Research

김진곤 교수팀, 플라스틱 가교결합 이용해 그래핀 전자회로 개발

‘플라스틱’으로 그래핀 전자회로 찍어낸다 탄소로 만들어지는 ‘꿈의 물질’ 그래핀은 많은 연구가 진행되고 있지만, 그 기대효과와는 달리 아직까지 상용화하기에 까다로운 조건들이 많다. 특히 원하는 모양대로 패턴을 만들 수 있어야 하는 전자회로의 경우, 그래핀이 회로화되는 식각 과정에서 산화되면서 성능이 저하돼 어려움을 겪었다. 화학공학과 지능형 블록공중합체 연구단 김진곤 교수(57)․박사과정 박범진(30) 연구팀은 표준과학원 박재성 박사(35), 울산과학기술원 김광수 교수(65), 서울대 홍병희 교수(44), 2010년 노벨 물리학상 수상자인 영국 맨체스터 대학의 K.S. 노보셀로프(Novoselov, 40) 연구팀과 함께 원하는 모양대로 바닥에서부터 그래핀을 쌓이게 하는 바텀업(bottom-up) 공정기술을 개발해 나노분야 권위지 ACS Nano지 온라인판을 통해 발표했다. 이기술을 이용하면 그래핀을 미리 합성한 뒤 원하는 모양으로 깎아내야 하는 식각 공정 없이도 그래핀 전자회로를 만들 수 있다. 그래핀 전자회로를 만들기 위해 연구팀은 패턴의 일부를 경화시킨 고분자 박막을 그래핀이 성장할 때 필요한 탄소 소스(source)로 이용했다. 여기서 사용된 것은 폴리스타이렌이란 플라스틱으로 흔히 생활용품이나 장난감, 요구르트용기 등에 사용되며 실생활에서 보듯 고온에서는 녹아버린다. 하지만 이 소재를 경화시키면 열적안정성이 올라가 고온에서도 녹지 않고 비정질 탄소로 바뀌는데 경화되지 않은 폴리스타이렌은 그래핀으로 바뀐다. 이러한 성질을 이용해 연구팀은 원하는 패턴에 경화폴리스타이렌과 비(非)경화폴리스타이렌을 배열, 그래핀 패턴을 만드는데 성공했다. 연구를 주도한 김진곤 교수는 “이번 연구성과는 그래핀의 우수한 성질을 유지하면서 전자회로를 만들어 실제 그래핀 소자를 양산할 수 있는 새로운 시도라는 점에서 큰 의의가 있다”며 “이 연구내용은 특히 그래핀을 기반으로 한 유연 전자소자의 상용화에 중요한 원천기술로 후속연구에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이 연구성과는 미래창조과학부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥사업’과 ‘국가과학자지원사업’의 지원 아래 수행됐다.

화공 이진우 교수팀, 연료전지 촉매제 활용 가능한 다공성 탄소 합성

비싼 몸 ‘백금’ 대신할 ‘탄소’ 촉매 만들었다 에너지 고갈과 화석에너지 사용으로 인한 환경공해 문제를 동시에 해결할 대안으로 알려진 연료전지는 촉매의 비싼 ‘몸값’ 때문에 상용화나 보급에 어려움을 겪고 있다. 화학공학과 이진우 교수, 통합과정 이성규씨 팀이 서로 다른 원소를 씌운 다공성 탄소를 합성, 연료전지 속에서 환원반응이 일어나는 환원극 속 촉매로 활용하는데 성공했다. 세계적 화학지 안게반테케미(Angewandte Chemie)지를 통해 발표된 이 연구결과는 기존 백금 촉매 가격의 10%밖에 안되지만, 실제 성능은 백금과 거의 유사한 성능을 보여 관심을 모았다. 연료전지 자동차나, 가정용 연료전지, 이동형 연료전지 등에 활용되는 고분자 전해질 연료전지는 이 환원극에 들어가는 촉매가 값비싼 백금을 사용하고 있어 상용화에 큰 어려움을 겪었다. 최근 이 백금촉매를 대체한 수단으로 서로 다른 원소를 도핑한 탄소를 촉매로 만드는 연구가 진행되어 왔지만, 이런 비금속계 촉매를 실제 연료전지 시스템에 적용하는 연구는 아직 진행되지 않은 상태였다. 연구팀은 우선 구조가 규칙적인 다공성 탄소를 블록공중합체의 자가조립 현상을 이용해 간단히 합성한 다음, 연료전지의 단위전지에 적용했다. 다공성 탄소를 이용한 것은 구멍의 크기가 커 반응물질 전달을 원활하게 해 전달과정에서 일어나는 저항을 낮추고, 반응이 일어나는 표면적을 높여 효율을 높일 수 있기 때문. 그 결과 상용 백금 촉매의 70%의 성능을 얻었고, 비금속계 촉매가 실제로 연료전지에 적용될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이와 함께 연구진은 이러한 이종(異種)원소가 도핑된 탄소에서 이종원소의 위치를 조절하는 방법도 함께 개발, 위치에 따른 연료전지 성능의 영향도 처음으로 규명했다. 이 성과는 연료전지 뿐 아니라 이산화탄소 환원 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이 성과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업 (핵심)’과‘일반연구자지원사업(모험)'의 지원으로 수행됐다.

