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2024-11-22 (금)

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[신소재 신기술(15)] 배터리 스타트업 코어셸, 주행거리 희생 없는 저렴한 LFP배터리 선봬

배터리 소재 스타트업인 코어쉘(Coreshell)은 저렴한 리튬 이온 배터리 제조 기술을 개발했다고 발표했다. 미국 기술전문매체 티크크런치는 15일(현지시간) 코어쉘이 야금용 실리콘을 활용한 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극으로 만든 전기차 배터리를 내년부터 양산에 들어간다 보도했다. 회사에 따르면 kWh당 최대 30% 저렴한 비용으로 비교할 수 없는 충전 성능과 안전성을 갖춘 배터리를 만들 수 있다. 야금 등급 실리콘은 고순도 실리콘보다 저렴할 뿐만 아니라 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 비용의 약 절반에 불과하다는 설명이다. 현재 전기자동차(EV) 보급의 가장 큰 장애물 중 하나는 비용이다. 소비자들은 현재 대부분의 전기자동차는 휘발유 차량보다 가격이 높아 구매를 망설이고 있다. 실리콘은 리튬이온배터리의 음극 단자인 양극에서 흑연을 대체할 수 있는 잠재력이 있다. 실리콘과 흑연 모두 배터리가 충전 중일 때 리튬 이온을 받아들이고 저장한다. 실리콘은 훨씬 더 많은 양의 전기를 저장할 수 있지만 단점이 있다. 충전할 때 양극이 부풀어 오르는 경향이 있다. 흑연 음극은 약간 부풀뿐 크게 팽창하지는 않는다. 하지만 실리콘 양극은 충전할 때 풍선처럼 부풀어 원래 크기의 몇 배까지 팽창할 수 있다. 이를 보완할 수 있는 소재가 없으면 충전과 방전을 반복하면 양극이 무너질 수 있다. 실리콘 음극 기술 개발 경쟁 이에 실리콘의 배터리 성능 향상 잠재력을 인식한 여러 스타트업은 실리콘의 팽창 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 대부분의 접근 방식은 실리콘의 팽창 특성을 수용하기 위해 특수한 미세 구조를 사용한다. 이들 기업은 자체 개발 배터리를 제조하기 위해 더욱 정제되고 비용이 높은 실리콘을 사용한다. 결과적으로 실리콘 음극은 현재까지 가격 프리미엄을 보다 쉽게 흡수할 수 있는 소비자 전자 제품 및 고급 전기자동차 시장을 타겟으로 했다. 코어쉘은 이전에는 다양한 배터리 재료의 성능 저하를 늦추는 코팅 기술에 주력했지만, 현재는 실리콘 전문 기업으로 전환했다. 조나단 탄 코어쉘 공동 설립자 겸 최고경영자(CEO)는 테크크런치와의 인터뷰에서 "우리는 2년 전 야금용 실리콘 분야에서 획기적인 발전을 이루었다"라고 말했다. 그는 야금용 실리콘 코팅은 충전 및 방전 사이클을 통해 재료를 유지하는 데 도움이 되는 탄력적인 특성을 가지고 있으며 표면 저하도 방지한다고 강조했다. 탄 CEO는 "시장에 출시한 이 기술은 내년부터 상용화에 집중할 것"이라고 밝혔다. 야금 등급 실리콘, 흑연 비용의 절반 탄 CEO는 지난 14일(현지시간) 국제 배터리 세미나의 프레젠테이션에서 야금 등급 실리콘은 고순도 옵션보다 저렴할 뿐만 아니라 일반적으로 리튬 이온 배터리에 사용되는 흑연 비용의 약 절반에 불과하다고 말했다. 코어쉘은 이번 주 금속 생산업체인 페로글로브와 야금용 실리콘 공급 계약을 체결했다. 야금용 실리콘은 전 세계 흑연 공급망을 쥐고 있는 중국을 벗어날 수 있는 지정학적 파급 효과도 있다. 벤치마크 미네랄 인텔리전스에 따르면 전 세계 흑연 음극 공급망의 4분의 3이 중국을 통과한다. 이로 인해 배터리 제조업체와 자동차 제조업체는 곤경에 처해 있다. 미국에서 전기차에 대한 세금 공제 혜택을 받으려면 인플레이션 감축법(IRA)에 따라 배터리 소재의 최소 비율을 미국산 또는 미국과 자유무역협정을 맺은 국가에서 조달해야 한다. 이 비율은 2028년에 90%까지 늘어날 예정이다. 실리콘은 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있기 때문에 동일한 용량의 배터리는 흑연에 비해 재료가 더 적게 들어간다. 코어쉘은 이를 감안해 미국이 수요를 충족하기에 충분한 금속 실리콘을 보유해야 한다고 추정했다. 또한 금속 실리콘은 흑연보다 가격이 저렴하기 때문에 중국산 흑연을 완전히 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극 코어쉘이 생산하는 첫 번째 제품은 리튬-철-인산염(LFP) 음극과 결합된 실리콘 양극이 될 예정이다. LFP 음극은 니켈-망간-코발트(NMC) 등 전기차에 사용되는 다른 화학 물질보다 저렴하고 안전하며, 중국 외 지역에서 쉽게 구할 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고, 자동차 제조업체들은 NMC에 비해 에너지 밀도가 낮다는 점 때문에 LFP의 광범위한 적용을 망설여 왔다. 그러나 실리콘 음극과의 결합은 이러한 에너지 밀도의 차이를 해결할 것으로 보인다. 코어쉘은 실리콘 음극을 사용함으로써, 흑연 음극을 사용하는 기존의 NMC 배터리에 비해 LFP 배터리가 경쟁 우위를 가질 수 있다고 전망했다. 한편, 코어쉘은 기술을 확장하고 상용화해야 하는 과제가 있다. 이 과정은 쉽지 않으며, 초기 시장은 전기 자전거, 전기 스쿠터, 전기 듄 버기 같은 e-모빌리티 분야가 될 것으로 보인다. 이와 관련해, 코어쉘은 1960년대 상징적인 듄 버기를 제작한 마이어스 맨스(Meyers Manx)와 파트너십을 체결했다. 현재는 자체적으로 재료를 생산하고 있으나, 기술을 라이선스하고 공급업체와 더 긴밀히 협력하는 방안에도 열려 있다. 이 회사는 2025년까지 파트너사에 첫 번째 샘플(A-샘플)을 제공할 계획이다. 또한 10년 내에 자사의 기술이 전기차에 탑재되기를 기대하고 있다. 경쟁 업체인 실라(Sila)와 그룹 14(Group14)도 2025년까지 상업 생산을 목표로 하고 있다. 실리콘 음극 재료는 현재 비용이 더 높지만, 대량 생산과 축적된 경험을 통해 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 자동차 제조업체들에게 이는 매력적인 옵션이 될 수 있다. 모든 배터리 혁신이 시장의 요구를 충족시키는 것은 아니지만, 리튬 이온 배터리 기술이 비용 효율적으로 계속 발전하려면, 다양한 접근 방식이 필요하다. 코어쉘의 기술이 성공적으로 입증된다면, 중국에 대한 의존도를 줄이면서도 비용 효율적인 배터리 개발로 나아가는 새로운 방향을 제시할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-16
[신소재 신기술(14)] 자연에서 처음 발견된 광물 초전도체 '미아사이트'

미국 과학자들이 자연에서 광물 형태로 발견된 세계 최초의 '비전통적인' 초전도체 미아사이트(Miassite)가 발견됐다고 밝혔다. 영국 과학 웹사이트 사이키(phys.org)는 지난 13일(현지시간) 미국 에너지부 국립연구소인 에임스 국립연구소(Ames National Laboratory)의 과학자들이 실험실이 아닌 자연에서도 화학 성분을 가진 최초의 비전통적 초전도체 '미아사이트'를 발견했다고 보도했다. 미아사이트는 자연에서 발견되는 광물 중 하나로, 실험실에서 성장시키면 초전도체 역할을 한다. 연구팀은 미아사이트를 관측한 결과 고온 초전도체와 유사한 특성을 가진 비전통적 초전도체라는 사실을 밝혀냈다. 이 연구 결과는 '커뮤니케이션즈 머티리얼즈(Communications Meterials)' 저널에 게재됐다. 이번 연구는 미래의 지속 가능하고 경제적인 초전도체 기반 기술 개발에 기초 과학적 이해를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 초전도체란? 초전도는 물질이 전기를 에너지 손실 없이 전도할 수 있는 상태를 말한다. 이러한 초전도체는 의료용 MRI 기계, 전력 케이블, 양자 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기존의 초전도체는 잘 알려져 있지만 임계 온도가 낮다. 여기서 임계 온도는 물질이 초전도체 상태를 유지할 수 있는 최고 온도를 말한다. 1980년대에 과학자들은 기존 것들보다 임계 온도가 훨씬 높은 비전통적인 초전도체들을 발견했다. 에임스 연구소의 과학자 루슬란 프로조로프에 따르면, 이러한 비전통적인 초전도체는 모두 실험실에서 만들어진다. 이로 인해, 비전통적 초전도는 자연에서 발생하지 않는다는 일반적인 인식이 형성됐다. 자연에서 발견된 희귀한 광물 프로조로프는 대다수의 초전도 원소와 화합물이 금속 성질을 가지고 산소와 같은 다른 원소와 반응하는 경향이 있어, 자연에서 초전도체를 찾는 것이 어렵다고 설명했다. 그는 특히 미아사이트(Rh17S15)가 복잡한 화학 구조를 가지고 있다는 점에서 흥미롭다고 말했다. 프로조로프는 미아사이트를 처음에는 자연에서 발견될 수 없는, 인공적으로 만들어졌을 것으로 추정했으나, "실제로 자연에서 존재한다는 것이 밝혀졌다"고 말했다. 아이오와 주립대학교의 물리학 및 천문학 석좌교수이자 에임스 연구소의 과학자인 폴 캔필드는 새로운 결정체 물질의 설계와 발견, 성장 방법, 그리고 그 특성을 분석하는 데 깊은 전문 지식을 가지고 있다. 그는 이 프로젝트를 위해 고품질의 미아사이트 결정을 합성하는 작업을 수행했다. 캔필드는 "미아사이트가 러시아 첼랴빈스크주 미아스 강 근처에서 발견된, 일반적으로 잘 형성된 결정으로 자라지 않는 희귀한 광물"이라고 설명했다. 미아사이트 결정의 성장은 매우 높은 용융점을 가진 원소(Rh)와 휘발성이 높은 원소(S)의 결합으로 이루어진 화합물을 탐색하는 더 광범위한 연구 노력의 일부였다. 캔필드 박사는 "순수 원소들의 특성과는 달리, 우리는 이들 원소의 혼합을 통해 최소한의 증기압으로 결정이 저온에서 성장할 수 있도록 하는 기술을 개발했다"고 말했다. 캔필드 박사는 이번 미아사이트의 발견을 "숨겨진 낚시터에서 큰 물고기를 발견한 것과 같다"고 비유했다. 그는 "Rh-S 시스템에서, 우리는 세 가지 새로운 초전도체를 발견했다. 루슬란의 세밀한 측정 덕분에, 미아사이트가 비전통적 초전도체임을 확인할 수 있었다"고 설명했다. '자기장 침투 깊이' 실험 프로조로프의 연구 그룹은 저온에서 초전도체를 연구하기 위한 첨단 기술을 전문으로 한다. 그는 이 물질이 초전도 상태를 유지하기 위해 영하 50밀리켈빈(약 -460°F)까지 냉각되어야 한다고 말했다. 프로조로프 연구팀은 미아사이트의 초전도 특성을 분석하기 위해 세 가지 주요 실험을 실시했다. 가장 중요한 실험은 '자기장 침투 깊이(혹은 런던 침투 깊이, London penetration depth)'다. 이 실험은 약한 자기장이 초전도체 표면을 얼마나 깊게 관통하는지 측정해 초전도체 내부로의 자기장 침투 거리를 결정한다. 전통적인 초전도체의 경우, 자기장 침투 깊이는 저온에서 대체로 일정하게 유지된다. 반면, 비전통적 초전도체에서는 이 침투 깊이가 온도 변화에 따라 선형적으로 변화하는 경향을 보인다. 이러한 실험 결과는 미아사이트가 비전통적 초전도체의 성질을 갖는다는 것을 확인했다. 또 다른 실험은 재료 내에 결함을 주기 위해 고에너지 전자를 사용해 물질에 충격을 주는 방식이다. 프로조로프는 이 방법을 지난 10년 간 그의 연구팀이 주로 사용해온 대표적인 기술이라고 설명했다. 이 실험을 통해 재료의 초전도 특성에 미치는 결함의 영향을 관찰할 수 있다. 이 방법은 이온을 그들의 원래 위치에서 밀어내어 결정 구조 내에 결함을 생성하는 것이다. 이러한 결함은 재료의 임계 온도에 변화를 일으킬 수 있는 장애를 만든다. 전통적인 초전도체는 비자기적 장애에 대해 대체로 둔감하기 때문에, 이러한 테스트에서 임계 온도의 변화가 거의 또는 전혀 보이지 않는다. 반면, 비전통적 초전도체는 무질서에 더 민감해, 결함이 일어나면 임계 온도가 변화하거나 억제될 수 있다. 이러한 변화는 재료의 임계 자기장에도 영향을 미친다. 연구팀은 미아사이트에서 임계 온도와 임계 자기장이 비전통적 초전도체에서 예측한 대로 변화한다는 것을 확인했다. 비전통적 초전도체에 대한 이러한 연구는 초전도 현상의 작동 원리에 대한 과학자들의 이해를 심화시킬 수 있다. 프로조로프는 "비전통적 초전도의 메커니즘을 이해하는 것은 초전도 현상을 경제적으로 응용하는 데 있어 핵심적인 역할을 한다"고 강조했다. 이는 초전도 기술의 상용화 가능성을 높이는 데 중요한 기여를 할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-15
[신소재 신기술(13)] 암치료용 새로운 AI 개발

