Research

POSTECH, “유기태양전지는 ’곁가지‘가 필수“

조길원 교수팀, 고분자 곁가지효과 규명해 효율 향상 길 열어 창문이나 자동차 유리에 붙일 수 있는 손쉬운 태양전지로도 알려진 ‘유기태양전지’는 플라스틱이나 유리에 태양광을 모으기 위한 광활성고분자를 기판에 인쇄해 만든다. 아직 상용화 수준에 이르지 못한 유기태양전지의 효율을 높이기 위해 광활성고분자들에 대해 많은 연구가 진행되는 가운데, ‘곁가지’를 이용해 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원교수•박사과정 이재원, 김민씨 팀은 유기태양전지용 광활성고분자의 ‘곁가지효과’를 규명하고, 이를 바탕으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 재료분야 권위지 ‘어드밴스드에너지머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 최신호 표지논문으로 발표된 이 연구성과는 특히 유기태양전지용 광활성고분자에 반드시 있는 곁가지의 새로운 효과를 규명해 학계의 주목을 받았다. 일반적으로 유기태양전지용 빛 흡수층에 들어가는 광활성고분자에는 용해도를 높이기 위한 화학구조의 곁가지가 붙어있다. 연구팀은 곁가지의 활용을 높이기 위해 여러 구조를 응용했으며, 특히 빛에 반응하는 방향족 고리분자를 도입한 결과, 용해도 뿐만 아니라, 빛을 전기로 바꾸는 ‘광전기적 특성’을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 이 새로운 곁가지를 이용하면 용해도는 3배 이상 증가될 뿐 아니라, 자외선-가시광선 영역에서의 빛 흡수를 크게 향상시켜, 기존 태양전지에 비해 80% 이상 효율을 증가시킬 수 있다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구성과는 유기태양전지용 광활성고분자의 곁가지효과를 분자구조 단위에서 규명하고 우수한 광전효율을 얻기 위한 화학구조 모델을 제시한 것”이라며 “이 연구를 바탕으로 현재보다 더 높은 효율의 광활성물질 개발은 물론 고효율 유기태양전지의 상용화에 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 소프트일렉트로닉스연구단의 지원으로 수행됐다.

