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양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발
- 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점을 형성해 고효율 단광자 광원 개발 -- 단파장 가시광선 대역에서 작동하는 초고속 반도체 양자 광원 연구 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다.
연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 "사이언티픽 리포트(Scientific Reports)" 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계가 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.
이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.
이와 함께 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.
이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.
조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성하여 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. (왼쪽) 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진. (오른쪽) 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.
그림2. (왼쪽) 오벨리스크형 나노구조와 기존 평면 박막 구조에 내재된 양자점을 비교한 개념도. (오른쪽) 오벨리스크 나노구조 끝에 형성된 단일 양자점에서 방출되는 좁은 선폭의 스펙트럼과 광원의 양자화 정도와 빠른 단광자 방출 속도를 나타내는 2차 광자 상관 관계 그래프.
2013.07.22 조회수 16652 -
휘어지는 고집적 반도체회로 구현
- 차세대 유연 스마트기기의 두뇌 상용화 길 열어 -
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 입는 컴퓨터 및 플렉시블 디스플레이에서 가장 핵심적인 역할을 하는 유연한 고집적회로(LSI)를 구현하는데 성공했다.
자유롭게 휘어지는 스마트폰과 컴퓨터를 제작하기 위해서는 높은 집적도의 반도체회로, 즉 모바일 기기의 두뇌인 애플리케이션 프로세서(AP), 고용량 메모리 및 무선통신소자의 유연화가 필수적이다.
지금까지 플렉시블 디스플레이 구동에 필요한 박막트랜지스터(TFT)와 여러 유연소재들을 개발하는 연구는 활발히 진행되고 있다. 그러나 수천 개 이상의 고성능 나노반도체를 연결해 대량의 정보를 처리하고 저장할 수 있는 유연 고집적회로를 제작하지 못했다. 따라서 전체가 자유자재로 휘어지는 유연한 스마트기기 등 입을 수 있는 컴퓨터의 상용화에 어려움이 있었다.
이건재 교수팀은 고집적 무선통신소자를 단결정 실리콘에 형성한 뒤 100nm(나노미터) 두께의 매우 얇은 실리콘 칩의 회로를 뜯어내 플라스틱 기판위에 안정적으로 옮김으로써, 자유자재로 구부릴 수 있는 반도체회로를 구현했다.
이건재 교수는 “이번에 나노두께의 얇은 실리콘 소재로 개발한 반도체회로는 유연하면서도 고집적 고성능을 유지할 수 있고, 곧 상용화될 플렉시블 전자소자에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 인체 친화적 유연한 액정폴리머 소재위에 구현하였기 때문에 인체내부의 좁고 굴곡진 틈에 삽입할 수 있어서, 최근 미국 FDA가 승인한 인공망막의 통신 및 정보처리 기기에 적용하는 등 삶의 질을 향상시키는 데에도 기여할 수 있을 것이다"라고 말했다.
또한 이번 연구의 공저자로 참여한 KAIST 전기및전자공학과 이귀로 교수(나노종합기술원 원장)는 “이번성과는 세계 500조 규모의 반도체 및 디스플레이 시장에서 휘어지는 유연 고집적 회로로 패러다임이 바뀌는 시기에 개발된 핵심 원천기술”이라며 “향후 상용화를 위한 정부의 지원이 뒷받침 된다면 세계 시장에서 앞서가고 있는 한국 스마트폰, 반도체, 디스플레이 산업을 한 단계 더 업그레이드시켜 미래 먹거리로써 창조경제에도 이바지할 수 있을 것”이라고 평가했다.
이건재 교수는 현재 나노종합기술원, 한국기계연구원과 공동으로 이번 연구 결과물인 고집적 유연 반도체 회로를 롤투롤(Roll-to-Roll) 방식으로 양산하는 연구를 계획하고 있다.
한편, 이번 연구는 미국 화학회가 발행하는 나노과학기술(NT) 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano 4월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
휘어지는 고집적 반도체회로의 모습(좌), 얇고 유연한 고집적 통신소자를 적용한 인공망막의 모습(우)
유튜브 링크:http://www.youtube.com/watch?v=5PpbM7m2PPs&feature=youtu.be
2013.05.07 조회수 16502 -
고효율 유기박막태양전지 개발
- 플라즈모닉 현상 이용해 유기박막태양전지 광효율 20% 향상 -- 효율 증가원인 규명해 응용분야 발전 기대 -
금속나노입자의 플라즈모닉 효과를 이용해 유기박막태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다.
