Research

신소재공학과 제정호 교수팀, X선에 의한 물의 표면장력 감소현상 세계 최초 발견 (2008.5.29)

교과부(장관 김도연)는 교과부(한국과학재단) 창의적연구진흥사업을 수행 중인 신소재공학과 제정호 교수(X선영상연구단장)와 원병묵 박사팀이 “X선에 의한 물의 표면장력 감소현상”을 세계 최초로 발견하고 그 메커니즘을 규명하였으며, 이를 이용하여 순수한 물로 이루어진 안정한 자립성(自立性; freestanding)의 물막을 만드는데 성공하였다고 밝혔다. 지금까지는 X선을 물에 쬐어주더라도 물의 특성이 변하지 않는다고 생각했기 때문에 물의 구조분석 연구에 X선을 오랫동안 사용해 왔다. 그러나 기존의 고정관념과 달리, X선이 물의 표면장력 같은 물리적, 화학적 특성을 완전히 달라지게 할 수 있음이 처음으로 입증된 것이다. 연구팀은 간단하고 참신한 실험 장치를 고안하여 X선을 비추는 동안에 물의 표면장력이 실제로 어떻게 변화하는지를 실시간으로 관찰하는 데 성공하였고, X선을 물에 비추는 동안 물의 표면에 전하가 쌓여 표면장력을 변화시키는 현상을 이론과 실험을 통해 처음으로 규명하였다. 이번 연구 성과는 물리학분야 세계 최고 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)지 2008년 5월 29일자에 게재되었다. 또한 X선에 의한 물의 표면장력 감소현상을 적절히 이용하면, 모세관 속에 갇힌 소량의 물을 서서히 얇게 만들어 순수한 물로 이루어진 안정한 자립성의 물막을 만들 수 있다. 이 내용에 관하여는 응용물리학분야의 권위지인 어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)지 2008년 3월 10일자에 발표한 바가 있다. 이번 연구결과는 X선과 물의 상호작용을 이해하는 가장 중요한 기초를 다진 것으로서, 향후 X선과 물에 관한 기초 및 응용 연구를 선도할 것으로 기대된다. 물은 생명체의 주된 구성성분이기 때문에 물에 관한 X선 연구는 매우 중요하다고 볼 수 있으며, 특히 기존의 3세대 방사광 가속기보다 100만 배 이상 밝은 4세대 방사광 가속기 개발 시점에서 매우 중요한 의미가 있다. 또한 최근 기후변화의 원인 중 하나로 논의되고 있는 우주방사선(Cosmic-rays)에 의한 지구 대기의 구름 생성 가설을 검증할 수 있는 이론을 암시하고 있어 앞으로 후속 연구의 귀추가 주목된다.

韓ㆍ獨 공동연구팀, 테라비트급 Fe램 구현 ‘앞당긴다’ (2008.6.15)

