보도자료
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냉온열 저장 가능한 열 배터리 기술로 도시 냉난방 에너지 문제 해결한다
- 첨단 기술 접목한 열량제어 장치 개발로 열 배터리 성능 2배 향상 - 차세대 냉난방 시스템 제시, 향후 제로하우스 등 에너지 자립화 가능성 기대 만약 한여름 뜨거운 태양열을 배터리에 저장했다가 한 겨울 난방에 활용할 수 있다면? 또한 한 겨울 얼음과 눈의 차가운 냉기를 배터리에 저장했다 한 여름 냉방에 활용할 수 있다면? 이러한 아이디어에서 출발한 ’열 배터리(termal battery)’ 기술은 최근 이상기후로 인한 폭염, 블랙아웃 등에 대비할 수 있는 차세대 대체 에너지 관련 핵심 연구 중 하나이다. 최근 국내연구진이 냉, 난방비 부담을 크게 줄이고, 국민의 삶의 질을 높일 수 있는 최고 수준의 열에너지 저장기술인 열 배터리 기술을 발표해 주목 받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 도시에너지연구단 신유환 박사팀은 지난 수 년 간 도시 에너지로 활용 가능한 열 배터리 기술의 성능을 세계 최고 수준으로 올리기 위한 연구를 수행해왔다. 최근 KIST 신유환 박사팀이 열 배터리의 핵심 요소 기술인 ‘열량제어장치’를 개발 및 실증하여, 열 배터리 성능을 크게 증가시켰다고 밝혔다. 열배터리 기술의 핵심 소재는 바로 저온 상변화 물질(low temperature phase change material)이다. 이 물질은 고체에서 액체로 상변화 시 주변의 열을 흡수하고, 반대로 액체에서 고체가 될 때에는 그 열을 주변으로 방출한다. 처음에 액체 상태인 손난로의 내부에 들어있는 동전 모양의 스위치를 ‘똑딱’ 하고 건드리면, 내부 액체가 하얗게 굳으며 뜨거운 열을 방출하는 휴대용 손난로가 대표적인 예다. 손난로 사용 후, 재사용하기 위해 물에 넣고 끓이면 그 열을 흡수하여 다시 액체 상태로 돌아간다. 이와 마찬가지로 열 배터리는 한 낮의 태양열을 저온상변화 물질을 이용하여 ‘잠열축열조’라는 탱크에 저장한 후, 사용하고 싶을 때 스위치를 켜 발열시킴으로써 물을 데워 사용하는 원리이다. KIST 신유환 박사팀은 최근 항공·우주선에 쓰이던 형상기억 합금과 플라즈마 제어 기술을 열배터리 시스템에 접목하여 뛰어난 성능을 보이는 ‘자동열량제어장치’를 개발하였다. 이번에 개발된 ‘자동열량제어장치’는 주변 온도에 반응하여 형상이 변하는 형상기억합금의 특성을 이용한 것 핵심이다. 이를 응용 개발한 특수 파이프가 열배터리 탱크(잠열축열조)에 적용됨으로써 주변 온도에 따라 관의 지름이 유동적으로 바뀌게 된다. 이를 통해 열 전달 부하를 효과적으로 제어하는 것이 가능하여, 열배터리가 방출하는 열의 온도를 날씨와 상관없이 온수 공급온도인 45 〬C로 일정하게 유지시켜주는 역할을 한다. 이는 불안정한 공급온수의 온도와 부족했던 온수공급 시간 등의 열배터리 문제점을 획기적으로 개선시켜 주는 시스템이다. 또한 KIST 연구진은 플라즈마 제어 기술 중 하나인 ‘코로나 방전’* 기술을 열교환기에 성공적으로 접목시킨 공랭식 열교환기를 개발하였다. 본 기술은 코로나 방전에 의해 발생하는 유동을 적절히 제어함으로써 공급 용수의 온도를 효과적으로 조절할 수 있게 한다. 팬을 이용하던 기존 공랭 시스템을 크게 진보시킨 기술로, 손톱만한 크기로 소형화가 가능하며 기존 팬보다 1/100 정도의 사용전력으로 구동가능하다. *코로나 방전(corona discharge) : 기체 속 방전의 형태로 전기장이 강한 부분이 발광하여 전도성을 갖는 현상. KIST 연구진은 이번 응용 기술을 통해 열배터리 탱크 관내 열 손실은 최대 56% 감소하며, 탱크 내 저장 열량이 기존 온수 저장 탱크 대비 2.2배 증가함을 밝혔다. 또한 온수 발생 시 운전시간이 응용기술 적용 전보다 70분 이상 증가하는 것을 실험을 통해 증명했다. 이번 연구의 제1저자인 KIST 신동호 박사는 “본 기술이 적용된 열 배터리 장치는 수 년 내 상용화 될 것으로 보이며, 이에 따른 경제적 잠재 가치는 매우 클 것”이라고 말했다. KIST 신유환 박사는 “이번 연구결과는 도시에너지 해결을 위한 차세대 냉난방 시스템의 명확한 발전 방향을 제시한 것”이라고 말하며, “향후 상용화 실증단계를 거쳐 제로하우스 등 건물 에너지 자립화에 기여하길 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, ‘자동 열랑제어장치’와 ‘공냉식 열교환기 개발’의 연구결과는 ‘Energy Conversion and Management’ (IF : 6.377, JCR 분야 상위 1.87%) 최신호에 각각 2건이 게재되었다. <그림설명>
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- 작성자도시에너지연구단 신유환 박사팀
- 작성일2018.10.31
- 조회수13608
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척추 디스크 시술을 위한 국산 카테터 로봇 시스템 '닥터 허준(Dr. Hujoon)' 개발
- 직경 3mm급 전동 카테터와 로봇을 이용한 사체(카데바) 실험 세계 최초 성공 - 정교하고 안전한 수술 가능, 안과, 신경외과 등 미세 수술영역 활용 기대 KIST 전북분원 복합소재기술연구소가 19일(금) 스포츠·레저 산업부터 핸드폰, 자동차, 항공기에 이르기까지 일상 속 다양한 분야에서 활용되는 첨단 복합소재의 최신 연구 동향을 공유하고 발전방안을 모색하는 자리를 마련한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 오는 10월 19일(금) 전북분원 복합소재기술연구소(전북분원, 분원장 홍재민) 대강당에서 복합소재 분야 세계적인 석학 3명을 초청하여 정부, 지자체 및 산·학·연 주요인사 200여 명이 참석한 가운데 ‘KIST Composite Conference International 2018’을 개최한다고 밝혔다. 특히, 이날 행사에는 세계적인 석학들의 강연이 진행된다. 세계의 복합소재 분야의 최신 연구사례를 주제로 美 조지아 공과대학의 쿠마(Satish Kumar) 교수, 獨 드레스덴 공과대학의 예거(Hubert Jaeger) 교수, 美 NASA의 박철 박사의 강연을 통해 연구동향을 공유한다. 또한 패널토의 시간을 통해 국내의 복합소재 산업 발전전략에 대해 토의하는 시간을 가진다. 이번 컨퍼런스는 3명의 석학이 한 자리에 모이는 만큼 국내외 관련 산업 및 학계의 많은 주목을 받고 있다. 