흑린 나노 소재로 초고속 광학 스위치 구현한다 - 흑린(Black Phosphorus) 소재의 광학적 비선형성 연구를 통한 새로운 발견 - 초고속 처리특성과 기존의 전자 소자와 호환 가능한 광학스위치 구현 그래핀의 발견 이후 2차원 소재에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 흑린(Black Phosphorus)은 전자이동성이 우수하고 높은 비선형성*을 가져 차세대 광·전 융합소자 구현의 필수소재로 주목받고 있다. 국내 연구진이 이러한 흑린의 비선형성에 대한 연구를 바탕으로 초고속 광학스위칭 소자**를 개발하였다. * 광학적 비선형성 : 광학 매개체에 가해지는 전기장 또는 자기장의 세기에 따라 광학적 특성이 선형적 (1차 비례 관계)으로 변하는 것이 아니라, 비선형적 (2차 이상의 관계)으로 규정 되어지는 특성이다. ** 비선형성이 높을수록 가해지는 작은 전자기장의 세기에도 광전소자의 on상태와 off상태가 명확해져 소자의 우수한 특성을 기대할 수 있다. 광섬유를 이용한 소자에서는 대표적인 비선형성으로 four wave mixing (FWM)을 들 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사팀은 기존에 전자소자용으로만 연구되던 흑린 활용기술을 초고속 광학소자용으로 확장했을 뿐만 아니라, 빠른 데이터 처리 능력을 갖는 광학소자와 집적 전자소자와의 호환 가능성을 높이는 결과를 보여줬다. 이번 연구결과는 현재 집적화의 한계에 부딪힌 전자소자의 처리 능력을 대폭 향상 시켜줄 대안으로, 광·전 융합소자에 대한 현실적인 접근이란 평가를 받고 있다. 송용원 박사는 “흑린을 활용하여 제작된 초고속 광학 데이터 스위칭 소자는 20 GHz 속도 상에서 그 성능을 확인했다.”고 전하며, “개인통신 단말기, 의료 시스템, 센서 네트워크, 엔터테인먼트, 스마트 운송시스템 등 데이터 트래픽(traffic)에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 현 시점에서 기존의 전자소자와 초고속 광학소자의 융합은 디지털 라이프의 새로운 장을 열 것”이라고 밝혔다. 흑린의 광학적 비선형성에 관한 연구는 최근에서야 각광받고 있으며, 이 소재를 이용한 광학스위칭 연구는 사실상 전무한 상태였다. 이번 연구진이 개발한 흑린 광학소자는 Four Wave Mixing(FWM) 현상***을 이용, 진행되는 광신호를 다른 파장의 2차 채널에 정확히 복사해 내었다. 이 과정에서 새롭게 생성되는 채널들은 서로 다른 파장임에도 불구하고, 기존 채널이 갖는 신호특성을 그대로 보존하였다. 이러한 특성은 광통신 분야에서 신호의 변형, 복사, 연산 등에 활용되고 있다. 특히, 특정 파장으로 이송되는 광신호를 다른 파장으로 복사하는 과정이 매우 빠르게 이루어져 초고속 신호처리에 적합하며, 흑린과 같이 우수한 비선형성 나노소재를 사용할 경우 최소 공간 내에서 적은 양의 에너지로도 동작이 가능하여, 기존의 기술보다 월등한 효율을 보여준다. 연구진은 기존 미터(m)에서 길게는 킬로미터(km) 단위의 특수 광섬유를 요구하던 비선형 광학 소자를 흑린을 사용한 밀리미터(mm) 단위의 소자로 대체하여 흑린의 비선형성을 정량적으로 분석하였으며, 20 GHz의 변조(modulation)속도로 스위칭을 구현하는데 성공하였다. ***FWM은 두 개의 각각 다른 파장의 채널이 비선형성 물질 내에서 상호작용할 때 새로운 채널 두 개가 새로이 생성되는 현상을 지칭한다. 논문의 제1저자인 시암 우딘(Siam Uddin) UST 통합과정 학생은 “광·전 분야에서 세계 최초로 효율적인 광학스위칭 소재로서의 흑린을 재발견하였으며, 연구결과의 상용화를 위한 연구를 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Scientific Reports에 2월 27일(월)자 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Nonlinear Black Phosphorus for Ultrafast Optical Switching - (제1저자) Siam Uddin (UST IRDA 통합과정) - (교신저자) 송용원 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 두 개의 채널이 흑린 소자를 통과할 때 Four-Wave-Mixing(FWM)에 의해 두 개의 추가 채널을 생성함에 있어서, 기존의 초고속 광신호를 그대로 복사하는 작동에 대한 모식도. <그림 2> 광도파로에 코팅된 흑린소자의 특성 분석 결과 라만 스펙트럼과 X-ray 분석을 통해 코팅 후에도 흑린소재의 특성 유지가 가능함을 확인 하였고, 코팅된 물리적 제원도 분석 <그림 3> 흑린 기반의 광학 스위치를 이용한 초고속 광 스위치 실험 장치 및 동작 특성 - 광학 데이터의 빠르기를 변화하면서 측정한 광학스위치의 동작 특성을 보여준다

