아주대학교 일반대학원 교육학과

Ajou Graduate School of Education

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조인선 교수팀, 불꽃 활용한 표면처리 기술 개발.. 친환경 수소 생산 효율↑

우리 학교 첨단신소재공학과 조인선 교수 연구팀이 태양광을 이용한 친환경 수소 생산 기술의 효율을 획기적으로 높이는 신개념 표면처리 기술을 개발했다. 조인선 교수(첨단신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 고온의 불꽃(화염)을 이용해 광전극의 표면을 수 초 만에 재구성함으로써 기존 기술 보다 효율과 안정성 면에서 뛰어난 성능을 확보했다고 밝혔다. 이 기술은 앞으로 그린 수소 생산 기술의 상용화에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 '향상된 광전기화학적 성능을 위한 화염 처리를 통한 In2S3 광양극의 신속한 표면 재구성(Rapid Surface Reconstruction of In2S3 Photoanode via Flame Treatment for Enhanced Photoelectrochemical Performance)'이라는 제목의 논문으로, 재료공학 분야의 저명 학술지 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=26.8, JCR 상위 2.1%)' 7월3일자 표지논문으로 게재됐다. 이번 연구는 미국 스탠퍼드대학교 샤오린 정(Xiaolin Zheng) 교수, 성균관대학교 신성식 교수와의 공동연구 성과다. 아주대 대학원 에너지시스템학과의 정유재 학생(現 콜로라도 볼더대학교 박사과정)이 제1저자로 참여했다. 수소는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않는 깨끗한 에너지원이다. 특히 태양 에너지를 활용해 물에서 수소를 생산하는 '광전기화학(Photoelectrochemistry) 기술'은 지속 가능한 에너지 미래를 위한 핵심 기술로 꼽힌다. 하지만 기존 광전극은 수소 발생 반응이 느리고, 전하 재결합으로 인해 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 아주대 공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 '인듐 황화물(In2S3)'이라는 물질에 주목했다. 이 물질은 빛을 잘 흡수하는 뛰어난 능력을 가졌지만, 전하 손실이 크고 안정성이 낮다. 특히, 반응 중 쉽게 산화되어 본래의 특성을 잃는 치명적인 단점이 있다. 그동안 대부분의 연구에서는 이런 문제를 해결하기 위해 낮은 온도에서 열처리하거나, 진공 또는 비활성 기체 환경에서 몇 시간씩 처리하는 방법을 사용했다. 하지만 이 방법들은 복잡하고 시간이 오래 걸려 실제 적용하기에는 비효율적이다. 연구팀은 이에 기존 황화물 광전극의 단점인 '산화에 취약하다'라는 성질을 역으로 활용했다. 바로 고온의 '불꽃(화염)'으로 황화물 표면을 처리하는 방식을 떠올린 것. 이 새로운 화염 처리 방식으로 연구팀은 1000도에 달하는 고온의 불꽃으로 단 10초 만에 광전극 표면을 재구성하고 빠르게 황의 휘발을 유도함으로써 전기 전도도를 획기적으로 높일 수 있었다. 또 재구조화된 표면을 가진 광전극을 이용, 기존 보다 2배 이상 높은 광전류 값을 얻을 수 있었다. 이는 현재까지 보고된 황화물 기반 광전극 가운데 최고 수준의 특성이다. 또 기존 황화물 광전극의 고질적 문제였던 안정성을 4배 이상 높이는 데에도 성공했다. 연구팀은 더불어, 인듐 황화물 광전극에 '요오드화 이온 산화반응'을 처음으로 도입해 수소 생산뿐 아니라 다양한 에너지 산업에서 활용 가능한 물질인 '트리아이오다이드(I3-)'를 효율적으로 생산할 수 있음을 확인했다. 이번 연구에 제1저자로 참여한 정유재 학생은 "이번 시도는 황화물 기반 광전극에서는 처음 시도된 접근법"이라며 "어느 날 햄버거 가게에 갔다가 패티를 화염으로 굽는 모습을 보고 아이디어를 얻었다"라고 전했다. 이어 "연구는 문헌 조사를 하는 것도 중요하지만, 이처럼 일상생활 및 다양한 분야에서도 영감을 얻을 수 있다는 중요한 사실을 이번 연구를 통해 깨달았다"라고 덧붙였다. 아주대 첨단신소재공학과 및 에너지시스템학과에서 학사와 석사과정을 마친 정유재 학생은, 현재 미국 콜로라도 볼더대학교(University of Colorado, Boulder)와 미국 신재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL) 박사 과정에 합류해 관련 연구를 이어가고 있다. 한편 이번 연구에는 학부 과정 학생들이 적극 참여, 교내 <공과대학 재학생 자기개발 프로젝트 경진대회> 수상이라는 성과까지 이어졌다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행됐다. 조인선 교수 공동 연구팀의 연구성과가 실린 <어드밴스드 머티리얼즈> 7월3일자 표지_제공 WILEY VCH * 위 사진 : 왼쪽부터 아주대 정유재 학생과 조인선 교수, 성균관대학교 신성식 교수, 미국 스탠퍼드대학교 샤오린 정(Xiaolin Zheng) 교수 # [글로벌 동문 이야기] 갑자기 환해지는 '나의 별'이 있을 거예요_정유재(첨단신소재15) 바로가기 - 아주인사이트 2024 가을겨울호 中