[해수부 보도자료] 수술용 실 대체 가능한 홍합 유래 순간조직접착제 개발

염증 없이 빠른 치유, 상용화 성공 시 약 15조원 규모의 세계시장 열려 이제는 수술 후에도 염증이나 흉터 걱정을 덜 수 있게 됐다. 해양수산부(장관 유기준)는 홍합이 바다 속 바위 등에 부착할 때 사용하는 접착 단백질을 활용하여 수술용 실을 대체할 수 있는 홍합유래 순간조직접착제를 개발했다고 밝혔다. 기존에 사용하던 수술용 실은 몸속에서 이물질로 작용하여 염증이나 흉터를 남길 수 있을 뿐 아니라 약한 조직에는 사용하기 어려운 문제 등이 있었다. 그동안 의료 접착제에 대한 많은 연구가 진행되어 왔지만 기존의 수술용 실을 대체하기에는 어려움이 있었다. 그러나 해양수산부가 지원하는 해양바이오산업신소재연구단(연구단장 차형준)이 이번에 개발한 순간조직접착제는 수술용 실을 완전히 대체할 수 있을 것으로 보인다. 이는 홍합이 바다의 젖은 바위에 부착할 때 사용하는 홍합접착단백질에 청색파장의 빛을 쪼여 접착력과 유연성을 강화하는 방식으로, 곤충의 관절에서 발견되는 안정적이고 유연한 결합물질(dityrosine)에서 착안한 것이다. 이번에 개발된 홍합접착제는 기존 소재가 가졌던 한계인 충격, 인체에 대한 독성, 접착력의 문제를 모두 해결한 것으로 인체에서 염증반응을 일으키지 않으며 보다 빠르게 흉터를 최소화시킨다. 세계 의료봉합 및 접합시장 규모는 연간 140억 달러(한화 15조원) 규모로 홍합 유래 조직접착제 상용화가 성공할 경우 세계시장을 주도해나갈 수 있을 것으로 전망된다. 이번 연구 성과는 바이오소재 분야의 최고 권위 학술지인 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials, IF8.5)에 온라인 게재되었다. 차형준 교수는 “향후 다양한 생체조직의 접합 및 접착을 위한 기반기술로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 이를 활용한 약물전달 및 지혈제로의 응용연구도 추진 중”이라고 밝혔다. 이상진 해양수산부 해양수산생명자원과장은 “지구 생물의 80%가 해양에 살고 있을 정도로 해양수산생명자원의 다양성이 높지만 아직 개척할 것이 많은 분야라며, 정부의 전폭적인 지원을 통해 해양신산업의 경쟁력을 강화해나갈 것”이라고 말했다. 해양수산부는 2019년까지 약 460억 원의 예산을 투입하여 해양생물자원을 활용한 신소재 및 대체소재의 개발에 매진할 계획이다.

