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Research Highlights
- 물리 김동언 교수팀, 분광계 없이 찰나의 빛 포착한다
- [POSTECH·MPK·부산대 공동연구팀, 펨토초(1,000조분의 1초) 단위 레이저 펄스 파헤치는 측정 기술 개발]
바쁜 일정에 쫓겨 정신없이 하루를 보내다 보면 빠르게 지나가는 1분 1초가 아깝게 느껴진다. 그보다 짧은 찰나의 순간에도 쉴 새 없이 벌어지는 일이 있다. 바로 전자, 원자, 분자의 움직임이다. 펨토초(fs, 1,000조분의 1초), 아토초(as, 100경분의 1초) 광원은 원자 또는 분자 단위의 미시 세계에서 촘촘하게 일어나는 자연 현상의 관찰을 가능케 했다.
물리학과·막스플랑크 한국-포스텍연구소(MPK) 김동언 교수, 부산대 광메카트로닉스공학과 김승철 교수·알렉산더 글리세린(Alexander Gliserin) 박사 공동연구팀은 분광계 없이도 펨토초 찰나 빛의 특성을 정확히 알 수 있는 펄스 측정 기술을 개발했다. 비용이 많이 드는 분광계를 사용하지 않아도 돼, 측정 비용과 절차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
기존에는 찰나의 빛의 특성을 알기 위해 하나의 펄스를 균일하게 둘로 쪼갬으로써 시간 정보를 간접적으로 확인하는 방법이 사용됐다. 다만 동일한 펄스 복사본을 사용하는 과정에서 펄스 스펙트럼*1 위상이 손실돼 구체적인 정보를 얻기 어려웠다.
이 때문에 추가적인 분광 측정 등으로 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하는 다양한 광학 계측 방법이 개발됐다. 현재는 FROG 또는 SPIDER 방법이 가장 널리 사용된다. 하지만 여전히 실험 과정이 복잡하고 분광계를 사용해야 해, 더욱 간단한 측정법의 개발은 숙제로 남아 있었다.
연구팀은 두 개의 펄스 중 하나를 약하게 만들어 동일성을 깨는 전략을 세웠다. 펄스의 세기를 불균형하게 만들어 동일성을 깨면, 위상 정보가 보존됨을 보이고, 이 위상 정보를 추출하여 완벽한 펄스 특성을 파악할 수 있음을 보였다. 이 기술로 6 펨토초의 레이저 펄스에 대한 측정 결과와 기존 FROG 기술로 측정한 값과 비교하여, 일치성이 매우 높은 것을 증명했다.
이 ...
2022-10-05
- 화학 최창혁 교수팀, 양이온이 길러내는 ‘산업의 쌀’ 에틸렌
- [POSTECH·KAIST 공동 연구팀, “전기이중층 양이온 종류·농도가 이산화탄소 전환 성공의 핵심 열쇠”]
무색(無色)의 기체 에틸렌이 ‘산업의 쌀’이라고 불리는 까닭은 무엇일까? 이는 에틸렌이 플라스틱과 비닐, 합성고무 등 다양한 석유화학 물질의 원료가 되기 때문이다. 최근 석유 대신 이산화탄소로 에틸렌을 만드는 전기화학적 이산화탄소 전환 기술이 화제를 모았는데, 나아가 국내 연구팀이 전환 과정에 양이온이 미치는 영향을 샅샅이 밝혔다.
화학과 최창혁 교수·KAIST 화학과 김형준 교수 공동 연구팀은 전기이중층 내 리튬, 나트륨과 같은 알칼리금속 양이온의 종류와 농도에 따라 이산화탄소 환원반응의 활성이 크게 좌우된다는 사실을 규명했다. 기존에 양이온이 반응에 영향을 미치지 않는 방관자로 알려져 있던 것과는 상반된 결과다.
전기화학적 이산화탄소 환원반응은 이산화탄소와 물의 반응을 통해 고부가가치 화합물을 생산하는 기술이다. 생산 과정에서 탄소가 나오지 않고, 신재생에너지를 활용할 수 있다는 점에서 친환경적인 생산법으로 각광받는다. 실제 산업에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 명확히 알려지지 않은 반응의 작동원리는 기술의 상용화에 걸림돌이 됐다.
