금속 없는 고분자 복합체로 전자파 막는다 - 그래핀보다 훨씬 우수한 2D 新나노소재(전이금속 카바이트) 응용기술 개발 - 다층적층구조에 의한 강한 내부다중반사 효과 규명하여 우수한 전자파 차폐 입증 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)은 전자, 통신, 운송, 항공, 군사 장비들에서 발생하는 전자기파 간에 의한 간섭 현상으로, 이 현상은 장치들의 오작동 원인이 될 뿐만 아니라 인간에게 유해한 영향을 줄 수 있다. 특히, 최근 전자 장치들이 소형화, 고집적화 및 고기능화 되면서 장치간의 전자파간섭 현상에 의한 오작동 문제가 더욱 심각해지고 있다. 최근 국내 연구진이 이러한 전자파 간섭을 막는 금속을 사용하지 않은 전자파 차폐 소재(EMI Shielding Materials)개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구단 구종민 박사팀은 미국 Drexel 대학교 Yury Gogotsi 교수팀과 공동연구로 ‘MXene’이라 불리는 2D 新나노재료, 전이금속 카바이트(Transition Metal Carbide)를 이용하여 전기전도성이 우수하면서도 가볍고, 저가이며, 가공성 또한 우수한 전자파 차폐 소재를 개발했다. 전자파 차폐 소재는 전자파간섭 현상을 차단하는 소재로서, 전기전도성이 높은 소재일수록 전자파차폐 효율이 우수한 특성을 가진다. 기존에는 은, 구리와 같은 금속 소재들이 주로 사용되었지만 밀도가 높고, 제조비용이 비싸며, 무겁고 부식이 되기 쉬웠으며, 가공이 어려운 단점을 가지고 있어 차세대 모바일 전자/통신 장치들에 사용에 한계가 있었다. 구종민 박사팀은 기존 소재들의 문제점들을 극복하기 위해, 2D 나노재료인 전이금속 카바이트(Transition Metal carbide (MXene))를 포함하는 고분자 복합체를 이용하여 마치 흑연의 구조와 유사한 다층적층 구조의 전자파 차폐가 우수한 소재를 개발했다. 전이금속 카바이트(MXene) 소재는 티탄늄(Ti )과 같은 중금속 원자와 탄소 (C)원자의 이중 원소로 이루어진 나노물질로서 형상적으로는 1nm(나노) 두께 와 수 μm(마이크로미터) 길이를 가지는 이차원적인 판상구조를 가지는 2D 나노 재료이다. 기존 나노재료들에 비해 제조 공정이 간편하고 저비용으로 생산 가능할 뿐만 아니라 표면에 다수의 친수기(물과 친화성이 강한 원자단)를 포함하고 있어, 용매에 분산이 용이하고 고분자 복합체 제조가 용이하다. 또한 우수한 전기전도성을 가지고 있어 전기전도성이 요구되는 다양한 필름, 코팅 제품 응용에 유리한 특성을 가진다. 전이금속 카바이트 고분자 복합체는 기존 고분자 복합체에 비해 매우 얇은 두께에서도 우수한 전자파차폐 특성을 보인다. 이는 우수한 전기전도도(5000S/cm)를 가지고 있을 뿐만 아니라, 45μm(마이크로) 두께의 얇은 필름 상에서 92dB라는 기존의 금속필름과도 비견될만한 우수한 결과(*그림 3 참조)를 나타냈다. 이는 필름 내에서 MXene들이 다층 적층 구조로 되어있어 필름 내에서 강한 내부다중반사(Internal Multiple Reflection) 효과를 발생시켜 전자파를 흡수하기 때문이다. 연구진은 이번에 개발된 고분자 복합체는 스핀코팅, 스프레이코팅, 롤가공 등의 다양한 필름가공과 코팅성형이 가능하여 향후 전자파차폐재 상용화 연구에도 매우 유리한 장점이 있을 것으로 전망했다. KIST 구종민 박사는 “본 연구의 전이금속 카바이트(MXene) 고분자 복합체는 기존 소재에서 구현하기 힘들었던 우수한 전기전도성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 용이한 가공성, 저비중, 저비용, 고유연 특성들을 가지고 있어 전자파차폐소재 뿐만 아니라 다양한 전자소재분야에도 응용이 기대되는 소재이다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 MXene 고분자 복합체를 이용한 전자파차폐소재 상용화 후속연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 대표적인 융합연구의 형태로 이루어졌으며, 미국 Drexel University, Yury Gogotsi 교수팀과 공동으로 수행되었다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희) 미래원천기술개발사업, 산업소재원천기술개발사업, 해양경비안전사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Science’에 9월 9일자(한국시간) 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 Faisal Shahzad - (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 박사, Drexel University Yury Gogotsi 교수 <그림자료> <그림 1> Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 필름 제조 모식도 Ti3C2Tx MXene 표면에 다양한 관능기가 존재하여 고분자 (SA)와의 친화도가 우수하여 고분자복합체 제조 및 필름 성형이 용이하다. <그림 2> Ti3C2Tx 및 Ti3C2Tx-SA 고분자 복합체 형상 및 특성 2D 나노 판상구조의 Ti3C2Tx MXene 및 이를 이용한 MXene 고분자 복합체 이미지와 두께에 따른 전자파 차폐 특성을 보인다. Ti3C2Tx는 1나노미터(nm) 두께에 수 마이크로미터 (μm) 길이를 가지는 2D 판상구조이며 고분자 복합체 제조시 여러 층이 적층된 구조를 보이고 고분자 내에 잘 분산 된다. 또한 두께에 따라 전자파차폐성능이 증가하며 2.5마이크로미터 두께에서 58 dB, 45마이크로미터 두께에서 92dB 의 높은 전자파차폐특성을 보인다. <그림 3> Ti3C2Tx-SA 전자파차폐 특성 비교 및 메커니즘 기존 전자파차폐재료와 비교했을 때 MXene 고분자 복합체는 기존 고분자복합체 재료에 비해 매우 우수한 전자파 성능을 보이며 그 특성은 금속필름의 특성에 가까운 우수한 특성이다. 이러한 우수한 전자파차폐특성은 2D 나노 판상구조인 MXene이 우수한 전기전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 필름 내에서 MXene들이 다층 적층 구조로 존재하여 필름 내에서 강한 내부다중반사(internal multiple reflection) 효과가 발생하기 때문이다.

