Research

화공 정대성 교수팀, 차세대 전자 소자를 위한 새로운 산화물 공정 개발

[정대성 교수팀, 다층 용액공정 이용한 안정적인 고유전율 산화물 트랜지스터 개발] 최근 화학공학과 정대성 교수팀이 이중 가능성 리간드를 도입한 차세대 전자 소자 개발에 중요한 ‘솔-겔(Sol-Gel)’ 산화물 트랜지스터를 학계에 보고했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전자 소자의 발전과 더불어 고성능 산화물의 중요성이 커지면서 용액공정을 이용한 ‘솔-겔’ 산화물 공정 연구가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 공정에서 사용되는 고유전율*1 물질은 전기적 성능은 뛰어나지만 누설 전류가 많고, 안정성이 낮으며, 패터닝(무늬를 만듦) 기술에 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 교차 결합(cross-link)이 가능한 5가지의 다양한 배위 리간드*2 물질을 도입해 안정적이면서도 높은 전하 이동도를 가지도록 솔-겔 산화물층의 결합을 강화하고, 절연체 및 반도체 산화물층을 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 도입된 리간드는 한쪽 말단에는 강한 루이스 염기 특성을 가지는 그룹을 가지고 있어서 효과적인 산화물 나노 입자와 리간드 교체를 가능하게 하고, 다른 한쪽은 아자이드 광가교 그룹을 가지고 있어서 빛을 조사하였을 때 공유 결합을 형성해, 디스플레이 소자를 구현하기 위한 필수 공정인 패터닝을 가능하게 하였고, 공간 채움 효과로 누설 전류가 적은 다층 산화물 유전체 트랜지스터를 제작하였다. 제작된 지르코늄 산화물(ZrO2) 유전체 박막은 유전율 18, 유전 강도 7MV/cm 등 우수한 성능을 보였다. 또한, 연구팀은 지르코늄 산화물(ZrO2) 절연층뿐만 아니라 인듐 산화물(In2O3)과 아연 산화물(ZnO)등 반도체 산화 층에도 이 기술을 적용해 40cm²/V·s의 전하 이동도*3와 106의 on/off 비율*4을 가지는 트랜지스터(TFT) 제작에도 성공했으며, 이를 4인치 실리콘 웨이퍼에 배열해 대면적 소자 전체에서의 균일한 성능도 확인했다. 연구팀의 합성 전략은 용액 공정에서도 고해상도 패터닝이 가능하다는 점을 입증했으며, 대면적 소자 제작에도 효과적으로 적용될 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다. POSTECH의 정대성 교수는 “패터닝이 가능한 배위 리간드를 활용해 고유전율 물질의 안정성과 포토 패터닝을 동시에 구현함으로써 차세대 전자 소자의 가능성을 크게 확장했다”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 나노소재 기술개발 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202409906 1. 유전율(Dielectric Constant) 물질이 전기장을 얼마나 잘 저장할 수 있는지를 나타내는 값으로, 전기적 에너지를 저장하는 능력을 나타낸다. 유전율이 높은 물질은 외부 전기장을 더 잘 유지하고 에너지를 축적할 수 있다. 주로 커패시터와 같은 전기 소자의 성능을 결정하는 중요한 물리적 특성이다. 2. 배위 리간드 중심 금속 이온에 전자쌍을 제공하여 배위 결합을 형성하는 분자나 이온을 말한다. 3. 전하이동도(Mobility) 반도체 물질 내에서 전하(전자 또는 홀)가 전기장에 의해 얼마나 빠르게 이동할 수 있는지를 나타내는 물리적 성질이다. 단위는 cm²/V·s로 측정되며, 값이 클수록 전자가 자유롭게 이동할 수 있음을 의미한다. 4. on/off 비율 전자 소자의 켜짐 상태(ON)와 꺼짐 상태(OFF)에서의 전류 비율을 나타내는 값이다. 주로 트랜지스터에서 사용되며, 높은 on/off 비율은 소자가 켜질 때 전류가 많이 흐르고, 꺼질 때는 거의 흐르지 않아 켜질 때와 꺼질 때의 차이가 큼을 의미한다. 높은 on/off 비율은 소자의 성능이 우수하다는 것을 나타낸다.

