연구 및 성과에 대한 보도자료
▣ 반도체-금속 성질 자유자재로 제어해 고성능 2차원 반도체 만든다

 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 염한웅 단장(물리학과)과 조문호 부연구단장(신소재공학과) 연구팀은 반도체성과 금속성을 선택적으로 제어하여 새로운 2차원 물질을 합성하는데 성공했다. 동일한 2차원(원자층) 물질로 일부는 금속성을 띠게 하고, 일부는 반도체 성질을 갖도록 한 것이다. 원자 수준에서 이러한 반도체-금속 접합 구조를 합성한 것은 처음이다.

연구팀은 통상적인 2차원 전위 장벽*1을 동일 원자층 내에서 1차원으로 구현하여, 전위 장벽을 낮춘 고성능 트랜지스터 소자를 선보였다. 기존 실리콘 반도체 소자의 경우 반도체와 금속 접합이 2차원 평면이지만, 동일 원자층 내에서의 접합은 선으로 이루어지므로 전위 장벽이 1차원이 되는 것이다. 두 물질이 접할 때 전위차 때문에 전자의 이동이 방해받는 곳이 전위 장벽이고, 이 때 발생하는 저항을 접촉 저항이라 한다. 전위 장벽이 높으면 접촉 저항도 커지고, 그만큼 반도체 소자의 성능은 떨어진다.

이로써 그래핀 등 2차원 물질로 반도체 소자를 만들 때 걸림돌이던 접촉 저항 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 접촉 저항을 크게 줄이면 획기적인 반도체 기술개발로 이어질 수 있다.

휴대전화와 컴퓨터 등 전자제품의 소형화 추세에 따라 2차원 층상 물질은 기존의 실리콘 반도체를 대체할 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 하지만 금속 전극에서 2차원 반도체 소재로 전자가 이동할 때의 경계면 차이가 자유로운 전자이동을 방해하여 성능을 저해하는 것이 문제였다.

조 부단장 연구팀은 문제해결을 위해 2차원 반도체 물질인 전이금속-칼코겐 층상 화합물(transition-metal chalcogenides)로 신물질을 합성했다. 전이금속 칼코겐 화합물은 그래핀과 유사한 2차원 층상구조 물질로 투명성과 유연성이 우수하여 차세대 전자소자로 주목받고 있다. 특히 전이금속과 칼코겐 원자 간에 다양한 화학결합이 가능하기 때문에 단일 물질로 반도체성과 금속성이라는 다른 성질을 선택적으로 구현할 수 있다. 같은 물질이라 해도 결정구조가 다르면 성질이 달라진다. 탄소로 구성된 흑연과 다이아몬드가 대표적인 예다.

연구팀은 이러한 특성에 주목하여 전이금속-칼코겐 화합물의 일종인 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)을 기상 원자층 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)*2으로 합성시, 증착 온도가 상대적으로 저온에서는 반도체성을, 고온에서는 금속성을 띤다는 사실을 밝혔다. 연구팀은 반도체성과 금속성을 선택적으로 제어할 뿐 아니라 동일 원자층 평면 내에 넓은 면적으로 합성하는 데도 성공하였다.

연구팀이 개발한 새로운 반도체-금속 접합 구조는 원자 수준에서 매우 균일하며, 접합 부분에서 전위 장벽이 매우 낮다. 실제로 반도체와 금속 간 접촉 저항을 기존의 10분의 1로 줄인 트랜지스터로 작동할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이텔루륨화텅스텐(WTe2) 등 다른 종류의 전이금속-칼코겐 화합물에서도 반도체성과 금속성을 선택적으로 제어할 수 있음을 확인했다. 연구팀이 제안한 원자층 증착법을 통한 신물질 합성은 원자 수준에서 반도체성, 금속성의 이종 물질 접합이 가능함을 보여준다. 또한 다른 다양한 2차원 원자층 물질 합성으로 확장이 가능하여 향후 기반 기술로 활용될 수 있을 것이다.

이번 연구를 이끈 조문호 부연구단장은 “원자층 수준의 2차원 신물질 합성이 새로운 반도체 기술에 직접적으로 적용된 연구 결과”라고 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.986) 온라인판에 9월 18일 게재되었다.


