우리얘기

MK48 어뢰 테스트

KAIST가 국내에서 처음으로 선박 수중폭발 연구를 본격화합니다.

KAIST 해양시스템공학전공 신영식 교수팀이 국내 최초로 모형 선박을 이용해 폭약의 수중폭발로 인한 충격이 선박에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 실시했습니다.

연구팀은 가로 1m, 세로 2m크기의 알루미늄 모형 선박을 만들어 속도, 가속도, 압력 측정 센서를 부착하고, 선박과 폭약의 수평, 수직 거리에 따른 수중 폭발 응답 데이터를 기록했습니다.

연구팀은 이번 실험을 통해 컴퓨터 시뮬레이션만으로는 얻을 수 없었던 실제 실험 데이터를 얻어냈습니다.
 
이 데이터는 컴퓨터 시뮬레이션의 결과와 비교해 계산 값의 검증에 사용될 계획입니다.

KAIST는 이번 실험을 계기로 향후 수중폭발 관련 시뮬레이션 기법을 점차 고도화시켜 수중충격에 대한 보다 정확한 예측이 가능케 할 예정입니다.

아울러 수중폭발 현상에 대한 이해를 높여, 선박의 탑재장비의 생존성 확보를 위한 연구와, 내충격성 향상을 위한 설계의 검토 및 변경의 기초자료로 활용할 예정입니다.

연구팀은 이번 결과를 바탕으로 근접 수중폭발로 선박의 침몰을 유발할 수 있는 휘핑현상을 재현하는 실험을 계획 중입니다.

이 연구가 완료되면 휘핑현상에 대한 보다 정확한 이해를 통해 선박의 디자인을 검토 보완해 함정과 승조원의 생존능력을 확보하는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 예상됩니다.

미국, 러시아 등 군사강국에서는 실제 함선을 이용한 수중 폭발실험이 활성화돼 있어 함정의 내충격성 강화 및 탑재장비의 생존성여부에 관한 자료로 폭넓게 활용되고 있지만 군사기밀로 다뤄져 공개되지 않고 있습니다.

신 교수는 미 해군대학원에서 약 30년 동안 교수로 재직하면서 수중폭발, 탑재 전자 장비의 충격 내구성 검증, 충격 및 진동문제해결 등의 연구를 진행해 성과를 인정받아았습니다.
 

각종 센서를 부착해 만든 알루미늄 모형 배를 물 위에 띄운 모습

실험에 사용한 모형 선박의 3D 모델과 수중폭발 컴퓨터시뮬레이션

신영식 교수가 모형 선박을 가리키면서 연구진들에게 설명하고 있다

<신영식 초빙교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 카이스트 해양시스템공학전공 2. 학력   1965: Seoul National University (학사: 토목공학과)      1966: University of Minnesota (석사: 구조공학과)     1971: Case Western Reserve University (박사: 기계공학전공)     3. 경력사항   1972 - 1974: Bechtel Corporation, San Francisco   1974 - 1979: Argonne National Laboratories, Components               Technology Division    1979 - 1981: General Electric Company, Nuclear Power Systems               Engineering, San Jose, California    1981 - 2009: Naval Postgraduate School, Monterey, CA, USA      2009 - 현재: 초빙교수, KAIST 해양시스템공학전공   4. 전문 분야 정보 신영식 초빙교수는 수중폭발충격 관련 전 분야에 관하여 세계적인 전문가이다. 미해군대학원에서 약 30년 동안 기계공학 및 항공공학과 교수로 재직하였으며, 수중폭발, 탑재 전자 장비의 충격 내구성 검증, 함선 소음문제, 충격 및 진동문제, 탑재 장비 상태 모니터링, 유한 요소 기법 등의수많은 연구 성과를 인정받아 최고의 영예직인 특훈교수에도 임명되었다(2005). 현재 신영식 초빙교수는 KAIST 해양시스템공학전공에서 A-1 형태 모바일 하버의 내항성문제, 수중폭발과 수중 폭발이 해양구조물에 미치는 영향과 가스버블의 움직임과 휘핑문제, 고압상태에서 스파크로 생성한 버블의 움직임, 수중 폭발이 다선체 고속선에 미치는 영향, 수중폭발시험 등에 국내에서 수행하기 어려운 연구들을 하고 있다. 미국 기계공학학회에서 부여하는 ASME PVP Service Award for Chairman of Fluid-Structure Interaction Technical Committee를 수상하였으며, 같은 해 동일 학회의 fellow 멤버가 되었다(1992). 미해군대학원에서 뛰어난 연구 성과를 인정받아 인증서를 수여하였고(1993), Distinguished professorship을 받았다(2005). Shock and Vibration 심포지엄에서 함선 충격 모델링 및 시뮬레이션 주제로 강연자 상을 수상하였다(2003).

현재 개발되고 있는 투명디스플레이는 출력되는 영상이 선명하지 않아 미세한 구별이 어렵기 때문에 실질적으로 상용화하기가 어려운 면이 있습니다.

왜냐하면 빛을 내는 형광체의 발광세기가 충분히 높지 않기 때문입니다.

또 형광체 재료로 사용되는 희토류 금속의 가격이 폭등하고 있는 것도 상용화를 위한 걸림돌로 지적되고 있습니다.

■ 표면 플라즈몬은 금속박막 또는 나노입자 표면에서 일어나는 표면 자유전자들의 집단적인 진동현상입니다.

발광체 주변에서 표면 플라즈몬 공명 특성이 나타날 경우 발광체의 발광 재결합 속도가 증가해 발광체의 발광 특성이 향상될 수 있는 연구결과가 나왔습니다.

'나노 표면 플라즈몬' 이 발생하는 경우 전기적 필드가 집중되는 모습

■ KAIST 전기및전자공학과 이성민 박사과정 학생과 최경철 교수가 나노 표면 플라즈몬 현상을 이용해 투명 디스플레이의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 기술은 스마트 쇼윈도우나 스마트 미러, 투명 단말기, 투명 핸드폰 등 보다 선명한 투명디스플레이 개발에 활용될 수 있습니다.

KAIST 연구팀은 불투명하고 빛을 반사하는 특성을 가진 금속을 나노입자 수준으로 아주 작게 만들면 빛이 금속입자를 통과해 투명하게 보이고, 금속입자들은 공명현상을 일으켜 발광세기를 증가시키는 '표면 플라즈몬' 현상이 발생하는 것에 주목했습니다.

이 현상을 이용해 연구팀은 나노크기의 은(Ag)을 희토류 금속이온이 첨가된 투명 형광물질로부터 수십 나노미터 이내에 위치하게 해 투명 형광물질의 발광세기를 최대 63.7% 향상시켰습니다.

‘나노 플라즈몬 공명’을 유도하기 위한 은 나노 입자의 형상

'나노 표면 플라즈몬‘ 이용한 투명 디스플레이

또 이 원리를 이용하면 전기·광학적 효율도 11%나 향상돼 저전력 투명디스플레이 소자를 구현할 수 있다는 점도 밝혀냈습니다.

이 기술은 최 교수팀이 지난 2009년 나노 표면 플라즈몬을 이용해 OLED의 밝기를 증가시킨 것에 대한 후속 연구 성과로, 나노 표면 플라즈몬의 차세대 디스플레이에 대한 활용 가능성을 높였다는 점에서 획기적인 연구 성과로 꼽히고 있습니다.

