[Weekly 신기술 및 정책소식] 포스텍, 단원자에 기반한 양자 LED 기술 개발

◇ DGIST, 사람 오감 흉내 반도체 섬유기반 다기능센서 개발

대구경북과학기술원(DGIST) 로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수팀은 사람의 오감을 흉내 내는 반도체 섬유 기반의 다기능 센서를 개발했다고 9일 밝혔다. 

이번 연구는 KAIST 김상욱 교수팀, 아주대학교 김장환 교수팀, 숭실대 김지웅 교수팀과의 공동연구로 진행됐으며 개발된 기술은 웨어러블 사물 인터넷(IoT) 전자소자나 소프트 로봇(Soft robotics) 같은 다양한 첨단 기술 분야에 활용될 것으로 기대된다.

연구팀이 개발한 반도체 섬유 센서는 기존 1차원 섬유 센서보다 훨씬 정교하고 다양한 기능을 갖췄다. 이 센서는 섬유 안의 독특한 구조 덕분에 외부 환경 변화에 민감하게 반응한다. 

이를 통해 빛, 화학물질, 압력뿐만 아니라 pH(산성도), 암모니아(NH3), 기계적 변형 등 다양한 환경 정보를 동시에 측정하고 모니터링할 수 있다.

◇ 수소 이온 이용해 배터리 양극재 성능·수명 높여

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭·이주형 신소재공학부 교수와 이정태 경희대 교수 공동 연구팀이 수소 이온을 활용해 에너지 저장에 적합하도록 소재의 물리화학적 특성을 바꾸는 금속 산화물 수소화 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 금속 산화물 수소화는 금속 산화물 내부에 수소 이온과 전자가 삽입되는 반응을 말한다. 

연구팀이 개발한 수소화-몰리브데넘 산화물 양극 소재는 상용 소재 대비 약 1.4~2배에 해당하는 280mA/g의 높은 에너지를 저장했다. 또 약 20분 안에 170mA/g의 에너지를 빠르게 저장·사용할 수 있었다.

수소화-몰리브데넘 산화물 양극재는 기존 몰리브데넘 산화물이 가지고 있는 고질적 문제인 구조 붕괴 현상이 억제돼 1000회의 충·방전 이후에도 초기 용량의 약 76%를 유지할 만큼 수명이 향상됐다. 연구팀은 전기화학 및 분광학 기초실험을 통해 도핑된 수소 이온이 몰리브데넘 산화물의 충·방전 시 발생하는 결정 구조의 붕괴 반응을 제한해 배터리 사이클의 안정성을 개선한다는 점을 확인했다. 

◇ 아주대 공동 연구팀, 이차전지 소재 활용 흑연입자 측정 기술 개발

9일 아주대학교에 따르면 김주민 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과)와 황종국 교수(화학공학과) 연구팀이 십자 형태의 미세유체 채널을 활용해 비 구형 흑연 활물질의 형상을 정량적으로 측정하는 기술을 개발했다.

연구팀은 바이오 및 제약 분야에서 주로 사용된 '미세유체소자 기술'을 비 구형 입자의 형상 분석에 적용했다. 실험의 개념 입증을 위해 활물질로 구상화된 천연 흑연과 대조군으로 평판 형상의 볼밀 흑연을 사용했다.

특히 점탄성 고분자 수용액을 사용해 점탄성 입자 집속법을 통한 입자 개개의 분석을 실현했다. 또 십자 형태의 채널을 사용해 채널 내부에서 발현되는 평판 신장 유동장과 압축 유체 흐름을 이용해 흑연 입자의 측면으로의 회전과 정렬을 유도하며 비 구형 입자의 측면을 관찰할 수 있도록 했다.

연구팀은 이를 통해 흑연 입자의 크기와 형상의 정량적 차이가 배터리 음극 슬러리의 유변학적 물성에도 차이를 가져온다는 점을 확인했다.

◇ 인하대, AAO 멤브레인 활용 나노플라스틱 분석 기술 개발

인하대학교는 신동하 화학과 교수 연구팀이 양극 산화 알루미늄(AAO) 멤브레인을 활용해 나노플라스틱을 효과적으로 분리하고 라만 분광법으로 분석하는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이 연구는 기존 복잡한 전처리 과정을 생략하고도 높은 효율성을 보여 환경 분야에서 주목받고 있다.

AAO 멤브레인은 알루미늄 표면을 전기적 산화 공정을 통해 제작한 다공성 구조로, 구멍 크기와 구조를 조절할 수 있어 다양한 용도로 활용한다.

연구팀은 이 멤브레인의 다공성 특성을 이용해 전처리용 필터로서 성능을 평가하고, 이를 라만 신호를 증폭하는 기질로 사용해 검출 효율성을 크게 향상시켰다.

라만 분광법은 물질의 고유한 화학적 특징을 비파괴적으로 분석하는 기술로, 미세 및 나노플라스틱 분석에 중요한 도구로 자리 잡고 있다.

◇ 전주대 장진해 연구팀, 친환경 무색투명 플렉시블 반도체 기판 개발

전북 전주대학교는 장진해 교수 연구팀이 세계 최초로 '친환경 무색투명 플렉시블 반도체 기판'개발에 성공했다고 7일 밝혔다.

장진해 교수 연구팀이 세계 최초로 개발한 '친환경 무색투명 플렉시블 반도체 기판'은 유연성과 투명성을 동시에 제공하는 혁신적인 소재로, 전주대학교 장진해 교수가 아진전자 김성진 대표와 함께 지난 십 수년간의 연구 끝에 개발한 반도체 기판 소재다. 