미국 ‘DARPA’ 프로젝트 책임자이며, 세계적 항공사인 보잉사와 협력 연구를 진행 중인 조지아 공대 쿠마(Satish Kumar) 교수는 탄소섬유의 현재 연구추세에 대한 주제로 강연을 진행한다. 세계 최대 탄소 및 흑연 생산업체인 SGL 그룹의 기술책임자를 역임하고 자동차 분야의 복합소재의 권위자인 드레스덴 공대 예거(Hubert Jaeger) 교수는 섬유 강화복합재료의 중요성에 대한 주제로 강연을 펼친다. 또한 우주개발 연구의 세계적 선도기관인 NASA 소속의 박철 박사는 미래 항공 우주 차량 및 구조물을 위한 다기능 소재인 질화붕소 나노튜브(BNNT) 복합재료를 주제로 강연을 진행한다. 이번 행사를 주최한 KIST 전북분원 홍재민 분원장은 “이번 컨퍼런스는 세계적인 석학들이 한 자리에 모여 첨단 복합소재의 미래 비전을 제시한 의미있는 자리”라고 소감을 말했으며, “앞으로 KIST 전북분원이 복합소재 분야의 글로벌 키 플레이어로 도약하고, 국내 복합소재 산업 활성화 및 지역 산업발전에도 기여할 수 있기를 기대한다.”고 밝혔다. 전북 완주군에 있는 KIST 전북분원 복합소재기술연구소는 21세기를 주도할 첨단 소재산업을 연구·개발하는 복합소재전문연구소로 2008년 1월 설립되어 올해로 10주년을 맞았다. KIST 전북분원은 국내 최고 수준의 연구인력과 인프라를 갖추어 활발한 연구 성과들을 발표하고 있으며, 첨단 소재산업의 중심으로 떠오르고 있다. 향후 복합소재 분야 글로벌 리더로 도약하기 위한 기반을 구축하여, 국내외 기술인재와 중소기업 육성 등 지역 산업발전과 연계한 전략적인 방안을 모색 중이다. <그림설명>
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- 작성자의료로봇연구단 강성철 박사팀
- 작성일2018.10.25
- 조회수13208
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혈액 검사 없이 침으로 진단하는 콜레스테롤 검출 센서 개발
- 고지혈증 진단에 타액(침)을 이용한 비침습형 콜레스테롤 고감도 분석 기술 개발 - 향후 타액(침) 및 체액(소변, 땀)을 이용한 극미량 바이오마커 검출 응용 기대 현대인의 식습관과 생활방식의 변화로 인해, 비만 및 대사성 질환 환자의 증가는 국민의 건강 뿐 아니라 막대한 국가·사회적 비용을 소모할 정도로 심각한 문제로 야기되고 있다. 따라서 전주기적 조기진단 및 질병 예방을 위해 일상생활에서 손쉽게 진단이 가능한 비침습적 스크리닝 기술 및 자가진단의 필요성이 커지고 있다. 최근 국내 연구진이 사람의 타액(침) 만으로 콜레스테롤을 검출 및 분석할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 바이오마이크로시스템 연구단 이수현 박사팀은 혈액 검사 없이 고지혈증과 같은 지질대사 이상 질환자들의 타액(침)에 들어있는 극미량의 콜레스테롤을 분석할 수 있는 고감도 센서 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 타액을 이용한 콜레스테롤 측정 기술은 고지혈증과 같은 질병을 손쉽게 자가 진단할 수 있다. 혈액 검사와 같은 기존 진단법은 침습적 검사법으로 통증으로 인한 스트레스 유발 및 각종 감염의 위험성을 지니는 단점이 지적되었다. 그러나 타액은 시간과 장소에 구애받지 않고 비침습적으로 손쉽게 시료 수집이 가능하고, 혈액 내의 콜레스테롤 같은 각종 바이오마커 농도와 높은 상관관계를 갖기 때문에 타액을 기반으로 하는 비침습적 진단기기 개발 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 그러나 타액 내의 콜레스테롤 농도는 혈액 대비 1/100~1/1,000 정도 수준에 불과하기 때문에 이를 위해서는 민감도가 향상된 센서 및 플랫폼 개발이 필수적이었다. KIST 연구진은 만성대사성 질환에 대한 전주기적인 조기진단 및 질환 예방을 위한 새로운 패러다임인 사용자 친화적인 임상진단 기술을 개발하기 위해서 타액의 측정 프로토콜을 정립하고, 기존의 휴대용 혈중 콜레스테롤 기반의 검출 센서에 비해 1,000 배 정도 높은 민감도를 가지는 센서 및 플랫폼을 개발하였다. KIST 이수현 박사팀은 고농도의 콜레스테롤 산화효소를 고정화할 수 있는 나이트로셀룰로스(Nitrocellulose)* 페이퍼와 백금 나노 구조를 갖는 고성능 센서를 각각 제작하여, 결합했다. 이 결합된 센서는 타액 내 극미량(ng/ml, 1ml(밀리미터) 용액 속에 존재하는 ng(나노그램)) 수준의 콜레스테롤을 전기화학적 임피던스** 변화 측정을 통해 검출이 가능하다. 이는 기존에 빛이 흡수하는 정도로 농도를 측정하는 흡광법과 비교시 약 100배 높은 감도이다. 연구진은 제작된 센서로 실제 고지혈증 환자의 혈액 및 타액 샘플을 측정·비교한 결과, 타액 내 존재하는 콜레스테롤의 농도가 혈액 내 농도 대비 약 1/1000 정도 비례하여 낮게 존재하는 것을 확인하였다. *나이트로셀룰로스(Nitrocellulose) : 플래쉬 코튼이라고 불리는 섬유소(셀룰로스) 중합체의 일종 **전기화학 임피던스 측정(Electrochemical impedimetry) : 주파수가 다른 교류신호를 셀에 부여하여 계측하는 측정 방법 KIST 이수현 박사는 “이번 기술은 타액·체액 기반의 각종 호르몬 및 포도당 검출 등에 다양하게 응용될 수 있으며, 혈액 기반 진단 칩 시장에 비해 편의성과 기술적 진보성에서 우위를 점할 것으로 기대된다.”고 연구의의를 밝혔다. 또한 “고지혈증을 비롯한 다양한 지질대사 이상 증세의 보다 정확한 진단과 실용화를 위해서 보다 많은 수의 임상 샘플을 이용한 타액 내 저밀도·고밀도 지질단백질 콜레스테롤 및 중성지방 검출을 위한 추가 연구를 수행할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업 및 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 센서 분야 국제학술지인 ‘Sensors and Actuators B: Chemical’ (IF : 5.667, JCR 분야 상위 2.459%) 최신호로 출판되었다. * (논문명) Enzyme-loaded paper combined impedimetric sensor for the determination of the low-level of cholesterol in saliva - (제1저자) 한국과학기술연구원 이이재 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이수현 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 고지혈증 진단을 위한 타액(침) 내 극미량 콜레스테롤의 비침습적 검출 센서 개발
