Research

화공 정대성 교수팀, 홍채 인식 기술의 상용화, ‘전자 공여체’만으로

[POSTECH·UNIST·한양대 공동 연구팀, 수용체 없이 광증폭형 유기 포토다이오드 구현] 굳게 닫힌 문 앞에서 주인공이 눈을 크게 뜨자 보안 시스템이 홍채를 인식하고, 문이 열린다. 이는 더 이상 영화 속 얘기가 아니다. 현재 전 세계의 많은 공항에서 홍채 인식 센서를 활용하고 있다. 빛을 전기적 신호로 바꿔주는 포토다이오드(photodiode) 덕분에 가능한 일이다. 하지만, 전기적 신호를 증폭시키는 전자 수용체는 반응성이 높아 외부 환경에 민감하여 실제 상용화가 더뎠다. 최근 화학공학과 정대성 교수 · 김주희 박사, 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수, 한양대 화학공학과 김도환 교수 · 권혁민 연구원, 고려대 이명재 연구원 공동 연구팀은 전자 수용체 없이 광증폭형 유기 포토다이오드(photomultiplication-type organic photodiode, 이하 PM-OPD)를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 지난 7월 8일(현지 기준) 재료 과학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’지에 게재됐다. 유기 포토다이오드는 컬러필터 없이 다양한 색을 구현할 수 있어 생체 인식 기술이나 카메라, 광통신 등 여러 분야에서 활용되고 있다. 그 중 PM-OPD는 가시광을 전기적 신호로 변환 · 증폭하는 광 소자로 어두운 환경에서도 가시광을 매우 잘 감지할 수 있다. 이때, 광자를 흡수하면 전자 공여체(donor)와 전자 수용체(acceptor) 계면에서 양공과 전자가 생성되고 전자 수용체에서 전자의 트래핑 현상(trapping)이 일어나는 원리를 이용하여 전기적 신호를 증폭시킨다. 이번 연구에서 연구팀은 전자 수용체 대신 소자에 전기화학적 안정성을 부여하는 퍼플루오로아렌(Perfluoroarene) 광가교제(photo-crosslinker)*1를 사용했다. 퍼플루오로아렌과 전자 공여체와의 ‘계면 밴드 벤딩(band bending)*2’ 효과로 인해 PM-OPD 내 엑시톤(exciton)*3이 전자와 양공으로 빠르게 분리되었다. 그리고, 분리된 전자는 전자 트래핑 현상으로 소자 내에서 양공 형성이 증폭되어 전류 흐름을 증대시켰다. 본 연구는 기존 유기 포토다이오드에 필수적으로 쓰여왔던 전자 수용체 없이 광증폭 현상을 유도한 첫 번째 사례다. 이어, 연구팀은 PM-OPD를 센서 표면에 빛의 3원색(빨강, 초록, 파랑) 별로 패터닝하여 고감도와 고안정성, 풀컬러(full color)를 모두 달성한 유기 이미지 센서를 제작하는 데도 성공했다. 이번 연구를 이끈 정대성 교수는 “본 연구를 통해 안정성과 색 선택성을 모두 갖춘 유기 포토다이오드를 구현했다”며, “추후 유기 이미지 센서의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 진행되었다. 1. 광가교제(photo-crosslinker) 빛(흔히 자외선)을 쪼여 곧은 사슬모양 중합체 혹은 분기 중합체에 교차결합을 형성하기 위해 사용되는 약제 2. 밴드 벤딩(band bending) 둘 이상의 물질이 만나는 경계 또는 계면에서 물질의 에너지준위가 변화하는 현상 3. 엑시톤(exciton) 반도체 내에서 전자와 양공이 결합되어 있는 준입자

