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2024-11-13 (수)

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[퓨처 Eyes(53)] 세계 최초, 나노 크기 물방울 생성 실시간 포착

수소와 산소를 결합하는 과정을 통해 나노크기의 물방울 생성 장면이 처음으로 포착됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀이 은백색 금속인 팔라듐(Pd)을 이용해 수소와 산소를 결합, 나노 크기의 물방울을 실시간으로 생성하는 과정을 세계 최초로 관찰하고 촬영하는 데 성공했다. 이 연구는 심우주 탐사에서 물을 생산하는 혁신적인 기술로 활용될 가능성을 제시하며 주목받고 있다. PHYS.org, IFL사이언스, 사이언스 얼러트 등 다수 외신이 이 같은 내용을 중점적으로 다루었다. 팔라듐 반응으로 나노 물방울 생성 물(H₂O)의 성분은 간단하다. 수소 원자 2개와 산소 원자 1개를 섞으면 지구 생명체 유지에 가장 중한 물 분자가 만들어진다. 연구팀은 팔라듐 반응을 직접 관찰하기 위해 20나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 너비의 팔라듐 조각 표면에 수소와 산소 원자를 추가하고 멤브레인을 사용해 이어지는 상호작용을 포착했다. 팔라듐은 수소를 흡수하고 저장하는 능력이 뛰어난 금속으로, 수소가 팔라듐 구조 내부로 들어가 산소와 빠르게 결합하면서 물을 생성한다. 이번 연구에서는 벌집 모양의 나노 반응기와 초박막 유리 멤브레인을 사용해, 팔라듐 표면에서 수소와 산소가 결합해 물방울을 형성하는 과정을 실시간으로 시각화했다. 연구팀은 고진공 투과 전자 현미경을 이용해 이 극미세 반응을 관찰했다. 벌집 모양의 나노 반응기는 기체 분자를 가두어 서로 반응하게 한 후, 그 과정을 초박막 멤브레인을 통해 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 구현했다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐이 수소와 산소를 빠르게 물로 변환하는 나노 단위의 과정을 확인했다. 전자 에너지 분광법을 통한 분석 연구팀은 팔라듐 표면에서 생성된 나노 크기의 물방울을 전자 에너지 분광법(EELS)을 사용해 분석했다. 이 방법은 전자를 시료에 쏘아 전자의 에너지 손실을 측정함으로써 시료의 화학적 결합 상태를 파악하는 기술이다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐 표면에서 발생하는 물 분자의 결합 상태와 생성 과정을 정밀하게 관찰할 수 있었다. 이는 또한 인도의 달 탐사선 찬드라얀 1호가 달에서 물의 존재를 확인하는데 사용된 것과 동일한 기술이기도 하다. 2008년 발사된 찬드라얀 1호는 얼름, 헬륨-3을 포함한 달의 자원을 조사했다. 물은 인류 생존에 중요한 요소로 과학자들은 달의 남극에서 상당한 양의 물을 발견했으며, 미래의 우주 임무에서 달의 물을 활용하는 점에 주목하고 있다. 게다가 지난 2023년 8월 23일 찬드라얀 3호가 달에서 물이 풍부한 지역으로 알려진 남극 지역에 세계 최초로 착륙해 달 탐사의 새로운 이정표를 세웠다. 우주에서 물 생성 응용 가능성 이번 연구는 심우주 탐사에서 물을 현지에서 생산할 수 있는 가능성을 열었다. 팔라듐을 이용해 수소를 미리 우주선에 저장해두면, 우주 비행사들은 산소만 추가해 식수를 생산할 수 있는 방법을 제시한 것이다. 이는 달, 화성,목성 탐사와 같은 장기 우주 미션에서 중요한 자원 확보 방식으로 활용될 수 있다. 연구의 시니어 저자인 노스웨스턴 대학교 비나약 드라비드 교수는 "나노 규모의 물방울을 직접 시각화함으로써, 극한의 반응 조건 없이도 가스와 금속 촉매를 사용해 빠르게 물을 생성할 수 있는 최적의 조건을 파악할 수 있었다"고 밝혔다. 그는 "이 기술은 우주 환경뿐만 아니라, 수소 연료 전지와 같은 에너지 생산 기술에도 중요한 영향을 미칠 것"이라고 덧붙였다. 팔라듐의 촉매 역할과 수소 에너지 팔라듐은 연성과 전성이 뛰어나 가공하기 쉽고, 내부식성이 강하며 고온에서도 안정적이다. 특히 촉매 활성이 뛰어나 다양한 화학 반응에 활용되며, 수소를 흡수하는 능력 덕분에 최근 수소 에너지와 연료 전지 분야에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이번 연구는 팔라듐이 수소와 산소를 결합해 물을 생성하는 속도가 수소와 산소의 주입 순서에 따라 크게 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 공간과 같은 특수 환경에서 물을 효율적으로 생산하는 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다. 영화 '마션'의 현실화 연구팀은 영화 '마션'에서 주인공 마크 와트니(맷 데이먼 분)가 화성에서 로켓 연료를 태워 수소를 추출하고 산소와 결합해 물을 만든 장면을 언급하며, "우리 기술도 극한 환경 없이 팔라듐과 기체만으로 물을 생성할 수 있다"고 설명했다. 이는 우주 탐사에서 더 간단하고 효율적인 물 생산 방법을 제시한 것이다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재되었으며, 향후 우주 탐사 및 수소 에너지 분야에서 중요한 응용 가능성을 제시하고 있다.
