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김일두 교수, 7초 안에 수소가스 탐지 가능한 센서 개발
〈 김일두 교수, 구원태 학생, 페너 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 美 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스 화학과 페너(Reginald M. Penner) 교수와의 공동 연구를 통해 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.
이 기술은 금속유기구조체(metal-organic framework)가 코팅된 팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이(array) 기반의 초고속 수소가스 감지소재로 향후 수소 자동차 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.
구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야의 권위 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9월호 표지 논문에 선정됐다.
수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받지만 작은 스파크(spark)에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다. 수소가스의 폭발 하한계는 대기 중 4%로 무색, 무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지고 있다.
미국 에너지부는 2009년 국가 과제 공고에서 대기 중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 안전한 수소가스의 검출 기준이라고 제시했다.
1960년대 팔라듐과 수소가스 간 반응시 저항변화가 생기는 현상이 발견된 이후, 팔라듐 기반의 초고감도, 초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다. 그러나 공기 중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능을 갖추지 못했다.
김 교수 및 페너 교수 연구팀은 상온에서 수백 ppm(part per million, 백만분의 1) 수준의 극미량 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다.
연구팀은 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다.
이 금속유기구조체는 각각 0.34 나노미터와 1.16 나노미터의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질이다.
수소는 상온에서 0.289 나노미터의 운동지름(kinetic diameter, 다른 분자와 충돌을 일으킬 수 있는 동역학적 지름)을 갖기 때문에 0.34 나노미터의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 0.34 나노미터보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기 어렵다.
이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 성공했고, 더불어 팔라듐 나노와이어와 수소가스의 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소가스를 감지할 수 있음을 확인했다.
김 교수는 “개발된 초고속 수소가스 센서는 친환경 에너지원인 수소가스의 누출로 인한 사고 예방에 큰 도움을 줄 것이다”며 “금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 활용해 대기 중 수많은 유해 가스를 초고성능으로 정확히 감지할 수 있는 고속 센서 소재 개발이 가능해 졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 2017. ACS Nano, 커버 이미지
그림2. Pd 나노와이어 어레이 이미지 및 금속유기구조체가 코팅된 Pd 나노와이어의 주사전자현미경 이미지, 그리고 개발된 소재의 수소 가스 감지 특성
그림3. 수소가스 탐지 센서 모식도(ACS Nano에 게재된 논문의 대표 이미지)
2017.09.26 조회수 13154 -
김지한 교수, 비정질 다공성 물질의 가스 흡착 성능 분석법 개발
〈 김 지 한 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 비정질 다공성 물질의 가스 흡착 성능을 예측하는 방법을 개발했다.
이번 연구는 교토대 임대운 교수, 서울대 백명현 교수, 가천대 윤민영 교수, 사우디 아람코 연구소와 공동으로 진행됐다.
정우석 박사과정생과 임대운 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 7월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
금속-유기물 구조체(metal-organic framework, MOF)는 넓은 표면적과 풍부한 내부 공극을 가지고 있어 다양한 에너지 및 환경 관련 소재로 응용될 수 있다.
이런 금속-유기물 구조체 물질 대부분이 결정성 물질이지만 합성과정 또는 산업 공정에 사용 중에 구조가 붕괴돼 결정성을 잃기 쉽다. 그로 인해 내부 구조를 파악할 수 없게 되면 기존의 어떠한 컴퓨터 시뮬레이션 방법론으로도 분석이 어려웠다.
김 교수 연구팀은 이와 같이 붕괴된 금속-유기물 구조체의 물성치를 결정성 금속-유기물 구조체의 물성치로 대체해 우회적으로 비정질 구조(amorphous structure)의 다공성 물질에서 물성치 분석이 가능함을 증명했다.
연구팀은 우선 12,000여 개의 결정성 금속-유기물 구조체에 대해 다양한 가스 및 온도 조건에서 가스 흡착 물성치 계산을 수행했다. 이로부터 특정 가스 및 온도 조건에서 비슷한 물성치를 보인 금속-유기물 구조체들은 다른 가스나 온도 조건에서도 비슷한 흡착 성능을 보인다는 것을 보였다.
