무기물 나노입자 풀 접착제를 이용해 저온에서 만드는 투명 플라스틱 태양전지 - KIST, 저온공정 투명 플라스틱 태양전지기술 개발 - 나노 풀 입자를 이용하여 굽지않고 바르고 말리면 세라믹 광전극이 형성 - 쉽고 싸게 만들 수 있는 플렉서블 태양전지 기술 다른 성질을 가진 물질들을 붙일 수 있는 풀과 같은 접착제 역할을 하는 무기물 나노입자를 이용하여 높은 열과 에너지를 가하지 않고도 세라믹 광전극을 저온(150도 이하)에서 제작할 수 있는 플렉서블 염료감응 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사연구팀은 ‘저온에서도 제작이 가능하고, 투명하면서도 휘어지는 플라스틱 염료감응 태양전지 기술’을 개발했다고 밝혔다. 염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리와 나노기술을 이용하여 투명하면서도 다양한 색상을 낼 수 있어 미학적으로도 훌륭한 태양전지를 만들 수 있다는 장점이 있지만, 많은 전기를 생산하기 위해서는 섭씨 450도 이상의 고온에서 굽는 공정을 반드시 거쳐야 한다. 전기를 생산하기 위한 광전극을 제작하기 위해서는 광전극 입자들을 연결시켜야 하는 데, 이때 고온 공정이 필요하기 때문이다. 마치 진흙으로 벽돌이나 도자기를 제작하기 위해 고온에서 굽는 열처리 과정이 필요한 것과 마찬가지다. 따라서 기존의 기술을 이용하여 휘어지는 플렉서블 염료감응 태양전지를 만들기 위해서는 열에 약한 플라스틱 기판 대신 무겁고 불투명한 금속 기판을 사용하여야만 하였다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해서 고온의 열처리 공정 대신 무기물 나노풀입자 (nanoglue)을 이용하여 저온에서도 기존의 광전극 입자를 서로 연결시키는 방법을 개발하였다. 세라믹 광전극입자와 무기 나노풀입자 표면에 존재하는 수산화기 반응기에 주목하여, 이들간 화학적 결합을 유도하여 서로 잘 연결된 광전극을 형성시켰다. * 수산화기: -OH 반응기를 가지는 화합물로서 다른 반응기와 화학반응이 가능하다. 나노풀입자를 이용하면, 전자전달 속도가 빨라져서 기존의 효율대비 의 약 20%의 효율 증가를 기대할 수 있다. 현재 연구팀은 풀입자를 이용한 저온공정 태양전지 기술을 바탕으로 8% 이상의 고효율 플라스틱 염료감응 태양전지 기술을 개발 중이다. 고민재 박사는 “이번에 개발된 나노 풀입자를 이용하면 높은 열과 많은 에너지를 가하지 않고도 플라스틱 기판 염료감응 태양전지를 값싸게 제작할 수 있기 때문에, 산업화를 앞두고 있는 염료감응 태양전지의 응용의 폭을 넓히는데 기여할 수 있을 것” 이라고 밝혔다. 이번 연구성과는 나노기술분야 권위학술지인 나노스케일 (Nanoscale) 6월호 표지논문으로 선정되어 게재되었다. ○ 연구진 고민재 박사 ○ 그림설명 <그림1> 플렉서블 투명 태양전지 사진 <그림2> 무기물 나노풀입자를 이용한 광전극 형성과정 나노풀입자 표면에 존재하는 수산화기(-OH)가 광전극 입자표면의 수산화기와 반응하여 화화적으로 서로 연결된 광전극을 형성함. <그림3> 논문표지 이미지 무기나노풀 입자(노란색)가 광전극입자(푸른색)를 서로 연결시켜 온도를 올리지 않고도 광전극 필름을 형성함.

박테리아와 바이러스에 치명적인 은나노 복합체 개발 - KIST, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지에 표지 논문으로 발표 환경오염 없이, 유해 박테리아와 바이러스에 치명적인 ‘은나노복합체 소재’가 국내 연구진에 의해 개발되어 그린 환경을 구축하고 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다. 은 나노입자를 마이크론 크기의 자성복합체 소재 위에 키워서 3차원 구조화함으로써, 유해 박테리아와 바이러스에 치명적이면서 환경으로 유실될 염려가 없는 은나노복합체 소재가 국내 융합연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 분자인식연구센터 우경자 박사팀과 서울대학교 보건대학원 고광표 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술개발사업 및 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 영국 왕립화학회가 출판하는 세계적 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry B’ 에 표지(front cover) 제1권 21호의 표지 논문으로 선정되어 5월 8일 온라인 게재되었고 6월 7일 출판 예정이다. (논문명 : Magnetic hybrid colloids decorated with Ag nanoparticles bite away bacteria and chemisorb viruses) SARS와 조류 독감, 집단 식중독 등 각종 바이러스에 의한 발병이 급증하면서 유해 미생물에 대한 관심이 높아지고 있다. 