Research

POSTECH-KAIST 연구팀, 유해 유기용매 감지 플렉시블 센서 제조 기술 개발

‘새집증후군 위험’ 미리 알려줄 스마트와치 나올까 스마트폰으로 온 메시지나 이메일을 간편하게 읽게 해주고, 걸음 수를 체크해 운동량을 체크해주는 등 다양한 기능으로 인기를 모으고 있는 ‘스마트와치(smart watch)’. 이런 웨어러블 스마트기기에 새집증후군의 원인이 되는 물질이나 물속의 오염물질을 바로 감지해 위험을 알려주는 기능을 탑재할 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 오준학 교수․박사과정 이무열씨, KAIST 생명화학공학과 김범준 교수팀은 유해한 유기용매를 감지할 수 있는 플렉시블(flexible) 센서 제조 기술을 발표했다. 재료과학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지가 이 결과를 표지논문으로 소개하면서 학계의 관심도 모으고 있는 이 기술은 그간 화학․생물학에 이용되는 센서의 안정성과 정확성을 모두 획기적으로 개선시켰다. 최근 대기오염이나 발암성 물질 노출로 인한 질병이 급증하고, 후쿠시마 원전 사고나 구미공장 불산 누출 사고처럼 유해물질이 배출되는 사고가 이어지면서 일반인들이 손쉽게 환경오염 정도를 확인할 수 있는 기기에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 실제로 이러한 관심을 반영하듯 최근 공개된 구글의 조립형 스마트폰인 ‘아라폰’에는 사용자가 대기오염 정도를 직접 확인할 수 있는 부품도 포함된 것으로 알려져 있다. 연구팀이 공개한 것은 여기서 한 발 더 나아가 공기 중, 물 속, 심지어 유기용매 속에 유해물질이 있는지 바로 확인해볼 수 있는 ‘웨어러블’ 스마트 모니터링 기기에 활용할 수 있는 유기반도체를 이용한 화학센서 제조 기술이다. 유기반도체를 이용한 화학센서는 유연성이 좋고 가벼워 차세대 웨어러블 전자소자로서 경쟁적으로 연구되어온 분야다. 특히 유기재료는 센서로 만들 경우 필요한 종류에 따라 손쉽게 설계할 수 있는 장점이 있어 여러 종류의 유해물질 감지에도 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만 기존의 센서는 특히 유기 반도체 층의 용매에 대한 안정성이 부족해 그 응용분야가 한정적인 것이 단점으로 지적됐다. 연구팀은 기존 유기반도체 소재로 사용되어온 물질 P3HT에 아지드(azide)기(基)라는 가교(cross-linking)*1가 가능한 분자구조를 도입, 센서의 측정안정성을 크게 높였다. 이와 함께 반도체 표면에 특정 물질을 선택적으로 모을 수 있는 컨테이너 분자로 구성되도록 해 센서의 감응도와 선택도를 10배 이상 향상시켰다. 또, 연구팀은 이렇게 만들어진 센서를 이용, ‘새집증후군’의 주범으로 알려진 톨루엔, 인체 내에 흡수되면 치명적인 영향을 미치는 메탄올 등을 정확하게 검출하는데 성공했다. 여기에 이 센서는 기존의 설비로도 충분히 제조가 가능하다는 점에서 실용화 가능성도 크게 엿보인다. 특히 단기간만 사용할 수 있는 웨어러블 검출기로는 가까운 시일 내에도 개발이 가능할 것으로 전망된다. 또한, 이 센서는 스마트와치와 같은 웨어러블 모니터링용 스마트기기 개발에는 물론 화학물질 누출 여부를 지속적으로 확인해야 하는 공장이나 연구소에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 POSTECH 오준학 교수는 “이번 연구는 유기 반도체 기반 센서 실용화의 난제로 꼽히던 소자 안정성과 신뢰성을 향상시켰을 뿐 아니라 높은 감도와 선택도를 모두 구현할 수 있는 방법을 제시했다는 평가를 받고 있다”며 “유기 전자소자의 실질적 응용 범위를 더욱 넓힌 연구”라고 의의를 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단” 및 “중견연구자지원사업”의 지원으로 수행됐다. 1. 가교 (Cross-linking) 선상 고분자 사슬에서 몇 가지 특정 원자 간에 화학 결합을 형성하는 것. 가교에 의해 해당 고분자는 3차원 그물모양 구조를 이룬다.