도준상․이진우 교수팀, 백금나노입자 이용한 진단키트 개발

민감하고 손쉽게 사용 가능한 ‘현장용 진단 키트’ 만든다 중동호흡기증후군(MERS)과 같은 전염병의 확산을 막기 위해서는 아주 낮은 농도에도 정확하게 감염 여부를 빠르게 진단해낼 수 있는 진단기술이 필요하다. 특히 민감도가 높은 진단방법은 시간이 오래 소요되거나 특수한 장비가 필요해, 시급한 상황에서는 사용하기 어려운 경우가 많았다. 연구팀이 ‘임신테스트기’와 같은 간단한 키트와 스마트폰 카메라로 빠르고 손쉽게 스스로 질병여부를 판단할 수 있는 기술을 개발해 눈길을 모으고 있다. 기계공학과․시스템생명공학부 도준상 교수팀과 화학공학과 이진우 교수팀은 신속하고 간편하며 검출감도도 수십배 향상시킨 새로운 진단기기 기술을 개발하는데 성공했다. 바이오소재분야 권위지 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼스(Advanced Healthcare Materials)’지 표지로 선정된 이 기술은 일반 가정에서도 흔히 쓰이는 기기를 이용해 고감도의 검출을 가능하게 했을 뿐 아니라, 스마트폰 카메라를 촬영해 이를 바로 확인할 수 있도록 해 더욱 활용도를 높여 주목을 받고 있다. 연구팀이 이용한 것은 우리가 흔히 말하는 ‘임신 테스트기’로 불리는 임신진단키트로, 이 키트는 통상적으로 임신 여부를 선으로 나타내기 위해 금 나노입자를 사용해 왔다. 연구팀은 금 나노입자 대신 효소 모방 나노물질인 백금 나노입자를 이용한 임신진단키트를 만들었다. 안정성이 뛰어난 백금 나노입자를 이용한 이 새로운 키트는 기존보다 20분의 1 이상 낮은 농도에도 반응, 임신여부를 진단해냈다. 또, 발색 정도를 스마트폰 카메라으로 촬영하면 이 사진을 영상 분석해 정량화할 수 있어 특별한 장치가 없이도 스마트폰만 있으면 검체 양을 정량화할 수 있다는 것도 보여줬다. 이러한 기술은 노로바이러스, 에이즈, 독감, 심근경색, 암 등과 같은 질병뿐만 아니라 생화학전용 병원균 진단에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 도준상 교수는 “효소모방 나노입자를 휴대용 진단칩에서 활용한 것은 처음”이며 “백금나노입자는 외부 환경에 의한 변화가 적고, 이를 통한 스마트폰의 분석도 간단하게 이뤄질 수 있어 현장 진단을 위한 휴대용 체외진단기기 상용화에 더 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

휘는 전자기기 구현 핵심 ‘유기박막트랜지스터’ 활용 길 열었다

김재준 ․ 정성준 ․ 조길원 교수팀, ‘이동도’ 향상 기술 개발 휘는 차세대 디스플레이나 웨어러블 전자기기, 휴대용 센서를 제작하려면 기존 무기물 반도체를 대체하여 전하 이동도*1가 높으면서 가공하기 쉬운 유기물 소재를 개발하는 것이 관건이다. 유기 반도체로 박막 트랜지스터*2를 만들면, 구부리거나 접었을 때도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되는 장점이 있기 때문이다. 그러나 무기반도체에 비해 전하 이동도가 낮아 아직까지는 실제 활용에 한계가 있었다. POSTECH(포항공과대학교)이 유연한 전자소자 핵심기술로 떠오른 유기 박막트랜지스터의 한계점으로 지적되어 온 낮은 이동도를 획기적으로 끌어 올리는데 성공했다. 창의IT융합공학과 김재준․정성준 교수, 통합과정 유호천씨, 화학공학과 조길원 교수, 최현호 박사 연구팀은 재료과학분야 권위지 '어드밴스드펑셔널머터리얼스(Advanced Functional Materials)' 6월 24일자를 통해 세계 최고 수준의 이동도를 갖는 TIPS-펜타센*3 기반 유기 박막 트랜지스터 제작 기술을 발표했다. 유기 반도체의 이동도를 결정짓는 가장 큰 요소 중 하나는 유기물 경계면 상태다. 유기물이 계면(界面)에서 얼마나 잘 정렬되고 큰 결정구조를 갖는가에 따라 유기 반도체의 성능과 기능이 좌우되기 때문. 연구팀은 용액상태의 유기물 반도체(TIPS-펜타센)를 스펀지와 같이 흡수가 가능하게 만든 고분자 절연체에 스며들게 유도한 뒤, 스핀 코팅을 이용하여 재추출하여 자기 성장시키는 방법을 고안해 냈다. 그 결과, 유기박막트랜지스터의 이동도가 높은 큰 결정구조를 얻는데 성공했다. 또한 연구팀은 편광 광학 현미경, 가속기 2차원 스침 X-선 산란 분석, 원자력 현미경, 이차 이온 질량 분석 등을 통해 고성능 유기 트랜지스터의 이동도와 결정 구조와의 연관성까지 밝혀냈다. 유기 반도체 단분자가 고분자 절연막 안에 머무는 시간이 길어질수록 결정 구조가 커지고 트랜지스터의 이동도가 높아진 것이다. 연구를 주도한 김재준, 정성준 교수 팀은 “기존 유기소자 제작 공정을 크게 변형하지 않으면서도 이동도를 비약적으로 끌어올리는 방법을 개발했다는 점에서 의미가 남다르다”며 “보다 실용적인 유기 반도체 집적 회로 및 시스템을 만드는데 중요한 기반이 될 것” 이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 ‘ICT명품인재양성사업’과 미래창조과학부 글로벌 프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단’의 지원을 받아 진행됐다. 1. 이동도(移動度, mobility) 이온이나 전자가 전계의 작용이 가해졌을 때에 이동하는 경우, 그 움직임의 용이성을 나타내는 정도 2. 박막 트랜지스터 (thin-film transistor) 유리나 세라믹 기판(基板) 위에 증착(蒸着) 등의 방법으로 형성한 얇은 막의 반도체를 사용하여 만든 트랜지스터 3. TIPS-펜타센 (TIPS-pentacene) 일반적으로 가장 많이 사용․연구되는 유기반도체 재료 중 하나. 높은 전하 이동도가 특징이다.

