Research

신소재 장현명 교수팀, 연료전지 효율, 내구성 높이는 핵심 ‘엑솔루션’ 촉진 기술 개발

[박막 격자 변형 이용해 단결정 박막 나노입자 엑솔루션 성공] 연료전지는 수소와 공기 등으로 전기를 생산하는 친환경 미래 에너지로서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 연료전지의 주요 문제점인 내구성 및 성능을 높이기 위해서는 이에 적용되는 전극 물질의 열적 안전성 및 촉매 특성을 향상하는 것이 필수적이다. 신소재공학과 장현명 명예교수·한현 박사 팀은 박막의 격자 변형을 이용하여 뛰어난 열적 안전성을 나타내는 나노 촉매입자의 엑솔루션을 촉진하는 기술을 개발하였다. 이 연구는 과학기술분야 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최근호에 게재됐다. 물질 표면에 형성된 나노입자는 촉매, 신재생 에너지 등의 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 이런 나노 입자는 일반적으로 진공증착 방식으로 제조되어 왔지만, 이 방식은 추가적인 제조 시간/비용 및 높은 열적 불안정성 등의 문제를 초래한다. 이를 개선하기 위해, 페로브스카이트(ABO3) 격자에 고온 및 환원 환경을 조성하여 금속 이온이 격자로부터 빠져나와 표면에 인시츄(in-situ) 성장이 되는 엑솔루션에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 엑솔루션된 나노입자는 기존의 진공증착 방식보다 열적 안전성이 월등하게 높을 뿐만 아니라 제조시간과 비용을 절감할 수 있다. 지금까지 엑솔루션 연구는 주로 다결정 구조를 가지는 벌크 물질을 대상으로 진행 되어왔다. 연구팀은 이런 다결정 물질이 아닌 단결정 구조를 가지는 박막에서의 격자 변형 정도를 조절해 1100개/µm2(제곱 마이크로미터) 이상의 높은 입자 밀도와 약 5nm(나노미터) 의 작은 크기의 나노입자 엑솔루션에 성공했다. 이것은 기존의 전압 인가에 의한 다결정 벌크 엑솔루션의 밀도 대비 3배 수준으로 증가, 크기는 3배 수준으로 작아진 것이다. 이렇게 많은 수와 작은 크기의 촉매 입자는 에너지 소자의 효율을 높이는 중요한 이점이 된다. 또한 이런 박막의 격자 변형으로 만들어진 엑솔루션은 높은 열적 안정성과 550도의 낮은 운영온도, 빠른 입자 생성, 입자 크기의 조절 가능성 등의 다양한 장점을 기반으로 저온 운영 및 휴대가 가능한(portable) 박막 연료전지의 핵심 기술이 될 것으로 전망한다. 한현 박사는 “열역학 및 동역학 이론을 이용하여 격자변형 완화 에너지가 엑솔루션을 촉진하는데 핵심적인 역할을 한다는 것을 최초로 규명하였다”라고 기대감을 밝혔으며, 장현명 교수는 “엑솔루션된 나노입자는 휴대용 연료전지 등 에너지 소자, 촉매, 나노자성, 나노광학 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.”라고 전망하였다. 한편 본 연구는 한국연구재단 이공학 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 장 교수·한 박사 외 구미전자정보기술원(GERI)의 박주철 박사, 남상열 연구원, 포스텍의 김건중 박사, 최경만 교수, 막스플랑크 연구소의 스튜어트 파킨(Stuart S.P. Parkin) 교수, 세인트 앤드루스 대학(University of St. Andrews)의 존 얼바인(John T.S. Irvine) 교수가 참여하였다.

