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알갱이 촉매를 종이처럼 펼쳤더니...수소에너지 판 바꾸다
촉매는 수소를 만들고 전기를 생산하는 과정을 좌우하는 수소 에너지의 ‘보이지 않는 엔진’이다. 기존 촉매는 만들기 쉬운 알갱이 형태였지만 귀금속을 비효율적으로 쓰고 수명이 짧다는 한계가 있었다. 우리 대학 연구진은 알갱이 대신 종이처럼 얇은 시트 구조를 도입해, 촉매 재료가 아닌 ‘형태의 혁신’으로 귀금속 사용량을 줄이면서 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시켰다.
우리 대학은 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 값비싼 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다.
이번 연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 적용해, 기존 촉매의 효율과 내구성 한계를 함께 극복한 데 있다.
수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이지만, 촉매로 사용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 희귀하고 고가라는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다. 기존 촉매는 작은 입자 형태여서 실제 반응에 활용되는 면적이 제한적이고, 장시간 사용 시 성능 저하가 불가피했다.
연구팀은 알갱이처럼 뭉쳐 있던 촉매를 종이처럼 얇고 넓게 펼쳐, 수전해 촉매로는 지름 1~3마이크로미터, 두께 2나노미터 이하의 초박막 이리듐 나노시트를 개발해, 같은 양의 이리듐으로도 반응에 참여하는 면적을 크게 늘린 것이다. 덕분에 적은 금속으로도 더 많은 수소를 만들 수 있게 됐다.
또한 기존에는 전기가 잘 통하지 않아 촉매 지지체로 활용이 어려웠던 산화티타늄(TiO₂) 위에 초박막 나노시트들이 서로 이어져 연결된 ‘전기가 다닐 수 있는 길’을 스스로 만든 것이다. 덕분에 산화티타늄도 안정적인 촉매 받침대로 사용할 수 있게 됐다.
그 결과, 해당 촉매는 상용 촉매 대비 수소 생산 속도가 38% 향상됐으며, 실험실을 넘어 실제 산업 현장에 가까운 고부하 조건(1 A/cm²*)에서도 1,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 이리듐 사용량을 기존보다 약 65% 줄인 조건에서도 상용 촉매와 동일한 성능을 보여, 귀금속 사용량을 획기적으로 낮출 수 있음을 입증했다.
* 1 A/cm²: 1제곱센티미터당 1암페어의 전기가 흐르는 상태로, 실제 수소 생산 장치를 강하게 가동한 조건을 의미
연구팀은 이 초박막 나노시트 설계 전략을 연료전지 촉매에도 적용해, 머리카락 두께의 수만 분의 1에 불과한 백금-구리 촉매를 만들어 반응 효율을 극대화했다.
이 촉매는 연료전지 평가에서 백금 질량당 성능이 상용 촉매 대비 약 13배 향상됐으며, 실제 연료전지 셀에서도 약 2.3배 높은 성능을 기록했다. 또한 5만 회의 가속 내구성 시험 이후에도 초기 성능의 약 65%를 유지해 기존 촉매보다 뛰어난 내구성을 입증했다. 더 나아가 백금 사용량을 약 60% 줄이고도 동일한 성능을 구현하는 데 성공했다.
조은애 교수는 “값비싼 귀금속을 훨씬 적게 사용하면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 촉매 구조를 제시했다”며, “이번 연구는 수소 에너지의 비용을 낮추고 상용화를 앞당기는 데 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 초박막 나노시트 구조를 공통 핵심 기술로, 하나는 수소 생산용 촉매에, 다른 하나는 연료전지용 촉매에 적용한 두 편의 논문으로 발표됐다.
이리듐 나노시트 연구는 신동원 박사과정이 제1저자로 참여해 재료공학 분야 국제 학술지 ACS Nano(IF 16.0) 2025년 12월 10일자 온라인판에 게재됐다.
(논문명: Ultrathin Iridium Nanosheets on Titanium Oxide for High-Efficiency and Durable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, DOI: 10.1021/acsnano.5c15659)
백금-구리 나노시트 연구는 이상재 박사와 양현우 박사과정이 공동 제1저자로 참여해 Nano Letters(IF 9.6) 2025년 12월 11일자 온라인판에 게재됐다.
(논문명: Ultrathin PtCu Nanosheets: A New Frontier in Highly Efficient and Durable Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c04848)
이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 지원으로 수행됐다.
