연구 및 성과에 대한 보도자료
▣ 이장식 교수팀, 유기메모리소자 정보저장능력 4배 향상 기술 개발

<그림> 금 나노입자(검은색) 표면에 실리카 껍질(회색)을 씌운 사진


  포스텍 신소재공학과 이장식교수팀이 차세대 입는 컴퓨터에 사용될 플렉시블 메모리 소자로 주목받는 유기메모리소자의 정보저장 능력을 4배 향상시키는 기술을 개발했다.

이 교수팀은 21일 유기메모리소자에서 정보저장층으로 사용되는 금 나노입자에 실리카 껍질을 나노미터 두께로 입히는 방법으로 저장된 정보의 안정성을 금 나노입자만 사용했을 때 보다 4배 향상시키는 데 성송했다고 밝혔다. 실험결과 실리카 껍질을 입힌 금 나노입자로 만든 유기메모리소자는 저장된 메모리가 1년 후 60% 유지되는 것으로 나타나 금 나노입자만 사용한 경우(메모리 유지비율 15% 정도)보다 정보저장능력이 4배 향상된 것으로 나타났다.

이 교수는 "이번 기술 향상은 유기메모리소자를 당장 상용화하는 데는 부족하지만 상용화에 가장 큰 문제점이었던 정보저장능력을 근본적으로 개선할 방법을 제시하고 제조공정 단계를 획기적으로 줄였다는 데 의미가 있다"고 말했다.

 


<관련기사> 전자신문 14-12-21, 동아사이언스 14-12-21, 경북도민일보 14-12-22

▣ 이태우 교수팀, 초고속 금속 나노선 전극 인쇄 기술 개발

초고속 금속 나노선 전극 인쇄 기술 개발
이태우 교수팀, 어드밴스드머터리얼스 통해 발표



그림 1. (상) 구리 나노선 프린팅 공정 모식도, (하, 좌) 구리 나노선 단면의 전자 현미경 사진, (하, 우) 균일하게 정렬된 구리 나노선의 전자 현미경 사진.


그림 2. 구리 나노선을 소스/드레인 전극으로 사용한 전계 효과 트랜지스터 모식도.


스마트시계 등 다양한 휴대용 웨어러블(wearable) 기기 속에 들어가는 전자소자는 크기는 작으면서도 기능을 원활하게 구동할 수 있어야 한다. 이 같은 초소형․고집적 소자의 전극을 빠르게 정렬해 인쇄할 수 있는 기술이 국내 연구진을 통해 개발됐다.

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학부 이태우 교수․박사과정 이영준씨 연구팀은 재료분야 권위지 ‘어드밴스드머터리얼스(Advanced Materials)’지를 통해 금속 나노선 전극을 빠르게 대면적의 소자에 인쇄하는 기술을 발표했다.
이 기술은 해당 저널의 속표지 논문과 일반인에게도 초록이 공개되는 최우선 논문으로도 선정, 학계로부터의 높은 관심을 증명했다.

소자의 나노크기의 전극을 제작하는 대표적인 방법으로는 포토리소그라피(photolithography)와 전자빔리소그라피(electron beamlithography) 등의 방법이 있지만 이들 기술은 공정이 복잡하고 공정단가가 높다는 단점이 있었다. 또한 기존에 발표된 바 있는 금속 전극 및 배선을 인쇄하는 공정 역시 눈에 보이지 않는 수준의 1 마이크로미터 이하의 금속선을 구현하기에는 기술적인 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 독자적인 기술인 전기장을 이용, 나노선을 기판 위에 직접 정렬시키는 E-나노선 인쇄(E-nanowire printing)기술을 활용해 눈에 보이지 않는 수백나노미터의 선폭을 가졌으면서도 일반 금속과 비슷한 전기적 특성을 나타내는 구리 나노선 전극을 대면적으로 정렬된 상태로 균일하게 인쇄하는데 성공했다.
이와 함께 유기트랜지스터의 전극으로 이용해 소자를 만드는데도 성공해 향후 전자소자 전극으로의 적용 가능성을 입증하기도 했다.

연구팀은 이 기술을 통해 대면적으로 정렬된 금속나노선을 더욱 빠르게 구현해냈을 뿐 아니라, 비용도 크게 낮춰 기존의 방법을 대체할 수 있는 새로운 기술을 제시했다는 평가를 받았다.

이 연구는 디스플레이, 메모리, 태양전지는 물론 터치스크린패널 등 다양한 투명 전자소자와 고집적 회로에 활용될 수 있으며, 특히 다양한 광전자소자와 인쇄 나노전자 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고 있는 국내의 다른 기술과 결합되면 특히 우리나라의 소프트 일렉트로닉스 분야 발전에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
뿐만 아니라, 기존 디스플레이 패널 등의 대면적 전자소자 제작 공정상 발생하는 금속 배선의 결함(defect)을 효과적으로 보수(repair)할 수 있는 기술로도 응용할 수 있어 기존 전자산업에서의 수율을 크게 향상할 수 있을 것으로도 기대된다.

연구를 주도한 이태우 교수는 “기존의 나노 전극 제조방식에 비해 시간과 비용을 현저히 줄였을 뿐 아니라 공법도 간결화해 향후 금속 나노전극을 이용한 고집적 전자소자의 상용화를 앞당길 것”이라며 “특히 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되고 있는 웨어러블(wearable) 컴퓨터, 섬유 전자소자, 플렉시블(flexible) 디스플레이 구현을 위한 원천기술로도 사용될 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다.