▣ 포스텍 연구팀, '밸리 제어' 핵심 원천 기술 개발

 나노 박막 해테로 구조로 전자와 정공 분리해 밸리 제어 성공

 전자의 특성을 이해하고 제어하는 기초 과학 기술은 인류 사회에 혁명적인 변화를 일으켰다. 70년 전 전자가 갖는 전하(charge)를 제어해 만든 트랜지스터는 오늘날 컴퓨터와 스마트폰의 심장에 해당하는 핵심부품이다. 전자의 스핀(spin)을 제어해 만든 하드디스크는 30년 전 정보화 혁명을 이끈 핵심 메모리 기술이었다. 최근엔 밸리(valley)라고 하는 새로운 전자의 특성이 보고돼, 수많은 연구자가 밸리를 제어하려는 노력을 시도하고 있다.

 신소재공학과 김종환 교수는 UC 버클리대학교와의 공동 연구를 통해 나노 박막 해테로 구조를 이용해 전자(음전하)와 정공(양전하)을 극초고속으로 분리해 밸리 제어에 한발 다가섰다. 이 연구는 기초과학의 토대를 만든 성과를 인정받아 사이언스(Science) 자매지인 사이언스 어드밴스(Science Advances)를 통해 발표됐다.

 그동안 이론적으로는 원자 수준 두께의 나노 박막이 전자 밸리 특성을 잘 살릴 수 있을 것으로 기대됐다. 하지만 실제 실험 결과 밸리 특성이 수 피코초 만에 파괴돼 소자로 응용될 수 없을 것이라는 어두운 전망이 이어져 왔다. 김종환 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 밸리 특성이 파괴되는 이유가 음전하가 양전하와 함께 있기 때문이라는 사실에 착안해 나노 박막 해테로 구조를 통해 양전하와 음전하를 분리해 내는 방법을 고안해 냈다. 이 방법을 통해 전자 밸리 특성을 보호하고 기대 수명을 수 피코초에서 약 백 만 배 가량 늘린 1마이크로 수준으로 구현했다.

 연구팀 김종환 교수는 “나노 신소재 원천 기술을 이용해 밸리를 기반으로 미래의 전자, 메모리, 광소자의 토대가 될 튼튼한 기초과학의 토대를 만들었다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.


▣ “콘택트렌즈로 당뇨진단”…스마트 헬스케어 렌즈 본격 상용화

포스텍, 당뇨 진단 및 치료 가능한 스마트 콘택트렌즈 상용화 추진

<스마트 헬스케어 콘택트렌즈가 당뇨를 진단하는 모식도>

 화이바이오메드는 한 교수가 지난 2014년 창업한 바이오벤처이고, 인터로조는 국내 최대 콘택트렌즈 전문기업이다. 

 포스텍 연구팀이 개발한 기술은 스마트 콘택트렌즈를 이용한 새로운 개념의 당뇨 진단 시스템이다. 초소형 마이크로 발광다이오드(LED)와 광검출기를 장착한 렌즈를 낀 채 눈을 감으면, 암실과 같은 환경에서 각막과 눈꺼풀 안쪽에 있는 혈관 속에 있는 당화혈색소를 빛으로 분석, 진단을 내린다. 
<한세광 포스텍 교수가 스마트 헬스케어 콘택트렌즈의 당뇨진단 원리에 대해 설명하고 있다.>

 눈은 우리 몸속의 변화를 그대로 보여준다. 간이나 췌장에 문제가 생기면 눈동자가 노란빛을 띠는 것처럼 모든 장기의 변화에 밀접하게 관련되어 있기 때문이다. 이런 눈의 특성을 반영, 눈에 착용만 해도 당뇨 같은 질병을 바로 진단할 수 있는 스마트 헬스케어 콘택트렌즈가 본격적으로 상용화된다.

