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아주대 연구진이 자가 치유·복구가 가능하며 높은 화학적 안정성과 변형성을 가진 생체 피부 유사 복합 소재 센서를 개발하는 데 성공했다. 이 소재는 웨어러블 전자기기와 소프트 로봇, 모니터링 센서, 인공 피부 등에 널리 활용할 수 있어 높은 기술적 파급력을 가지고 있다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 복합 폴리머 소재를 이용하여 상온에서 빠르게 자가 치유가 가능하며 변형성·내구성·투명도가 높은 인공피부 신소재 센서를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 "웨어러블 전자기기에 적합한 피부 모사 자가 치유 및 스트레처블 기판(A Skin-like Self-healing and stretchable substrate for wearable electronics)"이라는 논문으로 화공·소재 분야의 저명 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=16.744)> 1월호에 게재됐다. 아주대 대학원 박사과정의 야스민 루바야(Rubaya Yeasmin) 학생과 한승익 학생이 공동 제1저자로 이름을 올렸다. 아주대 르따이 유이(Le Thai Duy) 연구교수(첨단신소재공학과)·안병민 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)도 함께 참여했다. 인간의 피부는 손상을 빠르게 감지, 손상이 악화되는 것을 막고 가능한 빨리 손상을 복구하는 자가 치유 능력을 가지고 있다. 이에 학계에서는 인간 피부를 비롯한 생물학적 시스템의 자연 치유 메커니즘에서 영감을 얻어, 자가 치유 및 복구가 가능한 재료에 대해 활발히 연구를 진행하고 있다. 특히 미국 하버드대학과 메사추세츠공과대학(MIT)에서 관련 연구를 활발히 수행하고 있다. 이러한 새로운 유형의 재료 플랫폼은 상온에서의 신속한 자가 치유 능력뿐 아니라 신축성을 갖춰야 하기에, 이를 통합 구현할 소재가 필요하다. 생체친화적인데다 화학적 안정성과 투명성까지를 필요로 하고, 이러한 고난도 특성을 지닌 소재는 큰 파급력을 가진다. 아주대 연구팀은 기존에 알려진 두 가지 폴리머 폴리머를 활용해 새로운 중합 기술을 적용, 복합 신소재를 개발하는 데 성공했다. 연구팀이 활용한 폴리머는 폴리보론실로제인(PBS)과 에코플렉스(Ecoflex)라는 물질이다. 폴리보론실로제인(PBS)은 소재에 안정성을 부여하고, 에코플렉스(Ecoflex)는 소재가 잘 늘어날 수 있도록 고인장의 유연성을 부여하기 위해 활용했다. 이 두 가지는 물질은 모두 생체친화적이며 인체 유해 성분이 전무하다. 연구진은 이 두 가지 소재를 효과적으로 활용하기 위해 화학적 교차 결합 기술을 구상하여 기판으로 활용할 수 있는 최적의 중합 소재를 합성하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 이 복합 소재를 활용하면, 졸-겔 공정으로 간단한 용액 합성과 2단계 저온 열처리를 통해 재연성 높은 합성을 할 수 있고 기판의 크기 조절 또한 쉬워 대량 생산이 가능하다.아주대 연구팀이 개발한 이번 소재의 가장 중요한 특징은 손상 치유 능력과 높은 신축성을 갖춰 인체 피부와 유사한 특성을 구현해냈다는 점이다. 연구팀은 이 소재가 재료 손상 후에 자동으로 치유되어 손상 30초 이내에 상온에서 기계적 특성의 100%를 회복할 수 있음을 확인했다. 이 소재는 신축성이 높아 잘 찢어지지 않기 때문에 원래 길이의 500%까지 늘릴 수 있다.또한 변형이 잘 되는 소재의 약점으로 여겨지던 산성·염기성 용액에 대한 화학적 내구성이 뛰어날 뿐 아니라, 100℃ 이상의 온도에서도 안정한 열적 내구성까지 갖추고 있다. 가시광에 90% 이상의 투과를 보이는 특성 또한 가지고 있어, 투명하고 유연한 디스플레이에도 적용할 수 있다. 연구팀은 새로 개발한 소재를 인체 부착형 웨어러블 스트레인 센서, 습도 감지 센서, 가스 감지 센서에 적용했다. 개발된 소재는 뛰어난 절연성을 가지고 있어, 전극과 유전체를 삽입하여 터치 센서를 구현할 수 있다. 또한 부착성이 높아 접착이 쉽기 때문에 손에 부착하여 터치 동작 감지가 가능하다. 변형·파손되어도 스스로 복원할 수 있기에 활용의 폭도 매우 넓다. 이러한 특성을 바탕으로 의료 분야에서의 원격 재활치료 진단, 산업 현장에서의 작업자 부착용 유해 가스 감지 장치 등에 적용이 가능해 원격 사물인터넷 센서 모니터링에 활용될 것으로 기대된다.서형탁 교수는 "이번에 개발한 소재는 생체 피부와 유사한 소재가 필요로 하는 자가치유성과 고변형성, 광투명성, 수분투습성, 화학적·열적 내구성 등 거의 모든 필요 조건을 갖추고 있다"며 "인체에 부착하는 재활치료·모니터링용 웨어러블 센서뿐 아니라 신축성이 필요한 사물인터넷 센서와 소프트 로봇, 가스와 습도 등을 감지하는 산업 장치 등에 적용이 가능할 것"이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 해외우수신진인력지원사업, 기초연구지원사업, BK21 Four사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구에 참여한 아주대 연구진. 왼쪽부터 공동 제1저자 야스민 루바야(Rubaya Yeasmin) 박사과정생과 한승익 박사과정생# 위 사진 설명 : 아주대 연구팀이 개발한 생체 피부 유사 복합 소재. 생체친화적인데다 원하는 모양으로 변형이 가능하고, 잘 늘어나는 데다 자가 치유 능력과 높은 투명성을 가지고 있다. 이에 인체 부착형 센서와, 습도 및 가스 감지용 센서 등에 활용될 수 있을 전망이다.
