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레고블록 계면구조 수소연료전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 박정기 교수 공동 연구팀이 레고블록과 같은 맞물림 계면구조를 통해 결착력이 강화된 수소연료전지를 개발했다.
연구 결과는 재료과학분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 20일자 온라인 표지논문으로 게재됐다.
전기자동차인 수소연료전지 자동차는 차세대 친환경 미래 자동차로 각광받고 있다. 하지만 기존 연료전지는 고가의 불소계 멤브레인(고분자 필름 박막)을 이용하기 때문에 가격을 낮추는 데 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인을 사용했지만, 백금 전극과의 계면 결착이 취약해 상용화에 어려움을 겪었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 멤브레인과 전극 계면이 레고 블록처럼 서로 맞물려진 구조를 개발했다. 탄화수소계 멤브레인 표면에 형성된 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자 층에 삽입된 후, 수분에 의해 팽창하며 계면 결착력이 발생하는 원리이다.
이 맞물림 계면구조의 개발로 탄화수소계 연료전지의 계면 결착력은 8배, 연료전지의 내구성은 4배 이상 향상됐다.
연구팀은 화학연구원 홍영택 박사팀과 협력해 맞물림 계면구조의 소재 설계를 수행했고, KAIST 기계공학과 이대길 교수팀과 수치 해석을 통한 계면 결착력 향상 메커니즘을 규명했다.
김희탁 교수는“맞물림 계면 구조를 도입한 연료전지는 탄화수소 소재가 가져왔던 한계를 극복할 단서를 제시했다”며, “연료전지의 가격을 낮추는 데 큰 역할을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업과 KAIST 세계수준 연구중심대학(World Class University:WCU) 육성사업 프로그램 및 한국화학연구원 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 어드밴스드 머터리얼스 誌에 게재된 레고블록 계면구조 개념도
그림 2. 마이크론 크기의 돌기가 표면에 형성된 탄화수소계 멤브레인
그림 3. 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자층에 삽입된 계면 구조
2015.05.27 조회수 18777 -
이상엽 교수, 제50회 발명의 날 홍조근정훈장 수훈
이 상 엽 교수
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(52)가 19일 제 50회 발명의 날에 홍조근정훈장을 수훈했다.
근정훈장은 공무원 및 사립학교 교원으로 직무에 정려해 공적이 뚜렷한 자에게 수여되며, 홍조근정훈장은 3등급에 해당한다.
이 교수는 세계적으로 인정받는 미생물 기반 화학물질 생산 원천기술을 다수 개발해 다가올 바이오 기반 화학 산업의 경쟁력을 최고 수준으로 끌어올린 공을 인정받았다.
또한 미생물 대사공학 분야 연구를 지속해 세계 최초로 시스템대사공학을 창시했으며 다수의 관련 균주개발 원천기술을 개발했다.
이 교수는 생물공정 관련 다양한 특허권을 확보했다. 대학 재직 기간 동안 총 585건의 특허를 출원했고 227건의 특허를 등록했다. 특히 지난 5년간 135건의 특허를 출원했고 99건의 특허를 등록해 다수의 기술을 산업체에 성공적으로 기술 이전했다.
이 교수는 “우리나라 산업경쟁력을 높이고 국가 위상 향상에 기여할 수 있어 기쁘다”며 “대학원생들과의 공동 특허 출원을 통해 이들이 사회에 진출해 국가 경쟁력 강화에 도움이 되도록 교육에 힘쓰겠다”고 말했다.
2015.05.19 조회수 9753 -
광전환 효율 높인 고분자 태양전지 모델 개발
<김 범 준 교수>
국내 연구진이 차세대 에너지원으로 각광 받고 있는 플라스틱 태양전지의 광전환 효율을 크게 높이는데(5% 이상, 기존 대비 1%p 이상 증가) 성공하였다. 특히 기존의 태양전지를 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다.
