고가의 귀금속 대신 저렴한 코발트계 촉매로 수소 에너지 상용화 앞당겨 - KIST, 내구성 높은 고효율, 저가형 수소 및 산소 발생을 위한 촉매 개발 - 친환경 물분해과정을 통한 수소에너지 보급에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전세계적으로 다양한 연구가 진행중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 코발트계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매보다 비용이 약 0.01배로 저렴하고 성능은 거의 동일한 수준으로 제작이 가능해 수소 에너지 상용화를 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 류재윤 연구원은 자체로 음극에서 높은 수소 발생성을 띄는 인화코발트 나노입자를 산화전위 산소발생 반응의 전구촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있지만, 건물크기 수준의 대용량 수조가 필요해 도심에서 쉽게 사용하기 위해서는 전극을 소형화해야 하는 등의 해결과제가 남아있다. 현재는 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 우수하지만 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구되고 있다. 전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 +극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다. +극은 반응은 4개의 전자가 관여되는 복잡한 반응이기 때문에, 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리고, 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 필요로 한다. 따라서 가격이 낮으면서도, 추가 전압이 낮고, 안정성은 높은 양극 원료의 개발이 필요하다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 귀금속인 이리듐 및 루세늄 기반의 산소발생 촉매와 비슷한 성능의 저가의 코발트기반 화합물로 촉매를 제작하고 산소발생이 일어나는 높은 전압조건에서 해당물질의 구조의 변화를 인과 코발트와의 상호작용을 통해 제어함으로써 산소 발생이 극대화된 촉매를 제작할 수 있었다. 연구팀은 코발트와 인이 조합된 인화코발트 나노입자를 최종 촉매 물질의 전단계 상태의 물질인 전구체로 사용하게 되면 물질이 산소를 발생시키는 전압의 위치인 산화전위에 노출 될 때 자체적으로 물질이 조립되는 양상이 독특하다는 점을 발견하였다. 연구팀은 인화코발트에 존재하는 포스페이트(인의 산화형 구조)가 나노입자의 변이과정에 관여되는 것으로 보이며, 궁극적으로 독특한 미세한 그물구조의 분산된 형태와 분자 클러스터구조를 갖게 된다고 밝혔다. 유도된 분자 클러스터 구조는 높은 산화수준을 유지해 산소 발생에 유리한 촉매환경을 극대화시킬 수 있다. 이렇게 활성화된 코발트 화합물은 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 소량만 사용해도 10 mA/cm2 의 전류를 얻는데 0.36 V 만의 낮은 과전압이 소요된다. 이는 최고의 귀금속 이리듐 촉매의 과전압이 약 0.35V인 점을 감안할 때 세계최고수준이라 할 수 있다. 내구성 역시 뛰어나 높은 전류와 전압 조건에서 운행된 12시간 동안의 물분해 조건에서도, 성능이 거의 감소되지 않는다. 이는 기존의 코발트 옥사이드 촉매와 귀금속계 촉매보다도 오히려 뛰어난 내구성을 보인 것이다. 인화코발트 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 코발트를 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 더욱이, 인화코발트 화합물을 합성하는 조건 역시 단일 단계의 공정이기 때문에 제작 비용이 저렴하고, 효율은 높은 촉매를 쉽게 만들 수 있다. 또한, 인화코발트 나노입자는 양극뿐 아니라, 음극에서도 수소발생반응성이 높아, 양극 산소발생반응 촉매뿐 아니라 음극에서도 사용이 가능해, 한 가지 재료를 양기능성 촉매로 활용이 가능하다. KIST 유성종 박사는 “산소발생반응 촉매의 전구체라는 관점에서 나노입자를 제어해 실제로 작동하는 활성화된 촉매의 물리적 화학적 구조를 제어했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다”며, “이번 연구로 수소에너지 보급 및 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 촉매 분야의 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 7월 2일에 게재되었다. 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Most Read Articles 에 선정된 바 있다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원(출원번호:2015-0003543) 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. <그림1> 인화코발트 나노입자를 통한 수소 및 산소발생 반응. 인화코발트 나노입자는 산소발생반응 활성화 촉매의 전구체이며 자체로 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 합성된 인화코발트 나노입자의 구조분석 <그림 3> 산화전위에 노출 후 자발적으로 변화되는 인화코발트 나노입자