반도체/신소재 송재용 교수팀, 차세대 이차전지, 고수명 유기전극 개발로 실용화 가속

[포스텍-표준연, 가볍고 유연한 유기물 기반 이차전지 전극소재 개발] [복합소재로 유기전극 수명 한계 극복, 이차전지‧수전해‧센서 등 폭넓게 활용 가능] 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 소재융합측정연구소 신호선 박사팀과 포항공과대학교 반도체공학과 송재용 교수팀이 차세대 이차전지의 실용화를 앞당길 수 있는 고수명 유기전극을 개발했다. 전기차 등에 대표적으로 사용되는 리튬 이차전지의 전극은 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄 등 무기물이 주된 소재다. 이러한 광물자원은 매장량이 제한적이고 국제 정세에 따라 수급이 불안정해질 수 있다. 유기물 기반 전극은 이 같은 단점을 해결할 차세대 이차전지의 핵심기술로 꼽힌다. 유기물 소재는 매장된 자원을 채굴해야 하는 무기물과 달리 합성을 통해 대량생산 할 수 있어 가격경쟁력이 우수하고, 용량 대비 가벼우면서 유연하다는 장점이 있다. 문제는 유기 소재 전극이 충‧방전 중 이온화*1되는 과정에서 전지 안의 전해질 용액에 쉽게 녹아 전지의 수명이 급격히 저하된다는 점이다. 이를 해결하기 위해 화학적으로 유기물 분자구조를 최적화하는 방식이 제시됐지만 공정이 복잡하고 수율이 떨어진다는 단점이 있어 실질적 대안이 되기 어려웠다. KRISS-POSTECH 공동연구팀이 개발한 고수명 유기전극은 나노복합소재를 사용해 수명을 획기적으로 향상시킨 것이 특징이다. 물리적 혼합방식으로 제조할 수 있어 기존에 제시된 화학적 방식보다 실용화에 훨씬 유리하다. 기술의 핵심은 유기전극 후보물질 가운데 초기 용량이 높은 물질(DMPZ)과 수명이 긴 물질(PTCDA)을 동결분쇄해 혼합하는 복합소재 제조법이다. 이 소재로 전극을 제작해 실험한 결과, 충방전 과정에서 두 물질의 상호전하보상 작용으로 전기적 중성 상태가 지속돼 650회 이상 충‧방전 시에도 초기 용량이 90% 이상 유지됐으며 고속 충·방전 역시 우수한 특성을 보였다. 반면 DMPZ 단일 소재로 제작한 전극은 충‧방전 5회 이내에 수명이 20% 이하로 저하됐다. 또한 연구팀은 개발한 고수명 유기전극으로 파우치형 배터리를 제작해, 이번 성과가 실제로 유연한 리튬이차전지 실용화에 기여할 수 있음을 입증했다. 이번 성과는 이차전지 외에도 물 분해, 가스 센서 등 다양한 분야에서 유기물 기반 전극의 전기화학적 안정성과 수명 향상에 쓰일 수 있다. 신호선 KRISS 스마트소자팀장은 “그린에너지 전환을 위해서는 기존 이차전지의 한계를 뛰어넘을 소재의 혁신이 필요하다”며 “이번 성과로 차세대 이차전지 실용화를 한층 앞당기고, 다양한 분야에서 유기물 기반 전극의 연구개발 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부 한국연구재단 미래소재디스커버리지원사업의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 국내외에 특허 출원됐으며 국제 저명학술지 에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials, IF: 20.4) 8월호에 게재됐다. 1. 이온화(ionization) 중성의 분자 또는 원자에서 전자를 잃거나 얻는 전자 이동이 일어나 전하를 띠게 되는 반응

신소재 오승수 교수팀, “원하는 이온만 통과시켜라!”...해답은 세포막 모사에 있었다

[POSTECH 공동 연구팀, 특정 이온 선택적 투과 가능 막 개발] 이온 선택 투과막은 혼합물 중에서 목표 이온만을 선택적으로 여과시킬 수 있는 막 기술로서, 배터리 분리막, 해수 담수화뿐만 아니라 바이오매스 생산에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 유용하게 활용되고 있다. 특히 막의 두께가 얇고 이온 선택성이 높을수록 분리 효율이 좋아질 수 있으며, 일례로 염수에서 배터리 핵심 소재인 리튬이온만을 추출하는데 이러한 투과막이 사용될 경우 에너지 효율 및 생산성이 높고 폐기물 배출이 적어 친환경적이라는 장점이 있다. 최근 POSTECH 연구팀은 ‘인공 이온 채널’을 새롭게 개발하여특정 이온만을 선택적으로 투과하는 나노 두께의 이온 선택 투과막 구현에 성공하였다. 이는 하이드로젤 이오닉 트랜지스터와 융합되어 살아있는 세포에서 발생하는 작은 이온 신호까지도 실시간으로 모니터링하는데 세계 최초로 활용되었다. 새로운 이온 선택 투과막 기술의 핵심은 자연계 세포막을 인공적으로 모사하는 데 있다. 살아있는 세포는 놀랍게도 원하는 이온만을 투과시킬 수 있는 세포막을 가지고 있다. 신소재공학과 오승수 교수 · 통합과정 유혜빈 씨 · 화학과 손창윤 교수, 서울대 재료공학부 선정윤 교수, 한국뇌연구원 임현호 박사의 공동 연구팀은 이러한 세포막을 인공적으로 모사하여 다양한 양이온 및 음이온 중에서 1가 칼륨 양이온을 선택적으로 통과시키는 막을 새롭게 개발했다. 또한 이를 신경 신호 전달을 모방한 하이드로젤 이오닉 트랜지스터와 융합하여 복잡한 생체 혼합물 속에서도 원하는 이온 신호를 실시간 분리해내는 데 성공하였다. 이번 연구는 재료과학 분야의 세계 최고 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, Impact Factor= 29.4)’ 학술지에 게재됐다. ‘특정’ 이온만을 선택적으로 통과시키기 위해, 연구팀은 세포막에 존재하는 다양한 이온 채널에 주목하였다. 이온을 인식할 수 있는 작은 단위체가 지질막 내에서 정렬되면 이온 채널로서 작용할 수 있다는 원리에 착안하여, 칼륨이온을 특이적으로 인식할 수 있는 DNA G-사중 나선 구조체를 ‘서열 특이적 표면 개질’하여 지질막 내에서 효과적으로 배향되도록 유도하였다. 그 결과, 수 나노미터 두께의 얇은 막을 통해 물 분자, 음이온 및 다원자 양이온의 투과가 완벽하게 차단(~100%)되었고, 흥미롭게도 비슷한 크기의 1가 양이온들 중에서 칼륨이온이 선택적으로 막을 통과하였다. 특히 리튬이온 대비 칼륨이온의 크기가 약 2배 더 큼에도 불구하고 투과막의 칼륨 선택성을 통해 500% 큰 증폭 이온 신호를 검출해 내는 데 성공하였다. 이어 연구팀은 칼륨 선택 투과막이 융합된 하이드로젤 이오닉 트랜지스터를 사용해 살아있는 간조직에서 방출된 칼륨 신호를 세포 손상 없이 실시간 모니터링하는데 성공하였고, 이는 세계 최초로 칼륨이온 방출량의 측정을 통해 아세트아미노펜의 주요 간 독성 매커니즘을 실험적으로 밝히고 해독제 후보 물질을 검증한 결과이다. 타이레놀로 잘 알려진 아세트아미노펜을 과다 복용하면 간 손상이 일어나 칼륨이온이 외부로 방출되는데, 특정 해독제를 첨가하면 칼륨 방출이 효과적으로 억제됨을 밝힘에 따라, 본 기술이 다양한 약물 및 해독제의 발굴과 성능 검증에도 유용한 플랫폼이 될 수 있음을 확인하였다. 오승수 교수는 “지질막 내부에 삽입된 이온 인식 단위체의 교체만을 통해 경제적 가치가 높은 다른 이온이나 과학적으로 중요한 신경전달물질 등 다양한 분자를 선택적으로 통과시키는 인공 채널도 제작할 수 있다”며, “추후 세포 신호 체계나 뇌과학 연구, 약물 개발뿐만 아니라 리튬이온 추출에도 활용될 수 있다“라고 강조했다. 연구를 주도한 유혜빈 씨는 “자연계 이온 채널이 하지 못하는 다양한 이온의 흐름을 제어하는 인공 이온 채널 분야를 새롭게 개척하고자 한다”며 본인의 포부를 다졌다. 이번 연구는 한국연구재단의 STEAM 연구사업 및 글로벌박사양성사업, 산업통상자원부의 시장주도형 K-센서 기술개발사업과 삼성전자 미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다.