우리 대학 김범준, 부산대 우한영 교수(공동 교신저자)가 주도하고, 우리 대학 강현범, 부산대 우딘 모하메드 아프사르 박사(공동 제1저자)가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 추진하는 기초연구사업(중견연구자), 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행되었고, 화학분야의 권위지 JACS(Journal of the American Chemical Society) 2월 18일자에 게재되었다.
고분자-고분자 태양전지는 기존의 풀러렌 유기태양전지에 비해 상용화에 핵심요소인 기계적인 안정성뿐만 아니라 열에 대한 안정성도 크게 향상시킬 수 있다.
그러나 풀러렌 유기태양전지(10%)에 비해 고분자-고분자 태양전지의 광전환 효율은 매우 낮다(4% 이하). 이것은 광 활성층을 형성하는 두 고분자가 잘 섞이지 않고 과도하게 분리되는 현상(상 분리)이 발생하기 때문이다. 이러한 상 분리 현상은 전자의 생성과 운반을 저해하고 태양전지의 광전환 효율을 감소시킨다.
연구팀은 전도성 고분자의 분자량과 구조를 조절함으로써 두 고분자의 상 분리 현상을 효과적으로 제어하여 5% 이상의 높은 광전환 효율을 가진 태양전지를 개발하였다.
연구팀은 현재 태양전지의 광전환 효율을 6%까지 끌어올렸는데, 이 수치는 지금까지 학계에 보고된 것 중에서 가장 높은 효율이다.
김범준 교수는 “이번 연구는 고분자 플라스틱 태양전지가 미래 에너지원, 특히 유연성이 필요한 휴대용 차세대 전자소자의 에너지원으로서 높은 응용가능성을 보여주는 사례”라고 밝혔다.
□ 그림 설명
그림 1. 플렉서블 고분자 / 고분자 태양전지 샘플
2015.03.30 조회수 18129 -
전상용 교수, 미국 의생명공학원 펠로우 선임
전상용 교수
우리 대학 생명과학과 전상용 교수가 미국 의생명공학원(American Institute for Medical and Biological Engineering, AIMBE) 2015년도 펠로우(석학회원)로 선임됐다.
미국 의생명공학원은 1991년 창립해 의생명공학 분야의 상위 2%에 속한 산학연 전문가들이 모인 비영리기관으로, 인류를 위한 관련 분야 기여를 목적으로 정책수립 및 자문을 수행하는 기관이다.
AIMBE 펠로우는 지난 25년간 약 1,500여 명이 선임됐고, 그 중 미국 국적이 아닌 사람은 110여 명뿐이다.
전상용 교수는 우리나라에서 이해방 前 한국화학연구원 선임부장과 우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수에 이어 세 번째로 선임돼, 15일부터 3일간 개최되는 AIMBE 정기총회에서 정식 펠로우 선임식을 갖는다.
전 교수는 나노의학 분야 전문가로서 질병 진단 및 치료를 위한 다기능성 테라노스틱스 나노입자 관련 원천기술을 다수 개발했다. 지난 2월 나노의학 분야 학술지 ‘테라노스틱스(Theranostics)로부터 최다 피인용 논문상을 수상했다.
전상용 교수는 실험실 기술을 임상에 적용하는 ‘Bench to Bedside’ 중개연구의 대표적 연구자로서, 다양한 기술이전 및 바이오벤처 회사 설립 등 사업화 방면으로도 활발하게 활동하고 있다.
2015.03.12 조회수 15022 -
휘어지는 10나노미터 고분자 절연막 개발
10나노미터 이하의 얇고, 유연하게 휘어지면서도 균일한 두께를 유지하는 고분자 절연막의 개발로 사물인터넷의 실현을 앞당길 수 있을 것으로 보인다.
우리 대학 생명화학공학과 임성갑 교수, 전기 및 전자공학과 유승협, 조병진 교수 공동 연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, 이하 iCVD)’을 이용한 고분자 절연막을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 재료분야 국제 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’ 3월 10일자 온라인 속보판에 게재됐다.