 신소재공학과 한세광 교수, 박사과정 금도희 씨, 전자전기공학과 심재윤 교수가 공동으로 개발한 질병 진단 및 치료용 스마트 헬스케어 콘택트렌즈를 ㈜화이바이오메드, ㈜인터로조가 공동으로 ‘월드 클래스 300 (World Class 300)’ 프로젝트를 통해 상업화를 추진한다.

 당뇨 진단을 위해서는 일반적으로 환자의 혈액을 채취, 혈당을 분석하는 방식을 취하고 있지만, 이런 방식으로는 연속적인 혈당 분석이 어렵다는 단점이 있다. 미국 구글이 다국적 제약회사 노바티스(Novartis)와 공동으로 구글렌즈를 제작하여 눈물의 당 농도를 분석하는 진단시스템을 개발하고 있지만, 눈물이나 땀과 같은 체액은 이미 혈당이 높아진 20~30분 후에야 당 수치가 변하기 때문에 정확한 실시간 혈당 분석이 어렵다.

 연구팀이 개발한 것은 스마트 콘택트렌즈를 이용한 새로운 개념의 당뇨 진단 시스템으로, 각막과 눈꺼풀 안쪽에 있는 혈관에서 착안했다. 초소형 마이크로 발광다이오드(LED)와 광검출기가 장착된 이 렌즈를 낀 채 눈을 감으면, 암실과 같은 환경에서 혈관 속에 있는 당화혈색소(糖化血色素)를 빛으로 분석, 진단을 내리는 새로운 개념의 당뇨 광 진단기술이다.

 여기에, 연구팀은 분석결과에 따라 메트포민과 같은 당뇨 치료약물이 바로 눈을 통해 전달되어 진단과 동시에 치료가 가능한 획기적인 스마트 콘택트렌즈 나노 클리닉 시스템 개발 연구도 병행하고 있다.

 연구를 주도하고 있는 한세광 교수는 “눈은 뇌, 심장, 간 등 인체 주요 장기와 밀접한 연관성이 있는 것으로 알려져 있어 스마트 콘택트렌즈를 이용한 당뇨 광 진단 및 치료 시스템 기술을 다양한 난치성 질환에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

 한편, ㈜화이바이오메드는 한세광 교수가 POSTECH 신소재공학과 의료용 나노소재 연구실의 연구성과를 기반으로 2014년 창업한 바이오벤처 회사이며, ㈜인터로조는 국내 최대 콘택트렌즈 전문기업이다.


▣ 삼성전자, 차세대 반도체·인텔리전스 미래기술 지원…포스텍 5개 과제 선정

차세대 반도체 재료 및 소재 분야 선정

삼성전자, 차세대 반도체·인텔리전스 미래기술 지원

삼성전자가 차세대 반도체와 인공지능 기술 투자를 확대한다.

삼성전자는 미래기술육성센터가 지원하는 2017년도 지정테마 지원과제 총 21개를 선정해 발표했다. 올해는 차세대 반도체 재료와 소자, 스마트 머신을 위한 인텔리전스 2개 분야를 선정했다. 

차세대 반도체 재료와 소자 분야에서는 'Steep-slope Landau 스위치 구현을 위한 가역적 수소 도핑 기반 Mott 트랜지스터 개발 과제(포스텍 손준우 교수) 등 12건이 선정되었으며, 인텔리전스 분야에서는 딥러닝 학습과 추론을 향상시키기 위한 메모리 중심의 가속기 아키텍쳐' 과제(포스텍 유민수 교수) 등 9건(포스텍 4건)이 선정됐다.

반도체 분야 심사위원장인 김형준 서울대 재료공학부 교수는 “반도체 분야 소재, 소자와 공정, 분석, 계산 등 다양한 분야에 많은 과제 제안이 있었다”면서 “이번 지정테마가 국내 반도체 분야의 신진 연구자 발굴과 창의적인 연구 문화를 확산해 반도체 분야의 연구 활성화에 기여할 것”으로 기대했다. 

인텔리전스 분야 심사위원장인 이상구 서울대 컴퓨터공학부 교수는 “올해 제안 과제가 기대 이상으로 좋은 연구가 많았다”면서 “디바이스향 인텔리전스 과제가 주를 이뤘고, 향후 상용화도 기대된다”고 밝혔다. 