이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 붕괴된 구조가 보이는 메탄가스 흡착성능과 가장 비슷한 물성치를 지닌 결정성 금속-유기물 구조체들을 12,000여 개 구조 중에서 선별했다.
그 후 전혀 다른 온도 및 수소가스 흡착에 있어서도 붕괴된 구조의 실험값과 결정성 금속-유기물 구조정보를 이용한 시뮬레이션 결과가 잘 일치한다는 상호교환성(transferability)를 확인했다.
이번 연구성과는 구조 정보가 없는 경우에도 금속-유기물 구조체와 같은 다공성 물질들에서 물성치를 예측할 수 있어 앞으로 이산화탄소 포집, 가스 분리 및 저장소재 개발에 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구는 Saudi Aramco-KAIST CO2 Management Center의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 구조-물성치 맵에 나타나는 경향성과 붕괴된 구조의 경향성
그림2. 붕괴된 금속-유기물 구조체 실험결과와 결정성 금속-유기물 구조체 시뮬레이션 결과의 상호교환성
2017.07.21 조회수 16462 -
오지훈 교수, 이산화탄소 90%이상 분해 가능한 광전극 구조 개발
우리 대학 EEWS 대학원 오지훈 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘(Silicon) 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다.
광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 많은 주목을 받고 있다. 연구팀이 개발한 기술은 이를 위한 반도체 광전극 구조의 기본 틀을 제공할 것으로 기대된다.
송준태 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.
안정적인 이산화탄소를 환원시키기 위해서는 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그 중 금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다.
그러나 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 또한 가격이 비싸기 때문에 사용량도 조절을 해야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는 데 성공했다. 금을 박막형태로 기판 재료에 증착해 이를 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.
높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작됐다면 연구팀의 박막은 약 5만 배 정도 얇은 200나노미터 수준으로서 금 기반 촉매의 제작비용을 최소화했다.
나아가 연구팀은 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 주게 된다.
따라서 연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.
제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능하다.
오 교수는 “다양한 반도체 및 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것이다”며 “다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있을 것이다”고 말했다.
1저자인 송준태 박사는 “발상의 전환을 통해 매우 간단하지만 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발했고, 이를 통해 효율적인 이산화탄소 환원이 가능해졌다”며 “생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음이다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 정성윤 교수가 공동으로 참여했고 한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 논문 이미지
그림2. 실리콘 광전극 모식도 및 전자현미경 사진
그림3. 제작된 광전극의 광전기화학적 이산화탄소 특성
2017.02.24 조회수 19040 -
최시영 교수, 물리적 힘을 이용해 안정화된 에멀전 개발
우리 대학 생명화학공학과 최시영 교수 연구팀이 디플리션 힘이라고 불리는 물리적인 힘을 이용해 새로운 방식의 안정적인 에멀젼을 제작하는 데 성공했다.
생명화학공학과 연구조교수인 김규한 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 1일자 온라인 판에 게재됐다.
특히 이 연구는 우리 대학 의 ‘학부생 연구 참여 프로그램(URP : Undergraduate research program)’을 통해 학부생인 김수빈 학생이 2저자로 참여해 의미를 더했다.
우리가 흔히 화장품 종류로 알고 있는 에멀전은 물속에 기름방울들이(또는 기름 속에 물방울이) 안정적으로 분산된 구조를 뜻한다. 그리고 피커링 에멀전은 계면활성제 대신 고체 입자를 사용해 안정화된 에멀전을 뜻한다.
일반적으로 물과 기름은 섞이지 않는다고 알려져 있지만 지금까지는 적정량의 계면활성제를 넣고 물과 기름을 섞어 적절히 분산시켰다. 이를 통해 에멀전을 제작했고 이는 마요네즈, 선크림, 로션 등 산업 전반에 유용하게 사용되고 있다.
그러나 지금까지 피커링 에멀전은 고체 입자 표면에 화학적인 처리를 통해 흡착력을 증대시켜 안정화하는 방식을 택했다. 이는 처리과정이 복잡하고 적용 범위가 매우 좁아 유용하게 사용되지 못했다.