화공 한정우 교수팀, 자동차 배기가스 제거하는 촉매, 계산화학 통해 찾다

[저온에서 효과적으로 대기오염 물질 제거 촉매 개발 성공] 최근 미세먼지로 인한 대기오염이 사회 문제로 대두되고 있다. 대기오염 농도를 감소하기 위해 여러 대책이 나오고 있는데 자동차 배기가스 규제가 대표적이다. 자동차 배기가스는 대기오염의 주범으로 직접 심각한 오염을 일으키기도 하지만, 미세먼지와 같은 2차 대기오염을 유발하기도 한다. 하지만 저온에서 배기가스를 줄일 수 있는 고효율의 촉매를 개발하는 일은 시간과 비용 측면에서 어려움이 많았다. 화학공학과 한정우 교수·박사과정 김형준 씨 팀은 저온에서 배기가스를 줄일 수 있는 고효율 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이론팀과 실험팀을 동시에 운영해 설계부터 제작, 검증까지 한 이 연구는 촉매 과학 분야 세계적 권위지인 켐캣켐(ChemCatChem) 표지 및 VIP 논문으로 선정돼 게재됐다. 그동안 국내에서는 계산화학과 실험연구가 한 연구실에서 체계적으로 진행된 경우를 찾아보기 힘들었다. 보통은 각각의 연구실에서 이론연구와 실험연구를 따로 진행하고 융합 연구를 통해 공동 연구를 하는 방식이 대부분이었다. POSTECH 한 교수 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로 이론 화학의 문제를 다루는 계산화학을 통해, 도펀트(dopant) 조합을 합리적으로 도출해 냈고, 같은 연구실의 실험 연구진에게 이를 바로 제시해 고효율 촉매를 설계하기 위한 시간과 비용을 획기적으로 감소시켰다. 연구팀은 자동차 배기가스 중 일산화탄소를 산화하기 위해 고활성 세륨 산화물(CeO2) 기반 촉매를 제시했다. 이 촉매는 세륨 산화물에 두 가지 전이 금속을 이중 도핑하는 방법을 통해 체계적으로 설계했다. 먼저 계산화학적 기법을 사용해, 구리(Cu)와 구리·은(Cu·Ag)이 각각 단일 및 이중 도핑 조합 중에서 가장 우수한 후보인 것을 확인했다. 이것을 세륨 산화물 격자에 도핑되도록 나노 입자를 합성한 후, 순수한 세륨 산화물과 다른 전이 금속에 도핑된 세륨 산화물보다 더 높은 촉매 활성이 나타나는 것을 실험적으로 증명했다. 한정우 교수는 “자동차 배기가스를 줄이기 위한 촉매를 이론과 실험적 방법을 통해 체계적으로 설계할 수 있었고, 이런 방법을 더욱 발전시키면 비싼 귀금속 촉매 대신 저렴한 금속을 이용한 고효율 촉매의 상용화를 앞당길 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단 초저에너지 자동차 초저배출 사업단, 한국연구재단 중견연구사업의 지원으로 수행됐다.

기계・화공 노준석 교수팀, ‘3D영화’처럼 특정 편광각도에서만 반응하는 보안 디스플레이 개발

[메타표면 보안디스플레이 개발…IoT기술 연동 가능성도 기대] 영화 ‘블랙팬서’와 ‘어벤져스’에 등장하는 와칸다라는 공상 국가는 실제로는 엄청난 부를 가진 선진국이지만 분쟁을 피하기 위해 울창한 삼림을 비추는 디스플레이로 국가 전체를 둘러싸고 있다. 눈으로도 볼 수 없을 뿐더러, 레이더로도 탐지할 수 없도록 하는 이 놀라운 기술은 흔히 ‘클로킹(cloaking)’으로 불린다. 이 클로킹을 가능하게 하는 것이 바로 ‘메타물질’로, 이미 기존의 광학 한계를 넘어선 기술로 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 이 메타물질 분야를 선도하고 있는 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수‧통합과정 장재혁 씨 팀이 이번에는 실제로 IoT(사물인터넷) 기술로 연동할 수 있는 보안 디스플레이를 구현, 세계적 광학분야 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼스(Advanced Optical Materials)’지 뒷표지 논문을 통해 발표했다. 편광이란 모든 방향으로 뻗어나가는 빛 중 특정한 방향의 빛을 선택해 통과시키는 성질로, 우리 주변에서 가장 많이 활용되는 것이 바로 3D영화다. 3D영화를 볼 때 착용하는 안경은 편광안경으로, 편광각도에 따라 의도한 영상만 보이게 돼 입체감을 느끼게 되는 것이다. 이러한 방식을 이용해 평소에는 투명하지만 특정한 조건에서만 물체를 볼 수 있게 하는 것이 바로 메타표면이다. 메타표면의 이러한 특징은 보안 디스플레이나 지폐, 약품이나 신분증에 쓸 수 있는 위변조방지 패턴 등에도 활용될 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나, 아직까지는 정교한 색 변환이 어렵다는 과제도 안고 있는 상황이다. 연구팀은 원하는 빛의 파장영역에서의 반사를 극대화하고, 그렇지 않은 영역에서는 반사를 최소화해 스펙트럼을 조절했고, 비대칭성을 가진 나노구조체를 사용해 메타표면에 편광의존성을 부여했다. 이렇게 되면 편광각에 따라 표면이 능동적으로 색이 변화하는 특징을 가진다. 이러한 메타표면을 이용해 노 교수팀은 암호화된 QR코드를 삽입한 메타표면을 만들었다. 3D영화를 보기 위해 안경을 쓰지 않으면 제대로 된 입체영상을 볼 수 없듯이 편광이 없는 빛에서는 해석 불가능한 이미지가 나오지만 특정 편광각도에서는 숨겨진 정보를 복호화할 수 있는 이미지가 나온다. 연구팀은 현재 사용 중인 스마트폰으로 이를 스캐닝하는데도 성공해 IoT 기술과의 연동 가능성도 증명해냈다. 이번 연구성과는 고도화된 위변조 방지 태그, 개별 맞춤형 보안결제 시스템, 건물 창이나 벽면에 부착하는 초절전 반사형 디스플레이 등에도 활용될 것으로 기대된다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “편광에 따라 색이 변하는 메타표면을 이용해 정보 보안 코드를 만들어 기존의 IoT 기술과 메타표면을 접목하고자 했다”며 “이번 성과는 특히 보안 암호화 디스플레이라는 새로운 분야를 개척하는 데 큰 의미가 있다”고 의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 전략공모사업, 선도연구센터 광기계기술센터, 글로벌프론티어사업, 글로벌박사펠로우십, 현대차 정몽구재단의 후원을 받아 수행됐다.

