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2020-05 31

[학술][이달의 연구자] 박재우 교수, 광촉매 전하수송층 개발해 광촉매 효율 높이다

촉매는 화학 반응 속도를 높여주는 물질을 말한다. 화학반응의 수율(반응물 대비 생성물의 수)을 높이기 위해 사용된다. 그 중 광촉매는 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질로 유해물질을 물과 탄산가스로 변환시켜 무독, 무취의 물질로 분해하는 역할을 한다. 광촉매는 별도의 에너지나 물질 없이 빛을 이용해 유, 무기 화학물질을 분해할 수 있어 효과적인 기술이다. ▲ 박재우 건설환경공학과 교수는 환경 전반에 걸쳐 오염물질을 제어 및 정화하는 다양한 연구를 수행하고 있다. 광촉매 반응은 전자와 정공(전자의 구멍)에 의한 산화 환원 반응을 기본으로 하기에 산화 환원 반응이 관여하는 모든 분야에 적용할 수 있다. 현재 광촉매는 수질 정화, 탈취, 항균 등 환경 분야와 물 분해를 이용한 수소 에너지원 생산에 활용되고 있다. 광촉매 반응은 형성된 전자와 정공이 불안정한 상태이기에 다시 원상태로 돌아가려는 전자-정공 재결합 현상(재결합)이 발생한다. 재결합은 광촉매 반응 활성을 낮추는 주요 원인 중 하나다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 광촉매 개선 연구들이 재결합 억제에 초점을 맞추고 있다. 박재우 건설환경공학과 교수 연구팀은 기존 방법과 다른 전하 전달체 수송 층(Charge carrier transfer layer, CTL)을 이용해 전자를 정공으로부터 분리하는 방법을 개발했다. (Applied Cataltsis B: Environmental, 265, 15 May 2020, 118564) 재결합을 막기 위한 기존 연구는 전자와 정공을 완전히 분리하는 것이 아닌 재결합 경로를 연장해 속도를 늦추는 방법이었다. 이는 수명을 늘릴 수는 있어도 재결합을 근본적으로 막지는 못했다. ▲CTL을 이용한 광촉매의 구조, 광촉매(황색층)에서 발생한 전자는 CTL(녹색층)을 거쳐 전하수집체(청색층)에 축적된다.(Elsevier 제공) CTL을 활용한 광촉매는 크게 3가지 구조로 나뉜다. 빛을 받아 전자-정공 쌍을 형성하는 광촉매, 전자를 선택적으로 이동시키는 CTL, 이동한 전자를 축적하고, 저장하는 전자 수집체다. 여기서 핵심이 되는 CTL은 전자를 수송하면서 정공의 통과는 억제한다. 이로 인해 전자는 광촉매에서 전자 수집체로 이동하며 재결합이 억제된다. 전자는 전자수집체에 정공은 광촉매 표면에 축적된다. 기존 연구와 달리 박 교수 연구팀의 방법은 기존 재결합을 늦추는 것에 그치지 않고 전자 분리 후 역이동을 차단해 재결합을 방지하기에 높은 촉매 반응 활성을 유지할 수 있다. ▲박재우 교수의 연구팀 모습. 박 교수(앞줄 왼쪽에서 세번째)는 "이번 이달의 연구자로 선정된 것은 연구팀의 노력 덕분이다"고 말했다. 박 교수팀의 결과로 촉매 시스템에 CTL이 포함되면 수소의 생성 및 오염물질 분해 가능성이 높아질 수 있음이 밝혀졌다. 박 교수는 “CTL을 이용한 촉매는 가시광선 조사하에서 기존 촉매보다 78% 높은 수소 수율을 보였다”며 “CTL을 이용한 촉매는 환경 분야와 에너지 분야에서 광범위하게 적용할 수 있다”고 말했다. 