[Weekly 신기술 및 정책소식] 반도체 신소재 탄소나노튜브 고정밀 균일 가공 기술 개발

◇ 반도체 신소재 탄소나노튜브 고정밀 균일 가공 기술 개발

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규·김산하 교수, 고려대 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국기계연구원 정준호 박사 공동 연구팀은 신소재인 탄소나노튜브 표면을 높은 정밀도로 균일하게 가공하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 정교하게 제작된 금속산화물 나노구조체를 전사할 수 있는 나노 임프린팅 공정을 개발, 나노 패턴화된 탄소나노튜브를 구현한 뒤 세라믹 원자층을 균일하게 코팅하는 데 성공했다.

전자빔 증착법 등 물리적 증착 방식의 경우 상단에만 금속이 머물러 있는 것에 반해, 나노 패턴화된 탄소나노튜브는 내부까지 금속이 증착된 것으로 확인됐다. 

박인규 교수는 "민감하고 반응성이 우수해 차세대 가스 센서와 에너지 소자로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

◇ 이종구조 4인치 반도체 국내 첫 개발…"AI 반도체로 활용"

한국기계연구원은 김형우 선임연구원 연구팀과 성균관대 김태성 교수 연구팀이 플라스마 장비를 이용해 국내 최초로 이종구조 4인치 반도체 웨이퍼(기판) 제작에 성공했다고 7일 밝혔다. 

차세대 반도체 소자로 주목받는 '전이금속 칼고겐 화합물'(TMDC)을 기반으로 한 반도체로, AI(인공지능) 반도체로 활용할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 

TMDC는 2차원 구조의 원자층 두께로 실리콘과 비슷한 성능을 내면서도 저전력으로 작동이 가능해 차세대 반도체 후보 물질로 불린다. 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 이셀레늄화몰리브덴 등이 있다. 

연구팀은 플라스마 화학기상증착법(CVD·기판 위에 기체를 주입, 기판을 촉매로 해 박막을 성장시키는 방법) 장비를 이용, 두 가지 형태로 된 TMDC 기반의 이종구조 4인치 웨이퍼를 구현했다.

◇ 차세대 반도체 '뉴로모픽' 소자의 정교한 설계 가능해져

한국표준과학연구원(KRISS)은 뉴로모픽 소자의 핵심 소재로 주목받는 '마그논'의 미세구조를 국내 처음으로 관측했다고 7일 밝혔다. 기존보다 약 1000배 더 미세한 영역까지 파악하는 데 성공해 정교한 뉴로모픽 소자설계가 가능해졌다.

마그논(Magnon)은 자성물질 내 양자스핀이 서로 영향을 주며 생기는 파동으로 도미노 하나가 쓰러지면 나머지도 차례로 쓰러지듯 하나의 스핀에 에너지가 가해지면 다른 스핀에 물결처럼 에너지가 전달된다.

이번에 KRISS 양자자기센싱그룹은 주파수 영역에서 마그논의 전체 구조를 국내 최초로 관측하는 데 성공했다. 연구진은 VNA(전자회로나 소재의 주파수 응답 특성을 측정하는 장비)을 이용해 기존에 알려진 마그논의 주파수 영역 주변에 수많은 미세 주파수 구조가 존재한다는 사실을 알아냈다.

◇ 與 "반도체 R&D는 주52시간 규제 제외"

국민의힘이 당론으로 발의하는 반도체특별법에 업계의 숙원인 ‘화이트칼라 이그젬션’(고연봉 관리·전문직 근로시간 규제 적용 제외) 조항이 담긴 것으로 6일 확인됐다. 연구개발(R&D) 분야에 주 52시간 근로 규제를 완화해 글로벌 시장에서 경쟁을 벌이는 반도체 기업의 ‘족쇄’를 풀어주자는 취지다.

6일 여권에 따르면 국민의힘은 이르면 7일 이 같은 내용을 포함한 반도체특별법을 이철규 의원 명의로 발의한다. 다만 일정 시간 이상 연장 근로 시 의무 휴식을 부여하는 등 ‘건강권’ 보장 조항을 추가할 전망이다.

국민의힘은 한동훈 대표 취임 후인 8월부터 반도체특별법을 당론으로 추진하겠다고 밝힌 바 있다. 이후 삼성전자 사장 출신인 고동진 의원과 박수영, 송석준 의원이 각각 발의한 반도체 법안을 기초로 통합안을 마련해왔다. 당초 1차 당정 회의에서는 보조금 지급의 법적 근거 마련, 대통령 직속 반도체위원회와 산업통상자원부 산하 반도체특별본부 설치 등이 주로 논의됐다. 

◇ 폐배터리 양극재, 100% 새제품처럼 복원

국내 연구진이 폐배터리 양극재를 새 제품처럼 복원하는 재활용 기술을 개발했다. 폐배터리의 용량을 새 배터리와 100% 동일한 상태로 복원하는 데 성공했다. 기존 폐배터리를 직접 재활용할 때보다 비용을 줄이면서 친환경성까지 확보했다.

