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정상권 교수 연구팀,극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발
- 세계최초로 회전하는 극저온 냉동기를 탑재한 ‘초전도 모터’ 개발
기계공학과 정상권 교수 연구팀이 회전하는 극저온 냉동기를 탑재해 영하 210도 이하로 냉각되는 초전도 모터를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
기존의 초전도 회전기기는 LTS(Low Temperature Superconductor; 저온 초전도체로서 주로 액체 헬륨으로 냉각) 또는 HTS(High Temperature Superconductor; 고온 초전도체로서 주로 액체 네온 또는 질소로 냉각)를 사용하는 경우, 정지된 극저온 냉동기로부터 차가운 냉각재를 회전하는 계자 코일에 공급하면서 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하는 구조로 되어 있었다. 즉, 극저온 냉동기와 회전기기가 분리되어 초전도 모터가 작동했었다.
이러한 구조는 영하 210 도 이하의 차가운 유체를 진공으로 단열시키면서, 정지부에서 회전부 그리고 또한 정지부로 이송하는 극저온 구성품이 필요하며, 상온에서부터 극저온부로의 열침입이 필연적으로 증가하는 문제로 인하여 전체 극저온 냉동 시스템이 커져야 한다.
이번에 연구 개발한 극저온 냉동기를 탑재하는 초전도 모터의 경우에는, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능한데, 지금까지는 극저온 냉동기의 특성과 초전도 코일의 설계/제작을 동시에 고려하여야 하기 때문에 쉽게 이루어지지 않았었다.
이번 연구에서는 고속으로 회전하는 상황에서도 냉각성능의 변화가 없는 축대칭 구조의 국내산 소형 스털링 냉동기가 사용됐다. 이번에 개발한 초전도 모터는 회전부와 고정부 사이에서 일어나던 극저온 유체의 이동을 철저하게 배재시키고, 유일하게 존재하는 에너지 전달 메커니즘은 전기 접촉을 통한 전기 에너지 및 온도차에 의한 열전달이다. 또한, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능하다. 초전도 계자코일은 차세대 유망 초전도 선재인 YBCO를 사용하여 제작했으며, 외부로 부터의 열침입 및 냉동 부하는 6W미만이고, 유도 모터의 고정자를 사용하여 90rpm 까지 회전 테스트를 수행하였다.
정 교수는 “이번에 개발된 ‘극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터’는 소형화와 고신뢰성을 위한 초전도 회전기기의 새로운 냉각 방식으로 기술혁신적인 발상의 전환을 이루었으며, 다양한 에너지(수송, 플랜트 산업, 재생에너지) 분야에서의 응용이 기대된다”며 ”상용화를 위해 동적인 균형 문제, 초전도 선재 수급문제 해결하도록 연구를 진행중이다“고 말했다.
일반적으로 초전도 모터나 발전기는 극저온에서 전기 저항이 사라져 전류가 아무 장애없이 흐르는 초전도체의 현상을 이용한다. 따라서 전기 에너지의 효율 향상과, 동일한 용량에서는 소형화의 목적으로 차세대 전기기기로서 많은 연구가 진행되고 있다. 모터나 발전기의 구조를 보면 크게 회전자와 고정자로 구분할 수 있는데, 초전도 코일은 직류 전류가 흐르는 회전자에 적용됨으로써, 전체 에너지 변환 효율을 0.5 %내지 1% 정도 향상시킬 수 있다. 따라서, 현재까지 초전도 회전기기는 전체 효율 향상이 그에 수반되는 부가적인 극저온 냉동기의 요구 전력보다 더 큰 1 MW 급 이상의 대용량에서 매력적이다.
이러한 기기의 적용 분야는 주로 플랜트 산업에서 사용되는 전동기를 비롯하여 발전소의 대형 발전기, KTX와 같은 고속 전철, 전기 추진 방식의 선박 등 에도 확장될 수 있다.
이번연구는 교육과학기술부의 국가지정연구실사업의 지원과 차세대초전도응용기술개발사업단을 통한 한국전기연구원의 도움으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 2010년 8월에 열리는 응용초전도학회(ASC; Applied Superconductivity Conference)에서 발표할 예정이다.
