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우리 대학 연구진이 화학반응 중 생성되는 물을 실시간으로 제거할 수 있는 반응기를 개발하는 데 성공했다. 이를 활용하면 산업 공정의 부산물로 생성되는 수분을 제거할 수 있어 제품 수율과 공정 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.4월5일 아주대 김석기 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽)와 한국화학연구원(원장 이영국) 문수영 책임연구원(화학공정연구본부, 사진 오른쪽) 공동 연구팀은 400℃ 이상의 고온에서도 뛰어난 물 분리 성능을 발휘하는 촉매-분리막 하이브리드 반응 시스템을 개발, 다양한 물 생성 반응에서 작동 성능과 안정성을 검증하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 내용은 "고분자막 수분 제거를 통한 촉매반응의 평형 이동, 피독 방지, 선택성 향상 (Equilibrium shift, poisoning prevention, and selectivity enhancement in catalysis via dehydration of polymeric membranes)"이라는 제목으로 저명 국제 학술지 <네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 2023년 3월호에 게재됐다. 다양한 산업 공정에서 화학반응의 부산물로 생성되는 수분은 목표 생성물의 수율을 낮추거나, 공정에 사용되는 촉매의 성능을 현저히 저하시킨다. 이에 학계와 산업계에서는 그동안 공정상 발생하는 수분을 제거하기 위해 다양한 방법을 연구해왔다. 공정의 부산물로 생성되는 물을 선택적으로 제거하면, 열역학적 평형을 생성물 쪽으로 이동시켜 목표 생성물의 수율을 향상시킬 수 있고 물에 의해 촉매의 활성을 감소시키는 촉매 피독(poisoning) 현상이나 다른 반응물과의 부반응도 방지할 수 있다. 이에 산업계에서는 장기 운전성과 높은 제품 수율을 위해 물을 선택적으로 제거하기 위한 다양한 전략을 개발해왔다. 대표적인 전략이 반응기 내에 수분 흡착제를 삽입하거나, 물과 강하게 반응하는 제3의 반응물을 사용하는 방식이다. 그러나 이러한 방법은 주기적으로 반응 공정을 멈추고 흡착제나 화학 물질을 재생 및 투입해야 하기 때문에 효율적 공정 설계가 어렵다는 한계가 존재해왔다.아주대 공동 연구팀은 폴리이미드 폴리이미드 중공사막을 만든 후 열적 재배열을 통해 물 투과 성능이 우수한 폴리벤족사졸 막을 제조했다. 이렇게 하면 고온의 화학반응에서도 열적·화학적 안정성을 유지할 수 있다. 중공사 형태의 분리막은 반응기 안에서 촉매와 분리막의 접촉 면적을 증대시켜 반응기 내에 작은 부피의 분리막을 사용하고도 반응에 의해 생성되는 물을 효율적으로 분리, 배출시킬 수 있다. 이러한 형태의 분리막은 일반적인 원통형 반응기에 쉽게 설치할 수 있다는 이점도 존재한다.연구진은 이렇게 개발한 분리막 반응기의 성능을 실험을 통해 검증해냈다. 우선 새로 개발한 반응기를 활용하여, 이산화탄소와 수소가 반응해 일산화탄소를 높은 수율로 얻어낼 수 있음을 확인했다. 이산화탄소와 수소가 반응하는 역수성 가스 반응을 통해 일산화탄소와 물이 생성되는데, 연구팀의 새로운 분리막 반응기를 활용하면 일산화탄소의 생성 효율을 2배 이상 증진시킬 수 있다. 연구팀은 또 개발한 분리막 반응기를 통해 메탄 연소에서의 촉매 비활성화 속도를 10배 이상 늦출 수 있고, 기초 화학 원료인 올레핀 유분 생산에서 물에 의한 부반응을 3배 이상 억제해 원료 활용도를 획기적으로 높일 수 있음을 확인했다.최근 전 세계적으로 '탄소중립'을 비롯한 저탄소·친환경 경제에 대한 관심이 높기 때문에, 공기 중에 배출된 이산화탄소(CO2)를 포집하고 처리하는 기술이 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 공동 연구팀이 검증한 화학 반응들은 모두 탄소 사용량과 배출량이 많은 철강·시멘트·석유화학 산업과 화력발전 등의 분야에서 이산화탄소를 포집해 저장하고 활용하는 기술(CCUS, carbon capture utilization and storage)과 긴밀히 연결되어 있다. 공동 연구팀이 개발한 분리막 반응기를 활용하면, 이산화탄소 포집 및 활용에서 핵심 공정으로 인식되는 이산화탄소 전환 반응과 이로부터 생성되는 고부가 화합물 합성 반응 공정의 에너지 효율을 개선할 수 있다. 이렇게 되면 그동안 낮은 경제성 문제로 지지부진했던 해당 공정들의 상용화를 촉진하는데 도움이 될 것으로 전망된다. 김석기 아주대 교수는 "공동 연구를 통해 개발한 분리막-촉매 하이브리드 반응 시스템은 높은 산업적 잠재력을 가지고 있다"며 "향후 탄소중립을 위한 화학 반응 공정에 있어, 부산물에 의해 발생하는 다양한 문제점을 해결하는 데 중요한 역할을 할 것"이라고 설명했다. 한편 이번 연구는 한국화학연구원의 KRICT Build-up 사업, 산업통상자원부 저순도 CO2 직접전환 기초유분 생산공정 핵심기술 개발 사업 등의 지원을 통해 수행되었다.공동 연구팀이 개발한 분리막 반응기. a 반응기의 전체적인 모습 b 반응물이 공급되는 입구 부분 c 제거된 물이 배출되는 출구 부분. 중공사 형태의 분리막을 통해 물이 효율적으로 분리, 배출된다.