원하는 곳에 레이저로 그래핀을 바로 합성 - 통신용 레이저를 이용해 광학소자 내의 원하는 부분에 그래핀을 직접 합성 - 높은 광학적 비선형성을 갖는 나노소재인 그래핀을 응용하여 실용적인 펨토초의 초고속 펄스 레이저 구현 고성능의 전자 소재로 알려진 그래핀 (graphene)은 다양한 소재로도 많이 연구 되면서 응용 분야를 넓혀 가고 있다. 흑연을 박리하면 손쉽게 제작할 수 있는 그래핀의 품질과 형상을 제어하기 위해 합성 그래핀을 개발하려는 노력이 활발하지만, 이 경우에도 실제 사용되는 기판위로 옮기는 전사 공정에서 품질이 떨어지고 손상이 발생해 연구에 걸림돌이 되어 왔다. 국내 연구진이 통신용 레이저를 이용해 광소자내에 원하는 위치에 그래핀을 바로 합성하는 기술을 개발했다. 초고속 데이터 송신에 쓰이는 광학소자 및 초소형 전자 소자 등의 발전을 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 “통신용으로 사용되는 레이저를 이용하여, 광소자 내 원하는 위치에 그래핀을 직접 합성하고 이를 기반으로 광학적 비선형 소자를 구현”하는데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 탄소가 함유된 니켈 층을 가열하게 되면, 탄소가 니켈 층 밖으로 확산되어 나오면서 석출됨과 동시에 그래핀이 형성되는 현상에 대해 지속적인 연구를 해 오고 있었다. 이번 연구에서는 그래핀이 생성 될 광섬유의 끝면에 니켈을 증착하고, 형성 된 니켈 층만을 국부적으로 가열하기위해 광학소자에서 일반적으로 쓰이는 통신용 레이저를 사용했다. 연구팀은 광섬유 기반의 광학소자에서 광 데이터의 제어에 사용 되는 통신용 레이저를 광섬유 끝면에 코팅된 니켈 층에 쬐었다. 이렇게하면 니켈 층 내에 불순물로 포함 되어 있던 탄소 성분이 광섬유와 니켈 층 사이에 석출되면서 그래핀이 합성 되는 것이다. 연구팀이 개발한 그래핀 합성법은 (1) 전사의 과정이 필요 없이 고품질 그래핀 기반의 소자를 제작하는 것이 가능하고, (2) 특별한 진공 환경이나 합성에 필요한 높은 온도, 또는 추가적인 레이저와 같은 외부 에너지원이 불필요 하며, (3) 그래핀을 구성하는 성분인 탄소 원자를 외부에서 별도로 공급하지 않고 금속에 포함된 불순물을 이용 할 수 있고, (4) 최종 합성 하고자 하는 그래핀의 미세 모양과 위치에 대한 제어가 가능하다. 또한 (5) 미세 가열 영역 이외의 다른 모든 부분이 상온을 유지하여 추후 플렉서블 기판에 적용이 가능한 장점이 있다. 이러한 통신용 레이저의 사용은, 광학소자에서 기존에 사용되고 있던 레이저를 합성용으로 출력을 높게 손쉽게 전환하여 사용 한 후, 다시 통신용으로 전환이 가능해 원래 레이저를 그대로 사용할 수 있다는 면에서 추가 장비와 공정 등의 도입 비용이 들지 않아 효과적이다. 또한 증착된 니켈 층은 용도에 따라 형성된 그래핀 층과 함께 비선형거울 (nonlinear mirror)로 사용 될 수도 있으며, 그래핀 층만이 요구되는 환경에서는 간단한 금속 에칭을 통하여 니켈 층을 제거한 후 순수한 그래핀 층을 얻을 수도 있어 다양한 곳에 응용이 가능하다. 또한, 연구팀은 각각 출력이 다른 두 개의 레이저 빔을 동시에 증착 된 니켈 층에 쬐여주어, 높은 출력의 레이저는 그래핀 합성을 유도하고, 낮은 출력의 레이저는 그래핀 합성에 대한 실시간 모니터링을 수행 할 수 있도록 광학 실험 장치를 구성하기도 하였다. 광학 소자의 표면에 합성된 그래핀에 대해서는, 그래핀의 합성에 있어서 가장 기본적으로 사용되는 라만 분석과 더불어, 전자 현미경을 통한 미세 이미지 관찰, 원자간 결합력 검사를 통한 생성 결합의 정량적 분석 및 원자힘 현미경 등을 통해 그 성분을 분석한 결과 그래핀이 성공적으로 합성되었음을 증명할 수 있었다. 연구진이 합성한 그래핀은, 그래핀이 갖는 높은 광학적 비선형성인 ‘포화흡수 (saturable absorption)’라는 특성을 이용하여, 일반 연속파 (continuous wave; CW) 레이저를 극초단파인 펨토초 (femtosecond) 레이저로 변환하는데 사용 되었다. 이러한 펨토초 레이저의 구현은, 단순한 그래핀의 소자 응용을 뛰어 넘어, 미세한 영역에서 실제로 그래핀이 합성이 되었고, 그 합성된 그래핀이 레이저와 올바르게 상호작용 하고 있음을 보인 것다. 연구진이 개발한 그래핀 합성 방법은, 향후 초고속 대용량 데이터를 다루는 광학소자 뿐 아니라, 복잡한 디자인의 그래핀을 요구하는 초소형 전자소자, 그리고 이들 간의 집적된 혼성 소자의 고효율화에 획기적인 발전을 가져오리라 기대 된다. 제1저자인 KIST Pulak C. Debnath 학생연구원은 “높은 광학적 비선형성을 갖는 그래핀이 광학소자 내에 직접적으로 합성 된 것이 보고된 것은 처음이다”며, “앞으로의 초고속 초대용량 데이터 전송/저장/처리에서 실리콘 기술이 갖는 한계를 극복하기 위한 차세대 기술로서 집적화 포토닉스 기술을 구현하고 현실화 하는데 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 Advanced Optical Materials 최신호에 “In Situ Synthesis of Graphenen with Telecommunication Lasers for Nonlinear Optical Devices” (DOI: 10.1002/adom.20150104)라는 제목으로 게재되었다. <그림자료> 그림 1. 그래핀 합성 모식도. (a) 광섬유 끝에 증착된 다결정 니켈 층에 연속파의 통신용 레이저를 조사하여, 니켈 층 내에 함유된 탄소 원자들의 확산을 유도하고 니켈/광섬유 경계면에서 그래핀이 형성하도록 하며, 최종적으로 니켈 층을 에칭하여 제거함으로써 순수한 그래핀이 광섬유 위에 구현 될 수 있게 한다. (b) 실제 광섬유 페룰 끝에 제작된 니켈/그래핀 소자. 그래핀 생성 후 (c)니켈 층을 거울로 이용한 비선형 광학 소자와 (d) 니켈 층을 에칭하여 제거한 비선형 광학 소자의 모식도. 그림 2. 광섬유 끝단에 형성 된 그래핀을 이용하여 제작된 초고속 펨토초 광섬유 레이저의 모식도. EDF: Er이 도핑된 광섬유, WDM: 파장다중분할장치

