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17 16 골재에서 미세한 모래를 선별해 내는 체 ( sieve ) 처럼 지구온난화의 원인인 이산화 탄소만 선택적으로 분리해 내는 제오라이 트 분리막 제조 기술을 최정규 교수팀이 개발했다. 향후 해당 기술 개발이 완성되어 이산화탄소 포집 및 처리 기술( CCS)에 적 용될 경우, 기존 기술 대비 에너지 소모가 현격히 감소되어 CO2포집 비용을 현재 수 준의 1 / 3 이하로 줄일 수 있을 것으로 기대 된다. 공과대학 화공생명공학과 최정규 교 수팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학 부와 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개 발센터의 지원으로 이뤄졌으며, 해당 결과 는 화학분야 저명 학술지인 ‘앙케반테 케 미’ 10일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Uniform Si-CHA Zeolite Lay- ers Formed by a Selective Sonication- Assisted Deposition Method) 현재 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 습식, 건식, 분리막 포집기술 등으로 나누 어지며, 이중 분리막 기술은 콤팩트한 공 정 구현이 가능하여 CO2포집비용을 혁신 적으로 낮출 수 있는 유망 기술로 인식되 고 있다. 제오라이트를 분리막으로 사용하 는 개념은 오래 전부터 제시되어 왔으나, 제오라이트의 비균질적인 물질 특성으로 인해 균일한 분리막을 만드는 것이 난제로 여겨져 왔다. 최정규 교수팀은 이를 해결하기 위해 이산 화탄소와 크기가 유사한 기공크기를 갖는 CHA 타입의 제오라이트에 초음파를 적용 하여 균일한 제오라이트 층을 형성하는데 세계최초로 성공했다. 이는 정육면체 형태 유리 등 부도체에 전류 흐르는 기술 개발 체로 거르듯 이산화탄소만 분리하는 제오라이트 분리막 개발 김태근 교수 연구팀이 유리 같은 부도체에 전도성 채널을 만들어 전류를 흐르게 하 는 기술을 개발했다. 가시광 영역부터 심 자외선 영역까지 95 % 이상의 투과도를 가 지는 유리 같은 부도체에 효과적으로 전 류를 주입하게 될 경우 다양한 디스플레이 에 쓰이는 투명전극의 소재로 활용할 수 있어 주목받고 있다. 공과대학 전기전자전파공학부 김태근 교 수가 주도하고 김희동 박사과정 연구원(제 1 저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조 과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견 연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행 됐고, 연구결과는 어드밴스드 펑셔널 머터 리얼스(Advanced Functional Material) 지 11월 11일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : A Universal Method of Pro- ducing Transparent Electrodes Using Wide-Bandgap Materials ) 유리 같은 물질은 가시광선 뿐만 아니라 자외선에 대해서도 높은 투과특성을 보이 는 장점에도 불구하고 전류가 흐르지 않 고 반도체 물질과 접촉 시 전류주입이 어 려워 전극물질로 고려되지 않았다. 연구팀은 전류가 흐르지 않는 유리( SiO2 ) 같은 산화물 내부에 전도성 채널을 만드는 방식으로 투과도가 높은 유리의 장점을 유 지하면서 전류가 통할 수 있도록 하는 투 명전극 기술을 개발했다. 투과도가 뛰어나 지만 부도체인 유리의 한계를 극복한 것이 다. 