KIST, 고효율·저가형 촉매 원천기술 개발로 수소에너지 상용화에 기여 - 고가의 귀금속 촉매 대체할 저렴한 니켈계 촉매 사용으로 수소 에너지 경제성 향상 - 친환경 물 분해과정을 통한 수소에너지 상용화 및 보급화에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행 중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매 비용보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일하여 수소 에너지 상용화에 한발짝 더 가까워질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 하지만 상용화를 위해서 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫째로 현재 많이 사용되고 있는 수소에너지 발전 방식은 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 ‘수소 스테이션’ 방법이다. 이 방법은 고순도의 수소를 환경파괴 없이 생산할 수 있지만 웬만한 건물 크기에 맞먹는 대용량 수조가 필요해 도심의 에너지 공급원으로 사용하기 위한 전극의 소형화가 필요하다. 둘째, 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 사용되고 있는데 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구된다. 셋째, 현재까지는 백금 촉매가 물을 수소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 니켈계 금속 또는 화합물 촉매의 경우는 백금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(백금 가격의 1/100)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목하였다. 이에 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다. 이는 또한, 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여줌과 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다. 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것이다. 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다. KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다.”라며, “그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희)의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 그리고 한인도협력센터 GKP (Global Knowledge Platform) 사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 Nano Energy (IF: 11.553) 8월호에 게재되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. * (논문명) Rationalization of electrocatalysis of nickel phosphide nanowires for efficient hydrogen production - (제1저자) 한국과학기술연구원 정영훈 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 이승철 박사 <그림자료> <그림1> 인화니켈 나노선 촉매를 통한 고효율 수소 발생 반응 스킴. 인화니켈 나노선은 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 인화니켈을 나노 선으로 성장시키는 과정 및 반응 사이트 분석 <그림 3> 인화니켈 나노선에서 양자역학적 계산을 통한 반응 메커니즘 분석 및 싱크로트론 X-ray로 촉매 전자 구조 분석

온도차를 전기로 생산하는 고효율‘열전소재’개발 - 열전 반도체의 전기적 성질을 나노구조로 조절하는 새로운 기술 - 고효율 열전 반도체의 새로운 생산 방법 제시 열전 반도체는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 바꾸거나, 전기로 소재를 직접 냉각하는 전자냉각 시스템(소형냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등)에 사용되고 있으며, 최근 IoT 소자와 웨어러블 기기의 전력원으로 크게 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 소재의 구조 제어만으로 열전 반도체의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 백승협, 김진상 박사 공동연구팀(제1저자 김광천 연구원, 박사과정)은 대표적인 열전 반도체인 비스무스 텔루라이드* 소재의 성능을 좌우하는 전자 농도를 외부 불순물을 첨가하지 않고 소재의 미세구조 조절로 가능하다는 새로운 물리현상을 발견했다고 밝혔다. *비스무스 텔루라이드 : 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있음. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용 열전 반도체에서 전자의 농도는 소재의 냉각능력 및 발전능력을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 열전 반도체에서 전자의 농도는 통상적으로 불순물을 첨가하는 도핑기술이 사용되어 왔다. 이에 반해, 본 연구는 소재 내 구조 결함을 이용하여 전하의 농도를 제어하는 새로운 방법을 제시하고 있다. 열전소재 내 배향이 서로 다른 두 개의 결정입자가 서로 만났을 때 형성되는 결정계면에서는 결정입자 내부에서 유지되고 있던 원자결합 규칙이 깨지게 되므로, 원자들은 원래 있어야 할 위치에서 미세하게 벗어나게 된다. 계면에서 일어나는 원자 결합구조의 변화로 인해서 본래 재료에는 존재하지 않는 새로운 특성이 발현된다. 본 연구진은 비스무스 텔루라이드 열전반도체에 존재하는 결정립 계면에서 자유전자가 생성된다는 사실을 발견하고 이에 대한 물리적 원인을 제시하였다. 금속유기화학 증착법(MOCVD)을 이용하여 결정계면의 농도가 서로 다른 비스무스 텔루라이드 박막을 성장시키고, 결정계면의 농도에 비례하여 자유전자 농도가 증가하는 것을 관찰하였다. 