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아주대 연구진이 중견기업 대현에스티와 산학 공동 연구를 통해 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 센서 모듈의 국산화에 성공했다. 차세대 친환경 에너지로 주목받고 있는 수소는 연료 자체의 무색·무취한 특성 탓에 폭발 위험성이 높아 안정성 확보 및 순도 측정 기술에 대한 요구가 크지만 국내 기술로 광범위 농도를 측정하는 수소 센서를 구현한 사례는 그동안 없었다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 중견기업 대현에스티와 공동으로 다층 초박막 합금 촉매-전극을 이용한 고정밀·고신뢰성 수소 농도 센서 모듈 시스템을 개발했다고 밝혔다. 공동 연구팀이 구현해 낸 수소 농도 센서는 뛰어난 내구성을 가지고 있을 뿐 아니라 촉매-전극 신소재를 기반으로 ppm 단위부터 100%까지의 수소 농도를 탐지할 수 있다. 단일 센서 소자로 이 농도 범위를 측정하는 기술은 세계 최초다. 수소는 차세대 친환경 에너지 연료원으로 자동차와 전기 생산 분야 등 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 특히 수소전기차의 보급이 늘면서 친환경 수송 분야에서 수소의 중요성이 높아지고 있다. 기존 산업 분야에서도 수소는 반도체, 디스플레이, 원자력, 정유, 우주항공 분야에서 필수적으로 활용되고 있다. 그러나 수소 연료 자체의 특성으로 인한 안전성 확보 문제가 한계로 지적되어 왔다. 수소는 무색·무취의 특성을 가지고 있는 데다 무게가 가벼워 누설의 위험성이 높기 때문이다. 공기 중의 수소 농도가 4%만 되어도 낮은 에너지의 점화원만 있으면 폭발할 수 있다. 특히 수소 연료는 에너지 밀도(단위부피 당 저장된 에너지) 향상을 위해 수백 기압의 고압을 활용하고, 금속 재질의 수소 용기 소재는 균열 발생 가능성이 높아 수소 누설의 사전 감지가 꼭 필요하다.또한 수소연료전지를 포함해 여러 형태로 수소를 활용하기 위해서는 수소의 순도 모니터링과 농도 제어가 필요하다. 이를 위해서는 실시간으로 95-100% 구간의 고농도 수소를 높은 농도 분해능으로 정밀 모니터링하는 센서가 필요하다. 하지만 고순도 수소의 측정이 가능한 수소 센서 구현은 고난이도 기술로, 전 세계적으로 미국 및 유럽에서 극소수의 고가 제품만이 나와 있는 상황이다. 그 중에서도 단일 형태 센서 소자로 ppm부터 100%까지의 광범위 농도 감지를 구현한 바는 현재까지 없었다. 아주대 연구팀은 수소 농도의 정밀 모니터링과 신뢰성 확보를 위해 기존 화학저항식 수소 센서에 널리 활용되는 팔라디움(Pd) 촉매 전극을 탈피, Pd 합금 기반의 초박막 전극에 대한 원천기술을 확보했다. 이 원천기술이 적용된 수소 센서는 약 3만번의 반복적 고순도 수소 농도 감지가 가능할 만큼 내구성도 우수하다. 수소전기차의 수소 센서는 99% 이상 고순도 수소 농도를 수 초 이내에 연속적으로 측정해야 해 내구성은 센서의 상용화를 위해 중요한 요소다. 8명의 아주대 연구진이 7년에 걸쳐 개발한 이 기술은 두 차례에 걸쳐 총 37억원 상당 규모로 중견기업 대현에스티에 기술이전됐고, 연구팀은 국내외 특허도 확보했다. 이후 아주대와 대현에스티는 공동 산학 연구를 통해 양산화 공정, 신뢰성 최적화, 센서 동작 로직 및 신호처리 기술 개발, 모듈화 및 패키징까지의 모듈 제품화 기술을 개발하는 데 성공했다. 서형탁 교수는 “수소 에너지 기술에 대한 전 세계적 주목도가 높아지고 있는 가운데 한국 기업들은 수소 인프라 및 전기차 기술에서 리더십을 키워가고 있다”며 “더불어 수소의 정밀 농도 측정 및 안전 확보를 위한 측정 센서의 중요성이 날로 커지고 있으나, 신뢰성 있는 국내 기술의 부재로 고가의 수입 제품에 의존할 수밖에 없었다”라고 설명했다.이어 “이번에 개발한 광범위 수소 전기식 센서 모듈화 기술은 수소를 활용하는 여러 산업 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 말했다. 공동 연구팀은 이번에 개발한 센서 모듈을 국내에서 개최되는 세계 최대 수소 기술 전시회인 ‘H2 MEET 2023’에 출품한다. 이 행사는 9월 13일부터 9월 15일까지 킨텍스(KINTEX)에서 개최된다. 아주대와 대현에스티는 이번에 앞서 상용화에 성공한 수소 변색 필름을 기반으로 구현해 낸 근적외선· 가시광 기반 광학 감지 및 전기식 센서 일체화 광학식 다중모드 센서 기술에 대해서도 발표한다. 