물리/융합 박경덕 교수팀, 초고속 양자터널링 광공진기 개발, 반도체입자 제어의 새로운 장을 열다

[박경덕 교수팀, 차세대 초고속 반도체입자 변조기 개발 성공] 물리학과 · 융합대학원 박경덕 교수 연구팀이 초고속 양자터널링 광공진기를 개발했다. 이를 이용해 상온에 존재하는 반도체입자를 나노스케일의 극미세 공간에서 초고속으로 변조하는 것이 가능해졌다. 반도체입자는 이차원 반도체의 광학적, 전기적 특성을 결정하는 기본 단위로, 개별 입자의 물리적 특성이 고감도카메라, LED 조명, 반도체 레이저, 태양전지 등 다양한 전자장치의 성능을 직접적으로 결정한다. 최근에는 도핑 기술을 통해 중성 반도체입자를 극성 반도체입자*1로 변환하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 발생하는 스핀 특성, 방사붕괴율 변화, 결합에너지 및 수송특성 증가 등을 잘 활용하면 반도체소자의 전기특성 및 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 전기적 도핑*2 방법은 비파괴적이면서도 매우 빠르게 극성 반도체입자로의 변환을 가능하게 하며, 산업용으로 쉽게 적용될 수 있는 장점이 있다. 하지만 기술적 한계로 인해 초고속 반도체입자 상호변환을 극미세 나노공간에서 가능하게 하는 차세대 변조기는 아직까지 구현되지 못했다. 박경덕 교수 연구팀은 금으로 제작된 나노광학안테나 탐침을 기반으로 나노스케일에서 전기적 도핑이 가능한 초고속 양자터널링 광공진기를 개발하였다. 이를 통해 단일층 이황화몰리브덴에 존재하는 중성 반도체입자와 극성 반도체입자 간 전기적 변환을 약8메가헤르츠의 주파수로 극미세 나노공간에서 실현하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 장비는 반도체입자의 초고속 능동변환과 동시에, 실시간으로 변화하는 반도체물질의 전자구조 및 광학적 특성을 초고분해능으로 관찰할 수 있다. 이를 통해 반도체입자 상호변환 과정에서 발생하는 반도체입자의 동역학적 특성과 에너지변화 등을 실험적으로 검증하였다. 논문의 제1저자인 이형우 씨는 “극성 반도체입자를 국소 공간에서 초고속으로 제어하는 새로운 플랫폼을 제시했기 때문에, 새로운 타입의 초소형 광전소자, 양자정보소자 개발에 실마리를 제공할 중요한 원천기술이 될 것”이라고 했다. 또한, 논문의 공동 제1저자인 김수정 씨는 “기존에는 불가능했던 반도체입자의 초고속 나노거동 제어와 실시간 관찰이 가능해졌기 때문에 변환 과정에 숨어있는 다양한 물리적 현상들이 규명될 것”이라고 말했다. 한편, 연구에 사용된 이차원반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막의 제작은 울산과학기술원 박형렬 교수팀이 참여했으며, 물리학과의 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 최근 게재됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52813-5 1. 극성 반도체입자 양전자 하나와 음전자 하나가 결합되어 만들어진 반도체 입자에 음전자 혹은 양전자가 추가적으로 결합된 입자이다. 이에 따라, 입자의 특성이 극성(polarity)을 띈다. 2. 도핑 반도체 물질의 전기적 혹은 광학적 특성을 조절하기 위해 의도적으로 반도체 내의 전자밀도를 조절하는 것을 말한다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 진동 잡고, 에너지 만드는 '일석이조' 소자 탄생