우리 학교 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 유기박막태양전지의 효율을 20% 증가시킬 수 있는 기술을 개발하고, 플라즈모닉 현상으로 인한 효율 증가의 원인을 처음으로 규명했다.
이 기술은 유기박막태양전지 제작 방법에 상관없이 추가로 효율을 20% 높일 수 있어 유기박막태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
현재 양산중인 실리콘 반도체 기반 태양전지는 아직까지는 경제성이 낮다. 이에 따라 이를 대체하기위해 보다 저렴하게 제작할 수 있다고 알려진 유기박막태양전지의 효율을 높이기 위한 연구가 전 세계적으로 많이 수행되고 있다.
유기박막태양전지는 고분자 유기물 기반으로 제작된 태양전지로 가볍고, 유연하며, 저렴한 비용으로 제작이 가능해 차세대 태양전지로써 각광받고 있다. 그러나 빛을 흡수할 수 있는 층이 수십 나노미터(nm) 수준으로 매우 얇기 때문에 낮은 광변환 효율을 나타내 상용화에 어려움을 겪고 있었다.
이 교수 연구팀은 기존 유기박막태양전지에 10~100nm로 다양한 크기의 금속나노입자를 적용해 유기박막태양전지의 광흡수율을 증가시킴으로써 광변환 효율이 6.4%에서 7.6%로 약 20% 향상되는 결과를 얻었다. 또 7.9% 태양전지는 8.6%로 향상된 결과를 나타냈다.
금속나노입자를 유기박막태양전지에 적용해 효율이 증가하는 것을 규명한 연구가 이전에 수행된 적은 있지만 효율증가의 원인은 정확하게 밝혀지지 않았다.
연구팀은 유기박막태양전지에 도입된 금속나노입자의 플라즈모닉 빛 전방 산란 특성으로 인해 크기가 커질수록 효율이 증가하다가 약 70nm 크기에서 가장 큰 효율 향상을 보이는 것을 이론 및 실험적으로 증명했다.
이정용 교수는 이번 연구에 대해 “금속나노입자의 플라즈모닉 산란 특성을 조절한 광공학 설계의 가능성을 확인했다”며 “저렴한 용액 공정으로 나노입자를 합성 및 적용했기 때문에 대면적 태양전지 모듈 제작에도 쉽게 적용이 가능하다”고 말했다.
이 교수는 또한 “이번 연구로 밝혀낸 기술을 이용하면 유기박막태양전지의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이정용 교수가 주도하고 백세웅 박사과정 학생이 참여한 이번 연구 성과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’의 4월 25일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 기존 유기박막태양전지(검은 사각형)과 금속나노입자를 도입한 유기박막태양전지(빨강 원)의 전류밀도–전압 특성 곡선. 광변환 효율이 6.4% -> 7.6%, 7.8% -> 8.6%로 증가한 것을 알 수 있다.
그림2. 유기박막태양전지의 구조 및 도입된 약 70나노미터 수준의 은 나노입자의 전자현미경 사진.
2013.04.29 조회수 15257 -
휘어지는 대용량 반도체 원천기술 개발
- KAIST 김상욱 교수, 세계 최고의‘분자조립’기술력 활용해 휘어지는 대용량 반도체 원천기술 확보 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 원하는 형태로 분자가 스스로 배열하는 ‘분자조립’ 기술을 활용해 유연한 그래핀 기판 위에 양산중인 반도체 패턴의 최고 수준인 20nm(나노미터)급 초미세 패턴을 구현하는데 성공했다.
이번 기술 개발로 향후 유연하게 휘어지면서도 많은 양의 데이터를 저장할 수 있는 반도체를 구현할 수 있어 고성능 플렉시블 전자기기 개발에 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 연성소재의 특성을 이용해 초미세 패턴을 형성하기 어려운 3차원 굴곡진 기판에서도 자유롭게 구현하는데 성공, 다양한 응용소자에 활용할 수 있는 것은 물론 화학 반응으로 물질을 섞어주기만 하면 원하는 형태로 스스로 배열해 고가의 장비가 필요하지 않아 반도체 제작비용이 훨씬 저렴해질 것으로 전망된다.