<관련기사> 전자신문 14-11-19, 연합뉴스 14-11-19, 경북도민일보 14-11-20

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<논문보기>
Individually Position-Addressable Metal-Nanofiber Electrodes for Large-Area Electronics.

                  adma.201403559 (2014)

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▣ 이종람교수팀, 광 투과도와 전기 전도도 향상 기술 개발


입는 컴퓨터나 손목시계처럼 두를 수 있는 스마트 기기 등 웨어러블(wearable)기기가 각광을 받음에 따라 이에 적용할 수 있는 다양한 소자들이나 태양전지에 대한 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있다. 특히 무게가 가볍고 유연성이 좋은 유기태양전지는 간편하게 충전하면서 사용할 수 있는 새로운 기기에 적용될 것으로 기대를 모으고 있다.

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 이종람 교수․박사과정 함주영씨 연구팀은 이처럼 휘어지는 태양전지에 적용할 수 있는 투명전극 기술을 개발했다. 스탬프에 찍어내는 것처럼 간단한 공정을 이용한 이 기술은 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’지 10월호 표지논문으로 선정돼 학계의 주목을 끌었다.

현재 유기태양전지에 사용되는 투명전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어지고 있는데 이 물질은 저항이나 투과도면에서 다른 소재에 비해 우수하지만, 제조 시에 300℃가 넘는 온도를 필요로 하고, 구부리기도 쉽지 않아 휘어지는 전지에 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있었다.

연구팀은 고분자의 유연성을 이용해 휘어지도록 할 뿐 아니라 도장 찍듯이 찍어내는 나노임프린트(nanoimprint) 기술을 이용해 나노패턴을 고분자에 형성시켜 광 산란을 극대화하는 방법을 이 투명전극에 활용했다.

이와 함께 고분자 층에 금속박막을 만들 때 일어나는 광흡수현상이 고분자와 금속의 경계면에서 일어나는 플라즈몬 현상에 의해 발생되며, 고분자 층의 표면에너지를 증가시킴으로써 플라즈몬 발생을 억제할 수 있음을 포항방사광가속기를 통해 규명하였다.
그 결과 8nm에 불과한 아주 얇은 금속박막 두께에서도 기존에 사용되던 170nm의 인듐 주석 산화물(ITO) 전극보다 우수한 전기 전도도를 얻는데 성공했다.

연구팀은 이 전극을 이용해 유기 태양전지를 제작한 결과 기존 보다 광전류 밀도를 17% 이상 향상시키는데 성공, ITO를 대체하는 다른 전극을 사용한 유기태양전지 가운데 가장 우수한 결과로 평가받기도 했다.

연구를 주도한 이종람 교수는 “유기태양전지는 물론 휘어지거나 접을 수 있는 소자에 적용 가능한 기술로, 잘 구부러지거나 몸에 입을 수 있는 전자기기의 상용화를 앞당기는데 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다.


<관련기사> 전자신문 14-10-29, 세계일보 14-10-29

▣ 물(H2O)로부터 수소 (H2)에너지 생산기술


물(H2O)로부터 수소 (H2)에너지 생산기술

국내 연구진이 햇빛 (태양광에너지)*을 활용하여 물을 분해할 수 있는 신규 나노소재를 개발했다. 물을 분해하면 수소**와 산소가 생산이 가능한데 수소는 차세대 에너지중 가장 청정한 에너지로 각광받고 있어 미래 인류의 에너지 문제를 해결 할 수 있는 핵심 원천 기술이 될 것으로 기대된다.

* 태양광에너지: 태양으로부터 매일 지구로 125,000 테라와트의 광에너지가 유입됨. 이는 매일 지구에 있는 전 인류가 소비하는 에너지의 약 만배에 해당하는 막대한 에너지임.

** 수소: 휘발류 및 경유와 유사하게 에너지원으로 사용이 가능하며 특히 연료전지를 활용하게 되면 환경오염 없이 전기에너지를 생산이 가능하게 됨. 현재의 수소생산은 화석연료로부터 생산되기 때문에 청정에너지원이라 볼수 없음.

성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수팀 (시신건 석사과정)과 포스텍 신소재 공학과 김종규 교수팀 (최일용 박사과정)이 공동으로 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 9월 2일자에 게재되었다.

(논문명: Efficient photoelectrochemical hydrogen production from bismuth vanadate-decorated tungsten trioxide helix nanostructures)

태양광을 활용하여 물분해 수소생산은 Holy grail* (중세의 전설로, 그리스도가 최후의 만찬에서 썼다는 술잔)이라 불리며 1970년대부터 연구되어 왔지만 효율이 낮아 상업화 가능성이 매우 낮았다.

* Holy grail: 지구 어디에나 있는 물을 가치가 있는 수소 에너지로 마법같이 변환한다는 뜻으로 holy grail로 불림.

연구팀은 텅스텐 산화물과 비스무스 바냐듐 산화물을 나노 꼬임 구조를 갖게 하는 핵심 기술로 태양광 물분해 효율을 6% 이상 올릴 수 있음을 확인하였다.