삼성전자는 기초과학·소재·정보통신기술(ICT) 3대 분야와 신기술·미래기술 분야 등 국가 미래과학기술 육성을 지원하기 위해 2013년부터 10년간 총 1조5000억원을 출연하는 미래기술육성사업을 운영하고 있다. 사업 일환으로 실시하는 기초과학, 소재, ICT 분야 '자유공모 지원과제'는 매년 상, 하반기에 한 차례씩 선정한다. 올해 하반기 지원과제 선정 결과는 9월 28일에 발표한다. 다른 지원 프로그램인 '지정테마 지원과제'는 매년 1회 선정한다. 다음 지원 과제는 내년 5월에 접수할 예정이다.

<관련기사> 전자신문 17-07-10

▣ 플라스틱 기판에 나노막대 제작 원천기술 개발

플라스틱 기판서 1분 이내 짧은 공정으로 제작 가능

플라스틱 기판에서의 빛의 흐름을 통제하여 태양전지나 LED와 같은 광소자의 성능을 향상시킬 수 있는 나노막대 제작 기술이 개발됐다. 이 고효율 나노막대는 웨어러블 스마트기기에도 적용할 수 있어 크게 주목 받고 있다.

신소재공학과 이종람 교수, 박사과정 박재용 씨 연구팀은 전기회로들로 구성되어 있는 플라스틱 기판에서 나노막대를 기존보다 수백배 빠르게 제작할 수 있는 기술을 개발, 네이처가 출판하는 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)지 6월호를 통해 발표했다.

나노막대는 빛이 퍼지는 정도를 조절할 수 있어 고효율 광소자 제작을 위한 핵심 기술이다. 이러한 나노막대 제작을 위해 지금까지 사용된 공정법들은 플라스틱 기판을 100도 이상으로 유지해야 하고, 또 1마이크로미터(㎛) 길이의 나노막대를 이 기판에서 제작하는데 1시간 이상 소요되는 등, 상용화하기에는 난관이 많았다.

연구팀은 플라스틱 기판에 은(Ag) 나노박막을 형성한 후 기체 상태인 염소 플라스마에 노출시키면 단결정*1 염화은(AgCl) 나노막대가 만들어지는 현상을 발견했다. 이를 응용, 염화은 나노막대를 1분 이내 짧은 공정 시간으로 제작할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

포항가속기연구소를 통해 분석과 검증을 마친 이번 연구는, 나노막대의 직경 크기를 조절, 빛의 산란도를 0%에서 100%까지 자유자재로 바꿀 수 있어 LED, 태양전지와 같은 광소자 제작에 응용할 수 있다. 특히 플라스틱 기판을 상온에서 제조할 수 있고, 1분 이하의 공정 시간으로 나노막대 길이를 수 마이크로미터(㎛) 길이로 제작할 수 있어 기술 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

연구를 주도한 이종람 교수는 “이번에 개발된 기술로 플라스틱 기판에 단결정 나노막대를 롤투롤 (roll-to-roll) 공정*1 으로 제작할 수 있어  의미가 있다”며 “향후 웨어러블 스마트기기나 스마트 의료기술 등 고성능 플렉서블(flexible) 소자 대량 생산에 기여할 것”이라고 밝혔다.


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▣ 포스텍-포스코, 미래 철강기술 개발 위해 "논의"


포스텍 - 포스코 기술연구원 연구분야 FORUM

포스코와 포스텍이 미래 핵심 철강기술 개발을 위해 분야별 토의와 협력기술 테마 발굴의 시간을 가졌다. 

포스코는 지난 24일 포스텍 국제관에서 ‘연구분야 포럼(Research Cooperation Forum)’을 개최했다고 26일 밝혔다. 행사에는 최주 포스코 기술연구원장을 비롯한 연구원 30여 명과 포스텍 교수·대학원생 65명이 참석했다. 

최주 기술연구원장은 인사말을 통해 “창의적인 관점에서 주기적이고 지속적인 산학협력 모델을 구축하여 미래 철강 기술개발로 연결될 수 있기를 기대한다”고 말했다. 