화학 박문정 교수팀, 얼음 위에서 만드는 태양전지의 고효율 ‘전극’

[얼음 표면에서 대면적의 2차원 전도성 고분자 합성] 휴대용 플렉시블(flexible) 디스플레이나 태양 빛을 모아 발전하는 태양전지는 소자를 투명하게 만드는 것이 중요하다. 국내 연구팀이 얼음을 이용해 투명한 전극을 만들어 주목을 모으고 있다. 화학과 박문정 교수·디판카(Dipankar) 박사·박사과정 김경욱 씨 팀은 얼음 표면 위에서 8분이라는 짧은 시간 동안 큰 면적의 2차원 전도성 고분자를 친환경적으로 합성하는 데 성공했다. 이 연구는 세계적인 권위지인 ACS 나노지에 최근 게재됐다. 전도성 고분자 중 PEDOT:PSS는 디스플레이나 태양전지에 활용되며 가장 활발하게 연구되는 물질이다. 하지만, 상용화를 위해서는 면적을 넓히거나 전도도를 높이는 반면 합성시간을 줄여야 하는 과제가 남아 있었다. 연구팀은 얼음표면에서 고분자를 합성하는 새로운 발상으로 이 과제를 해결했다. 먼저 고분자를 만드는데 필요한 단량체 중에서 수소 결합을 할 수 있는 단량체를 선택했다. 이 단량체를 얼음 표면에 떨어뜨리면, 밑에 있는 얼음과 단량체 사이에 수소 결합이 일어나며 자발적으로 정렬되며 결정성이 향상된다. 결정성이 높아지면 전도도도 높아지는데, 실험결과 28S(siemens)/cm라는 높은 전도도가 확인됐다. 이는 통상정인 스핀코팅(고속회전코팅)법에 의해 합성된 PEDOT:PSS에 비해 20배 이상 높은 값이며, 특히 추가 도핑이나 화학 처리 없이도, 매우 잘 정렬된 결정 구조를 만들 수 있다는 점에서 더욱 학계의 관심을 끌고 있다. 이러한 방식은 얼음 위에서 전도성 고분자를 합성했기 때문에 얼음을 녹이는 간단한 방법으로 형판을 제거할 수도 있다는 장점이 있다. 기존에 사용되던 층상 자기조립이나 그래핀 복합물을 이용하는 방식은 조립 후 사용한 형판을 제거하는 복잡한 공정이 필요했다. 또, 기존 방식은 치수의 한계가 존재해 넓은 면적의 박막을 합성하기가 어려웠다. 하지만 연구팀은 얼음 위에서 하는 합성 방법을 통해 30nm(나노미터) 두께에 약 10cm 직경의 매우 넓은 면적의 박막을 합성할 수 있었다. 특히 연구팀의 합성 방법을 활용하면 전도성 고분자를 8분 만에 합성할 수 있다는 점에서 산업계로부터도 주목을 받고 있다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “얼음 표면에서 합성한 이 합성법은 친환경적일 뿐만 아니라 매우 높은 전도도와 투명한 특성을 지니고 있다”며 “이 기술이 발전한다면 미래 투명 전극을 필요로 하는 다양한 디바이스나 플렉시블 디바이스에 적용될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 중견연구, 선도연구센터 지원 사업, 미래소재 디스커버리사업, LG 연암재단의 지원으로 수행됐다.