실험뿐 아니라 계산을 통해서 계면에 존재하는 원자들의 위치 변화가 소재의 전자구조를 변화시켜 자유전자를 생성할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 본 기술은 불순물 도핑을 통하여 단결정 형태로 생산되어오던 기존 비스무스 텔루라이드 열전소재를 도핑이 필요치 않는 다결정 형태로 제조가 가능함을 의미하며, 이는 생산에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다. 백승협 박사는 “본 연구를 통해 열전 반도체 뿐 아니라, 비슷한 결정 구조를 갖는 이차원 층상구조 칼코게나이드(layered chalcogenide, 예를 들어 이황화몰리브텐(MoS2)와 같은 다양한 반도체 소재에서 전기적 특성을 이해하는 데 새로운 시각을 제공할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 본 연구는 국가과학기술연구회(이사장 이상천) 창의형 융합연구사업 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제 저명저널인 ‘Nature Communications’(IF:11.32) 8월 16일자 온라인으로 게재되었다. * (논문명) Free-electron creation at 60o twin boundary in Bi2Te3 (Nature communications, 2016. 8. 16 18:00(한국시간)온라인 게재) - (제1저자) 한국과학기술연구원 김광천 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 백승협 박사 한국과학기술연구원 김진상 박사 <그림자료> 그림 1. 비스무스 텔루라이드 결정계면에서 생성되는 전자 모식도 (왼쪽 결정립과 오른쪽 결정립계면에서 전자형성) 그림 2. 비스무스 텔루라이드 결정계면의 전자현미경사진 및 결정계면의에 따라 증가되는 전자 농도

꿈의 물질 그래핀으로 질병 진단하는 바이오센서 개발 - 반도체 공정을 이용한 그래핀 미세 패턴의 대면적 구현 - 피 한방울에 존재하는 극미량의 단백질 검출 가능 최근 국내 연구진이 ‘꿈의 물질’이라 불리는 그래핀을 대면적 패널(4인치 웨이퍼)로 구현하여, 다양한 질병 및 질환들을 진단할 수 있는 고감도 바이오센서 제작기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 바이오마이크로시스템연구단 황교선 박사팀은 반도체 공정기술을 적용하여 수십 마이크로미터(10만~100만 분의 1 미터)의 패턴을 정교하게 구현한 그래핀 바이오센서를 제작하였다. 이 센서는 혈액 검진을 통해 피 한방울에 들어있는 특정 단백질의 양을 파악함으로써 질병 발현 유무를 알 수 있다. 특히, 그래핀 센서는 감도가 매우 우수하여 혈액 내 극미량(피코그램(pg/mL)*1조분의 1그램)의 바이오마커(질병표지 단백질)를 빠르고 정확하게 검출해 내어 다양한 질병의 체액 진단이 가능하다. 개발된 센서 기술의 상용화를 위해서는 민감도와 재현성 등의 센서 성능이 우수해야할 뿐만 아니라 대면적에서 센서를 구현하여 제작 단가를 낮추는 제작법이 매우 중요하다. 그러한 측면에서 본 그래핀 바이오 센서 제작 기술은 대면적 구현 가능성을 확보한 상용화 후보 기술이라고 할 수 있다. 그래핀 바이오센서는 혈액 내 존재하는 극미량의 베타아밀로이드 단백질을 검출하여 대표적 노화 질환인 알츠하이머 치매를 쉽고 빠르게 진단가능할 것으로 보인다. 유전자 변이 쥐 (Transgenic (TG) mouse)와 정상 쥐 (Wild Type (WT) mouse)의 혈액을 이용하여 치매 혈액 진단 가능성을 확인하였고, 현재 연구진은 정상인과 환자를 구분 할 수 있는 임상 시험 자료를 확보한 상태다. 본 연구는 대표적인 융합연구의 형태로 이루어졌으며 KIST 김영수 박사 연구팀과 유전자 변이 쥐 관련 연구를 공동 수행하였고, 중앙대학교 장석태 교수팀과 그래핀 센서 제작 기초 성능 평가 연구를 공동 수행하였다. 올해 초 개발된 치매혈액진단시스템을 기업에 기술 이전한 경험이 있는 황교선 박사팀은 치매 뿐만 아니라 암, 당뇨, 우울증 등 다양한 질환을 조기에 진단할 수 있는 가능성을 평가하여 상용화에 이를 수 있도록 후속연구에 박차를 가하고 있다. KIST 황교선 박사는 “본 연구 결과로 혈액 검사라는 쉬운 방법을 통해 다양한 질병이 진단 가능한 고감도 센서의 상용화에 한발 더 접근했고, 대면적에 구현할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다”며, “다양한 질병의 적용 가능성을 확인하기 위하여 국내외 임상 기관과 협력하여 임상 연구를 수행할 예정이다.”고 밝혔다. 향후 이 기술이 상용화 되면 누구나 편리하게 혈액검진으로 각종 난치병을 포함한 질병을 진단 가능할 것으로 기대된다. 본 연구는 KIST 기관고유 미래원천기술개발사업과 개방형 연구사업(ORP)과 보건복지부가 시행하는 질환극복기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 우수 과학 저널인 ‘Scientific Reports’에 8월 10일자 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Wafer-scale high-resolution patterning of reduced graphene oxide films for detection of low concentration biomarkers in plasma - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김진식 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황교선 박사

나뭇잎처럼 광합성을 통해 화학원료 대량생산하는 인공광합성 시스템 개발 - 태양전지-촉매 융복합 기술을 이용한 고효율 인공광합성 디바이스 개발 - 인공광합성을 통해 새로운 패러다임의 지속가능한 화합물 생산 방법 제시 나뭇잎이 에너지를 얻는 자연의 섭리처럼 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가화합물(화학원료)을 대량생산할 수 있는 세계 최고 수준의 인공 광합성 시스템 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권, 김홍곤, 황윤정 박사 연구팀과 고려대학교 그린스쿨대학원 태양전지 연구팀(김동환, 강윤묵 교수)은 태양전지기술과 촉매기술의 융복합을 통하여 태양광 에너지만으로 작동하는 자가구동, 일체형 인공광합성* 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다. * 광합성 : 식물 나뭇잎이 태양빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 탄화수소(포도당)를 만들어 내는 기작을 의미함 자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지 않고 태양에너지를 직접적으로 고부가화합물로 바꾸어 주는 인공광합성 기술은 오랫동안 꿈의 기술로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 화학원료 제조 방법이 필요한 현 시점에서 인공광합성 기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나 아직은 세계적으로 초보적인 기술수준에 머무르고 있었고, 태양광-화학원료를 대량생산 할 수 있는 구체적인 방법에 대해 아직까지 제시된 바가 없는 상태였다. 