미국 메이요 클리닉의 연구원들이 암 치료를 위해 새로운 인공지능(AI) 알고리즘을 개발했다. 메디컬 익스프레스는 지난 12일(현지시간) 메이요 클리닉 연구원들은 메이요 클리닉 연구원들이 기존 AI 모델이 주로 사용하는 데이터 학습 방식을 넘어서는 '가설 기반 AI'라는 독창적인 인공지능 알고리즘을 개발했다고 보도했다. 이번 연구는 학술지 캔서(Cancers)에 게재됐다. 이 혁신적인 AI는 암과 같은 복잡한 질병의 원인을 파악하고 치료 전략을 개선하는 데 사용될 수 있는 새로운 접근 방식을 제공한다. 메이요 클리닉의 시스템 생물학 및 분자 약리학, 실험 치료학 부서에서 AI 연구를 담당하는 수석 저자이자 공동 개발자인 후 리(Hu Li) 박사는 이 AI가 과학적 질문에 답하고, 질병을 더 깊이 이해하며, 개인화된 의학을 지원하기 위해 설계된 표적 정보 기반 알고리즘이라고 밝혔다. 리 박사는 이 기술이 기존 AI에서 간과되었던 중요한 통찰을 발견할 가능성이 있다고 강조했다. 기존 AI는 주로 얼굴 인식, 임상 진단 이미지 분류와 같은 분류 및 인식 작업에 활용되어 왔으며, 사람처럼 텍스트를 생성하는 등의 생성 작업에도 점점 더 많이 쓰이고 있다. 하지만, 연구팀은 기존 학습 알고리즘이 과학적 지식이나 가설을 충분히 통합하지 못한다고 지적했다. 이는 AI가 편향되지 않은 대규모 데이터 세트에 과도하게 의존하게 만들고, 그런 데이터 세트를 구하는 것이 어려울 수도 있기 때문이다. 특히, 리 박사는 이러한 제약이 의학과 같이 새로운 지식을 발견해야 하는 분야에서 AI의 활용도와 유연성을 크게 제한한다고 밝혔다. 이는 AI 기술의 발전 방향에 대해 중요한 고려사항을 제시한다. AI는 암 연구와 같이 방대하고 복잡한 데이터 세트에서 패턴을 찾아내는 데 매우 유용한 도구다. 이러한 경우에서 기존 AI 사용의 주요 목표는 해당 데이터 세트의 정보를 최대한 활용하는 것이다. 리 박사는 기존 지식과 가설을 통합하지 못하는 것이 문제가 될 수 있다고 지적했다. 그는 "AI 모델이 연구자와 임상의의 신중한 설계 없이 결과를 도출할 수 있으며, 이런 접근 방식을 '쓰레기 속의 쓰레기' 문제라고 부른다"고 밝혔다. 그러므로, 그는 과학적 질문에 대한 안내 없이는 AI가 덜 효과적인 분석을 제공하고, 테스트 가능한 가설을 형성하며, 의학 발전에 기여할 수 있는 중요한 통찰을 놓칠 수 있다고 설명했다. 이러한 관점은 AI의 효율성과 유용성을 극대화하기 위한 설계와 개발 과정에서 고려해야 할 핵심 요소다. ‘가설 기반 AI’를 통해 연구자들은 알려진 병원성 유전자 변종과 암의 특정 유전자 간의 상호작용을 학습 알고리즘 설계에 통합하는 등 질병에 대한 이해를 통합하는 방법을 모색할 수 있다. 이를 통해 연구자와 임상의는 어떤 구성 요소가 모델 성능에 기여하는지 파악하여 해석 가능성을 높일 수 있다. 또한, 이 전략은 데이터 세트 문제를 해결하고 열린 과학적 질문에 대한 집중을 촉진할 수 있다. 메이요 클리닉의 면역학과 교수인 다니엘 빌라도(Daniel Billadeau) 박사는 "이 새로운 종류의 AI는 암과 면역 체계 간의 상호작용을 더 잘 이해할 수 있는 새로운 길을 열었으며, 의학적 가설을 테스트할 뿐만 아니라 환자가 면역 요법에 어떻게 반응할지 예측하고 설명하는 데 큰 가능성을 제시한다"고 말했다. 빌라도 박사는 이 연구의 공동 저자이자 공동 발명가이며 암 면역학에 오랫동안 관심을 가지고 연구해 왔다. 연구팀은 가설 기반 AI가 종양 분류, 환자 계층화, 암 유전자 발견, 약물 반응 예측, 종양 공간 조직 등 모든 종류의 암 연구 애플리케이션에 활용될 수 있다고 말했다. 기계 기반 추론은 과학자들이 가설 및 생물학적, 의학적 지식을 학습 알고리즘 설계에 통합함으로써 가설을 시험하고 검증하는 데 중요한 역할을 한다. 리 박사는 이러한 유형의 알고리즘 개발이 전문성과 깊은 지식을 요구하기 때문에 접근성이 제한될 수 있다는 단점을 지적했다. 그는 또한 편향의 가능성에 대해 경고하며, 연구자들이 다양한 정보를 적용할 때 이를 신중히 고려해야 한다고 조언했다. 이 방법은 일반적으로 범위가 제한적이며 모든 가능한 시나리오를 포괄하지 못할 수 있기 때문에, 예상치 못한 중요한 관계를 간과할 위험이 있다. 리 박사는 "그럼에도 불구하고 가설 기반 AI는 인간 전문가와 AI 간의 활발한 상호 작용을 촉진하여 AI가 일부 전문직 일자리를 대체할 것이라는 우려를 완화해준다"고 말했다. 이러한 상호작용은 AI의 발전과 활용에 있어 인간의 역할이 여전히 중요함을 강조한다. 가설 기반 AI는 아직 초기 단계이기 때문에 편향을 최소화하고 해석을 향상시키기 위해 어떻게 지식과 생물학적 정보를 최적으로 통합할 수 있는지와 같은 중요한 질문들이 남아 있다. 리 박사는 이러한 과제에도 불구하고 가설 기반 AI는 한 걸음 더 나아간 것이라고 평가했다. 리 박사는 이런 도전에도 불구하고, 가설 기반 AI가 의미 있는 진전을 이루었다고 평가했다. 그는 이 기술이 더 깊은 이해와 개선된 치료 방법을 가능하게 하여 의학 연구를 크게 앞당길 수 있으며, 결국 환자들에게 보다 나은 치료 옵션을 제공하는 새로운 방향을 제시할 수 있다고 말했다.
- 포커스온
2024-03-15
[신소재 신기술(12)] 사족보행 로봇, 파쿠르 동작과 잔해 지형 횡단 기능 습득

주로 재난 현장이나 잔해 지역을 누비도록 설계된 사족보행 로봇이 파쿠르 동작을 습득해 주목받고 있다. 스위스 연방 공과대학교(ETH Zurich) 연구팀은 기존에 암석이 많은 도로 환경을 주로 주행하던 사족보행 로봇 애니말(ANYmal)에게 파쿠르 동작을 가르쳤다. 테크 익스플로어는 13일(현지시간) ETH 취히리 연구탐의 훈련으로 사족보행 로봇 ANYmal은 최근 인기를 끌고 있는 도시 환경의 장애물을 뛰어넘거나 빠르게 이동하는 파쿠르 동작을 수행하는 데 능숙하게 되었다고 전했다. 파쿠르는 주변 환경을 이용해 가능한 한 효율적으로 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 훈련 방법이나 스포츠를 말한다. 주로 도시의 건물, 벽, 계단 등을 활용하며, 몸의 균형, 힘, 정확성, 속도를 요구한다. 파쿠르 동작에는 점프, 구르기, 타기, 넘기 등 다양하고 유연한 움직임을 포함한다. 또한 ANYmal은 건설 현장이나 재난 발생 지역과 같은 복잡한 지형에서도 효과적으로 이동할 수 있는 능력을 갖추게 됐다. 연구 결과는 학술지 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 게재됐다 연구팀은 기계공학 및 프로세스 엔지니어링학과 마르코 후터(Marco Hutter) 교수가 이끄는 두 팀으로 구성되어 있으며, 서로 다른 접근 방식을 사용하여 ANYmal에게 새로운 기술을 가르쳤다. 기계적 한계 극복 연구팀 중 한 팀에는 평소 파쿠르 운동을 즐기는 니키타 루딘(Nikita Rudin) 박사 과정 연구원이 참여했다. 루딘 박사 학생은 "프로젝트 시작 전 많은 연구원들이 사족보행 로봇의 기술 발전은 한계에 도달했다고 생각했다. 하지만 저는 달리 생각했다. 사실 사족보행 로봇의 기계적인 측면에서 더 많은 발전 가능성이 있다고 확신했다"고 말했다. 루딘 연구원은 자신의 파쿠르 경험을 바탕으로 머신 학습을 활용하여 ANYmal에게 새로운 기술을 가르치고 기존 기능을 한계 이상으로 뛰어넘기 위한 노력을 기울였다. 현재 ANYmal은 장애물을 뛰어넘고 다이나믹한 동작을 통해 다시 뛰어 내려올 수 있다. 이 과정에서 ANYmal은 마치 아이가 배우듯 시행착오를 통해 학습했다. 현재 ANYmal은 장애물 앞에 다다르면 카메라와 인공 신경망을 사용하여 장애물의 종류를 파악하고 이전 훈련 데이터를 기반으로 성공 가능성이 높은 동작을 수행한다. 루딘 연구원은 이러한 방식을 통해 개별적인 새로운 기술 습득에는 효과적이지만, 미리 정의된 문제 해결 이상으로 잔해가 쌓인 재난 지역과 같은 복잡한 지형을 탐색하도록 하는 데는 한계가 있다고 말했다. 신기술과 기존 기술의 융합 루딘 박사 연구원의 동료인 파비안 예넬텐(Fabian Jenelten) 박사 과정 연구원이 참여한 또 다른 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 기존 기술과 머신 학습을 융합하는 방식을 사용했다. 이 방법은 모델 기반 제어라는 제어 공학 분야의 기존 기술을 활용해 로봇에게 정확한 동작을 가르치는 데 더 효과적이다. 예를 들어 잔해 더미 속의 틈새와 요철을 인식하고 통과하는 방법과 같은 기술을 습득시킬 수 있다. 반면, 머신 학습은 로봇이 익힌 운동 패턴을 예상치 못한 상황에 유연하게 적용할 수 있도록 돕는다. 예넬텐 박사 연구원은 "두 가지 접근 방식을 결합함으로써 ANYmal의 성능을 최대한으로 끌어올릴 수 있다"고 말했다. 연구 결과, 사족보행 로봇 ANYmal은 미끄러운 표면이나 불안정한 바위에서도 더욱 안정적으로 이동할 수 있게 됐다. ANYmal은 곧 건설 현장이나 재난 발생 지역의 붕괴된 건물 검사와 같이 사람이 접근하기 어려운 위험한 곳에도 투입될 예정이다.
- 포커스온
2024-03-14
[신소재 신기술(11)] AI 기반 비행 자동 조정 장치, 조종사 부족 문제 해결 '열쇠'

인공지능(AI) 기반 자동 조종 장치가 조종사 부족 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있다는 의견이 제기됐다. 11일(현지시간) 폭스뉴스에 따르면 인공지능을 탑재한 완전 자율 비행기는 조종사 부족 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있다고 개발 업체인 멀린 랩스(Merlin Labs) CEO가 전망했다. 항공 산업은 조종사 수요가 전 세계적으로 증가함에 따라 심각한 조종사 부족 문제에 직면했다. 항공컨설팅 기업 올리버 와이먼(Oliver Wyman)은 2023년 보고서에서 2032년까지 상업 항공사에서만 1만2719명의 조종사가 부족할 것으로 예상했다. 미국 공군 또한 수년간 목표 조종사 인원 대비 2000명 이상의 부족을 겪고 있으며, 숙련된 조종사를 유지하기 위해 최대 60만 달러(약 7억 8500만 원)의 보너스를 제공하고 있다. 멀린 랩스의 매트 조지 최고경영자(CEO)는 폭스 뉴스와의 인터뷰에서 "하늘에서 급증하는 수요를 따라잡을 수 있을 만큼 조종사가 충분하지 않다"고 말했다. 그는 "전 세계적으로 항공 수요가 증가함에 따라 항공 시스템을 설계하고 항공 우주 시스템을 설계하기 위해 앞으로 나아가야 할 일"이라고 지적했다. 조지는 "전 세계 상업 트래픽의 양은 15년마다 두 배로 증가한다"며 "수십억 명의 새로운 소비자가 온라인에 접속하여 이틀 이내에 물건을 배송받기를 원하거나 항공 시스템에 접속하기를 원하기 때문에 우리는 하늘과 인류의 관계에 대해 다르게 생각해야 한다"고 말했다. 멀린 랩스는 개발 중인 인공지능 기반 자동 조종 장치를 통해 화물기 조종석에서 한 명의 조종사를 대체해 인력 부족 문제를 해결하고, 나머지 조종사의 업무 일부를 대신함으로써 조종사의 업무를 덜어줌으로써 안전을 유지하거나 향상시키는 것을 목표로 한다. 조지는 이렇게 하면 비행이 더 안전해질 것이라고 강조했다. 그는 회사의 시스템은 대부분 전통적인 항공 기술에 의존하며 부족한 부분을 채울 때만 AI를 사용한다고 덧붙였다. 즉, 멀린 시스템은 기존 항공 기술을 기반으로 하며, 인공지능은 부족한 부분을 보완하는 역할을 한다. 인공지능 기반 자동 조종 장치는 기존 조종사가 수행하던 항공기 운항(aviate), 항법(navigate), 통신(communicate) 등의 업무를 수행하도록 설계됐다. 이를 통해 조종사는 보다 포괄적인 임무에 집중하고 기본적인 항공 운영 기능 수행보다는 의사 결정과 같은 중요한 업무에 더 많은 노력을 기울일 수 있다. 멀린 랩스는 지난달 미국 공군의 KC-135 전략 수송기에서 자율 조종 장치 성능 일부를 시험 및 시연할 것이라고 발표했다. 또한 민간 인증 절차의 최종 단계에 대한 발표가 몇 주 안에 있을 것임을 밝혔다. 하지만 멀린 랩스는 인공지능 기반 자동 조종 장치 도입으로 인해 조종사가 완전히 사라질 것이라고 예상하지 않고 있다. 오히려 인간과 인공지능의 협업을 통한 미래 항공 운영을 제안하고 있다. 또 완전 자율 운항보다는 인간 조종사의 능력을 보완하는 방향으로 기술 개발을 추진하고 있다. 또다른 매체 테크 브리프 또한 최근 AI 부조종사는 인간의 정밀도를 더 향상시켜 더 안전한 항공 비행을 할 수 있다고 전했다. 이 매체는 미국 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA)에서 개발하는 차세대 공중감시 시스템 에어 가디언(Air-Guardian)을 예로 들었다. 에어 가디언은 무인 항공기(UAV) 및 인공지능(AI) 기술을 활용하여 광범위한 지역을 지속적으로 감시하도록 설계됐다. 에어 가디언은 2023년 10월 31일 첫 비행에 성공했으며 2028년까지 실전에 배치될 예정이다.
- 포커스온
2024-03-12
[신소재 신기술(10)] 쓰레기 아닌 자원! 세탁 세제로 플라스틱 용기 재활용 시대 열리다

