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최장욱, 장석복 교수, 제 7회 지식창조대상 수상
우리 대학 화학과 장석복 교수와 EEWS 대학원 최장욱 교수가 미래창조과학부의 ‘제 7회 지식창조대상’ 수상자로 선정됐다.
2009년부터 시작한 지식창조대상은 세계 과학기술계에서 많이 인용되는 논문을 발표해 국제적 학술 공헌도가 높은 국내 과학자에게 주어지는 상이다.
대표적인 세계 과학기술 분야 인용 데이터베이스인 'SCIE'와 'SCOPUS' 수록 논문을 활용해 지난 10년간 피인용 횟수가 상위 1% 안에 드는 고피인용 논문(HCP·Highly Cited Papers)을 추출해 이 중 학술적 공헌도가 매우 높은 10명을 추려 선정하는 방식이다.
장석복 교수는 탄소-수소 간 결합반응 활성화 분야에서 세계적 권위자로 평가받고 있다. '팔라듐 촉매를 이용한 피리딘 유도체의 탄소-수소 활성화 반응' 논문은 톰슨 로이터의 이달의 주목할 만한 논문에 선정됐다. 또 2011년 미국화학회로부터 최근 3년간 가장 많이 인용된 논문 20편에 선정된 바 있다.
최장욱 교수는 이차전지 분야 국내 최고 권위자 중 한 명이다. 기존 이차전지의 사용시간 연장을 위한 고용량 전극소재를 개발한 것은 물론, 리튬이차전지보다 경쟁력이 클 것으로 예상되는 차세대 나트륨이차전지와 마그네슘이차전지에서도 새로운 전극소재를 개발했다.
2015.10.20
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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
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모델 촉매 시스템을 이용한 스필오버 현상 규명
- 새로운 메커니즘의 상업촉매 개발을 위한 원천기술 확보 -
1960년대 초 발견된 이래 오늘날까지도 학계에서 논란이 되고 있는 물리학적 현상이 KAIST 연구진에 의해 세계 최초로 규명됐다.
KAIST(총장 강성모) 생명화학공학과 최민기(34) 교수팀은 비결정질 알루미노실리케이트 내부에 백금이 선택적으로 위치한 모델 촉매 시스템을 개발해 ‘스필오버(spillover)’ 현상을 규명했다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 25일자 온라인 판에 실렸다.
스필오버 현상은 백금과 같은 금속 표면에서 활성화된 수소원자가 촉매 표면으로 이동하는 현상이다.
이 현상을 이용하면 높은 활성과 안정성을 갖는 촉매를 설계하는데 이용될 수 있을 것이라고 믿어져 지난 50여년간 촉매 분야에서 활발히 연구됐다.
하지만 기존에 알려진 촉매들의 경우에는 노출된 금속 표면에서 여러 가지 다른 경로로 경쟁반응이 일어나기 때문에 스필오버의 존재 및 생성 메커니즘을 직접적으로 규명하는 것이 불가능했다.
연구팀이 개발한 촉매는 백금 나노입자가 수소 분자만 통과할 수 있는 알루미노실리케이트로 덮여있어 다른 경쟁 반응들이 일어나는 것을 원천 차단, 스필오버 현상을 효과적으로 연구하는데 이용할 수 있었다.
연구팀은 촉매에 대한 다양한 구조분석, 촉매 반응성 분석, 컴퓨터 모델링을 통해 알루미노실리케이트에 존재하는 브뢴스테드 산점이 스필오버에 결정적인 역할을 함을 밝혀냈다.
그동안 학계에서 50여년간 정립되지 않은 ‘스필오버’라는 현상을 최초로 규명했다는 점에서 학술적으로 큰 영향력을 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 함께 이번 연구에서 제안된 스필오버에 기반한 수소화 촉매의 경우 높은 수소화·탈수소화 활성을 보임과 동시에 석유화학공정에서 일반적으로 원치 않는 부반응인 수소화 분해(hydrogenolysis) 반응을 확연하게 억제할 수 있다는 점에서 산업적으로도 그 잠재력이 매우 크다고 연구팀은 전했다.