POSTECH 김동성 교수팀, 생체모사 나노섬유 막 제작 기술 개발

전해질 전기방사 나노섬유가 동물실험 없는 ‘착한 과학’ 이끈다 “예뻐지기 위해 널 다치게 할 수 없어.”(화장품 브랜드 B 광고문구) 최근 동물실험의 참혹한 장면들이 동물보호단체 등을 통해 공개되며 동물실험에 대한 찬반 여론이 나뉘고 있다. 특히 학계에서도 살아있는 동물의 사용을 가급적 피하도록 하는 방향으로 전환하려 하지만 뚜렷한 대안 역시 없는 상태로 약물 개발을 위한 동물․임상실험은 계속되고 있는 상태다. 오는 11일, 화장품에 대한 ‘동물실험 금지’ 법안 발의가 예정된 가운데, 이러한 동물실험을 대체할 수 있는 원천기술이 같은 날 발표됐다. POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 김동성 교수․박사과정 박상민씨 팀은 생체 내 구조를 모사한 3차원 곡면 위의 나노섬유 멤브레인(membrane)*1을 칩 위에 만드는 원천기술을 개발, 재료과학분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’를 통해 발표했다. 속표지논문(Inside Cover)으로 선정되며 학계의 관심을 그대로 증명한 이 연구성과는 아주 간단한 공정을 통해 생체 적합 고분자로 나노섬유 투과막을 만들 수 있어 동물실험이나 임상실험을 대체할 바이오칩에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 동물실험이나 임상실험은 여전히 비용적인 면은 물론 윤리적인 문제 때문에 논란의 대상이 되고 있다. 이를 대체하기 위해 인체 내 기관을 모사한 바이오칩이 대안으로 떠오르고 있지만, 인체는 기계보다 훨씬 더 복잡한 구조로 이루어져 있어 이에 대한 연구는 아직 미진한 수준이다. 특히 폐, 신장, 피부 등에 있는 기저막*2은 영양 공급과 물질 투과를 담당하는, 나노섬유가 복잡하게 얽힌 투과막으로 되어 있다. 이런 투과막은 기존의 나노기술로 모사해내기에는 한계가 있었다. 또 생체기관은 평면이 아니라 3차원 구조를 가지고 있어 생체와 비슷한 효과를 가진 바이오칩 개발을 위해서는 3차원 곡면 위에 나노섬유 막을 만들 수 있어야 할 필요성이 있었다. 연구팀은 지금까지 나노섬유를 만들어온 전기방사법을 응용했다. 전기방사법은 정전기를 이용해 고분자를 순간적으로 섬유형태로 방사하는 제작방식으로, 전해질 용액을 접지전극*3으로 이용, 이 전해질 용액에 나노섬유가 쌓이도록 했다. 전해질 용액이 가지는 특성 때문에 평면 뿐 아니라, 우리 몸 속 기저막과 같이 복잡한 형태를 가진 3차원 구조의 막도 쉽게 구현할 수 있다고 연구팀은 덧붙였다. 특히 이 기술은 생체 고분자인 콜라겐, 젤라틴이나 백금 등 여러 물질을 응용할 수 있어 동물실험을 대체할 상대적으로 저렴한 바이오칩에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 공정조건만 변화시키면 두께나 투과성도 조절할 수 있어 맞춤형 투과막도 만들 수 있다는 장점을 가지고 있어 나노입자 필터나 센서, 촉매와 배터리 등 폭넓게 응용될 것으로 보인다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “이 기술은 나노섬유 투과막을 3차원 곡면 위에 복잡한 공정 없이 간단하게 구현하는 한편, 그 형태도 3차원으로 끌어올린 원천기술”이라며 “학계로부터 ‘의생명 및 산업용 장치 개발에 새로운 지평을 열 것’이란 평가를 받고 있다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(중견연구자, 선도연구센터)과 첨단융합기술개발사업(생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업)의 지원으로 수행됐다. 1. 멤브레인 특정물질을 선택적으로 투과시키는 수많은 구멍을 가진 막 2. 기저막 상피 조직 아래 표피와 진피의 경계면에 있는 막으로, 나노섬유가 서로 얽혀진 막으로 영양을 공급하는 기지 역할을 한다. 3. 접지전극 전원의 음극이 연결된 전극으로 전기방사중 전하를 가진 나노섬유가 쌓이는 곳