포스코 기술연구원과 포스텍이 공동 주최한 이날 포럼은 포스텍 교수진과 대학원생을 대상으로 포스코의 연구분야와 분야별 기술개발 이슈사항을 설명하고, 미래 철강기술 개발 방향을 논의하고자 마련됐다.  

연구분야 포럼 발표는 △스마트철강 △열유체·기계설비 △제선 △제강 △후판·선재 △전기강판·냉연 △자동차강판 △스테인레스 △표면처리 순으로 다양하게 진행됐다. 포럼 후에는 참석 교수들과 연구원이 분야별 회의실로 자리를 옮겨 상호 협력 테마발굴에 관해 토론을 이어갔다. 

현재 포스코와 포스텍은 △철강 분야 미래핵심 기술개발 △차세대 방사광 가속기 활용 △포스텍 신물질 연구소 △철강 제조공정의 인공지능 적용 △신성장동력 탐색 등 다양한 분야에 있어 새로운 산학협력 모델 구축을 모색하고 있다.  


<관련기사> 브릿지경제 17-04-26
▣ 바이오 경제 이끌 유망 기술 10가지는

8. 연속식 혈당측정기술(Continuous glucose monitoring)


 최근 4차 산업혁명이 언급되면서 '정밀 의료'에 대한 관심이 지속적으로 높아지고 있다. 그 핵심 기술로 주목 받는 것은 '유전체 분석'이다. 문제는 유전체 분석에 비용이 높아 상용화가 어렵다는 것이었다. 지난 10일 JP모건 헬스케어 컨퍼런스에서 미국 유전체분석장비업체 일루미나는 "100달러에 한 사람의 유전체 염기서열을 분석 가능할 날이 멀지 않았다"고 발표해 관심을 모았다. 2000년대 초 한 사람의 유전체 해독에 필요했던 비용은 약 30억달러(약 3조 5000억원). 지난 2011년 세상을 떠난 애플 창업자 스티브잡스도 죽기 전 유전자 검사에 10만달러(약 1억 1800만원)를 지불해야 했다. 그러다 2014년에는 일루미나가 차세대 기술을 개발하면서 유전체 분석 비용이 1000달러(약 118만원)까지 낮아졌다. 이제는 그 비용이 100달러(약 12만원)까지 떨어질 날도 머지 않은 듯 하다. 


 이처럼 바이오 기술의 발전은 또 다른 시장을 열어주고 있다. 과거에 PC 가격이 낮아지고 보편화 되는 과정에 ICT 기술이 중요한 역할을 했던 것과 같은 맥락이다. 개인 유전체 분석 가격 하락은 그래서 의미가 있다. 지난 2006년 경제협력개발기구(OECD)는 바이오기술이 앞으로 20~30년 내에 정보통신기술(ICT)과 같은 파급력을 가질 것이라고 전망했다. 이른바 바이오 경제시대가 올 것이라는 분석이었다. ("[변화를 주목하라] 전산업 융합하는 바이오 경제시대 '성큼'" 기사 참고)


 생명공학정책연구센터에서는 '바이오 미래 유망 기술' 10가지를 꼽아 소개했다. 향후 5~10년 내에 기술적으로 실현이 가능하면서, 바이오 경제에 파급 효과가 높을 것으로 전망되는 기술들이다.


 생명공학정책연구센터 관계자는 "가장 가까운 시기에 이뤄질 것으로 기대되는 기술 중 하나는 '역학정보분석기술'로 인공지능이나 빅데이터 분석기술을 활용해 감염병 발생과 바이러스 확산을 예측하는 것"이라며 "최근 국내 농가에 큰 피해를 입혔던 조류독감 같은 감염병 확산을 사전에 예측하고 대비하는 데 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다. 이어 "(소개하는) 미래유망기술은 조만간 다가올 바이오경제시대와 4차 산업혁명을 준비하기 위해서 우리가 확보해야 할 경쟁력에 대한 연구개발 주제를 제안한다는 점에서 의의가 있다"고 강조했다. 


