우리얘기

그러나 수소 생산에 있어 태양에너지를 활용한 연구는 지금가지 태양전지 패널로 전기를 만드는 방법이 대부분으로, 이는 야간에는 발전이 불가능하고, 날씨와 계절적인 요인의 영향을 받는 등 태생적인 한계가 있는 데다 안정적인 에너지원으로 활용하기에는 어려운 것 등 발전과 저장, 운반에 문제가 있었습니다.

이 같은 단점을 극복하고 실리콘 나노선을 활용해 햇빛으로 물을 분해해서 수소를 효율적으로 생산하는 녹색기술이 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

명지대 황성필 교수와 계주홍 석사과정생(공동1저자) 등이 참여한 연구팀은 실리콘웨이퍼에 나노선을 만들어 햇볕을 쬐면 나노선이 태양에너지를 활용해 물을 분해, 기존의 평평한 실리콘 판에 비해 수소 발생량이 획기적으로 증가함을 밝혀냈습니다. 

황 교수팀은 물을 분해하면 수소가 발생한다는 점에 착안하여 실리콘 나노선을 이용해 태양에너지를 수소에너지로 직접 변환시키는 연구를 진행했습니다.

연구팀은 실리콘웨이퍼를 금속촉매무전해식각법으로 저렴하면서도 간단하게 100nm 두께와 20μm길이의 실리콘 나노선이 수직으로 밀집된 구조물을 만들었습니다.

이 구조물은 태양에너지를 받아 활성화된 전자가 실리콘 표면까지 도달하는 거리를 단축시킴으로서 전자 소실량을 최소화하면서 수소 발생량을 획기적으로 증가시키는 역할을 합니다.

백금나노입자를 가진 실리콘 나노선의 광물분해 반응을 통한 수소발생의 모식도

(A) p형 실리콘웨이퍼를 금속촉매무전해식각(metal catalyzed electroless etching)하여 제조한 실리콘 나노선들의 SEM사진 (b) 물분해반응의 촉매로 백금(Pt)을 도금하였을 때 실리콘 나노선의 끝부분에 붙은 백금입자를 보여주는 SEM사진

황성필 교수(뒤)가 계주홍 석사과정생과 실리콘 나노선의 수소발생에 관한 순환전압전류법 전기화학측정을 수행하고 있다.

 용  어  설  명

광물분해 (Solar Water Splitting) :
태양에너지를 이용하여 물을 분해하여 수소를 만드는 과정. 태양에너지를 에너지원으로 사용하여 청정하면서도 지속가능한 에너지원으로 주목받고 있음.

금속촉매무전해식각 (Metal-Catalyzed Electroless Etching) :
Silicon이나 Germanium같은 반도체를 화학식각하는 방법 중 하나. Silicon 위에 금속층을 도금한 후 산화제와 불산(HF)이 있는 용액에 담가 실리콘을 녹여내는 과정.
이때 금속표면은 산화제의 환원(reduction)에 촉매(catalyst)로 작용하여 금속/용액 계면에서는 환원반응이 일어나고 이때 형성되는 홀(hole)이 금속/실리콘계면의 실리콘을 산화시키게 되다.
불산(HF)으로 형성된 산화실리콘(SiO2)은 용액으로 식각되면서 금속이 실리콘 바닥으로 내려가는 듯한 식각형태를 보이게 된다.

겉보기반응속도 (Apparent Kinetics) :
화학반응의 속도는 여러 단일단계반응(elementary reaction)중 속도결정단계(rate determining step)에 의해 결정된다.
이렇게 결정된 반응속도는 반응물의 복잡한 수식으로 표현될 수 있는데, 다양한 조건에 따라 근사치(approximation)가 되어 간략한 겉보기반응속도로 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 단위면적당 실리콘 계면에서 물분해반응의 속도는 일정하게 유지되나, 나노구조물로 인해 형성된 넓은 표면적으로 인해 마치 실리콘의 물반응 속도가 빨라지는 현상을 설명하기 위해 겉보기 반응속도라는 용어를 사용하였다.