전기없이 나노 자석 양 끝의 온도 차이로 동작하는 차세대 스핀 메모리 소자 개발 - 전기를 가하지 않고 나노 자석 양쪽 끝의 온도 차이를 이용해 스핀 전류를 발생시킴으로써 메모리 소자에 정보 기록 - 스핀 열전효과를 이용하여 메모리 소자를 작동시킴으로써 전력소비 문제를 획기적으로 개선 차세대 메모리로 주목받는 스핀트로닉스 메모리 소자를 전력 소모없이 나노 자석 양 끝의 온도 차이로만으로 구동시키는 기술이 국내외 과학자들의 공동연구로 개발됐다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단의 최경민 박사가 주저자 및 교신저자로 참여하고, KIST 민병철 박사, 고려대 이경진 교수, 일리노이주립대 David G. Cahill 교수 등 국제 공동 연구진이 수행한 이번 연구는 Nature Physics 온라인 판에 “금속 스핀-밸브 구조에서 스핀 의존 제백 (Seebeck)효과에 의한 열적 스핀전달토크”라는 제목으로 6월 8일에 게재되었다. 전자가 스스로 회전하는 운동을 스핀이라고 하는데, 이를 이용해 수 나노미터의 크기의 나노 자석에 정보를 저장하는 것이 스핀트로닉스 메모리 기술이다. 전자의 스핀이 일정한 방향으로 정렬되어 흐르면 스핀전류가 발생하고, 이를 이용하여 나노 자석에 정보를 기록해 메모리로서 작동할 수 있다. 이러한 스핀트로닉스 메모리는 기존 D램 등의 반도체에 비해 전력을 공급하지 않아도 정보가 지워지지 않으며 용량이 큰 정보의 저장이 가능해 차세대 메모리로 각광받고 있다. 하지만, 기존 스핀트로닉스 메모리에서는 정보를 기록할 때 비교적 큰 전류가 필요한 것이 단점으로 지적되어왔다. 연구진이 개발한 기술은 외부에서 전력공급없이 나노 자석 양쪽 끝의 온도 차이만을 이용하여 스핀 메모리 소자에 정보를 기록할 수 있어 스핀 메모리 소자의 에너지 손실을 획기적으로 개선할 수 있다. 금속이나 반도체에서 양쪽 끝의 온도를 서로 다르게 유지하면 온도 차이에 의해서 전압이 발생하며, 이로 인해 외부에서 전지를 연결하지 않아도 금속이나 반도체에 전류가 흐르게 된다. 이와 유사하게 자석의 양쪽 끝의 온도를 서로 다르게 유지하면 온도 차이에 의해서 자석 안에 스핀 전류가 흐르게 된다. 서로 다른 스핀을 가진 전자들이 각각 반대방향으로 움직일 경우, 스핀 전류는 흐르지만 실제 전류는 전혀 흐르지 않을 수 있다. 이러한 방법을 이용하면 전하에 의한 전류는 전혀 흐르지 않는 상태에서 스핀 전류만을 이용하여 스핀 메모리 소자를 동작시키기 때문에 기존 기술에 비해 에너지 손실이 줄어든다. 이렇게 스핀 열전 효과를 이용하여 스핀트로닉스 소자를 동작시키는 것은 그동안 전 세계적으로도 성공하기 어려웠던 것으로 이번 연구결과로 스핀을 이용한 저전력 메모리 소자 및 통신 소자 개발에 한걸음 더 다가섰다는 평가이다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 미래융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업, 그리고 한국과학기술연구원의 기관고유사업 및 KU-KIST 융합대학원 프로그램의 지원으로 수행되었다. *(논문명) “Thermal spin transfer torque driven by spin-dependent Seebeck effect in metallic spin-valve structures” - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 최경민 박사 <그림자료> <그림 1> 초고속 레이저를 이용해 왼쪽에 위치한 자석 (FM1)에 온도 차이를 만들고, 스핀의존 제백 효과에 의해 스핀 전류 (Js)를 발생시켰다. 이 스핀전류가 오른쪽에 위치한 자석 (FM2)으로 흐르면서 나노 자석의 N극·S극의 방향을 회전시킬 수 있었다. 스핀을 이용한 정보저장 소자에서는 자석의 N극·S극의 방향으로 정보를 저장하므로 자석의 방향을 제어하게 되면 나노 자석내의 정보 제어가 가능해짐을 의미한다.

신호 손실이 없는 스핀-전기 전환효과를 이용한 차세대 전자소자 개발 - 전력손실은 작고 속도는 빠른 차세대 반도체개발 가능성 높여 □ 스핀트로닉스 소자는 전자의 전기적 특성과 자기적 특성을 모두 이용하는 차세대 전자소자로써 실리콘 이후 차세대 반도체 소자분야에서 가장 주목받는 후보이다. 스핀이 시계방향으로 돌면 “0”, 반대방향으로 돌면 “1”로 인식하여 전자 하나가 1비트가 되는 것이인데, 전자의 스핀은 제어하기 어려운 특성이 있어 스핀정보를 전압으로 제어하고 전기신호로 바꾸는 것이 스핀트로닉스 소자의 활용여부를 가늠하는 핵심이다. 현재까지 가장 널리 알려진 방법은 스핀을 홀 전압으로 전환하는 스핀 홀 현상을 이용하는 것이다. 기존에 스핀 홀 현상을 이용한 소자는 스핀정보가 전기신호로 바뀌는 과정에서 전자간에 충돌이 발생하였는데 본 연구에서는 전자간의 충돌 전에 원하는 전기신호로 바꾸고 이를 외부에서 제어하는 방법을 이용하여 전자소자를 구현하였다. □ 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 구현철·장준연 박사 연구팀은 “전압으로 스핀정보를 제어하고 신호 손실 없이 전기정보로 바꾸어 주는 스핀 홀 전자소자를 개발하였다”고 밝혔다. □ 일반적인 홀 효과는 전기가 흐르는 채널에서 자기력을 가하여 전자의 방향을 측면방향으로 이동시켜 측면전압을 측정하는 방법이다. 스핀 홀 현상은 이와 달리 전자가 갖고 있는 스핀방향에 따라 이동하는 방향이 달라지고 이 전자의 이동을 전압으로 측정하는 방법이다. □ 본 연구에서는 이러한 스핀 홀 현상을 이용하여 스핀정보를 전기신호로 바꾸는 것이다. 이 실험에서는 초고속 인듐비소 (InAs) 채널을 사용하여 전자간의 충돌을 거의 억제하고 충돌 전에 스핀 홀 현상을 발생시켜 전압을 측정하였다. 이러한 현상을 탄동(ballistic) 스핀 홀 현상이라고 부르고 있으며 이를 이용하면 신호의 감소를 최소화 할 수 있다. □ 또한 본 연구에서는 이러한 무손실 스핀 홀 현상전압으로 자유자재로 조절하여 트랜지스터나 로직소자로 사용가능함을 보여주었고 스핀의 주입부터 스핀의 제어까지 모두 전기신호를 이용한 세계최초의 실험이다. □ 본 연구를 기획하고 주도한 KIST 구현철 스핀융합연구단장, 최원영 연구원은 “이번에 보여준 방법은 기존소자에서 항상 존재했던 전자 간에 충돌로 인한 신호 손실을 없애고 초고속 반도체 채널이 가지는 무손실 스핀-전기 전환 현상을 이용하였기 때문에 현재 반도체 소자개발에 가장 핵심요소인 저전력화에 새로운 방법을 제시한 결과이다.”고 밝혔다. □ 최근 출범한 KIST 차세대반도체연구소를 이끌고 있는 장준연 소장은 “실리콘 이후 시대에 필요한 저전력 소자의 동작을 보여줌으로써 산업계가 실패가능성의 위험성이 있어 적극적으로 연구할 수 없는 반도체 스핀트로닉스의 상용화 가능성을 보여준 연구결과이다.” 