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“더 섞을수록 강해진다” 고엔트로피 설계로 수소 생산 3배↑
보통은 물질을 섞으면 불안정해지지만, 오히려 더 많이 섞을수록 더 안정해지는 ‘고엔트로피’현상이 있다. 우리 대학 연구진은 이 원리를 이용해 전지 안에서 수소 이온이 더 잘 움직이고 반응이 더 쉽게 일어나도록 만들어, 수소를 더 빠르고 효율적으로 생산하는 기술을 개발했다. 이는 수소 가격을 낮추고 친환경 에너지 전환을 앞당길 수 있는 성과로 기대된다.
우리 대학은 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 엔트로피를 극대화하는 설계를 통해 전지의 반응 속도와 출력 성능을 크게 향상시킨 새로운 ‘산소 전극 소재’를 개발했다고 5일 밝혔다. 산소 전극 소재는 전지에서 수소를 생산할 때 산소가 생성되는 반응이 일어나는 핵심 구성 요소다.
물에서 탄소 배출 없이 수소를 생산하는 그린수소 기술은 미래 청정에너지의 핵심으로 꼽힌다. 특히 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)는 전기 에너지를 이용해 물을 분해하고, 이때 수소 이온이 내부를 이동하면서 수소를 만들어내는 장치로 높은 효율로 주목받고 있지만, 전지 내부 산소 전극에서 반응 속도가 느려 성능 향상에 한계가 있었다.
이에 연구팀은 여러 금속 원소를 동시에 도입해 무질서도를 높이는‘고엔트로피’전략에 주목했다. 보통 많은 원소를 섞으면 구조가 불안정해질 수 있지만, 적절한 조성에서는 엔트로피가 극대화되면서 오히려 안정한 단일 구조를 유지하는 도움이 될 수 있다.
이를 바탕으로 전극 구조 안에서 금속 원소가 들어가는 자리(A-site)에 7종의 금속 원소(Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr 등)를 동시에 도입한 ‘고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극’을 설계했다. 이 전극은 금속과 산소가 규칙적으로 배열된 ‘페로브스카이트’ 구조를 기반으로, 서로 다른 금속이 함께 들어간 ‘이중 구조’에 여러 원소를 섞은 고엔트로피 설계를 적용한 것이다. 이렇게 다양한 금속이 뒤섞이면서 전극 내부의 전하 이동과 산소 관련 반응이 더욱 원활해지고, 그 결과 전기 생산과 수소 생성 반응이 더 빠르게 일어나게 된다.
특히 밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, 전극 내부에서 반응이 일어날 수 있는 ‘빈자리’를 만드는 데 필요한 산소 결함 형성 에너지가 기존보다 60% 이상 낮아진 것으로 나타났다. 이는 반응이 일어날 수 있는 공간이 더 쉽게, 더 많이 만들어진다는 의미다. 또한 TOF-SIMS(물질 내부에서 이온의 분포와 이동을 확인하는 분석 기법) 분석 결과, 수소 이온 이동 속도도 기존보다 7배 이상 빨라졌다. 이는 전극 내부에서 수소가 생성되는 과정이 훨씬 빠르게 진행될 수 있음을 보여준다.
성능 역시 크게 향상됐다. 새 전극을 적용한 전지는 650℃에서 기존보다 약 2.6배 높은 전력 밀도(1.77 W cm⁻²)를 기록했으며, 수소 생산 성능도 약 3배(4.42 A cm⁻²) 향상됐다. 이는 같은 조건에서 더 많은 전기와 수소를 만들어 낼 수 있다는 의미다. 또한 500시간 동안 진행한 수증기 조건 테스트에서도 성능 저하가 0.76%에 그쳐, 장시간 사용에도 안정적인 성능을 유지함을 확인했다.
이강택 교수는 “엔트로피라는 열역학 개념을 활용해 전극의 반응성을 제어할 수 있음을 보여준 연구”라며 “그린수소 생산 효율을 크게 높여 수소경제 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 기계공학과 오세은 박사과정, 한국지질자원연구원 정인철 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지인 어드벤스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials) (IF: 26.0) 지난 2025년 12월 16일 字 게재되었다. 또한 해당 논문은 연구의 파급력을 인정받아 표지논문 (Front cover) 으로 선정되었다.
※ 논문명: Unveiling Entropy-Driven Performance Enhancement in Double Perovskite Oxygen Electrodes for Protonic Ceramic Electrochemical Cells, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202503176
※ 주저자: 오세은(KAIST, 제1저자), 정인철(한국지질자원연구원 제1저자), 김동연(KAIST, 제2저자), 김형근(KAIST, 제2저자), 이강택(KAIST, 교신저자)
이 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 글로벌 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행했다.
2026.04.06 조회수 411 -
폐플라스틱 재활용 높이는 해중합 기술 개발
기존 폐플라스틱을 화학적으로 분해해 재융합하는 해중합의 중요성이 증대하고 있다. 해중합 과정에서 환경 유해 물질을 걸러내 친환경 용기 등을 생산할 수 있기 때문이다. 폐플라스틱의 재활용을 더 가속화할 수 있도록 KAIST 연구진이 해중합 온도를 낮출 수 있는 원리를 발견했다.
우리 대학 화학과 서명은 교수 연구팀이 고분자 자기조립을 활용하여 고분자의 해중합 온도를 낮추는 방법을 개발했다고 24일 밝혔다.
