◇ 한양대 장재영 교수팀, 유기 반도체 분자도핑 제어 기술 개발

한양대는 에너지공학과 장재영 교수팀이 최근 유기 반도체의 분자 도핑 반응 원리와 이를 제어하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

탄소 기반 분자로 구성된 유기반도체는 구부리거나 늘릴 수 있어 OLED를 비롯한 유기 전자소자의 핵심 소재로 연구되고 있다. 유기반도체의 전기적·광학적 특성을 제어하고자 분자 형태 첨가제를 혼합하는 '분자 도핑(molecular doping)' 기술은 과학자들의 많은 관심을 받고 있다. 다양한 첨가제 중 최근 연구가 집중되는 물질은 'tris(pentafluorophenyl) borane(이하 BCF)'이다. 

장 교수팀은 화학적 구조가 비슷하지만, 루이스 염기성이 다른 두 유기반도체를 활용해 BCF 도핑 반응을 분석했고, 이를 열전소자에 적용했다. 

그 결과 루이스 산 도핑이 브뢴스테드 산 도핑을 억제, 유기반도체의 평평한 골격을 구부려 결정구조를 무너뜨리는 등 반도체 내 전하이동을 크게 저해하는 것을 확인했다.

◇ 반도체 생산 등 특수장비, 내년부터 전자파 적합성 평가 면제

산업 현장에서 특수 용도로만 쓰이는산업용 기자재는 내년부터 전자파 적합성 평가 없이 수입할 수 있게 된다.

과학기술정보통신부는 이러한 내용을 담은 '방송·통신 기자재 등의 적합성 평가에 관한 고시' 개정안을 11일부터 행정 예고한다고 10일 밝혔다. 시행은 내년 1월로 예정됐다.

과기정통부에 따르면 반도체 생산 등 산업 현장에서 특수 용도로 사용하는 산업용 기자재는 일반 소비자에게 판매되지 않아 실생활에 미치는 전자파 영향이 미미한데도 적합성 평가 대상에 포함돼 부품 수급이 어렵다는 업계 지적이 있었다.

고시가 개정되면 반도체 생산 기자재 수급에 필요한 기간이 현재 1∼2개월에서 하루로 단축될 것으로 과기정통부는 예상했다.

◇ 전기차도 무선충전 시대 열린다… “연내 주파수 분배”

전기차에 플러그를 연결하거나 카드 태깅을 하지 않고 무선으로 충전할 수 있도록 주파수가 분배된다. 또 스마트폰에서도 초광대역 무선기술(UWB)을 적용해 사물인터넷(IoT) 서비스를 활용할 수 있도록 한다.

과학기술정보통신부는 9일 제2차 규제혁신전략회의에서 이런 내용의 디지털산업 활력 제고 규제 혁신방안을 발표했다.

과기정통부는 연말까지 전기차 무선 충전 용도의 주파수 사업자를 모집해 상용화 기반을 마련한다는 계획이다. 전기차 무선 충전 기술은 전기차 보급을 촉진하는 핵심 기술로 꼽히지만, 전용 주파수가 없어 상용화되기 어려웠다.

또 항공기·선박의 주요 기기와 주파수 혼·간섭 우려가 있어 휴대용 기기에 사용이 제한된 UWB 기능도 스마트폰에 탑재할 수 있도록 한다. UWB가 탑재된 스마트폰에서는 스마트 도어록, 분실물 탐색 등 사물인터넷 서비스를 활용할 수 있다. 단 혼·간섭 우려가 있는 장소에 들어가면 UWB 기능이 자동 차단되는 스마트폰에만 허용된다.

◇ 전지 내부 나노 수준으로 엿본다...실리콘 음극재 연구 활용

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업, 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량적으로 추출하는 방법론을 개발했다고 8일 밝혔다.

이 기술은 리튬이온전지의 에너지 밀도를 높이기 위한 실리콘 음극재 소재 개발에 활용이 기대된다. 실리콘은 기존 음극재로 쓰이는 흑연에 비해 전지 용량을 높일 수 있지만, 충방전을 할 때 부피 팽창률이 흑연의 4배에 달해 내부 구조를 손상시킨다는 문제가 있다.