박 교수는 이달의 연구자로 선정된 것에 “여러 훌륭한 교수님들도 많으신 데 이달의 연구자로 선정돼도 되는지 모르겠다”며 “함께 연구하는 대학원생들의 수많은 고민과 노력이 없었다면 이번 연구 결과도 없을 것”이라고 겸손한 자세를 보였다. 덧붙여 박 교수는 “이번 논문은 파키스탄 국비유학생으로 박사졸업을 앞둔 하산 안와르(Anwer, 건설환경공학과 박사과정) 학생이 주 연구자로서 노력한 결과이며, 하산 학생의 노력에 큰 박수를 보내고 싶다” 고 학생에게 공을 돌리며 소감을 밝혔다. 글/박지웅 기자 jiwoong1377@hanyang.ac.kr

2019-04 14

[학술][우수R&D] 박완준 교수, BK21 PLUS 사업에 선정 

정부의 까다로운 선발 과정을 거쳐 박완준 융합전자공학부 교수가 이끄는 ‘융합IT 기반 미래가치 창조 인재양성 사업단’이 BK21 PLUS 사업에 선정됐다. 이 사업단의 목표는 최우수 대학원 및 대학원생을 키우는 것이다. 21세기를 맞아 정부가 시작한 BK21 PLUS 사업은 이름대로 Brain Korea를 위한 대학원 내 창조 경제를 실현할 석박사급 창의적 인재를 양성하는 것을 목표로 한다. 올해로 7년째 접어드는 BK21 PLUS 사업은 한양대학교 서울캠퍼스와 ERICA캠퍼스 내 총 25개의 학과에 매년 100억 원이 넘는 사업비를 지원하고, 그와 함께 박완준 융합전자공학부 교수의 사업은 꾸준히 성장하고 있다. BK21 PLUS 사업은 고등 인력을 양성하기 위해 시작했다. 사업의 유형은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫 번째 ‘글로벌 인재 양성형’은 첨단융합 분야를 중심으로 대학원 국제협력 강화 등을 통해 글로벌 수준의 인재를 양성한다. 두 번째 ‘특화 전문인재 양성형’은 고급 실무형 전문인력을 양성한다. 마지막은 ‘미래기반 창의 인재 양성형’은 학문 분야별 창의적 미래 핵심인재를 양성한다. 박완준 교수의 ‘융합IT 기반 미래가치 창조 인재양성 사업단’은 미래기반 창의 인재 양성형에 속한다. 교육부는 지난 2013년 과학기술 분야에서 한양대, 서울대, KAIST, POSTECH, 고려대, 경희대, 성균관대, 연세대 등에서 총 9개 사업단을 선정했다. 이 중 박완준 융합전자공학부 교수가 이끄는 사업단은 지난 2015년 중간평가 결과가 최상위권이다. 박 교수는 ‘BK21 PLUS 사업’ 이전에 6년간 진행됐던 ‘BK21 사업’에서 ‘수요 지향적 정보기술 전문인력양성 사업단’은 정보기술 분야 12개 사업단 중 1위로 과제를 마무리했다. ▲ 박완준 융합전자공학부 교수는 "BK21 PLUS 사업 이전 지난 6년간 진행한 ‘수요 지향적 정보기술 전문인력양성 사업단’이 교수 1인당 개발기술 기업 이전 금액, 논문, 정부연구비 수주, 특허, 기업연구비 수주 등 총 다섯가지 부분에서 최상위권을 유지했다"고 말했다. 정부는 사업단의 특성과 전략에 맞게 적정 규모의 예산을 배정한다. 그렇기 때문에 대학원 전반의 우수한 실적이 절대적이다. 융합IT 기반 미래가치 창조 인재양성 사업단은 지난 2016년부터 2년간 경쟁대학과의 성과 점검 점수에서 4위를 차지했다. 2013년부터 2016년까지의 평가에선 ‘교수 1인당 특허등록’과 ‘교수 1인당 기업 연구비’ 항목에서 최상위권을 유지했다. 사업단은 ‘최고의 인재를 길러내는 최고의 교수진’이라는 이름 아래 '17:1'의 학부생 대비 교원 수와 35개 연구실을 운영하며 학생들의 연구에 지원을 아끼지 않았다. 