[노준석 교수팀, 카이랄 구조 메타물질로 진동 제어하고 에너지 수확하는 소자 개발”] 기계공학과 · 화학공학과 · 전기전자공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박정훈 · 이건 씨 연구팀은 모든 방향의 탄성파를 제어하여 진동을 줄이고, 이와 동시에 고성능의 파동 에너지를 수확하는 혁신적인 메타물질 기술을 개발했다. 이 연구는 재료과학 및 응용 물리 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다. 탄성파는 물체가 진동하거나 충격을 받을 때 발생하는 파동으로 사람들이 매일 겪는 진동의 에너지다. 우리가 느끼는 소리나 지진도 탄성파의 일종이다. 이러한 파동은 다양한 방향으로 퍼지며 물체를 변형시키기도 하는데, 저주파 탄성파는 주기가 길고 파장이 커 장비나 건물에 균열을 일으킬 수 있는 위험이 있다. 노준석 교수 연구팀은 카이랄(Chiral) 구조를 갖춘 기계적 메타물질로 저주파 대역에서 발생하는 탄성파를 효과적으로 제어하는 기술을 구현했다. 이 기술의 핵심은 카이랄 기계적 메타물질의 특성을 이용해 탄성파가 통과하지 못하는 구간(밴드갭*1)을 만든 후 메타물질에 의도적으로 결함을 추가해 탄성파를 집속시키는 것이다. 이를 통해 전체 구조에 변형을 주지 않으면서 다양한 방향에서 발생한 탄성파를 효과적으로 조절하고, 진동 에너지를 전기에너지로 변환하여 수확할 수 있다. 그 결과, 연구팀은 물체가 휘어지는 형태의 진동(굽힘파)에서는 기존보다 20.5배, 물체가 압축하면서 동시에 회전하거나 비틀리는 형태의 진동(종-비틀림파)에서는 511.4배 더 많은 전력을 얻었다. 이번 연구는 저주파 대역의 모든 방향 탄성파를 제어하면서 동시에 전기 에너지를 수확하는 두 가지 목표를 모두 달성했다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구팀의 기술은 교량과 고층 빌딩, 자동차, 항공기 등에서 발생하는 진동을 제어해 에너지 효율을 높이면서 구조물의 안전성을 강화할 수 있고, 웨어러블 기기나 무선 센서 네트워크 등 다양한 신산업 분야에서도 큰 활용 가능성을 지닌다. 연구를 이끈 노준석 교수는 "전 방향 저주파수 진동 제어와 에너지 수확을 동시에 달성하며 탄성파 제어 기술에 대한 새로운 기준을 제시했다“라며 ”건물 내진 설계, 기계의 소음 및 진동 저감, 웨어러블 기기의 에너지 공급 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것"이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 사업 및 과학기술정보통신부 · 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. https://doi.org/10.1002/adfm.202403550 1. 밴드갭(band gap) 물리학에서 주로 반도체나 고체 물질에서 사용되는 용어로, 전자가 특정 에너지 상태를 가질 수 있는 영역과 가질 수 없는 영역을 구분하는 에너지 차이를 의미한다.

화공 윤용주 교수팀, “새로운 촉매를 제안해줘” AI가 제시한 해답은?

