우리얘기

멀지 않은 미래에는 두루말이 모니터, 장갑이나 옷 겉면에 부착된 디스플레이, 접어서 보관하는 TV 등 플렉시블 전자제품이 상용화 될 것입니다. 

이를 실현 가능하게 하는 기술 중 하나가 유연한 기판에서 작동할 수 있는 소자를 개발하는 것인데요. 특히 인쇄형 전극의 경우 은나노입자가 우수한 전기적 기계적 성능을 갖고 있지만 생산 가격이 높다는 한계를 갖고 있습니다.  

이에 따라 은나노입자의 대안으로 구리나노입자 기반 기술이 제시돼 왔는데요.

하지만, 구리나노입자는 표면 산화막 형성에 따른 제어의 어려움으로 인해 전도성이 떨어지고, 열처리 공정에 한계가 있어 상용화에 어려움을 겪었습니다.

가격경쟁, 성능경쟁 가능한 구리나노입자 개발

한국화학연구원(이하 화학연) 최영민 박사와 정선호 박사팀, 조예진 연구원(주 저자)은 가격경쟁력과 전기전도성이 높은 구리나노입자로 플렉시블 디스플레이, 스마트폰 등에 쓰이는 전자회로를 만들 수 있는 전극 제조기술을 개발했습니다.

이번 연구는 터치스크린, 전자파 차단 필름 등에 쓰이는 연성회로기판의 전자회로를 보다 저렴하고 효율성이 높은 구리나노입자 기반 인쇄형 전극으로 제조할 수 있어 미래 플렉시블 전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

연구팀이 개발한 핵심은 산화막이 표면에 형성되는 것을 막아주면서 나노입자를 합성할 수 있는 구리나노입자  합성기술과 1000분의 1초 단위의 광열처리 기술을 통해 공기 중에서 인쇄형 구리배선을 연속으로 제조할 수 있는 기술인데요. 

[그림 1] (a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진
(a) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 사진; (b) PET, PES, PI 및 종이기판에 제작된 인쇄형 유연 구리배선의 반복벤딩 특성; (c) 연속공정을 통해 제작된 유연 구리박막의 사진

구리나노입자 합성기술은 구리나노입자의 표면에 산화막이 형성되면 전기가 잘 흐르지 않기 때문에 전자배선에 쓰이는 구리나노입자의 표면 산화막을 방지하는 것으로, 연구팀은 구리나노입자의 산화막 형성을 방지하면서 나노입자를 합성할 수 있는 기술을 개발했습니다.

또 광열처리 기술은 기존의 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 순간적인 광 조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적 화학적 특성을 변화시키는 기술입니다.

이번 연구는 가격경쟁력이 우수한 구리나노입자 소재 활용의 한계점으로 작용했던 산화막 형성을 극복하고, 추가 공정 없이 공기 중에서 연속적으로 제조하는 기술을 제시해 미래 유연소자용 배선의 높은 전도성을 확보하면서도 저가로 간편하게 제조할 수 있어 파급효과가 클 것으로 전망됩니다.

또 이번 연구를 통해 제시된 공정기술은 생산성이 높은 롤투롤(roll-to-roll) 공정기술에 적용이 가능하고, 순간적인 광 조사를 통해 구리입자의 확산 움직임을 적층소자구조에서 효율적으로 제어, 우수한 성능의 소자를 제작할 수 있음을 규명했다는 평가를 받고 있습니다.

연구팀은 이번에 개발한 기술을 국내 전자소자 관련 기업 2곳으로 기술이전, 2~3년 내 상용화 될 전망이고요. 산업계 응용을 보다 확장하기 위해 추가 상용화 연구를 진행하고 있습니다.

아울러 연구팀은 구리 전자잉크를 바탕으로 섬유, 의류 등에 적용이 가능하도록 쉽게 늘어날 수 있는 회로를 3D 프린팅으로 인쇄하는 기술도 개발하고 있습니다.

향후, 구리나노입자 기반 유연 전도성 전극이 적용될 수 있는 플렉시블 전자소자 시장은 2018년까지 150억 달러(10조 6,000억 원)으로 성장할 것으로 기대되고 있습니다(출처: Conductive Ink Martket 2014-2024 (IDtechEx)).

이번 연구결과는 영국왕립화학회 나노스케일(Nanoscale)지 2015년 2월 21일 자 내부 표지논문으로 선정됐습니다. 
    ※ 영문 제명: Ambient Atmosphere-Processable, Printable Cu Electrodes for Flexible Device Applications: Structural Welding on a Millisecond Timescale of Surface Oxide-Free Cu Nanoparticles  

2015년 2월 Nanoscale 표지 (Inside back cover)

 용 어 설 명

표면 산화막 형성이 제어된 구리나노입자 
저온 소결 공정을 통해 금속나노입자 기반 전극을 형성함에 있어서 표면 산화막은 소결거동을 제약하는 동시에 전극의 전기적 특성을 제한함.
따라서, 쉽게 산화가 되는 구리나노입자의 경우 표면 산화막 형성이 제어된 구리나노입자를 합성하는 기술이 핵심적으로 필요함.  
 
광열처리
기존의 열에너지를 이용하는 열처리 공정과 달리 1/1000 초 단위의 순간적인 광조사를 통해 나노입자기반 박막의 물리적 화학적 특성을 변화시키는 기술

롤투롤
기판에 회로배선을 인쇄형으로 연속 제조할 수 있는 기술. 대면적 전도성 박막을 높은 생산성으로 제조할 수 있음. 

적층소자구조
디스플레이 등에 쓰이는 전자회로 기판에는 여러 층의 소자들이 겹겹이 쌓인 구조를 이루고 있으며, 원하는 성능을 나타내기 위해서는 이 층 사이에 원자가 확산하는 것을 효율적으로 제어하는 것이 필요함

스마트폰 화면, PC모니터, TV 등은 단단한 틀을 유지하고 있습니다.

