고속으로 제조 가능한 부작용 없애주는 분자밸브 나온다 - 특정 파장의 빛에 반응하여 약물을 활성화하고 방출하는 시스템 개발 - 부작용 없는 약물 전달체 및 스마트 코팅 소재개발 가속화 지원 자극 감응형 나노캡슐은 약물전달체, 화장품 소재, 세정용 소재 및 기능성 코팅 소재로 사용된다. 대부분의 나노캡슐은 연성의 물질로 이루어져 원하지 않게 분해되어 부작용을 유발하기도 한다. 최근 국내 연구진에 의해 약물 등이 원하는 조건에서만 안전하게 활성화되고 방출되는 진보된 형태의 분자밸브* 기술이 개발되었다. 분자밸브는 2016년 분자기계로 노벨화학상을 받은 美 노스웨스턴大 프레이저 스토더드(Fraser Stoddart) 교수 등이 선도적으로 수행해오고 있으며, 병을 치료하는 나노로봇을 구현하는 기반 기술 중 하나로 각광을 받고 있다. *분자밸브 : 나노공간에서 물질의 방출을 조절해 주는 화학분자 물질. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 박치영 박사팀은 기존의 분자밸브 시스템 합성보다 시간을 수십 배 단축하고, 가격을 낮추면서도 부작용을 보다 억제하는 원천 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존의 분자밸브는 견고한 나노 채널의 입구 표면에 부착되어 특정 자극에서만 열리고 닫히므로, 기존의 자극 감응형 나노캡슐에 비해 안정성이 높고 정교하다는 장점이 있지만, 합성이 복잡하고 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 또한 여전히 미세하게 약물이 방출되는 경우가 있어 부작용을 원천적으로 억제하는데 한계가 존재한다. KIST 박치영 박사팀은 식품첨가제, 의료용 제제, 잉크 등으로 폭넓게 사용되는 식물성 폴리페놀이 나노 채널의 입구 표면에서 분자밸브와 유사하게 거동하는 조건을 발견하였다. 또한 채널 내에 약물 등의 화합물을 비활성화 상태로 포집하고, 특정 파장대의 빛을 비추었을 때만 활성화 되고, 분자밸브의 구동에 의해 순차적으로 방출되도록 고안하였다. 따라서, 원하지 않는 조건에서 포집된 물질이 방출되는 일이 발생되더라도, 관련 부작용이 발생하지 않도록 설계하였다. 연구진은 이 기술이 기존의 분자밸브 시스템보다 합성이 매우 간단하고 부작용을 이중으로 억제하는 진보된 형태로, 약물전달체 및 다양한 기능성 코팅 소재 등으로 활용 가능할 것으로 전망했다. KIST 탄소융합소재연구센터의 박치영 박사는 “이번 연구를 통해 보다 복잡한 신호 전달 체계에서도 구동하는 나노로봇을 실현하는 토대를 마련할 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기본연구사업으로 수행되었고, 독일에서 발행하는 화학 분야의 세계적 학술지인 ‘앙게반테 케미 국제판’(Angewandte Chemie International Edition)에 5월 8일(월) 표지논문(Inside Cover)으로 게재되었다. <그림설명> <그림1> (좌)기존의 만년필 잉크 등에 사용되던 폴리페놀-철 이온의 착물 용액 (우)위 착물 용액을 수정 이용한 표면에 코팅된 다공성 나노입자의 분산 용액 기존 합성법은 24시간 이상 소요되고, 복잡한 공정이 필요한 반면, 다공성 나노입자에 물질을 포집하고 표면을 코팅하는데 걸리는 시간은 1시간 이내로 매우 빠르고 간단하다. <그림 2> (좌) 연구에 사용된 폴리페놀인 tannic acid의 화학적 구조 (우) 시뮬레이션을 통해 tannic acid가 SiO2 (실리카) 나노채널의 표면에 선택적으로 흡착되는 것을 확인할 수 있었고, 이들이 구리 이온과 착물을 형성할 경우 다공성 실리카의 기공을 막을 수 있음을 확인하였다. 이러한 원리로 인해 다공성 입자의 기공 내에 포집된 물질은 착물 코팅으로 안정하게 포집할 수 있다. (하) 착물은 산에 의해서 분해가 가능하며, 다공성 입자의 기공 내에 빛에 의해 산을 발생할 수 있는 물질(photoacid generator, PAG)을 같이 넣어주게 되면 착물 분해와 동시에 방출이 가능하게 된다. <그림3> (좌) 빛에 의해 포집된 물질의 형광 특성이 변하는 동시에 방출되는 과정을 관찰한 공초점 형광현미경 이미지 (우) 나노반응기 입자가 함유된 하이드로젤의 광분해 및 약물 방출 거동을 보여주는 이미지