입을 수 있는 전자기기 제작을 위한 핵심 기술 개발

유기반도체를 이용한 유연 전자소자 제작의 새로운 방법 제시 국내 연구진이 기존보다 전하 이동도가 더욱 향상된, 나노 다공성 구조를 지닌 “고성능 유기 박막 트랜지스터 개발”에 성공하였다. 이번 연구는 웨어러블(wearable) 전자기기 구현의 핵심인 유기반도체로 구성된 전자소자의 성능을 크게 향상시킬 뿐 아니라, 나노 다공성 구조를 지닌 유기반도체 박막 제조가 가능하여 플렉서블(flexible) 디스플레이·전자 피부·고성능 센서 등 차세대 유연 전자소자 제작에 크게 활용될 것으로 기대된다 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단”의 지원으로 포스텍 화학공학과의 조길원 교수, 오준학 교수, 강보석 연구원, 장문정 연구원, 정윤영 박사 연구팀이 진행하였으며, 연구결과는 세계 최고 권위의 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)지에 8월 26일(화)에 게재되었다. (논문명: Enhancing 2D growth of organic semiconductor thin films with macroporous structures via a small-molecule heterointerface.) 유기반도체는 저온 공정이 가능하고, 유기반도체로 박막 트랜지스터를 제작할 경우, 구부리거나 구겼을 때에도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되어, 유연한 전자기기의 핵심적인 소재로 전 세계적으로 많은 관심을 받아왔다. 하지만 기존의 유기반도체는 전하의 이동도가 낮아서 유기반도체를 활용한 전자소자의 동작속도나 전류 공급에 한계가 있으며, 이에 따라 유기반도체를 활용한 고성능 트랜지스터 제작이나 전자회로 구현에 많은 제약이 따른다. 연구진은 기존 유기반도체 소재로 널리 사용되어온 물질(펜타센)을 새로 고안한 유기박막 이종접합(서로 다른 유기물 간의 접합)에 적용하여 기존의 전하 이동도보다 약 4배 향상된 결과를 얻었다. 이러한 전하 이동도는 고성능 유기발광 다이오드(OLED)를 구동시킬 수 있는 수준이다. 또한 연구진은 유기반도체 층에 수백 나노미터 크기의 구멍이 뚫려있는 다공성 박막구조를 제조하였다. 특히, 다공성 구조를 지님에도 불구하고 결정성(고분자화합물 등에서 결정을 이루는 부분의 비율)이 매우 높은 유기반도체 박막을 제조하였다. 이 다공성 구조를 활용하여 극소량의 물질도 빠르게 검출 가능한 고성능 화학센서도 함께 구현하였다. 연구팀은 “이 기술은 기존에 널리 사용되어 온 유기반도체 소재에 적용 가능하며, 유기반도체 박막층 구조 변화와 유기 트랜지스터 성능 향상을 함께 구현 할 수 있는 새로운 유연 전자기기 제조 방법을 제시한 것” 이라고 연구 의의를 밝혔다. 1. 연구배경 유기반도체는 100 oC 미만의 낮은 공정온도에서 제작이 가능한 장점을 가지고 있어, 얇은 플라스틱 기판위에 만들어지는 휘어지는 웨어러블 전자기기 (wearable electronics)에 사용되는 기본 물질로 많은 관심을 받아왔다. 유기반도체로 박막 트랜지스터를 만들 때, 유기 박막의 두께는 100 nm 미만에 불과하기 때문에 구부리거나 극단적으로 구겼을 때도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되는 장점을 갖는다. 하지만 유기반도체는 낮은 전하 이동도와 안정성 등의 단점이 있어서 지금까지는 유기발광다이오드 (OLED)의 발광층 물질로만 제한적으로 상용화가 되어왔다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위해서 높은 전하 이동도를 갖는 새로운 유기반도체 물질이 국내외에서 연구되고 있는 추세이다. 본 연구진은 기존에 널리 사용되는 유기반도체 물질을 그대로 사용하면서, 반도체 층을 형성하는 방법을 새롭게 개발하여 유기 트랜지스터 제작의 새로운 방법을 제시하고자 본 연구를 시작하였다. 이번 연구에서 사용된 펜타센 (pentacene) 반도체는 가장 널리 사용되는 대표적인 유기반도체 물질로, 상용화된 유기반도체 중에서 높은 전기적 특성과 안정성을 보이고 있다. 2. 연구내용 본 연구팀은 유기박막 이종접합을 고안하여 고성능 트랜지스터 박막을 개발하였다. 반도체 공학에서 이종접합이란 서로 다른 물질이 맞닿아 있는 부분으로서, 서로 조합이 잘 맞지 않는 물질이 붙어있을 경우에는, 좋은 계면(interface)이 이루어지지 않고 결함이 많은 상태가 되어 전자소자의 성능이 크게 떨어지게 된다. 이번 연구에서는 펜타센과 좋은 계면을 이루는 TSB3라는 유기 절연체가 먼저 고진공에서 증착이 되고, 진공을 계속 유지한 채 뒤이어 펜타센이 증착되는 방법을 이용하여 펜타센/TSB3의 유기반도체/절연체 이종접합을 완성하였다. 낮은 유리전이온도를 지니는 TSB3를 활용하여 고무 상태의 부드러운 TSB3 층 위에 연속공정을 통하여 펜타센을 증착하여 나노구조가 제어된 유기반도체 박막을 제조할 수 있었다. 펜타센/TSB3의 이종접합은 트랜지스터의 채널부분이 형성되는 펜타센 층에 두 가지 영향을 미친다. 첫 번째는, 펜타센의 반도체 층의 결정성이 매우 향상된다는 점이다. 일반적으로 반도체/절연체 계면은 박막 트랜지스터의 성능에 아주 큰 영향을 주는데, 특히 절연체 박막의 표면특성은 반도체 층의 성장과 표면구조를 제어하는데 결정적인 역할을 한다. 아래 그림에서 보이는 것처럼, TSB3 위에 증착된 펜타센은 결정입계 (grain boundary)가 거의 보이지 않고 단결정 층과 비슷하게 매우 향상된 결정성을 보인다. 이것은 상대적으로 부드러운 표면을 갖고 있는 TSB3 층이 증착되는 펜타센 분자들이 좋은 결정을 이루도록 도와주기 때문이다. 유기반도체 트랜지스터의 성능을 가장 많이 제한하는 것이 각 결정사이의 결정입계임을 고려해보면, 이것을 줄였다는 것은 트랜지스터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것을 의미한다.트랜지스터 성능을 비교해보면, TSB3 위에 증착된 펜타센이 사용된 경우 그렇지 않은 경우에 비해서 약 4배의 더 높은 전하 이동도를 갖게 된다. TSB3가 펜타센에 미치는 두 번째 영향은 다공성 구조의 펜타센 층을 만든다는 것이다. 이러한 다공성 반도체 층을 이용하면 감지하고자 하는 물질이 트랜지스터의 채널 영역까지 효과적으로 침투할 수 있게 되어, 미세한 양의 유무를 판별할 수 있는 고성능 화학센서에 응용할 수 있다. 위 그림에서 보이는 것처럼, TSB3 위에 증착된 펜타센은 이전의 유기 반도체 박막에서는 발견하기 힘든 다공성 특성과 높은 결정화도를 동시에 보인다. 이를 이용하여 본 연구진은 높은 감도와 빠른 응답속도를 갖는 화학센서를 구현하였다. 현재 연구팀은 유기 트랜지스터를 이용한 고성능 웨어러블 전자기기의 상용화를 앞당기기 위하여 유기 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성을 향상시키기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다. 또한 연구된 고성능 트랜지스터를 이용하여 다양한 유연 전자소자 분야에 적용하려는 시도를 하고 있다. 3. 기대효과 유기 트랜지스터는 많은 연구가 이루어졌음에도 낮은 전하 이동도로 인해서 상용화에 제한이 있어왔다. 본 연구진은 이번 연구에서 유기박막 이종접합 기술을 고안하여 유기반도체 층의 결정성을 크게 향상시키고 구조를 제어하는 새로운 방법을 제시하였다. 이번 연구는 유기반도체를 이용한 전자소자 개발에 새로운 전환점이 될 수 있으며, 고성능 유기 트랜지스터의 상용화에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 디스플레이 분야에서 큰 화두로 떠오른 휘어지는 디스플레이를 구현할 수 있는 대표적 기술인 유기발광다이오드 소자에는 전류를 제어하고 공급하는 회로부분에 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)이나 금속 산화물이 사용된다. 본 연구에서 제시된 방법을 기반으로 유기 트랜지스터의 수준을 향상시켜 고해상도 유기발광다이오드를 안정되게 동작시킬 수 있는 회로를 구현한다면, 제조 공정상 복잡성을 크게 줄일 수 있고, 디스플레이 산업의 경쟁력 향상에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구결과를 바탕으로 유기반도체를 이용한 안정적인 고성능 회로를 구현하면, 자유롭게 휘어지는 플렉서블 디스플레이, 전자 피부, 웨어러블 전자기기, 휴대용 센서 등의 개발을 가능하게 할 것이다. 1. 박막 트랜지스터 (thin-film transistor) 얇은 반도체 층에 흐르는 전류를 그것과 수직인 전계를 가해서 제어하는 전자소자 2. 결정입계 (grain boundary) 다결정 재료에서 결정과 다른 결정의 경계 3. 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon) 단결정 실리콘 영역의 집합체 4. 웨어러블 전자기기 (Wearable Electronics) 인체 착용이 가능한 전자기기 5. 채널 영역 (Channel Region) 트랜지스터에서 전류 흐름을 담당하는 전하가 생성되는 부분.