2026.01.21 조회수 2260 -
착용만으로 망막 검사 가능한 OLED 콘택트렌즈 세계 최초 구현
ERG(망막전위도, Electroretinography)는 망막의 기능이 정상적으로 작동하는지 측정할 수 있는 안과 진단법으로, 유전성 망막질환 진단이나 망막 기능 저하 여부 등 검사에 폭넓게 활용된다. 한국 연구진이 지금까지는 어두운 공간에 고정형 장비를 이용했던 기존 망막 진단 방식을 대체할 ‘초박막 OLED’를 탑재한 무선으로 구동되는 차세대 안과 진단 기술을 개발했다. 이번 기술은 향후 근시 치료, 안구 생체신호 분석, 증강현실(AR) 시각 전달, 광 기반 뉴로자극 등 다양한 분야로 응용이 가능할 것으로 기대된다.
우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 서울대분당병원(원장 송정한) 우세준 교수, POSTECH(총장 김성근) 한세광 교수, ㈜ PHI 바이오메드(대표이사 한세광), 국가과학기술연구회(NST 이사장 김영식) 산하 한국전자통신연구원(ETRI, 원장 방승찬)과의 공동연구를 통해, 유기발광다이오드(OLED)를 활용한 세계 최초의 무선 콘택트렌즈 기반 웨어러블 망막 진단 플랫폼을 개발했다고 12일 밝혔다.
이 기술은 큰 특수 광원 설치 없이 렌즈 착용만으로도 망막전위검사를 수행할 수 있어, 기존 복잡한 안과 진단 환경을 획기적으로 간소화할 수 있다.
기존 ERG는 고정형 Ganzfeld(대형 망막전위도(ERG) 검사기) 장비를 이용해 어두운 방 안에서 환자가 눈을 뜨고 정지한 상태로 검사를 받아야만 했다. 이는 공간적 제약뿐 아니라 환자 피로도와 협조도의 문제를 수반했다.
공동 연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해, 머리카락보다 6~8배 얇은 초박막 유연 OLED(두께 약 12.5 μm*)를 ERG용 콘택트렌즈 전극에 집적하고, 무선 전력 수신 안테나와 제어 칩을 함께 탑재해 독립 구동이 가능한 시스템을 완성했다.
*12.5 μm: 머리카락의 평균 두께가 약 70~100μm이므로, 이 OLED는 머리카락보다 6~8배 얇음
특히 전력 전송에는 안정적인 무선 통신에 적합한 433MHz 공진 주파수를 이용한 무선 전력 전송을 채택하고, 이를 스마트폰과 연동되는 수면안대 형태의 무선 컨트롤러로 구현해 실사용 가능성을 높였다.
기존 빛을 눈에 쏘이도록 개발되고 있는 스마트 콘택트렌즈형 광원은 대부분 무기 LED를 활용했으나, 딱딱한 형태의‘무기 LED’는 점광원(한 점에서 너무 강하게 빛이 나옴) 특성으로 인해 열 집적 문제에 취약하므로, 사용 가능한 광량에 한계가 있을 수 밖에 없다.
이에 반해 OLED는 면광원으로, 넓고 균일한 조사가 가능하며, 저휘도 조건에서도 충분한 망막 반응을 유도할 수 있다. 실제 본 연구에서는 비교적 낮은 밝기의 126니트(nit)의 휘도* 조건에서도 안정적인 ERG 신호를 유도, 기존 상용 광원과 동등한 수준의 진단 신호를 확보했다.
*휘도: 어떤 표면이나 화면이 얼마나 밝게 빛을 내는지를 나타내는 수치로 스마트폰 화면 밝기는 약 300~600 nit (최대 1000 nit 이상 가능)임
동물실험 결과, OLED 콘택트렌즈를 착용한 토끼의 눈에서 표면 온도가 27°C 이하로 유지돼 눈을 덮고 있는 각막에 열로 인한 손상을 주지 않았고, 고온 다습한 환경에서도 빛을 내는 성능이 유지됨으로써 실제 임상 환경에서도 유효하고 안정적인 ERG 검사 도구가 될 수 있음을 입증했다.
유승협 교수는 "초박막 OLED의 유연성과 확산광 특성을 콘택트렌즈에 접목한 것은 세계 최초의 시도이며, 이번 연구는 기존 스마트 콘택트렌즈 기술을, 빛을 이용한 접안형 광 진단·치료 플랫폼으로 확장하는 데 도움이 될 것”이라며 "디지털 헬스케어 기술 확대에 도움이 될 수 있으면 좋겠다”고 밝혔다.