영국에서 액체 세탁 세제로 플라스틱을 재활용하는 기술이 개발됐다. 과학 기술 전문매체 더쿨다운(TCD)은 10일(현지시간) 영국 킹스 칼리지 런던의 과학자들이 세탁 세제를 사용해 플라스틱을 분해하여 재활용할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 보도했다. 이 연구는 일회용 플라스틱의 일반적인 유형인 폴리락틱산(PLA)에 초점을 맞췄다. 킹스 칼리지 런던의 연구원들은 극한의 열을 사용하지 않고도 PLA를 분해할 방법을 찾던 중 대부분의 세탁 세제에서 흔히 발견되는 칸디다 안타르크티카 리파제 B(Candida antarctica lipase B·CALB)라는 효소를 발견하고 이를 변형해서 이온성 액체에 용해시켰다. 연구팀은 CALB 용액에 플라스틱 컵을 담근 후 24시간이 지나면 플라스틱이 완전히 녹는 것을 확인했다. 이 연구 결과는 과학 저널 셀 물리 과학 보고서(Cell Reports Physical Science)에 게재됐다. 폴리락틱산(Polylactic Acid, PLA)은 옥수수 전분과 사탕수수와 같은 식물성 자원에서 추출한 락틱산을 중합하여 만들어지는 가장 일반적인 상업용 생분해성 플라스틱이다. 그러나 일단 플라스틱으로 바뀌면 생분해되지 않고 매립지를 막거나 바다에 버려지게 된다. PLA는 석유 기반 플라스틱과 달리 식물로부터 얻어지므로 재생 가능한 자원을 사용하며, 사용 후에는 자연 조건 하에서 미생물에 의해 분해되어 이산화탄소와 물로 환원되는 특성을 갖는다. 이로 인해 환경 친화적인 대안으로 주목받으며, 일회용품, 포장재, 섬유, 의료 분야 등 다양한 용도로 사용돼 왔다. 하지만, PLA의 분해 속도는 환경 조건(온도, 습도, 미생물의 존재)에 따라 크게 달라질 수 있다. PLA는 산업적 규모의 퇴비화 시설에서는 빠르게 분해되지만, 자연 상태에서는 분해되는 데 수년이 걸릴 수 있다. 또한, PLA의 생산 과정에서 사용되는 식물 자원이 식량으로 사용될 수 있는 농작물을 사용한다는 점에서 지속 가능성에 대한 논쟁이 뜨거웠다. 연구팀은 "환경에 플라스틱 쓰레기가 쌓이는 것은 생태학적 재앙이며, 이를 해결하기 위해 다양한 접근 방식이 필요하다"고 설명했다. 인류세(Anthropocene)에 따르면 연구팀 중 한 명인 알렉스 브로건 화학과 교수는 "폴리락틱산은 제대로 재활용할 방법이 없기 때문에 선택했다"고 말했다. 브로건 교수는 "우리의 (기술) 개발로 90°C에서 40시간 이내에 플라스틱을 구성 요소로 전환할 수 있게 되었다"고 설명했다. 다음 연구 단계는 CALB 용액에 용해된 플라스틱을 재활용하기 위해 용도를 변경하는 방법을 알아내는 것이다. 브로건 교수는 "현재 엔지니어들과 협력하여 파쇄와 같은 보다 정밀한 전처리를 통해 이 공정을 개선하여 더 큰 규모로 작업할 수 있는 방법을 모색하고 있다"고 말했다. 그는 이어 "우리가 보여줘야 할 주요 개선 사항은 분해된 플라스틱으로 실제로 플라스틱을 다시 만들 수 있다는 점이며, 이를 통해 순환 고리를 끊는 것"이라고 강조했다.
- 포커스온
2024-03-11
[신소재 신기술(9)] 땅콩 껍질로 리튬 이온 배터리 생산 기술 개발

중국 과학자들이 땅콩 껍질을 활용하여 리튬 이온 배터리를 생산하는 새로운 기술을 개발했다. 이 연구는 폐기물 활용과 리튬 이온 배터리 성능 개선이라는 두 가지 문제를 동시에 해결했다. 과학기술 전문 매체 더 쿨다운은 지난 5일(현지시간) 중국 과학기술대학교 연구팀이 땅콩 껍질에서 추출한 산화철을 이용하여 리튬 이온 배터리 음극을 제조하는 새로운 방법을 개발했다고 전했다. 연구 결과 땅콩 껍질 기반 음극은 높은 전기 용량과 우수한 사이클 안정성을 보였다. 게다가 떵콩 껍질 기반은 기존 흑연 기반 음극보다 저렴하고 친환경적이다. 이 연구 결과는 지난해 11월 14일 에너지 저장 기술과 시스템에 관한 연구를 다루는 국제 학술지 '저널 오브 에너지 스토리지(Journal of Energy Storage)'에 게재됐다. 리튬 이온 배터리는 양극과 음극(각각 양전극과 음전극) 사이에서 리튬 이온을 이동시켜 작동한다. 현재 대부분의 리튬 이온 배터리 음극은 흑연, 규소, 또는 이 둘의 복합체와 같은 탄소 기반 물질로 제조된다. 그러나 리튬 이온 배터리 연구에 종사하는 과학자들은 이러한 기존 소재보다 더 우수한 물질을 개발할 수 있다고 기대해 왔다. 땅콩 껍질 기반 음극, 높은 전기 용량 지녀 또 다른 학술지 '응용 표면 과학 언드밴스(Applied Surface Science Advances)' 저널에 게재된 「리튬 이온 전지용 음극 재료: 리뷰」라는 제목의 연구 논문에서 연구팀은 "흑연 음극은 용량이 적고 안전상의 문제가 있다는 것이 잘 알려져 있다"고 지적했다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 "다음 세대 리튬 이온 전지용 새로운 음극 재료로서 많은 고성능 음극 재료들이 연구되고 있다"고 덧붙였다. 이같은 상황에서 최근 개발된 음극 재료 중 하나가 바로 땅콩 껍질을 활용한 것이다. 연구팀은 땅콩 껍질이 저렴하다는 점에서 재료로 매력적이라고 설명했다. 연구 논문에서 저자들은 "싸고 반복 성능을 개선하는 데 적합한 열분해 공정을 위한 탄소 원천으로 저렴한 원료를 찾기 위해 노력했다"고 밝혔다. 폐기되는 유기물질인 땅콩 껍질을 활용하여 리튬 이온 배터리를 제조하는 것은 두 가지 문제를 동시에 해결하는 훌륭한 방법이다. 이는 배터리의 효율, 안전성 및 비용을 개선하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 식품 폐기물 문제 해결에도 기여한다. 땅콩 껍질을 이용해 배터리를 만들면 쓰레기 매립지에 폐기되어 지구 온난화 가스를 배출하는 대신 유용한 자원으로 활용될 수 있다. 연구팀은 또한 대나무, 흰목이버섯의 일종인 트레멜라(tremella), 뽕잎, 목재, 녹차 등에서 추출한 탄소 함유 물질 등을 사용해 동일한 실험을 진행했다. 감귤 껍질로 리튬 배터리 재활용 비슷한 맥락에서 또 다른 연구팀은 최근 감귤류 껍질을 이용해 리튬 배터리를 재활용하는 방법을 개발했다. 싱가포르 난양 기술 대학교(Nanyang Technological University·NTU) 과학자들은 감귤 껍질을 활용해 리튬 배터리를 재활용하는 기술을 개발했다. 새로운 방법은 과일 껍질을 이용해 사용한 배터리에서 귀금속을 추출한 다음 새 배터리에 재사용할 수 있었다. 이는 리튬 배터리를 재활용하는 가장 환경 친화적인 방법일 수도 있다. 이 연구팀의 일원인 마다비 스리니바산(Madhavi Srinivasan) 교수는 "현재 산업적으로 전자 폐기물을 재활용하는 과정은 에너지 집약적이며, 유해한 오염 물질과 액체 폐기물을 배출하므로 전자 폐기물의 양이 증가함에 따라 친환경적인 재활용 방법이 시급히 필요하다. 우리 팀은 생분해성 물질로 재활용하는 것이 가능하다는 것을 입증했다"며 "이러한 발견은 우리의 기존 작업을 기반으로 한다"고 설명했다. NTU 팀은 극한의 온도를 요구하지 않고 오렌지 껍질과 감귤류에서 발견되는 약한 유기산인 구연산만을 사용하여 산업 재활용 공정과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
- 포커스온
2024-03-07
[신소재 신기술(8)]치즈 부산물로 폐전자제품에서 금 캐내기…획기적인 친환경 기술 개발

스위스 연방공과대학(ETH Zurich) 연구팀은 치즈 제조공정 부산물로 폐전자제품에서 금을 추출하는 획기적인 친환경 기술을 개발했다. 지난 4일(현지시간) 과학 기술 전문매체 퓨처리즘에 따르면 스위스 연구팀은 식품 산업 부산물을 기반으로 하는 지속 가능한 방법으로 전자 쓰레기에서 귀금속을 추출하는 새로운 방법을 고안했다. 이 방법은 경제적으로도 매우 효과적이다. 연구팀은 단 1달러의 투자로 50달러 가치의 금을 생산할 수 있다고 추산했다. 특히 주목할 만한 점은 이 과정이 매우 친환경적이라는 것이다. 연구팀은 치즈 제조 과정에서 생성되는 단백질이 풍부한 부산물로 만들어진 단백질 섬유 스폰지가 폐전자제품에서 금을 추출하는 데 유용하게 사용될 수 있다는 사실을 발견했다. 공동 저자이자 ETH 취리히의 라파엘레 메진가(Raffaele Mezzenga) 교수는 성명에서 "제가 가장 좋아하는 사실은 식품 산업 부산물을 사용해서 전자 쓰레기에서 금을 얻었다는 것"이라면서 "이보다 더 지속 가능한 것은 없다"고 말했다. 연구팀은 저널 '어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)'에 발표된 새로운 논문에서 20개의 오래된 컴퓨터 마더보드(motherboard, CPU와 주기억장치 및 주변 장치 접속을 위한 소켓을 탑재한 기판으로 메인보드라고도 함)에서 450mg(밀리그램)의 22캐럿(91.67%의 순금) 금 덩어리를 회수할 수 있었다고 밝혔다. 이를 위해 연구팀은 산성 조건과 고온에서 유청 단백질을 변성시켜 단백질 나노섬유 슬러리(slurry)를 만들었다. 그런 다음 이 젤을 건조시켜 스폰지를 제작했다. 20개의 마더보드의 금속 부품을 용해하고 용액에서 이온화한 후 스폰지를 용액에 넣어 금 이온을 끌어당겼다. 연구팀은 스펀지를 가열하여 수집된 이온을 조각낸 다음 작은 금덩어리로 녹여냈다. 이 450밀리그램 덩어리는 91% 금과 9% 구리로 구성됐다. 이 금은 현재 온스당 가격으로는 약 33달러에 해당한다. 연구팀에 따르면, 이 기술의 에너지 비용이 회수 가능한 금의 가치에 비해 매우 낮은, 50분의 1에 불과하다고 한다. 공정을 대규모로 확장할 경우 상당한 경제적 이익을 가져올 수 있다. 현재 연구진은 변형 가능한 스펀지를 제작하기 위해 다른 단백질이 풍부한 부산물도 탐색중이다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, 전자 폐기물은 전 세계에서 가장 빠르게 증가하는 고형 폐기물 중 하나로, 매년 수백만 대의 전자 기기가 폐기되고 있다. 이러한 폐기물은 적절히 처리되지 않을 경우 환경은 물론 인간 건강에도 해로울 수 있다. ETH 취리히 대학 연구팀의 활용 사례처럼 전자 폐기물 재활용을 촉진하는 것은 환경 보호와 자원 회수 측면에서 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.
- 포커스온
2024-03-06
[신기술 신소재(8)] 美 미시간대, 희토류 원소의 새로운 동위원소 발견