POSTECH, “재료 가리지 않고” 플렉시블 페로브스카이트 태양전지 효율 높이는 기술 개발

이태우 교수팀, 어드밴스드 머터리얼스 통해 발표 화석연료를 대체할 것으로 기대를 모이는 태양전지는 끊임없이 많은 연구 성과가 나올 정도로 국가 뿐 아니라 학계가 주목하고 있는 연구분야다. 하지만 실리콘을 이용하는 태양전지는 효율은 20% 정도지만, 제조공정이 까다로워 가격이 비싸고, 보다 저렴한 소재를 이용하는 태양전지는 아직까지 그 효율이 상용화하기에는 효율이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해결할 새로운 연구분야로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특이한 구조의 금속물 ‘페로브스카이트(perovskite)’ 결정구조의 물질 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트’를 이용한 하이브리드 태양전지가 비용은 낮추면서 대량 생산이 가능한 기술로 주목을 모으고 있다. 이 태양전지는 지금까지 개발되고 있는 태양전지들에 비해 광전변환효율이 비약적으로 높을 것으로 기대되며 과학분야 권위지 중 하나인 사이언스(Science)를 통해서도 2013년 과학계 10대 혁신 기술로 선정되기도 했다. POSTECH 신소재공학과 이태우 교수․박사과정 임경근씨, 울산과기대 김진영교수팀은 새로운 고분자 보조층을 이용해 높은 효율을 낼 수 있는 휘어지는(flexible) 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지를 개발해 재료공학 권위지 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지를 통해 발표했다. 이 기술은 고온공정이 필요없는 유연한 고분자 재료로 페로브스카이트 맞춤형 고분자 보조층을 개발, 기존의 방식에 비해 페로브스카이트 태양전지의 효율을 증가시켰을 뿐 아니라 휘어지거나 접히는 태양전지 분야의 상용화도 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모은다. 기존의 방법은 금속산화물을 보조층으로 사용해 고온을 이용한 공정을 필요로 할 뿐 아니라, 취성(脆性)*1으로 인해 휘어지는 소자를 제작할 수 없다는 단점을 가지고 있어 이를 개선하기 위한 방법으로 고분자 보조층을 이용하는 방법도 제시되었지만, 이는 광전변환효율이 낮다는 단점을 가지고 있었다. 연구팀은 자가조립이 되는 전도성고분자 조성물을 이용해 자가조성 정공추출층(Seld-organized hole extraction layer, SOHEL)*2을 페로브스카이트 태양전지의 활성층에 적용했다. 특히 이 정공추출층은 박막 표면의 고분자 조성을 스스로 조절할 수 있는 특성을 가지고 있어 일함수(work function)*3를 페로브스카이트의 재료에 맞게 맞춤형으로 조절할 수 있어 태양전지가 빛을 흡수한 뒤 생산하는 전력의 ‘전위손실’이 없어져 효율을 극대화할 수 있다. 특히 이번에 개발된 자가조성 정공추출층은 페로브스카이트 재료의 종류에 상관없이 적용할 수 있기 때문에 향후 광범위하게 연구될 여러 재료들에도 적용가능하다는 장점을 가지고 있다. 연구팀은 이 기술을 이용, 기존 8.0%에 그쳤던 효율을 11.7%로 끌어올리는데 성공했으며 휘어지는 플라스틱 기판에도 적용할 수 있다는 사실을 보고했다. 이번 연구성과는 “휴대폰이나 태블릿 등 휴대용 전자기기의 전원으로 태양전지를 활용할 수 있는 가능성도 열었을 뿐 아니라, 경쟁적으로 연구되고 있는 페로브스카이트 태양전지 분야에서 우리나라가 세계 학계를 주도할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구팀은 밝혔다. 1. 취성 재료가 외력에 의해 영구변형을 하지 않고 파괴되거나 극히 일부만 영구 변형을 하고 파괴되는 성질을 말한다. 인성(靭性)과는 반대되는 성질이다. 2. 정공추출층 반도체 가전자대(價電子帶)의 빈자리로 양(陽) 전하를 가진, 전자처럼 움직이는 정공이 나오는 것을 의미한다. 유기태양전지의 구동원리에서는 정공이 광활성층으로부터 양극 쪽으로 빠져 나올 수 있도록 한다. 3. 일함수(Work Function) 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지다. 열전자 방출량의 온도변화를 측정하거나 외부에서 빛을 비춰주어 광전자가 나오는 것을 확인하는 방법 등으로 구할 수 있다.

