연구 및 성과에 대한 보도자료
▣ 태풍 우주 ‘소용돌이’ 현상 원리 풀었다


 태풍이나 우주의 성운을 관찰할 때 물체가 돌면서 나선형으로 흐르는 ‘소용돌이’ 현상의 원리를 포스텍 연구팀이 밝혀냈다.
 포스텍은 신소재공학과 제정호교수·이지산박사 연구팀이 물방울이 액체 표면에 떨어지는 순간 소용돌이가 형성되는 찰나의 모습을 초고속 X-선 현미경을 이용해 그 원리를 밝혀냈다고 6일 밝혔다.
 연구 결과는 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션지 최신호에 게재됐다. 연구팀은 물방울이 액체 표면에 떨어질 때 순간적으로 물방울의 벽면을 따라 액체가 타고 올라가면서 작은 소용돌이가 만들어지는 과정을 X-선 현미경에 생생히 담아냈다.
 분석 결과 액체의 오네조르게 수가 충분히 적을 때 탄성파 에너지의 전달에 의해 소용돌이가 형성되는 원리를 밝혀냈다.
연구팀은 이 원리에 따라 액체의 오네조르게 수를 소용돌이 형성의 새로운 기준으로 제시했다.
오네조르게 수는 유체가 이동할 때 점성력과 관성력 및 탄성력을 연관시키는 유체역학상수다.

 연구팀은 이와함께 소용돌이가 연속해 여러 개가 형성될 수 있는 것도 처음으로 확인했으며 소용돌이의 회전 역학과 각 속도, 나선 모양 등 구체적인 소용돌이 형태까지 밝혀냈다고 설명했다.

 제 교수는 “원리를 활용하면 태풍과 같은 자연재해를 좀 더 체계적으로 이해해 예측의 정확도를 높일 수 있고 유체물질 전달을 응용하는 산업에서 공정효율을 높이는데도 도움이 될 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

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<논문보기> Origin and dynamics of vortex rings in drop splashing 
                  - Nature Communications 6, 8187 (2015) (IF : 10.742)
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▣ 고성능 2차원 광소자 개발 가능성 향상(원자층 회전 방향 제어)


 포스텍 신소재공학과(첨단재료과학부) 조문호 교수 및 연구진은 서로 다른 두 2차원 소재를 접합하여 새로운 광학적 특성을 밝혀내고, 고성능 2차원 광소자를 개발할 수 있는 가능성을 높였다.
 연구팀은 단일 원자층으로 이뤄진 이황화몰리브덴(MoS2)1)과 이황화텅스텐(WS2)2)간의 상대적 결정 방향을 조절함으로써 가시광선을 흡수·방출할 수 있는 특성을 구현했다. 2차원 소재의 광학적 특성을 제어하는데 성공함으로써, 2차원 발광체, 레이저, 광검출기 등 고성능 광소자에 응용할 수 있는 단초를 제공하였다.

 2차원 원자층 물질은 여러 개 원자층으로 이루어져 있으며, 단일 원자층으로 존재할 때 새로운 물리적 현상을 관찰할 수 있다. 탄소 원자 한 개 층으로 이뤄진 그래핀이 대표적이다. 
 이러한 2차원 소재들은 우수한 물리·화학적 특성 덕에 차세대 전자소자로 주목받고 있다. 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐 역시 단일 원자층으로 떼어낼 수 있는 층상화합물이며, 그래핀을 대체할 차세대 반도체 소재 후보로 꼽히고 있다.
 2차원 소재들은 저마다의 결정방향이 있다. 두 원자층 소재를 종이를 겹치듯 적층구조로 쌓았을 때, 이 방향(상대적인 회전각도)을 일치시키면 상호작용이 강해지고 전자/광소자 활용 가능성이 커진다. 특히 나노미터 두께에도 불구하고 빛의 10% 이상을 흡수할 수 있어 광소자로서 성능을 크게 높일 수 있다. 연구진은 새로운 공정을 개발해, 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐의 원자층 간 회전각도를 일치시키는데 성공했다. 

 연구진이 만든 적층 구조는 빛을 흡수하고 방출하는데 있어 전자의 운동량이 커 전자의 전달 효율이 높다는 특징이 있다. 이를 위해 연구진은 기존의 방식과는 다른 방식을 이용하여 적층 구조를 만들었다.
 기존에는 각 단일층 재료를 기계적으로 박리법으로 분리한 뒤 물리적으로 전사해 적층구조를 만들었다. 하지만 단일층 간 상대적 결정 방향이 일치하지 않아 층 간 상호작용이 미약하다는 한계가 있었다. 
 연구진은 기존 방식과 달리 대면적 화학기상증착법3)을 활용했다. 연구진은 화합물의 원자층 간 회전각도가 0도가 되면서 결정 방향이 정확하게 일치하는 것을 확인했다. 

   *화학기상증착법은 고온에서 물질을 가열할 경우 생기는 기화물 간 화학 반응을 이용하여 원하는 기판에 소재를 합성하는 방식이다

 조문호 부연구단장은 “두 원자층 간 결정 방향을 조절하면 새로운 파장의 빛을 흡수하고 방출하는 특성을 제어할 수 있음을 최초로 규명한 것이다”면서 “앞으로 다양한 광물리 현상 연구가 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 그는 또“눈으로 볼 수 있는 빛의 영역인 가시광선의 빛을 흡수・방출하기 때문에 앞으로 2차원 광소자의 성능을 크게 높일 수 있는 가능성을 제시하였다”고 말했다.