우리 대학 심지훈 박사, 채현욱 박사, 김수본 박사가 공동 제 1저자로 ㈜PHI 바이오메드의 신상배 박사와 협력해 핵심적 역할을 담당했으며, 유승협 교수(KAIST 전기및전자공학부), 한세광 교수(POSTECH 신소재공학과), 우세준 교수(서울대학교 분당병원)가 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 권위지 에이시에스 나노(ACS Nano)에 온라인으로 5월 1일에 게재되었다.
※논문 제목: Wireless Organic Light-Emitting Diode Contact Lenses for On-Eye Wearable Light Sources and Their Application to Personalized Health Monitoring
※DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18563
※ 관련 연구 동영상: http://bit.ly/3UGg6R8
2025.08.12 조회수 5129 -
초박막으로 초고해상도 이미지 즐긴다
한미 공동 연구진이 기존 센서 대비 전력 효율이 높고 크기가 작은 고성능 이미지 센서를 구현할 수 있는 차세대 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다. 특히 세계 시장에서 소니(Sony)社가 주도하고 있는 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성이 크다.
우리 대학 전기및전자공학부 김상현 교수팀이 인하대, 미국 예일대와 공동연구를 통해 개발한 초박형 광대역 광다이오드(PD)가 고성능 이미지 센서 기술에 새로운 전환점을 마련했다고 20일 밝혔다.
이번 연구는 광다이오드의 기존 기술에서 나타나는 흡수층 두께와 양자 효율 간의 상충 관계를 획기적으로 개선한 것으로, 특히 1마이크로미터(μm) 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자 효율을 달성했다. 이 성과는 기존 기술의 흡수층 두께를 약 70% 줄이는 결과를 가져왔다.
흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도 달성이 가능하고 캐리어 확산이 원활해져 광캐리어 획득에 유리한 장점이 있다. 더불어 원가도 절감이 가능하다. 그러나 일반적으로 흡수층이 얇아지면 장파장의 빛의 흡수는 줄어들게 되는 본질적인 문제가 존재한다.
연구진은 도파 모드 공명(GMR)* 구조를 도입해 400나노미터(nm)에서 1,700 나노미터(nm)에 이르는 넓은 스펙트럼 범위에서 고효율의 광 흡수를 유지할 수 있음을 입증했다. 이 파장 대역은 가시광선 영역뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 영역까지 포함해 다양한 산업적 응용에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
*도파 모드 공명: 전자기학에서 사용하는 개념으로 특정 파동(빛)이 특정 파장에서 공명 (강한 전기/자기장 형성)하는 현상. 해당 조건에서 에너지가 최대화되기 때문에 안테나나 레이더 효율을 높이는데 활용된 바 있음.
단파 적외선 영역에서의 성능 향상은 점점 고해상도화되는 차세대 이미지 센서의 개발에도 중대한 기여를 할 것으로 예상된다. 특히, 도파 모드 공명 구조는 상보적 금속산화물 반도체(CMOS) 기반의 신호 판독 회로(ROIC)와의 하이브리드 집적, 모놀리식 3D 집적을 통해 해상도 및 기타 성능을 더욱 높일 가능성을 가진다.
연구팀은 저전력 소자 및 초고해상도 이미징 기술에 대한 국제 경쟁력을 높여 디지털카메라, 보안 시스템, 의료 및 산업용 이미지 센서 응용 분야부터 자동차 자율 주행, 항공 및 위성 관측 등 미래형 초고해상도 이미지 센서의 실현 가능성을 크게 높였다.
연구 책임자인 김상현 교수는 "이번 연구를 통해 초박막 흡수층에서도 기존 기술보다 훨씬 높은 성능을 구현할 수 있음을 입증했다”며, "특히 세계 시장에서 소니(Sony)社가 주도하고 있는 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성을 열었다”고 설명했다.
이번 연구 결과는 인하대학교 금대명 교수(前 KAIST 박사후 연구원), 임진하 박사(現 예일대학교 박사후 연구원)이 공동 제1 저자로 참여해 국제 저명 학술지인 ‘빛, 과학과 응용(Light: Science & Applications, JCR 2.9%, IF=20.6)’에 11월 15일자 발표됐다. (논문제목: Highly-efficient (>70%) and Wide-spectral (400 nm -1700 nm) sub-micron-thick InGaAs photodiodes for future high resolution image sensors)
한편, 해당 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다.