고 밝혔다. □ 본 연구는 현재 진행되고 있는 차세대 전자소자중 가장 강력한 후보인 스핀전자소자분야에서 반도체 채널을 기반으로 한 연구에 새로운 패러다임을 제공하였다. 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 스핀전자소자는 스핀이 가지고 있는 비휘발성을 이용한 자성 금속기반 스핀토크 메모리이다. 하지만 스핀을 로직소자나 시스템 반도체에 이용하기 위해서는 반도체내의 스핀을 제어가 이루어져야 한다. 본 실험은 특히 차세대 반도체 후보인 화합물 반도체 채널과 무손실 스핀 홀 효과를 결합한 연구로 상대적으로 열세인 국내 비메모리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 예상된다. □ 본 연구 그룹은 2009년 세계최초 스핀트랜지스터 기술개발에 이어 무손실 스핀 홀 소자까지 보여줌으로써 반도체 스핀트로닉스 분야의 기술을 선점하였고 관련분야를 주도해 나갈 것으로 기대된다. □ 본 연구는 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자도약연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노분야의 세계최고 학술지인 네이처 나노테크날로지 (Nature Nanotechnology)지에 5월 25(월)일자 온라인판에 게재되었고 관련특허도 확보하였다 * (논문명) Electrical detection of coherent spin precession using the ballistic intrinsic spin Hall effect - (제1저자) (한국과학기술연구원) 최원영 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 구현철 박사 <그림자료> <그림 1>무손실 스핀 홀 연상에 의한 스핀의 이동. 스핀의 방향은 외부전압을 이용하여 그림과 같이 회전하는 정도를 조절할 수 있다 (위). 스핀의 방향에 따라 스핀의 이동하는 경로가 결정되어 그림과 같은 경로로 이동한다(아래). 이러한 전자의 경로를 이용하여 전압을 측정할 수 있다. <그림2> 스핀 홀 전자소자의 모습. 신호를 측정하기 위해 와이어를 연결한 소자(좌)와 실제 동작부의 전자현미경사진(우)을 보여주고 있다. <그림3> 분자선 결정성장을 이용한 초고속 반도체 층 제작. 분자선 증착장치(좌)를 초진공상태로 만든 상태에서 원하는 물질을 원자 한 개씩 쌓아서 원하는 초고속 반도체 채널 구조(우)를 만든다.

세포 생존에 필수적인 청소(오토파지) 장애 원인 찾다 - 세포내 자식작용 조절자 UVRAG의 저격수, Mir125a와 Mir351 규명 - EWSR1분자 이상과 관련된 루게릭병등의 신경퇴행성 질환 질환에서 고장난 자식작용의 원인 밝혀 자식작용이라 불리는 오토파지(Autophagy)는 불필요한 세포내 단백질 및 손상된 세포내 소기관을 분해하는 역할을 수행함으로써 세포의 생존 및 항상성 유지를 위한 필수적인 역할을 한다. 세포내에 비정상적인 단백질이 쌓여 주로 발생하는 신경퇴행성 질환 역시 이 과정에 오토파지가 중요한 역할을 하고 있다. 따라서, 오토파지를 높이는 물질이 치료제로서 쓰이고 있지만 약물의 작용 원리는 아직 밝혀져 있지 않다. 국제 연구진이 오토파지를 돕는 분자의 조절 매커니즘을 밝혀, 오토파지에 관련된 질병 진단 및 약물 개발에 중요한 실마리를 제공할 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌의약 연구단 류훈 박사팀은 “EWSR1/EWS(유잉육종 유전자) 결핍 상황에서 마이크로 RNA인 Mir125a와 Mir351가 증가하는 것을 발견하고 이들이 Uvrag 전사체 양을 감소시켜 오토파지(Autopagy, 자식작용)의 이상을 유발한다.”는 연구 내용을 밝혔다. 연구진은 EWSR1 유전자가 결핍된 세포에서 오토파지가 억제됨을 확인하고, 관련 메커니즘을 밝히는데 주력하였다. 그 결과 자식작용을 돕는 분자로 알려진 Uvrag분자가 EWSR1 유전자에 의해 조절되는 매커니즘을 밝혔다. EWSR1 유전자의 감소가 Mir125a와 Mir351과 같은 마이크로 RNA를 생성하는 새로운 경로에 영향을 미치고 이를 통하여 Uvrag을 감소시킴으로써 자식작용을 억제하고 있음을 밝힌 것이다. o EWSR1 유전자가 없는 세포를 관찰한 연구진은 핵속에 존재하는 RNAase III 단백질인 Drosha 효소가 증가하고 이로 인해 Mir125a와 Mir351의 생성도 증가함을 발견했다. Mir125a와 Mir351는 Uvrag 전사체를 감소시킴으로써, 결과적으로 세포내 자식작용을 억제하는 원인이 되고 있었다. 연구팀은 생쥐의 뇌, 피부, 척추 등 다양한 부위에서 관련 매커니즘을 조사한 결과 각각 조직에서 공통적으로 관련 현상이 발현되는 것을 확인할 수 있었다. (그림 3 참고) 보스턴 의과대학 교수이자 KIST 겸임 연구원으로 재직중인 류훈 박사는 “EWSR1 돌연변이는 루게릭병에서 관찰되는 것으로, 관련 연구는 루게릭병 약물 개발 및 뇌, 신경, 척수신경 등 세포의 기능 및 이상 현상의 원인과 관련된 질병을 진단하는데 필요한 생체마커로 활용할 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유연구사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 관련 분야 권위지인 ‘Authophagy’ 5월 6일자 온라인에 게재되었다. *(논문명) "Uvrag targeting by Mir125a and Mir351 modulates autophagy associated with Ewsr1 deficiency" - (제1저자) 한국과학기술연구원 김연하 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 류훈 박사 <그림 1> 연구결과를 요약하여 보여 주는 것으로 EWSR1/EWS (유잉육종 유전자) 결핍 상황에서 Mir125a와 Mir351를 통해 Uvrag 전사체 양을 감소시켜 자식작용에 이상이 일어남을 보여준다 <그림 2> 자식작용 (autophagy) 관련 유전자들로 구성한 단백질과 단백질 상호작용을 분석한 네트워크. Ewsr1/Ews (유잉육종 유전자)가 결핍된 세포로부터 얻은 RNA-sequencing 데이터를 토대로 autophagy 유전자 중 변화가 있는 57개의 유전자에 의해 구성되는 단백질과 단백질의 상호작용을 보여준다. <그림 3>EWSR1-/-생쥐의 피부(Skin), 척수(Spinal cord), 대뇌(Cerebral Cortex), 중뇌(Midbrain) 및 소뇌에서의 UVRAG 단백질양 및 자식작용의 변화가 Ewsr1+/+생쥐모델 보다도 감소되어져 있음을 알수 있다. EWSR1의 결핍에 의해 UVRAG의 감소와 더불어 자식작용의 억제가 각각의 조직에서 공통적으로 관찰되었다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