환경 민승기 교수팀, 전 지구 ‘극한 호우’ 원인 규명

지난여름 극한의 호우와 폭염은 10일 이내의 단기 강수 패턴이 지구 온난화의 영향으로 뚜렷하게 변하면서 나타난 이상기후 현상인 것으로 드러났다. 전남대학교 함유근 교수, 김정환 박사, 포항공대 민승기 교수가 주도하고 미국과 독일 연구자들이 공동 참여한 국제연구팀은 지구 온난화의 강도와 전 지구 일(daily) 강수 패턴 간의 관련성을 정량화하는 딥러닝 모형을 개발하고, 이를 1980년부터 2020년까지의 위성 강수 관측 자료에 적용했다. 이 결과, 지난 2015년부터 전체 일수 가운데 50% 이상에서 일 강수 패턴이 자연 변동성을 벗어나 지구 온난화라는 인위적인 영향으로 뚜렷하게 변했음을 밝혀냈다. 또 지역적으로는 미국 동부, 우리나라를 포함한 동아시아 및 아마존 열대 우림 지역과 아열대 동태평양 지역이 가장 큰 변화를 겪고 있는 것으로 나타났다. 이 연구는 딥러닝 기법을 이용해 지구 온난화가 전 지구 일일 강수 특성을 이미 유의하게 변화시켰음을 처음으로 규명한 것으로, 연구팀은 관련 연구 논문을 세계적인 학술전문지 ‘네이처’ 8월 31일자 온라인 판에 발표했다. 한 달 후에는 인쇄판에도 게재된다. 기존 연구는 월 또는 연간 평균강수량의 장기 추세에 근거해 분석했던 것에 반해, 이번 연구는 극한 호우의 빈도가 잦아짐과 동시에, 비가 오지 않는 날도 늘어나는 현상이 지구 온난화의 가장 뚜렷한 징후라고 설명했다. 연구진은 딥러닝 모형은 비선형 활성함수를 활용하기 때문에 기존 연구의 한계를 극복하고, 일일 강수 변동성 강화와 같은 비선형적인 반응을 판별할 수 있었다고 설명했다. 특히, 합성곱 기반 딥러닝 기법은 지구 온난화에 의한 지역적인 변화 패턴을 보다 효율적으로 탐지할 수 있는 장점이 있다고 덧붙였다. 함유근 교수는 “극한 호우는 그 자체로 재앙적인 현상이며, 비가 오지 않는 날의 증가는 여름철 폭염의 빈도를 증가시킨다.”라며, “이 같은 연구 성과는 국가의 기후변화 대응 및 탄소 중립을 위해서도 활용될 수 있다.”고 밝혔다. 함 교수는 특히 "탄소 중립 실현을 위해 탄소 배출량과 흡수량을 정량적으로 진단, 예측하기 위한 과학적 기법이 절실한 상황이지만, 기술적 한계는 매우 큰 상황”이라며, “국가연구개발사업 차원에서 전폭적인 지원으로 탄소 중립 지원을 위한 혁신적인 기후 테크 개발을 서둘러야 한다."고 역설했다. 이 연구는 환경부가 탄소중립 지원을 위해 시행한 ‘관측기반 온실가스 공간정보지도 구축 기술개발사업’의 일환으로 진행됐다.

