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2018-10 30

[학술][이달의 연구자] 강영종 교수(화학과)

새로운 미래 에너지원으로 지목된 '페로브스카이트(Perovskite)'. 태양의 빛에너지를 전기에너지로 쉽게 변환해 태양전지부터 연료전지까지 활용이 가능한 특별한 구조의 금속 산화물이다. 최근 이 페로브스카이트를 활용한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이렇게 변환된 전기에너지를 빛으로 바꾸는 우수한 발광소자 특성도 화제다. 이에 강영종 교수(화학과)는 ‘크기 배제효과 가공기술(Size-Exclusion Lithography)’을 이용한 페로브스카이트 복합소재 필름 제작기술을 새롭게 발표했다. 페로브스카이트가 가진 발광소자로서의 기존 한계점을 극복하고 디스플레이 산업에서의 상용화를 앞당겼다는 평이다. ▲ 강영종 교수(화학과)가 지난 27일 연구실에서 인터뷰를 진행했다. 이번 연구를 통해 안정성 높은 새로운 페로브스카이트(Perovskite) LED/필터 공정기술이 탄생했다. 최근 페로브스카이트가 차세대 LED 산업군에서 주목받고 있다. 다른 무기 나노입자 보다 선명한 색을 구현할 수 있기 때문이다. LED는 적색, 청색, 녹색의 다이오드를 혼합해 다양한 색상의 빛을 표현한다. 화면에 이미지를 표현하려면 서로 다른 다이오드를 정확하게 위치시키는 것이 중요한데, 이를 패터닝(patterning)이라 부른다. 기존 LED 공정에서는 얇은 기판 위에 회로를 그려 자외선을 이용해 패턴을 깎아내는 리소그래피(Lithography) 기법을 이용했다. 하지만 페로브스카이트는 수분에 매우 취약해 대기 중 산소와 습기에 불안정했다. 페로브스카이트에 적합한 새로운 공정기술이 필요했다. 강 교수는 '크기 배제효과 가공기술(Size-Exclusion Lithography)’을 이용한 페로브스카이트 복합소재 필름을 만들어냈다. 고분자 내에 페로브스카이트 나노입자를 넣어 자외선을 쬐면 나노입자의 크기 변화로 패터닝이 일어나는 기술이다. 즉, 얇은 기판 위에 코팅돼 있던 고분자는 자외선에 노출되면 체인 형태로 꼬이면서 크기가 작아지고 나노입자는 커지면서 한쪽으로 이동하게 된다. 그 과정에서 페로브스카이트 나노입자가 고유의 색을 발산하며 자체적인 패터닝이 일어나는 것이다. ▲ 강영종 교수가 개발한 '크기 배제효과 가공기술(Size- Exclusion Lithography)'을 이용한 페로브스카이트 복합소재 필름의 원리. 나노입자의 크기 변화로 페로브스카이트의 패터닝이 일어나는 기술이다.(강영종 교수 제공) 페로브스카이트는 기존 식각과정 대신 나노입자들의 자체적인 이동을 통해 수분에 강해졌다. 대기 중에 한두 시간 노출되면 사라지던 빛이, 끓는 물에 하루 정도 넣어도 그대로 유지됐다. 또한 자외선 조성을 약간만 조절하면 색상변화가 쉽게 가능해 기판에 마이크로 크기의 다양한 문양을 나타낼 수 있다. 강 교수가 연구를 시작한 지 2년 만에 높은 안정성을 갖춘 새로운 페로브스카이트 LED/필터 공정기술이 탄생했다. “이번 연구로 페로브스카이트 LED/필터 상용화에 한 발짝 다가간 거라 생각해요.” 강 교수는 앞으로 페로브스카이트와 디스플레이를 연결하는 실질적인 연구에 앞장설 계획이다. “연구는 실패가 뻔히 보이는 길일지라도 도전하고 그것을 즐기는 과정이라 생각해요. 한양대학교 학생들도 졸업 전에 연구를 통해 그런 경험을 얻어갔으면 합니다.” 강 교수는 고분자에 대한 주된 연구뿐만 아니라 다양한 분야에 열정을 가지며 스스로 국한되는 것을 경계한다. “학생들과 소통하면서 다각도에서 연구를 바라보는데 즐거움을 느낍니다. 덕분에 새로운 분야에 계속 도전하고 있죠. 앞으로 사회에 기여할 수 있는 실용적인 연구에 더 관심을 가지려 해요.” 강 교수가 보여주는 열정은 앞으로 그의 연구가 기다려지는 이유다. ▲ 강영종 교수는 여러 취미 생활을 통해 연구를 계속할 활력을 얻고 있다. 힘든 연구의 연속이지만 결과를 얻었을 때 희열을 느낀다는 강 교수의 다음 연구를 기대해본다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-07 31

