고성능 그래핀-층상 나노시트 복합 연료전지 촉매 개발

반도체 공정 폐수에는 질소, 인, 불소 등 유해 물질이 고농도로 포함되어 기존 처리 방식들은 경제성이나 효율성 측면에서 한계가 있었습니다. 본 기술은 바덴포 공정과 그래핀 산화물 기반 세라믹 나노 멤브레인 여과를 통합하여 이러한 문제를 해결합니다. 그래핀 산화물 코팅 나노 멤브레인은 미세 기공과 강한 음전하로 암모늄, 불소 이온 등 1가 이온성 물질을 효과적으로 제거합니다. 이를 통해 별도의 약품이나 탄소원 주입 없이 경제적이면서도 효율적인 질소 및 불소 제거가 가능하며, 폐수 처리 시스템의 성능과 비용 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

기존 암리논 합성법은 복잡한 다단계 공정, 고온 반응 조건, 위험한 수소 가스 사용 등으로 인해 심각한 합병증을 유발할 수 있는 한계가 있었습니다. 본 기술은 위치선택적 스즈키 커플링 반응을 활용하여 암리논 유도체를 안전하고 효율적으로 제조하는 방법을 제안합니다. 화학식 1 화합물과 피리디닐 보론산의 스즈키 커플링 반응 후, 중간 생성물을 화학식 2 화합물과 반응시키는 방식으로, 종래 대비 축소된 합성 단계와 온화한 산처리 조건으로 탈보호기 반응을 수행합니다. 이를 통해 위험한 수소 가스 없이 고수율(60% 이상)로 암리논 유도체를 얻을 수 있으며, 급성 심부전 치료제 개발 및 생산의 안전성과 효율성을 크게 향상할 수 있습니다.

유방암은 조기 진단이 환자 생존율에 결정적인 영향을 미치지만, 기존 진단법은 초기 병변 검출에 한계가 있었습니다. 본 기술은 혈액 내 알파-1 산성 당단백질(AGP)의 N-당화 변화가 초기 유방암의 핵심 바이오마커임을 규명하였습니다. 렉틴을 활용하여 AGP의 푸코실화, 만노실화, 시알릴화 등 N-당화 수준을 정밀하게 검출하며, 특히 유방암 1기 환자의 혈청에서 이 당화 수준이 현저히 감소함을 확인했습니다. 이를 통해 양성 유방종이나 다른 병기의 유방암과 명확히 구별하여 초기 유방암을 높은 민감도와 특이도로 진단할 수 있습니다. 이 기술은 유방암 조기 진단의 정확도를 획기적으로 높여, 환자의 치료 성공률 향상과 사망률 감소에 크게 기여할 것입니다. 진단 키트 및 정보 제공 방법으로 개발되어 상용화가 기대됩니다.

주사 투여로 인한 환자 고통과 인슐린의 낮은 점막 투과 문제는 당뇨 치료의 큰 과제였습니다. 본 기술은 변이체 TCTP-PTD를 인슐린과 혼합하여 비침습적 점막 전달을 가능하게 합니다. 특정 TCTP-PTD 펩타이드 서열(서열번호 3, 8, 13)이 인슐린의 점막 투과율을 크게 높이며, 이는 비강 투여 시에도 피하주사와 유사한 혈당 강하 효과를 보였습니다. 점막 손상 없이 안전하게 인슐린 생체이용률을 향상시켜 환자의 치료 편의성과 삶의 질을 높일 수 있습니다.

기존 하나의 웨어러블 기기가 가진 운동 자세 교정의 한계를 극복하기 위해, 복수의 웨어러블 기기를 신체 여러 부위에 부착하여 움직임 정보를 통합적으로 수집하는 기술입니다. BLE 통신을 통해 실시간으로 가속도와 각도 데이터를 수신하고, 이를 사전에 저장된 올바른 자세 정보와 비교 분석하여 사용자의 운동 자세를 정밀하게 판단합니다. 이 시스템은 줄넘기, 스쿼트, 런지 등 다양한 운동에 대한 정확한 자세 교정 피드백을 제공하여, 운동 효과를 극대화하고 부상 위험을 줄이는 데 기여합니다. 또한 다중 사용자의 동시 모니터링도 가능하여 스마트 피트니스 경험을 향상시킵니다.

기존 리튬 이차전지의 흑연 음극재는 용량 한계와 실리콘 음극재의 큰 충방전 부피 변화 문제를 가지고 있습니다. 본 기술은 실리카 함유 콜로이드에 산화그래핀을 첨가하여 분말화한 뒤, 마그네시오써믹 반응으로 실리카를 실리콘으로, 산화그래핀을 그래핀으로 동시에 환원시켜 실리콘-그래핀 복합 나노물질을 제조합니다. 이 방법은 자연에 풍부한 실리카를 원료로 사용하여 경제적이며, 제조된 나노물질은 부피 변화를 최소화하고 높은 전기 전도도, 용량, 안정성을 갖는 전극을 형성할 수 있습니다. 리튬 이온 전지 및 다양한 차세대 전지의 고성능 음극재로 활용되어 배터리 성능 향상에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