사물인터넷 시대의 핵심인 웨어러블, 플렉서블 기술 촉진을 위해서는 가볍고 전력 소모가 적으면서도 유연성을 가진 소자 제작 기술이 필수적이다.
하지만 무기물 소재를 기반으로 한 절연막을 포함한 전자소자 재료들은 유연성이 부족하고, 고온에서만 공정이 가능해 열에 약한 다른 재료들과의 조합이 좋지 않다.
또한 용액을 이용해 만든 기존 고분자 소재 절연막은 표면장력에 의한 뭉침 현상으로 균일도에 한계가 있었고, 잔류 불순물로 인해 절연 특성도 좋지 못한 경우가 많았다.
공동 연구팀은 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 기체 상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막 형태로 합성하는 방법인 iCVD를 사용했다.
액체 대신 기체 상태의 반응물을 이용해 균일도를 높이고 불순물을 최소화함으로써, 10nm 이하의 매우 얇은 두께에서도 무기물 기반 소재에 필적하는 절연성을 가지게 됐다.
공동 연구팀은 개발한 절연막을 유기반도체, 그래핀, 산화물반도체와 같은 차세대 반도체를 기반으로 한 트랜지스터에도 적용해 우수한 이동도를 갖는 저전압 트랜지스터를 개발했다.
그 외에도 우수한 유연성을 바탕으로 스티커 필름 형태의 전자 소자를 시연했고, 동국대 노용영 교수 연구팀과 협력해 iCVD 고분자 절연막이 대면적 유연 전자소자 기술에 적용할 수 있음을 확인했다.
이 기술은 향후 다양한 미래형 전자기기 제작에 핵심 요소소재로 활용되고, 이 분야의 기술경쟁력 우위 확보에도 역할을 할 것으로 기대된다.
임성갑 교수는 “이번에 iCVD로 구현된 박막의 절연특성은 고분자 박막으로는 구현할 수 없었던 매우 높은 수준”이며 “이번에 개발된 iCVD 고분자 절연막은 플렉서블 전자 소자 등 차세대 전자 기술에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.
문한얼, 신우철 박사(전기 및 전자공학과), 성혜정 학생(생명화학공학과)이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부의 한국연구재단 신진연구자 지원사업 및 중견연구자 지원사업, 글로벌프론티어사업 나노기반 소프트일렉스토닉스 연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. iCVD 공정의 모식도
(i) 재료물질 (initiator, monomer) 주입, (ii) 개시제의 활성화, (iii), (iv): 활성화된 개시제에 의한 고분자(polymer) 합성
그림 2. 연구진이 개발한 고분자 절연막을 이용하여 제작한 대면적, 고유연성 전자소자
그림 3. 스티커처럼 붙이고 뗄 수 있는 전자소자 이미지
2015.03.10 조회수 24665 -
이상엽 특훈교수 셀 시스템즈(Cell Systems) 창간 편집위원 선임
우리 대학 생명화학공학과 이상엽(51) 특훈교수가 셀 시스템즈(Cell Systems)의 초대 창간 편집위원에 선임됐다.
올해 7월 첫 발간이 되는 셀 시스템즈는 네이처, 사이언스와 함께 세계 3대 학술지로 알려진 셀(Cell)에서 창간하는 자매지로서, 생명공학의 시스템을 이해할 수 있는 폭 넓은 분야를 다룬다.
셀 시스템즈는 획기적인 발견 및 다양하게 활용할 수 있는 연구도구, 특히 바이오 분야의 정량적이고 통합적인 시스템 연구결과들을 소개할 예정이다.
이 교수는 엔지니어링 플라스틱 원료와 비(非) 천연 화학물질의 생산기술을 개발하는 등 미생물대사공학 분야의 선구자이다. 바이오테크놀로지 저널(Biotechnology Journal)편집장 등 20여 개의 국제 학술지 편집에 관여하고 있고, 세계경제포럼의 글로벌 아젠다 카운슬 멤버와 국가과학기술자문회의 위원으로 활동 중이다.
