촉매의 고전류밀도 과산화수소 생성률 비교 및 장기 안정성 테스트 [그림 4] 과산화수소 생성용 고효율 코발트 단원자 촉매 및 전기펜톤산화 공정 모식도 [그림 5] 전기펜톤산화를 통한 수처리 응용(메틸렌블루 염료 제거) [사진 1] KIST 연구진(좌측 : 장웬준 연구원/우측 : 최재원 박사후연구원)이 개발한 고성능 탄소 촉매를 활용한 유동식 반응기에서 전기화학적 과산화수소 합성 실험을 진행하고 있다. [사진 2] (좌측부터) (1) KIST 연구진이 개발한 고효율 저비용의 붕소도핑된 탄소 촉매 (2) 촉매를 도포한 전극, (3) 코발트 단원자가 담지된 탄소 촉매 ○ 논문명: CO2-derived edge-boron-doped hierarchical porous carbon catalysts for highly effective electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.07.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122557 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 이홍우 박사후연구원(제1저자/물질구조제어연구센터) - 변아영 박사(제1저자/KAIST) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터) - 이재우 교수(교신저자/KAIST) ○ 논문명: Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production ○ 게재일: 2023.08.15(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122712 ○ 논문저자 - 최재원 박사후연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 김수연 박사후연구원(제1저자/KIST 계산과학연구센터) - 장웬준 학생연구원(제1저자/KIST 물질구조제어연구센터) - 한상수 책임연구원(교신저자/KIST 계산과학연구센터) - 김종민 선임연구원(교신저자/물질구조제어연구센터)

- 도심형 항공 모빌리티(UAM) 등에 적용 가능한 100% 자기강화복합재료 개발 - 기존 연구성과 대비 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성 대폭 향상 도심형 항공 모빌리티(UAM)와 같은 미래 이동수단이 현실화되기 위해서는 연료 효율성은 높이면서 탄소 배출을 줄여야 하는데, 이를 위해서는 우수한 물성을 띠면서 재활용도 가능한 새로운 소재 개발이 반드시 필요하다. 자기강화복합재료(self-reinforced composite, SRC)는 가격이 저렴하고, 경량성이 뛰어날 뿐만 아니라 강화재와 기지재가 동일한 성분으로 구성되어 폐기 및 재활용 측면에서 이점이 있다. 이 때문에 항공기 등에 사용되는 탄소섬유강화복합재료(carbon fiber-reinforced composite)를 대체할 차세대 복합재료로 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 전자파솔루션융합연구단 김재우 박사가 한양대학교(총장 이기정) 김성훈 교수, 전북대학교(총장 양오봉) 김성륜 교수와 함께 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 고분자 한 종류만을 사용한 100% 자기강화복합재료를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 지금까지는 자기강화복합재료의 제조공정에서 유동성 및 함침성을 향상시키기 위해 강화재 혹은 기지재에 화학적으로 다른 성분을 혼합해왔기 때문에 물성과 재활용 가능성 모두 떨어지는 문제가 있었다. 공동연구팀은 4축 압출 공정을 통해 폴리프로필렌 매트릭스의 사슬 구조를 조절하여 용융점, 유동성 및 함침성을 제어하는데 성공했다. 개발된 자기강화복합재료는 접착강도, 인장강도 및 충격 저항성이 기존 연구결과 대비 각각 333%, 228%, 2700% 향상된 최고 수준의 기계적 물성을 달성했다. 소형 드론의 프레임 소재로 해당 재료를 적용했을 때 기존 탄소섬유강화복합재료 대비 52% 가볍고, 비행시간은 27% 증가해 차세대 모빌리티 적용 가능성을 확인했다. 