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GIST-미네소타대학 "빛과 전자는 형제지간…서로 에너지 주고 받아"

빛과 전자의 상호작용 정도를 제어할 수 있는 길이 열렸다. 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 물리·광과학과 이종석 교수 연구팀이 미국 미네소타대학교와 공동으로 루테늄 산화물(RuO2) 박막에서 피코초(10의 -12승초) 단위의 초고속 '빛-전자 상호작용 이방성'을 세계 최초로 관측하고, 원자층 두께 조절을 통해 그 세기를 정밀하게 제어할 수 있음을 입증했다고 8일 밝혔다. 이방성은 물질의 특성이 방향에 따라 변하는 것을 의미한다. 이번 연구에서 GIST는 이종석 교수 주도로 최인혁 박사가 초고속 광학 실험을 수행했다. 미네소타대학교에서는 화학공학·재료과학과 버라트 잘란(Bharat Jalan) 교수 연구팀이 루테늄 산화물 박막 성장을, 전기전자공학과 토니 로우(Tony Low) 교수 연구팀이 전자구조 이론 해석을 담당했다. 연구팀은 "이 원리를 적용하면 향후 차세대 대면적 광전자 소자 개발에 필요한 핵심 기술로 활용 가능할 것"으로 전망했다. 이번 연구에 활용한 루테늄 산화물은 금속성이다. 우수한 전기 전도성과 화학적 안정성을 지녔다. 전자 및 이온 이동이 용이해 전극 재료, 촉매, 센서, 투명전극 등 다양한 분야에서 활용된다. 고체 내 빛과 전자의 상호작용을 이용하는 광전자 소자는 빛으로 전기 신호를 만들거나 전기로 빛을 내는 장치다. 초고속 광통신, 광이미징 등 전기 신호 전달 분야의 다양한 기술에 필수적인 요소다. 특히, 빛의 편광 방향에 따라 전자 신호를 제어할 수 있는 '광전자 이방성'은 차세대 광통신, 이미징, 스핀트로닉스 기술의 핵심 요소로 주목받고 있다. 연구팀은 분자빔 에피택시(MBE) 기술을 이용해, 타이타늄 산화물 기판 위에 원자층 단위로 성장시킨 루테늄 산화물 박막에서 반데르발스 물질 수준의 빛-전자 상호작용 이방성이 존재한다는 것을 다양한 광학 측정을 통해 확인했다. 연구팀은 X선 흡수 분광법과 타원 편광 분석법 등으로 물질의 정적 이방성을 분석한 데 이어, 펨토초 레이저 기반의 펌프-프루브 기술을 통해 편광 방향에 따라 광여기된 전자들의 거동이 피코초(10의-12승초) 시간 단위에서 크게 달라진다는 사실을 관측했다. 이종석 물리광과학과 교수는 "이는 루테늄 산화물 박막이 초고속 광전자 소자에 활용될 수 있음을 보여주는 중요한 단서"라고 설명했다. 연구팀은 또 박막 두께를 원자 단위로 정밀하게 조절해 기판 응력(strain)을 완화하면, 빛-전자 상호작용 이방성 강도도 함께 조절할 수 있음을 확인했다. 이종석 교수는 “최근 스핀트로닉스 분야에서 주목받는 루테늄 산화물에서 응력을 활용해 전자구조를 제어할 수 있음을 실험적으로 확인했다”며, “광전자 소자는 물론 차세대 스핀소자 개발에도 중요한 단초가 될 것”이라고 밝혔다. 연구는 한국연구재단 한계도전 R&D 프로젝트와 중견연구자지원사업, 미국 에너지부(DOE) 및 국립과학재단(NSF)의 지원을 받았다. 연구결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 6월 27일 온라인으로 게재됐다.

2025.07.08 14:38박희범

수소생산 경제성 확보한 신개념 촉매 개발…"실용화 연구 진행"

청정수소를 더 효율적으로 분해할 수 있는 신개념 촉매가 개발됐다. 기존 나노 촉매 대비 암모니아 분해 성능이 3배 정도 더 높아 수소 생성률이 1.7배 이상 개선될 전망이다. 한국에너지기술연구원(원장 이창근, 에너지연)은 수소연구단 구기영 박사 연구팀이 기존보다 경제성이 향상된 신개념 암모니아 분해 촉매 합성법을 개발했다고 3일 발표했다. 이를 활용하면 암모니아에서 수소를 더 효율적으로 분해할 수 있다. 이때문에 수소 경제 실현에 크게 기여할 것으로 연구팀은 기대했다. 암모니아는 3개의 수소 원자와 1개의 질소 원자로 구성된다. 수소 함량이 높아 수소의 장거리 운송과 대용량 저장에서 운반체로 주목받고 있다. 그러나 운송 이후 수요지에서 암모니아를 분해, 수소를 생산하는 기술은 초기 개발 단계다. 이에 연구팀은 원자번호 71번, 루테늄(Ru)에 주목했다. 루테늄이 다른 촉매보다 100도 이상 낮은 500도~600도 조건에서도 암모니아를 빠르게 분해할 수 있기 때문이다. 문제는 루테늄이 소수 국가에만 존재하는 매우 희귀한 금속이라 구하기 어렵다는 점이다. 이에 따라 루테늄을 적게 쓰면서도 수소를 분해할 방법으로 나노 촉매를 만들어 쓰는데, 이는 대량 생산 공정이 복잡하고 제조 비용도 많이 든다. 구기영 책임연구원은 "촉매 경제성 확보를 위해 폴리올 공정 기반의 신개념 루테늄 촉매 합성법을 개발했다"며 "이는 기존 촉매에 비해 3배 이상 높은 암모니아 분해 성능을 나타냈다"고 설명했다. 연구진이 활용한 폴리올 공정은 주로 금속을 나노 입자로 합성하는 데 쓰인다. 기존 공정에서는 입자끼리 뭉치는 현상을 막기 위해 안정화제를 넣는데, 이로 인해 공정이 복잡해지고 비용도 증가한다. 연구진은 이에 '탄소사슬'이라 불리는 유기 분자 길이가 입자의 응집 정도에 영향을 준다는 점에 착안했다. 탄소사슬 구조와 길이를 조절하면 첨가제 없이도 나노 입자의 응집을 효과적으로 억제할 수 있다고 본 것. 실험결과 탄소사슬 길이가 긴 부틸렌글리콜을 활용하면 안정화제 없이도 2.5nm 크기의 루테늄 입자가 균일하게 분산되고 수소 생성 반응이 일어나는 'B5 사이트'(반응성이 좋은 류테늄 원자 위치 형태)가 형성된다는 것을 확인했다. 구기영 책임은 "이렇게 만든 촉매는 부틸렌글리콜을 사용하지 않은 기존 루테늄 촉매와 비교했을 때, 활성화 에너지는 약 20% 낮아졌고 수소 생성률은 1.7배 증가했다"며 "기존 합성법 대비 3배 이상 뛰어난 경제성을 보였다"고 부연 설명했다. 구 책임은 "향후 암모니아 분해 촉매 기술 국산화와 실용화에 기여할 수 있을 것”이라며, “현재 수행중인 과기정통부 글로벌 톱 과제를 통해 펠릿 형태로 만드는 실용화 연구와 성증 검증을 진행할 계획"이라고 말했다. 연구결과는 나노분야 국제 학술지 '스몰(Small, IF 12.1)' 표지논문으로 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회의 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업으로 수행했다.