1. 대규모 임상 유전체 정보관리기술(Clinico-genimic big data management)

2. 단일세포 유전체 분석기술(Single cell genomics)

3. 역학정보분석기술(Ingoepidemiology)

4. 모바일 인공지능 진단기술(Mobile AI diagnostics)

5. 웨어러블 건강관리기술(Wearable health device)

6. 유전자 편집을 통한 질병치료기술(Genome editing-base gene/cell therapy)

7. 순환 종양세포 DNA 탐지기술(Circulating tumor DNA detection)


8. 연속식 혈당측정기술(Continuous glucose monitoring)


연속식 혈당측정기술은 혈액을 채취하지 않고 혈당을 연속적으로 측정하는 고도화된 센서 기술을 말한다. 센서가 피부를 투과해 체액을 탐지하는 방식이다. 채혈 없이 간단하게 혈당 측정이 가능해 당뇨 환자에게 큰 영향을 줄 것으로 기대된다. 저혈당 쇼크, 지속적인 고혈당 노출로 인한 합병증 등을 최소화 해줄 전망이다.


상용화 가능할 제품 개발은 꾸준히 이어지고 있다. 미국 제약전문업체 애보트(Abbott) 팔뚝에 동전 크기의 작은 패치를 부착해 2주간 혈당을 측정하는 제품을 만들었다. 국내 포스텍 신소재공학과 한세광 교수 연구팀은 눈물로 글루코스를 분석할 수 있는 센서를 개발해 콘텍트 렌즈에 넣는데 성공했다. 추후 혈당 측정 기능을 갖춘 렌즈를 개발할 계획이다. 연속 혈당 측정기의 본격 상용화는 2019년 즈음일 것으로 예상된다. 


9. 생체 내 직접교차분화기술(in vivo direct reprogramming)

10. 후성유전학적 발생·분화 조절기술(Epigenetic regulation of development)


<관련기사> 이코노믹 리뷰 17-01-17

               * 사진출처: 해당기사참조

▣ 입는 컴퓨터·인공장기… 정부, 新소재 개발에 10년간 3066억 투입

미래창조과학부가 이 같은 기술적 한계를 뛰어넘기 위한 신(新)소재 개발

착용할 수 있는 컴퓨터, 휘어지는 배터리, 사람 몸에 들어가 작동하는 인공 장기…. 이런 미래 기기 개발에 가장 큰 걸림돌은 소재다. 실리콘을 이용한 반도체는 더 이상 작게 만들 수 없는 한계에 도달했고 현재의 컴퓨터 구성품들은 유연성이 거의 없다.

미래창조과학부가 이 같은 기술적 한계를 뛰어넘기 위한 신(新)소재 개발에 착수했다. 2025년까지 정보통신기술(ICT), 에너지, 바이오 등의 분야에 활용할 수 있는 혁신적인 소재 20가지를 개발하겠다는 게 목표다. 핵심은 10년간 3066억원이 투입되는 '미래소재디스커버리 사업'이다. 빅데이터와 컴퓨터 시뮬레이션 등을 이용해 후보군을 탐색한 뒤 신소재를 발굴한다는 계획이다. 지금까지 32개 과제를 선정, 10개 연구단이 연구를 진행하고 있다.

이미 성과를 내고 있는 연구단도 있다. 김영근 고려대 교수가 이끄는 스핀궤도소재연구단은 이리듐과 망간을 이용한 반도체 소재를 개발하고 있다. 김 교수는 "새로운 소재로 메모리 반도체를 만들어 실험한 결과 동작 속도가 기존 반도체보다 10배 이상 빠른 것으로 나타났다"고 말했다. 포스텍 김형섭 교수는 고엔트로피 합금연구단을 꾸려 극한환경에서 사용할 수 있는 차세대 소재를 만들고 있다. 5가지 이상의 원소를 섞어 각 원소의 장점을 극대화하면 건설 현장은 물론 우주·항공 산업 등에도 사용할 수 있다는 것이다.

