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- '스펀지 구조' 나노 소재 구멍 원하는 대로 설계- 흡착·분리·촉매 특성 우수 '나노 다공성 소재'의 속도·효율 ↑아주대 황종국 교수팀이 내부에 다양한 크기의 구멍을 가진 '스펀지 구조'의 나노 다공성 소재에서 기공 크기를 독립적으로 제어할 수 있는 원천기술을 개발했다. 기공 구조를 정밀하게 설계할 수 있게 되면 차세대 배터리를 비롯해 촉매 및 수처리 필터 등 다양한 에너지·환경 분야의 고성능 소재 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.황종국 아주대 교수(화학공학과, 사진)와 이진우 한국과학기술원(KAIST) 교수(생명화학공학과), 진형민 충남대 교수(유기재료공학과) 공동 연구팀은 고분자 블렌드의 상분리 현상을 이용해 나노 다공성 소재의 거대기공과 메조기공을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 합성 전략을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구 내용은 ‘단일중합체 기반 이중 상분리 공정을 통한 계층적 거대-메조다공성 산화물 및 탄소 소재 합성(Hierarchical macro–mesoporous oxides and carbon materials via homopolymer-assisted dual phase separation)’이라는 제목으로 화학공학 분야 국제 저명 학술지인 <케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)>에 4월 게재됐다.아주대 황종국·한국과학기술원(KAIST) 이진우·충남대 진형민 교수가 공동 교신저자로 참여했고, 박종윤 아주대 석박사 통합과정생(에너지시스템학과)이 제1저자로 함께 했다. 다공성 소재(Porous Material)는 마치 '스펀지' 같은 구조로, 물질을 저장하거나 이동시키는 데 유리한 특성을 갖는다. 이러한 구조에서는 구멍(기공, pore)의 크기와 연결 방식에 따라 물질의 이동 속도와 반응 효율이 크게 달라진다.이러한 특성을 바탕으로 산업계·학계에서는 다공성 소재를 ▲흡착·분리 ▲촉매 ▲에너지 저장 등에 활용하고 있다. 정수기 필터나 탈취제 등에 쓰이는 활성탄, 제습제나 건조제로 흔히 쓰이는 실리카겔 등이 우리 일상 속에서 볼 수 있는 다공성 소재다. 공동 연구팀의 연구 성과를 설명하는 이미지. 두 종류의 고분자를 혼합한 이성분계 고분자 블렌드(그림 왼쪽)의 상분리 현상을 이용해 거대기공과 메조기공이 함께 존재하는 탄소 소재를 합성했다(그림 오른쪽). 오른쪽 그림에서 파란색 실선으로 표시된 영역은 메조기공을 나타내며, 핑크색 점선으로 표시된 영역은 거대기공을 의미한다특히 머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준(1~100nm)에서 물질을 제어하는 나노 소재 분야에서는 기공 크기에 따라 물질 이동과 반응 특성이 크게 달라진다. 거대기공(Macroporous)과 메조기공(Mesoporous)이 각각 다른 기능을 수행하는 것. 기공의 크기가 50nm 이상인 거대기공은 물질이 빠르게 이동할 수 있는 통로 역할을 하고, 기공 크기가 2~50nm 범위인 메조기공은 반응이 일어나는 활성 표면을 제공한다. 따라서 두 종류의 기공 구조를 동시에 정밀하게 설계하는 것이 고성능 소재 개발의 핵심 요소다.그러나 기존 합성 기술에서는 여러 주형을 단계적으로 사용하는 복잡한 공정이 필요하거나, 각 기공의 크기를 개별적으로 조절하기 어려운 문제가 있었다. 이러한 한계로 인해 기공 구조를 독립적으로 조절할 수 있으면서도 공정이 단순한, 새로운 합성 기술이 필요하다는 요구가 많았다.공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 두 종류의 고분자를 혼합한 이성분계 고분자(Binary Polymer) 블렌드의 '자기조립(Self-assembly) 현상'에 주목했다. 