전자 김용준 교수팀, 불확실성을 측정하면 보안 수준이 보인다

[김용준 교수팀, 최소 엔트로피 추정을 위한 LRS 추정기 정확도 향상] 정보화 시대에 정보 보호를 위한 암호 및 보안 시스템의 구축은 매우 중요하다. 특별히, 모든 보안 시스템은 내부에서 생성되는 난수의 무작위성(randomness)에 따라 보안 수준이 결정되기 때문에 이를 정확히 측정하는 것이 필요하다. 보통 난수의 무작위성을 정량화하는 척도로 정보 이론 분야의 최소 엔트로피*1가 많이 활용되고 있다. 최근 전자전기공학과 김용준 교수 · 박사과정 우지헌 씨(제1저자), 조선대 정보통신공학부 김영식 교수, 테크니온 이스라엘 공대 유발 카수토(Yuval Cassuto) 교수 공동 연구팀은 정확한 최소 엔트로피 추정기 알고리즘을 개발하여 보안 시스템 평가의 정확도를 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 컴퓨터 과학 · 정보 보안 분야 국제 학술지인 ‘IEEE 트랜잭션 온 인포메이션 포렌식 앤 시큐리티(IEEE Transactions on Information Forensics and Security’에 게재됐다. 엔트로피(entropy)는 사건이나 상황의 불확실성을 나타내는데, 정보 보안 분야에서 최소 엔트로피는 시스템의 안전성을 평가하는 지표로 사용된다. 무작위로 만들어진 수열은 예측하기 어려울수록 최소 엔트로피가 높아지기 때문에 그 값이 클수록 안전성이 높다고 평가한다. 따라서 보안 시스템의 안전성을 평가하기 위해서는 최소 엔트로피를 정확하게 추정해야 한다. 그러나 최소 엔트로피를 정확하게 산출하는 것은 거의 불가능하다. 현재 미국 국립표준기술연구소(이하 NIST)는 서로 다른 열 가지 표준 추정기를 사용하고 있으며, 학계에서는 지속적인 연구를 통해 각 추정기의 정확도를 높여가고 있다. 이번 연구에서 연구팀은 그중 반복되는 문자열을 기반으로 하는 LRS(Longest Repeated Substring) 추정기의 정확성을 높이는 데 주력했다. 이 추정기는 다른 추정기에 비해 최소 엔트로피를 높게 추정하여 보안 시스템의 안전성을 실제보다 높게 판단한다는 문제점이 있었다. 그 원인은 LRS 추정기가 항상 최소 엔트로피보다 큰 값을 갖는 충돌 엔트로피를 추정하기 때문이다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 새로운 추정 알고리즘을 개발했다. 이를 통해 LRS 추정기가 부정확한 충돌 엔트로피 대신에 최소 엔트로피를 추정하는 데 성공했다. 연구를 이끈 김용준 교수는 “LRS 추정기의 근본적인 문제를 해결해 최소 엔트로피를 더 정확하게 추정하는 이번 알고리즘이 NIST 표준 알고리즘으로 채택될 수 있도록 노력하겠다”며, “이번 연구가 정보 보호와 데이터 안전성을 강화하는 데 큰 도움이 되었으면 좋겠다”는 기대를 전했다. 연구팀은 이외에도 작년 NIST의 ‘압축 추정기(Compression Estimator)’의 계산 효율과 추정 정확도를 향상시켜 동일 학술지에 보고한 바 있다. 한편, 이번 연구는 정보통신기획평가원(IITP)의 저사양 디바이스 대상 고효율 PQC 안정성 및 성능 검증 기술 개발 사업과 한국연구재단의 고효율 및 저지연 6G를 위한 시맨틱 및 과제지향 통신 기법 연구 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 최소 엔트로피(minimum-entropy) 확률 분포에서 최댓값에 음의 로그를 취한 값이다.