* 물분해 효율 (solar-to-hydrogen conversion efficiency): 태양광 에너지를 100으로 보았을 때 생산할 수 있는 수소의 총 에너지. 6%는 태양광 에너지의 6%에 해당하는 에너지를 수소에너지로 변환이 가능하다는 의미임.

비스무스 바냐듐 산화물은 태양광을 잘 흡수하지만 수소생산 효율이 낮다는 단점을 가지고 있었으나 본 연구에서는 독특한 나노꼬임 구조의 텅스텐 산화물 표면에 비스무스 바냐듐 산화물을 나노미터 수준의 두께로 코팅함으로써 태양광으로부터 생성된 전자*와 정공**의 분리가 매우 효율적으로 일어나며 이로 인하여 물을 산소와 수소로 변환하는 효율을 혁신적으로 높일 수 있었다.

*: 반도체 소재가 태양광의 흡수하게 되면 소재에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 전자(-) 및 정공(+)이 생성되게 됨.

특히 텅스텐 산화물의 나노꼬임 구조는 태양광의 흡수 효율을 거의 100%로 올려줌으로써 고효율의 수소 생산이 가능할 수 있다는 새로운 사실을 전세계 연구진에게 알려주는 계기가 되었다.

태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지의 경우, 생산된 전기를 바로 사용하지 않으면 사라지지만 태양광 에너지를 화학에너지인 수소로 변환하는 경우 기존의 휘발유나 LPG가스처럼 저장 및 수송이 가능하기 때문에 관련 연구가 활발해질 것으로 기대된다.

박종혁 교수는 “이번 연구를 통해 태양광/물을 이용하여 수소에너지 생산기술의 상업화 기회를 높일 수 있는 중요한 초석이 세워졌다”고 밝혔다.


<관련기사> 경북매일 14-09-24, 동아사이언스 14-09-23

▣ POSTECH, 양자점 격자변형에 대한 새로운 해석법 제시 “눈길”


머리카락 굵기의 백만분의 1에 불과한 양자점은 반도체나 디스플레이, 광학센서, 의료기기 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 조명기기 등에도 적용될 정도로 그 활용영역이 무궁무진한 소재로 주목을 모으고 있다. 하지만 이 소재를 이용한 연구의 걸림돌로 지적되는 것이 물질의 전기 전도성 정도를 결정하는 밴드갭(band gap)으로, 이를 제어하는 기술은 학계에서도 끊임없는 이슈가 되고 있는 상태다.

대부분의 연구가 화학적인 방법을 이용하는 가운데, 국내 연구진이 처음으로 기계적인 방법을 통해 양자점의 밴드갭을 제어하는 기술을 개발했다.

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 장현명 교수의 지도를 받은 공의현 박사(32)는 박사과정 주수현씨(지도교수 김형섭)와 나노융합기술원(NINT)의 박현진 선임연구원과 함께 열적 잔류응력*1을 양자점에 유도해 그 격자를 변형함으로써 밴드갭을 조절하는 방법을 개발, 24일 발간되는 재료과학 분야 권위지인 ‘스몰(Small)’의 9월호 표지논문으로 발표한다.

특히 벌크 금속의 잔류응력 관찰을 위해 이용하는 시뮬레이션 방법 중 하나인 유한요소법*2을 처음으로 양자점에 적용해 격자변형을 예측함으로써 새로운 해석법을 제시했다는 점에서 의미를 가진다.

밴드갭은 에너지 갭으로도 불리며, 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨 사이의 차이를 의미한다. 이 차이에 따라 물질의 전기 전도성 정도가 결정되는데, 전도성을 이용해 디스플레이나 반도체에 활용되는 양자점의 특성상, 밴드갭 조절은 광학적, 전기적 특성 개선과도 큰 관련이 있다.

특히 연구팀이 개발한 방법처럼 기계적인 방법으로도 밴드갭을 조절할 수 있다면 고가의 장비나 오랜 공정시간이 필요하지 않게 되어 제조비용도 큰 폭으로 낮출 수 있다.

연구팀은 이 기술을 양자점 감응형 태양전지에 적용, 효율을 60% 이상 끌어올려 실제 활용 가능성에 대한 효과도 입증했다.

한편, 이 논문의 주저자인 공의현 박사는 이 외에도 양자점의 상전이를 이용하여 밴드갭을 제어하는 기술을 올해 같은 학술지인 ‘스몰(Small)’의 4월호 표지논문으로 발표한 바 있다.

1. 잔류응력

외부의 힘을 빼도 재료 내부에 존재하는 응력이다. 응력은 외부의 힘이 증가할수록 증가하지만 증가하는데 한도가 있어 재료 고유의 응력에 도달하면 재료가 파괴되기 때문에 흔히 변형력이라고도 부른다. 금속의 경우 담금질이나 용접 등에 의해 생긴다.

2. 유한요소법

구조물을 유한한 숫자의 요소로 나누어 모델링하고 이를 해석하는 해석기법의 하나로서 수치적해석기법에 속함.