논문제목: HTS (high temperature superconductor) motor cooled by on-board cryocooler (극저온 냉동기를 회전자에 탑재한 고온 초전도 모터)
<용어설명>
○ 초전도 : 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K; －273.16℃)에 가까이 냉각할 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 물질마다 이러한 현상이 일어나는 임계온도가 다르며, 액체 질소의 비등점 (77 K, －196℃) 이상에서 초전도 성질을 보이는 물질을 고온 초전도체라고 한다.
○ 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) : 고온 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 93 K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다.
○ ASC(Applied Superconductivity Conference, 국제 응용 초전도 학회):1966년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE Council on Superconductivity) 주관으로 격년으로 미국에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회임. 전 세계로부터 많은 학자와 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 초전도 산업과 기술을 논의하는 학회로서 2010 년에는 Washington D.C. Omni Shoreham Hotel에서 8월 1일부터 6일 까지 개최될 예정이다.
○ 계자코일(Field coil) : 초전도 모터의 회전자에서 일정한 자기장을 발생시키기 위하여 감은 코일로서, 일반 구리선을 초전도선으로 대치하였을 때 주어진 크기에서 더 강한 자기장을 발생시키게 할 수 있으므로, 전체 모터의 크기를 소형화할 수 있다.
2010.03.18
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유룡 교수, 나노판상 제올라이트 촉매 물질 합성 성공
화학과 유룡(54)교수가 특수한 계면활성제 분자와 실리카를 조립하는 새로운 방법으로 세계 최초로 2나노미터(nm) 극미세 두께의 나노판상형 제올라이트 촉매 물질을 합성하는데 성공했다.
이 연구결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ‘네이처(Nature)지’ 10일자에 게재됐으며, 이 논문은 세계 과학계에서 저자의 위상과 연구결과의 과학적 중요성을 인정받아 네이처 인터뷰 기사로 소개되는 영예를 얻었다.
이번에 합성된 제올라이트는 2nm두께의 판상으로, 제올라이트 물질에 대해 이론적으로 예상할 수 있는 최소 두께다. 또한 이렇게 얇은 두께임에도 불구하고, 이 물질은 섭씨 700도의 고온에서도 높은 안정성을 나타냈다.
연구를 주도한 유교수는 “이처럼 극미세 두께의 제올라이트 물질은 분자가 얇은 층을 뚫고 쉽게 확산할 수 있기 때문에 석유화학공정에서 중질유 성분처럼 부피가 큰 분자를 반응시키는 촉매로 사용될 수 있다. 특히 이 제올라이트 촉매는 메탄올을 가솔린으로 전환시키는 화학공정에서 기존의 제올라이트 촉매에 비해 수명이 5배 이상 길어, 촉매 교체 주기를 연장시킬 수 있기 때문에 경제효과가 매우 높다.”라고 연구의의를 설명했다.
이번 연구결과는 앞으로 대체에너지 자원개발과 녹색성장에 적합한 친환경 고성능 촉매 개발연구에 직접적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
유교수팀이 독창적으로 설계한 계면활성제 분자는 머리 부분에 제올라이트 마이크로 기공(micropore)유도체를 포함하여 제올라이트 골격의 형성을 유도하고, 꼬리 부분에 긴 알킬(alkyl) 그룹이 연결되어 제올라이트의 마이크로 기공보다 더 큰 메조 기공(mesopore)을 규칙적으로 배열할 수 있도록 했다.
이러한 독창적인 물질 설계는 제올라이트 합성 메커니즘에 대한 과학적 지식을 넓히는 획기적인 연구 결과로서, 향후 다양한 구조의 다른 물질을 합성하는 새로운 분야를 개척한 선구적인 성과라고 평가할 수 있다.
유교수는 2000, 2001년에 국내 최초로 2년 연속 ‘Nature’지에 메조다공성 실리카와 메조다공성 탄소에 대한 논문을 게재했고, 2003년과 2006년에 ‘Nature Materials"지에 고분자-탄소 복합물질과 메조다공성 제올라이트에 관한 논문을 게재한 후, 이번에 세 번째로 ’Nature"지에 책임저자(교신저자)로 논문을 게재하는 쾌거를 올렸다. 이것은 국내 과학자도 세계 과학을 선도하는 그룹의 반열에 올랐다는 것을 의미하며, 우리나라 과학의 우수성을 전 세계에 알리는 기회가 됐다.