[윤용주 교수팀, 최첨단 AI 기술로 친환경적 프로필렌 생산 효율 획기적 향상] 화학공학과 윤용주 교수 · 통합과정 박지수 씨 · 정일준 박사 연구팀이 인공지능(이하 AI) 기술을 활용해 이산화탄소를 산화제로 사용하는 ‘프로판(Propane) 산화 탈수소화 반응’ 효율을 획기적으로 높일 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 환경·에너지 촉매 분야 최상위 국제 학술지인 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 촉매는 화학반응에서 반응 속도와 선택성을 조절하여 적은 에너지로 효율적인 반응을 유도하는 중요한 물질이다. 그러나 촉매를 개발하는 과정은 다양한 원소 조합과 조성을 최적화해야 하기 때문에 많은 시간과 비용이 소요된다. 특히, 원소 수가 많을수록 변수가 증가해 기존의 실험 중심 접근법만으로는 한계가 있었다. 이에 최근에는 AI로 촉매를 효율적으로 개발하려는 시도가 점점 더 활발해지고 있다. POSTECH 윤용주 교수 연구팀은 이번 연구에서 프로필렌(Propylene) 생산 공정의 효율을 높일 촉매를 개발하는 데 AI 기술을 적용했다. 프로필렌은 포장재, 자동차 부품, 섬유 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 폴리프로필렌의 원료로 전 세계적으로 수요가 급증하고 있다. 프로필렌은 프로판을 탈수소화하는 방식으로 생성되는데, 이 과정에서 이산화탄소를 산화제로 사용해 온실가스 배출을 줄이는 친환경적인 방법이 큰 주목을 받고 있다. 연구팀은 먼저 2원계 및 3원계 금속 산화물에 대한 촉매 반응 성능 데이터를 수집해 데이터베이스를 구축했다. 그리고, 이를 바탕으로 ‘의사결정나무(Decision Tree)’라는 머신 러닝 회귀 모델을 적용해 프로판 전환율과 이산화탄소 전환율, 프로필렌 수율을 높일 수 있는 조건(촉매 원소 조합, 담지체의 종류, 반응 온도 등)을 분석했다. 그 결과, 크로뮴(Cr), 니켈(Ni), 몰리브데넘(Mo), 지르코늄(Zr)으로 이루어진 새로운 4원계 금속 산화물 촉매를 개발했으며, 실험 결과 이 촉매는 기존보다 프로필렌 생산 효율을 크게 높였다. AI 분석을 통해 촉매 성능 향상의 원인을 규명함으로써 최소한의 실험만으로 최적의 촉매를 개발하는 데 성공한 것이다. 윤용주 교수는 “이번 연구는 AI 기술을 친환경 화학공정의 촉매 개발에 적용할 수 있는 새로운 방법론을 제시하고 그 가능성을 확인한 것”이라며, “AI의 급격한 발전으로 앞으로 여러 분야에서 도메인 지식(Domain Knowledge)과 인공지능을 접목하는 역량이 더욱 중요해질 것”이라고 강조했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124622

친환경소재/신소재 김형섭 교수팀, 첨단 금속 3D 프린팅 격자 구조, 국방 과학기술에 새 장을 열다

[김형섭 교수팀, 격자 구조 전단 변형 거동 연구로 국방 분야 혁신 가능성 제시] POSTECH 연구진이 316L 스테인리스강을 사용한 3D 프린팅 격자 구조의 전단 변형 거동을 심층 분석한 연구 결과를 발표했다. 이번 연구는 국방 과학기술에서 경량화와 강도를 동시에 확보할 수 있는 혁신적인 설계 방안을 제시하며, 국방 및 방위산업에서의 적용 가능성을 시사하고 있다. 이 연구는 친환경소재학과 · 신소재공학과 김형섭 교수, 융합대학원 대학원생이자 육군 대위 이기택 연구팀이 주도했으며, 연구 결과는 적층 제조 공정분야 저명한 국제 학술지인 ‘어디티브 매뉴팩처링(Additive Manufacturing)’에 최근 게재됐다. 국방 과학기술은 국가 안보와 직결된 핵심 분야로, 군사 장비의 경량화, 강도 증대, 내구성 강화가 매우 중요하다. 특히, 국방 산업에서의 혁신은 첨단 재료와 제조 기술에 의해 좌우된다. 이번 연구는 격자 구조의 경량성과 높은 에너지 흡수 능력을 국방 분야에 응용함으로써, 차세대 방위 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 기회를 제공할 수 있다. 금속 3D 프린팅을 통해 제작된 격자 구조는 충격 흡수 능력이 우수하며, 이는 방탄 장비, 군용 차량, 항공기 부품 등에서 경량화와 고강도를 동시에 구현할 수 있는 혁신적 솔루션으로 주목받고 있다. 연구팀은 316L 스테인리스강을 활용해 BCC(체심입방구조), FCC(면심입방구조), OCT(옥텟 구조)의 세 가지 다른 격자 구조를 3D 프린팅 기술로 제작하여, 전단 및 압축 하중에서의 기계적 성능을 비교 분석했다. 연구 결과, 격자 형상에 따라 압축 및 전단 하중 하에서 기계적 특성에 상당한 차이가 있음을 입증하였고, 하중 별 격자구조의 변형거동을 규명했다. 특히, 폭발 충격 완화와 같은 군사 분야의 고하중 환경에서 우수한 성능을 발휘할 수 있는 국방산업에서 격자구조가 다양한 국방무기체계 설계에 응용될 수 있는 가능성을 제시했다. 김형섭 교수는 “다양한 하중 하에서 격자 구조의 변형 거동을 심도 있게 분석함으로써, 국방 산업에서 필요한 경량화 및 내충격 강화 기술을 실현할 수 있을 것”이라며, “특히 격자구조는 폭발 충격을 완화하고 고강도 경량 구조물을 설계하는 데 최적의 재료가 될 수 있다”고 강조했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 국방기술진흥연구소의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104425

