건국대 김기출 교수팀, 단층 금속 촉매에 결함 도입해 수소 생산 효율 향상

건국대학교 화학공학과 김기출 교수 연구팀이 NiPS3(삼황화린니켈) 단층 소재의 결함을 제어해 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 밝혔다. 수소 발생 촉매 중 가격이 합리적이며 생산 과정 동안 안정적인 구조를 유지하는 2차원 전이 금속 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 단층 ‘전이 금속 인 트리칼코게나이드’의 종류 중 하나인 NiPS3는 고유한 2차원 반강자성으로 인해 주목받고 있다. 하지만 NiPS3의 반도체 특성과 기저면의 불활성으로 효율이 낮아 이를 높이기 위한 연구가 필요한 실정이다. 촉매 결함은 분자 구조 중 일부 원자를 제외하는 것으로, 수소 발생 촉매의 효율을 향상시키기 위해 많이 적용되고 있는 방법 중 하나다. 그럼에도 불구하고 촉매 결함의 위치 및 결함 개수 등에 따른 체계적인 촉매 결함 구축에 대한 연구는 여전히 부족하다. 이번 연구에서는 NiPS3 단층 표면의 니켈과 황 자리에 체계적으로 결함을 도입해 수소 발생 반응 촉매 성능에 미치는 영향을 규명했다. 연구팀이 밀도 범함수 이론 계산을 활용해 결함 생성의 열역학적 안정성과 수소 발생 반응 메커니즘의 상관관계를 분석한 결과, 니켈과 황 자리의 공동 결함이 가장 효과적으로 촉매 성능을 향상시켰다. 니켈과 황 자리의 공동 결함에서 물 분자가 황 결함 자리에 물리 흡착된 후 OH와 H가 각각 황, 니켈 결함에 해리되는 과정이 반응 열역학을 크게 개선하는 핵심 요인으로 확인됐다. 또 니켈과 황 공동 결함 구조에서 물 분자의 해리 흡착 과정의 활성화 장벽이 매우 낮아, 반응 속도에서도 이점을 제공한다는 사실도 밝혔다. 이는 결함을 도입함으로써 물 분자의 흡착 해리와 해리된 수소 이온의 전기화학적 흡착 과정이 크게 촉진되기 때문인 것으로 분석된다. 전자 구조 분석을 통해 결함이 소재의 전자 구조를 변화시켜 촉매의 성능을 향상시킨다는 것을 규명한 것이다. 이번 연구 성과는 ‘전이 금속 인 칼코게나이드’ 기반 고활성 수소 발생 촉매 개발을 위한 결함 공학 전략을 제시했다는 데 큰 의미가 있으며, 향후 다른 칼코게나이드 단층 소재에 확장 적용해 수소 경제 실현에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 및 한국산업기술진흥원의 지원으로 수행됐다. 해당 연구 논문은 ELSEVIER에서 출간하는 전기화학 분야 최상위 국제 학술지 ‘eScience(Scopus Cite Score=33.7)’의 표지 논문으로 2024년 6월 출판됐다.

서울대 공대 기계공학부 김윤영 석좌교수팀, 세계 최초로 원형 전단 초음파 완벽하게 생성하는 이방성 메타물질 개발

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 김윤영 석좌교수 연구팀(제1저자 이제승 박사과정)이 한국기계연구원 권민우 박사팀, 한국표준과학연구원 승홍민 박사팀과 공동으로 여러 방향으로 발생한 결함을 한꺼번에 검출할 수 있는 원형 전단 초음파를 완벽하게 생성하는 이방성 메타물질을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 공동 연구팀은 기존 소재로는 생성이 어려웠던 완벽한 원형 전단 초음파 생성을 위해 생성이 쉬운 선형 전단 초음파를 원형 전단 초음파로 100% 변환할 수 있는 이론을 새롭게 정립했으며, 이 이론을 만족하는 이방성 메타물질을 설계·제작하는데 성공했다. 공동 연구팀은 이번에 개발된 메타물질을 활용하면 기존의 비파괴 초음파 검사 방식으로는 검출하기 어려웠던 결함까지도 한꺼번에 검출할 수 있다고 강조했다. 김윤영 석좌교수는 해당 성과에 대해 “기존의 전단 초음파 검사 기술의 탐지 성능을 한층 높일 수 있는 새로운 기술을 개발한 것”이라며 “앞으로 이 기술이 비파괴 초음파 검사 및 의료용 초음파 기술의 패러다임을 바꿀 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구 결과는 국제 권위 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 2월 12일 자로 게재됐으며, 한국연구재단의 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단), 중견연구자지원사업, 글로벌박사양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