<연 구 개 요> 화석연료인 석유는 매장량이 제한되어 가격이 점차 증가되는  추세이다. 2040년경으로 예상되는 석유고갈 후에는 수소가 에너지원으로 사용될 것으로 예상되어 수소 경제(hydrogen economy)에 대한 관심이 증대되고 있다. 수소는 물을 전기분해하여 생산하고, 생산된 수소는 전기와 비교하여 상대적으로 보관 및 운송이 간편하며, 연료전지를 이용하여 깨끗하게 전기를 생산할 수 있다. 수소를 발생하는데 있어서 전기를 사용하지 않고 매일 쏟아지는 태양광에너지를 이용한다면 이 수소경제의 지속가능성은 더욱 높아지게 될 것이다. 태양에너지로부터 물을 분해(Solar Water Splitting)하는 다양한 방법들 중 반도체가 빛에너지를 흡수하여 직접 물을 분해하는 방식은 단순하면서도 효율적인 수소발생경로로 주목된다. 물에 담겨진 반도체 물질에 빛을 쪼이면 밴드갭에 의해 반도체가 빛을 흡수해 내부의 전자가 더 큰 에너지를 가진 전자로 활성화된다. 활성화된 전자는 물과 반도체의 계면(interface)으로 이동하여 물을 환원시켜 수소를 발생하게 된다. 그러나 반도체가 흡수하는 광에너지의 양이 물을 분해하는데 필요한 에너지보다 작고, 반도체에서 물분해반응속도가 느리며, 반도체 내부 깊숙한 곳에서 발생한 활성화된 전자가 계면으로 이동하는 동안 사라지고, 반도체와 물의 계면에서 빛의 반사가 쉽게 일어나 흡수되는 에너지양이 적은 것들로 인해 수소생산의 낮은 효율이 문제로 지적된다. 해결책으로 마이크로선(microwire) 혹은 나노선(nanowire)의 배열(array)이 주목받고 있는데 1) 크기효과(size effect)로 밴드구조에 변화가 가능하고, 2) 물과 접촉된 면적이 커서 겉보기속도가 빨라지고, 3) 활성화된 전자가 계면으로 이동하는 경로가 짧으며, 4) 빛의 파장과 유사하거나 작은 구조물의 경우 빛의 반사도를 줄일 수 있기 때문이다. 반면 넓은 표면적은 2번의 장점을 주는 좋은 효과와 동시에 발생된 전자의 밀도를 줄여 개방전압(open-circuit voltage)은 줄이는 단점이 동시에 존재하여 나노구조 보다는 마이크로 구조가 적합할 것으로 예상이 되어왔다. 연구팀은 지구상에 많이 존재하는 원소이며 반도체 산업으로 관련기반이 잘 구축되어 있는 실리콘 물질로 나노구조물을 제조하여 이런 문제를 해소하고자 하였다. 일반적인 p형 실리콘 웨이퍼에 금속촉매무전해식각(metal catalytzed electroless etching)을 이용하여 실리콘 나노선을 제조하였다. 금속촉매무전해식각법은 일반적인 리쏘그래피에서 필수적인 마스크(mask)없이 1) 금속이온과 실리콘의 자발적 반응에 의한 용액 중에서의 금속 나노입자 생성과 2) 금속나노입자를 촉매로 활용한 실리콘식각의 2단계로 진행되어 넓은 면적위에 100 nm의 두께와 20 μm의 길이의 실리콘나노선을 쉽고 간편하게 용액 중에서 제조하였다. (Wet chemistry) 위 그림 처럼 제조된 나노선은 실리콘 기판에 수직으로 배열(array)된 구조로 전도성 물질에 따로 고정할 필요가 없이 그대로 전극으로 사용할 수 있다. 제조된 실리콘 나노선의 물분해 반응속도를 빠르게 하기 위하여 백금나노입자를 나노선 위에 제조하여 효율을 높일 수 있었다. 제조된 나노선 배열의 광물분해 효과 중 수소가 발생하는 photocathode 특성을 확인하기 위하여 전기화학적 방법이 사용되었다. 최적화된 pH=1의 물속에서 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)에 대한 순환전압전류법(cyclic voltammetry)을 이용하여 수소발생에 외부에서 가해 주어야 하는 전압을 측정하였다. 이 때 전압을 가해야 환원반응이 생기므로 더 양의(+)전압에서 전류가 흐르는 것으로, 수소발생의 효율을 측정하였다.  그림의 그래프는 측정된 결과로 일반적인 평판 실리콘에 비교하여 더 양의 전압에서 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그 원인을 밝히기 위하여 측정을 수행하여 실리콘 나노선이 넓은 표면적을 가지며, 다른 산화환원분자(methyl viologen)에 대해서도 광전압이 큰 것으로 페르미레벨에 변화가 있음을 밝힐 수 있었다. 순환전압전류법(cyclic voltammetry)를 이용하여, (a) 수소발생에 대한 광촉매특성 (b) methyl viologen의 산화환원반응에 대한 광전압특성을 관찰한 결과. (a)의 결과는 전류가 발생하기 시작하는 전압인 onset voltage가 양의 전압을 가져 실리콘 나노선에 의한 광물분해반응중 수소발생이 일반적인 실리콘보다 우월함을 보여주고 있다. 실리콘 나노선이 수소발생에 효율적인 이유 중 하나인 광전압(photovoltage)을 다른 화학반응을 이용하여 측정한 결과 (b) 일반적인 실리콘 보다 큰 광전압이 관찰되었다. 본 연구를 통해 밝혀진 실리콘 나노선의 우수한 수소생산특성은 다음과 같다. 1) 나노구조로 인한 넓은 표면적을 가져, 물분해에 대한 겉보기 속도(apparent kinetics)가 빨라지는 효과가 확인되었다. 한편 넓은 표면적으로 인해 예상되던 낮은 개방전압으로 효율이 떨어질 것으로 예상되었으나, 측정된 개방전압은 더 높아져 효율이 훨씬 높은 광전극으로 작동함을 확인하였다. 2) 전기화학적인 측정을 통해 실리콘 나노선의 밴드구조는 실리콘웨이퍼의 밴드구조와는 차이가 있음을 확인하였다. 3) 빛의 파장보다 짧은 나노구조물로 인해 실리콘/물 계면에서 빛이 반사되는 정도가 확연히 줄어든다. 4) 광물분해(solar water splitting)반응에 대한 광전압이 0.42 V로 지금까지 보고된 실리콘 기반 촉매 중 가장 높은 광전압값을 보여주었다. 실리콘 나노선의 높은 광수소 발생 효율은 넓은 표면적, 크기효과로 인한 에너지구조 변화, 낮은 반사율 등의 나노구조의 특징을 이용하여 청정에너지인 수소의 광반응 효율을 높일 수 있다는 것을 보여주었으며, 이는 나노과학을 탐구하여 지속가능한 에너지원인 태양에너지로부터 청정에너지인 수소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