최민기 교수는 “스필오버 현상만으로 반응이 진행되는 해당 촉매의 경우 촉매구조를 적절하게 설계하면 기존 금속촉매를 훨씬 능가하는 촉매를 구현할 수 있을 것”이라며 “향후 높은 활성 및 선택성을 가지는 꿈의 촉매를 만들 것”이라고 말했다.
SK이노베이션 오승훈 수석연구위원은 “촉매계의 오랜 논쟁거리였던 스필오버 현상을 이론과 실험을 통해 규명하고 이에 대한 이해를 높였다는 점이 이번 연구의 가장 큰 성과”라며 “SK이노베이션에서는 이번 연구를 통해 확보한 기술을 바탕으로 새로운 상업촉매 개발 연구를 계속할 것”이라고 말했다.
SK이노베이션(대표 구자영)과 미래창조과학부의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 KAIST 최민기 교수 지도아래 임주환 연구원, 신혜영 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며 EEWS 대학원 김형준 교수가 컴퓨터 모델링을 수행했다.
2014.02.26
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장석복 교수, 2013년도 14회 한국과학상 화학분야 수상
우리 학교 화학과 장석복 교수가 미래창조과학부와 한국연구재단이 주최하는 "2013년도 제14회 한국과학상" 화학 분야 수상자로 선정됐다.
한국과학상은 자연과학 분야의 주요 원리를 규명해 세계 정상 수준의 탁월한 연구업적을 이룩, 과학기술 발전에 크게 기여한 인물을 포상하고자 1987년 제정된 대통령상으로, 한국공학상과 함께 매년 3명씩 격년제로 수상자를 선정한다.
□ 주요업적 : 탄소수소 활성화 촉매반응 개발
장석복 교수는 유기분자의 탄소-수소결합 활성화과정 메카니즘을 연구하여 이를 기반으로 저반응성 화합물에 유용한 작용기를 직접 도입할 수 있는 새로운 형태의 전이금속 촉매반응을 개발하는 등 유기화학 관련분야에서 선도적인 연구업적을 성취하였다 (120여편의 논문발표, 8,400회의 피인용수).
탄화수소는 자연에 대량 존재하고 있으나 온화한 조건에서는 그 반응성이 낮아 합성의 원료물질로 이용되기 어렵다. 또한 금속촉매를 매개로 하는 저반응성 분자의 탄소-수소결합 활성화 과정에 대한 경로가 충분히 밝혀지지 않아 탄화수소 기반 유기반응의 개발이 아직 초기단계에 머물고 있다.
더구나 금세기 안에 화석연료의 고갈이 예상되어 이를 기반으로 하는 현재의 원료화합물 공급원을 향후에는 무엇으로 대체할 것인가는 매우 중대한 과학적/산업적 이슈이다.
이러한 관점에서 장석복 교수는 저반응성 탄화수소 유기분자의 탄소-수소결합 활성화 과정에 대한 연구를 수행하여 전이금속을 매개로 하는 활성화 메카니즘을 규명할 수 있었으며 이를 기반으로 유기분자에 유용한 작용기를 직접 도입시킬 수 있는 온화한 반응조건과 효율적이며 선태적인 촉매시스템을 개발하였다.
이를 활용한 다양한 응용연구가 가능해 향 후 유기합성, 의약화학, 재료과학등의 여러 분야에서 중요한 반응 수단으로 이용될 것으로 예상된다.
장석복 교수는 2012년 12월 기초과학연구원(IBS)의 “분자활성 촉매반응 연구단”의 연구단장으로 선정되어 현재 이 연구단(KAIST 캠퍼스)에서 관련주제의 기초연구를 수행하고 있다.
2013.12.19
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세계 최초로 미생물 이용 가솔린 생산
- 대장균의 지방산 대사회로를 대사공학적으로 개량하여 알코올, 디젤, 가솔린 생산 -
우리 학교 연구진이 세계 최초로 대사공학적으로 개발된 미생물을 이용하여 바이오매스로부터 가솔린(휘발유)을 생산하는 원천기술을 개발했다. 이 신기술은 나무 찌꺼기, 잡초 등 풍부한 비식용 바이오매스를 이용하여 가솔린, 디젤과 같은 바이오연료, 플라스틱과 같은 기존 석유화학제품을 생산할 수 있어 생명공학 등 관련 산업기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기) 글로벌프론티어사업의 차세대 바이오매스 연구단(양지원 단장)과 기후변화대응 기술개발사업의 지원으로 이상엽 특훈 교수팀이 진행하였으며, 연구결과는 네이처(Nature) 9월 30일(온라인판)에 게재되었다.