 이 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)에 온라인에 6월 23일 게재되었다. 이번 연구는 연세대학교 전자전기공학부 최현용 교수 연구진과 포항공과대학교 화학과 심지훈 교수 연구진의 공동 연구로 수행되었다.

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<논문보기> Interlayer orientation-dependent light absorption and emission in monolayer semiconductor stacks 
                 - Nature Communications 6, 7372 (2015) (IF : 10.742)
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▣ 플렉서블 아몰레드 디스플레이 상용화 기술 개발


유리 봉지 공정 유연성 확보

 포스텍 연구팀이 휘거나 접을 수 있어 꿈의 화면으로 불리는 플렉서블 아몰레드(AMOLED) 디스플레이의 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 찾아내 눈길을 끌고 있다.

특히 물과 산소에 취약한 플렉서블 아몰레드 디스플레이 보호 뿐 아니라 중요 특성인 휘어지는 특성을 쉽게 해 플렉서블 디스플레이에 사용할 수 없는 유리 봉지 공정 한계를 극복하고 제품 단가를 낮추는 대량 생산에도 적합해 기대를 모으고 있다.

포스텍 신소재공학부 이태우 교수와 박사과정 박민호씨 연구팀은 최근 유기물을 효과적으로 보호하며 플렉서블 디스플레이에 적합한 플렉서블 봉지 기술(Flex Lami-capsulation)을 개발, 재료분야 권위지인 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 발표했다.

이 교수팀은 기존 봉지 기술의 신뢰성, 유기전자 소자 특성을 안정적으로 유지하며 동시에 유연성을 향상할 있고 롤투롤 (Roll-to-Roll) 대량생산 공정에 직접 적용 가능한 플렉서블 봉지 기술을 찾아냈다.

이에 따라 차세대 디스플레이 외에도 태양전지, 메모리, 조명 등 쉽게 휘고 접힐 수 있는 형태가 필요한 플렉서블 전자소자의 봉지 공정에도 광범위하게 활용 가능할 것으로 보인다.

연구를 주도한 이태우 교수는 "기존 유리 봉지 기술에 버금가는 특성을 유지하면서도 유연성까지 확보할 수 있다"면서 "저비용 대량생산이 가능해 플렉서블 디스플레이와 조명의 상용화를 앞당기는 데 일조할 것"이라고 밝혔다. 

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<논문보기> Flexible Lamination Encapsulation 
                 - Advanced Materials 27, 4308 (2015) (IF : 15.409)
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▣ 게 껍질 ‘키토산’으로 저항변화메모리 소자 기술 개발


 국내 연구진이 게 껍질에서 추출한 '키토산'으로 메모리 소자를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 친환경적이고 생체 적합성이 높은 물질을 활용한 만큼 향후 차세대 캡슐형 내시경, 인공근육, 인공장기 등 인체친화형 전자기기의 메모리 소자로 응용할 수 있을 전망이다.
이장식 포스텍 교수(신소재공학과·사진)는 게나 새우 같은 갑각류의 껍질에서 추출한 키토산을 재료로 생체 친화적인 메모리 소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

 키토산은 게나 새우 껍질의 주성분인 키틴을 탈아세틸화시켜서 만들어지는 물질로 인체에 무해하며 자연분해가 된다는 장점이 있다. 해산물 처리 과정에서 나오는 부산물을 사용하기 때문에 제조단가도 저렴하다.

 이 교수팀은 차세대 메모리 소자로 주목받고 있는 '저항변화메모리 소자'를 키토산으로 구현했다. 저항변화메모리 소자는 가해준 전압에 따라 소자의 저항이 바뀌는 것을 이용하는 메모리 소자로, 높은 저항 상태와 낮은 저항 상태를 인위적으로 바꿔줄 수 있다.
연구팀이 개발한 메모리 소자는 백금(Pt), 키토산, 은(Ag)으로 구성됐으며 백금은 하부전극, 은은 상부전극, 키토산은 저항변화물질로 사용됐다. 키토산을 이용한 저항변화메모리 소자는 낮은 동작 전압, 우수한 정보저장능력을 발휘했으며 반복적으로 메모리를 쓰고 지우더라도 성능을 유지하는 것으로 나타났다. 더불어 연구팀은 쉽게 휠 수 있는 플렉서블 기판을 이용한 메모리 소자 제작도 가능하다는 것을 확인했다.

 이 교수는 "안전하고 친환경적인 소재로 된 메모리 소자를 만들겠다는 목표로 연구를 시작해 게 껍질에서 추출한 키토산을 기반으로 하는 생체적합 메모리 소자를 개발할 수 있었다"고 말했다.
이 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 'ACS나노' 온라인판 12월 16일자에 게재됐다. 

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<논문보기> Resistive Switching Memory Based on Bioinspired Natural Solid Polymer Electrolytes 
                  - ACS NANO 9, 419 (2015) (IF : 12.033)
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