화공 노용영 교수팀, 자동 불소 도핑으로 간단하게 폴더블폰 성능 향상 기술 개발

[고성능 유기 트랜지스터 위한 고분자-고분자 계면의 자발적 도핑] 반으로 접었다 폈다 반복할 수 있는 폴더블(foldable) 디스플레이나 휘어지는 플렉시블(flexible) 디스플레이에는 가볍고 유연한 유기 트랜지스터가 들어간다. 하지만 유기물은 다른 물질보다 전하 이동도가 낮기 때문에 성능 향상을 위해서 전하 이동도를 높여줘야 한다. 국내 연구팀은 케미컬(화학)도핑이 아니라 절연체 물질의 특성을 이용한 일렉트로니컬(전기) 도핑을 이용해 유기 트랜지스터의 성능을 높이는 방법을 세계 최초로 찾아냈다. 화학공학과 노용영 교수·신은솔 박사팀은 유기 트랜지스터에 화학 물질 대신, 절연층 물질 자체 특성을 이용한 자발적 고분자 도핑 방법을 활용해 간단하게 성능을 향상시키는 연구 결과를 발표했다. 이 연구는 화학 분야 최고 권위지인 ACS 응용 재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces) 표지논문으로 최근 게재됐다. 앞으로 디스플레이 시장은 접히거나 휘어지는 등의 디자인과 색감을 얼마나 잘 구현해 내느냐가 성공의 열쇠가 될 것이다. 이런 기술의 가장 기본이 되는 것이 유기 트랜지스터인데 잘 구부러지는 특성이 있지만, 전기의 이동도를 높여 성능을 향상시키는 것이 숙제로 남아있다. 유기 트랜지스터를 고성능으로 만들기 위해 연구팀은 트랜지스터 안의 절연체를 사용했다. 절연체는 전기가 통하지 않는 물질로 유기 트랜지스터는 유기물 반도체 위에 절연체 층을 쌓는다. 이 절연체 층에는 불소기가 들어있는데, 불소기가 들어있는 절연체는 쌍극자(Dipole)를 띠게 된다. 불소에는 전자가 많고, 유기물층 탄소에는 상대적으로 전자가 없기 때문에 유기물과 절연체 사이에 쌍극자가 형성되는데 여기에 자발적인 고분자 도핑을 일으킨다. 이 도핑을 통해 ‘양극성 전하 이동’을 ‘단극성 P형’으로 변화시키게 되는데 이런 에너지 레벨 조정으로 전하를 잘 통하게 만들어 결국 유기 트랜지스터의 성능이 높아지게 된다. 이 방법은 불소 함유 유전체를 이용한 유기 고분자 트랜지스터의 도핑 효과에 대한 세계 최초의 연구로, 추가적인 공정 없이 폴더블 디스플레이의 성능을 높일 수 있는 방안이다. 노용영 교수는 “폴더블 디스플레이에 바로 활용할 수 있는 이 기술은 추가 공정이 필요 없기 때문에 산업체에서 비용을 절감하면서 효율을 높일 수 있는 최적의 방안이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프론티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’, 전략과제 및 한국기계연구원 위탁과제의 지원으로 수행됐다.

차형준-조동우 교수 공동연구팀, 말미잘 실크 단백질로 인공 귀, 코, 혈관 만든다

[고탄성·생체적합성 3차원 생체 조직 제작] 3D 바이오 프린팅 기술을 통해 만드는 인공 장기나 뼈, 혈관 등은 강한 압력이나 생체 환경 안에서 그 형태를 유지하면서, 다른 장기나 혈관 등과 어우러져 인공 구조물이 자리 잡게 돕는 생체적합성을 동시에 지녀야 한다. 홍합과 말미잘과 같은 해양 유래의 구조 단백질 기술의 권위자인 차형준 교수와 3D 바이오 프린팅 기술의 권위자인 조동우 교수가 만나 학제간 융합 연구를 통해 해양 생물 유래 고탄성·생체적합성 3D 프린팅 소재를 개발해 주목을 모으고 있다. 화학공학과 차형준 교수·박사과정 박태윤·양윤정 연구교수팀은 기계공학과 조동우 교수·박사과정 하동헌 팀과의 공동연구를 통해 기계적 물성이 매우 뛰어난 말미잘 실크 단백질 원천소재를 기반으로 광가교*1를 통해 원하는 형상의 인공 생체 구조체를 빠르고 정교하게 3차원으로 인쇄하는 기술을 개발했다. 이 연구는 국제학술지 바이오패브리케이션(Biofabrication)에 최근 게재됐다. 3D 프린팅 소재 개발은 생체 이식 후 조직과의 성공적인 융합과 재생이 일어나야 하기 때문에 하드웨어에 비해 상대적으로 발전이 늦어졌다. 이에 합성 고분자나 천연 고분자를 이용해 3D 프린팅 소재를 개발하고자 하는 시도들이 전 세계적으로 진행되고 있다. 합성 고분자는 뛰어난 물성을 가지고 있는 반면 생체 이식 시 생체적합성이 크게 부족하다. 반대로 기존 천연 고분자의 경우는 반대로 생체적합성은 뛰어나지만, 물성이 크게 떨어져 3차원 구조체를 정교하게 제작하기가 어려웠다. 공동연구팀은 뛰어난 물성이 있는 말미잘 실크단백질을 기반으로 3D 프린팅 소재를 개발했다. 다이-타이로신(di-tyrosine) 광가교를 통해 높은 물리적 안정성과 빠른 가교 능력을 갖출 수 있었고, 압축 분사로 200~1000㎛(마이크로미터)까지, 원하는 굵기로 다양한 형상의 인공 귀나 코, 혈관과 같은 3차원 구조체를 정교하게 인쇄할 수 있게 됐다. 이 구조체들은 물성이 우수하다고 알려진 누에고치 유래의 실크단백질 기반의 구조체에 비해 4배 이상 높은 탄성력을 지닐 뿐만 아니라 더 우수한 생체적합성을 지니는 것도 확인됐다. 이번에 개발된 3D 프린팅 소재는 다양한 종류의 세포와 높은 친화도를 보였고, 뼈·연골 등을 구성하는 세포 분화를 유도하기도 하였다. 이 기술이 발전한다면 다양한 신체 조직 부위의 이식 및 치료에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “말미잘 실크단백질의 우수한 물성과 생체적합성에서 착안하여 개발된 3D 프린팅 소재는 복잡한 3차원 구조체를 빠르고 정교하게 인쇄할 수 있어 인체에 이식이 필요한 다양한 인공 생체 조직을 성공적으로 만들 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 한편 이 연구는 생체 소재 분야의 세계적 권위지인 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 게재되었으며, 해양수산부의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발[차형준 교수팀]’과 한국연구재단의 ‘리더연구자지원사업(창의적연구)[조동우 교수팀]’의 일환으로 수행됐다. 1. 광가교 빛을 이용하여 서로 다른 고분자 사이의 공유 결합을 형성시키는 가교법