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2024-10-11
[신소재 신기술(95)] 옥스포드대, '초박막 태양전지' 개발⋯에너지 패러다임 전환 예고

영국 옥스포드 대학교 물리학과 연구팀이 기존 실리콘 태양광 패널을 대체할 수 있는 초박막 태양전지 기술을 개발해 에너지 패러다임 전환의 가능성을 제시했다. 이 기술의 핵심은 햇빛에 노출된 물체 외부에 부착할 수 있는 초박막 태양전지 필름이다. 이 필름은 빛을 흡수하는 페로브스카이트를 여러 겹으로 쌓아 1미크론 두께로 제작됐다. 기존 실리콘 웨이퍼보다 150배 얇으면서도 5% 더 높은 에너지 효율을 자랑한다. 특히, 일본 산업기술종합연구소(AIST)의 엄격한 인증을 통과하며 27% 이상의 에너지 효율을 공식적으로 인정받았다고 AZO클린테크가 전했다. 연구팀은 이 기술을 통해 태양광 장치의 에너지 효율을 궁극적으로 45% 이상까지 끌어올릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한, 매우 얇고 유연한 필름 형태로 제작되어 건물, 자동차, 심지어 휴대폰 뒷면 등 다양한 일상 생활에서 사용되는 사물의 표면에 부착 가능하다는 점에서 건설 및 설치 비용 절감 효과도 기대된다. 이는 태양광 발전소 보급 확대와 지속 가능한 에너지 사용 증진에 기여할 것으로 전망된다. 연구팀의 준케 왕 박사는 "이번 기술은 태양 에너지를 가장 지속 가능한 재생 에너지원으로 만들면서 비용 절감까지 가능하게 할 것"이라며 기대감을 드러냈다. 이번 연구는 옥스퍼드 대학교 물리학과 헨리 스나이스 교수의 지도 아래 약 30명의 전문가가 참여했다. 이들은 약 10년 전부터 박막 페로브스카이트 기술 개발에 주력해왔다. 스나이스 교수는 "우리 실험실에서 시연된 태양광 소재 및 기술의 최신 혁신은 기존 건물, 차량 및 물체를 사용하여 더욱 지속 가능하고 저렴하게 태양 에너지를 생성하는 재료를 제조하는 새로운 산업을 위한 플랫폼이 될 수 있다"고 말했다. 한편, 페로브스카이트 소재는 5년 만에 에너지 효율이 6%에서 27%로 비약적으로 발전했지만, 습기에 취약하여 안정성이 떨어지는 문제가 남아있다. 그럼에도 불구하고, 태양 에너지 가격은 지난 10년간 90% 하락하며 경제성을 확보했고, 이는 전 세계 태양광 발전소 증가에 기여했다. 최근 미국과 구글 등이 태양 에너지 인프라 확대에 적극적으로 나서고 있는 가운데, 옥스퍼드 대학교의 이번 연구는 태양 에너지 시대를 앞당기는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다.