한양대학교 장지운 박사 후 과정 연구원(공동 제1저자)은 “연구에 도움을 주신 모든 분들에게 감사드리며, 앞으로도 대한민국의 차세대 모빌리티 전반에 기여할 수 있는 연구를 수행하길 희망한다”고 밝혔으며, 김성훈 지도교수(공동 교신저자)는 “전북대, 한국과학기술연구원, 남전산업과 현대자동차와 함께 교류하여 값진 연구 성과를 창출해 기쁘다”며 “자기강화복합재료는 탄소중립 주도권을 확보하면서 차기 미래 모빌리티 산업을 선도할 수 있는 소재로써 활용가능하다”고 밝혔다. KIST 김재우 박사(공동 제1저자)는 “이번에 개발한 100% 자기강화복합재료 엔지니어링 공정은 산업계에 즉시 적용될 수 있는 것으로 공동연구팀과 남전산업 및 현대자동차 등 산업계와 지속적으로 협력해 자기강화복합재료의 글로벌 경쟁력을 확보하겠다”고 향후 계획을 밝혔다. 전북대학교 유기소재섬유공학과 이혜성 박사과정(공동 제1저자)은 “박사과정으로서 자기강화복합재료 연구를 수행하면서 나온 결과가 좋은 논문으로 결실을 맺어 기쁘고, 이러한 연구들이 학술적 및 산업적으로 다양하게 적용되길 희망한다”며 “연구를 지도해주신 지도교수님과 많은 도움을 주신 다른 저자분들께 감사하다”고 밝혔다. 김성륜 지도교수(공동 교신저자)는 “긴 세월 묵묵히 학업과 연구에 매진하면서 스스로 박사로서 가치를 증명한 이혜성 박사과정에게 박수를 보내고 싶다”면서 “학술적으로는 한국과학기술연구원과 한양대와 인력의 실시간 교류가 가능한 새로운 학술연구 플랫폼에 기초하여 세계적인 연구성과를 창출했다는 것과 산업적으로는 남전산업과 현대자동차와 함께 자기강화복합재료의 글로벌 리더쉽을 확보했다는 것이 대단히 고무적이다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회(NST)의 ‘미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발’ 융합연구단 사업(CRC22031-000), 한국연구재단 기초연구사업(2016R1A6A1A03013422), 중견연구자지원사업(2021R1A2C11093839), 교육부(장관 이주호)의 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)으로 수행되었다. 연구결과는 화학공학 분야 세계적인 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ (IF:16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신호에 게재되었다. [그림 1] 폴리프로필렌(PP) 자기강화복합재료 정의 및 장점 [그림 2] 100% 자기강화복합재료 제조 공정 및 적용 모식도 ○ 논문명: True self-reinforced composites enabled by tuning of molecular structure for lightweight structural materials in future mobility ○ 게재일: 2023.06.01(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142996 ○ 논문저자 - 김재우 책임연구원(제1저자/KIST 전자파솔루션융합연구단) - 장지운 박사(제1저자/한양대학교) - 이혜성 박사과정(제1저자/전북대학교) - 김민국 선임연구원(교신저자/KIST 구조용복합소재연구센터) - 김성훈 교수(교신저자/한양대학교) - 김성륜 교수(교신저자/전북대학교)

- 광경화 과정 없이 조직 재생을 유도하는 3D 바이오 프린팅 잉크 개발 - 인공장기 등 환자 맞춤형 재생 치료기술로 응용 기대 초고령화 사회로의 진입과 더불어 사고로 인한 부상, 만성질환의 증가 등으로 인공장기나 조직과 같은 생체재료 개발이 활발하다. 최근에는 세포와 생체재료를 사용해 3차원의 인공조직 구조를 구현하는 3D 바이오 프린팅 기술이 크게 주목받고 있다. 그런데, 바이오 잉크로 가장 많이 사용되는 하이드로겔의 경우 광경화 과정에서 사용되는 화학적 가교제와 자외선으로 인해 체내에서 세포 독성을 일으킬 수 있다는 문제가 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체 재료 연구단 송수창 박사 연구팀은 광경화 과정 없이 온도 조절 만으로 물리적인 구조를 안정적으로 유지하고, 조직 재생을 유도한 후 일정 시간이 지나면 체내에서 생 분해되는 폴리포스파젠 하이드로겔 기반의 온도 감응성 바이오 잉크를 최초로 개발했다고 밝혔다. 기존의 하이드로겔 기반 바이오 잉크는 출력 후 3차원 지지체의 물리적 강도를 강화하기 위해 사용되는 광경화 과정을 반드시 거쳐야 하고, 조직 재생 효과를 증대 시키기 위해 외부 배양 세포를 이식함으로써 인체 내 부작용의 위험성이 컸다. 