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우리 대학 공동 연구팀이 도시가스나 천연가스의 주요 구성 성분인 메탄을 사용해 수소와 탄소를 생산할 수 있는 촉매 반응 기술을 개발해냈다. 이에 친환경·저비용의 수소 연료와 고순도·고부가가치의 탄소를 동시에 대량 생산할 수 있는 첨단 에너지 기술로 활용될 수 있을 전망이다.서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)와 김유권 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과) 공동 연구팀은 액상합금촉매와 지르코니아 입자가 주입된 수직 기포 반응기를 이용하여 메탄 직접 전환 수소 기체·고체 탄소 생산 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘지르코니아 입자와 융용 액상 합금을 이용한 기포 컬럼 반응기를 통한 메탄으로 부터의 이산화탄소 무배출 수소 생산 효율 증대(Enhanced Efficiency in CO2-free Hydrogen Production from Methane in a Molten Liquid Alloy Bubble Column Reactor with Zirconia Beads)’라는 논문으로 화학공학 분야 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=13.273> 7월7일자 온라인판에 게재됐다. 공동 제1저자로 아주대 대학원 박사과정의 이영재 학생과 노용규 박사가 참여했고 박사과정 김진아 학생, 샨카라 칼라뉴르(Shankara Kalanur) 교수도 함께 했다. 수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 넓혀가고 있다. 연료로서의 수소를 대량 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 이러한 이유로 대표적 온실가스인 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어져 왔다. 그러나 생산 단가가 기존의 화석 연료 개질 방식에 비해 5~6배 이상 높고, 대량 생산이 어렵다는 점에서 한계를 보여왔다. 이에 완전한 청정연료로서의 수소 에너지를 이용해 ‘수소 경제’를 달성하기 위해서는 저렴하되 이산화탄소는 배출하지 않는 대량 수소 생산 기술의 개발이 시급하다. 아주대 연구팀은 도시가스와 천연가스의 주성분인 메탄가스(CH4)를 주목했다. 메탄가스를 고체 촉매를 사용해 1000℃ 이상의 고온에서 열분해하면, 기체 형태의 수소와 고체 형태의 탄소를 생성물로 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 생산한 고체 탄소의 경우, 비활성화 문제가 있어 상용화가 어렵다는 한계를 보여왔다. 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이면서 궁극적으로 표면에서의 메탄가스 화학 반응을 막고, 이로 인해 반응 활성이 급격히 사라져버리기 때문. 이러한 한계점을 극복하고자 최근 학계에서는 녹는점이 낮은 액상합금촉매(녹는점이 낮은 주석 등의 저융점 금속과 촉매 활성이 높은 고융점 니켈 등의 금속을 혼합한 액상의 금속촉매)를 이용하는 방법이 주목을 받아왔다. 용융된 액상합금 내부로 메탄가스를 주입해 수소가스를 발생시키고 동시에 액상 촉매 표면에 탄소층이 밀도 차이로 부유, 반응도 지속시키고 고체 탄소도 얻는 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’이다.공동 연구팀은 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’을 기반으로 한 새로운 방식을 개발해냈다. 액상 촉매를 이용한 메탄 분해 반응에서 메탄가스가 액상 촉매 내부에서 체류하는 시간과 메탄가스의 버블 사이즈를 감소시킴으로써 메탄가스와 액상 촉매 경계의 표면적을 극대화하는 것이 반응 효율 향상에 중요한 인자임을 규명하기 위해 기존과 다른 방식을 도입한 것. 