전자·IT융합·기계·융합 김철홍 교수팀, “소리와 빛으로 진단하다” 광음향 영상 기술 총망라

[김철홍 교수팀, 의료 영상의 미래를 변화시킬 핵심 기술 광음향 영상 리뷰 논문 보고] 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과 박정우 박사후연구원(現 경북대 의생명융합공학과 교수), 인공지능연구원 최성욱 박사후연구원(現 미국 스탠포드대 박사) 연구팀이 최근 독일 에를랑겐대 병원(University Hospital Erlangen) 페르디난드 크닐링(Ferdinand Knieling) 교수, 영국 캠브리지대 사라 본디크(Sarah Bohndiek) 교수, 미국 칼텍 리홍 왕(Lihong V. Wang) 교수팀과 함께 광음향 영상(Photoacoustic Imaging) 기술의 원리부터 실제 임상 적용사례 및 과제를 총망라한 리뷰 논문을 ‘네이처 리뷰 엔지니어링(Nature Reviews Bioengineering)’에 보고했다. 최근 광음향 영상 기술이 X-ray나 CT를 대체할 차세대 의료 영상 기술로 떠오르고 있다. PAI 기술은 레이저를 쏘아 조직이 순간적으로 팽창하면서 발생하는 소리를 감지해 영상을 생성하는 기술로, 방사선 없이도 수 cm 깊이에 있는 조직의 형태, 기능, 분자적 정보를 안전하고 정확하게 얻을 수 있다. 학계는 이를 통해 암과 심혈관 질환, 염증성 질환 등의 조기 진단과 맞춤형 치료가 가능해질 것으로 기대한다. 이번 논문에서 연구팀은 광음향 영상 기술의 원리와 함께 피부, 근골격계, 심혈관계, 림프계, 신경계 등 다양한 의료 분야에서의 임상 연구 사례를 다뤘으며, 광음향 영상의 상용화를 위해 해결해야 할 기술적 · 산업적 과제도 제시했다. 특히, 연구팀은 국제 표준화 필요성, FDA 승인 절차 등과 함께 보험 등재의 중요성을 강조했다. 또, 연구팀은 PAI 기술이 인공지능과 결합하여 대규모 데이터를 자동으로 분석하고, 이를 적용한 제품이 개발된다면 의료 비용 절감 및 개인 맞춤형 의료 서비스에 혁신을 가져올 것으로 기대된다고 말했다. 김철홍 교수는 “이번 리뷰 논문은 광음향 영상의 기술성과 임상적 혁신성뿐만 아니라 의료기기로서의 인증 허가 절차, 국제 표준화, 보험 등재를 통한 상용화 내용을 다룬 최초의 리뷰 논문으로 그 의미가 매우 크다"라며 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 교육부 대학중점연구소사업, 과학기술정보통신부 중견연구 사업 및 브릿지융합연구개발사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업, BK21의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s44222-024-00240-y