이를 휘어지게 만들면 신문지처럼 말아서 갖고 다닐수 있는 모니터, 옷 겉면을 자유자재로 표현하는 점퍼 등 그 활용도가 무궁무진한데요.

여기에 필요한 핵심 기술은 휘거나 접었을 때 깨지지 않는 디스플레이 구조입니다.

LCD 화면을 구현하는 액정은 유동성이 있으면서도 분자배열도가 우수한 고체적 특성을 동시에 갖고 있으며, 표면에너지나 전기장에 의해 쉽게 배향제어를 할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있습니다.

하지만 유체의 특성상 압력이나 구부림 등 기계적 변형에 취약, 색 번짐 등의 불필요한 광학 특성을 나타나기 때문에 휘어지는 디스플레이를 만드는 데 큰 지장을 초래합니다.

이를 극복할 수 있는 방법으로는 액정을 안정적이고 균일한 크기의 3차원 구형 구조로 만들고서는 작은 사이즈의 얇은 막으로 둘러싸서 캡슐화하는 '3차원 액정 마이크로캡슐화 기술'이 있는데요.

대표적인 것이 콜레스테릭 액정입니다.

콜레스테릭 액정은 나선형의 분자배열을 갖고 고유한 반사특성을 나타내는 기능성 액정으로, 최근 액정 연구 분야에서 매우 활발하게 연구되고 있는 광학 재료입니다.

2013년 NanoMarkets 발표 자료를 보면 기능성 액정캡슐이 적용될 수 있는 플렉시블 액정디스플레이 및 플렉시블 스마트윈도우 시장은 2018년까지 각각 32억 달러(3조 5,000억 원), 7.5억 달러(8,000억 원)에 이를 것으로 전망되고 있습니다.

미세유체소자기술, 액정배향제어기술 개발

한국화학연구원 김윤호 박사와 KAIST 김신현 교수가 주도하고 이상석 KAIST 생명화학공학과 학생(주 저자)은 미세유체소자 기술과 액정배향제어기술을 통해 압력과 구부림 등의 기계적 변형에 강하면서도 모든 방향에서 균일한 색깔을 보이는 특성을 가진 액정 제조 기술을 개발했습니다.

미세유체소자 기술은 공정에 쓰이는 배관을 머리카락 굵기의 모세관으로 만들어 여러 물질의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 기술이고요. 액정배향제어기술은 화학반응으로 발생하는 표면에너지를 이용해 액정 분자를 원하는 방향으로 세우고 눕히는 기술입니다.

이번에 연구팀이 개발한 기술은 미래 유연 디스플레이나 기능성 스마트윈도우 등을 제조하는 데 매우 유용할 전망인데요.

이를 통해 연구팀은 그동안 LCD처럼 2차원 평면구조에만 적용되던 액정 소재를, 유연 디스플레이, 마이크로레이저, 3D 프린팅용 잉크 등 완전히 새로운 형태의 3차원 소자로 적용할 수 있는 가능성도 열었습니다.
 
또 연구팀은 콜레스테릭 액정이 분자의 주기적 배열 때문에 특정한 반사색을 구현할 수 있고,온도 변화에 따라 주기적인 구조에 변화가 생겨 반사 색상이 변화하는 특징에 주목했는데요.

캡슐환 된 기능성 액정 물질이 온도에 따라 색상을 다양하게 변화시킬 수 있는 고유한 특성을 갖고 있는 것에 착안, 색상 변환의 원리에 따라 플렉시블 LCD뿐만 아니라,  온도센서, 기능성 컬러 스마트윈도우 등에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

연구팀은 이번 연구가 물처럼 흐르는 특성을 지닌 액정을 안정적이고 균일하게 3차원 구형으로 제조할 수 있는 것으로, 유연한 디스플레이, 기능성 스마트윈도우, 마이크로레이저 등 미래 광학전자산업에 획기적인 역할을 할 것으로 보고 후속 연구를 계속할 예정입니다.

한편, 이번 연구결과는 세계적 권위의 어드밴스드 머티리얼(Advanced Materials)지 2015년 1월 27일자 내부 표지 논문으로 선정됐습니다. (영문 제명: Robust Microfluidic Encapsulation of Cholesteric Liquid Crystals Toward Photonic Ink Capsules)

 용  어  설  명

콜레스테릭 액정 
콜레스테릭 액정은 기존 액정디스플레이에 사용되는 액정은 네마틱 (nematic) 이라는 상을 가짐. 콜레스테릭 액정은 이러한 네마틱 액정상이 주기적인 나선형의 (helix) 꼬임 분자배열을 가지는 액정임.
액정분자의 주기적인 나선배열로 인해 광결정 (photonic crystal) 구조를 가지게 되어 고유한 반사 및 편광특성을 나타냄
 
미세유체소자 (Microfluidic device)
유리나 고분자 등의 다양한 소재를 이용하여 제작된 마이크로미터 수준의 모세관 채널을 이용하여 여러 종류의 유체의 흐름을 정교하게 제어할 수 있는 미세 소자
다성분의 유체의 흐름을 정확하게 제어할 수 있기 때문에, Lab on a chip 개념의 미세화학반응기 및 진단용 기구로 사용되고 있으며 또한 다양한 물질의 마이크로캡슐화에도 적용할 수 있음.

Advanced Materials
독일 Wiley-VCH사에서 발행하는 응용화학 재료 분야에서 권위 있는 국제학술지 (2014년도 SCI 피인용지수: 15.409)

존경하는 연구원 가족 여러분

2013년 계사년 새해가 밝았습니다.
연구원 가족 여러분 모두에게 건강과 행복이 가득한 한 해가 되시기를 기원합니다.