성게를 닮은 ‘뾰족뾰족 그래핀 공’, 슈퍼 전지를 만들다 - 산화철 입자를 성게 모양으로 식각하여 표면적, 전기전도도, 압축-내성 모두 잡은 성게모양 그래핀 공 제작 - 생산성과 공정성 확보로 고밀도？고출력 슈퍼커패시터 상용화를 앞당길 혁신적 소재 친환경 전기자동차나 신재생 에너지저장 시스템을 위한 중대형 전지, 인간 친화적인 웨어러블 전자기기를 위해서는 고용량이면서도 신속한 충·방전이 가능한 압축형 전지인 슈퍼커패시터(supercapacitor)의 개발이 필수적이다. 이런 이유로 슈퍼커패시터는 현재의 이온전지의 한계를 극복할 수 있는 미래형 전지로 각광받고 있지만 에너지 밀도가 낮아 오랜 시간 동안 전기를 저장하고 사용하는 것이 어려웠다. 국내 연구진이 ‘성게처럼 뾰족한 표면을 가진 구겨진 공’ 모양의 그래핀 분말을 대량으로 저렴하게 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 기존 탄소 소재보다 전지 저장용량을 3~4배 향상시킬 수 있어 슈퍼커패시터 개발을 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터의 손정곤 박사와 이상수 박사팀은, “고밀도 에너지 저장을 위한 산화철 식각 공정을 통한 성게 모양 3차원 그래핀 공 입자를 제작”했다고 밝혔다. 그래핀 소재는 전기전도도가 우수하고 기계적 내구성이 높은데다 표면적이 매우 높아 슈퍼커패시터 전극의 이상적인 소재로 알려져 왔다. 하지만 전지 제조 공정 과정에서 판상 형태의 그래핀은 판과 판사이의 강한 인력에 의하여 흑연과 같은 다층구조로 쌓이거나 빈틈없이 뭉치게 되고, 이 때문에 이온들이 다가갈 수 있는 면적이 줄어들어 전지 성능이 떨어진다. 많은 연구진들은 적층 문제를 해결하기 위해 그래핀의 간극을 넓혀 다양한 3차원 형상의 그래핀 구조로 전지를 구현했지만, 빈 공간이 많아져 부피당 그래핀의 양이 줄어들어 전기용량이 낮아지고 에너지 손실이 생겼다. 일반적으로 다결정의 산화철 입자는 강한 산을 써서 표면을 녹여내면 성게처럼 뾰족한 모양으로 식각이 된다. 연구팀은 산화철 입자의 이러한 식각현상에 주목하여 산화 그래핀 용액을 산화철 입자에 코팅한 후 산화철의 식각 공정과 산화 그래핀의 환원 공정을 동시에 진행했다. 이런 절차를 거치면 뾰족하게 녹아나가는 산화철의 모양에 맞추어 치밀하게 구겨진 성게 모양의 공 구조 그래핀이 만들어진다. 특히, 이 방법은 저렴한 산화철 입자를 녹여내는 간단한 용액 공정으로 진행되기 때문에 저가로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 이렇게 제조된 그래핀 공은 비표면적과 전기전도도가 높아 전극으로 제작했을 때 무게당 전기의 저장용량이 400 F/g(Farad, 전기 용량의 국제단위)에 달했다. 이는 그래핀의 이론적인 전기저장용량에 가까운 수준이다. 또한, 이 구겨진 형상은 식각에 의해 형성된 재료 본래의 구조로 만들어졌기 때문에 구조 자체의 외부의 강한 압력에도 그 형상과 물성이 유지될 수 있어, 특성의 변화없이 빈 공간을 확연하게 줄여 부피당 저장용량 또한 330 F/cm3 까지 획기적으로 증가되는 현상을 보였다. 이러한 저장용량은 기존의 그래핀 기반 전자 소자의 부피당 저장용량이 100 F/cm3 이하임을 감안할 때 3~4배 이상의 성능향상을 보인 것이라 할 수 있다. 개발한 그래핀 공은 다른 접착제나 첨가제 없이도 다양한 전극 기판에서 압착 등의 방법을 통해 제작이 가능할 뿐만 아니라, 용매에 잘 분산되어 기존 전지 제작 공정에 바로 적용이 가능하고, 우수한 비표면적, 전기전도도 및 압축-내성으로 공정처리 이후에도 성능이 감소되지 않아 우수한 성능의 전극을 구현할 수 있었다. KIST 손정곤, 이상수 박사는 “개발한 성게모양의 그래핀 공은 대량？저가 생산이 가능하고 성능이 뛰어나 차세대 고성능-고압축 전지 개발을 위한 획기적인 솔루션이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램에서 지원되었다. 연구 결과는 신소재 분야 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ 5월 7일자 온라인에 게재되었다. *(논문명) "Sea-Urchin-Inspired 3D Crumpled Graphene Balls Using Simultaneous Etching and Reduction Process for High-Density Capacitive Energy Storage" - (제1저자) 한국과학기술연구원 이장열 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 박사 <그림자료> <그림 1> 성게형 입자로 본뜬 구겨진 그래핀 공의 합성 과정 및 원리 모식도. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자. (b) 환원과 함께 적층이 일어나는 산화 그래핀. (c) 식각-환원이 동시에 진행되어 적층 없이 자연스럽게 구겨지는 그래핀. <그림 2> 그래핀이 코팅된 산화철 입자의 형상 변화를 보여주는 전자주사현미경 이미지. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자(좌)와 실제 성게 모습(우, 출처: ocean.nationalgeographic.com). (b) 식각-환원 처리 시간에 따른 형상 변화(좌)와 최종적으로 제조된 구겨진 그래핀 공.

