◇ 韓 과학자 독창성, 2차원 반도체 소재 장벽 돌파

매우 얇은 2차원(2D) 반도체 소재는 현존 실리콘(Si) 반도체의 물리적 한계를 극복할 차세대 소재로 주목받는다. 국내 연구팀이 공중에서 거꾸로 건물을 짓는 것과 유사한 독창적인 방법을 처음으로 제시하며 2차원 반도체 소재 합성의 큰 장벽을 돌파하는 데 성공했다.

이관형 서울대 재료공학부 교수팀은 2차원 반도체 박막의 새로운 합성법인 '하이포택시(Hypotaxy)'를 최초로 제안하고 지금까지 도달하지 못했던 가장 큰 2차원 반도체 단결정 웨이퍼를 만드는 데 성공했다. 연구 결과는 19일(현지 시간) 국제학술지 '네이처'에 공개됐다.

연구팀은 에피택시와 반대로 결정이 위에서 아래로 자라는 방법을 제시하고 하이포택시라고 이름 붙였다. 에피(epi)는 위로, 하이포(hypo)는 아래로 향한다는 뜻이다.

먼저 기판 위에 2차원 물질의 구성 원소인 전이금속을 원하는 두께로 쌓고 가장 위에 2차원 물질인 그래핀 층을 얹는다. 이후 칼코겐원소 가스를 공급하면 그래핀 층 곳곳에 구멍이 생기며 2차원 물질의 결정핵이 생성된다. 결정핵은 모두 결정의 방향성이 같다. 그래핀이 일종의 틀처럼 작용하는 것이다. 핵들이 어디서 생성되든 결정 성장 과정에서 만나면 경계면을 만들지 않고 하나로 합쳐져 고품질 단결정이 형성된다. 그래핀은 결정 형성 과정에서 동시에 제거된다.

◇ 최대 성능 11배 향상된 PIM 반도체 나왔다

KAIST는 김동준 전기및전자공학부 교수 연구팀이 미국 노스이스턴대, 보스턴대, 스페인 무르시아대의 연구진과 공동연구를 통해 ‘PIM 반도체 간 집합 통신에 특화된 인터커넥션 네트워크 아키텍처’를 통한 공동연구로 PIM(프로세스 인 메모리) 반도체의 통신 성능을 비약적으로 향상하는 기법을 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 기존 PIM 반도체의 메모리 내부 연산 장치 간 통신 구조의 한계를 밝혔다. 메모리 내부에 존재하는 데이터 이동을 위한 구조를 최대한 활용하면서 각 연산장치를 직접적으로 상호 연결하는 ‘인터커넥션 네트워크 구조’를 적용해 PIM 반도체의 통신 성능을 극대화하는 기법을 제안했다. 인터커넥션 네트워크는 다중 연산 장치를 포함하는 대규모 시스템 설계에 쓰이는 연산 장치 간 연결 구조다. 

연구팀은 인터커넥션 네트워크를 통해 PIM 반도체를 위한 연산 과정 중 통신 처리와 관련된 CPU의 개입을 최소화했다. 이어 PIM 반도체 시스템의 전체적인 성능과 활용성을 높인 PIM 반도체에 특화된 인터커넥션 네트워크 구조를 개발했다.

◇ 한국기술교육대생 5명, 나노소재 활용 차세대 가스 센서 개발

한국기술교육대는 에너지신소재공학과 이은솔·박준하·신도현·염동욱·황승종 학생 등 5명이 저술한 논문 '첨단 나노소재를 활용한 차세대 가스 센서'가 재료과학 및 표면과학 분야 상위 5% 학술지 '어플라이드 서피스 사이언스' (Applied Surface Science) 2월호 온라인판에 게재됐다고 20일 밝혔다.

학생들은 지난해 1학기에 수강한 '센서 소자 및 실습' 교과목을 통해 최신 반도체 공정 기술과 센서 제작 기술을 직접 익히며, 설계부터 데이터 분석까지 연구 전반을 직접 수행했다.

