서울공대 전기정보공학부 김성재 교수팀, ‘정제수·수소 동시 생산’ 기술 개발...지속가능한 에너지 회수형 정수 플랫폼 제시

서울공대 전기정보공학부 김성재 교수팀, ‘정제수·수소 동시 생산’ 기술 개발...지속가능한 에너지 회수형 정수 플랫폼 제시- 나노전기수력학 기반 ‘이온농도분극’ 기술로 물 정화·수소 생산 한 번에- 재난 현장·우주선·군사 지역 등 인프라 제한 환경서 활용 기대돼- 재료과학 분야 국제학술지 ‘Communication Materials’ 논문 게재▲ (좌측부터) 서울대학교 에너지이니셔티브 연구단 박지희 박사, 서울대학교 소프트파운드리연구소 윤세혁 박사, 프로바랩스(주) 하승재 박사, 서울대학교 전기정보공학부 김성재 교수서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 김성재 교수 연구팀이 정제수와 수소를 동시에 생산할 수 있는 새로운 에너지 회수형 정수 시스템을 개발했다고 밝혔다. 염수에서 불순물을 제거하는 동시에, 수소 이온을 전극에서 환원시켜 수소 가스를 생산하는 이 혁신적 기술은 기존 담수화 시스템과 수전해 시스템을 통합해 에너지 손실을 최소화하는 방식으로 구현됐다.또한 모듈화가 가능한 소형 장치로 개발됐기 때문에, 모듈 조립을 통해 다양한 대형 장치로 확장될 수 있다. 우주선 내부나 재난 현장 등 자원이 부족한 환경에서 물과 에너지원을 동시에 생산할 수 있는 차세대 핵심 기술로 평가받는 이유다. 과학기술정보통신부 및 서울대학교 에너지이니셔티브(SNUEI) 연구단의 지원을 받아 진행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야의 국제학술지 ‘Communication Materials(Nature Portfolio, 2025)’ 온라인판에 게재됐다.■ 연구 배경깨끗한 물과 깨끗한 에너지를 동시에 확보하는 일은 현재 인류가 직면한 가장 중요한 과제 중 하나이다. 그런데 물을 정화하려면 전기가 필요하고, 전기를 생산하려면 다시 물이 필요한 역설적 상황이 발생한다. 따라서 이 두 문제를 함께 해결할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있다.이 문제의 해결에 나선 김성재 교수 연구팀은 ‘이온농도분극(Ion Concentration Polarization, ICP)’* 현상을 활용한 ‘정제수-수소 동시 생산 플랫폼’을 개발했다. 양이온 교환막(cation exchange membrane)을 이용한 이온농도분극 현상에 기반해 단일 모듈에서 염 제거와 수소 발생을 동시에 구현하는 나노전기수력학적 정화 시스템을 선보인 것이다. * 이온농도분극: 이온 선택성 투과막 양단에 전기장이 가해졌을 때, 이온이 막 양쪽으로 분리되면서 한쪽은 농도가 짙어지고 다른 쪽은 옅어지는 현상■ 연구 성과기존의 담수화 기술과 수전해 기술을 하나로 통합한 이 시스템은 정화된 물을 제공하는 동시에 수소 에너지도 생산하는 새로운 정수 플랫폼이다. 핵심 원리는 다음과 같다. 전류를 특수한 막(양이온 교환막, Cation Exchange Membrane)을 통과하게 흘리는 과정에서 막의 한쪽에서는 염분과 오염 물질이 제거되어 깨끗한 물이 만들어지고, 다른 한쪽에서는 수소 이온(H⁺)이 전극에서 전자를 받아 수소 기체(H₂)로 환원된다. 