2025.07.03 13:07박희범

"화산 용암서 금 새어 나오고 있다"…어디서 왔나 봤더니

지구 내부 가장 안쪽에 위치한 핵에서 금과 루테늄을 포함한 귀금속이 흘러나와 지표면 화산암으로 스며들고 있다는 연구 결과가 나왔다고 IT매체 기즈모도가 최근 보도했다. 독일 괴팅겐 대학교가 이끄는 연구진은 하와이 화산섬에서 분출된 용암을 조사해 용암에 암석 맨틀보다 더 깊은 지구 핵에서 더 흔한 동위원소인 '루테늄-100'의 농도가 비정상적으로 높은 것을 발견했다. 이를 통해 화산 용암이 지구에서 가장 깊은 곳인 지표면 아래 2천900km 이상 깊이의 물질을 흡수했다는 것을 시사한다고 해당 매체는 전했다. 해당 연구 결과는 최근 국제 학술지 '네이처'에 실렸다. 괴팅겐 대학교 지구화학과 닐스 메슬링 박사는 "첫 번째 결과가 나왔을 때, 우리는 말 그대로 금을 찾았다는 것을 깨달았다"며, "우리 데이터는 금과 기타 귀금속을 포함한 지구 핵 물질이 지구 맨틀로 새어 나가고 있음을 확인했다"고 밝혔다. 지구의 핵은 40억 년 전에 형성되었으며, 지구의 금 공급량의 99.999% 이상을 함유하고 있다. 하지만 이전 연구들은 일부 화산암이 지구 핵에서 나온 물질로 구성되어 있으나, 그 물질이 어떻게 지구 표면으로 올라왔는지에 대해서는 설명하지 못했다. 이번에 괴팅겐 대학 연구진이 개발한 초고정밀 동위 원소 분석 기술로, 이전에는 감지할 수 없었던 루테늄 동위 원소의 차이를 밝혀낼 수 있었다. "우리 연구 결과는 지구의 핵이 이전에 생각했던 것처럼 고립되어 있지 않다는 것을 보여줄 뿐만 아니라 엄청난 양의 과열된 맨틀 물질, 약 10경 미터 톤 가량의 암석이 핵-맨틀 경계에서 지구 표면으로 올라와 하와이와 같은 바다 섬을 형성한다는 것을 증명할 수 있게 되었다"고 괴팅겐 대학 마티아스 윌볼드 교수는 밝혔다 연구 결과에 따르면 지구 표면의 금이나 루테늄 등의 귀금속 공급은 그 기원 중 일부가 깊은 곳에 있는 용암 매장지 때문으로 비롯된 것일 수 있다. 또, 향후 아이슬란드, 일본 등 활화산이 많은 지역을 연구하면 지구 핵과 맨틀 경계에서 표면으로 운반된 물질의 양이 얼마인지 명확히 알 수 있다고 해당 매체는 전했다.

2025.05.26 14:22이정현

KAIST, 100년 넘은 암모니아 생산방식 바꿔 생산성 7배↑

획기적인 수소생산 공정 촉매 기술이 개발돼 학계 관심을 끌었다. KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 에너지 소비와 이산화탄소 배출량을 크게 줄이면서도 암모니아 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 혁신적인 촉매 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다. 현재 암모니아는 철(Fe) 기반 촉매를 이용해 하버-보슈 공정이라는 100년 넘은 기술로 생산된다. 하지만, 이 방식은 500℃ 이상의 고온과 100기압 이상의 고압이 필요하다. 에너지 소비와 이산화탄소 배출이 크다. 이에 따라 제조나 유통비용도 만만치 않다. 최근엔 물을 전기로 분해하는 수전해 기술을 이용해 그린 수소로 저온·저압(300도,10기압)에서 암모니아를 합성하는 친환경 공정이 주목받고 있지만, 이에도 문제가 있다. 낮은 온도와 압력에서도 암모니아 생산성을 확보할 수 있는 촉매 개발이 필수적으로 따라가야 하는데, 아직까지 이를 해결하지 못했다. 연구팀은 이에 대한 답을 '탄소'에서 찾았다. 최민기 교수는 "기존의 절연성 산화마그네슘 대신, 전자 이동이 자유로운 탄소 지지체를 사용했더니 촉매 시스템의 작동 방식이 크게 변화했다"며 "이 구조에서는 산화바륨이 루테늄과 직접 계면을 이루지 않아도 수소이온과 전자의 분리 저장이 가능했다"고 설명했다. 최 교수는 "더 놀라운 점은 탄소 지지체의 나노 구조를 제어함에 따라 촉매 성능이 크게 달라졌다는 점"이라며 "기존 최고 수준인 산화마그네슘 기반 촉매보다 무려 7배 향상된 암모니아 합성 성능을 확인했다"고 부연설명했다. 최 교수는 또 "이번 연구결과에 대해 학계가 주목 중"이라며 "기존의 대규모 공장 중심 생산 방식에서 벗어나 분산형 소규모 암모니아 생산이 가능해질 것"으로 기대했다. 연구에는 생명화학공학과 최민기 교수가 교신저자, 백예준 연구생(박사과정)이 제 1 저자로 참여했다. 연구 결과는 촉매 화학 분야 국제 학술지인 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 지난 2월 24일 게재됐다.

2025.03.11 08:07박희범