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- 작성자바이오마이크로시스템연구단 이수현 박사팀
- 작성일2018.10.18
- 조회수13292
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고효율 흡착소재로 폐수 속 유해중금속 제거한다
- 나노 소재를 이용한 수(水)중 중금속(6가 크롬)의 효율적 제거 및 원리 규명 - 향후, 고효율 흡착소재 실용화 및 저비용 폐수정화시스템 구축에 기여 작년 6월 경, 수원시 영통구 일대의 건설 현장 인근 도금업체에서 인체에 해로운 중금속인 6가 크롬(Cr6+)이 불법 배출되어 사회적으로 큰 문제를 일으킨 바 있다. 6가 크롬은 내열성, 내부식성, 전기 저항성 등이 강해서 도금, 염색, 피혁 제조 및 강력 산화제 등으로 다양한 산업분야에 이용되고 있는데, 1급 발암물질 중 가장 독성이 높은 물질로 인체 내 신장이나 골수에 축적이 되어 장기간 농축될 경우 세포조직 손상, DNA 변이 및 사망에까지 이를 수 있다. 최근 국내 연구진이 새로운 물질을 적용한 고효율 흡착소재를 개발, 산업공정에서 고농도로 발생 및 유출되는 6가 크롬을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 이욱성 박사, 물자원순환연구단 최재우 박사팀은 공동 융합연구를 통해 질소가 함유된 고분자 물질을 이용하여 폐수 내에 고농도로 배출되고 있는 유해 중금속인 6가 크롬을 선택적이고 효율적으로 제거할 수 있는 흡착재를 개발, 그 흡착 원리를 규명했다고 밝혔다. 이번 연구는 다른 학제 간(전자재료, 물자원순환) 융합연구를 통해 폐수 내 고농도로 배출되고 있는 중금속 이온의 제거 및 회수와 재이용을 목적으로 진행되었다. KIST 공동연구진은 나노 소재의 발굴 및 적용과 환경 분야의 융합연구로 특정한 질소-탄소 구조를 사용하여 산성도(pH) 환경에 따라 수중 6가 크롬의 산화·환원 반응과 이에 대한 흡착 매커니즘을 정량적으로 규명하였다. 대기와 토양 등에 확산된 6가 크롬은 눈, 비로 인해 침출수의 형태로 수중에 퍼지게 된다. 현재까지 전 세계적으로 이러한 6가 크롬을 비롯한 독성 중금속류를 신속하고 효율적으로 처리하기 위한 환경소재 개발이 다방면에서 진행되어 왔으나, 지금까지 보고된 소재들은 제거 효율이 높지 않아 대부분의 폐수처리업체에서는 증발농축 방법*을 이용한 처리방법을 사용해왔다. 수중 확산된 중금속들을 처리하는 방법인 증발농축 방법은 높은 에너지가 요구되어 많은 비용이 들고, 공정 후 각종 중금속을 포함한 폐슬러지 발생으로 복잡한 후처리 공정이 필요하다는 단점을 갖고 있어 독성 중금속 폐수 처리에 적합한 효율적이고 경제적인 공정이 요구되는 상황이었다. *증발농축 방법(evaporative concentration) : 폐수를 연소가스로 가열해 수분을 제거하여 증발, 농축을 실행하는 방법 이에 KIST 연구진은 피롤 단량체의 고분자 형태인 ‘폴리피롤’**을 6가 크롬 흡착제로 사용하고 그 흡착 원리를 규명하였다. 가루(powder) 형태의 폴리피롤의 함량이 높아짐에 따라 6가 크롬이온의 흡착량이 크게 증가하였으며, 흡착 원리는 크게 두 가지이다. 첫 번째는, 수중 6가 크롬이온이 폴리피롤의 주 성분인 피롤성 질소와 산화반응(존스-산화 반응)을 통해 비교적 안정하고 인체에 무해한 3가 크롬으로 변환되어 흡착되는 원리이다. 또한 산화 반응이 용액의 산성도와 밀접한 관계가 있음을 함께 규명하였는데, 산성도(pH)가 낮을수록 존스-산화 반응이 강하게 발생하여 흡착되는 3가 크롬의 양이 증가한다. 두 번째로, 잔존하는 6가 크롬이 피롤성 질소와 수소결합 방법을 통해 동시다발적인 흡착이 진행되어 고효율의 흡착이 가능하다. 연구진은 실험을 통해 개발된 흡착소재 10mg 만으로 50mL 폐수 내 함유되어 있는 10ppm 농도의 6가 크롬을 99% 이상 제거가 가능함을 확인했다. **폴리피롤(polypyrole) : 전도성 고분자로 물리적, 화학적 특성이 우수하여 약물전달, 연료전지 촉매 지지체, 인공근육 등의 다양한 분야에서 연구되고 있다. 이번 연구결과로 나노 소재를 이용한 수중 독성 6가 크롬 흡착제로의 활용이 기대되며, 특히 도금 공장 등의 산업체에서 배출되는 독성 크롬의 처리 공정에 즉각 적용 가능할 것으로 보고 있다. KIST 전자재료연구단 이욱성 박사는 “6가 크롬의 흡착 제거에 새롭게 활용된 질소-탄소의 결합체인 나노소재가 국민 안전을 확보하고 환경 안전에 대한 신뢰성을 높일 것”이라고 말했으며, KIST 물자원순환연구단 최재우 박사는 “이번 연구성과를 바탕으로 실제 현장에서 적용하기 적합한 형태의 물질에 대한 후속연구를 통해 저비용 폐수정화시스템 구축에 기여할 것으로 기대”한다고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.051, JCR 분야 상위 0.556%)에 최신호에 게재되었다. * (논문명) Strong chromate-adsorbent based on pyrrolic nitrogen structure: An experimental and theoretical study on the adsorption mechanism - (제1저자) 한국과학기술연구원 고영진 박사 (Post Doc.) - (교신저자) 한국과학기술연구원 최재우 책임연구원 한국과학기술연구원 이욱성 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 탄소 위 코팅 된 고분자 형상 및 에너지 분산형 분광분석법을 통한 균일도 측정 <그림 2> 용액의 산성도에 따른 존스-산화/수소결합 비율 및 각 흡착 원리의 이론적 계산
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- 작성자전자재료연구단 이욱성 박사, 물자원순환연구단 최재우 박사팀
- 작성일2018.10.15
- 조회수17359
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사람이 지닌 촉감의 착각(tactile illusion) 현상을 이용한 스마트폰용 2차원 촉감 제시 기술 개발