융합IT 기반 미래가치 창조 인재양성 사업단이 중점적으로 연구한 분야는 ‘그린/퓨전 IT 디지털 컨버전스’다. 융합전자공학부는 지향적인 교과 과정 운영을 목표로 이를 교육과정에 포함했다. 박 교수는 “전자, 통신, 컴퓨터 공학 이론과 기술을 바탕으로 융합 분야 수요에 따라 교과 과정을 실용적으로 운영하고 있고, 해외 선진 대학의 교과 과정과 비교 평가해 현장이 요구하는 첨단 기술 트렌드를 접목했다”고 했다. ▲ 융합IT 기반 미래가치 창조 인재양성 사업단에 속한 대학원생들의 연구 및 학회 활동이 그린/퓨전 IT 디지털 컨버전스를 바탕으로 진행되고 있다. (한양대학교 융합전자공학부 제공) 박완준 융합전자공학부 교수의 사업은 내년 6월에 끝난다. 융합IT 기반 미래가치 창조 인재양성 사업단은 BK21 후속 사업에 선정되기 위해 바쁘게 움직이고 있다. 정부 사업은 대학원생의 성공적인 사회적 진출을 목표로 한다. 박 교수는 “우리의 목표는 오직 대학원생의 성장을 위함이며, 인재를 양성하기 위해 앞으로도 지원을 아끼지 않을 것”이라며 포부를 밝혔다. 글/ 정민주 기자 audentia1003@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2015-12 07

[학술][이달의 연구자] 그래핀, 강하고 오래가는 배터리 개발의 열쇠!

대학생의 상징인 노트북, 현대인의 필수품 스마트폰에는 리튬이온 배터리가 공통적으로 사용된다. 미래 세대의 이동 수단인 전기 자동차를 이끌어 갈 주역 역시 리튬이온 배터리다. 그러나 전기 자동차에 적용할 수 있을 정도의 대용량 리튬이온 배터리는 여전히 연구 단계에 머물러 있다. 강하고 오래가는 배터리 연구를 위해 박원일 교수(공과대학 신소재공학부)가 앞장섰다. 배터리, 왜 이렇게 빨리 닳죠? ▲ 박원일 교수는 "리튬 이온 배터리를 사용한 노트북과 휴대전 화는 배터리를 구성하는 실리콘의 손상으로 인해 수명이 짧아 지는 문제를 안고 있다"고 설명했다. 현대 사회에서 흔히 사용되는 여러 전자기기와 휴대기기에는 리튬이온 배터리가 사용되고 있다. 리튬이온 배터리는 2차 전지이다. 한번 사용하면 다시 충전하지 못하던 1차 전지와 달리, 다시 충전해서 사용할 수 있는 배터리를 2차 전지라 부른다. 이러한 2차 전지의 일종인 리튬이온 배터리는 양극와 음극 사이에 전해질이 위치하고, 리튬이온이 이 전해질을 따라 양극과 음극을 이동하면서 충전과 방전이 이뤄지는 방식으로 구성된다. 음극에 위치하던 리튬이온이 양극으로 이동하면 충전이, 반대의 경우에는 방전이 이뤄진다. 리튬이온 배터리는 작은 크기와 가벼운 무게에 비해 고용량의 전지를 발생시키기 때문에, 휴대기기에 많이 이용되고 있다. 방전 시 리튬은 음극에 위치해있기 때문에 음극 재료들은 리튬을 내보내는 역할을 수행한다. 기존에 사용되는 일반적인 음극의 구성 재료는 흑연이었다. 흑연의 틈으로 전해질을 타고 온 리튬이 이동하는 것이다. 그러나 최근에는 음극재료를 흑연에서 실리콘으로 교체하려는 연구가 꾸준히 이어져 왔다. 실리콘을 사용하면 흑연에 비해 에너지 밀도를 높여, 배터리 용량을 키울 수 있기 때문이다. 실리콘 음극 재료를 사용한 배터리는 충전과 방전을 계속할수록 급격하게 배터리 수명이 저하되는 큰 문제를 안고 있다. 리튬이 이동할 때 실리콘이 300배 이상 팽창하면서, 기기들이 쉽게 망가지기 때문이다. 