화공 노용영 교수팀, 반도체를 위한 어벤져스, 이 조합이면 가능해

[노용영 교수팀, 페로브스카이트 양이온 혼합 통해 트랜지스터 성능 향상] 영화 어벤져스에는 아이언맨과 캡틴 아메리카, 헐크, 토르를 비롯한 여러 영웅이 나온다. 캐릭터들은 각각 고유한 능력과 매력을 갖고 있지만 그들이 모여 하나의 팀을 이룰 때 엄청난 시너지를 낸다. 이처럼 최근 반도체 분야에서도 어벤져스를 구성해 트랜지스터의 성능을 향상시킨 연구가 발표되었다. 화학공학과 노용영 교수 · Ao Liu(아오 리우) · Huihui zhu(휘휘 주) 박사 연구팀은 세 가지 페로브스카이트 양이온 공정을 통해 세계 최고 성능의 페로브스카이트 트랜지스터를 개발했다. 이번 연구는 21일(현지 시간) ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’ 학술지에 게재됐다. N형 반도체는 전자의 이동으로 전류의 흐름을 만들고, P형 반도체는 정공*1을 통해 전류가 흐르게 된다. 이 두 반도체를 통해 전자 회로를 구성하므로 고성능 N형 및 P형 트랜지스터가 모두 필요하다. 그러나 반도체 소재 대부분 정공에 비해 전자 이동도가 우수해 P형 반도체 개발이 난제로 남아 있으며, 최근 국가에서도 이를 10대 난제 기술로 선정했다. 할로겐화물 기반 페로브스카이트(perovskite)는 특이하게 높은 정공 이동도를 가진 반도체 재료로 차세대 고성능 P형 반도체 소재로 주목받고 있다. ABX3의 화학식으로 표현되는 페로브스카이트는 두 종류의 양이온(A,B)과 하나의 음이온(X)으로 구성된다. 연구팀은 여러 화합물을 조합하여 높은 성능을 지닌 P형 페로브스카이트 반도체 소재를 개발하고 있으며, 2022년 세슘-주석-요오드(Cs-Sn-I)의 조합으로 당시 최고 성능을 가진 트랜지스터를 개발해 Nature Electronics 학술지에 보고한 바 있다. 이번 연구에서 페로브스카이트(ABX3) 양이온 A의 자리에 각각 포르마미디늄(FA)과 세슘(Cs), 페닐에틸암모늄(PEA) 세 가지 양이온이 결합된 혼합물을 사용했다. 포르마미디늄과 세슘, 페닐에틸암모늄이 개별적으로 연구에 사용된 적은 있지만 세 가지 양이온을 모두 사용한 연구는 이번이 처음이다. 그 결과, 연구팀은 결함을 줄인 고품질의 P형 페로브스카이트 반도체층을 개발하는 데 성공했다. 그리고, 이를 기반으로 높은 정공 이동도(70 cm2V-1s-1)와 전류점멸비(108)를 지닌 트랜지스터를 구현했다. 이를 통해 보다 빠른 속도의 컴퓨팅이 낮은 전력 소비를 통해서 가능하게 된다. 이번 결과는 현재까지 보고된 P형 페로브스카이트 트랜지스터 중 최고 수준이며, 현재 OLED 구동회로로 상용화된 저온 다결정 실리콘 기반 트랜지스터의 성능과도 거의 유사하다. 연구팀은 작년의 성능을 갱신하며, 또 한 번 세계 최고 성능의 트랜지스터를 개발하는 데 성공한 것이다. 노용영 교수는 “저온 공정 P형 반도체의 성능이 향상되어 N형 반도체와 비슷해지면 보다 빠른 성능의 전자 회로를 제작할 수 있고, 데이터 정보처리 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있을 것”이라며, “이번 연구가 반도체와 트랜지스터를 활용하는 전기 전자 분야에 널리 적용되길 바란다”는 기대를 전했다. 이 연구는 한국연구재단의 중견연구자사업과 국가반도체연구실사업, 삼성 디스플레이의 지원으로 수행됐다. 1. 정공 전자의 자리에 전자가 없는 경우 이를 정공이라 한다. 통상 전자가 빠져나가는 경우 그로 인해 비워진 자리를 정공이라고 하며, 전자와 반대로 플러스 1가의 전하를 갖는다. 정공 전하의 이동을 이용한 반도체 소재(소자)가 p형 반도체 소재(소자)다.

기계·화공 노준석 교수팀, 메타물질 기반 미래 초소형 광학 기술에 대한 방향과 비전 제시.