- 인간의 정신물리학적 촉-착각 현상을 이용하여 2차원적 촉감 구현 성능 높인 기술 - 손에 쥐게 되면 촉각으로 다양한 정보 느껴, 스마트폰 등 모바일기기 분야 활용 기대 촉감 제시(Tactile display) 기술*은 휴대폰, 컴퓨터, 의료, 재활 분야에서 지속적으로 연구되어왔으며, 그 적용 분야를 활발히 넓혀가고 있는 분야이다. 이 기술과 밀접한 관련이 있는 구동장치, 센서 등의 지속적인 발전으로 인해 소형화, 경량화가 이뤄지고 이를 이용한 다양한 자극 생성 장치들이 개발되고 있다. 최근 국내 연구진이 ‘촉감 착각 현상’(tactile illusion)을 응용하여, 스마트폰과 결합하여 사용 가능한 촉감 제시 기술을 개발하여 스마트폰, 의료재활, 컴퓨터 산업 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 선보이고 있어 주목을 끌고 있다. *촉감 제시(tactile display) 기술 : 사용자에게 힘, 진동, 패턴 등을 이용하여 가상의 촉감을 느끼게 하는 기술 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의료로봇연구단의 강성철 박사팀은 한국생산기술연구원(KITECH, 원장 이성일) 로봇연구그룹 양기훈 수석연구원과의 공동연구를 통하여, 인간의 촉감이 가지고 있는 착각 현상을 이용하여, 비교적 적은 수의 구동장치(actuator, 액추에이터)만으로 위치나 방향 정보를 효과적으로 생성하여 2차원적인 촉감 정보 전달이 가능한 기술을 최초로 개발하였다. 다수의 액추에이터를 사용하여 촉각 장치를 만드는 기술은 현재 선진국에서도 활발히 연구되고 있으나, 기본적으로 장치를 소형화하기 어려우며 구동장치 간 동작의 간섭을 효과적으로 제어하기가 어려웠다. 연구진은 12개의 선형 진동모터로 된 구동장치 간의 간섭을 최소화 하며, 손바닥 면에 촉감 디스플레이가 가능한 스마트폰용 햅틱 패드를 설계하였다. 이번 연구의 핵심 아이디어는 사람의 정신물리학적 인지 특성의 하나로서, 사람의 손바닥이 갖는 촉감 해상도의 한계로 인해 나타나는 촉-착각 현상(haptic illusion)을 응용하여, 적은 수의 구동기로 인접하는 구동기간의 자극의 세기와 타이밍을 조절함으로써 고해상도의 촉감 움직임과 방향성을 제시하는 기술이다. 이러한 기술로 만들어진 촉각 패드는 스마트폰과 결합하여 다양한 촉각 정보를 전달할 수 있는 정보전달 기기로 활용이 가능하며 활용분야가 넓다는 장점이 있다. 연구진은 개발된 촉각 패드가 시각장애인 및 일반인들에게 네비게이션으로 활용될 수 있으며, 게임 등과 연동하여 정보 전달이나 음악과 연동한 촉각 자극 전달도 가능함을 보였다. 향후 이 기술은 스마트폰 뿐 아니라 다양한 스마트 워치 등 다양한 모바일 기기의 촉감기반 사용자 인터페이스로까지 확장시킬 수 있다는 점에서 학계의 큰 관심을 받고 있다. KIST 강성철 박사는 “이번 연구를 통해 촉-착각(haptic illusion), 열-착각(thermal illusion) 등 사람이 가지고 있는 다양한 정신물리학적 착각 현상을 활용하면, 보다 효과적이고 경제적인 촉감 디스플레이 기술이 가능할 것이다. 이러한 현상을 공학적으로 이용하면, 원거리에 있는 상대방의 촉감과 체온을 느낄 수 있는 보다 인간적인 ”휴먼-터치 인터페이스“가 가능할 것으로 기대하고 있다.”고 밝혔다. KIST는 금년 3월 ‘의료로봇연구단’(단장 강성철)을 신설하여 바이오, AI(인공지능), 로봇 기술을 융합한 의료 및 헬스케어 로봇 연구를 추진하여 고령화 사회를 대비한 인간의 건강과 삶의 질을 높이는 연구를 진행 중이다. 또한 본 연구는 인간의 인지·신체·시공간적 능력을 증강시키는 ‘휴먼+’ 기술을 지향하는 연구로서 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 산업정보학분야 국제학술지인 ‘산업정보학 저널(IEEE Transaction on Industrial Informatics, IF : 5.43, JCR 상위 : 1.06 %)’ 최신호에 게재되었다. * (논문명) Development of Vibrotactile Pedestal with Multiple Actuators and Application of Haptic Illusions for Information Delivery - (제1저자) 한국생산기술연구원 양기훈 수석연구원 - (공저자) 한국과학기술연구원 이우섭 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 강성철 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 진동 촉각 자극의 활용 예시 개념도 [그림 2] 촉감 제시 패드의 설계도 [그림 3] 햅틱 촉각 패드의 개발 사진
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- 작성자의료로봇연구단의 강성철 박사팀
- 작성일2018.10.11
- 조회수12173
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저온 프린팅 공정이 가능한 고분자 신소재 개발, 플라스틱 기반의 고효율 플렉시블 태양전지 만든다
- 고분자 신소재를 광활성층으로 사용, 고효율 유연 유기태양전지 구현 - 향후, 필름 형태의 건물일체형 태양광 모듈(BIPV)에 적용 기대 미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 가볍고 유연한 태양전지 소자 기술을 개발하는 것이 하나의 핵심이며, 이를 위해서는 플라스틱 기판 위에 저온 프린팅 공정을 이용한 태양전지 제작이 차세대 태양전지를 선도해나갈 주요기술로 주목을 받고 있다. 최근 국내연구진이 저온 프린팅 공정용 고분자를 이용한 플라스틱 기판 위에 고효율 플렉시블 유기 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사(책임연구원)팀은 저온 프린팅 공정이 가능한 고성능 고분자 신소재를 개발하였고, 이를 태양전지의 광활성층* 소재로 사용하여 플라스틱(PET) 기판 위에 고효율의 유연한 유기태양전지를 구현하는데 성공하였다고 밝혔다. *광활성층(photoactive layer) : 외부로부터 태양빛이 태양전지의 내부로 흡수되면 빛 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍이 생성됨으로써 전력을 생산하는 부분 유기태양전지는 프린팅 방식을 이용한 태양전지들 중 가장 대표적인 기술이다. 또한 고분자 소재의 특성은 가볍고 유연한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라고 할 수 있다. 플라스틱 기판 위에 유기태양전지를 제작하기 위한 조건으로 100 oC 근처 혹은 그 이하의 상대적인 저온에서 모든 공정이 이루어져야 한다. 하지만 실제로 태양전지에 광활성층이 높은 전기적 특성과 광전 변환 특성을 확보하기 위해서는 고분자 소재의 높은 결정 특성과 고온의 열처리가 필요하다는 단점이 있었다. KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 소재를 대체할 수 있는 신규 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용하였다. 