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그린수소용 저비용 촉매 개발
차세대 에너지 기술 확보

ERICA캠퍼스 화학분자공학과 이승현 교수 & 플라즈모닉 나노복합재료 연구실

  • 글 박영임
  • 사진 이현구
‘플라즈모닉 나노복합재료 연구실’은 ‘플라즈모닉 나노입자 및 나노구조체를 이용한 광학 기반 나노바이오센서 플랫폼’ 개발과 ‘탄소 기반 나노소재, 금속산화물 나노입자 및 구조체, 실리카 나노입자를 이용한 소재부품 기술 및 미래 에너지 분야’ 연구를 수행하고 있다.
그린수소 생산을 위해 수전해 기술에 적용할 고효율·저비용 촉매를 개발한 이승현 교수 연구팀. 이는 고가의 루테늄·백금 기반 촉매를 대체할 수 있는 새로운 촉매 합성 방법과 효율적인 촉매 개발에 중요한 진전이 됐다. 이승현 교수 및 플라즈모닉 나노복합재료 연구실의 연구성과와 그린수소 분야의 비전에 대해 들었다.

Q‘플라즈모닉 나노복합재료 연구실’(이하 연구실) 소개를 부탁드립니다.

A우리 연구실의 연구 분야는 크게 ‘플라즈모닉 나노입자 및 나노구조체를 이용한 광학 기반 나노바이오센서 플랫폼’ 개발과 ‘탄소 기반 나노소재, 금속산화물 나노입자 및 구조체, 실리카 나노입자를 이용한 소재부품 기술 및 미래 에너지 분야’로 나뉩니다. 첫 번째 분야에서는 다양한 형태의 비등방성 귀금속 나노입자 합성과 표면기능기 제어 기술을 개발하고, 연속유동화학(flow chemistry) 및 미세유체칩(microfluidic chip)을 이용한 나노입자 합성과 바이오센서 제작·응용, 자기조립(self-assembly) 및 전기영동(electrophoresis)을 이용한 나노입자 거동 및 배열 제어용 기술, 반도체 공정 기반 나노패터닝(nanopatterning) 기판과 나노입자 기반의 나노바이오센서 기반의 질병 진단용 전자동화 시스템 등을 연구하고 있습니다. 그리고 두 번째 분야에서는 반도체 전자 재료용 실리카 복합체 및 탄소나노소재 기반 금속 복합체, 전기자동차 소재부품용 복합탄성소재, 광전기화학 기반 바이오매스 에너지 변환용 촉매 및 그린수소 생산용 촉매 등을 개발하고 있습니다.
현재 연구실 인원은 박사후연구원 1명, 석사·박사 통합 및 박사과정 7명, 석사과정(한양대-한국생산기술연구원 공동학과 학생 1명 포함) 7명, 행정원 1명으로 구성돼 있습니다.

Q2022년에 수전해 기술의 값비싼 촉매를 대체할 수 있는 고효율·저비용 촉매를 개발해 주목받으셨습니다. 당시 국제 저명 학술지인 『어드밴스트 사이언스(Advanced Science, IF=17.521)』 8월호 표지 논문(Front Cover)으로 선정되기도 했는데, 연구 성과에 대한 설명을 부탁드립니다.

A수전해에는 백금(Pt), 루테늄 산화물(RuO2), 이리듐 산화물(IrO2) 같은 값비싼 희소 원소가 촉매로 사용돼 대규모로 활용하기 힘들죠. 그래서 저비용 전기 촉매를 개발하게 됐습니다. 바나듐(V)이 결합된 코발트-질화물(V-Co4N) 결정성 코어 위에 코발트-니켈-인산으로 구성된 비정질성 쉘을 결합함으로써 기존 촉매를 대체할 수 있는 촉매를 합성했습니다. 기존의 백금 촉매 전압보다 낮은 전압으로 구동되는 수전해 능력으로 좋은 평가를 받았습니다.

이승현 교수 연구팀은 2022년에 이어 2023년에도 고효율·저비용 수전해 촉매를 추가로 개발해 국제학술지인 『스몰(Small, IF=15.153, JCR랭킹 상위 약 6%)』 8월호 후면 표지 논문(Back Cover)을 장식했다.

Q최근 고효율·저비용 수전해 촉매를 추가로 개발하셨습니다. 관련 내용이 국제학술지인 『스몰(Small, IF=15.153, JCR랭킹 상위 약 6%)』 2023년 8월호 후면 표지 논문(Back Cover)으로 실렸는데, 2022년 성과와의 차별성은 무엇인가요?