연구팀은 양자 역학에 기반한 원자 수준의 계산화학적 시뮬레이션을 통해 촉매-전해질 계면 내 양이온과 반응물의 움직임을 이론적으로 분석했다. 분석 결과, 양이온이 반응중간체*1인 이산화탄소와 직접 결합하며 반응을 촉진하는 것으로 조사됐다. 또, 연구팀은 양이온의 농도에 따른 에틸렌 생산 속도를 측정, 양이온 농도와 생산 속도가 실제로도 비례함을 확인했다.
연구팀은 이러한 연구결과를 바탕으로, 전극 주변 전기이중층 내 양이온 농도를 증가시키기 위한 전극-전해질 계면 제어 기술을 추가적으로 확보하였으며, 고성능 에틸렌 생산에 성공하였다.
최창혁 교수는 “양이온과 반응중간체의 결합이 에틸렌 생산을 위한 이산화탄소 전환 기술의 핵심 작동원리임을 밝힌 결과”라며 “향후 본 기술...
2022-10-04
- 신소재 이종람 교수팀, ‘금속’ 괴롭히는 산화 반응 이용해 친환경 화합물 “펑펑”
- [POSTECH·서울대 공동연구팀, 촉매의 이종 접합 구조와 이산화탄소 환원 효율 상관관계 규명]
[“접합 계면에서 생기는 응력으로 포름산 전환 효율 극대화”]
귀걸이나 목걸이를 오래 보관하다 보면 거뭇하게 색이 변하는 모습을 볼 수 있다. 금속이 산소에 닿으면 일어나는 산화 반응 때문이다. 이 산화 반응은 이산화탄소(CO2)를 유용한 연료로 바꿀 때 쓰이는 금속 촉매에서도 일어난다. 최근 국내 연구팀이 당연하게 여겨졌던 산화 반응에 주목, 친환경 화합물인 ‘포름산’을 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 찾았다.
신소재공학과 이종람 교수·통합과정 조원석 씨, 서울대 재료공학부 장호원 교수 공동연구팀은 비스무트(Bi) 촉매의 이종 접합(heterojunction) 계면에서 생기는 응력이 이산화탄소 환원 효율을 크게 증가시킨다는 사실을 발견했다.
전기화학적 이산화탄소 환원은 일반적으로 이산화탄소가 용해된 탄산염 수용액을 이용해 이뤄진다. 대부분 금속 물질로 만들어지는 촉매들은 수용액과 닿으면 일부가 산화물 또는 수화물로 바뀌기 마련이다. 금속과 금속-산화물이 뒤섞인 이종 접합 형태로 존재하는 것. 하지만 그간 이종 접합 구조가 이산화탄소 환원 효율에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 전무했다.
연구팀은 실험을 통해 비스무트 촉매가 탄산염 수용액 상에서 쉽게 꽃잎 모양의 금속-산화물 옥시탄산 비스무트((BiO)2CO3)로 바뀜을 확인했다. 이산화탄소 환원을 위해 이 물질에 일정 수준의 에너지를 가하면 꽃잎 모양은 유지하되, 다시 금속으로 되돌아간다. 이때 금속-산화물 일부가 남아 금속과 이종 접합 계면을 형성한다.
연구 결과, 결정 상수(lattice constant)가 서로 다른 두 물질의 계면에서 생기는 응력에 의해 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 효율이 한층 높아지는 것으로 조사됐다. 식품가공, 보존제 등 다방면으로 활용되고 있는 포름산은 수소를 저장하는 데도 사용할 수 있어, 탄소중립의 ‘열쇠’로 여겨진다.
환원 과...
2022-09-29
- 화학 박수진 교수팀, 1회 충전으로 ‘630km’ 달리는 ‘이 배터리’는?
- [POSTECH·UNIST 공동연구팀, 에너지밀도 극대화한 무(無)음극 배터리 개발…에너지 밀도 ‘40%’ 높여]
작년 한 해에만 국내 신규 등록 전기차가 ‘10만 대’를 돌파했다. 전 세계에서 이 같은 기록은 한국과 노르웨이 둘 뿐이다. 이제는 흔히 볼 수 있는 전기차의 배터리 수명과 충전 속도를 좌우하는 핵심 소재가 바로 ‘음극재’다. 국내 배터리 업계는 음극재의 재료를 달리 하거나 새로운 기술을 도입하며 배터리 용량을 획기적으로 늘릴 방법에 몰두하고 있다. 이 음극재를 아예 없앤다면?