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아주대 연구진이 물 위에서 50cm 이상 뛰어오를 수 있는 수면 도약 로봇을 개발했다. 소금쟁이를 비롯한 수면 생물의 움직임에서 착안한 것으로, 앞으로 웨어러블 기기를 비롯한 초소형 로봇의 주요 요소 기술로 활용될 전망이다.기계공학과 고제성·강대식·한승용 교수 연구팀은 3월22일 세계 최고 수준의 수면 도약 로봇(위 사진)을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 "수면 도약과 유체역학적 스케일의 관련성 (Scale dependence in hydrodynamic regime for jumping on water)"이라는 논문으로 네이처 자매지이자 저명 학술지인 <네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)> 3월호에 게재됐다.이번 연구에는 아주대 기계공학과 대학원 권민석 석사가 제1저자로, 김동진·김백겸 박사과정 학생이 공동저자로 참여했다. 기계공학과의 고제성·강대식·한승용 교수는 교신저자로 함께 했다. 연구팀은 물 위의 수면 생물을 주목했다. 수면 생물 중 소금쟁이는, 물 위에서 자기 몸의 10배가 넘는 높이를 뛰어오를 수 있다. 연구팀은 수면 생물의 점프 원리를 이론적으로 규명하고, 이를 모사해 수면에서 도약이 가능한 로봇을 실제로 구현해 냈다. 연구팀의 수면 도약 로봇은 50cm 이상 수직으로 도약할 수 있고, 20cm 이상의 장애물을 뛰어넘을 수 있다. 기존에 개발된 수면 도약 로봇들과 비교하면 월등히 높은 수준의 성능이다. 이 로봇은 실제 소형 곤충에 비해 10배 이상 큰 몸 길이 28cm 정도의 크기로 구현됐다. 아주대 연구진은 수상 생물과 생체 모방 초소형 로봇의 수면 거동에 대한 원리 분석을 통해 유체역학적 스케일과의 연관성을 찾았다. 또한 이를 통해 수면 도약 성능에 대한 기준을 마련했다. 해당 기준을 활용하면 물 위에서 거동하는 로봇을 비롯해 수면과 상호작용하는 기기의 설계에 적용해, 거동을 예측하고 성능을 향상 시킬 수 있다. 고제성 교수는 "이번 연구 성과가 곤충 모방 초소형 로봇의 개발에 핵심 기술이 될 수 있다"며 "앞으로 초소형 웨어러블 기기 및 로봇에 적용될 수 있어 의료, 국방, 감시, 정찰, 환경 모니터링 분야에서 활용이 가능할 것"이라고 의의를 설명했다. 아주대 연구팀이 개발한 수면 도약 로봇이 수면에서 뛰어 올라 20cm 장애물을 넘어 가는 모습# 관련 영상 바로가기 [출처 : 연합뉴스]
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서형탁 아주대 교수팀이 산화물 반도체 기반의 초고속·고감도 광대역 광학 검출 소자를 개발했다. 이에 고성능의 광센서가 필요한 자율주행차, 우주 및 군사 시설, 의료 분야 및 신재생 에너지 분야에 널리 활용될 수 있을 전망이다.서형탁 아주대 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 반도체 결정 구조의 이완으로 발생하는 변전효과와 초광전자 효과 초광전자(Pyrophotronic)에 의해 우수한 성능을 가지는 이산화티타늄 기반 적외선 광센서를 개발했다고 밝혔다. 관련 연구 내용은 '초고속 야간 투시 모니터링을 위한 중심 대칭 이종접합에서의 밀리미터 범위의 변전-초광전자 효과(Millimetre-range Induced Flexo-Pyrophotronic Effect in Centrosymmetric Heterojunction for Ultrafast Night-Photomonitoring)'라는 제목으로 지난 2월 재료·소재 분야 최상위권 저널인 <어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924)> 온라인판에 실렸다. 이 논문은 해당 저널 이슈의 권두 표지 논문(Frontispiece Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자, 사진 왼쪽)가 함께했다.빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지와 정보통신, 사물 인터넷, 광통신 등의 분야에서 필수적으로 사용되는 부품이다. 