A기존 연구의 연장으로 진행돼 상업용 백금보다 저렴한 비백금계 원소만 사용, 붕소(B)가 도핑된 코발트 산화물-코발트(B-CoO/Co)를 합성하고, 코발트의 산화 상태를 조절하는 방법으로 3차원 니켈 기판 형태의 수전해 촉매를 개발했습니다. 다른 수전해 촉매에 비해 약 0.1V 낮은 1.62V 전극전위를 나타내 수전해 과정에서의 소비 전력을 줄이고 효율을 높였습니다.

Q그 밖의 연구실의 성과 및 자랑거리를 말씀해 주세요.

A최근에 같이 공동연구를 하던 중소기업에 의미 있는 기술이전을 했습니다. 이번 경험이 좀 더 파급 효과가 큰 소재부품 기술을 개발하는 데 기여하기를 바랍니다. 그리고 작년에 한양대 인권센터에서 진행한 ‘건강한 연구실 선발대회’에서 금상을 수상했습니다. 저는 몰랐는데 연구원들이 신청했더군요. 연구원들이 우리 연구실을 스스로 자랑스럽게 생각하는 점에 너무 기뻤습니다. 더 좋은 교수가 되도록 노력하라는 의미로 받아들이고 있습니다.

Q그린수소 기술이 세계적으로 주목받는 이유는 무엇이며, 해당 분야에서 연구실은 어떤 경쟁력을 갖췄습니까?

A온실가스 문제를 해결하기 위해 친환경, 재생 에너지를 이용한 그린수소 생산 기술이 전 세계적으로 주목받고 있습니다. 탄소중립과도 맞물려 있어 미래 기술로 중요할 수밖에 없습니다.
우리 연구실은 그린수소 생산을 위한 촉매를 연구·개발한 지 2~3년밖에 되지 않았습니다. 하지만 그동안의 연구가 좋은 평가를 받아 많은 연구자에게 인용되고 있습니다. 이러한 점을 인정받아 최근 영국왕립화학회의 『머티리얼즈 케미스트리 프론티얼스(Materials Chemistry Frontiers)』의 초청 리뷰논문(특정 연구 분야의 동향과 전망 분석 논문)을 의뢰받았는데, 이 논문 역시 표지 논문에 선정되었고 2023년 해당 저널의 인기 논문(hot article)으로 뽑혀 기쁘게 생각합니다.

Q현재 어떤 국가들이 그린수소 분야를 선도하고 있나요? 또 그린수소 기술 발전을 위해 우리 정부 및 국내 기관들이 어떤 노력을 기울이고 있는지 말씀해 주세요.

A그린수소 제조업체 대부분이 유럽과 북미에 위치하며, 국가별 대형 연구개발 프로젝트를 통해 수전해 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 중국의 경우 미래 에너지원 기술 확보 전쟁에서 우위를 점하기 위해 수소에너지에 대한 연구를 국가적으로 지원하고 있습니다. SCI급 국제저널에서 중국 연구자들의 관련 논문 발표도 점점 증가하는 추세입니다. 국내에서는 연구 중심 대학과 한국과학기술연구원(KIST), 한국에너지기술연구원(KIER), 한국화학연구원(KRICT) 등에서 활발히 연구하고 있지만 기술 선점과 상업화를 위해 더 많은 투자가 필요하다고 생각합니다.

Q마지막으로 향후 연구실 운영 계획 및 목표를 말씀해 주세요.

A연구라는 것은 저와 학생들이 스스로 문제점과 이를 해결할 수 있는 최적의 방법과 해답을 찾아가는 긴 여정입니다. 특히 학생들에게는 방법과 해답 자체보다 여정에서 겪은 난관을 극복해 내는 일련의 과정이 더 중요하다고 생각합니다. 저와 같이 동고동락하면서 좋은 연구 결과를 내기 위해 노력하는 학생들이 즐겁고 행복하게 연구실 생활을 할 수 있도록 지원하는 것이 저의 연구실 운영 방안입니다. 연구실 생활을 통해 과학적 통찰력을 배양할 수 있는 유용한 경험을 쌓길 바랍니다. 앞으로 해외 대학 및 연구소들과 좀 더 활발하게 공동연구를 진행할 계획입니다.