나노소재기술이 발전하면서 나노입자를 유해 미생물 제거에 이용하는 기술에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 은 나노입자는 유해 미생물에 대해 아주 우수한 효용을 나타내고 있으나, 환경으로 유실되면 생명체에 독성을 나타낼 수 있는 것으로 인식되고 있다. 은 나노입자는 작을수록 독성이 심하며, 입자 자체로써, 은 이온으로써, 그리고 이들이 발생시키는 활성 산소 종으로써 유해 미생물에 작용하는 것으로 알려져 있다. 따라서 지금까지 은 나노입자를 이용하여 유해 미생물을 제거하는 연구의 대부분은 20 nm 이하의 단위 나노입자에 집중되어 있고 단위 나노입자를 사용하는 한, 환경으로의 유실 문제를 근본적으로 해결할 수 없다. 그리고 표면이 보호된 나노입자는 유해 미생물과 직접 접촉을 할 수 없고, 표면이 보호되지 않은 단위 나노입자는 응집되어 나노 특성을 잃어버리게 되어 효과를 나타낼 수 없다. 이 문제들을 동시에 해결하는 방법이 나노소재를 마이크론소재에 접목시켜 복합소재로 만드는 것이다. 자성을 갖는 마이크론소재에 은 나노입자를 견고하게 결합하면 회수와 분산이 용이해져 환경오염은 줄이고 나노입자 표면이 그대로 노출되어 유해 미생물에 직접 작용할 수 있기 때문이다. 우경자 박사와 고광표 교수 공동 연구팀은 자성이 있는 마이크론 크기의 소재에 핵과 핵을 떠받치는 기둥을 함께 감싸는 견고한 3차원 구조로 고정된 은나노복합체 소재를 개발하고 박테리아와 바이러스 제거 효과 및 그 메커니즘을 밝혀냈다. 연구팀은 공 모양의 자성을 가진 마이크론소재 표면에 많은 수의 팔을 만들고, 팔 끝에 은으로 된 핵(1~3 nm)을 매단 후, 이 핵들을 적정 크기로 뭉쳐서 간격을 재배치하였다. 이후 재배치된 핵 뭉치와 이를 받치고 있는 팔을 함께 감싸도록 은 성분을 도포함으로써 약 30 nm 크기의 은 나노입자가 견고하게 고정된 3차원 구조의 은나노복합체 소재를 완성하였다. 연구팀은 기존의 연구가 20 nm 이하의 은 나노입자에 집중된 것과는 반대로, 바이러스가 최소 약 30 개발한 은나노복합체의 표면에서 은 나노입자가 고정되지 않은 평평한 부분은 은 이온으로 덮이도록 설계하였으며, 이러한 독특한 구조가 항균, 항바이러스 작용에 시너지 효과를 줄 것으로 예측하였다. 이번에 개발된 은나노복합체 소재를 박테리아(E. coli CN13)*와 바이러스(Bacteriophage MS2)* 제거 실험에 적용하여 효용이 뛰어난 것을 확인하였으며, 각각 99.9999%와 99% 이상의 제거율을 기록했다. 다른 종류의 박테리아와 바이러스에도 적용하여 비슷한 결과를 얻었다. 복합체 위에 고정된 은 나노입자가 이빨과 같은 역할을 하여 박테리아와 접촉하면 박테리아를 물어뜯어 박테리아 몸체가 찢어지는 효과를 주는 것을 전자현미경으로 관찰하였다. 바이러스는 복합체 위에 고정된 은 나노입자와 은 이온에 화학적으로 흡착되는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 은 나노입자가 박테리아 몸체를 구성하고 지지하는 막 성분 중에서 칼슘 또는 마그네슘 이온을 흡착하고 또, 박테리아나 바이러스 막을 구성하는 시스테인 부분의 싸이올(╺SH) 그룹과 강한 결합을 만들기 때문에 일어나는 현상으로 해석되었다. 이렇게 큰(~30 nm) 나노입자를 이렇게 큰(~㎛) 지지체 위에 고정하여 복합체 콜로이드로 만든 것은 세계 최초의 시도이며, 유해 미생물에 대한 치명적 효과가 주목을 끌어 표지 논문으로 선정되었다. 연구진은 개발한 은나노복합체를 공기정화필터에 코팅하여 청정공기를 공급하는 시스템을 연세대학교과 공동으로 개발 중이며, 실용화를 목표로 하고 있다. KIST 우경자 박사는 “이번 연구를 통해 새로운 구조의 나노복합소재를 개발해 원천기술 확보와 그린환경 구축, 삶의 질 향상의 토대를 마련했다”고 연구의의를 밝혔다. ※ E. coli CN13: 그람-음성 박테리아로 직경×길이가 1㎛×2㎛ 크기의 막대 모양임. ※ Bacteriophage MS2: 식물성 RNA 바이러스의 일종으로 직경 27.5 nm의 구형 모양임. 초기 연구 대상으로 안전성을 고려하여 식물성 바이러스를 이용했으며, 이후 행한 병원성 바이러스에 대해서도 우수한 효능을 얻었음. ○ 연구진 <우경자 박사> ○ 그림설명 <그림1> 논문 1권 21호의 표지 왼쪽 아래에 은나노복합체의 3차원 구조를 나타내고 있으며, 여기저기에 은나노복합체가 박테리아를 물어뜯는 모양을 보여주고 있음. 사용한 은나노복합체는 왼쪽 위와 같이 자석을 이용해 회수할 수 있음. <그림2> 은나노복합체의 합성 과정을 보여주는 모식도 (A)는 평균 7 nm와 15 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체를 합성하는 과정으로 금 씨드를 사용하고 (B)는 30 nm 크기의 입자가 고정된 은나노복합체를 합성하는 과정으로 은 씨드를 사용함. <그림3>은나노복합체가 박테리아를 물어뜯는 모양을 보여주는 전자현미경 이미지 왼쪽은 박테리아만 있을 때, 중앙과 오른쪽은 박테리아와 은나노복합체를 섞고 각각 15 분과 30 분이 경과한 때의 이미지임.