방사능을 완벽하게 막을 수 있는 소재, 사람의 몸처럼 손상되면 스스로 복원되는 소재 등도 개발되고 있다. 미래부 홍남기 1차관은 "전 세계 소재 산업 규모는 연평균 5.2%씩 성장해 2018년이면 10조달러(약 1경1939조원)에 이를 전망"이라며 "4차 산업혁명을 이끌 첨단산업을 주도하기 위해서도 소재 개발에 집중적으로 투자해야 한다"고 말했다.

<관련기사> 조선일보 16-12-22

▣ [미래소재 연구현장을 찾아서]"합금 이론 한계에 도전하는 극저온 소재 개발"


고엔트로피합금연구단(단장 김형섭 포항공대 교수)은 올해 미래디스커버리 사업 일원으로 합류했다. 기존 이론으로 상상하기 어려웠던 `합금의 한계`에 도전한다. 고엔트로피 합금은 비교적 최근에 발견, 잠재 응용 분야가 넓지만 연구단 목표는 명확하다. 극저온에도 견디는 소재다.

고엔트로피 합금은 `5개 이상의 원소가 거의 같은 원자비 조성으로 합성된 합금`을 포괄한다. 기존 이론 상으로는 5개 정도의 금속 원소를 합하면 오히려 특성이 저하된다. 이를 벗어난 특수한 원소 조합을 찾아내는 게 관건이다.

아직까지 10여종 밖에 발견되지 않아 전세계 과학계가 열광하고 있다. 잘만 찾아내면 기존 이론을 뛰어넘는 초고내열, 초내식, 초고강도 합금이 탄생할 수 있는 `노다지`이기 때문이다.

우리나라 연구단은 이 중 극저온 소재에 집중한다. 우주·항공, 해양 탐험 기술의 발달로 산업 활동 범위가 넓어진 것에 주목했다.

김형섭 고엔트로피합금연구단장은 “고엔트로피 합금의 극저온 재료는 극한 환경의 진입 장벽을 낮추는 것은 물론 기존 설비를 더 효율적으로 구축할 수 있다”면서 “극지방을 다니는 선박, 액체 가스를 운반하는 용기와 밸브, 극한 조건에 설치되는 파이프 등 활용 영역이 넓은 고부가 소재”라고 소개했다.

연구단이 이처럼 목표를 명확히 잡은 것은 고엔트로피 합금의 상용화 가능성이 매우 높기 때문이다. 고엔트로피 합금은 고가의 설비 없이 기존 합금 설비에서도 생산할 수 있다. 아직은 `미래 소재`로 분류되지만 연구에서 상용화까지 걸리는 시간이 생각보다 짧을 수 있다.

김 단장은 “특정한 공법이나 장비를 써야 한다면 산업화 가능성이 매우 낮지만 고엔트로피 합금은 다르다”면서 “열역학적으로 안정적인데다 일반 합금과 완전히 똑같은 공정을 사용할 수 있다”고 설명했다.

이어 “일반적인 주조법을 쓰기 때문에 외주 용역으로 20~50㎏씩 만들기도 한다”면서 “공정을 바꾸지 않고 실제 파이프를 만들어내기도 했다” 강조했다.

연구단은 고엔트로피 합금의 상용화 가능성이 높은 만큼 효율적 연구를 강조한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 전주기 통합형 전산모사법을 도입했다. 재료 개발부터 공정 최적화, 미세 제어까지 예측해 최적의 연구 개발 로드맵을 찾는 기법이다.

김 단장은 이 분야를 30년간 연구한 전문가다. 이번 연구에 이 기법을 도입, 연구단 출범 4개월 만에 기존 `칸토(Cantor) 알로이` 합금을 개선한 신소재를 개발하기도 했다. 이번 연구에서 고엔트로피 합금의 산업적 응용 기반까지 마련한다는 목표다. 다른 미래 소재 연구개발(R&D)에도 분야 별로 적합한 정책을 도입하자고 제안했다.

김 단장은 “분야 별로 추격하는 분야, 선도하는 분야가 있는 만큼 소재 연구에서 추격형, 선도형 연구를 조화롭게 지원해야 한다”면서 “작은 액수로라도 연구를 계속할 수 있는 장기·안정적 연구 환경이 중요하다”고 말했다.

<관련기사> 전자신문 16-12-08