[학술][이달의 연구자] 송석호 교수(물리학과)

광학은 빛에 관련된 현상을 다루는 물리학의 한 분야다. 렌즈, 현미경, 레이저, 광섬유 등 현시대 기술발전에 중심적 역할을 하고 있다. 학자들은 더 나아가 빛의 속도를 활용하고자 했다. 빛을 나노 단위로 집속시켜 전송하고, 계산이 가능하게끔 하는 것이 ‘나노 광학’이다. 하지만 나노 단위로 빛을 국소화하니 전송과정에서 큰 에너지 손실이 생겼다. 나노 광학의 발전을 위해선 반드시 극복해야 할 물리적 한계였다. 최근 송석호 교수(물리학과)가 그것에 대한 해결책을 제시하며 세계의 이목을 사로잡았다. 나노 광학의 기반을 마련하다 나노 광학 분야는 나노과학 기술에 기반을 두고 있다. 빛과 물질 간의 상호작용을 국소적으로 제어하기 위해 물질의 굴절률 분포를 수십 나노미터 크기로 형성할 수 있는 기술이다. 그러나 빛을 파장 이하로 국소화 시키게 되면 물질의 흡수특성에 의해 에너지 손실이 급격하게 증가하는 물리적 한계를 보인다. 이는 지난 20여 년 간의 나노기술과 광 과학 간의 융합연구가 실용화로 가지 못했던 주요 원인이었다. 송석호 교수의 연구 주제가 가히 혁신적인 이유다. ▲ 송석호 교수(물리학과)와 지난 26일 자연과학대에 위치한 연구실에서 인터뷰를 진행했다. 송 교수는 나노 광학에 열린-양자역학(Open quantum mechanics)이론을 도입, 물질이 가지는 물리적 한계를 극복하고자 했다. 송 교수는 빛을 나노미터 크기로 국소화 할 때 발생하는 손실문제를 해결하기 위해 열린-양자역학(Open quantum mechanics) 이론을 가져왔다. 기존 광도파로(빛 에너지가 이동하는 경로)에 빛을 전송할 경우 양방향으로 빛에너지가 같이 전달되는 공간적 및 시간적 대칭성을 갖는다. 하지만 열린-양자역학 이론을 적용시키면 광도파로에 에너지 손실이 발생하는 경우, 이러한 PT 대칭성이 붕괴되고 단방향 변환(Unidirectional converter) 에너지 전달이 가능해진다. 송 교수는 이러한 반-PT 대칭성(anti-PT symmetry) 원리 및 단방향 변환 에너지 전달이 광파 영역에서 가능함을 처음으로 밝혀냈다. 순방향으로 빛 전파(Forward propagation)가 일어나면서 역방향 빛 전파(Backward propagation)는 투과되지 않고 분산된다. 이는 빛에너지를 손실을 줄여 한쪽 방향으로 흐르게 하는 회로를 구성한 것으로, 쉽게 말해 나노 크기의 광-다이오드가 탄생한 것이다. ▲ 송석호 교수와 연구팀이 제안한 광도파로형 다이오드 구현방법. PT 대칭성을 갖는 광도파로 구조도(왼쪽)에 붕괴가 일어나게 유도하여 순방향으로만 빛 전파(Forward propagation)가 일어난다(오른쪽). (송석호 교수 제공) 송 교수와 연구팀은 반-PT 대칭 구조를 갖는 광학적 구현방법을 증명하기 위해 전기적 공명회로를 만들어 실험을 진행했다. 결과는 성공적이었다. 전기회로상에서도 에너지 손실을 줄여 단일방향으로 에너지가 흐르게 했다. 이는 지난 6월 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 논문으로 게재되어, 열린-양자역학 개념을 도입해 기존 나노광학의 한계를 돌파할 수 있는 발판을 마련했다는 평을 받았다. 미지의 학술 영역을 개척하는 연구 정신 이번 네이처 논문 검증실험은 학부실험 수업에서 볼 수 있는 간단한 전기회로로 만들어졌다. 이는 송 교수의 연구철학과 맞닿아 있다. “학부생도 수업시간을 통해 이해할 수 있는 간단한 이론으로 새로운 개념을 도출해내고자 했죠. 복잡한 것을 간단하게 풀어내는 것이 물리학자가 하는 일이라고 생각합니다.” 누구나 기술접근에 어려움이 없어야 한다고 말한다. 그만큼 송 교수의 검증실험은 간단하고 빠르게 진행된다. 연구에 들이는 시간이 남들과 다르기 때문이다. “연구 콘셉트를 최대한 간단명료하게 만들기 위해 더 많은 시간을 들이죠. 검증에 시간이 오래 걸리면 콘셉트가 문제라고 생각해요.” 검증에 걸리는 시간을 줄이고 더 혁신적인 연구 방법을 찾아내는 것에 집중하는 송 교수다. 이번 연구도 아이디어 도출에만 4~5년이 걸렸다. 긴 시간의 노력 끝에 전기회로 검증실험은 한두 달으로 마무리됐다. 송 교수는 이번 연구로 막혀있던 광학 분야에 새로운 가능성을 열어 기쁘다고 말한다. 앞으로 더 넓고 다양한 광학 분야에 새로운 연구 방향을 잡고자 한다. “나노 광학은 아주 무궁무진한 분야입니다. 새로운 접근방법으로 계속해서 개척해 나가고 싶습니다.” ▲ 연구원들에게 실험 시 명시해야 할 점에 관해 설명하는 송석호 교수의 모습. 기존 물리적 한계를 극복하려는 시도와 함께, 미지의 학술 영역을 개척하고자 노력하는 그의 연구가 기대된다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 최민주 기자 lovelymin32@hanyang.ac.kr