POSTECH, ‘좀 더 빠르게’ ‘좀 더 선명하게’ ‘좀 더 작게’ 만든 광음향 현미경 기술 개발

미국과 캐나다를 중심으로 신생아의 뇌나 암, 관절염 진단장비로 개발이 이뤄지고 있는 광음향 현미경은 암 등을 진단해내기 위해서는 더욱 고감도와 빠른 영상 출력기술이 필요하다. POSTECH(포항공과대학교) 창의IT융합공학과 김철홍 교수․이창호박사, 기계공학과 박사과정 김진영씨․임근배 교수팀은 2축 방수 MEMS 스캐너를 이용, 기존의 광음향 기술보다 넓은 범위의 영상을 스캔할 수 있을 뿐 아니라 기존에 비해 50배 빠른 광음향 현미경 기술을 개발, Nature의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’를 통해 발표했다. 광음향은 번개가 치면 천둥소리가 들려오는 현상과 마찬가지로 물질이 빛을 흡수하면 광(光)에너지가 열로 변하는 단계에서 기체에 음파가 발생하는 현상이다. 현재 이 현상을 이용한 의료 영상 기술은 2016년 1억 2천만달러 규모로 성장할 것으로 전망되며 차세대 기술로 손꼽히고 있다. 짧은 펄스의 레이저로 생체 조직을 투사하면 광음향 신호가 나오고, 이 신호는 기존의 초음파기기를 통해 감지된다. 이 기술은 실제 사람의 눈이 감지할 수 있는 다양한 색깔을 볼 수 있을 정도로 고감도일 뿐 아니라, CT나 MRI처럼 조영제가 따로 필요 없어 더욱 각광을 받고 있다. 광해상도 광음향 현미경은 그런 점에서 주목을 모으고 있지만 암의 진단을 촬영하기 위해서는 고해상도, 고속의 영상출력기술이 필요한 상황이다. 연구팀은 방수가 가능한 2축 MEMS 스캐너를 제작, 이 스캐너가 물 속에서 작동하도록 해 초음파와 레이저 빛을 동시에 반사하도록 해 더욱 선명한 영상을 출력할 수 있도록 했다. 물론 기존 보다 훨씬 넓은 범위의 영상을 촬영할 수 있었을 뿐 아니라 속도도 크게 높였다는 것이 연구팀의 설명이다. 또, 현미경의 크기를 크게 줄여 향후 내시경이나 손잡이형 광학 영상 장치로도 활용이 가능하다. 연구팀은 이 연구성과를 이용, 살아있는 쥐 귓속 미세혈관을 촬영하는데 성공했으며, 전임상과 임상단계 연구로도 확대가 가능하다고 밝혔다. 이번 연구는 고해상도 영상과 신진대사 정보 제공을 통해 암 관련 연구로도 활용할 수 있으며, 다양한 조영제를 이용 생체 내 분자 영상학에 응용하고 수술실에서 실시간으로 생체 조직검사를 가능하게 하는 환자에게는 편리하며 결과는 정확한 의료 서비스를 제공하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 IT명품인재양성사업, 선도연구센터육성사업, 중견연구자 지원사업의 지원으로 수행되었다.