박 교수는 "우리가 사용하는 스마트폰과 노트북의 배터리가 사용할수록 빠르게 닳는 것도 이러한 문제 때문"이라는 명쾌한 설명을 더했다. 박 교수는 이러한 문제점을 해결하려는 시도로 이번 연구를 시작했다. 높은 에너지로, 오래가는 배터리! 박 교수의 연구팀이 예측한 방법은 바로 음극 재료인 실리콘 표면에 그래핀 한 면을 성장시키는 방법이었다. 그래핀은 기존에 사용하던 흑연의 한 면을 의미한다. 즉, 흑연의 구성 원소인 탄소가 음극 재료인 실리콘의 표면에서 직접 막을 형성하도록 한 것이다. 예측은 적중했다. 리튬이 이동하면서 일어나는 화학반응과 실리콘의 팽창이 흑연의 그래핀 한 층으로 해소됐다. 탄소 결합의 일종인 그래핀은 벌집 모양으로 구성되어 있어 그 구조가 무척 안정적이기 때문에, 오늘날 연구에서 매우 각광받는 신소재로 손꼽힌다. 물리적 강도와 전도도가 높은 그래핀 덕분에, 실리콘의 부피가 팽창하면서 야기하던 구조 붕괴가 현저하게 줄어든 것이다. 그래핀은 실리콘의 팽창을 견딜만한 힘을 보유하고 있기 때문이다. 박 교수는 "실리콘의 높은 에너지 밀도와, 흑연의 물리적 강도를 결합시킨 연구"라고 정리했다. 이 기술이 상용화된다면 충전기와 콘센트를 벗어나지 못하던 현대인들이, 긴 시간 동안 배터리 방전 걱정 없이 휴대전화와 노트북을 사용할 수 있게 될 것이다. ▲ 박원일 교수 연구팀은 음극 재료의 손상을 최소화하기 위해, 실리콘의 표면에 흑연의 한 면인 그래핀을 성장시키는 방법을 사용했다. 또한 박 교수 연구팀은 음극 재료 표면과 그래핀의 결합을 위해 '반데르발스 힘(van der waals force)'을 이용한 결합 방식을 이용했다. 반데르발스 힘이란 두 분자 사이에 작용하는 인력을 의미한다. 분자 한 쪽이 팽창해도, 다른 한 쪽이 크게 영향을 받지 않는 결합방식이기 때문에 음극재료와 그래핀 사이에서 큰 손상을 받지 않아 구조적 안정성을 갖게 되는 셈이다. 박 교수의 연구는 말 그대로, 강하고 오래가는 배터리가 멀지 않았음을 시사한다. 미래 최첨단 기술의 집약체로 손꼽히는 '전기자동차' 역시 리튬이온 배터리가 핵심적 역할을 할 것으로 기대되고 있다. "그러나 문제는 자동차에 쓰일 만큼 크기가 작고 가벼우며, 용량은 크고, 알맞은 가격 대의 리튬이온 배터리는 아직 개발단계에 놓여있다는 점입니다." 박 교수는 "리튬이온 배터리에 대한 연구가 계속된다면, 휴대용 기기를 넘어 전기 자동차에 상용화 되는 날도 머지 않을 것"이라고 말했다. 작은 재료들이 세상을 바꾸다 연구에는 1년 정도의 시간이 소요됐다. 박 교수는 "배터리라는 것이, 사용하면서 언제 문제가 발생할 지 예측하기 어려운 기기이므로 지속적인 관찰을 위해 긴 연구가 필요했다"고 말했다. 배터리 전체 수명을 연구해야 하므로, 배터리의 충전과 방전을 지속적으로 관찰해야 하고 반복적으로 실험해야 했기 때문이다. 박 교수는 신소재, 특히 그 중에서도 나노 분야와 광 소재에 많은 관심을 갖고 있다. "더 열심히 연구해야 하겠지만, 작은 재료들이 모여 첨단 기기가 되고, 결국 세상을 바꾸는 것이 신소재의 매력이 아닐까 싶습니다." 끝으로 박 교수는 연구에 힘쓰며 과학의 발전을 위해 노력하고 있는 수많은 한양인들에게 조언을 건넸다. "과학을 공식 암기의 과목이라 생각하지 말고, 주변에서 발견하는 현상들을 이해하는 과정이라고 생각하면 좋겠습니다. 또한 원하는 목표까지 도달하지 못하더라고, 미리 포기하고 아무것도 시도해 보지 않는 것보다는 훨씬 더 성숙된 자신을 발견할 수 있지 않을까요? ▲ 끝으로 박원일 교수는"흔히 신소재라 불리는 작은 재료들이 모여 첨단 기기가 되고, 결국 세상을 바꾸는 것이 이 분야의 매력"이라는 말을 덧붙였다. 김예랑 기자 ys2847@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/이명지 기자 jk6180@hanyang.ac.kr