즉, 하나의 전기 반응으로 정제수와 수소 생산이 동시에 일어나는 것이다. (그림1 참조)▲ 그림1. (좌) 이온농도분극을 이용한 정제수-수소 동시 생산 원리 개요 (우) 물 정화에 관여하는 염분 이동과 수소 생산에 관여하는 수소 이온의 이동이 함께 일어나는 막 근처의 확대도연구팀은 이 원리를 실험적으로 검증하기 위해 먼저 미세유체(microfluidic) 장치를 제작한 뒤, 형광 이미징으로 정제수 영역(이온 결핍 영역)과 수소 기포 발생을 동시에 관찰했다. 이후 3D 프린터로 제작한 손가락 크기의 메조 스케일(meso-scale)* 장치에서 시간당 수 밀리리터(mL)의 수소 생산과 안정적인 정제수 생산을 실현했다. (그림2 참조)* 메조 스케일: 현미경 수준의 미세 구조와 손으로 만질 수 있는 거시적 구조의 중간 크기 범위. 수백 마이크로미터에서 수 센티미터 정도 규모를 가리킨다. ▲ 그림2. (좌) 미세유체 실험으로 증명한 정제수-수소 동시 생산 (중) 메조 스케일의 정제수-수소 동시 생산 플랫폼 분해도 (우) 3D 프린터로 제작한 메조 스케일 플랫폼에서의 정제수-수소 동시 생산 실험그 결과, 정수에 사용된 전기 에너지의 약 10%가 수소 에너지로 회수됐으며, 전류가 증가할수록 수소 생산량이 선형적으로 증가하는 경향이 확인됐다. 그리고 농도가 높은 소금물에서도 정제수가 안정적으로 생성되는 양상을 보여, 해수 또는 염분이 많은 물에서도 이번 기술이 응용될 가능성을 입증했다.또한 복잡한 다층 구조의 전기투석(electrodialysis)이나 고압이 필요한 역삼투압(reverse osmosis)* 방식 등 기존 정수 기술과 달리 이 시스템은 단일 막 구조로 구동되며, 별도의 고압 펌프 없이 작동하는 강점을 지닌다. 그 덕분에 장치가 단순하고 가벼워, 휴대용 또는 분산형 정수 장치로 확장할 수 있다.* 역삼투압: 반투과성 막을 이용해 고압을 가함으로써 물은 통과시키고 염분이나 오염 물질은 걸러내는 정수 기술. 주로 해수 담수화나 고순도 정수 생산에 사용된다. ■ 기대 효과이처럼 김성재 교수팀은 물 정화 과정에서 사용된 전기의 일부를 수소 형태로 다시 회수할 수 있는 기술을 개발했다. 기존 이온농도분극 담수화에서는 그대로 소모되던 에너지의 약 8~10%를 돌려받을 수 있는 가능성을 제시한 것이다. 특히 이번에 개발한 장치에서 생성된 수소를 연료전지로 다시 공급하면, 일부 전력을 스스로 생산하는 에너지 자립형 정수 장치로 발전할 수 있음을 보여준다.그리고 이 장치는 모듈형 구조로 설계되어, 마치 레고 블록을 조립하듯 여러 개를 병렬로 연결하면 처리 용량을 쉽게 늘릴 수 있다. 따라서 소형 개인용 정수기부터 재난 대응용 이동형 장치까지 다양한 규모로 응용이 가능하며, 군사 작전 지역이나 우주 탐사 환경 등 인프라가 제한된 장소에서도 유용하게 사용될 수 있다.특히 염분뿐만 아니라 중금속, 미세입자, 세균 등 다양한 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 이온농도분극 기술에 기반한 이 시스템은 환경오염 정화, 바이오 의학, 인공신장 등 여러 분야에서 활용될 전망이다.▲ 그림3. 수소 연료전지 및 신재생에너지와의 연계를 통한 자체 에너지 공급 현장형 수처리 플랫폼 예상도 ■ 연구진 의견이번 논문의 교신저자인 김성재 교수는 “물과 에너지를 따로 다루던 기존 방식에서 벗어나, 하나의 시스템으로 동시에 해결할 수 있다는 가능성을 보여준 점이 이번 연구의 핵심”이라며 “앞으로 이 기술을 소형화·모듈화해 재난 현장이나 우주선과 같은 극한 환경에서도 누구나 손쉽게 물과 에너지를 확보할 수 있는 플랫폼으로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.