친환경소재/신소재 김형섭 교수팀, 손상된 금속, 레이저로 똑똑하게 되살리다

[POSTECH 연구팀, DED 기술 활용한 혁신 전략으로 금속 수리 기술 분야 돌파구 마련] 최근 친환경소재대학원 · 신소재공학과 김형섭 교수, 친환경소재대학원 런하오 우(RenHao Wu) 박사 · 신소재공학과 박사과정 사공만재 씨 연구팀은 ‘직접 에너지 증착(이하 DED, Direct energy deposition)’ 기술을 활용해 금속 부품 수리 공정의 효율을 높이기 위한 혁신 전략을 개발했다. 이번 연구는 재료공학 분야의 국제 학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 리서치 앤 테크놀로지(Journal of Materials Research and Technology)’에 게재됐다. 금속 부품은 여러 산업에서 광범위하게 사용되며, 손상된 금속 부품을 신속하고 효율적으로 수리하는 기술은 생산성과 자원 절약에 중대한 역할을 한다. 특히, 항공우주, 자동차, 에너지 플랜트 등 첨단 산업에서 사용되는 고가의 금속 부품은 교체보다 수리가 훨씬 경제적인 선택이 될 수 있다. DED 기술은 3D 프린팅 기법의 하나로 손상된 부품에 홈을 가공한 후 레이저로 새로운 소재를 덧붙여 수리하는 혁신적인 방법이다. 그러나 홈의 각도와 레이저 에너지에 따라 발생하는 결함, 잔류 응력으로 인한 균열, 그리고 분말 공급 문제 등은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있었다. 김형섭 교수 연구팀은 316L*1 스테인리스 스틸로 제작된 홈의 벽 각도가 90°, 135°인 경우에 대한 수리 전략을 탐구하며, 수리의 완전성과 관련된 지표(홈의 각도, 레이저 에너지 입력, 분말 공급 등)를 분석했다. 그리고 이를 바탕으로 레이저 출력과 분말 공급 속도를 조절할 수 있는 새로운 ‘이중 레이저 파워(Dual laser power)’ 전략을 개발했다. 이 전략은 특정한 부품 모양(각도)에 따라 레이저 출력값을 조정할 수 있으며, 경사면에서 더 높은 출력을 사용하는 방식으로 평면과 경사면에서 각각 다른 레이저 출력값을 사용해 증착되는 재료와 홈 사이의 결합을 강화했다. 그 결과, 수리된 부품에서는 결함이 발생하지 않았고, 적층 과정에서 서로 다른 성질을 가진 이질적인(hetero) 미세구조가 형성되어 기존 공정으로 수리된 부품에 비해 뛰어난 강도와 연성 등 기계적 성능을 보였다. 김형섭 교수는 “이번 연구는 금속 수리 공정의 효율성을 극대화하고, 수리된 부품의 기계적 성능을 향상하는 데 중요한 진전을 이룬 사례”라며, “향후 다양한 금속 재료와 복잡한 구조를 대상으로 한 연구를 통해 금속 수리 기술의 상용화를 가속할 계획”이라고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.181 1. 316L 316L은 오스테나이트계 스테인리스 스틸의 한 종류로, 해양 환경, 의료 기기와 식품 가공 산업 등에서 사용된다. ‘L’은 ‘Low Carbon’의 약자로, 낮은 탄소 함량을 의미한다.