서로 다른 고분자를 섞으면 특정 조건에서 스스로 정교한 나노 구조를 형성하는데, 이를 '자기조립 현상'이라 한다. 연구팀은 이러한 자기조립 특성과 무기 소재 합성 과정을 결합해 새로운 설계 원리를 정립하고, 이를 통해 기공 크기와 화학 조성을 비교적 간단하게 제어할 수 있는 합성 기술을 개발했다. 또한 이 합성법으로 제조한 탄소 소재를 차세대 2차 전지인 포타슘이온전지(K-ion battery)의 음극에 적용한 결과, 높은 에너지 저장 용량과 우수한 안정성을 동시에 확보할 수 있음을 확인했다. 이는 기공 구조를 독립적으로 설계함으로써 이온 이동 경로와 반응 활성 면적을 동시에 최적화한 결과다.황종국 교수는 "이번 연구는 다공성 소재에서 서로 다른 크기의 기공을 독립적으로 설계할 수 있는 새로운 합성 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다"라며 "이러한 구조 제어 기술은 차세대 나트륨 이온 배터리를 비롯해 전기화학 촉매 및 정수·수처리 필터 소재 등 다양한 에너지·환경 분야에 적용될 수 있다"라고 말했다.이번 연구는 교육부 G-LAMP 사업과 한국전력공사 전력연구원·사외공모 기초 개별연구의 지원을 받아 수행됐다.공동 연구진이 개발한 새로운 다공성 소재의 주사전자현미경(SEM) 이미지. 노란색 점선으로 표시된 영역이 거대기공으로, 약 수십에서 수백 나노미터 크기의 비교적 큰 기공들이 불균일하게 분포되어 있으며, 입자 내부에 넓은 빈 공간 형태로 존재한다. 하얀색 실선으로 표시된 영역은 메조기공으로, 약 수 나노미터에서 수십 나노미터 크기의 작은 기공들이 규칙적으로 배열된 형태를 보인다. 특히 확대된 이미지(오른쪽 그림)에서는 일정한 간격을 가지는 점 배열 형태로 나타난다. 연구진은 이와 같이 기공의 크기와 화학 조성을 비교적 간단하게 제어할 수 있는 새로운 전략을 개발했다
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- 작성일2026-06-10
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(좌측부터) 김의겸 교수, 박지범 학생(제1저자), 이유성 학생(공동저자)아주대학교 김의겸 교수(기계공학과) 연구팀이 그동안 로봇이 하기 가장 어려운 작업으로 꼽혔던 ‘케이블링(배선 작업)’을 정밀하게 수행할 수 있는 로봇손(gripper, 그리퍼) 기술을 개발했다.그동안 가전제품이나 자동차 제조 공정에서 전선을 연결하는 작업은 전선 특유의 유연성 때문에 자동화가 어려워 대부분 사람의 손에 의존해 왔다. 이번 연구를 통해 로봇도 정교한 배선 작업이 가능함을 보여 제조 현장에서의 활용을 기대할 수 있게 됐다. 딱딱한 물체를 옮기는 로봇은 이미 공장에 많다. 하지만 전선처럼 형태가 쉽게 변하는 물체는 로봇이 잡는 강도나 위치를 조금만 잘못 조절해도 꼬이거나 미끄러지기 일쑤다. 이 때문에 ‘케이블링’은 로봇 공학계에서 오랫동안 풀지 못한 숙제로 남아 있었다.김의겸 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘최소 자유도(degree of freedom, DOF) 메커니즘’을 적용한 새로운 로봇 손(그리퍼)을 설계했다. 이는 로봇의 관절과 움직임을 복잡하게 만드는 대신, 꼭 필요한 핵심 움직임만으로 정교한 기능을 구현한 것이다. 덕분에 로봇은 구조가 단순해져 제작 비용이 저렴해지면서도, 전선을 평평하게 잡는 방식(평행 파지)과 손가락 끝으로 꼬집듯 잡는 방식(핀치 파지)을 모두 자유자재로 구사할 수 있게 됐다.김 교수팀의 로봇은 비싼 ‘촉각 센서’를 따로 달지 않고도 로봇이 전선의 상태를 알아차릴 수 있다. 연구팀은 외부에서 가하는 힘을 로봇 손의 내부 모터에 흐르는 전류 변화를 분석해 외부에서 가해지는 힘을 정확히 측정해내는 ‘내재적 센싱(Internal Sensing)’ 기술을 성공적으로 적용했다. 로봇은 모터의 힘만으로 전선을 놓치지 않았는지, 지금 얼마나 세게 잡고 있는지, 전선의 어느 부분을 건드리고 있는지를 실시간으로 파악한다. 통상 로봇들은 마찰력이 커서 미세한 감지가 불가능했지만, 연구팀은 로봇 손의 설계를 효율화해 이를 가능하게 만들었다.