이를 보완하기 위해 다양한 도전재 시스템에 대한 연구가 활발하다. 활물질 내 균등한 전기화학 반응을 일으키려면 전극 내 전자 전도 채널의 확보가 필요하며, 이를 연구하기 위해선 나노 수준 공간 분해능을 갖고 전지 내부를 영상화하는 방법이 필요하다.

◇ 서울대 이태우 교수 연구팀, 더 밝고 수명 ‘확’ 늘린 발광소재 개발

서울대학교 공과대학은 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 차세대 발광 소재인 금속할라이드 페로브스카이트의 한계를 극복한 세계 최고의 효율, 밝기, 수명을 동시에 만족하는 발광 소자를 개발하였다고 10일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계 최고의 국제 학술지 ‘네이쳐 (Nature)’에 11월 9일자로 게재됐다.

이태우 교수팀은 페로브스카이트 발광 소자의 효율을 이론상 가능한 최대 수준인 28.9%로 끌어올리면서도, 가장 큰 한계점으로 꼽혀 왔던 페로브스카이트의 수명을 크게 끌어올려 약 3만 시간에 달하는 세계 최고의 구동 수명을 보고했다. 이는 페로브스카이트 발광체가 상용화될 수 있는 수준의 우수한 차세대 디스플레이 소재라는 것을 보여준 셈이다.

페로브스카이트 발광체는 매우 뛰어난 색순도, 우수한 전기적 특성, 저렴한 소재 가격, 색조절이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 이 같은 장점 덕분에 초고선명 텔레비전(UHD-TV), 가상현실(AR) 디스플레이 등의 구현을 위한 고색순도 발광을 구현할 수 있는 소재로써 주목받는 중이다. 하지만 페로브스카이트 소재는 광효율이 낮아 기존의 소자들은 낮은 효율 혹은 짧은 수명의 단점이 있다.

◇ 아주대·KAIST 연구팀, 초박막형 주파수 변환 소재 개발

국내 연구진이 초박막형 두께로 전자기파의 주파수를 고효율로 변환시킬 수 있는 소재 개발에 성공했다.

7일 아주대학교에 따르면 아주대 권오필(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 교수와 이상민 한국과학기술원(KAIST)교수 연구팀은 기존 광학결정의 비선형성을 뛰어넘는 새로운 양이온과 이에 적합한 음이온을 도입하는 새로운 결정 기술을 적용해 기존에 없던 극한의 비선형광학 특성을 가지는 유기결정을 개발했다.

비선형 광학은 빛과 물질 간에 일어나는 비선형적 특성을 연구하는 학문으로, 주파수(파장)로 대표되는 빛의 특성을 바꾸는 광변조 기술과 고감도 분석 등에 활용된다.

이러한 광학 연구에 쓰이는 비선형 광학 결정은 물질 내에서 주파수를 비롯한 다양한 빛의 특성을 조절할 수 있는 소재다. 전자기파의 주파수를 높은 주파수로 변환하거나 반대로 낮은 주파수로도 바꿀 수 있기 때문이다.

◇ 한양대 연구팀, 신개념 시냅스 소자 개발…“AI칩 상용화 앞당긴다”

한양대는 박재근 융합전자공학부 교수 연구팀의 ‘신개념 시냅스 선택소자’ 관련 논문이 과학기술논문 인용색인(SCI)급 국제학회지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(피인용지수 32)’ 온라인판에 게재됐다고 9일 밝혔다.  

사람의 뇌를 모방한 인공신경망을 구현하려면 시냅스 선택소자가 수직으로 쌓인 시냅스 어레이(배열 구조)가 필요하고, 인공신경망의 학습과 추론 효율을 높이기 위해서는 시냅스 어레이에 있는 시냅스 소자의 쓰기와 읽기 과정에서 누설 전류를 줄여야 한다.  

시냅스 선택소자는 뉴로모픽 컴퓨팅을 구현할 때 필요한 시냅스 어레이에서 전류 누설을 막는 역할을 한다. 또한 시냅스 기능을 하는 장치의 쓰기·읽기 과정에서 특정 시냅스만 선택할 수 있게 해준다.