뇌 속 후각 정보처리의 비밀을 밝히다 - 뇌질환 진단 및 치료의 새로운 전기 마련 뇌에서 후각이 발달하는 원리와, 음식, 성(sex), 공포 등의 다양한 후각자극이 뇌에서 어떻게 구분되는 지가 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스센터(미래부 WCI-세계수준연구센터) 올리버 브라우바흐(Oliver Braubach)박사는 물고기의 뇌에서 후각의 발달과정과 정보처리원리를 규명하였고, 관련 내용이 신경과학계 권위있는 학술지인 Journal of Neuroscience지 표지논문으로 선정되었다. 인간이 냄새를 맡고 인지하기 위해서는 냄새를 지닌 화학물질이 후각세포를 자극하고 이러한 자극으로 유입된 정보가 뇌로 전달되는 과정이 필요하다. 인간은 태어나면서 어떤 종류의 후각은 인지하지만, 대부분의 후각은 자라면서 각기 새로운 냄새를 학습하고 인지해나간다. 이처럼 후각의 발달과정은 뇌에서 정보를 형성하고, 습득하여 기억하는 원리와 관련이 있다고 할 수 있다. 본 연구는 뇌가 위험, 성과 같은 선천적 후각자극과, 음식과 같은 후천적 후각자극을 개별적으로 구분한다는 점을 밝히고, 후각자극의 인지가 뇌의 특정영역과 관련이 있음을 발견하였다. 또한 이는 후각이외의 감각기능 전체에 확대 활용할 수 있다는 점에서 의의를 주고 있다. ※ 후각 관련 뇌기능은 뇌 발달 초기에 이루워 짐. 후각은 알츠하이머와 같은 뇌질환을 조기에 발견할 수 있는 감각 기관으로 후각 연구를 통한 뇌 질환 조기진단도 가능 캐나다 Dalhousie University, 일본 RIKEN Brain Science Institute 연구진과의 공동연구를 통해 진행된 본 연구는, 투명관상어 제브라피쉬(Zebra fish)를 이용, 수술이나 절개 없이 살아있는 상태의 뇌가 후각 정보를 형성하고 습득하는 원리와 여기에 관련된 다양한 신경세포의 메커니즘을 규명하였다. 물고기는 뇌의 구조가 인간과 비슷하며, 크기가 작아 뇌를 쉽게 촬영할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 제브라 피쉬를 수정란 상태부터 성체가 되는 시기까지 지속적으로 관찰하였고 외부냄새를 100%로 차단한 상태에서 서로 다른 냄새로 자극을 가하여 후각처리 및 반응과정을 기록하였다. 이를 통해 후각이 뇌 속 특정영역의 발달에 영향을 미친다는 사실을 발견 하였고, 기존 물고기가 배아상태부터 유전적으로 보유하고 있는 선천적 후각정보 영역이 전체 후각정보 영역의 15%(주로 위험, 성 관련 후각 정보), 자라면서 발달 및 학습과정으로 얻게 되는 후천적 후각정보 처리 영역이 85%(음식 관련 후각 정보)로 구분된다는 사실을 증명 하였다. ※ 비슷한 종류(위험관련그룹/성관련그룹/음식관련그룹)의 냄새들을 인지하는 뇌의 후각 정보 처리영역은 그룹별로 뇌의 비슷한 곳에 위치 KIST 뇌과학연구소 브라우바흐 박사는 “물고기의 후각에 대한 정보는 양식업 등 수산 산업에 활용될 수 있을 수 있으며, 궁극적으로 인간의 뇌 속 감각기능 메커니즘 규명을 통해 기억습득 원리를 밝힐 수 있을 것이며, 이를 통하여 감각기능 손실 및 발달과정에 있어 기억의 손상으로 오는 알츠하이머 등 다양한 뇌질환을 진단, 치료하는 데에도 새로운 돌파구를 마련할 수 있을 것”이라고 밝혔다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림1> 표지논문 이미지, 현미경을 이용하여 관찰한 제브라 피쉬의 뇌속 후각사구체 발달모습 (위에서부터 수정 이후 11, 21, 35일 지난 모습) <그림2> 뇌에서 선천적 후각과 관련된 부분(노란색, 파란색) 시간이 지나도 구조와 수는 변하지 않고, 일정 시기가 되면 크기가 변화하여 발현된다. (그래프 참고)

레고처럼 자유롭게 나노물질 제조한다 - KIST, 주형틀이 필요없는 자유롭게 조립 가능한 다차원 나노물질 제조기술 개발 - 불순물 제거하는 세정공정 없어 환경오염 가능성 '제로' 국내연구진이 기존에 비해 쉽고 경제적이며 친환경적인 나노물질 제조공정을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 청정에너지연구센터 김상우 박사와 특성분석센터 안재평 박사는 8일, 공동연구를 통해 레고 블럭을 조립하듯이 나노입자를 자유롭게 활용하여 다차원 반도체 나노물질(나노입자, 나노시트, 나노선)을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 세계적 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘Scientific Reports’ 최신호(4월)에 5일 게재되었다. 나노입자, 나노선, 나노시트와 같은 다차원 반도체 나노물질은 촉매, 반도체, 나노소자, 센서, 태양전지 등 산업계 전반에 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 기존 공정에는 다차원 나노물질을 합성하는 과정에서 주형(템플레이트)이나 금속 성장촉진제와 같은 불순물이 사용되기 때문에 이를 제거하는 공정이 추가로 요구되어 복잡하고 비경제적이었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 불순물을 사용하지 않고 다차원 나노물질을 만들 수 있는 방법에 대한 연구의 필요성이 제기되어왔다. 이에 KIST 공동연구팀은 주형이나 성장촉진제를 사용하지 않고 초임계유체기술을 이용하여 가돌륨(Gd)과 세륨(Ce)을 초임계 이산화탄소-에탄올 혼합유체 안에서 반응시켜 나노결정의 핵입자를 마치 레고 블럭과 같이 하나 하나 합쳐 고차원의 형태로 제조하거나 다시 저차원의 형태로 분해시킬 수 있는 기술을 개발했다. 향후 이 기술을 이용하면 다양한 물질계에서 나노와이어, 나노시트 등의 다차원 나노물질을 레고 블럭과 같이 마음대로 조립하여 만들 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이 기술은 기존의 나노물질 제조 기술로는 구현하기 어려웠던 불순물 없는 다차원 나노물질을 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 따라서 환경오염을 유발하는 고순도화 세정공정 없이 고순도 반도체 나노물질을 보다 손쉽게 제조할 수 있게 되었다. 또한, 다차원 나노물질의 미세분석을 통해 생성과 성장에 관한 메커니즘을 체계적으로 밝힘으로써 초임계유체 공정을 이용한 나노물질 제어의 가능성을 제시, 본 연구의 학술적 가치를 높이는데 기여하였다. 