고효율 CO2 흡착제 개발 및 맞춤형 제올라이트 합성 길 열려

에너지·환경 산업의 핵심소재 설계 및 합성 미래창조과학부(장관 최양희)는 “국내연구진이 국제 공동연구로 고효율 석유화학 공업의 핵심 소재인 제올라이트의 새로운 구조를 직접 설계하고 합성하는 데에 세계 최초로 성공하였다”라고 밝혔다. 홍석봉 교수, 신지호 연구원 등은 기존의 시행착오적(Trial&Error) 방식에서 벗어나 제올라이트 구조를 직접 설계하고 합성하는 연구를 샤오동 쩌우(Xiaodong Zou, 스톡홀름대, 스웨덴)교수팀, 폴 라이트(Paul A. Wright, 세인트앤드류스대, 영국)교수팀과 공동으로 수행하였으며, 포항 가속기연구소(PAL, 소장 조무현)와 프랑스 가속기 연구소(ESRF)가 협력했다. 이 연구는 미래창조과학부의 기초연구사업(리더연구자지원)의 지원으로 이루어졌으며, 이번 연구 결과물은 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처(Nature)지 온라인판 7월 16일자(한국시간)에 게재되었다. 논문명과 저자 정보는 다음과 같다. - 논문명: A zeolite family with expanding structural complexity and embedded isoreticular structures - 저자 정보: 홍석봉(교신저자, 포항공대 교수), 신지호(제 1저자, 포항공대 박사), 최현준(공동저자, 포항공대 석사과정), 민정기(공동저자, 포항공대 박사과정) 논문의 주요 내용은 다음과 같다. 1. 연구의 필요성 가.석유화학, 천연가스 등 에너지 자원 생산 효율을 높이고 기후변화 문제 해결을 위해 이산화탄소 분리·회수에 대한 관심이 높아짐에 따라, 에너지·환경 산업에서 다용도로 활용되며 개발가능성이 무궁무진한 핵심소재 ‘제올라이트’에 대한 관심이 증대됨. 제올라이트 : 실리콘과 알루미늄 원자가 산소 원자와 정사면체 구조를 이루며 결합된 결정성 물질로, 무수히 뚫려있는 미세한 구멍을 이용하여 이산화탄소를 흡·탈착하는 흡착제로 각광받고 있음. 이 외에도 화학 및 에너지·환경 관련 사업에서 촉매, 이온 교환제, 분리제 등의 다양한 용도로 널리 쓰이지만 국내에는 원천기술이 전무했음. 나. 제올라이트는 재료 및 물의 조성, 유기 구조 유도 물질의 종류와 크기, 합성 온도, 합성 시간 등 다양한 요인에 의해 영향을 받아 아직 그 정확한 합성 메커니즘이 밝혀지지 않았음. 때문에 새로운 구조를 갖는 제올라이트를 설계하고 합성하기는 굉장히 어려움. 이론상으로 3백만 종 이상의 제올라이트 구조가 가능할 것으로 알려져 있지만, 현재 알려진 구조는 229종에 불과하며, 매년 5종 내외의 새로운 제올라이트가 보고되고 있으나 설계가 아닌 우연(Trial&Error)에 의해 합성이 이루어지고 있음. 2. 개발 원리:기존에 알려진 제올라이트의 구조를 분석한 결과, 특정 단위의 기본 구조체들이 일정한 규칙을 가지고 더해지면서 제올라이트 구조가 점점 확장될 수 있는 원리를 발견함* 연구진은 이 규칙을 활용하면 현재보다 확장된 구조체를 만들 수 있을 거라 예측하여 합성 전략을 세움. 먼저 기존 제올라이트를 합성할 때 사용되는 TEA(Tetraethylammonium)와 Na+ 이온을 기본적인 구조유도 물질로 하고, 한 단계 큰 제올라이트를 만드는 데 필요한 특정 구조체들의 형성을 도와줄 수 있는 무기 양이온(예: Ca2+ 또는 Sr2+)을 추가하여 새로운 구조를 만들어냄 * 제올라이트 RHO, PAU, ZSM-25가 a-b-a(RHO), a-b-c-b-c-b-a(PAU=RHO+2b+2c), a-b-c-b-c-b-c-b-a (ZSM-25=RHO+3b+3c)와 같이 일정한 규칙을 가짐. 3. 연구 성과 가. 세계 최초로 설계에 의해 제올라이트 PST-20(POSTECH no. 20), PST-25 합성 성공. 두 제올 라이트는 현재까지 알려진 모든 무기 소재 중 가장 크고 복잡한 구조로 학계의 큰 관심을 끔. 나. PST-20 제올라이트는 기존 제올라이트보다 이산화탄소를 더 많이, 더 빨리 흡․ 탈착하는 특성이 있음. 따라서 환경, 에너지 분야 등에서 뛰어난 이산화탄소 흡착제로 활용이 기대됨. * 메탄가스 추출 시 포함된 다량의 이산화탄소를 흡착하여 순수한 가스를 손쉽게 얻는 등 천연가스 산업에 활용될 것으로 기대됨 (세계적인 가스회사인 Air Products와 후속연구 협의를 진행 중) 이번 연구를 주도한 홍석봉 교수는 “현재 제약분야에서 분자 설계를 통해 신약을 개발하는 것처럼, 우연이 아닌 특정 용도에 필요한 제올라이트 구조를 예측한 후 설계를 통한 ‘타깃(target)’ 제올라이트의 합성이 가능함을 보여준 첫 사례로 나노다공성 재료분야에 새로운 패러다임을 제시하였다”고 밝혔다.

