우리얘기

Synergistic toughening of composite fibres by self-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes M. K. Shin et al. (Nature Communications - 2012. 2. 1. 출판)

 강하고 가벼운 고분자 섬유는 자동차 복합소재뿐만 아니라 방탄조끼에 응용될 수 있기 때문에 섬유 개발 관련 연구가 지속적으로 수행되고 있다.
고분자 섬유에 탄소나노튜브를 첨가하여 고강도 나노복합소재를 만드는 것은 최근 주요 연구의 흐름이다.
또한, 탄소나노튜브 기반 복합소재는 일반적으로 전기적 특성이 향상되기 때문에 에너지 저장 소재, 센서, 구동기 등에 다양하게 응용될 수 있다.
따라서 복합소재의 응용 범위와 가치를 높이기 위해서는 재료가 외부 힘에 의해 파단할 때까지 흡수할 수 있는 최대 에너지, 즉 재료의 인성(toughness, 질긴 특성)을 향상시키는 것이 주요 해결 과제이다.
일반적으로 재료의 인성과 기계적 강도는 섬유 내부의 마이크로구조에 의해 영향을 크게 받는다.
따라서, 열처리 또는 기계적 후처리 등을 통해 마이크로구조를 적절히 디자인 하는 것은 재료 연구에 있어 매우 중요하다. 이러한 관점에서 매우 강하면서 질긴 탄소나노튜브/고분자 복합섬유 제조가 시도되었다.
특히, 복합섬유의 인성 및 기계적 강도 향상을 위해 탄소나노튜브와 고분자를 섬유의 축 방향으로 배열시키는 다양한 방법이 고안되었으나 탄소나노튜브가 서로 엉켜 풀기 힘든 성질 및 복잡한 섬유 제조 과정과 경제성 문제 때문에 최적의 복합섬유를 얻는데 많은 어려움이 있다.

본 연구팀은 기존 탄소나노튜브 기반의 복합섬유 제조 방법의 문제점을 해결하기 위해서 그래핀 기반의 복합섬유를 개발하였다.
구체적으로 그래핀과 단일벽탄소나노튜브를 물에 분산시켜 만든 용액을 고분자 용액 내에서 섬유 형태를 갖도록 방사하여 그래핀/탄소나노튜브/고분자로 구성된 나노복합섬유를 제조하였다.
제조 과정에서 그래핀과 탄소나노튜브의 강한 상호작용에 의해 결합된 그래핀/탄소나노튜브 나노구조가 스스로 배열하는 현상은 섬유 제조 후 별도의 후처리를 하지 않아도 섬유의 기계적 강도를 크게 증가시킬 수 있다.
특히, 그래핀과 탄소나노튜브가 1:1의 비율로 결합되었을 때 시너지 효과가 극대화 되어 가장 물성이 좋은 탄소 기반 복합섬유가 제조될 수 있음을 증명하였다.
그래핀/탄소나노튜브 복합체 섬유는 후처리를 하지 않고 단일벽탄소나노튜브 또는 그래핀만 사용하여 제조한 섬유에 비해 기계적 특성이 10배 이상 증가되었고, 자연계에 존재하는 강하고 유연한 거미줄 보다 인성이 6배 이상 증가하였다.
이번 그래핀/탄소나노튜브 복합소재는 기존 탄소 기반 섬유와 달리 강하면서 유연성이 매우 뛰어나 고무 밴드 및 옷감 등에서 바느질이 가능하기 때문에 휴대용 전자, 복합소재 산업에 크게 기여할 수 있다.
또한, 간단한 열처리를 통해 스프링 형태로 만들 수 있으며 이는 기존 탄소나노튜브 스프링에 비해 전단 계수(shear modulus)가 60배 이상 높아 마이크로크기의 직경을 갖는 고강도 스프링으로 사용될 수 있다.
나노복합체 신소재는 그래핀과 탄소나노튜브에 의한 우수한 전기전도성과 표면적 효과로 인해 에너지 저장 및 인공근육 소재로서 응용될 수 있다.