POSTECHㆍKRISSㆍ막스플랑크 연구소 백금-PZT-백금 나노크기 커패시터 최초 구현 네이처 자매지 온라인판 게재 … 다강체 활용 가능성 후속연구 이우 박사 한희 씨 동전만한 크기에 콤팩트디스크(CD) 1500장 이상의 정보를 저장할 수 있어 각국에서 경쟁적으로 개발에 나서고 있는 차세대 테라비트급 Fe램(통칭 F램) 구현을 위한 새로운 기술이 한국과 독일의 공동연구팀에 의해 개발됐다. 독일 막스플랑크 재단 미세구조 물리학연구소 궤젤레 박사(現 연구소장)와 이우 박사(한국표준과학연구원 연구원)연구팀과 POSTECH 신소재공학과 백성기 교수(現 POSTECH 총장)와 박사과정 한희 씨 연구팀은 다공성 산화알루미늄(alumina)을 틀로 사용해 대표적인 강유전체 물질인 ‘납-지르코늄-티타늄 복합산화물(이하 PZT)’ 나노점을 대면적 기판 위에 정렬해 초고밀도 Fe램을 구현하는 데 성공했다. 세계적인 과학저널인 네이처 자매지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 온라인판을 통해 6월 15일(현지시간) 발표된 연구결과는 지금까지 고저장밀도 Fe램 개발에서 선행되어야 할 과제로 지적되어 온 커패시터의 소형화를 해결한 핵심기술로 평가받고 있다. Fe램은 현재 주로 사용되는 D램과 거의 같은 구조로 되어 있지만 전하를 저장하는 커패시터로 강유전체(强誘電體ㆍferroelectrics)를 사용해 전원이 꺼져도 데이터를 보관할 수 있을 뿐 아니라 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있어 차세대 비휘발성 메모리로 많은 관심을 모으고 있다. 그러나 이 메모리 반도체는 데이터 저장밀도를 높이는데 기술적인 어려움을 겪어 상대적으로 낮은 용량의 메모리를 요구하는 휴대형 PC나 이동통신 단말기, 스마트카드 등에 주로 이용되어 왔다. 연구진은 나노미터(nm) 크기의 구멍이 벌집모양으로 배열되어 있는 다공성 산화알루미늄이 열에 대한 안정성이 탁월하다는 점에 착안해 PZT의 결정화 온도 이상에서 PZT 나노점을 성장시켜 백금-PZT-백금의 적층구조를 갖는 나노 커패시터를 세계 최초로 구현했다. 이 기술은 독성화학물질을 포함하지 않으며, 수백만 번 이상 읽고 쓰기 동작을 수행한 후 급격하게 정보가 손실되는 ‘전기적 피로’ 현상이 없는 다른 강유전체에도 적용할 수 있다. 또 이 기술을 공정에 적용하면 지금까지 커패시터를 소형화하는데 활용되었던 이온빔식각이나 리소그라피 공정을 이용할 때보다 공정시간이 단축된다는 장점이 있다. 독일 연구팀을 이끈 이우 박사는 “커패시터를 소형화하기 위한 다른 공정은 공정과정 중 강유전체 물질의 격자가 손상돼 메모리소자로서의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다”며 “나노점을 성장시켜 커패시터를 구현하는 기술을 제안한 이번 연구로 이 같은 문제점을 해결할 수 있었다”고 밝혔다. 또 앞으로 후속연구를 통해 고 저장밀도의 Fe램이 상용화되면, 전원 버튼을 누른 뒤 부팅 시간이 없이 바로 사용할 수 있는 컴퓨터의 개발도 앞당겨질 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 이번 연구결과를 바탕으로 강유전성과 강자성(强磁性)을 동시에 가지며 차세대 메모리소자에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있는 ‘다강체(Multiferroic)’ 나노점 물질에 적용이 가능한지 여부를 확인하는 연구를 진행하고 있다. 한편 이번 연구는 독일 폭스바겐 재단(Volkswagen Foundation)과 한국 교육과학기술부 BK21사업의 지원으로 이루어졌으며, 이번 연구에 제2저자로 참여한 POSTECH 박사과정 한희씨는 한국학술진흥재단과 독일연구협회가 공동으로 후원하는 독일학술교류처의 장학금을 지원받았다.

POSTECH 연구팀, 양극산화 알루미늄 이용한 캔틸레버 센서 개발 (2008.4.15)

바이러스ㆍ박테리아 검출, 미세공간 연구 등 광범위한 분야 활용 가능… 질량ㆍ응력 측정 딜레마 해결 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 최신호 게재…. 한국 특허 취득 이어 미국ㆍ일본 특허 출원도 바이러스나 박테리아, 물 속의 중금속과 같은 위해물질을 간단하게 검출하거나 미세 공간(confined geometry) 속 물리 현상 연구 등 다양한 분야에 활용되는 캔틸레버(Cantilever) 센서의 딜레마를 해결한 새로운 개념의 센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다. POSTECH 이건홍ㆍ전상민(화학공학), 박현철ㆍ황운봉(기계공학) 교수 공동연구팀은 양극산화 알루미늄(Anodized Aluminum Oxide, AAO)을 이용해 질량변화와 응력(應力․Stress)의 변화를 동시에 측정할 수 있는 캔틸레버센서를 개발했다. 신소재분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지 최신호를 통해 발표된 이 기술은 기존의 캔틸레버 센서가 질량과 응력의 변화를 측정할 때마다 그 길이와 두께를 상반되게 조절해야 하는 문제점을 해결해 주목을 받았다. 나노미터(nm)에서 마이크로미터(μm)에 이르는 초소형 크기인 캔틸레버 센서는, 민감도가 높고 유연하게 휘어지는 성질을 가지고 있어 극도로 미세한 힘이나 변형과 질량을 측정할 수 있는 도구로 각광을 받고 있다. 그러나 기존의 캔틸레버는 질량 변화를 측정하기 위해서는 짧고 굵은 센서를, 응력의 변화를 측정하기 위해서는 반대로 길고 얇은 센서를 사용해야 해 질량과 응력의 변화를 동시에 정밀하게 측정하기는 어려웠다. POSTECH 연구팀은 이 같은 문제점을 해결하기 위해 ‘규칙적으로 배열된 미세 나노기공이 있는 양극산화 알루미늄’을 소재로 활용했다. 양극산화 알루미늄의 나노기공은 크기를 조절할 수 있고 수직방향으로 정렬되어 있어 캔틸레버의 영률(Young's modulus)을 임의로 조절할 수 있다. 연구팀이 사용한 소재의 나노기공은 센서의 표면적을 100배 이상 증가시켜 질량에 대한 민감도를 크게 향상시키는 한편, 센서의 기계적 응력을 크게 줄여 응력에 대한 민감도도 향상시켰다. 또 표면적을 증가시키기 위해 캔틸레버 재질이 아닌 나노선이나 나노막대를 성장시킨 기존의 이종 나노구조 캔틸레버 센서와는 달리, 단일재질을 사용한 이 ‘AAO 캔틸레버 센서’는 기계적인 수치 해석도 가능해 다양한 용도로 활용할 수 있는 맞춤형 센서로 개발할 수 있는 가능성을 열었다. POSTECH 연구팀이 개발한 이 캔틸레버 센서는 △생분자간 상호 간섭력을 측정할 수 있으면서도 휴대가 가능한 소형 질병 분석기 △배양실험이 없이도 박테리아나 독성물질을 검출할 수 있는 센서 △민물에 있는 중금속이나 유독성 단백질의 검출실험 △플라스틱 폭탄이나 생화학 무기를 감지하는 기체 센서, △미세공간 속에서의 물리 현상 연구 등 생명공학과 물리, 환경공학을 아우르는 광범위한 분야에 활용될 것으로 기대된다. 화학공학과 이건홍 교수는 “이 기술은 양극산화 알루미늄과 MEMS(극미세 전자기계 시스템ㆍMicro Electro Mechanical Systems) 기술을 결합해 실제 활용 가능한 장치를 제작한 드문 예”라며 “한국 특허를 취득한데 이어 미국과 일본에도 특허를 출원 중”이라고 밝혔다.