다채로운 색상의 고안정성 창호용 태양전지 개발 - 광결정 기술 융합을 통해 다양한 색상을 갖는 투광형 태양전지 개발 - 안정성, 심미성 확보를 통한 창호용 태양전지로의 응용 가능성 제시 가까운 미래에 도시의 필요 전력을 충당하기 위한 가장 적합한 형태로 건물일체형 시스템(BIPV, Building Integrated Photovoltaic System)*이 각광받고 있다. 매년 건물일체형 태양전지는 20% 이상의 고성장을 하고 있고, 대부분을 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 하지만 대부분 단순한 응용수준에 그치고 있으며, 실리콘 태양전지가 불투명하여 현대 건축물의 창호에는 적용하는데 한계가 있었다. 최근 국내 연구진이 안정성과 심미성을 지닌, 창호용으로 사용 가능한 무기 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. *BIPV : 태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하는 태양광 발전 시스템이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권 박사와 국민대학교(총장 유지수) 응용화학과 도영락 교수 공동연구팀은 프린팅 기반 저가형 코팅공정의 박막 태양전지 기술과 1차원 광결정** 기술의 융합을 통해 다양한 색상의 창문으로 사용 가능한 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. **1차원 광결정 : 서로 다른 굴절율을 갖는 산화물 박막을 적층하여 빛의 반사도 및 반사 파장범위를 조절할 수 있는 필름 태양전지가 창호용으로 응용되기 위해서는 일정 부분 투광성을 가지고 있어야 하고, 다채로운 색상 구현을 통한 심미성 확보가 중요하다. 또한 오랜 시간 유지될 수 있는 내구성 확보가 필수적인데, 지금까지 창호용으로 개발된 유기소재 기반의 태양전지들은 안정성 확보에 어려움이 있어 상용화 단계에 이르지 못했다. 공동연구팀은 이미 안정성이 검증된 CIGS 박막 태양전지를 투명 전도성 기판에 제조하고, 1차원 광결정 필름을 태양전지 안팎으로 양면 결합을 했다. 연구진은 1차원 광결정 필름의 구조제어를 통해 빛의 투과 또는 반사 효율을 세밀하게 조절함으로써 색상의 선명도는 높이고 태양전지의 빛 흡수 손실은 최소화하는 기술을 개발하였다. 따라서 이번 연구는 다채로운 색상 구현에 성공하여 심미성을 높이고, 일정 투광성을 확보하여 창호용 태양전지로 응용 가능한 새로운 태양전지 기술을 제시한 의의를 갖는다. 연구진은 CIGS 박막 제조에 있어서 기존의 진공 증착 방법이 아닌 저가의 용액 코팅법을 이용했다. 기존의 용액공정을 통한 CIGS 박막 태양전지는 기존 진공증착법 보다 낮은 효율을 보이고 있었으나, 본 연구진은 꾸준한 기술 개발을 통해 현재 효율이 15%에 이르는 세계 최고 수준의 고효율 단위 셀 기술을 보유하는데 성공하여 저비용으로 태양전지를 제조 할 수 있는 토대를 마련하였다. KIST 민병권 박사는 “이번에 개발된 박막 태양전지 기술의 가장 큰 장점은 아름다운 색상을 띄면서도 고효율과 고내구성 및 투광성을 확보할 수 있다는 점”이라 말하며, “향후 건물일체형 창호용 태양전지에 적용하여 관련 산업 창출에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 산업통상자원부(장관 주형환)와 한국에너지기술평가원(원장 황진택)이 시행하는 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 나노 및 에너지소재분야 최상위급 과학학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces, IF : 7.145)에 5월 3일(수) 게재되었다. <그림 설명> <사진 1> 1차원 광결정 필름이 결합된 CIGS 박막 태양전지 모습. CIGS 박막 태양전지가 전도성 투명기판에 제조되었기 때문에 스크라이빙 기술을 통해 일정 부분 투광성 확보가 가능함. 광결정 필름을 태양전지 외부에 결합한 경우 외부에서 파란색(오른쪽)으로 보이지만 건물 내부에서 볼 때는 노란색(왼쪽)으로 보이게 됨. 광결정 필름의 두께 조절을 통해 빨간색, 노란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있음 <사진 2> 1차원 광결정 필름을 이용한 다양한 색상의 CIGS 박막 태양전지 모습