연구를 통해 개발된 고감도 에탄올 센서는 음주 운전 방지를 위한 차량 알코올 감지기에 적용돼 음식물 섭취, 공기 노출, 습도 등의 오차 발생 요인을 극복하고 기존 대비 10배 이상의 감지 성능을 보인다. 

◇ 포스텍, 차세대 반도체 소재 페로브스카이트 대량 합성 기술 개발

포스텍은 김영기·노용영 화학공학과 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 페로브스카이트 나노입자를 더 균일하고 효율적으로 합성하는 방법을 개발했다고 19일 밝혔다.

이번 연구는 기존 합성 방식의 복잡한 문제를 해결하고, 나노입자를 활용한 디스플레이와 태양전지와 같은 다양한 광전자 소자 상용화를 앞당길 단초가 될 것으로 기대된다.

페로브스카이트 나노입자는 '양자구속효과(quantum confinement effect)'를 통해 입자 크기와 모양에 따라 빛을 흡수하고 방출하는 특성을 자유자재로 제어할 수 있어 차세대 태양전지, 고효율 디스플레이 분야에서 잠재력이 크다.

연구팀은 '액정' 용매를 이용해 페로브스카이트 입자의 크기와 모양을 정밀하게 제어하는 합성법을 개발했다.

◇ 포스텍-유니스트, 환경 변화 감지 가능한 차세대 3차원 반도체 센서 개발

포스텍은 정성준 신소재공학과·IT융합공학과 교수, IT융합공학과 조영민 박사(현 한국화학연구원) 연구팀이 고현협 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 압력과 온도를 동시에 감지하는 3차원 반도체 소자 기반의 다기능 센서 어레이를 개발했다고 20일 밝혔다.

전자 피부가 실제 사람 피부처럼 정교한 감각 기능을 발휘하려면 압력과 온도를 동시에 독립적으로 측정할 수 있어야 한다. 기존 반도체 기반 센서는 반도체 소자 특성상 온도변화에 따라 측정된 자극의 값이 달라지는 근본적인 문제가 있었다. 그로 인해 실온이 아닌 환경에서는 압력과 온도를 정확하게 구별해 측정하기 어려웠다.

연구팀은 두 개의 반도체 소자를 적층한 3차원 구조로 이를 해결했다. 아래층 소자는 온도의 변화에 따라 전기적 특성이 달라지는 원리를 활용해 온도를 감지하고, 위층에는 압력에 따라 저항이 달라지는 압력 감지 시트를 결합해 압력을 측정하도록 설계했다. 이 복합 구조는 온도와 압력을 동시에 감지할 뿐 아니라, 온도 데이터를 이용해 온도의 영향을 보정함으로써 주변 온도에 상관없이 정확한 압력 측정을 가능하게 했다.

◇ 한국전기연구원, SiC 전력반도체의 방사선 내성 평가 기술 개발

한국전기연구원(KERI)은 차세대반도체연구센터 서재화 박사팀이 우주 환경에서 탄화규소(SiC) 전력반도체 소자의 방사선 내성을 평가하고, 신뢰성을 확보하는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

KERI는 국내 최초로 고에너지 우주 환경 모사를 통해 SiC 전력반도체의 방사선 내성을 효과적으로 평가하는 데 성공했다. 가장 중요했던 것은 극한 우주 방사선 실험 환경을 구현하는 것이었다. 우주 방사선은 다양한 에너지 대역의 입자들로 구성돼 있고, 그중 양성자가 80~90%를 차지한다.

이에 서재화 박사팀은 한국원자력연구원이 보유한 가속기 시설의 고에너지 양성자(100 MeV)를 활용했고, 정확한 방사선 조사 조건을 구현하기 위해 해당 분야 전문가인 국립경국대 윤영준 교수팀과 협업했다.

이러한 우주 환경 조건에서 KERI는 직접 국산화 개발한 SiC 전력반도체의 전압 변화, 피폭으로 인한 누설 전류 증가 및 격자 손상 등 영향성을 체계적으로 분석했다.

