이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이미지 왜곡 없는 '투명 스트레처블 기판' 개발, 차세대 디스플레이 혁신 기대 - 푸아송 비 극복, 완전 투명하면서 왜곡 없는 무변형 디스플레이 기판 구현 - 전단압연 공정으로 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있는 '탄성을 지닌 디스플레이 소재'는 자유롭게 펼치고 구부릴 수 있다는 장점이 있지만, 기존 소재의 한계로 인해 화면이 일그러지거나 착용감이 떨어지는 문제가 있었다. 일반 탄성체 기판은 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘푸아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에 화면이 왜곡되기 쉽다. 특히 웨어러블 기기처럼 피부와 밀착되는 전자 제품은 늘어나거나 줄어드는 과정에서 주름이 생기거나 피부를 당겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수팀이 공동으로 ‘푸아송 비’를 극적으로 낮춘 '나노구조 정렬 스트레처블 기판'을 개발했다. 이번 연구는 푸아송 비를 낮추면서도 투명성을 유지해, 화면 왜곡과 빛의 산란 문제를 동시에 해결한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째 아이디어로, 고분자 블록이 연결된 블록 공중합체를 활용해 내부 나노 구조를 정렬했다. 이 블록 공중합체는 딱딱한 '폴리스티렌(PS)'과 부드러운 '폴리부틸렌(PIB)'으로 이루어져 있으며, 이를 한 방향으로 배열하면 인장 방향과 수직 방향의 탄성 차이를 극대화해 수축을 감소시킬 수 있다. 기존 탄성체의 푸아송 비는 0.4~0.5 정도인데, 연구진은 늘리는 방향에서도 기판 수직 방향 수축이 거의 없고, 화면 왜곡도 크게 줄어든 푸아송 비 0.07 이하로 낮췄다. 두 번째 아이디어로는 나노 구조를 기판 전체에 고르게 정렬하기 위해 전단압연(Shear-Rolling) 공정을 도입했다. 이는 고온 상태에서 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 이 공정을 통해 두꺼운 기판에도 나노 구조가 투명도를 저하시키지 않고 안정적으로 정렬되었다. 실험에서는 기판의 가로방향으로 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 발생하지 않는 것을 확인했다. 연구진은 개발한 기판을 실제 소자에 적용해 픽셀 배열 변화를 관찰했다. 기존 탄성체 기판은 50% 늘리면 픽셀 간 간격이 들쭉날쭉하거나 세로 픽셀이 붙는 왜곡이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 고르게 배열되어 이미지가 깨지지 않고, 주름이나 거친 표면이 생기지 않아 투명도도 유지됐다. 개발된 새로운 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등 다양한 분야의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 또한, 이번에 사용된 전단압연 공정은 다른 블록 공중합체나 고분자 필름에도 적용이 가능해 간단한 방식으로 대면적 처리에 적합한 기술로 평가받고 있다. KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 강조했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) KIST 주요사업, 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597) 및 STEAM사업(RS-2024-00451691)의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%) 최신호에 게재됐다. * (논문명) Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment [그림 1] (상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장 (하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체 [그림 2] (상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조 (하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성 [그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향 [그림 4] (상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정 (중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교