미래 에너지 기술인 핵융합에너지 개발 방식은 크게 토카막 형태의 자기 밀폐 핵융합과 레이저 핵융합이 있습니다.

우리나라는 국가핵융합연구소에서 운용중인 KSTAR를 이용한 자기 밀폐 핵융합을 중심으로 연구가 진행되고 있습니다.

레이저 핵융합은 영화 '체인리액션'의 소재로 등장합니다.

반드시 그런 것은 아니지만 자기 밀폐 핵융합은 순수 에너지 발생을 위해 연구되는 반면 레이저 핵융합은 미국 등에서 군사적 목적으로 진행되는 경우가 많습니다. 

한국원자력연구원이 자기 밀폐 핵융합과 레이저 관성 핵융합 등 핵융합의 두가지 방식에 관해 중국과 공동 연구에 착수했습니다.

연구 과제는 '정상상태 운전을 위한 중성입자빔 입사 시스템의 빔 수송에 관한 공동 연구'와 '레이저 관성 핵융합을 위한 고밀도 플라즈마 및 정밀 계측 기술협력 연구' 입니다.

□ 자기 밀폐 방식 핵융합 기술 개발을 위한 '정상상태 운전을 위한 중성입자빔 입사 시스템의 빔 수송에 관한 공동 연구' 과제는 한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터 장두희 박사가 중국 허페이과학원 플라즈마물리연구소 허췬동(Hu Chundong) 박사와 공동 연구를 진행합니다.

자기 밀폐 핵융합은 1억 ℃ 이상의 고온에서 플라즈마로 변한 중수소와 삼중수소를 토카막 자기장을 이용해서 밀폐시켜 핵융합 반응을 지속시키는 핵융합 방식입니다.

이 때 토카막 내부의 온도를 높이는 중성입자빔 입사(NBI; Neutron Beam Injection) 시스템은 수소 양이온 입자들을 높은 전압을 이용해서 빠른 속도로 가속한 뒤 중성화시켜서 핵융합 장치 내부의 플라즈마에 충돌시킴으로써 핵융합이 가능한 섭씨 1억 ℃ 이상까지 온도를 끌어올리기 위한 보조 가열장치 중 하나입니다.

자기 밀폐 핵융합 연구장치로 우리나라는 국가핵융합연구소가 KSTAR를 운영 중이고 중국은 EAST를 운영 중입니다.