'친환경 무색투명 플렉시블 기판'은 CPI 필름에 마이크로미터(㎛) 크기의 미세 패터닝을 구현한 것으로 특히 플렉시블 OLED 디스플레이, 웨어러블 디바이스, 투명 전자 기기, 전자 피부(e-skin)와 같은 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다. 

이를 통해 플렉시블 디스플레이는 스마트폰과 태블릿의 폼팩터를 혁신적으로 변화시키며, 접거나 구부릴 수 있는 화면을 통해 사용자 경험을 극대화할 수 있다. 

◇ 포스텍, 단원자에 기반한 양자 LED 기술 개발

포스텍(POSTECH)은 김종환 신소재공학과 교수·통합과정 박규나 씨 연구팀이 이고르 아로노비치 시드니공대 교수팀과의 연구를 통해 단일 원자로 구성된 발광소재에 전하를 주입하여 빛을 만들어내는 '양자 LED 광원' 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

hBN은 소재 내부에서 발생하는 다양한 원자 결함에 전자를 안정적으로 가두어 둘 수 있는 흥미로운 발광소재로 주목을 받고 있다. 하지만 넓은 밴드갭(band-gap) 때문에 전기로 전하를 주입하기 어려워 그동안 LED 소자 구현이 어려웠다. 빛을 내려면 전자와 정공이 재결합해야 하는데, 전하가 충분히 주입되지 않으면 이 과정이 어려워져 빛 방출 효율이 떨어지기 때문이다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 반데르발스 힘을 활용해 각 층들을 안정적으로 결합한 '그래핀-hBN-그래핀' 반데르발스 터널링 구조를 설계했다. 그래핀은 뛰어난 전기적 특성으로 전자를 hBN의 내부까지 빠르게 이동시킬 수 있으며, 도핑을 통해 전자의 에너지 상태를 조절하여 전하 주입 효율을 극대화한다.

◇ 한기대 연구팀, ‘배터리 없는 자가 충전 전력시스템’ 개발

한국기술교육대학교는 메카트로닉스공학부 김병기 교수 연구팀이 ‘웨어러블 압전 나노발전기와 비대칭 슈퍼커패시터’ 통합으로 배터리가 필요 없는 새로운 자가 충전 전력 시스템 개발’에 성공했다고 5일 밝혔다.

제주대 목영선 교수 연구팀과 공동연구로 진행된 이번 연구는 재생 에너지를 이용해 자가 전력을 생산하고 공급하는 새로운 압전 복합재료 설계가 가능해진 셈이다.

연구팀은 희토류 금속인 터븀 텅스텐을 2D 물질인 황화몰리브덴에 삽입(TbW@MoS2)한 복합재를 이용해 자가 충전 전력 시스템인 압전 발전 소자와 수퍼커패시터 음극재 역할을 수행하도록 했다.

손가락 탭핑에 의해 압전 발전기에서 발전되는 전압은 2.81V로 순수한 이황화몰리브덴보다 약 4.2배 좋은 결과를 얻었다. 전력밀도는 기존 보고된 결과보다 1.5배 가량 높은 7.3 μW/m2를 구현했다.

◇ '화재도 막고 단열도 잡고' 세라믹기술원, 외단열공법 신기술 개발

한국세라믹기술원은 송훈, 이종규, 추용식 박사 연구팀이 외단열 시공 전문업체인 ㈜월드와이즈월과 공동으로 화재확산 방지구조 습식 외단열공법 신기술 인증을 취득했다고 9일 밝혔다.

이 신기술은 경량 기포계 화재확산 방지재료를 내화 모르타르와 비노출 L형 앵커를 이용해 시공하는 습식 외단열공법이다.

송훈 박사 연구팀은 단열성능이 있는 소재의 적용이 필수적이라고 생각해 화재확산 방지구간에 적용하고 밀실하게 시공할 수 있는 습식 외단열공법 신기술을 ㈜월드와이즈월과의 협업을 통해 개발했다. 

특히 이번 신기술은 초경량 단열소재의 경량성능과 불에 타지 않는 불연성능을 모두 구현하도록 개발해 단열성능이나 불연성능이 요구되는 모든 곳에 적용할 수 있어 기술의 파급력이 클 것으로 예상된다. 

◇ "야간 투시경의 수만 배 감도" 양자점 적외선 센서 개발

한국과학기술원(KAIST) 전기·전자공학부 이정용 교수 연구팀은 콜로이드(혼합물) 양자점을 활용해 고감도의 적외선 센서를 개발했다고 8일 밝혔다. 

수 나노미터 크기 반도체 입자인 양자점(Quantum Dot)은 입자 크기에 따라 원하는 밴드갭(전류를 흐르게 하는데 필요한 최소한의 에너지 값)을 확보할 수 있어 넓은 적외선 대역에서도 탐지 효율이 높다. 콜로이드 양자점은 용액 기반 반도체로, 열잡음을 억제할 수 있는 적외선 센서 소재로 주목받고 있다. 

다만 전하 이동 도가 낮고 양자점 표면의 불완전 결합 문제 때문에 전하 추출이 떨어지는 문제가 있다. 연구팀은 아발란체 전자 증폭 기술(강한 전기장이 인가된 반도체에서 전자가 가속하며 인접 원자와 충돌해 다수의 전자를 생성하는 신호 증폭 기술)을 통해 감도를 획기적으로 높이는 데 성공했다.