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우리 학교 박은덕 교수팀이 태양광을 활용해 고부가가치 화합물을 제조할 수 있는 친환경 기술을 개발했다. 지속가능한 방법으로 부가가치가 높은 화합물을 생산할 수 있는 새로운 길을 제시함으로써 에너지 저감과 환경 문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 해당 연구는 ‘2상 전해질에서 브롬 발생을 통한 고 선택성 탠덤 광전기화학적 탄소-수소 결합 활성화(Highly Selective Tandem Photoelectrochemical C–H Activation via Bromine Evolution Reaction in Two-Phase Electrolyte)’라는 논문으로, <저널 오브 더 아메리칸 케미칼 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)> 2월호에 게재됐다. 박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 제일 왼쪽)가 교신저자로, 아주대 채상윤 박사후 연구원(대학원 에너지시스템학과·차세대에너지과학연구소, 위 사진 가운데)·아딜 메흐무드(Adeel Mehmood) 대학원 에너지시스템학과 박사과정 학생(위 사진 오른쪽)이 제1저자로 참여했다. 화학 산업에서는 지속가능하며 친환경적인 방식으로 고부가가치 화합물을 만드는 방안에 대한 연구가 점차 중요해지고 있다. 석유화학·철강 산업 등에 쓰이는 화합물을 제조하는 공정에서 많은 에너지가 사용되고, 그 과정에서 이산화탄소와 같은 온실가스나 다른 유해 물질이 발생해 인체·환경에 나쁜 영향을 줄 수 있기 때문이다. 특히 탄소와 수소의 결합을 활성화하는 반응이 화학 공정에서 아주 중요한데, 이를 위해서는 유독한 가스나 많은 양의 유기용매를 사용해야 하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 태양광을 비롯한 재생에너지를 사용해 화합물을 만드는 방법이 이상적이다. 광전기 화학전지 시스템을 이용하면 태양광을 화학에너지로 바꿀 수 있고, 이 에너지를 이용해 유기물의 탄소-수소 결합을 활성화하면 고부가가치 화합물로 만들 수 있다. 동시에 수소도 생산할 수 있다. 이 과정에서 중요한 것은 이런 반응을 잘 일으킬 수 있는 적당한 반도체 광전극 및 시스템을 개발하는 것이다. 기존에 널리 활용되어온 방안은 탄소-수소 결합의 할로겐화 반응을 이용하는 것으로, 반응물과 할로겐 원소가 하나의 전해질에 용해되어 있는 시스템이다. 그러나 이 시스템의 경우 고가의 할로겐 유기화합물을 사용해야 하는 데다, 반응물의 과산화 및 낮은 용해도가 한계로 여겨져 왔다. 아주대 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 할로겐 원소와 반응물을 별도의 전해질로 분리하는 방법을 고안해냈다. 덕분에 부반응을 차단하면서, 많은 양의 화합물을 생성시킬 수 있었다. 연구팀은 또한 유독한 할로겐 가스를 직접 사용하지 않고, 친환경적인 브롬화 이온으로부터 태양광을 이용해 반응에 필요한 브롬가스를 실시간으로 공급했다. 연구팀은 태양광-브롬 생산을 위해 산화루테늄이 도포된 질화탄탈럼(Ta3N5) 반도체 광양극을 개발했으며, 해당 광양극은 수계전해질 조건에서 경쟁 반응인 산소 발생이 전혀 없이 브롬만을 선택적으로 생산함을 확인했다. 생성된 브롬은 태양광에 의해 브롬 라디칼로 전환되어 여러 유기물의 탄소-수소 결합을 효과적으로 활성화하고, 고부가가치 화합물을 생성시켰다. 