서울대 공대 기계공학부 고승환 교수팀, 전력 없이 사계절 온도 조절 가능한 친환경 에너지 소재 개발

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 고승환 교수팀이 전력 소비 없이 단일 소재만으로 냉각과 가열이 모두 가능한 혁신적인 에너지 소재를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 최근 전 세계적으로 폭염과 한파가 잦아지면서 냉·난방을 위한 에너지 대란, 찜통 차에 의한 어린이 안전사고 등의 사회적 문제들을 촉발하고 있어 온도 제어기술의 중요성이 부각되고 있는 가운데, 에너지 소모 없이 냉각이 가능한 ‘수동복사냉각’ 기술에 대한 국내·외 연구진들의 노력이 활발하게 이뤄지고 있다. 수동복사냉각 기술은 물체로 들어오는 태양빛은 반사하고 자발적으로 전자기 복사를 방출하는 ‘플랭크 법칙’을 이용해 열을 우주로 방출해 냉각 효과를 내는 기술이다. 이는 물체의 태양광 반사율이나 적외선 방사율과 같은 고유한 광학 특성에 의존하기 때문에 전력 소모 없이 냉각이 가능하다는 것이 최대 장점으로 여겨진다. 하지만 기존의 수동복사냉각은 물체의 고유한 특성을 이용하는 기술의 구현 원리상 냉각이 필요 없는 겨울철에도 냉각 효과를 보여 사계절 적용이 어렵다는 효율성 측면의 한계가 있었다. 그간 국내·외 유수의 연구진들이 물체의 광학적 특성을 제어해 온도를 제어할 수 있는 기술들을 개발했지만, 단일 소재 내에서 냉각과 가열이 동시에 가능하며 원하는 온도로 빠르고 효율적으로 도달하는 온도 제어기술 구현에는 어려움을 겪었다. 이에 고승환 교수는 “탄성체 고분자 물질과 전기방사 시스템을 이용하여 복사냉각과 가열이 모두 가능한 마이크로-나노 스케일 섬유 기반의 필름을 제작했다”며 “제작된 섬유 기반의 필름은 압력에 의해 섬유 구조가 변할 수 있어 효과적으로 광학적 특성을 제어할 수 있다”고 밝혔다. 연구팀이 개발한 소재는 섬유 구조의 최적화를 통해 태양광 반사율에 결정적인 역할을 하는 ‘미 산란(Mie scattering)’ 현상을 효과적으로 제어할 수 있도록 설계됐다. 그 결과, 냉각 모드에서는 태양광을 93% 반사하고, 가열 모드일 때는 태양광을 약 10% 반사하며 자유자재로 광학 특성을 변화시켰다. 연구팀은 단순히 압력을 조절하는 것만으로도 여름철에는 냉각 효과가, 겨울철에는 가열 효과가 나타나며 냉각과 가열의 정도까지 제어할 수 있다는 것을 입증했다. 특히 외부 기상조건에 따라 온도 제어에 효과적인 광학 특성을 갖도록 구조를 제어한 결과, 마치 에어컨처럼 설정한 온도를 빠른 속도로 구현할 수 있다는 것도 입증했다. 또한 연구팀이 개발한 필름은 태양광을 모사한 램프의 세기가 아무리 변하더라도 자유로운 광학 특성 제어를 통해 온도를 일정하게 유지하는 효과를 보였으며, 기존 복사냉각 및 가열 기술 대비 한층 안전하고 지속 가능한 환경을 조성할 수 있는 능력을 입증했다. 고승환 교수는 “이번 연구는 단일 소재로 연속적인 온도 변화를 확인한 세계 최초의 실험 사례로, 에너지 소비를 크게 줄이면서도 효과적인 냉·난방 효과를 모두 볼 수 있는 혁신적인 기술”이라며 “상용화되면 새로운 온도 제어 솔루션을 활용해 제로에너지빌딩을 통한 탄소 중립, 전기자동차 배터리 소모량 개선, 스마트 팜 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 가치 있는 기술”이라고 말했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업의 지원을 받았으며, 세계적으로 주목을 받아 응용 물리학 및 재료과학 분야 저명학술지인 ‘스몰(Small)’의 2023년 12월 12일 자 온라인에 게재됐다.(논문 제목: Tunable Radiative Cooling by Mechanochromic Electrospun Micro-Nanofiber Matix) ※ 논문 링크 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202308572 언론연락처: 서울대학교 공과대학 기계공학부 편경록 박사과정 02-880-1681 이 뉴스는 기업·기관·단체가 뉴스와이어를 통해 배포한 보도자료입니다.