기계 진현규 교수팀, “앗 뜨거워” 전자기기 발열 문제 해결할 기술 찾았다

[POSTECH · 충남대 · KAIST, 나노 규모의 금 구조물 이용해 스핀파 전달 효율 향상 성공] 기계공학과 진현규 교수 · 박상준 박사(現 일본 물질재료연구기구 박사후연구원) 연구팀이 충남대 신소재공학과 정종율 교수 연구팀, KAIST(한국과학기술원) 물리학과 김세권 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 전자기기 발열 문제를 해결할 차세대 기술로 주목받고 있는 스핀파(spin wave)*1 활용 기술의 상용화 가능성을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 세계적인 학술지 ‘셀(Cell)’ 자매지인 ‘매터(Matter)’ 온라인판에 지난 9월 26일 게재됐다. 스마트폰이나 컴퓨터를 오래 사용하다 보면 어느 순간 기기가 뜨거워져 깜짝 놀랐던 경험이 있을 것이다. 이는 기기 내부에서 전자가 이동하며 데이터를 처리하고 저장하는 과정에서 일부 에너지가 열로 변환되기 때문이다. 인공지능과 클라우드 컴퓨팅 기술이 발달하면서 전자기기는 점점 더 작고 복잡해지고, 이에 따라 발열 문제도 더욱 심각해지고 있다. 이러한 전자기기의 발열 문제를 해결할 방법으로 ‘스핀파’를 활용한 정보 전달 기술이 주목받고 있다. 스핀파는 자성을 가진 절연체에서 전자의 스핀 특성을 이용해 전자의 흐름 없이도 정보를 전송할 수 있는 파동이다. 최근 물질 내 스핀파의 온도 불균형이 커지면 - 즉 물질 내 한쪽의 스핀파는 뜨거워지고 다른 쪽의 스핀파는 차가워지는 경향이 커지면 – 스핀파의 정보 전달 효율이 높아진다는 사실이 연구를 통해 밝혀졌다. 하지만, 스핀파의 온도를 독립적으로 조절할 수 있는 기술은 아직 없는 상황이다. POSTECH · 충남대 · KAIST 공동 연구팀은 자동차 엔진의 열을 식히는 라디에이터 핀(fin)에서 착안하여 새로운 접근방식을 개발했다. 연구팀은 자성을 가진 절연체 박막 한쪽 끝에 나노미터 규모의 금 구조물을 추가하고, 금 구조물 함량에 따라 온도를 효과적으로 조절하도록 설계했다. 이 금 구조물은 해당 위치에 있는 스핀파의 온도를 효과적으로 낮춰, 물질 내에서 스핀파의 온도 불균형을 유도했다. 실험 결과, 연구팀의 박막은 기존 대비 스핀파 전달 효율이 250% 이상 향상됐다. 국내 공동 연구팀이 스핀파의 온도를 독립적으로 제어하는 데 성공하며 스핀파 전달 효율을 높이는 방법을 최초로 제시한 것이다. 연구를 이끈 진현규 교수는 “전자기기의 발열 문제를 해결하는 차세대 정보 전달 기술 개발에 중요한 전환점이 될 것”이라며 이번 연구의 의의를 전했다. 논문 1저자인 박상준 박사는 “기존의 한계를 극복한 이 기술은 향후 스핀파를 활용하는 다양한 응용 분야에 활용될 가능성이 크다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단, 교육과학기술부의 지원을 받아 수행됐으며 삼성휴먼테크논문대상 에너지 및 환경 부문 은상을 수상했다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.08.023 1. 스핀파(spin wave) 자성 절연체 내에서 한 방향으로 정렬된 국지화된(localized) 전자들의 스핀이 온도 구배나 교류 전류 등에 의해 여기되어(excited) 발생하는 파장(wave)을 말한다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 소중한 정보, 빛의 열쇠로 안전하게 잠금 해제

[노준석 교수팀, 자외선-가시광선에서 스핀·파장 다중화 가능한 메타 플랫폼 개발] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 성준화 씨 연구팀은 가시광선 및 자외선을 아우르는 영역에서 빛의 회전 방향과 색깔로 다양한 정보를 효과적으로 전송하는 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료과학과 응용 물리 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다. 현대 사회에서는 정보 보호의 중요성은 날로 커지고 있으며, 특히 금융 거래나 데이터 전송 시 안전한 보안 기술과 위조 방지 능력이 필수적이다. 이와 관련해 빛을 나노 스케일로 제어하는 메타표면 기술이 주목받고 있지만, 가시광선부터 자외선까지 일관되게 작동하기 어려운 한계가 있었다. 노준석 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 실리콘 질화규소(SiNx) 이중체를 기반으로 한 새로운 플랫폼(나노구조물)을 개발했다. 이 메타 플랫폼은 자외선과 가시광선 영역에서 고에너지의 빛을 받아도 쉽게 전도되지 않고 안정적이었으며, 최대 40도(°)의 비스듬한 입사각에서도 효율적으로 작동하며 실제 다양한 응용 환경에서의 적용 가능성을 입증했다. 또한, 연구팀은 이 새로운 플랫폼의 카이랄(chiral)*1 특성을 이용하여 빛의 회전 방향(스핀)과 색상(파장)으로 정보를 효율적으로 전송하는 데 성공했다. 특히, 이 플랫폼은 빛의 스핀에 따라 빛을 다르게 흡수하는 원형 이색성*2이 자외선에서 0.95, 가시광선에서는 0.76을 기록하며 뛰어난 광학 성능을 입증했다. 연구팀은 이 기술을 활용해 빛의 스핀과 파장을 열쇠처럼 사용하는 정보 해독 장치도 개발했다. 이 장치는 자외선에서 좌편광, 가시광선에서 우편광으로 각각 입력된 홀로그램을 구현할 수 있어 하나의 장치에서 두 가지의 스펙트럼 정보를 암호화할 수 있다. 이 기술은 위조 방지와 같은 높은 보안이 필요한 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다. 연구를 이끈 노준석 교수는 "이번 연구는 넓은 파장 범위에서 다기능 메타표면 구현의 오랜 과제에 실질적인 해답을 제시했다“라며, ”이 기술은 보안뿐 아니라 3D 디스플레이, 증강 현실, 고해상도 이미징 시스템 등 다양한 분야에서 첨단 광학 기술의 미래를 이끌어갈 발판이 될 것"이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202402744 1. 카이랄 어떤 물체나 구조가 자신의 거울상과 겹치지 않는 성질을 나타낸다. 빛의 편광(회전 방향)을 조작하거나 특정 방향으로만 빛을 통과시키는 데 활용될 수 있다. 2. 원형 이색성(Circular Dichroism) 빛의 편광 상태에 따라 그 빛을 다르게 흡수하거나 전송하는 성질을 나타낸다.