조길원 교수팀, 두루마리처럼 말린 호일로 대면적 그래핀 박막 생산 효율 높이는 기술 개발

구리보다 높은 전기 전도성과 강철보다 강한 강도, 그리고 다이아몬드보다 높은 열전도성으로 ‘꿈의 소재’로 주목을 받아온 그래핀의 생산효율을 두루마리 말듯 돌돌 마는 방식으로 획기적으로 높일 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원 교수(58), 봉효진 연구원(30), 조새벽 박사(28) 연구팀이 재료분야 권위지 ‘나노스케일(Nanoscale)’지의 표지논문을 통해 발표한 이 연구성과는 특히 그래핀의 상용화에 직결되는 대면적 대량생산에 관련된 기술로 학계의 주목을 받고 있다. 그래핀에 대한 많은 연구가 경쟁적으로 진행되고 있음에도 불구하고 대면적 대량생산에는 원재료와 에너지 소모가 클 뿐 아니라 이를 위한 복잡한 기기설비는 물론 긴 생산 시간까지 필요했다. 연구팀은 촉매로 사용하는 금속 호일을 두루마리로 말아 그래핀 박막을 합성하는 간단한 방법을 고안했다. 통상 그래핀 박막은 원료를 촉매표면에 반응시켜 제조하는데, 이번 기술에서 제시된 구조를 이용해 그래핀 박막을 제조하면 두루마리의 틈새로 지나가는 원료가 촉매 표면과 반응하는 횟수를 늘릴 수 있어 소모량을 획기적으로 줄일 수 있다. 또 이 방법은 두루마리 형태로 촉매를 말아서 공간 효율을 크게 증가시켜 작은 규모의 반응기를 이용할 수 있으며, 이에 따라 복잡한 설비도 필요치 않고 제조시간이나 그에 따르는 에너지도 절감할 수 있다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “전도성 그래핀 박막의 생산효율을 극대화시킴으로써 상용화의 큰 걸림돌 중 하나를 해결했다고 볼 수 있다”며 “이렇게 만들어진 그래핀 박막은 웨어러블 스마트 기기와 같이 유연하게 구부러지는 전자소자의 전극으로 응용할 수 있다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.

