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오일권, 유승화 교수, 전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과 오일원, 유승화 교수 공동 연구팀이 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 자유롭게 제어하는 기술을 개발했다.
연구팀은 그래핀이 코팅된 마이크로미터(100만분의 1미터) 단위 틈의 금속 그물망에 갇힌 물을 전기장을 가해 투과시키거나, 표면에 놓인 물방울의 모양을 바꾸는 등 ‘전기습윤현상(전기장이 젖음성을 바꾸는 현상)’을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 제어하는 방식의 기술을 개발해 수(水)처리 장치에서의 다양한 활용 가능성을 제시했다.
이번 연구결과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈 10월 31일자에 게재됐다.(논문명 : Graphene-coated meshes for electro-active flow control devices utilizing two antagonistic functions of repellency and permeability)
표면청소, 방수표면, 제습공조, 부식방지, 저항감소 등 다양한 수처리에 적용 가능한 액체 거동 제어 장치의 개발이 요구되고 있다. 그러나 기존의 표면 젖음성 조절과 부식 방지 연구들은 표면의 굴곡이나 화학적인 코팅에 의존하였기 때문에 표면의 젖음성을 제어할 수 없었다.
전기습윤현상을 이용하면 액체의 움직임과 흐름을 조작할 수 있게 돼 발수성 소재의 표면을 젖게 하거나 흡수성 소재의 표면에 물이 스며들지 않게 제어가 가능하다.
연구팀은 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용하여 전기습윤현상에 기반한 액체거동기술을 개발했다. 순수한 물 혹은 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 위치시키고 구리판을 또 다른 전극으로 사용해 전압을 인가 시 액체방울 모양이 가역적으로 변화함을 보였다.
이는 정전기력 (electrostatic force)이 물 분자의 정렬 혹은 이온의 이동을 유도하여 액체방울이 전기장 방향으로 늘어나 생긴 현상이다.
그래핀의 소수성(hydrophobicity)으로 인해 일반적으로는 그래핀이 코팅된 그물망에는 물이 투과되지 못한다. 하지만 전기장을 가할 때 물에 작용하는 정전기힘과 그물망 틈 사이에 작용하는 모세관힘의 상호작용에 기반한 젖음성 조절 메커니즘을 규명해 이를 바탕으로 그물망 바깥쪽에 높은 전기장을 인가하면 안쪽의 액체가 비가역적으로 그물망을 투과하여 이동함을 보여, 전기로 그물망의 발수성과 투수성을 능동적으로 제어가 가능함을 보였다.
이를 이용해 그래핀 그물망으로 가둔 물탱크의 물을 전기를 가해 내보내는 장치나 물방울을 층층이 위치한 그래핀 그물망들의 가장 위에서 아래로 전기를 이용해 이동시키는 장치 등을 개발했다. 실험결과 그래핀 코팅이 금속의 부식을 막아 수처리 환경에서도 장시간 사용이 가능했다.
이 연구는 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용하여 액체의 모양과 흐름을 능동적으로 제어할 수 있는 기술을 개발한 것이다.
전기장을 가하여 자유롭게 젖음성을 조절할 수 있는 내부식성* 그물소재로 필요에 따라 물의 흐름을 막거나 통과시키는 제어장치를 제작하여 다양한 미세유체 장치, 방습 및 제습 장치, 차세대 수(水) 처리장치, 혹은 물에 대한 마찰저항 조절이 필요한 선박과 플랜트 등에 사용할 수 있다. 이들 분야에서 요구되는 액체의 정확한 거동제어와 소형화, 장시간 사용 등의 기능을 갖춘 소재/소자의 원천 기술로의 적용이 기대된다.
오일권 교수는 “이 연구는 기존 연구에서 나타났던 금속의 부식 현상 및 물이 젖는 정도를 조절할 수 없었던 문제를 그래핀이 코팅된 그물망 구조로 극복하면서 마이크로 수준에서 액체의 움직임과 젖음성을 제어할 수 있는 방법을 개발한 것이다. 방습 및 제습, 미세유체, 해수 담수화, 차세대 수(水) 처리 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 그래핀 매쉬의 제조 방법 및 기능성 길항 액체 제어 기술의 도식도
그림2. 비가역적 액츄에이션 모드(irreversible actuation mode)와 기능성 길항 액체 제어장치(functionally antagonistic active flow devices)
2016.11.16
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바이러스를 이용한 친환경 나노발전기 개발
- 자연계의 생체 합성 능력을 모방해 만든 신물질로 나노발전기 개발 -
우리 학교 신소재공학과 이건재(38)·남윤성(40) 교수 공동연구팀은 유전자 조작 바이러스를 이용해 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
연구결과는 나노 및 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘ACS Nano’ 온라인판(11월 14일자)에 게재됐으며, 대면적 저비용 제작에도 성공해 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 12월호 표지논문으로 선정되기도 했다.