POSTECH 이남기교수팀, 단백질 발현 노이즈 현상에 RNA 중합효소 농도 변화가 미치는 영향 밝혀내

유전자 속 “잡음(노이즈)” 비밀, RNA는 알고 있다. 유전자가 동일한 쌍둥이에게는 유전질환이 똑같이 나타날까? 정답은 “아니오”다. 많은 사람들이 생활습관이나 환경에 따라 질환은 다르게 나타날 수 있다고 생각하지만, 대장균이나 환경이 동일한 곳에서 자라는 동물에서도 유전질환은 다르게 나타날 수 있다. 이처럼, 유전자가 완전히 같더라도 결과물이 저마다 다르게 나타나는 현상을 ‘잡음(노이즈)’라고 부른다. 이 현상은 화학반응에서도 전혀 통제할 수 없는 ‘무작위성’으로, 물리학 분야에서나 있음직한 현상이다. 이러한 현상에 RNA중합효소(RNAP)*1 농도변화가 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 국내 연구진을 통해 발표됐다. POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 이남기 교수․통합과정 양소라씨, 중앙대 화학과 성재영 교수팀은 세계적 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 1일자를 통해 RNA중합효소 농도 변화에 따라 세포 환경이나 단백질의 농도변화로 인해 생겨나는 ‘외재적’ 노이즈가 증가하는 것을 최초로 규명해냈다. 이 연구성과는 박테리아가 항생제에 내성을 가지게 되는 경로를 규명하는 한편, 세포 속 ‘무작위성’을 인위적으로 조절하는데 응용할 수 있다. 모든 생명 현상은 흔히 확률에 의해 결정되는 화학반응이기 때문에, 100% 동일한 유전자를 가진 세포도 세포마다 생성할 수 있는 단백질 양은 매우 다르다. 이러한 현상을 잡음, 혹은 노이즈로 부르며, 특히 세포의 적응이나 발달, 사멸을 조절하는 중요한 현상으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 노이즈현상이 세포 내에서 어떻게 조절되고 전달되는지는 중요한 문제로 남아 있는 상태다. 연구팀은 대장균의 RNA중합효소와 동일한 역할을 할 수 있는 T7 RNA 중합효소를 이용, RNA중합효소의 농도를 직접 조절하면서 단백질 발현에 어떤 영향을 미치는지 관찰했다. 그 결과, 화학반응의 확률성에 의해 발생하는 ‘내재적’ 노이즈에는 아무 영향을 미치지 않지만, 환경 변화에 따른 ‘외재적’ 노이즈는 농도변화에 따라 선형적으로 증가하는 것을 밝혀냈다. 특히 중합효소의 농도차이가 최종 발현된 단백질의 노이즈에 미치는 영향은 평균농도와는 반비례한다는 사실도 알아냈다. 연구팀은 또 이 결과를 이용해 RNA 중합효소농도 변화에 의해 만들어진 노이즈는 세포 내에 RNA 중합효소와 결합하지 않은 프로모터*2 DNA의 비율로 결정된다는 모델을 제시하기도 했다. 이 연구성과는 박테리아가 갖게 되는 항생제 내성에 대한 연구 뿐 아니라 줄기세포의 분화나 암세포의 발달 등 세포가 어떤 특정 상태로 변하는 과정, 그리고 아직까지 풀리지 않은 복잡한 생명 현상을 이해하는 데도 기여할 것으로 기대된다. 한편 이번 연구성과는 미래창조과학부․정보통신산업진흥원의 IT명품인재양성사업과 미래창조과학부․한국연구재단의 일반연구지지원사업의 지원으로 수행되었다. 1. RNA중합효소(RNA polymerase) DNA를 주형으로 RNA를 합성하는 효소이며, 이 과정을 전사라고 부른다. 2. 프로모터 프로모터는 전사조절인자들이 결합하는 모든 DNA염기서열부위를 지칭한다. 전사과정에서 RNA중합효소를 DNA로 끌고 오는 일에 관여한다.

