[Weekly 신기술 및 정책소식] 플라스틱 대체할 나노 셀룰로스 강도 14배↑ 기술 개발

◇ '팹리스 스케일업'에 3분기부터 반도체 생태계 펀드 집행한다

정부가 스케일업·인수합병(M&A)을 목적으로 하는 팹리스(반도체 설계기업)를 대상으로 올해 3분기부터 '반도체 생태계 펀드'를 본격 집행한다. 메모리 중심의 국내 반도체 밸류체인을 시스템 반도체 및 소부장(소재·부품·장비)으로 확장하기 위해서다. 

정부는 현재 조성된 3천억원 규모의 펀드를 시작으로 시스템 반도체 기업들의 대형화를 집중 지원한다는 방침이다.

산업통상자원부 박성택 1차관은 14일 인공지능(AI) 반도체 공급기업인 '퓨리오사 AI'를 방문해 간담회를 열고 이같이 밝혔다.

◇ 영남대, 양자컴퓨터 큐비트 소재 개발 나선다

영남대학교는 과학기술정보통신부 주관 나노·소재기술개발사업(팹고도화:차세대 반도체용 R&D 인프라 고도화 및 기초·원천 혁신 연구에 선정됐다고 15일 밝혔다. 

이번 사업 선정으로 영남대는 올해부터 오는 2028년까지 149억5000만원의 정부 지원금으로 차세대 반도체용 R&D 인프라 고도화 및 기초·원천 혁신 연구에 나선다. 

사업을 통해 영남대(연구책임자 물리학과 김종수 교수)와 참여기관인 한국과학기술연구원(KIST)은 양자컴퓨터의 동작에 필요한 큐비트 소재 중 하나인 반도체 나노구조(양자점) 개발에 나설 계획이다.

◇ UNIST "가스 정밀 측정하는 초저전력·초소형 전자코 개발"

가스를 정밀하게 측정할 수 있는 초저전력·초소형 전자코를 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다.

13일 UNIST에 따르면 기계공학과 신흥주 교수팀과 전기전자공학과 김재준 교수팀은 나노 공정과 딥러닝 기술을 결합해 가스의 종류와 농도를 정밀 측정할 수 있는 전자코를 구현하는 데 성공했다.

개발된 전자코는 나노 히터 기반 반도체 가스 센서를 사용한다.

일반적인 센서가 높은 작동 온도로 많은 전력을 소모하는 반면, 이 센서는 200마이크로와트(㎼·100만분의 1W) 이하 전력으로도 작동된다. 연구팀은 센서 소형화를 통해 높은 전력 소모를 줄일 수 있었다.

◇ 전기차 달리면서 충전한다

울산과학기술원(UNIST·총장 박종래)은 변영재 전기전자공학과 교수팀이 차량 운행 중에도 끊김 없이 전력을 공급할 수 있는 '무선 전력 공급 트랙'을 개발했다고 16일 밝혔다.

'무선 전력 공급 트랙'은 전선으로 구성된 트랙 위에 넓고 강한 자기장을 형성해 전기차에 전력을 공급한다. 트랙에 전류를 흘려 여러 전선으로 자기장의 범위를 넓히고, 이를 이용해 전력을 효율적으로 폭넓게 전달하는 방식이다.

변 교수팀은 전력 공급 트랙과 전력 수신기 구조를 최적화하는 알고리즘을 개발 적용해 전기차 전력 전달 효율을 최대 90%까지 끌어올렸다. 기존 기술은 강자성체를 사용해 효율을 높이려 했으나 높은 가격과 약한 내구성 문제로 실제 적용이 어려웠다.

◇ 혹한에도 끄떡없는 이차전지용 하이브리드 전극 소재

한국에너지기술연구원은 유정준 책임연구원 연구팀이 영하 20도의 혹한에서도 안정적으로 작동하는 이차전지용 금속-유기 하이브리드 전극 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

흑연 음극으로 구성된 이차전지는 영하의 온도에서 저장 용량이 급격히 떨어지며 충전 과정에서 음극 표면에 ‘덴드라이트’를 형성해 열폭주와 폭발을 일으킨다는 단점이 있다. 덴드라이트는 리튬 일부가 음극재에 저장되지 않고 음극 표면에 나뭇가지처럼 길쭉하게 쌓이는 형태로 크게 자랄 경우 폭발을 일으키는 쇼트가 발생할 수 있다.

연구진은 티안트렌 기반의 유기 리간드와 니켈 금속이온을 조합해 전도성 금속-유기 구조체 ‘SKIER-5’를 개발했다. 이를 적용한 이차전지 음극재는 영하의 환경에서 흑연보다 5배 높은 방전 용량을 보였다.