<관련기사> 전자신문 14-09-18, 경북도민일보 14-09-19

▣ 한세광 교수 연구팀 세포치료제 전달용 하이드로젤 개발


포스텍 신소재공학과 한세광 교수 연구팀이 세포치료제를 체내에 효과적으로 전달하여 난치성 질환의 치료효율을 획기적으로 개선될 수 있게 하는 재생의약용 하이드로젤에 관한 연구결과를 정리해 발표했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 세계 최고 수준의 학술지인 ‘프로그레스인폴리머사이언스 (Progress in Polymer Science, IF = 26.854)’ 최신호에 온라인 게재되었다. ‘재생의약용 주사가능형 하이드로젤’이라는 제목으로 소개된 이번 논문에서는 난치성 질환 세포치료제의 체내 안정성을 높여 치료 효능을 장기간 지속시키기 위한 여러 가지 최첨단 고분자 하이드로젤 기술들을 소개하고 있다.

특히, 한세광 교수팀이 하바드 의과대학과 공동으로 개발하여 Nature Photonics에 게재한 체내 빛 전달용 하이드로젤을 이용한 진단 및 치료기술을 심도 있게 소개하고 있다. 체내에 빛을 전달하기 위해 광학특성이 우수한 하이드로젤을 개발한 이번 연구에서는 빛에 의해 유전자 발현이 조절되어지는 광유전학적 세포 (optogenetic hydrogel)를 하이드로젤 내에 넣어 체내에 투입한 다음 빛을 쬐어 혈중 당 농도를 제어할 수 있는 인슐린을 생산하게 함으로써 당뇨병 치료에 효과적으로 적용할 수 있음을 세계최초로 보고하였다. 이와 함께 빛을 조사하여 몸속의 독성 중금속 함량을 시각적으로 분석할 수 있는 기술도 함께 개발하여 학계의 주목을 받았다.

또한, IBS 김기문 단장 (포스텍 화학과 교수) 연구팀과 공동으로 개발한 자기조립 하이드로젤을 이용한 세포치료제 전달기술도 비중 있게 소개하고 있다. 암, 뇌졸중, 심근경색 등과 같은 난치성 질환을 치료하기 위해 유전적으로 변형된 줄기세포를 주사가능형 하이드로젤에 넣은 다음 체내에 투여하였을 때 항암 단백질이 생합성되어 암 세포 성장을 억제함으로써 생존율이 현저하게 개선되어지는 것을 동물실험을 통해 확인하였다. 현재, 공동연구를 수행했던 (주)제넥신(대표이사 성영철 포스텍 생명과학과 교수)과 기술이전 계약을 체결하고 세포치료제 전달시스템의 사업화를 본격적으로 추진하고 있다.

이번 연구는 미래창조과학부 바이오의료기술개발사업단의 세포재생기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다. 한세광 교수는 “이번에 제안한 재생의약용 주사가능형 하이드로젤 기술을 이용하면 기존에 개발되어진 다양한 난치성질환 세포치료제의 효능을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

[용어 설명]

1. 재생 의약 (regenerative medicine)

난치성 질환을 치료하기 위한 세포치료기술 및 손상된 신체 장기의 생물학적 기능을 재생하기 위한 조직재생기술을 이용한 새로운 개념의 의약품

2. 세포치료기술 (cell therapy)

암, 뇌질환, 허혈성 심장질환 등과 같은 난치성 질환을 치료하기 위하여 면역세포 및 유전자변형 (줄기)세포를 이용하는 새로운 개념의 치료기술

3. 하이드로젤 (hydrogel)

고분자가 망상구조 (network) 형태로 가교된 물질로 약물전달 및 조직공학용 세포전달을 위해 폭 넓게 활용되고 있다


<관련기사> 중앙일보 14-09-17, 전자신문 14-09-17

▣ “재료 가리지 않고” 플렉시블 페로브스카이트 태양전지 효율 높이는 기술 개발



 화석연료를 대체할 것으로 기대를 모이는 태양전지는 끊임없이 많은 연구 성과가 나올 정도로 국가 뿐 아니라 학계가 주목하고 있는 연구분야다. 하지만 실리콘을 이용하는 태양전지는 효율은 20% 정도지만, 제조공정이 까다로워 가격이 비싸고, 보다 저렴한 소재를 이용하는 태양전지는 아직까지 그 효율이 상용화하기에는 효율이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이러한 문제를 해결할 새로운 연구분야로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특이한 구조의 금속물 ‘페로브스카이트(perovskite)’ 결정구조의 물질 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트’를 이용한 하이브리드 태양전지가 비용은 낮추면서 대량 생산이 가능한 기술로 주목을 모으고 있다. 이 태양전지는 지금까지 개발되고 있는 태양전지들에 비해 광전변환효율이 비약적으로 높을 것으로 기대되며 과학분야 권위지 중 하나인 사이언스(Science)를 통해서도 2013년 과학계 10대 혁신 기술로 선정되기도 했다.

 POSTECH 신소재공학과 이태우 교수․박사과정 임경근씨, 울산과기대 김진영교수팀은 새로운 고분자 보조층을 이용해 높은 효율을 낼 수 있는 휘어지는(flexible) 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지를 개발해 재료공학 권위지 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지를 통해 발표했다.

 이 기술은 고온공정이 필요없는 유연한 고분자 재료로 페로브스카이트 맞춤형 고분자 보조층을 개발, 기존의 방식에 비해 페로브스카이트 태양전지의 효율을 증가시켰을 뿐 아니라 휘어지거나 접히는 태양전지 분야의 상용화도 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모은다.