본 연구진은 태양전지-촉매 융복합 기술개발을 통해 태양광-화학원료를 효과적으로 생산할 수 있는 디바이스 구조를 제안*한 바가 있었으며 이번 연구를 통해 선행연구 결과를 확장, 발전시켜 태양광-화학원료를 대량생산 할 수 있는 시스템을 개발하고 이를 통해 꿈의 인공광합성 기술의 현실화 가능성 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다. * A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature (Journal of materials chemistry A (IF: 8.262), 2015년 3월) 인공광합성 기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술들의 융복합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물 분해를 위한 촉매 기술, 또한 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기 위한 촉매 기술은 핵심 요소 기술이라고 할 수 있다. 지금까지는 전 세계적으로 각 개별 요소 기술에 대한 연구가 주로 진행되어 왔지만 ‘KIST-고려대 그린스쿨’ 공동 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술의 통합을 통해 실질적으로 태양빛만으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스 모듈을 제작하였고 또 그 성능을 시연 하였다. 가장 일반화 되어 있는 태양전지 기술인 실리콘 태양전지 기술을 스테인레스 스틸 기판에 적용하여 광전극을 제조하였으며 이때 사용된 스테인레스 스틸 기판 반대면에 나노구조화 기술을 도입하여 물분해 특성이 획기적으로 증대된 산화전극을 개발하였다. 또한 나노구조화된 은 촉매 전극을 개발하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 고 선택적으로 생산할 수 있도록 하였다. 스테인레스 스틸 및 은 나노촉매 전극은 향후 인공광합성 디바이스를 상용화 시키는데 충분한 저가 촉매 소재라고 할 수 있다. 이 기술의 또 다른 장점은 태양빛 이외의 추가적 에너지 투입 없이 자가구동하는 시스템이라는 점이며 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다. 단일 디바이스 8개를 모듈화하여 대량생산이 가능한 시스템을 제시하였다. 또한 이러한 인공광합성 디바이스 효율을 향후 10% 까지 발전시킨다면, 현재 우리나라 영월군 40 MW 태양전지 플랜트 면적 (0.25 km2)과 같은 수준으로 설치, 하루 4시간씩 가동시킨다면 연간 1만4천톤의 일산화탄소를 생산할 수 있으며 이는 같은 면적에서 전력을 생산하는 것 보다 3배 이상의 부가가치에 해당한다. 민병권 박사는 ‘이번 연구는 인공광합성 시스템을 태양전지와 같은 패널형 구조로 구현함으로써 태양광-화학원료의 대량생산 가능성을 보여주는 연구결과“라고 말했으며, ”향후 인공광합성의 상용화를 위해 한걸음 진일보한 연구결과라는 점에서 큰 의의가 있다“고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 시행하는 특화전문대학원 학연협력지원사업의 지원을 받아 수행되었다. <그림자료> 사진 1. 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어 태양빛 흡수를 원활하게 하고 대량으로 화학원료 생산이 가능한 일체형 자가구동 인공광합성 디바이스 시스템.

신규 고분자 물질로 고효율 플렉시블 태양전지 제작한다 - 태양전지 내의 핵심부분을 저온 공정이 가능한 신규 고분자 물질로 대체 - 구부렸다 펴도 성능이 유지되는 고성능·고안정성 플렉시블 태양전지 구현 현재 웨어러블, 플렉시블 전자소자는 미래를 선도해갈 차세대 전자소자로 두각을 나타내고 있으며 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 여러 전자소자들 중 플렉시블 태양전지는 미래 웨어러블 기기 상용화의 핵심 기술 중 하나로 그 중요성을 인정받고 있다. 최근 국내 연구진이 높은 성능과 동시에 높은 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발하였다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정, 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 내의 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 물질(PEDOT:PSS**)을 대체할 수 있는 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발하였고 이를 사용하여 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. ※용어설명 *정공수송층 : 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 전극 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 주는 층을 말한다. **PEDOT:PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 상업적으로 구매가 가능한 대표적인 전도성 고분자이다. ***페로브스카이트 : 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속 산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정구조와 유사한 구조를 갖는다. 근래 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 분야는 급격하게 발전하여 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 것이라 기대를 모으고 있다. 플렉시블 태양전지는 플라스틱 유연기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정이 필수적인데, 본 연구팀이 개발한 신규 고분자 물질은 저온에서 용액공정으로 제작이 가능한 플렉시블 태양전지에 더 적합한 물질이라고 볼 수 있다. 