<김선정 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 한양대학교 생체공학과      
  
2. 학력
   1994, 한양대학교 공업화학과 박사
 
3. 경력사항
   2006-현재, 생체인공근육 창의연구단장
   2005-현재, 한양대학교 공과대학 교수

4. 전문 분야 정보
- 교육과학기술부?한국연구재단 창의리더연구사업 연구책임자 (2006 - 현재)
- 생체인공근육 분야, 국제학술지(SCI) 141, 특허등록 12

5. 수상 경력
- 2010, 기초우수성과(교육과학기술부)
  - 2009, 최우수 교수상(한양대학교)
  - 2007, 국가연구개발 우수성과 100선(교육과학기술부)
  - 2007, 대표적 우수성과 50선(한국연구재단)
  - 2006, 대표적 우수성과 50선(한국연구재단)

Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films
J. Kwak et al. (Nature Communications - 2012. 1.24. 출판)

그래핀은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노 물질로서 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받는 꿈의 신소재이다.
최초의 그래핀은 기계적 박리법을 통해 얻어낸 마이크로미터 수준의 그래핀 조각들로서 상기 언급한 바와 유사한 우수한 물성을 지니나, 매번 불균일한 모양과 특성을 갖고 크기가 매우 작아 실생활에의 응용이 불가하다.
이를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용한 대면적 그래핀 합성법이 개발되었다. 하지만 탄소원인 탄화가스의 효율적인 분해를 위해서는 1,000℃ 이상의 고온 공정이 필요하고, 금속기판 위에 그래핀을 성장한 후 소자에의 적용을 위하여 반도체 및 부도체 기판으로의 그래핀의 전사 공정이 필요하게 된다.
이러한 전사 공정시 그래핀의 구겨짐, 찢어짐 등의 결함이 발생하는 등의 어려움은 물론 양산시 대면적화에 있어 극복해야할 난제가 산적해 있는 상태이다.  
  
본 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위하여 DAS(Diffusion-Assisted Synthesis)법을 개발하였다.
DAS법에서는 반도체 및 부도체 기판에 미리 형성한 다결정 금속박막의 결정립계를 통한 탄소원자의 농도구배 차이에 의한 자발확산 현상을 이용한다.
'탄소재료-금속박막/기판'으로 이루어진 확산 쌍을 특수재질로 제작된 지그에 고정시키고 ~1 MPa 정도의 압력을 가하여 전기로에서 다양한 분위기하에서 가열함으로써, 금속박막의 결정립계를 통해 자발확산된 탄소원자는 금속박막/대상기판 계면에서 탄소원자의 확산현상에 의해 그래핀을 형성하게 된다.
본 연구팀의 전산모사 결과에 의하면 상온에서도 그래핀 위의 탄소원자들이 대략 200 ㎟/sec 이상 확산 과정을 겪게 되어 상온에 가까운 저온에서도 안정상인 그래핀을 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
대상기판으로는 단단한 산화 실리콘 기판 (SiO2/Si) 및 유리뿐 아니라 가요성을 갖는 플라스틱 기판 (PMMA, PDMS) 등이 사용되었고 이들 대상기판에서 기판 종류에 따른 그래핀 성장 메커니즘에 관한 연구를 통해, 200 ℃ 이하의 저온에서 성장온도, 성장시간, 중간 금속박막층의 형성조건 등에 따른 센티미터 수준의 그래핀을 얻을 수 있었다. 
이와 더불어 DAS 기술을 이용하면 대상기판에 형성한 금속박막의 결정립계 크기를 미리 조절함으로써 추후 형성되는 그래핀의 결정립 크기를 조절할 수 있음을 확인하였다.
인공 합성된 대면적 그래핀의 경우 내부에 존재하는 다수의 결정립계로 인해 물리적, 전기적 특성이 이론치에 비해 현저히 떨어지게 되어 현시점에서 이의 활용분야가 제한되나, DAS법을 활용하게 되면 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함원인 결정립계를 줄일 수 있게 되어 차세대 그래핀 산업의 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