한국에너지기술연구원은 우중제 광주친환경에너지연구센터 책임연구원 연구팀이 사용이 끝난 리튬 이온 배터리의 양극재를 값싸고 친환경적으로 재활용하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 

연구진은 기존 재활용 방식의 단점을 해결하기 위해 단순한 공정으로 리튬 이온 배터리의 폐양극재를 직접 재활용할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 상온, 상압의 조건에서 폐양극을 복원 용액에 담그는 것만으로도 리튬 이온이 늘어나 충·방전이 가능한 상태로 복원된다.

연구진이 개발한 기술의 핵심은 복원 용액을 활용한 갈바닉 부식이다. 갈바닉 부식이란 서로 다른 두 물질이 전해질 환경에서 접촉할 때 두 금속 중 하나의 금속이 먼저 부식되는 현상이다. 

◇ 도영락 국민대 교수팀, 차세대 무기발광 디스플레이 구현

국민대는 도영락 화학과 교수 연구팀이 새로운 GaN 기반 fin-LED 칩 소재와 픽셀 공정 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 국민대는 현재 마이크로 LED 칩의 크기와 픽셀 조립 방식은 높은 칩 가격, 픽셀 제작 비용, 공정의 불량률 문제로 인해 대중화에 큰 걸림돌이 된다고 설명했다. 

기존의 픽셀 조립 기술인 스탬프 프린팅 전송과 레이저 전송 같은 대량 전송 기술은 조립 효율이 낮으며 특히 칩의 크기가 10μm 이하로 작아질수록 전극라인 접촉 시 불량률이 증가하고 일부 전송기술에서는 칩 손상이 발생하는 문제를 겪는다.

이러한 한계를 극복하기 위해 도영락 교수 연구팀은 새로운 GaN 기반 fin-LED칩 소재와 픽셀 공정 기술을 개발했다. 

이 픽셀 제조 기술은 선택적 표면-배향 유전영동 조립법을 적용해 서브마이크론 크기의 fin-LED를 효율적으로 조립하는 방식을 채택했다. 

◇ 페트병 소재 대체 미생물 플라스틱 생산 성공

KAIST는 이상엽 생명화학공학과 특훈교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 기존 페트병 소재를 대체할 친환경 소재 '유사 방향족 폴리에스터 단량체'를 고효율로 생산하는 미생물 균주 개발에 성공했다고 7일 밝혔다. 

고분자인 유사 방향족 다이카복실산은 친환경적인 고분자 단량체(고분자를 만드는 재료)로 주목받는다. 합성시 기존 페트병에 사용되는 방향족 폴리에스터보다 물성이 더 좋고 생분해성도 높기 때문이다. 하지만 화학적인 방법으로 만들어지는 유사 방향족 다이카복실산 생산은 낮은 수율과 선택성, 복잡한 반응 조건과 유해 폐기물 생성이라는 문제점이 있다. 

이상엽 특훈교수 연구팀은 대사공학을 활용했다. 아미노산 생산에 주로 사용되는 세균인 코리네박테리움에서 미생물 균주를 개발했다.

◇ 폐섬유 활용한 친환경 고성능 콘크리트 개발

전남대학교 연구팀이 폐섬유를 활용해 친환경적이면서 높은 성능을 지닌 콘크리트를 개발하는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 

이방연(건축학부 교신저자), 김영상(토목공학과) 교수연구팀이 개발한 콘크리트는 일반 콘크리트보다 2.5배 이상의 압축강도(84MPa)와 1000배 이상의 변형 성능(10% 이상)을 보여주는 것은 물론 스스로 균열을 치유하는 자기 치유 능력까지 갖추고 있다. 

이는 기존 재활용 섬유 기반 콘크리트에서는 볼 수 없었던 성능이며, 산업부산물과 폐기되는 재료를 이용했다는 점에서 더욱 주목된다. 

◇ 아주대-예일대-토론토대 공동 연구팀, 이산화탄소 전환 효율 향상 新촉매 개발

4일 아주대는 이준우 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)가 참여한 국제 공동 연구팀이 산성 환경에서 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 환원을 통해 고부가가치 화합물 생산 효율을 크게 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다.

현재 이산화탄소(CO2)의 전기화학적 전환은 전극에 전류를 가해 이산화탄소를 분해하고, 이를 고부가가치 화합물로 전환하는 방식으로 이루어진다. 이 과정에는 주로 구리 기반의 촉매가 사용되며, 이산화탄소를 에틸렌 같은 C2+ 물질로 변환하는 데 주력하고 있다. 변환된 화합물은 포장재, 가전제품, 의료용품, 건축자재 등 다양한 제품에 활용되거나 에틸렌 글리콜, 스티렌, 폴리염화비닐(PVC) 등 기초 소재로 쓰인다.

하지만 촉매의 낮은 내구성, 특히 산성 환경에서 구리 촉매의 불안정성으로 인해 장시간 높은 효율을 유지할 수 없다는 것이 한계로 지적되어왔다.