이 교수는 “셀 시스템즈에서 전체 생물학적 시스템을 체계적으로 다루는 연구결과들을 소개할 것”이라며 “시스템생물학과 시스템생명공학의 대표적 학술지가 될 셀 시스템즈에 우리나라 학자들의 연구결과가 많이 게재되길 바란다”고 말했다.
2015.02.09 조회수 11671 -
빛을 이용한 약물효소반응 촉진 플랫폼 개발
우리 대학 신소재공학과 박찬범 교수와 생명화학공학과 정기준 교수 연구팀은 빛으로 약물효소반응을 유도할 수 있는 새로운 반응 플랫폼을 개발했다.
연구결과는 지난 12일, 화학분야의 세계적 학술지인 ‘앙게반테 케미’에 후면 표지논문으로 게재됐다.
이 기술을 활용하면 저가의 염료로 고지혈증 등의 심혈관질환 치료제 및 오메프라졸과 같은 위궤양 치료제 등 고부가가치 의약품 생산이 가능할 것으로 보인다.
시토크롬 P450(cytochrome P450)은 생물체 안에서 약물 및 호르몬 등의 대사 과정에서 중요한 산화반응을 수행하는 효소이다. 사람에게 투여되는 약물의 75% 이상의 대사를 담당하고 있기 때문에 신약개발 과정에서 핵심적인 요소로 알려져 있다.
시토크롬 P450의 활성화를 위해선 환원효소로부터 전자를 받아야 하며 전달물질인 NADPH(생물 세포 내의 조효소)가 필요하다. 하지만 NADPH의 높은 가격 때문에 시토크롬 P450의 활용은 실험실 수준에 머무르고 있었으며, 산업적 활용에도 제 역할을 다하지 못했다.
연구팀은 NADPH 대신 빛에 반응하는 감광제인 에오신 Y를 활용해 대장균 기반의 ‘전세포 광-생촉매’ 방법을 개발했다. 저가의 에오신 Y를 빛에 노출시켜 시토크롬 P450의 효소반응을 촉진하여 고가의 대사물질을 생산한다는 원리다.
박 교수는 “이번 연구를 통해 산업적 활용에 제한이 컸던 시토크롬 P450 효소의 활용이 수월해졌다” 며 “우리의 기술은 시토크롬 P450 효소가 고부가가치 의약 물질을 생산하는데 큰 도움을 줄 것이다”라고 말했다.
박찬범, 정기준 교수(교신저자)의 지도아래 박종현 박사과정 학생, 이상하 박사가 주저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업과 글로벌프론티어사업, KAIST HRHRP (High Risk High Return Project)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림설명
그림1. 빛으로부터 에오신 와이 (eosin Y, EY)를 통해 시토크롬 P450 효소로 전자를 전달하는 모식도
그림2. 연구결과를 설명하는 1월 12일자 ‘앙게반테 케미’ 후면 논문 표지
2015.01.21 조회수 23556 -
서명원 박사, 케미컬 엔지니어링 저널 '최다 인용 논문상' 수상
우리 학교 생명화학공학과 졸업생 서명원 박사가 최근 세계적인 학술 잡지 출판 업체인 엘스비어 (Elsevier)사의 화학공학 분야 학술지인 ‘화학 공학지(Chemical Engineering Journal)’에 게재한 논문이 2011-2012년 최다 인용 논문 (Top Cited Papers)으로 선정됐다.
수상 논문은 서명원 박사가 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원 재직 시절인2011년 제168호에 게재된 ‘이중 순환 유동층 반응기에서의 고체 흐름 및 룹실 특성: 실험 및 CFD 시뮬레이션’ 논문으로 주된 내용은 석탄/바이오매스 가스화 장치 등으로 사용되는 이중 순환 유동층 반응기 내 수력학적 특성(고체흐름 및 재순환 특성)을 실제 실험 데이터와 CFD 시뮬레이션 툴을 이용하여 비교/분석하고 향후 발전 방향에 관한 연구를 담고 있다.