* 논문명 : Microbial production of short-chain alkanes
연구팀은 세포의 유전자를 조작하여 원하는 형태의 화합물을 대량으로 생산하도록 하는 기술인 대사공학을 이용하여 크래킹(cracking) 없이 세계 최초로 미생물에서 직접 사용가능한 가솔린을 생산하는데 성공했다.
* 크래킹 : 끓는점이 높은 중질유를 분해하여 원료유보다 끓는점이 낮은 경질유로 전환하는 방법
가솔린은 탄소수가 4~12개로 이루어진 사슬모양의 탄화수소 화합물로 그 동안 미생물을 이용하여 ‘짧은 사슬길이의 Bio-Alkane(가솔린)’을 생산하는 방법은 개발되지 않았다. 따라서 기존 기술은 추가적인 크래킹(cracking) 과정을 거치지 않고는 가솔린으로 전환할 수 없어 비용과 시간이 많이 소요되는 한계가 있었다.
* 2010년 미국에서 사이언스지에 발표한 미생물 이용 Bio-Alkane(배양액 1리터당 약 300mg)의 경우 탄소 사슬 길이가 13～17개인 바이오 디젤에 해당
연구팀은 대사공학기술을 미생물에 적용하여 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하고, 지방산의 길이를 원하는 목적에 맞게 조절할 수 있는 효소를 새롭게 발견하였으며, 개량된 효소를 도입하여 미생물에서 생산하기 어려운 길이가 짧은 길이의 지방산 생산에 성공하였다.
또한 세포내에 생산된 짧은 길이의 지방산 유도체로부터 가솔린을 생산할 수 있는 추가 대사반응과 생물체 내에 존재하지 않는 식물 유래의 신규 효소를 포함하는 합성대사경로를 도입하여 최종 대장균 생산균주를 개발하였다. 이렇게 개발된 대장균을 배양하여 배양액 1리터당 약 580mg의 가솔린을 생산하는데 성공했다.
개발된 기술은 바이오 연료, 생분해성 플라스틱 등과 같은 다양한 바이오 화합물을 생산할 수 있는 플랫폼 기술이 될 수 있을 것으로 전망된다.
또한 이 기술을 활용하면 재생 가능한 바이오매스를 전환하여 바이오 연료, 계면활성제, 윤활유 등으로 이용할 수 있는 알코올(Fatty alcolols) 및 바이오 디젤(Fatty ester)도 생산이 가능하다는 점에서 기존의 석유기반 화학산업을 바이오기반 화학산업으로 대체하는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.이상엽 교수는 “비록 생산 효율은 아직 매우 낮지만 미생물을 대사공학적으로 개량하여 가솔린을 처음으로 생산하게 되어 매우 의미있는 결과라고 생각하며, 향후 가솔린의 생산성과 수율을 높이는 연구를 계속할 예정”이라고 밝혔다.
그림 1. 대장균을 이용한 바이오 매스로부터 short-chain alkane(가솔린)을 생산하는 대사회로
a) 지방산 분해 회로 차단, b) 바이오 매스로부터 짧은 길이의 지방산을 대량 생산, c) 지방산을 가솔린 생산의 중간체인 fatty acyl-CoA로의 전환 유도, d) fatty acyl-CoA의 가솔린의 직접적인 전구체인 fatty aldehyde로의 전환 유도, e) 최종 가솔린 생산
(보충설명) 미생물의 세포 내부를 들여다보면, 매우 복잡한 지방산 대사회로 네트워크가 존재 한다. 지방산은 세포 내부에서 합성되어, 미생물이 살아가는데 필요한 세포막을 형성하거나, 분해되어 에너지원으로 사용되기도 한다. 대부분의 미생물에서 지방산은 전체 세포의 1%도 되지 않을 만큼 소량 만들어지고, 지방산의 길이 또한 매우 길기 때문에, 이러한 지방산을 이용해서 우리가 원하는 화합물을 대량으로 만들거나, 새로운 화합물을 생산하는 것은 매우 어려웠다. 이를 극복하기 위하여, 이상엽 특훈교수 연구팀은 시스템 대사공학적 기법을 대장균에 도입하여 효소의 개량 및 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하여 짧은 길이의 지방산 과생산에 성공하였고, 생물체내에 존재 하지 않는 신규 회로를 도입하여 지방산을 가솔린으로 전환하는데 성공하였다.