화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀은 UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사 연구팀과의 공동연구로 1회 충전으로 오래 쓸 수 있는 무(無)음극 배터리를 개발했다.
이 배터리의 부피당 에너지 밀도는 977와트시/리터(Wh/L)로 상용화된 배터리(약 700Wh/L)보다 40% 높다. 한 번만 충전해도 630km를 달릴 수 있는 셈이다.
일반적으로 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조를 바꾼다. 시간이 갈수록 배터리 용량이 줄어드는 이유다. 음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하다면 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 것으로 여겨졌다. 다만 실제로는 음극의 부피가 크게 팽창하며 배터리 수명을 악화시킨다는 치명적인 단점이 있었다. 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 음극에 존재하지 않아서다.
연구팀은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 배터리를 통상적으로 사용되는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질에서 구현하는 데 성공했다. 기판은 음극 보호층을 형성할 뿐만 아니라 음극의 부피 팽창을 최소화하도록 돕는다.
연구 결과, 배터리는 카보네이트 용매 계열 전해질 환경에서 고용량(4.2 mAh cm−2), 고전류밀도(2.1 mA cm-2)로 오랫동안 높은 용량을 유지했다. 기판이 리튬을 안정적으로 저장할 수 있음을 이론과 실험을 통해 검증하기도 했다.
나아가,...
2022-09-27
- 물리 이대수 교수팀, 1억분의 1m 위로 데이터 그리는 ‘마법의 펜’
- [POSTECH·숭실대·서울대 공동연구팀, 뾰족한 탐침 ‘콕’ 찍어 나노미터 크기에 데이터 저장하는 방법 제시]
[준안정 상태 물질 활용…기존 연구 대비 데이터 저장 용량 10배 높여]
SNS 팔로워가 수만 명에 달하는 해외 예술가 ‘프랭크 홀젠버그(Frank Holzenburg)’는 생동감 넘치는 그림을 손톱보다 작은 크기로 그려 화제를 모았다. 종이 위에 작은 그림을 그리듯, 10나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m)보다 작은 영역에 마음껏 데이터를 그릴 수 있는 길이 열렸다.
물리학과 이대수 교수, 숭실대 물리학과 박세영 교수, 서울대 IBS 강상관계 물질 연구단 이지혜 박사 공동연구팀은 뾰족한 탐침으로 ‘콕’ 찍어 데이터를 빽빽하게 저장하는 방법을 제시했다. 약한 자극으로도 성질이 쉽게 바뀌는 준안정*1 상태의 물질을 이용한 성과다.
준안정 상태의 강유전체*2인 칼슘티타네이트(CaTiO₃) 박막은 탐침으로 살짝 누르기만 해도 물질의 분극*3 방향이 바뀐다. 100나노뉴턴(nN)의 아주 약한 힘이면 충분하다. 연구팀은 이 힘으로 분극 전환 영역의 너비를 10nm보다 작게 만드는 데 성공, 데이터 저장 용량을 획기적으로 높일 가능성을 찾았다. 영역의 크기를 작게 할수록 하나의 물질에 더 많은 데이터를 담을 수 있기 때문이다.
박막 위에 탐침으로 데이터 저장 영역을 그려낸 결과, 저장 용량이 1테라비트(Tbit)/cm²까지 늘어났다. 다른 물질로 탐침 기반 저장 방법을 제시했던 기존 연구 결과(0.11Tbit/cm²)보다도 10배나 높다. 전기장을 이용한 데이터 저장법과 달리, 탐침을 이용한 방법은 적은 힘만을 사용하기 때문에 소자에 가해지는 부담도 적다.
이 연구성과는 안정적이지 않은 준안정 상태에서 물질이 오히려 더 높은 성능을 낸다는 사실을 입증한 흥미로운 결과로 주목받는다. 향후 집적도와 효율을 높인 차세대 전자소자에 활용이 기대된다.
한편, 물리학계의 권위지 중 하나인 ‘피지컬리뷰레터스(Physical Rev...
2022-09-26