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윤태광 교수팀, 일교차로 물을 모아 전기 만드는 에너지하베스팅 기술 개발

(사진) 에너지 생성 시스템 및 메커니즘 개략도_(a) 일교차에 의한 물 순환을 통해 구동되는 자율 전기 에너지 하베스팅 시스템 (b) UiO-66-NH₂를 이용한 물 수확 메커니즘 (c) Ni3(HITP)2를 이용한 전기 에너지 생성 메커니즘 (d) 주변 환경 조건에서 자율 물 수확 및 지속 가능한 전기 에너지 생성 시스템 낮과 밤의 일교차를 활용하여 공기 중 수분을 모으고 이를 전기에너지로 바꾸는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 아주대 윤태광(응용화학생명공학과) 교수와 한국생산기술연구원(생기원) 윤기로 수석연구원 공동 연구팀은 오지나 물이 부족한 사막 등 극한 환경에서도 외부 물 공급 없이 스스로 전력을 생산할 수 있는 신개념 에너지 하베스팅 시스템을 선보였다. 이번 연구 성과는 국제 저명 학술지 'Composites Part B: Engineering (JCR 상위 1%)'에 'Sustainable electrical energy harvesting via atmospheric water collection using dual-MOF systems'라는 제목으로 게재됐다. 제1저자로는 이지현(한양대 석박통합과정), 김동연 (KAIST 박사과정), 이용균(아주대 석사과정) 학생이, 공동 교신저자로는 아주대 윤태광 교수와 생기원 윤기로 수석연구원이 참여했다. 기존의 물 기반 에너지 하베스팅 기술은 '젖은 면과 마른 면의 전위차'를 활용해 전기를 생산했지만, 항상 외부에서 물을 공급해줘야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 식물의 증산작용과 모세관 현상에서 착안, 두 종류의 금속-유기 구조체(MOF)인 UiO-66-NH2와 Ni3(HITP)2를 결합했다. 이를 통해 대기 중 수분을 스스로 모아 전기를 발생시키는 완전 자율형 시스템을 구현했다. UiO-66-NH2는 밤의 차가운 공기에서 수분을 흡수하고, 낮의 더운 공기에서 흡수한 수분을 방출한다. 방출된 수분은 Ni3(HITP)2가 성장된 섬유 표면에 응축되며, 이때 섬유의 비대칭적인 젖음으로 인해 전위차가 발생하고 전기가 흐르게 된다. 이 과정을 통해 연구팀은 최대 전력밀도 2.6μW/cm3, 에너지 밀도 1.1mJ/cm3를 달성하는 데 성공했다. 특히 UiO-66-NH2는 일반적인 환경은 물론 저습 환경에서도 뛰어난 수분 흡탈착 성능을 보여 다양한 환경에 적용할 수 있는 가능성을 열었다. 연구진은 사막, 해안, 내륙 등 실제 기후 환경을 모사한 실험을 통해 각 환경에서 자가 수분 생성 및 전기에너지 생산 기능이 안정적으로 작동함을 입증하기도 했다. 윤태광 교수는 “이번 연구는 외부 전력이나 물 공급 없이도 작동 가능한 자립형 에너지 하베스팅 시스템의 실현 가능성을 보여준다”며, “향후 재난 현장이나 에너지 접근성이 낮은 지역에서 새로운 대안이 될 수 있길 기대한다”고 밝혔다. 윤기로 수석연구원은 “이번 시스템은 극한 기후나 인프라가 부족한 지역에서도 손쉽게 전기를 얻을 수 있는 기술적 기반을 마련한 것”이라며, “탄소중립 사회를 향한 지속 가능한 에너지 기술의 실질적 기여로 이어지길 바란다”고 전했다. 이번 연구는 한국연구재단의 ‘해외우수연구기관 협력허브 구축사업’의 지원을 받아 수행되었다. [에너지하베스팅(Energy Harvesting : 자연적인 에너지(태양광, 진동, 열, 바람, 파도 등) 또는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수집하여 전기에너지로 재상산하는 기술) 뒷줄 왼쪽부터 시계 방향으로 아주대 윤태광 교수, KAIST 김동연 연구원, 생기원 윤기로 수석연구원, 아주대 이용균 연구원, 한양대 이지현 연구원