'입을 수 있는 전자기기’제작을 위한 핵심 기술 개발

유기반도체를 이용한 유연 전자소자 제작의 새로운 방법 제시 국내 연구진이 기존보다 전하 이동도가 더욱 향상된, 나노 다공성 구조를 지닌 “고성능 유기 박막 트랜지스터 개발”에 성공하였다. 이번 연구는 웨어러블(wearable) 전자기기 구현의 핵심인 유기반도체로 구성된 전자소자의 성능을 크게 향상시킬 뿐 아니라, 나노 다공성 구조를 지닌 유기반도체 박막 제조가 가능하여 플렉서블(flexible) 디스플레이·전자 피부·고성능 센서 등 차세대 유연 전자소자 제작에 크게 활용될 것으로 기대된다 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단”의 지원으로 포스텍 화학공학과의 조길원 교수, 오준학 교수, 강보석 연구원, 장문정 연구원, 정윤영 박사 연구팀이 진행하였으며, 연구결과는 세계 최고 권위의 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)지에 8월 26일(화)에 게재되었다. (논문명: Enhancing 2D growth of organic semiconductor thin films with macroporous structures via a small-molecule heterointerface.) 유기반도체는 저온 공정이 가능하고, 유기반도체로 박막 트랜지스터를 제작할 경우, 구부리거나 구겼을 때에도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되어, 유연한 전자기기의 핵심적인 소재로 전 세계적으로 많은 관심을 받아왔다. 하지만 기존의 유기반도체는 전하의 이동도가 낮아서 유기반도체를 활용한 전자소자의 동작속도나 전류 공급에 한계가 있으며, 이에 따라 유기반도체를 활용한 고성능 트랜지스터 제작이나 전자회로 구현에 많은 제약이 따른다. 연구진은 기존 유기반도체 소재로 널리 사용되어온 물질(펜타센)을 새로 고안한 유기박막 이종접합(서로 다른 유기물 간의 접합)에 적용하여 기존의 전하 이동도보다 약 4배 향상된 결과를 얻었다. 이러한 전하 이동도는 고성능 유기발광 다이오드(OLED)를 구동시킬 수 있는 수준이다. 또한 연구진은 유기반도체 층에 수백 나노미터 크기의 구멍이 뚫려있는 다공성 박막구조를 제조하였다. 특히, 다공성 구조를 지님에도 불구하고 결정성(고분자화합물 등에서 결정을 이루는 부분의 비율)이 매우 높은 유기반도체 박막을 제조하였다. 이 다공성 구조를 활용하여 극소량의 물질도 빠르게 검출 가능한 고성능 화학센서도 함께 구현하였다. 연구팀은 “이 기술은 기존에 널리 사용되어 온 유기반도체 소재에 적용 가능하며, 유기반도체 박막층 구조 변화와 유기 트랜지스터 성능 향상을 함께 구현 할 수 있는 새로운 유연 전자기기 제조 방법을 제시한 것” 이라고 연구 의의를 밝혔다. 1. 연구배경 유기반도체는 100 oC 미만의 낮은 공정온도에서 제작이 가능한 장점을 가지고 있어, 얇은 플라스틱 기판위에 만들어지는 휘어지는 웨어러블 전자기기 (wearable electronics)에 사용되는 기본 물질로 많은 관심을 받아왔다. 유기반도체로 박막 트랜지스터를 만들 때, 유기 박막의 두께는 100 nm 미만에 불과하기 때문에 구부리거나 극단적으로 구겼을 때도 트랜지스터의 특성이 그대로 유지되는 장점을 갖는다. 하지만 유기반도체는 낮은 전하 이동도와 안정성 등의 단점이 있어서 지금까지는 유기발광다이오드 (OLED)의 발광층 물질로만 제한적으로 상용화가 되어왔다. 최근 이러한 한계를 극복하기 위해서 높은 전하 이동도를 갖는 새로운 유기반도체 물질이 국내외에서 연구되고 있는 추세이다. 본 연구진은 기존에 널리 사용되는 유기반도체 물질을 그대로 사용하면서, 반도체 층을 형성하는 방법을 새롭게 개발하여 유기 트랜지스터 제작의 새로운 방법을 제시하고자 본 연구를 시작하였다. 이번 연구에서 사용된 펜타센 (pentacene) 반도체는 가장 널리 사용되는 대표적인 유기반도체 물질로, 상용화된 유기반도체 중에서 높은 전기적 특성과 안정성을 보이고 있다. 2. 연구내용 본 연구팀은 유기박막 이종접합을 고안하여 고성능 트랜지스터 박막을 개발하였다. 반도체 공학에서 이종접합이란 서로 다른 물질이 맞닿아 있는 부분으로서, 서로 조합이 잘 맞지 않는 물질이 붙어있을 경우에는, 좋은 계면(interface)이 이루어지지 않고 결함이 많은 상태가 되어 전자소자의 성능이 크게 떨어지게 된다. 이번 연구에서는 펜타센과 좋은 계면을 이루는 TSB3라는 유기 절연체가 먼저 고진공에서 증착이 되고, 진공을 계속 유지한 채 뒤이어 펜타센이 증착되는 방법을 이용하여 펜타센/TSB3의 유기반도체/절연체 이종접합을 완성하였다. 낮은 유리전이온도를 지니는 TSB3를 활용하여 고무 상태의 부드러운 TSB3 층 위에 연속공정을 통하여 펜타센을 증착하여 나노구조가 제어된 유기반도체 박막을 제조할 수 있었다. 펜타센/TSB3의 이종접합은 트랜지스터의 채널부분이 형성되는 펜타센 층에 두 가지 영향을 미친다. 첫 번째는, 펜타센의 반도체 층의 결정성이 매우 향상된다는 점이다. 일반적으로 반도체/절연체 계면은 박막 트랜지스터의 성능에 아주 큰 영향을 주는데, 특히 절연체 박막의 표면특성은 반도체 층의 성장과 표면구조를 제어하는데 결정적인 역할을 한다. 아래 그림에서 보이는 것처럼, TSB3 위에 증착된 펜타센은 결정입계 (grain boundary)가 거의 보이지 않고 단결정 층과 비슷하게 매우 향상된 결정성을 보인다. 이것은 상대적으로 부드러운 표면을 갖고 있는TSB3 층이 증착되는 펜타센 분자들이 좋은 결정을 이루도록 도와주기 때문이다. 유기반도체 트랜지스터의 성능을 가장 많이 제한하는 것이 각 결정사이의 결정입계임을 고려해보면, 이것을 줄였다는 것은 트랜지스터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것을 의미한다. 트랜지스터 성능을 비교해보면, TSB3 위에 증착된 펜타센이 사용된 경우 그렇지 않은 경우에 비해서 약 4배의 더 높은 전하 이동도를 갖게 된다. TSB3가 펜타센에 미치는 두 번째 영향은 다공성 구조의 펜타센 층을 만든다는 것이다. 이러한 다공성 반도체 층을 이용하면 감지하고자 하는 물질이 트랜지스터의 채널 영역까지 효과적으로 침투할 수 있게 되어, 미세한 양의 유무를 판별할 수 있는 고성능 화학센서에 응용할 수 있다. 위 그림에서 보이는 것처럼, TSB3 위에 증착된 펜타센은 이전의 유기 반도체 박막에서는 발견하기 힘든 다공성 특성과 높은 결정화도를 동시에 보인다. 이를 이용하여 본 연구진은 높은 감도와 빠른 응답속도를 갖는 화학센서를 구현하였다. 현재 연구팀은 유기 트랜지스터를 이용한 고성능 웨어러블 전자기기의 상용화를 앞당기기 위하여 유기 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성을 향상시키기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다. 또한 연구된 고성능 트랜지스터를 이용하여 다양한 유연 전자소자 분야에 적용하려는 시도를 하고 있다. 3. 기대효과 유기 트랜지스터는 많은 연구가 이루어졌음에도 낮은 전하 이동도로 인해서 상용화에 제한이 있어왔다. 본 연구진은 이번 연구에서 유기박막 이종접합 기술을 고안하여 유기반도체 층의 결정성을 크게 향상시키고 구조를 제어하는 새로운 방법을 제시하였다. 이번 연구는 유기반도체를 이용한 전자소자 개발에 새로운 전환점이 될 수 있으며, 고성능 유기 트랜지스터의 상용화에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 디스플레이 분야에서 큰 화두로 떠오른 휘어지는 디스플레이를 구현할 수 있는 대표적 기술인 유기발광다이오드 소자에는 전류를 제어하고 공급하는 회로부분에 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)이나 금속 산화물이 사용된다. 본 연구에서 제시된 방법을 기반으로 유기 트랜지스터의 수준을 향상시켜 고해상도 유기발광다이오드를 안정되게 동작시킬 수 있는 회로를 구현한다면, 제조 공정상 복잡성을 크게 줄일 수 있고, 디스플레이 산업의 경쟁력 향상에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구결과를 바탕으로 유기반도체를 이용한 안정적인 고성능 회로를 구현하면, 자유롭게 휘어지는 플렉서블 디스플레이, 전자 피부, 웨어러블 전자기기, 휴대용 센서 등의 개발을 가능하게 할 것이다. 1. 박막 트랜지스터 (thin-film transistor) 얇은 반도체 층에 흐르는 전류를 그것과 수직인 전계를 가해서 제어하는 전자소자 2. 결정입계 (grain boundary) 다결정 재료에서 결정과 다른 결정의 경계 3. 다결정 실리콘 (polycrystalline silicon) 단결정 실리콘 영역의 집합체 4. 웨어러블 전자기기 (Wearable Electronics) 인체 착용이 가능한 전자기기 5. 채널 영역 (Channel Region) 트랜지스터에서 전류 흐름을 담당하는 전하가 생성되는 부분.