특히 나노 표면 플라즈몬 기술을 이용해 소자의 투명도를 유지하면서 발광체의 광 특성을 향상시켜 투명한 LCD, PDP, LED 등 미래 투명디스플레이 소자에 확대적용이 가능합니다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 세계적 권위지 '스몰(Small)' 온라인 판 3월호에 게재됐습니다.

 용  어  해  설

투명 디스플레이 :
빛을 내는 형광물질과 광자발광, 전계발광, 음극선 발광 원리를 이용하여 구성된 디스플레이로서 투명 재료 기술을 접목하여 발광하지 않는 상태에서는 투명하다가, 발광을 하는 경우 이미지 및 동영상을 구현할 수 있는 형태의 차세대 디스플레이 소자.
 
나노 플라즈몬 현상 :
나노 크기로 형성된 금속 나노 입자에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진공하는 유사입자를 지칭한다.
금속 나노 입자의 재질, 모양 및 주변의 굴절률에 따라 공진하는 파장이 결정되므로 특정 색상을 띠게 되고, 유도된 표면 플라즈몬은 금속 나노 입자주위로 한정되는 특징이 있다. 

진공 열증착법 :
10-4 Torr 이하 높은 진공상태에서 증착하고자 하는 물질에 열을 가하여 기화시킨 후, 기체상태의 물질이 목표 기판에 도달하여 박막으로 증착시키는 방법. 

광효율 :
소비되는 전기량(전력) 대비 빛의 밝기가 어는 정도 인지는 알려주는 물리적인 양.

희토류 금속 :
첨단 산업에서 많이 사용되는 원소로서 란타넘 계열의 금속 원소 및 스칸듐과 이트륨을 합쳐 총 17종의 금속원소를 지칭하는데, 디스플레이 산업에서는 가시광선 영역의 빛을 발광하는 형광체를 제조하는 데 사용된다.
최근 디스플레이 산업의 원자재 가격 상승 문제와 관련하여 희토류 금속의 가격이 상승에 대한 관심이 증가하고 있다.

<최경철 교수>   성    명 : 최 경철 ( 崔  景  喆) 생년월일 : 1964년  2월  11일 근 무 지 : 대전시 유성구 구성동 한국과학기술원(KAIST)           전기 및 전자 공학과 1982. 3 - 1986. 2 : 서울대학교 전기공학과 / 공학사 1986. 3 - 1988. 2 : 서울대학교 전기공학과 / 공학석사 1988. 3 - 1993. 8 : 서울대학교 전기공학과/ 공학박사 <주요경력> 1993. 9 - 1995. 4 : 고등기술연구원 / 선임연구원 1995. 5 - 1998. 5 : Spectron & HPD / 책임연구원 1998. 6 - 1999. 10 : 현대전자 디스플레이 선행연구소/ 책임연구원 2000. 3 - 2005. 1 : 세종대학교 전자공학과/ 부교수                   ITRC 정보 디스플레이 연구 센터장 2005. 2 - 2009. 8 :  KAIST 전기및전자공학과 / 부교수 2009. 9 - 현재 : KAIST 전기및전자공학과 / 정교수 2011. 2 - 현재 : KAIST 전기및전자공학과 / 산학담당 부학과장 2011. 5 - 현재 : KAIST 석좌교수 2007. 8 - 현재 :  차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터장 <디스플레이 분야 활동 내역> 2005. 9 - 2010.12 : Associate Editor, IEEE/OSA Journal of Display Technology 2007. 8 - 현재 :  차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터장 2008. 1- 현재 : 한국 정보디스플레이 학회 국제협력이사/사업이사/학술이사 2000. 8 - 2005.7 : ITRC 정보 디스플레이 연구 센터장 2001. 7- 현재: Program committee member, International Meeting on Information Display 2010. 1 - 현재 : Program committee member, Society for Information  2006. 12 : Outstanding poster award, International Display Workshop 2006 2007.  4 : 산업자원부 장관상

<이성민 연구원>  성    명 : 이 성민 ( 李 星 旻) 생년월일 : 1981년  8월  8일 근 무 지 : 대전시 유성구 구성동 한국과학기술원(KAIST)           전기 및 전자 공학과 <학    력> 2000. 3 - 2007. 2 : 한양대 전기전자 컴퓨터 공학부 / 공학사 2007. 3 - 2009. 2 : KAIST 전기 및 전자 공학과 / 공학석사 2009. 3 - 현재   : KAIST 전기 및 전자 공학과 / 공학박사 <주요경력> 2008. 2 - 현재 : 차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터 / 연구원 <연구업적> 나노 표면 플라즈몬 관련 SCI 저널 6편 출판(1편 출판예정)

KAIST 신소재공학과 백경욱 교수가 최근 미국에서 열린 ‘2012 범태평양 마이크로일렉트로닉 심포지움’에서 최우수논문상을 수상했습니다.

백 교수는 이번 심포지움에서 ‘이방성전도접착제 기술의 재료와 공정 측면에서의 발전(Recent Advances in Anisotropic Conductive Adhesives Technology : Materials and Processes)’ 논문을 발표했습니다.

백 교수가 발표한 이 논문에는 지난 15년 간 연구한 디스플레이, 반도체 전자 패키징 기술의 핵심재료인 이방성전도접착제(ACAs) 재료와 공정기술에 대한 연구결과가 집대성되어 있습니다.

이 같은 연구결과는 새로운 이방성전도접착제 재료와 초음파 접속장비 분야에서 매우 혁신적인 기술로 평가 받았습니다.

백 교수는 이번 심포지엄에서 새로운 이방성전도접착제의 재료분야에 대한 두 가지의 혁신적인 기술을 발표했습니다.

그중 하나는 나노파이버 기술을 이방성전도접착제에 접목한 것으로, 이 기술은 기존 디스플레이용 극미세피치 반도체 전기 접속의 한계를 극복하고, 나노기술을 성공적으로 전자패키징 재료에 적용한 것입니다.

현재 이 분야 원천특허를 바탕으로 상용화가 진행 중으로, 상용화에 성공하면 일본 제품이 주도하는 세계시장을 석권할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

또 다른 하나는 솔더 입자를 사용해 기존 이방성전도접착제의 기술적 한계였던 전류 흐름성에 대한 한계와 신뢰성을 대폭 개선한 것으로 이 또한 휴대전자제품용으로 상용화를 추진 중입니다.

이와 함께 기존 열 압착 공정을 새로운 초음파공정으로 성공적으로 대체하는 공정 분야의 혁신적인 사례를 함께 보고해, 앞으로 모든 열 압착 장비를 대체할 수 있는 파급 효과가 매우 큰 연구 성과로 인정받았습니다.

초음파 공정개발 역시 곧 상용화 될 전망입니다.

백 교수는 지난 10여 년 동안 이방성전도접착제 분야에서 최다 논문을 게재하는 등 국내외적으로 전자패키징 재료 및 공정기술 개발에 핵심적 역할을 수행하고 있습니다.