지난 2012년 한 해 동안 우리 연구원은 본연의 임무에 헌신해 주신 여러분들의 노력에 힘입어 많은 성과를 이루어냈습니다.

연구부문에서 혁신적 정신분열증 치료제 개발과 광-바이오 인공광합성시스템 연구결과가 대내외의 주목을 받았으며, 우리 연구원 세계일등 화학기술에 선정되었습니다.

또한, 초고감도 라만검색기술이 교육과학기술부의 기초연구 우수성과 50선에 선정되고, 경질올레핀 촉매 제조기술이 국가과학기술위원회의 국가연구개발 우수성과 66선에 오르는 성과를 거두었습니다.

국책연구기관으로서 정책수립 및 대형 사업기획 역량도 높아진 한 해였습니다.

미래 화학산업 발전전략 수립과  C-산업 발전전략 수립 및 예비타당성조사 요구 추진, 개도국 소외질병 퇴치를 위한 국제워크숍 개최 등을 통해 명실공히 산학연의 정책허브로 자리매김하기도 했습니다.

창의적이고 우수한 연구성과 도출을 위한 파격적인 포상제도를  실시하였으며, 기술혁신형 중소기업 육성을 위한 원스톱 지원체계도 마련하였습니다.

특히 우리연구원은 연초에 산업기술연구회 기관평가  결과 우수기관으로 선정되고, 연말에는 세계적 평가기관인 톰슨로이터가 특허경쟁력을 기준으로 선정하는 세계 100대 혁신기관에 선정되어 국내외에 화학(연)의 혁신적인 연구역량을 널리 알리는 쾌거를 이루었습니다. 

어렵고 힘든 순간마다 혼신의 힘을 다해주신 여러분들께 깊은 감사의 인사를 드립니다.

사랑하는 연구원 가족 여러분

2013년은 국가와 과학기술 전반에 커다란 변화가 시작되는 한 해가 될 것입니다.

먼저 올해는 대한민국의 새로운 5년을 이끌 새정부가  출범하는 해입니다.

이미 발표된 공약을 통해 과학기술이 국정운영의 중심에 설 것으로 예상되고 있습니다.

정부부처로는 과학기술을 강력하게 드라이브할 미래창조과학부가 신설될 예정입니다.
국제과학비지니스벨트와 연구개발특구를 연계하고 기초연구에서 응용연구 그리고 사업화에 이르는 국가연구개발시스템도 재구축할 것으로 보입니다.

또한, 국가연구개발 투자는 2017년까지 GDP대비 5% 수준까지 확대될 예정입니다.
이밖에도 출연(연)과 대학의 불평등 해소, 과학기술인연금 재원확충 등 사기진작책도 마련될 것으로 예상되고 있습니다.

국민들은 이러한 공약의 실질적인 이행을 바라보면서 한편으로 화학(연)을 비롯한 출연(연)을 주시할 것입니다. 과학기술이 지구촌의 화두인 저성장을 극복할 근본해법으로 떠올랐고, 출연(연)이 국책연구과제를 주도하는  핵심기관이기 때문입니다.

또다른 변화의 물결은 바로 정부와 국민이 화학산업에 주목하기 시작했다는 것입니다.

지난해말 언론을 통해 우리나라가 2년 연속 무역 1조 달러를 달성했다는 소식이 국내외에 알려졌습니다.

특히, 이탈리아를 제치고 무역 8강을 이끈 수출 1위 산업이 바로 화학산업이라는 사실이 세간의 화제가 되었습니다.
실제로 대표적 화학산업으로 불리는 석유제품과 화학제품이 전체 수출액의 18.7%라는 경이적인 실적을 이끌어냈습니다.

화학산업이 세계적 불황속에서 우리나라를 지탱해 낸 효자산업으로 다시 태어난 것입니다.

정부와 국민들은 바로 이러한 화학산업의 수출경쟁력을 이끌어줄 원천기술을 국책연구기관인 한국화학연구원이 만들어 주기를 바라고 있을 것입니다.

이제 우리가 나아갈 길은 분명해졌습니다.

첫째로 국가 과학기술과 수출 1위 화학산업을 국책연구기관인 화학(연)이 이끌어 간다는  주인의식과 자부심을 가져야 합니다.
이를 바탕으로 과학기술분야와 출연(연) 거버넌스 변화에 능동적으로 대처해 나가야 할 것입니다.

둘째로, 화학관련 국가 Agenda의 중심이 되기 위해 화학(연)의 R&D 전략을 정립해 나가야 합니다.

최근 출연(연)은 그 어느때보다 글로벌 이슈와 국가적 현안을 해결하는 연구개발 수행과 국책연구소로서의 책무성을 요구받고 있습니다.

따라서 화학(연)의 비전을 달성할 R&D 전략과 본부별, 센터별 중장기 미션 및 발전계획을 정립하는 것이 시급합니다.
이를 통해 화학(연)이 국책연구기관으로서 국가적 현안을 제시하고 해결하는 주체임을 확실하게 각인시켜야 할 것입니다.

이와 함께 산학연과 정부, 국회 그리고 해외기관을 연계하는 범화학 네트워크를 강화하여 우리의 혁신적인 아이디어를 국가적 정책과 전략으로 발전시켜야 나가야 할 것입니다.

셋째로, 세계 6위 화학산업의 위상에 걸맞는 세계적인 연구성과를 창출해야 합니다.

중국과 중동의 급부상, 값싼 에너지 셰일가스의 등장, 정밀화학분야의 무역역조는 현재의 화려한 성적표를 한순간에 물거품으로 만들 수 있을 정도로 심각한 상황입니다.

여기 모이신 여러분들의 손에 지난 반세기동안 피땀흘려 일군 화학산업의 미래가 달려 있습니다.

우리 모두가 함께 지혜를 모아 화학산업을 블루오션으로 만드는 퍼스트 무버(First Mover)가 되어야 합니다.

친애하는 연구원 가족 여러분

올해는 이곳 대덕에 연구개발특구가 자리를 잡은지 40년이 되는 해입니다.
화학(연)이 37주년을 맞는 해이기도 합니다.

이제는 과거의 성공과 명성을 넘어서는 새로운 꿈을 꾸어야만 합니다.
2013년이 한국화학연구원에 있어서 국가 화학산업을 리드하는 세계 일류 공공연구기관으로 성장할 기반을 마련한 원년으로 기억되기를 기대합니다.

우리 모두가 같은 희망을 품고 신명나고 활기차게 혁신적인 연구개발에 매진할 때 꿈은 현실이 되어줄 것입니다.

국가경제를 주도하는 수출 1위 화학산업에 생명력을 불어넣는다는 소명의식을 가지고 최선을 다해 주시기를 바랍니다.

새해에 연구원 가족 여러분과 여러분의 가정에 축복이 가득하시기를 기원합니다.

감사합니다.

무한청정한 태양광 에너지를 이용하여 고부가가치 정밀화학제품을 마음대로 주문 생산할 수 있다면?

태양광 이용 화합물 제조용 광-바이오 공장 개념도

광-바이오 인공광합성시스템은 태양광을 이용하여 시스템 내에 원료 물질과 그에 합당한 효소만 넣어주면 화석연료 등 추가 에너지 투입없이 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 생산할 수 있는 개념입니다.

즉 원료 물질과 효소를 교체하면 원하는 물질을 선택적으로 얻을 수 있습니다.

이 시스템은 크게 광촉매를 활용해 태양광에너지를 전환시켜주는 '광에너지 전환부(I)'와 전자전달시스템(II), 그리고 산화 환원 효소의 도움을 받아 정밀화학제품을 생성하는 '바이오촉매 반응부(III)'가 일체형으로 구성됩니다.

2008년 이후 지금까지의 광-바이오 인공광합성시스템에 대한 연구는 다양한 광촉매가 본 시스템에 작동하는지 테스트하는 기초적인 개념정립에 불과했습니다.

즉 태양광을 이용하여 L-글루타민을 생성하는데 국한됐다고 볼 수 있습니다.

■ 한국화학연구원 백진욱 박사팀이 태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산(HCOOH)을 선택적으로 제조하는 인공광합성 원천 기술을 개발했습니다.

백진욱 박사팀은 2008년에도 신개념 화합물 제조용 인공광합성 원천기술인 '광-바이오(Photo-bio) 인공광합성 시스템'을 최초로 개발한 바 있습니다.

이는 에너지를 이용하여 화합물, 즉 α-케토글루타르산에서 아미노산의 일종인 L-글루타민을 제조할 수 있음을 입증한 것으로, 연구결과는 원천특허 등록과 함께 Chemical Communication 誌에 게재되기도 했습니다.

광-바이오 인공광합성시스템은 지구온난화 및 자원 고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 미래형 녹색 원천 기술로, 향후 입고 먹고 자는 문제를 모두 해결할 수 있는 태양광 공장 시스템을 만드는 데 이용됩니다.

특히 이번 연구 성과는 새로운 그래핀계 광촉매를 개발하여 태양광 에너지로부터 이산화탄소를 직접적으로 전환하여 고부가 화합물을 제조할 수 있는 획기적 인공광합성의 새로운 길을 제시한 것으로 평가받고 있습니다.

태양광을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조

이 시스템을 이용하여 이산화탄소로부터 포름산이나 메탄올 뿐만 아니라 의약품 등 고부가 정밀화학제품을 선택적으로 제조할 수 있는 방법도 이미 개발하여 원천특허가 출원된 상태입니다.

이번 연구결과는 화학분야 세계최고 권위의 학술지 Journal of the American Chemical Society 온라인판(7월 6일)에 게재되었습니다.
(논문명 : A Photocatalyst-Enzyme Coupled Artificial Photosynthesis System for Solar Energy in Production of Formic Acid from CO2)

광-바이오 인공광합성 시스템 미래 목표 개념도

<백진욱 박사>     ○ 학 력   1983 - 1987 경북대학교 공업화학과 학사       1989 - 1995 University of Ottawa (Canada)                   무기화학 박사       1995 - 1997 Harvard University,                   화학과 박사후 연구원 (PostDoc)        ○ 경력사항   1997-2006    한국화학연구원 선임연구원   2006-현재    한국화학연구원 책임연구원  ○ 전문 분야 정보   인공광합성 기술 개발, 광촉매를 이용한 태양광 수소제조기술 개발

기존 CI(G)S 박막 태양전지는 효율은 높지만 진공증착기술 이용으로 공정단가가 비싸고 대면적화에 어려움이 있습니다.

현재 나노입자 기반 CI(G)S 박막 태양전지의 기존 최고효율은 5.5%입니다.

■ 한국화학연구원 류병환·정선호박사 연구팀이 CI(G)S 박막 태양전지의 제조단가를 획기적으로 낮출 수 있는 원천 소재 기술을 개발했습니다.

이번 연구성과는 값싸고 독성이 없는 원료물질을 이용한다는 특징을 가지며, 이를 통해 광활성층의 결정성, 화학조성 및 치밀 미세구조를 제어할 수 있는 기능성 CI(G)S 나노입자를 합성하는 기술입니다.

연구팀은 태양전지용 CI(G)S 광흡수층 제조에 있어 기존의 진공증착 기술을 대체할 기능성 나노입자를 이용한 용액공정 기술을 개발해 현재 보고된 나노입자 기반의 CI(G)S 박막 태양전지 중 최고 효율을 달성했습니다.

연구팀은 공정비용이 높은 진공증착 대신에 저가의 원료물질을 이용하여 기능성 나노입자 기반 액상소재를 제조하고, 이를 단순한 용액공정으로 기판 위에 코팅하고 열처리함으로써 치밀한 미세구조의 광활성층을 제작할 수 있는 기반을 마련했습니다.

이번 연구는 나노입자 합성 및 용액공정을 통해 초저가, 고효율화를 위한 새로운 가능성을 열어준 원천기술로, 차세대 CI(G)S 박막 태양전지의 한계점을 극복할 수 있을 전망입니다.

이번 연구결과는 에너지소재 소자 분야 저명한 과학 전문지인 'Energy and Environmental Science' 온라인판(2012년 4월 20일)에 게재되었습니다.
(논문명 : An 8.2% efficient solution-processed CuInSe2 solar cell based on multiphase CuInSe2 nanoparticles)

공정비용이 높은 진공증착 대신에 저가의 원료물질을 이용하여 기능성 나노입자 기반 액상소재를 제조(왼쪽 위사진)하고 단순한 용액공정으로 박막을 성막시킴으로서 치밀한 미세구조를 가지는 고효율 광활성층(왼쪽 아래사진)을 포함하는 박막 태양전지 구조를 제작함.

 
  용  어  설  명

CI(G)S 박막 태양전지 :
무기 반도체 박막 태양전지의 일종.
전자(n)-정공(p)의 무기 반도체 박막 CI(G)S-CdS을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지.
효율은 높지만 제조비용이 고가이며 대면적화가 어려움.

나노 입자 :
벌크에서 발현될 수 없는 다양한 물성을 가지는 나노스케일의 기능성 입자. 입자의 형태 또는 크기에 따라서 광/전기적 특성이 제어되고, 이러한 특징을 활용하여 특정 물성을 가지는 소재를 합성하고 소자를 제작할 수 있음. 

용액 공정 :
용매내에 유기 분자/나노입자 등이 용해 또는 분산되어 있는 액상소재를 이용하여 박막을 성막하는 공정. 단순한 박막형성 공정뿐만 아니라 패턴화가 가능한 인쇄 공정을 포함함. 
진공증착 공정에 비해 단순한 저가 공정이지만, 우수한 액상 소재의 개발 및 코팅/인쇄 공정의 최적화가 용액 공정을 통한 소자 제작을 위해서 필수임.

Energy and Environmental Science誌 :
에너지소재 및 소자 분야에서 저명한 세계적으로 권위 있는 학술지로서, 영국 왕실화학협회에서 발행하는 학술지 (2010년도 SCI 피인용지수 : 9.446).

태양으로부터 지구에 도달하는 태양광은 자외선에서 가시광선 및 적외선을 포함하고 있으며, 현재 무-유기 하이브리드 태양전지는 주로 가시광선까지의 태양광을 활용하므로 효율 향상의 한계를 이번 연구 성과를 통해 기존보다 넓은 파장대 영역의 태양광을 활용할 수 있는 기술을 개발함


한국화학연구원 석상일 박사팀이 기존 태양전지 기술과 무기 및 유기 소재의 장점을 융합한 무-유기 하이브리드 태양전지 제조기술의 고효율화를 위한 방법론을 제시했습니다.

무-유기 이종접합 하이브리드 태양전지 제조기술은 2010년 석상일 박사팀이 세계 최초로 개발한 신개념 태양전지 제조 원천기술입니다.

당시 석 박사팀은 고효율의 무기반도체박막태양전지와 저가의 유기태양전지를 염료감응태양전지 구조에 적용한 융합기술로 효율성과 가격경쟁력의 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 원천기술을 발표해 주목을 받았습니다.
     
이번에 석 박사팀은 태양전지의 효율을 획기적으로 올리기 위한 다중구조(panchromatic)의 태양전지를 제조하는데 성공해 태양전지의 고효율화를 위한 새로운 길을 제시했습니다.

이번 연구는 그 동안 제대로 활용하지 못했던 태양광의 장파장 영역에 있는 빛을 효율적으로 흡수하고 광전자-홀로 분리하여 기존보다 넓은 파장대의 태양광을 활용할 수 있는 기술입니다.

이번 연구성과는 세계적 권위의 나노분야 학술지 나노레터스(Nano Letters) 온라인판(2012년3월8일)에 게재되었습니다.
(논문제목 : Panchromatic Photon-Harvesting by Hole-Conducting Materials in Inorganic-Organic Heterojunction Sensitized-Solar Cell through the Formation of Nanostructured Electron Channels)

다중구조 (panchromatic)의 무-유기 하이브리드 KRICT 태양전지 구조

광전극 골격에 가시광 영역의 빛을 흡수하는 무기반도체 나노입자와 근적외선 영역의 빛을 흡수하는 공액 고분자를 이용한 다중구조에서 광으로부터 전자를 생성하는 개념도

 용  어  설  명

무기반도체박막태양전지 :
전자(n)-정공(p)의 무기반도체 박막을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지.
효율은 높지만 제조 비용이 고가인 단점이 있음.

염료감응태양전지 :
식물의 광합성 원리를 모방한 태양전지로, 전자(n) 전도성 지지체 위에 태양광을 흡수하는 염료를 부착하여 태양광 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 전자전도체-홀전도체 계면에서 분리되어 전자와 홀이 외부 회로로 흐르게 하여 동작하는 태양전지.
효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용으로 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음.

유기태양전지 :
태양광을 흡수하여 전자-정공을 생성하는 고분자 재료에 전자흡수능력을 가진 물질을 결합하여 제조되는 태양전지.
저가로 제조가 가능하지만, 광안정성이 낮은 단점이 있음.

공액 고분자 :
폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리사이오펜과 같이 탄소와 탄소사이가 이중결합 (π 결합)과 단일결합 (σ결합)이 교대로 형성된 구조를 가지는 고분자로써 전기 전도성 및 반도체적인 성질을 가져 발광 다이오드, 태양전지, 트랜지스터 등에 사용됨.

Nano Letters誌 :
나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 미국 화학회에서 발행하는 학술지 (2010년도 SCI 피인용지수 : 12.219)

<김재현 한국화학연구원장 신년사>

친애하는 연구원 가족 여러분

 다사다난했던 신묘년 한 해를 보내고, 희망찬 임진년 새해가 밝았습니다. 설렘과 기대, 다짐으로 시작하는 희망찬 새해 새 아침입니다.

  모든 분들의 가정에 건강과 행복이 가득하시고, 뜻하시는 일을 모두 이루시기를 바라는 기원을 새해 첫 마음으로 드립니다.

  우리 연구원은 지난 한해에도 많은 성과를 거두었습니다.

  2011년 국가연구개발 우수성과 100선에 장종산 박사팀, 석상일 박사팀, 서영덕 박사팀의 연구성과가 동시에 선정된 것을 비롯해 신개념 골다공증 치료제 개발, 불소계 윤활유 제조공정 상용화 등 괄목할 만한 성과를 이루어 냈습니다.

  특히, 우리 연구원이 세계 최초로 개발한 "촉매이용 나프타분해공정"이 중국시장 수출에 성공하여 우리나라가 기술 수출국으로서 국격을 높이는 계기를 마련하기도 했습니다.

  또한, 중소기업 한마음 협의회 발족, KRICT Chem-Biz Partnering 개최, 녹색화학 국제심포지엄 개최, 화학소재종합솔루션센터 개소 등 오픈이노베이션을 통한 도약의 발판을 마련하기도 했습니다. 

  그리고, 무엇보다도 우리 연구원의 임무와 기능을 새롭게 정립하고 조직 개편을 추진하였습니다. 향후 3년간의 경영목표를 수립하고 이를 달성할 새로운 경영이념으로써 그린경영을 채택하였습니다.

  이러한 대내외적 성과와 노력에 힘입어 우리 연구원의 위상이 높아지고, 연구비 및 예산 확보에 긍정적인  시너지 효과를 내고 있습니다.

  지난 한 해 동안 도전정신과 성실함으로 변화에 동참해주신 연구원 가족 여러분께 깊은 감사의 인사를   드립니다.

  존경하는 연구원 가족 여러분
  2012년은 대선과 총선이라는 국가적 현안이 있으며, 과학기술계에는 출연(연) 거버넌스 개편도 추진되고 있는 등 그 어느 때 보다 많은 변화가 예상되고 있습니다.

  변화는 기회입니다. 이런 중차대한 시기에 우리 연구원이 세계적 수준의 원천기술을 선도적으로 개발하고, 화학분야 연구개발에 대한 기획 및 선도 기능을 강화한다면 화학분야 연구개발의 중심 기관으로서 뿐 아니라 컨트롤타워 역할을 수행하는 화학분야 국가 대표연구기관으로 발전할 수 있을 것입니다.

  2012년은 그린경영 원년으로 실질적인 변화와 성과를 창출하는 한해가 되기를 진심으로 소망합니다.

  그린경영은 글로벌화 및 개방형 R&BD, 정도경영, 녹색화학 기술개발, 선진형 기술사업화를 선도한다는 의미를 담고 있는 우리 연구원의 공유가치이자 미래방향을 제시하는 새로운 경영이념입니다.

  저는 원장으로서 여러분 모두와 함께 그린경영을 다음과 같이 체계화시켜 나가겠습니다

  첫째, 국가가 필요로 하는 핵심 연구분야 중에서 우리 연구원의 정체성을 대변할 수 있는 주력연구분야를 선정하고, 선정된 분야에 대해서는 인적·물적 자원의 과감한 선택과 집중으로 적극 육성해 가겠습니다.
  4세대 R&BD 시스템을 구축하여 4대 중점 연구사업 집중전략을 통해 Global Top Group 5개 육성과 세계일등 화학기술 16개를 창출할 수 있는 성과창출형 R&D시스템을 구축하겠습니다. 

  둘째, 화학 관련 정책기획 선도 및 산학연 협력의 구심체 역할을 수행하겠습니다.
  국가의 미래를 담보할만한 화학분야 국책 연구 아젠더의 연구개발을 우리 연구원이 주도할 수 있도록 연구원의 역량을 집중해 우리 연구원의 존재 이유를 재인식하고 연구원에 대한 자긍심을 높여 나가도록 하겠습니다.

  마지막으로 역동적이고 생명력이 넘치는 연구원을 만들어 가고자 합니다.
  평가, 승진, 교육훈련, 파견, 복지, 연구환경 개선 등 개개인의 역량강화와 사기진작과 관련한 제도도 지속적으로 개선해 신뢰와 화합을 바탕으로 한 건전한 조직문화 정착에 노력하겠습니다.

  사랑하는 연구원 가족 여러분
  한 나라의 발전이 과학기술의 발전에 달려있다는 것은 평범한 진리입니다.

  대한민국은 이제 녹색화학 기술을 통해 더 밝고 활기찬 미래로 전진하는 출발점에 섰습니다. 이제 화학(연)이 국가와 국민의 요구와 기대에 무언가 책임 있는 행동과 약속을 해줄 때가 된 것입니다.

  저는 지난 9월 부임한 이후 땀과 열정으로 실험실을 지키는 여러분들의 모습을 지켜보았습니다.

  저는 원장으로서 여러분이 주신 진심어린 조언을 원동력으로 삼아, 연구를 수행하는데 있어 불합리한 요인을 과감히 개선하고 현장을 발 벗고 찾아다니며 현안 과제들을 하나하나 매듭지어 나가도록 성심을 다하겠습니다.

  앞으로도 변함없이 원칙과 소신을 가지고 일관성 있는 정책과 제도를 운영해 나가며, 여러분들이 만들어낸 성과들이 활짝 꽃필 수 있도록 최선의 길을 모색하는 일을 게을리 하지 않겠습니다.

  미래는 기다리는 것이 아니라 스스로 만들어가는 것입니다. 국가와 국민의 희망을 현실로 바꿀 수 있는 자랑스러운 연구원이 될 수 있도록 우리 모두 하나의 비전과 가치로 굳게 뭉쳐 공동의 목표를 향해 매진해 나갑시다.

  용기와 비상, 그리고 희망을 상징하는 용의 해를 맞이하여 여러분 모두의 가정에 축복과 행운이 함께 하시기를 기원합니다.
  감사합니다.

 이  력  사  항

<인적사항>

성      명 : 문 상 진                                      
생년월일 : 1956년
근 무 지  : 대전광역시 유성구 가정로 141 한국화학연구원
연 락 처  : 042-860-7517

<학    력>

75. 3. ～ 79. 2. : 서울대학교 화학공학과(학사)
79. 3. ～ 81. 2  : KAIST 화학공학과(석사)
84. 9. ～ 88. 8  : KAIST 화학공학과(박사)

<주요경력>

81. 3. ～ 84. 8. : (주)대우엔지니어링 플랜트사업부(과장대리)
92. 5. ～ 93. 5. : Purdue University(미) 화학공학과(post-doc.)
88. 8. ～ 현 재  : 한국화학연구원(책임연구원)
                       에너지소재연구센터장/정밀화학시험생산연구센터장 역임

<주요 연구분야>

 - 태양전지 (실리콘 소재 및 차세대 유기태양전지)
 - 광촉매 (태양광 수소 제조 및 환경 광촉매)
 - 정밀융합화학 공정개발

<전문>

친애하는 연구원 가족 여러분

2011년 새 아침이 밝았습니다.
희망찬 새해를 맞아 연구원 가족 여러분 모두에게 행복이 가득하시기를 기원합니다.

우리 연구원은 지난 한해에도 세계적 수준의 연구원이 되기 위해 한마음으로 최선을 다하여 많은 성과를 거두었습니다.

2010년 상반기에 실시한 산업기술연구회 기관평가에서 우리 연구원이 탁월성을 인정받아 최우수기관으로   선정된 것은 우리 모두가 함께 만들어낸 자랑스러운  결과였습니다.

우리 연구원은 2010년 한 해 동안 네이처 머티리얼즈지, 앙게반테 케미지에 우수논문게재, 분자표적 항암제 임상 1상 진입, 베트남 바이오디젤 플랜트 준공 등 많은    연구성과를 이루어 냈습니다.
특히, 우리 연구원이 SK에너지와 공동으로 개발한 "촉매이용 나프타분해공정"이 세계 최초로 상용화에 성공하여 우리나라가 기술 수출국으로서 국격을 높이는 계기를 마련하였습니다.

또한, 여러분의 윤리경영 노력에 힘입어 우리 연구원이  연구비관리 우수인증기관으로 재선정되었으며, 지식재산관리 역량평가에서도 모범우수기관으로 선정되었습니다.

기관과 개인의 동반성장을 목표로 도입한 조직성과  평가제도는 모든 출연(연)과 공공연구기관의 벤치마킹 대상이 되고 있습니다.

이러한 대내외적 성과와 노력에 힘입어 우리 연구원의 위상이 높아지고, 연구비 및 예산 확보에 긍정적인  시너지 효과를 내고 있습니다.

지난 한 해 동안 도전정신과 성실함으로 헌신해 주신 연구원 가족 여러분께 깊은 감사의 인사를 드립니다.

존경하는 연구원 가족 여러분

2011년은 새로운 국가과학기술위원회 체제의 출범에 따라 출연(연)에 많은 변화가 예상되고 있습니다.

출연(연)의 지배구조와 운영시스템을 올바로 개선하고 그 속에서 화학(연)의 미래를 새롭게 만들어가려는 노력이 필요한 시기입니다.

또한, ECho경영 3년차를 맞이하면서 경영목표를 세심하게 보완하고, 대외환경 변화와 내부변화에 따른 중장기 발전전략도 새롭게 다듬어야 할 것입니다.

이에 발맞추어 주요사업 및 중점사업 운영체계와 정부과제 및 전략과제, KRICT 2020 과제의 관리시스템도 개선해  나갈 것입니다.

대외적으로는 산학연 및 국제협력을 대폭 강화하고  정책기획 역량을 강화하여 정부정책에 대한 영향력도 높여 나갈 것입니다.

우리연구원의 연구성과가 기업과 산업발전에 더 크게  기여할 수 있도록 연구성과관리와 확산에도 힘을    기울이겠습니다.
지난해에 이어 연구환경 및 근무환경 개선을 위한   건물 리모델링 작업과 연구인프라 선진화도 꾸준히  추진하겠습니다.

평가, 승진, 교육훈련, 파견, 복지 등 개개인의 역량강화와 사기진작과 관련한 제도도 지속적으로 개선  하겠습니다.

사랑하는 연구원 가족 여러분

지금 전세계는 삶의 질 향상과 지속가능한 경제성장, 깨끗한 지구라는 화두를 놓고 씨름하고 있습니다.
화학은 이 모든 것을 해결해 주는 열쇠가 될 수 있습니다.

우리 모두가 피땀 어린 노력으로 화학을 통해서 인류와 지구의 미래에 대한 희망을 선사할 때 우리는 국민과 사회로부터 존경과 박수를 받을 것입니다.