연구팀은 또한 인화인듐 광음극과 질화탄탈럼 광양극을 동시에 이용, 추가적인 에너지 공급이 없이 오직 태양광만으로 브롬을 생산하고 탄화수소의 탄소-수소 결합을 선택적으로 활성화하여 고부가 화합물을 제조하는 친환경 시스템을 구현해냈다. 박은덕 교수는 “유독한 할로겐 가스의 사용을 피하고 태양광을 활용해 환경친화적인 방식으로 여러 유기물의 탄소-수소 결합을 활성화, 부가가치가 높은 화합물을 생성하는 기술”이라며 “그와 동시에 청정에너지인 수소를 함께 생산하는 시스템이라는 점에서 중요한 의미를 가진다”라고 설명했다.박 교수는 “태양광을 이용해 할로겐을 시스템 내에서 자체 생산함으로써, 환경과 인체에 미치는 부정적 영향을 최소화하고 에너지 저감에 기여할 수 있을 것”이라며 “할로겐 원소와 반응물을 분리 반응시킴으로써 부산물 생성을 차단하고 더 효율적인 화학반응을 가능하게 할 수 있어 고부가가치 화합물의 친환경적 생산에 새로운 길을 제시할 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단의 C1 가스 리파이너리 사업과 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.(왼쪽) 태양광과 광전기화학전지를 이용한 브롬화반응의 모식도 (오른쪽) 태양광을 이용한 고부가 화합물의 생성효율
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우리 학교 화학과 유성주 교수팀이 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 친환경 기술을 개발하는데 성공했다. 빛을 이용한 환경친화적 방식으로 지속가능한 에너지와 환경에 기여할 수 있는 기술이다.유성주 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 플라즈몬 기술을 활용, 메탄의 선택적 산화 과정을 거쳐 고부가가치 화합물을 생산하는 친환경 화학 프로세스를 구현했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘산소 분자의 선택적 부분 산화 작용 촉진을 위한 저(低)에너지 화학 프로세스 연구(Plasmon-Driven Selective Methane Oxidation to Formic Acid at Ambient Conditions)’라는 논문으로 에너지 분야 국제 학술지인 <ACS 에너지 레터(ACS Energy Letters)>에 2월9일자로 출판됐다. 논문은 연구 우수성을 인정받아 표지논문(위 사진)으로 선정됐다. 이번 연구에는 박은덕 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)가 공동 교신저자로 참여했고, 투이 하 응우옌(Thuy Ha Nguyen) 대학원 에너지시스템학과 박사과정 학생이 제1저자로 함께 했다. 최근 천연가스의 주요 성분인 메탄(CH4)의 온실효과 영향에 대한 지적이 제기됐다. 가정용·산업용 연료로 널리 활용되는 메탄이 이산화탄소(CO2)보다 약 23배 강력한 온실효과를 일으킨다는 것이다. 지속가능한 에너지 미래를 위해 탄소자원화 연구를 활발하게 진행 중인 유성주 교수 연구팀은 메탄의 친환경 활용 방안에 주목했다. 화학계에서는 메탄을 유용물질로 전환하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 메탄을 알코올, 알데히드, 산과 같은 유용한 화합물로 전환시키기 위해서는 원래 에너지 소비가 높은 여러 단계의 복잡한 과정을 거쳐야 했다. 이 과정에서 온실가스 방출 관련 대기환경 문제와 고가의 산화제 사용 등 경제적 효율성이 떨어지는 문제점이 발생했다. 아주대 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 빛과 금 나노입자의 분광학적 상호작용을 이용해 산소(O2)의 양자역학적 성질을 변화시켜 메탄의 완전 산화 경로를 억제하는 저에너지 화학 프로세스를 개발했다. 