이에 연구팀은 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤로 변화하는 특성을 지닌 온도 감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 이용해 새로운 바이오 잉크 소재를 개발했다. 이를 통해 화학적 가교제나 자외선 조사 과정 없이 온도 조절 만으로 조직 재생이 가능하며 물리적으로 안정적 구조를 가진 3차원 지지체를 제작해 인체의 면역 부작용 발생 가능성을 최소화할 수 있게 되었다. 개발된 바이오 잉크는 또한 조직 재생에 도움을 주는 단백질인 성장 인자와 상호작용 할 수 있는 분자 구조로 되어 있어 세포의 성장 및 분화, 면역 반응 등을 조절하는 성장 인자를 장기간 보존할 수 있다. 연구팀은 바이오 잉크를 통해 출력된 3차원 지지체 내에 세포의 분화를 자율적으로 조절할 수 있는 환경을 유도함으로써 조직 재생 효과를 극대화할 수 있었다. 연구팀은 세포 유입과 뼈 재생에 필요한 전환 성장 인자 베타 1((Transforming growth factor beta 1, TGF-β1)과 골 형성 단백질(Bone morphogenetic protein-2, BMP-2)을 포함한 바이오 잉크를 3D 바이오 프린터로 출력해 3차원 지지체를 제작한 뒤 쥐의 뼈 손상 부위에 이식하는 실험을 수행했다. 그 결과 주변 조직으로부터 세포가 지지체 안으로 유입되어 뼈가 정상 조직 수준으로 재생되었으며, 이식된 3차원 지지체는 체내에서 42일에 걸쳐 서서히 생 분해되는 것을 확인할 수 있었다. KIST 송수창 박사는 “연구팀은 지난 2022년 6월 온도 감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 ㈜넥스젤바이오텍에 기술 이전해 골이식재, 성형필러 등의 제품 개발을 진행하고 있다."며, "이번에 개발된 바이오 잉크는 그 자체의 물리적 특성을 달리해 뼈 조직 외에 다른 조직의 재생에도 적용하는 후속 연구를 진행 중이며, 최종적으로는 부위 별 조직 및 장기 맞춤형 바이오 잉크를 제품화할 수 있을 것으로 기대한다."라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 'Small'(IF : 15.153, JCR 분야 상위 7.101%) 최신 호에 표지 논문(Inside back cover)으로 게재되었다. [그림 1] 온도에 따른 성장인자를 포함한 바이오 잉크의 물리적인 강도 변화 및 3차원 지지체 프린팅 [사진 1] KIST 연구진이 개발한 온도감응형 하이드로겔 기반의 새로운 바이오잉크(가운데)와 이를 이용하여 3D바이오 프린팅 기술로 제작된 3차원 지지체(좌, 우) [그림 2] 바이오 잉크로 3D 프린트한 지지체를 뼈 손상 부위에 이식 후 생분해와 뼈 재생효과 확인 [사진 2] KIST 김준 위촉연구원(제1저자)가 3D 바이오 프린터로 출력한 조직재생용 3차원 지지체를 살펴보고 있다 [사진 3] 이번 기술을 개발한 KIST 연구진.((좌측, 제1저자) KIST 김준 위촉연구원, (우측, 교신저자)KIST 송수창 책임연구원) [그림 3] 표지논문(Inside back cover) 선정 이미지 ○ 논문명: Thermo-Responsive Nanocomposite Bioink with Growth-Factor Holding and its Application to Bone Regeneration ○ 게재일: 2022.12.26. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202203464 ○ 논문저자 - 김준 위촉연구원(제1저자/KIST 생체분자인식연구센터) - 정훈기 책임연구원(제1저자/KIST 생체분자인식연구센터)

- KIST, 열건조 활성탄 개발로 질소계 악취물질 흡착효율 최대 38배 향상 - 암모니아 등 질소계 악취가스의 흡착 메커니즘 최초 규명 일상생활에서 악취가스는 정화조, 하수시설, 축산 농가, 폐기물 처리시설 등 다양한 곳에서 발생하기 때문에 이로 인한 민원이 끊이지 않고 있다. 환경부에 따르면 2017년~2021년 악취 관련 민원은 17만 5,456건으로 매년 약 4만건의 민원이 접수되고 있으며, 이러한 악취 관련 민원에 대응하고 체계적인 악취 관리를 위해 악취방지법(2005년 제정)을 시행 중이다. 