[Weekly 신기술 및 정책소식] 화학硏, 유기용매 재사용 가능 '나노여과 분리막' 기술 확보
◇ 반도체 박막 증착 200도 저온에서 성공
반도체 웨이퍼에 원자층 두께의 막을 균일하고 안정적으로 증착하는 공정 기술이 개발됐다.
개발 주역은 서준기 UNIST 신소재공학과(반도체 소재·부품 대학원) 교수팀과 정창욱 교수, 펭딩(Feng Ding) 중국과학원 선전선진기술연구원 교수, 김성수 세종대 교수가 참여한 공동 연구팀이다.
공동 연구팀은 유기금속화학기상증착법(MOCVD)을 활용해 200도의 저온에서 주석 셀레나이드계 물질로 된 얇은 막을 웨이퍼 단위 대면적에 증착하는데 성공했다.
MOCVD는 높은 정밀도로 대면적 웨이퍼에 박막을 증착할 수 있는 차세대 공정이다. 하지만 화학 반응으로 필요한 물질을 합성하기 위해 650도 이상의 높은 온도에서 리간드(수용체와 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질을 나타내는 용어)를 분해해야만 했다.
◇ 실리콘 대체할 ‘2차원 반도체 소재’ 상용화 앞당긴다
한국연구재단은 이재현 아주대 첨단신소재공학과 교수 연구진이 황동목 성균관대 신소재공학부 교수, 김태훈 전남대 신소재공학부 교수와 함께 다결정 2차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2차원 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 2일 밝혔다.
새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 미세구조를 살펴 재료 전반의 특성을 파악하는 기술이 먼저 개발돼야 한다. 하지만 2차원 반데르발스 소재의 경우, 두께가 원자층 수준에 불과해 X선 결정법이나 전자현미경과 같은 일반적인 미세구조 분석법을 사용할 수 없었다.
연구진은 서로 다른 2차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 쌓을 때 나타나는 무아레 무늬(MoirePattern)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다. 무아레 무늬는 규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬다.
◇ 인하대, 나노소재 기반 인공 시냅스 반도체 소자 개발
인하대학교 이문상·함명관 신소재공학과 교수 연구팀이 최근 2차원 나노소재인 텔루린을 기반으로 최종 사용자(end-user)에 적용 가능한 유연한 초저전력 차세대 인공 시냅스 소자의 개발에 성공했다.
29일 인하대 연구팀에 따르면 뉴로모픽 반도체는 인간의 뇌 구조를 모방해 만든 반도체 칩으로 전력 소모를 줄이면서 병렬연산이 가능한 컴퓨팅 기술로 차세대 반도체 산업기술로 주목받고 있다.
연구팀은 2차원 나노소재 물질 중 하나인 텔루린(Tellurene)을 합성하면서 뉴로모픽 반도체 효율성을 높이기 위한 인공 시냅스 소자를 구현했다.
이를 기반으로 초저전력, 소자 특성의 재구성 능력, 유연 소자 적용 가능성을 분석해 차세대 뉴로모픽 엣지 컴퓨팅 적용 가능성을 확인했다.
◇ 충전 없이 수십 년 사용하는 원자력 배터리 ‘베타전지’ 나온다
인수일 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀은 충전이 필요 없는 차세대 배터리 ‘양방향 탄소동위원소 염료감응 베타전지’를 개발했다고 2일 밝혔다. 베타전지는 탄소와 니켈, 수소 같은 방사성동위원소에서 방출된 베타전자를 반도체 물질에 부딪혀 전기를 만드는 원자력전지다.
연구팀은 방사선을 흡수하는 물질로 값비싼 반도체 물질 대신 루테늄 계열의 염료 ‘N719′와 방사성동위원소 시트르산, 이산화타이타늄을 사용했다. 구체적으로는 시트르산을 탄소동위원소 나노입자로 합성하고, N719염료와 이산화타이타늄 사이에 넣는 방식이다. 연구팀은 양극에는 새로 개발한 시트르산 기반 염료감응 방사선 흡수제를, 음극에는 나노 크기의 방사성동위원소 탄소 양자점 전극을 적용해 베타전지를 만들었다. 양극과 음극 사이는 액체 전해질이 들어간다.
◇ 배터리·원전 등 14개 전략산업 기업에 정책금융 우대 지원
산업통상자원부는 14개 산업 분야를 대상으로 정책금융 우대 추천기업을 모집한다고 2일 밝혔다.
14개 산업 분야는 반도체, 디스플레이, 배터리, 미래차, 원전, 수소, 항공우주, 탄소, 조선, 철강, 섬유, 광학, 기계, 전기 등이다.