기존의 페로브스카이트 태양전지는 전극 사이의 경계면 층에 사용되는 물질들이 고온공정이 요구되어 플렉서블 소자 구현에 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위하여 저온공정이 가능한 소자들이 제안되고 있으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 모습을 보이고 있었다. 가장 문제가 되고 있는 부분은 정공수송층으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS**이다. 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 상업적으로 구입이 가능하여 널리 이용되고 있었으나 강한 산성을 지니고 있어 인접한 층의 부식을 가속화 시키고 페로브스카이트와 적합하지 않아 많은 에너지 손실을 야기했다. KIST 손해정, 고민재 공동연구팀은 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대체하여 라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용하였다. 이 고분자는 물 혹은 물/알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 손쉽게 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인하였고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증하였다. 이를 이용하여 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록하였다. 기존 물질을 이용한 소자가 8.4%의 전력변환을 보였다는 점을 감안하였을 때 이러한 효율은 물질의 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다. 또한, 물질은 기존과 달리 중성의 성질임을 확인하였으며, 이는 태양전지 소자의 안정성을 향상시켜 대기 중에서 장기안정성이 3~4배 향상된 결과를 도출하였다. 연구책임자인 손해정 박사는 “이번에 개발된 신규 전도성 고분자 소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 지대한 기여를 하였고, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다” 라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 7월 5일자에 표지논문으로 게재되었다. <그림자료> <그림 1> (a) 본 연구에서 사용한 페로브스카이트 태양전지의 구조 (b) PhNa-1T의 화학구조 (c) 소자 각층의 에너지레벨 (d) 정공수송층의 표면거칠기 (e) 정공수송층의 투과도 <그림 2> (a) 플렉서블 페로브스카이트 태양전지의 전압-전류 곡선 (b) 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 (c) PEDOT:PSS를 이용한 태양전지의 측정방향에 따른 전압-전류곡선 (d) PhNa-1T를 이용한 태양전지의 측정방향에 따른 전압-전류곡선

KIST, 당뇨병 진단용 스마트 콘택트렌즈 시제품 가시화 - 콘택트렌즈형 당뇨병 진단 스마트 플랫폼 개발 - 요소 기술별 시제품 제작 현실화 국내 연구진이 혈액이 아닌 눈물을 분석함으로써 당뇨병에 대해 보다 간편하고 정확한 자가 진단 및 관리가 가능한 콘택트렌즈형 센서 플랫폼을 개발했으며, 실제 제품 제작을 가시화하였다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 눈물을 이용한 당뇨병 진단이 가능하도록 콘택트렌즈형의 진단기기를 개발했으며, 전체 기기를 이루는 각 요소기술에 대한 시제품 제작에 성공했다고 밝혔다. 구글을 포함하여 세계 다수의 그룹에서 그동안 개념적으로만 발표를 했던 콘택트렌즈형 센서를 실물로 제작하게 된 것은 큰 기술의 진보로 평가 되고 있다. 콘택트렌즈형 당뇨센서의 실제 작동을 위해서는, 눈물 속 미량의 글루코스를 검출해 낼 수 있는 높은 감도와 눈물 속 여러 가지로 혼재 된 표지자 중 글루코스만 선별적으로 검출할 수 있는 높은 선택도*가 보장된 센서가 필수적이다. 또한, 인체 정보를 갖고 있는 Basal tear**를 눈에 자극 없이 안정적으로 포집할 수 있는 기술, 센서 운용 및 측정 데이터의 외부 통신을 위한 집적 회로 설계/제작 기술, 그리고 전원 공급을 위한 박막 2차전지 기술이 동반 되어야 한다. * 선택도 (selectivity): 눈물 속에는 당뇨병의 척도가 되는 글루코스 뿐 아니라 ascorbic acid나 uric acid와 같은 다른 표지자도 같이 존재하게 된다. 이러한 다른 표지자와 섞여있는 글루코스만을 골라서 측정을 해야 정확한 당뇨병 진단으로서 실질적 가치가 있게 된다. ** Basal tear: 눈물에는 항상 안구를 감싸면서 보호하는 basal tear와, 물리적/감정적 자극에 의해 많은 양이 ‘분출되는 눈물’이 있다. 우리 몸 상태의 정보를 갖고 있는 눈물은 basal tear이며 다른 자극에 의해 basal tear 이외의 눈물 생성으로 질병 표지자의 농도 변화를 제어할 수 있어야 눈물에 의한 정확한 진단이 가능 하다. 본 기기의 기술적 특징은 다음과 같다. ■ 인체내 또는 피부 내층에 이식/삽입하지 않고, 사용자의 접근성과 편의성을 고려하여 당뇨병을 지속적으로 체크 할 수 있는, 비침습형 자가구동 인체친화/호환형 모니터링 플랫폼. ■ 기존의 혈액을 이용하는 방식의 한계를 극복하기 위해, 눈물 내의 표지자를 이용한 모니터링 방식으로, 콘택트렌즈 상에 초소형, 초고감도 센서 플랫폼을 구현하여 질병 등의 건강 상태를 모니터링. ■ 인체의 정보를 갖는 눈물은 항상 안구를 코팅하고 있는 basal tear로서 이의 안정적 포집을 위해 콘택트렌즈상에 미세 배관 구조를 도입하여 약 7 μL의 눈물을 15초내에 포집이 가능. ■ 센서의 감도는 현재 110 μA/mM？cm2이상을 달성했으며, 글루코스의 센싱은 다른 눈물내 표지자와 완전히 다른 전압에서 이루어지므로 높은 선택도가 확보 됨. ■ 초소형 플렉서블 박막 2차전지를 렌즈상에 적합화 하여, 센서의 자가 구동과 지속적인 모니터링을 가능하게 하며, 초소형 집적 모듈에 전력을 공급하여 센싱 신호의 외부 통신이 가능하게 함. ■ 2차전지의 용량은 현재 25 μAh/cm2？μm가 확보된 상태이며, 전지의 두께의 조정을 통해 최적화된 작동 조건 도출. ■ 센서 운용 및 외부 통신 모듈은 최종적으로 1 x 1 mm의 칩으로 제작될 예정이며, 현재 4 x 4 mm의 테스트용 칩 제작을 마침. ■ 개발된 플랫폼은 투명 소재/소자와의 융합으로, 궁극의 휴대용 디스플레이로서의 확장이 가능하며, 컨텐츠의 장착이 가능한 형태로 진화 가능함. KIST의 차세대반도체연구소를 기반으로 하는 해당 연구팀은, 센서, 재료, 시스템 등 다양한 분야의 전문가들이 참여한 BT/NT/ET/IT 융합 연구팀으로 2011년부터 스마트 콘택트렌즈 개발을 위한 기술을 기획/연구해 오고 있다. 