◇ 경희대 연구팀, 회전형 정전 발전소자 개발

다양한 환경에서도 전기를 생산하는 발전소자가 개발됐다.

경희대 기계공학과 최동휘 교수 연구팀은 16일 외부조작 없이 수직항력을 최적화하고 다양한 조건에서도 효율적으로 작동하는 회전형 정전 발전소자를 개발했다고 밝혔다.

회전형 정전 발전소자는 바람, 물, 진동 등 주변 환경에서 발생하는 다양한 에너지를 전기로 변환할 수 있어 지속 가능한 에너지 생산 방식으로 주목받고 있다. 하지만 다양한 변수가 일어나는 일상 환경과 달리 회전형 정전 발전소자는 특정 조건에서만 최적의 성능을 발휘해 에너지 효율성이 떨어졌다.

연구팀은 회전형 정전 발전소자 시스템 내부에서 일어나는 마찰력 등의 동역학적 요소가 전기적 성능에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과 수직항력이 마찰력과 전기 출력 성능을 결정하는 숨겨진 핵심 요소였음을 확인했다.

◇ 포스텍, 스크레치에도 800℃ 고온에도 견디는 폴더블 소재 개발

한·미 공동 연구팀이 망가지지 않고 고열에 견디는 폴더블(접이식) 기판을 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

최근 포스텍 신소재공학과 정운룡 교수와 공민식 박사 연구팀이 미국 노스캐롤라이나 주립대(NCSU) 화학·생체 분자 공학부 마이클 디키 교수, 만 호우 봉 박사과정생 연구팀과의 연구를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 제작했다.

공동 연구팀은 이번 연구에서 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 공기 중에 노출된 금속 표면에 자연적으로 형성되는 얇은 산화막에 주목했고 비젖음성(dewetting) 활용과 프린터 헤드 부분에 열을 가해 금속 잔류물 없이 깨끗한 산화막을 얻는 데 성공했다.

또한 이 기술을 이용해 갈륨 산화막 내부에 금 도는 구리를 증착해 전도성을 부여하는 데 성공했고 이를 바탕으로 800℃ 고온에서 안정적이고, 구겨지거나 완전히 접어도 망가지지 않을 정도로 기계적 안정성이 우수한, 나노 두께(<10nm)의 폴더블 투명 회로를 완벽하게 구현했다.

◇ 수소차 연료전지 촉매 백금, 값싼 철로 바꾸는 기술 개발

수소 전기차의 동력인 연료전지에 들어가는 비싼 백금을 값싼 철로 바꿀 수 있는 기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부 산하 한국연구재단은 유성종 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구센터 책임연구원과 전북대 충북대 등이 참여한 연구팀이 이 같은 연구 성과를 냈다고 16일 밝혔다. 논문은 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 실렸다.

연구팀은 철-프탈로시아닌(질소와 탄소가 교차하는 화합물)과 그래핀 산화물을 이용해 짧은 시간 내 연료전지에 쓸 수 있는 철 기반 촉매를 합성하는 방법을 개발했다고 했다. 그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양으로 2차원(평면) 결정을 이룬 신소재다.

유 책임연구원은 “기존에 몇 시간 걸리던 철 기반 촉매 합성 과정을 ‘순간 열처리’라는 신기술을 도입해 단 150초 만에 완료했다”고 말했다. 열처리 과정에서 발생하는 일산화탄소 분자를 매개체로 써 기존 철 촉매보다 뛰어난 활성과 안전성을 구현했다는 설명이다.

◇ 플라스틱 대체할 나노 셀룰로스 강도 14배↑ 기술 개발

과학기술연합대학원대학교(UST)는 한국화학연구원 스쿨 신지호 교수와 한국과학기술원(KAIST) 박윤수 교수 공동 연구팀이 나노 셀룰로스의 강도를 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 

나노 셀룰로스는 철보다 강도가 5배 높고 생분해가 가능해 플라스틱을 대체할 친환경 소재로 주목받고 있다. 

하지만 물에 쉽게 분산되는 특성으로 인해 플라스틱이나 고무 등 소수성(疎水性·물을 배척하는 성질) 소재로 활용하는 데 어려움이 있었다. 

연구팀은 계면활성제 없이도 섞이지 않는 두 액체 사이에 안정적인 액성 혼합물 상태를 유지할 수 있도록 하는 '피커링 에멀전'(Pickering emulsions) 기법을 활용, 강한 소수성을 갖는 테트라드시닐 무수물(TDSA)을 나노 셀룰로스에 도포했다.