[Weekly 신기술 및 정책소식] KAIST 연구팀, 1천조분의 1초보다 짧은 순간 전이상태 측정 성공

◇ 정부, 반도체 등 소재부품 기술개발에 올해 1조 1780억원 투자

산업통상자원부가 올해 반도체, 디스플레이, 이차전지 등 분야에서 활용될 소재·부품 기술 개발에 작년보다 3.2% 증가한 1조 1780억 원을 투자한다.

산업통상자원부는 이 같은 내용을 담은 '2025년 소재부품 기술개발 사업'을 공고한다고 4일 밝혔다.

업종별로는 반도체(1361억 원), 디스플레이(1019억억 원), 이차전지(1009억 원), 바이오(1028억 원) 등 첨단전략산업의 초격차 확보를 위한 소재부품 개발에 총 4417억 원을 집중해 투자한다.

이 가운데 '반도체 박막증착용 희소금속 소재 개발', '차세대 디스플레이 발광 소재 개발', '전고체전지 고체전해질 소재 개발', '급속 신생혈관 유도 바이오 잉크 소재 개발' 등 26개 신규 과제를 지원한다.

◇ 이차전지 양극재 원료제조기업도 세제혜택 추진…"투자 탄력"

정부가 이차전지 양극재 원료 제조기업에 세제 혜택을 주는 방안을 추진하면서 경북 포항에 진출한 이차전지 기업 투자에도 탄력이 붙을 전망이다.

3일 포항시에 따르면 정부는 최근 이차전지 기업에 대한 지원을 강화하기 위해 수산화리튬, 탄산리튬 등 양극재용 금속 화합물 제조·가공기술을 국가전략기술에 포함하는 '조세특례제한법 시행령 일부개정안'을 마련했다.

이 개정안은 입법예고 상태여서 의견 청취와 국무회의를 거쳐 최종 확정된다.

개정안이 통과되면 기업은 연구개발 투자액의 최대 50%, 시설투자액의 최대 25%까지 세액공제를 받는다.

◇ '10억번 반복해 움직여도 끄떡없다' 차세대 반도체 소재 개발

한국연구재단은 서울대 손준우 교수, 포항공대 최시영 교수 연구팀이 '상전이 바나듐 산화물 반도체'의 결정구조 상변이를 제어해 열화(소재가 외부·내부적 영향으로 화학·물리적 성질이 나빠지는 현상)를 막을 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 

상전이 바나듐 산화물 반도체는 임계 전압에 이르면 소재 특성이 절연체에서 금속으로 바뀌어 전기전도도가 급격히 증가하는 '금속-절연체 상전이' 현상을 보이는 데, 저전력 광전자 소자와 뉴로모픽(뇌신경 모방) 신소자용 차세대 소재로 주목받고 있다. 

다만 급격한 전기적 상전이에 동반하는 결정구조의 상전이가 스위칭 속도를 떨어뜨리고, 부피 변화로 인해 응력(외력에 의해 변형된 물체 안에서 발생하는 힘)이 발생하면서 소재의 내구성에 치명적인 영향을 준다는 문제가 있다. 

연구팀은 상전이 바나듐 산화물에 과냉각된 타이타늄 이온을 도핑해 구조적 상변이의 원인인 결정구조의 규칙적인 질서를 교란하는 방법으로 부피 변화를 없애는 데 성공했다.

◇ "입는로봇 재활훈련에 효과…일상수행 능력 39%↑"

척추 수술을 받은 환자가 보행 재활 훈련에 입는 로봇을 활용했을 때 일상생활 수행 능력이 평균 38.6% 증가한다는 연구 결과가 나왔다.

강남세브란스병원 재활의학과 박중현 교수팀은 척추 수술 후 회복에 중요한 역할을 담당하는 조기 재활 치료 방법 중 로봇 보조 보행 훈련 유용성과 안정성 확인을 위해 연구에 돌입했다.

재활의학 전문의 세 명과 물리치료사 두 명으로 구성된 연구팀은 지난 2023년 6월부터 12월까지 강남세브란스병원에서 척추 수술을 받은 32명과 물리치료서 5명을 연구 대상으로 삼았다.

연구 결과 환자 보행 능력을 평가하고 분류함에 활용되는 기능적 보행지수(FAC)는 로봇 보조 보행 훈련 돌입 전 2.65점에서, 훈련 완료 후 3.78점으로 유의미하게 상승했다.

◇ 아주대 연구팀, 단일 픽셀 초고감도·초저전력 '지능형 광센서 개발'

아주대학교는 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 단일 픽셀로 이미지 정보를 다차원으로 처리할 수 있는 초고감도, 초저전력, 지능형 광센서를 개발했다고 6일 밝혔다.

서 교수팀은 근적외선 영역(940nm(나노미터))의 광신호를 단일 픽셀로 시간과 공간의 정보로 병렬 인식할 수 있는 광센서 소자 구조를 개발했다. 

서 교수팀이 개발한 센서는 이벤트 기반의 인공지능형 센서로서 실현 가능성을 보였다는데 의미가 크다. 