흑린 나노 소재로 초고속 광학 스위치 구현한다 - 흑린(Black Phosphorus) 소재의 광학적 비선형성 연구를 통한 새로운 발견 - 초고속 처리특성과 기존의 전자 소자와 호환 가능한 광학스위치 구현 그래핀의 발견 이후 2차원 소재에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 흑린(Black Phosphorus)은 전자이동성이 우수하고 높은 비선형성*을 가져 차세대 광·전 융합소자 구현의 필수소재로 주목받고 있다. 국내 연구진이 이러한 흑린의 비선형성에 대한 연구를 바탕으로 초고속 광학스위칭 소자**를 개발하였다. * 광학적 비선형성 : 광학 매개체에 가해지는 전기장 또는 자기장의 세기에 따라 광학적 특성이 선형적 (1차 비례 관계)으로 변하는 것이 아니라, 비선형적 (2차 이상의 관계)으로 규정 되어지는 특성이다. ** 비선형성이 높을수록 가해지는 작은 전자기장의 세기에도 광전소자의 on상태와 off상태가 명확해져 소자의 우수한 특성을 기대할 수 있다. 광섬유를 이용한 소자에서는 대표적인 비선형성으로 four wave mixing (FWM)을 들 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사팀은 기존에 전자소자용으로만 연구되던 흑린 활용기술을 초고속 광학소자용으로 확장했을 뿐만 아니라, 빠른 데이터 처리 능력을 갖는 광학소자와 집적 전자소자와의 호환 가능성을 높이는 결과를 보여줬다. 이번 연구결과는 현재 집적화의 한계에 부딪힌 전자소자의 처리 능력을 대폭 향상 시켜줄 대안으로, 광·전 융합소자에 대한 현실적인 접근이란 평가를 받고 있다. 송용원 박사는 “흑린을 활용하여 제작된 초고속 광학 데이터 스위칭 소자는 20 GHz 속도 상에서 그 성능을 확인했다.”고 전하며, “개인통신 단말기, 의료 시스템, 센서 네트워크, 엔터테인먼트, 스마트 운송시스템 등 데이터 트래픽(traffic)에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 현 시점에서 기존의 전자소자와 초고속 광학소자의 융합은 디지털 라이프의 새로운 장을 열 것”이라고 밝혔다. 흑린의 광학적 비선형성에 관한 연구는 최근에서야 각광받고 있으며, 이 소재를 이용한 광학스위칭 연구는 사실상 전무한 상태였다. 이번 연구진이 개발한 흑린 광학소자는 Four Wave Mixing(FWM) 현상***을 이용, 진행되는 광신호를 다른 파장의 2차 채널에 정확히 복사해 내었다. 이 과정에서 새롭게 생성되는 채널들은 서로 다른 파장임에도 불구하고, 기존 채널이 갖는 신호특성을 그대로 보존하였다. 이러한 특성은 광통신 분야에서 신호의 변형, 복사, 연산 등에 활용되고 있다. 특히, 특정 파장으로 이송되는 광신호를 다른 파장으로 복사하는 과정이 매우 빠르게 이루어져 초고속 신호처리에 적합하며, 흑린과 같이 우수한 비선형성 나노소재를 사용할 경우 최소 공간 내에서 적은 양의 에너지로도 동작이 가능하여, 기존의 기술보다 월등한 효율을 보여준다. 연구진은 기존 미터(m)에서 길게는 킬로미터(km) 단위의 특수 광섬유를 요구하던 비선형 광학 소자를 흑린을 사용한 밀리미터(mm) 단위의 소자로 대체하여 흑린의 비선형성을 정량적으로 분석하였으며, 20 GHz의 변조(modulation)속도로 스위칭을 구현하는데 성공하였다. ***FWM은 두 개의 각각 다른 파장의 채널이 비선형성 물질 내에서 상호작용할 때 새로운 채널 두 개가 새로이 생성되는 현상을 지칭한다. 