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 특성을 활용하여 산소(O2) 분자의 스핀 상태를 삼중항에서 단일항으로 변화시킨 것. 단일항으로 스핀 전이된 산소는 동일한 스핀 상태의 메탄과 상온에서 쉽게 결합을 형성했다. 아주대 연구팀은 메탄 산화 과정에 필요한 활성화 에너지를 효과적으로 낮추는 상온상압 금속 촉매 및 반응 시스템을 구현했고, 메탄은 고온고압의 과정을 거치지 않음으로써 완전 산화되는 경로가 억제됐다.연구팀은 이러한 부분 산화 반응으로 기체 상태의 메탄을 고부가가치 화합물인 액체 상태의 포름산(HCOOH)으로 97% 이상 전환에 성공했다. 전환된 포름산은 섬유, 바이오 등 다양한 산업에서 활용될 뿐만 아니라 수소(H2)의 저장과 이동 시 사용할 수 있는 화합물로, 미래 지속가능한 에너지 활용에 중요한 화합물이라는 점에서 이번 연구는 큰 의의가 있다. 유성주 교수는 “이 연구는 분자의 스핀 전이가 관여된 촉매작용에 관한 연구 결과로 새로운 탄소자원화 방안을 제시한 점, 현 분야의 이슈들 중 하나인 산화작용의 원리를 규명한 점에서 학술적 의의가 있다”라고 말했다.이어 유 교수는 “이번에 개발한 기술은 산소 분자의 양자역학적 특성 조작으로 기존 메탄 활용 기술에 필요한 에너지 소모량과 이산화탄소 배출을 획기적으로 감소시킨 유용한 친환경 기술”이라며 “앞으로 지속적인 연구를 통해 고효율 화학 기술 공정 개발과 탄소 활용, 수소에너지, 미세먼지 등 미래 에너지 환경 문제 해결에 도움 될 수 있기를 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 한국연구재단의 C1가스리파이너리사업, 자율운영 중점연구소지원사업, 우수신진연구의 지원으로 수행됐다.이번 연구를 주도한 아주대 연구진. 왼쪽부터 유성주 교수, 박은덕 교수, 투이 하 응우옌(Thuy Ha Nguyen) 박사과정 학생
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우리 학교 기계공학과 김의겸 교수팀이 다양한 힘 조합이 가능한 자동화 로봇 보정 장치를 개발했다. 이에 로봇의 센서로 널리 활용될 수 있을 전망이다.연구 내용은 ‘다축 힘토크 센서의 정밀 보정용 다양한 힘 조합이 가능한 자동화 로봇 보정 장치(Automated Calibration Robotic System Capable of Producing Versatile Force Combinations for Multiaxis Force/Torque Sensors)’라는 제목으로, 자동화 및 제어 분야 저명학술지인 <IEEE 산업정보학학회 저널(IEEE Transactions on Industrial Informatics, IF: 12.3, JCR%=2.3%)에 지난 13일 게재됐다.이번 연구에는 아주대 기계공학과 대학원 황진학 학생(석사과정)이 제1저자로, 이우성·이세란 학생이 공동저자로 참여했다. (주)에이딘로보틱스 김용범 박사(공동저자)와 김의겸 교수(교신저자)도 함께 참여했다.6축 힘/토크센서는 휴머노이드 및 다양한 로봇 시스템에서 중요한 구성요소이다. 하나의 센서에서 6축의 모든 힘을 측정할 수 있기 때문에 로봇이 섬세한 힘 제어가 가능하다. 하지만, 현재까지 이를 자동으로 보정할 수 있는 시스템이 존재하지 않았기 때문에 매번 사람이 수작업으로 보정 작업을 수행해야 했다. 센서 초기 데이터를 원하는 힘의 단위로 변환 시켜주기 위해서는 보정 작업이 필요하다. 때문에 센서의 가격이 높아지고, 로봇 센서보편화에 한계로 작용해왔다. 