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- 작성일2023-05-25
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아주대 박은덕 교수 연구팀이 태양광을 이용한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 실시간 분석이 가능해지면 대표적 녹색 에너지인 수소의 생산 효율을 높여, 이를 더욱 널리 활용할 수 있게 될 전망이다. 박은덕 아주대 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 오른쪽)는 태양광 물 분해를 통해 수소를 제조하는 광전극을 실시간으로 분석할 수 있는 라만 분광기법을 개발했다고 밝혔다. 이 내용은 '반응조건 중 라만 분광법을 이용한 황화몰리브데넘·황화구리인듐 광전극에서의 촉매 활성점 변환 관찰(Monitoring Transformations of Catalytic Active States in Photocathodes Based on MoSx Layers on CuInS2 Using In Operando Raman Spectroscopy)'이라는 논문으로 독일 화학회 발행 국제 학술지 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie)> 2월호에 게재됐다. 박은덕 아주대 교수가 교신저자로, 채상윤 아주대 박사후 연구원(위 사진 왼쪽)과 윤노영 석사과정생(현 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터)이 제1저자로 참여했다. 인간의 활동에 의해 배출되는 온실가스를 최대한 줄여 대기 중 이산화탄소의 농도를 더 이상 높아지지 않게 하는 '탄소중립'은 대체 에너지원의 개발과 수소의 활용을 통해 가능하다. 그 중 수소는 무한한 에너지원인 태양광을 이용, 물을 분해해 제조할 수 있어 전 지구적 관심을 받고 있다. 현재 수소 에너지의 생산에는 태양전지를 이용하여 전기를 만들고 이를 통해 전기화학적으로 물을 분해하는 수전해기술이 적용되고 있다. 산업계와 학계에서 수소 제조를 위한 그린 수소 기술의 상용화에 매진하고 있으나, 아직 원천기술이 부족해 국산화에 어려움이 많다. 더불어 태양광으로부터 바로 물을 분해할 수 있는 광전기화학 반응이 가까운 미래에 실현 가능한 차세대 기술로 대두되고 있어, 관련 원천기술의 확보가 매우 중요한 상황이다. 광전기화학 반응을 이용하면 광촉매 전극에 빛을 주어 물을 수소와 산소를 만들 수 있다. 빛에너지에 의해 생성된 광전자와 광정공이 각각 전해질의 물을 수소와 산소로 분리할 수 있는 것. 그러나 아직은 태양광-수소 전환 효율이 낮아 상업화에 어려움이 있다. 광전기화학전지의 수소 생산 효율을 높이기 위해서는 실제 반응이 진행되는 조건에서 촉매 전극과 전해질 사이의 광전기화학 반응기작을 연구해야 하며, 이를 위한 실시간 분석법이 필요하다.아주대 연구팀은 이상적인 광전기화학적 수소 생산 물질로 고려되는 p-형 반도체인 황화구리인듐(CuInS2)에 n-형 반도체인 황화몰리브데넘(MoSx)을 도입했다. 황화구리인듐 전극 표면에 존재하는 결정결함 등에 따라 전자-정공 쌍이 재결합해 수소 생산 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있기 때문. 이에 전자-정공의 분리를 유도하기 위해 황화몰리브데넘을 도입한 것이다. 그 결과 초기에 제작된 황화몰리브데넘은 수소생산 효율이 매우 낮았지만, 광전기화학 반응이 진행됨에 따라 수소 생성 효율이 26배 이상 대폭 증가함을 알 수 있었다. 이 원인을 밝히기 위해 연구팀은 표면 분석을 반응이 진행되는 도중 실시간 분석이 가능한 라만 분광 장치 라만 분광 장치를 새롭게 구성했다.이를 통해 초기에는 황화몰리브데넘 일부가 이산화몰리브데넘(MoO2)으로 변환되었으나, 반응이 진행될수록 산화몰리브데넘이 용해되어 전극 표면에서 용출되고 무정형의 황화몰리브데넘(MoSx) 형태로 바뀐다는 점을 확인했다. 이로 인해 황화구리인듐(CuInS2)과 황화몰리브데넘(MoSx) 간의 전하 전달이 원활해지고 결과적으로 수소생산 효율이 크게 향상되는 것을 알 수 있었다.박은덕 교수는 "현재 물 분해를 통한 수소 제조를 위해 여러 연구가 진행되고 있으나 수소(기체), 물(액체), 광전극(고체)과 태양광이 공존하는 매우 복잡한 시스템"이라며 "때문에 실제 반응조건에서의 광전극 분석이 쉽지 않았지만, 이번 연구를 통해 실시간으로 실제 광전극 반응의 분석이 가능해졌다"고 말했다. 이어 "이러한 실시간 광전극 분석기술은 수소 제조뿐 아니라 태양광을 이용한 인공 광합성 등의 분야에도 활용될 수 있다"며 "태양광을 직접 이용한 물 분해 수소 제조와 이산화탄소의 화학 전환은 친환경 에너지 활용을 위한 차세대 원천기술"이라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단의 C1 가스 리파이너리 사업 및 기초연구지원사업과 KIST의 지원으로 수행됐다. 왼쪽 그림이 실시간 라만 분광 분석장치 모식도. 오른쪽 그림은 반응중 시간별 라만 스펙트럼 결과