논문의 제1저자인 시암 우딘(Siam Uddin) UST 통합과정 학생은 “광·전 분야에서 세계 최초로 효율적인 광학스위칭 소재로서의 흑린을 재발견하였으며, 연구결과의 상용화를 위한 연구를 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Scientific Reports에 2월 27일(월)자 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Nonlinear Black Phosphorus for Ultrafast Optical Switching - (제1저자) Siam Uddin (UST IRDA 통합과정) - (교신저자) 송용원 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 두 개의 채널이 흑린 소자를 통과할 때 Four-Wave-Mixing(FWM)에 의해 두 개의 추가 채널을 생성함에 있어서, 기존의 초고속 광신호를 그대로 복사하는 작동에 대한 모식도. <그림 2> 광도파로에 코팅된 흑린소자의 특성 분석 결과 라만 스펙트럼과 X-ray 분석을 통해 코팅 후에도 흑린소재의 특성 유지가 가능함을 확인 하였고, 코팅된 물리적 제원도 분석 <그림 3> 흑린 기반의 광학 스위치를 이용한 초고속 광 스위치 실험 장치 및 동작 특성 - 광학 데이터의 빠르기를 변화하면서 측정한 광학스위치의 동작 특성을 보여준다

이달의 KIST인상 수상자 발표 - 허은미-최낙원 공동연구팀, 황요하 박사, 허가현 박사 총 3팀 ‘이달의 KIST인상’ 수상 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 2월 26일(월) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 달성한 총 3팀의 연구자들이 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다고 밝혔다. KIST 치매DTC융합연구단 허은미, 바이오마이크로시스템 최낙원 박사팀은 독창적인 방법으로 콜라젠 섬유를 정렬하고 성장을 특정방향으로 유도하는 기술을 개발하여, 세계 최초로 학습과 기억에 중요한 기관인 뇌의 해마 신경 회로망을 체외에서 3차원으로 구현하는데 성공했다. 바이오닉스연구단 황요하 박사는 기계의 상태를 모니터링시 발생하는 기존의 결함을 알고리즘의 한계를 극복할 수 있는 판정 기술을 개발하고, 이 기술을 ㈜에이티시그널에 이전한 공로를 인정받았다. 계산과학연구센터 허가현 박사는 자체 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 활용하여 3차원 공간상에서 준결정(Quasicrystal) 내에서의 파동 국부화를 발견, ‘빛’이나 ‘소리’를 가두어 층간소음 해결, 광섬유 등 신소재에 활용될 연구성과를 인정받았다. 이달의 KIST인상은 원의 발전에 가장 창조적, 혁신적으로 기여한 우수 직원을 발굴하여 포상함으로써 연구(업무)활동의 활성화하고자, 해당부서장이 적격후보자를 추천하여 포상심의위원회 심의를 거쳐 최종 선정된다. ○ 문의 - KIST 안성진 인사경영팀장(T.02-958-6093, 010-6251-0340, pwuser@kist.re.kr)

60년대, 대한민국 국민소득 150불 1966년 청계천 한일은행 건물에 문을 연 KIST 설립사무소 과학저널 ‘사이언스’지 소개(1970.03.06) KIST 경제효과 595조, 매일경제(2014.02.22) KIST 47년간 경제효과 595조 거둬, 전자신문(2014.02.24) 1966.02.10 KIST 창립 KIST 초기 과학자들 POSCO 건설 프로젝트 광복70주년 우수성과 선정 세종1호 국내 최초 컴퓨터 Polyester Film 폴리에스터 필름 고강도 아라미드 섬유 광통신용 광섬유 기술 도핑콘트롤 기술 불소화합물 제조공정 공업용 인조다이아몬드 개발도상국 발전모델 전수 한국형 달탐사 ‘로버’ 미세 수술 로봇 뇌 시냅스 지도화 무인항공기용 고용량 수소저장체 암모니아 보란 하천 녹조 방제 선박 고성능 나노카본 컴파운드 제조기술 - 전북분원 복합소재기술연구소 무안경 다시점 3D 기술 마이크로 나노 펩 센터 생분해성 금속 의료기기 반도체 광형광 특성 측정장비 스마트 U-FARM 강릉분원 천연물연구소 지능로봇기술 3D 모델링 기술 정밀 탄소섬유복합소재 제조기술 - 전북분원 복합소재기술연구소 생체신호 동작예측 기술 투명양면디스플레이 강릉분원 천연물연구소 KIST 전북분원 복합소재기술연구소 KIST 유럽연구소 한-인도 과학기술협력센터 한-몽 과학기술협력센터 V-KIST V-KIST 새로운 50년, 미래를 향한 KIST의 도전

[정보공개목록] 2017년 2월