POSTECH, ‘까칠한’ 구조재 길들여 ‘친환경’ 철강소재 만든다

김낙준․김한수 교수팀, 금속간화합물 이용 초고강도․우수연성 저비중강(鋼) 개발 최근 자동차 업계는 ‘연비와의 전쟁’이라고 부를 정도로 연비 개선 기술에 대해 경쟁적으로 나서고 있다. 특히 ‘튼튼하면서도 가볍고, 변형 시에 쉽게 부러지지 않는’ 소재 개발에 대한 관심은 높지만, 이 모든 조건을 만족시키는 소재는 티타늄 외엔 거의 없는 것으로 알려져 왔다. 이런 티타늄에 도전할 새로운 철강 소재가 POSTECH (포항공과대학교) 연구팀에 의해 처음으로 개발됐다. 특히 친환경성과 경제성을 모두 갖춘 이 새로운 소재는 단단하지만 부러지기 쉬워 ‘구조재’로 실용화하기 어려웠던 금속간화합물을 이용한 것이어서 학계 뿐 아니라 산업계의 관심이 집중되고 있다. POSTECH 철강대학원 박사과정 김상헌, 김낙준․김한수 교수팀은 금속간화합물*1 FeAl을 이용, 강도와 연성이 뛰어나면서도 그 무게가 가벼운 저비중강(低比重鋼)을 개발했다. 이 연구성과는 세계적 학술지 네이처(Nature) 4일자(현지시간)를 통해 발표됐으며, 그 제조방법과 응용 가능성 때문에 학계의 비상한 관심을 끌고 있다. 특히 기초과학 연구성과가 주로 게재되는 네이처에 이 같은 금속 소재 관련 연구가 게재되는 것은 이례적인 일이며 국내 연구팀의 이 분야 연구가 네이처 본지에 소개된 것은 전례가 없는 것으로 전해졌다. 철강은 헨리 포드가 처음 자동차 소재로 도입한 이래 자동차 산업의 핵심이었다. 하지만, 고연비 등을 이유로 차체 경량화에 나선 자동차 제조사들은 점차 비중이 높은 철강 대신 알루미늄합금과 같은 경량합금의 사용을 늘려가기 시작했다. 이와 함께 철에 알루미늄을 합금화해 비중을 더 낮추면서도 강도를 높이기 위한 연구가 세계적으로 이뤄지고 있었다. 하지만, 비중을 줄이기 위해 철강 속에 알루미늄의 양을 늘리면, 금속간화합물이 생겨나 변형 시에 철강이 오히려 부러지기 쉬워진다는 문제점을 가지고 있었다. 김낙준․김한수 교수 연구팀은 이런 금속간화합물을 아예 부러지지 않을 정도의 작은 크기로 만들어 외부에서 힘을 가했을 때 합금 속 전위들의 움직임을 멈출 ‘스토퍼(stopper)’로서의 기능*1을 하도록 하는 ‘역발상’을 했다. 여기에는 철강의 일반적인 열처리 온도에 비해 상대적으로 저온에서 생겨나는 금속간화합물을, 니켈로 그 온도를 조절함으로써 금속간화합물의 크기를 수십~수백 나노미터(nm)로 줄이고 그 분포도 고르게 만들 수 있다는 아이디어도 포함됐다. 이렇게 만들어진 새로운 소재는 기존에 연구되어 온 다른 저비중강 소재에 비해 50% 이상 강도가 뛰어나며 가볍고 연성이 좋아 변형 시에 잘 부러지지 않는 성질까지 갖췄다. 특히 가벼우면서도 강도가 강한 것으로 잘 알려진 티타늄과 그 비강도*2는 비슷하면서도 2배 이상 잘 늘어나 변형이 손쉬우며, 무엇보다 티타늄에 비해 소재 비용이 1/10 이하라는 점에서 경제성도 갖췄다는 것이 이 소재의 강점으로 꼽힌다. 연구팀은 이 소재가 자동차용 강재로 사용될 경우 차체가 경량화 돼 연비가 높아지고 배기가스를 줄일 수 있을 뿐 아니라 우수한 강도로 승차자의 안전성까지 제고할 수 있는 새로운 ‘미래형 자동차’의 개발도 기대할 수 있다고 전망했다. 연구를 주도한 김한수 교수는 “이번에 개발된 소재는 티타늄에 도전할 수 있을 정도로 무게와 강도, 그리고 연성이 모두 우수한 새로운 소재로서 그 비용도 저렴하고 기존 철강제조설비를 활용할 수 있다는 강점을 가지고 있다”며 “이번에 고안된 합금설계 개념을 응용하면 조선, 토목 등 경량화가 필요한 구조재의 또 다른 합금 개발의 가능성도 열 수 있을 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 포스코의 ‘철강혁신프로그램’의 지원으로 지난 4년간 수행되었으며, 특히 단기적인 성과주의에 치우치지 않은 기업의 장기적인 지원과 대학의 도전주의를 기반으로 한 연구가 어우러져 맺은 결실로 평가될 수 있다. 현재 이 연구는 이미 2013년에 국제특허 출원을 마친 상태로, 대량생산 가능성 여부를 타진하기 위해 포스코를 통한 시험생산을 앞둔 상태다. [용어설명] 1. 금속간화합물 합금과 금속간화합물은 모두 두 개 이상의 구성 원소로 이루어져 있으나 이들 사이에는 커다란 차이가 있다. 합금은 구성 원소들이 불규칙하게 무작위로 섞여 있는 혼합물인 반면, 금속간화합물은 서로 다른 구성 원소들이 합금에서보다 강하게 결합이 되며, 특정한 규칙에 따라 배열되어 있다. 일반적으로 합금은 변형 시 쉽게 부러지지 않지만(연성), 금속간화합물은 쉽게 부러지는 성질(취성)을 갖는다. 2. 합금 속 전위들의 움직임 합금을 확대하면 원자들로 이루어진 층이 여러 겹 쌓인 형태로 되어 있다. 합금을 변형하게 되면 이러한 원자층들이 서로 미끄러지면서 형태가 변하는 전위가 생긴다. 연구팀은 이러한 전위들의 움직임을 막도록 합금 내부에 고르게 금속간화합물을 분포시켜 전위들이 미끄러져 금속간화합물을 만났을 때 움직임이 멈추도록 하는 원리로 연성과 강도를 고르게 높였다. 3. 비강도 비강도는 강도를 그 합금의 비중으로 나눈 수치로서, 어떤 합금이 얼마나 가벼우면서 튼튼한지를 나타내는 지표다.