이번 연구의 핵심 기술인 ‘분자조립’이란 플라스틱, 액정, 생체분자 등과 같이 딱딱하지 않고 유연한 연성소재의 고분자를 원하는 형태로 스스로 배열하게 해 기존에 만들기 어려웠던 작은 나노구조물을 효율적으로 만드는 기술이다. 마치 물과 기름이 서로 섞이지 않는 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 상분리되어 섞이지 않는다는 점을 이용하는 것이다.
연구팀은 기계적 물성이 우수하고 원하는 기판에 쉽게 옮길 수 있는 그래핀 위에 ‘블록공중합체’라는 분자조립기술을 통해 초미세 패턴을 형성한 후, 이를 3차원 기판 혹은 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PDMS(폴리디멜틸실론산) 등과 같은 플렉시블 기판에 옮겨 자유롭게 3차원 혹은 플렉시블 기판에 구조물을 구현했다.
김상욱 교수는 이번 연구에 대해 “지금까지 발표된 휘어지는 반도체는 온도에 취약한 플라스틱 기판을 사용해 극한 공정조건을 극복해낼 수 없어 상용화에 어려움이 많았다”며 “이번 기술은 기계적 물성이 우수한 그래핀을 회로 기판으로 적용하는 데 성공한 획기적인 연구성과”라고 말했다.
김 교수는 이어 “이번 연구에 대해 세계적으로 많은 관심을 받아 3월 20일 열리는 미국 물리학회에서 초청 강연을 할 예정”이라며 “이번에 개발한 원천기술을 바탕으로 후속 연구를 진행해 반도체 회로와 같이 복잡한 회로의 설계에 도전할 것”이라고 포부를 밝혔다.
한편, 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 다차원 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 3월 6일자에 실렸다.
그림1. 제작공정
1. 스핀 코딩이라는 도포법을 사용해 그래핀 박막을 형성
2. 그래핀 박막 위에 블록공중합체를 형성
3. 블록공중합체을 식각 또는 패턴 전사법을 통해 나노 구조를 형성4. 그래핀을 전사층으로 활용해 다양한 기판에 나노 구조를 형성
그림2. 블록공중합체 분자조립기술
블록공중합체 분자조립기술은 물과 기름이 서로 섞이지 않은 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 섞이지 않는다는 점을 이용한 기술이다. 물과 기름의 경우, 서로 섞이려고 하지 않는 물질이기 때문에, 물과 기름은 혼합하게 되면, 물을 물끼리 어울려 덩어리 지고, 기름은 기름끼리 어물려 덩어리가 지게 된다. 하지만, 물과 기름이 서로 떨어질 수 없게끔 결합이 되어 있다고 가정하면, 다른 현상이 예상된다. 동일하게 물은 물끼리 있으려 하고 기름은 기름끼리 있으려고 하지만, 물 옆에는 결합된 기름이 있게 된다. 따라서 물과 기름의 거대한 두 덩이리가 형성되는 것이 아니라, 매우 미세하게 물과 기름이 번갈아가면서 형성되게 된다. 동일하게 블록공중합체에서는 화학적으로 서로 다른 고분자가 공유 결합이라는 쉽게 깨지지 않은 결합을 통해 연결되어 있다., 따라서, 결합된 물과 기름에서와 동일하게 미세한 크기의 상분리가 일어나게 된다. 이러한 구조의 크기는 대개 고분자의 크기에 의해 결정되면, 머리카락 크기의 1/10000 수준으로 매우 미세하며 주기적인 패턴을 형성하게 된다. 패턴의 형태는 서로 다른 고분자의 비율에 따라 구, 원통형, 판형 등으로 나타난다.
그림3. 플렉시블 기판 상에 옮겨진 금 나노 구조체
2013.03.12 조회수 15832 -
그래핀의 기계적 특성 세계 최초로 규명
- KAIST 박정영·김용현 교수 연구팀, 그래핀의 마찰력 제어기술 개발과 나노수준 마찰력이론 정립 -
- 나노분야 권위지 나노 레터스 6월 21일자 온라인판 게재 -
우리 대학 연구진이 차세대 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀의 기계적 특성을 밝히고 제어하는 데 성공했다.