기존 귀금속 촉매는 고비용과 특정 pH 환경에서의 성능 한계로 인해 효율적인 수소 및 산소 발생 반응 촉매 개발이 필요합니다. 이 기술은 이방성 이차원 실리콘 나노시트에 전이금속 산화물 나노결정을 내포시킨 복합체입니다. 원소 상태 실리콘과 전이금속 산화물 전구체를 형태 유도제와 함께 2단계 열처리하여 계면 화학적 상호작용을 극대화한 나노시트 구조를 형성합니다. 이 복합체는 산성 및 염기성 매질 모두에서 우수한 수소 및 산소 발생 반응 활성과 낮은 과전압, 뛰어난 장기 내구성을 제공합니다. 물 분해 촉매 및 리튬이온 전지 전극 등 다양한 친환경 에너지 시스템에 고성능, 안정적, 경제적인 이기능성 전기 촉매로 활용될 수 있습니다.

리튬 이차전지의 자원 한계와 나트륨 이차전지의 낮은 용량 및 사이클 특성을 개선하기 위한 새로운 전극 재료 기술입니다. 이 기술은 박리화된 이황화몰리브덴 나노시트 층간에 유기 이온을 삽입하여 층간 거리를 정밀하게 조절합니다. 이러한 층간 거리 조절을 통해 나노시트의 비표면적을 극대화하며, 이를 포함하는 전극 재료는 기존 이황화몰리브덴 대비 월등히 높은 충방전 용량과 우수한 사이클 안정성을 보여줍니다. 특히 테트라프로필암모늄(TPAM) 이온이 삽입된 경우 최적의 성능을 나타내어, 차세대 나트륨 이차전지의 고성능화를 위한 핵심 소재로 활용될 수 있습니다.

기존 그래핀 기반 나노시트의 자기조립 난이도 및 금속 산화물의 낮은 전도성을 극복하기 위한 다공성 나노복합체 전극 기술입니다. 음전하를 띠는 제1 및 전도성 제2 금속 산화물 나노시트를 금속 양이온과 정전기적 결합으로 혼성화하여 넓은 비표면적과 메조 기공을 가진 다공성 나노복합체를 제조합니다. 이 기술은 두 종류 나노시트 콜로이드를 혼합 후 금속 양이온과 반응시켜 자기조립 방식으로 구현됩니다. 이를 통해 전극의 전기 전도도와 성능이 크게 향상되며, 수퍼캐패시터, 리튬 이차전지 등 에너지 저장장치 및 다양한 전자 디바이스에 적용되어 높은 용량과 안정성을 제공할 수 있습니다.

연료전지 캐소드에 사용되는 백금 촉매는 고비용 및 자원 제한 문제를 가집니다. 또한 그래핀 기반 촉매는 재적층 현상으로 활성 극대화에 한계가 있었습니다. 본 기술은 질소 도핑된 환원 그래핀 옥사이드 나노시트와 층상 무기 나노시트 복합체를 활용합니다. 층상 무기 나노시트가 그래핀의 재적층을 방지하여 활성 면적을 넓히고 촉매 활성을 크게 향상시킵니다. 수열 합성 반응을 통해 제조되며, 기존 백금 촉매를 대체할 수 있는 고성능, 저비용 비백금계 연료전지 캐소드 촉매로 산소 환원 반응 효율을 증대시켜 연료전지 성능과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 친환경 에너지 장치 상용화에 기여할 것입니다.

전기자동차 및 하이브리드 자동차의 발달로 고출력 고용량 슈퍼캐패시터의 중요성이 커지고 있습니다. 기존 루테늄옥사이드 기반 전극은 높은 가격과 자원 제한 문제를, 망간 산화물은 낮은 전기전도도와 복잡한 합성법의 한계를 가졌습니다. 본 기술은 망간 전구체와 그래핀 콜로이드를 상온에서 액상 반응시켜 망간 산화물/그래핀 나노복합체를 효과적으로 합성하는 방법을 제안합니다. 그래핀의 촉매 효과로 반응 시간을 단축하고, 나노복합체의 비표면적 및 정전용량을 크게 향상시킵니다. 특수 장비 없이 저온 저압 조건에서 경제적이고 용이하게 제조 가능하며, 우수한 전극 활성을 보여 슈퍼캐패시터의 고성능 전극 재료로 활용될 수 있습니다.

연료전지의 고비용 백금 촉매와 그래핀의 재적층 문제를 극복하기 위해, 금속-그래핀-층상 금속 산화물 다공성 나노복합체 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 층상 금속 산화물 나노시트와 그래핀 나노시트를 혼합하고 금속 나노입자를 분산시켜 높은 다공성과 안정적인 카드집 형태의 적층 구조를 구현합니다. 특히 백금(Pt) 나노입자의 크기를 최적화하고 층상 티타네이트의 전기 전도도를 향상시켜, 산소 환원 반응(ORR) 효율과 전극촉매 활성을 증대시킵니다. 이를 통해 고가의 백금 사용을 줄이고 연료전지 및 다양한 친환경 에너지 장치의 성능을 획기적으로 개선할 수 있습니다.