투명전극 소재로 쓰이던 기존 ITO 전극 보다 높은 투과도를 가지면서도 전도성이 낮아 전극물질로 쓰이지 못했던 유리 같 은 물질도 투명전극 소재로 활용할 수 있 게 될 전망이다. 향후 유리 투명전극이 개발되면 가시광 LED , OLED , 태양전지, LCD 패널 등 고체 조명 및 디스플레이 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다 . 특히 개발된 유리 투명전극은 가시광 영역 뿐만 아니라 자외선 영역에서도 95 % 이상 의 높은 투과특성을 보였다. 자외선 영역에서 투과도가 떨어지는 ITO 전극의 한계를 극복해 위폐감별, 살균, 수 질정화 등에 쓰일 수 있는 자외선 LED 및 센서와 같은 자외선 영역의 신규시장 개척 에도 기여할 것으로 기대된다. 핵심은 유리 내부의 산소 또는 질소 결함 ( vacancy )을 제어해 전류가 흐를 수 있는 채널을 만든 데 있다. 전압차를 이용해 투명전극의 주성분인 유 리산화물 내부의 금속원소와 산소 또는 질소간의 결합이 끊어지면서 금속원소 주 변으로 생겨나는 채널을 통해 전하가 이동 할 수 있게 된 것이다. 김 교수는 “유리의 주성분인 석영( SiO2 )과 같이 매장량이 풍부하면서도 전기화학적 으로 안정한 물질을 이용해서 가시영역을 넘어 자외선 영역에서까지 활용할 수 있는 투명전극 기술을 개발했다는 데 의의가 있 다”고 밝혔다. * 가시광 사람 눈에 보이는 전자기파 영역(파장: 400~ 700 nm ) * 심자외선 가시광보다 파장이 짧은 파장대역 ( 190~ 400nm )의 전자파로 상대적으로 파장이 긴 빛을 근자외선, 짧은 빛을 심자외선으로 구분한다. * ITO 가시광 영역에서 널리 사용되는 산화주석 ( tin oxide )에 인듐( Indium )을 첨가한 투명재료. 가 시광 영역에서 90% 이상의 투과도와 높은 전도특 성을 가져 각종 디스플레이나 태양전지 등에 쓰이 는 광전소자의 투명전극 소재로 쓰임 전기전자전파공학부 김태근 교수 연구팀 화공생명공학과 최정규 교수 ▲ 그림 1 . 전도성 필라멘트 기반의 자외선 LED 모식도 ▲ 그림 2 . 오믹 접촉 형성방법 비교 ▲ 그림 4 . 제안된 산화/질화막 기반의 투명전극 물질의 투과도 특성 ▲ 그림 3 . 산화/질화막 기반 투명전극 물질의 전압전류특성 공과대학의 힘 ▲ 그림 2 . 전자 현미경을 통한 주사위와 얇은 판 형태를 지닌 CHA 타입의 제오라이트 분석 ▲ 그림 3 . ( a )-( b ) 합성한 all- silica CHA 제오라 이트 입자 및 ( c ) 그 중 주사위 모양의 크기 분포 도. 특히, ( b )에서는 얇은 판형형태의 입자를 화살 표로 표시함. ▲ 그림 4 . ( a ) 그림 2 와 3 에서 보여준 얇은 판형 형 태의 입자로 구성된 균일한 층을 보여주는 전자현 미경 사진과 ( b ) 이를 토대로 얻은 지지대 수직방 향으로의 배열을 나타내는 X - ray 회절 패턴. ▲ 그림 5 . ( a ) 그림 4 에서 보여준 균일한 층을 추 가적으로 성장시켜 얻은 CHA 제오라이트 분리막 의 top- view 및 cross- section 전자현미경 사진. ▲ 그림 1 . 주사위 모양과 판형 형태 모양을 지닌 CHA 제오라이트 입자 중에서 선택적으로 얇은 판 형 형태 모양의 CHA 제오라이트 입자를 다공성 지지대위에 증착시켜 균일한 층으로 형성하는 개 략도. 와 납작한 형태가 혼재한 CHA 타입의 제오 라이트에 초음파 처리를 통해 납작한 형태 의 입자만을 선택적으로 증착시킨 결과다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 기공 구 조가 배열된 1μm 수 준의 제오라이트 박 막 제조와 수분에 대한 안정성 및 대면적 화에 대한 추가 연구를 통해 실 배가스에 적용가능한 제오라이트 분리막 개발을 완 성할 계획이다. * 이산화탄소 크기 0 . 33nm, CHA 타입제오라이트 의 기공크기 0 . 37nm( 1nm= 10억분의 1m)