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2024-08-13
[신소재 신기술(86)] MIT, 전자 산업 혁신 이끌 초박형 강유전체 트랜지스터 개발

나노초 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있는 혁신적인 초박형 트랜지스터가 개발됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀은 2021년 개발한 강유전체 물질을 사용해 나노초 속도로 스위칭하는 트랜지스터 만들었다고 IT 전문 매체 톰스 하드웨어와 테크 익스플로어 등 다수 외신이 보도했다. 강유전체 물질은 외부 전기장 없이도 스스로 양극(+) 과 음극(-)으로 나뉘어 전기적 분극을 갖는 특별한 물질이다. 외부 전기장을 가하면 분극 영향이 바뀌는 특징이 있으며 이러한 특징을 활용해 정보 저장, 센서, 엑추에이터 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 2021년 MIT 물리학자들이 개발한 새로운 초박형 강유전체는 양극 및 음극 전하가 서로 다른 층으로 분리되는 획기적인 특징을 가지고 있어 컴퓨터 메모리 분야 등 다양한 홯용 가능성이 제시된 바 있다. 최근 동일 연구팀은 해당 소재를 활용해 초박형 트랜지스터를 제작하고, 기존 전자기기 산업을 변화시킬 수 있는 혁신적인 특성을 입증했다. MIT 연구팀은 강유전체 소재 트랜지스터가 전자공학에 혁명을 일으킬 수 있다고 말했다. 연구팀은 실험실에서 단일 트랜지스터를 기반으로 연구를 진행했지만, 해당 트랜지스터가 현재 생산되는 강유전체 트랜지스터의 산업 표준을 여러 측면에서 충족하거나 능가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 연구를 주도한 파블로 자릴로-헤레러 MIT 물리학 교수는 "이번 연구는 기초 과학이 응용 분야에 매우 중대한 영향을 미칠 수 있는 극적인 사례 중 하나"라고 강조했다. 새로운 트랜지스터는 1나노초(10억분의 1초) 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있을 정도로 매우 빠른 속도를 자랑하며, 1000억회 이상 스위칭 후에도 성능 저하 없이 작동할만큼 내구성이 뛰어나다. 또한 10억분의 1미터 두께로 세계에서 가장 얇은 소재 중 하나다. 이는 컴퓨터 메모리 용량을 크게 늘리고 에너지 효율성을 향상 시킬 수 있음을 시사한다. 현재 트랜지스터 기술은 수백나노초 단위로 상태를 전환한다. 연구팀은 붕소 질화물(BN) 원자층을 평행으로 쌓아 새로운 강유전체를 개발했다. 외부 전기장을 가하면 층이 미세하게 이동하며 붕소 및 질소 원자의 위치가 바뀌고, 이러한 슬라이딩 현상을 통해 전자기적 특성이 급격하게 변화한다. 개발된 새로운 트랜지스터는 기존 플래시 메모리와 달리 반복적 쓰기 및 삭제 과정에서도 성능 저하가 없다는 점에서 혁신적이다. 연구팀은 앞으로 대량 생산 기술 개발 등 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 이번 연구 결과가 미래 전자기기 산업에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구 결과는 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
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2024-07-30
[신소재 신기술(33)] 원자 1개 두께의 이상한 형태의 금