POSTECH,“유기태양전지는 ’곁가지‘가 필수“

조길원 교수팀, 고분자 곁가지효과 규명해 효율 향상 길 열어 창문이나 자동차 유리에 붙일 수 있는 손쉬운 태양전지로도 알려진 ‘유기태양전지’는 플라스틱이나 유리에 태양광을 모으기 위한 광활성고분자를 기판에 인쇄해 만든다. 아직 상용화 수준에 이르지 못한 유기태양전지의 효율을 높이기 위해 광활성고분자들에 대해 많은 연구가 진행되는 가운데, ‘곁가지’를 이용해 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원교수•박사과정 이재원, 김민씨 팀은 유기태양전지용 광활성고분자의 ‘곁가지효과’를 규명하고, 이를 바탕으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 재료분야 권위지 ‘어드밴스드에너지머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 최신호 표지논문으로 발표된 이 연구성과는 특히 유기태양전지용 광활성고분자에 반드시 있는 곁가지의 새로운 효과를 규명해 학계의 주목을 받았다. 일반적으로 유기태양전지용 빛 흡수층에 들어가는 광활성고분자에는 용해도를 높이기 위한 화학구조의 곁가지가 붙어있다. 연구팀은 곁가지의 활용을 높이기 위해 여러 구조를 응용했으며, 특히 빛에 반응하는 방향족 고리분자를 도입한 결과, 용해도 뿐만 아니라, 빛을 전기로 바꾸는 ‘광전기적 특성’을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 이 새로운 곁가지를 이용하면 용해도는 3배 이상 증가될 뿐 아니라, 자외선-가시광선 영역에서의 빛 흡수를 크게 향상시켜, 기존 태양전지에 비해 80% 이상 효율을 증가시킬 수 있다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구성과는 유기태양전지용 광활성고분자의 곁가지효과를 분자구조 단위에서 규명하고 우수한 광전효율을 얻기 위한 화학구조 모델을 제시한 것”이라며 “이 연구를 바탕으로 현재보다 더 높은 효율의 광활성물질 개발은 물론 고효율 유기태양전지의 상용화에 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 소프트일렉트로닉스연구단의 지원으로 수행됐다.

POSTECH, ‘마르코프 과정’ 넘은 결어긋남 현상 극복 방법 제시

김윤호 교수팀, 마르코프 결어긋남 현상 극복 새 방법 제시 ‘미래는 현재의 한 시점에만 관계하고 있으며, 그보다 과거 상태에는 관계하지 않는다’는 ‘마르코프 과정(Markov process)’. 양자계의 여러 이론들을 우리 삶에 활용할 수 있기 위해서 넘어야 할 고비이기도 한데, 이러한 마르코프과정을 억제할 수 있는 방법이 POSTECH(포항공과대학교)물리학과 통합과정 이종찬․김윤호 교수팀을 통해 발표됐다. 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호를 통해 공개된 이 연구성과는 마르코프 과정에 의한 결어긋남*1현상을 사후에 효과적으로 억제하는 방법으로, 결어긋남이 일어나기 이전에 억제해야 한다는 기존의 성과에서 한 단계 더 나아간 것이다. 양자통신, 양자컴퓨터 등의 양자정보기술 구현을 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보호돼야 한다. 하지만, 실제로는 양자계와 주변의 상호작용에 의해 결어긋남 현상이 일어나고, 이는 곧 양자정보기술 구현의 핵심요소인 양자 얽힘*2도 잃도록 해 양자정보기술 구현의 걸림돌로 알려져 있다. 김 교수팀은 이미 2011년과 2012년의 연구를 통해 약한 측정*3과 되돌림 측정*4을 이용, 이 같은 결어긋남 현상을 억제할 수 있는 방법을 제시한 바 있다. 하지만, 이 방법은 결어긋남 현상이 일어나기 전에 미리 영향을 덜받도록 변화시킨 다음 결어긋남 현상이 일어나면 그제야 초기상태로 회복시키는 것이었다. 연구팀은 양자측정을 결어긋남 현상이 일어난 이후로 지연시켜 결어긋남 현상으로부터 양자 얽힘을 효율적으로 보호하는 방법을 밝혀냈으며, 이는 마르코프 과정의 특성을 사후에 효과적으로 억제할 수 있는 방법이어서 더욱 눈길을 모았다. 사후에 결어긋남을 억제할 수 있기 때문에 기존에 결어긋남에 대한 정보가 없는 경우에도 그 크기를 가늠하고 효과적으로 이를 억제할 수 있기 때문에 특히 양자 연산이나 양자 통신에 이용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “양자통신 및 양자컴퓨터와 같은 양자정보기술은 아직 초기단계에 불과하지만 현대 정보사회의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성을 가지고 있다”며 “이 연구를 통해 결어긋남 현상을 보다 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 기대한다”고 의의를 밝혔다. 1. 결어긋남 결어긋남 현상이란 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결어긋남 현상이 일어난 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없다. 2. 양자얽힘 양자 얽힘이란 여러 양자계 사이에 존재하는 비고전적인 상관관계이며, 양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 구현에 반드시 필요하다. 하지만 양자계가 주변환경과 필연적으로 상호작용을 하기 때문에 양자 얽힘을 유지하는 것은 양자 정보 기술의 구현을 위한 어려운 과제이다. 3. 약한 측정 흔히 알려진 양자 측정인 투영 측정(projection measurement) 또는 von Neumann 측정은 양자 상태를 측정 연산자의 하나의 고유 상태(eigenstate)로 투영(project)시키는데 반해 약한 양자 측정은 이보다 더 일반적인 측정을 의미한다. 측정 이전의 양자 상태를 회복하는 것이 불가능한 투영 측정(projection measurement)과는 달리 약한 양자 측정과정을 거친 양자 상태는 원래의 양자 상태로 되돌리는 것이 가능하다. 4. 되돌림 측정 되돌림 측정은 첫 약한 측정을 되돌리는 목적으로 시행되는 약한 측정의 일종이다. 약한 측정을 거친 양자 상태는 이 되돌림 측정을 통해 원래의 양자 상태로 되돌릴 수 있다.