[최신 연구 트렌드부터 상용화 방안까지... 통합형 메타표면에 대한 고찰] 투명망토 기술로 알려진 메타표면은 빛을 자유롭게 조절하는 인공 물질이다. 렌즈의 두께를 기존 대비 1만분의 1로 줄일 수 있어 차세대 가상 · 증강현실 기기나 라이다(LiDAR)*1 등 광학 장치의 소형화를 이룰 광소자로 주목받고 있다. 복잡한 제조 공정과 높은 생산 비용의 한계를 극복하고, 메타표면이 상용화된다면 우리 나라는 나노 광학 분야의 기술 우위를 점할 수 있을 것이다. 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 양영환 · 성준화 · 최민석 · 박준경 씨(이상 제1저자), 포항산업과학연구원(RIST) 전교선 박사 · 이경일 박사 · 윤동현 박사 공동 연구팀이 메타표면 기반의 미래 초소형 광학기술 플랫폼에 대한 연구 트렌드를 정리하고, 미래 연구 방향 및 상용화 방안을 제시하는 총평 논문을 ‘빛 : 과학과 응용(Light: Science and Applications)’ 학술지에 보고했다. 지금껏 메타표면 관련 연구는 주로 빛의 특성을 완전히 제어하는 데 초점을 맞췄다. 그 결과, 메타렌즈와 메타홀로그램, 빔 회절장치 등 메타표면을 중심으로 다양한 광학 기기들이 개발되었다. 그러나 최근 들어 메타표면을 다른 광학 부품과 통합하는 데 중점을 두고 있다. 연구팀은 이번 총평 논문을 통해 ‘통합형 메타표면’ 연구와 응용 분야를 제안한다. ‘통합형 메타표면’이란 LED(Light Emitting Diode, 발광다이오드)와 액정(Liquid Crystal), 광섬유 등 다양한 표준 광학 부품과 결합한 광소자다. 메타표면의 상용화를 위해 연구팀은 현재 널리 사용되고 있는 기기에 메타표면을 결합해 실생활에 응용될 수 있는 방향으로 연구가 진행되어야 한다고 제시했다. 또, 연구팀은 통합형 메타표면 연구가 미래 광학 기기 산업과 국가 경쟁력에 미치는 영향을 설명하며, 산업계와 학계 간 협력의 중요성을 언급했다. 그리고, 혁신적인 광학 플랫폼의 발전을 위해서는 무엇보다 국가 차원의 지원과 협력이 필요하다고 강조했다. 노준석 교수는 “통합형 메타표면은 기존 전자기술의 발전을 보완하고, 다양한 분야에서 혁신적인 솔루션을 제공할 또 하나의 혁신”이라며, “지속적인 노력과 연구, 국가 차원의 지원에 힘입어 더 혁신적인 결과를 낼 수 있기를 기대한다”고 전했다. 한편, 이 연구는 POSCO 산학연 융합연구소사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망융합기술파이오니아 사업, 교육부 박사과정생장려금사업, 삼성 미래기술육성센터, 현대자동차정몽구장학재단의 지원으로 수행됐다. 1. 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR) 빛을 특정 물체에 비춰 사물과의 거리와 다양한 물성을 감지할 수 있는 기술이다. 빛을 통해 목표지점까지의 거리를 계산할 수 있어 자율주행 자동차의 ‘눈’으로 불리기도 한다.

화공 김진곤 교수팀, 꿀벌의 지혜, 반도체 세계에서도 필요하다

[김진곤 교수팀, 블록 공중합체 통해 초고밀도 나노 패턴 제작 기술 개발] 꿀벌은 달콤한 꿀을 최대한 많이 저장하기 위해 육각형 구조로 집을 짓는다. 허니콤(honeycomb)이라 불리는 육각형 구조는 공간 활용 측면에서 놀라운 효율성을 자랑한다. 이러한 경제적인 구조가 과연 반도체 제조 공정에서도 도움이 될까? 최근 화학공학과 김진곤 교수 · 강석원 박사 연구팀은 블록 공중합체*1(block copolymers, 이하 BCP)의 수소결합을 통해 고밀도 나노 구조를 만드는 데 성공했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 미국 화학회에서 출판하는 ‘ACS 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 보충표지논문(Supplementary Cover)으로 게재됐다. 작은 반도체 칩 안에 많은 부품과 회로를 효과적으로 담기 위해서는 나노미터(nm) 규모에서 패턴을 초고밀도로 배열하는 정교한 기술이 필요하다. 매우 짧은 파장의 극자외선을 이용한 리소그래피(lithography)*2 공정은 미세한 패턴을 생성할 수 있지만 공정이 까다롭고 초기 투자와 유지보수 비용이 매우 크다는 한계가 있었다. 최근 들어 이러한 한계를 극복할 해결책으로 두 종류의 분자 블록이 결합된 BCP가 주목받고 있다. BCP는 블록 간 상호 작용을 통해 스스로 특정한 패턴의 나노 구조를 만드는 ‘자기조립’이 가능하다. 이때, 부피 분율*3이 큰 블록은 매트릭스(바탕)가 되며, 작은 블록이 특정한 나노 패턴을 형성한다. 부피 분율이 더 큰 블록이 스케치북이라면 나머지 블록이 그 위에서 원이나 선 등의 패턴을 그리는 펜이 되는 것이다. 그런데, 부피 분율이 작은 블록이 패턴을 만드는 경우 패턴 간 간격이 넓어 초고밀도 패턴을 제조하기 어렵다. 따라서, 한정된 면적에서 고밀도 패턴을 형성하기 위해서는 부피 분율이 큰 블록이 나노 패턴을 형성해야 하는데, 연구팀은 수소결합을 형성할 수 있는 두 가지 다른 BCP를 이용하여 이러한 문제를 해결하였다. 또한, 연구팀은 두 BCP의 분자량과 혼합 비율을 조절해 원형 단면이 아닌 정사각형 또는 육각형 패턴을 형성했다. 특히, 빈 공간이 거의 없이 촘촘하게 배열된 육각형 구조는 벌집 구조처럼 주어진 공간을 최대로 활용할 수 있었다. 연구를 이끈 김진곤 교수는 “BCP를 사용하면 기존 공정에 비해 경제적일 뿐 아니라 정교하고 복잡한 나노 패턴을 빠르게 만들 수 있다”며, “이번 연구가 반도체의 성능을 향상시키는 연구에 큰 도움이 되길 바란다”고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업, 리더연구창의연구자사업의 지원으로 수행됐다. 1. 블록 공중합체(block coplymers) 두 가지 블록(분자)들이 얽혀 있는 고분자로 블록 간 상호 작용을 통해 특정한 패턴이나 구조를 스스로 형성한다. 2. 리소그래피(lithography) 빛을 이용하여 사진을 찍듯이 특정 패턴을 찍어낸 후 깎아내는 공정을 말한다. 3. 부피 분율 특정한 물질의 부피가 전체 부피에서 차지하는 비율을 말한다.