<백경욱 교수> 1. 인적사항 ○ 소  속 : KAIST 공과대학 신소재공학과 2. 학    력 ○ 서울대학교 금속공학과 학사 1979 ○ KAIST 재료공학과 석사 1981 ○ Cornell University 재료공학과 박사 1989 3. 경력사항 ○ 2011. 7.~현재 KAIST 연구 부총장 ○ 2008. 2.~2010. 7. KAIST 학생처장 ○ 2004. 9.~현재 KAIST 교수 ○ 1999. 3.~2004. 8. KAIST 부교수 ○ 1995. 3.~1998. 2. KAIST 조교수 ○ 1989. 7.~1995. 2. 미국 General Electric 연구센터 책임연구원 ○ 1985. 8.~1989. 6. 미국 Cornell University 연구조교 ○ 1982. 3.~1985. 7. 한국과학기술연구원 (현 KIST) 연구원 4. 주요연구실적 ○ 2002 ECTC Best Poster Award 수상 IEEE/CPMT ○ 2004 ECTC Outstanding Paper Award 수상 ○ 2009년 11월 13일, 특허청과 교과부 후원 "공공 R & D IP 협의회 창립총회" 전국 대학기술이전수입 상위 연구자 중 전국 5위 수상 ○ 2003.01.01-2003.12.31 Embedded Capacitor 재료 개발 및 특성평가, 유망 전자 부품 기술개발사업(산자부) ○ 2003.03.01-2006.02.28 내장형 커패시터 및 내장형 레지스터를 이용한 기판 제작 공정, 우수연구센터(한국과학재단) ○ 2003.09.01-2006.08.31 반도체 알루미늄 패드에 형성된 니켈 필름의 전자 패키징 활용에 대한 연구, 특정기초연구사업(한국과학재단) ○ 2004.08.01-2005.07.31 스크린 프린팅을 이용한 내장형 커패시터 제작용 polymer/ceramic 복합체 재료 기술 지원, 부품소재종합기술지원사업(부품소재통합연구단) ○ 2004.07.31-2006.07.30 유전체 세라믹/고분자 하이브리드 소재의 유전특성 및 시뮬레이션 기술개발, 핵심연구개발사업/한국과학기술연구원(KIST) ○ 2004.08.01-2007.07.31 무연솔더 볼 잉크분사 공정재료 개발, 청정생산기술개발사업(산자부) ○ 2005.07.01-2008.06.30 ACF/NCF 소재에 따른 CCM용 COF접합 공정의 품질평가와 최적화 기술 개발, 중기거점기술개발사업(산자부) ○ 2005.08.01-2006.07.31 폴리머/세라믹 복합체 내장형 커패시터 필름 개발 및 공정 개발, 부품소재기술개발사업(부품소재진흥원) ○ 2006.03.01-2009.02.28 3-D stack SIP용 decoupling/bypass용 내장형 커패시터 재료 및 공정 기술 개발, 우수연구센터(한국과학재단) ○ 2006.05.01-2007.04.30 Cu/SnAg 더블 범프 플립칩 개발을 통한 Cu/SnAg 범핑사업 지원, 부품소재종합기술지원사업(한국부품소재산업진흥원) ○ 2006.03.01-2009.02.28 ACF/ACP적용 웨이퍼 레벨 패키지 개발, 선도기반기술개발사업(정보통신부) ○ 2006.07.31-2007.07.30 유전체 세라믹/고분자 하이브리드 소재의 유전특성 및 시뮬레이션 기술개발, 핵심기술개발사업(산자부) ○ 2007.03.01-2009.02.28 Fabrication and characterization of embedded capacitor & resistor materials for system in package(SIP), 선도기반기술개발사업(정보통신연구진흥원) ○ 2007.06.01-2008.07.31 차세대 반도체 패키지용 Fine Pitch Au Bonding wire, 부품소재기술개발사업(부품소재진흥원) 5. 출판 ○ 약 130여편의 국제 학술 논문 및 수십 건의 국제 및 국내 특허 보유

현재 전기침은 치료 등 의료분야 뿐만 아니라 지방분해 등 비의료 분야에도 널리 사용되고 있는 추세입니다.

기존 전기침 치료기는 전선이 연결된 커다란 집게를 침에 연결해 전기 자극을 주는 방식으로, 환자가 움직이거나 선에 힘이 실리게 되면 침이 구부러지거나 뽑히는 등 불안정한 요소가 있습니다.

또한 기존 전기침 자극은 환자의 상태 및 치료 효과를 판단하는 데 있어 육안 혹은 환자의 느낌 등의 주관적인 요소가 컸습니다.

□ KAIST 전기및전자공학과 유회준 교수와 송기석 박사과정이 우리나라 전통 의학인 침을 응용한 '초소형 스마트 전기침 시스템'을 개발했습니다.

유 교수팀이 개발한 스마트 전기침은 크기가 동전만하고 성능은 뛰어나면서도 가격은 기존 전기침의 1/100 수준으로 저렴합니다.

윤 교수팀은 자체 개발한 직물형 인쇄회로 기판(Planar Fashionable Circuit Board, P-FCB)을 이용해 전기침을 몸에 직접 붙이는 패치형으로 만들어 초소형화를 실현했습니다.

여기에 지능형IC를 갖춰 치료 중 생체 신호를 감지해 환자의 상태를 모니터링 할 수 있습니다.

그러나 이 시스템은 전기침 치료를 하면서 사용자의 근전도 및 체온 등을 감지해 환자의 상태를 파악하면서 다중 생체 신호도 감지해 치료 효과를 보다 객관적으로 검증할 수 있습니다.

또 안정적인 자극을 위해 초저전력으로 제작, 코인 배터리만으로 연속 1시간 이상 동작이 가능해 충분한 치료시간을 확보했습니다.

송기석 박사과정이 개발한 '초소형 스마트 침 시스템'은 최근 세계적인 반도체학술대회인 국제고체회로설계학회에서 발표돼 국내외 관련분야 학자들로부터 많은 관심을 받고 있습니다.

<스마트 전기침 시스템>
『스마트 전기침 시스템』은 전기침 패치, 침, 그리고 전도성 실로 구성된다. 전기침 패치는 동전 500원 정도의 크기로 패치 안에 코인 배터리와 지능형 IC를 탑재하고 있다.
지능형 전기 자극 IC는 0.13㎛ 공정으로 설계가 되어 있으며 12.5㎟의 아주 작은 면적을 갖기 때문에 작은 패치 위에 쉽게 구현될 수 있다. 또한 전력 소모 역시 최대 6.8mW로 매우 낮기 때문에 탑재된 코인 배터리로 1시간 이상의 치료 시간을 보장할 수 있다.

<스마트 전기침 패치 구조>
『스마트 전기침 시스템』의 패치는 크게 3개의 계층으로 구성이 된다. 1) 표면 전극층, 2) 전원층, 3) 회로층이다. 3) 회로층에는 전기 자극 IC와 코인 배터리가 탑재되고 전기 자극 IC와 침은 전도성 부직포와 전도성 실을 통해서 편리하고 안정적으로 연결이 될 수 있다.

<스마트 전기침 패치 구조>
『스마트 전기침 시스템』을 사용하여 전기 자극을 하는 방식을 사용하는 침의 개수에 따라 2가지로 나눌 수 있다. 1) 단일 지점 전기 자극 방식 : 하나의 침과 전기침 패치의 표면 전극 사이에 전류 자극을 하는 방식, 2) 양 지점 전기 자극 방식 : 두 개의 침 사이에 전류 자극을 하는 방식이다.

<기존 전기침과 스마트 전기침 시스템의 비교>
『스마트 전기침 시스템』은 500원짜리 동전 정도의 크기로 매우 작으며 직물위에 회로를 직접 인쇄하는 P-FCB 기술을 이용하여 이물감이 거의 느껴지지 않을 정도로 가볍게 제작되었다.
그리고 기존의 전기침과는 달리 복잡한 전선의 연결이 필요 없어 환자가 움직이는데 제약이 없다. 스마트 전기침 시스템은 전기 자극을 하면서 전기침 패치의 표면 전극을 통해 환자의 근전도 및 체온 정보를 수집/전송하여 환자의 상태에 따라 전기 자극 강도를 자동으로 조절할 수 있다.

