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우리 학교 박은덕 교수팀이 낮은 전력으로 수소를 생산할 수 있는 하이브리드 수소 생산 시스템을 개발했다. 박은덕 교수팀의 이번 연구 성과는 ‘수소 생산을 위한 Pt-Ru WO3 광촉매 보조 전기분해 하이브리드 셀(Pt-Ru decorated WO3-based photocatalyst-assisted electrolysis hybrid cell for hydrogen production)’이라는 제목의 논문으로 <어플라이드 서페이스 사이언스(Applied Surface Science)> 11월호에 실렸다. 아주대 박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)와 주오심 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 책임연구원이 교신저자로 참여했고, 채상윤 아주대 차세대에너지과학연구소 박사후연구원과 윤노영 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 석사과정생이 제1저자로 함께 했다. 수소는 연소 되면서 물만을 배출해 기존의 화석연료처럼 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않는 이상적 청정 에너지원이다. 하지만 현재의 수소 생산 공정은 수증기 개질 반응 등 화석연료를 기반으로 하고 있어, 수소를 생산하면서 여전히 대량의 이산화탄소를 배출한다는 한계가 있다. 이에 태양광 같은 재생 가능 에너지를 활용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 기술의 개발이 필수적이다.물을 전기분해하여 수소를 생산하려면, 최소 1.23V 이상의 전압이 요구되나 실제로는 전기화학 촉매의 과전압 때문에 더 높은 에너지가 필요하다. 이는 전기분해 효율 저하의 주요 요인 중 하나이며, 태양광 에너지를 추가적으로 활용하면 전기분해에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 기존 태양광 기반 수소 생산 기술로는 광촉매 또는 광전기화학 전지가 있으나, 기술 수준이 아직 높지 않아 기존 수전해 기술에 비해 상용화까지는 많은 개선이 필요하다. 또 태양광 에너지는 일조량의 변동성 탓에 안정적인 수소 생산을 위해서는 추가로 에너지 저장 시스템(EES)이 필수적으로 요구된다. 아주대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 광촉매 시스템과 수전해 시스템을 결합, 새로운 개념의 수소생산 시스템을 설계했다. 이 시스템은 광촉매가 분산된 수용액과 전극으로 구성된 일체형 전지로, 철(Fe²⁺/Fe³⁺) 산화환원 쌍을 전자 전달 매개체로 활용해 두 시스템을 전기화학적으로 연결했다. 연구팀은 이 시스템에 필요한 광촉매로 산화텅스텐(WO₃)을 활용했고, 광촉매의 활성을 높이기 위해 백금과 루테늄이 혼합된 나노입자를 산화텅스텐(WO₃)에 도입해 광촉매의 활성을 대폭 개선했다. 이 새로운 시스템을 활용하면 광촉매가 물분해를 통해 산소를 발생시키면서 동시에 철이온을 환원시키고, 야간에는 환원된 철 이온에 저장된 태양광 에너지를 활용해 저전력 전기분해로 수소를 생산한다. 연구진은 실험실 수준의 소규모 장치를 넘어 약 120cm² 면적의 대형 반응 장치를 설계하고, 이를 야외에서 실제로 구동해 자연광으로 안정적인 수소생산이 가능함을 확인했다.연구팀은 또한 주간에 광촉매가 태양광 에너지를 화학적으로 저장, 추가적인 에너지 저장 장치 없이도 일조량 변화와 관계없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있음을 입증했다. 이 시스템에서는 전기화학적 물 산화 반응을 철 이온 산화 반응으로 대체해 약 0.8V의 낮은 전압으로도 수소를 안정적으로 생산할 수 있었다. 특히 기존 단순 전기분해 시스템에 비해 전력을 최대 70% 절약할 수 있다. 박은덕 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 시스템으로 수소 생산에 있어 전력 사용을 최적화하고 태양광 에너지 활용을 극대화할 수 있다”며 “수소 인프라가 필요하거나 전력 비용이 높은 환경에서 특히 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보이며, 앞으로 추가 연구를 통해 효과적 그린 수소 생산에 도움이 될 것으로 기대한다”라고 설명했다. * 위 사진 설명 : (왼쪽 위)수소 생산을 위한 하이브리드 시스템의 개략도 (오른쪽 위)자연광에서의 대면적 광촉매-전기분해 하이브리드 시스템의 구동모습 (아래) 4일간 자연광 하의 일조량 및 수소생산 전류 결과