연구팀은 피커링 에멀전의 표면을 화학적으로 처리하는 대신 수나노미터 크기의 작은 고분자 입자를 더 큰 고체 입자(수십 나노미터에서 수 마이크로미터 수준)와 함께 섞었다. 이를 통해 디플리션 힘(depletion force)을 유발했고 물리적인 힘을 통해 에멀전을 안정화시키는 데 성공했다.
디플리션 힘이란 많은 수의 작은 입자들이 자신들의 자유로운 공간을 많이 확보하기 위해 다른 큰 입자들을 뭉치게 만드는 힘을 뜻한다. 크기가 큰 입자끼리 서로 끌림을 유도하는 것이다.
그동안 디플리션 힘은 고체와 고체 입자끼리만 적용됐다. 그러나 연구팀은 작은 입자로 고분자, 큰 입자로 고체 입자와 기름방울을 사용해 고체와 액체 사이에서도 디플리션 힘이 적용됨을 증명했다.
작은 입자 크기 역할을 하는 고분자를 삽입함으로써 친수성을 갖는 고체 입자가 기름방울 표면에 흡착되는 것을 향상시켰고, 입자 표면으로부터 분리되는 것을 방지해 안정적인 상태를 유지할 수 있었다.
연구팀은 안정적인 고내부상 피커링 에멀전을 통해 다양한 종류의 다공성 고분자 물질을 쉽게 제작할 수 있음을 확인했다. 이 다공성 고분자는 넓은 표면적을 이용해 분리막이나 조직공학, 약물 전달체 및 센서 등에 적용 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 김규한 연구교수는 “그동안 고체 콜로이드 입자들 사이에서만 이용되던 디플리션 힘을 고체 입자와 액체 방울 사이에서 구현한 첫 번째 예로서 그 학술적인 의미가 있다”고 말했다.
최 교수는 “학술적 의미를 넘어 산업 및 국가 경쟁력에 기여할 수 있는 기술이다”며 “화학적인 힘이 아닌 물리적 힘을 이용해 안정적인 에멀젼을 형성하기 때문에 고체 입자와 고분자 종류에 관계없이 사용 가능하고, 특수 목적에 맞는 맞춤형 다공성 물질 제작이 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업 (대통령 post-doc. 펠로우십, 리서치 펠로우십, 중견연구자 지원사업)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 이번 기술을 통해 제작한 다공성 고분자 구조체의 내부 사진들
그림2. 고내부상 피커링 에멀젼의 유변학적 특성 측정 및 시스템의 가공성을 보여주는 사진
그림3. 안정한 피커링 에멀젼 시스템을 나타내는 사진들
2017.02.07 조회수 17283 -
유룡 교수, 벌집 모양 규칙적 구조의 제올라이트 개발
- 사이언스誌 발표,“제올라이트 학계의 20여년 숙원 과제 해결!”-
우리 학교 화학과 유룡 교수 연구팀은 벌집모양의 메조나노기공과 보다 미세한 크기의 마이크로나노기공이 규칙적으로 배열되어 있는 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’ 신물질을 개발하는데 성공하였다.
유 교수팀은 2009년 나노판상형태의 초박막 제올라이트 물질을 합성하여 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처誌에 게재한데 이어, 벌집모양의 메조나노기공을 갖는 제올라이트 물질의 개발 성과로 사이언스誌 2011년 7월호(7월 15일자)에 논문을 게재하여 제올라이트 연구의 우수성과 학술적 중요성을 모두 인정받았다.
제올라이트는 가솔린 생산을 비롯하여 석유화학산업 전반에 걸쳐 세계적으로 가장 널리 이용되는 촉매물질이다. 촉매는 다양한 화학 반응에서 사용되어 반응을 촉진시킴은 물론, 반응 시간을 단축시켜 경제성을 높이는 데 활용되는 물질이다. 화학 산업 분야에서 사용되는 촉매 물질들은 사용 후 분리를 용이하게 하기 위해 주로 고체 형태로 이루어진 촉매를 사용하는데, 제올라이트는 현재 사용되고 있는 다양한 고체 촉매들 중에서 40% 이상을 차지할 정도로 매우 높은 비율로 다양한 화학 산업 전반에 걸쳐 이용되고 있는 물질이다. 때문에, 제올라이트의 촉매 효율을 높일 경우, 이에 따른 경제적 효과는 막대하다고 할 수 있다.