기존의 방법은 금속산화물을 보조층으로 사용해 고온을 이용한 공정을 필요로 할 뿐 아니라, 취성(脆性)*1으로 인해 휘어지는 소자를 제작할 수 없다는 단점을 가지고 있어 이를 개선하기 위한 방법으로 고분자 보조층을 이용하는 방법도 제시되었지만, 이는 광전변환효율이 낮다는 단점을 가지고 있었다.

연구팀은 자가조립이 되는 전도성고분자 조성물을 이용해 자가조성 정공추출층(Seld-organized hole extraction layer, SOHEL)*2을 페로브스카이트 태양전지의 활성층에 적용했다. 특히 이 정공추출층은 박막 표면의 고분자 조성을 스스로 조절할 수 있는 특성을 가지고 있어 일함수(work function)*3를 페로브스카이트의 재료에 맞게 맞춤형으로 조절할 수 있어 태양전지가 빛을 흡수한 뒤 생산하는 전력의 ‘전위손실’이 없어져 효율을 극대화할 수 있다.

특히 이번에 개발된 자가조성 정공추출층은 페로브스카이트 재료의 종류에 상관없이 적용할 수 있기 때문에 향후 광범위하게 연구될 여러 재료들에도 적용가능하다는 장점을 가지고 있다.

연구팀은 이 기술을 이용, 기존 8.0%에 그쳤던 효율을 11.7%로 끌어올리는데 성공했으며 휘어지는 플라스틱 기판에도 적용할 수 있다는 사실을 보고했다.

이번 연구성과는 “휴대폰이나 태블릿 등 휴대용 전자기기의 전원으로 태양전지를 활용할 수 있는 가능성도 열었을 뿐 아니라, 경쟁적으로 연구되고 있는 페로브스카이트 태양전지 분야에서 우리나라가 세계 학계를 주도할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구팀은 밝혔다.

1. 취성

재료가 외력에 의해 영구변형을 하지 않고 파괴되거나 극히 일부만 영구 변형을 하고 파괴되는 성질을 말한다. 인성(靭性)과는 반대되는 성질이다.

2. 정공추출층

반도체 가전자대(價電子帶)의 빈자리로 양(陽) 전하를 가진, 전자처럼 움직이는 정공이 나오는 것을 의미한다. 유기태양전지의 구동원리에서는 정공이 광활성층으로부터 양극 쪽으로 빠져 나올 수 있도록 한다.

3. 일함수(Work Function)

물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지다. 열전자 방출량의 온도변화를 측정하거나 외부에서 빛을 비춰주어 광전자가 나오는 것을 확인하는 방법 등으로 구할 수 있다.


<관련기사> 뉴시스 14-09-04, 경북도민일보 14-09-04

▣ 김형섭, 이태우교수: 포스텍 연구팀, 우수한 연구성과로 ‘주목’



 미래창조과학부, 한국과학기술기획평가원 기계소재분야 국가연구개발 우수성과 선정

POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 학술대회에서 잇달아 우수논문상을 받은 것은 물론, 국가연구개발에서도 높은 평가를 받으며 학계의 시선을 끌고 있다.

 

최근 미래창조과학부는 신소재공학과 이태우 교수, 생명과학과 황철상 교수, 화학공학과 김동표 교수, 화학과 최희철 교수 등을 포함, ‘2014년도 국가연구개발 우수성과 100선’을 선정, 발표했다.

 

△이태우 교수는 ‘웨어러블 전자소자 구현을 위한 초고속 나노선 프린팅 기술 개발’로, △황철상 교수는 ‘N-말단 메티오닌 단백질 분해 신호의 발견’으로, △김동표 교수는 ‘유독성 물질을 안전하게 다루는 화학 공정 개발’로, △최희철 교수는 ‘수질환경의 유해물질 입자 크기별 맞춤형 정화용 나노 기공 소재 개발’로 선정됐다.

 

또, 신소재공학과 김형섭 교수는 한국분말야금학회에서 신한다이아몬드가 수여하는 ‘신한다이아몬드 우수논문상’을 수상한 데 이어, 김 교수가 지도하고 있는 통합과정 김정기 씨가 최근 프랑스 메스에서 열린 ‘강소성공정을 통한 나노재료학회(NANOSPD6,Nanomaterials by severe plastic deformation)’에 참석, ‘CST 공정에 의한 소성 변형의 수치적 해석’을 발표해 최우수 포스터 논문상(Best Poster Award)을 수상했다.

 

한편, 신소재공학과 이지산 박사(지도교수 제정호) 역시 네덜란드에서 열린 '미세•나노유체 국제학회(International Conference on Micro & Nanofluidics)‘에서 물방울이 액체 표면에 떨어질 때 내부에서 일어나는 공기 방울의 초고속 동역학을 엑스선 이미징을 통해 규명한 연구로 고속카메라로 잘 알려진 포트론(Photron)사로부터 최우수 비디오상(Best Video Prize)를 수상했다.



<관련기사> 경북일보 14-08-04

▣ 포항공대 연구진, 물방울 젖음주름 형태·원리 규명


포항공대 신소재공학과 제정호 교수 연구팀이 고체 표면에 물방울에 생기는 젖음주름의 원리를 규명했다.