스웨덴 과학자들은 단일 원자층으로 구성된 아주 얇은 박막의 금 소재를 개발했다. 이 새로운 물질은 '골덴'이라고 명명되었으며 반도체 특성을 지니고 있다. 과학 전문매체 사이언스 얼럿은 스웨덴 린쇼핑 대학교(Linköping University) 연구원들은 금을 더 이상 얇아질 수 없는 원자 1개 두께의 납작한 박막 시트 형태로 만들어내는 새로운 방법을 개발했다며 지난 16일(현지시간) 이같이 보도했다. 재료 과학의 명명 관습에 따라 연구팀은 이 새로운 2차원 물질에 '골덴(goldene)'이라는 이름을 붙였다. 골덴은 3차원 형태의 금에서는 볼 수 없는 몇 가지 흥미로운 특성을 가지고 있다. 스웨덴 린쇼핑 대학교의 재료 과학자 슌 카시와야는 "그래핀처럼 물질을 매우 얇게 만들면 놀라운 일이 일어난다"며 "금도 마찬가지다. 아시다시피 금은 보통 금속이지만, 단일 원자층 두께로 만들면 금이 반도체가 될 수 있다"라고 설명했다. 금은 서로 뭉치는 경향이 있기 때문에 2차원 구조로 동축하는 것은 매우 어렵다. 이전의 시도는 몇 원자 두께의 얇은 시트를 만들거나 다른 물질 사이에 또는 그 위에 단층을 끼워 분리할 수 없는 결과를 낳았다. 카시와야와 연구팀은 금을 만들려고 시작한 것이 아니라 우연히 공정의 첫 단계를 발견하게 됐다고 전했다. 린쇼핑 대학교의 나노 공학 분야의 연구를 이끌고 있는 재료 물리학자 라르스 튈트만(Lars Hultman)은 "우리는 완전히 다른 응용 분야를 염두에 두고 기본 재료를 만들었다"면서 "우리는 실리콘이 얇은 층으로 이루어진 티타늄 실리콘 카바이드라는 전기 전도성 세라믹으로 시작했다. 그런 다음 이 소재를 금으로 코팅해 접촉을 만드는 것이 아이디어였다. 하지만 부품을 고온에 노출시켰을 때 실리콘 층이 기본 재료 내부의 금으로 대체됐다"라고 설명했다. 튈트만 교수는 금속 나노구조의 합성 및 특성 연구에 선구자적인 역할을 했다. 특히, 금속 나노입자, 나노선, 나노막 등 다양한 금속 나노구조를 합성하고, 그들의 광학적, 전기적, 촉매적 특성을 연구해 다양한 응용 분야에 활용 가능한 새로운 재료를 개발하는 데 기여했다. 앞서 연구팀은 단층 금을 만들려는 시도에서 중요한 단계에서 한계에 도달해 연구 과정이 중단됐다. 몇 년 동안 연구팀이 만든 인터칼레이티드 티타늄 금 카바이드는 티타늄과 탄소 층 사이에 있는 초박막 금 층을 추출할 방법이 없어 그냥 그 상태로 남아있었다. 이에 연구팀은 무라카미 시약이라는 에칭 용액에 기반한 기술을 사용해 지난 연구의 한계를 돌파했다. 무라카미 시약은 금속 가공에 사용되는 화학 물질의 혼합물로, 탄소를 에칭하고 강철을 얼룩지게 하여 일부 일본 칼에서 볼 수 있는 무늬를 만들어낸다. 연구팀은 혼합물의 농도와 에칭 공정이 금을 둘러싼 티타늄과 탄소를 부식시키는 시간대를 다르게 시도했다. 무라카미 시약의 에칭 효과는 페로시아나이드 칼륨이라는 부산물을 생성한다. 이 화합물은 빛에 노출되면 시안화물을 방출하여 금을 녹이기 때문에 연구팀은 에칭 공정을 완전히 어둠 속에서 진행해야 했다. 게다가 얇은 금 시트는 말리거나 뭉치는 경향이 있었다. 이에 연구팀은 층이 접히거나 달라붙는 것을 방지하는 계면활성제를 추가해 금의 단일 원자층의 무결성을 유지했다. 연구팀은 이론적 시뮬레이션에서 예측한 대로 이 까다로운 단계를 거쳐 마침내 안정적인 금을 형성하는 데 성공했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 신티시스(Nature Synthesis)'에 게재됐다. 일반적으로 금은 우수한 전기 전도성 물질이다. 원소가 2차원 시트 형태를 취할 때 원자는 두 개의 자유 결합을 가지며 도체와 절연체 사이의 전도 특성을 가진 반도체로 변모한다. 이는 전도도를 조절할 수 있기 때문에 유용하다. 다시 말하면, 전기 전도성이 우수하고 부식에 강한 금은 반도체 소자의 접점, 연결 부품, 패키징 등에 사용된다. 금은 나노 크기의 입자로 제조될 수 있으며, 이러한 금 나노 입자는 차세대 반도체 소자의 제작에 활용될 수 있다. 예를 들어, 금 나노 입자는 트랜지스터의 게이트 전극, 메모리 소자의 저장 매질, 광전자 소자의 광 감지 소자 등으로 사용될 수 있다. 게다가 금은 생체 적합성이 우수하고 전기 전도성이 높기 때문에 생체 의료 분야에서 사용되는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 심장 박동기 리드, 인공 근육 등의 전극 소재로 활용될 수 있다. 그러나 금은 높은 비용과 가공의 어려움, 제한된 반도체 특성 등의 단점도 존재한다. 금은 반도체 특성이 제한적이기 때문에 고성능 트랜지스터 제작에는 적합하지 않다.