우리 학교 EEWS대학원 박정영 교수가 나노과학기술대학원 김용현 교수와 공동으로 하나의 원자층으로 이루어진 그래핀을 불소화해 마찰력과 접착력을 제어하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
원자단위에서 그래핀에 대한 마찰력의 원리를 규명하고 제어하는 데 성공한 것은 이번 연구가 세계에서 처음인데 앞으로 나노 크기의 로봇 구동부 등 아주 미세한 부분의 윤활에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하면서도 구부려도 전기전도성이 유지돼 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자소자는 물론 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 ‘꿈의 신소재’로 불린다.
또 강철보다 200배 이상 강한 물성을 갖고 있어 기계 분야에도 응용가능성이 매우 높은 반면 마찰력과 접착력 등과 같은 기계적 성질에 대해서는 몇 가지 미해결 과제로 남아있었는데 이번 연구를 통해 상당부분 해소될 수 있을 것으로 전망된다.
박 교수 연구팀은 그래핀을 플루오르화크세논(XeF₂) 가스에 넣고 열을 가해 하나의 원자층에 불소 결함을 갖고 있는 불소화된 개질 그래핀을 얻어냈다.
개질된 그래핀은 초고진공 원자력현미경에 넣고 마이크로 탐침을 사용, 시료의 표면을 스캔해 마찰력과 접착력 등의 역학적 특성을 측정했다.
연구팀은 실험 결과를 바탕으로 불소화된 그래핀은 기존보다 6배의 마찰력과 0.7배의 접착력을 나타내는 것을 밝혀냈다.
이와 함께 전기적인 측정을 통해 불소화를 확인하고 마찰력과 접착력의 원리를 분석해내 그래핀의 마찰력 변화에 대한 이론을 정립했다.
박정영 교수는 “꿈의 소재로 알려진 그래핀은 나노 스케일 기기의 구동부 윤활에 쓰일 수가 있어 이번 연구는 그래핀 기반의 작은 역학구동소자의 코팅 등의 응용을 가질 수 있다”고 말했다.
한편, 이번 연구 성과는 나노과학분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)" 6월 21일자 온라인판에 게재됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견 연구자지원사업의 지원을 받았다.
2012.07.02 조회수 16569 -
DNA를 이용한 2나노급 반도체 원천기술 개발
- 그래핀 위에 수나노급 극미세 패턴용 DNA를 정렬해 조립성공 -- “플렉서블한 2나노미터 급의 초미세 나노패턴 길 열어”-
반도체 회로의 초미세 제품개발 경쟁이 치열하다. 최첨단 반도체 기술로도 10나노미터 이하의 반도체 제작은 불가능하다고 알려져 있어 신물질을 이용한 차세대 반도체는 국가경쟁력 강화를 위해 반드시 풀어내야 할 숙제다.
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 DNA를 그래핀 위에서 배열시키는 기술을 활용해 초미세 반도체 회로를 만들 수 있는 원천기술을 개발하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
김 교수팀의 신기술 개발로 기존에 사용되고 있는 물리적 방식의 최첨단기술로도 불가능하다고 여겨졌던 2나노미터급의 선폭을 갖는 반도체가 개발될 것으로 기대된다. 2나노 반도체가 개발되면 우표 크기의 메모리 반도체에 고화질 영화 10000편을 저장하는 등 현재 상용화중인 20나노급 반도체보다 약 100배의 용량을 담을 수 있게 된다.
최근 광식각 패턴기술을 적용해오던 반도체 회로의 크기가 물리적 한계에 도달해 생체소재를 이용해 초미세 회로을 제작하는 연구들이 전 세계적으로 관심을 모으고 있다. 이중 DNA의 경우 2나노미터까지 정교한 미세패턴을 구현가능다고 알려져 있어 차세대 신소재로 각광받고 있다.
연구팀은 ‘DNA 사슬접기‘라고 불리는 최첨단 나노 구조제작 기술을 이용하면 금속나노입자나 또는 탄소나노튜브를 2나노미터까지 정밀하게 조절할 수 있는 점에 착안했다. 그러나 이 기술은 실리카나 운모 등 일부 제한된 특정 기판위에서만 패턴이 형성돼 반도체칩에는 적용이 불가능했다.