공동 교신저자인 하승재 박사(프로바랩스(주))는 “나노전기수력학 기술을 실제 수소 생산과 담수화에 적용한 첫 사례 중 하나로, 지속 가능한 물-에너지 자립 기술의 기반이 될 것”이라고 연구의 의미를 전했다.제1저자인 박지희 박사(서울대 에너지이니셔티브 연구단)는 “정수 과정에서 발생하는 이온 이동을 활용해 에너지를 동시에 회수할 수 있다는 점이 이번 연구의 중요한 발견 중 하나였다”며 “일부 에너지를 스스로 생산하며 작동하는 소형 정수기의 가능성을 제시한 이번 성과는 향후 환경 문제와 에너지 위기를 동시에 해결할 수 있는 차세대 지속가능 기술의 출발점이 될 것”이라고 강조했다.공동 제1저자인 윤세혁 박사(서울대 소프트파운드리 연구소)는 “이번 연구는 미세유체에 기반한 이온농도분극 기술을 메조 스케일 수준의 장치로 확장해 실제 구동 성능을 검증한 사례”라며 “특히 단일 모듈 내에서 담수화와 수소 생산 기능을 통합한 강점 덕분에, 이번 시스템이 향후 현장형 수처리·에너지 장치로 상용화될 것으로 기대한다”고 말했다.■ 연구진 진로박지희 박사와 윤세혁 박사는 서울대학교 에너지환경융합 연구실에서 본 장치의 효율 향상 방안을 지속적으로 연구 중이며, 향후 배터리 금속 수지상* 억제 및 에너지 자원 회수 등 에너지 관련 연구를 수행할 예정이다.* 수지상: 나뭇가지 모양의 뾰족한 결정[참고자료]- 참고 영상: 메일 첨부- 논문명/저널: Energy-Efficient Modular Water Purification System via Concurrent Freshwater and Hydrogen Generation Using Ion Concentration Polarization, Communications Materials (Nature Portfolio)- DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-025-01001-z- 논문 저자: 박지희·윤세혁·조명현·엄동근·김범준·이효민·김원석·박상욱·하승재·김성재- 논문 교신저자: 김성재 (서울대학교 전기정보공학부) / 하승재 (프로바랩스(주)) - 지원기관: 과학기술정보통신부·서울대학교 에너지이니셔티브 연구단[문의] 서울대학교 전기정보공학부 김성재 교수 / 02-880-1665 / gates@snu.ac.kr

서울공대 기계공학부 조규진 교수팀, 접고 말아 보관하고 펼치면 강한 ‘인터레이싱 종이접기’ 구조 개발

서울공대 기계공학부 조규진 교수팀, 접고 말아 보관하고 펼치면 강한 ‘인터레이싱 종이접기’ 구조 개발- 세계적인 국제 학술지 ‘Science Robotics’ 논문 게재 - 직물처럼 짜서 만든 구조로 콤팩트한 보관과 고강도 전개 동시 달성- 차세대 전개형 로봇 시스템 적용 기대▲ (왼쪽부터) 조규진 서울대학교 기계공학부 교수, 정순필 서울대학교 기계공학부 박사후연구원, 송재영 HD한국조선해양 연구원, 김찬 서울대학교 기계공학부 박사과정서울대학교 공과대학은 기계공학부 조규진 교수(인간중심 소프트 로봇기술 연구센터장 및 서울대 로보틱스 연구소 SNU RI 창립 멤버) 연구팀이 종이접기 구조에 인터레이싱(interlacing) 원리를 적용해, 부드럽게 접고 말아 컴팩트하게 보관하면서도 전개 시 매우 튼튼한 강도를 유지하는 ‘접고 말 수 있는 주름 구조(Foldable and Rollable corrugated-Structure, FoRoGated-Structure)’를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 지난 11월 26일 국제 저명 학술지 “사이언스 로보틱스(Science Robotics)”에 게재됐다.