2018-06 19

[학술][우수R&D] 송태섭 교수 (에너지공학과)

식재재를 포장할 때 진공포장 기술을 많이 사용한다. 대기 중 산소의 수분과 식자재가 반응해 음식이 상하거나 신선도가 떨어지기 때문이다. 전자재료도 마찬가지. 산소와 수분의 접근을 차단하기 위한 배리어 필름은 디스플레이, 태양전지 등의 전자재료 분야에서 필수 기술이다. 특히 디스플레이 산업에 사용되는 배리어 필름은 더욱 높은 기술을 요구한다. 이에 송태섭 교수(에너지공학과)와 연구팀은 새로운 배리어 필름 기술 개발에 박차를 가하는 중이다. 배리어 필름(barrier firm), 기체와 수분을 차단하는 보호막 필름 기체 및 수분의 투과를 차단(barrier)하기 위한 배리어 필름 개발 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 대표적인 예로 식품 포장용, 진공단열재의 용도로 많이 사용되어 왔다. 디스플레이의 경우 그 소재로 유리기판을 사용하였지만, 경량화가 어렵고 유연성을 부여하기가 어렵다는 단점이 있다. 최근에는 플라스틱 기판이 사용되고 있는데, 플라스틱 기판은 상대적으로 기체 및 수분 투과가 취약하여 디스플레이의 화면 품질에 적합하지 않았다. 이에 송태섭 교수(에너지공학과)는 플라스틱 기판에 기체 및 수분투과 방지막을 도포할 수 있는 ‘유무기 복합소재 코팅액’을 개발해 해결책을 제시했다. ▲ 송태섭 교수(에너지공학과)가 지난 14일 자신의 연구실에서 배리어 필름 연구에 대해 말하고 있다. 최근 양자점 TV의 상용화 및 태양전지, OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기발광 다이오드, 형광성 유기화합물에 전류가 흐를 때, 빛을 내는 자체 발광현상을 이용하여 만든 디스플레이) 제품 개발이 가속화되면서, 식품 포장용보다 훨씬 높은 기체 차단성을 요구하는 배리어필름이 요구되고 있다. 이는 기존 식품 포장용 필름을 제조할 때 사용되고 있는 기술로는 구현이 불가능하다. 차세대 제품의 수요에 맞춰 송 교수는 유기물질과 무기물질을 배합한 고정밀 코팅액 제조 기술 연구에 박차를 가하고 있다. ▲ 실제 식품 포장용으로 사용되기 위해서는 수증기 투과율(WVTR)이 102~10-1 g/m2 · day 수준의 차단능력으로 충분했지만, 양자점 TV(Quantum Dots TV)에 적용되기 위해서는 10-4~10-2 g/m2· day 수준의 높은 수분 차단성과 동시에 대면적화, 높은 가시광 투과율이 요구된다. (송태섭 교수 제공) 코팅액 제조 기술은 응집력이 있는 무기 입자를 유기용매에 골고루 분산시키고, 최종적으로 기판 위에 고르게 도포하는 것이 중요하다. 우리가 일부 자외선차단제 제품을 이용할 때, 흔들어 사용하는 이유는 입자가 용매에 골고루 분산되어 있지 못하기 때문이다. 송 교수는 코팅액의 분산성을 향상시키고, 기판 위에 코팅액을 균일하게 도포하는 공정에 초점을 맞췄다. 송 교수가 개발하고 있는 유무기 복합 코팅액을 이용한 배리어필름은 경제성과 대면적화에서 모두 장점을 가진다. 상대적으로 높은 수준의 기체 및 수분 차단성을 가질 뿐만 아니라, 더 저렴한 가격에 대면적 디스플레이 제조공정에도 적용할 수 있다. 현재는 양자점 TV 디스플레이용 보호막으로 배리어 필름이 적용되고 있지만, 앞으로의 차세대 제품군에 있어 플렉시블 디스플레이(flexible display), 태양전지, OLED 등에도 투입될 수 있도록 지속적인 연구개발을 진행할 예정이다. 수많은 시행착오에도 굴하지 않고 송 교수의 주전공은 무기재료 기반의 차세대 이차전지 분야이다. 디스플레이라는 새로운 응용 분야에 대한 생소함이 있었기에 연구에 대한 부담감은 컸다. “공대에서는 다양한 기술 간의 융∙복합이 빈번하게 일어납니다. 우리가 가지고 있던 소재 및 공정기술에 다른 분야의 기술을 접목해, 응용 분야를 확장해 나가는 것이죠.” 이번 배리어필름 연구는 기존의 연구와 핵심기술은 유사하게 하되, 적용 분야를 확장한 사례로 볼 수 있다. 기술의 융∙복합 이외에도 배리어 필름에 대한 연구에는 많은 어려움이 존재했다. “종래에 없던 기술을 새로 개발하는 것이 아니기 때문에, 기존 선행연구의 특허를 피해 제품 개발 전략의 차별성을 부여하는 것이 가장 어려웠죠.” 송 교수가 연구 초반에 부딪혔던 큰 어려움은 국내 및 국외 특허를 피해 기존 기술과의 차이점을 두는 것이었다. 하지만 국내 산업의 기반이 좀 더 탄탄해지고, 경쟁력 있는 고품질의 디스플레이 제품을 개발하기 위해서는 더욱 저렴하고 고성능의 배리어필름 개발이 필수적으로 수반되어야 한다. 그렇기에 그는 무수히 많은 시행착오를 겪으며 더 나은 기술을 위해 매진하고 있다. “학생 여러분들도 넓은 시야를 가지고, 자신의 전공에만 국한하지 않는 학제적인 인재가 되었으면 좋겠어요. 그 재능을 국가와 우리 사회에 환원하고 보탬이 될 수 있는 인재로 성장하길 바라요.” 송 교수가 한양대 재학생들에게 전하고 싶은 메시지다. ▲ 송태섭 교수와 배리어 필름연구를 함께 진행하고 있는 연구팀원들이 실험실에서 포즈를 취하고 있다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-04 03