그림 2. short chain alkane을 생산하는 발효 공정 시스템 (보충 설명) 위와 같은 cooling 장치가 연결된 발효기를 통하여 가솔린을 생산함
2013.10.01
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‘EEWS 사업기획 경진대회 2012’시상식 개최
- 녹색사업 분야에 장대준 교수, 녹색기술 분야에 박종욱 교수를 각각 최우수 수상자로 선정 -
- 수상자는 하반기 창업투자회사 대상 투자설명회 기회 제공 -
에너지 고갈과 환경오염, 물 부족 및 지속성장 가능성 등 인류가 직면한 글로벌 이슈 해결을 추진하고 있는 KAIST가 녹색성장 연구성과의 사업화를 본격화한다.
우리 학교는 21일 13시 본원 제1회의실에서 EEWS 연구성과 사업화 제고를 위한 ‘EEWS 사업기획 경진대회 2012’ 시상식을 개최하고 4개 수상팀에게 상금과 상패를 수여했다.
올해로 세 번째 열리는 ‘EEWS 사업기획 경진대회’는 EEWS 연구결과의 사업화를 장려하고 창의적 인재발굴을 목적으로 KAIST와 한국녹색기술센터, 창업투자회사 디에프제이 아테네 엘엘씨(DFJ Athena LLC) • 일신창업투자(주) • 대교 인베스트먼트가 공동으로 개최하는 대회다.
이번 대회에는 ‘녹색사업’ 과 ‘녹색기술’ 분야로 나눠 진행됐으며 총 10개팀이 참여했다.
녹색사업 분야 최우수상에는 장대준 해양시스템공학과 교수가 제안한 ‘LNG 연료 선박 추진을 위한 글로벌 LNG 인프라" 제안서가, 우수상에는 박희경 건설 및 환경공학과 교수가 제안한 ’도심주상단지 및 빌딩용 on-site bio-gas 생산을 위한 그린박스 기술‘ 제안서가 각각 선정됐다.
녹색기술 분야 최우수상에는 박종욱 신소재공학과 교수팀이 제안한 ‘알루미늄 용탕용 수소센서와 계측시스템 개발’ 제안서가, 우수상에는 이대길 기계공학과 교수가 제안한 ‘신형 대용량 레독스 흐름전지 기술을 이용한 에너지 저장장치’ 제안서가 각각 선정됐다.
수상자들에게는 올 하반기 창업투자회사를 대상으로 투자설명회에 참가해 사업제안서를 설명할 기회가 제공된다. 지난해 투자설명회에는 삼성물산, 제일모직, 다산네트웍스, 한화 L&C 등의 관련 기업들과 쿨리지코너 인베스트먼트, 대덕인베스트먼트(주), KPM, 로커스 케피탈 파트너(Locus Capital Partners), 보광창업투자 등 창업투자회사들이 참가해 KAIST EEWS 연구성과에 대한 큰 관심을 보였다.
이번 경진대회를 주관한 이재규 EEWS 기획단장은 “EEWS 기획단은 KAIST를 대표할 수 있는 획기적인 융합 연구성과를 지속적으로 내놓을 계획”이라며 “창업투자회사 대표가 경진대회 심사위원으로 참여해 사업성을 최우선으로 고려한 만큼 투자자들이 큰 관심을 보일 것으로 기대하고 있다”라고 말했다.
2013.01.21
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EEWS 연구성과 투자설명회 개최
- 사업기획 경진대회 수상자 5팀, 13개 엔젤투자자 대상 투자설명회 개최 -
KAIST가 에너지 고갈과 환경오염, 물부족 및 지속성장 가능성 등 인류가 직면한 글로벌 이슈 해결을 위해 추진하고 있는 녹색성장 프로젝트에 창업투자회사와 산업체 투자자가 직접 투자할 전망이다.