이 고분자는 기존 고결정성 고분자에 비해 결정성은 낮지만 오히려 광활성층 내 전하의 생성과 운반에 유리한 특성을 지닌다. 그렇기 때문에 기존 고분자가 고결정성을 갖기 위해 160 oC 이상의 높은 온도에서 열처리 공정이 필요한 반면, 신규 고분자의 경우 이러한 열처리 공정을 거치지않아도 높은 특성을 보이는 것으로 나타났다. KIST 연구진은 고결정성 고분자에서 화학구조의 규칙성을 낮춰 새롭게 합성했다. 이 고분자 신소재는 고분자가 광활성층 내 소재(n-형)와 잘 섞이게 되고, 이는 고분자가 우수한 전기적 특성을 가지게 하는 것으로 나타났다. 연구진은 두 경우의 플라스틱 기판 위에 태양전지를 제작했을 때, 기존 고분자의 경우 태양전지 효율 저하를 보였으나, 신규 고분자의 경우 열처리가 필요 없으며 상대적으로 유리 기판에 위에 제작된 소자와 비슷한 효율을 유지하였다. 연구진이 개발한 신규 고분자를 이용한 플라스틱 기반 유연 유기태양전지는 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 40% 가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 10.02%까지의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 플라스틱 기반 유연 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다. KIST 손해정 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 유기태양전지 고분자 소재는 태양전지 공정 과정을 획기적으로 개선하여 플라스틱 기반의 고효율 유연 태양전지 구현에 중요한 기여를 한 연구”라고 말하며, “향후 유기태양전지의 상용화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 또한 손해정 박사팀은 최근 개발된 신규 고분자의 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유연 유기태양전지 모듈을 제작하고 있으며, 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 KIST ‘Young Fellow’ 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF : 21.950, JCR 분야 상위 1.712%) 최신호에 게재되었으며, 표지 논문(Inside cover)으로 선정, 발행될 예정이다. * (논문명) ‘Low-Temperature Processable High Performance D-A Type Random Copolymers for Nonfullerene Polymer Solar Cells and Application to Flexible Devices’ - (제1저자) 한국과학기술연구원 김지영 학생연구원(석사 과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 손해정 박사(책임연구원) <그림설명> <그림 1> Adv. Energy. Mater. Inside Cover 이미지 <그림 2> 플라스틱 기반 유연 유기태양전지 소자 특성 및 제작된 소자(좌) 및 플라스틱 기반 유연 유기태양전지 모듈 (우)
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- 작성자광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀
- 작성일2018.10.10
- 조회수12948
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웨어러블 전자소자의 특성제어가 가능한 피부처럼 늘어나는 신축성 플랫폼 개발
- 인쇄 공정으로 제작된 투명 구조체 삽입, 신축성 박막의 물리적 특성 제어 - 기계적 변형력 영향 제어 가능, 신뢰성 높은 웨어러블 전자 소자 응용 기대 최근 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기술이 발전함에 따라 플렉시블 전자소자를 넘어 인체에 부착 가능한 신축성 웨어러블 전자기기에 많은 관심이 집중되고 있다. 기존의 반도체 소자의 경우, 늘어나거나 수축될 때 발생하는 기계적 변형력(응력, stress)이 신축성 기판과 기능성 박막소자 사이에 서로 영향을 주어 전기적 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 그래서 안정적인 웨어러블 전자 소자 구동을 위해서는 신축성 전자 재료 및 플랫폼에 대한 최적화 연구가 필수적으로 요구된다. 국내 연구진이 피부처럼 늘어나면서도 다양한 박막의 전기적·기계적 및 표면형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 신축성 플랫폼 개발에 성공했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대학교(총장 직무대리 박찬욱) 전기정보공학부 홍용택 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 신축성 플랫폼 안에 기계적 강도가 높은 투명 구조체 조합을 삽입하여 웨어러블 기판과 박막 소자 간에 신축 시 발생하는 기계적 변형력의 영향을 제어하는 연구결과를 발표했다. 기존의 연구에서는 이러한 기계적 변형력의 영향을 최소화하기 위해 신축성 플랫폼 표면 위, 혹은 전자소자에 인위적으로 구조를 넣는 결과들이 보고되었으나, 공정이 어렵고, 적용 가능한 신축성 전자 재료 후보 군이 제한된다는 단점이 있었다. 또한 변형력 발생 시 박막 소자의 전기·기계·광학적 및 표면형태학적 고유 성질이 변하는 특성이 있어, 다양한 박막소자에 대한 해당 특성들을 제어하기에는 한계가 있었다. KIST-서울대 공동연구진이 개발한 신축성 플랫폼은 피부처럼 얇고 신축성이 있지만, 그 내부에 기계적 강도 및 영률(Young’s modulus)*이 높은 투명한 구조체 조합들이 삽입되어 있다. 수십 마이크로미터(?m, 100만분의 1미터) 크기의 단단한 투명 구조체들이 대면적, 저비용 공정이 가능한 잉크젯 인쇄공정으로 제작되어 주기적으로 배열되어 있다. 신축성 기판과 삽입 되어있는 구조체 간의 주기적인 영률(Young’s modulus) 분포의 차이에 의해 신축성 플랫폼 표면 상에서 제어되고 있는 기계적 변형력 분포(strain distribution)를 알 수 있게 된다. 