한국원자력연구원은 KSTAR용 NBI를 순수 국내 기술로 개발, 지난 2007년 1.6㎿ 빔출력에서 300초 연속 운전에 성공했고, 향후 빔출력을 총 6㎿로 높이는 연구를 할 예정입니다.

중국은 출력 4㎿, 1000초 연속 운전에 도전합니다.

□ '레이저 관성 핵융합을 위한 고밀도 플라즈마 및 정밀 계측기술 협력 연구' 과제는 한국원자력연구원 양자광학연구부 이용주 박사가 중국상해과학원 광학정밀기계연구소 주지안창(Zhu Jianqiang) 박사와 공동 연구를 진행합니다.

중수소와 삼중수소로 이루어진 연료 펠릿에 레이저를 집중시키면 펠릿이 관성에 의해 정지하고 있는 사이에 펠릿 표면에서 주위로 분출하는 플라즈마의 반작용으로 내부 압축이 일어나는데, 압축된 연료에 열핵반응이 생기는 현상을 '레이저 관성 핵융합'이라고 합니다.

한국은 짧은 시간에 강한 에너지를 발생시킬 수 있는 소규모 레이저 장치를 보유하고 있고, 중국은 큰 에너지를 오랜 시간 발생시킬 수 있는 대규모 장치를 보유하고 있습니다.

양국 연구진은 두 장치 기술을 융합해서 고밀도 플라즈마를 제어하는 기술, 플라즈마와 전자의 움직임 등을 측정하는 정밀 계측기술 분야에 대해 서로 협력 연구를 진행할 예정입니다.

ETRI(한국전자통신연구원)가 스마트폰 등에서 한국어와 영어 양방향 자동통역이 가능한 세계 최고 수준의 '휴대형 한·영 자동통역 기술'을 개발했습니다.

이번 기술은 서버형과 단말탑재형 동시지원이 가능한 자동통역 기술로는 세계 최초입니다.

ETRI는 현재 이 시스템을 제주 지역에서 시범서비스 중입니다(2012년 2월까지).

이번에 개발한 기술은 여행 상황에서의 통역률이 80%를 상회하며, 사용자가 음성인식 오류를 수정할 경우 90% 이상의 의사소통도 가능합니다.

특히 현재 최고로 평가받고 있는 구글의 한/영 자동통역 기술보다 대화체 한국어 음성인식률과 한/영 자동번역율(여행 상황)이 구글 대비 각각 15%, 13% 이상의 우위를 나타냈습니다.

스마트폰으로 서버에 원격접속해 통역이 이루어지는 '서버형'은 15만 단어급 이상 인식이 가능하고, 여행관광분야에서 세계최고 수준 자동통역률을 갖고 있습니다.

스마트폰에 내장되어 네트워크 연결없이 자동통역이 되는 '단말탑재형'은 한국어 13만 단어급, 영어 5만 5000 단어급 표현력으로 현재 세계최고인 CMU의 Jibbigo(한국어 3만 단어, 영어 4만 단어)보다 월등히 앞서고 있습니다.

특히 독창적 음성언어 이해기술이 적용돼 사용성이 매우 편리하게 향상된 것이 큰 장점입니다.

휴대형 한·영 자동통역 기술은 곧바로 국민 실생활에 적용할 만큼 기술적 완성도와 상용 수준이 높습니다.

ETRI는 이번 기술을 국내 산업체와 협력해 내년 5월에 열리는 여수세계박람회에 적용하고, 이어 2012년 런던올림픽,  2014년 인천아시안게임, 2018년 평창 동계올림픽에도 적용할 계획입니다.

강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르고(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리 'F램'의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자 'M램'의 필수적인 요소입니다.

KAIST 양찬호 교수와 포스텍 박재훈 교수 연구팀이 상온에서 전기적 성질(강유전성)과 자기적 성질(자성)을 동시에 갖는 새로운 물질인 '다강체'의 물성을 규명했습니다.

이 두가지 이질적인 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생하는 것은 대단히 희귀한 현상이며, 특히 각각의 상전이 온도가 일치한다는 것은 진성(proper) 강유전체에서는 이전까지 발견되지 않았습니다.

이에 따라 현존 저장장치(RAM)의 장점만을 갖는 차세대 비휘발성 메모리 개발에 새로운 가능성을 열었습니다.