우리 학교는 6일 오후 3시 서울캠퍼스 1호관 1층 국제회의실에서 ‘EEWS 사업기획 경진대회’ 수상작 4개팀을 시상하고 투자설명회를 개최한다.
이번 투자설명회는 사업기획 경진대회 수상자 5명이 창업투자회사와 산업체 투자자를 대상으로 경진대회에서 제안한 녹색사업기획과 녹색사업기술을 직접 설명해 투자를 유치할 목적으로 개최된다.
투자설명회에 참가하는 창업투자회사로는 쿨리지코너 인베스트먼트, 대덕인베스트먼트(주), KPM, 로커스 캐피탈 파트너(Locus Capital Partners), 보광창업투자, 그리고 산업체 투자자로는 삼성물산, 제일모직, 다산네트웍스, 한화 L&C 등 총 13개 업체가 참가할 예정이다.
‘EEWS 사업기획 경진대회’는 KAIST 교수와 대학원생, 동문들에게 EEWS 연구결과의 사업화를 장려하고 창의적 인재발굴을 목적으로 KAIST와 창업투자회사인 디에프제이 아테네 엘엘씨(DFJ Athena LLC) •일신창업투자(주)가 공동으로 개최했다.
이번 대회는 사업기획 부문과 사업기술 부문으로 나눠 진행됐으며 총 8개팀이 참가했다.
녹색사업 부문 최우수상에는 배중면 기계공학과 교수가 제안한 ‘친환경 수소 연료전지 사업’, 우수상에는 박진수 (주)시오스 기술이사가 제안한 ‘친환경 디젤자동차 실시간 NOx 측정기술‘이 선정됐다.
녹색기술 부문 최우수상에는 배병수 신소재공학과 교수가 제안한 ‘고굴절율 내열성 하이브리머 LED 봉지재’ 장려상에는 양민양 기계공학과 교수가 제안한 ‘스마트폰용 ITO-Free 터치스크린’이 선정됐다.
KAIST가 연구결과 사업화를 본격화함에 따라 이번 투자설명회 결과가 주목된다. 사업화에 많은 경험을 가진 창업투자회사와 산업체 관계자들이 KAIST의 창의적이고 수준높은 연구성과에 큰 관심을 보였다고 KAIST 측은 설명했다.
이번 경진대회를 주관한 이재규 EEWS 기획단장은 “EEWS 기획단은 KAIST를 대표할 수 있는 획기적인 연구성과를 지속적으로 내놓을 계획”이라며 “창업투자회사 대표가 경진대회 심사위원으로 참여해 사업성을 최우선 고려한 만큼 엔젤투자자들이 큰 관심을 보였다”고 말했다.
[용어설명]
EEWS란 에너지(Energy) 고갈, 환경(Environment)오염, 물(Water)부족 및 지속성장(Sustainability) 가능성 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위해 KAIST가 추진하고 있는 연구프로젝트다.
2012.01.05
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탄소나노튜브로 물이 스스로 빨려 들어가는 현상 원인 규명
- PNAS 발표, “효율성을 극대화한 차세대 해수 담수화막 활용 가능 기대”-
지금까지 현상만 알려졌을 뿐 그 원인이 정확히 설명되지 못했던, 물을 싫어하는 탄소나노튜브* 안으로 물이 스스로 빨려 들어가는 ‘반직관적 실험 현상’이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
*) 탄소나노튜브 : 각 탄소가 3개의 다른 탄소와 결합되어 있는 흑연의 탄소 원자 배열과 같은 모양(6각형의 벌집모양)을 가지면서, 원통형으로 말아서 튜브 형태로 만든 나노(10억분의 1미터) 구조체
우리 학교 EEWS 대학원 정유성 교수가 주도하고, 캘리포니아공대 윌리엄 고다드 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원(지속가능한 에너지 공학기술사업단)을 받아 수행되었다.
이번 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 7월 19일자에 게재되었고, 한 주간에 흥미로운 연구결과들을 별도로 소개하는 "This Week in PNAS", ’C&EN News" 및 "Nature Materials"의 "Research Highlights"에 선정되는 영예를 얻었다. (논문명 : Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water)
정유성 교수팀은 물을 싫어하는 탄소나노튜브 안으로 물이 스스로 빨려 들어가는 반직관적인 실험현상의 원인이 물 분자 간의 수소결합 때문으로, 나노채널과 같은 제한된 나노공간에서는 물의 무질서도가 증가하기 때문에 발생한다는 사실을 분자동력학 계산을 통해 밝혀냈다.