따라서 임의의 박막을 신축성 플랫폼 표면에 올려놓았을 때, 그 박막 또한 동일한 변형력 분포에 의한 영향을 받게되어, 신축 시 박막 고유 특성들이 제어되는 원리이다. *영률(Young’s modulus) : 고체 탄성률의 하나, 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률. 특히 연구진은 구조체의 강도, 크기, 배열에 따라 신축 시 박막 소자가 받는 기계적 변형력 정도를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 원하는 영역에 기계적 변형력을 집중시키거나 분산시키는 것이 가능하다는 것을 규명했다. 또한 실험과 시뮬레이션을 통해 신축 시 금속 박막, 산화물 박막, 유기물 박막 등 다양한 박막의 전기적, 기계적 및 형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있음을 밝힌 것에 큰 의의가 있다. KIST 정승준 박사는 “이번 연구를 통해 신축 시 발생하는 변형력에 따른 박만 특성 변화를 제어할 수 있을 뿐 아니라, 변형력에 민감한 웨어러블 디스플레이 및 센서 같은 전자기기의 신뢰성을 높이는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 정보통신기술진흥원 스킨트로닉스 연구과제로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ (IF : 21.950, JCR 분야 상위 1.027%)에 최신호에 표지 논문(Back cover highlighted)으로 게재되었다. * (논문명) Artificial Soft Elastic Media with Periodic Hard Inclusions for Tailoring StrainSensitive ThinFilm Responses - (제1저자) 서울대학교 기계항공공학부 변정환 박사 후 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정승준 선임연구원 - (교신저자) 서울대학교 전기정보공학부 홍용택 교수 <그림설명> <그림 1> 본 연구에서 제안된 신축성 플랫폼을 통한 박막의 물리적, 기계적 특성 제어 <그림 2> 표지 논문으로 선정된 연구성과 모식도 이미지
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- 작성자광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀
- 작성일2018.10.04
- 조회수13414
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초고감도 분자 센서 개발로 ‘인공 광수용체’의 성능 검증한다
- 인공 광수용체의 빛 인지 시 신호 전달의 동역학 관찰 플랫폼 개발 - 테라헤르츠 분광기술과 메타물질의 결합, 초고감도 분자 센서 기술 개발 - 향후 인체 내 극미량의 신호 전달 체계 메커니즘 규명 연구에 응용 기대 최근 손상된 망막을 대체하기 위한 ‘인공망막’ 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있는 가운데, KIST에서는 ‘인공 광수용체 기반 시각복원 원천기술 개발’ 사업(과제책임자, KIST 김재헌)을 수행, 이를 통해 일반인의 시각 기능과 유사하게 빛을 인지하는 인공 생체소재인 ‘인공 광수용체’를 제작하여 시력을 일부 회복시키기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 최근 KIST 연구진은 이에 대한 후속연구로 인공 광수용체를 정량적이고 체계적으로 연구할 수 있는 기반 기술의 하나로 초고감도 테라헤르츠 분자 센서를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 서민아 박사팀은 서울대 박태현 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 빛 인지 뿐 아니라 색까지 구분 할 수 있는 인공 생체 소재인 ‘광수용체’에서 빛을 인지하였을 때 일어나는 단백질 구조 변화를 직접적으로 관찰할 수 있는 초고감도 테라헤르츠(THz, 1012Hz) 분자 센서를 개발, 상온에서 미량의 샘플에서도 신호가 검출됨을 확인하였다. 광-기반 바이오 센서 기술은 비침습적인 방법으로 생화학 분자를 잴 수 있다는 큰 장점이 있으며, 침투 깊이가 긴 파장이면서 광-에너지 값이 낮아 안전한 것으로 알려진 테라헤르츠 (Terahertz, THz, 1012 Hz) 대역의 전자기파를 이용한 기술이 새로운 타입의 광센서로 주목 받기 시작하고 있다. 이번 연구는 인간 광수용체 단백질 중 주로 명암을 구분하는 간상세포를 이용하여 인공 광수용체를 생산하고, 이들이 빛을 흡수할 때 일어나는 분자 구조의 변화를 테라헤르츠 메타물질*을 이용하여 증폭된 신호를 포착, 그 특성을 분석하는 내용이다. *테라헤르츠 메타물질 : 테라헤르츠(THz) 전자기파 영역대에서 기능을 갖는 메타물질로서 특정 주파수에서 투과율이나 반사율이 증폭된다. 테라헤르츠 메타물질 기반 광-바이오 센서 기술를 이용하면 고민감도, 고선택성 분자 검출 플랫폼을 제작하여 각종 생체 저분자 측정에 적용할 수 있다. 공동 연구진은 비지표식(Label-free)** 생체 분자 측정에 적용 가능한 테라헤르츠 분광법 기반 분자 검출 플랫폼을 개발하였으며, 이를 이용해 테라헤르츠 전자기파 대역에 특이 스펙트럼이 있는 ppm(ng/ml) 수준의 극미량 분자를 매우 높은 감도로 측정하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 특히 테라헤르츠 메타물질을 사용하여 특정 파장 또는 주파수에서의 테라헤르츠파의 신호를 선택적으로 높여, 높은 선택성과 민감도를 지닌 생화학 저분자 및 바이러스를 선택적으로 검출할 수 있는 플랫폼으로 활용할 수 있는 가능성을 보였다. **비지표식(Label-free) : 일반적으로 광-바이오센서는 이름표를 붙이는 지표식((Labeling)으로 물질의 성질을 바뀌는 한계점 존재, 비지표식은 특이 스펙트럼을 이용하여 비접촉, 비파괴의 특성을 갖춤 일반적으로 테라헤르츠 분광법을 이용한 물질의 흡수 광학 분석 시에, 측정하고자 하는 물질의 농도가 높을수록 뚜렷한 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있게 된다. 테라헤르츠는 물 분자에 민감하기 때문에 물 등의 액체에 녹아있는 저농도 수준의 분자의 식별은 어렵다는 한계가 있었다. 연구진은 특정 계면(interface)으로부터만 신호를 취하는 수직 반사 형태의 테라헤르츠 분광법을 개발하여, 물-흡수에 의한 신호 감소의 영향을 최소화하면서 동시에 메타물질을 이용한 신호 증폭 효과를 누릴 수 있도록 개선되었다. 