악취가스는 기본적으로 불쾌감을 주고, 눈, 코, 호흡기를 강하게 자극하는 등 인체에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 주변 환경에도 영향을 줄 수 있어서 이를 제거하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 대표적인 악취 제거 방법은 활성탄을 흡착제로 사용하는 것인데 재활용성이 낮고, 복합 악취가스의 경우 원인물질을 제거하는데 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 지속가능환경연구단 이지원·오영탁 박사 연구팀은 공기 중 4종의 질소계 악취물질(암모니아, 에틸아민, 디메틸아민, 트리메탈아민) 제거성능을 획기적으로 향상시킨 활성탄 제조기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 악취물질 제거를 위한 활성탄의 흡착효율을 높였을 뿐만 아니라 흡착제와 악취가스 간 흡착 메커니즘 또한 최초로 규명해 복합 악취물질에 대한 다양한 형태의 흡착제를 개발할 수 있게 되어 주목을 받고 있다. 연구팀은 질산을 이용해 활성탄을 산화시킨 후 열 건조 과정을 통해 표면의 산화정도를 정밀하게 제어함으로써 질소계 악취물질의 흡착효율을 높일 수 있었는데, 가장 많이 산화된 열 건조 활성탄의 경우 기존의 활성탄 대비 악취물질 제거 효율이 최대 38배 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 산화된 활성탄 표면에 있는 산소 원자가 질소계 악취분자에 포함된 아민과 강한 수소결합을 하기 때문이라는 사실도 최초로 밝혀냈다. 활성탄 표면에서 아민과 더 많은 수소결합을 형성될 수 있도록 산화 정도가 높아져 질소계 악취물질이 더 잘 흡착되는 원리이다. 또한, 일반적인 가스반응과 달리 흡착제와 악취물질 간의 상호작용은 양성자 친화도 보다 얼마나 많은 수소결합이 일어나는지에 더 큰 영향을 받는다는 것이 이번 연구를 통해 밝혀졌다. 한편, 열 건조 활성탄은 질소계 악취물질 중 흡착 효율이 가장 낮았던 트라이메틸아민에 대한 선택성이 13배 이상 높은 것으로 나타나 더 높은 흡착력으로 트라이메틸아민 제거 또한 가능해졌다. 트라이메틸아민은 국내에서 법으로 규제되는 지정악취물질로 농업, 쓰레기 매립장, 하수 및 폐수처리장에서 많이 발생하는 악취의 대표적인 원인이다. 특히, 열 건조 활성탄은 트라이메틸아민에 대해 평균 93.8%의 재활용성을 지녀 기존 활성탄의 재활용 수치인 63% 대비 높은 경제성을 나타냈다. KIST 이지원 박사는 “악취가스의 흡착 메커니즘 규명을 통해 특정 가스 제거에 특화된 소재를 개발할 수 있으며, 산화과정을 거친 열 건조 활성탄은 생산방법이 비교적 간단하고, 재사용도 가능하기 때문에 필터, 마스크 등 정화장치의 소재로 응용될 수 있을 것으로 생각한다.”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 환경과학분야 국제학술지 “Journal of Cleaner Production(IF: 11.072, JCR 분야 상위 8.423%) 최신호에 게재되었다. [그림 1]열건조 활성탄의 흡착 메커니즘 및 질소계 악취물질의 흡착성능 [그림 2] DFT계산 결과 및 열건조 활성탄의 질소계 악취물질 선택성 ○ 논문명: Adsorption Enhancement of Hazardous Odor Gas using Controlled Thermal Oxidation of Activated Carbon ○ 게재일: 2023.03.20. ○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.136261 ○ 논문저자 - 표수열 학생연구원(제1저자/KIST 지속가능환경연구단) - 이지원 선임연구원(제1저자/KIST 지속가능환경연구단) - 오영탁 책임연구원(교신저자/KIST 지속가능환경연구단)

- KIST, 탄소포집공정이 필요 없는 단순화된 이산화탄소 전환공정 개발 - 기존 이산화탄소 전환기술 대비 경제성, 친환경성 모두 높여 대부분의 사람들이 일상생활에서 기후 위기를 체감할 정도로 탄소중립은 인류가 직면한 생존의 문제가 되고 있다. 탄소중립 구현을 위한 여러 방법 중 하나인 온실가스인 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS, Carbon dioxide Capture Utilization and Storage) 기술은 이산화탄소 감축을 위한 혁신 기술로 주목받고 있다. CCUS는 테슬라의 최고경영자(CEO) 일론 머스크가 2021년부터 4년간 1억 달러의 상금을 분배하겠다고 밝혔던 바로 그 기술이다. 