이번 연구 결과는 기계공학 및 로봇 제어 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지인 <IEEE/ASME Transactions on Mechatronics> 3월호 온라인판에 게재됐다. 해당 저널은 관련 분야(Mechanical Engineering) 최상위권 학술지다.김의겸 교수는 “로봇 공학의 난제였던 케이블링 작업을 로봇으로 구현한 사례는 세계적으로도 매우 드문 성과”라며 “산업 현장에서 배선 작업 등 섬세한 작업의 자동화에 기여할 수 있기를 바란다”고 밝혔다.논문의 제1저자인 박지범 학생(석박통합과정)도 “이 기술이 실제 제조 현장에 적용되어 우리나라 산업 발전에 기여하기를 희망한다”고 전했다.한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 로봇산업핵심기술개발사업과 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원을 받아 수행되었다.[영상보기]
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아주대학교 이창구 교수팀이 하수·폐수 내의 질소를 자원화 하기 위한 통합 공정 기술을 제시했다. 이창구 교수(환경안전공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 하·폐수 내의 질소를 암모니아(NH₃) 형태로 회수하고 이를 수소(H₂) 생산으로 연계하는 통합 공정 기술을 제안했다. 이를 통해 폐수 내 질소를 자원화 함과 동시에, 탄소 배출 없는 청정에너지의 생산이 가능한 순환형 수-에너지 시스템 구현 가능성을 제시했다.연구팀의 이번 성과는 ‘폐수 내 암모니아 가스 회수를 통한 수소 생산(Hydrogen Production from Wastewater via Ammonia Gas Recovery)’이라는 제목의 논문으로 <npj 클린 워터(npj Clean Water)>에 2월 게재됐다. 이번 연구에는 우리 학교 대학원 에너지시스템학과 및 환경연구소 연구진이 참여했으며, 이창구 교수가 교신저자로서 연구를 총괄했다. 연구팀은 다양한 공정·촉매·시스템 분석을 아우르는 융합 연구를 통해 실험적 성능과 산업 적용 가능성을 동시에 평가했다.하·폐수에는 도시, 산업, 농업 및 매립지에서 유래한 반응성 질소가 다량 포함되어 있으나, 기존 생물학적 처리 공정은 이를 질소가스(N₂)로 전환해, 자원으로의 활용은 어렵다는 한계가 있었다. 또한 높은 에너지 소비와 온실가스인 이산화질소(N₂O) 배출 문제로 인해 지속가능성 측면에서의 한계 역시 지적되어 왔다.이에 아주대 연구팀은 다양한 공정을 활용해 실제 폐수로부터 암모니아(NH₃)를 회수하고, 이를 촉매 분해를 통해 수소로 전환하는 전 공정 체인을 통합적으로 분석했다. 특히 기존 연구와 달리 ▲실제 폐수 기반 비교 ▲수소 생산 잠재량 정량화 ▲촉매 성능 및 경제성·환경성(LCA/TEA) 평가를 동시에 수행함으로써 공정 간 연계성과 실현 가능성을 체계적으로 규명했다.그 결과, 폐수 유래 암모니아(NH₃)를 활용할 경우 현재 전 세계 수소 생산량의 약 43.6%에 해당하는 수준의 수소를 생산해낼 수 있는 잠재적 가능성이 있는 것으로 평가되었으며, 기존 공정(Haber–Bosch) 대비 에너지 효율 및 환경성 측면에서 경쟁력 있는 대안이 될 수 있음을 확인했다. 또한 루테늄(Ru), 니켈(Ni) 기반 촉매 비교를 통해 고효율·저비용 수소 생산을 위한 촉매 설계 방향 역시 제시했다.특히 이번 연구는 ▲질소 회수 ▲촉매 반응 ▲공정 통합 ▲정책 및 경제성 분석을 하나의 프레임워크로 연결함으로써, 단일 기술 중심 접근을 넘어선 시스템 수준의 혁신 전략을 제시했다는 점에서 학술적·산업적 의의가 크다는 평가다. 이창구 교수는 “폐수 속 질소를 단순 제거 대상이 아닌 ‘에너지 자원’으로 전환함으로써, 탄소중립 사회를 위한 새로운 수소 생산 경로를 제시할 수 있다”라며 “앞으로 하수처리장 및 산업 현장에서 적용 가능한 분산형 수소 생산 시스템으로 확장될 수 있을 것”이라고 전했다.* 위 사진 - 왼쪽부터 이창구 교수, 양희진 환경연구소 연구원, 정성효 석사과정 학생