■ 연구 배경줄자처럼 구조를 중심 허브에 말아 보관하는 롤링 방식은 구조를 콤팩트(compact)하게 보관할 수 있는 장점이 있다. 이러한 구조들은 보관 단계에서는 허브에 부드럽게 감기기 위해서 평평한 단면으로, 전개 단계에서는 구조의 처짐을 억제하기 위해 주름 단면으로 형상이 전환된다. 이는 평평한 종이는 유연하지만, 지그재그 주름을 만들면 인접 면들이 서로의 변형을 구속하여 훨씬 튼튼해지는 것과 같은 원리다. 다만, 일반적인 주름 구조를 겹겹이 접은 채로 허브에 감을 경우, 재료 두께로 인해 안쪽과 바깥쪽 층의 둘레 차이가 발생해 찌그러짐 및 구김이 생기기 때문에 주름을 펼쳐 1개 층의 평판 상태로 감는 것이 일반적이다. 따라서 주름 단면이 크고 길어질수록 구조적 강도는 증가하지만, 보관할 때 필요한 폭이 넓어지는 제약이 뒤따랐다.■ 연구 성과연구팀은 이 한계를 넘기 위해 주름 구조에 인터레이싱(interlacing) 원리를 도입했다. 인터레이싱 구조란, 여러 구성 요소들을 접착하여 고정시키기보다 서로 교차시키고 맞물리도록 구성해, 요소들 사이 틈에서는 미끄러짐과 재배열이 가능하지만 맞물림 방향으로는 하중을 주고받아 단단하게 형태를 유지하는 엮임 기반 구조다. 연구팀은 길이 방향으로 평행하게 배열한 금속 패널들을 서로 붙이지 않고 리본으로 촘촘히 엮어, 고리(루프) 형태의 인터레이싱 조인트를 만들었다. 부드럽지만 튼튼한 리본으로 구성된 인터레이싱 조인트는, 패널 간 조밀한 구속을 제공한다. 따라서 튼튼한 접이식 주름 구조를 만들면서도, 동시에 루프 틈을 따라 패널들의 국소 미끄러짐을 허용해 겹겹이 접힌 상태에서도 허브에 부드럽게 감기도록 한다. 그 결과, 층간 둘레 차로 인한 응력 집중을 미끄러짐으로 풀어주면서, 엮임의 조밀한 밀도가 단면 안정성을 높여 전개 시 높은 강도를 확보할 수 있었다. 연구팀은 “단단한 소재 패널을 리본으로 엮는 방식을 통해, 아무리 많은 주름을 가진 구조라도 겹겹이 접어 부드럽게 말아 보관할 수 있다”고 설명했다.■ 기대 효과 연구팀은 단순한 이론 제시에 그치지 않고, 단일 모터로 구동되는 ‘길어지는 로봇 팔’을 실제로 제작해 ‘인터레이싱 종이접기’ 구조가 다양한 전개형 로봇 시스템에 적용 가능함을 보였다.첫째, 로봇 청소기 크기의 소형 모바일 로봇에 적용해 수납 시에는 낮은 높이를 유지하다가 팔을 전개하면 선반 정리·엘리베이터 버튼 누름과 같은 높은 위치의 작업을 수행하는 데모를 선보였다. 이 기술이 상용화되면 로봇 청소기는 바닥 먼지만 치우는 기기를 넘어, 아이들의 장난감 정리나 세탁물 옮기기 등 집 안 곳곳에서 손이 많이 가는 일을 대신해 주는 ‘팔 달린 가사 로봇’으로 확장될 수 있다. 둘째, 지름 약 1m, 높이 약 1m의 모바일 로봇이 목표 위치에 도달한 뒤, 밑변 약 3.2m, 높이 약 3.4m의 정삼각뿔 프레임으로 전개되어 높이 약 2.5m 구조물을 출력하는 모바일 3D 프린팅 로봇 데모를 제시했다. 연구진은 이번 연구를 통해 달·화성처럼 사람이 직접 가기 어려운 환경에서 로봇이 스스로 건축물을 세우고 이동하는 미래 건설 시스템의 가능성도 연 것이다. 이러한 사례들은 콤팩트하게 작은 부피로 보관되면서도 전개 시에는 높은 강도 덕분에 실제 작업 하중을 견딜 수 있는 구조가 필요한 경우 이번 연구 성과가 직접적 도움을 줄 수 있음을 보여준다.■ 연구진 의견연구의 공동 주저자인 정순필 박사(현 서울대학교 재학)와 송재영 석사(현 한국조선해양 근무)는 “직물처럼 교차·맞물리는 인터레이싱 원리를 접힘 구조에 적용해 다층 구조의 층간 둘레 차 문제를 구조적으로 흡수하도록 설계했다”며 “그 결과 접고 말아 보관하는 이중 압축 방식으로 콤팩트한 보관이 가능하면서도, 전개 시 촘촘한 엮임으로 높은 강도를 확보하는 종이접기 구조를 구현했다”고 전했다.