차세대 태양전지 성능 높이는 고분자 신물질 합성 성공

‘페로브스카이트’ 효율 14.1% 달성...타 전자소자에도 응용 가능 태양광 산업의 경쟁력은 태양전지의 광전환 효율*1에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 고순도 실리콘을 생산하기 위한 공정단가가 만만치 않아 보편적인 에너지원으로 태양전지를 사용하기 위해서는 기존 화석연료와 경쟁할 수 있는 ‘초저가 고효율 태양전지’ 소재 개발이 시급하다. 전 세계 산업계가 태양전지 효율을 끌어올리기 위해 광발전 연구 분야에서 각광을 받고 있는 페로브스카이트(Perovskite)*2와 같은 신소재 공정에 투자를 아끼지 않는 까닭은 이 때문이다. POSTECH이 페로브스카이트 기반 태양전지를 설계할 때 사용되는 저분자 스파이로(Spiro-MeOTAD)*3 물질을 대체할 수 있는 고효율 고분자 정공*4 전달 물질을 합성하는데 성공했다. 화학공학과 박태호 교수, 통합과정 김관우 씨 연구팀은 재료과학분야 권위지 '어드밴스드에너지머터리얼스(Advanced Energy Materials)'를 통해 새로 합성한 고분자 정공전달 물질(명칭: TTB-TTQ)로 페로브스카이트 태양전지의 효율을 14.1%까지 끌어올리는 기술을 개발했다. 기존에 널리 사용되던 스파이로 물질은 저분자 구조로 제작 단가가 높고 공정이 복잡해 태양전지에 코팅이 손쉬운 고분자 물질이 필요했다. 이번에 POSTECH 연구팀이 합성한 신 물질은 에너지 준위 조절이 가능하고 가공이 용이하도록 하는데 초점을 맞춰 설계, 합성했다. 연구팀은 첨가제를 이용하면 물질의 표면 상태가 섬유형태로 거칠게 변하는데, 이로 인해 전하가 효율적으로 이동할 수 있게 된다는 사실을 밝혀냈다. 새 고분자 물질을 사용한 페로브스카이트 태양전지의 효율은 14.1%에 달하는데, 이는 지금까지 학계에 보고된 고분자 정공 전달물질 중 최고 수준이다. 특히 이번 연구는 앞으로 다양한 정공 전달물질을 합성하기 위한 새로운 방법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 태양 전지 뿐만 아니라 다른 광전자공학(光電子工學, Optoelectronics) 전자소자에도 적합한 전도성 고분자를 만들 때에도 이를 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박태호 교수는 “페로브스카이트 태양 전지의 효율을 극대화하기 위해 고분자 정공 전달 물질을 합성할 수 있는 방법을 제시했다는데 의미가 있다”며 “향후 고효율 태양전지나 유연한 전자기기 등을 상용화 할 수 있는 기술 기반이 될 것”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 미래창조과학부 글로벌 프런티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원을 받아 진행됐다. 1. 광전환 효율(Photoconversion efficiency) 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하는데 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐른다. 이를 광전효과라 한다. 광전환 효율은 광전효과를 통해 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 효과의 정도를 뜻한다. 2. 페로브스카이트(Perovskite) 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특이한 구조의 결정구조 물질. 탄소 등 유기물, 납 등의 금속, 요오드화물이나 염화물 같은 할로겐화물로 이루어진 유기․무기 하이브리드 형이다. 에너지 변환효율이 높아 최근 학계에서 가장 주목하고 있다. 실용화를 위한 과제가 남았지만 제작 방식이 비교적 간단하고 생산 원가가 낮아 태양전지 시장에서 새로운 전기를 마련할 것으로 예상된다. 페로브스카이트를 이용한 태양전지 제작 기술은 한국이 세계적으로 가장 앞서 있다는 평가를 받는다. 3. 스파이로(Spiro) 가장 많이 사용되는 정공 전도체로, 현재 페로브스카이트 태양전지가 비싼 주요 원인 중 하나 4. 정공(正孔, hole) 반도체의 결정에서 자유전자(가전자)가 빠져나간 빈 상태의 구멍. 양의 전하와 양의 질량을 가진 입자처럼 행세하여 전기 전도의 캐리어가 된다.