이 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘국가과학자지원사업’의 지원을 받아 이뤄졌다. 또한 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 ‘세계수준의 연구중심대학(WCU, World Class University)육성사업’과 나노기술육성사업(나노팹사업)에 따른 결실이다. 이번 연구에서 유 교수팀은 KAIST 부설 나노팹센터와 테라사키교수 연구팀의 협조로, 전자현미경을 통해 물질의 세부구조를 분석하였다. 특히 나노팹의 높은 기술력은 연구시간을 최대로 단축시켜 단시간에 훌륭한 연구 성과를 도출할 수 있도록 했다.
2007년 국가과학자로 임명된 유교수의 주도 하에, KAIST 최민기 박사, 나경수연구원(화학과 박사과정), 김정남연구원(화학과 박사과정)이 연구를 수행하고, 분해능이 높은 현미경 사진으로 구조를 확인하기 위해 스웨덴 스톡홀름대학교의 오사무 테라사키 교수와 야수히로 사카모토 박사가 추가로 참여했다. 테라사키 교수는 현재 스웨덴 스톡홀름대학교 석좌교수로, WCU사업의 지원을 받아 올해부터 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water and Sustainability)학과에 겸임교수로 재직하고 있다.
이번 연구결과는 세계 수준의 연구중심대학과 세계적인 나노과학기술 육성을 위한 정부의 지원으로, 우리나라 과학기술의 수준을 한 단계 발전시킨 결과로서, 국내 기술력과 해외 우수 연구자들의 연구능력과 기술력을 통합한 국제공동연구의 모범사례로 평가된다.
2009.09.10
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박찬범 교수팀, 펩타이드 자기조립기술을 이용하여 전도성고분자 나노선/나노튜브 개발
- 화학분야 저명 국제학술지 안게완테 케미지 최근호 게재
우리대학 신소재공학과 박찬범(40) 교수와 유정기(28) 연구원이 자연계의 펩타이드 자기조립기술을 이용, 전도성고분자 나노선과 나노튜브 소재를 개발했다. 관련 논문은 독일에서 발간되는 세계적인 학술지인 안게완테 케미(Angewandte Chemie)지 최근호 (6월 15일자)에 게재됐으며, 나노기술과 생명과학분야의 창의적인 융합을 통해 새로운 나노소재를 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다.
펩타이드나 단백질은 20여가지 아미노산의 조합을 통해 다양한 3차원 구조를 형성할 수 있으며, 이들은 기존의 재료에서는 볼 수 없었던 매우 우수한 물성과 다양한 기능을 가지는 장점이 있다.
朴 교수 연구팀은 두 개의 아미노산으로 구성된 매우 단순한 펩타이드 (peptide)를 수만 개 이상 스스로 조립시켜 머리카락의 약 천분의 일 정도 두께를 가진 긴 나노선을 형성하고, 여기에 대표적인 전도성 고분자 물질인 폴리아닐린 (polyaniline)을 얇게 코팅하여 누드김밥처럼 코어(Core)/쉘(Shell) 구조를 가진 전도성 나노선을 제조했다. 코어/쉘 형태의 나노선은 일반 전선과는 반대로, 바깥쪽으로만 전류가 흐르는 특성을 가지고 있다. 朴 교수팀은 이렇게 형성된 전도성 나노선의 펩타이드 코어부분을 선택적으로 제거하여 폴리아닐린으로만 구성된 전도성 나노튜브 (채널직경 약 1/5000 mm)를 제조하는 데 성공했다.
화학물질들이 레고(Lego) 장난감처럼 스스로 조립하여 3차원 구조체를 만드는 것은 모든 생명현상의 근간이 될 뿐만 아니라, 최근 들어서는 나노소재를 개발하는 주요기술들 중의 하나로 각광받고 있다. 특히 朴 교수팀의 연구에서 사용한 펩타이드는 알츠하이머병 등 각종 퇴행성 신경질환의 발병과도 밀접한 연관성을 가진 섬유상 구조의 아밀로이드 플라크(amyloid plaque)로부터 유래되어 펩타이드의 자기조립 현상에 관한 연구는 의학적 측면에서도 중요성이 매우 크다.
전도성 고분자를 나노크기의 구조로 제조할 경우 그 전기적 특성이 대폭 향상되기 때문에 이번에 개발된 전도성 고분자 나노선/나노튜브 소재는 차세대 태양전지, 각종 센서/칩 개발 등에 응용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 나노-바이오 융합분야에서 국가 과학기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다.