전자 최수석 교수팀, 이미지 센서의 혁신, 사람의 눈을 따라잡을까?

[최수석 교수팀, 초저전압 구동 고효율 색 변화 컬러 필터 기술 개발] 사람의 눈은 어두운 환경에서도 빠르게 적응하여 주변의 상황을 인식할 수 있다. 기술이 발전하면서 사진과 영상을 통해 소중한 순간을 생생하게 기록하는 시대, 과연 스마트폰에 달린 카메라가 우리의 눈을 대신할 수 있을까? 전자전기공학과 최수석 교수 · 왕다희 씨(석사졸업, 現 삼성전자) 연구팀은 전기적 신호를 이용해 필터링 색 조절이 가능하고, 높은 광(光) 투과율을 가진 컬러 필터 기술을 최초로 개발했다. 이 연구는 우수성을 인정받아 광학 전자 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’의 후면 표지(back cover) 논문으로 게재됐다. 스마트폰으로 사진을 찍을 때 렌즈를 통과한 빛은 이미지 센서로 들어간다. 센서는 적색과 녹색, 청색 필터를 통해 빛을 필터링하고, 다시 이들을 조합하여 형형색색의 물체를 재현한다. 어두운 환경에서는 센서로 들어오는 빛의 양이 적어 인접한 픽셀을 합치는 ‘픽셀 비닝(binning)’ 기술을 통해 빛의 양을 늘림으로써 노이즈를 줄이고, 이미지를 또렷하게 표현할 수 있다. 그러나, 염료형 화학물질을 사용하는 기존 필터는 외부 환경에 취약하며, 투과 중 손실되는 빛의 양이 많다. 또, 필터링 색이 적색, 녹색, 청색 중 하나로 고정되어 색상의 다양성이 제한되고, 선명도가 떨어지는 문제점이 있었다. 업계에서는 ‘디지털 컬러 비닝’ 기술을 이용해 인위적으로 이를 보정하고 있지만, 이미지와 색의 정확한 표현에 한계가 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 카이랄*1 액정(Chiral Liquid Crystal, 이하 CLC)에 주목했다. CLC는 구조적 특성으로 인해 특정한 파장의 빛을 선택적으로 반사한다. 연구팀은 이 특성에서 착안하여 화학물질을 사용하지 않고, 나노미터(nm) 크기의 CLC 구조를 조절해 특정한 색(구조색*2, structure color)을 나타내는 필터를 제작했다. 적색 파장의 빛을 필터링하던 필터가 상황에 따라 청색 파장의 빛을 필터링할 수 있게 된 것이다. 무엇보다도 1.4V(볼트)의 매우 낮은 전압으로 필터링 색상을 자유롭게 조절하는 데 성공했으며, 필터는 70%의 높은 광 투과율을 보였다. 이어, 연구팀은 필터를 이용해 4개의 픽셀을 하나로 합치는 ’테트라 비닝(Tetra Binning)‘ 기술을 구현하는 데도 성공했다. 이 기술은 어두운 환경에서도 높은 품질의 이미지를 재현하는 최신 기술 중 하나다. 연구팀은 인위적 신호처리 등 추가 공정 없이 1.4V의 전압만으로 이를 가능하게 만들었다. [video width="960" height="540" mp4="https://www.postech.ac.kr/wp-content/uploads/2023/08/연구-영상.mp4"][/video] 연구를 이끈 최수석 교수는 “사람의 눈처럼 어두운 환경에서도 고품질의 이미지를 재현하는 데 성공했다”며, “이번 연구가 이미지 센서뿐 아니라 자율 주행 자동차 등 다양한 산업 분야에서 큰 도움이 되기를 바란다”는 기대를 전했다. 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 삼성전자·POSTECH 전략산학의 지원으로 진행되었다. 1. 카이랄 분자의 회전 비대칭성을 의미한다. 오른손과 왼손처럼 서로 겹쳐지지 않는 광학 상태를 가지며, 스프링과 같은 광학적인 오른쪽이나 왼쪽으로 분자가 회전된 나노 구조형태를 말한다. 2. 구조색 물체의 미세한 나노 구조에서 나타나는 염료 흡수방식이 아닌 빛의색구현 기술로, 빛의 색 파장 길이에 맞추어 나노 구조체의 형태와 길이에 따라 빛의 색상을 조절할 수 있다.