안재평 박사는 “이번에 게재된 논문에 다차원 나노물질을 제조하는 온도-압력 지도와 실험방법을 공개했다” 며 “더 많은 연구자들이 이 기술을 활용해 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. 이번 연구는 KIST 및 미래창조과학부의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○그림설명 <그림 1> 본 연구를 통하여 개발된 초임계 유체 내에서 형성되는 Gd-CeO2 나노물질을 보여주며 그 형태는 P-T 맵과 같이 온도와 압력이 변화됨에 따라 3구역으로 구분된다. 각 구역에 따라서 나노입자, 나노리본, 나노선 등 다양한 크기와 형태를 갖는 나노물질이 제조된다. <그림 2> 나노물질은 온도와 압력에 따라서 나노입자, 나노 응집체, 나노선 형태로 변화될 수 있다. 이것을 지배하는 에너지는 초임계유체의 표면에너지와 초임계 CO2의 물질에 대한 투과력의 균형관계이다.본 연구에서는 이들 물질이 공정변수에 의해 매우 정밀하게 제어되었으며 나노물질의 형태는 공정에 따라서 가역적으로 변화된다.

친환경 수소연료전지 상용화 가까워졌다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 연료전지 촉매 개발 성공 - 자동차, 가정용 발전기, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에 적용 가능 국내 연구진이 수소연료전지 생산에 들어가는 백금의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술을 개발해 높은 가격으로 인해 대량 생산이 어려웠던 수소연료전지의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 황승준 연구원, 유성종 박사, 김수길 박사는 미래융합기술연구본부 전자재료연구센터 이승철 박사팀과의 공동연구를 통해 원자수준의 백금 코팅 기술을 사용하여 연료전지에서 백금의 양을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구를 활용하여 수소 연료전지 자동차에 들어가는 백금을 백금코팅 촉매로 바꾸면 기존에 약 70g이 소요되었던 백금의 양을 20g 수준으로 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 이번 연구성과는 국내 독자적 원천기술 확보 뿐만 아니라 연료전지 대중화의 토대가 되는 획기적인 성과로 본 연구성과는 지난 2월 19일, 세계적인 권위를 자랑하는 Nature의 온라인 자매지인 「Scientific Reports」 에 게재되었다. 최근 현대자동차가 세계 최초로 수소 연료전지 자동차의 양산 계획을 발표하면서 수소를 사용하는 차세대 연료전지 기술이 주목받고 있다. 친환경 자동차인 수소 연료전지 자동차는 수소와 산소를 이용, 전기를 생산해 연료전지를 내연기관 엔진대신 사용하여 유해가스 배출과 소음을 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 대당 2억 원이 넘는 가격이 대중화의 걸림돌이었다. 연료전지 가격이 수소 연료전지 자동차 값의 절반을 넘게 차지하는 탓이다. 현재 기술 수준으로 중형급 수소 연료전지 자동차 한대에 들어가는 백금은 70g가량인데, 백금 시세를 감안하면 연료전지 내 촉매의 가격만 1000만원에 달하는 셈이다. 게다가 백금이 장시간 운전 중에 용해되어 연료전지 성능을 저하시키는 현상 또한 큰 과제로 남겨져있었다. 지금까지 백금의 고비용 문제를 해결하기 위한 연구는 주로 백금 자체의 활성을 증가시키거나, 백금과 전이금속 합금 형태의 전극촉매를 개발하는 것이었다. 최근에는 높은 전기화학적 활성 및 안정성으로 인해 원자수준의 백금 코팅 기술인 ‘코어-쉘’ 구조의 전극촉매에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재는 균일한 코팅 층을 형성하기 위해서 원자수준의 백금을 코팅할 때 안정제나 분산제 등을 사용하고 있다. 하지만 이러한 안정제나 분산제는 촉매의 반응성에 악영향을 주며, 핵심 입자의 표면에 백금 코팅 층을 형성할 때 방해가 되기 때문에 화학적 처리나 열처리를 통한 제거가 필요하다. 이러한 화학적 처리나 열처리 과정에서 핵심 입자가 응집되거나 형태가 망가질 수 있고, 백금 코팅 층의 경우에도 입자의 응집이 일어나거나 코팅 층의 붕괴가 발생할 수 있어 전극촉매의 활성이 떨어지는 문제가 발생한다. 이번에 연구팀이 개발한 기술을 사용하면, 원자수준의 백금을 코팅하는 과정에서 코팅 층이 형성된 후 안정제의 제거를 위해 행해지던 열처리 또는 화학적 처리공정이 필요 없게 된다. 이를 통해 새롭게 제시된 전극촉매는 연료전지의 음극, 양극 전극 모두에 이용될 수 있으며, 촉매의 활성도와 내구성이 뛰어나며 우수한 전기화학적 특성을 보이는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서 개발한 촉매합성을 위한 기술은 향후 성능이 더 우수한 촉매를 설계하는데 크게 응용될 수 있을 것으로 예상된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 친환경 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다” 며, 최근 전력공급 부족에 의한 블랙아웃을 대비한 가정용 발전기 등의 비상발전용 기술로도 활용 가능성이 높다” 라고 말했다. 금번 연구는 촉매합성과 설계부문으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구는 KIST 연료전지연구센터에서 주도하여 지경부 신재생에너지 사업의 원천기술개발과제, 기초기술연구회 협동연구과제 및 KIST 기관고유 사업을 통해 수행되었고, 촉매설계연구는 KIST 전자재료연구센터의 주도로 미래부 원천기술개발사업인 나노소재기술개발사업을 통해 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림> 2단계로 진행되는 코어-쉘 촉매 합성 모식도 균일한 사이즈를 가지는 핵심 입자위에 원자수준의 백금 층을 형성시키기 위해 백금 층을 형성하는 금속 전구체를 에스테르계 환원제로 환원시키는 방법을 사용하였다. 선택적인 원자수준의 백금 층 형성 반응은 유기화학 반응에서 느린 수소 이동 반응에 많이 사용되는 것으로 알려져 있는 한츠 에스테르(Hanztsch ester)를 환원제로 사용하였다.