중원소 원자핵을 분열하는 획기적인 실험에서 이전에 관찰되지 않았던 입자 비율로 구성된 새로운 형태의 원자핵이 발견됐다. 과학 전문매체 사이언스얼럿에 따르면 미국 미시간 주립 대학 올렉 타라소프(Oleg Tarasov) 박사가 이끄는 물리학자들은 백금 원자핵을 분열해 처음으로 희토류 원소인 툴륨, 이터비움, 루테튬의 새로운 동위원소를 발견했다. 과학자들은 이번 연구를 통해 중성자가 풍부한 원자핵의 특성과 천체 충돌 과정에서 새로운 원소가 형성되는 과정을 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대했다. 아울러, 연구팀은 이 연구를 통해 2022년 6월 첫 실험을 수행한 미시간 주립 대학의 희귀 동위원소 빔 연구시설(FRIB)의 위력도 입증했다. 일반적으로 헬륨보다 무거운 원소를 중원소라고 한다. 대부분의 중원소는 별에서 일어나는 핵합성을 통해 생성된다. 즉, 초신성 폭발이나 중성자별 병합 등을 통해 중원소가 생성된다. 모든 원소는 완전히 동일한 형태로 존재하지 않는다. 각 원자핵은 양성자와 중성자라는 원자핵의 여러 하위입자로 구성되어 있다. 중원소 원자핵은 양성자와 중성자로 구성된다. 양성자와 중성자의 총 갯수를 핵자수라고 한다. 여기서 양성자의 갯수를 원자 번호라고 하며 원자번호는 원소를 구성하는 고유한 특징이다. 같은 원자번호지만 중성자 갯수가 다른 원자핵을 동위원소라고 한다. 모든 원소는 다양한 안정성 수준을 가진 여러 동위원소를 가지고 있다. 일부 동위원소는 극히 빠르게 붕괴해 이온화 복사 폭발과 함께 가벼운 원소로 분해된다. 반면 안정적으로 존재하는 동위원소도 있다. 과학자들은 다양한 동위원소와 그 행태를 이해함으로써 우주가 어떻게 원소를 만드는 지, 시간과 공간에 걸쳐 이러한 원소들이 얼마나 풍부한 지 추정할 수 있다. 타라소프 박사팀은 새로운 동위원소를 합성하기 위해 120개의 중성자를 가진 백금 동위원소 198Pt로 실험을 시작했다. 표준 백금은 117개의 중성자를 가지고 있으며, 더 무거운 동위원소를 사용하면 원자핵 분열 방식을 변경할 수 있다. 연구팀은 이 원자를 중이온가속기를 사용해 원자핵을 조각내는 FRIB에 배치했다. 희귀 동위원소 빔은 빛의 절반보다 빠른 속도로 표적에 발사된다. 이 동위원소가 표적에 부딪히면 더 가벼운 동위원소 핵으로 부서지고 물리학자들은 이 동위원소를 검출하고 연구할 수 있다. 타라소프 연구팀은 198Pt의 분열 과정에서 각각 113개와 114개의 중성자를 가진 182Tm과 183Tm을 발견했다. 표준 툴륨은 69개의 중성자를 가지고 있다. 또한 각각 116개와 117개의 중성자를 가진 186Yb과 187Yb도 발견했다. 표준 이터비움은 103개의 중성자를 갖는다. 마지막으로 119개의 중성자를 가진 190Lu를 발견했다. 표준 루테튬은 104개의 중성자를 가지고 있다. 이러한 동위원소는 모두 가속기에서 여러 번 반복되는 실험에서 관찰됐다. 이는 FRIB가 이전에는 거의 연구되지 않았던 영역, 즉 중성자 수 N=126 이상의 중원소 풍부 동위원소 합성 연구에 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그동안의 연구 부진은 관심 부족 때문이 아니라 이러한 동위원소를 생성하고 검출하는 능력 때문이었다고 연구팀은 지적했다. 이는 우주 현상에서 가장 무거운 원소가 어떻게 형성되는지 이해하는 데 기여할 수 있다. 우주에서 철보다 무거운 모든 원소는 초신성 폭발이나, 중성자별 간의 충돌 등 극한의 조건에서만 생성될 수 있다. 중성자별 충돌에서 일어나는 핵합성 과정 중 하나는 급속 중성자 포획 과정(r-process)이다. 이는 킬로노바 폭발 과정에서 방출되는 자유 중성자를 원자핵이 빠르게 흡수하여 더 무거운 원소로 변환되기 시작할 때 발생한다. 이 과정을 통해 금, 스트론튬, 백금과 기타 중금속이 생성된다. 연구팀은 이번 실험을 통해 r-process를 재현하는 데 매우 가까이 다가갔다고 주장했다. 이는 곧 우주에서 가장 폭력적인 사건 중 일부에서 관찰되는 핵합성 경로 중 하나를 복제할 수 있는 도구를 갖게 될 가능성이 있다는 것을 뜻한다. 연구팀은 "국립 초전도 사이클로트론 연구소에서 사용가능했던 에너지를 능가하는 매우 강렬한 1차 빔을 포함해 FRIB의 독특한 기능은 중성자 수 N=126 이상 영역을 탐색하는 데 이상적인 시설이다"고 설명했다. 또한 "FRIB의 연구원들은 이러한 반응을 이용해 새로운 동위원소의 특성을 생성하고 식별 및 특성을 연구함으로써 핵물리학, 천체물리학 및 물질의 기본적 특성에 대한 이해를 향상시킬 수 있다"고 말했다. 이 연구는 지난 2월 미국 물리학회에서 발행하는 주간 학술지 'Physical Review Letters(PRL)'에 발표됐다.
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2024-03-05
[신소재 신기술(7)] 스위스 연구팀, 혁신적 사족 로봇 개발⋯최첨단 조작 작업 수행

스위스 연구팀이 사족 로봇이 다리만을 사용하여 최첨단 조작 작업을 수행할 수 있는 컨트롤러 '페디풀레이트(Pedipulate)'를 개발했다. 크립토폴리탄은 지난 26일(현지시간) 스위스 ETH 취리히 로봇 시스템 연구소의 연구팀이 과학 논문 온라인 저장소 아카이브(arXiv) 서버에 발표한 연구에서 사족 로봇이 다리를 사용해 복잡한 조작 작업을 수행할 수 있는 혁신적인 컨트롤러인 페디풀레이트를 개발했다고 보도했다. 페디풀레이트는 '다리를 사용하여 조작하다'라는 뜻을 가진 단어로, 사족 로봇이 다리를 사용하여 복잡한 조작 작업을 수행할 수 있도록 지원하는 혁신적인 컨트롤러다. 이 개발은 로봇 공학 분야의 중요한 도약을 의미하며, 전통적인 검사 역할 외에도 유지 보수, 가정 지원 및 탐험 활동에서 다리 로봇의 활용 가능성을 보여줬다. 로봇 공학의 격차 해소 「사족 로봇의 다리 이용 조작: 페디풀레이트(Pedipulate)」라는 제목의 이 연구는 조작을 위해 추가 로봇 팔을 필요로 하는 기존의 사족 로봇 설계에 도전했다. 기존 설계는 전력 소비와 기계적 복잡성을 증가시킨다는 설명이다. 연구팀은 사족 동물을 관찰하면서 로봇의 다리를 이동과 조작에 활용함으로써 로봇 시스템을 크게 단순화하고 비용을 절감할 수 있다는 가설을 세웠다. 페디풀레이트는 특히 우주 탐사와 같이 크기와 효율성이 중요한 분야에서 유용하다. 페디풀레이트는 딥 강화 학습을 통해 훈련되며 신경망을 사용하여 발 위치 목표를 추적한다. 이는 로봇 발과 목표 지점 간의 거리를 최소화하는 동시에 갑작스러운 움직임이나 충돌과 같은 바람직하지 않은 'bewegt(베베크트, 움직임)'를 제어한다. 이 컨트롤러는 12개의 토크 제어 관절과 각 발에 힘-토크 센서가 장착된 '애니멀 D(ANYmal D)' 로봇에서 테스트되었으며, 실제 상황에서 다리 기반 조작의 실현 가능성을 입증했다. 정밀성과 적응력 평가 컨트롤러의 성능은 시뮬레이션 및 실제 환경에서 엄격하게 평가됐다. 이는 넓은 작업 공간에 도달하는 뛰어난 능력을 보여주었으며, 시뮬레이션에서 평균 추적 오차는 0.037 미터, 실제 응용 프로그램에서 근거리 목표의 경우 0.057 미터에 달했다. 이러한 정밀도를 통해 로봇은 작업별 적응 없이 문 열기부터 암석 샘플 채취까지 다양한 작업을 수행할 수 있다. 페디풀레이트의 주요 혁신 중 하나는 적응적 명령 생성을 위한 교육 과정이다. 이 방식을 통해 로봇은 삼족 보행을 사용하여 높은 곳에 위치한 먼 거리의 목표물에 접근할 수 있다. 이 접근 방식은 로봇의 이동성을 향상시키고 명령이 고정된 로컬 제어 프레임에서 정의되기 때문에 사용자에게 더 직관적인 제어 경험을 제공한다. 결과적으로 운영자는 로봇의 움직임을 보다 손쉽게 지시하고 안내할 수 있다. 척박한 외부 환경서 작동 페디풀레이트는 다양한 분야에서 사족 로봇의 활용 가능성을 열어준다. 산업 환경에서 이 로봇은 기계 검사 및 운영과 같은 유지 보수 작업을 수행할 수 있다. 또한 가정 지원을 위해 물건 가져오기, 가전 제품 열기, 가구 재배치를 수행할 수 있다. 더욱이, 험난한 지형에서 물체를 탐색하고 조작하는 능력은 지구나 다른 행성에서 탐사 임무를 수행하는 데 적합하다. 페디풀레이트 컨트롤러는 미끄러운 표면이나 예상치 못한 힘과 같은 외부 환경에 대해 강하다. 이동과 조작을 매끄럽게 통합함으로써 이 컨트롤러는 전례 없는 효율성과 안정성을 갖춘 보다 자율적이고 다재다능한 로봇 보조 도구의 길을 열었다. 로봇 공학의 미래 로봇 공학이 계속 발전함에 따라 페디풀레이트를 개발한 스위스 연구팀의 혁신은 인간 삶의 질을 향상시키는 데 있어서 기계의 성장하는 능력을 강조했다. 이는 유지 보수, 지원 및 탐색 작업에서 가능한 일의 경계를 넓히는 역할을 한다. 이 연구 결과는 로봇 공학 분야에 크게 기여하며 로봇이 우리 일상과 작업 공간에서 더욱 중요한 역할을 수행할 수 있는 미래를 엿볼 수 있게 한다. 사족 로봇의 잠재력을 보여주는 획기적인 기술인 페디풀레이트는 다양한 분야에서 인간의 삶을 개선하는 데 기여할 것으로 기대된다. ETH 취리히 로봇 시스템 연구소의 필립 암(Philip Arm), 마얀크 미탈(Mayank Mittal), 헨드릭 콜벤바흐(Hendrik Kolvenbach), 마르코 후터(Marco Hutter)가 수행한 이 작업은 오는 5월 일본에서 열리는 'IEEE 국제 로봇 및 자동화 회의(ICRA 2024 )'에서 발표될 예정이다.
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2024-02-28
[신소재 신기술(6)] 지열로 대기 중 이산화탄소 직접 회수하는 기술 개발