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유영동 교수팀, 차세대 에너지 변환·저장용 핵심 촉매 구조 개발

우리 학교 화학과 유영동 교수팀이 청정 수소를 비롯한 차세대 에너지 변환 및 저장 소자에 핵심적 촉매로 활용될 수 있는 새로운 구조를 개발했다. 유영동 교수팀은 뛰어난 촉매 성능을 지니는 위상 준금속 텅스텐 디텔루라이드(WTe₂) 기반 나노와이어 어레이를 구현할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘고효율 수소 발생을 위한 활성 자리가 풍부한 계층적 바일 준금속 WTe₂ 나노와이어 어레이(Active Sites‐Enriched Hierarchical Weyl Semimetal WTe₂ Nanowire Arrays for Highly Efficient Hydrogen Evolution’라는 제목으로 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)>의 7월3일자 표지 논문(Inside Back Cover)으로 게재됐다. 아주대 유영동 교수(위 사진 왼쪽)가 교신저자로, 아주대 박사후연구원 김현경 박사(위 사진 오른쪽)가 제1저자로 참여했다. 텅스텐 디텔루라이드(WTe₂)는 독특한 전자 구조를 갖는 위상 준금속으로, 전도성과 안정성이 우수해 전기화학 촉매로의 활용 가능성이 높다. 그러나 기존의 벌크 텅스텐 디텔루라이드(WTe₂)는 촉매 활성 자리가 부족해 제한된 촉매 성능을 보였다. 이에 아주대 연구팀은 위상 준금속 텅스텐 디텔루라이드(WTe₂)를 나노와이어 형태로 합성하고, 이들의 우수한 전기화학 촉매 성능을 확인했다. 연구팀은 2단계 제작 공정을 기반으로 하는 새로운 합성법을 개발했다. 먼저 전도성 탄소 천에 수직 방향의 텅스텐 산화물 나노와이어 어레이를 직접 합성한 후, 이를 Te 분위기에서 어닐링하여 WTe₂ 나노와이어 어레이를 형성했다. 이러한 구조는 촉매 반응에 필요한 활성 자리를 풍부하게 제공하고 전자 이동 경로를 단축시켜 우수한 촉매 성능을 나타낼 수 있게 한다. 합성된 WTe₂ 어레이는 우수한 Tafel 기울기(44 mV/dec)를 나타내 백금(Pt) 촉매의 대체재로서의 가능성을 보여줬다. 또한 높은 전류 밀도와 낮은 전류 밀도 조건 모두에서 장시간 작동 후에도 초기 성능을 유지하는 높은 내구성을 보여, 실제 응용 가능성을 입증했다. 유영동 아주대 교수는 “위상 준금속의 고유한 전기적 특성과 직접 합성된 나노와이어의 구조적 이점을 결합해, 수소 발생 반응 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있었다”라며 “합성된 나노와이어는 차세대 에너지 변환 및 저장을 위한 핵심 소재로 활용될 수 있으며, 합성 공정이 간단하고 확장성이 커서 산업적 활용 측면에서도 높은 잠재력을 지닌다”라고 설명했다. 이번 연구는 G-LAMP 사업, 자율운영중점연구소 사업, 정보통신방송연구개발사업, 신진연구지원사업의 지원을 통해 수행됐다. 유영동 교수팀의 연구 성과가 표지 논문(Inside Back Cover)으로 게재된 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 이미지 제공_WILEY VCH