연구팀은 다강체(비스무스 철산화물)를 단결정 박막으로 만들 때 발생하는 압축 변형의 결과 강유전 상전이와 자성 상전이가 같은 온도에서 동시에 일어나는 새로운 물질의 상태를 발견했습니다.

T-BFO 박막의 강유전 도메인 구조

T-BFO 박막을 합성하는데 사용한 증착 챔버와 함께 있는 양찬호 교수

 용  어  설  명

강유전체 (Ferroelectrics) 및 유전 분극 (Electric polarization) :
강유전은 전기장을 가하지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리되는 성질이다.
음이온들의 중심과 양이온들의 중심이 공간적으로 서로 벗어나 있을 때, 쌍극자 모멘트가 생성된다.
쌍극자 모멘트는 고전적으로 음이온 중심점에서 양이온 중심점을 잇는 벡터로 표현된다.
쌍극자 모멘트의 방향과 크기는 벡터에 의해 정의된다.
유전 분극은 거시적인 물성으로서 단위 부피 내에 있는 모든 쌍극자 모멘트의 합으로 표현될 수 있다.
쌍극자 모멘트들이 서로 상호 작용하여 같은 방향을 향하고 있다면 전기장이 없는 상태에서도 유전 분극이 큰 값을 가질 수 있는데, 이러한 현상을 강유전성이라 부르고, 강유전성 현상을 보이는 물질을 강유전체라고 일컫는다.  
 
자성체 (Magnetic materials) :
자성체란 물질의 구성 요소로 자기 이온이 함유되어 있는 물질을 통칭하나, 좁은 의미로는 자기 모멘트가 질서를 이루고 있는 물질을 말한다.
모든 자기 모멘트들이 같은 방향을 향하고 있다면 강자성체라고 부르며, 반대 방향을 향하는 두 모멘트가 질서를 이루는 경우 반강자성체라고 부른다.
 
상전이 온도 (Phase transition temperature) :
물질이 가지는 물성의 상태를 상(phase)이라고 부르고, 이러한 상이 특정 온도에서 바뀌기도 하는데, 이 온도를 상전이 온도라 부른다.

다강체 (Multiferroics) :
일반적으로 두 가지이상의 강성(ferroic) 질서를 가지는 물질을 일컫는데, 현재는 주로 강유전성과 (반)강자성이 공존하는 물질을 통칭한다.

금속표면의 산화막을 효과적으로 제거하기 위한 일반적인 방법으로는 솔벤트가 다량 함유된 로진이라 불리우는 플럭스를 사용합니다.

그러나 플럭스는 공정 후 액체 상태로 존재함은 물론 공정상 여러 문제를 발생시킵니다.

ETRI가 모든 방향으로 전기가 통하는 접착제(ICP)의 대표적 소재 '은'을 주성분으로 하는 실버 페이스트를 대체할 수 있는 '하이브리드 구리 페이스트(HCP)'를 개발했습니다.

이번 개발은 구리분말과 솔더분말, 그리고 플라스틱 접착제의 혼합이 적용돼 솔벤트를 다량 포함하고 있는 기존의 플럭스를 사용하지 않고 금속표면에 형성되어 있는 산화막을 제거할 뿐 아니라 동시에 잔여액체가 고체로 변환이 가능한 고분자 소재입니다.

하이브리드 구리 페이스트용 고분자 소재는 공정 중 금속표면에 산화막을 효과적으로 제거함과 동시에 공정 후에는 고체 상태로 변화되어 오염물질이 발생하지 않고 금속 주위를 효과적으로 보호하여 고신뢰성을 보여줍니다.

이번 연구를 통해 개발된 저가형 ICP인 하이브리드 구리 페이스트(HCP)는 PCB 기판의 핵심재료로 활용될 뿐만이 아니라 전 산업영역에 적용이 가능할 전망입니다.

ETRI는 이번 개발로 수백 억 원의 수입대체 효과와 함께 소재 기술 독립을 이루는 계기가 될 것으로 보고 있습니다.

이와 과련해 국내 및 국제특허 3건이 출원됐습니다.

 용  어  설  명

ICP :
Isotropic Conductive Paste, 모든 방향으로 전기가 통하는 접착제

HCP :
Hybrid Cu Paste, 하이브리드 구리 페이스트

다이 본딩용 :
반도체 칩 접착제용

빛의 혁명을 주도하고 있는 LED는 반도체에 전류를 흘려주면 빛을 내는 성질을 이용한 반도체 발광 소자로 조명, TV, 각종 표시장치 등에 널리 활용되고 있습니다.