아주대는 지난 2021년 수소 변색 필름을 대현에스티에 기술이전했고, 이 기술은 글로벌 시장에서 최고 수준으로 인정받아 수소연료 전기차 업체와 수소 충전소 등 글로벌 기업에 공급되고 있다. 한편 이번 국산화 기술 개발은 산업통상자원부·한국에너기술평가원 주관 에너지기술개발사업, 과학기술정보통신부·과학기술일자리진흥원 주관 중대형성과확산사업, 한국전력공사·전력연구원 주관 기초연구개발사업의 지원으로 수행됐다. 해당 기술은 국내·외 특허 등록이 완료됐다. * 위 그림 설명 : (왼쪽 그림) 아주대 연구팀이 개발한 나노 합금 촉매 구조. Pd 나노 초박형 합금을 전극으로 적용하여 ppm-100%까지의 수소 농도 응답성, 99.99% 수소에 대해 3만회 수소 감지 가속 내구 신뢰성 시험을 거쳤다. 이에 광범위 농도의 수소를 우수한 응답성으로 감지하고 내구성이 탁월함을 확인했다. (오른쪽 위 그림) 대현에스티와 공동개발한 광범위 수소 센서 모듈 시스템과 (오른쪽 아래 그림) 아주대-대현에스티가 개발한 수소 변색 필름 기반 광학 감지 센서 모듈
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아주대 첨단신소재공학과 조인선∙안병민 교수 공동 연구팀이 청정 수소 생산용 전기화학촉매 신소재를 개발했다. 이에 물을 분해해 수소 연료를 생산하는 수전해 수소 생산 기술의 효율성과 안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 조인선∙안병민 교수(첨단신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 청정 연료인 수소의 생산을 위한 전기화학촉매 신소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘CuCoNiFeMn 고엔트로피 전기 촉매의 수전해 특성 향상을 위한 바나늄의 상호보완적 기능(Complementary Functions of Vanadium in Boosting Electrocatalytic Activity of CuCoNiFeMn High-Entropy Alloy for Water Splitting)’이라는 논문으로 재료 분야 저명 학술지인 <어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.0, JCR%=4.2%)> 8월22일자에 게재됐다.이번 연구에는 아루무감 시바난담(Arumugam Sivanantham) 박사(현 나노정보융합기술 연구소)와 이한성 학생(대학원 에너지시스템학과 박사과정 재학)이 공동 제1저자로 참여했다. 황성원(대학원 에너지시스템학과 박사과정 재학) 학생은 공저자로 함께 했다. 수소는 청정 에너지로 주목받고 있으나, 연료 생산 과정에서 탄소 배출이 수반된다는 점에서 활용에 어려움이 존재한다. 천연가스와 같은 화석 연료를 활용해 높은 온도에서 개질(reforming)해야하기에 탄소가 배출되기 때문이다. 그러나 물을 활용하는 전기화학적 수전해 기술(electrocatalytic water splitting)은 전기로 물을 분해, 상온에서 청정 수소 연료를 생산하는 지속 가능한 기술이다. 이에 학계에서 고성능 전기화학촉매 소재를 개발해 안정성과 전류 밀도를 높이기 위해 노력해왔으나 이는 백금을 비롯한 귀금속 기반 소재 중심으로 진행되어 왔다. 아주대 연구팀은 고엔트로피 합금(HEAs)을 주목했다. 이는 5개 이상의 금속 원소가 무작위로 단일 결정 구조에 포함된 합금의 일종으로 표면 활성 원소를 원하는 대로 제어할 수 있고, 물리∙화학적으로 안정적이다. 또 강산 또는 강염기 용액에서 부식(화학반응으로 인해 분해되는 현상)되지 않는다는 장점도 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 몇몇 이론 연구에서 고엔트로피 합금(HEAs)을 전기화학적 수전해 기술의 촉매전극 소재로 유망할 것으로 예측해왔다. 하지만, 최적의 합금 원소 선택과 조합을 위해서는 각 금속 원소들의 상호 보완 작용 및 특성 향상 기작을 이해하는 것이 중요하다.아주대 연구팀은 고엔트로피 합금(VxCuCoNiFeMn기반)을 고에너지 볼밀링 공정으로 제조하고, 바나듐(V) 원소 첨가량에 따른 결정구조, 표면 조성, 전자 구조 및 전기화학적 거동을 체계적으로 측정 및 분석했다. 이를 통해 알칼리성 환경에서 수전해 수소 발생 반응을 향상시키는데 바나듐이 결정적인 역할을 함을 실험적∙이론적으로 규명했다. 