초저가와 고효율 달성이 동시에 가능한 신구조 플렉서블 태양전지 기술개발 - 고가의 투명전도성 전극소재가 필요하지 않아 기존 소재의 절반 가격으로 고효율 플렉서블 태양전지 구현 가능 - 전사법을 이용하여 플렉서블한 다양한 기판에 광전극 구현이 가능해 향후 웨어러블 기기에 구현이 가능 태양전지 가격경쟁력은 전지를 구성하는 소재의 가격과 태양전지 효율에 의해서 결정된다. 국내 연구진이 현재 태양전지 가격에 큰 영향을 미치는 고가의 투명전도성 전극을 전혀 사용하지 않으면서도 고효율 달성이 가능한 신 구조 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 고온에서 열처리 한 무기 광전극을 떼어내어 플라스틱처럼 잘 휘어지는 기판 (플라스틱, 종이, 섬유) 등에 전사하여 붙이는 방식을 이용한 신 구조 고효율의 염료감응 플렉서블 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 태양전지나 디스플레이 등의 전자소자는 소자의 효율 향상을 위해 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 전기 전도도를 요구하는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전도성 전극(Transparent conducting oxide)이 필요하다. 하지만, ITO의 주원료인 인듐은 희귀 금속으로 가격이 비싸, 차세대 태양전지인 염료감응 태양전지의 재료비 중 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 고효율의 태양전지를 제작하기 위해서는 이러한 값비싼 투명전도성 전극외에도 무기 광전극을 고온에서 열처리하는 과정이 반드시 필요한데, 이는 무기 광전극 내부가 단단히 연결이 되고 기판과의 접착력이 좋아져서 소자저항이 작아지기 때문이다. 플렉서블 태양전지를 만들기 위해 기존에는 유연하지만 열에 약한 플라스틱 기판을 활용하기 위해 효율이 낮은 저온 공정을 사용했다. 또한 투명전도성 전극을 사용하는 경우, 태양전지를 휘었을 경우 ITO가 깨져 전기적 특성이 감소하는 등의 단점이 있었다. 연구팀이 개발한 제작방법은 유리기판 위에 고온에서 열처리한 TiO2(산화타이타늄) 전극을 형성시킨 후, 플렉서블한 기판에 옮겨 붙이는 전사 방법을 적용하여 플라스틱 기판에서 고효율의 태양전지를 구현하였다. 전사방법을 사용하면 고온 열처리한 저항이 낮은 광전극을 다양한 플렉서블한 기판에 옮겨 붙일 수 있기 때문에 고효율 달성이 용이하다. 후면전극 역시 인듐보다 상대적으로 가격이 저렴한 타이타늄 질화물(nitride)로 만들었고, 상대전극도 투명 전도성 물질을 사용하지 않고 탄소와 백금 복합체를 사용하여 플라스틱 전극 위에 제작하였다. 이렇게 제작된 염료감응 태양전지는 기존 전지에 비해 소재가격은 50% 이하로, 전체 태양전지 가격은 30%이하로 가격이 낮아지는 효과를 보였다. 또한 개발한 전사법은 휘어짐에 강한 타이타늄 계열의 광전극을 고분자 필름위에 붙여, 태양전지를 휘었을 경우에도 기판의 손상과 효율의 감소 없이 특성이 좋은 태양전지를 제작할 수 있었다. 이렇게 개발한 태양전지는 투명 전도성 물질을 전혀 사용하지 않음에도 불구하고, 보고된 염료감응 플렉서블 태양전지 중 최고 수준인 8.10%의 광변환 효율을 기록하였다. 연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 기판의 종류에 상관없이 제작할 수 있고, 잘 휘어지면서도 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 분야의 핵심소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다” 며 “연구팀에서 개발한 전사법을 이용하면 태양전지 이외에도 다양한 전자 기기 및 전기화학 기기 등 전자소자를 사용하는 응용분야에서 직물이나 종이, 플라스틱, 금속 등 휘어질 수 있는 다양한 기판 위에 제작할 수 있어 광범위한 응용을 기대할 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 나노 분야의 전문학술지인 ACS Nano 4월 28일자에 게재되었으며, 국내 및 해외 특허를 출원하였다. 이번 성과로 지난 '15.4.22(수) 정부가 발표한 "기후변화 대응을 위한 에너지 신산업 및 핵심기술개발전략"에서 제시한 차세대 태양전지 개발에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다. <그림 1> 투명 전도성 전극이 없는 고효율 초저가 플렉서블 태양전지 / 전지 사이즈 2cm X 2cm의 태양전지 전류전압 곡선. (대면적인 10cm X 10cm에서도 가능) <그림 2> (a) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 (b) 전사법을 이용하여 염료가 흡착된 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 (c) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 염료 흡착하여 극세사(천) 위에 적용 (d) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 OHP 필름 위에 적용 (e) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극의 전도성을 보기 위해 밴딩 후에 LED연결 (f) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 극세사(천) 위에 적용 (g) 고온소성한 태양전지 상대전극을 전사법을 극세사(천) 적용 (접힌 후에도 전도성을 가지고 있음) (h) 전사법을 이용하여 고온소성한 Ag 전극을 전사하여 연필에 감싼 뒤에도 좋은 전도도를 가짐을 확인하였음. <그림 3> (a) 전사법을 이용하여 태양전지 광전극을 만드는 방법 (b) 전사법을 이용하여 태양전지 상대전극을 만드는 방법 <그림 4> 일반적인 태양전지와 신구조 태양전지의 구조 비교