한편, 본 연구의 후속 연구로 2012년 제 35호에 게재된 ‘이중 순환 유동층 가스화기의 실험과 CFD 시뮬레이션 연구’는 같은 엘스비어사의 화학공학 분야 학술지인 ‘컴퓨터 및 화학 공학지 (Computers & Chemical Engineering)’의 2012-2013년 최다 다운로드 논문으로 선정되기도 했다.
‘화학공학지(Chemical Engineering Journal)’는 인용지수 (Impact factor)가 4.058로, 화학공학 분야의 대표적인 서계 저명 학술 저널이다.
2011년 KAIST 생명화학공학과를 졸업한 서명원 박사는 현재 한국에너지기술연구원 기후변화연구본부에 재직 중이며, 왕겨를 비롯한 바이오매스 및 석탄 등 저급 연료로부터 가스화를 포함한 열화학적 전환 공정을 통해 에너지를 생산하고 고부가가치 소재를 동시에 얻을 수 있는 연구를 활발하게 수행하고 있다.
2014.11.17 조회수 13827 -
이상엽 특훈교수, 중국 북경화공대학교 명예교수 임명
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(KAIST 연구원장)가 중국 화학공학 관련 교육과 연구를 선도하는 북경화공대학교의 명예교수로 위촉됐다.
북경화공대학교는 이 교수가 대사공학과 합성생물학 분야의 세계적인 선도 연구자로서 다가오는 친환경 화학 산업에 필요한 핵심 기술들을 다수 개발한 업적을 높이 평가해 명예교수로 추대했다.
이 교수는 합성 sRNA를 이용한 균주를 효율적으로 개발하는 원천기술 등 다수의 대사공학과 합성생물학 기술들을 개발했다. 또 세계 최고효율의 숙신산과 엔지니어링 플라스틱 원료 생산기술, 젖산함유 고분자와 가솔린과 같은 비천연 화학물질을 생산할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.
2012년에는 중국과학원 명예교수, 2013년에는 중국 상하이 자오퉁대학교 자문교수, 그리고 올해는 중국 우한대학교와 허베이공과대학교의 명예교수로 추대된 데 이어 중국에서만 다섯 번째 명예직 교수로 위촉됐다. 또 이 교수는 호주 퀸즈랜드대학교의 명예교수이기도 하다.
한편, 이 교수는 지난 9월 세계경제포럼의 미래화학 및 바이오텍 글로벌 아젠다 카운슬(Global Agenda Council on Future of Chemicals and Biotechnology) 및 미래기술 메타카운슬(Global Agenda Meta-Council on Emerging Technologies)의 위원으로 선임돼 인류와 지구환경의 지속성장을 위한 전략들을 제시할 예정이다.
2014.11.12 조회수 13131 -
공기를 이용한 가스하이드레이트 생산법 개발
그동안 전 세계적으로 석탄이나 석유를 능가하는 막대한 미래 에너지자원인 가스하이드레이트를 안정적으로 생산할 수 있는 방법을 찾으려고 심혈을 기울여 왔으나 뚜렷한 해답을 찾지 못하고 있다.
기존의 기술들이 지닌 한계성도 있지만, 해저 지층의 일부를 이루고 있는 가스하이드레이트 층의 붕괴로 인한 지반 침하 및 해저 생태계 파괴와 같은 엄청난 지구적 재앙과 피해를 극복할 획기적 기술이 아직 나오지 않고 있다.
우리 학교 생명화학공학과 이흔 교수팀은 해저에 묻혀 있는 가스하이드레이트 층을 거의 손상하지 않고 얼음 결정 형태로 이루어진 하이드레이트 구조에 갇혀있는 막대한 양의 천연가스를 회수하고, 대신 그 빈자리에 지상에서 주입된 공기나 공기와 혼합가스를 집어넣는 획기적인 개념을 수립했다.
연구팀은 다양한 조건의 가스하이드레이트 층에 해리와 맞교환이 동시에 일어나는 새로운 개념의 회수원리를 직접 적용해 자발적 천연가스 생산을 완벽히 입증했다.