연구팀은 반응기 내부 액상 촉매에 추가적으로 지르코니아 지르코니아(지르코늄과 산소의 화합물(ZrO2). 녹는점이 높고 잘 부식되지 않으며 상온에서는 흰색 결정으로 나타남) 입자를 혼입해 메탄 버블 크기를 최소화하고 가스 유로를 복잡하게 해 기체 체류 시간을 증가시키는 방식의 새로운 반응기 구조를 개발하는 데 성공했다. 새로운 반응기 구조를 도입한 결과, 연구팀은 높은 수소 전환율과 뛰어난 반응 내구성을 확인할 수 있었다. 기존의 온도(1000℃ 이상) 보다 낮은 985℃의 약 37% 메탄에서 수소 전환율을 달성했고, 150시간 이상의 장시간 생산에도 촉매의 활성이 오히려 증가한 것. 일반적으로 1000℃ 이하의 메탄 열분해 반응에서는 반응기 재질에 따른 비용이나 열에너지 비용을 줄일 수 있는 이점이 있지만 전환율이 급격히 저하된다는 문제점이 있었는데, 아주대 연구팀은 이를 극복하고 저온에서 최고 수준의 전환율과 연속 반응 기록을 달성해냈다. 연구팀이 새로운 방법으로 얻은 탄소는 고순도·고부가가치의 탄소 형태(나노 튜브 및 섬유 가닥)를 보였다. 이러한 고순도·고부가가치의 탄소는 배터리 혹은 연료전지 소재로 활용될 수 있다. 수소의 친환경적 대량 생산뿐 아니라, 활용성이 넓은 탄소 소재까지 생산할 수 있는 가능성을 제시한 것.서형탁 교수는 “이산화탄소 배출 규제 강화 움직임에 따라 기존 화석연료 기반의 수소 생산 방식의 경우 비용 상승이 불가피하다”며 “환경친화적이며 비용이 적게 드는 새로운 수소 대량 생산의 길을 열었다는 점에서 이번 연구에 의미가 있다”고 진단했다.서 교수는 이어 “특히 수소와 동시에 얻을 수 있는 탄소를 고순도·고부가가치 형태로 연속적으로 얻게 되면 탁월한 경제성을 확보할 수 있다는 점에서, 앞으로 실용화를 목표로 연구를 이어갈 예정”이라고 말했다. 한편 이번 연구는 산업자원통상자원부·한국산업기술평가관리원 주관 산업기술알키미스트프로젝트와 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 C1가스리파이너리사업지원으로 수행됐다. 용융 액상 합금 촉매를 이용한 메탄 직접 분해에 의한 수소 및 탄소 생산 개념도: 메탄을 액상합금촉매와 지르코니아가 혼입되어 있는 반응기에 주입하고 열을 가하면 고순도 수소가 액상 촉매 내부에서 형성되고 동시에 탄소 파이버가 만들어진다. 탄소 파이버는 밀도가 가장 낮기 때문에 표면에 부유하므로 촉매 반응성에는 이상이 없고 장시간 연속 수소 및 탄소 생산이 가능하다. *맨위 사진 설명 : 사진 왼쪽부터 서형탁 교수, 이영재 박사과정 학생, 김진아 박사과정 학생, 김유권 교수
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- 작성자이솔
- 작성일2021-07-16
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우리 학교 지역사회 문제해결 창업동아리 ‘초록’이 생활 폐기물 문제 해결을 위한 ‘2021 청년아이디어톤’ 대회를 성공적으로 개최했다. 아이디어톤(Ideathon)이란 아이디어(Idea)와 마라톤(Marathon)의 합성어로 제한된 시간 내에 아이디어를 도출하여 발표하는 대회를 말한다. 지난 7월10일부터 11일까지 온·오프라인 결합 방식으로 열린 이번 대회는 ‘생활폐기물 문제 해결’을 주제로 ▲생활 폐기물 문제 해결 기술 ▲생활 폐기물 문제 해결 정책 두 개 부문에서 아이디어를 공모했다. ‘초록’은 전국 청년들을 대상으로 6월7일부터 7월2일까지 아이디어를 모집했고, 총 31개의 아이템이 출품되었다. 이 중 1차 예선 심사를 거쳐 부문별로 각각 8개씩 총 16개의 아이템을 선정, 10일 전문가 온라인 멘토링을 거쳐 11일 본선 대회 평가로 수상작을 선정했다. 대회 시상은 분야별로 ▲대상 ▲최우수상 ▲우수상 ▲장려상으로 구성되었으며, 총 상금 500만 원이 수여됐다. 기술 부문 대상은 ‘아두이노(Arduino)를 이용한 폐기물 수거 차량 PIR 센서’를 제안한 ‘안전지키미’팀이 수상했다. 폐기물 수거 차량의 회전판에 작업자의 신체가 끼는 등의 사고를 예방하기 위해 차량에 인체 감지 센서를 부착하는 기술을 제안했다. 