그래핀 반도체 상용화 기술 개발 - KIST-MIT-동국대 공동연구팀, 새로운 소재와의 결합 통해 기존 그래핀의 한계 극복 - 전자 소자로서의 그래핀 상용화 가능성 높아져 그래핀은 전도성이 높고 강도가 강하며, 탄성이 뛰어나 꿈의 신소재라 불리며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 하지만 띠간격(band gap)이 없어 금속성을 지니고, 가장자리가 불안정하며 적합한 기판이 없어 전자소자로의 응용에 많은 어려움이 있었다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방법이 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 김수민 박사팀은 미국 메사추세츠 공과대학(MIT) Jing Kong 교수, 동국대학교 융합에너지신소재공학과 김기강 교수 연구팀 등과 함께 국내 최초로 그래핀과 보론나이트라이드를 이용한 결합 구조 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters) 3월호에 게재되었다. 그래핀은 전자의 이동도가 높은 물질이다. 때문에 기존 반도체 실리콘(Si)의 대체 물질로 전자소자 등의 분야에 높은 활용성을 보일 것으로 기대되어 왔다. 하지만 가장자리에서의 전자 산란으로 인한 불안정성과, 기존에 기판으로 사용되어 온 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 전하이동도의 저하로 그동안 응용과 상용화에 어려움을 겪어왔다. 때문에 그동안 그래핀을 전자소자로 활용하기 위해 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법에 대한 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 공동연구팀은 이러한 기존의 단점을 개선하기 위해 그래핀과 같은 육각형 모양을 가진, 탄소가 아닌 보론과 질소로 이루어진 보론나이트라이드를 이용하여 그래핀이 가지고 있는 문제점을 개선시킬 수 있는 새로운 하이브리드 구조를 구현하는데 성공했다. 화학증착법을 이용하여 그래핀과 보론나이트라이드 두 물질을 단층, 혹은 적층 구조의 결합 구조로 구현한 결과, 단층 결합 구조가 그래핀 가장자리의 전자 산란을 감쇠시키는 것으로 나타나 띠간격이 있는 그래핀 나노 리본 연구에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 그래핀은 탄소로 이루어진 구조를 가지고 있지만 탄소가 아니라 수소나 산소 같은 원소들이 붙어서 그래핀의 가장자리가 불안정해질 경우 전자 이동이 방해받는 단점이 있었다. 연구팀은 이 가장자리를 그래핀과 비슷한 구조인 질소와 보론으로 이루어진 보론나이트라이드로 구현하는데 성공, 그러한 단점을 극복한 것이다. 또 적층 구조의 경우 보론나이트라이드를 기판으로 적용한 결과 그래핀이 금속성에서 반도체성으로 전환되었으며, 기존 산화 실리콘의 거친 표면으로 인한 그래핀의 전하이동도 저하 문제 또한 개선되었다. 이는 전자소자로서의 그래핀 연구에 큰 돌파구를 마련한 것으로, 향후 투명하면서 휘어지는 태양전지, 투명전극, 트랜지스터 등의 소프트 일렉트로닉스 분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. KIST 김수민 박사는 "이번 연구는 그래핀 전자소자 연구의 최대 난제를 해결할 수 있는 새로운 연구 방향을 제시한 것으로 추후 새로운 소재를 통한 하이브리드 구조 연구에 기여할 것으로 기대된다" 고 말했다. 이번 연구는 KIST 및 교과부의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림> 그래핀과 보론 나이트라이드를 이용한 평면, 적층 구조의 하이브리드 연구 그래핀과 보론나이트라이드 두 물질을 이용하여 단층 혹은 적층 구조의 하이브리드 구조를 합성하였다. 합성 방법에 따라 구조를 달리 조절할 수 있으며, 단층 구조일 경우 그래핀 가장자리가 안정화되어 Raman 에서 D-band가 적게 나타남을 확인할 수 있다. 그리고 적층 구조에서는 보론나이트라이드 위에 그래핀을 적층 구조로 합성 시켜서 일반적으로 거친 산화실리콘 표면에서 오는 문제점을 평평한 표면의 보론나이트라이드를 합성하여 그러한 문제점을 감소시켜 그래핀의 본래의 특성을 잘 유지시켜주는 것을 보여주었다. 오른쪽 그림의 전자투과현미경 이미지에서는 적층구조로 합성한 결과 그래핀과 보론나이트라이드가 AA-like 혹은 AB-stacking 으로 구조화되어 합성 방법으로서 적층 구조 제어를 했다는 것을 보여주었다.