2011년은 유엔이 정한 세계 화학의 해입니다. 우리  연구원이 화학의 해를 의미있게 할 수 있는 중요한  역할을 해야 할 것입니다.

요즘 "혼창통"이라는 책이 널리 읽혀지고 있습니다.

혼은 꿈이고 비전이며 소명의식입니다.
창은 그 꿈을 현실로 바꾸는 창의적인 노력입니다.
통은 조직 구성원들이 혼과 창을 공유하는 것입니다.

우리 모두 큰 뜻을 세우고 늘 새로워지려고 노력하며,물이 흐르듯 소통하는 조직, 혼창통이 삼중주를 이루는 멋진 조직을 함께 만들어 봅시다.

저도 원장으로서 부족함을 통감하면서 더 많이 노력할 것입니다. "혼창통이 살아 움직이는 ECho경영" 이것이 2011년 우리 연구원의 모토가 될 것입니다.

그것을 이루기 위해 원장으로서 최선을 다할 것입니다.
"화학연의 원천기술이 세상을 바꾼다"는 자부심을 가질 수 있는 2011년을 만들어 갑시다.

번성과 풍요를 상징하는 토끼의 해를 맞이하여 여러분 모두의 가정에 축복과 행운이 함께 하시기를 기원합니다.

감사합니다.

일반적으로 섬유는 의류 제조에만 사용된다고 생각하기 쉽습니다.

그러나 최근 첨단기능의 신섬유들이 수처리 분야나 공기정화 분야, 바이오 산업분야, 첨단 의료 분야 등에서 기존 소재의 대체품으로 각광을 받으면서  섬유산업이 소재산업의 중심으로 부상하고 있습니다.

신섬유 가운데 대표적인 것으로는 탄소섬유와 나노섬유 등이 있습니다.

○ 탄소섬유

탄소섬유의 예를 보면 최근 자동차의 연비향상이 세계적인 이슈로 부각되면서 도요타와 벤츠는 일본의 토레이와, BMW는 미쯔비시레이온과 함께 자동차의 차체를 강판에서 탄소섬유로 대체하기 위해 납품을 논의하고 있습니다.

만약, 차체 대부분을 탄소섬유로 대체할 경우 차체의 중량이 가벼워지기 때문에 차량의 연비가 현저하게 개선되기 때문입니다.

하지만 강판 대비 탄소섬유의 단가가 비싸기 때문에 일부 고급차종에서 부분적으로만 사용되고 있습니다.

기존 탄소섬유의 단가가 높은 이유는 제조공정이 복잡하고 열에너지 및 시간이 많이 소모되기 때문입니다.

그러나 기존 탄소섬유 단가는 철에 비해 20배 가까이 비쌉니다.

○ 나노섬유

나노 섬유도 그렇습니다.

나노 섬유는 반도체, 광학, 디스플레이, 센서 등의 전기전자 분야 / 필터, 분리막, 촉매, 복합재, 단열재 등의 기계화학 분야 / 배터리, 축전기, 연료전지, 태양전지 등의 에너지 분야 / 인공피부, 혈관, 약물전달, 임플란트, 세균검출 등의 의약생명 분야 / 초경량 구조, 보강재 등의 자동차 분야 / 고급 의류, 흡착제, 친환경 섬유 등의 전통섬유 분야 및 국방, 항공우주 등에 사용됩니다.

현재 나노섬유는 라면처럼 구불구불한 단사(短絲)형태 또는 부직포처럼 조각난 웹(web) 형태로 제조됩니다.

이렇게 제조된 나노섬유는 제품에 따른 성형이 쉽지 않아 응용분야가 제한되는 단점이 있습니다.

○ 한국화학연구원, 섬유소재 신기술 개발

이런 가운데 한국화학연구원 이재락 박사 연구팀이 30년 동안 개발한 '나노 마이크로급 장섬유 제조 및 가공기술'의 상용화가 곧 실현될 전망이어서 관심이 집중되고 있습니다.

화학(연) “나노/마이크로급 장섬유 제조 및 가공기술”의 국제특허 PCT WO2005/123995 : Filament Bundle Type Nano-fiber and Manufacturing Method Thereof의 대표도면

제조된 탄소 나노섬유 FE-SEM 사진

간접 전기방사 장비 및 제조된 나노급 장섬유 SEM 사진

이번에 기업 이전을 추진하는 기술은 섬유방사 관련특허 12건, 탄소섬유 관련특허 10건, 리튬배터리분야 응용특허 6건 등 총 36건의 특허가 패키지 형태로 구성되어 있어 다양한 응용분야에 적용이 가능합니다.
이를 통해 원료중합 → 방사 → 제직/편직 → 염색/가공 → 응용제품 생산에 이르는 섬유소재 생산의 모든 단계를 커버할 수 있습니다.

세계 섬유시장은 올해에만 6500억 달러 규모를 가진 거대시장이며(한국은 120억 달러 규모의 세계 6위 섬유수출국), 이 중 탄소섬유는 43억 달러, 기능성 섬유는 84억 달러를 차지하고 있습니다.
 

고분자 나노섬유 응용분야

우리나라도 WPM(World Premier Materials) 프로그램을 통해 세계시장 선점 10대 소재 개발 사업을 추진하고 있으며, 탄소저감형 케톤계 프리미엄 섬유, 에너지 절감/변환용 다기능성 나노복합소재 등 첨단기능형 신소재 개발에 관심과 노력을 기울이고 있습니다.

이런 가운데 한국화학연구원 화학소재연구본부 이재락 박사 연구팀은 지난 30여년 간의 연구 끝에 완성한 '나노/마이크로급 장섬유 제조 및 가공기술(섬유소재 신기술)'을 민간기업에 이전하기 위해 다음달 7일 기술설명회를 가질 예정입니다.