일반적으로 조명에 주로 사용되는 백색 LED는 청색 LED칩 위에 노란색 형광체를 도포하거나 또는 복잡한 회로를 이용해 여러 개의 LED칩을 동시에 구동해야 백색 빛을 낼 수 있습니다.

KAIST 물리학과 조용훈 교수팀이 나노미터 크기의 육각 피라미드 구조를 적용한 LED 소자에서 다양한 색깔의 빛을 낼 수 있는 현상을 규명했습니다.

조용훈 교수팀은 반도체에 매우 작은 육각 피라미드 구조를 만들고 LED 소자를 구현해 전류를 흘려주면 육각 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 다른 에너지 크기를 갖는 복합구조가 형성된다는 현상을 발견했습니다.

위치에 따른 에너지 차이로 인해 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 청녹색, 노란색, 주황색의 빛이 발생했는데 이러한 특성은 백색 LED 뿐만 아니라 다양한 빛을 낼 수 있는 가능성을 보여준 것입니다.

조용훈 교수팀은 하나의 작은 피라미드 구조의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 청녹색, 노란색, 주황색의 빛이 발생함을 직접적으로 보였는데, 이는 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에 서로 다른 차원의 양자역학적인 구조인 양자우물, 양자선, 양자점이 각각 형성되기 때문입니다.

양자우물, 양자선, 양자점은 각각 2차원, 1차원, 0차원 양자구조로서 서로 다른 파장을 갖는 가시광 대역의 빛을 방출하게 되고, 이들 양자구조의 차원이 낮아질수록 높은 발광효율을 보이는 특성이 있습니다.

(상) 전류 구동에 의해 발광하는 나노 피라미드 LED 개념도 및 LED 발광 사진. (하) 나노 피라미드의 위치에 따라 서로 다른 차원을 갖는 양자 구조에서 다른 파장의 빛이 방출됨을 보이는 고해상도 발광 이미지.

이번 연구결과는 재료 분야의 세계적 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 12월호 표지 논문으로 선정됐습니다.

복합 양자구조를 가지고 있는 나노 피라미드 LED가 전류 구동으로 발광되는 개념도. (12월 1일자 Advanced Materials 표지 논문 그림)

이번 연구에는 KAIST 물리학과의 고영호(1저자) 및 김제형(2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 참여했습니다.

 용  어  설  명

나노미터(Nano meter) :
10억분의 1 미터를 나타내는 단위로 1 나노미터는 대략 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당된다.

파장(Wavelength) :
전자기파나 음파 등의 파동에 있어서 1주기 길이를 말하는 것으로, 빛의 색상은 파장에 의해서 결정된다.
청색은 440~500 nm, 청녹색은 500~520 nm, 녹색은 520~565 nm, 노란색은 565~590 nm, 주황색은 590~625 nm, 빨간색은 625~740 nm의 파장에 해당한다.

UST 한국해양연구원 캠퍼스 강성균 교수팀의  '해양 초고온 고세균(NA1 ; 써모코커스 온누리누스) 이용 바이오수소 생산기술 개발' 연구가 '2011 국가연구개발 우수성과 100선' 생명 해양 분야에서 최우수 성과로 선정됐습니다.

이 연구는 단일 미생물이 수소를 생성함과 동시에 생체에너지를 만들어 증식하는 것이 가능하다는 사실을 세계 최초로 밝혀낸 것으로, 지난 해 9월 네이처지에 게재됐습니다.

이와 관련해 현재 실용화 기술을 개발 중이며, 높은 효율로 수소를 생산해 경제성이 높고 고세균이 먹이로 하는 일산화탄소의 저감을 이끌어내어 환경문제 해결에도 기여할 것으로 평가받고 있습니다.

이 연구팀에는 UST 교수 6명, 박사과정 학생 2명이 참여했는데, 이중 배승섭 학생이 공동 1저자로 참여해 주목받았습니다.

이와 함께 UST(과학기술연합대학원대학교) 소속 교수와 학생들이 이룬 연구성과 7건이 국가과학기술위원회와 한국과학기술기획평가원이 발표한 '2011국가연구개발 우수성과 100선'에 선정됐습니다.


<UST 우수성과>

▲ 지상시설물용 USN 패키지 : UST 한국건설기술연구원 캠퍼스 / 류승기 교수

▲ 항암성 인자 TGFβ에 의한 간암촉진의 작용원리 규명 : UST 한국생명공학연구원 캠퍼스 / 염영일 교수

▲ 사용후핵연료의 환경친화적 처리를 통한 우라늄 및 초우라늄 회수 전해제련장치 개발 : UST 한국원자력연구원 캠퍼스 / 안도희 교수

▲ 안경 없이 편안하게 입체 영상 및 음향을 즐길 수 있는 3D DMB 방송 : UST 한국전자통신연구원 캠퍼스 / 김진웅 교수

▲ 분자기계인 론 단백질 작동 기작 규명 : UST 한국해양연구원 캠퍼스 / 차선신 교수

▲ 에너지 절약형 초다공성 하이브리드 나노세공체 개발 : UST 한국화학연구원 캠퍼스 / 장종산 교수

지난해 말 백두산에서 화산가스가 분출되는 장면이 인공위성 영상에 포착된 이후 백두산 화산 폭발 임박설이 확산되고 있습니다.

학계은 화산재 탄소연대측정 등을 통해 백두산의 마지막 분출이 929~945년 즈음 있었던 것으로 추정하고 있는데, 당시와 같은 규모의 화산 폭발이 일어나면 70만㎢에 이르는 면적에 피해를 줄 것으로 예측하고 있습니다.

12월 13일 대전컨벤션센터(DCC)에서 개최된 한국항공우주연구원 주최 국제우주연맹(IAF) 아시아-태평양 지역 총회에서 백두산 분출에 대한 분석 보고서가 발표되 눈길을 끌었습니다.

이번 총회 중 마련된 특별 컨퍼런스에서 윤성효 부산대 교수는 ‘백두산 화산의 불안정 상태’를 주제로 최근들어 활발해지고 있는 백두산의 이상 활동을 분석 내용과 분화 가능성에 대해 발표했습니다.

윤 교수는 “우리 민족의 영산인 백두산 천지 일원에서 2002년에서 2005년까지 지하 마그마의 관입에 의한 화산성 지진의 급증 및 비정상적인 지표 변형이 발생했다”고 발표했습니다.

중국 지진국 자료를 분석한 결과 백두산의 화산구조성 지진 규모가 2002년 7월부터 갑자기 급증하고 지진발생 빈도도 한 달에 수십 회에서 수백 회로 증가했으며, 하루에 백 여 회의 지진이 발생하기도 했다고 설명했습니다.

◆잦은 지진, 마그마 이동 추정

백두산 지진 빈도수는 2003년 2100여 건, 2004년에는 2600여 건, 2005년에는 540여 건이나 됩니다.

특히 이 기간에 발생한 지진은 백두산 천지 지하부에서 발생한 화산구조성 지진으로, 주파수 대역이 대체로 5Hz 또는 5~10Hz의 범위에 속합니다.

이 같은 지진 특성은 화산구조성(VT-B) 지진과 장주기(LP) 지진으로, 지하 3~5km에 위치한 마그마방 상부의 균열과 마그마의 관입에 기인하는 것으로 해석됩니다.

실제 화산에서 미진(微震)과 함께 나타나는 장주기의 지진은 마그마나 고온의 열수의 이동과 연관돼 있고, 그 주파수는 1-5Hz로 보고되고 있습니다.

GPS 관측자료에서도 화산 폭발 징후가 나타나고 있습니다.

2002년~2009년 GPS관측 결과 백두산 천지 칼데라 정상부를 중심으로 화산체가 팽창하는 것이 감지됐습니다.

◆백두산 팽창 감지, 화산가스에 나무 고사하기도

백두산 화산체 사면에서의 정밀수준 측량에 의한 경사각의 변화로부터 수직적 팽창 또한 최대 10㎝ 이상의 변위를 보였고, 수직변위와 수평 변위 모두 2006년도 이후 변화율은 다소 감소하는 추세를 보이나, 여전히 불안정한 상태라는 것이 윤 교수의 설명입니다.

또 온천에서 채취된 화산가스로부터 분석된 헬륨 동위원소비(3He/4He)의 높은 값은 이들 가스들이 맨틀로부터 유래된 것임을 나타냅니다.

천지 주변의 온천수 온도가 69℃에서 점진적으로 증가해 최대 83℃까지 오르기도 했습니다.
 
윤 교수는 “그간 비교적 큰 규모의 지진에 의한 산사태, 암벽붕괴, 화산가스에 의한 나무의 고사 등이 관찰됐고, 올해 여름 천지 칼데라 외륜산의 절벽으로부터 수차례의 암벽붕괴도 발생했다”며 “이런 모든 현상들이 백두산 천지화산이 불안정한 상태에 있으며, 잠재적으로는 충분하게 분화 가능성이 있다는 것을 보여주는 것”이라고 설명했습니다.