치매의 원인을 밝혀내다 - KIST-포스텍-성균관대 공동연구팀, 뇌 활동을 저해하는 단백질의 기전 규명, 치매 원인 밝혀내 - 치매 예방 및 치료의 새로운 방향 제시 전체 치매환자 중 약 30%는 알파시뉴클린(alpha-synuclein)이라는 뇌신경세포 단백질의 변질에 의해 발병된다고 알려져 있다. 알파시뉴클린은 건강한 뇌세포에서는 뇌의 활성을 도와주는 이로운 물질이지만 자기들끼리 서로 엉키게 되면 치명적인 독소로 변해 치매, 파킨슨병 등 다양한 퇴행성 뇌질환을 일으키는 두 얼굴을 가진 물질로 알려져 왔다. 하지만 지금까지 이 독소체가 어떠한 방법으로 뇌세포 활동에 해를 끼쳐 치매를 일으키는지는 알려져 있지 않았다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 의공학연구소 테라그노시스연구단 신연균 교수(KIST 겸직연구원, 아이오와 주립대 교수), 포스텍(총장 김용민) 시스템생명공학부 이남기 교수, 성균관대(총장 김준영) 유전공학과 권대혁 교수 공동연구팀은 하나의 포낭 주머니가 세포막에 융합되는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 첨단 단분자 융합 연구방법을 이용, 알파시뉴클린 응집독소체가 뇌 활동의 가장 중요한 부분인 시냅스에서의 신경전달물질 분비를 저하시켜 기억 및 인지 활동의 저해를 가져와 치매를 유발할 수 있다는 사실을 발견했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 치매의 원인을 규명한 획기적인 것으로 관련 내용은 19일 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인 판에 게재되었다. 시냅스에서의 신경전달물질 분비는 이를 저장하는 포낭 주머니가 뇌세포막에 융합하여 일어난다. 공동연구팀은 스내어(SNARE)라는 단백질이 어떠한 과정을 통해 개개의 포낭을 세포막에 융합시키고 그 융합과정을 조정하는지를 단계별로 분리 측정하는데 성공하였다. 이 과정에서 알파시뉴클린은 정상적인 상태에서는 스내어 단백질을 돕는 역할을 하지만(왼쪽 그림), 여러 개가 엉켜 독소로 탈바꿈하면 스내어 단백질에 들러붙어 이들의 세포막 융합 활성을 무력화 시키는가 하면, 여러 개의 포낭 주머니들을 응집하도록 만들어 시냅스로의 신경전달물질 분비를 급격히 저하시킨다는 것을 알아냈다(오른쪽 그림). 이는 시냅스의 신경전달 기능을 약화시키고 뇌의 기억 및 인지 활동의 약화를 가져오게 된다. KIST 신연균 교수는 "이번 발견은 치매를 효과적으로 예방하고 치료할 수 있는 새로운 방향을 제시해 준다는데 큰 의미가 있다" 며 "치매 유발의 또 하나의 중요 인자인 베타아밀로이드(beta-amyloid)라는 단백질 또한 비슷한 메커니즘을 통해 치매를 유발할 것으로 보이며, 스내어 단백질의 무력화가 대다수의 치매 발병의 근본적 원인 중의 하나일 것으로 예상된다" 고 말했다. 한편 신연균 교수는 단분자 이미징과 EPR(Electron Paramagnetic Resonance)을 이용한 단백질 구조분석에 원천기술을 보유한 점을 높게 평가받아 KIST 의공학 연구소의 해외 과학자 유치사업을 통해 지난 2011년, KIST로 초빙되었다. 신 교수는 KIST의 전폭적 지원하에 KIST 내에 기초 연구를 수행할 수 있는 연구실을 구축하고 신경 전달과정 매커니즘에 관한 연구를 진행중이며 이를 통해 치매 등 정신질환 연구에서 세계를 선도하는 원천기술 확보를 위해 매진하고 있다. 이번 연구는 KIST 및 교과부, 미국국립보건원(NIH)의 연구비 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림설명 (좌) 정상뇌세포에서 포낭 주머니가 세포막에 융합되어 신경전달물질이 시냅스로 분비되고 이를 다음 뇌세포막에 있는 수용체가 인지하게 되어 뇌세포간의 신경전달이 이루어진다. (우) 치매환자의 경우 알파시뉴클린 응집독소체가 포낭 표면의 스내어 단백질에 들러붙어 포낭 엉킴을 일으켜 포낭 융합을 방해하고 신경전달을 마비시킨다.