흡연자도 싫은 흡연실 담배연기 나노촉매로 잡는다 - 니코틴, 타르 등 입자상 물질은 물론 아세트알데히드와 같은 가스상 물질을 크게 감소시키는 청정화장치 기술 KIST-KT&G 공동 개발 전국적으로 금연구역이 확대됨에 따라, 흡연실 수요가 증가하는 추세이지만 흡연실 공기질 개선방안은 미흡한 실정이다. 국내 연구진이 담배연기의 가스성분 중 가장 많은 양을 차지하는 1급 발암물질인 아세트알데히드를 100% 제거하는 흡연실 공기정화용 나노 촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 이 외에도 니코틴, 타르 등 담배의 입자성분 역시 100% 제거해 인체에 무해한 물과 이산화탄소로 바뀌는 것으로 나타났다. 연구팀은 개발한 촉매로 만든 공기정화기를 흡연실에 설치하면 약 5평 규모 흡연실에서 10명이 동시에 피운 담배연기를 30분 내에 약 80% 이상, 1시간 내에는 100% 처리할 수 있다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(원장 이병권) 환경복지연구단 정종수, 배귀남 박사 연구팀은 “흡연실에 사용 가능한 망간산화물계 나노촉매를 코팅한 나노촉매 필터를 ㈜KT&G와 공동으로 개발하여 흡연실 실내의 담배연기의 주요 성분을 크게 감소시킬 수 있는 청정화시스템을 개발했다”고 밝혔다. 기존 흡연실에서 담배연기 제거에 쓰이는 필터는 가스상 물질의 제거를 위한 활성탄 필터를 사용하지만, 아세트알데히드 등 가스상 물질의 제거 효과가 적고, 흡연실과 같은 시설에서는 흡착성능이 빨리 감소해 2주마다 교체해야해 관리가 어려웠다. 연구팀은 망간산화물계열(Mn/TiO2)의 나노촉매를 세라믹계열의 필터에 균일하게 코팅하여 나노촉매필터를 제조했다. 나노촉매필터는 필터에 코팅한 나노촉매 표면에서 공기 중의 오존을 분해시켜 발생된 산소라디칼을 이용하여 담배연기 성분을 분해하는 기술이다. 담배연기의 가스상 성분 중 가장 많은 양을 차지하는 아세트알데히드와 니코틴, 타르 등 총 휘발성 유기화합물(total volatile organic compounds: TVOC)을 이용하여 본 개발 촉매의 성능을 평가한 결과, 98% 이상 분해하는 성능이 확인되었다.(그림 3 참고) 망간 촉매 표면에서 생성된 산소라디칼은 유해성분 분해 후 인체에 무해한 산소의 형태로 외부로 배출된다. 연구팀은 제조한 나노촉매필터를 활용한 청정화장치 시제품을 제작하여, 약 8평 규모의 실제 흡연실에 설치하여(처리유량 4 CMM) 성능 평가를 진행한 결과, 30분 내 약 80%, 1시간 내에 100% 담배연기 성분이 인체에 무해한 물과 이산화탄소로 처리되는 것을 확인했다. 이는 약 8평 규모 흡연실 실내의 전체 공기를 15분마다 1회 순환시킬 수 있는 처리유량으로 설계한 것이다. *처리유량 4 CMM : 1분당 청정화장치로 투입되는 공기량이 4 입방미터 연구팀은 이미 나노촉매 및 필터 코팅 기술 개발이 완료된 만큼 1년 정도의 시간이면 상용화가 가능할 것으로 예상했다. 연구를 주도한 정종수, 배귀남 박사는 "간단한 촉매를 설치한 청정기로 기존 흡연실 담배연기처리기술에서 처리가 어려웠던 가스상물질 처리 문제를 해결했다는 것이 연구의 의의”라며 “이러한 장치의 단순화 및 경제성 확보를 달성하여 안전하고 쾌적한 흡연 공간의 제공에 크게 도움이 될 수 있으며, 또한 이 기술의 연계 개발을 통해 공기청정기, 에어컨 등 다양한 공기청정 분야에서 적용할 융합기술을 선보일 수 있을 것이다“라고 전했다. 본 연구는 KIST 기관고유사업과 환경부 “나노기술 기반의 오염제어용 필터소재 개발 과제” 등을 통해 지원되었고, 관련하여 “담배연기 청정화 처리장치 및 방법(대한민국 특허 출원번호: 2015-0039021, 2015.3.20.)” 특허를 출원하였다. <그림설명> <그림 1> 흡연실 담배연기 청정화 장치 나노촉매 및 코팅 필터 제조 공정 모식도. (1단계) CVC(화학기상응축법)에 의한 나노 TiO2 지지체 입자 합성, (2단계) TiO2 지지체에 망간계 촉매 담지시켜 담배연기 분해 기능성 촉매 소재 합성. (3단계) 합성된 촉매를 하니컴 구조체에 코팅하여 나노촉매필터를 제조하는 방법을 나타내고 있다. <그림2> (1) 청정화장치 내의 유동을 위해 상부에 순환 팬이 설치되어 있고, 오존을 공급하는 UV 램프, 그리고 오염물질 처리 나노 촉매 필터 순으로 장치가 구성되어 있다. 순환 팬은 5평형 기준으로 약 4 CMM(m3/min)으로 작동된다. (2) 실제 흡연실 현장에 설치된 담배연기 청정화장치 시제품 사진 <그림 3> 담배연기 및 연기 성분이 제거 되는 것을 보여주는 그래프나 증빙자료 <그림 4>흡연실 실내에서의 흡연 시 측정 결과, 타르 등 입자상 물질은 약 5배 수준으로 급격히 증가하는데, (그림참조) 청정장치 가동 후 5분 이내 초기 농도 대비 약 70% 감소한다. <그림 5>약 8평 규모 흡연실(체적 60 m3) 실내의 공기를 15분 기준으로 1회 정도 순환시킬 수 있는 유량으로 설계한 것이다. 흡연시 발생되는 TVOC의 양은 1명 흡연시 약 40 ppb 정도이며, 12명이 동시에 흡연 시 흡연실내의 TVOC 농도는 약 350±50 ppb 정도가 된다. (아래 그림 참조) 4 CMM의 의미는 1분당 청정화장치로 투입되는 공기량(입방미터)

