■ 유종성 교수팀, 백금 대신 '백금-칼슘 합금 나노입자' 촉매 개발…저비용 고성능
■ 장진호 교수팀, 인체 삽입형 의료기기 위한 초음파 기반 무선충전 기술 개발
[프라임경제] DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 유종성 교수팀이 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는 수소 연료전지의 효율과 내구성을 동시에 높일 수 있는 '백금-칼슘 합금 나노입자 촉매'의 액상합성에 성공했다.
기존 연구에서도 백금과 알칼리 토금속(칼슘 등)을 결합한 촉매가 우수한 성능과 내구성을 가질 수 있음은 알려져 있었다. 그러나 칼슘은 전기화학적으로 다루기 어려운 물질로, 백금과의 합성 자체가 매우 까다롭고, 실제 합금 나노입자 제작 기술은 전 세계적으로도 개발이 더딘 상황이었다.
이번에 처음 용액상 합성으로 개발한 촉매는 안쪽에 칼슘과 백금이 규칙적으로 배열된 '코어(속)' 구조, 바깥쪽은 백금으로 덮인 '껍질' 구조를 가진다. 이 구조는 연료전지용 촉매로 매우 이상적인 형태로, 백금의 높은 반응성과 칼슘의 안정성을 결합한 혁신적인 방식이다.
연구팀은 실제 수소연료전지 사용 환경에서 이 백금-칼슘 나노입자를 연료극 촉매로 활용한 결과, 미국 에너지부(DoE)가 2025년까지 목표로 제시한 성능·내구성 기준을 이미 초과 달성하는 성과를 거뒀다. 즉, 수소차나 수소 발전 등에 바로 적용 가능한 수준의 성능을 입증한 셈이다.
이번 성과의 원인을 밝히기 위해 독일 뒤스부르크-에센대학교의 Kai S. Exner 교수팀과 협력해 이론적 연구도 함께 진행했다. 그 결과, 백금과 칼슘 원자 사이에 형성된 강한 상호작용이 높은 내구성과 장기 사용 성능을 이끌어낸다는 사실을 밝혀냈다.
유종성 교수는 "이번에 개발한 백금-칼슘 합금 나노입자는 높은 성능, 뛰어난 내구성은 물론 저렴한 제조비용까지 확보한 기술로, 향후 다양한 분야에서 수소연료전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것"이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(2024년)의 지원으로 수행됐으며, DGIST 유종성 교수팀의 Gyan-Barimah Caleb 학생이 제1저자로 참여하고, 독일 뒤스부르크-에센대학교와 공동 연구로 진행됐다. 연구 결과는 나노소재 분야 권위지 'Small'에 게재됐다.
■ 장진호 교수팀, 인체 삽입형 의료기기 위한 초음파 기반 무선충전 기술 개발
2시간 이내 상용 배터리 완충…세계 최고 수준의 에너지 효율 달성
DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 인체 삽입형 의료기기의 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있는 '초음파 기반 무선충전 기술'을 개발했다.
이번 기술은 인체 내부에서도 2시간 이내에 상용 배터리를 완충할 수 있는 세계 최고 수준의 에너지 효율을 기록했다.
최근 인구 고령화와 질병, 사고 등으로 인해 인체 삽입형 의료기기(심박조율기, 신경 자극기 등)에 대한 수요가 급증하고 있다. 하지만 이들 의료기기의 배터리는 일정 주기로 교체가 필요해, 환자가 수술을 반복적으로 받아야 하는 불편함과 위험이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 외부에서 무선으로 에너지를 전송해 별도의 수술 없이 의료기기 배터리를 충전하는 기술 개발이 필수적이었다.
기존에도 초음파를 활용한 무선충전 기술이 있었지만, 인체 내부에 삽입할 수 있는 하베스터(에너지 수신기)는 크기와 구조에 한계가 있고, 인체에 사용할 수 있는 초음파 세기도 제한적이어서 출력이 부족하다는 문제가 있었다.
장진호 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 구조의 '적층형 압전 소자 기반 에너지 하베스터'를 개발했다.
이 기술은 두 개의 압전 소자를 적층 구조로 설계해, 앞쪽 압전 소자는 초음파 에너지를 받아 전기를 생산하고, 뒤쪽 압전 소자는 남는 초음파를 다시 활용해 추가 에너지를 생성하는 방식이다. 두 소자에서 발생한 에너지를 합쳐 기존 대비 20% 이상 높은 효율을 확보했다.
연구팀은 이번 기술을 통해 수중 30mm 거리에서는 140mAh 상용 배터리를 1시간40분 만에, 돼지 생체조직 30mm 두께를 통한 실험에서는 60mAh 배터리를 1시간20분 만에 완충하는 성과를 입증했다.
이는 지금까지 발표된 유사 기술 대비 최소 2배 이상의 출력 성능을 달성한 세계 최고 수준의 성과다.
장진호 교수는 "이번 연구는 그동안 활용되지 못했던 초음파 에너지를 효과적으로 수확해, 인체 삽입형 의료기기의 무선충전에 활용할 수 있게 만든 혁신적 기술"이라며, "향후 초음파 기반 무선충전 시스템과 고효율 반도체 기술을 결합해 1시간 이내 완충이 가능한 시스템 상용화를 목표로 하고 있다"고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 '미래개척융합과학기술개발사업(구 STEAM 연구사업)' 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 생체 센서 및 바이오전자공학 분야 최고 권위 학술지인 'Biosensors and Bioelectronics'에 게재됐다.