이산화탄소의 고순도화, 압축, 분리 및 재사용 과정에서 소모되는 에너지가 워낙 커서 이러한 기술의 실용화 전망을 어둡게 하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정에너지연구센터 이웅 박사, 원다혜 박사 연구팀은 액상 흡수제에 포집된 이산화탄소를 전기화학적으로 직접 전환해 고부가가치 합성가스를 생산하는 공정을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 현재까지 CCUS 기술의 한계로 지적되어 온 경제성 문제를 해결할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 연구팀이 개발한 이산화탄소 전환공정은 액상 흡수제에 포집된 고순도 기체 이산화탄소를 활용하기 때문에 기존의 복잡하고, 많은 에너지가 소모되는 이산화탄소의 고순도화 및 압축 과정을 생략할 수 있다. 이 때문에 기존 CCUS 기술 대비 가격경쟁력이 높고, 탄소배출 저감효과가 크다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 미반응 이산화탄소는 여전히 액상 흡수제에 포집되어 있기 때문에 생성물인 합성가스와의 추가 분리 공정 또한 필요 없고 합성가스의 수소와 일산화탄소 비율을 손쉽게 제어할 수 있다는 것도 또 다른 장점이다. 한편, 연구팀은 최적의 흡수제 선정, 반응 촉매 개발, 전기화학 반응기 개발, 장시간 운전 안정성 검증과 관련한 실험을 수행하여 액상에서의 이산화탄소 직접 전환 반응 효율을 극대화할 수 있었다. 또한, 개발 공정에 대한 상용화 가능성을 확인하기 위해 상용급 공정에 대한 컴퓨터 모델링 시뮬레이션 연구도 수행했다. 이 밖에도 기술경제성 및 전 과정 평가를 통해 새로 개발한 이산화탄소 전환공정은 기존 CCUS 기술 대비 생산 단가 27.0% 절감 및 탄소배출 75.7% 저감이 가능할 것으로 예상하였다. 뿐만 아니라 화석연료 기반 기술 중심으로 형성된 화학 시장 가격과 비교해도 대등한 가격경쟁력을 확보할 수 있었다. 특히, 합성가스의 경우는 기존 전환기술 대비 27.02% 생산 단가가 절감(생산 단가를 $0.89/kg 에서 $0.65/kg까지 절감할 수 있으며 탄소배출은 1.13kg CO2/kg에서 0.27kg CO2/kg 저감이 가능하다. 개발된 이산화탄소 전환공정을 화력발전소 등 이산화탄소 대량 배출원에 설치할 경우, 낮은 비용으로 이산화탄소 저감과 동시에 에틸렌 등 고부가가치 화합물을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 원다혜 선임연구원은 “개발된 기술은 포집된 이산화탄소를 활용해 전기화학적으로 고농도 합성가스를 효율적으로 합성하는 기술적 진보를 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다.”고 밝혔다. 연구책임자인 KIST 이웅 책임연구원은 “이산화탄소를 활용하는 다양한 전기화학적 전환 시스템에 응용 가능할 것으로 기대하고 있으며, 향후 이를 위한 연속 공정 실증 및 기업으로의 기술이전을 추진할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 “유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구 결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF 17.694, JCR 7.432%)’에 12월 5일 게재되었다. [그림 1] 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)과 기존 기술과의 차이점 [그림 2] 단순화된 이산화탄소 전환 공정 [그림 3] 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)의 개략도 [그림 4] 화석연료 기반 기술 대비 새로운 이산화탄소 활용 기술(RSA 공정)의 가격경쟁력 ○ 논문명: Toward economical application of carbon capture and utilization technology with near-zero carbon emission ○ 게재일: 2022.12.05. ○ DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-35239-9 ○ 논문저자 - 탁경재 박사후연구원(제1저자/KIST 청정에너지연구센터) - Langie 박사과정생(제1저자/KIST 청정에너지연구센터) - 이웅 책임연구원(교신저자/KIST 청정에너지연구센터) - 원다혜 선임연구원(교신저자/KIST 청정에너지연구센터)