차세대 실리콘 나노선 태양전지 개발, 기존 평판 전지보다 2.7배 효과적...대량생산 기반 마련

“빛 흡수효율 높인 ‘비대칭’ 구조가 해답” POSTECH이 기존에 상용화된 평판 태양전지보다 효율을 2배 이상 늘린 차세대 비대칭형 수직 실리콘 나노선(Nanowire)*1 태양전지 기술 개발에 성공했다. POSTECH 창의IT융합공학과 백창기․임태욱교수, 미래IT융합연구원 김기현박사 연구팀은 네이처 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Report)'를 통해 상용 평판 태양전지 보다 최대 2.7배, 기존 나노선 태양전지보다는 최대 1.4배 효율을 끌어 올린 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 기술을 발표했다. 세계반도체무역통계기구(WSTS) 등 자료에 따르면, 2015년을 기점으로 태양전지 세계시장 규모가 메모리 반도체 사업 시장을 넘어설 것으로 예상되고 있으며 태양광을 전기로 변환하는 태양전지 원천기술 확보가 핵심 과제로 떠오르고 있다. 수직으로 정렬된 나노선을 이용한 고효율 태양전지 개발에 학계의 관심이 모이는 것은 양자효과로 인해 빛의 전력 변환효율이 높아지기 때문이다. 하지만 기존 나노선의 가느다란 구조 특성 때문에 빛의 흡수 효율을 일정 수준 이상 높이는 것이 쉽지 않은 상황이다. POSTECH 연구팀은 기존 나노선의 효율을 한층 더 높이는 방법에 집중했다. 그 결과 나노선의 상단부 직경을 넓게 하고 하단부 직경을 좁게 만드는 비대칭 구조로 설계하면 반사율이 높아져 태양전지가 빛을 흡수하는 양을 극대화할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 이번 연구로 차세대 태양전지 기술을 확보했다는 데 큰 의미가 있다고 설명했다. 특히, 개발된 기술은 국내 실리콘 반도체 공정 기술인 하향식(Top-down) 공법을 그대로 적용할 수 있어 제작 단가를 낮추면서도 대량생산이 가능하다. 뿐만 아니라, 연구팀은 나노선 태양전지 기술 확보 과정에서 수직 나노선 어레이 제작기술에 대한 다양한 원천특허(국내등록: 4건, 국제출원: 9건)를 보유하게 돼, 하향식 나노선 기술을 기반으로 한 저가 차세대 실리콘 열전소자(Thermoelectric device) 및 광소자(Photo-detector device) 기술 연구의 기반을 마련하게 됐다. 백창기 교수는 “경제적이면서 효율도 높은 태양전지를 대량생산할 수 있는 기반이 마련돼 향후 태양전지 산업에 다각도로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 1. 나노선(NanoWire) 수십∼수백㎚(나노미터, 10억분의 1m) 굵기를 가지며, 반도체 물질로 이뤄진 머리카락 형태의 나노 구조체 (a) 탑다운 공정을 이용해 형성된 나노크기 원형 패턴의 주사현미경 사진 (b) 제작된 대칭형 및 비대칭형 수직 실리콘 나노선의 측면 주사현미경 사진 (c) p 타입 실리콘 층이 증착된 후의 대칭형 및 비대칭형 수직 실리콘 나노선의 측면 주사현미경 사진 (d) 제작된 8인치 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 사진 (e) 금속 패드 형성 전의 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 칩 (1cm2) 사진 (f) 금속 패드 형성 후의 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 칩 (1cm2) 사진