 제정호 교수(포스텍 신소재공학과 교수) 와 박수지(박사과정 연구원)은 물방울에 의해 탄성을 지닌 물질표면이
당겨 올라가 생기는 미세한 젖음주름의 형태워 원리를 규명했다고 밝혔다.
현미경으로 관찰한 결과 물방울 표면에 생긴 젖음주름의 꼭지점이 갈고리처럼 휘어진 비대칭삼각형 형태라는 것을 알아냈다.
또 물질이 무를수록 젖음주름은 높게 생성되며 수직방향 힘에도 비례했다. 또 젖음주름의 형태는 꼭지점에 작용하는 세가지 계면장력에 의해 결정된다는 것도 밝혀졌다.
나뭇잎 위의 이슬이나 피부에 바르는 에센스 방울, 눈에 넣는 점안액 등에서 나타난다.
이번 연구는 세포의 증식, 분화, 성장에 영향을 미칠 수 있는 세포의 젖음현상에 대한 이해를 돕고 향후 세포를 젖음주름에 가두는 등
생체·나노 연구 등에 폭넓게 응용될 것으로 기대된다.

제정호 교수는 “젖음주름의 형성 원리는 젖음현상에서의 힘의 평형을 설명함과 동시에, 무른 고체표면 위에서 나타나는 특이한 젖음현상을 이해하는데 도움이 될 것”이라며 “아울러 세포조작과 같은 미세한 나노기술 분야에서 응용할 수 있는 기술”이라고 밝혔다

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의)의 지원으로 수행됐다.
연구결과는 최근 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판에 게재됐다.

◇젖음주름=고체바닥 위에 액체가 놓일 때 액체·기체 계면장력의 수직방향 힘에 의해 액체, 기체, 고체 경계면 영역의 고체가 뾰족하게 융기한 것. 주로 무른 고체 위에서 나타난다.
      
<관련기사> 전자신문 14-07-22, 동아사이언스 14-07-22, 연합뉴스 14-07-22, 디지털타임즈 14-07-22


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<논문보기>
Visualization of asymmetric wetting ridges on soft solids with X-ray microscopy.

                  Nature Comm 5, 5369, (2014)

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▣ '포스텍 한세광 교수 연구팀, 관절염 치료 나노의약 개발'


나노기술을 이용한 새로운 개념의 관절염 치료기술이 포스텍(POSTECH) 신소재공학과 한세광 교수 연구팀에 의해 개발됐다.

포스텍 신소재공학과 한세광 교수·박사과정 이휘원 씨는 가톨릭대 의대 주지현 교수/서울대 화학생물공학부 김병수 교수와의 공동연구를 통하여 금나노입자에 관절윤활작용이 우수한 히알루론산을 화학적으로 결합한 다음 항체의약품을 물리적으로 접합한 류마티스 관절염 치료 복합제형을 개발하는데 성공하였다.

류마티스 관절염은 인체 내 면역체계의 이상으로 인해 염증이 생기고 기존 혈관으로부터 비정상적으로 과다하게 미세혈관이 생겨나게 된다. 이번에 개발된 나노의약은 신생혈관생성을 억제하고 항산화작용이 우수한 금나노입자와 염증 유발에 관여하는 IL-6 수용체와 효과적으로 결합하는 항체의약품 토실리주맙(Tocilizumab)의 상승작용(synergistic effect)에 의해 기존의 관절염 치료제보다 획기적으로 개선된 치료 효능을 나타내었다. 이번 연구결과는 나노 분야 세계적 권위지 ACS Nano 5월호에 27일자로 게재되었다.

이 연구를 주도한 한세광 교수는 “본 연구에서 개발한 금나노입자 및 항체의약품을 이용한 복합제형은 동물실험을 통해 관절염 치료효능이 우수한 것으로 확인되었으며, 향후 후속연구를 통하여 금나노입자의 바이오이미징 특성을 이용한 류마티스 관절염 진단 및 치료 시스템(theranostic system)으로 개발할 계획”이라고 밝혔다.
 
한세광 교수 연구팀은 최근 5년간 나노의약용 생체재료 개발과 관련하여 총 50 여 편의 논문을 Nature Photonics, Advanced Materials 등 세계 최고 수준의 국제 저널에 게재하였으며 국내외 40여 건의 특허 출원 및 등록을 완료하였다.


[신생혈관생성을 억제하는 금나노입자 및 IL-6와 효과적으로 결합하는 항체의약품을 이용한 신개념 류마티스 관절염 치료 매커니즘. 금나노입자-항체의약품 복합제형에 의해 신생혈관생성이 억제되고 IL-6와 IL-6 수용체의 결합이 저해되어 관절염 치료 효능이 획기적으로 개선된다]

[용어 설명]
※ 금나노입자 (gold nanoparticle)
금을 나노 크기의 입자로 제조할 경우 우수한 물리적, 화학적, 생물학적 특성을 나타내게 되는데 이를 바탕으로 바이오, 의료, 전자, 재료 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

※ 항체의약품 (antibody therapeutics)
체내 질환 관련 수용체와 특이적으로 결합할 수 있는 항체를 이용한 치료제로서 이와 관련된 다양한 물질특허가 최근에 만료됨에 따라 바이오시밀러 항체의약품 개발을 위한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다.


※ 히알루론산 (hyaluronic acid)
피부, 근골격계, 관절, 안구 등에 존재하는 생체고분자로써 피부 및 점막 점착성, 점탄성, 생체적합성 등이 우수하여 관절염 치료제, 안과 수술 보조제, 성형 수술용 필러, 약물전달 및 조직공학 재료 등으로 활용되고 있다.