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- 작성일2026-05-18
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- 높은 전하이동도에 신축성도 우수- 전자피부, 웨어러블 기기용 新 소재 활용 기대아주대학교 화학과 이인환 교수 공동 연구팀이 높은 전하이동도를 유지하면서 신축성도 뛰어난 차세대 반도체 소재를 개발하는 데 성공했다. 이에 앞으로 웨어러블 기기와 소프트 로보틱스 등 차세대 전자소자의 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.우리 학교 이인환 교수(화학과)와 이병훈 이화여대 교수(화공신소재공학과), 최태림 스위스 취리히연방공대(재료과) 교수 공동 연구팀의 이번 연구는 ‘리빙 중합 전략을 활용한 공액성 멀티블록 공중합체 개발: 신축성과 전하 수송에서의 구조–물성 상관관계에 대한 체계적 연구(Living Polymerization Strategy for Conjugated Multiblock Copolymers: A Systematic Study of Structure–Property Relationships in Stretchability and Charge Transport)’라는 제목의 논문으로 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)>에 2월 게재됐다. 논문의 제1저자로 아주대 양희성 박사(에너지시스템학과 박사 졸업)와 이화여대 유현진 학생(화공신소재공학과 석박통합과정)·김예진 박사(화공신소재공학과 박사 졸업)가 참여했다. 최근 학계와 산업계에서 주목받고 있는 전자 피부(e-skin)와 웨어러블 전자기기 등은 피부를 비롯한 인체에 밀착되면서도 생체 신호를 정밀하게 측정해야 한다. 이에 전기적 안정성 및 효율성과 더불어 유연성을 필요로 하는데, 이를 동시에 구현하는 데에는 한계를 보여왔다. 공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘다중블록 공중합체’ 플랫폼을 구축했다. 전기가 흐르는 공액 고분자 블록과 응력을 흡수하는 탄성 블록을 분자 수준에서 정밀하게 연결한 것. 특히 폴리(3-헥실티오펜)(Poly(3-hexylthiophene), P3HT) 블록을 정교한 리빙 중합(living polymerization) 기법으로 합성해 높은 구조적 정밀도를 확보하고, 이를 유연한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 블록과 공중합해 전하이동도 감소 없이 높은 신축성을 구현할 수 있었다. 연구팀이 개발한 소재는 300% 이상 늘어나면서도 균열이 발생하지 않고, 기계적 변형에도 안정적 전기적 특성을 유지했다. 더불어 폴리디메틸실록산(PDMS) 블록이 열에 강한 덕분에 고온의 열처리 후에도 전하이동도가 안정적으로 유지됨을 확인했다. 이번 연구 성과는 정밀 융합 전략을 기반으로 소자 성능과 공액 고분자의 구조적 요소의 상관관계를 체계적으로 규명함으로써, 그동안 상충관계에 놓여있던 신축성과 전하 이동도를 동시에 만족시킨 결과다. 이에 앞으로 전자 피부, 웨어러블 디바이스, 소프트 로보틱스 등의 개발 및 활용에 핵심적 소재로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.해당 연구는 ▲과학기술정보통신부 및 한국연구재단 국가연구소(NRL2.0) 지원사업 ▲중견연구자 지원사업 ▲기초연구실 지원사업 ▲대학기초연구소 지원사업 ▲뇌질환융합센터 등의 지원을 받아 수행됐다. * 위 사진 설명 - 왼쪽부터 아주대 이인환 교수, 아주대 양희성 박사, 이화여대 유현진 학생, 이화여대 이병훈 교수
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- 작성일2026-04-29
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