보통 선택소자는 2단자 구조로 시냅스 소자에 적용하기 어렵고, 신뢰성이 좋지 않다는 단점이 있다. 박 교수는 “이런 이유로 3단자 구조로 연구 방향이 바뀌었지만 결국 칩 사이즈를 줄이기 위해 2단자를 택해야 한다”며 “이번에 시냅스 소자에 적용하기 용이하면서 신뢰성도 좋은 새로운 구조의 선택소자를 개발한 것”이라고 설명했다.

◇ 연세대 연구팀, 물 기반 아연이온전지 개발

연세대학교 화공생명공학과 이상영 교수 연구팀이 고려대 곽상규 교수팀 및 독일 카를스루에공과대 Stefano Passerini 교수팀과의 국제공동연구를 통해, 폭발하지 않고 저렴하며 기존 리튬이온전지보다 수명 특성이 3배 이상 향상된 물 기반 아연이온전지를 개발했다.

이상영 교수팀은 이러한 기존 한계를 극복하기 위해 아연이온전지 맞춤형 이중상(biphasic) 전해질을 개발했다. 서로 다른 두 종류의 전해질이 물과 기름처럼 섞이지 않고 공존하는 것을 이중상 전해질이라고 하는데, 전해질 내 분자 간 상호작용을 조절함으로써 양극과 음극의 작동 환경에 최적화된 이중상 전해질을 구현했다.

이중상 전해질은 아연금속 음극의 부식과 수지상 성장을 효과적으로 억제해 99.6%의 높은 충·방전 효율을 보였고, 동시에 양극의 반응 속도를 향상시켰다. 또한, 전해질 내 빠른 이온 전달을 가능하게 했다. 이를 통해 폭발하지 않고 가격 경쟁력이 우수하면서도 기존 리튬이온전지보다 3배 가량 우수한 수명 특성을 갖는 전지를 구현해 아연이온전지의 실질적인 상업화 가능성을 선보였다.

◇ 성균관대 연구팀, 암모니아 생산 전극 촉매 기술 개발

9일 성균관대에 따르면 이 대학 화학과 이효영 교수 연구팀(제1저자 리우양)이 염기성 조건에서 전기화학적으로 질소와 물로부터 높은 선택성을 갖는 암모니아 생산 전기전극 촉매, 황화철구리 (FeCuSx)를 개발했다.

이 교수 연구팀은 물해리로부터 양성자 생산 속도가 낮은 염기성 조건과 자연계에 존재하는 철-질소화효소 시스템을 고려해 질소 흡착이 우수한 황화철전이금속(Fe (Co, Ni, Cu, Zn)Sx)을 선정했다. 이들 중 황화철구리 촉매가 가장 우수한 암모니아 생산 선택성을 보여주었다. 또한 연구팀은 양성자 생산 속도를 낮추어 촉매표면에 상대적으로 질소 흡착이 높아져 암모니아 생산 선택성을 향상시켰다.

◇ KIST, 군복에 코팅하는 화학무기 제독 소재 개발

한국과학기술연구원(KIST)은 화학무기의 독성을 없애는 제독촉매를 쉽게 가공하고 코팅할 수 있는 복합소재를 개발했다고 10일 밝혔다.

KIST 물질구조제어연구센터 백경열 책임연구원 연구팀은 2019년 나노 수준 지르코늄 기반 제독촉매를 개발한 데 이어, 이번에 가공과 코팅이 용이한 제독용 복합소재 개발에 성공했다

기존 개발한 금속유기골격체(MOF) 제독촉매는 제독 성능은 높지만 모래와 같이 부서지는 입자 형태라 군복이나 군용장비 코팅에 실용화하지 못하고 있었다. 연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 기능성 고분자를 설계하고 이를 제독촉매와 혼합하는 새로운 제독 기술을 개발했다. 이를 통해 제독제를 필름이나 섬유 형태로 가공하면서 성능도 유지할 수 있다.