[학술][이달의 연구자] 서영웅 교수(화학공학과)

지난 평창올림픽에서 현대자동차가 선보인 수소 전기차 ‘넥쏘(NEXO)’. 이를 통해 한국은 수소자동차 상용화의 신호탄을 알렸다. 전문가들은 2020년부터 수소자동차사업의 본격적인 양산과 수소 연료 충전소 활성화로 수소자동차가 점차 대중화될 것이라 예상한다. 서영웅 교수(화학공학과)는 이러한 수소자동차 상용화를 앞당길 신기술을 개발했다. 수소자동차의 연료전지에 수소를 더 빠르게 집어넣고 빼내는 촉매기술이다. 차세대 수소자동차 상용화에 중요한 기술을 개발하다 수소는 우주 질량의 약 75%를 차지하고 있는 원소다. 물을 전기분해 했을 때도 얻을 수 있으며 화석에너지와 달리 탄소가 쓰이지 않아 탄소화합물 등의 환경오염물질이 발생하지 않는다. 이 탓에 우리나라처럼 자원이 부족한 나라는 일찍부터 기술 개발에 돌입한 편이다. 수소연료로 가동되는 ‘수소연료전지자동차(HFCV: Hydrogen Fuel Cell Vehicle or FCV: Fuel Cell Vehicle)’는 국내에서 세계 최초로 양산 생산을 시작했다. 수소와 산소의 화학 반응과정에서 전기를 얻는 수소자동차는 주행 시 환경오염물 대신 물이 수증기 상태로 나온다. 하지만 수소자동차가 상용화되기 위해서는 인프라구축과 안전성 등 문제점이 남아있다. 기존에 에너지로 쓸 수소를 수송할 때는 700기압 이상의 초고압의 기체형태로 수송한다. 수심 40미터 근방에서 수압이 4~5기압 정도인걸 감안했을 때, 초고압 압축 기술은 폭발위험이 크다. 근본적으로 부피도 그리 줄어들지 않아 대용량 수송에 적합하지 않다. 하지만 서영웅 교수 연구팀이 수소를 대용량으로 가장 안전하게 수송할 수 있는 기술을 선보였다. 이 신기술로 수소자동차 상용화를 앞당길 수 있다는 평을 받았다. 빠르게 수소를 빼내는 촉매기술이 핵심 서 교수와 국내 연구진은 ‘액상 유기물 수소 저장체(이하 LOHC)’를 저렴하게 제조하는 기술을 최초 개발했다. LOHC는 액체상태의 화학물질로, 수소를 안전하게 저장 운반할 수 있게 도운다. 수소와 결합해 액상상태를 유지하다 특정 조건에서 다시 수소와 떨어지는 특성을 가지고 있다. 연구팀은 분자 자체에 수소를 저장할 수 있는 톨루엔(Toluene)과 피리딘(Pyridine)을 결합한 LOHC를 만들어 ‘MBP’라 명했다. MBP를 이용해 액체로 변형시킨 수소는 기체상태 때보다 더 많이 운송할 수 있다. 또한 액상 물질이기 때문에 폭발위험이 없어 안정성을 대폭 높였다. ▲ 연구팀이 개발한 새로운 화학물질 'MBP(왼쪽)'와 수소를 머금고 있는 MBP(오른쪽). 