환경 권세윤 교수팀, 지구의 끝, 북극을 위협하는 수은을 쫓아라

[POSTECH · 극지연구소 공동 연구팀, 북극 생태계 위협하는 수은의 새로운 경로 규명] 환경공학부 권세윤 교수 · 통합과정 임승현 씨 연구팀이 극지연구소 연구팀과의 연구를 통해 북극에서 생활하는 생물들이 높은 농도의 수은에 노출되는 경로를 규명함으로써 북극 생태계 보호를 위한 새로운 방향성을 제시했다. 이번 연구는 과학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 수은(Hg)은 상온에서 유일하게 액체로 존재하는 금속으로 석탄의 연소나 폐기물 소각 등을 통해 환경으로 배출되며, 사람과 자연에 매우 치명적이다. 그런데, 최근 수은 청정지역으로 알려진 북극에 서식하는 북극 대구와 북극곰에서 예상보다 높은 수은 농도가 검출되어 북극 생태계에 대한 우려가 커지고 있다. 북극을 수은 오염으로부터 보호하려면 주요 유입 경로와 출처를 정확하게 파악해야 하지만 기존 분석법은 수은의 총량 측정에만 집중해 정확한 분석에 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 POSTECH · 극지연구소 연구팀은 수은의 안정 동위원소*1 7종을 활용한 분석법을 도입했다. 수은은 대기나 해양, 육지 등의 다양한 경로로 유입되며, 유입원마다 고유한 동위원소 비율을 가지기 때문에 이를 비교하면 수은의 유입원을 구분하고 각각의 비율을 추정할 수 있다. 베링 해협과 추크치해, 보퍼트해 등 북극과 인접한 해역에서 수집한 시료(해양 플랑크톤, 어류, 해수, 퇴적물 포함)를 분석한 결과, 북극 생물체 내에 존재하는 수은 약 70%가 대기에 있던 기체 상태의 수은에서 유래한 것으로 나타났다. 이는 대기 중 기체 상태의 수은이 식물과 해염(sea salt) 입자 표면에서 산화되어 해양 생물이 직접 흡수할 수 있는 형태로 전환되어 해수에 공급된다는 것을 의미한다. 연구팀의 분석 결과는 북극 생태계에서 수은의 오염 경로가 저위도 지역과는 확연히 다르다는 것을 보여준다. 저위도 지역에서는 인간의 활동을 통해 수은이 바다로 유입되지만, 북극에서는 이처럼 자연적 과정을 통해서도 수은이 바다로 이동할 수 있다는 사실이 밝혀진 것이다. 권세윤 교수는 “수은 유입 경로와 기여도를 정량적으로 제시해 기후 변화로 급변하고 있는 북극 지역에서 수은 농도와 이동을 예측하는 기초 자료로 활용될 것이며, UNEP의 미나마타협약(국제수은협약)의 정책 방향 설정을 위한 가이드라인이 될 것”이라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 해양수산부, 해양수산과학기술진흥원의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51852-2 1. 안정 동위원소 스스로 방사성 붕괴하지 않는 동위원소로 방사성을 띠지 않은 동위원소를 의미한다.