이러한 공기 주입법은 이산화탄소 격리 저장과 해저 에너지 자원을 개발 생산하는 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 개념의 원천기술이다.
자연현상 원리로 진행되는 천연가스 생산과정은 국내외에 특허 등록 및 출원됐으며 우리나라의 독보적인 기술로 KoFAST-2(Korea Field-Adapted Swapping Technology, 한국 필드 적응형 맞교환기술)라고 명명했다.
이에 앞서 이흔 교수팀이 개발해 국내외에 특허가 등록된 KoFAST-1은 이미 전 세계에 주목을 받고 있으며, 미국 메이저 석유가스회사인 코노코필립스(ConocoPhillips)가 2012년 4월 미국 알라스카 노스슬로프(North Slope)에 이산화탄소와 질소 혼합가스를 주입해 천연가스를 성공적으로 시험 생산함으로써 KoFAST 기술의 상업화 검증이 이루어졌다.
이번에 개발된 KoFAST-2에서는 대기 중의 공기를 직접 이용함으로써 생산 비용과 효율을 획기적으로 향상시켰다.
KoFAST-2는 KoFAST-1 보다 광범위한 천연 가스하이드레이트 필드에 적용 가능한 기술로, 기존 맞교환 기술의 잠재성을 최대한으로 끌어올린 신기술이다.
이흔 교수는 이번 연구에 대해 “셰일가스와 함께 차세대 에너지 양대 축인 가스하이드레이트 생산 원천기술을 국내에서 확보함으로써 전 세계 에너지자원 개발에 전환적 돌파구를 마련했다”며 “우리나라 동해에 부존된 막대한 양의 에너지자원 확보에도 절대적 기여가 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 산업통상자원부 가스하이드레이트사업으로 수행됐다.
<그림설명> 공기를 이용한 심해 가스하이드레이트 생산 모식도
2014.10.27 조회수 19093 -
이상엽 특훈교수, 중국 우한대 명예교수 추대
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 중국 TOP 5 명문대인 우한대학교 명예교수로 추대됐다.
우한대학교는 이 교수가 친환경 화학 산업에 필수적인 미생물대사공학 등의 연구 분야에서 혁신적인 성과로 전세계를 선도한 것은 물론 탁월한 리더십을 발휘한 업적을 인정해 명예교수로 위촉했다.
이 교수는 세계 최고효율의 숙신산과 엔지니어링 플라스틱 원료 생산기술을 개발했다. 또 최근에는 젖산함유 고분자와 가솔린과 같은 비천연 화학물질을 생산할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 성과를 인정받아 지난 5월 호암공학상을 받기도 했다.
한편, 이 교수는 2012년에는 중국과학원 명예교수, 그리고 2013년에는 중국 상하이 자오퉁대학교 자문교수로 추대된 바 있다.
2014.10.16 조회수 11544 -
빛으로 수리되는 전기회로 세계최초 개발
# 휘어지는 전자기기가 나오면서 금속 재질의 전기회로는 균열로 인한 불량이 발생할 가능성이 점점 높아지고 있다. 미세하면서도 구조가 복잡해 수리보다는 키트 단위로 부품을 교환하거나 고칠 수 없어 아예 못쓰게 되는 경우도 많다.
# 아이언맨과 같은 인간형 로봇이나 웨어러블 컴퓨터에 사용되는 금속전선은 지속적인 움직임으로 인해 끊어질 수 있기 때문에 상용화에 앞서 반드시 해결해야할 과제다.
우리 학교 생명화학공학과 박정기·김희탁 교수는 성균관대학교 성균나노과학기술원(SAINT) 이승우 교수와 공동으로 끊어진 전기회로에 레이저를 쪼여주면 단락된 부분이 원래 상태로 다시 붙어 전기가 통하게 되는 ‘빛을 이용한 자기회복 전기회로’를 세계최초로 개발했다.