조개껍질, 해면, 뼈 등에서 볼 수 있듯이 자연계는 인간이 만들기 어려운 여러 가지 물질이나 구조를 스스로 합성하고 조립하는 능력을 가지고 있다. 예를 들어, 자연계의 조개껍질은 매우 단단한 반면 같은 물질이지만 인공 합성물인 분필은 쉽게 부서진다.
게다가 기존의 여러 인공 합성법들은 독성이 많고 극한적인 환경에서 이뤄진다는 것에 비해 이러한 자연적인 합성은 매우 신비하고 주목할 만한 현상이다. 이처럼 생물들이 가지고 있는 자연적 물질 합성을 모방하면 과학기술 분야에서 효율적으로 환경문제를 해결하거나 신물질을 개발할 수 있다.
연구팀은 자연계에 대량으로 존재하면서 인체에는 무해한 M13이라는 바이러스 유전자를 조작하고, 이 바이러스의 특징을 이용해 압전 효과가 우수한 티탄산바륨(BaTiO3)을 합성함으로써 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
나노발전기란 기계적인 힘을 가하면 전기가 생성되는 압전(piezoelectricity) 현상을 응용해 만든 에너지를 얻는 소자다. 연구팀은 이번에 손가락의 움직임으로도 전기에너지를 생산해 LED를 구동하는데 성공했다.
남윤성 교수는 “이번에 개발된 나노발전기는 DNA 조작이 생명체의 변형을 뛰어넘어 전자소자까지 제어할 수 있다는 새로운 발상의 전환을 보여주는 것”이라며 “뛰어난 압전특성과 친환경적인 제조공정은 이러한 접근법이 얼마나 매력적인지를 잘 보여준다”고 연구의 의의를 설명했다.
ㅁ 그림설명
바이러스 구조를 이용한 티탄산바륨 합성 및 나노발전기 모식도(첫째 줄), 바이러스와 이를 이용한 티탄산바륨 나노물질의 전자현미경 사진 및 구현된 유연한 나노발전기와 소자 (LED) 구동 모습(둘째 줄)
2013.12.10
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온라인전기자동차 미국시장 진출 본격착수
우리학교가 개발한 온라인전기자동차(Online Electric Vehicle, OLEV)의 미국시장 진출이 본격적으로 착수됐다.
서남표 총장은 지난 24일 유타(Utah)주 파크시티(Park City)를 방문해 지난 8월 KAIST 온라인전기자동차사업단과 의향서(Letter of Intent)를 체결한 미국 유타주립대학교 부설 연구기관인 에너지 다이내믹스 연구소(Energy Dynamics Lab, EDL)와 온라인전기자동차 기술 적용에 대한 구체적 방안을 협의했다.
또한, 이번 방문에서 유타주 파크시티에 온라인전기차 기술을 활용하는 시범사업에 대해 논의했다.
온라인전기자동차 기술은 KAIST가 제공하고 시스템 구축은 KAIST와 EDL이 공동으로 수행하는 것으로 양측은 합의했으며, 유타 주 내 표준 및 인증절차, 외부 환경(날씨, 온도 등)에 따른 대처, 급전 설비 설치구간, 부품공급, 전력 수급 방안, 사업계획 등을 논의했다.
시범사업이 추진될 파크시티는 2002년 솔트레이크 시티 동계올림픽의 주요경기가 열린 Olympic Park가 있는 도시로, EDL은 KAIST의 비접촉 충전기술을 시범사업에 적용하는 ‘전기차 무선첨단충전(Wireless Advanced Vehicle Electrification, WAVE)프로젝트’를 파크시티 의회에 제출했으며, 시의회에서는 만장일치로 이를 승인한 바 있다.
이번 프로젝트의 전체 예산은 30~50억 원이 소요될 것으로 보인다. 예산 확보를 위해 파크시티의 초기 지원금에 추가해 미국 에너지성(DOE) 등 연방 연구자금을 지원받을 계획이며, 개인․기관 등의 투자자들과도 접촉해 상당한 공감대를 형성했다.