4. 주요성과 
1. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, S.-D. Park, H. Go, S.Y. Kim, K. Park, S.-D. Kim, Y.-W. Kim, E. Yoon, S. Kodambaka, S.-Y. Kwon*, "Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films", Nature Communications, 3, 645 (2012).
2. S.-Y. Kwon, C. V. Ciobanu, V. Petrova, V. B. Shenoy, J. Bareno, V. Gambin, I. Petrov, S. Kodambaka*, "Growth of semiconducting graphene on palladium", Nano Letters 9(12) 3985-3990 (2009)
3. S.-Y. Kwon*, S.Y. Kim, K. Park. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, "Graphene sheet, transparent electrode, active layer including the same, display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode or active layer", PCT/KR2011/005438
4. S.-Y. Kwon*, K. Park, E. Yoon, J. Kwak,"Method for manufacturing graphene, transparent electrode and active layer comprising the same, and display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode and the active layer", PCT/KR2011/001092

미래의 대체 에너지원으로 각광을 받고 있는 실리콘 태양전지는 재료비 대비 고효율 소자 제작이 현재의 가장 큰 관심사이다.
이를 위한 주요 과제들로 고품위의 물질 구현을 통한 전기적 특성 향상 및 광 수집 효율 증대 방안 등을 들 수 있다.
  Bottom-up 방식의 실리콘 나노선 태양전지는 일반적인 식각 과정이 불필요하므로 재료를 근본적으로 절감할 수 있으며, 합성 과정 중에 물질의 치환이 용이해 다양한 기능의 소자를 구현할 수 있다.
하지만 지금까지의 실리콘 나노선 연구는 고품위 실리콘 재현의 어려움으로 인해 고효율 태양전지 소자 실현이 사실상 불가능하였다.
  본 연구에서는 화학적 증기 증착(CVD) 방식을 통해 육각기둥 형태의 고품위 단결정 실리콘 나노선을 성장하고, 성장 과정 중에 내부 코어, 중간 껍질, 외곽 껍질 층에 각기 다른 dopant를 적용한 p-i-n형의 단일 나노선 태양전지 구현에 성공하였다.

본 연구에서 개발된 실리콘 나노선의 물질 특성을 조사하기 위해 투과전자현미경을 이용한 나노선 단면 촬영 및 격자 구조 분석을 실시하였으며, 이를 통해 성장된 나노선이 고품위의 단결정 실리콘 재질로 구성되어 있음을 확인하였다.
또한, 성분 분석 장치를 통해 나노선 내부의 코어 및 각 껍질 층이 성장 과정 중에 의도했던 dopant로 채워져 있음을 증명하였다.
  실리콘 나노선은 외곽 껍질의 일부분을 식각하여 코어 부분을 드러내고, 코어가 드러나지 않은 외곽 껍질과 내부 코어 각각에 n형 및 p형 전극을 올리게 되면 태양전지 소자로서 작동하게 된다.
제작된 단결정 실리콘 나노선 태양전지 소자의 I-V 특성 측정 결과 0.5 V의 개방전압 및 1 fA 이하의 누설 전류 특성을 기록하였다. 이는 현재까지 보고된 나노선 태양전지 소자 중에서 최고의 값이며, 범위를 산업에서 개발하고 있는 박막형 실리콘 태양전지로 확장하더라도 동등한 수준에 근접한 것이다.
  단결정 실리콘은 낮은 물질 흡수로 인해 본질적으로 전류 밀도가 작다는 단점이 있다. 하지만 본 연구의 실리콘 나노선은 크기가 약 300 nm에 불과함에도 그 자체로 미세 공진기로서 작동할 수 있으며, 공진기 내에 존재하는 공진 모드와 입사하는 태양광 사이의 강한 상호 작용을 통해 높은 광 수집 효율을 기대할 수 있다.
본 연구에서는 스펙트럼 분석 및 전자기 계산을 통해 나노선 내부에 존재하는 공진 모드의 존재를 입증하였으며, 실제로 실리콘 나노선은 같은 두께의 박막형 구조에 비해 약 2배 이상 증가한 전류 밀도를 기록하였다.     
  본 연구에서는 실리콘 나노선 소자의 추가적인 전류 밀도 향상을 위해 나노선을 수직 방향으로 두 층까지 쌓는 것에 성공하였으며, 이를 통해 약 25 mA/cm2의 전류 밀도를 기록할 수 있었다.
전자기 계산에 의하면 동일 방식을 통해 1 μm 두께까지 나노선을 적재하였을 때 약 13%의 효율이 예상되며, 이는 현재 개발되고 있는 박막형 태양 전지 소자의 수준을 훨씬 뛰어넘는 것이다.
  실리콘 나노선을 이용한 태양전지 개발은 CVD 방식을 통해 개별 나노선을 이루는 물질을 자유롭게 조작할 수 있다는 장점과 더불어 빛의 파장보다 작은 크기의 공진기가 가지고 있는 고유한 공진 모드 특성으로 인해 향후에도 활발한 연구가 이어질 전망이다.