◇ 한양대 연구팀, 전고체전지 혁신 기술 ‘네이처 에너지’ 발표

한양대는 에너지공학과 선양국 교수 연구팀이 전고체전지의 성능 저하를 극복할 수 있는 양극 소재 기술을 개발해 전고체전지 상용화를 앞당길 수 있는 가능성을 제시했다고 21일 밝혔다. 이 연구 결과는 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 20일 게재됐다.

전고체전지는 고체 전해질을 사용해 발화·폭발 위험을 차단하는 차세대 배터리 기술이다. 하지만 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함량이 높은 양극 소재를 사용할 경우 양극 소재와 고체 전해질 계면 손상, 미세 균열 발생으로 인한 양극 내부 비활성화, 양극 소재와 전해질 간 접촉 저하 등 현상이 발생하는 문제가 있었다.

연구팀은 니켈 함량 증가에 따른 성능 저하 요인을 정량적으로 분석했다. 그 결과 니켈 함량이 80% 이하일 때는 계면 손상이 주요 성능 저하 원인이었으며 90% 이상일 때는 미세 균열과 전해질 접촉 저하가 더 큰 문제로 작용한다는 사실을 발견했다.

이에 연구팀은 전고체전지에 최적화된 하이니켈 양극 소재를 개발했다. 코팅을 통해 계면 안전성을 강화하고 방사형 배열 구조를 적용해 충전·방전 시 발생하는 변형을 극복하는 방식을 적용했다.

◇ 한미 공동 연구팀, 쓰면 쓸수록 더 강해지는 신소재 개발

KAIST는 강성훈 신소재공학과 교수 연구팀이 미국 존스홉킨스대, 조지아공대 연구팀과 공동 연구를 통해 뼈가 운동을 하면 더 강해지는 것처럼 반복적으로 사용할수록 더욱 강해지는 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀은 뼈가 외부 힘에 저항하는 힘을 뜻하는 응력을 받았을 때 세포 작용으로 스스로 미네랄을 합성해 더욱 강해지는 특성에 주목하고 유사한 특성을 구현한 신소재를 개발했다. 뼈를 모방한 소재에서 세포의 작용을 대체하기 위해 힘을 많이 가할수록 더 많은 전하를 생성하는 다공성 압전 바탕재를 만들었다. 압전은 힘을 전기로 변환하는 작용을 뜻한다. 내부에 피와 유사한 미네랄 성분을 지닌 전해질을 넣어 복합재료를 합성했다. 

소재에 주기적인 힘을 가하고 물성 변화를 측정한 결과 응력의 빈도와 크기에 비례해서 소재의 강성과 에너지 생산 능력이 향상됐다.

◇ 한양대-고려대 연구팀, 섬유 전극 기반 고성능 유연 준고체 열전지 개발

한양대학교 에너지공학과 장재영 교수와 고려대학교 조진한 교수 공동 연구팀이 섬유 전극 소재를 활용한 고성능 유연 준고체 열전지를 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 연구 성과는 기존 낮은 출력 성능을 갖는 준고체 열전지의 성능을 극대화하는 한편, 체열을 통한 에너지 공급원으로도 활용할 수 있는 가능성을 제시한다는 점에서 큰 의미가 있다. 

준고체 열전지는 유연한 겔 소재를 전해질로 활용하여, 기존 액체 전해질 기반 열전지가 가진 누출 위험성과 낮은 유연성의 한계를 극복할 수 있어 주목받고 있다. 이러한 물성적 장점 덕분에 준고체 열전지는 산업, 가정, 인체 등 다양한 열원에 적용 가능하며, 특히 최근 주목받고 있는 웨어러블 전자 기기의 자가 전력 공급원으로 활용될 수 있다. 

현재 준고체 열전지는 물성적 장점을 바탕으로 연구가 활발히 진행되고 있으나, 겔 소재의 특성상 전해질 내 이온 확산이 저해되어 액체 전해질에 비해 출력 성능이 낮다는 한계가 있다.