박문정 교수팀, 폴리아닐린 나노시트 친환경‧저비용 합성법 발표

‘얼음’으로 나노시트 만든다 여름이면 누구나 쉽게 찾는 ‘얼음’. 이 얼음을 이용해 그간 ‘어렵다’고 알려진 전기가 통하는 플라스틱, ‘폴리아닐린’의 나노시트를 손쉽게 만들어낼 수 있는 기술이 개발돼 학계의 주목을 받고 있다. 화학과 박문정 교수‧박사과정 최일영‧이정필씨 팀은 얼음을 틀로 이용해 전도성 고분자 ‘폴리아닐린’의 나노시트를 만드는데 성공했다. 이렇게 만들어진 나노시트는 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀의 2배 이상 많은 전류를 흘려보낼 수 있어 더욱 화제가 되고 있다. 세계적 화학학술지 안게반테 케미(Angewandte Chemie)지에서도 상위 10%의 우수한 논문인 중요논문(Highly Important Paper)로 선정된 이 연구성과는 특히 다양한 전기화학 소자 전극 소재 등으로 활용될 것으로 전망된다. 플라스틱이지만 전기가 통하는 전도성 고분자는 차세대 소재로 각광을 받고 있지만 합성과 공정이 복잡해 아직까지 상용화에는 이르지 못한 상태다. 그 중에서도 폴리아닐린은 간단한 공정으로 합성할 수 있어 초소형 전자기기나 전지의 전극에 이용될 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나 이런 폴리아닐린을 전기소자로 사용하기 위해서는 분자형태에서 2차원의 ‘면’을 만들 수 있어야 하는데, 지금까지는 그래핀을 이용한 성과만이 학계에 알려진 상태다. 하지만 이 역시 가격이 지나치게 비싸고 큰 면적으로는 만들 수 없다는 점이 단점으로 지적됐다. 연구팀은 폴리아닐린을 얼음 위에서 합성할 때, 수직방향으로 성장하는 화학작용에 주목하고 이를 이용해 폴리아닐린을 나노 두께의 시트로 만들어내는데 성공했다. 얼음 위에서 만들어진 이 나노시트는 합성 후 얼음을 녹여내 다른 기판에 옮기기도 쉽고, 마이크로 패턴 마스크를 이용해 쉽게 패턴을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 중요하게 평가된 것은 이 나노시트가 가지는 뛰어난 전도성이다. 이 나노시트는 그간 알려졌던 폴리아닐린의 전도도의 40배를 훌쩍 뛰어넘었을 뿐 아니라, 그래핀보다 2배 많은 전류를 흘려보낼 수 있다. 또, 이 합성법을 이용하면 1제곱미터를 합성해도 단가는 고작 9천원에 불과한데다, 틀을 얼음으로 이용하기 때문에 친환경적인 방법이라는 점도 눈여겨볼 만하다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “이번 성과는 지금까지 전도성 고분자를 이용한 연구에서도 유례를 찾아보기 힘든 연구결과로 평가되고 있다”며 “이번에 개발된 나노시트를 이용해 액추에이터*1와 같은 다양한 전기화학 소자의 전극으로 활용할 수 있도록 후속연구를 진행하겠다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구성과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 1. 액추에이터 전기, 유압, 압축공기 등을 사용하는 원동기를 의미.