서영웅 교수(화학공학과)와 우리 대학 연구팀은 필요할 때 수소를 빼내고 집어넣을 수 있는 핵심기술을 개발했다. (출처: 서영웅 교수) 이 기술의 핵심은 수소가 포함된 액상물질을 연료로 사용 가능한 수소 형태로 빠르게 되돌릴 수 있다는 점이다. 촉매 작업을 통해 가능한 일이다. 이렇게 수소를 집어넣고 빼내는 핵심기술을 서 교수와 우리 대학 화학공학과 연구팀이 맡았다. “안전하게 수송한 액체상태의 화학물질을 수소자동차에 필요한 수소로 빠르게 빼내고 넣을 수 있게 된 거죠.” 서 교수는 촉매를 이용한 수소 이동의 효율적인 방법을 개발했다는 것에 자부심을 느낀다. 기존 기술보다 시간이 줄었을 뿐만 아니라 비용도 저렴하다. 세계적으로도 LOHC 기술은 손에 꼽을 정도의 적은 수의 연구팀이 보유한 기술이다. 타 LOHC기술은 섭씨 270도 이상의 열을 가해야 수소를 분리할 수 있다. 하지만 MBP는 이보다 낮은 섭씨 230도에서도 가능해 같은 조건에서 훨씬 더 효율적이다. 이는 LOHC기술의 새로운 연구 지표를 열었다. ▲ 국제학술지 ‘켐서스켐’ 4월호 표지에 서영웅 교수의 논문이 선정됐다. 평가위원이 선정하는 가장 중요 논문인 'VIP'(Very Important Paper)로도 선정됐다. (출처: 한국화학연구원) 교수이자 열정적인 연구자 서 교수와 연구팀은 기존에 없던 완전히 새로운 물질을 개발했다. 그렇기에 모든 사례연구와 실험결과를 직접 축적해야 했다. 액상 물질이 바닥에 닿았을 때 발생하는 손상부터 인간이 흡입했을 경우의 위험성까지 모든 시험을 거쳤다. “수소를 값싸고 안전하게 운반할 수 있는 기술에 힘써야겠다고 생각했죠.” 끊임없는 노력 끝에 나온 신기술은 LOHC 관련 기술 중 전 세계에서 3번째로 상용화 가능성이 있다는 평을 받았다. 서 교수의 교수 철학이자 연구철학은 더 많은 연구인력을 사회로 배출하는 것이다. 교수로서 학부생들이 탄탄한 기초지식을 가진 인재로 성장하길 바란다고 전했다. "학생들이 남들이 가는 길을 무작정 따라가지 않았으면 좋겠어요. 나만의 길을 찾는 것이 대학 생활을 즐기는 방법이라고 생각합니다." 서 교수는 현재 미래 에너지 및 청정 환경을 위한 촉매 기술 연구를 계속해서 진행 중이다. 앞으로 그의 연구실에서 더 많은 미래 기술이 나오길 기대한다. ▲ "신기술 상용화를 위해 더욱 힘쓸 것" 지난 3월 29일 연구실에서 만난 서영웅 교수의 말이다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr