Update2023.06.11 (일)
재료연구원, 고효율·고수명 에너지 저장장치용 집전체 개발
[기계신문] 한국재료연구원(KIMS) 그린수소재료연구실 이지훈 박사 연구팀이 서울대 최인석 교수, 강릉원주대 신중호 교수 연구팀과 함께 3차원 다공성 탄소계 집전체 소재를 개발, 이를 이차전지와 슈퍼커패시터에 적용해 에너지 밀도와 수명 특성을 동시에 향상시키는데 성공했다.집전체는 박막 극판 제조에 중요한 요소다. 하지만 전극 무게와 부피의 상당 부분을 차지해 에너지 밀도 향상과 에너지 저장장치 경량화에 제한적이다. 특히 전기차 등 중대형 전기화학적 에너지 저장장치가 적용되는 분야에서 이는 더욱 두드러진다.반복적인 충방전 또한 마찬가지다. 활물질이 분리되거나 전지 내 수분과 공기 유입으로 인한 기존 금속 집전체의 부식 문제는 전지 수명을 단축시키는 원인이다.연구팀은 다양한 환경에서도 안정적인 탄소를 대상으로 부유 촉매 화학기상 증착법을 적용해 3차원 다공성 구조의 탄소계 집전체를 제작했다.이후 양산공정을 고려해 이차전지 산업에서 활용 중인 활물질 코팅 방식을 적용해 전극을 만드는 데 성공했다. 이는 그동안 전해질과 작동 전압 등 환경변화에 따라 집전체 소재를 변경 및 적용해야 했던 기존의 제약요소를 획기적으로 극복한 것이다.또한 다공성 구조는 리튬 이온의 이동을 원활하게 만들어 보다 빠른 충방전과 에너지 밀도 향상, 넓은 기공을 통한 용량 증가를 이끌었다. 기존 금속 포일이 2차원 평면 구조로 활물질과의 계면 접촉 면적이 제한적이었던데 비해, 개발한 3차원 탄소계 집전체는 해당 면적을 극대화해 안정적인 계면을 형성하고 장치 수명을 개선하는데 핵심 역할을 했다.재료연구원 이지훈 선임연구원은 “소재의 본질적인 부분에서 기인한 문제점을 해결해, 탄소계 기반 집전체의 상용화 진입 장벽을 낮추고 소형부터 중대형 에너지 저장장치까지 아우를 수 있는 집전체의 활용 가치를 높일 것으로 예상된다”고 언급했다.그러면서 “전극 형성을 위한 부소재로 국한되어왔던 집전체의 역할을 새롭게 정의한 중요한 연구 의미를 가지는 만큼, 지속적인 연구를 통해 친환경적이고 기술 경제성이 고도화된 에너지변환 기술 개발에 대한 후속연구로 이어질 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 지원으로 국가과학기술연구회 ‘창의형융합연구사업’, 한국연구재단 ‘나노 및 소재 기술개발사업, 이공분야 기초 연구사업’, 서울대학교 ‘창의선도 신진연구자 지원사업’ 및 ‘지자체-대학 협력기반 지역혁신사업(RIS)’을 통해 수행됐다.또, 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 5월 18일자 표지논문으로 선정, 게재됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST 기계공학과 이봉재 교수팀, 반도체 금속 박막 열전도도 향상 현상 규명
[기계신문] 최근 반도체 소자의 소형화로 인해 과열점(hot spot)에서 발생한 열이 효과적으로 분산되지 않아 소자 신뢰성과 내구성이 저하되고 있다.기존의 열관리 기술만으로는 점점 심각해지는 발열 문제를 해결하는 데 한계가 있으며, 소자가 집적화됨에 따라 전통적 열관리 기술에서 탈피해 극한 스케일에서의 열전달 현상에 대한 근본적 이해를 바탕으로 한 접근이 필요하다.그런데 최근 국내 연구진이 기판 위에 증착된 금속 박막에서 발생하는 표면파에 의한 새로운 열전달 방식을 발견해 해결책을 제시해 화제다.KAIST 기계공학과 이봉재 교수 연구팀은 세계 최초로 기판 위에 증착된 금속 박막에서 ‘표면 플라즈몬 폴라리톤’에 의해 발생하는 새로운 열전달 모드를 측정하는 데 성공했다.표면 플라즈몬 폴라리톤은 유전체와 금속의 경계면에서 전자기장과 금속 표면의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자들이 강하게 상호 작용한 결과로, 금속 표면에 형성되는 표면파(surface wave)를 의미한다.연구팀은 나노 스케일 두께의 금속 박막에서 열확산을 개선하기 위해 금속과 유전체 경계면에서 발생하는 표면파인 표면 플라즈몬 폴라리톤을 활용했다.이 새로운 열전달 모드는 기판에 금속 박막을 증착하면 발생하기 때문에, 소자 제작 과정에 활용성이 높으며 넓은 면적에 제작이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 반경이 약 3 cm인 100나노미터 두께의 티타늄 박막에서 발생하는 표면파에 의해 열전도도가 약 25 % 증가함을 확인했다.KAIST 이봉재 교수는 “이번 연구는 공정난이도가 낮은 기판 위에 증착된 금속 박막에서 일어나는 표면파에 의한 새로운 열전달 모드를 세계 최초로 규명한 것”이라며 “이는 초고발열 반도체 소자 내 과열점 바로 근처에서 효과적으로 열을 분산시킬 수 있는 나노 스케일 열 분산기(heat spreader)로 응용 가능하다”고 설명했다.이번 연구는 나노 스케일 두께의 박막에서 열을 평면 방향으로 빠르게 분산시키는데 적용될 수 있다는 점에서 향후 고성능 반도체 소자 개발에 시사하는 바가 크다.특히 나노 스케일 두께에서는 경계 산란에 의해 박막의 열전도도가 감소하는데, 연구팀이 규명한 새로운 열전달 모드는 오히려 나노 스케일 두께에서 효과적인 열전달을 가능하게 해 반도체 소자 단위 열관리의 근본적인 문제를 해결해줄 것으로 기대된다.한편, 한국연구재단의 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난 4월 26일자 온라인 게재됐으며, 편집자 추천 논문(Editors' Suggestion)에 선정됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KRISS-고려대, 상수도 배관 안전성 검사 ‘비납계 친환경 초음파 센서’ 개발
[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS) 지능형파동측정팀과 고려대학교 신소재공학과 전자재료연구실이 공동으로 상수도 배관 등 대형 구조물의 안전성을 검사할 수 있는 친환경 초음파 센서를 개발했다.유도초음파를 이용한 상수도 배관 검사는 부식 등 배관 내부의 손상을 확인하기 위한 검사다. 적은 개수의 센서로도 넓은 범위를 비파괴 방식으로 검사할 수 있어 효율성이 뛰어나다.단점은 유도초음파 센서가 대부분 납이 들어간 압전 물질로 만들어진다는 점이다. 납은 대표적인 유해물질로, 유럽 친환경 인증제도인 RoHS에서도 전자제품 등에 사용을 엄격히 제한하고 있다.KRISS-고려대 공동연구팀은 납을 포함하지 않는 비납계 압전 물질을 이용해 유도초음파 센서 개발에 성공했다. 인체 및 환경 유해성에 대한 우려를 해소하면서도 기존의 납 기반 센서 대비 뛰어난 성능을 갖췄다.이번에 개발한 센서는 360도 방향으로 신호를 고르게 출력하는 전 방향 센서다. 초음파의 횡파 모드(shear wave mode)를 사용해 고체와 액체를 동시에 통과해도 신호가 왜곡되거나 약해지지 않는다. 배관에 물이 흐르고 있어도 에너지 손실 없이 넓은 범위를 효율적으로 검사할 수 있다.연구팀은 기존 센서 대비 출력 효율이 높은 횡파 모드 센서를 만들기 위해 소자 설계방식을 독창적인 사다리꼴 형태로 개선했다. 이를 적용해 비납계 친환경 물질로 센서를 개발한 결과, 기존의 납 기반 센서에 비해 횡파 모드 초음파의 출력 강도가 15% 이상 더 큰 것이 확인됐다.이번 성과를 활용하면 일반적으로 검사원이 특정 지점에 정기 방문해 시행하고 있는 배관 검사를 넓은 영역에 걸쳐 무인 상시 모니터링 방식으로 실시할 수 있을 것으로 기대된다. 유도초음파를 활용한 비파괴검사가 활발한 영미, 유럽권에서는 이미 배관 무인 모니터링이 도입되는 추세다.KRISS 소재융합측정연구소 지능형파동측정팀 승홍민 선임연구원은 “이번에 개발한 센서는 납이 없는 친환경 소재로, 배관에 장기간 설치해도 주변 환경이나 용수에 영향이 없어 안심하고 사용할 수 있다”며 “배관 검사 외에도 향후 제조·건설업 분야 등 글로벌 비파괴검사 시장에서 국내 기업의 기술 우위 확보에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.KRISS 기본사업과 환경부 상하수도 혁신 기술개발사업, 과학기술정보통신부 데이터과학기반 차세대 비파괴검사기술개발사업의 지원을 받은 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)’에 3월 게재됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST 기계공학과 김정원 교수팀, 반도체칩 내 초저잡음 클럭 신호 생성·분배 기술 개발
[기계신문] KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 레이저를 이용해 반도체 칩 내에서 초저잡음 클럭 신호를 생성하고 분배할 수 있는 기술을 개발했다.최근 반도체 칩의 성능이 급격하게 향상됨에 따라 보다 정확한 타이밍으로 칩 내의 다양한 회로 블록들의 동작을 동기화(synchronization)시키는 클럭(clock) 신호를 공급하는 기술이 중요해지고 있다.기존에는 클럭 신호의 정확성이 통상적으로 피코초(1조분의 1초) 수준이었으나, 이번에 개발된 기술을 이용하면 기존 방식보다 월등한 펨토초(femtosecond, 10⁻¹⁵초, 1,000조분의 1초) 수준의 정확한 타이밍을 가지는 클럭 신호를 칩 내에서 생성하고 분배할 수 있으며, 클럭 분산 과정에서 발생하는 칩 내에서의 발열 또한 획기적으로 줄일 수 있다.고성능의 반도체 칩 내에서 클럭 신호를 분배하기 위해서는 클럭 분배 네트워크(clock distribution network, CDN)에 많은 수의 클럭 드라이버(clock driver)들을 사용해야 하는데, 이로 인해 발열과 전력 소모가 커질 뿐 아니라 클럭 타이밍도 나빠지게 된다.칩 내의 클럭 타이밍은 무작위적으로 빠르게 변화하는 지터(jitter)와 칩 내의 서로 다른 지점 간의 클럭 도달 시간 차이에 해당하는 스큐(skew)에 의해 결정되는데, 클럭 드라이버들의 개수가 늘어남에 따라 지터와 스큐 모두 통상 수 피코초 이상으로 커지게 된다.연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 펨토초 이하의 지터를 가지는 광주파수빗(optical frequency comb) 레이저를 마스터 클럭으로 하는 새로운 방식의 클럭 분배 네트워크 기술을 제시했다.이는 광주파수빗 레이저에서 발생하는 광 펄스들을 고속 광다이오드를 이용해 광전류 펄스(photocurrent pulse)로 변환한 후 반도체 칩 내의 금속 구조 형태로 된 클럭 분배 네트워크를 충·방전하는 과정을 통해 구형파 형태의 클럭 신호를 생성하는 방식이다.특히 이 기술을 사용하면 클럭 분배 네트워크의 클럭 드라이버들을 제거한 금속 구조만을 통해 칩 내에서 클럭을 분배할 수 있어, 타이밍 성능을 개선할 수 있을 뿐 아니라 칩 내 발열도 획기적으로 줄일 수 있다.그 결과, 지터와 스큐를 기존 대비 1/100 수준인 20펨토초 이하로 낮춘 뛰어난 타이밍 성능을 얻을 수 있었으며, 칩 내 클럭 분산 과정에서의 전력소모 및 발열 역시 기존 방식 대비 1/100 수준으로 낮아졌다.김정원 교수는 “현재 아날로그-디지털 변환기와 같은 고속 회로에 매우 낮은 지터의 샘플링 클럭 신호를 공급해 성능을 향상하는 연구를 진행 중”이라면서 “3차원 적층 칩과 같은 구조에서 발열을 줄일 수 있을지에 대한 후속 연구도 계획하고 있다”고 밝혔다.한편, 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 KAIST 기계공학과 현민지 박사과정 학생이 제1저자로 참여하고 고려대학교 세종캠퍼스 정하연 교수팀과의 공동 연구로 이뤄졌으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 4월 24일자 게재됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
UNIST 서준기 교수팀, 뇌 동작 정밀 모사 ‘이중 플로팅 게이트 반도체 소자’ 개발
[기계신문] UNIST 신소재공학과 및 반도체소재·부품대학원 서준기 교수 연구팀이 2차원 물질 기반의 뇌 기능을 정밀하게 모방할 수 있는 이중 플로팅 게이트(Double-floating-gate) 반도체 소자를 개발했다.일반적으로 사용하는 컴퓨팅 시스템은 데이터의 ‘연산’과 ‘저장’이 독립적인 영역으로 구분돼 있어 동작 과정이 순차적으로 진행된다. 이러한 컴퓨팅 시스템은 데이터가 복잡해지고 회로당 소자의 수가 늘어남에 따라 높은 전력 소모와 느린 연산 속도를 유발한다.반면, 인간의 뇌는 약 1,000억 개의 뉴런 및 뉴런과 뉴런 사이에 존재하는 약 1,000조 개의 시냅스가 병렬적으로 연결되어 있다. 뇌는 시냅스의 연결 강도에 의해 데이터의 ‘연산’과 ‘저장’ 기능이 통합돼 있어 약 20 W 이하의 적은 전력으로도 고밀도의 복잡한 데이터를 처리할 수 있다.최근 인공지능을 활용한 방대하고 복잡한 이미지를 처리하고 자연어 학습과 같은 기술이 급속하게 발전함에 따라 인간의 뇌를 모방한 시냅스 소자와 뉴로모픽 컴퓨팅(neuromorphic computing) 시스템의 필요성이 요구되고 있다.인공 시냅스 소자를 구현하기 위해서는 간단한 2진수인 ‘0’과 ‘1’의 디지털 신호가 아닌, 시간에 따라 연속적으로 변하는 복잡한 아날로그 신호를 모사할 수 있어야 한다. 하지만 이러한 아날로그 신호를 기존 반도체 소자에서 모사하기에는 정확성과 재현성의 한계가 있었다.연구팀은 2차원 반도체 소재(Two-dimensional materials)를 이용해 뇌의 동작을 정밀하게 모사 가능한 이중 플로팅 게이트 기반의 인공 시냅스 소자를 성공적으로 개발했다.개발된 인공 시냅스 소자는 전하를 저장할 수 있는 플로팅 게이트를 이중으로 구성해 전하를 분산 저장할 수 있도록 구성됐다. 이중 플로팅 게이트 기반의 소자는 기존 소자 대비 높은 신뢰성을 바탕으로 고밀도의 전하를 저장할 수 있을 뿐 아니라 정밀하게 뇌의 동작을 모사할 수 있었다.먼저 연구팀은 원자 수준으로 얇은 두께와 표면에 결함이 없는 2차원 물질로 이중 플로팅 게이트 소자를 재현했다. 플로팅 게이트는 데이터를 저장할 수 있는 역할을 하는데, 기존의 단일 플로팅 게이트 소자는 많은 양의 전하를 오로지 하나의 플로팅 게이트에 저장해 신뢰성과 재현성에 한계가 있었다.연구팀이 재현한 이중 플로팅 게이트는 기존의 단일 플로팅 게이트보다 여러 물질이 접합해 있어 많은 계면이 존재한다. 일반적인 경우, 계면에 필연적으로 존재하는 결함에 의해 시냅스 특성을 모사하는데 어려움이 있었으나, 2차원 물질의 무결함 특성을 이용해 계면에 존재하는 결함을 최소화시켜 이중 플로팅 게이트 소자를 설계했다.연구팀은 이중 플로팅 게이트 소자가 고밀도의 전하를 저장할 수 있는 특성과 정밀한 제어가 가능한 특성을 기반으로 뇌의 동작을 성공적으로 모사했다. 이를 통해 인공 신경망을 이용한 이미지 분류 작업에서 우수한 정확성을 확보할 수 있었다.조호연 연구원은 “이번 연구를 통해 2차원 물질 기반의 이중 플로팅 게이트 소자를 구현했다”며 “해당 소자는 뇌의 동작을 정밀하게 구현할 수 있고, 이를 인공신경망에 이용하면 복잡한 데이터도 낮은 전력 소모와 빠른 연산 속도로 데이터를 처리할 수 있을 것”이라고 설명했다.서준기 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 고유의 소재적 이점을 기반으로 고효율 뉴로모픽 신소자 구조를 디자인했다는 점에 큰 의의를 둘 수 있다”며 “간단한 표면 산화 공정을 통해 전하 저장소에 추가적인 장벽을 설치하여 고정밀 시냅스 구동이 가능해진 점은 우리가 일상생활에서 효율적인 공간 활용을 위한 구획 정리와 크게 다르지 않다. 앞으로 신소재, 신소자 기반의 인공지능향 반도체 소자 개발에 기여할 것”이라고 밝혔다.컴퓨팅 기술의 발전으로 높은 에너지 효율과 뛰어난 성능을 지닌 새로운 유형의 컴퓨팅과 이를 실현할 차세대 반도체 소자의 중요성이 요구되고 있다. 2차원 물질을 수직 적층하여 제작된 이중 플로팅 게이트 소자는 고밀도의 전하들을 정밀하게 제어할 수 있어, 뛰어난 비휘발성 메모리 성능과 더불어 인공 시냅스 소자로 활용되어 생물학적 시냅스의 특성들을 정밀하게 모방할 수 있을 것으로 기대된다.한국연구재단 우수신진연구사업, 차세대지능형반도체사업, PIM인공지능반도체 핵심기술개발사업과 UNIST 반도체혁신선도연구단 사업 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 지난 4월 13일 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST, 초고품질 생체 신호 측정 연성 기기 개발 가능성 입증
[기계신문] 생체전자 의료기기는 체내에서 발생하는 신호를 읽어 생물학적 활동을 감지하거나, 조직을 자극해 질병 등을 치료하는 데 사용된다. 하지만 의료기기에 사용되는 전극 물질은 딱딱한 물성을 가지고 있어 체내에 염증반응을 일으키고 조직에 다량의 손상으로 이어질 수 있다.따라서 조직과 같이 부드러운 성질을 가지면서도 전도성을 띠는 하이드로겔과 같은 연성 물질에 생체적합성이 높은 전도성 고분자를 체내 전극으로 사용하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.KAIST 신소재공학과 강지형 교수와 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동 연구팀이 기존에 없었던 고전도성, 유사 조직 접착성 하이드로겔이란 신소재를 개발해 고성능 생체전자기기를 구현했다.대부분 전기 전도도가 높을수록 전도성 도메인들의 결정성이 높아지는 원리에 의해 전도성이 높은 하이드로겔은 딱딱해지고, 부드러운 하이드로겔은 전도성이 낮을 수밖에 없다는 한계를 가진다.이에 따라 전도성 고분자를 사용하는 하이드로겔 중 전기 전도도가 높으면서도(10 S/cm 이상) 부드러운 물성(100 kPa 이하)을 가진 하이드로겔은 지금까지 보고된 바 없었다.강지형 교수 연구팀은 기존에 없던 고전도성, 유사 조직 물성 하이드로겔을 개발했다. 이 하이드로겔은 보고된 전도성 고분자 하이드로겔 중 가장 높은 전기 전도도(247 S/cm)를 띠며 조직과 비슷한 물성(탄성율=60 kPa, 파괴변형률=410 %)을 갖는다.또한, 이 재료는 지속적인 움직임과 팽창, 수축이 있는 심장, 위와 같은 조직에서 안정적으로 기기가 작동하기 위해 필수조건인 조직에 쉽게 접착되는 장점이 있다.공동 연구팀은 원하는 생체 조직에 맞게 조정하고 그 형태에 맞추는 주형의 그물 구조에 따라 높은 질서도를 가지는 고분자 주형 네트워크를 도입했다.따라서 주형에 맞추어 형성된 그물 네트워크는 기존 네트워크 대비 100배 이상 높은 전기 전도도를 보이며, 동시에 주형 고분자의 부드러운 특성 때문에 조직과 비슷한 물성을 지니게 된다. 변형에도 저항이 바뀌지 않아 생체전극으로서 최적의 성능을 갖는다.또한 연구팀은 개발한 하이드로겔을 전극을 기반으로 한 높은 전기 전도도를 가진 다양한 고성능 생체전자기기를 제작해 그 기능성을 검증했다.높은 전기 전도도를 가진 특성으로 좌골신경 자극을 대상으로 하는 디바이스의 경우, 매우 낮은 전압(40 mV)에서 다리 근육의 움직임을 성공적으로 유도할 수 있었다.또, 심전도 측정(ECG)을 위한 디바이스의 경우에도 매우 높은 신호 대 잡음 비(61 dB)로 신호를 측정하는 데 성공함으로써 초고품질 생체 신호 측정을 위한 연성 기기 개발 가능성을 입증했다.강지형 교수는 “이번 연구는 고전도성을 갖고 생체조직과 유사한 기계적 물성을 갖는 하이드로겔 개발을 위한 합성 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “이번에 개발된 전도성 하이드로겔은 급속도로 성장하고 있는 전자약 시장에 게임 체인저가 될 것으로 기대된다”고 말했다.KAIST 신소재공학과 정주은 박사과정과 바이오및뇌공학과 성창훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 4월 18일 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발 미래기술연구실 사업을 받아 수행됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST-KIST, 새로운 뇌 각성 신경회로 규명
[기계신문] KAIST 생명과학과 김대수 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 김정진 박사팀과 공동 연구를 통해 동물이 잠을 자는 동안에도 소리에 반응해 각성하는 원리를 규명했다.수면은 뇌의 활동을 정비하고 건강을 유지하는 매우 중요한 생리작용이다. 잠을 자는 동안 감각신경의 작용이 차단되므로 주변의 위험을 감지하는 능력이 감소하게 된다.그러나 많은 동물은 잠자는 동안에도 포식자의 접근을 감지하고 반응한다. 과학자들은 동물이 깊은 잠과 낮은 잠을 번갈아 자면서 언제 있을지 모를 위험에 대비한다고 생각했다.연구팀은 깊은 잠을 자는 동안에도 동물이 소리에 반응하는 신경회로가 있다는 사실을 발견했다. 깨어있을 때는 청각 시상핵(Medial geniculate thalamus)이 소리에 반응하지만, 깊은 잠, 즉 비 램수면(Non-REM) 동안에는 배내측 시상핵(Mediodorsal thalamus)이 소리에 반응해 뇌를 깨운다는 사실을 밝혔다.연구결과, 쥐가 깊은 잠에 빠졌을 때 청각 시상핵 신경도 잠을 자고 있었지만 배내측 시상핵 신경은 깨어 있어 소리를 들려주자 곧바로 반응했다. 또한 배내측 시상핵을 억제하면 소리를 들려줘도 쥐가 잠에서 깨어나지 못했으며, 배내측 시상핵을 자극하면 소리 없이도 쥐가 수초 이내에 잠에서 깨어나는 것을 관찰할 수 있었다.김대수 교수는 “이번 연구를 통해 수면 질환 등 다양한 뇌 질환에서 보이는 각성 및 감각장애에 대한 이해를 증진하고 향후 감각을 조절할 수 있는 디지털 헬스케어 개발 등 다양한 분야로 활용이 가능하다”고 설명했다.이것은 수면상태와 각성상태가 서로 다른 신경회로를 통해 청각신호를 전달할 수 있다는 최초의 연구로서 국제학술지 ‘커런트 바이올로지(Current Biology)’에 지난 2월 7일자로 보고됐으며, 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 하이라이트 되었다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
UNIST 백종범 교수팀, 기계화학적 암모니아 수율 향상법 개발
[기계신문] UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀이 칼륨 반응 촉진제를 활용한 기계화학적 암모니아 수율 향상법을 개발했다.암모니아(NH3)는 질소와 수소가 화학 반응으로 합성되는 물질로, 비료나 화학 산업에서 광범위하게 사용되며 수소 운송체로 각광받고 있다. 암모니아는 액화수소보다 단위부피당 수소 저장 밀도가 1.7배 높아 많은 양의 수소를 저장할 수 있다. 또, 자연 상태의 온도와 기압에서 쉽게 액화되기 때문에 운송과 유통이 용이하다.먼저 암모니아를 합성하기 위해 삼중으로 구성된 질소의 기체 결합을 끊어야 한다. 1900년대 초부터 고온·고압의 조건에서 촉매를 이용해 질소와 수소를 반응시키는 하버-보쉬법을 사용해 암모니아를 대량 생산해왔다.특히 하버-보쉬법에서 철 촉매의 활성을 촉진하는 산화칼륨은 고온에서 칼륨을 안정화시키는 역할을 한다. 하지만 산화칼륨에는 산소가 포함돼 있어 질소의 결합을 끊는 것을 방해해 철 촉매의 성능을 낮춘다는 문제점이 있다.연구팀은 이를 개선하기 위해 기계화학적 방법을 활용한 저온·저압에서 암모니아를 합성하는 방법을 개발했다. 산화칼륨 대신 칼륨을 직접 반응 촉진제로 사용해 질소의 결합을 효과적으로 끊을 수 있었다.연구팀은 이 방법으로 산화칼륨보다 약 30 % 높은 촉매 성능을 달성했고, 철 촉매만 사용했을 때(82.5 %)보다 약 12 % 높은 암모니아 수율(94.5 %)을 달성했다. 또한 기존에 철 촉매만 사용했을 때 밀링 속도(350 rpm)보다 3.5배 낮은(100 rpm) 밀링 조건에서 암모니아를 합성할 수 있었다.백종범 교수는 “반응 촉진제를 통해 저온·저압에서 보다 효율적으로 암모니아를 생산할 수 있는 방법을 개발했다”며 “국소지역에서도 암모니아를 생산할 수 있는 암모니아의 탈중앙화를 가능하게 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.암모니아 합성의 에너지 효율을 증가시키고, 기계화학법의 상업화를 가속화할 수 있는 새로운 기술을 제시한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 4월 22일 게재됐다.한편, 연구팀은 저온·저압의 반응을 이용해 현장에서 암모니아를 합성할 수 있는 모듈화된 공정을 개발하는 것이 최종 목표다. 이번 연구에서는 고효율 촉매를 이용하여 낮은 rpm에서도 암모니아 합성이 가능함을 보였다. 이는 대량생산을 위한 모듈화 공정에 중요한 기여를 한다. 연구팀은 이 기술로 암모니아 생산과 유통의 혁신을 주도하고자 한다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KRISS, 연료전지 표면 미세 결함 실시간 3D 측정기술 개발
[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS)이 연료전지 표면의 미세 결함을 생산공정에서 실시간 감지하는 기술을 개발했다. 이 기술은 딥러닝 기반의 실시간 3D 측정기술로, 단 한 번의 촬영으로 표면 형상의 결함을 찾아내 제조공정 가동을 멈추지 않고 품질을 모니터링할 수 있다.표면 형상의 실시간 3D 측정에는 원샷 패턴주사 방식이 활용된다. 물체 표면에 촘촘한 복합 격자무늬 패턴을 지닌 빛을 조사한 후, 반사되어 변형된 패턴을 분석하여 흠집이나 손상 등 3차원 정보를 얻어내는 측정법이다.이 방식의 단점은 표면 반사율이 낮거나 다양한 패턴이 섞여 있는 형태의 경우 측정이 불가능하다는 것이다. 예를 들어 연료전지 핵심부품인 금속분리판은 표면이 울퉁불퉁한 스테인리스(SUS) 소재로 되어있어 산업현장에서 실시간 3D 검사가 어렵다.KRISS 광영상측정표준팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 패턴주사 방식에 인공지능 알고리즘을 도입했다. 자체 개발한 딥러닝 네트워크 DYnet++에 수천 개 이상의 표면 형상 측정데이터를 학습시켜 빛 반사율이 낮거나 복잡한 형태의 표면도 실시간으로 3D 형상 측정이 가능하다.연구진은 이 기술을 연료전지 샘플에 적용하기 위해 표면 결함이 있는 금속분리판 데이터를 인공지능 알고리즘에 추가로 학습시켰다. 적은 양의 데이터 학습만으로도 응용력을 갖춰, 3D 형상 측정 결과 2D 검사로는 판별이 어려웠던 샘플 표면의 찍힘과 스크래치가 단 한 번의 촬영으로 감지됐다.이번 기술은 측정 대상의 형태나 크기와 관계 없이 생산라인에 손쉽게 탑재할 수 있어 외부 진동 및 온도 변화가 큰 생산 과정 중에도 자동으로 불량 여부를 검사 가능하다. 연료전지를 포함한 다양한 제조업 분야에서 생산성 향상, 품질 개선, 비용 절감 등을 통해 스마트팩토리 도입에 기여할 수 있을 전망이다.김영식 KRISS 광영상측정표준팀장은 “이번 기술을 활용하면 연료전지 금속분리판의 다양한 불량과 결함을 실시간으로 판별할 수 있다”면서 “최근 활발히 보급되고 있는 연료전지의 성능을 극대화하고 내구성과 안전성 향상에 기여할 성과”라고 언급했다.KRISS는 이번 기술을 다양한 산업현장에 적용할 수 있도록 후속연구를 이어갈 예정으로, 산업통상자원부 소재부품기술개발(패키지형)사업의 지원을 받은 이번 연구 성과는 전기자기 분야 국제학술지 ‘IEEE Transactions on Industrial Electronics’에 지난 3월 온라인 게재됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST, 엑스선 영상기술 해상도 한계 극복
[기계신문] 엑스선 현미경은 대부분 물질을 투과하는 장점이 있어 흉부 엑스선이나 CT 촬영을 통해 신체 내부 장기와 골격을 비침습적으로 관찰할 수 있다.최근에는 반도체, 배터리의 내부 구조를 나노스케일에서 정밀하게 관찰하기 위해 엑스선 영상기술의 해상도를 높이려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.KAIST 물리학과 박용근 교수 연구팀이 포항가속기연구소 임준 박사팀과 공동연구를 통해 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술 개발에 성공했다.엑스선 나노 현미경은 굴절 렌즈가 없어 렌즈 대용으로 동심원 회절판(zone plate)이라 불리는 원형 모양의 격자를 사용한다. 동심원 회절판을 사용하여 얻어지는 영상의 해상도는 회절판 나노구조의 제작 품질에 의해 결정된다.이러한 나노구조를 제작하고 유지하는 것은 여러 가지 어려움이 있으며, 이러한 한계가 엑스선 현미경의 해상도 한계를 결정했다.연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태로, 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다.연구팀은 역설적이게도 이러한 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명하였으며, 실제 그 시료 정보를 추출하여 영상화하는데 성공했다.이러한 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 지난 2016년 KAIST 물리학과 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술로서, 당시 네이처 커뮤니케이션즈紙에 보고된 바 있다. 이번 연구는 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용한 것이다.구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없다. 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 nm 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14 nm 해상도(대략 코로나바이러스 7분의 1 크기)의 영상을 취득하는 데 성공했다.연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어올릴 수 있는 핵심 기반 기술이다.이겨레 박사는 “이번 연구에서는 14 nm 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1 nm 부근까지 근접할 수 있을 것으로 예상한다”며 “전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부구조를 관찰할 수 있어 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.포항가속기연구소 임준 박사는 “같은 맥락에서, 개발된 영상기술은 충북 오창에 신설되는 4세대 다목적방사광가속기에서 크게 성능이 증대될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 광학 및 광자학 분야 국제학술지 ‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션(Light: Science and Application)’ 4월 7일 출판됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
UNIST 정성균 교수팀, 황화물 전고체전지용 유기물 코팅소재 개발
[기계신문] UNIST 에너지화학공학과 정성균 교수 연구팀이 황화물계 고체전해질을 기반으로 전고체전지 양극의 계면 안정성을 위한 유기물 코팅소재를 개발했다.황화물계 고체전해질은 액체 전해질처럼 높은 이온전도도와 기계적 변형성 및 낮은 중량 밀도로 인해 전고체전지 산업 응용 분야에서 특히 유망한 소재이다.하지만 황화물계 고체전해질은 양극 계면에서 필요한 반응 이외의 반응이 고질적으로 나타나는 문제점을 가진다. 즉, 절연체의 성질이 나빠지는 열화 반응이나 충·방전 과정에서 발생하는 부피 변화로 고체전해질 사이의 기계적 접촉 손실 등 문제가 발생한다.따라서 전극-전해질 계면의 화학적·물리적 상태를 온전히 유지하는 것은 긴 수명을 가지는 전고체전지를 구현하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나이다.이를 해결하기 위해 산화물계 기반의 무기물 코팅소재가 주로 사용됐다. 하지만 기존의 산화물계 코팅소재는 부서지기 쉽고 고온에서 제조해야 한다는 한계점이 있다.연구팀은 황화물 기반 전고체전지의 화학 및 기계적 열화를 완화하기 위한 연구를 진행했다. 양극-고체전해질의 계면을 인공적으로 보호하기 위해 유기 전해질 첨가제를 코팅소재로 도입했다.기존 리튬이온 전지에서 액체 전해질의 유기물 첨가제로 사용되던 이플루오로비스(옥살레이토)인산염을 활용했다. 이를 활용한 양극-고체전해질 계면층은 기존 산화물계 코팅층에 비해 상온에서도 코팅층을 형성할 수 있다는 장점을 가지게 된다.또한 연구팀은 유기물 기반의 양극-고체전해질 계면층이 고전압으로 충전될 때 발생되는 화학적 열화 속도를 늦추며 낮은 구동 압력에서도 기계적 열화를 완화하는 데 도움을 준다는 것을 확인했다. 이를 통해 계면에서의 황산염 또는 황화염의 생성을 억제하는 등 화학적 안정성을 가지게 된다.또한 개선된 양극-고체전해질 사이의 물리적 접촉은 전고체전지가 높은 용량을 구현하는데 도움을 주며 장기간으로 구동시킬 수 있도록 안정성을 높혀 수명이 긴 전고체전지 제작의 가능성을 보여줬다.연구팀은 이번 연구를 확장시켜 황화물 기반 전고체전지의 양극 계면 열화 반응에 대한 심층적인 분석을 진행했다. 이를 통해 화학적·물리적 열화간의 상관관계와 열화의 발생 원인을 규명했다.이번 연구는 일반적으로 사용되는 무기 산화물 물질을 넘어 황화물 기반 전고체전지의 양극 코팅 물질을 설계하는 새로운 전망과 이해를 제시할 것으로 기대된다.정성균 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구는 기존 전고체전지에서 고려되지 않았던 유기물 코팅소재에 대한 탐색 가능성과 확장성을 제공했다”며 “또한 전고체전지의 열화 거동에 대한 심층적인 이해를 제공한다”고 밝혔다.이번 연구는 한국연구재단·산업통상자원부 기술 혁신 프로그램, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진 연구사업, 국가과학기술연구회, 이차전지 전해질 생산기업 ㈜천보의 지원으로 수행되었으며, 지난 3월 9일 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
재료硏, 양면 발전성 갖는 유연기판 투명 박막 태양전지 구현
[기계신문] 한국재료연구원(KIMS) 나노표면재료연구본부 권정대 박사 연구팀이 부산대학교 송풍근 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 레이저를 이용한 전사공정으로 빛을 산란시키는 구조체가 융합된 유연기판을 개발, 이의 굴절률 매칭을 통해 후면의 광반사를 최소화해 높은 양면 발전성을 가진 유연기판 투명 박막 태양전지를 구현하는 데 성공했다.투명 박막 태양전지의 광흡수층은 300 ㎚ 이하의 극도로 얇은 두께를 갖기 때문에, 발생하는 전류량을 증가시키기 위해 광산란 구조를 도입한다.지금까지의 연구는 주로 태양전지에 적용되는 투명 산화물 반도체의 에칭 공정과 포토리소그래피 공정을 이용해 광산란 구조를 만들어 발생시켜왔다. 하지만 이러한 공정은 제조 공정이 복잡하거나 결함을 발생시킬 가능성이 커 유연기판에 적용하기 어려운 한계가 있었다.연구팀은 광산란 구조를 가진 산화아연 박막 위에 레이저 흡수층을 증착한 후, 그 위에 광산란 구조체와 똑같은 형상을 가진 약 20 ㎛ 두께의 광산란 구조 융합형 유연기판을 제조해, 레이저를 이용한 전사 공법을 개발 및 기존 공정의 한계를 극복했다.이때 형성된 20 ㎛ 두께의 유연기판은 51.9 %의 광 산란도를 보였으며, 반대면에 형성된 실리콘 박막 태양전지는 광산란이 없는 유연기판 태양전지에 비해 효율이 9.7 %만큼 개선됐다.해당 공정은 작게는 5×5 ㎝에서부터 크게는 14×14 ㎝ 크기의 태양전지 기판 형성이 가능해, 구조체로 인해 야기되는 결함을 최소화해 기존 태양전지 공정에 적합한 특성을 가진다.이 기술은 레이저를 이용해 유연기판의 투과도를 감소시키지 않고도 효과적으로 광산란을 발생하는 구조체를 전사 및 융합해 태양전지의 발전 효율을 높이는 기술이다.특히, 태양전지 소자는 광산란 구조체의 반대쪽 면에 성장해 구조체로 인한 결함이 발생하지 않고 재료 본연의 특성으로 인한 결함 최소화가 가능해, 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용 및 BIPV용 유연기판 투명 박막 태양전지의 고효율화 척도가 될 것으로 기대된다. 또한 후면 입사광의 손실을 최소화하는 창층설계로 반사광을 감소시켜 높은 수준의 양면 발전성까지 확보했다.* BIPV(Building-integrated Photovoltaic) : 건물 통합형 발전으로 건물의 외벽, 창호, 지붕 등 건물 구성요소에 태양전지를 부착하여 발전하는 시스템유연기판 투명 박막 태양전지 기술은 기존의 건물에 추가적인 자재설계 없이 건물을 구성하는 모든 요소에 부착 및 발전이 가능하다. 기존 대비 상대적으로 높은 효율을 갖는 유리·금속 기판에 형성된 태양전지 시장을 낮은 비용으로 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 보인다. 또한 영농형 태양광 발전 등 좀 더 다양한 분야로 적용이 가능할 것으로 예상된다.재료연구원 권정대 책임연구원은 “이 기술이 상용화되면 간단하면서도 공정상 어려움이 없는 광산란 구조 융합형 유연기판 투명 박막 태양전지의 개발과 더불어, 광흡수 메커니즘이 개선된 양면 발전용 BIPV 시스템 실현이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국재료연구원 주요사업 및 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 전자공학 분야 국제저널이자 네이처 자매지 ‘엔피제이 플렉서블 일렉트로닉스(NPJ Flexible Electronics)’에 3월 27일자로 게재됐다.현재 연구팀은 이번 연구를 바탕으로 유연기판을 이용한 BIPV의 효율적 측면 외에 심미적 측면을 고려한 분야에서도 활발하게 연구를 수행 중이다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST-서울대-부산대, 세포핵 내 3차원 게놈 구조 신규 생성 원리 발견
[기계신문] 3차원 게놈 구조 연구를 통해 세포핵 내 게놈이 계층적인 구조로 이루어져 있으며 각 구조가 다양한 유전자 발현 조절에 관여한다는 것으로 알려져 있다. 또, 이러한 게놈 3차 구조는 암, 노화 등 다양한 복합질환에서 질환 특이적 유전자 발현과 밀접한 연관이 있음이 최근 밝혀지고 있다.하지만 기존 게놈 3차 구조는 비교적 관찰이 쉬운 염색체 내 상호작용에 대부분 국한되어 있었고, 더 큰 범위에서의 염색체 간 상호작용에 대해서는 관찰 실험기법의 한계로 인해 연구가 거의 진행되지 않았다.그런데 최근 KAIST 생명과학과 정인경 교수 연구팀이 서울대학교 기계공학부 신용대 교수, 부산대학교 최정모 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 세포핵 내 3차원 게놈 구조 신규 생성 원리와 이를 조절하는 매개 인자를 발견했다.연구팀은 행렬 분해기법이란 분석기법을 활용하여 게놈 3차 구조 데이터로부터 염색체 간 상호작용 정보를 효과적으로 추출할 수 있는 신규 기계학습 알고리즘을 개발했으며, 이를 DNA 이미징 기법을 통해 검증했다.연구팀은 해당 분석 알고리즘을 이용해 여러 세포주의 염색체 간 상호작용 정보를 추출 및 분석했고, 핵 스페클(핵 내 존재하는 막이 없는 구조체) 주위에 위치한 염색체 간 상호 작용이 여러 세포에서 공통적으로 보존됨을 관찰했다. 또한, 단백질 인식 염기서열(DNA motif) 분석을 통해 스페클 주위 염색체 간 상호 작용이 MAZ 단백질에 의해 매개됨을 최초로 발견했다.아울러 연구팀은 단일세포 수준에서 염색체 간 상호작용이 세포마다 다르게 발생한다는 사실을 발견했다. 연구팀은 염색체 간 상호 작용이 기존에 알려져있던 것과 달리 고정되어 있지 않으며, 핵체와 게놈 지역 사이의 개별 상호 작용을 통해 확률적으로 결정된다는 내용을 제시하여 염색체 간 상호 작용의 원리를 최초로 규명하였다.이번 연구를 주도한 KAIST 주재건 석박사통합과정은 “그동안 실험기법의 한계로 인해 가려져 있었던 염색체 간 상호 작용 형성 원리를 밝혀낸 연구”라고 설명했다.KAIST 정인경 교수는 “향후 게놈 3차 구조에 따른 유전자 발현 조절 분야와 암 질환 등에서 빈번하게 보고되고 있는 염색체 변이 원인 규명 등에서 핵체 (nuclear body)와 게놈 간 상호 작용의 중요성을 이해할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.이번 연구는 기존에 알려지지 않았던 염색체 간 상호 작용의 형성원리와 매개 인자인 MAZ 단백질의 역할을 밝힘으로써 더 큰 범위에서의 게놈 3차 구조에 대한 근본적인 원리 규명 단서를 제공했다는 데 큰 의의가 있다.한편, 서경배과학재단, 삼성미래기술육성재단과 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘핵산 연구(Nucleic acids research)’에 지난 4월 5일자 출판됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
KAIST-한국기계연구원, ‘차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술’ 개발
[기계신문] 최근 나노 스케일의 물리·화학 센서부터 미터 스케일의 에너지 수확 소자까지, 전자 소자에 적용되는 소재 및 구조들의 형태가 점점 고도화되며 복잡한 형태로 발전해가고 있다. 그에 따라 범용성이 높은 3차원 구조체 제작 기술의 개발에 많은 연구자들이 관심을 두고 있다.KAIST 기계공학과 박인규 교수와 한국기계연구원 정준호 전략조정본부장 공동 연구팀이 ‘차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술’을 개발했다.연구팀은 신축 기판 위 2차원 나노구조체의 안정적 구현과 인쇄될 기판의 표면 마이크로 구조 설계를 통해 3차원 나노구조체를 인쇄할 수 있음을 처음으로 선보였다.현재 개발되고 있는 인쇄 방법 중 기계적 좌굴을 이용한 인쇄 방식은 얇은 곡면 형태의 복잡한 3차원 형상을 높은 자유도로 제작할 수 있으면서 제작된 구조체를 원래 형상으로 되돌릴 수 있다는 이점 때문에 차세대 인쇄 기술로 주목을 받고 있다.또한, 금속, 세라믹 등 다양한 재료와 소자에 적용할 수 있다는 점과 설계된대로 정확하게 구현할 수 있다는 높은 프로그래밍 가능성을 이점으로 갖는다.그러나 현재까지 개발된 기계적 좌굴 기반의 3차원 인쇄 기술은 2차원 구조체 전사 공정의 불안정성과 나노구조체 설계의 어려움으로 인해 마이크로 스케일보다 큰 3차원 구조체만 제작할 수 있다는 치명적인 한계를 갖고 있다.최근에는 이를 해결하기 위해 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)를 이용해 2차원 형상을 구현하고 물에 녹는 접착 필름을 사용해 신축 기판 위에 3차원 구조체를 인쇄하는 기술 등이 개발되고 있지만, 높은 제작 비용, 밀리미터 스케일 이하의 좁은 인쇄 면적, 낮은 공정 신뢰성으로 인해 보편적 인쇄 기술로 발전하기에는 어려움이 있다.따라서 복잡한 3차원 형상으로 설계된 나노구조체를 실제로 구현할 수 있는 제작 기술을 개발하는 것은 차세대 3차원 인쇄 기술과 나노구조체를 기반으로 한 고성능 광학·전자·바이오 소자의 개발에 큰 발전을 이룰 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다.연구팀은 나노 스케일까지 안정적으로 2차원 구조체를 인쇄할 수 있는 나노전사 인쇄 기술과, 신축 기판에 가해진 압축력에 의해 좌굴된 최종 형상을 예측할 수 있는 설계 기법을 개발해 차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술을 구현했다.공유 결합 기반의 나노 전사 인쇄 기술은 탄성중합체 기판 위에 50 나노미터(nm) 선폭을 갖는 금속·세라믹 물질의 안정적인 전사를 가능하게 했다. 또한, 전사될 신축 기판의 마이크로 패터닝을 통해 인쇄될 물질의 선택적인 접착과 좌굴을 쉽게 하고 접합부의 형상을 제어해 기판의 국부적인 신장률을 설계할 수 있음을 보였다.이를 통해 3차원 좌굴 구조체의 변형 정도(deflection), 방향성(direction), 모드(mode)를 제어함으로써 3차원 구조체의 형상을 설계하고 예측할 수 있는 나노 스케일 인쇄 방법을 개발했다.최종적으로, 개발된 3차원 나노구조체 인쇄 공정은 유독성·폭발성 가스 감지를 위한 고성능 신축 가스 센서를 제작하는데 응용됐다. 이는 나노 스케일의 무기물 물질을 설계 및 제작하고 실제 응용 소자에 적용할 수 있음을 밝혔다는 데 그 의미가 크다.KAIST 박인규 교수와 한국기계연구원 정준호 박사는 “개발된 차세대 3차원 나노구조체 인쇄 기술은 나노구조체 제작 공정의 본질적인 문제인 낮은 범용성 및 디자인 다양성과 대량 생산의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대되며, 추후 반도체 소자를 포함한 다양한 나노 전자 소자 제작에 활용될 수 있을 것”이라고 언급했다.과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 극한물성시스템 제조플랫폼기술의 지원을 받아 수행된 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 안준성 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2023년 2월 온라인판에 출판됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
UNIST 박혜성 교수팀, 이차원 소재 활용해 수전해 촉매 품질 높여
[기계신문] 최근 귀금속 수전해 촉매의 대체재로 많은 관심을 받고있는 페로브스카이트 산화물의 촉매 효율을 크게 향상시킬 수 있는 합성법이 개발돼 주목받고 있다.UNIST 신소재공학과 박혜성 교수와 동국대학교 융합에너지신소재공학과 한영규 교수 공동 연구팀이 이차원 소재인 전이금속 칼코겐 화합물을 페로브스카이트 산화물의 성장기판으로 활용, 촉매의 표면 결정 구조와 전자 구조의 품질을 높이고 성능을 향상시킬 수 있는 합성법을 개발했다.수전해를 통한 수소 생산법은 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않아 친환경적 수소 생산 방식으로 각광받고 있다. 하지만 공정에 사용되는 값 비싼 귀금속 촉매로 인해 수소 생산 단가가 높다는 단점이 있다.페로브스카이트 산화물은 구성 원소와 전자 구조의 품질을 높이기가 용이해 귀금속 대체 수전해 촉매로 많은 연구가 이뤄지고 있지만, 귀금속 촉매 대비 산소발생 효율이 낮다는 문제점을 가진다.통상적으로 촉매의 표면 결정 구조와 전자 구조는 물로부터 수소와 산소를 생산하는 반응과정에서 생성되는 중간 생성물과의 흡·탈착 반응과 직결된다. 따라서 이를 제어하는 기술이 매우 중요하다.연구팀은 이런 특성을 제어하기 위한 효과적인 방법을 밝혀냈다. 반응성이 높은 페로브스카이트의 결정 구조와 유사한 원자 간격을 가지며 전자를 끌어당기는 힘이 강한 이차원 소재를 성장기판으로 활용하는 것이다.이차원 소재 위에 직성장을 통해 합성된 페로브스카이트 산소 발생 촉매는 귀금속 촉매인 이리듐 산화물보다 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하며 뛰어난 산소 발생 효율을 보였다.김웅수 UNIST 신소재공학과 박사과정 연구원은 “촉매의 효율 향상을 위한 핵심 요소를 제어하기 위한 성장기판의 특성을 밝히고, 이를 촉매 물질 설계에 적용하여 고성능 촉매를 개발할 수 있었다”고 설명했다.박혜성 신소재공학과 교수는 “성장기판을 활용한 페로브스카이트 산화물 직성장 기법은 촉매의 효율과 직결되는 표면 결정 구조와 전자 구조를 효과적으로 제어할 수 있다”며 “수전해 촉매뿐만 아니라 다양한 촉매 합성에 응용 가능하다는 점에 있어 학문적 의의가 크다”고 밝혔다.한국연구재단의 ‘기초연구실지원사업’의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 2월 23일자로 온라인 공개됐다.기계신문, 기계산업 뉴스채널