외부 유해 기체 차단성을 높인 고강도 복합소재 제조 - 그래핀의 기능화를 통해 높은 분산성을 가지는 그래핀 제조 원천기술 개발 - 그래핀을 이용한 고분자 복합소재 상용화 앞당겨 고분자 복합재료는 강도가 높고, 내열성이 우수해, 자동차, 우주 항공 분야 등 다양한 곳에서 사용된다. 이러한 고분자 복합재료는 높은 강도 외에도 외부의 유해한 기체를 차단할 수 있는 성질이 필요한데, 국내 연구진이 산화그래핀을 변형하여 이런 조건을 향상시킨 고분자 복합재료를 제조했다. 전자소자 기판이나 우주선 등에 쓰이는 폴리이미드 수지로 만든 고분자재료보다 강도와 탄성이 향상되었을 뿐 아니라, 외부 기체를 차단성이 240배 높아져 그래핀을 이용한 고분자 복합소재의 상용화를 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 유남호 박사팀은 그래핀을 화학적 방법을 통해 변형시켜 엔지니어링 플라스틱의 하나인 폴리이미드와 화학결합을 유도하고 그래핀을 균일하게 분산 시킬 수 있는 고분자 복합소재 제조 공정을 개발했다. 그래핀으로 고분자 복합재료를 제조하기 위해서는 고분자 수지와 충전재가 필요하다. 충전재로 대량의 그래핀이 필요한데 그래핀간에 서로를 뭉치게 하는 성질인 반데르발스 힘 때문에 그래핀이 기계적으로나 전기적으로 우수한 특성을 가진 재료임에도 불구하고 고분자 복합재료에 사용하는데 제한이 있었다. 연구팀은 순수한 그래핀을 만들기 위해 대량의 흑연에서 산화시킨 산화 그래핀을 화학적 방법을 통하여 다시 그래핀으로 환원시켰다. 기존의 환원제가 환원 과정에서 그래핀 응집이 일어나고, 추가적인 변형이 어려웠던 문제를 해결하기 위해 환원반응을 할 수 있지만 동시에 그래핀 표면에 고분자 수지와의 화학결합을 유도할 수 있는 물질을 도입해 그래핀의 분산성이 향상된 기능화된 그래핀을 제조하였다. 이와 동시에 그래핀 표면을 기능화하여 엔지니어링 플라스틱의 하나인 고성능 고분자 폴리이미드와 결합시켜 그래핀과 폴리아미드가 화학반응을 일으키고 이를 통해 폴리이미드 위에 그래핀이 균일하게 분산된 고분자 복합재료를 만들 수 있었다. o 연구팀은 기능화된 그래핀 입자가 폴리이미드를 구성하고 있는 무수물(dianhydride)과 직접 화학 반응을 할 수 있도록 아미노페닐기(amino phenyl group)가 도입된 그래핀 입자를 용매에 골고루 녹였다. 기능화된 그래핀은 폴리이미드 중합반응을 일으켜 고분자와 그래핀 사이의 공유결합을 유도하여 폴리이미드 수지내에 그래핀이 균일하게 분산 된 고분자 복합소재 제조에 성공했다. 이렇게 개발한 소재는 기존의 폴리이미드 고분자 복합소재가 산소 및 수증기 등의 가스를 효과적으로 차단하지 못해 활용이 어려웠던 데 비해 240배 이상의 가스를 차단하는 성과를 보였을 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 2배이상 강화되었다. o 물질을 감싸는 특성을 가지는 복합수지는 보통 산소나 수분을 차단하여 제품의 수명이나 성능을 보호하는 소재로 사용영역은 의약품, 전자제품, 디스플레이 제품 등 다양하다. 또한 첨단 디바이스 재료인 태양전지의 봉지필름, 백시트, 건축용 고진공 단열재, 산업용 포장재 등 광범위하게 활용된다. 그러나 고분자 소재의 경우 산소 및 수분 차폐 특성이 요구수준에 만족하지 못하기 때문에 이를 극복하기 위해 다양한 연구가 시도되고 있다. KIST 유남호 박사는 “고성능, 기계적 플라스틱에 적합한 그래핀의 개발을 통하여 기존 고분자 소재의 낮은 산소 차단성과 기계적 강도를 동시에 향상시킴으로써 디스플레이 소재나 우주항공 및 복합소재 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 KIST 기관고유 사업에서 지원되었으며, 연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료분야의 권위지인 Chemistry of Materials 3월 24일자 게재되었다. * (논문명) “Grafting of Polyimide onto Chemically-Functionalized Graphene Nanosheets for Mechanically-Strong Barrier Membranes” - (제1저자) 한국과학기술연구원 임준 연구원, 여현욱 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유남호 박사 <그림 1> 산화 그래핀의 기능화와 환원반응을 통한 신규 그래핀의 제조공정(a), 기능화된 그래핀을 이용한 폴리이미드와의 중합 및 복합화 제조공정의 모식도(b). <그림 2> 그래핀/고분자 복합소재에서, (a) 기능화된 그래핀 함량에 따른 고분자 복합소재의 기계적 강도(red) 및 탄성(blue). 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(Pure)에 비해 3 wt% 그래핀이 함유된 복합재의 경우 강도가 2배이상, 탄성이 1.5배 향상되었다. (b) 그래핀의 함량에 따른 복합소재의 산소 투과도. 그래핀이 충전되지 않은 고분자 수지(black)에 비해 5wt% 그래핀이 함유된 복합재(violet)의 경우 산소 차단성이 240배 이상 향상되었다.