▶소속 : 고려대학교 정보통신대학 뇌공학과

● 학    력

▶1980 ∼ 1984    서울대학교 계산통계학과 학사
▶1984 ∼ 1986    KAIST 전산학과 석사
▶1986 ∼ 1989    KAIST 전산학과 박사

● 경    력

▶1995 ∼ 현재
▶1997 ∼ 2008
▶2008 ∼ 현재
▶2009 ∼ 현재
▶2009 ∼ 현재
고려대학교 정보통신대학 뇌공학과 정교수
고려대학교 인공시각연구센터장
고려대학교 WCU 뇌공학융합연구사업단장
고려대학교 현대·기아차 석좌교수
한국과학기술한림원 정회원, IEEE Fellow

● 주요업적 : 컴퓨터 비전 기반의 휴먼 동작 자동 분석 및 인식 기술 개발
□ 기계학습 기법을 바탕으로 컴퓨터가 동영상에서 의미있는 휴먼 동작을 자동으로 검출함과 동시에 인식할 수 있는 독창적인 기술을 개발함
□ 특히, 가장 복잡한 휴먼 동작인 수화 동영상에서 의미 있는 수화 동작들을 자동으로 검출함과 동시에 인식 가능한 독창적인 알고리즘을 개발함으로써, 컴퓨터 비전 및 패턴 인식 분야에서 오랜 난제로 여겨졌던 동영상에서의 휴먼 동작 자동 검출 및 인식에 대한 문제 해결의 돌파구를 제시하였다는 점에서 학계의 커다란 주목을 받고 있음

소형 분광계는 광학, 화학, 해양공학 등 다양한 산업 분야 전반에 걸쳐서 핵심 기구로 사용되고 있다.
최첨단 기술의 소형 분광계는 비용을 감소시키기 위한 방법으로 배열필터를 사용한다.
배열필터란 그림 1에서 볼 수 있듯이, 필터를 배열해서 한 곳에 집약하여 생산하는 구조를 말한다.
나노공정을 이용한 배열필터 기술은 분광계의 크기를 초소형화 하고, 이에 따른 대량 생산으로 생산가격을 크게 절감시킨다.
이러한 공정으로 생산된 소형 분광계는 실험실 밖 산업 현장에서 물체의 특성을 측정하는데 큰 도움이 된다.
또한 컴퓨터 또는 다른 전자 기기와도 쉽게 접목하여 함께 사용할 수 있다.
이 밖에도 배열필터 기반의 분광계는 광원의 스펙트럼 정보를 단시간에 측정할 수 있는 장점이 있다.