이산화탄소 자원화를 위한 고효율 은 나노 촉매 개발 - 이산화탄소로부터 직접 화학원료 생산 가능한 저가용 촉매 개발 - 저 비용 고 성능 촉매 개발로 인공광합성 상용화 가능성 열어 화석 연료 기반의 에너지 소비는 대기 중의 이산화탄소 농도를 지 속적으로 증가 시키고 있다. 이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 기체다. 미국 국립해양 대기청은 2015년이 전 세계적으로 가장 더운 한 해로 기록 될 것이라고 발표했다. 최근 태양빛을 이용하여 이산화탄소와 물로부터 직접 화학연료를 생산 하는 인공 광합성 기술이 주목받고 있다. 인공광합성 기술은 대기중의 이산화탄소를 활용하여 태양에너지를 연료나 화학 원료 형태로 저장할 수 있어 이산화탄소 저감과 탄소 순환이라는 측면에서 기후변화에 대응하는 핵심기술로 발전할 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀(이하 연구팀)은 은 나노 입자를 탄소 담지체에 직접 성장(은 이온이 탄소 담지체에 수백에서 수천 개 모이면서 3, 5, 10 nm 나노 크기로 커지게 됨)시켜, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했다. 일산화탄소와 수소의 혼합기체는 합성기체라고 불리며 다양한 화합물을 합성하는데 널리 쓰이고 있는 유용한 기체 화학원료 이다. 일산화탄소는 전 세계 연간 50조원에 달하는 시장을 보이고 있으며, 꾸준히 성장하고 있다. 인공광합성 기술을 실현하기 위해서는 다양한 요소 기술이 필요한데, 핵심 기술들 중 하나는 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜주는 촉매 기술이다. 연구팀은 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 전환 가능한 고효율 및 고성능의 촉매 개발에 성공하였다. 전기화학적으로 이산화탄소를 환원 하여 고부가 화학원료로 바꾸는 반응은 높은 과전압이 필요하기 때문에 낮은 과전압에서도 선택적으로 목표한 생성물을 만들어 내는 촉매의 개발은 인공광합성 기술의 상용화를 위해 필수적이다. 특히, 수용액에서 이산화탄소 환원 반응은 물이 직접 환원되어 수소가 생성되는 반응과 경쟁적이기 때문에 효율적인 이산화탄소 환원 촉매의 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재까지는 금 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 은의 경우는 금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(금 가격의 1/65)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 은 나노 입자를 탄소 담지체 위에 직접 성장시키는 기술을 개발하였고, 이를 이용하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 기존 은 촉매에서 필요하던 과전압보다 40 % 줄어든 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여주었다. 또한 연구팀이 개발한 은 나노 촉매는 이산화탄소로부터 선택도 80% 이상으로 일산화탄소를 생산하였고, 특히 은 촉매의 단위 질량당 높은 반응성을 보였다. 이 결과는 현재 보고된 은 촉매들의 성능 중 최고 수준으로, 적은 양의 촉매로도 높은 활성을 기대할 수 있게 되었다. 개발된 촉매는 은 나노 입자와 탄소 담지체가 효과적으로 결합하여 이산화탄소 환원 반응 후에도 비교적 높은 안정성을 보였다. 안정적이고, 저 비용 고 효율 촉매 개발을 통해, 연구팀이 구현한 바 있는 일체형 인공광합성 디바이스에 적용함으로써 인공 광합성 기술의 상용화를 한층 앞당길 전망이다.(“A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature” Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 5835-5942. ) 연구팀은 “이번에 개발된 저가, 고효율의 이산화탄소 환원 촉매는 향후 태양 빛만으로도 원하는 고부가 화학원료를 직접 생산 할 수 있는 미래형 화학원료 생산 시스템 상용화에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 미래원천 연구사업 및 미래부 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명한 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS) 11월 4일자에 게재되었다. * (논문명) Achieving Selective and Efficient Electrocatalytic Activity for CO2 Reduction Using Immobilized Silver Nanoparticles - (제1저자) 한국과학기술연구원 김청희, 전효상 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 센터장, 황윤정 선임연구원 <그림자료> 개발된 세 가지 크기의 은 나노 입자들과 전기화학적 이산화탄소 환원반응의 일산화탄소로 전환 반응성 및 선택성을 나타낸 결과. 과전압의 감소와 80% 이상의 일산화탄소 전환율을 확인.