연구팀은 현재, 구현된 각 요소 기술에 대한 시제품들이 결합된 전체 플랫폼 구성과 전체적 성능향상에 대해 연구를 계속하고 있다. 약 2년 후 결합된 플랫폼 시제품이 도출되게 되면 상용화를 목표로 식약처 인증 절차를 진행 할 예정이다. KIST 송용원 박사는 “이번 연구결과는 스마트 콘택트렌즈의 현실화에 대한 가능성을 보여주어, 우리나라의 관련 분야 세계 기술 선도 및 신시장 창출이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 “개발된 콘택트렌즈는 다양한 질병진단과 신약개발 등을 위한 플랫폼으로 진화할 예정이며, 정보통신 기술 연계로 응용 분야를 확장 할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)에서 지원하는 ‘바이오의료기술개발사업’의 일환으로 수행되었으며, 제작된 시제품은 7월 13일(수)부터 3일간 일산 KINTEX에서 열리는 <2016 NANO KOREA>에 전시될 예정이다. * 전시제목: 당뇨병 진단을 위한 KIST 스마트 렌즈. ○ 참여 연구진 ■ Dr. 송용원, 책임연구원, 광전소재연구단, KIST ■ Dr. 최지원, 책임연구원, 전자재료연구단, KIST ■ Dr. 김진석, 책임연구원, 바이오닉스연구단, KIST ■ Dr, 이현정, 선임연구원, 스핀융합연구단, KIST ■ Dr. 이지연, 선임연구원, 화학키노믹스연구센터, KIST ■ Dr. 박재현, 선임연구원, 광전소재연구단, KIST ■ Prof. 강자헌, 안과교수, 강동경희대학교병원 ■ Prof. 정인경, 내과교수, 강동경희대학교병원 ■ Prof. 김영균, 안과교수, 강동경희대학교병원 ■ Prof. 김병섭, 전기전자공학과, 포항공과대학교 ■ * 특허 정보 [KIST K06845] ‘비침습형 건강지표 모니터링 시스템 및 이용 방법’, 국내 등록번호 10-1535075 (2015년 7월 2일 등록). <그림자료> <그림1> 나노코리아 전시 포스터 <그림2> 나노코리아 전시 사진

KIST, 세계 최초로 그래핀 활용한 미세패턴 금속박막 제조공정 기술 개발 - 그래핀을 박리층으로 이용하여 손상 없는 미세 패턴 전주도금 박리 성공 - 친환경/저비용 금속박막 제조 공정기술 개발 및 차세대 유연회로기판 제조 공정기술로 활용 기대 최근 한국과학기술연구소(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경)복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 이상현 박사팀(노호균, 박미나 연구원)이 그래핀과 전기화학적 도금방법(전주도금)을 사용하여 이동이 쉬운(프리스탠딩) 금속 박막 제조 공정기술을 개발하였다고 밝혔다. 최근 각광받고 있는 탄소기반 신소재인 그래핀은 원자 한 층 두께인 약 2.3 옴스트롱의 두께와 높은 전기 전도도를 가지고 있다. 또한 화학적으로 매우 안정하여 원자간 결합이 이루어지지 않아 접착력이 매우 낮으며, 인체와 환경에 무해하기 때문에 전주도금 박리제로써 최적의 조건을 만족하고 있다. 이러한 그래핀을 몰드의 표면에 코팅한 후 그 그래핀 상에 전주도금을 진행하고 박리함으로써 친환경적이고, 저비용으로 미세패턴 금속박막 제조에 성공하였다. 전주도금은 전기도금을 이용하여 원하는 형상의 소재를 정확하게 복제하는 기술로서 조형물을 원형으로부터 벗겨내기 위해서는 원형 표면에 낮은 접착력과 얇은 두께, 높은 전기전도도를 가진 박리제가 필수적으로 코팅되어야 한다. 하지만 기존의 박리제는 높은 접착력과 30마이크로미터 이상의 두께 때문에 미세 패턴의 제작이 어렵고, 1회 사용 시 다시 코팅하여야 하며, 매우 유독하여 작업자의 건강과 환경에 심각한 문제를 야기하는 등의 단점을 가지고 있었다. <그림자료> <그림1> 새로운 공정기술로 만들어낸 그래핀이 코팅된 몰드는 박리 후에도 그래핀이 몰드에 완벽하게 남아있어 반 영구적인 사용이 가능하며, 수 마이크로 크기의 패턴도 완벽하게 구현해냈다. 또한 연구진은 본 기술을 활용하여 LED용 유연회로기판을 만들어 정상 작동하는 것을 확인하였고, 이를 통하여 유연한 특성을 가진 전자소자 부품으로 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다. 본 연구결과는 나노분야 권위 있는 국제학술지인 “Nanoscale”(IF : 7.76)에 6월23일(목) 온라인 게재되었으며, 7월호(7월 7일자) 표지논문(Back Cover Article)으로 게재된다. KIST 양자응용복합소재센터의 이상현 박사는 “부가가치가 높은 매우 얇은 금속판 또는 미세한 패턴을 가진 금속을 만들기 위해서는 고비용이 소요되는데, 이번 성과를 활용하여 공정시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것”이며 “전지용 전극소재 뿐만 아니라 미래의 전자소자용 부품 제조를 위한 원천기술로 다양한 분야에 접목이 가능할 것”이라고 말했다. <그림 2> KIST 이상현 박사팀은 기존의 전주도금 박리제로 사용되어진 이산화 셀레늄이나 중크롬산 계열 등의 매우 유독한 물질 대신 그래핀을 이용하여 전주도금 제품의 박리를 성공하였다. 그래핀은 화학적으로 매우 안정하여 도금제품과의 화학적 결합이 되지 않기 때문에 매우 낮은 접착력을 보여주고, 그로 인하여 약한 기계적 힘을 이용하여 박리가 가능한 것을 그림 1을 통해 알 수 있다. <그림 3> 박리 후 그래핀이 몰드에 남아있는지, 제품의 표면으로 이동했는지를 확인한 결과이다. 전주도금 제품을 박리한 후에도 그래핀은 몰드에 완벽하게 남아있는 것을 Raman mapping을 이용하여 확인하였고, 몰드와 그래핀 간의 접착력과 그래핀과 전주도금 제품과의 접착력 측정을 통해, 그래핀과 전주도금 막의 상대적으로 약한 접착력을 통해 원활한 금속박막 제조가 가능함을 보여주고 있다. 미세 패턴을 가진 금속박막의 경우, 견딜 수 있는 스트레스가 매우 작기 때문에 만약 접착력이 높다면 박리시 미세 패턴이 찢어지는 등의 손상이 발생하게 된다. 이처럼 매우 낮은 접착력은 미세패턴 박리시 매우 중요한 조건 중에 하나이고, 그래핀은 이러한 조건을 매우 완벽하게 충족한다. <그림4> 해당 그림은 그래핀을 이용하여 박리한 금속회로를 함유한 유연기판에 LED를 마운팅하여 구동하였다. 평평한 경우에는 물론이거니와 곡률반경 0.45cm까지 밴딩을 진행하여도 아무 이상 없이 발광하는 것을 확인할 수 있다. 또한 신뢰도를 확인하기 위하여 밴딩테스트를 15,000회까지 진행하여도 저항의 변화가 거의 없는 것을 볼 수 있다.