朴 교수팀은 2008년도부터 교육과학기술부의 ‘국가지정연구실사업’으로부터 지원을 받아 다양한 형광색상(RGB)을 가진 나노튜브, 연잎처럼 물에 젖지 않는 펩타이드 소재, 식물의 광합성을 모방한 인공광합성 재료 등 새로운 기능을 가진 바이오소재를 개발하기 위한 연구를 수행해 왔으며, 해외 저명학술지들로부터 크게 주목받는 연구 성과들을 발표하고 있다 (http://biomaterials.kaist.ac.kr).
2009.06.16
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신소재공학과 박찬범 교수, 자기조립기술 이용 다양한 색상 가진 바이오 나노튜브 개발
- 재료분야 저명 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지 최근호 게재
신소재공학과 박찬범(朴燦範, 40세, 바이오신소재 국가지정연구실) 교수 연구팀이 자연계의 자기조립기술을 이용, 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) 등 ‘다양한 형광 색상을 구현할 수 있는’ 나노튜브 소재를 세계최초로 개발했다.
관련 논문은 재료분야 저명 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최근호(4월 27일자)에 게재됐으며, 나노기술과 생명과학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 나노소재를 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다. 특히, 이 학술지는 朴 교수 연구팀 연구결과의 중요성과 응용성에 주목하여 “Advances in Advance”에 저널 대표논문들(상위 10%이내) 중 하나로 선정하였다.
朴 교수 연구팀은 두 개의 아미노산으로 구성된 매우 단순한 펩타이드 (peptide)를 수만 개 이상 스스로 조립시켜 머리카락의 약 천분의 일 정도 두께를 가진 긴 나노튜브 구조를 형성하였는데, 이러한 자기조립 과정에서 다양한 광감응현상(photosensitization)을 크게 증폭할 수 있음을 밝혔다. 이를 통해 각종 디스플레이기기 등에서 사용하는 RGB의 모든 색상을 구현할 수 있는 바이오기술 기반의 나노소재를 개발하였다(아래 그림).
화학물질들이 레고(Lego) 장난감처럼 스스로 조립하여 3차원 구조체를 만드는 것은 모든 생명현상의 근간이 될 뿐만 아니라, 최근 들어서는 나노소재를 개발하는 주요기술들 중의 하나로 각광받고 있다. 특히 朴 교수팀의 연구에서 사용한 펩타이드는 알츠하이머병과 밀접한 관계가 있는 아밀로이드(amyloid)라는 단백질 플라크(plaque)로부터 유래했기 때문에 퇴행성 신경질환 현상을 응용하여 새로운 기능성 나노소재를 개발하였다는 점에서 과학기술계의 주목을 받고 있다.
이번에 개발된 자기조립형 형광 나노소재는 바이오센서/칩, 각종 약물의 세포전달체, 의료용 하이드로젤, 차세대 디스플레이기기 등에 응용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 나노-바이오 융합분야에서 국가 과학기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다. 朴 교수팀은 2008년도부터 교육과학기술부의 ‘국가지정연구실사업’으로부터 지원을 받아 새로운 바이오소재를 개발하기 위한 연구를 수행해 왔으며, 해외 저명학술지들로부터 크게 주목받는 연구 성과를 발표하고 있다.
<용어설명>
자기조립(self-assembly): 구성물질 간의 약한 비공유결합성 상호작용에 의해 스스로 일정한 구조나 패턴을 형성하는 현상을 가리키는 용어로 최근 전 세계적으로 가장 널리 연구되고 있는 분야 중 하나다.
<박찬범 교수 프로필>
■ 학 력
1987-1999: 포스텍 화학공학과 학사(1기), 석사, 박사
1999-2002: UC Berkeley, 박사후연구원
■ 주요경력
2008-현재: 교육과학기술부 국가지정연구실 Director
2006-현재: KAIST 신소재공학과 부교수
2002-2006: 미국 애리조나주립대학교 조교수
■ 주요 연구분야
- 자기조립형 바이오소재(Self-Assembled Biomaterials)
- 유기/무기 하이브리드 소재(Organic and Inorganic Hybrid Materials)
- 인공광합성 소재(Materials for Artificial Photosynthesis)
2009.04.29
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국내 가상세포 연구 국제화 본격 시동
국내 가상세포 연구 국제화 본격 시동KAIST 대사회로 분석 프로그램‘메타플럭스넷(MetaFluxNet)’ 새 버전 발표
- KAIST 이상엽교수 연구팀, 과학기술부 국가지정연구실 및 시스템생물학 사업
가상세포 대사 시뮬레이션 소프트웨어의 시스템생물학 기반 업그레이드 버전 MetaFluxNet v. 1.69 개발 공개
컴퓨터 상에서 대사회로 분석 시뮬레이션을 통해 실제 생물 실험의 상당부분을 효율적으로 대체하여 비용 절감 및 시스템 성능 개선 효과
시스템 생물학 연구의 국제 공동체인 SBML 프로그램에 공동참여
향후 데이터베이스와 연동하여 가상세포시스템 구축을 위한 통합환경 개발 및 상용화 예정
1. 개발배경
몇 년 전까지만 해도 한 미생물의 유전자 지도를 완성하기 위해 1년 이상 걸리던 것이, 이제는 불과 며칠 밖에 걸리지 않고, 유전자에서 단백질과 상호작용 네트워크에 이르기까지 다양한 수준의 생물학 정보들이 한꺼번에 쏟아져 나오고 있다.