POSTECH-시카고대, Wnt 단백질-콜레스테롤 신호전달 메커니즘 규명

“콜레스테롤은 몸 속 ‘신호등’” 흔히 해롭다고 생각하는 콜레스테롤은 사실 호르몬이나 소화액의 재료가 되는 등 우리 몸속에 없어서는 안 될 영양소 중 하나다. 그런데 이 콜레스테롤이 태아의 기형이나, 암 발병 등의 신호를 조절하는 ‘신호등’ 역할을 한다는 연구결과가 POSTECH(포항공과대학교)-미국 일리노이대 연구팀을통해 발표됐다. POSTECH 생명과학과 한진관 교수․미국 일리노이대 조원화 교수팀은 최근 발매된 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지를 통해 세포막에 있는 콜레스테롤이 다양한 생물학적 현상을 조절하는 윈트(Wnt) 신호에 필수적인 역할을 한다는 사실을 최초로 발표했다. 척추동물의 발생이나 세포의 분열과 분화, 줄기세포의 유지와 같은 생물학적 현상들은 Wnt라는이름을 가진 단백질이 베타-카테닌에 의한 전형적(canonical) 신호전달과 베타-카테닌에 의하지 않은 비전형적(noncanonical)신호전달 등 2개 신호전달 체계를 조절함으로써 이루어진다. 이 신호전달이 정상적으로 이루어지지 않으면 태아가 기형이 되거나, 성인의 경우에는 암이 유발될 수도 있다. 이 때문에 ‘Wnt 신호전달체계’는 암 발병을 알리는 ‘발암신호’로도 알려져 있다. 하지만, 이 서로 다른 두 신호전달 체계 중 하나를 선택적으로 택하여 조절할 수 있도록 하는 메커니즘은 알려진 바가 없었다. 공동 연구팀은 생화학적․발생학적 분석을 통해 세포막에 위치한 콜레스테롤이 신호전달체계에서핵심적인 Dvl 단백질과 결합함으로써, 신호전달체계에 필요한 여러 단백질들을 세포막들로 유도해신호체계가 베타-카테닌에 의한 전형적(canonical) 신호전달로만 선택적으로 일어나도록 한다는 사실을 밝혀냈다. 즉, 콜레스테롤이 기존에 알려져 있던 것처럼 세포막을 구성하는 역할에 그치는 것이 아니라, 마치‘신호등’처럼 세포 속에서 일어나는 신호를 조절하는데 적극적으로 관여한다는 사실을 새롭게 제시한 것이다. 이 연구성과는 특히 ‘발암신호’를 미연에 억제할 수 있도록 하는 새로운 개념의 신약 개발에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 한편 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH, 파킨슨병․암 ‘근본’을 치료하는 약물 개발