김상욱 교수팀은 다른 물질과 잘 달라붙지 않는 그래핀을 화학적으로 개질해 표면에 다양한 물질을 선택적으로 흡착하도록 만들었다.
개질된 그래핀은 원자수준으로 매우 평탄하면서도 기계적으로 잘 휘거나 변형되는 그래핀의 장점을 갖기 때문에 이 위에 DNA 사슬접기를 패턴화하면 기존에는 불가능했던 잘 휘거나 접을 수 있는 형태의 DNA 회로구성이 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “반도체업계의 지각변동이 계속되는 가운데 실리콘기반 반도체 기술은 한계에 이르렀다”며 “앞으로 신물질 차세대 반도체 개발에 커다란 파급효과를 불러일으킬 것”이라고 말했다.
이어 김 교수는 “다양한 기능을 발휘하는 그래핀 소재 위에 2나노급의 초미세 패턴을 구현할 수 있는 DNA 사슬접기를 배치시키는 기술은 기계적으로 유연한 나노반도체나 바이오센서 등 다양한 분야에 원천기술로 활용될 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구결과는 화학분야의 세계 최고 권위의 학술지인 "앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)" 1월호에 표지논문으로 발표됐으며 관련 기술은 국내외 특허출원을 마쳤다.
<용어설명>
○ 그래핀: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소소재
○ 광식각 기술 : 빛에 민감한 고분자를 이용하여 미세한 패턴을 형성하는 반도체용 미세형상 제작 기술
○ DNA 사슬접기 : 긴 단일 DNA 사슬 하나와 정교하게 설계된 짧은 단일 DNA 사슬들이 염기 서열 규칙에 따라 이중나선 DNA 구조로 접히면서 다양한 모양의 나노구조물을 형성하는 생체소재 ☞ 잘 알려진 바와 같이 DNA는 염기서열에 따라 규칙적으로 결합되어 유전정보를 저장하는 생체소재이며, 2006년도에 최초로 개발된 DNA Origami (DNA 사슬접기)는 긴 DNA 사슬을 마치 뜨개질하듯 정밀하게 설계된 짧은 DNA 사슬들과 결합시켜 다양한 형태의 나노 구조물을 만드는 최첨단 나노기술이다.
○ 탄소나노튜브: 육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수 nm(나노미터) 크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소소재
○ 나노 기술 : 1나노미터는 10억분의 1m다. 즉 사람 머리카락의 1만분의 1 굵기로 반도체 회로를 그려넣는 초미세 가공기술이다. 반도체는 회로선 폭이 가늘어질수록 원가가 절감되고 에너지 효율도 높아진다
[그림] DNA들이 결합하면서 DNA 오리가미를 형성과 함께 그래핀 산화물 표면과 질소도핑/환원 그래핀 산화물 표면에 흡착되는 모습.
2012.02.06 조회수 14617 -
이제는 세포 내부도 훤히 들여다본다!
- 실제 내시경보다 10만배 작은 나노와이어기반 세포내시경 개발 -
- 세포내 생물학적 현상을 관찰해 질병을 효과적으로 치료할 수 있게 될 것 -
- 연구 우수성 인정받아 네이처 나노테크놀로지 12월호 온라인 판 게재 -
우리 대학 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 미세한 빛을 주고받을 수 있는 광학 나노와이어를 이용해 세포내에서 나오는 미세한 광학신호를 세계 최초로 검출하는 데 성공했다.
이 기술개발로 사람의 내장 장기를 직접 관찰하는 내시경처럼 세포의 손상 없이 고해상도로 세포 내부를 관찰할 수 있게 됐다. 이에 따라 세포 내에서 일어나는 미세한 생물학적 현상을 연구해 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 기대된다.
최근에는 광학적 회절한계를 극복하는 초고해상도현미경이 개발돼 배양된 세포를 관찰하는 데 사용되고 있다. 그러나 매우 복잡하고 거대한 시스템이 필요해 생체 내 불투명한 부위에 위치한 세포를 실시간 관찰하기에는 역부족이었다.