<관련기사> 중앙일보 14-05-27, 전자신문 14-05-27연합뉴스 14-05-27


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<논문보기> HyaluronateGold Nanoparticle/Tocilizumab Complex for the Treatment of Rheumatoid Arthritis

                  ACS NAno 8, 5, 4790-4798 (2014)
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▣ 김종규․이종람교수팀, ‘나선’으로 유기태양전지 흡수량 향상시킨다


3D 구조층 이용해 다양한 태양전지 성능 향상법 개발


화석연료를 대체하기 위한 새로운 에너지 발전으로 대두되는 것 중 이미 상용화에 들어간 실리콘 태양전지는 설비 단가가 비싼 것이 단점이다. 이에 따라, 생산단가를 대폭 낮출 수 있는 유기염료를 이용한 유기태양전지에 관한 연구가 학계에서 활발하게 이뤄지고 있지만, 상용화가 이뤄지기 위해서는 유기태양전지의 효율을 더욱 향상시켜야 한다.
국내 연구진이 3D 나선을 이용하면 유기태양전지의 빛 흡수량을 극대화시킬 수 있다는 연구결과를 내놔 주목을 끌고 있다.

POSTECH 신소재공학과 박사과정 권현아․김종규 교수, 함주영․이종람 교수 연구팀은 유기태양전지의 전극을 3D 나선형 구조로 만들어 빛의 흡수량 및 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 결과를 제시하여 재료과학분야 권위지 ‘어드밴스드에너지머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 13일자 표지논문을 통해 발표하면서 학계의 관심을 모았다.

유기태양전지는 통상 아주 얇은 박막을 이용해 제작하기 때문에 빛을 효율적으로 흡수하지 못한다. 하지만 연구팀은 전극을 3D 나선형 구조로 만들 경우 태양전지로 들어오는 태양광이 밖으로 반사돼 소실되는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 들어오는 태양광을 분산시켜 흡수되는 빛의 양을 극대화할 수 있다는 사실을 확인했다.

뿐만 아니라 이를 이용해 전기적 특성까지 동시에 향상시킬 수 있어 유기태양전지의 효율을 기존에 비해 10% 향상시켰다.



또한, 이 구조를 만드는 방법인 ‘경사각증착법’은, 나노 물질을 기판에 증착(蒸着)시키는 공정에서 기판을 기울이거나 회전시키기만 하면 되는 방법으로 다양한 물질이나 기판에도 응용이 가능하고 나노구조의 모양 역시 다양하게 만들 수 있다는 장점이 있다.

응 용 가능한 물질이 광범위하다는 장점은 유기태양전지 뿐만 아니라 물 속에서 수소와 산소를 분리해내는 물분해셀, 유리창에 염료를 칠하는 것만으로도 태양광을 이용한 발전이 가능하다는 것으로도 잘 알려진 염료감응형 태양전지 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
한편 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 Global Research Network 사업과 중점연구소사업의 지원으로 수행됐다.


<관련기사> 경북일보 14-05-14, 동아사이언스 14-05-14, 전자신문 14-05-14

▣ 장현명 교수팀, 다강체 산화물의 강유전성 발현과 그 수수께끼 풀어내



전기적인 성질(강유전성*1)과 자기적인 성질(자성)을 동시에 가지며, 이 성질을 이용하면 하드디스크와 작은 크기에도 대용량 데이터를 저장할 수 있는 D램의 성질을 모두 갖춘 차세대 비휘발성 메모리로도 만들어 낼 수 있는 ‘다강체’의 성질과 수수께끼에 쌓였던 강유전성이 생기는 이유를 국내 연구진이 밝혀냈다. 이 연구성과는 재료화학 분야 권위지의 표지논문에 선정될 정도로 학계의 관심이 높다.

POSTECH 첨단재료과학부 통합과정 송승우․장현명 교수팀(첨단재료과학부 및 신소재공학과)은 다강체 산화물인 LuMno3에서 강유전성이 발현되는 원인과 이에 관련된 수수께끼를 제1원리 시뮬레이션을 통해 풀어냈다. 지금까지 다강체가 강유전성과 자성을 동시에 가지는 이유에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔으나 분명한 해법은 제시하지 못했다.

연구 팀은 구조적 극성이 생성되는 온도(~1560℃)와 전기적 극성이 생성되는 온도(~1020℃)가 큰 차이를 보인다는 사실에 착안하여, 전기적 극성이 나타나지 않은 상태에서 극성이 나타날 때, 영향을 미치는 원자의 이동을 분석하고, 이 때 전기적 극성이 원자의 대칭적․비대칭적 이동의 짝이룸(coupling)으로 인해 일어난다는 사실을 밝혀내었다.

1560℃에서 이뤄지는 구조적 극성 발현은 대칭적 원자이동이 영향을 끼쳐 전기적 극성은 나타나지 않지만, 1020℃에서는 비대칭적 원자이동과 대칭적 원자이동이 짝을 이뤄 일어나는 상태로 바뀌기 때문에 전기적 극성이 나타난다는 것이 연구팀의 결론이다.