미국 과학자들이 청정 지열에너지를 이용해 대기 중 이산화탄소를 직접 회수하는 획기적인 기술을 개발했다. 지열에너지는 지구 내부의 열을 활용하는 지속 가능한 에너지원 중 하나다. 지구 내부의 열은 주로 지구의 형성 과정에서 발생한 열, 방사성 붕괴로 인해 발생하는 열, 그리고 마그마의 이동 등 지구 내부의 압력으로 인한 열 등이 있다. 26일(현지시간) 싱크 지오에너지에 따르면 오하이오 주립대 연구팀이 개발한 'DACCUS'라는 시스템은 회수를 위한 에너지를 지열로 충당함으로써 깨끗하고 안전하게 공기에서 이산화탄소를 제거할 수 있다고 한다. 연구팀이 수행한 연구에 따르면 직접 공기 CO₂ 포집 기술(DACC)과 CO₂ 플룸 지열을 결합한 시스템을 개발하는 방법을 제안했다. 이들은 CO2 배출량이 거의 없이 대규모 CO2 제거가 가능한 기후 친화적인 직접 공기 CO₂ 포집, 활용 및 저장(DACCUS) 시스템을 만들 수 있다. 대기 중 이산화탄소를 회수해 지하에 가두는 기술은 대량의 에너지를 필요로 하기 때문에 잘 못하면 오히려 이산화탄소를 배출하는 결과를 초래할 수 있다. 사례 연구 분석 결과, 지층의 두께가 100미터 이상이며 최대 CO₂ 주입 속도가 연간 1MtCO2/유정으로 제한되는 조건에서, 5년간의 초기 활성화 기간(priming period)이 충분한 것으로 나타났다. 보다 두꺼운 지층의 경우, CO₂ 플룸의 지열 시스템 활용에 앞서, 5년 이상의 기간 동안 지질학적 CO₂를 저장해야 한다. 이산화탄소 포집-지하 저장 기술 지구 온난화의 주요 원인 중 하나는 화석 연료의 연소로 인해 대기 중으로 방출되는 이산화탄소다. 따라서 지구 온난화를 억제하기 위해서는 탄소 중립, 즉 탄소 배출을 줄이거나 제로(0)로 만드는 것이 중요하다. 그러나 인간의 활동에는 에너지가 필수적이기 때문에, 이산화탄소 배출을 완전히 제로로 줄이는 것은 현실적으로 어려운 과제다. 이 문제에 대한 창의적인 접근 방법 중 하나는 배출된 이산화탄소를 포집하여 지하에 저장하는 기술, 즉 '이산화탄소 포집 및 저장(CCS)' 기술이다. 이 기술은 대기 중으로의 이산화탄소 방출을 줄이는 데 기여할 수 있다. 그러나 기존의 CCS 기술은 이산화탄소 포집 효율이 낮아, 실제로는 예상과 다르게 이산화탄소 배출을 증가시킬 수 있는 역효과를 낳을 가능성이 있다. 지열에너지를 활용하면 이산화탄소를 포집하면서 동시에 발전을 진행할 수 있다. 오하이오 주립대 연구팀은 이 점에 착안해 '이산화탄소 포집 및 저장(CCS)' 기술에 지열 에너지를 통합하여 운영하는 새로운 접근 방식을 개발했다. 이들이 도입한 시스템은 'DACCUS'(직접 공기 중 이산화탄소 포집 및 활용 저장)로, 대기 중에서 직접 이산화탄소를 분리해내고 이를 지하에 저장하는 동시에, 지열을 활용해 이 과정에 필요한 에너지를 충당한다. 지열은 지속가능하고 청정한 에너지원으로, DACCUS 시스템은 이를 활용하여 대기 중의 이산화탄소를 효과적으로 포집하고 지하에 안전하게 저장한다. 이 과정에서 포집된 이산화탄소는 지하의 지열을 활용하여 지표면으로 열을 전달하는 데 사용한다. DACCUS의 혁신적인 장점은 이산화탄소를 단순히 저장하는 것에서 그치지 않고, 이를 활용하여 지열 발전을 촉진하고 발전 과정에서 에너지를 생산한다는 점이다. 이로 인해 지속 가능한 에너지 생산과 온실가스 감축이라는 이중의 이점을 동시에 달성할 수 있다. 멕시코만서 실증 실험 연구팀은 이 획기적인 시스템의 가능성을 증명하기 위해 지열이 풍부한 미국 멕시코만 지역에서 실증 실험을 진행하고 있다. 연구팀에 따르면, 멕시코만 연안에는 석탄 및 천연가스 발전 시설과 같은 CO₂의 점 공급원이 존재하며, 이산화탄소를 저장하기에 적합한 지질과 DACCUS를 가동하기에 충분한 지열이 있다. 이 시스템을 설치하면 효율적으로 이산화탄소를 회수할 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 2050년까지 멕시코만 연안의 한 지층에 25개의 DACCUS 시스템을 가동하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 통해 이 획기적인 기술의 가능성을 보여줄 수 있다. 그러나, 현재 DACCUS 시스템의 구축에는 몇 가지 도과제가 있다. DACCUS 기술을 효과적으로 활용하기 위해서는 초기 5년간 공장 등의 이산화탄소 배출원으로부터 배출되는 이산화탄소를 저장하는 과정이 필수적이다. 이 과정은 마치 펌프에 물을 채워야 물이 나오는 마중물과 같아서, 초기 단계에서 필요한 '프라이밍' 작업으로 볼 수 있으며, 이 단계를 완료해야만 대기 중 이산화탄소의 포집이 가능해진다. 2025년까지 DACCUS 기술을 적용할 수 있다면, 실제로 대기에서 이산화탄소를 제거하기 시작하는 시점은 2030년경이 될 것으로 예상된다. 마르티나 레베니와 제프리 M. 비엘리키의 이번 연구 전체 논문은 '환경 연구 편지 저널(Environmental Research Letters)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-02-27
[신소재 신기술(5)] 미국 스타트업 H2MOF, 상온 수소 저장 솔루션 개발

캘리포니아 스타트업이 인공지능(AI)을 활용해 상온 수소 저장 솔루션을 개발했다. 세계 각지에서 전 세계 수소 생산 능력 확대를 위한 투자가 이루어지고 있다. 특히 탄소 배출 없는 재생 에너지 사용을 통해 생산되는 녹색 수소에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 수소 활용의 주요한 어려움 중 하나는 저장 과정에 있다. 수소는 기체 또는 액체 상태로 저장할 수 있으며, 기존 저장 방법에는 많은 문제점들이 있다. 미국 과학 기술 전문매체 오일프라이스는 지난 24일(현지시간) 캘리포니아 스타트업 H2MOF가 AI와 첨단 연구를 활용하여 효율적인 상온 수소 저장 솔루션을 개발함으로써 다양한 산업에 혁신을 불러일으키고 있다고 전했다. 대표적인 수소 저장 기술 수소 저장 기술의 발전은 수소 및 연료전지 기술의 발전에 필수적이다. 수소는 모든 연료 중에서 질량당 에너지 밀도가 가장 높지만, 이를 연료나 가스로서 효율적으로 활용하기 위해서는 고도의 저장 기술이 요구된다. 먼저 압축 수소 저장은 현재 가장 널리 사용되는 수소 저장 방식 중 하나다. 이 방식은 수소를 높은 압력에서 저장하는 방법으로, 주로 수소 연료 전지 차량에 적용되고 있다. 액체 수소 저장 기술은 수소를 극저온에서 액화하여 저장하는 방식이다. 이 기술은 높은 에너지 밀도를 가지며 우주항공 분야 등에서 활용된다. 고체 수소 저장 기술은 금속 수소화물, 화학 수소 저장 매체 등을 활용하여 수소를 고체 형태로 저장하는 방법이다. 이 기술은 상대적으로 낮은 압력과 온도에서 수소를 저장할 수 있어 안전성이 높고, 수소 탱크의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 미국에서는 수소 및 연료전지 기술 사무소(HFTO)가 바이든 행정부의 2022 인플레이션 감축법(IRA)으로부터 자금을 지원 받아 수소 저장 시스템 기술 발전을 위한 연구 개발 활동을 진행하고 있다. 현재까지 수소 저장 기술 개발은 다양한 도전으로 인해 진전이 더디게 이루어지고 있다. 수소 저장 기술의 중요성 수소 연료 셀 기술 발전을 위해서는 효과적인 수소 저장 기술 개발이 필수적이다. 수소는 단위 질량당 가장 높은 에너지를 가지고 있지만, 에너지 손실 없이 연료를 효과적으로 활용하기 위해서는 첨단 저장 기술이 필요하다. 앞서 밝혔듯이 수소는 기체 또는 액체로 저장할 수 있다. 기체 상태에서는 고압 탱크에 저장할 수 있고, 액체 상태에서는 기체로 다시 끓는 것을 방지하기 위해 극저온(약 -252.8°C)에 저장할 수 있다. 또한 흡수 과정을 통해 고체 물질에 저장할 수도 있다. 그러나 실제 사용을 위한 수소 저장과 관련된 몇 가지 과제가 있다. 예를 들어, 현재 수소를 사용하는 운송수단은 장거리 이동에 필요한 대량의 압축 연료를 저장할 수 없다. 또한 현재의 저장 기술은 매우 비효율적이어서 이 과정에서 많은 양의 에너지가 손실된다. 상온 수소 저장 기술 2021년 설립된 캘리포니아의 스타트업 H2MOF는 이러한 문제를 해결한 상온 수소 저장이라는 혁신적인 수소 저장 기술을 개발했다고 발표했다. 이 기술은 고압 또는 저온을 사용하지 않고 압축 상태의 수소를 저온에서 안정적으로 저장하는 것을 목표로 하고 있다. 상용화에 성공한다면 차량 연료 공급 등 다양한 분야에서 수소를 실온 보관할 수 있게 된다. H2MOF는 인공지능과 컴퓨터 생성 모델을 활용하여 연구 속도를 가속화했다. 이 회사는 수소를 녹색 전환의 핵심 기술로 보고 있으며, 전기와 달리 수소는 산업 운영, 조리 및 난방과 같은 분야에서 연료로 사용될 수 있다고 강조했다. 또한 실온 저장 수소는 대용량 전지를 필요로 하는 선박이나 항공기와 같은 대형 운송 수단의 전기 동력 대체에도 사용될 것으로 기대된다. H2MOF 기술은 친환경 에너지원으로서 수소 활용을 확대하고 탄소 배출 감소에 기여할 것으로 보인다. 또한, 수소 연료 셀 자동차 보급을 촉진하고 새로운 에너지 시장을 창출할 수 있다. 그러나 H2MOF만이 유일한 수소 저장 혁신 사례는 아니다. 2023년 네덜란드의 에인트호벤 공과대학 학생 그룹은 철 펠렛(작은 철구)을 이용한 수소 저장 방법을 제안했다. 연구팀은 이를 실현하기 위해 스팀 다리미 공정을 개발했다. 이 방법은 수소와 철 산화물을 생성하는 증기 철 공정을 기반으로 한다. 생성된 철 산화물은 다시 수소와 결합하여 철로 재생되고, 이 과정을 통해 수소를 반복적으로 저장 및 방출할 수 있다. 현재 수소 저장 기술은 아직 초기 개발 단계에 있으며, 실제 산업 규모로 적용하기 위한 과제들이 남아 있다. 하지만 전 세계적인 투자 및 연구 개발 활동을 통해 수소 활용의 장애물을 극복하고 미래 에너지 전환에 기여할 것으로 기대된다. 2016년 노벨 화학상 수상자이자 H2MOF의 공동 설립자인 프레이저 스토다트는 상온 수소 저장 기술에 대해 "내가 아는 한 수소 생산은 이미 해결된 문제"라고 말했다. 그는 "수소를 생산할 수 있는 효율적인 방법은 충분히 많다. 남은 큰 과제는 저압과 상온에서 많은 양을 저장하는 방식으로 수소를 저장하는 것이다"라면서 "어떤 식으로든 우리는 당연히 거기에 도달할 것이라고 확신한다"라고 말했다.
- 포커스온
2024-02-26
[신기술 신소재(4)] 혁신적인 비독성 고품질 산화그래핀 생산 기술 개발