화학 박수진 교수 공동연구팀, 전기자동차 배터리 성능, 젤리 만드는 ‘한천’으로 높인다

[한천(Agar) 활용해 고온에서 안정적인 고출력 차세대 전지 구현] 전기자동차나 스마트폰과 같이 지속해서 충전과 방전을 계속해야 하는 이차전지는 충전할 때 열이 나는 열화현상을 잡아야 한다. 열화현상이 일어나면 배터리 소모가 심해지는 등 효율이 떨어지고 수명까지 줄어들기 때문이다. 국내 연구팀이 젤리의 원료로도 많이 사용되는 한천(agar)을 활용해 배터리의 열화현상 문제점을 해결했다. 화학과 박수진 교수·송우진 박사팀은 UNIST 최남순 교수·한정구 박사·신명수 연구팀, 울산과학대학교 유승민 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 고온 배터리의 열화현상을 억제할 수 있는 한천 기반의 분리막을 개발했다. 또 이를 이용해 고용량의 양극 물질(LMO, LNMO) 기반 배터리에 적용해 고온에서도 안정적인 구동이 가능한 고출력의 리튬이온 전지를 만들었다. 이 연구 성과는 세계적 권위지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 최근 게재됐다. 그동안 유기 전해질 기반 리튬 이차전지는 고온 환경에서 불안정한 반응을 보여 양극 물질을 공격해 전해액이 용출되는 문제가 있었다. 이 현상 때문에 고전압 고용량의 리튬 이차전지는 고온에서 성능이 약화하고 이 점은 전기 자동차 상용화의 발목을 붙잡고 있다. 연구팀은 배터리 열화현상을 해결하기 위해 한천의 친수성에 주목했다. 천연 해조류에서 추출한 한천은 물을 좋아하는 친수성을 띠기 때문에 가루로 만들어 물을 부어 섞으면 탱글탱글한 젤리처럼 물을 붙들어두는 성질이 있다. 연구팀은 이런 한천의 성질을 활용하기 위해 유기 실리콘계 화합물을 반응시켜 한천의 친수성을 조절했고, 상을 분리하는 상전이(相轉移) 방법을 사용해 균일한 구멍이 많이 있는 고분자 막을 개발했다. 이렇게 만들어진 분리막은 유연하면서도 고온에서 열변형 없이 다공성 구조를 유지하는 특성을 보였다. 또 한천을 이용해 전극을 물리적으로 안정화하는 역할의 양극재 바인더를 개발하기도 했다. 한천 기반의 분리막과 바인더는 기존에 사용하던 리튬염(LiPF6) 기반 전해질만 사용했음에도, 고온에서 불안정한 반응을 억제하고 용출된 양극 물질을 흡착해 안정성을 높였다. 문제가 되었던 음극 표면의 저항층 피막형성을 억제하고, 전해질에 잘 젖는 한천의 장점 덕분에 리튬이온의 전도성이 증가해 빠른 충전과 방전에도 우수한 성능을 보였다. 박수진 교수는 “값싼 한천을 이용해 만든 다기능성 분리막과 바인더는 다양한 고성능 전지에 적용할 수 있는 소재로 고온에서 안정적인 배터리 운용에 크게 기여할 것”이라며 “또 상전이 법은 한천뿐만 아니라 다양한 분야에 적용할 수 있는 다공성 막 제작 기술로 자리 잡을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 글로벌 프론티어 사업의 지원으로 수행됐다.