또한 연구진은 개선된 테라헤르츠 분광법과 메타물질 센싱칩을 광수용체의 광-반응성을 확인하는 데 적용하여, 빛을 받으면 분자 구조의 변형이 일어나 이를 테라헤르츠 신호의 변화율(반사율의 변화 정도)로 직접 측정하여 정량화하는데 성공했다. 이와 같이 테라헤르츠 메타물질을 이용하면, 실시간으로 상온에서 미량의 단백질 샘플에서 일어나는 동역학 관찰이 가능하게 된다. 연구진은 실험실에서 만든 광수용체가 인간 수용체와 비교할 만한 수준의 민감도와 빛 흡수 능력을 갖고 있음을 입증했다. KIST 서민아 박사는 “인체 내 신호전달 체계에 기여하는 자극에 대한 대부분의 세포 반응은 막 단백질의 구조 변화(conformational change)로부터 시작되기 때문에, 본 연구의 내용은 향후 인공 광수용체 뿐 아니라 다양한 인체 내 세포들에서 기능 조절에 관한 연구들에 적용이 가능할 것으로 전망한다”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단)과 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 센서 분야 상위 국제 학술지인 ‘Sensors and Actuators B: Chemical’ (IF: 5.667, JCR 분야 상위 2.459%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Ultrasensitive terahertz molecule sensor for observation of photoinduced conformational change in rhodopsin-nanovesicles - (제1저자) 한국과학기술연구원 이동규 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 서민아 박사 <그림설명> [그림 1] (좌) 빛을 흡수하여 명암을 구분하는 광수용체 (Rhodopsin)을 포함하는 나노 크기 소포체 (vesicle) 가 테라헤르츠 분자 센서의 센싱칩 부분에 도포된 모습 (우 상) 광수용체의 11-cis 분자 구조가 외부의 빛 자극에 의해 all-trans 형태로 분자식이 바뀌는 모식도 (우 하) 광수용체 샘플에서 분자 구조의 변화 (conformational change)가 일어날 때, 테라헤르츠 메타물질 기반 분자 센서를 이용해 측정하는 테라헤르츠 신호의 외부 광자극에 대한 민감도 스펙트럼
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- 작성자센서시스템연구센터 서민아 박사팀
- 작성일2018.09.19
- 조회수18419
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백금 대체할 고성능 탄소튜브 기반 합금 촉매 개발, 알칼리 연료전지 성능 향상시킨다
- 기존의 고가의 백금 촉매 대체가능한 저가형 탄소튜브 기반 합금 촉매 개발 - 성능 및 내구성 향상으로 상용화 기대, 향후 차세대 비백금계 촉매 연구 기여 연료전지는 이용되는 전해질에 따라 다양한 연료전지로 나뉘는데, 그중 알칼리 연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 발생 과정에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 기존 알칼리 연료전지는 에너지 발생을 위한 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 고가의 백금 대신 탄소튜브 기반 합금을 적용한 촉매를 개발하여 연료전지 성능 및 내구성을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 울산과학기술대학교(UNIST) 김광수 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용 가능한 고성능 탄소튜브 기반 질소-전이금속(철-코발트) 합금 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 비싼 가격 문제와 소재 자체의 안정성에 대한 한계점에 대한 문제가 꾸준히 제시되어 왔다. 연료전지용 촉매는 장시간 산화 환경에 노출되면서 백금계 소재의 성능 및 내구성 저하 같은 안정성 문제는 해결해야할 과제로 남아있었다. KIST-UNIST 공동연구진은 알칼리 환경에서 적용 가능한 고활성, 고안정성 소재인 탄소튜브계 질소-전이금속 합금 나노 촉매를 적용해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 합성된 촉매의 탄소튜브 내에 존재하는 질소-코발트, 질소-철 및 철-코발트 합금의 공존에 의해 촉매 표면에서 전자 이동 및 산소 분자의 흡착성을 높여 향상된 산소 환원 반응으로 우수한 활성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 또한, 개발된 촉매는 현재 상용화된 백금 촉매에 비해 30% 향상된 산소 환원 반응 활성 및 내구성을 보이며 성능을 입증했고, 제조 단계에서 드는 합성 비용이 1/12 정도로 감소되어 경제성까지 개선된 신규 비백금계 촉매임을 보였다. 연구진은 실제 연료전지에 적용하여 구동이 가능함을 밝혀, 비백금계 촉매 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다. 특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 고온에서 다양한 공정을 거쳐 제조되던 것과 달리, 재료의 교반 후 비활성 기체 조건에서 열처리를 통한 최소화된 공정을 거쳐 합성이 가능하기에 시간당 촉매 제조 생산량을 극대화하고, 실제 연료전지 구동을 통해 상용화에 대한 가능성을 보여주었다. 