일반적으로 분자가 자유로운 액체 상태에서 제한된 나노 크기에 갇힐 경우, 무질서도와 화학결합이 감소되면서 불안정한 상태가 될 것으로 예상했지만, 연구팀은 탄소나노튜브에 갇힌 물의 경우 제한된 공간에서 물 분자 간의 수소결합이 약해지면서 밀도가 낮아지고, 오히려 무질서도가 증가하여 더욱 안정되는 특이한 현상을 나타낸다는 사실을 확인하였다.
특히 연구팀은 1.1과 1.2 나노미터의 지름을 갖는 나노튜브에서는 실온(섭씨 25도)임에도 불구하고 물이 얼음과 같은 구조를 띄는 현상도 관찰하였다.
정유성 교수는 “이번 연구는 계산과학이 실험측정만으로 설명하기 어려운 나노크기의 제한된 공간에서 나타나는 다양한 현상을 규명한 좋은 예”라고 정의하고, ‘’기존의 역삼투압 막에 비해 탄소나노튜브 내에서는 물의 수송속도가 현저히 빨라 에너지 효율적인 차세대 해수 담수화막을 효율적으로 설계하는데 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
2011.07.27
조회수 19981
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이흔 교수팀, 물로 이뤄진 얼음 입자내 수소원자 저장 현상 규명
- 사이언스誌 최근호 에디터스초이스에 선정, 리서치 하이라이트로 소개
물을 얼려 만들어진 얼음 입자 내에 나노 크기의 수많은 빈 공간을 형성시켜 그 안에 수소원자가 저장될 수 있다는 사실이 국내 연구진에 의해 새롭게 규명됐다.
우리학교 생명화학공학과 이흔(李琿, 56) 교수팀과 서강대 강영수(46) 교수팀이 공동으로 물로 이뤄진 얼음 입자 내에 크기가 가장 작은 수소 원자가 안정적으로 저장될 수 있음을 최초로 규명, 이 연구결과를 미국화학회지에 발표하였으며, 사이언스(Science) 誌 최신호(7월11일자)의 ‘에디터스 초이스(Editor’s Choice)’에도 선정되어 리서치 하이라이트로 소개됐다.
李 교수는 지난 2005년 4월 7일자 네이처(Nature) 誌에 ‘얼음 형태의 입자 내로 수소저장’이란 제목의 논문으로 이 현상을 처음 발표한 바 있다. 당시에는 수소저장은 분자상태로 이뤄진 것으로 발표하였으나, 이후 3년여의 연구 끝에 수소가 분자 상태가 아니라, 가장 작은 크기의 원자로 얼음 내에 저장될 수 있음을 이번 연구에서 밝혀냈다.
고유가 시대에 석유, 천연가스를 대체할 새로운 에너지원 개발이 매우 시급한 이슈로 떠오르고 있다. 하나의 해결책으로 그동안 모든 국가들이 수소 에너지를 연구해 왔으나, 획기적 저장 원리의 부재로 기술개발에 많은 어려움을 겪고 있다.
따라서 미래의 거의 유일한 청정에너지인 수소에너지를 잘 활용할 수 있느냐의 성공여부는 이를 얼마나 효과적으로 저장시킬 수 있는 기초 원리의 확보에 있다. 그동안 널리 사용된 수소저장 방법으로는 영하 252℃ 극저온의 수소 끓는점에서 수소 기체를 액화시켜 특별히 제작된 단열이 완벽한 용기에 저장하거나 또는 350기압 정도의 매우 높은 압력에서 기체 수소를 저장하는 방법이 있지만 수소가 제일 작고 가벼운 원소여서 어떤 재질의 용기이건 속으로 침투하는 성질이 있다. 따라서 이 방법들은 경제성이나 효율성이 매우 떨어지게 되고 극저온이나 상당히 높은 압력으로 인한 여러 가지 기술적 난제들을 필연적으로 갖게 된다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해 그동안 전 세계적으로 수소저장합금, 탄소나노튜브 등을 이용한 차세대 수소 저장 기술 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 이러한 특수 물질들의 저장 재료로서의 한계성 때문에 현실적으로 적용하기가 어렵다. 더욱이 이 모든 방법들은 수소를 분자 상태로 저장하고 있다.