기존에 산업 전반 분야에 사용되고 있는 일반 제올라이트 촉매 물질들은 내부에 무수한 미세구멍(나노세공)들이 규칙적으로 뚫려 있지만 그 직경이 매우 작아 반응 대상 분자의 확산 속도가 느리기 때문에 촉매활성이 낮은 단점이 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 미세한 마이크로나노기공과 그 보다 큰 직경의 메조나노기공이 동시에 규칙적으로 배열*되어 있는 제올라이트 물질을 합성하였다. 이러한 구조의 물질은 제올라이트 학계에서 수많은 연구자들이 합성하고자 지난 20여 년 이상을 시도해온 물질로서, 이번에 유 교수팀이 드디어 제올라이트 학계의 20여 년 동안의 숙원 과제를 해결하는 방법을 제시한 것이다. * 작은 도로만 있어 교통체증이 심한 대도시에 큰 도로와 작은 도로를 유기적으로 구성하는 도시계획을 수립, 시행함으로써 원활한 교통 흐름을 만들어 내는 원리와 같다. 크고 작은 나노세공이 유기적으로 연결된 제올라이트 내부에서 분자의 흐름이 훨씬 수월해진다.
이번에 개발한 제올라이트 물질은 연구팀이 특수 설계한 계면활성제를 사용하여 합성할 수 있었다. 이 계면활성제는 머리 부분에 제올라이트 마이크로 기공 유도체를 포함하여 제올라이트 골격의 형성을 유도하고, 소수성 꼬리 부분은 제올라이트의 마이크로 기공보다 더 큰 메조 기공을 벌집 구조 모양으로 배열할 수 있도록 하였다. 지금까지 알려져 있는 제올라이트 합성 원리는 하나의 기공 유도 분자가 하나의 매우 작은 마이크로 기공을 유도했던 반면에, 본 연구팀이 개발한 방법은 하나의 분자가 서로 다른 크기의 기공을 규칙적으로 유도한다는 점에서 기존의 방법과 차별화된다.
유교수팀이 세계 최초로 2009년에 개발한 2 nm 극미세 두께의 나노판상형 제올라이트가 2차원적인 형태로 이루어진 물질이었다면, 이번에 합성에 성공한 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’는 3차원적 구조 규칙성을 띤 나노구조물로 지금까지 볼 수 없었던 이상적이고 안정적인 벌집 구조를 갖고 있다.
때문에, 새로 개발한 제올라이트는 산업적으로는 중요하지만 커다란 분자 크기 때문에 기존의 제올라이트를 사용하기 쉽지 않았던 물질의 촉매로 사용할 수 있게 되었다.
유룡 교수는 “이번에 개발한 제올라이트는 지금까지 볼 수 없었던 이상적이고 안정적인 기공구조를 갖고 강한 산성을 띠고 있어 기존의 제올라이트의 단점을 충분히 보안한 물질이다. 따라서 앞으로 산업적으로 중요한 많은 고부가 가치 반응에서 고성능 촉매로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 뿐만 아니라, 이번 연구를 통해 본 연구단이 개발한 합성 방법이 여러 종류의 제올라이트에도 적용이 가능함을 보이면서 앞으로 200여 가지가 넘는 기존의 제올라이트들의 단점도 해결할 수 있을 것이다.”고 연구의의를 밝혔다.
이번 논문의 제1저자인 나경수 박사는 성균관대학교 화학과를 조기졸업하고 KAIST에서 석사와 박사를 4년 반만에 마친 수재다. 지난 2월에는 KAIST 우수 박사학위 논문상을 수상하기도 했으며, 현재 유룡 교수가 맡고있는 KAIST 화학과 기능성 나노물질 연구단에서 박사후 과정 중이다.
[그림1] ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’의 주사 전자현미경 사진. 균일한 두께와 길이의 뾰족한 바늘 모양의 결정들이 전 영역에 걸쳐 고루 존재하는 것을 볼 수 있다.
[그림2] ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’의 투과 전자현미경 사진
2011.07.15 조회수 20225