세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지 개발 - 초박막 BZY 전해질로 기존 연료전지 대비 10배 높은 성능 - 연료전지 사용 영역을 획기적으로 넓힐 것으로 기대 최근 국내 연구진이 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀과 고려대학교(총장 염재호) 기계공학과 심준형 교수 공동연구팀은 화학적, 기계적으로 안정적인 이트륨*이 도핑된 바륨지르코네이트**(Y:BaZrO3, BZY) 전해질의 박막화에 성공하여 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발하였다. *이트륨: 원자번호 39번의 희토류(Rare earth) 원소 **바륨지르코네이트: 원자번호 56번의 바륨과 40번의 지르코늄 기반의 산화물 물질 연료전지***는 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경-고효율 발전 장치를 일컫는다. 특히, 수소 연료전지의 경우 전력생산 시 부산물로 순수한 물만이 배출되어 미래 청정에너지 시스템으로 각광받고 있다. 또한 연료전지는 자동차에서 드론, 휴대용 전원 및 발전소까지 그 사용 범위가 무궁무진하다. ***연료전지: 연료와 산소를 이용하여 전기를 만드는 전력생산시스템의 일종. 기본적으로 연료를 주입하는 연료극과 공기를 주입하는 공기극, 그 사이에 가스 불투과성 전해질로 이루어져 있음. 이번 손지원 박사팀의 연구결과는 연료전지 중에서도 세라믹 연료전지에 대한 것으로, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지****는 미래형 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 이미 미국과 일본 등에서는 정부의 전폭적인 지원 아래 지난 수 십년 간 세라믹 연료전지 원천기술 연구가 진행되어왔다. 관건은 전해질인데 기존의 세라믹 연료전지는 주로 ‘산소이온’ 전도막을 전해질로 사용한다. 그러나 ‘산소이온’ 전도막을 이용할 경우 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한적이다. ****세라믹 연료전지: 물질 내에서 이온(일반적으로는 산소이온)이 움직일 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지. 이에 연구팀은 기존 ‘산소이온’ 전도막의 대체 물질로 ‘수소이온’ 전도체 세라믹*****에 주목했다. 수소이온은 산소이온보다 무척 작고 가벼워, 일반적으로 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로서, 뛰어난 화학적 안정성을 가지고 있다. 하지만 다루기 힘든 물질적 성질로 인하여 BZY를 이용하여 조성과 구조가 적합한 고성능의 전해질로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다. KIST-고려대 공동 연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용하여 화학적-기계적으로 안정적인 초박막 BZY 전해질 증착에 성공하였다. 이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 등 획기적인 성능을 보였다. *****수소이온 전도체 세라믹: 수소이온을 전도하는 세라믹 물질. 연구진은 “이번 고성능 BZY 연료전지 개발의 성공은 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시했으며 이를 통하여 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것”이라고 의의를 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 일반연구자지원사업, 글로벌프런티어 연구사업, KIST 미래원천연구사업 및 교육부(장관 이준식)의 BK21 플러스사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 저명 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ (Nature Communications, (IF : 11.329))에 2월 23일(목)자로 온라인 게재되었다. <그림 설명> <그림 1> 높은 성능의 박막 BZY 전해질이 적용된 연료전지의 부분 모식도(좌측)와 실제 미세구조 사진(중간), 그리고 문헌상에 보고된 다른 수소이온 세라믹 연료전지들과의 성능 비교(우측).