윤 교수는 이에 대비해 강력한 화산 감시 모니터링과 화산재해 경감을 위한 사전 방재대책이 필요한 단계라고 지적했습니다.

이와 관련해 기상청은 지난해부터 백두산 분화에 대비한 선제적 대응전략을 수립하는 한편 기상청-소방방재청-교육과학기술부에서 각각 화산분화 감시 및 예보, 화산재해 방재 대책 수립, 그리고 거대화산에 대한 학술적 연구 및 인력 양성을 위한 연구에 들어간 상태입니다.

□ 나노물질은 크기가 10억 분의 1m로 너무 자기때문에 위치를 옮기거나 제어하는 것이 쉽지 않습니다.

최근 강한 레이저 빛을 쏘면 나노물질이 레이저 빛에 달라 붙어 레이저 빛과 함께 움직일 수 있는 광포획 원리가 밝혀지면서 나노물질을 제어할 수 있는 가능성을 열었습니다.

그러나 레이저 광포획은 나노물질을 제어하기 위해서는 매우 강한 레이저 빛이 필요한데, 강한 레이저 빛 때문에 나노물질이 쉽게 부서지거나 손상을 입는 문제가 있습니다.

이를 해결하기 위해 금속 나노구조체를 이용해 나노물질을 이동하는 방법이 고안됐지만, 여전히 나노물질에 손상을 입힐 뿐만 아니라 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질은 제어할 수 없는 한계에 봉착했습니다.

□ 고려대 박홍규 교수와 강주형 박사, KAIST 서민교 교수 등이 주도한 연구팀이 빛을 이용해 나노-바이오 물질을 자유자재로 집어 원하는 곳으로 옮길 수 있는 나노 광(光)집게를 개발했습니다.
 
이번 신기술은 굴절률이 낮은 나노-바이오 물질을 제어할 수 없었던 기존의 나노 광집게의 한계를 극복해 모든 나노-바이오 물질을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 나노 광집게입니다. 

연구팀은 적외선 영역의 빛을 강하게 한 점으로 모아 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 새로운 나노안테나를 개발했습니다.

나노안테나는 금속 나노구조의 가장자리에 빛을 강하게 집속할 수 있는데, 이 특성을 이용하면 굴절률이 높은 나노물질은 금속 나노구조의 가장자리로, 굴절률이 낮은 나노물질은 금속 나노구조의 중앙으로 포획할 수 있는 원리입니다.

(위) 나노 광집게 장치를 보여주는 모식도. 구슬 모양의 나노 물질이 노란색의 금속 나노안테나 주위로 모이고 있다. (아래) 실제 금으로 제작된 나노안테나(왼쪽)와 나노안테나 주위로 빛이 집속되는 형태를 보여주는 계산 결과(오른쪽).

박홍규 교수(앞줄 가운데)와 고려대 극미세 나노선 광소자 연구단의 멤버들.

 용  어  설  명

표면 플라즈몬(surface plasmon) :  
일반적으로 빛은 회절 한계에 의하여 파장보다 작은 크기로 집속할 수가 없다.
하지만 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장 이하의 작은 영역에서도 빛을 집속할 수 있다.
표면 플라즈몬이란, 빛과 전자가 결합되어 금속 표면을 따라 집단적으로 진동하는 파동을 말한다.
표면 플라즈몬을 이용하면 나노미터 수준의 미세한 영역에서 빛을 강하게 증폭시킬 수 있다.

나노 광(光)집게 :  
나노 광소자를 이용하여 빛을 강하게 구속시켜서 나노물질을 광포획하는 장치.
기존 광집게에 비하여 약한 빛으로도 나노물질을 포획할 수 있어 높은 효율을 가진다.
또한 기존의 광집게는 빛을 렌즈로 모아서 나노물질을 포획하는 방식이므로 집적화 및 바이오-유체 칩에 사용하기에는 한계가 있다.
그러나 나노 광집게의 경우에는 나노미터 크기의 작은 소자 자체가 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하므로 외부에 렌즈나 빛을 모아주는 장치가 따로 필요하지 않고 바이오-유체 칩에 바로 집적화가 가능하기 때문에, 앞으로 많은 기대 가치가 있는 분야이다.