상온작동 다기능 스핀논리소자 개발 - 저온에서만 작동하는 스핀트랜지스터의 온도 한계 극복 - 한 칩에 다양한 기능 직접 가능, 세계 반도체 분야 기술혁신 이끌듯 순수 국내 연구진이 전자의 자기적 특성을 활용해 상온에서 작동하는 다기능 스핀논리소자를 개발하는데 성공했다. 이 소자를 활용하면 영상, 음악, 인터넷, 정보저장 등 여러 가지 기능을 사용자의 필요에 따라 손쉽게 전환할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체하는 다기능 스핀논리소자로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 스핀융합연구센터 장준연 박사, 광전융합시스템연구단 송진동 박사 연구팀은 고려대학교 디스플레이반도체물리학과 이긍원, 홍진기 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 저온에서만 작동했던 스핀트랜지스터의 한계를 극복한 상온작동 스핀논리소자를 개발했다고 밝혔다. 연구결과는 1월 31일(온라인판, 오프라인 게재는 2월 7일 예정), 과학계 최고 권위를 자랑하는 네이쳐(Nature)에 게재되었으며 ‘주목할만한 연구(featured paper)’ 로도 선정되어 국제적으로 큰 관심을 끌고 있다. 최근 정보처리 기술은 스마트폰 등의 휴대용 전자기기의 발전과 함께 저전력, 초고속, 고성능 정보처리를 요구하고 있다. 자기적 특성을 이용한 논리소자는 전원이 꺼져도 정보가 소멸되지 않는 비휘발성을 갖고 있어 소비전력을 감소시키면서도 컴퓨터의 연산효율을 증가시킬 수 있으며, 다기능 가변형 논리 동작과 비휘발성 메모리가 동시에 집적된 새로운 형태의 논리 회로도 구현 할 수 있어 효율적인 대안으로 제시되고 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고 스핀논리소자는 낮은 신호 대 잡음비, 집적도의 한계 및 낮은 작동 온도 등으로 인해 응용 가능성이 낮은 것으로 인식되어 왔다. 스핀 분극된 전자를 이용하는 스핀트랜지스터는 캐리어의 스핀방향에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 이용하는데 저온에서만 작동하는 특성을 갖고 있어 효과적인 대안으로 제시되지 못하고 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST-고려대 공동연구팀은 외부 자기장에 따라 전기저항이 매우 민감하게 변화하는 인듐비소(InSb) 반도체에 주목 하였다. 인듐비소 반도체는 전자의 이동도가 높고, 유효질량이 작아 낮은 인가 전압에서도 과잉 전자가 쉽게 생성되며 외부 자기장의 방향에 따라 전기 전도도가 크게 변화하는 특성을 갖고 있다. 연구팀은 분자빔박막성장장치(MBE)를 이용하여 원자층 수준으로 조성과 표면상태를 정밀 조절하여 고품질의 인듐비소 전자-정공 접합 반도체를 제작하였다. 그 결과 자기장으로 제어되는 스핀논리소자를 개발하는데 성공, 기본적인 논리연산인 AND, OR, NAND, NOR 연산기능을 상온에서 성공적으로 구현하였다. 또한 이 소자는 인가전압에 따라 자유롭게 연산기능을 변화시킬 수 있어(예를 들면 OR 에서 AND 또는 그 반대) 사용자의 필요에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이러한 가변형 다기능 특성으로 인해 주변환경에 따라 시시각각으로 피부색을 변화시킬 수 있는 카멜레온에 빗대어 카멜레온 프로세서라고 부르기도 한다. 이 소자가 상용화되면 한 개의 칩으로 모든 기능을 수행할 수 있어 스마트폰과 같은 전자 제품의 크기와 소비전력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 메모리 및 논리 소자를 한 칩에 집적할 수 있어 컴퓨터를 부팅과정 없이 바로 실행할 수 있고 처리속도 또한 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 이유로 미국을 중심으로 한 선진국에서는 스핀을 이용한 전자소자를 차세대 반도체 소자 핵심기술로 인식하고 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 전기적 동작이 가능한 스핀소자를 실제로 구현한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발한 것은 이번이 처음이다. 이번 연구는 스핀전자소자의 동작온도 한계를 근본적으로 돌파 한 것으로 세계 각국과 학계의 많은 관심을 받고 있다. 한편 KIST는 지난 2009년, 기존에 이론으로만 제시되어왔던 전자의 스핀을 이용한 ‘스핀트랜지스터 소자’ 기술을 세계 최초로 개발하여 사이언스지에 발표한 데 이어 상온에서 동작하는 스핀논리소자를 개발하는 개가를 이루었다. 이번 연구로 저온에서만 작동하는 스핀소자의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라 메모리 소자에 치우쳐 있는 한국 반도체 산업을 논리소자로 확대할 수 있어 실리콘 기반 반도체에 이어 차세대 반도체 산업에서도 한국이 세계적 기술 경쟁에서 유리한 고지를 선점할 수 있게 되었다. 이 연구는 주로 KIST 기관고유사업인 ‘스핀제어 정보소자기술 개발’ 연구과제 지원으로 수행되었다. ○ 연구진 ○ 사진설명 <그림 1> 다기능 스핀논리소자의 별명인 “카멜레온 프로세서” 를 나타낸 삽화 몸 색깔이 주변 환경에 따라 자유자재로 변하는 카멜레온을 반도체 칩 위에 나타내고 카멜레온의 피부색을 연두색(계산), 붉은색(음악), 노란색(인터넷), 보라색(정보저장)으로 표시하여 사용자의 필요에 따라 기능 전환이 가능한 다기능 스핀논리소자의 특성을 도식적으로 나타냄 <그림 2> (a) : 본 연구에 사용한 인듐비소 전자-정공 접합소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b) : 다양한 전압에서 소자의 면에 평행하게 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 (c) : 다양한 전압에서 소자의 면에 수직으로 자기장을 인가할 때, 소자에 흐르는 전류의 변화를 나타낸 그림 - (a)는 소자의 개략도. 