스웨덴 과학자들이 가장 일반적인 방법으로 생산되는 물질에 비해 결함이 훨씬 적은 그래핀 산화물을 합성하는 새로운 방법을 발견했다. 과학전문 매체 싸이키ORG는 지난 20일 스웨덴 우메오 대학 연구팀 그래핀 산화물 합성에 새로운 비독성 방법을 개발하여 기존 주요 방법보다 결함이 현저히 적은 물질을 얻는데 성공했다고 보도했다. 이전에는 유사한 품질의 그래핀 산화물을 얻기 위해서는 매우 독성이 강한 발연 질산을 사용하는 위험한 방법밖에 없었다. 그래핀 산화물은 일반적으로 산소를 제거하여 그래핀을 제조하는데 사용된다. 하지만 그래핀 산화물에 구멍이 존재하면 그래핀으로 전환될 때도 구멍이 생기게 된다. 따라서 그래핀 산화물의 품질은 매우 중요하다. 우메오 대학의 알렉산드르 탈리진(Alexandr Talyzin)박사와 그의 연구팀은 안전하게 고품질 그래핀 산화물을 만드는 방법을 발견했다. 이 연구 결과는 '카본(Carbon)' 저널에 게재됐다. 첨단 나노소재인 그래핀은 유연성, 높은 기계적 강도, 전도성 등 뛰어난 특성으로 인해 경이로운 물질로 불린다. 하지만 모든 그래핀 특성은 결함에 영향을 받는다. 그래핀 산화물로부터 제조된 그래핀은 기대보다 훨씬 낮은 기계적 특성과 전도성을 보인다. 많은 연구에 따르면 가장 많이 사용되는 '험머스(Hummers)' 방법으로 합성하면 항상 많은 결함이 생기는 것으로 나타났다. 험머스 방법은 그래핀 옥사이드(GO, graphene oxide) 제조에 널리 활용되는 대표적인 화학적 합성 기술이다. 1958년 윌리엄 험머스(William S. Hummers)와 리처드 오프만(Richard E. Offeman)에 의해 처음 소개된 이 방법은 강력한 산화제를 사용하여 그래파이트(graphite)를 산화시켜 그래핀 옥사이드를 생산하는 과정으로 이루어진다. 기존 방법들에 비해 안전성이 높고, 합성 속도가 빠르며, 환경 친화적이라는 장점을 지녀 대량 생산에 적합하며 널리 활용되고 있다. 구체적인 합성 과정에서는 황산(H2SO4)을 주요 용매로 사용하고 칼륨 퍼망가네이트(KMnO4)를 산화제로 활용한다. 엄격하게 조절된 온도 조건에서 반응을 진행하여 그래파이트를 산화시키고 그래핀 옥사이드를 생성한다. 이렇게 얻어진 그래핀 옥사이드는 물과 같은 용매에 분산될 수 있으며, 이를 통해 다양한 응용 분야와 연구에 활용될 수 있다. 특히 전자 소자, 에너지 저장 장치, 복합 재료 등 여러 분야에서 험머스 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드의 활용도가 높아지고 있다. 훨씬 오래된 '브로디(Brodie)' 방법은 거의 구멍이 없는 그래핀 산화물을 제공하지만 아직 어떤 기업도 이 유형의 그래핀 산화물을 생산하지 않고 상업적으로 이용하지 못하고 있다. 탈리진은 "단순히 너무 위험하고 산업 생산에 적합하지 않다"고 말했다. 브로디 방법은 그래핀 옥사이드 합성에 활용되는 고전적인 화학적 방법이다. 1859년 벤저민 콜린스 브로디(Benjamin Collins Brodie)에 의해 처음 소개된 이 방법은 험머스 방법과는 차별화된 접근 방식을 통해 그래핀 옥사이드를 제조한다. 브로디 방법의 핵심은 강력한 산화제인 질산(HNO3)과 염소산(KClO3)을 사용하여 그래파이트(graphite)를 산화시키는 과정이다. 험머스 방법에 비해 긴 반응 시간과 낮은 온도 조건을 특징으로 하며, 이를 통해 높은 수준의 산화와 기능화를 가진 그래핀 옥사이드를 얻을 수 있다. 장점으로는 브로디 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드는 험머스 방법으로 제조된 그래핀 옥사이드보다 높은 수준의 산화와 기능화 수준을 가진다. 이는 특정 응용 분야에서 유용할 수 있다. 또한 브로디 방법은 고도로 산화된 그래핀 옥사이드의 제조에 특히 적합하다. 반면, 브로디 방법의 단점은 긴 반응 시간과 위험한 산화제 사용 등이 있다. 험머스 방법에 비해 반응 시간이 길어 대량 생산에 적합하지 않다. 반응 조건을 엄격하게 제어해야 원하는 결과를 얻을 수 있다. 아울러 질산과 염소산은 위험한 산화제이며 취급에 주의가 필요하다. 브로디 방법은 주로 연구 목적으로 사용된다. 특히 고도로 산화된 그래핀 옥사이드가 필요한 경우 선택적으로 사용되고 있다. 이번 연구팀은 험머스 방법의 산(H2SO4)과 브로디 방법의 산화제(염소산 칼륨)를 결합하여 브로디 방법과 동일하게 결함이 적은 그래핀 산화물을 제조할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 하지만 합성 과정은 험머스 산화만큼 간단하다. 탈리진은 "이 방법은 연구팀의 바르토스 구르제다(Bartosz Gurzeda) 연구원의 이름을 따서 구르제다(Gurzeda) 방법으로 명명되어야 한다"라고 주장했다. 탈리진은 결함 없는 그래핀 산화물이 필요한 경우 구르제다 방법이 험머스 방법만큼 널리 사용될 가능성이 높다고 여긴다. 이 방법은 산소 그룹을 제거하여 그래핀을 만들거나 가스 보호 코팅, 반투과성 막, 센서 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다. 최근 10여 년 동안 그래핀 산화물 자체의 응용 분야에 대한 관심도 높아지고 있다. 층층 구조의 그래핀 산화물 재료는 해수에서 간단한 여과를 통해 식수를 생산하거나 톨루엔과 같은 유해한 유기 오염 물질을 차단하면서 물만 통과시키는 반투과성 보호 코팅 제작을 위한 막 응용 분야에서 집중적으로 연구되고 있다. 탈리진은 "저희는 연구 커뮤니티가 이 새로운 그래핀 산화물을 응용 분야에 적용하여 시험하고 차이를 확인하기를 바란다. 그래핀 산화물은 하나의 물질이 아니라 다양한 특성을 가진 물질 그룹이며 무한한 새로운 응용 가능성을 제공한다"고 말했다. 한편, 그래핀은 탄소 원자가 단원자층 두께의 이차원 결정 격자를 이루며 구성된, 탁월한 특성을 지닌 신소재다. 그래핀은 동일 두께의 다이아몬드보다 강하며, 존재하는 재료 중 최고 수준의 강도를 자랑한다. 약 130GPa의 인장 강도를 가지고 있으며, 얇음에도 불구하고 압도적인 강도를 유지한다. 또한 그래핀은 탁월한 전기 전도성을 지니고 있어, 전자가 거의 무저항으로 빠르게 이동할 수 있다. 이는 그래핀을 전자 소자, 전도성 잉크, 투명 전극 등에 유용하게 활용할 수 있게 한다. 그래핀은 압도적인 열 전도성을 가지고 있어, 열을 매우 효율적으로 전달한다. 이 특성으로 그래핀은 열 관리 분야의 핵심 소재로 주목받고 있다. 그래핀은 놀라운 유연성과 높은 신축성을 동시에 지닌다. 이러한 특징은 그래핀을 플렉서블 전자기기나 착용 가능한 웨어러블 기술에 이상적인 소재로 꼽힌다. 아울러 그래핀은 극도로 높은 투명성을 가지고 있으며, 약 97.7%의 빛을 투과시킨다. 이는 터치스크린, 라이트 패널, 심지어 태양 전지판 등의 응용 분야에서 획기적인 가능성을 제시한다. 그래핀은 뛰어난 화학적 안정성을 지니고 있어, 대부분의 환경에서 산화되거나 분해되지 않는다. 이는 다양한 화학적, 생물학적 환경에서 안심하고 활용할 수 있게 한다. 이러한 그래핀의 탁월한 특성들은 전자, 에너지, 복합 재료, 바이오메디컬 분야 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 핵심 동력이 될 것이다.
- 포커스온
2024-02-23
[신소재 신기술(3)] 리튬 금속 음극 전고체 배터리, -25~120℃에서 작동

리튬 금속 음극을 채용해 -25℃부터 120℃까지 작동하는 전고체 전지가 개발됐다. 일본의 기술 전문 매체 EE타임스는 지난 19일(현지 시간) 덴소와 큐슈대학교 연구진이 새로운 소결 메커니즘을 활용해 750℃의 저온 소결과 리튬(Li) 금속에 대한 안정성을 갖춘 '고체 전해질'을 개발했다고 보도했다. 덴소는 일본의 대표적인 자동차 부품 전문 기업으로 자동차 전자 제어 시스템, 엔진 관련 부품, 내연기관, 하이브리드 및 전기차용 시스템, 자율 주행 기술, 정보 및 통신 기술 등 다양한 분야에서 기술을 보유하고 있다. 또한, 덴소는 에어컨 시스템, 차량 내부 및 외부 조명, 제동 시스템 등과 같은 자동차 주변 시스템도 제조한다. 연구팀은 리튬 금속 음극을 사용하여 제작한 전고체 전지가 -25℃~120℃까지의 광범위한 온도 범위에서 작동하는 것을 확인했다. 재료 간 연속적으로 일어나는 상호 반응으로 인해 저온에서 소결이 진행된다. 리튬 음극 전고체 배터리의 경우 '소결'은 전기화학적인 과정을 의미한다. 리튬 음극 전고체 배터리는 리튬 금속 또는 리튬 이온의 이동을 통해 전기 에너지를 저장하고 방출하는 전지를 말한다. 소결은 이 배터리의 전극(음극) 부분을 제작하는 과정 중 하나다. 리튬 이온 배터리의 음극은 일반적으로 그래핀, 석탄 블랙 또는 다른 탄소 기반 물질로 만들어진다. 소결 과정은 이러한 물질을 압력과 온도를 가하여 밀착시키고, 전해질과 함께 전지 구조에 통합시키는 것을 말한다. 이러한 과정은 음극의 전기적 특성을 최적화하고, 전지의 성능과 안전성을 향상시키는 데 중요하다. 소결은 전지의 제조과정에서 핵심 단계 중 하나이며, 배터리의 성능과 안전성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 소결 과정은 배터리 제조 과정에서 특히 중요한 부분이다. 덴소의 임진대 연구원(당시 규슈대학교 대학원 종합이공학부 박사과정 3년)과 규슈대학교 대학원 종합이공학연구원의 와타나베 켄 조교수, 시마노에 켄고 교수 등으로 구성된 연구팀은 2024년 2월, 새로운 소결 메커니즘을 활용해 750℃의 저온 소결과 리튬 금속에 대한 안정성을 겸비한 '고체 전해질'을 개발했다고 발표했다. 산화물 전해질을 사용한 전지는 발화 등이 없어 안전성이 높다. 하지만 재료 간 접합을 위해서는 1000℃ 이상의 고온에서 소결해야 한다. 연구팀은 이때 전극재와 전해질재가 반응하는 등 배터리화가 어려웠다고 전했다. 연구팀은 지금까지 전해질 소재인 'Li7La3Zr2O12(LLZ)에 저융점 소결 보조제를 나노 수준으로 복합화해 750℃에서 소결을 실현했다. 그러나 소결 보조제를 첨가하기 때문에 음극 재료인 리튬 금속에 대한 안정성이 현저하게 떨어졌다. 이번 연구에서는 새로운 소결 메커니즘을 활용해 안전성 문제를 해결했다. 연구팀은 열분석과 미세구조 분석 결과, 'Li-Sb-O 산화물' 및 'Li-B-O 산화물'이라는 두 종류의 소결 보조제와 'CO₂'가 연속적으로 상호 반응하는 것을 확인했다. 이를 통해 (Li-)-B-O 산화물은 용융 상태를 유지하며 저온에서 소결이 진행됨을 확인했다. 이 소결 메커니즘을 활용하면 Bi를 포함한 재료 조성을 사용하지 않고도 저온 소결이 가능하다. 또한, Sb를 포함한 조성으로 변경할 수 있어 Li 금속에 대한 안정성이 높은 고체 전해질을 개발하는데 성공했다. 이온전도도는 3.1×10-4S/cm를 달성했다. 'Bi'는 화학 원소 기호로 비스무트(Bismuth)를 나타낸다. 비스무트는 주기율표의 15번째 그룹에 속하는 비금속 원소로, 주로 광산에서 추출된다. 비스무트는 주변환경에서 자연적으로 발견되며, 비스무트의 화합물은 농업, 의약품, 화장품 등 다양한 분야에서 사용된다. 아울러 비스무트는 낮은 독성을 가지고 있어서 의료용 약물로 사용되는 경우가 많다. 또한, Bi는 납의 대체재로서 전자기 기기에 사용되기도 한다. 그러나 높은 가격과 기술적인 제한으로 인해 사용이 제한될 수도 있다. Sb는 화학 원소 기호로 안티모니(Antimony)를 말한다. 안티모니는 주기율표의 15번째 그룹에 속하는 비금속 원소로, 자연적으로 화학적으로 비동정된 형태로 발견된다. 안티모니와 그 화합물은 여러 산업 분야에서 사용되며, 특히 화학, 전자, 의료, 화장품 산업에서 사용되는 경우가 많다. 안티모니의 화합물은 화장품, 화학 처리, 납의 합금, 방사선 차폐재 등 다양한 용도로 사용된다. 또한, 안티모니는 반도체 산업에서 사용되는 반도체 소재의 일부이며, 화합물로서는 일부 의약품에서도 쓰인다. 그러나 안티모니와 그 화합물은 높은 독성을 가지고 있어서 적절한 관리가 필요하다. 연구팀은 개발된 소재를 이용해 제작한 전고체전지의 특성을 평가했다. 그 결과, 상온 환경에서 60회 충전·방전 후 용량 유지율은 98.6%로 나타났다. 전고체 배터리 기술은 지속적으로 발전하고 있다. 이 기술은 전기차 및 재생 에너지 저장 시스템 등의 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 전고체 기술은 전통적인 액체 전해질 전지에 비해 안전성이 뛰어나며 에너지 밀도와 충방전 속도를 향상시키는 잠재력이 있다.
- IT/바이오
2024-02-21
[신소재 신기술(2)] 박테리아, 극한 환경서 이산화탄소 암석화 가속