*중합은 간단한 분자 수준의 단량체들이 화학적 반응으로 연결되어 거대한 고분자 사슬을 형성하는 것을 말하며, 해중합은 고분자 사슬을 단량체 수준으로 분해하는 것을 말함.
기존에 고분자를 해중합하여 화학적으로 분해하는 방법은 높은 온도가 필요하여 효율성이 낮았다. 연구팀은 고분자 합성과정에서 자기조립이 일어날 때 해중합 온도가 낮아지는 것을 발견했다. 고분자가 잘 섞이지 않는 용매에서 일어나는 자기조립은 엔트로피*에 반해서 질서를 만들어내는 과정이다. 조그만한 분자 단량체들을 서로 이어 거대한 고분자 사슬을 만드는 합성 과정 또한 질서를 증대하는 반면, 고분자 사슬을 조각내어 원래 단량체로 돌리는 해중합은 무질서해지는 방향을 향한 변화이다. 따라서 연구진은 자기조립이 일어나는 상황에서는 질서와 무질서의 균형을 이루기 위해 중합보다 해중합이 우세해지는 결과를 확인했다. 이를 이용해, 천정온도** 186℃로 알려진 고분자가, 자기조립이 일어나는 선택적 용매에서는 천정온도가 90℃로 감소돼, 보다 낮은 온도에서 해중합을 유도할 수 있었다.
*엔트로피: 무질서해지는 방향으로 변화하는 경향
**천정온도: 중합과 해중합 속도가 균형을 이루는 온도를 말함.
연구팀은 고분자를 합성한 후 온도를 올려 고분자 나노구조체를 구성하는 사슬을 재사용이 가능한 단량체로 분해했다. 다시 온도를 내리면 분해된 단량체는 다시 중합돼 나노구조체를 형성하는 지속가능한 자기조립 체계를 구현했다. 나노구조체의 형상은 사슬의 길이에 따라 달라지기 때문에, 연구팀은 온도를 올리고 내리면 그에 따라 구조체의 모양이 바뀌는 것을 관찰했다. 또한 점도와 같은 물성은 단량체 중에 고분자로 존재하는 비율에 의존하므로, 중합/해중합을 반복하면서 점도를 조절할 수 있는 결과 또한 확인하였다.
연구를 주도한 서명은 교수는 “기존에 고분자를 화학적으로 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요하여 어려움이 있었지만 고분자 자기조립을 활용하여 해중합 온도를 낮출 수 있었고 이 원리를 활용하여 폐플라스틱의 재활용을 더 효율적으로 할 수 있을 것으로 기대한다”며 "자연이 단백질들을 붙이고 떼는 중합/해중합 과정을 통해 능동적으로 세포의 모양과 움직임을 조절하는 것처럼, 필요에 따라 물성과 형상을 바꿀 뿐만 아니라 움직임도 가능한 스마트 고분자 소재로 향후 발전시킬 가능성을 탐구하고 싶다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 남지윤 박사가 제1 저자로, 유창수 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여해 수행한 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티 (Journal of the American Chemical Society)'에 5월 8일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Polymerization/Depolymerization-Induced Self-Assembly Under Coupled Equilibria of Polymerization with Self-Assembly)
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 진행됐다.
2024.05.24 조회수 12195 -
![[노동의 종말] 저자 제레미 리프킨 초청 특강열어 이미지](/Upload/news/newsmst/20200421141311_003zykh0v1hgdn0gi1ikw9058t2ktj.jpg)
[노동의 종말] 저자 제레미 리프킨 초청 특강열어
- KAIST, 9일 오후 5시 대강당에서 -
서남표 KAIST 총장은 9일 오후 5시 대전 본원 대강당에서 세계적인 베스트셀러 작가이자 철학자인 제레미 리프킨(Jeremy Rifkin) 워싱톤시 경제동향연구재단 이사장을 초청해 ‘3차 산업혁명과 우리의 미래’라는 주제로 특강을 개최한다.
이번 강연은 일반인에게도 개방되며 강연 1시간 전부터 선착순으로 입장권을 배부한다.
제레미 리프킨은 자연과학과 인문과학을 넘나들며 자본주의 체제 및 인간의 생활방식, 현대 과학기술의 폐해 등을 날카롭게 비판해 온 행동주의 철학자인데 ‘엔트로피’, ‘육식의 종말, ’노동의 종말‘, ’소유의 종말‘, ’3차 산업혁명‘, ’바이오테크 시대‘, ’생명권 정치학‘ 등 세계적인 베스트셀러 저자로도 유명하다.
KAIST 세계 명사초청 강연의 일환으로 이뤄지는 이날 특강에서 제레미 리프킨은 화석연료와 대량생산 경제를 바탕으로 전개됐던 2차 산업혁명 단계가 종식되고 인터넷 기술과 재생에너지가 합쳐져 강력한 ‘3차 산업혁명’이 발생하는 과정을 설명하고 이에 대한 정부와 기업, 시민사회, 대학 등의 현명한 대처방안에 대해 제안한다.
제레미 리프킨은 1945년생으로 펜실베니아대 와튼스쿨에서 경제학을, 터프츠대학의 플레처 법과대학원에서 국제관계학을 공부했고 1994년부터 펜실베니아대학 와튼스쿨 최고경영자 과정의 교수로 재직하면서 과학기술의 새로운 조류와 세계 경제 및 사회, 환경 등에 미치는 영향에 대해 강의하고 있다.
2012.05.08 조회수 15778