POSTECH, 그래핀으로 ‘초단간극 탄도성 조셉슨접합’ 첫 실현

이후종․지승훈 교수팀, 다양한 그래핀-초전도 양자소자 활용 기대 온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 0이 되어 열이 생기지 않고도 전류가 흐르는 특성을 가지고 있어 전기․전자 분야에서 광범위하게 응용되는 초전도체. 신기하게도 초전도체 막 사이에 얇은 금속물을 끼워 넣으면 초전도체끼리 서로 닿지 않더라도 열이 생기지 않고 전류가 흐르게 된다. 이를 ‘조셉슨 접합’이라 하는데, POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 그래핀을 이용해 이론으로만 예측되었던 ‘초단간극(超短間隙) 탄도성 조셉슨접합’을 구현해냈다. POSTECH 물리학과 이길호 박사·이후종 교수, 박사과정 김솔씨·지승훈 교수 공동연구팀은 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초단간극 탄도성 조셉슨접합을 세계 최초로 실현, 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호를 통해 발표했다. 조셉슨 접합의 경우, 초전도성이 그대로 나타날 뿐만 아니라 양자 간섭현상도 일어나 미래형 첨단 컴퓨터로 불리는 ‘양자컴퓨터’, 양자간섭을 이용한 양자간섭소자, 초고주파발진소자 등의 연구에 폭넓게 활용되고 있다. 이 접합에서 가운데에 들어가는 금속이 아주 얇아지면 양자결맞음이 강한 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’이 생길 수 있을 것이 이론적으로 예측되어 왔다. 양자결맞음은 양자컴퓨터 개발의 가장 큰 난제 중 하나로서, 이를 오래 지속하는 것이 양자컴퓨터 연구의 관건이기도 하다. 그러나, 수십년간 다양한 연구에도 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’이 실제로 만들어지지 않았던 것은 초전도체 사이에 들어갈 고순도의 금속층을 원자단위로 얇게 만드는 것이 어렵기 때문이었다. 연구팀은 활용분야가 무궁무진해 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀을 그 해결방안으로 주목, 오랜 기간 연구를 진행했다. 탄소원자로 되어 있는 그래핀은 원자 하나의 두께를 가지고 있어 현존하는 가장 얇은 도체로도 알려져 있다. 연구팀이 그래핀을 초전도체 전극 사이에 끼워 넣은 결과 초단간극 탄도성 조셉슨접합으로 볼 수 있는 전류 한계치는 물론 예상되었던 양자특성이 나타나는 것을 확인했다. 연구를 주도한 POSTECH 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 원자단위의 소자구조 제어와 다양한 그래핀-초전도 양자소자 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터지원사업과 글로벌프론티어연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

이후종 교수·지승훈 교수, 그래핀으로 ‘초단간극 탄도성 조셉슨접합’ 첫 실현

온도를 극저온으로 내리면 전기저항이 0이 되어 열이 생기지 않고도 전류가 흐르는 특성을 가지고 있어 전기․전자 분야에서 광범위하게 응용되는 초전도체. 신기하게도 초전도체 막 사이에 얇은 금속물을 끼워 넣으면 초전도체끼리 서로 닿지 않더라도 열이 생기지 않고 전류가 흐르게 된다. 이를 ‘조셉슨 접합’이라 하는데, POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 그래핀을 이용해 이론으로만 예측되었던 ‘초단간극(超短間隙) 탄도성 조셉슨접합’을 구현해냈다. POSTECH 물리학과 이길호 박사·이후종 교수, 박사과정 김솔씨·지승훈 교수 공동연구팀은 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초단간극 탄도성 조셉슨접합을 세계 최초로 실현, 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호를 통해 발표했다. 조셉슨 접합의 경우, 초전도성이 그대로 나타날 뿐만 아니라 양자 간섭현상도 일어나 미래형 첨단 컴퓨터로 불리는 ‘양자컴퓨터’, 양자간섭을 이용한 양자간섭소자, 초고주파발진소자 등의 연구에 폭넓게 활용되고 있다. 이 접합에서 가운데에 들어가는 금속이 아주 얇아지면 양자결맞음이 강한 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’이 생길 수 있을 것이 이론적으로 예측되어 왔다. 양자결맞음은 양자컴퓨터 개발의 가장 큰 난제 중 하나로서, 이를 오래 지속하는 것이 양자컴퓨터 연구의 관건이기도 하다. 그러나, 수십년간 다양한 연구에도 ‘초단간극 탄도성 조셉슨 접합’이 실제로 만들어지지 않았던 것은 초전도체 사이에 들어갈 고순도의 금속층을 원자단위로 얇게 만드는 것이 어렵기 때문이었다. 연구팀은 활용분야가 무궁무진해 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀을 그 해결방안으로 주목, 오랜 기간 연구를 진행했다. 탄소원자로 되어 있는 그래핀은 원자 하나의 두께를 가지고 있어 현존하는 가장 얇은 도체로도 알려져 있다. 연구팀이 그래핀을 초전도체 전극 사이에 끼워 넣은 결과 초단간극 탄도성 조셉슨접합으로 볼 수 있는 전류 한계치는 물론 예상되었던 양자특성이 나타나는 것을 확인했다. 연구를 주도한 POSTECH 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 원자단위의 소자구조 제어와 다양한 그래핀-초전도 양자소자 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터지원사업과 글로벌프론티어연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH, ‘좀 더 빠르게’ ‘좀 더 선명하게’ ‘좀 더 작게’ 만든 광음향 현미경 기술 개발