특히 바나듐이 표면 활성점과 전하 이동 특성을 현저히 증가시키고 동시에 물 분해 및 수소 흡착 에너지 장벽을 크게 낮춰 고성능 수전해 촉매 전극 소재로 활용될 수 있음을 확인했다. 조인선 교수는 “대규모 전기화학 수전해 장치에서 활용할 수 있는 고엔트로피 합금 촉매 전극 소재 개발의 길을 열었다는 데 이번 연구의 의의가 있다”며 “더 나아가 각 원소의 역할을 연구, 더욱 경제적이고 효율적인 수전해 시스템을 설계, 상용화 할 수 있도록 노력할 것”이라고 전했다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실 지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.제조된 고엔트로피합금 신소재의 전자현미경 원소 분석 결과고엔트로피합금 신소재 이용를 이용한 전기화학 수전해 소자의 특성 측정 결과 비교 결과* 위 사진 설명 : 왼쪽부터 아루무감 시바난담(Arumugam Sivanantham) 박사, 조인선 교수, 안병민 교수
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아주대 조성범 교수 공동 연구팀이 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용해 금속 할로겐화물 신소재를 탐색·설계하는 기술을 개발했다. 이에 태양전지나 디스플레이 소재 등 금속 할로겐화물 기반 어플리케이션 설계에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.아주대·한양대·한국세라믹기술원 공동 연구팀 제일원리 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 기반으로 한 금속 할로겐화물 신소재 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘할로겐화물 페로브스카이트 유도체에 대한 고속 스크리닝 및 Cs3LuCl6의 합리적 설계 (High-Throughput Screening on Halide Perovskite Derivatives and Rational Design of Cs3LuCl6)’라는 논문으로 에너지 분야 권위지 <ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)> 8월호에 게재됐다. 조성범 아주대 교수(첨단신소재공학과)와 한양대 임원빈 교수(신소재공학부), 한국세라믹기술원 고현석 박사가 함께 참여했다.실험적인 합성을 통해 미지의 화학 공간을 탐색하는 것은 고체 물질 분야의 연구에서 필수적이다. 그러나 미지의 화학 공간을 탐색하는 것은 상당히 시간과 노력을 요구하는 작업으로, 특히 소재군이 복잡한 구조적 특징을 가지면 그 어려움이 더 크다. 우수한 광전자 특성을 지니고 있어 태양전지나 디스플레이의 소재로 주목받고 있는 금속 할로겐화물 금속 할로겐화물 역시 그러한 소재군 중 하나다. 이 소재는 페로브스카이트 및 그 유도체로 만들어질 수 있으며, 이러한 소재는 빛과 잘 상호작용할 수 있는 밴드 특성 때문에, 태양전지와 LED(Light emitting diode) 등의 광전자소자 분야에서 주목받고 있다.금속 할로겐화물 페로브스카이트의 경우 일반적으로 심플한 ABX3 조성을 가진다. 이러한 페로브스카이트에 구조적 결함 혹은 왜곡이 발생하면 유도체가 형성되며, 그 유도체들의 조성은 A2BX4, A2BX6, A3BX6, A3B2X9 등으로 다양하다. 조성에 따라 형성될 수 있는 결정 구조가 달라지며, 활용 방안 역시 각기 다양하다.아주대 공동 연구팀은 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용하여 합성될 수 있는 금속 할로겐화물들을 예측함으로써 페로브스카이트 유도체들에 대한 비밀을 밝혀냈다. 또 이를 통해 새로운 소재를 설계하고 실험적으로 검증함으로써 미지의 화학 공간을 탐색하는 기술을 개발했다.연구팀은 정밀한 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 계산 방법론을 통해 금속 할로겐화물 유도체 탐색 가능성에 대해 검증하였으며, 이후 소재 데이터베이스 기반으로 학습된 인공지능 모델을 활용하여 약 2000개의 구조에 대한 물성을 신속하게 예측하였다. 연구팀은 이러한 예측들을 기반으로 기존에 알려지지 않았던 새로운 금속 할로겐화물들을 발견할 수 있었다.또한 공동 연구팀 중 임원빈 교수가 이끄는 한양대학교 연구팀은 이번에 새롭게 발견된 금속 할로겐화물 중, Cs3LuCl6를 실험적으로 합성했다. 