2024.11.20 조회수 11858 -
제약 혼합물 최고 분리막 기술 선보이다
분자의 크기와 모양에 따라 분자를 구별할 수 있는 분리막 공정*은 기존의 열 분리 공정(예: 증류법)보다 훨씬 적은 에너지를 소비하며 화학 산업의 탄소 배출량을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
*분리막 공정: 분리막은 물질의 크기나 흡수력에 따라서 특정 물질을 선택적으로 통과시키거나 배제하는 역할을 하는 선택적 장애물로 분리막을 이용한 분리 공정은 기존의 공정과 달리 많은 에너지를 사용하지 않고도 화합물들을 효율적으로 분리할 수 있음
우리 대학 생명화학공학과 고동연, 임성갑 교수 공동연구팀이 기존에 분리하기 어려웠던 크기의 활성 제약 분자들을 매우 높은 선택도로 분리할 수 있는 초박막 분리 기술을 세계 최초로 개발했다고 29일 밝혔다.
분리막은 산업계 전반에 사용되는 유기용매들을 분리하는데 저에너지, 저탄소 해결법을 제공할 수 있어 비교적 짧은 상업화 역사에도 불구하고 석유화학, 반도체, 재생합성연료(E-Fuel), 바이오 제약 분야 등 폭넓은 분야에 응용되고 있다.
해수 담수화와 같은 전통적인 응용 분야를 뛰어넘어 분리막이 고부가가치의 화합물을 선택적으로 분리하기 위해서는 기존 소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 혁신적인 고분자 소재의 개발이 필요하다.
연구팀은 반도체 제조 공정에 쓰이는 고분자 박막 증착 기술로 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 성능의 분리막을 제조하고, 이를 이용해 고부가가치의 제약 혼합물을 선택적으로 정제할 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀은 iCVD(개시제를 이용한 화학 기상 증착법, initiated Chemical Vapor Deposition) 기술을 이용해 기존에 박막으로 만들기 어렵다고 알려진 유기 실록산 고분자를 초박막으로 합성하고 이를 이용해 활성 제약 분자를 선택적으로 정제할 수 있는 분리막 공정을 개발했다. 연구팀은 이와 같은 새로운 접근 방식을 이용해 극도로 얇으면서도 다중으로 연결돼있는 고분자 분리막을 만드는 데 성공했다.
연구팀은 29나노미터(nm) 두께의 분리막을 이용해 다양한 활성 제약 성분, 석유 화합물, 연료 분자 등이 속하는 크기인 분자량 150~350g/mol 범위에 존재하는 분자들을 정제할 수 있다. 다양한 유기 물질이 섞여 있는 매우 복잡한 용매 환경에서 작동할 수 있도록 고안된 이 기술은 기존 분리막의 수명과 분자 선택도를 뛰어넘는 분리막 성능을 입증해 산업계에 분리막이 적용될 수 있는 영역을 넓힐 것으로 기대된다.
연구팀은 나아가 헤르페스 바이러스 치료에 사용되는 주요 활성 제약 성분(API, Active Pharmaceutical Ingredient)인 아시클로버 (Acyclovir), 발라시클로버(Valacyclovir)와 같이 비슷한 모양 및 비슷한 크기(분자량)를 가진 분자들이 섞여있을 때 매우 높은 순도로 아시클로버만 분리해낼 수 있음을 시연했다. 따라서 이번 연구는 분리막 기술을 이용해 기존 제약 제조 공정보다 더 값싸고 에너지 비용이 적은 방법으로 제약 물질을 정제할 수 있음을 밝혀낸 데 의미가 있다.
이번 연구를 이끈 고동연 교수는 "iCVD 방식을 사용한 초박막의 성공적인 제작은 불필요한 반응 없이 결함이 없고 고품질의 밀도 높은 고분자 분리막을 합성할 수 있는 강력한 방법ˮ 이라며 "이전에 접근할 수 없었던 고분자 소재를 제공해 고성능 분리막의 정교한 설계를 촉진할 것ˮ 이라고 말했다.
우리 대학 생명화학공학과 최지훈, 최건우 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 15호에 지난 3월 30일 자 출판됐다. (논문명: Ultrathin organosiloxane membrane for precision organic solvent nanofiltration).
한편 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진과제, 중견연구과제 및 한국화학연구원 기본사업 협력과제를 통해 지원됐다.
2024.04.29 조회수 12541