세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지 개발 - 초박막 BZY 전해질로 기존 연료전지 대비 10배 높은 성능 - 연료전지 사용 영역을 획기적으로 넓힐 것으로 기대 최근 국내 연구진이 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀과 고려대학교(총장 염재호) 기계공학과 심준형 교수 공동연구팀은 화학적, 기계적으로 안정적인 이트륨*이 도핑된 바륨지르코네이트**(Y:BaZrO3, BZY) 전해질의 박막화에 성공하여 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발하였다. *이트륨: 원자번호 39번의 희토류(Rare earth) 원소 **바륨지르코네이트: 원자번호 56번의 바륨과 40번의 지르코늄 기반의 산화물 물질 연료전지***는 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경-고효율 발전 장치를 일컫는다. 특히, 수소 연료전지의 경우 전력생산 시 부산물로 순수한 물만이 배출되어 미래 청정에너지 시스템으로 각광받고 있다. 또한 연료전지는 자동차에서 드론, 휴대용 전원 및 발전소까지 그 사용 범위가 무궁무진하다. ***연료전지: 연료와 산소를 이용하여 전기를 만드는 전력생산시스템의 일종. 기본적으로 연료를 주입하는 연료극과 공기를 주입하는 공기극, 그 사이에 가스 불투과성 전해질로 이루어져 있음. 이번 손지원 박사팀의 연구결과는 연료전지 중에서도 세라믹 연료전지에 대한 것으로, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지****는 미래형 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 이미 미국과 일본 등에서는 정부의 전폭적인 지원 아래 지난 수 십년 간 세라믹 연료전지 원천기술 연구가 진행되어왔다. 관건은 전해질인데 기존의 세라믹 연료전지는 주로 ‘산소이온’ 전도막을 전해질로 사용한다. 그러나 ‘산소이온’ 전도막을 이용할 경우 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한적이다. ****세라믹 연료전지: 물질 내에서 이온(일반적으로는 산소이온)이 움직일 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지. 이에 연구팀은 기존 ‘산소이온’ 전도막의 대체 물질로 ‘수소이온’ 전도체 세라믹*****에 주목했다. 수소이온은 산소이온보다 무척 작고 가벼워, 일반적으로 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로서, 뛰어난 화학적 안정성을 가지고 있다. 하지만 다루기 힘든 물질적 성질로 인하여 BZY를 이용하여 조성과 구조가 적합한 고성능의 전해질로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다. KIST-고려대 공동 연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용하여 화학적-기계적으로 안정적인 초박막 BZY 전해질 증착에 성공하였다. 이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 등 획기적인 성능을 보였다. *****수소이온 전도체 세라믹: 수소이온을 전도하는 세라믹 물질. 연구진은 “이번 고성능 BZY 연료전지 개발의 성공은 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시했으며 이를 통하여 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것”이라고 의의를 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 일반연구자지원사업, 글로벌프런티어 연구사업, KIST 미래원천연구사업 및 교육부(장관 이준식)의 BK21 플러스사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 저명 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ (Nature Communications, (IF : 11.329))에 2월 23일(목)자로 온라인 게재되었다. <그림 설명> <그림 1> 높은 성능의 박막 BZY 전해질이 적용된 연료전지의 부분 모식도(좌측)와 실제 미세구조 사진(중간), 그리고 문헌상에 보고된 다른 수소이온 세라믹 연료전지들과의 성능 비교(우측).