박문정 교수팀, 폴리아닐린 나노시트 친환경‧저비용 합성법 발표

여름이면 누구나 쉽게 찾는 ‘얼음’. 이 얼음을 이용해 그간 ‘어렵다’고 알려진 전기가 통하는 플라스틱, ‘폴리아닐린’의 나노시트를 손쉽게 만들어낼 수 있는 기술이 개발돼 학계의 주목을 받고 있다. 화학과 박문정 교수‧박사과정 최일영‧이정필씨 팀은 얼음을 틀로 이용해 전도성 고분자 ‘폴리아닐린’의 나노시트를 만드는데 성공했다. 이렇게 만들어진 나노시트는 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀의 2배 이상 많은 전류를 흘려보낼 수 있어 더욱 화제가 되고 있다. 세계적 화학학술지 안게반테 케미(Angewandte Chemie)지에서도 상위 10%의 우수한 논문인 중요논문(Highly Important Paper)로 선정된 이 연구성과는 특히 다양한 전기화학 소자 전극 소재 등으로 활용될 것으로 전망된다. 플라스틱이지만 전기가 통하는 전도성 고분자는 차세대 소재로 각광을 받고 있지만 합성과 공정이 복잡해 아직까지 상용화에는 이르지 못한 상태다. 그 중에서도 폴리아닐린은 간단한 공정으로 합성할 수 있어 초소형 전자기기나 전지의 전극에 이용될 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나 이런 폴리아닐린을 전기소자로 사용하기 위해서는 분자형태에서 2차원의 ‘면’을 만들 수 있어야 하는데, 지금까지는 그래핀을 이용한 성과만이 학계에 알려진 상태다. 하지만 이 역시 가격이 지나치게 비싸고 큰 면적으로는 만들 수 없다는 점이 단점으로 지적됐다. 연구팀은 폴리아닐린을 얼음 위에서 합성할 때, 수직방향으로 성장하는 화학작용에 주목하고 이를 이용해 폴리아닐린을 나노 두께의 시트로 만들어내는데 성공했다. 얼음 위에서 만들어진 이 나노시트는 합성 후 얼음을 녹여내 다른 기판에 옮기기도 쉽고, 마이크로 패턴 마스크를 이용해 쉽게 패턴을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 중요하게 평가된 것은 이 나노시트가 가지는 뛰어난 전도성이다. 이 나노시트는 그간 알려졌던 폴리아닐린의 전도도의 40배를 훌쩍 뛰어넘었을 뿐 아니라, 그래핀보다 2배 많은 전류를 흘려보낼 수 있다. 또, 이 합성법을 이용하면 1제곱미터를 합성해도 단가는 고작 9천원에 불과한데다, 틀을 얼음으로 이용하기 때문에 친환경적인 방법이라는 점도 눈여겨볼 만하다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “이번 성과는 지금까지 전도성 고분자를 이용한 연구에서도 유례를 찾아보기 힘든 연구결과로 평가되고 있다”며 “이번에 개발된 나노시트를 이용해 액추에이터*1와 같은 다양한 전기화학 소자의 전극으로 활용할 수 있도록 후속연구를 진행하겠다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구성과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 1. 액추에이터 전기, 유압, 압축공기 등을 사용하는 원동기를 의미.