일부 박테리아가 극한 조건에서 이산화탄소를 암석으로 변환하는 데 기여할 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 미국의 과학 전문 매체 뉴스사이언티스트는 지난 14일(이하 현지시간) 미국 사우스다코타 연구팀의 박테리아 연구 결과를 인용, 이산화탄소를 신속하게 암석으로 전환시킬 수 있는 미생물이 폐유정이나 버려진 가스 저장소와 같은 깊은 지하 공간에 온실가스를 저장하는 데 활용될 수 있다고 전했다. IFL사이언스는 지하 1250미터 깊이에서 발견된 특정 박테리아가 이산화탄소를 결정 형태로 변환할 수 있으며, 이러한 탄소 포집 기능을 가진 박테리아를 사용해 버려진 화석 연료 저장소에 온실가스를 안정적으로 저장할 수 있다고 지난 15일 보도했다. 미국 사우스다코타 광업기술대학의 고크체 우스투니식(Gokce Ustunisik) 교수와 그의 동료들은 워싱턴주의 퇴비 더미에서 고온과 고압을 견디는 것으로 알려진 지오바실러스 박테리아 종을 분리했다. 연구팀에 따르면 극한 환경에서 작동하는 박테리아를 활용해 이산화탄소의 광물화 과정을 가속화함으로써, 포집된 이산화탄소를 지하에 주입하고 이를 통해 온실가스를 장기간 안정적으로 저장할 수 있는 가능성이 제시됐다. 사우스다코타의 블랙힐스 지역 깊숙한 곳에는 CO₂를 고체 광물로 신속하게 변환할 수 있는 잠재력을 지닌 박테리아가 서식하고 있다. 과학자들이 이 독특한 미생물을 활용하는 방법을 개발한다면, 고갈된 화석 연료 저장소에서 온실가스를 포집하는 새로운 접근법을 제안할 수 있게 될 것으로 전망된다. 이번 연구는 이러한 박테리아가 이산화탄소를 암석으로 전환하는 과정에서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 미생물, 단 10일 만에 고체 탄산염 변환 실험실 실험에서 연구팀은 해당 미생물이 존재하는 경우와 그렇지 않은 경우에 이산화탄소가 물에 용해됐을 때의 광물화 속도를 비교했다. 연구팀은 CO₂가 저장될 수 있는 지하 깊은 곳에서 발견될 수 있는 극한의 조건, 즉 다양한 온도, 압력, 그리고 염분 조건에서 이 과정을 시험했다. 이와 함께, 여러 종류의 현무암을 사용하여 이 과정을 검증했다. 이들 미생물이 없을 경우, 연구팀은 CO₂의 광물화 과정을 관찰하지 못했다. 우스투니식 교수는 이 과정이 이상적인 지질학적 조건에서조차 보통 수년이 소요될 수 있다며, "실질적으로 영원히 걸릴 수도 있다"고 말했다. 그러나 미생물이 있을 때는 상황이 달라졌다. 우스투니식 교수에 따르면, 80°C(176°F)의 온도와 해수면 압력의 약 500배에 해당하는 극한의 조건에서 CO₂가 광물 결정 형태를 이루는 데 단 10일이 걸렸다고 한다. 유망한 미생물 후보 3 종류 소더 지오사이언스 LLC와 사우스다코타 광업기술대학의 연구팀은 최근 유전의 극심한 온도와 압력을 견딜 수 있는 탄소 격리용 미생물을 탐색하는 데 주력했다. 이 과정에서 세 가지 유망한 후보 미생물을 발견했다. 이들 중 하나는 미국 내에서 가장 깊은 곳에 위치한 사우스다코타 블랙힐스의 샌포드 지하 연구 시설의 지하 1250미터(4100피트)에서 발견된 바실러스 박테리아 종이다. 다른 두 종은 각각 고온과 고압 조건을 견딜 수 있는 지오바실러스 종과, 최대 110°C(230°F)의 고온과 바닷물의 염분 그리고 고압을 견뎌낼 수 있는 태평양 열수구에서 발견된 고온성 페르세포넬라 마리나(Persephonella marina)이다. 이들 박테리아는 압력, 온도, 산도의 극한 조건을 다루는 일련의 실험실 실험을 성공적으로 견뎌냈다. 위에서 지적했듯이 예비 연구 결과에 따르면, 이 미생물이 CO₂를 방해석 결정으로 전환하는데 최적의 조건은 해수면 압력의 약 500배 높은 압력과 80°C(178°F)온도였다. 이러한 극한의 환경에서, 해당 박테리아는 10일 이내에 CO₂를 탄산염 결정으로 변환할 수 있었다. 이 박테리아가 CO₂와 물과의 반응을 촉매하는 데에는 탄산탈수효소라는 효소가 핵심 역할을 했다. 이 효소 덕분에 박테리아는 CO₂를 효과적으로 광물화할 수 있었다. 이 연구는 작년 말 샌프란시스코에서 열린 미국 지구물리연합 회의(American Geophysical Union conference)에서 발표됐다. 폐유전·가스전, CO₂ 저장에 이상적 장소 폐유전이나 고갈된 가스전에 남겨진 공간은 포집된 CO₂를 저장하는 데 이상적인 장소로 여겨지며, 이 방법을 통해 CO₂가 대기 중으로 방출되어 온실가스로 작용하고 기후 변화를 촉진하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 박테리아는 고갈된 유전이나 가스전의 까다로운 조건에서도 CO₂를 안정적으로 격리하고, 지하 공간에 효과적으로 저장함으로써 영구적인 탄소 격리의 가능성을 제시한다. 또한 고체 탄산염은 버려진 유정에 남아 있는 액체와 가스가 새어 나오는 것을 막는 '플러그' 역할을 효과적으로 수행할 수 있다. 현재 이러한 탄소 포집 기술은 여전히 가설적인 단계에 있지만, 이 기술의 발전은 기후 위기 대응에 있어 중요한 역할을 할 수 있다. 하지만 이 기술만으로는 기후 변화 문제를 해결할 수 없으며, 화석 연료 사용 감소를 위한 노력과 함께 지속 가능한 에너지 시스템 구축을 위해 노력이 필요하다.
- 포커스온
2024-02-19
[퓨처 Eyes(23)] 콘크리트보다 강하고 환경친화적인 차세대 건축자재 '페록'

기존 콘크리트보다 5배 강하고 이산화탄소(CO₂)를 흡수하는 환경친화적인 건축 자재 페록이 개발됐다. 콘크리트가 건축 자재로 사용되기 시작한 시기는 고대 로마 시대로 거슬러 올라간다. 로마인들은 기원전 3세기경부터 콘크리트를 사용하기 시작했으며, 이를 활용해 수많은 건축물, 교량, 도로 등을 건설했다. 로마 콘크리트는 화산재와 석회석을 혼합한 것으로, 현대 콘크리트의 전신이라 할 수 있다. 그 당시에 건설된 많은 구조물들이 오늘날까지도 남아 있어 그 내구성을 입증하고 있다. 미국 애리조나 대학에서 개발된 '페록(Ferrock)'이라는 새로운 건축 자재가 과학 저널을 통해 최근 또 다시 주목받고 있다. '페록(Ferrock)'은 '철'과 '돌'이 결합된 용어다. 시멘트 대용품으로 사용되는 친환경 건축 자재인 페록은 주로 폐철강 분진과 유리 분쇄물에서 나온 실리카 등 재활용 재료로 생산된다. 철강 분진은 이산화탄소와 반응해 탄산철을 생성하고, 이것이 응고되면 페록이 된다. 미국 매체 쿨다운(TCD)에 따르면 페록은 기존 콘크리트보다 강하면서 환경친화적이라는 특징을 지니고 있어 건물이나 인프라 구조물 설계에 혁신을 가져올 수 있다는 평가를 받고 있다. 강철 분진과 실리카의 혼합물을 철암 및 물과 혼합하고 고농도의 이산화탄소에 노출시키면 페록 경화 과정이 진행된다. 페록의 강도는 일반 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트의 5배에 달한다. 또한 기존 콘크리트에 비해 더 유연하다. 균열 없이 움직임과 압력을 견디는 페록은 콘크리트에 비해 지진에 의한 압축 하중을 더 많이 견딘다. 일반적으로 페록 강도는 34.5 Mpa(메가파스칼)에서 48 Mpa 사이이며 일부 페록 테스트에서는 69 Mpa에 도달했다. 갓 만들어진 페록은 빠르게 굳으며 최대 강도에 도달하는 데 약 1주일이 걸린다. 페록의 개발은 10여 년 전, 데이비드 스톤 박사 연구원이 시멘트 대체재 개발 대회에서 폐철강 분진을 사용해 우승하면서 시작됐다. 2013년 특허를 획득한 스톤 박사는 '아이언쉘(Iron Shell)' 회사를 설립해 페록 상용화에 나섰다. 스톤 박사는 "실험실에서의 우연한 발견에서 시작됐다"라고 말했다. 보다 지속 가능한 건축 산업 혁신은 짚을 포함한 모든 종류의 재료를 사용하는 전 세계 연구자들의 관심사다. 폐 철강도 바로 여기에 속한다. 건설업계 전문지 사이언스다이렉트(ScienceDirect)에 따르면 페록은 기존 콘크리트보다 압축 강도 13.5%, 인장 강도 20%, 휨 강도 18%가 강하다. 또한 주재료인 철강 분진과 유리 분말을 포함해 페록 제조 과정에 사용되는 재료의 95%는 재활용 재료로 이루어져 비용 효율이 높은 것으로 알려졌다. 아울러 경화 과정에서 특별한 화학 반응을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수해 오염을 줄이는 효과도 있다. 전 세계 시멘트 연간 생산량은 40억 톤이며, 제조 과정에서 지구 대기 오염의 8%를 차지한다고 로이터통신은 전했다. 현재 공개된 페록 사진은 벽돌 모양의 슬라브와 굳어서 벽을 형성하는 슬러리 형태를 보여준다. 보고서는 폐철강 확보 등 과제가 아직 남아있지만 소규모 프로젝트부터 적용 가능하다고 전했다. 페록 외에도 콘크리트보다 더 강한 신소재에 대한 연구는 다양한 분야에서 활발히 이루어지고 있다. 그래핀이나 탄소 나노튜브, 고성능 폴리머,금속 매트릭스 복합 재료 등의 신소재들은 건축, 항공, 자동차 등 여러 산업에서의 응용 가능성을 탐색하고 있다. 먼저 그래핀은 탄소 원자가 2차원 평면상에서 벌집 모양의 격자를 이루는 형태로, 강철보다 약 100배 강하면서도 매우 가벼운 물질이다. 그래핀은 높은 전도성, 유연성, 투명성을 가지며, 이러한 특성으로 인해 전자기기, 에너지 저장 장치, 심지어 건축재료에 이르기까지 광범위한 응용이 기대되고 있다. 탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes, CNTs)는 그래핀을 원통형으로 말아 만든 나노스케일의 튜브 형태로, 뛰어난 인장 강도와 탄성 모듈러스를 가지고 있다. 이러한 속성으로 탄소 나노튜브는 항공우주, 군사, 스포츠 용품 등의 고성능 재료에 유용하게 활용될 수 있다. 고성능 폴리머 등 여러 고분자 재료들은 새로운 제조 기술과 결합해 콘크리트보다 훨씬 강하면서도 가벼운 신소재를 만드는 데 사용된다. 이들은 높은 내구성, 우수한 열 저항성 및 화학 저항성을 제공한다. 금속 매트릭스 복합재료(Metal Matrix Composites, MMCs)는 금속을 기반으로 해 다른 금속이나 비금속 재료를 강화재로 추가하여 제작된다. 이러한 복합재료는 원래 금속의 좋은 성질에 강화재의 특성을 더해, 더 높은 강도와 경도, 개선된 내구성을 제공한다. 그밖에 세라믹 매트릭스 복합재료(Ceramic Matrix Composites, CMCs)는 세라믹을 기반으로 하며, 강화재로 탄소 나노튜브나 그래핀 같은 나노물질을 사용할 수 있다. 이들은 높은 온도에서의 안정성, 낮은 밀도, 뛰어난 내마모성 등을 제공한다. 이러한 신소재들은 각각의 독특한 특성으로 인해 콘크리트와 같은 전통적인 건축 재료를 대체하거나, 그 성능을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 연구와 개발이 계속됨에 따라, 페록과 그래핀 등 신소재들의 생산 비용이 절감되고, 더 넓은 적용 범위와 함께 실용화될 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-02-15
[신소재 신기술 (1)] 자율 주행차, 공항 점령…수하물 처리 혁신

자율 주행차가 싱가포르 창이공항과 미국 신시내티 공항에 투입돼 수하물 처리 혁신을 예고했다. 자율 주행차, 또는 자동 운전 차량은 인공지능(AI), 센서, 카메라, 레이더, 지능형 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 인간 운전자의 개입 없이 스스로 운행할 수 있는 차량을 말한다. 이 기술은 차량이 도로 상황을 인식하고, 결정을 내리며, 주변 환경과의 상호작용을 통해 목적지까지 안전하게 이동할 수 있도록 설계됐다. 자율주행차는 여러 단계의 자율성을 갖추고 있으며, 이는 국제자동차기술자협회(SAE)에 의해 0단계(비자동화)부터 5단계(완전 자율주행)까지 분류된다. 0단계는 자동화된 기능이 없는 상태를, 5단계는 어떠한 상황에서도 인간 운전자의 개입 없이 운행할 수 있는 차량을 의미한다. 싱가포르 매체 인디펜던트는 14일 창이공항에 오리고(Aurrigo)의 완전히 전기로 작동하는 자율주행 수하물 및 화물 트랙터인 오토 돌리터그(Auto-DollyTug®) 3세대가 출시돼 항공 산업을 변화시킬 흥미로운 혁신을 시작했다고 전했다. 오리고는 자율주행 버스를 개발한 영국 회사로, 이 회사의 자율주행 버스는 런던과 싱가포르, 미국서 운행되고 있다. 창이공항은 2023년 2월, 운영과 승객 경험에 영향을 미치는 활주로의 인력 문제를 해결하기 위한 노력의 일환으로 창이공항 그룹(CAG)이 제5터미널에서 자율주행 솔루션을 시험하기 위해 자원을 투자했다고 발표했다. 수하물 트랙터 운전 자동화 시험은 2022년 2월에 시작됐으며, 싱가포르 민간항공청(CAAS)이 항공 개발 기금(ADF)을 통해 일부 자금을 지원했다. 제5터미널 특수 시스템은 지난 1일 공항 운송 기술 분야의 세계적인 선도 기업인 오리고와 함께 자율 개별 수하물 트레일러인 오토 돌리와 오토 돌리터그(Auto-DollyTug) 3세대를 테스트하기 시작했다. 데이비드 킨 오리고 최고경영자(CEO)는 "오토 돌리 터그는 완전히 새로운 개념을 바탕으로 개발됐다. 기존 트랙터를 변형해 단순히 화물 컨테이너를 끌고 다니는 방식이 아니라, 컨테이너를 본체에 직접 실어 운반할 수 있으며 길이를 늘리지 않고도 운반 능력을 최대화할 수 있다. 또한 자율적으로 컨테이너를 JCPL 또는 하이 로더에 직접 연결할 수 있다"고 설명했다. 오토 돌리터그 3세대는 싱가포르 창이공항에서 2세대 모델의 광범위한 활주로 테스트를 통해 얻은 경험을 바탕으로 설계됐다. 싱가포르 창이 공항 터미널 5 전문 시스템 부서 부사장이자 셈바왕 선거구 의원인 포 리 산(Poh Li San) 여사는 "창이공항은 특히 활주로 운영 자동화를 위해 서로 다른 차량 사용을 검토하고 있다. 최신 오토 돌리터그는 활주로에서 첫 선을 보였으며, 역동적인 공항 환경에서 어떤 성능을 보여줄지 기대된다"라고 말했다. 신시내티 공항, 자율 수하물 처리 전기차 배치 미국 신시내티 노던 켄터키 국제공항(CVG)도 '로봇 팔'이 장착된 전기 자율주행 차량인 오토-돌리터그를 사용하여 항공 노선에서 수하물과 화물을 처리하고 있다. 지난 6일 TT뉴스에 따르면 영국 자율 주행 기술 제조업체 오리고는 픽업부터 적재까지 완전 자율화된 공항 예인선 솔루션을 선보였다. 이는 업계 최초의 기능으로, 인력(운전사) 없이 효율적이고 안전한 화물 운송을 가능하게 한다고 이 매체는 전했다. 오리고 전략 및 운영 담당 부사장 테닐 휴스턴(Tenille Houston)은 "이는 픽업부터 적재까지 완전 자율 솔루션을 제공하는 업계 최초의 기능"이라고 말했다. 그는 또한 "오리고는 국제항공그룹(IAG)과 협력하여 공항에 예인선을 배치하고 있으며, 이번 솔루션은 공항 운영의 효율성과 안전성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다"라고 덧붙였다. 오리고는 영국항공 및 기타 국제 항공사의 모기업인 국제항공그룹(IAG)과 협력해 공항에 자율 주행 예인선을 배치하고 있다. 이번 협력을 통해 오리고는 자율 주행 기술을 활용하여 공항 운영 효율성을 높이고 안전성을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-02-14
UNIST, 실시간 변형 가능 메타 물질 개발