창의IT 김철홍․기계 임근배 교수팀, 고속 광학 해상도 광음향 현미경 개발 미국과 캐나다를 중심으로 신생아의 뇌나 암, 관절염 진단장비로 개발이 이뤄지고 있는 광음향 현미경은 암 등을 진단해내기 위해서는 더욱 고감도와 빠른 영상 출력기술이 필요하다. POSTECH(포항공과대학교) 창의IT융합공학과 김철홍 교수․이창호박사, 기계공학과 박사과정 김진영씨․임근배 교수팀은 2축 방수 MEMS 스캐너를 이용, 기존의 광음향 기술보다 넓은 범위의 영상을 스캔할 수 있을 뿐 아니라 기존에 비해 50배 빠른 광음향 현미경 기술을 개발, Nature의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’를 통해 발표했다. 광음향은 번개가 치면 천둥소리가 들려오는 현상과 마찬가지로 물질이 빛을 흡수하면 광(光)에너지가 열로 변하는 단계에서 기체에 음파가 발생하는 현상이다. 현재 이 현상을 이용한 의료 영상 기술은 2016년 1억 2천만달러 규모로 성장할 것으로 전망되며 차세대 기술로 손꼽히고 있다. 짧은 펄스의 레이저로 생체 조직을 투사하면 광음향 신호가 나오고, 이 신호는 기존의 초음파기기를 통해 감지된다. 이 기술은 실제 사람의 눈이 감지할 수 있는 다양한 색깔을 볼 수 있을 정도로 고감도일 뿐 아니라, CT나 MRI처럼 조영제가 따로 필요 없어 더욱 각광을 받고 있다. 광해상도 광음향 현미경은 그런 점에서 주목을 모으고 있지만 암의 진단을 촬영하기 위해서는 고해상도, 고속의 영상출력기술이 필요한 상황이다. 연구팀은 방수가 가능한 2축 MEMS 스캐너를 제작, 이 스캐너가 물 속에서 작동하도록 해 초음파와 레이저 빛을 동시에 반사하도록 해 더욱 선명한 영상을 출력할 수 있도록 했다. 물론 기존 보다 훨씬 넓은 범위의 영상을 촬영할 수 있었을 뿐 아니라 속도도 크게 높였다는 것이 연구팀의 설명이다. 또, 현미경의 크기를 크게 줄여 향후 내시경이나 손잡이형 광학 영상 장치로도 활용이 가능하다. 연구팀은 이 연구성과를 이용, 살아있는 쥐 귓속 미세혈관을 촬영하는데 성공했으며, 전임상과 임상단계 연구로도 확대가 가능하다고 밝혔다. 이번 연구는 고해상도 영상과 신진대사 정보 제공을 통해 암 관련 연구로도 활용할 수 있으며, 다양한 조영제를 이용 생체 내 분자 영상학에 응용하고 수술실에서 실시간으로 생체 조직검사를 가능하게 하는 환자에게는 편리하며 결과는 정확한 의료 서비스를 제공하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 IT명품인재양성사업, 선도연구센터육성사업, 중견연구자 지원사업의 지원으로 수행되었다.