2014-04 30

[학술][이달의연구자] 그래핀 상용화 눈 앞으로

그래핀 합성물에서 환경친화적 나노입자 크기 조절 및 합성 기술 제안 본 기획은 2014년부터 시작하는 산학협력단의 ‘이달의 연구자’ 선정과 함께 합니다. 산학협력단은 매주 금주의 우수논문을 선정해 이 중 매달 ‘이달의 연구자’를 선발하며, 기획은 한 달에 한 번 진행됩니다. 본 기사는 인터넷한양과 산학협력단 뉴스레터에서도 만날 수 있습니다. 영국의 일간지 <가디언>은 지난 2011년 그 해의 과학계 10대 이슈를 발표했다. 힉스 입자, 중성미자 등과 함께 이 리스트에 이름을 올린 새로운 물질이 있다. 0.2 나노미터 두께의 신소재 ‘그래핀(Graphene)’이다. 과학계에서 다양한 활용가능성이 제기되는 가운데, 허관산 교수(공과대·기계)가 그래핀 합성물에서 나노 입자의 크기를 조절하는 새로운 방법을 제안했다. 기존의 연구가 지닌 한계를 극복한 것은 물론, 그래핀 합성물에 대한 후속 연구에 새로운 시사점을 제시한다. 나노 입자의 크기, 그래핀 가능성의 열쇠 연필심에 사용되는 흑연은 탄소들이 벌집 모양으로 얽혀있는 얇은 막이 층층이 쌓인 구조다. 이 흑연의 한 층을 ‘그래핀’이라고 한다. 흑연에서 그래핀을 최초로 분리한 영국의 연구팀은 지난 2010년 노벨 물리학상을 받았다. 이처럼 그래핀은 발견 당시부터 세계의 주목을 받았다. 뛰어난 물리적, 화학적 안정성과 가능성 때문. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다 100배 이상 전자 이동성이 빠르다. 강도는 강철의 200배로 다이아몬드와 유사하다. 덕분에 그래핀은 현대 사회에서 ‘꿈의 물질’로 불린다. 허 교수는 “그래핀은 현대 사회에서 매우 중요한 물질”이라며 “초고속 반도체, 고효율 태양전지, 플렉서블 디스플레이 등 적용 범위가 무궁무진하다”고 설명했다. 과학계는 발견 이후 꾸준히 그래핀의 우수한 전기적, 광학적 특성을 활용할 방법을 실험했다. 그리고 그래핀 산화물(GO, Graphene Oxide) 표면에 금속 나노입자를 코팅하면 성능이 향상된다는 사실을 발견했다. 합성 방법은 간단하다. 은나노입자로 코팅할 경우라면 그래핀 산화물에 질산은 수용액(Aqueous AgNO3)을 첨가한다. 질산은 분자는 이온화되고, 은 이온(Ag+)은 그래핀 산화물의 넓은 표면에 단단히 결합한다. 이때 환원제를 첨가하면 그래핀 산화물에 은나노 막이 형성된다. 환원제가 은 이온과 그래핀 산화물의 결합 상태를 단단히 굳히는 셈. 허 교수는 이러한 합성 과정을 보다 깊이 파고들었다. 그래핀 산화물과 나노입자의 합성 과정에서 비타민 C를 환원제로 사용하는 방법을 제안한 것. 허 교수는 “그래핀 합성물을 만드는 기존 과정에 비해 훨씬 간단하고 친환경적 방법”이라고 평했다. 기존의 연구들은 그래핀 산화물 표면에 금속 나노입자를 입힐 때 수소화붕소나트륨(Sodium Borohydride), 포름알데히드(Formaldehyde), 히드라진(Hydrazine) 등과 같은 유독성 환원제를 사용했다. 