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우리 학교 이한길 교수 공동 연구팀이 C형 간염 퇴치를 위해 자가진단 검사 방법이 효과적 대안임을 입증해냈다. 약학대학 이한길 교수(위 사진)는 연세대 의과대학(김범경 교수)-이화여대 약학대학(배승진·신경선 교수) 연구팀과 공동으로 ‘WHO 목표에 따른 C형 간염 퇴치 자가진단 전략 : 질병 부담 및 비용 효율성 분석(Self-testing strategy to eliminate Hepatitis C as per WHO's goal: Analysis of disease burden and cost-effectivenes)’이라는 논문을 발표했다고 밝혔다.해당 논문은 소화기학 분야 저명 학술지 <임상분자간학(Clinical Molecular Hepatology, 2023년 기준 인용지수 IF=14.0, IF%=3.8)> 10월호에 게재됐다. C형 간염은 C형 간염 바이러스에 감염되어 생기는 질환으로 간경변이나 간암으로 진행될 수 있는 위험이 높은 것으로 알려져 있다. C형 간염은 주사기나 문신 등 바이러스 오염 혈액에 노출되어 감염되는 경우가 많지만, 최근 혁신적인 치료제가 개발되면서 6개월간 치료를 통해 C형 간염을 완치할 수 있는 길이 열리게 됐다. 세계보건기구(WHO)는 오는 2030년까지 C형 간염 바이러스를 퇴치하겠다는 전략(HCV eradication strategy)을 발표하면서 C형 간염의 신규 발생률을 80% 감소시키고, 사망률 또한 65%로 감소시키겠다는 목표를 밝혔다. 진단율과 치료율 역시 각각 90%, 80%까지 높이기 위해 각국의 적극적 노력을 요구해왔다. 이 노력의 일환으로 C형 간염 치료가 필요한 감염자를 조기에 발굴하는 전략들이 활발히 논의되고 있으며, 아주대 연구팀은 WHO의 목표에 도달하기 위해 ‘자가진단 검사 방법’이 비용 대비 효과적인 대안임을 이번 연구를 통해 입증했다. 그동안 C형 간염 검진 전략은 혈액 채취를 통한 항체 검사 기법이 주를 이뤄왔으나, 병원을 직접 방문해야 하는 어려움이 있고, 양성인 환자들은 치료제를 처방받기 위해 다시 병원을 방문 해야 하므로 검진율과 치료제 처방률을 고려하면 전략에서 손실되는 환자가 많았다. 이에 비해 자가 검진의 경우, 간단하게 키트를 사용하여 구강점막을 통해 자체 검사하는 방법으로 환자가 직접 병원에 가서 검진받을 필요가 없고 비용도 저렴하다는 장점이 있다. 자가 검진은 WHO에서 권장하는 방법이기도 하다. 이번 연구 결과는 국내에 국한하지 않고, 자가 검진 전략을 도입하고자 하는 다른 여러 국가 정부의 의사 결정에도 과학적인 근거로 활용될 수 있기에 그 의의가 크다. 연구팀은 의사결정수형 모형과 Markov 모형을 결합해 다이내믹 오픈 코호트 시뮬레이션을 수행했으며, 검진을 하지 않았을 때와 ▲전 인구를 대상으로 일시에 검사하는 방법 ▲7년 동안 점진적으로 검사하는 방법 ▲고위험군 환자에서 검사하는 방법을 비교했다. 그 결과 어떤 전략을 선택하더라도 C형 간염 자가진단 검사가 효과적인 수단임을 확인했다. 특히 전 인구를 대상으로 자가 검진을 시행할 경우, 심각한 간질환 발생은 71%, 간질환 관련 사망은 69% 가량 줄일 수 있는 뚜렷한 임상적 효과도 입증해냈다.이한길 교수는 “자가진단 검사는 WHO에서 추천하는 C형 간염 진단 방법 중 하나”라며 “이번 연구의 결과는 항체 검사의 접근성이 낮은 개발도상국 등에서도 의미 있게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다. 한편 이번 논문은 생물학연구정보센터(BRIC)의 ‘한빛사’ 논문으로 선정됐다. 포항공대 생물학연구정보센터(BRIC)는 생명·의과학 분야에서 피인용 지수가 10 이상인 학술지나 그룹별 상위 3% 이내의 세계적인 학술지에 생명과학 분야 논문을 게재한 한국 과학자들을 '한빛사'로 선정해 소개하고 있다.우리 학교 이한길 교수와 연세대 공동 연구팀은 ‘간 질환 환자의 장기 시뮬레이션을 통한 최적의 치료제 선택 전략 개발’에 대한 연구를 지속적으로 수행하고 있다.
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- 작성일2024-12-04
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우리 학교 박성준 교수 연구팀이 아주 낮은 수준의 전압에서도 생체신호를 정확하게 측정할 수 있는 유연한 고감도 전자피부를 구현해냈다. 머리카락 두께 100분의 1 수준의 초박막 센서로 인체의 다양한 움직임에도 안정적이고 정확하게 생체신호 측정이 가능해 헬스케어 기술 발전에 기여할 것으로 보인다. 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)는 광주과학기술원(GIST) 연구팀과 공동으로 수직 형태의 채널구조를 갖는 초유연·초저전압 전자피부를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘표피 신호 모니터링을 위한 초유연성 수직 코바이노 유기 전기화학 트랜지스터(Ultraflexible Vertical Corbino Organic Electrochemical Transistors for Epidermal Signal Monitoring)‘라는 논문으로 저명 학술지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, 2023년 기준 인용지수 IF=27.4, IF%=1.9)> 11월호에 게재됐다. 아주대 지능형반도체공학과 박사과정 이인호 학생, 서울대 신소재공동연구소 김지환 박사후연구원과 광주과학기술원(GIST) 김영석 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 강기훈 서울대 재료공학부 교수(공동저자), 광주과학기술원 윤명한 신소재공학부 교수(교신저자)와 아주대 박성준 전자공학과·지능형 반도체공학과 교수(교신저자)가 이번 연구를 주도했다. 유연하고 가벼우며 생체친화적인 전자피부(e-skin)는 최근 국내외에서 활발히 연구되고 있다. 피부에 부착해 외과적 처치 없이 생체신호를 모니터링할 수 있는 비침습적 센서로 활용될 수 있기 때문. 그중에서도 유기 전기화학 트랜지스터는 피부 계면에서 일어나는 미세한 이온 변화를 전기 신호로 변환할 수 있어, 높은 감도의 비침습적 측정이 필요한 생체리듬 모니터링 센서에 활발히 적용되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 전자피부 형태의 유기 전기화학 트랜지스터는 피부에 부착된 상태에서, 인간의 일상 움직임에 따라 소자의 형태가 변형되기 때문에 전기적 평형 상태를 유지하기 어렵다는 단점이 있었다. 이는 유기 전기화학 트랜지스터가 일반적으로 양옆에 전극이 배치된 평면 구조(planar structure)를 사용하기 때문이다. 또 평면 구조의 특성상, 반도체 채널 길이를 1마이크론 이하로 짧게 만들기 어려워 피부 부착 시에 안정적이고 높은 감도로 신호를 측정해내기 어렵다는 한계도 존재했다. 공동 연구팀은 이에 전극을 위아래로 배치한 수직 구조(vertical structure)를 채택하여 500나노미터(nm) 미만의 채널 길이를 갖는 수직 구조 형태의 소자를 개발했다. 해당 소자는 특히 기계적 변형 시 소자가 받는 힘을 안전하게 분산시키기 위해, 원형 채널 형태로 설계됐다. 이 구조는 기생 저항을 효과적으로 제거하기 위해 4단자 기반의 측정 방식을 도입, 400mS의 세계 최고 수준 증폭률을 달성했다. 이를 통해 기존 방식에 비해 증폭률과 구동 안정성을 각각 10배, 30배 이상 향상시킨 고감도의 유기 전기화학 트랜지스터를 개발할 수 있었다.연구팀은 개발한 수직 구조의 유기 전기화학 트랜지스터를 1마이크로미터(μm) 두께의 고분자 기반 기판 위에 구현, 머리카락 두께의 100분의 1 수준인 총 두께 2마이크로미터의 초박형 센서를 제작했다. 