연구책임자인 조규진 교수는 “우리는 종종 휴머노이드라는 한 가지 형태에 해법을 기대하지만, 현장의 많은 문제는 환경과 과업에 따라 달라진다”며 “이번 결과는 형태를 바꾸어 공간과 과업에 맞게 전개되는 로봇이 피지컬 AI의 실용 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다”고 밝혔다.■ 연구진 진로정순필 박사는 현재 서울대학교 바이오로보틱스 실험실에서 박사후연구원으로 이 구조를 더 개량하여 실제 로봇청소기에 로봇암으로서 장착되기 위한 연구를 진행중이다. 송재영 석사는 현재 HD한국조선해양 자율제조로봇 연구실에서 로봇을 이용한 조선 공정의 자동화를 수행하고 있다.한편 본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받는 한국연구재단(NRF)의 연구과제(RS-2023-00208052)의 지원을 받아 수행되었다.▲ 그림 1. 대표적인 롤러블 구조인 줄자일반적으로 롤러블 구조는, 보관 단계에서는 허브에 부드럽게 감기기 위해서 평평한 단면으로, 전개 단계에서는 구조의 처짐을 억제하기 위해 주름 단면으로 형상이 전환된다.▲ 그림 2. 주름을 단일 층으로 펼치는 방법과 여러 층으로 접는 방법의 비교여러 층으로 접는 방법은 주름 단면의 크기를 더 크고 길어지게 만들 수 있으므로, 구조적 강성과 강도를 확보하는데 장점이 있다.▲ 그림 3. 잘 말아지지 않는 접은 구조 주름 구조를 겹겹이 접은 채로 허브에 감으면 재료 두께로 인해 안쪽과 바깥쪽 층의 둘레 차이가 발생해 찌그러짐 및 구김이 생긴다.▲ 그림 4. 인터레이싱 접기 구조의 제작 방법 길이 방향으로 평행하게 배열된 인접 금속 패널들을, 리본으로 고리(루프) 형태를 만들며 촘촘히 엮어 연결하였다. 부드럽지만 튼튼한 리본으로 구성된 인터레이싱 조인트는, 패널 간 조밀한 구속을 제공하므로 튼튼한 접이식 구조를 만들면서도, 동시에 루프 틈을 따라 패널들의 미끄러짐을 허용한다.▲ 그림 5. 인터레이싱 주름 구조의 특징인터레이싱 조인트는 패널들의 미끄러짐을 허용하여 겹겹이 접힌 상태에서도 허브에 부드럽게 감기도록 하며, 동시에 패널 간 조밀한 구속을 제공하므로 전개 시 접이식 주름 구조의 단면 안정성을 높여 전개 시 높은 강도를 확보한다. ▲ 그림 6. FoRoGated-Structure를 활용한 소형 모바일 로봇로봇 청소기 크기 수준의 소형 모바일 로봇에 적용해, 수납 시에는 낮은 높이를 유지할 수 있으면서도 팔을 전개하면 선반 정리와 같은 높은 위치의 작업을 수행할 수 있다.[참고자료]- 논문명/저널 : “Foldable and Rollable Interlaced Structure for Deployable Robotic System”, Science Robotics- Press Package: https://www.dropbox.com/scl/fo/f8ladc6528jg6awzn35sw/AETl2CYX_mxf2m8AuuzwSRo?rlkey=bwaow9hauozvqbk0orp4sui9e&st=1rw6fbgh&dl=0- 참고 영상 : https://youtu.be/FysgitFVVBs[문의]서울대학교 기계공학부 조규진 교수 / 02-880-1703 / kjcho@snu.ac.kr

서울공대 항공우주공학과 이관중 교수 연구팀, 세계적 수직이착륙기 설계 대회 2위 쾌거