그러나 이번에 발표된 李 교수의 연구논문에서는 수소를 저장하기위한 기본물질로 분자대신 원자가 가능하다는 것을 밝혔다. 일단 수소 원자를 잡아두는 저장 창고로 물을 이용하기 때문에 매우 경제적이며, 또한 친환경적인 수소 저장 방법이라 할 수 있다. 순수 물로만 이뤄진 얼음 입자에는 수소를 저장할 수 있는 빈 공간이 존재하지 않는다. 그러나 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가하여 얼음 입자를 만들 경우 내부에 수많은 나노공간을 만들게 되며, 바로 이 나노 공간에 수소 원자가 안정적으로 저장되는 특이한 현상이 나타난다. 李 교수는 “수소 분자 대신 원자를 이용하는 경우 반응과 결합성이 뛰어나 새로운 수소저장 원리를 구현할 수 있고 연료 전지를 비롯한 많은 수소 관련 분야에 이 새로운 현상이 적극적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다. 이번 연구로 지구상 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물로 이뤄진 얼음입자에 수소원자를 직접 저장할 수 있는 메커니즘이 밝혀짐에 따라 앞으로 미래 수소에너지를 이용하는 수소자동차, 연료전지 개발에 자연현상적 신개념 원리를 마련하게 됐다.
2008.08.04
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이흔 교수, 경암학술상 수상자 선정
우리 학교 생명화학공학과 이흔(李琿, 54)교수가 경암교육문화재단(이사장 송금조)이 수여하는 경암학술상 공학분야 수상자로 선정됐다.
이흔 교수는 미래 에너지의 양대 축으로 세계적 관심사로 떠오르고 있는 가스 하이드레이트와 수소 에너지를 개발하기 위한 핵심 개념과 기술을 최초로 제시했다는 점을 인정받았다.
경암학술상은 부산 주방기기 제조업체인 태양그룹 경암 송금조 회장이 사회환원으로 기증한 전 재산 1000억원을 토대로 설립된 경암교육문화재단이 2005년부터 해마다 전공 분야에서 발군의 업적을 이뤄 사회 공동선에 기여한 학자 및 예술가들을 뽑아 시상하는 상이다. 시상식은 오는 11월 2일 부산 해운대 누리마루APEC 하우스에서 열리며, 수상자는 1억원씩의 상금과 상패를 받는다.
<연구성과 관련 보도자료 외> 번호 110 2005-04-07 "이흔 교수, 얼음 입자내 수소 저장메커니즘 세계최초 규명"번호 241 2007-08-17 ‘이흔 교수, 온난화가스와 에너지가스 맞교환 원리 규명’
2007.10.25
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항공우주공학과 권세진, 심현철교수, 연료전지 무인기개발
- 액상 수소화물에서 수소추출, 연료전지스택에 공급하는 시스템 개발- 액체연료로는 세계최초, 무인기의 임무한계 획기적 연장 가능성 열어
우리 학교 항공우주공학과 권세진(權世震, 48, 사진왼쪽) 교수, 심현철(沈鉉哲, 38, 사진오른쪽) 교수 연구팀이 연료전지로 구동하는 소형 무인기를 개발했으며, 장시간 시험비행에 성공했다.
이번 연구개발 결과는 기존의 소형 무인기 동력원으로 사용되던 2차 전지를 대체할 수 있는 새로운 동력장치인 연료전지를 이용, 무인기의 임무 한계를 획기적으로 확장할 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 감시정찰을 목적으로 하는 소형 무인기는 미국 등 기술 선진국에서 실용화 되었으나, 동력원인 배터리의 에너지 밀도가 낮아 제한적인 임무수행만이 가능했다. 權 교수 연구팀이 개발한 무인기의 연료전지 동력장치는 소음이 없고 효율이 높으며, 액상 수소화물로부터 수소를 추출하기 때문에 기존의 배터리에 비해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 이번에 개발된 연료전지는 무인기 뿐 아니라 로봇의 전원으로도 사용이 기대된다.