제작된 소자의 채널 폭은 10 ㎛, 길이는 120 ㎛ - (b),(c) 는 다양한 인가 전압 (Vbias)에서 자기장의 크기와 방향에 따른 채널 전류의 변화를 보여줌 - 전류는 자기장에 따라 단순 증가하다가 특정 자기장에서 급격하게 증가함 - 기존 반도체 다이오드와는 달리 자기장에 의해 스위칭 작용을 함 <그림 3> AND, OR 논리연산을 위한 논리소자와 그 특성 - (a)는 AND. OR 논리연산을 모두 수행하는 회로 - 채널면에 평행한 z축의 양또는 음의 자기장 방향을 입력 신호 "1"과 “0”으로 표시 - 채널전류의 높고(100mA) 낮은(40mA) 상태를 각각 “1” 과 “0”의 출력신호로 정의 - 각 입력신호에 대한 출력신호를 <그림 3> (e)에 표로 정리하였음 - 인가전압 Vtotal의 크기로 AND 와 OR 연산기능을 변경 할 수 있는 가변형 논리 게이트를 나타냄. <그림 4> NAND, NOR등 다양한 논리게이트 동작 - (a)에서 PN 소자는 동일한 자기장 방향 (입력 값) 에서 NP소자의 부정 (NOT)으로 NOT 기능 - (b)는 두 개의 NP 소자 (NP3, NP4)와 PN 소자 (PN1, PN2)로 이루어진 NAND, NOR 논리게이트 회로 - 두 회로의 실험적 결과는 오른쪽의 진리표에 정리되어 있음

바르고 오븐에서 굽기만 하면 태양전지 끝∼ KIST, 대량생산 가능한 박막태양전지 기술 개발 - 저비용 코팅 공정 통해 세계 최고 수준 고전압 성능 달성 - 제조비용 절감 및 대량생산에 한발 더 가까이 기존과 다른 획기적인 제조 공정을 사용하여 저렴하면서 고전압을 구현하는 박막태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 청청에너지연구센터 민병권 박사팀은 프린팅 방법과 같은 저가형 공정을 이용하여 고전압을 낼 수 있는 박막태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 태양전지 제조에 있어 용액을 통한 페이스트 코팅 제조 공정은 박막태양전지의 제조 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 핵심 기술로 알려져 있다. 기존의 진공 증착법 공정에서 필요한 고가의 진공장비가 필요없고, 인듐과 같은 고가 원료의 손실이 적으며 매우 빠른 공정 속도를 구현할 수 있기 때문이다. 또한, 고전압을 만들어 낼 수 있는 박막태양전지 기술은 태양전지 모듈에서 일반적으로 발생하는 전기 손실을 줄여 궁극적으로 모듈의 효율성을 향상시키는 중요 기술이다. 보통 태양전지는 단위셀들을 많이 연결할수록 저항이 커져 효율이 감소하게 되는데 단위셀 자체가 고전압을 발생하게 되면 그만큼 모듈에 들어가는 단위셀의 숫자가 줄어들어 전체적으로 효율 감소가 줄어들기 때문에 단위셀의 전압을 높이는 것이 태양전지 효율성 확보의 관건이라 할 수 있다. 고전압 박막태양전지를 구현하기 위해서는 넓은 띠간격(wide band-gap)을 갖는 반도체 박막을 제조해야 한다. 띠간격은 반도체에서 전자가 채워져 있는 띠와 그렇지 않은 띠 사이의 간격(에너지 차이)을 의미하는데 넓은 띠간격을 가질수록 태양전지가 고전압을 발생할 가능성이 커진다. 하지만 반도체 물질의 띠간격이 너무 크게 되면 그 만큼 빛 흡수 양이 적어져 효율이 감소하기 때문에 고전압이 발생하면서 효율이 최대가 될 수 있는 최적의 띠간격을 발견, 유지하는 것이 중요하다. KIST 민병권 박사팀은 기존에 사용하던 셀레늄(Se) 대신 황(S)으로 이루어진 CIGS(구리-인듐-갈륨-황 화합물) 박막을 간단한 특수 용액을 기판에 바르는 페이스트 코팅법으로 제조하여 띠간격 1.5eV 이상을 갖는 박막 구현에 성공하였으며 이를 적용한 태양전지 소자 제작을 통해 태양광-전기 변환 효율 8.3%, 개방전압 787mV 의, 현재 보고된 저가형 고전압 CIGS 박막태양전지 중 세계 최고 효율을 달성하였다. 독성이 강하고 폭발성이 큰 용매를 사용하거나, 글러브 박스(glove box)와 같은 제한된 공간에서만 실험이 가능했던 페이스트 코팅 공정을 알코올과 같은 비교적 안전한 용매를 이용하여 일반 공기중에서 구현이 가능하도록 개선하여 적용시킨 것이다. 페이스트 제조와 코팅 과정이 보통의 대기 중에서 이루어지게 되면 태양전지의 대면적화 및 대량 생산에 매우 유리하며 더 나아가 고전압이 요구되는 태양광-물분해 수소 제조의 광전극 기술로도 응용이 가능하다. 민병권 박사는 “이번에 개발된 박막태양전지 제조 기술은 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하기 때문에 발전용뿐만 아니라 건물용 태양전지로도 적용이 가능하며, 유연성 기판에도 적용할 수 있어 다양하게 응용할 수 있다”며 “또한, 태양광을 이용하여 물을 분해해 수소를 생산하는 기술에는 2V 이상의 전압이 필요한데, 고전압을 낼 수 있는 이번 기술이 응용될 수 있다”고 말했다. 이번 연구성과는 KIST 기관고유사업 및 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업의 연구비 지원으로 수행되었으며, 지난 1월 11일, 태양전지분야 최고 권위지인 ‘Progress in Photovoltaics' 온라인판에 게재되었다. ○ 연구진 <민병권 박사> ○ 사진설명 좌: 페이스트 코팅법에 의해 제조된 태양전지 박막 모습, 우: 고전압을 발생하는 저비용 박막태양전지 소자 특성