6축 힘/토크의 보정은 단순히 한 축 방향의 힘만을 분석하는 것이 아니라, 6축 축방향의 모든 힘의 비선형성과 축간간섭현상(crosstalk phenomenon)을 고려해야 하기 때문에 고난도의 기술력을 요구한다. 이를 자동화 시키는 것은 더욱 도전적인 문제이기 때문에, 그동안 힘 센서 연구 활동은 많았지만 현재까지 이를 완전히 해결하지는 못했다.아주대 김의겸 교수 연구팀은 원천적인 새로운 메커니즘 개발부터 디자인, 제어, AI, 구현까지 원천 및 응용 기술 개발을 진행했다. 이를 통해 6축 힘/토크에 대한 모든 조합을 구현하면서도 로봇 자동화가 가능한 로봇 시스템을 개발했다. 3개의 수직력과 3개의 수평력을 사용하여 6축 힘/토크를 생성하는 새로운 원리를 제안한 것. 국내에서 협동로봇시장이 확대됨에 따라 로봇 및 인간의 안전 문제를 해결하기 위해 로봇용 센서는 필수적인 구성 요소가 될 것으로 보인다. 이에 아주대 연구팀의 연구 성과가 시장 확대에 기여할 수 있을 전망이다. 김의겸 교수는 "공학자로서 사람들의 삶을 더 윤택하게 하는데 도움이 될 연구를 이어가고 싶다"며 "학술적으로 가치가 높으면서도, 실제 산업과 사회에서 쓸모있는 기술을 개발하기 위해 노력할 것"이라고 말했다.이번 연구는 산업통상자원부의 로봇산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행됐다.#위 사진 설명 : 왼쪽부터 기계공학과 김의겸 교수와 기계공학과 석사과정 황진학 학생
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아주대 연구진이 인간 생체 시각을 모사해 자외선 영역의 광 데이터를 판별할 수 있는 지능형 광 신경 소자를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 인공 신경형 시각 장치뿐 아니라 화재 감지를 비롯한 안전 관리와 의료 등의 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)와 쿠마 모히트(Kumar Mohit, 대학원 에너지시스템학과, 사진 왼) 교수 연구팀은 자외선 이미지 신호를 감지해 비휘발성 형태 데이터로 저장하고 판별할 수 있는 지능형 광 신경 소자를 개발했다고 밝혔다. 이 소자는 고신뢰성 갈륨 산화물을 활용해 노이즈가 매우 낮고 높은 민감도를 갖추고 있다. 관련 내용은 ‘주의 기반 사물 식별을 위한 적응형 광 인공 뉴런(Adaptable photonic artificial neurons for attention-based object identification)’이라는 논문으로 나노 분야 저명 학술지 <나노 에너지(Nano Energy)> 1월 온라인판에 게재됐다. 아주대 대학원 석사과정의 김준모·김지수 학생도 연구에 함께 참여했다. 인간의 시각 인지 시스템은 실시간으로 광학 신호를 감지하고 포착해, 광 자극의 세기나 반복에 따라 광 신호를 차별적으로 인식한다. 또 받아들인 정보를 장·단기로 선택 저장할 뿐 아니라 중요 정보인지 아닌지를 판단할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이 과정은 인간의 시각이 광학 정보를 포착, 광전 변환을 통해 적절한 크기의 전기 스파이크로 인코딩하는 경로로 이루어진다. 해당 정보는 뇌의 시각 피질로 전송되어 생체 시냅스의 네트워크에 저장된다. 이렇듯 광 신호 감지와 정보 저장을 일체화한 생체 시각 인지 방식을 모사해 소자화하게 되면 CCTV 등의 기기를 통한 지능형 시각 정보 처리가 가능해진다. 그러나 현재 기술에서는 광 센서와 정보를 저장하는 메모리 소자가 분리되어 있다. 