전자 최수석 교수팀, 영화 ‘어벤져스’ 비전, 카멜레온과 같은 스트레쳐블 전자 피부로 세상에 나오다

[최수석 교수 연구팀, 다중 색 및 투명성 조절하는 생체 모사 전자피부 개발] 한강 세빛섬과 강남대로 등 한국에서 촬영해 큰 화제를 모았던 영화 ‘어벤져스: 에이지 오브 울트론’. 영화에 나오는 ‘비전’은 어벤져스 세계관에만 존재하는 가상 물질 ‘비브라늄’으로 만들어진 인공지능 로봇이다. 비전은 신체 골격과 팔자주름 등 사람의 모습을 완벽하게 재현했으며, 카멜레온과 같이 다양한 색깔로 피부색을 바꿀 수 있다. 또, 상황에 따라 보이거나 보이지 않게 만드는 영화 속 투명 조절 기술은 누구나 한 번쯤 상상해 보았을 것이다. 영화가 현실이 되는 시대, 상상만 했던 장면이 현실에서 이루어질 수 있을까? 전자전기공학과 최수석 교수 · 박사과정 남승민 씨 연구팀은 ‘카이랄 구조*1를 가지는 광학 탄성체(chiral photonic elastomers, 이하 CPE)를 사용해 카멜레온 피부와 같은 인공 전자 피부 제작 기술을 최초로 개발했다. 이번 연구는 우수성을 인정받아 융합 연구 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’의 후면 속 표지(inside back cover) 논문으로 게재될 예정이다. 최근, 플렉서블(Flexible)의 궁극 기술로 알려진 스트레쳐블(Stretchable) 기술*2은 디스플레이와 유연 센서 소자 등 분야에서 그 중요성이 증가하고 있다. 또, 이 기술은 피부의 자유로운 수축 · 팽창의 유연함을 모사한 인공 전자 피부 기술로 진화되고 있다. 특히, 카멜레온과 같이 색을 조절할 수 있는 생체 피부는 독특한 나노 규칙의 구조색(Structural Color)*3 형성과 함께 피부 조직을 늘임으로써 피부의 다양한 색을 표현한다. 따라서, 이러한 카멜레온과 같은 인공피부 원천기술 개발 연구가 전 세계적으로 급격히 관심받고 있다. 전자 피부와 관련된 여러 연구 중 아직 한 번에 하나의 색에서 다중색(Multi-Color)을 자유롭게 동시 분리 · 변화하고, 전기적 동작을 통해 다중색을 조절한 사례는 없었다. 연구팀은 카멜레온 피부에서 착안하여, 특별한 나노공정 없이도 자기 조립된 스프링 모양의 분자 회전 특성과 다양한 나노 구조 길이 변화를 통해 색을 변화시키는 CPE를 제작하였다. 이 CPE는 전기적인 힘이나 신호를 받아 스스로 늘어나거나 줄어드는 전기적 신축성이 있다. 또, 카이랄 나노 회전 길이(Chiral Pitch)의 스트레칭으로 동시다발적으로 여러 나노 구조 길이를 조절해 카멜레온 피부와 같이 동작하는 다중색 변화 스트레처블 전자 피부 기술을 개발했다. 전기 조절이 가능한 이 기술은 전자소자화에도 활용될 수 있다. 이어, 연구팀은 실험을 통해 CPE 기반 전자 피부가 동물의 보호색처럼 주변 환경과 같은 색을 나타내는 것을 확인했다. 이는 이번 연구가 위장 기술 및 암호화 분야에도 충분히 적용될 수 있음을 실험적으로 보여주는 결과다. 또, 연구팀은 눈에 보이는 색 조절 기술에서 한 단계 더 나아가 물체가 실제로 존재하지만 필요에 따라 눈에 보이거나 보이지 않도록 투명도까지 조절된 빛의 파장 제어를 통해 투명 카멜레온 전자 피부화 기술의 실험적 구현에도 성공했다. [video width="1920" height="1080" mp4="https://www.postech.ac.kr/wp-content/uploads/2023/08/연구-관련-영상_1.mp4"][/video] [video width="720" height="480" mp4="https://www.postech.ac.kr/wp-content/uploads/2023/08/연구-관련-영상_2.mp4"][/video] 연구를 이끈 최수석 교수는 “한 색상만 표현할 수 있던 기존의 한계를 넘어 다양한 색을 동시에 조절 표현하고, 투명도까지 제어한 연신형 전자피부화 기술을 최초로 구현했다”며, 향후 “차세대 디스플레이와 전자 피부, 암호화, 생체 모방형 소프트 로봇 등 다양한 응용 연구에도 널리 적용되기를 바란다“는 말을 전했다. 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원으로 진행되었다. 1. 카이랄 분자 구조 분자의 회전 비대칭성을 의미한다. 오른손과 왼손처럼 서로 겹쳐지지 않는 광학 상태를 가지며, 스프링과 같은 광학적인 오른쪽이나 왼쪽으로 분자가 회전된 나노 구조를 말한다. 2. 스트레쳐블 기술 자유로운 늘림이 가능한 유연 연신 기술로, 궁극의 플렉시블 전자소자기술로 알려 있다. 3. 나노 구조색 빛의 파장길이에 해당하는 수백 나노미터의 규치적 나노 구조에서 나타나는 빛의 특정 색 구현기술을 나타낸다.