서 교수팀은 광커패시터(capacity) 방식을 이용했는데, 실리콘과 원자층증착방식으로 만든 6nm(나노미터) 두께의 갈륨산화물 초박막을 접합하여 커패시터 소자 2개가 연결된 단일 픽셀을 구성했다. 

이러한 방식은 기존 광전류 발생을 위해 전하가 소자 전체를 가로질러 이동할 필요가 없어 감지 속도가 매우 빠르고 노이즈도 매우 낮아서 기존 광센서로 불가능했던 이벤트 감지도 가능하게 했다.

◇ 삼육대, '이미지 노이즈 제거' AI 기술 개발

삼육대학교는 인공지능융합학부 류한철 교수 연구팀이 테라헤르츠 이미지 노이즈 제거 분야에서 새로운 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

테라헤르츠파는 세라믹·플라스틱·종이 등 비금속 물질을 투과할 수 있는 전파다. 이미지 산출에 이용되는 전파 중 가장 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있어 의료 및 보안 분야에서 활용될 것으로 주목받고 있다.

테라헤르츠파를 사용하려면 딥러닝 기술에 반영될 고품질 원본 이미지나 정확한 노이즈 모델링이 필요하다. 테라헤르츠파의 고유 신호가 약해 딥러닝 기술을 통한 이미지 보완이 필수적이기 때문이다. 

하지만 연구팀은 노이즈가 있는 데이터로 학습이 가능한 딥러닝 기술을 개발했다. 자기지도형 딥러닝을 'Noise2Noise 기법'으로 학습하면 정답 데이터 없이도 노이즈 제거가 가능했다.

훈련 이미지 수와 제로패딩(데이터 값을 0으로 채워 크기를 조정하는 방식)의 비율을 최적화해 노이즈 제거 성능도 높였다. 다양한 주파수에서도 노이즈 제거 성능이 일관되게 유지됐다.

◇ 연세대 연구팀, 섬유 한 가닥으로 인간 피부 감각 재현

한국연구재단(NRF)은 연세대 전기전자공학과 이태윤 교수 연구팀이 고성능 무기 열전 소재인 아이오딘화 구리(CuI) 나노 입자가 내장된 고성능 신축성 섬유형 열전 소자를 개발하고, 이를 통해 웨어러블 전자 기기에서 온도, 인장, 압력을 독립적이면서도 동시에 감지할 수 있는 센서 시스템을 구현했다고 5일 밝혔다.

기존의 유기 열전 소재 기반 소자는 열전 성능이 낮고 무기 열전 소재 기반 소자는 유연성과 신축성이 부족해 실제 환경에서 웨어러블 전자기기용 센서로 활용하기에는 제한적이다.

이에 연구팀은 고성능 신축성 섬유형 열전 소자를 개발했는데 내부에 아이오딘화 구리(CuI) 나노 입자가 균일하게 분포되어 있어 높은 유연성과 신축성, 우수한 열전 성능을 동시에 달성했다.

섬유형 열전 소자는 최대 835%까지 신축되면서, 203.6 마이크로볼트퍼켈빈(µV/K)의 높은 제벡 계수를 지녀 기존 한계인 350%의 신축성과 58µV/K의 제벡 계수를 크게 극복했다.

◇ KAIST 연구팀, 1천조분의 1초보다 짧은 순간 전이상태 측정 성공

한국과학기술원(KAIST)은 화학과 김상규 교수 연구팀이 화학반응의 전이상태 구조를 실험적으로 밝히는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

전이상태는 펨토초보다 짧은 시간 동안만 존재하므로, 이를 직접 실험적으로 관찰하는 것은 매우 어려운 일이며 항상 도전적인 과제로 남아있었다.

이에 연구팀이 분광학적 기법을 통해 분자가 전이상태로 접근하면서 가지는 구조 변화를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 

또한 분광학 기법으로 측정된 정확한 전이상태 분자구조 변화에 따라 관찰된 반응속도의 급격한 변화를 통해 분자구조와 화학반응성 간 긴밀한 상관관계도 증명됐다.

◇ "100% 바이오매스 원료" 친환경 윤활기유 개발

한국생산기술연구원과 포항공대 공동 연구팀은 100% 바이오매스(생물자원)에서 유래한 '퓨란 화합물'을 개발하고 이를 바탕으로 친환경 윤활기유를 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다. 

윤활유는 기계의 마모와 부식을 방지하는 소재로, 윤활기유(Base Oil)에 첨가제를 혼합해 만든다. 

자동차 엔진 오일에서 기유가 차지하는 비중이 80∼85%, 산업용의 경우 95% 이상으로 높아 기유의 품질이 윤활유의 성능을 결정한다. 에스터계 윤활유는 열과 산화에 강하고, 높은 윤활성을 갖고 있어 선박, 항공기 등 극한 환경에서 운행하는 운송수단에 사용되지만 석유 기반 윤활기유를 기반으로 하기 때문에 제조 과정에서 탄소를 배출하는 문제가 있다. 

연구팀은 식물 유래 바이오매스로부터 퓨란 단량체를 생성하기 위한 기반 물질인 '5-히드록시메틸퍼퓨랄(5-HMF)'을 생산, 이로부터 '테트라하이드로퓨란디메탄올'(THFDM)을 생산하는 데 성공했다.