서울공대 항공우주공학과 이관중 교수 연구팀, 세계적 수직이착륙기 설계 대회 2위 쾌거 - 美 수직비행협회 주최, AIRBUS 후원 경연 - 서울대의 수소 전기 추진 수직이착륙기 설계 역량 입증 ▲ 서울대학교 항공우주공학과 이관중 교수 및 연구팀서울대학교 공과대학은 항공우주공학과의 항공우주비행체설계 연구실(지도교수 이관중) 소속 학생팀 ‘HOPPER’가 미국 수직비행학회(VFS, Vertical Flight Society)가 주최하는 ‘제42회 국제 학생 설계 경진대회(Student Design Competition)’에서 대학원 부문 2위를 차지했다고 밝혔다. HOPPER 팀의 이번 성과는 직전의 제41회 대회에서 대학원 부분 신인상(Best New Entry)을 수상한 이후, 새로이 도전하여 거둔 쾌거다.‘VFS 학생 설계 경진대회’는 세계 수직이착륙기 분야에서 가장 권위 있는 설계 대회로, 매년 높은 기술력과 창의력을 요구하는 설계 과제가 참가자들에게 주어진다. 조지아공과대학교(Georgia Tech), 메릴랜드대학교(University of Maryland), 펜실베이니아주립대학교(Penn State), 델프트공과대학교(TU Delft), 밀라노공과대학교(Politecnico di Milano), 인도공과대학교(IIT) 등 전 세계 유수의 대학들이 참가해 치열한 경쟁을 펼친다.올해의 과제는 글로벌 우주항공 방위산업 기업 에어버스(AIRBUS)의 후원 하에 수행하는 ‘수소 전기 추진 수직이착륙기(Hydrogen-Electric VTOL)’ 설계였다. 참가팀들은 수소 연료 전지 기반 추진 시스템을 활용해 실제 운용 가능한 미래형 항공기를 제안해야 했다. 여기에는 2인 탑승 가능 요구 조건, 기체 크기 및 배터리 무게 제한, 수직이착륙 및 장시간 비행 조건, 구조 안정성 확보 등 다수의 까다로운 제약 조건이 주어졌다. 전문가들 사이에서도 ‘현존 기술 수준에서 가장 어려운 과제 중 하나’로 꼽힐 만큼 도전적 내용이었다.서울대 항공우주공학과 이관중 교수의 연구팀 소속 김정환 박사과정을 비롯해 총 10명으로 구성된 HOPPER 팀은 이 기술적 난제를 해결하기 위해 다년간 쌓아온 기술을 대거 적용한 결과, 수소 연료전지 기반의 복합형 헬리콥터 디자인을 선보였다. 연구팀이 자체적으로 구축한 다학제적 설계 최적화(MDO) 프레임워크는 많은 주목을 받았다. 특히 수소 전기 추진 시스템의 성능해석 및 설계 기술을 독자적으로 확보해 새로운 설계 기술을 제시한 점이 높은 점수를 받았다.이관중 교수는 “HOPPER 팀이 수소 전기추진 수직이착륙 항공기 개발을 위한 기반 기술을 선보인 이번 성과는 서울대 연구진의 독창적 역량을 세계 무대에서 입증했다는 면에서 그 의미가 크다”고 밝혔다. ▲ HOPPER 설계안 요약 [참고자료]- 2025년 대회 참여 대학원생 명단: 김정환, 박준휘, 김현수, 김영효, 정태민, 조재현,이인영 (이상 박사과정), 이진휘, 박성중, 정성현 (이상 석사과정)- 2024년 대회 참여 대학원생 명단: 김정환, 박준휘, 김현수, 김영효 (이상 박사과정), 정태민,박성중, 최정욱, 조재현, Berenice Chatelain (이상 석사과정), 정성현 (이상 학부연구생)- VFS 홈페이지 (대회 최종 결과 확인 가능) : https://vtol.org/awards-and-contests/student-design-competition/past-student-design-winners[문의]서울대학교 항공우주공학과 이관중 교수 / 02-880-4151 / kjyee@snu.ac.kr