서울대 공대 건축학과 류이현 박사과정생, 제18회 국제강관구조학회 ‘최우수 대학원생 연구상’ 수상

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 건축학과 류이현 박사과정생(강구조내진설계연구실, 지도교수 이철호)이 10월 19일 제18회 국제강관구조학회(18th International Symposium on Tubular Structures, ISTS 18, Oct. 17-20)에서 ‘최우수 대학원생 연구상(Best Student Paper Award)’ 수상자로 선정됐다고 밝혔다. 중국 칭화대학교에서 개최된 이번 국제강관구조학회는 2년마다 개최되는 강관구조 분야의 가장 권위 있는 학술대회로, 올해 18회를 맞이했다. 건축학과 이철호 교수가 지도한 류이현 박사과정생은 강관접합부의 변형률을 평가할 수 있는 수치해석 모델 연구 성과를 인정받아 상을 받았다.

건국대 우정헌 교수, 환경부 기후·대기 분야 최우수 R&D 선정

건국대학교 공과대학 우정헌 교수(사회환경공학부)가 연구 책임을 맡은 ‘동북아시아 기후변화-대기오염 원인물질 통합관리 시스템 개발(GHGs and air pollutants Unified Information Design system for Environment(GUIDE)-Global/Local, 이하 GUIDE-Global/Local)’ 연구가 환경부와 한국환경산업기술원이 선정한 ‘2023년 환경기술개발 우수성과 20선’ 및 ‘기후·대기 분야 최우수성과’로 선정돼 환경부 장관 표창을 받는다. 환경부는 환경 문제를 해결하는 환경 기술에 대해 2018년부터 매년 우수 R&D 성과 20선을 선정하고 있다. 특히 올해 우수 성과는 지난해 창출된 환경기술개발 연구 성과를 △물관리 △자원·토양 △생태·보건 △기후·대기 등 4개 분야로 나눠 전문가 평가위원회와 ‘국민생각함’ 투표를 함께 반영해 선정했다. 건국대 우정헌 교수가 총괄 연구 책임을 맡고 있는 기후변화와 대기오염 원인물질 통합관리 시스템 개발 연구는 기후·대기 분야 최우수 기술로 선정됐다. 우정헌 교수는 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC) 보고서의 주저자를 역임했고, 현재 유엔경제사회위원회(UNESCAP)의 동북아시아청정대기파트너십(NEACAP) 위원장과 국무총리실 미세먼지특별대책위원회 위원을 맡고 있다. 우 교수는 전지구-동북아시아-우리나라 규모의 기후변화와 대기환경에 대한 정책적 대안을 계량적으로 평가·관리하기 위해 에너지-자원, 배출 인벤토리, 오염농도, 건강 피해, 비용-편익 등을 통합 분석하는 ‘기후-대기 통합평가모형(Integrated Assessment Model: IAM)’을 개발하고 활용하는 연구를 꾸준히 수행해오고 있다. 이번 수상 연구의 전신이라 할 수 있는 ‘우리나라 고유의 기후-대기 통합평가모형(GUIDE-Korea) 개발’ 연구도 2019년도 환경부 우수 R&D 성과 20선에 선정된 바 있다. 국제적으로는 IPCC, UN, EU 등과 함께 기후-대기 연구 협력을 주도하는 오스트리아 소재 국제기구 국제응용시스템분석연구소(IIASA)와 꾸준히 협력하고 있으며 올해는 SSP, RCP 등 기후변화 미래 시나리오의 중심이 되는 세계 통합평가모형컨소시움(Integrated Assessment Modeling Consortium : IAMC)에 진입했다. 우정헌 교수는 “이번 연구의 목표는 글로벌 규모에서 우리나라 고유의 통합평가모형을 개발해 전 세계 기후변화 대응체계를 선도하고 유엔 동북아시아 청정대기파트너십 등의 대기환경 국제협력을 지원하는 것”이라며 “지차체 규모의 국내 모형을 개발해 국내 기후변화 원인물질 감축과 적응, 미세먼지 저감 시행계획 지원 등 실질적으로 널리 활용될 수 있는 중요한 프레임워크가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

가천대학교 심리학과 학부생 3인, SSCI급 논문 게재 '쾌거'