‘플라즈노믹 나노복합재료 연구실’ 이승현 교수는?
  • 한양대학교 화학공학과 학사·화학과 석사
  • 미국 라이스대학교(Rice University) 화학과 박사
  • 미국 라이스대학교(Rice University) 기계재료공학과 박사후연구원
  • 미국 퍼듀대학교(Purdue University) 농생물공학과 박사후연구원
  • 2014년~2018년, 수원대학교 신소재공학과 조교수
  • 2019년~2020년, 가천대학교 나노화학과 조교수, 부교수
  • 2020년 9월~현재, 한양대학교 ERICA캠퍼스 화학분자공학과 부교수
  • 2022년 7월~2023년 6월, 한양대학교 ERICA사회봉사단 부단장 및 장애학생지원센터장
  • 2022년~현재, 미국 뉴욕주립대학교 ESF 마이클 M 슈바르츠 고분자연구소 연구위원(The Michael M. Szwarc Polymer Research Institute, SUNY ESF, Syracuse)
  • 2016년~현재, 나노 융합 저널 편집장(Nano Convergence Journal Managing Editor)
  • 2024년~ , 엘라스토머 및 복합소재 저널 편집장(Elastomers and Composites Journal Editor-in-chief)
  • 2018년 대한화학회 아이센스 젊은분석화학자상, 2021년 한국고무학회 신진학술상, 나노기술연구협의회 학술상, 2023년 나노기술연구협의회 공로상 등 수상
  • 최근 5년간 SCI급 국제저널에 플라즈모닉 나노입자 및 나노구조체 합성, 금속산화물 나노입자 합성, 탄소 나노소재 기반 복합체 합성, 고분자 나노복합체 합성, 광학 기반 나노바이오센서, 그린수소 촉매 관련 논문 22편 게재
이승현 교수가 이끄는 ‘플라즈모닉 나노복합재료 연구실’ 전경.
이승현 교수 연구팀은 나노복합재료를 활용해 소재부품 및 미래 에너지 분야를 연구 중이며, 최근에는 관련 기술이전에도 성공했다.
‘특급 케미’로
우수한 성과
도출
차든찬응용화학과 박사과정 2기

“개인적으로 화합을 중시하는데, 선후배나 교수님과의 관계가 좋아 이승현 교수님 연구실을 선택했습니다. 외국인 연구원들과도 언어와 문화적 차이를 넘어 사이좋게 지내고 있습니다. 그래서 졸업한 연구원이 다른 연구원을 소개해 줘 친구의 친구가 합류하고 있죠. 현재 수전해에 사용되는 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 신소재 촉매를 개발하고 있습니다. 제가 연구하고 있는 수전해 촉매 합성법은 연구적 성과는 좋으나 상용화하는 데 장벽이 많습니다. 실질적으로 사회에 도움이 되도록 상용화를 이루는 것이 목표입니다.”

미래 유망 산업
선도할
나노 신소재 개발
김하영응용화학과 석박통합과정 2기

“미세 유체공학(microfluidics)으로 무기 소재에 들어가는 나노입자를 개발하는 연구와 버려지는 물질에서 태양 빛을 이용해 바이오 연료를 생산하는 연구를 진행하고 있습니다. 하나의 나노 복합 재료를 새롭게 개발하면 여러 분야에 응용할 수 있어 다양한 연구 분야를 경험할 수 있고, 바이오나 에너지 분야 등 미래에 근간이 되는 중요한 기술의 소재를 개발할 수 있다는 점이 마음에 들어 연구실에 지원했습니다. 앞으로 미래 사회에 중요한 역할을 할 새로운 나노 소재를 개발하는 연구원이 되고 싶습니다.”

다양한 연구 분야
경험하며
역량 레벨 업
남동환응용화학과 박사과정 6기

“플라즈노믹 금속 나노입자의 특성을 활용해 다양한 응용 연구를 진행 중입니다. 최근에는 질병을 일으키는 물질이 낮은 농도로 존재해도 조기에 검출할 수 있는 진단키트 자동화 생산장비를 개발하고 있습니다. 나노입자의 독특한 특성에 관심을 두게 돼 이 분야에서 활발하게 활동하시는 이승현 교수님 연구실에 참여하게 됐습니다. 다수의 프로젝트를 진행하다 보니 연구원별로 2개 이상의 프로젝트에 참여하고 있어요. 그래서 연구원들과의 교류를 통해 다양한 분야의 지식을 습득할 수 있는 것도 장점입니다.”