신소재 이장식 교수팀, 전기 먹는 하마 ‘알파고’ 단점 보완할 인공지능 시냅스 개발

[강유전체 물질 도입해 고성능의 아날로그 메모리 특성 구현] 인간만의 영역이라고 생각했던 바둑을 딥러닝으로 학습해 인간을 이긴 알파고의 등장은 전 세계의 이목을 사로잡았다. 하지만 알파고의 경우 소프트웨어의 비약적인 발전에 비해 하드웨어는 기존의 것을 그대로 사용하기 때문에 바둑 한판을 두는데 엄청난 전력을 소모한다는 단점이 있다. 실제 알파고가 바둑 한 판을 두는 데는 전기세가 6천여 만원이 든다. 산업이나 일상생활에서 AI 기술 활용이 늘면서 대량의 정보를 효율적으로 처리하기 위해서 에너지 효율이 높은 하드웨어 개발이 꼭 필요하다. 신소재공학과 이장식 교수·석박사 통합과정 김민규 씨 연구팀은 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅용 칩을 만드는 과정에서 강유전체*1 물질을 도입해 고성능의 아날로그 메모리 특성을 보이는 새로운 시냅스 소자를 개발했다. 특히 본 연구에 사용한 강유전체 물질은 현재 반도체 공정에서 사용할 수 있는 물질이어서 바로 상용화할 수 있어 뉴로모픽 칩 상용화를 크게 앞당길 수 있을 전망이다. 이 연구 성과는 나노분야의 세계적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)에 최근 게재됐다. 딥러닝, 빅데이터 등은 정형화되지 않은 많은 양의 정보 처리 능력이 필요하다. 처리해야 하는 정보량은 급속도로 증가하고 있지만, 현재 사용하고 있는 대부분의 컴퓨팅 방식은 입력된 정보를 순차적으로 처리하는 폰 노이만 구조를 기반으로 하고 있는데 대량의 정보를 처리하는 데 한계가 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 최근에 기억과 연산을 동시에 수행하는 인간 두뇌의 사고 과정을 모사해 정보를 병렬적으로 처리하는 뉴로모픽*2 컴퓨팅이 주목을 받고 있다. 하지만 지금 쓰고 있는 폰 노이만 구조 컴퓨팅 방식에서 사용하던 반도체를 그대로 뉴로모픽 컴퓨팅에 사용할 경우 많은 에너지가 필요하다. 이 기술이 상용화되기 위해서는 소비 전력을 최소화한 뉴로모픽 칩 개발이 필요하다. 연구팀은 인간의 두뇌에서 핵심요소로 작용하는 시냅스를 모사할 수 있는 효율높은 소자 개발에 집중했다. 인간 두뇌의 정보처리 방식은 0과 1로 데이터를 처리하는 디지털 방식이 아닌 아날로그 방식으로 많은 정보를 신속하게 처리하고 학습한다. 이러한 인간의 시냅스 특성을 모사하기 위해서는 아날로그 정보 처리 방식이 필요한데 이를 강유전체 물질을 이용하여 구현하였다. 강유전체란 외부의 에너지가 없어도 스스로 전기적 분극을 유지하는 물질로 이 특성을 미세하게 제어하여 인공 신경망에 적합한 선형적인 아날로그 정보 제어를 구현하였으며, 이를 통해 인공 신경망 시뮬레이션 결과 숫자 이미지 패턴에 대한 인식률이 90% 이상임을 확인하였다. 기존에 연구되었던 강유전체 물질의 경우 두꺼운 두께와 높은 공정온도, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제로 인해 사용에 제한이 있었다. 연구팀은 원자층 증착법을 이용해 나노 스케일 두께의 강유전체 물질과 산화물 반도체를 기판 위에 쌓아서 강유전체 트랜지스터를 만들었다. 저온 공정을 통해 제작할 수 있어 반도체 소자 제작시 장점이 있고, 금속-강유전체-반도체 구조에서 강유전체의 안정적인 분극 현상을 확인하였다. 이 공정에 사용되는 물질들은 현재 반도체 공정에서 사용할 수 있는 물질이어서 산업 현장에 바로 적용할 수 있다는 장점도 있다. 이장식 교수는 “이 기술을 실제 뉴로모픽 칩에 사용할 경우 저전력으로 뉴로모픽 컴퓨팅이 가능하게 될 것이고, 모바일 기기, 무인자동차, 사물인터넷 등 다양한 분야에 이 기술을 활용할 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 1. 강유전체 (Ferroelectrics) 강유전체는 외부의 전기장이 없어도 스스로 전기적 분극을 유지할 수 있는 물질로, 전원이 없어도 정보가 사라지지 않는 차세대 메모리로 알려진 강유전체 메모리 (Ferroelectric ram) 등에 활용 2. 뉴로모픽(Neuromorphic) 인간의 신경 회로인 ‘뉴런’을 모방한 회로를 만들어 연산과 저장을 한꺼번에 하는 인간의 뇌 기능을 모사하려는 기술