세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지 개발 - 초박막 BZY 전해질로 기존 연료전지 대비 10배 높은 성능 - 연료전지 사용 영역을 획기적으로 넓힐 것으로 기대 최근 국내 연구진이 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀과 고려대학교(총장 염재호) 기계공학과 심준형 교수 공동연구팀은 화학적, 기계적으로 안정적인 이트륨*이 도핑된 바륨지르코네이트**(Y:BaZrO3, BZY) 전해질의 박막화에 성공하여 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발하였다. *이트륨: 원자번호 39번의 희토류(Rare earth) 원소 **바륨지르코네이트: 원자번호 56번의 바륨과 40번의 지르코늄 기반의 산화물 물질 연료전지***는 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경-고효율 발전 장치를 일컫는다. 특히, 수소 연료전지의 경우 전력생산 시 부산물로 순수한 물만이 배출되어 미래 청정에너지 시스템으로 각광받고 있다. 또한 연료전지는 자동차에서 드론, 휴대용 전원 및 발전소까지 그 사용 범위가 무궁무진하다. ***연료전지: 연료와 산소를 이용하여 전기를 만드는 전력생산시스템의 일종. 기본적으로 연료를 주입하는 연료극과 공기를 주입하는 공기극, 그 사이에 가스 불투과성 전해질로 이루어져 있음. 이번 손지원 박사팀의 연구결과는 연료전지 중에서도 세라믹 연료전지에 대한 것으로, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지****는 미래형 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 이미 미국과 일본 등에서는 정부의 전폭적인 지원 아래 지난 수 십년 간 세라믹 연료전지 원천기술 연구가 진행되어왔다. 관건은 전해질인데 기존의 세라믹 연료전지는 주로 ‘산소이온’ 전도막을 전해질로 사용한다. 그러나 ‘산소이온’ 전도막을 이용할 경우 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한적이다. ****세라믹 연료전지: 물질 내에서 이온(일반적으로는 산소이온)이 움직일 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지. 이에 연구팀은 기존 ‘산소이온’ 전도막의 대체 물질로 ‘수소이온’ 전도체 세라믹*****에 주목했다. 수소이온은 산소이온보다 무척 작고 가벼워, 일반적으로 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로서, 뛰어난 화학적 안정성을 가지고 있다. 하지만 다루기 힘든 물질적 성질로 인하여 BZY를 이용하여 조성과 구조가 적합한 고성능의 전해질로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다. KIST-고려대 공동 연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용하여 화학적-기계적으로 안정적인 초박막 BZY 전해질 증착에 성공하였다. 이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 등 획기적인 성능을 보였다. *****수소이온 전도체 세라믹: 수소이온을 전도하는 세라믹 물질. 연구진은 “이번 고성능 BZY 연료전지 개발의 성공은 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시했으며 이를 통하여 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것”이라고 의의를 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 일반연구자지원사업, 글로벌프런티어 연구사업, KIST 미래원천연구사업 및 교육부(장관 이준식)의 BK21 플러스사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 저명 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ (Nature Communications, (IF : 11.329))에 2월 23일(목)자로 온라인 게재되었다. <그림 설명> <그림 1> 높은 성능의 박막 BZY 전해질이 적용된 연료전지의 부분 모식도(좌측)와 실제 미세구조 사진(중간), 그리고 문헌상에 보고된 다른 수소이온 세라믹 연료전지들과의 성능 비교(우측).