임 교수팀은 기존 LED에 쓰이고 있는 납 할로겐화물 페로브스카이트보다 열적 안정성이 우수한 백색 LED를 성공적으로 구현하는 데 성공했다.조성범 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 이전에 알려지지 않았던 금속 할로겐화물 페로브스카이트 유도체들의 화학 공간 정보를 제시, 소재 선정에 있어 새로운 척도를 제공할 수 있게 됐다”며 “앞으로 고신뢰성 LED를 포함한 디스플레이 등 금속 할로겐화물 기반 어플리케이션 설계에 새로운 가능성을 제시할 것으로 전망한다”라고 말했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 삼성미래육성재단의 지원을 통해 수행됐다. 사진 왼쪽부터 조성범 아주대 교수, 임원빈 한양대 교수, 고현석 한국세라믹연구원 박사* 위 그림 설명 : 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용한 금속 할로겐화물 신소재 설계 기술 개발의 과정을 나타낸 그림. 이전에 알려지지 않았던 새로운 화학 공간 정보를 제시함으로써, LED를 비롯한 디스플레이 분야의 어플리케이션 설계에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
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우리 대학 연구진이 초박막 형태의 유기 광반응 센싱 소자와 뇌모방 인공 시냅스 소자를 초박막 기판 위에 결합해 손가락 동작 인식이 가능한 전자피부를 개발하는 데 성공했다.아주대 전자공학과·지능형반도체공학과 박성준 교수 연구팀은 고려대 KU-KIST융합대학원·융합에너지공학과 왕건욱 교수 연구팀과 공동으로 높은 정확도와 내구성, 안정성을 갖는 전자피부를 개발했다고 밝혔다. 1마이크론(머리카락 두께의 1/100) 수준의 초박막 기판 위에 구현된 이 전자피부는 반복적인 기계적 변형에도 안정적으로 피부 표면에 밀착이 가능하다. 이번 연구는 ‘피부 적합 전자소자를 활용한 실시간 손가락 동작 인식(Real-time finger motion recognition using skin-conformable electronics)’이라는 논문으로 유연 전자 소자 분야 저명 저널인 <네이쳐 일렉트로닉스(Nature Electronics)>에 8월 온라인 게재됐다. 우리 학교 석박사 통합과정의 이인호 학생(지능형반도체공학과)과 고려대 KU-KIST 융합대학원 석박통합과정 조해인 학생, 고려대 장진곤 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 사물 인터넷(IoT)과 첨단 센싱 및 인공 지능 기술의 결합으로, 인체의 자연스러운 움직임을 실시간으로 파악하고 인지하며 해석하는 일이 가능해졌다. 이러한 기술은 메타버스를 비롯한 가상 현실과 생체 신호 진단 등의 영역에 적용되고 있다. 인체의 움직임 중에서도 특히 손가락 동작에 대한 해석이 학계의 관심을 받아왔다. 손가락은 신체를 활용한 움직임 중 가장 표현의 자유도가 높고 직관적인 비언어적인 표현을 전달할 수 있어서다. 그러나 기존의 방식은 크고 고정된 센싱 장비가 필요하거나 신호 인식 처리를 위한 알고리즘이 복잡해 일상적인 적용이 어렵다는 한계가 있었다. 공동 연구팀이 개발한 전자피부 형태의 모션인식 플랫폼은 초박막의 저전력 고효율 신호처리에 특화된 인공 시냅스 어레이 소자와 고효율 유기 포토다이오드를 결합한 방식으로 제작됐다. 이에 손가락 움직임을 광신호에서 전기적 신호로 변환하고, 신호 패턴의 학습을 통해 높은 정확도로 이를 인지한다. 박성준 교수는 “이번에 개발한 전자피부는 반복적 기계적 변형이 발생해도 안정적으로 피부 표면에 밀착할 수 있다”며 “새 플랫폼을 통해 최대 95%에 해당하는 인식 정확도를 확인, 실용화 가능성을 확인했다”고 설명했다. 왼쪽부터 이인호(아주대, 공동 제1저자), 박성준 교수(아주대, 공동 교신저자), 조해인(고려대, 제1저자), 장진곤 연구교수(고려대, 공동 제1저자), 왕건욱 교수(고려대, 공동 교신저자)* 위 사진 설명 : (a)유기 광반응 소자–인공 시냅스 소자를 활용한 손가락 동작 인식 플랫폼의 빛이 있는 3차원 공간에서의 인식 과정 모식도 (b)손가락 피부 표면에 부착된 초박형 인공 시냅스 어레이 소자 장치 실제 사진 (c) 모형 손가락 위에 부착된 초박형 인공 시냅스 어레이 소자 LTP/LTD 특성
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