POSTECH, “‘두루마리’처럼 돌돌 말면 그래핀 생산 효율 ‘쑥’”

화공 조길원 교수팀, 두루마리처럼 말린 호일로 대면적 그래핀 박막 생산 효율 높이는 기술 개발 구리보다 높은 전기 전도성과 강철보다 강한 강도, 그리고 다이아몬드보다 높은 열전도성으로 ‘꿈의 소재’로 주목을 받아온 그래핀의 생산효율을 두루마리 말듯 돌돌 마는 방식으로 획기적으로 높일 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원 교수(58), 봉효진 연구원(30), 조새벽 박사(28) 연구팀이 재료분야 권위지 ‘나노스케일(Nanoscale)’지의 표지논문을 통해 발표한 이 연구성과는 특히 그래핀의 상용화에 직결되는 대면적 대량생산에 관련된 기술로 학계의 주목을 받고 있다. 그래핀에 대한 많은 연구가 경쟁적으로 진행되고 있음에도 불구하고 대면적 대량생산에는 원재료와 에너지 소모가 클 뿐 아니라 이를 위한 복잡한 기기설비는 물론 긴 생산 시간까지 필요했다. 연구팀은 촉매로 사용하는 금속 호일을 두루마리로 말아 그래핀 박막을 합성하는 간단한 방법을 고안했다. 통상 그래핀 박막은 원료를 촉매표면에 반응시켜 제조하는데, 이번 기술에서 제시된 구조를 이용해 그래핀 박막을 제조하면 두루마리의 틈새로 지나가는 원료가 촉매 표면과 반응하는 횟수를 늘릴 수 있어 소모량을 획기적으로 줄일 수 있다. 또 이 방법은 두루마리 형태로 촉매를 말아서 공간 효율을 크게 증가시켜 작은 규모의 반응기를 이용할 수 있으며, 이에 따라 복잡한 설비도 필요치 않고 제조시간이나 그에 따르는 에너지도 절감할 수 있다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “전도성 그래핀 박막의 생산효율을 극대화시킴으로써 상용화의 큰 걸림돌 중 하나를 해결했다고 볼 수 있다”며 “이렇게 만들어진 그래핀 박막은 웨어러블 스마트 기기와 같이 유연하게 구부러지는 전자소자의 전극으로 응용할 수 있다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.

POSTECH, ‘꿈의 물질인 그래핀’을 웨어러블 스마트기기 소자로

POSTECH, ‘꿈의 물질인 그래핀’을 웨어러블 스마트기기 소자로 ‘꿈의 물질’로 불리는 그래핀은 전자소자에 흔히 사용되는 구리보다 전기전도성이 높고 투명하며 유연성이 좋아 웨어러블 스마트기기 등의 차세대 플렉서블(flexible) 소자 구현을 위한 핵심 소재로 알려져 있다. 그래핀은 활발하게 연구되고 있음에도 불구하고 그래핀 내의 전기전도성과 전기적 특성을 효율적으로 제어하는 방법이 개발되지 않아 그 응용이나 상용화에 크게 어려움을 겪고 있다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원 교수(58), 김해나(28)‧김현호(29) 연구원과 한국전기연구원 한중탁 박사 연구팀은 그래핀의 전기적 특성을 산화 그래핀을 이용해 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 개발했다. 재료분야 세계적 권위지 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지 최신호 표지논문으로 게재돼 학계의 주목을 모으고 있는 이 연구는 나노미터(nm) 두께의 산화 그래핀조각을 그래핀 표면에 붙여 그래핀이 가진 전기적 특성을 조절하는 방법이다. 지금까지 그래핀의 전기적 특성을 조절하기 위해 여러 물질이 개발됐지만, 이들 물질은 불안정할 뿐만 아니라 투과도나 표면 거칠기 등 그래핀이 가진 우수한 특성을 오히려 저하시키는 단점이 있었다. 연구팀은 화학구조만 변화시킨 투명한 산화 그래핀을 붙여 그래핀의 전기적 특성을 제어시키는데 성공했다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구결과는 그래핀이 가지는 우수한 고유특성은 유지하면서 전도성은 안정적으로 크게 향상시킨 것”이라며 “웨어러블 스마트 기기 등의 플렉서블 전자소자에 응용할 수 있을 것”이라고 의의를 밝혔다. 이 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다.