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우리 학교 조인선 교수 공동 연구팀이 기존 광전극 대비 5배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 새로운 광전극을 개발하는데 성공했다. 이 기술을 적용하면 차세대 신재생 에너지 중 가장 유망한 에너지원인 수소 에너지의 효율적 활용에 기여할 것으로 기대된다.아주대 조인선 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 미국 스탠포드대학 샤올린 정(Xiaolin Zheng) 교수(기계공학과)팀과 함께 결정 재구조화 방법을 통해 기존 광전극 대비 5배 이상 높은 태양광-수소 전환 효율을 갖는 새로운 광전극을 개발했다고 밝혔다.이번 연구는 'Mo:BiVO4 광전극의 결정 재구성: 효율적인 태양광 물 분해를 위한 향상된 전하수송 특성(Crystal Reconstruction of Mo:BiVO4: Improved Charge Transport for Efficient Solar Water Splitting)'이라는 제목으로 재료공학 분야 국제 학술지 <어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924, JCR 상위 4.658 %)>에 게재됐다. 이번 연구에는 우리 학교 대학원 에너지시스템학과 석사과정 정유재 학생(사진 왼쪽)이 제1저자로 참여했다.광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있다. 그러나 기존의 비스무스 바나데이트(BiVO4) 광전극 소재를 이용할 경우, 심각한 전자-정공 재결합이 발생하여 태양광-수소 전환 효율 향상이 제한적이었다.이를 개선하기 위해 그동안 학계에서는 여러 방안을 연구·적용해왔다. 도핑, 조촉매 코팅, 이종 접합 기술 및 결함(Defect) 제어와 같은 방안으로 대부분은 나노구조 광전극을 이용했다. 그러나 이러한 방안들의 경우, 여러 단계의 합성 과정과 고온 및 진공 장비가 필요할 뿐만 아니라, 추후 소자 적용 시 물리적 안정성이 낮고 전기화학적 부식에도 취약하다는 단점이 있었다.이에 아주대 공동 연구팀은 나노구조가 아니라 오히려 결정성이 좋고 크기가 큰 마이크로 구조에 주목했다. 벌크 광전극은 물리적 안정성이 높고 부식 저항성이 상대적으로 우수하다는 보고가 있기 때문. 하지만 이러한 벌크 구조를 가진 광전극을 간단히 대면적으로 합성하는 방법에 대한 선행 연구는 거의 없었다.연구팀은 결정 재구조화(Crystal Reconstruction) 방법을 고안, 저렴한 용액 공정 기반 합성으로 여러 결정면이 표면으로 노출된 나노구조를 합성했다. 이러한 다결정면이 노출된 나노구조의 경우 표면에너지가 높고 열적불안정성이 커서 표면 재구조화에 매우 유리하다. 이에 연구팀은 표면에너지가 불안정해지는 원리를 이용하여 열에너지를 가해 표면을 재구성시키는 전략을 적용했다.연구팀은 치밀하면서 큰 입계로 구성된 광전극을 이용하여 기존 대비 전하 이동 특성이 4배 이상(92%) 높은 광전류 값을 얻는데 성공했다. 또한 안정성 분석을 통해 광 부식에도 높은 저항성을 가짐을 확인했다.연구에 참여한 정유재 학생은 “저온에서 합성 가능하며 대면적 합성에도 적용이 가능하기 때문에 추후 다양한 에너지 소재 분야에서 활용될 것으로 생각된다"고 설명했다.이어 “학부 후배들이 학부 연구생으로서 설계 과목에 참여하여 연구 과정에 많은 도움을 주고 있다”며 "연구에 흥미가 있는 학부생들이라면, 적극적으로 교수님들과 상의하여 연구에 참여해보고 더 깊은 공부를 통해 폭넓게 진로를 탐색해보았으면 한다”고 조언했다.<결정재구성 전략 및 향상된 전하 수송/수집 특성 모식도>(위) 결정 재구성 과정 (왼쪽아래) 전하 수송 특성 (오른쪽아래) 전하 수송특성 비교 (나노 구조체 vs 큰 입계 구조)
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