정책 부문에서는 ‘지한힘내’팀이 ‘배달음식 일회용 용기의 대체와 재사용을 위한 방법’ 아이디어로 대상을 수상했다. 공병 보증금 반환제도와 같이, 소비자들이 가까운 편의점이나 마트에 배달 음식 그릇을 반환하면 일정한 금액을 받는 아이디어를 제시했다. 이번에 선정된 우수 아이디어는 수원시에서 실현 가능성 등을 검토해 정책 수립에 반영하고, 제품 개발 및 컨설팅 등의 사업화를 지원할 계획이다. 대회를 준비한 ‘초록’의 이태현(아주대학교 기계공학과 4학년) 회장은 “청년 아이디어톤 대회는 끝났지만 사회를 생각하는 청년들의 마음가짐으로 만들어질 사회의 밝은 내일은 이제 시작이라고 생각한다”며 “앞으로 청년들이 지역사회의 문제와 사회적 가치실현에 더욱 많은 관심을 가지면 좋겠다”고 말했다. 한편 이번 대회는 아주대학교와 수원시가 주최했으며 아주대학교 재학생들로 구성된 지역사회 문제해결 창업동아리 ‘초록’이 주관했다. <수상자 명단> Sector 1. 생활 폐기물 문제 해결 기술▲ 대상(아주대학교 총장) : (안전지킴이 팀) 정선효, 박시우, 이유정▲ 최우수상(아주대학교 LINC+사업단장) : (새새싹 팀) 김태민, 유호선, 정현욱, 김진우▲ 우수상(아주대학교 창업지원단장) : (HIGH 팀) 오경록, 유선우▲ 장려상(아주대학교 창의산학교육원장상) : (Begins 팀) 김새윤 Sector 2. 생활 폐기물 문제 해결 정책▲ 대상(수원시장) : (지한힘내 팀) 정동균, 이태준▲ 최우수상(수원시의장) : (미리미래 팀) 이지민, 김종주▲ 우수상(아주대학교 창업지원단장) : (커플이랑 하기 힘드네요, 여친구함 팀) 손광훈, 임윤섭, 임나경▲ 장려상(아주대학교 창의산학교육원장) : (한길 팀) 김익근, 이규연, 송유정, 조영민청년 아이디어톤 본선 발표 현장
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우리 학교가 과학정보통신부가 주관하는 ‘2021년 대학ICT연구센터(ITRC)’ 디지털콘텐츠 분야 과제 수행 대학으로 선정됐다. 과학기술정보통신부는 국내 대학교의 유망 정보통신기술 분야 연구센터를 선정해 ICT 분야 석·박사급 고급 연구인재를 양성하기 위해 ‘대학ICT연구센터’ 사업을 수행하고 있다. 올해에는 ▲차세대통신 ▲사물인터넷 ▲디지털콘텐츠 ▲블록체인 등 ICT 산업현장 인력 수요가 높은 분야와 기술 수준 향상이 시급한 분야를 중심으로 8개 과제를 선정했다. 우리 학교는 디지털콘텐츠 분야 대학ICT연구센터로 선정됐다. 소프트웨어학과 정태선 교수가 연구책임을 맡아 ‘VR/AR 기반의 지능형 라이프컨설턴트 구현’ 과제를 수행한다. 연구 기간은 2021년부터 2028년까지 총 8년이며, 총 사업비는 66억5천만원이다. 이번 사업은 베이비부머 세대를 타겟으로 VR/AR 기반의 효과적인 라이프 컨설팅을 위한 지능형 라이프컨설턴트 및 가상캐릭터 솔루션 연구·개발을 목표로 하며 ▲가상캐릭터 연구 ▲라이프컨설팅 연구 ▲VR 플랫폼 연구 ▲가상캐릭터 사업화 등 네가지의 세부 과제로 이뤄진다. 가상캐릭터 연구는 미디어학과 석혜정 교수가 세부책임을 맡아 오규환·Teemu H. Laine 교수가 진행하며, 라이프컨설팅 연구는 심리학과 김은하 교수가 세부책임을 맡고 김경일 교수가 참여한다. VR 플랫폼 연구는 전자공학과 김영진 교수가 세부책임으로, 소프트웨어학과 안정섭 교수와 전자공학과 장한휘 교수가 참여한다. 또한, 연구팀은 이번 선정을 기반으로 단계별 프로그램을 제공해 VR/AR, 심리학, 컴퓨터 등 다양한 분야의 융합적 지식과 실무 능력을 함양한 인재를 양성할 계획이다. 한편 이번 사업에는 우리 학교 외에 세종대(사물인터넷), 광주과학기술원(블록체인), 울산과학기술원(컴퓨팅 시스템), 경희대(차세대통신 이동통신 분야), 서울대(차세대통신 네트워크 분야), 인하대(인공지능 반도체), 고려대(양자정보통신)가 선정됐다.
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- 작성일2021-07-08
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