전자의 스핀을 이용하여 저전력 논리 소자 개발 - N형, P형 반도체 기능을 모두 수행하는 스핀 트랜지스터 개발 - 반도체 공정을 획기적으로 줄이면서 비메모리 반도체 분야에 응용 가능 국제전기전자기술자협회(IEEE)를 주축으로 이뤄진 국제 디바이스·시스템(IRDS) 로드맵이 발간한 기술 백서에 따르면 현재 반도체 생산에 활용되고 있는 상보성 금속산화막 반도체(Complementary Metal？Oxide Semiconductor, CMOS*) 공정기술은 2024년을 기점으로 더 이상 발전이 없을 것으로 예상됐다. 따라서 포스트 CMOS와 ‘모어 무어(More Moore)’시대를 열기 위한 연구가 대두되고 있는데, 최근 국내 연구진이 전자의 스핀을 이용하여 현재 반도체 집적회로인 CMOS를 대체할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다. *CMOS(상보성 금속산화막 반도체) : 집적 회로의 한 종류로, 마이크로프로세서나 SRAM 등의 디지털 회로를 구성하는 데에 이용된다. 양(+)의 전하를 이용하는 P형 트랜지스터(p-MOS)와 음(-)의 전하를 이용하는 N형 트랜지스터(n-MOS)를 동일 칩에 넣어 양자가 상보적으로 동작하도록 하여 전력소모를 낮추는 방식 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 구현철 박사팀은 기존 반도체 기술인 CMOS에서 반드시 필요했던 N형, P형 트랜지스터의 별도 제작 없이, 전자의 스핀특성을 이용하여 두 가지 기능을 모두 수행하는 트랜지스터를 구현하였다. 그동안 스핀트랜지스터는 상당한 잠재력을 가지고 있었지만 CMOS 로직 소자로의 동작을 보여주지 못했었다. 연구진은 전자의 스핀이 가지고 있는 평행/반평행 성질을 이용하여 CMOS 로직 소자 동작을 구현하였으며 관련 특허를 국내외에 출원했다. 이번 연구성과는 과학저널인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 紙에 4월 21일(한국시간)자로 온라인 게재되었다. 스핀트랜지스터 기술은 그동안 반도체가 전자의 전하만을 이용할 수 있었던 것에 비해, 전하와 동시에 전자의 스핀을 이용하여 정보를 저장 또는 처리하는 신기술로서, 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해진다. 본 연구진에 의해 최초로(2009년 Science紙 게재**) 제안된 이 트랜지스터는, 그러나 실제 회로에 응용하기 위해서 N형, P형 트랜지스터를 모두 구현해야하는 여러 가지 어려움이 있었다. **Control of Spin Precession in a Spin-Injected Field Effect Transistor (Science紙, 2009년 9월 18일) 트랜지스터를 컴퓨터 중앙처리 장치와 같이 실제 로직소자에 응용하기 위해서는 N형(-), P형(+) 트랜지스터를 모두 이용해야하는데 제작과정에 많은 공정과 비용이 필요하다. 특히 스핀트랜지스터는 제작에도 많은 노하우가 필요할 뿐 아니라 N형, P형을 별도로 제작하는 연구는 전무했다. 이번 연구결과는 트랜지스터의 입력부와 출력부를 서로 같은 자화 방향으로 만들거나 서로 반대의 자화 방향으로 만들어 각각 N형과 P형의 기능을 모두 구현함으로써 특별한 도핑과정 없이 두 가지 역할을 모두 수행하는 트랜지스터를 개발한 것이다. 이러한 기술은 향후 상용화가 된다면 세계 수준인 반도체 메모리 기술에 비해 취약한 국내 시스템 반도체(비메모리) 분야에 다양하게 이용될 수 있으며 이 기술이 가진 초고속, 초절전 특성으로 인해 다양한 전자기기, 특히 모바일 기기에 응용될 것으로 기대된다. KIST 구현철 박사는 “현재 스핀트랜지스터 기술은 시작하는 단계에 있지만 이를 이용한 로직소자가 개발되면 전력손실이 거의 없고 초고속으로 작동할 것이다.”라며, “향후 정보처리 소자는 물론 메모리와 로직을 융합한 모바일용 소자에도 응용이 가능할 것이다” 라고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 연구재단 중견연구사업으로 수행되었다. <그림 설명> <그림 1> CMOS 동작을 위한 평행형 (N형기능), 반평행형(P형기능) 스핀 트랜지스터 <그림 2> 스핀 트랜지스터를 이용한 CMOS 소자 (좌) 및 신호 (우). P-형 트랜지스터(우 상단)와 N-형 트랜지스터(우 하단)의 기능을 전자의 스핀을 이용하여 보여주고 있다.

수소와 전기 생산하는 고성능 연료전지 개발 - 화학용액 침투공정으로 고온에서 나노 촉매를 합성하는 매커니즘 규명 - 나노 촉매 접합된 전극으로 향상된 성능의 가역 고체산화물전지 상용화 기대 가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cell, RSOC)*는 수소를 연료로 하여 전기를 생산하고, 물을 전기로 분해하여 수소를 생산하는 에너지 저장기능을 단일 시스템에서 동시에 수행 가능하여 미래 청정에너지 기술로 큰 기대를 받고 있다. 최근 국내 연구진이 전력과 수소 생산이 가능한 고온에서 작동하는 가역 고체산화물전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나노 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다. *가역 고체산화물전지 : 수소와 같은 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 반응과 물을 수소와 공기로 분리시키는 전해반응이 합쳐진 고체산화물로 이루어진 에너지 변환장치. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 윤경중 박사팀은 고온에서 안정된 구조를 유지할 수 있는 나노 사이즈의 촉매를 개발하였고, 이를 가역 고체산화물전지에 적용하여 전력 생산과 수소 생산의 효율과 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 현재 다양한 분야에 적용되고 있는 나노 소재 기술이 가역 고체산화물전지의 성능향상을 위해 접목되는 연구가 주목받고 있다. 하지만 가역 고체산화물전지는 700도 이상의 높은 온도에서 작동하고, 이러한 고온의 환경에 나노 소재가 노출될 경우 화학적, 구조적 변형이 발생한다. 따라서 고성능 및 안정성 확보가 매우 어려워져 이 분야에 나노 기술을 적용하는 것은 한계가 있었다. KIST 윤경중 박사팀은 나노 촉매의 형상과 크기, 분포를 정확히 조절할 수 있는 화학용액 침투공정을 개발하여 이 문제를 해결하였다. 온도가 높아지는 과정에서 화학용액으로부터 나노 촉매가 형성되는 메커니즘을 규명하고, 화학적·구조적 특성을 결정하는 단계들을 제어하여 700도 이상의 고온에서도 안정적인 나노 촉매가 접합된 고성능 전극을 제조하였다. 연구진은 일반적인 화학용액 침투 공정과 달리 용액의 건조가 일어나기 전에 화학적으로 침전을 일으키고 침전물을 전극 표면에 부착시키는 기술을 개발하여 건조되는 과정에서 발생되는 불확실성을 제거하고 나노 촉매의 분포와 크기를 정확히 제어할 수 있었다. 연구진이 최적의 나노 전극 구조를 구현한 결과, 기존 전극이 적용된 연료전지에 비하여 전력생산은 1.5배, 수소 생산량은 2배 이상 향상되었고 장시간동안 나노소재의 변형으로 인한 성능 감소가 전혀 발생하지 않는 안정적인 특성을 나타내는 것을 규명했다. KIST 윤경중 박사는 “이번 나노 촉매 기술 개발과 구현된 고성능 전극으로 다양한 나노 기술들이 고온에서 안정적으로 사용될 수 있는 플랫폼을 제공할 것이며, 가역 고체산화물전지의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 예상된다.”라고 말하며, “이는 미래 신재생 에너지 시스템의 중추적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 연구진은 향후 에너지 저장과 전력 생산이 가능한 가역 고체산화물전지를 신재생 에너지원과 결합한 하이브리드 시스템을 구축하여 온실가스 감축과 수소 경제 시대 구현에 기여할 것으로 전망하고 있다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업부 에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었으며 연구결과는 나노에너지(IF : 11.553)에 4월 18일(화) 온라인 게재되었다. <그림 설명> <그림 1> 나노촉매 제조 과정 (좌측), 나노 촉매가 접합된 전극 구조 (우측)

유도 결합형 플라즈마 기술로 고방열 플라스틱 저비용·고속 제조공정 개발 - KIST 연구진, 팽창율이 큰 흑연의 방열특성이 향상되는 메커니즘 규명 - 고속으로 대량의 고품질 팽창흑연 제조 및 고방열 플라스틱 개발 가능성 기대 한국과학기술연구소(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 다기능구조용복합소재연구센터 김성륜 박사팀과 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 교수는 자체 개발한 유도 결합형 플라즈마*를 이용해 결함 발생이나 표면 특성 변화 없이 흑연의 팽창구조를 제어하여 우수한 고방열 복합소재를 제조하는 기술을 개발했다고 밝혔다. *유도 결합형 플라즈마 : 고주파 코일의 축을 따라 혼합물을 흘려 전자적으로 플라즈마 상태를 생성시킨 광원 열전도 특성이 우수하다고 알려진 탄소소재 중 저렴한 가격과 복합소재 방열 특성을 효율적으로 향상시킨다고 알려진 팽창흑연은 최근 경량 고방열 플라스틱 제조를 위해 첨가하는 열전도성 충전재(filler)로써 재 주목받고 있다. 팽창흑연은 일반적으로 연필심의 원료인 흑연을 산처리(acidification) 후 고온 열처리 하여 제조하는데 흑연 시트가 층 간 간격을 두고 적층된 독특한 형태로 나타난다. 이러한 구조는 고분자 복합소재의 열전도도를 효율적으로 향상시킨다. KIST 김성륜 박사팀은 이러한 팽창 흑연을 자체 개발한 유도 결합형 플라즈마를 이용하여 결함 및 표면 특성 변화를 최소화하면서도 팽창 정도를 제어하고 고속으로 제조할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 연구진은 유도 결합형 플라즈마의 처리 온도를 높일수록 팽창 흑연의 팽창율이 증가하였고, 가장 크게 팽창된 흑연을 혼입한 고방열 플라스틱의 열전도도는 사용된 플라스틱의 열전도도에 비해 최대 약 58배, 팽창되지 않은 흑연을 혼입한 플라스틱의 열전도도에 비해 최대 약 5.7배 향상되는 것을 밝혔다. 본 연구진이 직접 설계 및 제작한 유도 결합형 플라즈마는 결함 발생이나 표면 특성 변화를 최소화 하면서도 시스템의 가스 온도를 제어함으로써 흑연의 팽창구조를 자유롭게 제어할 수 있다. 기존 열처리 공정에 비해 팽창 처리 시간을 상당히 단축하여, 향후 고속화 및 자동화된 연속 공정으로의 개발이 가능할 것으로 보인다. 고방열 소재(TIM) 세계 시장 규모는 2025년 8조 6680억 원으로 예측되며 앞으로 경량 자동차 방열부품 및 전자재료(모바일, IT, LED분야 등) 등으로 확대 적용될 것으로 기대된다. KIST 김성륜 박사는 “최근 고방열 플라스틱의 열전도성 필러로 탄소소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 이번 성과를 활용하면 가격이 저렴하고 고품질의 고방열 플라스틱 제조할 수 있을 것”이며 “학술적으로도 최근 이슈가 되고 있는 소재에 일어나는 열전도특성의 이상적인 변화(thermal percolation) 거동의 발견과 원인 규명에 중요한 연구가 될 것”이라고 말했다. **고방열 플라스틱 열전도성 필러 : 플라스틱의 열전도도를 향상시키기 위해서는 열전도도가 우수한 금속 혹은 세라믹을 혼합하는 방법을 사용하는데, 열전도도가 향상된 플라스틱을 고방열 플라스틱 및 이를 위해 혼입된 소재를 열전도성 필러라고 한다. 본 연구결과는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업과 중소기업청 융복합기술개발과제로 수행되었으며, 탄소 소재분야의 세계적 권위의 국제학술지인 ‘Carbon’(IF : 6.198) 에 한국시간으로 4월 14일(금)자에 온라인 게재되었다. * (논문명) ‘Volume control of expanded graphite based on inductively coupled plasma and enhanced thermal conductivity of epoxy composite by formation of the filler network’ - (공동제1저자) 김현수 박사과정, 김종혁 석사과정 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 김성륜 박사 - (공동교신저자) 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 교수 <그림설명> <그림 1> KIST 김성륜, 이헌수 박사팀은 결함의 발생이나 표면 특성 변화없이 고속으로 흑연의 팽창구조를 제어하기 위해 유도 결합형 플라즈마를 직접 설계 및 제작 하였다. 기존 퍼니스 기반 열처리 공정 대비 고속으로 고품질 팽창 흑연을 제조할 수 있었다. <그림 2> 유도 결합형 플라즈마 처리 공정에서 가스 온도를 제어함으로써 그림과 같이 흑연의 팽창 정도를 제어할 수 있었다. <그림 3> 흑연의 팽창율이 복합소재 열전도도에 미치는 영향을 규명하기 위해 팽창 정도가 각각 제어된 흑연을 플라스틱에 혼입하여 복합소재를 제조하였고, 제조된 복합소재의 내부구조를 파악하기 위해 X-ray 소스 기반 마이크로 CT 장비를 이용한 3차원 비파괴 분석기법을 적용하였고, 그림과 같이 복합소재 제조 후에도 제어된 흑연의 팽창율이 유지됨을 확인할 수 있었고, 팽창율이 클수록 필러의 접촉으로 거대 네트워크를 형성함을 확인할 수 있다. <그림4> 실제로 제조된 복합소재의 방열특성을 평가하였을 때, 혼입된 팽창 흑연의 함량이 동일함에도 불구하고 팽창율이 큰 경우 훨씬 우수한 방열 특성이 나타남을 확인하였다.

‘빛’으로 작동하는 초고속 스핀 메모리 원리 규명했다 - 빛의 각운동량으로 인한 자성체의 자화방향을 초고속으로 조절하는 원리 - 기존보다 수천 배 빠른 초고속 스핀 메모리 소자에 응용 기대 스핀 메모리(MRAM)는 메모리 반도체의 패러다임을 바꿀 차세대 반도체로 각광받고 있다. 최근 국내 연구진이 기존의 스핀 메모리 동작 방법인 자기장이나 전류를 공급하여 자화방향을 바꾸는 방법이 아닌, ‘빛’만으로 자화방향을 바꿀 수 있는 기존보다 수천 배 빠른 초고속 스핀 메모리의 동작 원리를 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 최경민 박사는 미국 일리노이 주립대학 안드레 슐리프(Andre Schleife) 교수, 데이비드 케이힐(David Cahill) 교수 연구팀과 3년간의 공동연구를 통해, 편광(偏光, polarization)* 된 빛의 각운동량** 방향에 따라 금속 자성체의 자화(磁化, magnetization) 방향이 움직이는 현상을 발견하고, 물리적 원리를 밝혔다. 또한 연구진은 빛을 통해 자성체의 자화 방향을 피코초(ps, 1조분의 1초)수준의 초고속으로 조절 가능한 것을 실험을 통해 규명했다. *편광 : 편광판을 통과하여 특정한 방향으로만 진동하는 빛 **각운동량 : 회전 운동하는 물체의 운동량 빛의 각운동량과 자성체 자화 사이의 상호 작용은 1845년 영국의 과학자 패러데이(Michael Faraday)가 발견한 현상으로, 빛이 자성체를 통과하면 각운동량이 변하는 것을 발견했고, 이 현상을 ‘패러데이 효과’라고 명명했다. 페러데이 효과는 자화의 방향을 빛으로 알 수 있는 방법을 제시하여 자기광학의 기초이자 현대 전자파 기술의 막을 열었다고 할 수 있다. KIST 최경민 박사는 자화의 방향을 빛으로 읽는 페러데이 효과의 반대개념인 ‘역(逆)패러데이 효과’로 빛의 각운동량의 방향에 따라 금속 자성체의 자화 방향이 반대로 움직이는 것을 최초로 밝혔다. 이러한 빛과 자성체 사이의 상호작용은 스핀 메모리의 새로운 동작원리를 제시한다. 기존 스핀 메모리의 작동을 위한 자화 방향 조절에는 자기장 또는 전류의 공급이 필요했으며, 속도는 나노 초(ns, 10억분의 1초) 수준이었다. 이에 비해 연구진이 규명한 스핀 메모리의 동작원리는 빛을 사용하기 때문에 훨씬 빠른 피코 초(ps, 1조분의 1초) 수준의 속도로 조절 가능하여 초고속 메모리 구동에 대한 응용 연구가 가능할 것으로 기대된다. KIST 최경민 박사는 “자기장이나 전류가 아닌 새로운 방법에 의한 스핀 메모리 동작에 관한 연구가 필요한 시점이다”라고 말하며, “본 연구결과가 제시하는 빛과 자성체의 상호작용은 초고속 스핀메모리에 응용될 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 국가과학기술연구회(NST) 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 과학분야 세계적인 권위의 저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 18일(화)자 온라인 게재되었다. * (논문명) Optical-helicity-driven magnetization dynamics in metallic ferromagnets - (제1저자) 한국과학기술연구원 최경민 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 최경민 선임연구원 <그림설명> <그림 1> 빛의 편광에 의한 자성체 자화 방향의 조절에 대한 도식(Schematic) 편광된 빛이 자성체에 입사되면, 역페러데이 효과(Bopt)로 인하여 자성체의 자화(M)에 회전력(torque)을 발생시킨다. <사진 1> KIST 최경민 박사가 빛의 각운동량으로 자성체의 자화방향을 초고속 (피코초, ps)으로 조절하는 원리를 실험하고 있다.

KIST ‘고효율 제습기술’, 신기술(NET) 선정 - 열 회수 환기기능 및 기존 대비 제습능력 200%의 고효율 제습 기술 - 산업통상자원부 국가기술표준원 28개 신기술(NET) 인증 기술 선정 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 4월 19일(수) 11시 30분부터더케이서울호텔에서 열린 ‘2017년 제1회 신기술(NET) 인증서 수여식’에서 ‘열 회수 환기기능 겸용 고효율 제습 기술’이 한국산업기술진흥협회로부터 신기술(NET)* 인증을 받았다고 밝혔다. *NET(New Excellent Technology) 인증: 국내 기업 및 연구기관, 대학 등에서 개발한 신기술을 조기에 발굴하여 그 우수성을 인증해 줌으로써 개발된 신기술의 상용화와 기술거래를 촉진하고 그 기술을 이용한 제품의 신뢰성을 제고시켜 구매력 창출을 통한 초기시장 진출기반을 조성하기 위한 것으로 산업통상자원부 국가기술표준원에서 인증 수여 최근, 빈번한 여름철 열대야로 인한 과도한 습도로 결로 및 곰팡이가 발생하여 실내 마감재 훼손, 물질적 손실, 건강악화에 대한 우려가 높아지고 있다. KIST는 이를 효과적으로 해결할 수 있는 전기제습기 대비 제습성능 200% 이상의 ‘열 회수 환기기능 겸용 저온재생 고체식 데시컨트 제습기술’을 개발하였고, 이 기술은 산업통산자원부 28개 신기술(NET) 중 하나로 선정되었다. KIST 이대영 단장 연구팀은 전기제습기에 ‘데시컨트 로터’로 불리는 습기제거 필터를 추가하여 구성한 고효율 데시컨트 제습 기술을 개발하였다. 히트펌프의 증발기로 냉각된 공기가 데시컨트 로터를 통과하여 제습된 후 히트펌프의 응축기 배열로 데시컨트 로터가 재생되는 원리로, 열 회수 방식을 적용하기 때문에 적은 에너지로 높은 제습효과가 가능하다. 이 기술은 국가 인정 시험기관에서 실시한 인증시험에서 에너지소비효율 1등급 전기제습기 대비하여 동일 소비전력에서 200% 향상된 제습능력을 나타내었으며, 현장시험을 통하여 실효성을 검증받았다. 또한, 고분자 제습제를 적용하여 50℃ 이하의 저온 재생으로도 높은 제습 성능을 나타내며, 습기제거 필터는 자체적으로 재생되어 교체 없이 반영구적으로 사용 가능한 기술이다. 전기제습기의 소비자 불만사항인 실내 온도상승 및 소음문제를 완전히 해결하였으며, 습기제거 필터에 적용된 고분자 제습소재의 특성으로 탈취, 항균, 항곰팡이 성능도 우수한 것으로 평가되었다. 본 기술은 KIST의 창업지원 프로그램인 디딤돌사업의 지원으로 개발되었으며, 연구자 창업을 통해 제품 개발 및 사업화가 진행될 예정이다. <그림설명> <사진 1> 습기제거 필터 <그림 1> 열회수 환기겸용 데시컨트 제습기

단백질 당화, 뇌 인지기능에 영향 미친다 - 비정상적으로 증가된 단백질 당화와 학습능력 저하의 상관관계 규명 - 노화에 따른 당화 증가와 인지기능 저하 사이의 새로운 연결고리 제시 단백질에 일어나는 당화(오글루넥 糖化, O-GlcNAc glycosylation)*는 단백질의 기능을 조절하여 세포의 영양상태를 반영하는 신호전달체계로써, 세포의 영양상태 불균형에 따른 부적절한 당화는 현대인의 만성질환을 유발하는 원인으로 알려져 있다. 최근 국내 연구진이 단백질에 일어나는 오글루넥 당화가 비정상적으로 증가될 때, 신경 세포간의 결합세기의 유동성이 떨어지고 인지기능이 저하되는 것을 밝혔다. *오글루넥 당화(O-GlcNAc glycosylation): 단백질에 포도당 유도체인 ‘아세틸글루코사민’이 결합하는 것 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 임혜원 박사는 울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영) 서판길 교수와의 공동연구를 통해 유전자 변형을 통해 오글루넥 당화를 인위적으로 증가시킨 실험 쥐의 경우 새로운 정보를 학습하는데 더 오랜 시간이 소요되며, 학습한 정보의 정확성도 떨어진다는 사실을 규명했다. 본 공동 연구진은 실험을 통해 일반적으로 새로운 정보를 습득할 시에 두뇌의 해마 부위에 위치한 신경세포간의 연결세기가 변화하는 과정이 필수로 일어나야 하지만, 당화가 증가된 유전자 변형 쥐에서는 외부에서 학습을 유발하는 자극이 주어졌을 때도 신경세포 간 연결의 세기가 유동적으로 변하지 않음을 증명했다. 오글루넥 당화는 포도당의 유도체가 단백질에 결합하여 일어나는 변화로써, 체내의 포도당 농도에 따라 민감하게 반응한다는 사실이 알려져 있으며 유전자의 발현이나 세포가 성장하여 분열하고 다시 성장하여 증식하는 세포주기 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 학계에 보고된 바 있다. 본 연구는 오글루넥 당화와 학습능력 사이의 상관관계를 관찰하여 세포의 영양상태가 뇌 인지기능에도 영향을 줄 수 있음을 밝혔다는 점에서 큰 의미가 있다. 이번 연구 결과를 통해 KIST 임혜원 박사는 “치매와 같은 퇴행성 뇌질환뿐만 아니라, 노화 및 당뇨에서 흔히 발생하는 비정상적인 단백질 당화와 인지기능 저하 사이의 상관관계에 대해 추가 연구를 통해 더욱 면밀히 관찰할 필요가 있다” 고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 바이오의료기술, 뇌과학원천기술개발사업 및 KIST 기관고유사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 에 4월 3일(월)자 온라인 판에 게재되었다. <그림설명> <그림 1> 뇌단백질의 오글루넥 당화가 비정상적으로 증가된 유전자변형 쥐 모델에서 인지기능이 저하됨을 확인 <그림 2> 본 연구에서 사용된 다양한 행동실험에서 정상쥐 대비 Oga+/-쥐의 인지기능이 현저히 저하됨

나노 크기의 구멍 뚫은 그래핀, 열전소재로 사용한다 - 규칙적인 구멍을 형성한 그래핀 메쉬(mesh) 소재, 뛰어난 열전 성능 보여 - 향후 열에너지를 변환하는 웨어러블, 플렉시블 열전소자에 적용 기대 전자 산업의 급속한 발전으로 웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서 신(新)개념의 자가발전 에너지 변환재료의 개발 필요성이 증대되고 있다. 그 중 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 열전 기술은 향후 원격 의료기기 및 IoT 모바일 기기 등의 자가 전원으로 널리 활용 가능한 기술이다. 최근 국내 연구진이 꿈의 나노 물질인 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬(graphene nanomeshes)* 구조를 제작하고 그 특성을 제어하여, 높은 열전성능을 보일 수 있는 열전소자 개발에 성공했다. *그래핀 나노메쉬 : 그래핀에 미세패터닝을 통한 나노 크기의 규칙적인 구멍을 뚫은 구조 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 단일층 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10 나노(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성하여 그래핀 나노메쉬 구조를 제작했다. 이 구조는 그래핀의 높은 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구진은 매우 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현하여 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 세계 최초로 측정, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다고 밝혔다. 열전재료의 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 기존 소재들과 다른 특이성을 지니고 있는데, 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 특성의 극대화에 걸림돌이 되고 있었다. 본 연구진이 개발한 10 나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르게 하고, 포논의 움직임이 제어되어 포논 산란(phonon scattering)**만을 선택적으로 유발하여 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 동시에 패턴으로 인해 양자화되면서 밴드갭(band gap)***을 생성하여 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증하였다. ** 포논 산란 : 결정 내의 주기적인 격자의 진동을 입자로 표현한 포논의 전달 현상이 결정이 왜곡된 부분에서 이동 경로가 변경되는 현상 *** 밴드갭 : 반도체, 절연체의 구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지와 낮은 에너지의 차이 연구진은 주로 이론적인 시뮬레이션을 통해서 여러 구조의 나노패턴이 제안되었던 수준에 그치고 있었던 것을 블록공중합체(block copolymer)****를 기반으로 하는 나노크기의 패턴을 