그림 1. 디지털 신호 처리를 이용한 배열필터 기반의 분광계 시스템

4. 주요연구업적
1.  R. Vinjamuri, M.Sun, C.C. Chang, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and Z.-H. Mao, "Temporal Postural Synergies of the Hand in Rapid Grasping Tasks, "IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 4, pp.986-994, Jul. 2010.
2. R. Vinjamuri, M. Sun, C.-C. Chang, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao. "Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp.284-295, Feb. 2010.
3. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "A fast BER evaluation method for LDGM codes," Journal of the Frankilin Institute, vol. 347, issue. 7, pp. 1368-1373, 2010.
4. J. Zhang and Heung-No Lee, "Energy-Efficient Utility Maximization for Wireless Networks with/without Multipath Routing, "International Journal of Electronics and Communications, May. 2009. Volume 64, Issue 2, February 2010, Pages 99-111.
5. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "MB iterative decoding algorithm on systematic LDGM codes: Performance evaluation," Signal Processing, vol. 90, issue. 1, pp. 373-377, 2010
6. Mir H. Mahmood, C.C. Chang, Z.H. Mao and Heung-No Lee, "Throughput Behavior of Link Adaptive 802.11 DCF with MUD Capable Access Node," AEU International Journal of Electronics and Communications, July 2008. doi:10.1016/j.aeue.2009.10.007.
7. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
8. Heung-No Lee, J. Zhang, C.W. Choi, "General random coding bounds: AWGN channels to MIMO fading channels," Annals of Telecommunications, vol. 65, issue. 1, pp. 87-99, 2010
9. Z.-H. Mao, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and M. Sun, "Information Capacity of the Thumb and Index Finger in Communication," IEEE Trans. Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1535-1546, May. 2009.
10. R. Vinjamuri, D.J. Crammond, D. Kondziolka, Heung-No Lee, and Zhi-Hong Mao, "Extraction of Sources of Tremor in Hand Movements of Patients with Movement Disorders," vol. 13, no.1, pp. 49-56, IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Jan. 2009.
11. Heung-No Lee, J. Zhang, and C.W. Choi, "Random coding bounds for MIMO channels," Annals of Telecommunication, Dec. 23rd, 2008.
12. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analyses on LDPC coded system over quasi-static (MIMO) fading system," IEEE Trans. on Communications, vol. 56, issue 12, pp. 2080-2093, Dec. 2008.
13. X. Song and Heung-No Lee, "Multimode Precoding for MIMO Systems Performance Bounds and Limited Feedback Codebook Design," IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 56, no. 10, pp. 5296-5301, Oct. 2008.
14. J. Zhang and Heung-No Lee, "Throughput Enhancement with a Modified 802.11 MAC Protocol with Multi-User Detection Support," International Journal of Electronics and Communications, vol. 62, issue 5, pp. 365-373, May, 2008.
15. Cheng-Chun Chang and Heung-No Lee, "A Fast Simulation Method for LDGM Codes," Journal of the Franklin Institute, May 2008.
16. C.C. Chang and Heung-No Lee, "On the Estimation of Target Spectrum for Filter-Array Based Spectrometers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 1056-61, Jan. 2008.
17. J. Wu and Heung-No Lee, "Performance analysis for LDPC coded modulation in MIMO multi-access Systems," IEEE Trans. on Communications, vol. 55, no. 7, pp.1417-1426, July, 2007.
18. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analysis of LDPC-Coded Space-Time Modulation over MIMO Fading Channels," IEEE Communications Letters, vol. 11, Issue 3, pp. 234 ? 236,   March 2007.
19. J. Zhang and Heung-No Lee, "A Performance bound on random-coded MIMO systems," IEEE Communications Letters, vol.10, no.3, pp.168-170, March, 2006.
20. J. Zhang and Heung-No Lee, "Union bounds on LDPC coded modulation systems over fast fading MIMO channels," vol. 9, no.9, pp. 796-798, IEEE Communications Letters, Sept.  2005.
21. Heung-No Lee and X. Hu, "Robust Iterative tree-pruning detection and LDPCC decoding," IEEE Journal of Selected Areas on Communications, vol. 23, no.5, pp. 1013-1025, May 2005.
22. Heung-No Lee and G. J. Pottie, "Fast adaptive equalization/diversity combining for time varying dispersive channels", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 9, pp 1146-1162, Sept. 1998.