이제 이러한 정보와 첨단 컴퓨터 가상실험 기술을 이용해 복잡한 생명현상을 이해하거나 이를 산업적으로 이용하려는 노력이 이뤄지고 있다. 축적된 수많은 생물정보들을 바탕으로 가상세포를 모델링하여 생명체 현상을 체계적으로 분석하고 활용하는 시스템 생명공학 연구가 바로 이와 같은 맥락으로, 전 세계에서 경쟁적으로 이루어지고 있는 반면 국내 연구는 다소 미흡한 실정이었다.
2. 개발현황
KAIST(총장 로버트 러플린) 생명화학공학과 대사공학국가지정연구실의 이상엽(李相燁, 40, LG화학 석좌교수, KAIST 생물정보연구센터 소장)교수는 생물정보연구센터의 이동엽 박사와 공동으로 기존에 초기 버전으로 공개했던 가상세포 분석 프로그램 MetaFluxNet의 새로운 버전 1.69를 개발하는데 성공하였다.
이번에 발표한 새 버전을 통해 약 1,000개 이상의 생화학 반응식들로 이루어진 실제 미생물에 근접한 가상세포시스템 구성이 가능해졌다. 이를 바탕으로 컴퓨터상에서 실험 환경을 다양하게 변화시키거나 유전자를 조작했을 때 세포 내부에서 어떤 현상이 일어나는지 가상적으로 정확하게 예측하게 된다.
전체 세포 수준의 미생물 모델링을 비롯하여, 세포내의 흐름분석, 네트워크 시각화 등의 가상 세포 시뮬레이션을 위한 핵심 기능을 제공하고 있고, XML과 같은 최신 데이터 교환기술을 이용해 다양한 프로그램과 효과적으로 연동할 수 있다.
李 교수팀은 숙신산 산업균주인 맨하이미아균의 유용성을 규명하는데 이 프로그램을 일부 활용하여 최근 네이처 바이오테크놀로지에 발표한 것으로 알려졌다.
3. 개발성과 및 향후계획
李 교수팀은 실험, 문헌 및 자체 개발한 각종 데이터베이스로부터 다양한 가상세포 모델을 구축하고 적용하여 막대한 시간과 비용이 드는 수많은 반복 실험의 상당부분을 대체하고 있다. 현재 MetaFluxNet(버전 1.69) 프로그램 패키지는 대사공학국가지정연구실의 홈페이지(http://mbel.kaist.ac.kr)에서 무료로 다운로드 받을 수 있고, 지금까지 약 30여개국 300여명의 전 세계 대사공학 및 생물학 관련 연구자들이 이용하고 있다.
이러한 성과를 인정받아 시스템 생물학 연구 국제공동체인 SBML의 요청으로 시스템 생물학 국제 공동 연구에 일원으로 참여하게 되었다. 이로써 전 세계 시스템 생물학 및 가상 세포 연구에 주도적 역할을 기대할 수 있게 되었다.
한편, 이 교수팀과 생물정보연구센터는 올해 개발 공개한 대사회로 통합 데이터베이스 시스템인 바이오실리코와 유기적으로 연동할 수 있는 최적 환경을 구축하고 있고, 웹상에서 가상 세포의 동적인 거동을 예측할 수 있는 시스템도 KAIST 박선원 교수팀과 공동으로 개발에 나서고 있다. 향후 완전 자동화된 최종 통합 프로그램은 기업체와 공동으로 상용화할 계획이다.
2004.11.08
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