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 실시간으로 모양과 성질을 바꿀 수 있는 물질을 개발했다. 5일 UNIST 발표에 따르면, 신소재공학과 김지윤 교수와 제1저자 최준규 연구원 등 연구팀은 세계 최초로 실시간으로 물질의 모양과 특성을 조절할 수 있는 메타 물질을 개발했다. 기존 메타 물질은 설계된 모양과 특성을 바꿀 수 없거나 제한적으로만 변화할 수 있었지만, 이번 연구에서 개발된 메타 물질은 실시간으로 적재적소에 사용할 수 있다는 점이 특징이다. 메타 물질은 자연에 존재하는 물질과는 달리 특별한 물리적 특성을 가지도록 설계된 인공 물질이다. 예를 들어, 젤리와 같은 일반적인 물질은 세로 방향으로 누르면 가로가 늘어나지만, 메타 물질은 세로 방향으로 눌러도 가로가 줄어들 수 있다. 이러한 특성은 건축, 항공, 로봇 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 다시 말하면, '메타 물질'은 일반적인 물질과는 다르게 극미세한 구조나 특수한 물성을 가진 물질을 지칭하는 용어다. 이러한 물질은 전자파 등의 에너지를 특별한 방식으로 상호 작용하거나 제어할 수 있는 특성을 갖고 있다. 최근의 연구에서는 메타 물질을 사용하여 광학 장치, 플렉서블 전자기기, 에너지 효율적인 소자 등의 다양한 응용 분야에서 혁신적인 기술이 개발되고 있다. 메타 물질은 주로 나노 기술이나 메타물질 공학을 통해 디자인되며, 다양한 형태와 특성을 갖추고 있다. UINST 연구팀은 메타 물질의 기본 단위 구조인 메타 픽셀에 액체 또는 고체로 변하게 만드는 녹는 점이 낮은 합금을 융합했다. 이어 융합된 합금의 상태가 변화하는 것을 픽셀 단위로 조절하면서 메타 물질의 다양한 성질을 구현했다. 또한, 융합된 합금을 활용하여 디지털 패턴의 정보(0=액체, 1=고체)를 표현하며, 사용자는 실시간으로 디지털 패턴 명령어를 입력할 수 있도록 설계됐다. 입력된 디지털 패턴을 통해 메타 물질의 모양, 강도, 변형 비율 등이 실시간으로 조절된다. 연구팀은 개발한 메타 물질의 활용하여 '적응형 충격 에너지 흡수 물질'을 시연했다. 이 물질은 예측하지 못한 상황에서 발생하는 충격에 따라 성질을 적절히 변형하고, 보호하는 대상에 전달되는 힘을 최소화해 손상이나 부상의 가능성을 줄였다. 연구팀은 또 메타 물질을 원하는 장소와 시간에 힘을 전달할 수 있는 '힘 전달 재료'로 성공적으로 활용했다. 김지윤 교수는 "개발한 메타 물질은 기존의 다양한 디지털 기술과 기기뿐만 아니라 딥러닝 등 인공지능 기술과도 원활하게 호환될 수 있다"며 "스스로 학습하고 주변 환경에 적응할 수 있는 혁신적인 신소재의 첫걸음이 될 것"이라고 말했다. 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 표지 논문으로 선정돼 지난달 25일 정식 출판됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 한국재료연구원 지원을 받았다.
- IT/바이오
2024-02-05
중앙대, 그린수소 생산 혁명 루테늄 촉매 개발

수소경제 시대를 앞두고 친환경적인 수소 생산 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 이 가운데 최근 중앙대학교 첨단재료공학과 연구팀이 차세대 수소 전극 촉매로 주목받는 루테늄 촉매의 성능을 획기적으로 향상시킨 연구 결과를 발표했다. 미국 과학 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 중앙대학교 첨단재료공학과 장해성 교수 연구팀이 아연으로 도핑한 루테늄 산화물(SA Zn-RuO2) 촉매를 개발했다고 지난 21일(현지시간) 자세히 소개했다. 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 안정성과 반응성이 향상된 것이다. 수소는 화석연료 대체 에너지원으로 각광받고 있지만, 현재까지 주로 천연가스 개질을 통해 생산되는 '회색 수소'는 환경오염 문제를 해결하지 못하고 있다. 반면, 물과 전기를 이용하여 생산되는 '녹색 수소'는 온실가스 배출 없이 순수한 수소를 확보할 수 있는 친환경 에너지원으로 각국 정부와 기업들의 핵심 투자 분야로 떠오르고 있다. 하지만 현재 녹색 수소 생산 기술은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 가장 큰 걸림돌은 산성 전해수를 이용하는 '양극 산화반응(OER)' 촉매의 효율성과 안정성이 부족하기 때문이다. 이 때문에 경제적인 녹색 수소 생산량을 늘리기 어려운 상황이다. 루테늄 촉매로 획기적인 성능 향상 연구팀은 기존 상용 루테늄 촉매에 아연(Zn) 원자를 도핑하는 기술을 개발하여 기존 촉매에 비해 훨씬 높은 반응성과 안정성을 확보했다. 기존 루테늄 촉매는 전류밀도를 높이면 빠르게 성능이 저하되는 반면, 연구팀이 개발한 촉매는 높은 전류밀도에서도 지속적으로 안정적인 수소 생산을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 이 신소재 촉매는 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 대신 상대적으로 저렴한 루테늄을 사용함으로써 녹색 수소 생산 비용을 크게 낮출 수 있는 장점도 지니고 있다. 결과적으로 연구팀의 성과는 녹색 수소 경제 실현에 한 걸음 더 다가선 중요한 결과라 할 수 있다. 차세대 전극 촉매의 길을 여는 돌파구 연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 더욱 효율적이고 안정적인 차세대 촉매 개발에 힘을 쏟을 계획이다. 이를 통해 친환경 수소 생산 기술 발전을 촉진하고 우리나라 수소경제 선두 국가 진출에 밑바탕을 마련할 것으로 기대된다. 연구팀은 기존 루테늄(RuO2) 촉매에 단일 아연(Zn) 원자를 도핑하고 산소 공백을 도입하는 이중 기술을 개발하여 안정성과 활성을 동시에 높이는 데 성공했다. 'SA Zn-RuO2(단일 아연 도핑 루테늄 산화물)' 촉매라고 명명한 신소재는 산소 공백과 Zn-O-Ru(아연 산소 루테늄) 결합을 통해 기존 촉매의 한계를 효과적으로 극복했다. SA Zn-RuO2 촉매는 유기 골격 구조물을 루테늄과 아연 원자로 가열하여 합성하는데, 이 과정에서 산소 공백과 Zn-O-Ru 결합이 형성된다. 이러한 결합은 두 가지 방식으로 촉매를 안정화한다. 첫째, Ru-O 결합을 강화하여 촉매 구조를 지탱한다. 루테늄-산소 결함은 촉매의 구조적 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 루테늄-산소 결합이 강하면 촉매가 쉽게 분해되는 것을 방지할 수 있다. 둘째, 아연 원자로부터 전자를 공급하여 산화 과정에서 루테늄의 과도한 산화를 막는다. 또한 향상된 전자 환경은 반응 물질이 촉매 표면에 흡착하는 데 필요한 에너지를 낮춰 반응 속도를 증진시킨다. 장 교수는 연구 배경에 대해 "산성 전해수를 이용하는 수소 생산 기술에서 효율적이고 저렴한 대체 촉매 개발 필요성에 따라 연구를 시작했다"고 밝혔다. 그는 "이번 연구를 통해 단일 아연 도핑과 산소 공백 도입이라는 이중 기술을 통해 산성 환경에서 안정성과 활성을 균형 있게 높이는 전략을 제안한다"고 덧붙였다. 수소 생산 비용 절감 장 교수 연구팀의 실험 결과 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 과전위가 57mV 낮고, 43시간 동안 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. 과전위는 촉매가 반응을 일으키는 데 필요한 전기 에너지의 양으로, 과전위가 낮을수록 효율이 높아진다. 즉, 아연 도핑 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 더 적은 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있다는 의미이다. 또한, 아연 도핑 루테늄 산화물 촉매는 43시간 동안 안정적으로 작동하는 것으로 나타났는데, 이는 기존 루테늄 산화물 촉매의 수명에 비해 크게 향상된 것이다. 연구팀은 "아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 비용 효율적이고 활성 및 내산성 전기 촉매의 개발에 영향을 미칠 가능성이 있다"며 "이는 수소 생산 비용을 절감하고 녹색 수소 생산을 향상시켜 청정 에너지원으로의 전환과 지속 가능한 기술의 발전에 도움이 될 것"이라고 기대했다. 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매의 개발은 지속 가능한 수소 생산에 새로운 돌파구를 마련했다는 평가를 받고 있다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 안정성 문제가 있어 실용화 가능성이 낮다는 지적을 받아왔다. 하지만 이번에 개발된 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 안정성과 반응성이 모두 향상돼 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다. 연구팀은 "향후 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매의 성능을 개선하고 대량 생산 기술을 개발해 실용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다. 이 연구는 지난 1월 '에너지 화학 저널(Journal of Energy Chemistry)' 88권에 발표됐다.
- 산업
2024-01-26
KAIST, 뼈 손상 치료에 혁신적 '뼈 반창고' 신소재 개발

국내 과학자들이 금이 간 뼈 조직의 성장을 촉진하는 '뼈 반창고' 역할을 할 수 있는 신소재를 개발했다. 뼈 재생은 복잡하고 기존의 골 이식 및 성장 인자 전달 등과 같은 재생을 할 경우, 높은 단가 발생 등의 한계가 있었다. 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 전남대학교 융합바이오시스템기계공학과 김장호 교수 연구팀과 협업을 통해 하이드록시아파타이트(HAp)의 고유한 골 형성 능력을 활용해 압력을 가했을 때 전기적 신호가 발생하는 압전 생체 모방 지지체를 개발했다다고 25일 발표했다. 하이드록시아파타이트는 뼈나 치아에서 발견되는 염기성 인산칼슘으로 생체 친화적인 특징이 있으며, 충치를 예방하는 특성이 있어 치약에도 쓰이는 미네랄 물질이다. 이전의 압전 지지체 관련 연구들은 압전성이 뼈 재생을 촉진하고 골 융합을 향상하는 효과를 다양한 고분자 기반 소재에서 확인했지만, 최적의 골조직 재생에 필요한 복잡한 세포 환경을 모사하는 데 한계가 있었다. 그러나 이번 연구에서는 하이드록시아파타이트 고유의 골 형성 능력을 활용해 생체의 골조직 환경을 모방하는 소재를 개발해 새로운 방법을 제시했다. 홍승범 교수 연구팀 소속 주소연 박사과정 학생과 김소연 석사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 2024년 1월 4일 국제학술지 '응용재료와 표면(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재됐다. 연구팀은 하이드록시아파타이트를 고분자 필름과 융합하는 제조 공정을 개발했다. 이 공정으로 제작된 유연하고 독립적인 지지체는 실험 쥐를 대상으로 한 체외 및 체내 실험에서 뼈 재생을 가속하는 놀라운 잠재력을 입증했다는 것이 연구팀의 설명이다. 또한, 연구팀은 동 지지체의 골 재생 효과의 원인을 다각도로 밝혀냈다. 원자간력 현미경(AFM) 분석을 통해 지지체의 전기적 특성을 조사했으며, 세포 모양과 세포 골격 단백질 형성에 대한 상세한 표면 특성 평가를 진행했다. 또한, 압전과 표면적 요소가 성장 인자 발현에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 홍승범 신소재공학과 교수는 "뼈의 재생 속도를 가속화시키는 효과를 통해 '뼈 반창고' 같은 역할을 하는 하이드록시아파타이트 융합 압전성 복합소재를 개발했다"며, "이번 연구는 생체 재료 설계에 새로운 방향성을 제시하는 데에 그치지 않고, 압전성과 표면적 특성이 뼈 재생에 미치는 영향을 탐구한 데에 의의가 있다"고 강조했다. 압전성이란 물질에 변형이나 응력을 가하면 전기적인 분극이 발생하거나, 반대로 물질을 전자장에 두면 변형이나 응력이 발생하는 현상이다. 한편, 지난해 11월 카톨릭대 은평성모병원 정형외과 박형열 교수와 서울성모병원 정형외과 김영훈 교수 연구팀은 척추 골절을 입은 환자에게 수술로 '골형성 단백질'을 주입하면 빠르게 뼈를 재생 시킬 수 있다는 사실을 입증했다. 골형성 단백질은 척추와 치아 등 손상 부위의 뼈 재생 속도를 높이는 성장인자인데, 다양한 임상 분야에서 활용 범위가 확대되고 있다. 최근 연구에서는 퇴행성 척추 질환에 척추 유합술을 할 때 골형성 단백질을 사용하면 유합률이 100%에 가까운 것으로 나타났다. 척추 유합술은 골절이나 퇴행성 질환 등 척추에 발생하는 여러 종류의 병변을 치료하기 위해 시행되는 수술이다. 그동안 척추 골절 치료 분야에서 골형성 단백질을 활용해 뼈 재생을 촉진하는 결과를 확인한 연구는 없었는데 이번 연구를 통해 학계 최초로 같은 효과가 있다는 것을 증명했다.
- IT/바이오
2024-01-26

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