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2024-04-18
[신소재 신기술(27)] 전고체배터리 스타트업 타이란신에너지, 초고에너지밀도 셀 공개

중국의 신재생 에너지 기업 타이란신에너지(太藍新能源·Talent New Energy)가 초고에너지 밀도를 갖춘 새로운 전고체 배터리 셀을 공개했다. 중국 전기차 전문매체 CNEV포스트는 전고체 리튬배터리 스타트업 타이란신에너지(이하 타이란)는 단일 셀 용량이 120Ah이고 실제 에너지 밀도가 720Wh/kg인 자동차 등급 전고체 리튬 금속 배터리 시제품을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난 3일(현지시간) 보도했다. 타이란은 지난 2일 성명에서 이 수치가 리튬 배터리의 단일 셀 용량과 에너지 밀도 부분에서 새로운 업계 기록이라고 밝혔다. 참고로 전기차 제조사 니오(Nio)의 150kWh 반고체 배터리 팩은 베이징 위리온 뉴 에너지 테크놀로지(위리온)의 셀을 사용하며, 용량은 360Wh/kg이다. 니오는 지난달 이 반고체 배터리 팩이 2분기에 출시될 예정이며, 니오 차량에 탑재돼 1회 충전으로 최대 주행 거리(단일 충전 기준)를 1000km 이상으로 늘릴 것이라고 밝혔다. 타이란의 전고체 배터리는 위리온의 반고체 배터리보다 에너지 밀도가 두 배 높기 때문에 대량 생산이 가능하다면 전기차의 주행 가능 거리가 약 2000km에 달할 것으로 예상된다. 전고체 배터리와 반고체 배터리는 모두 차세대 에너지 저장 기술로 주목받고 있다. 두 배터리 기술의 주된 차이점은 전해질의 상태에 있다. 전고체 배터리는 액체나 젤 형태의 전해질 대신 고체 전해질을 사용한다. 고체 전해질은 일반적으로 폴리머, 세라믹 또는 복합체로 만들어진다. 고체 전해질은 불연성이기 때문에 전통적인 리튬 이온 배터리보다 화재나 폭발 위험으로부터 더 안전하다. 또한 고체 전해질을 사용함으로써 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다. 즉, 더 적은 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 반고체 배터리는 고체와 액체 성분을 혼합한 전해질을 사용한다. 즉, 부분적으로는 고체 물질을 포함하지만 액체 성분이 일부 존재한다. 반고체 배터리는 전고체 배터리로의 전환을 위한 중간 단계로 볼 수 있다. 타이란은 성명에서 초박막 고밀도 복합 산화물 전고체 전해질, 고용량 양극 및 음극 소재, 전고체 배터리 성형 공정 등 전고체 리튬 배터리의 여러 핵심 기술에서 혁신을 이뤄냈다고 밝혔다. 새로 발표된 배터리의 양극은 고용량, 수명이 긴 리튬이 풍부한 망간 기반 소재를 사용하고 음극은 초광대폭, 초박막이며 높은 사이클 안정성과 다양한 이점을 갖춘 리튬 금속 기반 복합 소재를 사용한다고 회사 측은 설명했다. 타이란은 또 양극 내 이온 및 전자 수송 네트워크를 효율적으로 구축해 양극 내부의 하전 입자 이동을 개선했다고 밝혔다. 아울러 자체 개발한 유연한 층 소재를 통해 배터리의 종합적인 성능 향상을 실현했으며, 이는 기존 리튬 이온 배터리의 주행거리와 안전성 문제 등을 근본적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다고 전했다. 2018년에 설립된 타이란은 전고체 리튬 배터리 및 소재 기술 개발에 주력하고 있다. 2022년 3월 중국 부동산 개발업체 비구이위안(碧桂園·컨트리 가든)으로부터 투자를 유치한 바 있다. 타이란은 산화물 시스템을 기반으로 고체 전해질과 고체 리튬 배터리를 개발했으며 다양한 소재와 반고체 및 전고체 배터리에 대한 기술 파이프라인을 완성했다. 지난해 보도자료에 따르면 1세대 반고체 배터리의 에너지 밀도는 최대 400Wh/kg, 2세대 준고체 배터리는 400Wh/kg에서 500Wh/kg의 에너지 밀도를 달성했다. 타이란은 이러한 1세대 및 2세대 배터리는 여전히 액체 전해질을 포함하고 있으며, 2023년 7월에 3세대 전고체 배터리는 더 이상 액체 전해질을 포함하지 않을 것이라고 말했다.
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2024-04-05