▣ 개발배경연료전지는 차세대 동력원으로 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다. 국내에서도 몇몇 전자 및 화학 업체에서 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하여 시연한 바가 있고, 자동차 회사에서는 엔진을 대체하기 위한 연료전지를 연구 중에 있다. 그러나 연료전지의 우수성이 잘 나타날 수 있으며 연료전지가 아니면 구현 자체가 어려운 장치는 무인기나 로봇 등과 같은 소형 모바일 시스템이다. 미국의 해군연구소와 조지아공대(Georgia Tech)의 연구팀이 연료전지 무인기를 연구해 왔으나, 이들은 고압의 수소가스를 저장하여 사용하므로, 에너지 밀도를 높이는 데에는 실패했다. 또한 연료 재보급을 위한 시설 등 운용상의 문제점도 가지고 있다. KAIST의 權 교수 연구팀은 액상 수소화물에서 수소를 추출하여 연료전지 스택에 공급하는 시스템을 개발했으며, 이를 시험용 무인기에 탑재하여 장시간 안정적으로 시험비행 하는데 성공했다.
▣ 핵심기술의 내용權 교수팀에서 사용한 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 불연성이고 안정한 친환경 물질로써, 취급이 용이하고 수소 함량이 높다. 이 물질로부터 추출된 수소는 순도가 높기 때문에 연료전지 시스템 적용이 수월하다. <그림 1>은 프로펠러를 포함하는 전체 시스템의 구성도이다. 수화물을 가수분해하는 촉매 반응기, 전기를 발생하는 연료전지 스택, 동력을 충전 및 공급하는 동력제어장치, 프로펠러를 구동하는 전기모터로 이루어져 있다. 촉매 반응기에서 가수분해 과정을 통해 발생한 수소는 연료전지 스택에서 전기를 발생한다. 전기에너지는 동력제어장치에 충전되었다가 출력 요구 시 전동모터를 구동한다. <그림 2>는 동력발생 장치를 무인기에 탑재한 모습이다. 이번에 개발된 연료전지 무인기는 무게 2kg(연료전지시스템 750g 포함)으로써 500g의 연료를 싣고 10시간 이상 비행할 수 있다. 이는 배터리 동력원을 갖는 기존 무인기 항속시간의 10배에 달한다.
<그림 1> 동력계통의 구성
<그림 2> 동력 장치가 탑재된 무인기
<그림3> 무인기가 비행하는 광경
2007.10.12
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이흔 교수 학술대상 수상
생명화학공학과 이흔(李琿, 55)교수가 KAIST 개교 36주년 기념식에서 KAIST 학술대상을 수상했다.
李 교수는 지난 5년간 국외 SCI논문 43편, 국내 SCI논문 12편을 발표하고, 수소저장기술 개발, 이산화탄소와 메탄 하이드레이트 맞교환 원리 규명 등 세계적인 학술 업적을 인정받아 학술대상을 수상하게 되었다.
李 교수는 2003년 메탄 하이드레이트 논문을 사이언스誌에 발표하였고, 2005년 네이처誌에 발표한 수소저장 기술은 미래 수소에너지 개발에 획기적 전기를 마련한 것으로 ‘가장 주목할 하이라이트 논문’으로 소개되었다. 2006년 PNAS에 발표한 "이산화탄소와 메탄 하이드레이트 맞교환 원리"는 에너지와 지구 온난화 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술로 국내외 큰 관심을 모았다.한편, 2007년 우수교원으로 학술상에 생명과학과 정종경 교수, 수리과학과 이창옥 부교수, 화학과 김상규 부교수, 기계공학전공 권대갑 교수, 창의강의상에 항공우주공학전공 한재흥 부교수, 우수강의상에 인문사회과학부 전봉관 조교수, 생명과학과 최준호 교수, 생명과학과 강창원 교수, 전기및전자공학전공 유승협 조교수, 전산학전공 Otfried Cheong 부교수, 금융전문대학원 이회경 교수, 공적상에 물리학과 신성철 교수, 테크노경영대학원 김보원 교수, 금융전문대학원 김지수 교수, 국제협력대상에 기계공학전공 조형석 교수, 국제협력상에 산업디자인학과 이건표 교수, 신소재공학과 홍순형 교수, 테크노경영대학원 박성주 교수가 각각 수상했다.
2007.03.15
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