전자 홍원빈 교수팀, “5G 미래형 스마트폰”…세계 첫 ‘안테나 디스플레이’로 한 발 더 앞서나간다

- 동우화인켐‧SKT‧LG전자‧키사이트테크놀로지스‧와이테크와 미래형 5G 단말 안테나 시스템 개발 - 5G 28GHz 신호로 안테나 실제 측정 확인…신개념 5G스마트폰 탄생 기대 높여 버튼을 없애고 터치 디스플레이에 키패드를 옮겨놓은 ‘풀터치폰’은 어느 나라에서 최초로 출시됐을까? 정답은 우리나라다. 지금은 우리에게 ‘당연한’ 휴대폰의 모습이 됐지만, 풀터치폰은 불과 12년 전에 발표되어 과거의 전화나 휴대폰의 형태를 잊어버릴 만큼 이동통신 시장의 판도를 바꿔 놓았다. 이번에는 안테나를 화면으로 옮겨놓은 혁신적인 5G 스마트폰이 세계 최초로 등장할 전망이다. 또 다시 우리나라에서다. POSTECH은 동우화인켐, SK텔레콤, LG전자, 키사이트테크놀로지스, 와이테크(Y.Tech) 등 국내외 선도기업과 함께 세계 첫 ‘디스플레이 내장형 안테나’ 기술을 27일 발표했다. 홍원빈 교수 연구팀을 중심으로, 여러 기업이 뭉친 국내 첫 다자간 산학협력 모델의 첫 공동작품이다. 이 디스플레이는 이미 실제 통신 테스트도 완료되어, 앞으로 지금까지 구현된 적 없는 새로운 휴대폰이 나올 것으로 기대를 모은다. 1GB(기가바이트)의 영화 한 편을 1초 만에 다운로드 받을 수 있다고 알려진 5G는 우리가 사용하는 LTE 속도에 비해 무려 20배 이상 빠른 통신 속도를 자랑한다. 문제는 바로 ‘안테나’다. 5G는 초고주파수를 잡아 사용하기 때문에, LTE가 신호를 1천개 받아내어 통신을 운용할 수 있었다면, 5G는 그 10배인 1만개의 신호를 조합해 통신이 연결되도록 해야 한다. 따라서 안테나 역시 그에 맞게 개수가 많아지게 된다. 문제는 급격히 ‘슬림화’되는 추세 속에서 접혀지기까지 하면서 고성능을 구현해야 하는 미래 스마트폰 시장이다. 이동성에 중점을 두어야 하는 스마트폰의 특성상, 공간이 제한되는 점을 고려할 때 안테나의 개수는 항상 중요한 과제였다. 실제로 많은 기업들이 5G 상용화에는 안테나 기술이 핵심적이라는 판단 아래 다양한 5G 안테나 기술을 경쟁적으로 선보이고 있다. 이런 상황에서 전자전기공학과 홍원빈 교수팀은 아예 안테나를 디스플레이에 내장할 수 있는 새로운 개념의 원천 기술을 개발, 미래 상용화 가능성을 선보였다. 이 안테나는 기존 휴대폰 속 부품과 달리, OLED나 LCD 등의 고화질 화면에서 전혀 눈에 보이지 않으면서도 공간을 차지하지 않고도 수십개의 안테나를 장착할 수 있다. 연구팀과 동우화인켐은 투명 박막 소재를 개발, 이 소재로 안테나로 구현했다. 그리고 LG전자 스마트폰에 이 디스플레이를 적용, SK텔레콤의 5G 디바이스 테스트랩에서 28 GHz 신호를 이용해 초고주파 무선통신 송수신 효과를 검증하는데 성공했다. 특히 이번 연구성과는 대학이 중심이 되어 국내외 대표 기업들이 참여하는 ‘다자간 산학협력 체계’의 국내 첫 사례라는 점에서 큰 의미를 가진다. 이 연구 성과는 전자전기공학 분야 대표 저널 중 하나인 IEEE 트랜잭션 온 안테나 앤 프로퍼게이션(IEEE Transactions on Antennas and Propagation)에 발표됐다. 연구를 주도하고 있는 홍원빈 교수는 “이번 공동 연구의 첫 단계로, 키패드를 없애며 혁신에 성공한 풀터치폰처럼, 안테나를 디스플레이로 옮겨옴으로써 현재 무선 통신 단말기의 물리적 제약을 근본적으로 극복한 기술”이라고 설명하며 “혁신적인 5G 스마트폰 뿐만 아니라, 우리나라의 미래 단말 상용화를 앞당기는데 이바지할 것으로 기대한다”고 밝혔다. SK텔레콤 박종관 5GX Labs장은 “SK텔레콤은 세계 최고의 5G 서비스를 제공하고 확대하며, 새로운 기술의 개발에도 앞장설 것”이라고 밝혔다. 한편, 이 연구에는 정보통신부 산하 정보통신기획평가원도 부분적인 지원이 포함됐다.