연구팀은 또, 이 연구결과는 육방정형*2 망간 산화물에서 공통적으로 일어나는 현상으로 육방정형 상온 다강체 뿐만 아니라 강유전체 메모리 소자(통칭 F램) 개발에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

이 연구성과는 제23회 유전체 물성 심포지엄 및 제15회 강유전체 소재․소자 워크숍에서 최우수 발표상을 수상했을 뿐 아니라 영국 왕립 화학회에서 발간하는 재료화학분야 권위지 ‘저널오브머터리얼스케미스트리씨 (Journal of Materials Chemistry C)’ 최신호 표지논문으로 선정되는 등 학계에서 관심을 모으고 있다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 일반연구자지원사업과 KISTI HPC 응용 연구 지원 프로그램의 지원 아래 수행됐다.

1. 강유전성(ferroelectricity)

자발적인 전기편극을 가지고 그 자발적 편극이 전기장에 의해 방향을 반전할 수 있는 결정. 어떤 전압 이상을 가하면 자발 분극이 반전해 전압을 제거해도 그 상태를 유지하는 성질이 있다.

2. 육방정형(hexagonal system)

밑면이 정육각형을 이루는 육각기둥구조의 결정계. 주로 아연과 마그네슘 등의 금속에 많다.

<관련기사> 중앙일보 14-05-12, 뉴스타운 14-05-12, 포스코신문 14-05-15

▣ 저비용·대면적·초고속 특징 '그래핀 나노리본 기술' 개발



 국내 연구진이 정렬 및 패터닝이 가능한 유기 나노선(Organic nano-wire)을 이용한 리소그라피 방법으로 저비용·단시간의 그래핀 나노리본 제작 기술을 개발했다. 이 기술은 메모리·디스플레이 등 고집적 전자회로에 활용될 수 있는 그래핀 나노리본을 원하는 모양으로 넓은 면적에 걸쳐 매우 쉽게 제작할 수 있기 때문에, 그래핀 나노리본의 우수한 전기적 특성과 그래핀 특유의 투명함과 유연함을 활용한 웨어러블(wearable) 전자소자나 접히는 디스플레이(Flexible Display) 분야의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
 
 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 일환으로 추진되는 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단(단장 조길원)”의 지원으로 포항공과대학교 신소재공학부 이태우 교수가 주도하고 Wentao 연구교수가 제1저자로 참여하여 수행되었으며 재료과학분야의 세계적 권위의 학술지인 ‘Advanced Materials’지에 4월 10일(목)에 온라인 게재되었다. (논문명 : Rapid Fabrication of Designable Large-Scale Aligned Graphene Nanoribbons by Electro-hydrodynamic Nanowire Lithography

 그래핀은 우수한 전기적, 물리적, 그리고 화학적 특성을 가지고 있어 차세대 고집적 유연 전자 소자의 핵심 물질로 주목받고 있지만, 밴드갭(band gap, 전자가 지닐 수 있는 에너지의 허용된 대역)이 없어서 밴드갭을 활용하는 반도체 특성의 전자장치에 사용하기 어려운 문제점이 있었다. 그러나 그래핀이 나노리본 형태가 되면 밴드갭을 가지게 되고 그 폭이 좁아 질수록 밴드갭이 커지게 되어, 좁은 폭의 그래핀 나노리본을 확보하여 그래핀의 반도체 특성을 활용할 수 있다.

 기존의 다양한 그래핀 나노리본 제작 기술이 소개되어 왔지만, 공정단가 높고 제작시간이 길었으며, 트랜지스터나 메모리와 같은 전자소자에 적용하기 위해서는 대면적에서 개별적인 폭 조절과 위치 정렬을 필요하기 때문에 산업적인 측면에서 한계를 가지고 있었다.
 
 연구팀은 화학기상증착법(Chemical vapor deposition)을 통해 실리콘 기판 위에 그래핀을 형성하고, 그 위에 유기 나노선을 원하는 위치에 정렬시킨 후 산소 플라즈마 식각(필요없는 부분 제거) 과정을 거쳐, 유기 나노선의 형태를 따라 그래핀 나노리본을 제작하였다. 기존에 시간이 많이 걸리고 높은 공정비용이 소요되며 대면적 패터닝이 어려웠던 그래핀 나노리본 제작 공정의 단점을 극복하였다.

 연구 팀은 이 기술을 이용하여 10nm(나노미터) 이하 범위의 폭을 가지고, 밴드갭을 가진 그래핀 나노리본을 제작하였으며, 더 나아가 이를 전계 효과 트렌지스터의 채널로 이용하여, 상온에서 약 70의 on/off 전류비(current ratio)와 약 300cm2V-1s-1의 정공 이동도 값을 가지는 소자를 제작하는데도 성공하여, 향후 전자 소자로의 활용 가능성도 입증했다.

 연 구팀은 “기존의 방식과는 달리 원하는 위치에 원하는 길이의 그래핀 나노리본을 대면적으로 제작할 수 있는 것은 물론, 저비용으로 간결한 공법이 가능하기 때문에 그래핀 나노리본을 이용한 전자소자의 연구를 더욱 가속화 시킬 것”이라는 데 기대가 크며, “이번 연구성과는 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되는 입는(wearable) 컴퓨터 및 플렉시블(Flexible) 전자소자 등을 구현하기 위한 원천기술로 사용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.


<관련기사> 동아사이언스 14-04-27