만드는 나노리소그래피(nano-lithography)기술을 통해 10 나노 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었고, 이를 통해 초미세 패턴된 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다. **** 블록공중합체 : 2종류 이상의 단량체가 AAAA-BBBB의 블록 형태로 연결된 고분자로, 나노구조를 자연스럽게 형성할 수 있는 소재 KIST 손정곤 박사는 “본 연구의 그래핀 나노패턴을 통한 열전특성 제어 기술은 최근 대안 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 방법으로 떠오른 플렉시블 저온 열전소자의 적용에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구 및 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유연구사업, 국가과학기술연구회(이사장 이상천) R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Nano Energy’에 3월 17일(금)자 온라인 판에 게재되었다. * (논문명) Significantly reduced thermal conductivity and enhanced thermoelectric properties of single- and bi-layer graphene nanomeshes with sub-10 nm neck-width - (제1저자) 한국과학기술연구원 오진우 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 선임연구원 <그림설명> <그림 1> (좌) 블록공중합체의 자기조립구조를 바탕으로 제작한 10나노 선폭의 그래핀 나노 메쉬 전자현미경 사진 (우) 열 전달 입자인 포논의 산란을 유발하여 열전도도 감소 측정 및 양자제한 구조를 통한 열전계수 향상을 세계 최초로 <사진설명> <사진 1> (아래) 전기전도도와 열전 성능을 측정하기 위한 대면적 그래핀 나노메쉬 샘플 (위) 열전도도 측정을 위해 아래 샘플에 고분자 필름을 이용하여 고분자 나노메쉬를 전사(transfer)하여 공중에 부유하게(suspended) 제작된 그래핀 나노메쉬 샘플열전계수 향상을 세계 최초로 측정

몽골 전통 약용식물 ‘피뿌리풀’로 탁월한 ‘상처치유’ 효과 입증 - 기존 상처 치유제 원료(병풀) 대비 상처치유 효능이 뛰어난 피뿌리풀 발굴 - 향후 상처 치료용 천연물 신약 및 기능성 화장품 개발 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) SFS융합연구단 노주원 박사 연구팀은 수 년간의 한-몽골 과학협력연구를 통해 몽골 전통약용식물 피뿌리풀 추출물로 부터 상처치유 효능을 입증했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 피뿌리풀 추출물의 활성성분 동정 및 이에 대한 상처치유 효능 분자기전을 최초로 규명한 것으로, 국제학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 2월 22일(한국시간)자 온라인 게재되었다. 몽골, 중국, 러시아에서 주로 자생하는 ‘피뿌리풀’은 항염증, 항암, 항균활성 등 다양한 효능이 보고되었으며, 몽골 칭기즈 칸 시대에 병사 혹은 말의 창상*치유 목적으로 사용된 것으로 알려져 있다. *창상(wound) : 외부 압력에 의해 조직의 연속성이 파괴되는 상태. 날이 있는 연장 등에 다친 상처 연구진은 피뿌리풀 추출물이 대식세포의 염증반응 억제, 각질세포의 세포이동 촉진, 섬유아세포의 콜라겐 합성 증진 효과를 확인했고, 동물실험을 통해 기존 상처치유제 원료인 병풀** 추출물보다 빠른 속도로 창상 면적을 감소시키는 효과를 입증했다. **병풀(Centella Asiatica Extract) : 허브의 일종인 여러해살이 풀로 진정, 상처치료 효능 지님 또한 피뿌리풀의 주요 성분을 분석하고 기능성을 연구한 결과, 연구진은 피뿌리풀의 기능성분이 쿠마린***류임을 확인했고, 이러한 8종의 화합물이 염증반응, 세포이동, 콜라겐 합성에 관련하는 유전자를 조절하는 상처치유 작용에 대한 기전을 규명했다. ***쿠마린(coumarin) : 헤테로고리계열에 속하는 유기화합물 노주원 박사는 “피뿌리풀은 전통적으로 민간에서 사용해 온 안전한 소재이다. 지표/기능성분도 확인된 상처치유 효능이 우수한 소재로서 천연물 신약 및 기능성 화장품으로서의 산업화 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 노주원 박사는 2004년부터 한-몽골 양국 간 과학기술협력에 기여해왔으며, 2011년 몽골과학원 ‘최우수 연구자상’, 2012년 몽골 보건복지부 명예훈장에 이어 작년 7월, 몽골 정부에서 ‘우수 과학자상’을 수상한 바 있다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업의 지원으로 수행되었다. * (논문명) Stellera chamaejasme and its constituents induce cutaneous wound healing and anti-inflammatory activities - (제1저자) 한국과학기술연구원 김명석 연구원, 이희주 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 노주원 책임연구원 <그림 설명> <그림 1> 피뿌리풀 및 병풀 추출물의 창상회복 효과 도식 - 마데카솔의 원료인 병풀과 연구진이 발굴한 병풀 추출물의 창상 회복 효과를 비교하여 나타낸 사진과 그래프