임현석교수팀, ‘단백질 상호작용 조절’ 화합물 개발법 제시 대표적인 퇴행성 뇌질환으로 알려진 파킨슨병과 3명 중 한 명이 발병할 정도로 현대인에게 빈번해진 암은 우리 몸을 구성하는 단백질과 단백질의 상호작용이 정상적으로 이루어지지 않아 일어나는질병으로 알려져 있다. 지금까지는 효소를 이용한 약물로 치료를 주로 해왔지만, 보다 근본적인 치료를 위해 이러한 단백질 상호작용을 돕는 약물에 대한 연구가 활발하게 이루어지는 가운데, POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 단백질 상호작용을 조절하는 화합물을 보다 쉽게 만들어내는기술을 개발했다. 특히 연구팀은 파킨슨병을 유발하는 단백질의 상호작용을 정상으로 되돌리기 위한 화합물을 세계최초로 보고해 학계의 관심이 높다. POSTECH 화학과 임현석 교수․오미숙 연구교수, 대구경북첨단의료산업진흥재단 신약개발지원센터 이지훈 선임연구원 팀은 세계적 학술저널인 미국국립과학원회보(PNAS) 최근호를 통해 단백질상호작용을 통한 치료용 화합물 개발법과 파킨슨병․암 치료용 화합물을 새롭게 제시했다. 특히 연구팀은 이 화합물 개발법을 통해 수천가지 화합물 형태를 수집, 라이브러리를 구축했다. 지금까지 암이나 파킨슨병이 단백질 상호작용의 문제로 발병한다는 사실은 많은 연구를 통해 알려져 왔지만, 단백질 상호작용을 억제 또는 안정화시키는 화합물을 만들기가 어려워 실제로 약물개발에는 난항을 겪고 있다. 연구팀은 우선 상호작용을 하는 단백질 구조 속 나선구조(α-helix)에 주목했다. 상당수의 단백질들은 이 나선구조를 인식해 다른 단백질과 반응해 작용한다. 이 나선구조의 모양을 모방해 유사한 물질을 만들면 단백질 간의 상호작용이 원활하게 이루어지게도 할 수 있고, 몸에 이롭지 않은 상호작용의 경우에는 상호작용을 막게도 할 수도 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구팀은 수천 개의 나선구조 유사체 화합물 라이브러리를 이용해서 암을 유발시키는 것으로 알려진 MCL-1의 상호작용을 저해하는 화합물을 개발했으며, 또한 파킨슨병의 원인으로 알려진 알파-시뉴클린(α-synuclein)단백질의 응집체 형성을 억제하는 화합물을 개발하였다. 특히 연구팀이 개발한 알파-시뉴클린의 안정화를 통해 응집체 형성을 저해하는 화합물은 파킨슨병 치료 연구에서는처음으로 이뤄낸 성과로 알려졌다. 연구를 주도한 임현석 교수는 “새로운 개념의 항암제 연구도 수행 중이지만, 특히 파킨슨병과 관련된 이 화합물은 새로운 개념의 파킨슨병 치료제로서 개발을 진행해 나갈 예정”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학기술부․한국연구재단과 포스코의 지원을 통해 수행됐다.

POSTECH, 위․장 내시경 대신 “빛으로 만든 영상으로 검진하는 시대 온다”

창의 김철홍 교수, 유기나노입자 이용한 광음향 소화기관 의료영상 개발 우리나라 사람들이 10명 중 2명은 앓고 있는 위염이나 위궤양 등과 같은 소화기 질환을 진단하기위해서는 흔히 내시경이 사용된다. 하지만, 몸속에 내시경 기기를 넣지 않고도 엑스레이를 찍는 것처럼 기기에 찍기만 해도 실시간으로 위와 장 같은 소화기관들의 연동운동을 바로 찍을 수 있는 기술이 POSTECH(포항공과대학교)와 미국 연구팀의 공동연구로 개발됐다. POSTECH 창의IT융합공학과 김철홍․전만식 교수팀은 미국 버팔로 뉴욕주립대 조나단 로벨(Jonathan Lovell)․위스콘신주립대 웨이보 카이(Weibo Cai) 교수 연구팀과 공동으로 차세대 광음향의료영상기기와 맞춤형 유기 나노입자를 이용해 세계 최초로 비침습․비방사선․고감도․고해상도소화기관 영상 기술을 개발하고, 생체 내 영상 촬영에 성공했다. 세계적 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Technology) 온라인판 6일자(현지시간)에 게재된 이 연구성과는 인체에 해를 주지 않으면서 기존에 사용되던 영상 촬영 방법보다 간단하게 소화기관의 영상을 촬영할 수 있는 차세대 기술로서 학계의 주목을 모으고 있다. 번개가 치면 천둥소리가 들려오는 현상과 동일한 광음향은 물질이 빛을 흡수하면 광에너지가 열로 변하는 단계에서 기체에 음파가 발생하는 현상이다. 이 현상을 이용한 광음향 의료 영상기술은2016년 1억 2천만 달러 규모로 확대될 것으로 전망되는 차세대 기술이다. 짧은 펄스의 레이저를 생체조직을 투사하면 광음향 신호가 발생되고, 이 신호는 기존의 초음파기기를 통해 감지된다. 이 기술은 실제 사람의 눈이 감지할 수 있는 다양한 색깔을 볼 수 있을 정도로고감도일 뿐 아니라, 내시경 등의 기기를 몸에 넣지 않고도 인체 내 깊은 곳까지 볼 수 있는 유일한기술이다. 무엇보다 방사선을 사용하지 않는다는 점에서 엑스레이나 CT에 비해 안전하고, MRI와 달리 값싼레이저와 초음파 기반의 기술로 제공해 촬영하며 바로 영상으로 구현해낼 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다. 연구팀은 식약청의 허가를 받은 계면활성자를 이용, 광음향 장치를 위한 20나노미터 크기의 유기나노입자(나노냅, nanonaps)를 개발했으며, 이 입자를 이용, 실시간 광음향․초음파 융합 영상기기를 이용해 생체 내 소화기관의 구조, 생리학적 기능을 고감도, 고해상도의 영상으로 구현하는데 성공했다. 특히 연구팀이 개발한 나노냅은 독성이 없을 뿐 아니라, 소화관에 흡수되지 않고 대부분 대변으로배출돼 생체 내에 축적되지 않는 것으로 확인됐다. 연구를 주도한 김철홍 교수는 “이번 연구는 신개념의 나노입자와 광음향․초음파 융합영상기기를이용해 세계 최초 소화기관 영상에 성공한 것”이라며 “광음항 영상의료기기 시장이 급속도로 성장하고 있는 만큼 국내 우수한 기업들의 개발이 시급하며, 아직 동물 실험에 머무르고 있지만 임상 실험으로 한 단계 더 나아가야 할 것”이라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 IT명품인재양성사업과 선도연구센터(ERC)사업의 지원을 받아 수행됐다.