창의IT 백창기 교수팀, 반도체 공정 기반 실리콘 열전소자 대량생산 기술 개발

[버려지는 폐열 에너지 회수용 고성능 실리콘 나노선 열전소자 구현 성공] 우리나라 산업 폐열량은 국내 에너지 소비량의 4분의 1 정도로, 활용되지 못하고 그대로 버려진다. 이 폐열 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 필요한 것이 열전소자인데, 이렇게 열에너지를 전기로 변환하는 반도체를 열전소자라고 부른다. POSTECH 연구팀이 기존 반도체 공정을 활용해 대량생산이 어려웠던 열전소자를 친환경적인 실리콘 물질을 활용하여 대량생산할 수 있는 길을 열었다. 창의IT융합공학과 백창기 교수와 김기현 교수, 전자전기공학과 박사과정 이승호 씨 연구팀은 반도체 공정을 이용해 대량생산이 가능한 고성능 실리콘 나노선 열전소자를 구현하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 나노분야의 세계적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)에 최근 게재됐다. 지금까지 열전소자는 비스무스 텔루라이드(Bismuth telluride, Bi2Te3)라는 물질로 만들었다. 비스무스와 텔루라이드의 화합물인 이 물질은 고가인 데다 자원도 희소하고 유독성 물질이어서 대량생산과 상용화에 어려움이 있었다. 반면 실리콘은 값도 싸고 친환경 물질인 데다 반도체 공정으로 대량생산이 가능하다는 장점을 가지지만 열전도도가 높아 효율이 낮아서 활용하지 못했다. 연구팀은 반도체 공정 기술을 활용해 실리콘 물질의 열전도도를 획기적으로 낮추는 데 집중했다. 연구팀은 세계 최초로 실리콘 나노선의 포논*1 이동(열전달)을 제어하는 반도체 공정 기술을 개발하여 실리콘 열전소자의 효율을 향상하는데 성공했다. 재료 내부의 열은 포논으로 전달되는데 포논의 이동이 억제되면 열의 흐름이 느려지고 열전도도가 감소해 열전소자의 성능을 향상할 수 있다. 이 공정 기술을 활용해 포논의 다양한 산란을 유도해 열전도도를 기존 벌크 실리콘 대비 15분의 1수준으로 감소시키는데 성공했다. 또 실리콘 나노선 열전소자를 제작해 기존 열전소자보다 우수한 개방전압 및 전력을 생산하는 데도 성공했다. 기존의 반도체 공정 기술과 실리콘 물질을 활용해 제작 단가를 낮추면서도 대량생산이 가능한 고성능 실리콘 열전소자를 제작할 수 있어 열전소자의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대를 모은다. 또 연구팀이 보유 중인 다양한 원천기술(국내출원:3건, 미국출원:1건)을 기반으로 포스코ICT, 포스텍 벤처회사 싸이츠(대표이사 백창기 교수), 포항산업과학연구원과 경원이앤씨, 파워큐브세미, 나노종합기술원, 나노융합기술원, 씨엔씨티에너지 등 다수의 협업 기관과 함께 철강 공정 및 열병합발전 등에서 버려지는 폐열에너지를 활용해 전기를 생산하는 실증연구를 진행할 예정이다. 폐열 에너지는 국내 1차 전체에너지 소비기준으로 약 24.8 %가 버려지는 폐열 형태로 배출되고 있는데 이것을 전기에너지로 직접 변환할 경우 상당한 양의 에너지 절감 및 온실가스 감축에 기여할 수 있다. 백창기 교수는 “다양한 열에너지원을 전력으로 생산할 수 있도록 효율 개선을 통해 에너지 절감과 온실가스 저감기술로 널리 활용될 것으로 기대된다”며 “국산 신에너지 기술을 지속적으로 개발해 다양한 산업현장에서 실증을 통해 상용화 할 예정”이라고 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부 '스마트 산업에너지 ICT융합컨소시엄사업'의 지원으로 수행됐다. 1.포논(Phonon) 고체를 구성하는 원자들이 흔들릴 때 전파되는 양자화된 입자. 포논은 고체의 비열, 열전도도 등을 결정하는 중요한 역할을 수행