KIST, 대공 발칸포 사격훈련 분석기 개발 - 국방부와 국책연구기관 간 전력지원체계 연구개발 최초 사례 - 야전부대 실전배치 결정, 육군 참모총장 감사장 수여 전쟁 발발 시, 우리 영공을 침범한 적군 항공기에 우리 군은 대공 유도탄과 대공포로 대응한다. 따라서 발칸포 사격능력을 훈련, 유지하는 것은 적기를 초기에 제압하여 국민과 아군을 보호하는데 매우 중요한 부분이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 박민철 박사팀은 국방부와의 협력을 통하여 2014년부터 국책연구기관 최초로 국방부 전력지원(비무기)체계 연구개발비 4억 3천만 원을 투자하여 「발칸 추적훈련 분석기」를 개발하였다. 기존의 훈련 및 평가방법은 발칸포 사수(射手)가 이동하는 모의표적을 따라가며 발칸포를 겨냥하면, 포탑에 함께 탑승한 훈련교관이 사수가 표적을 제대로 겨냥했는지를 육안으로 측정하여 합격여부를 판정하는 시스템이었다. 이러한 시스템은 훈련 교관의 주관성이 개입되어 판정결과의 신뢰성 문제와 훈련 및 평가를 위해 사수와 교관이 1:1로 진행하여 인력운용 측면의 비효율이 발생했다. 반면 이번에 개발된 「발칸 추적훈련 분석기」는 이러한 단점을 ‘과학적으로’ 대폭 개선하였다. 본 연구진이 개발한 시스템은 1.5m 높이에서 떨어뜨려도 깨지지 않도록 개발한 마운트 내부에 카메라를 장착하여 사수의 추적훈련 결과를 실시간으로 촬영하여 교관의 통제기(노트북 컴퓨터)로 전송한다. 교관은 통제기에서 사수 4명의 추적훈련 영상을 실시간으로 확인할 수 있다. 또한, 추적훈련 결과분석 기능을 실행하면 사수가 조준하는 조준원과 표적과의 오차 거리를 계산하여 사격점수를 산정, 훈련 등급과 시간대별 훈련수준 그래프를 제공해 줄 뿐만 아니라 녹화된 훈련 동영상을 지원해 주기 때문에 시각적인 사후 강평도 가능하게 되었다. 교관은 노트북 컴퓨터로 사수 4명의 사격결과를 실시간으로 전송 받아 종전의 1:1 훈련감독 방식에 비하여 교관 인력운용의 효율성도 개선하였다. 무엇보다 표준화된 과학적 측정 및 평가방식을 도입하여 훈련결과의 신뢰도가 확보되었고 훈련결과는 DB로 저장되어 각종 통계 및 분석 tool을 통한 사수의 특성파악, 취약점 개선에 활용할 수 있게 되었다. 본 연구에는 영상탐지(센서)기술, 통신기술, 광학장비기술, 그리고 이들 요소를 통합, 운영하는 SW 기술이 망라되었다. 공공기술을 국방 전력지원체계 분야에 적용, 과학화를 이루어낸 최초의 연구 성과사례로서 군의 자동화 요구를 충족시키면서, 동시에 병사들이 보다 안전하고 정확한 훈련을 할 수 있게 하므로 국군의 전력을 대폭 향상시킬 것으로 기대되고 있다. 본 시스템을 사용한 표적 인식률은 육군에서 요구한 90%를 초과한 96%로 다양한 환경에서도 표적 식별이 가능한 전천후 훈련평가 시스템을 구축하게 되었다. 향후에는 더욱 기술적 개량을 거쳐 야간사격 훈련, 무선통신을 이용한 데이터 전송 등도 고려하고 있다. KIST가 개발한 「발칸 추적훈련 분석기」는 2015년 여름, 국방기술품질원이 주관한 개발시험평가를 통과 후, 곧바로 전방과 후방의 6개 방공부대에서 3계절 야전 운용시험평가에서 최종 합격판정을 받은 뒤, 육군본부의 「군사용 적합판정 및 부대 배치계획 심의」에서 야전부대에 2017년경 실전 배치하도록 의결되었다. 이번 의결은 연구개발의 기술적 완성도 뿐만 아니라, 육군본부 차원에서 우리 군이 실제 야전에 이를 즉시 도입, 활용한다는 점에서도 의의가 있다. 한편, 6월 10일(금) 육군방공학교에서 열린 연구개발사업 종결식에서는 KIST 연구책임자인 박민철 박사가 육군참모총장의 감사장을 받았다. KIST는 2010년부터 비무기체계의 연구개발 필요성을 파악하고 전담조직을 설치하여 민군 기술협력을 추진하고 있으며, 궁극적으로는 국책 연구기관과 국방기관이 협력하여 국방력을 증강시키는 시스템 구축을 계획하고 있다. 이번 연구개발 성공사례는 미래 민군 기술협력의 출발점으로, KIST를 비롯한 국책 연구기관들이 이미 수행 중이거나 계획 중인 민군 기술협력사업도 탄력을 받을 전망이다. ▷ 문의: KIST 안보기술개발단 (T.958-6050, 6094) <그림자료> <그림 1> 추적훈련분석기 운용 구성도 <그림 2> 참고 사진