해당 센서는 33% 압축 변형과 1000회 이상의 반복적인 인장 시험에서도 성능 저하 없이 안정적인 작동을 보였다. 다양한 움직임 속에서도 신뢰성 높은 생체신호를 측정할 수 있음을 입증한 것.이러한 기술은 실시간 건강 모니터링과 원격 생체신호 분석·진단 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 전망이다. 예를 들면 만성질환 환자의 심박수와 호흡 데이터를 별도의 무거운 장비 없이 지속적으로 모니터링하고, 원격으로 환자의 상태를 확인해 조기 진단하는 방식 등이다.박성준 교수는 “이번 연구를 통해 초저전압에서 높은 감도로 생체신호를 측정할 수 있는 비침습적 피부 인터페이스 건강 모니터링 기술에 획기적 진전을 이루어냈다”며 “다양한 기능을 갖춘 초소형·초박형 웨어러블 기기의 구현 가능성을 높이고, 장기간 사용해도 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 것”이라고 설명했다.이어 “앞으로의 후속 연구를 통해 혁신적인 솔루션을 제공, 사람들의 삶의 질을 높이는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노소재글로벌영커넥트·나노소재기술개발사업과 아주대학교 연구비 지원을 받아 수행됐다. 연구팀이 개발한 초박막 장치. 이 장치를 활용한 센서는 총 두께가 머리카락 두께의 100분의 1 수준으로, 얇고 가벼우며 유연하기에 웨어러블 기기 등에 널리 활용될 수 있다. 피부 부착형 장치를 통해 부위별로 측정한 생리학적 신호. (a-b) 심전도 신호 측정 (c-e) 근전도 신호 측정 (f-g) 안전도 신호 측정 *제일 위 사진 : 피부 부착형 장치를 통해 부위별로 측정할 수 있는 생리학적 신호의 개략도와 실제로 인체에 부착된 공동 연구팀 개발 장치 사진
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- 작성일2024-11-21
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아주대 이준우 교수 공동 연구팀이 이산화탄소 전환 기술의 생산 효율을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이에 앞으로 친환경 고부가가치 화합물 생산을 비롯한 친환경 에너지 전환 기술 분야 발전에 기여할 수 있을 전망이다. 이준우 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 / 사진)는 미국 예일대와 캐나다 토론토대가 함께 한 국제 공동 연구팀이 산성 환경에서 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 환원을 통해 고부가가치 화합물 생산 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘CO2 전기환원에서의 높은 탄소 전환 효율과 산성 안정성을 지닌 구리 입자 전구체(Acid-Stable Cu Cluster Precatalysts Enable High Energy and Carbon Efficiency in CO2 Electroreduction)’라는 제목으로 화학 분야 국제 저명 학술지인 <미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)> 9월호에 게재됐다. 미국 예일대와 캐나다 토론토대 연구팀이 함께 참여했다. 아주대 연구팀은 구리 입자 전구체의 설계-합성 및 화학구조 분석을 수행했고, 예일대 연구팀은 X-ray를 통한 결정 구조 변화 분석을, 토론토대 연구팀은 합성된 전구체를 활용한 이산화탄소 환원 실험과 결합 에너지 계산을 맡았다.