이를 위해 KAIST와 EDL은 유타주 농구 팀인 재즈(JAZZ) 소유주 겸 밀러 모터 스포츠 파크(Miller Motor Sports Park) 소유주인 브라이언 밀러(Bryan Miller)를 만나 KAIST 온라인전기자동차에 대해 소개했다. 브라이언은 상용화가 가능한 기술 수준을 이룬 KAIST에 찬사를 보내면서 투자 의향을 적극적으로 내비쳤다.
서 총장은 파크시티 시장 다나 윌리엄스(Dana Williams)와 함께 파크시티에 설치된 디젤엔진 열차인 트롤리를 시승했고, 윌리엄스 시장은 온라인전기자동차 도입의사를 재표명했다.
윌리엄스 시장은 “파크시티는 미래 지속 가능한 기술(Sustainable technology) 도입에 아주 적극적이며, KAIST의 온라인전기자동차 기술을 미국에서 최초로 도입하기를 원해 시의회에서 만장일치로 도입을 결정했다”며, “파크시티는 이러한 녹색기술 도입의 선두에 있으면서, 전체 도시를 전기자동차로 운영하는 것을 계획하고 있으며, 온라인전기자동차는 그 시작이 될 것이다” 라고 말했다.
이에 앞서, KAIST 온라인전기자동차사업단은 비접촉 전력전달기술을 운송시스템에 적용하기 위한 공동연구 및 협력을 위해 국제 연구개발 컨소시엄인 도로충전 및 자동화를 위한 파트너쉽(Partnership for Roadway Electrification and Automation, PREA)에 공동으로 참여하기로 했다.
PREA는 두 개의 미국 국립연구소와 미국 및 뉴질랜드의 유수 대학들로 주도적으로 구성된 비접촉 충전기술의 연구, 개발활동을 심화하기 위해 만들어진 컨소시엄이다.
이번 컨소시엄을 통해 KAIST의 온라인전기자동차 기술은 국제적으로 인정받아, 세계 속의 원천기술로 도약하면서 글로벌 기술경쟁력을 확보하는데 크게 기여할 것으로 보인다.
컨소시엄에 참여한 각각의 기관은 기관별로 진행하고 있는 연구개발, 시범사업, 교통시스템 적용 등에 대해 상호간 이익이 될 수 있는 효과적인 협력 체계 구축을 위해 노력하고 비접촉 전력 전달 기술에 대한 각 기관의 전문성을 활용하여 자동차, 고속도로, 에너지 인프라를 결합, 자동화된 전기 수송 시스템 네트워크를 구축하는데 공동의 목표를 함께한다.
온라인전기자동차사업단 서인수 교수는 “국제 공동 컨소시엄을 통해 향후 우리 기술이 국제표준으로 인정받아 기술 부가가치 창출에도 기여할 수 있도록 컨소시엄 안에서 우리의 역할을 분명히 하겠다” 고 밝혔다.
2010.10.04
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UAE 아부다비 왕세자에 명예박사 학위 수여
우리학교가 저탄소 녹색환경 정책을 통해 인류발전에 기여하고 원전수주협상을 계기로 대한민국과 UAE 과학기술발전 및 교류확대에 공헌한 모하메드 빈 자이드 알 나흐얀 UAE 아부다비 왕세자 (General H.H. Sheikh Mohammed bin Zayed Al Nahyan)에게 27일(목) 오후 5시30분 서울 롯데호텔 본관에서 명예박사 학위를 수여했다.
모하메드 왕세자는 아부다비 도시계획위원회 (Abu Dhabi Urban Planning Council) 위원장으로 있으면서 UAE의 수도인 아부다비를 2030년까지 친환경 국제도시로 개발하는 데 지침이 될 장기적인 마스터플랜 ‘아부다비 2030 계획(The Plan Abu Dhabi 2030)"을 주도적으로 마련해 2007년 발표하기도 했다.
또한 모하메드 왕세자는 ‘탄소제로’ 도시인 ‘마스다르 시티(Masdar City)’ 건설 프로젝트를 추진하는 등 신재생에너지 분야에 관심이 많아 우리나라와의 원자력발전사업을 비롯해 여러 분야에서 양국 간의 협력 강화, KAIST-KUSTAR의 협력과 교류, 나아가 인류가 당면한 환경문제 해결에도 깊은 관심을 가지는 등 더 나은 세계를 만들고자 부단히 노력하고 있다.
2010.05.27
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