<스마트 전기침 시스템 구성도>

스마트 전기침 시스템의 IC는 크게 4부분으로 구성된다.
1) 전기 자극부는 1~500Hz의 40uA~1mA의 자극 전류 펄스를 만들어 낸다.
2) 다중 모드 센서부는 전기 자극 중 근전도와 온도를 매우 낮은 소모 전력으로 감지한다.
3) 감지된 근전도와 온도 정보는 SoC 제어부의 on-chip 메모리에 저장이 된다.
4) 이후 저장된 근전도와 온도 정보는 인체 매질 통신부를 통해서 외부로 전송이 되어 시술자 및 사용자에게 나타나게 된다.

1아토초(AttoSecond)는 '100경 분의 1초' 입니다.

비교하자면, 우주의 나이인 137억 년을 1초라고 가정할 때 137억 년 : 1초 = 1초 : 1아토초 가 되는 셈입니다.

이렇게 짧은 순간인 아토초는 원자 내부에서 움직이는 전자의 움직임을 표현할 때나 사용 가능합니다.

그러나 이처럼 짧은 순간을 연구하는 이유는 원자 단위의 초고속 현상을 계측하고 이를 조절하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정할수록 더욱 정교한 과학적 기반을 마련할 수 있기 때문입니다.

□ 자연계의 다양한 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 '아토'과학의 시대가 열렸습니다.

국내 연구진이 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정하는데 성공했습니다.

KAIST 남창희 교수팀은 아토초 펄스를 이용해 초고속 광이온화를 계측하는데 성공했습니다.

아토과학 연구를 위해 자체 개발한 실험 장치. 아래쪽의 긴 원통 부분은 광전자 에너지 스펙트럼 측정에 사용되는 고성능 전자분광기이다. 지구자기장의 영향을 없애기 위해 전자가 진공 속에서 진행하는 원통은 뮤메탈 판으로 싸여있다.

광이온화는 아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것입니다.

남 교수팀은 아토초 엑스선 펄스와 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 펄스를 이용해 헬륨 원자를 광이온화하고, 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 규명했습니다

아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 연구팀이 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구진의 결실입니다.

자체개발한 1 kHz 반복률의 고출력 펨토초 레이저. 펨토초 레이저 공진기부터 펄스 확장기, 2단의 증폭단, 펄스 압축기까지 자체 개발하였으며, 2009년에는 이를 추가적으로 펄스 압축하여 3.7 펨토초, 0.3 테라와트 출력을 얻어 세계적으로도 최고의 성능을 갖는 결과를 보였다.

고출력 펨토초 레이저 장치의 작동 모습

남 교수팀은 앞서 지난 2010년에 고차조화파를 이용해 세계에서 가장 짧은 60아토초 펄스 생성에 성공하기도 했습니다.

연구팀은 고출력 펨토초 레이저를 이용해 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용해 헬륨 원자를 광이온화시켜 원자에서 발생하는 초고속 광이온화 현상을 계측했습니다.

이번 연구는 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정한 것으로, 향후 이번 연구결과를 바탕으로 원자와 분자 내부에서 일어나는 초고속 현상을 계측하고 이를 이용해 원자와 분자의 상태를 조절하는 연구를 진행하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 기반을 마련했습니다.

이번 연구는 KAIST 남창희 교수가 주도하고 김경택 박사와 금오공대 최낙렬 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 'Physical Review Letters'지 3월호(108권, 3월 2일자)에 게재되었습니다. (논문명: Amplitude and Phase Reconstruction of Electron Wave Packets for Probing Ultrafast Photoionization Dynamics)

  

남창희 교수, 고동혁 학생, 김경승 학생

 용  어  설  명

티타늄 사파이어 펨토초 레이저 (Ti:sapphire femtosecond laser) :
사파이어에 도핑된 티타늄을 이득 매질로 사용하여 발진되는 레이저로 이득 매질의 흡수영역과 방출영역이 매우 넓어서 시간폭이 펨토초 영역인 매우 짧은 극초단 펄스를 생성할 수 있다. 넓은 스펙트럼 영역에서 방출된 레이저 빛을 모드잠금과 분산 보정 기술을 통해 수십에서 수 펨토초에 이르는 레이저 펄스를 생성할 수 있다.

고차조화파 :
강한 펨토초 레이저를 기체원자에 집속하여 발생된 연엑스선 영역에서 레이저의 특성을 닮은, 매우 짧은 펄스폭을 가지는 우수한 연엑스선 광원

고차조화파 광원 (high - harmonic light source) :
고출력 펨토초 레이저와 기체 원자와의 상호 작용을 통해 발생되는 연엑스선 광원이다. 강력한 레이저장을 통해 이온화된 전자가 이온과 재결합함으로써 넓은 스펙트럼을 갖는 결맞는 엑스선이 발생된다. 이와 같은 연엑스선 발생 현상이 레이저장의 반주기마다 반복되기 때문에 구동레이저의 홀수배에 해당하는 연엑스선 성분만 강하게 남아 고차조화파의 특징인 빗살 모양의 스펙트럼이 나타난다.

아토초 고차조화파 펄스 (attosecond high-harmonic pulse) :
기체 원자와 극초단 고출력 펨토초 레이저 펄스와의 상호 작용으로 발생하는 고차조화파는 연엑스선 영역에서 넓은 스펙트럼을 갖는 광원이기 때문에 시간적으로 아토초에 해당하는 극초단 펄스를 생성할 수 있다. 다 주기 레이저 펄스에서 발생된 고차조화파는 주로 아토초 펄스열을 형성하나 시간 게이팅 방법을 도입하여 단일 아토초 펄스로 생성할 수 있다.

광이온화 :
아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것. 

Physical Review Letters :
물리학 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 물리학 전반에 걸쳐 최첨단 선도 연구 과제 중 가장 우수한 결과를 세계 학계에 널리 빠르게 알려기 위한 목적으로 미국 물리학회에서 발행하는 학술지. (2010 SCI 피인용지수 : 7.621)

<남창희 교수>   1. 인적사항   ○ 소 속 : 카이스트 물리학과 교수 2. 학력   ○ 1977 : 서울대학교  학사 (핵공학)   ○ 1979 : 카이스트 석사 (물리학 )   ○ 1988 :  프린스턴 대학 박사 (플라즈마 물리)   3. 경력사항 ○ 1989 ~ 현재 : 카이스트 물리학과 교수 ○ 1988 ~ 1989 : Princeton Plasma Physics Laboratory, Staff Research Physicist ○ 1979 ~ 1982 : 부산대학교 기계공학과, 전임강사 ○ 1999 ~ 현재 : 교육과학기술부?한국연구재단 창의연구단, 도약연구단 단장 4. 주요연구업적 1. Kyung Taec Kim, Dong Hyuk Ko, Juyun Park, Nark Nyul Choi, Chul Min Kim, Kenichi. L. Ishikawa, Jongmin Lee, and Chang Hee Nam, "Amplitude and phase reconstruction of electron wave packets for probing ultrafast photoionization dynamics," Phys. Rev. Lett. (accepted on Jan. 8, 2012). 2. Kyung Taec Kim, Kyung Sik Kang, Mi Na Park, Tayyab Imran, G. Umesh, and Chang Hee Nam, "Self-Compression of Attosecond High-order Harmonic Pulses," Phys. Rev. Lett. 99, 223904 (2007). 3. I Jong Kim, Chul Min Kim, Hyung Taek Kim, Gae Hwang Lee, Yong Soo Lee, Ju Yun Park and Chang Hee Nam, "Highly efficient high-harmonic generation in an orthogonally polarized two-color laser field," Phys. Rev. Lett. 94, 243901 (2005). 4. D. G. Lee, J.?H. Kim, K. H. Hong, and Chang Hee Nam, "Coherent control of high-order harmonics with chirped femtosecond laser pulses," Phys. Rev. Lett. 87, 243902 (2001). 5. Hyun Joon Shin, Dong Gun Lee, Yong Ho Cha, Kyung Han Hong, and Chang Hee Nam, "Generation of Nonadiabatic Blueshift of High Harmonics in an Intense Femtosecond Laser Field," Phys. Rev. Lett. 83, 2544-2547 (1999). 6. Dong Hyuk Ko, Kyung Taec Kim, Juyun Park, Jae-hwan Lee and Chang Hee Nam, "Attosecond chirp compensation over broadband high-order harmonics to generate near transform-limited 63-as pulses," New J. Phys. 12, 063008 (2010). 7. J. Park, J.-h. Lee, and Chang Hee Nam,  "Generation of 1.5-cycle 0.3-TW laser pulses using a hollow-fiber pulse compressor," Opt.   Lett. 34, 2342 (2009).

촉매금속 위에서 합성된 대면적 그래핀은 디스플레이, 태양전지 등에 다각적으로 활용될 수 있어, 이에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

그러나 이 대면적 그래핀을 실제 전자기기에 응용하기 위해서는 단원자 층인 그래핀을 촉매금속으로부터 손상 없이 떼 내는 것이 무엇보다도 중요합니다.

지금까지는 화학약품을 이용해 금속을 녹여 제거함으로써 그래핀을 촉매금속으로부터 분리했습니다.

그러나 이 방법은 금속을 재활용할 수 없을 뿐만 아니라 생산단가도 높아 경쟁력이 없고, 특히 금속을 녹이는 과정에서 많은 양의 폐기물이 발생하여 환경문제를 일으킬 수 있습니다.

또 공정 단계도 매우 복잡해 그래핀의 양산화에 큰 장벽으로 작용했습니다.

□ KAIST 김택수, 조병진 교수팀은 금속위에서 합성된 그래핀의 접합에너지를 정밀측정한 후 이를 이용하면 그래핀을 금속으로부터 쉽게 분리할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다.

이번 연구는 그동안 어떠한 연구팀도 정확히 측정할 수 없었던 그래핀과 촉매금속간의 접합에너지를 처음으로 정밀히 측정하는데 성공한 것입니다.

금속 재활용이 가능한 친환경, 저가 기반의 그래핀 양산 기술과 이를 이용하여 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터

이를 이용해 촉매금속을 기존처럼 일회용으로 사용하는 것이 아니라, 무한대로 재활용할 수 있게 돼 친환경적이면서도 저렴한 고품질 대면적 그래핀 생산의 원천기술을 마련했습니다.
    
또한 이 방법을 사용해 기계적으로 분리된 그래핀을 다른 기판에 전사하지 않고 곧바로 그 위에 전자소자를 제작하는데 성공해 기존의 복잡한 그래핀 생산단계를 획기적으로 줄였습니다.

특히 그래핀을 떼어낸 후에도 그 금속기판을 수차례 재활용하여 그래핀을 반복적으로 합성해 처음과 같은 양질의 그래핀을 합성할 수 있어 친환경, 저비용 그래핀 양산기술에 새로운 길을 열었습니다.
 
이번 연구결과를 통해 매우 간단한 단일 공정만으로 그래핀을 금속으로부터 손쉽게 떼 내어 그래핀 응용소자를 제작할 수 있게 됐습니다.

연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(2월 29일자)로 게재되었다. 
(논문명 : Direct Measurement of Adhesion Energy of Monolayer Graphene As-Grown on Copper and Its Application to Renewable Transfer Process)  

(왼쪽부터) 신우철 박사과정생, 윤태식 석사과정생, 김택수 교수, 조병진 교수.

 용  어  설  명

그래핀 분리기술 :
금속위에서 성장된 대면적의 그래핀을 활용하기 위해 원하는 기판위에 그래핀을 전사시키는 기술.
기존에는 화학 약품을 이용한 식각 공정으로 금속을 제거하여 그래핀을 분리하였으나, 식각 공정 중에 그래핀의 손상과 환경오염, 높은 제작비용 등의 문제로 인해 그래핀 상용화에 큰 걸림돌이 되어왔다.

접합에너지 :
이종 고체간의 상호작용으로 인하여 서로 점착하려는 경향을 나타내는 값으로서 금속위에서 성장된 원자 한층 수준의 얇은 그래핀을 금속으로부터 분리해 내기 위해서는 접합에너지에 대한 규명이 필수다. 

<연 구 개 요> 그래핀은 우수한 전기적, 기계적 특성으로 인해 다양한 분야의 핵심 소재로서 각광 받고 있다. 현재까지 고품질의 대면적 그래핀은  촉매 금속위에서 Chemical Vapor Deposition (CVD) 방법을 통해 성장되어 왔다.  금속위에서 성장된 그래핀을 전자 응용소자 제작에 이용하기 위해서는 금속으로부터 그래핀을 분리해내는 그래핀 분리 과정이 필수적인데, 현재까지는 화학적 식각 방법을 통해 금속을 제거하는 금속 식각 공정이 이용되었다. 그러나 이러한 과정은 그래핀에 손상을 줄 수 있고 대면적의 금속 식각으로 인한 상당한 양의 폐기 물량을 유발할 뿐만 아니라, 금속 기판을 일회성으로 밖에 이용할 수 없어 그래핀 상용화에 커다란 장벽으로 작용해왔다. 본 연구진은 세계 최초로 금속위에서 성장된 그래핀이 금속과 이루는 접합에너지를(0.75±0.07 J/m2) 실험적으로 정확하게 밝혀내었다. 그림 1. 은 Double Cantilever Beam (DCB) testing을 이용한 그래핀과 구리 사이의 접합에너지 측정을 보여준다.  이것은 그래핀을 금속으로부터 기계적으로 분리해내는데 가장 중요한 정보라고 할 수 있는 접합에너지의 구체적인 값을 규명하였다는 면에서 상당한 의미를 가진다고 할 수 있다. 그림 1. DCB fracture mechanics testing을 이용한 그래핀과 구리 금속 사이의 접합에너지 측정. Loading/crack-growth/unloading cycle을 반복해서 수행하면서 crack length (a) 및 접합에너지를 추출하였다.        그림 2. (a) 촉매 금속 기판의 재활용이 가능한 친환경, 저가 비용의 그래핀 양산 기술의 모식도         (b) 하나의 금속 기판에서 반복적으로 그래핀을 성장 및 분리시킨 후 측정한 라만 결과.             고품질의 그래핀을 하나의 금속 기판위에서 반복적으로 성장시킬 수 있다. 그래핀이 금속과 이루는 접합에너지는 그래핀 분리 기술의 핵심적인 정보를 지니고 있음에도 불구하고, 원자 한 층으로 이루어진 그래핀을 대면적의 금속으로부터 정확하게 박리해 내기가 매우 어려워 지금까지 어떠한 연구진에 의해서도 규명되지 못하고 있었다.  또한 본 연구진은 규명한 접합에너지를 이용하여 하나의 금속 기판을 무한대로 재활용하여 그래핀을 양산할 수 있는 친환경, 저가 비용의 그래핀 분리 기술을 개발하였다. 그림 2. a 는 하나의 구리 기판에서의 그래핀의 성장과 분리가 반복적으로 가능하다는 것을 보여주며, 그림 2. b 는 반복 성장된 그래핀의 라만 결과로서 하나의 금속기판 위에서도 고품질의 그래핀을 계속해서 무한대로 양산할 수 있다는 것을 보여준다. 본 연구에서 개발한 그래핀 분리 기술을 이용할 경우 기존의 기술 대비 생산 비용을 상당히 낮출 수 있을 뿐만 아니라 간단한 기계적 박리 기술로 쉽게 그래핀을 얻어 낼 수 있으므로 현재의 복잡한 그래핀 양산 과정을 오직 하나의 단일 단계만으로 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 실제로 본 연구진은 이러한 기계적 박리 기반의 그래핀 분리기술을 이용하여 양산시킨 그래핀을 소자의 채널물질로 이용하여 전계 효과 트랜지스터를 유연기판위에 제작하는데 성공하였다. 그림 3. (a) 은 본 연구에서의 개발된 그래핀 분리기술을 이용하여 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET) 의 사진 및 모식도를 보여준다.  그림 3. (b),  (c), (d) 는 제작된 그래핀 FET 소자의 전류-전압 특성과 Bending Stability를 나타낸다.  본 연구진은 기계적 박리를 통해 그래핀을 원하는 기판에 전사시켜 응용소자의 제작이 가능하다는 것을 밝혀내었으며 이것은 본 연구에서 개발한 그래핀 분리기술이 그래핀 응용 소자 제작에 바로 이용가능하다는 것을 보여주는 결과로서 그래핀 상용화 크게 앞당길 것으로 기대한다. 그림 3. (a) 기계적 박리를 통해 단일 공정만으로 분리된 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터의 모식도 및 사진.        (b) 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 Output 특성. (c 유연성 기판에 전사되어 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 Transfer 특성 및 Bending Stability.        (d) 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 bending 조건에 따른 이동도 변화. 이동도 특성 변화는 10 %로서 매우 안정된 소자의 구동이 가능함을 알 수 있다.

<조병진 교수> 1. 인적사항          ○ 소 속 : 카이스트 전기 및 전자공학과      2. 학력   1981 - 1985    고려대학교 전기공학과 졸업   1985 - 1987    카이스트 전기 및 전자공학과 석사 졸업   1987 - 1991    카이스트 전기 및 전자공학과 박사 졸업   3. 경력사항 2007 - 현재   카이스트, 전기 및 전자공학과 교수 1997 - 2007    싱가포르 국립대학교, 전기 및 컴퓨터 공학과 교수 1993 - 1997   하이닉스 반도체, 메모리 연구소 책임연구원 1991 - 1993    벨기에 IMEC 연구원

<김택수 교수> 1. 인적사항      ○ 소 속 : 카이스트 기계공학과                   2. 학력   2001    연세대학교 기계공학과 학사 졸업   2006    스탠포드 대학교 기계공학과 석사 졸업   2010    스탠포드 대학교 기계공학과 박사 졸업   3. 경력사항 2010.12 ~ 현재      카이스트, 기계공학과 조교수 2010.1 ~ 2011.11 스탠포드 대학교 재료공학과 박사 후 과정(Postdoctoral Scholar)

KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 의장으로 있는 세계경제 포럼 산하 ‘미래기술 글로벌 어젠더 카운슬’에서 ‘2012년 세상을 바꿀 10대 신기술’을 선정했습니다.

이번에 선정된 10대 기술은 △정보기술 △합성생물학과 대사공학 △녹색혁명2.0 △물질설계 나노기술 △시스템생물학과 화학 생물시스템의 시뮬레이션기술 △이산화탄소의 원료로서 활용기술 △무선 파워전송기술 △고에너지밀도 파워시스템 △개인 맞춤형 의약 등입니다.

이번에 선정된 기술은 가까운 미래에 세상을 변화시킬 가능성이 높은 것으로 과학계, 산업계, 정부 등 다양한 분야에 걸친 전문가들의 의견을 바탕으로 정해졌습니다.


<2012년 세상을 바꿀 10대 신기술>

1. 정보에 가치를 보태주는 인포매틱스
개인과 조직이 접속할 수 있는 정보의 양은 현재 인류 역사상 유래를 찾을 수 없을 만큼 많고, 정보의 양은 앞으로도 계속 기하급수적으로 늘어날 것이다. 그러나, 단순히 정보의 양으로만 보자면 현재는 가치를 창출하기보다는 불필요한 잡음 역할을 할 위험성이 있을 정도로, 정보의 효율적인 사용이 제한을 받고 있다. 정보를 분류하고, 처리하여 꼭 필요한 정보만을 간추리는 혁신적인 기술이 불필요한 정보를 걸러내고,  글로벌한 정보를 제공받음으로써 세계가 직면하고 있는 긴급한 문제들을 해결하는데 꼭 필요하다.

2. 합성생물학과 대사공학
생물체의 가장 핵심인 유전자 코드는 오랜 기간 진화 과정을 통해 타의 추종을 불허하는 유용성을 지니고 있다. 합성생물학과 대사공학의 빠른 발전으로 생물학자들과 공학자들은 이제까지 시도되지 않은 방법들을 통해 이 유용성에 좀 더 가까이 갈 수 있게 되었다. 또한 특정한 목적에 사용될 수 있는 유기체가 개발되었고, 새로운 생물학적 과정의 발달도 가능하게 되었으며, 바이오 매스를 화학약품이나 연료, 재료로 전환하여 새로운 치료제를 생산하거나, 해로운 물질로부터 인체를 보호 할 수 있게 되었다.

3. 녹색 혁명 2.0
식량과 바이오 매스를 증산하는 기술 곡물의 생산량을 획기적으로 늘리는 데 기여한 화학비료는 현대 화학이 이루어 낸 위대한 업적 가운데 하나이다. 그러나, 전세계적으로 건강에 좋고 영양가 높은 식량에 대한 수요의 증가는 한정된 에너지, 물 그리고 토지 자원에 새로운 위협이 되고 있다. 생물학과 물리학을 결합한, 새로운 녹색혁명은 환경에 대한 영향을 최소화하면서도, 에너지와 물에 대한 의존도를 줄이고, 탄소 발자국을 감소시키는 한편, 식량생산량을 더욱 증대시킬 수 있는 가능성을 높여주고 있다.  

4. 나노 스케일 소재의 고안
천연자원에 대한 수요가 늘어남에 따라 효율성을 높이는 문제가 더욱 중요성을 띠게 되었다. 분자단위로 설계, 고안된 특성물질을 함유한 나노 구조의 물질들은 이미 그 새롭고 독특한 특성들로 인해 차세대 청정에너지 혁명을 이끌 것으로 기대를 모으고 있다. 이 물질들은 고갈되어가는 천연 자원에 대한 우리의 의존도를 줄이는 한편, 각종 제조업이나 가공에서 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.

5. 시스템 생물학과 컴퓨터 모델링
화학과 생물시스템 시뮬레이션 의료분야나 바이오 관련 제조업의 기능 향상을 위해서는 생물학과 화학이 어떻게 함께 작용하는 지를 이해하는 것이 중요하다. 시스템 생물학과 컴퓨터 모델링/시뮬레이션은 인간의 신체와 환경에 대한 영향을 최소화하면서도, 매우 효율적인 치료약품, 물질 혹은 제조과정을 설계하는 데 점차 그 중요성이 강조되고 있다.

6. 이산화탄소를 자원으로 활용
지구에서 탄소는 생명의 가장 기본이 되는 물질이다. 그러나, 지구 온난화를 막기 위하여 이산화탄소 배출을 규제하는 것이 사회, 정치, 경제적으로 중요한 일이 되었다. 이산화탄소 관리에 관한 혁신적인 새로운 접근방법은 그것을 골치덩어리에서 하나의 자원으로 전환하는 것이다. 나노 구조의 물질을 바탕으로 한 촉매제는 이산화탄소를 값비싼 탄화수소와 다른 탄소를 함유한 분자로 전환시킬 수 있다. 이것들은 건물을 짓는데 사용되는 벽돌이나 화학산업의 클리너, 혹은 지속가능성이 더욱 뛰어난 석유화학물질의 대용물로 사용될 수 있다.

7. 무선 파워 전달
현대 사회는 전기를 동력으로 사용하는 기구들에 크게 의존하고 있다. 그러나 유선 송전망이나 또는 전지를 계속 재충전하는 방법을 사용해야 한다는 점 때문에 많은 제약이 있다. 전선없이 무선으로 전기나 에너지를 전달하는 기술이 전기기구를 쓰기 위해 플러그를 꼽아야 일에서 해방을 시켜줄 것이다. 이 기술은 와이파이가 인터넷 사용에 영향을 끼친 것과 마찬가지로 개인 전자 장비에 커다란 영향을 줄 것이다.

8. 고밀도 파워시스템
차세대 클린에너지 기술의 실용화 되기 위해서는 고밀도 충전시스템이 필요하다. 이러한 수요에 맞추어 신기술들이 속속 개발되고 있는데, 여기에는 나노소재 전극이나 고체전극 또는 새로운 형태의 고성능 축전지를 이용하는 방법들이 해당된다. 이런 기술들은 차세대 청정에너지 산업에 필수적이다. 

9. 개인 맞춤의학과 영양 그리고 질병예방
전세계 인구가 70억이 넘고, 모든 사람들이 건강하게 오래 살기를 원하면서, 건강을 유지하기 위한 전통적인 방법들이 점차로 그 설 자리를 잃고 있다. 유전채학, 단백질체학, 대사체학의 발달로 각 개인에 맞추어 약을 제조하거나 영양을 공급하고, 사전에 질병 예방 조치를 취하는 것이 가능한 시대가 열리고 있다. 합성 생물학과 나노 기술과 같은 신기술의 발달은 의료계의 혁명이라 할 수 있는 개인 맞춤의학의 보급을 위한 초석이 되고 있다.

10. 진보된 교육 기술
젊은 세대에게 지식경제사회에 꼭 필요한 기술을 전달하기 위해서는 새로운 접근방법이 필요하다. 빠르게 발달하고, 하이퍼 커넥티드(hyperconnected) 되어있는 글로벌 사회에서는 이것이 더욱 중요하다고 할 수 있다. 각 개인의 비판적 사고력을 높이면서도, 창조성을 키울 수 있는 방향으로 IT기술을 바탕으로 각 개인에 맞춤 교육을 제공하는 교육방법이 주목 받고 있다. 소셜 미디어와 오픈코스웨어 (열린 강의자료), 그리고 상시 가능한 인터넷 접속 덕분에 교실 밖에서의 교육이 더욱 활성화되고 있다.

평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로, LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있습니다.

이는 우리나라가 세계시장의 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이기도 합니다.

LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술이 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술입니다.

현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고, 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법이 적용됩니다.

그러나 고분자 배향막은 고분자 설계 합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여, 자유자재로 휘어지는 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었습니다.

기존 LCD와 달리 고분자 배향막이 필요 없는 신개념 LCD 기술이 개발됨에 따라 더욱 얇고 고화질에 속도도 빠른 차세대 디스플레가 나올 전망입니다.

□ KAIST 정희태 교수팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막 기술을 개발했습니다.

정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 20nm의 높은 분해능과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인됐습니다.

연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능합니다.

따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 ㎛에서 ㎝까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있습니다.

(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진

또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었습니다.

이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, ㎚ 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 받고 있습니다.

또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 민감도가 크게 향상된 터치패널에도 활용될 수 있습니다.

이번 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 큽니다.

이번 연구는 KAIST 정희태 석좌교수(교신저자)가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처'의 자매지 'Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)' 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications)

장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.

 용  어  설  명

ITO (Indium Tix Oxide) :
ITO (인듐주석산화물): 산화 인듐과 산화주석의 혼합물로서 흔히 투명전극이나 ITO라고 한다.
얇은 박막에서 투명하고 전기전도율이 좋아 평판디스플레이, 터치스크린, 태양전지등 다양한 분야에서 투명도와 전도도가 요구되는 기판으로 사용되고 있다.
ITO를 다양한 방식으로 패턴하여 산업계에 적용시키려는 연구가 많이 진행되어 왔으나 패턴 형성 시 저항이 급격하게 올라가 전도도가 떨어져 전극으로서의 기능을 수행할 수 없었다.
따라서 고분해능의 패턴 형성 후에도 전도도와 투과도가 유지되는 것이 큰 난제였다.

액정(Liquid Crystals) :
액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다.

고분자 배향막 :
액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름

표시소자(indicating element) :
부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자

<정희태 교수> 1. 인적사항   ○ 주소: 대전시 유성구 대학로 (구성동 373-1),       한국과학기술원 (KAIST) 생명화학공학과 2. 학력  1987  학사, 연세대학교, 화학공학과  1989  석사, KAIST, 생명화학공학과  1998            박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과   3. 경력사항  1989 ~ 1994     삼성종합기술원, 선임연구원 1998 ~ 2000    미국 캘리포니아대학, 박사후 연구원 2000 ~ 현재     KAIST 생명화학공학과, 정교수 2003 ~ 2005    한국생명공학연구원, 초빙교수 2007 ~ 현재     KAIST 화학과, 겸임교수 2007 ~ 현재     KAIST 나노연구소, 겸임교수 2009 ~ 2010    미국 국가표준연구소, 방문교수 2010 ~ 현재     Macromolecular Research 부편집장 2011 ~ 현재     KAIST, 석좌교수

의약품 원료로 병원에서 사용되고 있는 기존의 항체는 치료제 뿐만 아니라 분석, 진단용 등 생명공학 및 의학 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다.

그러나 동물세포 배양을 포함해 복잡한 생산 공정으로 제조되기 때문에 1mg에 100만 원 달할 정도로 가격이 매우 비싸고, 이마저도 대부분의 항체는 이미 해외 선진국의 특허로 등록돼 있어 비싼 로열티를 지불해야 하는 실정입니다.

이 때문에 우리나라를 포함한 많은 국가에서 이미 특허가 만료된 항체 의약품을 복제하는 바이오시밀러를 개발하는데 집중할 수 밖에 없고, 따라서 단백질 신약개발 분야는 선진국에 비해 한참 뒤처지고 있습니다.

사람 항체의 구조. 분자량(150Kda)이 커서 세포내로 침투할 수 없으며 서로 뭉쳐 치는 경향이 커서 쉽게 활성을 잃는다. 그리고 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합 강도를 높이는 것과 합리적 설계가 매우 어려운 단점이 있다.

□ 의약품 원료로 사용되는 인간유래 항체를 대체할 수 있는 인공항체가 국내 최초로 개발됐습니다.

이에 따라 가격은 현재보다 1/100수준으로 저렴하면서도 개발기간은 기존 10년에서 5년 이내로 크게 단축될 전망입니다.

KAIST 생명과학과 김학성 교수와 바이오 및 뇌공학과 김동섭 교수는 공동 연구를 통해 항체가 아닌 단백질을 재설계해 대장균에서 대량생산할 수 있는 인공항체를 개발했습니다.

개발된 인공항체의 3차원 구조

이번에 개발된 인공항체는 항원과의 결합력, 생산성, 면역원성, 구조설계성 등이 용이해 장점만 갖춘 이상적인 단백질,  현재 치료제의 원료나 진단, 분석용으로 사용중인 항체를 그대로 대체 가능합니다.

이에 따라 세계시장 규모 192조 원에 이르는 단백질 의약품 분야에서 앞으로 순수 국내기술로 개발된 단백질 신약이 세계시장을 주도할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

기존 항체 치료제의 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 새로운 비항체 인공항체 단백질. 반복 모듈기반의 인공항체 단백질은 설계 및 구조 예측이 용이하고, 높은 안정성을 갖으며, 결합 면적 및 크기의 조절이 용이하다.

□ 연구팀은 먹장어나 칠성장어와 같은 무악류에 존재하는 단백질이 항체는 아니지만 항체처럼 면역작용을 한다는 사실에 착안했습니다.

이를 토대로 개발한 인공항체는 대장균에서 대량생산이 가능해 현재보다 1/100 수준의 싼 가격으로 만들 수 있으며, 모듈구조로 되어 있어 목적에 따라 자유롭게 구조 설계가 가능하기 때문에 단 5년 내에  단백질 신약으로 개발이 가능합니다.

연구팀이 개발한 인공항체가 질병유발 인자인 항원과 결합한 모습

또 단백질 신약개발에서 중요한 항원과의 결합력을 쉽게 조절할 수 있어 치료 효과가 높고 부작용이 적으며, 열과 pH에 대한 안정성도 높은 장점을 갖고 있습니다.

그러면서도 면역반응을 유도할 수 있는 면역원은 무시할 만한 수준으로 낮아 단백질 신약으로의 개발 가능성이 매우 높습니다.

연구팀이 개발한 인공항체 기술은 세포 분석을 통해 폐혈증과 관절염 치료제 후보군으로 효과를 입증했고, 곧 동물실험을 수행할 예정입니다.

이번 연구결과는 세계적 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 2월 10 일자에 발표됐습니다.

 용  어  설  명

항원 :
체내에 유입된 외부 물질로 이물질로 인식되어 항체를 생성하는 면역 반응을 유발함

항체 :
항원에 특이적으로 결합하여 이를 제거하거나 무력화시키는 면역 관련 단백질

면역원성 :
사람이나 동물의 체내에 접종되었을 때, 면역 반응을 유발할 수 있는 항원으로서의 특성

바이오시밀러 :
치료 효능이 있는 항체나 호르몬 등을 의미하는 특허가 만료된 단백질 의약품의 복제약품

무악류 :
고생대 전기의 초기 어류로서 위, 아래 양 턱이 발달하지 않은 척추동물로 칠성장어와 먹장어가 대표적임

모듈구조 :
특정 단백질에서 반복적으로 존재하는 최소 구조적 단위인 모듈에 의해 형성되는 전체 단백질의 구조형태

대장균 :
사람이나 동물의 대장에 많이 서식하는 장 내 세균으로, 생명 공학에서는 단백질의 대량 생산에 주로 이용됨

plasmonics is working on a chip

KAIST 부설 나노종합팹센터가 나노람다㈜와 공동으로 첨단 나노광학분야 플라즈모닉스 기술을 이용해 기존 광학기술의 한계를 극복하고, 분광기능을 갖는 초소형 센서 칩을 구현해 낼 수 있는 공정기술을 개발했습니다.

나노종합팹센터)는 2009년부터 나노람다와 나노플라즈모닉스 기술을 이용한 플라즈모닉 빛센서칩의 핵심부품인 나노옵틱필터 어래이와 스펙트럼 센서에 대한 핵심 양산공정 기술을 공동 개발했습니다.

기존 분광기는 값 비싼 광학부품인 프리즘 또는 회절격자, 미러, 광파이버 등을 사용하여 빛을 파장별로 분리하기 때문에, 크기도 크고 가격이 수천 만 원에 이릅니다.

따라서 강력한 물질분석 장비임에도, 주로 대형 실험실에서만 사용됐습니다.

그러나 새로 개발된 프라즈모닉센서는 이러한 값비싼 고전 광학부품을 전혀 사용하지 않고, 현재 스마트폰 등에 많이 쓰이는 CMOS 이미지센서 기술에, 첨단 프라즈모닉 나노광학 필터 어래이 기술 및 혁신적인 신호처리 소프트웨어 기술을 융합하여 스마트폰에도 장착할 수 있을 정도의 크기 및 가격대를 구현했습니다.

이번에 개발된 광센서 시제품은 기존의 노트북 크기의 고가의 분광기(Optical spectrometer) 기능을 초소형 센서칩에서 구현할 수 있는 세계 최초의 기술로 평가받고 있습니다.

이를 이용할 경우 스마트 TV나 디스플레이의 색상을 주변 빛 환경에 따라 항상 최적의 색을 유지하게 할 수 있습니다.

또한 스마트 LED조명 시스템에도 적용되는 등 이 분야에서만 연간 수 억 개의 센서칩이 사용될 것으로 예상됩니다.

뿐만 아니라 손목시계 형태와 같은 웨어러블 개인용 건강 모니터링 디바이스들에 내장되어 실시간으로 개인 건강상태를 모니터링 하는데도 사용되면서 이에 대한 수요 또한 연간 수 억 개를 넘어설 것으로 예상됩니다.

게다가 광센서는 현재 존재하지 않는 새로운 시장이인데다, 센서칩 자체 시장만도 1조 원을 넘으며 그 응용 및 관련 신규 시장 창출 규모는 2015년 수 조 원을 훨씬 넘을 것으로 예상됩니다.

나노종합팹센터는 최근 공정불량을 최소화해 웨이퍼 수준에서 99% 이상의 제품이 구동하는 성과를 올렸으며, 이를 토대로 성공적인 양산 체계를 위한 제반 환경과 여건을 지속적으로 지원키로 했습니다.

나노종합팹센터&(주)나노람다 공동개발 플라즈모닉 광센서

 용  어  설  명

나노플라즈모닉스 :
빛(포톤)이 나노사이즈의 구조를 가진 금속 표면에 있는 자유전자와 상호작용(공진)하여, 빛 에너지가 자유전자 그룹의 표면파 에너지로 바뀌는 현상으로, 기존의 광학 성질과는 판이하게 다른 새로운 나노광학 분야이다.
전자학이 가지고 있는 물리적 한계(속도)를 극복할 수 있는 포스트 전자학으로 광범위한 응용분야에서 다양한 연구되고 있다.

나노옵틱필터어레이 :
나노플라즈모닉스 분야중 빛의 파장을 선택적으로 처리할 수 있는 파장 필터 기능을, 아주 작은 면적 안에 수백 수천 종류를 어레이 형태로 만든 구조