이산화탄소 자원화를 위한 고효율 은 나노 촉매 개발 - 이산화탄소로부터 직접 화학원료 생산 가능한 저가용 촉매 개발 - 저 비용 고 성능 촉매 개발로 인공광합성 상용화 가능성 열어 화석 연료 기반의 에너지 소비는 대기 중의 이산화탄소 농도를 지 속적으로 증가 시키고 있다. 이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 기체다. 미국 국립해양 대기청은 2015년이 전 세계적으로 가장 더운 한 해로 기록 될 것이라고 발표했다. 최근 태양빛을 이용하여 이산화탄소와 물로부터 직접 화학연료를 생산 하는 인공 광합성 기술이 주목받고 있다. 인공광합성 기술은 대기중의 이산화탄소를 활용하여 태양에너지를 연료나 화학 원료 형태로 저장할 수 있어 이산화탄소 저감과 탄소 순환이라는 측면에서 기후변화에 대응하는 핵심기술로 발전할 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀(이하 연구팀)은 은 나노 입자를 탄소 담지체에 직접 성장(은 이온이 탄소 담지체에 수백에서 수천 개 모이면서 3, 5, 10 nm 나노 크기로 커지게 됨)시켜, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했다. 일산화탄소와 수소의 혼합기체는 합성기체라고 불리며 다양한 화합물을 합성하는데 널리 쓰이고 있는 유용한 기체 화학원료 이다. 일산화탄소는 전 세계 연간 50조원에 달하는 시장을 보이고 있으며, 꾸준히 성장하고 있다. 인공광합성 기술을 실현하기 위해서는 다양한 요소 기술이 필요한데, 핵심 기술들 중 하나는 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜주는 촉매 기술이다. 연구팀은 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 전환 가능한 고효율 및 고성능의 촉매 개발에 성공하였다. 전기화학적으로 이산화탄소를 환원 하여 고부가 화학원료로 바꾸는 반응은 높은 과전압이 필요하기 때문에 낮은 과전압에서도 선택적으로 목표한 생성물을 만들어 내는 촉매의 개발은 인공광합성 기술의 상용화를 위해 필수적이다. 특히, 수용액에서 이산화탄소 환원 반응은 물이 직접 환원되어 수소가 생성되는 반응과 경쟁적이기 때문에 효율적인 이산화탄소 환원 촉매의 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재까지는 금 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 은의 경우는 금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(금 가격의 1/65)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 은 나노 입자를 탄소 담지체 위에 직접 성장시키는 기술을 개발하였고, 이를 이용하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 기존 은 촉매에서 필요하던 과전압보다 40 % 줄어든 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여주었다. 또한 연구팀이 개발한 은 나노 촉매는 이산화탄소로부터 선택도 80% 이상으로 일산화탄소를 생산하였고, 특히 은 촉매의 단위 질량당 높은 반응성을 보였다. 이 결과는 현재 보고된 은 촉매들의 성능 중 최고 수준으로, 적은 양의 촉매로도 높은 활성을 기대할 수 있게 되었다. 개발된 촉매는 은 나노 입자와 탄소 담지체가 효과적으로 결합하여 이산화탄소 환원 반응 후에도 비교적 높은 안정성을 보였다. 안정적이고, 저 비용 고 효율 촉매 개발을 통해, 연구팀이 구현한 바 있는 일체형 인공광합성 디바이스에 적용함으로써 인공 광합성 기술의 상용화를 한층 앞당길 전망이다.(“A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature” Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 5835-5942. ) 연구팀은 “이번에 개발된 저가, 고효율의 이산화탄소 환원 촉매는 향후 태양 빛만으로도 원하는 고부가 화학원료를 직접 생산 할 수 있는 미래형 화학원료 생산 시스템 상용화에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 미래원천 연구사업 및 미래부 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명한 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS) 11월 4일자에 게재되었다. * (논문명) Achieving Selective and Efficient Electrocatalytic Activity for CO2 Reduction Using Immobilized Silver Nanoparticles - (제1저자) 한국과학기술연구원 김청희, 전효상 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 센터장, 황윤정 선임연구원 <그림자료> 개발된 세 가지 크기의 은 나노 입자들과 전기화학적 이산화탄소 환원반응의 일산화탄소로 전환 반응성 및 선택성을 나타낸 결과. 과전압의 감소와 80% 이상의 일산화탄소 전환율을 확인.