때문에 유독성 환원제를 처리하기 위한 복잡한 공정이 추가됐고, 이는 그래핀의 상용화에 걸림돌이 됐다. 허 교수는 페르난데스 메리노(Fernandez Merino) 연구팀의 논문에서 비타민 C가 탈산소화 효과를 지닌다는 사실을 발견했다. 환원은 물질이 산소를 잃는 과정. 이는 곧 비타민 C가 환원제로 사용될 수 있음을 시사했다. 허 교수는 논문을 통해 비타민 C가 그래핀 합성 과정에서 환원제 역할을 수행할 수 있음을 보였다. 허 교수는 “히드라진을 사용했던 이전 연구와 달리 친환경, 저비용, 고효율의 합성법을 제시했다”고 평했다. 아울러 허 교수는 초음파처리를 통해 나노입자의 크기를 조절하는 방법을 제안했다. 나노입자의 크기와 형태가 중요한 이유는 그에 따라 그래핀 합성물의 효율성이 달라지기 때문. 허 교수는 “아직은 어떤 크기의 입자가 성능을 최적화 하는지 모른다”며 “크기를 조절할 수 있다는 사실 자체가 시사점을 던져주는 것”이라고 했다. 그래핀 합성물의 성능 실험에서 나노입자의 크기와 형태가 중요한 지표가 되리라는 전망이다. 연구팀은 다양한 분석 기술(XRD, TEM, HR-TEM, SAED)을 이용해 질산은 수용액의 농도와 초음파처리 시간이 은나노입자의 크기와 형태에 미치는 영향을 분석했다. 허 교수는 “논문에서 발표한 기술이 다양한 후속 연구에 활용되기를 바란다”고 기대했다. 기계공학과 교수, 화학연구에 뛰어들다 허 교수의 연구팀이 발표한 내용은 기계공학보다 화학에 가깝다. 에너지 저장 및 활용 연구실을 운영하는 허 교수는 ‘촉매제’의 관점에서 그래핀에 접근했다. 그래핀 기반의 촉매제는 에너지 생산의 효율성을 높이기 때문. 나아가 그래핀은 에너지 저장 용량을 높인다는 점에서 허 교수의 연구와 밀접한 관계다. 그래핀을 활용해 슈퍼커패시터(Super Capcitor, 초용량축전지)를 제작할 경우, 에너지 저장 용량이 비약적으로 증가하며 오래 사용해도 성능이 저하되지 않는다. 협력 연구에 드는 시간을 줄이기 위해 스스로 연구를 시작했다는 허 교수는 “전공 분야와 달라 어려움도 컸지만, 다양한 지식을 쌓는 것은 언제나 즐거운 일”이라고 했다. 허 교수는 발표 기술을 이용해 훨씬 더 효율적인 에너지 저장 방법을 연구할 계획이다. 슈퍼커패시터의 저장 용량을 향상시키는 나노입자의 크기, 단위면적당 저장값을 높이는 3차원 구조의 그래핀 등이 연구 목록에 포함됐다. 허 교수는 이달의 연구자 수상 소식에 기쁨을 표했다. “연구자로서 동기부여가 되는 상이네요. 한양대에 부임한지 1년 밖에 되지 않았는데, 이런 상을 받게 돼 매우 영광입니다.” 연구를 위해 다른 학문을 공부할 정도로 열정적인 허 교수. 그의 바탕은 ‘근면함’이다. 허 교수는 “연구에는 오랜 시간과 노력이 들어가기 마련”이라며 “한정된 시간에 더 많은 연구를 진행하도록 자신을 단련해야 한다”고 했다. 연구팀 논문의 다운로드 기록은 발표 후 꾸준히 상승 중이다. 구체적인 연구 가능성을 예상하기는 이르지만, 허 교수가 발표한 기술이 그래핀 연구에 힘을 보탤 것은 분명해 보인다. ‘꿈의 물질’ 그래핀의 상용화는 이렇게 가까워지고 있다. 곽민해 취재팀장 cosmos3rd@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 박보민 사진기자 marie91@hanyang.ac.kr