또 광 신호의 의미를 파악하기 위해 신호처리 소자도 별도로 필요해, 지능형 CCTV 등을 통한 고차원적 영상의 처리를 위해서는 복잡한 하드웨어의 구성이 필연적이다. 복잡한 회로를 단순화하기 위해서는, 다양한 환경에 적응할 수 있고 정보를 차별적으로 판별·저장할 수 있도록 신호처리와 메모리 저장 기능이 통합되어야 한다.아주대 연구팀은 기존의 한계를 극복하고, 최근 들어 활용 폭이 넓어지고 있는 자외선을 기반으로 지능형 광센서를 통합 구현하기 위해 차세대 고전력·고신뢰성 반도체 소재로 연구되고 있는 갈륨 산화물(Ga2O3)을 주목했다. 연구진은 30나노미터(nm) 두께의 갈륨 산화물 박막을 광감지층으로 실리콘 기판 위에 증착한 광 다이오드 소자를 개발하는데 성공했다. 기존에 활용되던 갈륨 산화물층은 단결정 구조로 마이크로 미터(μm) 수준의 두꺼운 층이었으나, 연구팀은 실리콘 기판에 박막을 형성하여 기존 실리콘 집적회로에 통합시킴으로써 30나노미터 상당으로 두께를 줄일 수 있었다. 서형탁 교수 연구팀은 광전류를 인공 신경의 신경전달물질과 같은 ‘자극’으로 활용하기 위해 광활성이 높은 베타상 구조의 박막에 인위적으로 박막 전체적으로 균일하게 분포한 결함을 도입했고, 각 결함의 물리적 근원을 규명했다. 또 광전하가 이 결함에 포획됨에 따라 광전류의 크기가 자극의 시간과 횟수에 의하여 강화 또는 약화 되는 학습기능을 구현하는 데 성공했다. 이는 인체 시신경의 작동원리와 유사하다. 이번에 개발한 광소자를 통해 연구진은 생체 시각 인지에서 반복 노출과 강한 노출의 정보에 따라 정보를 차별적으로 판단·저장하는 여러 기능을 모사해냈다. 0.001초 단위로 입력되는 자외선 광 펄스 신호를 장기적으로 강화 또는 약화시켜 인공지능형 비휘발성 메모리 저장 및 프로그래밍을 구현할 수 있음을 보였고, 광신호의 세기와 전압 극성 및 크기를 변수로 하여 다수준(multi-level)으로 광신호를 저장·판별할 수 있다는 점도 확인했다. 연구팀은 실제 개발된 소자의 3x3픽셀 어레이를 구성하여 간단한 문자 판별을 시연, 이미지 판별이 가능함을 확인했다.서형탁 교수는 “현재 기술 수준에서 인간의 시각 인지 시스템을 집적회로 소자로 구현하기 위해서는 굉장히 복잡한 구조의 설계가 필요하다”며 “이번 연구를 통해 대표적인 고신뢰성 차세대 전력 반도체 소재인 갈륨산화물을 이용, 소자 레벨에서 보다 단순화된 메모리 통합형 광 센서를 개발해낸 것이 매우 의미 있는 성과”라고 전했다. 서 교수는 “이번에 개발한 광 신경 소자는 앞으로 자외선 영역의 인공지능형 광인지 시스템 개발에 활용될 수 있을 것”이라며 “추가 연구와 개발을 통해 궁극적으로는 지능형 화재 감지를 비롯한 안전 분야와 의료 및 자외선을 이용한 소재 합성이나 오존 살균 장치 등의 분야에서 널리 활용이 가능할 전망”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 PIM인공지능반도체핵심기술개발사업과 중견 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.A: 인체 시각신경과 유사하며 광신호의 세기에 따라 인지할 수 있는 정도 조절B: 위는 단면 전자현미경 사진이며 아래는 확대된 원자결정 사진C: 레이저 광 조사 하에서 광전류가 어디에 형성되는지 전류 멥핑을 이용하여 관측D: 문자 C와 T를 혼합하여 광입력 신호를 주었을 때 광 센서의 프로그램을 통해 C를 인지하거나 혹은 T를 인지 및 저장할 수 있고, 이를 적절한 시간 내에서 지우게 할 수도 있다.
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- 작성일2024-02-15
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