KIST, 2차원 흑린 원자막 소재의 숨겨진 비밀을 풀다 - 실리콘 소자를 대체할 흑린 기반 전하주입형 플래시 메모리 소자개발 - 기존의 메모리 구동 방식을 그대로 재현, 세계 최초 2차원 흑린 소재의 에너지 구조 정보 규명 실리콘 반도체를 대체할 미래 반도체로써 활발히 연구되고 있는 2차원 원자막 소재 가운데, 그래핀의 뒤를 이어 흑린(Black Phosphorus) 이라 불리는 2차원 소재에 대한 관심이 집중되고 있다. 이번에 국내 연구진이 발표한 흑린 기반의 전하주입형 메모리 소자에 대한 연구결과는 전하주입층(charge injection layer)과 전하구속층(charge trapping layer)을 모두 흑린 원자막을 사용하는 전하주입형 메모리소자에 대한 연구로 소자구조의 대칭성을 토대로 흑린 원자막의 에너지 구조 정보(에너지 밴드)를 규명함으로써 2차원 차세대 반도체 소재 연구 분야에 큰 주목을 받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 광전소재연구단 이영택 박사, 황도경 박사, 미래융합기술연구본부장실 최원국 박사/연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은 전하주입층과 및 전하구속층 모두를 흑린 원자막으로 구성된 전하주입형 비휘발성 메모리 소자에 대한 연구를 수행하였다. 연구진은 2차원 흑린 소재의 에너지 구조 정보를 실험적으로 도출하는데 성공하였고, 논리회로에 대한 연구를 수행하여 메모리 특성을 디지털 신호로 직접 읽을 수 있는 메모리 셀을 개발하였다. 일반적으로 전하주입형 메모리 소자는 우리가 일상생활에 사용하는 USB 메모리(플래시 메모리) 소자의 기본 개념으로써 한 종류의 전하를(전자 또는 홀) 전하주입층에서 전하구속층으로 일정량 충-방전시킴으로써 메모리 소자를 구동하는 방식이다. 이때 전하는 수 나노미터 두께의 절연층을 터널링(통과) 하여 전하구속층에 충전되어야 하는데 이는 특정 에너지 장벽을 넘어서는 외부전압이 인가되어야만 가능하다. 이러한 원리로 특정전압 이상의 입력신호를 이용하여 전하를 충전시켜 메모리 기능을 프로그래밍 할 수 있으며, 역방향의 입력신호를 인가함으로써 입력된 메모리 정보를 지울 수 있다. 본 연구진이 사용한 2차원 흑린 원자막 소재는 n형(전자) 및 p형(홀) 반도체 특성이 동시에 나타나는 양극성 반도체 소재로써 넓은 범위의 밴드갭을 가진다. 연구진은 2차원 흑린 소재 기반의 전하주입형 메모리 소자개발을 위하여 전하주입층과 및 전하구속층 모두 흑린소재를 사용하여 전자 및 홀의 전하주입이 가능한 “양극성 메모리 소자”라는 새로운 개념의 메모리 소자를 개발하는데 성공하였다. 이러한 전자와 홀의 이동현상을 이용하는 메모리특성을 이용하여 아직까지 실험적으로 밝혀지지 않은 이차원 흑린소재 에너지 밴드구조를 실험적으로 도출하는데 성공하였다. 이영택, 황도경, 최원국 박사는　“2차원 흑린 원자막 기반의 전하주입형 메모리소자는 현재 우리의 실생활에서 많이 사용되고 있는 저장매체인 USB(실리콘 기반)와 같은 개념의 소자의 방식을 그대로 재현했다. 이로서 구동 원리가 명확하고 신뢰성 높은 전하주입형 2차원 흑린 메모리 특성을 기반으로 생각해 볼 때, 하나의 메모리 셀에서 다양한 기억 패턴(쓰기1, 쓰기2...)을 저장 시킬 수 있는 멀티 비트 개념의 초거대 대용량 메모리 소자 구현의 가능성을 모색할 수 있다. 이 연구는 미래의 메모리 반도체 응용소자로의 실전 및 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과이다.”라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 기관고유사업 및 미래창조과학부(장관 최양희) 중견연구자 도약사업의 지원으로 수행되었으며, 6월 7일(화)자 Advanced Functional Materials에 온라인 게재되었다. <그림자료> <그림> 2차원 흑린 원자막 소재 기반의 전하주입형 메모리 소자. (a) 완성된 흑린 전하주입형 메모리 소자의 모식도 (b) 실제 소자의 단면 TEM 분석 사진 (c) 본 연구에서 규명한 흑린 원자막의 에너지 밴드 구조도 (d, e) 흑린 기반 메모리 소자의 구동 원리 및 (f) 메모리 소자의 전압구동 메모리 특성, (g) 메모리 소자의 회로 모식도