이에 따라 추후 상업적인 단계에서도 소재의 생산 공정 및 연료 전지 적용에 대한 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 차세대 알칼리 연료전지용 촉매 성능 및 내구성 향상 뿐 아니라 기존 촉매의 문제점인 백금에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 저가형 촉매 적용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라 말하며, “향후 차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 설계, 제조 공정 기술 및 연료전지 적용에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 글로벌 프론티어 R&D 연구사업(멀티스케일 에너지 시스템) 및 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 저명한 국제 학술저널인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF : 21.875, JCR 상위 1.712%) 최신호에 표지논문(Back Cover)로 게재되었다. * (논문명) Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction Activity of Graphitic Tube Encapsulating Nitrided CoxFey Alloy - (제1저자) 울산과학기술대학교 S. Sultan 연구원(Graduate student) - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 울산과학기술대학교 김광수 교수 <그림설명> <그림 1> 본 연구에서 개발한 탄소튜브 기반 합금 촉매의 알칼리 연료전지에서의 활성화 모식도 <그림 2> 탄소튜브 기반 질소-전이금속 합금 촉매 합성 과정, 제조된 형상 및 전기화학 반응 결과
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- 작성자연료전지연구센터 유성종 박사팀
- 작성일2018.09.18
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스마트 콘택트 렌즈 내에서 작동하는 박막 전지 개발
- 콘택트 렌즈 내에서 작동 가능한 유연한 박막 이차전지 최초 구현 - 향후 다양한 형태의 웨어러블 기기 등에 차세대 전력 저장장치로 응용 기대 최근 들어 웨어러블 전자기기는 모자, 안경, 벨트, 시계, 옷 등 다양한 분야에서 적용되어 연구되고 있다. 이러한 웨어러블 전자기기는 착용자의 건강을 지속적으로 모니터링하여 건강관리에 도움을 주는 형태가 가장 큰 특징이다. 간단하게는 심박 수나 걸음 수와 같은 간단한 것부터 인간의 몸에서 나오는 신호를 분석하여 질병을 진단하는 전문적인 부분까지 연구되고 있다. 이 중에서도 스마트 렌즈는 가장 진보된 기술이 적용되는 분야로 국내외 대기업에서 증강현실(AR), 디스플레이, 당뇨수치 모니터링 기기 등을 앞 다투어 개발하고 있다. 최근 국내 연구진이 아주 얇은 형태의 이차전지를 이용하여 콘택트 렌즈 위에서 작동하는 스마트 렌즈용 박막 이차전지를 개발하였다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 최지원 박사팀은 인간이 착용할 수 있는 웨어러블 전자기기 중 사람의 가장 밀접한 부위에 착용하는 장비인 콘택트 렌즈 내에서 작동이 가능한 스마트렌즈용 박막전지 개발에 성공했다. 기존의 스마트 렌즈는 렌즈 외부에서 전기를 공급받아 작동을 했으나, KIST 연구진이 개발한 이 박막 이차전지는 스마트렌즈에 장착이 가능하고, 렌즈 자체에 전원을 가지고 있어서 전원공급이 자유로우며, 재충전하여 쓸 수 있는 장점이 있다. KIST 연구진이 개발한 이 전지는 일상생활에서 사용하는 전지의 형태가 아닌 아주 얇은 필름형태의 전지로, 곡면의 콘택트 렌즈 위에 전지를 제작하여 LED를 작동시키는데 성공했다. 이 스마트 렌즈용 박막전지는 유연한 특성을 가지고 있어 휘어진 상태에서도, 수분이 존재하는 환경에서도 작동한다. 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 리튬 이차전지는 양극재, 음극재, 분리막, 액체전해질, 전극 등으로 이루어져 있으며, 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동을 반복하면서 발생하는 전자를 이용하여 전자기기를 작동시키게 된다. 또한 현재 우리가 사용하는 리튬 이차전지는 폭발의 위험에서 완전히 안전하다고 할 수 없는데, 리튬 이차전지의 경우 장기간 사용하거나 충격에 의해 양극재의 손상이 생기면 음극재와 합선이 되어 액체전해질이 연료가 되어 폭발을 하게 된다. 사람의 눈에 착용하기 위해서는 높은 안정성이 필수적이다. 하지만 스마트 콘택트 렌즈를 구동시킬 수 있는 전력원이 될 스마트 렌즈용 전지에 대한 연구결과는 전 세계적으로 전무한 상황으로 스마트 렌즈 개발에 어려움이 있었다. KIST 최지원 박사팀은 이번 스마트 렌즈용 박막전지를 개발하기 위해 모든 구성요소를 유연하면서도 고체인 필름형태의 박막 이차전지로 만들었다. 이로 인해 액체전해질을 사용하지 않음으로 폭발의 위험이 없는 아주 안전한 전지를 제작했다. 또한 콘택트 렌즈에 적용이 가능하도록 유연한 재료를 사용해야 하는데, 양극재를 낮은 온도에서 제작하는 어려움이 있었다. KIST 연구진은 일반적으로 고온에서 제작이 필요한 양극재를 저온에서 제작이 가능하도록 개발함으로써, 별도의 고가 장비의 필요가 없이 산업화에 유리한 기술을 개발했다. KIST 최지원 책임연구원은 “이번에 개발한 스마트 렌즈용 박막 이차전지는 콘택트렌즈에 적용된 최초의 전지로 향후 스마트 렌즈의 핵심 부품이며, 유연한 특성으로 다른 웨어러블 전자기기의 전력원으로 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. KIST 연구진은 스마트 렌즈 산업의 핵심기술 중 하나인 이번 원천기술에 대한 후속연구를 진행하여 향후 세계시장에 진출을 계획하고 있다. KIST는 현재 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 한국연구재단의 ‘바이오의료기술개발사업, ‘차세대 의료기기 플랫폼’사업을 수행하고 있으며, 이번 연구는 ‘접안형 당뇨병 진단기기 개발’(연구책임자 : KIST 송용원 박사) 연구의 일환으로 진행되었다. 연구결과는 재료분야 국제 학술지인 ‘Nano Energy’ (IF: 13.120, JCR 분야 상위 4.452%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Scalable Fabrication of Flexible Thin Film Batteries for Smart Lens Applications - (제1저자) 한국과학기술연구원 이현석 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 최지원 박사 <그림설명> [그림 1] (a) 스마트렌즈의 개략도 (b) 콘택트렌즈에 구현한 박막 이차전지의 사진 및 젖은 상태에서도 구동되는 LED
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- 작성자전자재료연구단 최지원 박사팀
- 작성일2018.09.11
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