최근 기후 변화와 탄소 중립에 대한 전 지구적 관심이 높아지면서, 대표적 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 화합물로 바꿀 수 있는 전기화학적 전환 기술이 주목받고 있다. 친환경 기술을 통해 온실가스를 줄이고 유용한 물질도 생산할 수 있어, 탄소 저감과 에너지 전환이라는 두 가지 목표를 함께 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것.현재 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 전환은 전극에 전류를 가해 이산화탄소를 분해하고, 이를 고부가가치 화합물로 전환하는 방식으로 이루어진다. 이 과정에는 주로 구리 기반의 촉매가 사용되며, 이산화탄소를 에틸렌 같은 C2+ 물질로 변환하는 데 주력하고 있다. 변환된 화합물은 포장재, 가전제품, 의료용품, 건축자재 등 다양한 제품에 활용되거나 에틸렌 글리콜, 스티렌, 폴리염화비닐(PVC) 등 기초 소재로 쓰인다. 하지만 촉매의 낮은 내구성, 특히 산성 환경에서 구리 촉매의 불안정성으로 인해 장시간 높은 효율을 유지할 수 없다는 것이 한계로 지적되어왔다. 또 저밀도의 이산화탄소 전환 활성 부위로 원하는 C2+ 물질의 선택성이 충분히 높지 않다는 점이 문제로 남아있다. 전환 과정에서 반응하는 촉매의 전환 활성 부위가 상대적으로 적어, 이산화탄소 전환 시 목표로 하는 에틸렌 같은 C₂+ 물질 대신 다양한 부산물이 함께 생성되기 때문이다. 때문에 원하는 물질의 선택성이 높지 않고, 대규모 공정에 적용할 경우 경제성 확보가 어려워 상업화의 큰 걸림돌로 작용해왔다. 이에 아주대 국제 공동 연구팀은 산성 환경에서도 안정적인 촉매를 개발하기 위해 노력해왔다. 연구팀이 개발한 촉매는 산성 조건에서 구리 이온이 빠져나가면서 C2+ 활성 부위가 비활성화, 성능 저하를 불러왔던 기존의 문제점을 해결해냈다. 공동 연구팀이 개발한 구리 입자 전구체는 산성 조건에서도 부반응 없이 이산화탄소 전환 반응이 이루어지는 동안 활성화, 미세 구리 나노 입자로 변환되며 이 과정에서 고밀도의 이산화탄소 전환 활성을 효과적으로 유지해냈다. 연구팀이 개발한 구리 입자 전구체(Cu-mono)로 파생된 나노입자촉매는 100mA/cm²의 전류 밀도에서 57%의 에틸렌 전류 효율을 기록했으며, 이는 기존 산성 이산화탄소 환원 시스템 대비 에너지 효율을 약 1.4배 향상시킨 결과다. 연구팀은 개발 과정에서 구리 입자 전구체의 유기 치환체 결합이 변환된 구리 나노 입자의 이산화탄소 전환 활성 부위를 보호하고, 성능을 유지 시키는 중요한 역할을 한다는 사실도 확인했다. 논문의 주저자인 이준우 아주대 교수는 “이번 연구는 산성 환경에서 이산화탄소 전환 반응을 효율적으로 촉진할 수 있는 새로운 촉매를 개발해 냈다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “특히, 낮은 전류에서도 높은 선택성과 에너지 효율을 달성함으로써, 이산화탄소 전기환원 기술의 상업화를 위한 기술적 한계 극복에 중요한 진전이 될 것”이라고 밝혔다. 이준우 교수는 “탄소 배출을 줄이면서 고부가가치 화학물질을 생산할 수 있는 기술로 발전되어, 석유화학산업 전반에서 탄소 중립 실현과 부가가치 창출에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단 세종과학펠로우십과 아주대학교 교내 연구비 지원을 받아 수행됐다.리간드 가지 수에 따른 구리 나노 입자 형성 모식도. 리간드 가지 수를 다르게 하여 구리 클러스터 전구체를 설계 및 합성하고, 그중 단일 리간드 전구체는 미세 구리 나노 입자 형성을 유도하여 이산화탄소 전환 반응 중 고밀도의 구리 활성 부위를 유지했다.
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