간단한 '스핀' 방법으로 '접는 반도체' 만든다 (2008.4.15)

이문호ㆍ박수문ㆍ김오현 교수 연구진 개발…제조비용 1/10으로 크게 낮출듯 소비 전력 극소화…한 번 충전으로 한 달 사용하는 노트북도 개발 가능 “비휘발성 메모리 반도체 제조기술 중 제품화가 가능한 수준의 개발은 처음” 용액을 떨어뜨리고 돌리는 간단한 방법으로 전자종이, 접거나 입는 컴퓨터에 활용되는 ‘접을 수 있는 반도체’를 제조하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 화학과 이문호ㆍ박수문, 전자전기공학과 김오현 교수 공동 연구팀은 차세대 메모리 분야에서 각광을 받고 있는 비휘발성 메모리 플라스틱 신소재를 공동으로 개발하고 이를 이용해 고성능 비휘발성 메모리 반도체 소자를 제조하는 데 성공했다. 4월 15일 신소재 분야의 대표 전문 저널인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’를 통해 발표된 이 기술은 기존 반도체 소자로 활용된 구리 프탈로시아닌(CuPcㆍCopper Phthalocyanines)을 단량체로 하는 고분자 ‘곁사슬 구리 프탈로시아닌(HCuPcㆍHyperbranched Copper Phthalocyanine)’을 이용했으며, 전압 및 전류에 따라 박막의 전도성을 변화시켜 정보를 저장하고 읽는 WORM(Write-once-read-many time)방식을 사용한다. 이들 공동연구팀이 이용한 고분자를 활용하면, 간단한 스핀코팅(spin coating) 공정으로 원하는 두께만큼 활성층을 만들 수 있어 제조공정이 간편해질 뿐 아니라, 생산 비용도 기존의 1/10 수준으로 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 기존 제조공정에 사용되고 있는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)은 화학물질이 자발적으로 기판에 흡착되어 성장하도록 해야 하기 때문에 생산 비용이 올라가는 것이 큰 단점으로 지적되어 왔다. 또 이 소재를 이용한 소자는 신호ㆍ정보처리 시간이 수십 나노초(1나노초는 10억분의 1초) 수준에 불과해 1.0볼트 이하의 아주 적은 전력으로도 구동이 가능하기 때문에 이를 활용하면 충전 한 번으로 한 달 동안 사용이 가능한 노트북 컴퓨터도 개발할 수 있다고 연구진은 설명했다. 이 반도체는 플라스틱 신소재를 사용해 가볍고 쉽게 구부릴 수 있고, 3차원적으로 고집적화가 가능해 접는 전자신문, 전자책이나 노트, 휘어지는 화면, 접거나 입는 컴퓨터와 같은 미래형 디지털 제품에 사용될 전망이다. 이문호 교수는 “비휘발성 메모리 반도체 기술은 전 세계 연구소들도 이제 막 개발을 시작하고 있는 ‘걸음마’ 단계의 분야”라며 “제품화가 가능한 수준으로 개발한 것은 우리가 처음인데다 플래시 메모리의 속도와 대용량화의 한계점을 극복할 수 있는 이른바 ‘포스트 플래시 메모리(Post Flash memory)’ 제품이어서 이번 성과에 반도체업계의 이목이 집중되고 있다”고 밝혔다. 이 공동연구팀은 지난해 8월에도 고성능 비휘발성 메모리에 활용되는 플라스틱 신소재를 개발, ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)’를 통해 발표한 바 있다.