개발된 회로는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 발표용 레이저포인터를 2분 정도 조사하는 것만으로도 끊어진 부위를 처음처럼 완벽하게 수리할 수 있다. 휘고 접고 비틀어도 잘 작동되는 연성기판을 사용하기 때문에 플렉시블 전자기기나 웨어러블 컴퓨터는 물론 움직임 많은 인간형 로봇의 전선으로 적용해 단락 시 곧바로 수리할 수 있다.
최근 얇고 휘어지는 고집적회로를 내장한 전자기기 개발이 활발해짐에 따라 전기회로에 구부림 등 외부 자극으로 인해 내부 전기회로가 손상될 수 있다. 고밀도 회로가 적용된 탓에 고장 난 부분만 수리하기가 어려워 주로 모듈단위로 바꿔야하기 때문에 비싼 수리비용과 자원낭비 문제가 대두되고 있다.
연구팀은 조사되는 빛의 편광 방향과 나란하게 움직이는 아조고분자를 휘어지는 성질이 있는 연성필름에 코팅했다. 그 위에 전기전도도가 우수하며 손쉽게 합성이 가능한 은나노와이어(은으로 이루어진 나노사이즈 막대기)를 도포해 휘어지는 전기회로를 완성했다.
완성된 자기회복 전기회로를 테스트해보기 위해 연구팀은 회로에 인위적으로 균열을 만들어 단락시켰다. 회로가 끊어진 부분에 500mw/cm2(단위면적당 발광 에너지) 세기의 레이저 빛을 조사하자 아조고분자가 편광방향과 나란하게 움직였다. 이와 동시에 도포된 은나노와이어가 아조고분자와 같이 움직여 끊어진 부분이 다시 접착돼 단락된 전기전도도가 회복됐다.
박정기 KAIST 교수는 “플렉시블 전자기기의 전기회로 단락문제를 해결해 전자기기 사용수명을 연장시킬 수 있는 가능성을 제시했다”며 “영화 속 아이언맨도 탐낼만한 차세대 신기술”이라고 말했다.
이승우 성균관대학교 교수는 “기존 자기회복 전기회로 기술의 단점이었던 고온을 사용하거나 해로운 용매를 사용하는 것과 같은 복잡한 회복과정이 없다”며 “주변에서 쉽게 구할 수 있는 레이저를 쏘아주면 끊어진 전기전도도가 회복되는 전기회로를 세계 최초로 개발했다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
한국연구재단이 추진하는 일반연구자사업의 지원을 받아 KAIST와 성균관대학교 교수진의 지도아래 KAIST 강홍석 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 재료 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 9월 16일자로 실렸다.
1. 아조고분자 필름에 크랙을 인위적으로 발생시킨 후 빛을 조사해 크랙을 회복시키는 이미지. 조사한 빛은 크랙과 수직한 편광을 갖는 빛이다. 2분의 조사시간만으로도 크랙을 완전히 회복시킨다.
2. 끊어진 전기회로가 다시 접합되는 과정
①아조고분자 필름 위에 은나노와이어를 도포한 후 인위적으로 크랙을 발생시켜 전기전도도 단락을 일으킨다. ②빛을 조사하여 아조고분자의 이동을 유도한다. ③그 효과로 인해 도포된 은나노와이어를 끌고 이동시켜서 다시 은나노와이어 접착을 유도한다. ④단락된 전기전도도가 회복된다. (회복과정으로 인해 'K‘ 모양으로 배열된 전구에 빛이 다시 들어오는 것을 보여줌)
3. 은나노와이어가 도포된 아조고분자 필름의 연성특성 파악. 구부림, 꼬임 등에도 모두 전기전도도를 유지한다. 자기회복 과정을 거친 후에도 전기전도도 특성을 유지한다.
4. 제작한 자기 회복 필름의 웨어러블 기기 적용 가능성 파악. 장난감 손에 아래와 같이 회로를 연결한 후 반복적 구부림을 통해 전기전도도 단락을 시킨 다음 빛을 조사해 전기전도도를 회복할 수 있다.
2014.10.15 조회수 22785