그중에서도 적외선 광 검출은 ▲자율주행 차량의 전방 센서 ▲의료 분야의 열화상 측정 ▲야간 투시를 비롯한 우주·군사 시설 ▲물체 이동 감지 센서 ▲태양전지 등에 활용된다. 이처럼 광전효과 기반 광센서는 최근 부상하는 신산업 분야와 밀접하게 연관되어 있어, 미래 핵심 기술로 주목받고 있다. 최근 운용을 시작한 미 항공우주국(NASA)의 최첨단 우주 관측 장비 제임스 망원경(JWST)도 초고감도 적외선 카메라를 이용하여 우주 공간의 근적외선과 중적외선을 관측하고 있다. 이에 전 세계적으로 대학, 연구기관, 기업 등에서 활발히 연구하고 있는 분야다. 특히 미국 조지아공과대학, 듀크대학 등에서 선도적 연구를 내놓으며 해당 분야에서 두각을 나타내고 있다. 적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 여러 가지가 있으나, 적외선 직접 흡수에 의해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다. 그러나 이런 광전효과 방식의 적외선 센서를 제조하기 위해서는 광 흡수 반도체의 밴드갭이 적외선 광에너지 보다 낮아야 한다. 이에 지금까지 주로 게르마늄이나 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 이러한 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고, 적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다, 성능이 떨어지는 한계를 보인다. 아주대 연구팀은 기존에 적외선 감지 소재로 활용하지 못했던 산화물 소재를 주목했다. 이산화티타늄(TiO2)과 전극으로 구성된 쇼트키 다이오드를 구성하고 금 프로브팁을 이용해 순차적으로 수 마이크로 뉴턴 크기의 미세압력을 가해, 국소적인 변전효과를 유도한 것. 산화물 소재에 국소적인 변전효과를 적용하게 되면 중심대칭 소재에서 국소 분극현상이 나타나는데, 이 현상이 산화물과 금속이 접합된 이종접합층의 계면 접합 전위차를 변경시키게 된다. 연구팀은 기존 연구에서 수 나노미터(nm) 스케일의 국소효과로 알려져 있었던 변전효과가 중심대칭을 지니는 산화물과 금속의 이종접합에 대해서는 훨씬 많은 수 밀리미터까지 영향을 미칠 수 있음을 밝혀냄으로써 광센서 소자에 적용할 수 있게 됐다. 이를 통해 자외선, 가시광선뿐 아니라 적외선 파장의 빛에 대해서도 기존의 상용 센서를 능가하는 높은 민감도와 속도, 검출률을 보이는 광센서 구조를 개발하는 데 성공했다. 개발된 센서는 적외선(365nm)부터 중적외선(1720nm)까지 광대역의 광검출이 가능하다. 더불어 자가전력으로 동작하여 별도의 전원이 필요 없고, 초당 천만 비트 이상 수준의 초고속 감지가 가능하다. 아주대 연구팀은 새로운 소자를 이용, 야간에서 720km/hr의 속도로 이동하는 물체를 근적외선 감지 방식으로 식별할 수 있음을 개념 실험을 통해 증명했다.서형탁 교수는 "그동안 구현이 불가능했던 적외선 검출을 새로운 방식을 통해 고속·고감도·고효율로 가능하게 했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다"며 "이 방식을 응용하면 기존에 나와 있는 저가형 범용 소재를 이용해 우수한 성능의 광센서를 구현할 수 있어 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물 인터넷, 광통신 등에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 전했다. 아주대 연구팀은 이번 연구 성과를 기반으로 후속 연구를 진행, 실제 상용화가 가능하도록 높은 기술적 파급효과를 가진 소자화 기술을 추가로 개발하겠다는 목표다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 PIM인공지능반도체핵심기술개발사업과 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. <어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 2월16일자에 권두표지논문으로 게재된 아주대 연구팀의 연구 관련 이미지
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- 작성일2023-06-01
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