분야별 요건을 충족하는 기업은 산업은행, 기업은행, 신용보증기금 등 정책 금융기관에서 여신 심사를 거쳐 금리 추가 감면 등 자금지원 우대를 받을 수 있다.
◇ 니켈·코발트 없이 에너지밀도 40% 높인 리튬이온전지
KAIST는 서동화 신소재공학과 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST), 캐나다 맥길대와 공동연구를 통해 리튬이온전지 양극의 핵심 광물인 니켈, 코발트 없이 에너지밀도가 40% 향상된 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다.
연구팀은 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충·방전 간 부피 변화율이 높을수록 충·방전하는 동안 네트워크 붕괴가 잘 일어나 전지 저항이 크게 증가한다는 것을 발견했다. 고성능 차세대 양극재를 사용해도 저항이 크게 걸려 전지가 제성능을 낼 수 없다는 것이다.
연구팀이 망간 기반 DRX 전극 제조 시 다중벽 탄소나노튜브를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하고 충·방전 간 부피 변화를 견딜 수 있게 하자 전극 내 양극재 비율을 96%까지 끌어올려도 전자 전달 네트워크와 전지 성능이 열화되지 않았다.
◇ 한양대 안희준 교수, 극한 환경용 아연 이온 전지 개발
한양대 유기나노공학과 안희준 교수팀이 웨어러블 디바이스 시장에서 리튬 이온 전지를 대체할 극한 환경용 신축형 수계 아연 이온 마이크로 전지 기술을 종합적으로 개발했다.
한양대 안 교수, 이세훈 박사(차세대융합기술연구원 재직), 황정욱 박사(포스코퓨처엠 양극재연구센터 재직)로 구성된 연구팀은 앞서 언급된 문제점을 해결할 '극한 환경용 신축형 수계 아연 이온 마이크로 전지 기술'을 종합적으로 개발하고 접목했다.
간단한 초음파 화학법을 통해 바나듐 산화물 나노 섬유의 결정 층 내부에 전도성 고분자인 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)를 삽입해 바나듐 산화물 나노 섬유의 전기화학적 성능은 물론 기계적 유연성을 향상시킨 것이다.
이 연구를 통해 전기적 단락에 의한 사전 아연화(Short-induced pre-zincation) 기술도 개발됐다. 아연 이온 전지의 음극재로 사용되는 아연 금속 파우더를 바나듐 산화물 양극재와 혼합하면 두 물질의 전위차에 의해 아연 이온이 바나듐 산화물의 결정 구조 사이에 삽입돼 사전 아연화가 일어날 수 있게 된다.
◇ 화학硏, 유기용매 재사용 가능 '나노여과 분리막' 기술 확보
한국화학연구원은 그린탄소연구센터 유영민 박사팀이 높은 내열성 및 내화학성을 갖는 고분자 '폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole·PBI)'를 이용해 고성능·고내구성 유기용매 나노여과 분리막 제조기술을 확보했다고 29일 밝혔다.
이번에 유영민 박사팀은 PBI 소재로 나노여과 분리막을 만들 때 가장 중요한 기술인 후가교 방법을 새로 개발했다. 이 가교법은 기존 PBI 소재 유기용매 나노여과 분리막의 가교법과 비교할 때 분리막의 기공(구멍)들을 균일하고 미세하게 조절할 수 있어 유기용매는 잘 배출하고 원하는 용질은 잘 걸러낼 수 있는 장점이 있다.
특히 술폰(sulfone) 계열 가교제를 사용해 기존 할라이드(halide) 계열 가교제를 사용했을 때에 비해 높은 표면에너지를 갖는다.
◇ 하이니켈계 이차전지·자율주행 센서, 정부 R&D로 개발한다
산업통상자원부는 첨단 유망 사업 분야에서 도전적이고 혁신적인 기술 228개의 개발을 프로그램형 연구개발(R&D) 사업으로 추진할 예정이라고 1일 밝혔다.
산업부는 지난 1∼3월 1차 공고를 통해 전기차용 초고전압 질화갈륨(GaN) 전력 반도체 등 총 700여개 과제를 R&D 사업으로 공고해 과제 수행 기관을 선정한 바 있다.
산업부는 이달 중 모빌리티, 반도체, 바이오, 로봇, 에너지 등 분야에서 도전적이고 혁신적인 과제 총 228개를 공고해 기술 개발을 지원한다.
2차 과제는 비·안개 등 악천후에서도 정확하게 볼 수 있는 자율주행 센서와 카메라, 전기차용 고용량·고안정성 하이니켈계 이차전지, 메탄올 추진선 엔진 핵심부품 등이다.