연구팀은 나노와이어의 지름은 100나노미터(1나노미터는 10억분의 1m)로 세포에 삽입해도 손상되지 않을 만큼 작게 만들고, 재료는 빛이 잘 통과하는 주석산화물로 구성된 반도체를 사용했다.
개발한 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호를 검출하는 데 성공했다.
이와 함께 연구팀은 나노와이어에 세포가 손상되지 않는 것에 착안해 나노와이어의 끝에 빛에 반응하는 물질을 입히고 이를 세포에 삽입했다. 그런 다음 빛을 전달하면 그 물질이 빛에 반응해 세포내로 침투하는 것을 확인했다. 따라서 약물을 세포 내 특정부위에 효과적으로 전달해 치료목적으로도 이용할 수 있는 가능성을 제시했다.
박지호 교수는 "이번 연구에서는 생체 외에서 배양된 세포에만 적용했지만 곧 이 기술을 생체 내에 위치하는 특정세포를 아주 미세하게 광학적으로 자극하고 조정할 수 있게 될 것“이라며 ”앞으로 생체 내 특성부위의 세포 안에서 일어나는 생물학적 현상을 연구해 질병을 효과적으로 치료하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 "네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)" 12월 18일자 온라인 판에 게재됐다.
한편, 이번 연구는 다학제간 협력을 통해 수행됐으며, KAIST 박지호 교수를 비롯해 생명화학공학과 양승만 교수와 허철준 박사, 고려대학교 생체의공학과 최연호 교수, UC 버클리대 화학과 페이동양(Peidong Yang) 교수와 류슈에 얀(Ruoxue Yan) 박사 및 바이오공학과 루크 리(Luke Lee) 교수가 참여했다.
2012.01.10 조회수 12602 -
LED의 새로운 발견, 형광체 없이 다양한 색깔의 빛 낸다!
- 나노 피라미드 반도체에서 복합 에너지 구조가 형성됨을 규명 -
- 형광체 없는 단일 칩 다중 파장 LED 개발 길 열어 -- ‘어드밴스드 머티리얼스’ 12월호 표지논문 선정 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀이 나노미터 크기의 육각 피라미드 구조를 적용한 LED 소자에서 다양한 색깔의 빛을 낼 수 있는 현상을 규명했다.
빛의 혁명을 주도하고 있는 LED(발광다이오드)는 반도체에 전류를 흘려주면 빛을 내는 성질을 이용한 반도체 발광 소자로 조명, TV, 각종 표시장치 등에 널리 활용되고 있다.
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 있다.
조용훈 교수 연구팀은 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 발견했다.
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 것이다.
[그림 1] (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.
따라서 LED에 나노 피라미드 구조를 적용하면 일반적인 넓은 파장대역을 갖는 발광이 전류 구동만을 통해서도 가능해지기 때문에 형광체를 사용하지 않으면서도 단일 LED칩에서 다양한 색상의 빛을 낼 수 있는 새로운 개념의 발광소자 개발이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 기존 LED는 다양한 색을 내기 위해 형광체를 칩 위에 도포하는 구조적 특성으로 인해 빛의 에너지 효율에 제약이 있었으나, 형광체가 필요 없는 나노 피라미드구조는 이러한 단점을 극복해 더욱 밝은 빛을 낼 수 있을 것으로 예상된다.
조용훈 교수는 “나노미터 크기의 피라미드 반도체 안에서 위치에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 흥미로운 현상을 이용하면, 형광체를 사용하지 않는 단일 칩 백색 LED와 함께 신개념의 나노 광원을 개발하는데 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 재료 분야의 세계적 학술지인 "어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)" 12월호(1일자) 표지 논문으로 선정됐다.
KAIST 물리학과의 고영호 (1저자)와 김제형 (2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
연구자사진
[그림 2] 복합 양자구조를 가지고 있는 나노 피라미드 LED가 전류 구동으로 발광되는 개념도. (12월 1일자 Advanced Materials 표지 논문 그림)
2011.12.14 조회수 16835 -
나노튜브를 이용한 유기태양전지 효율 향상 기술 개발
우리학교 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했다.
이 연구결과는 재료공학의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최신호(11월 30일, 화) 온라인 판에 게재됐다.
반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하는 유기태양전지는 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴하다. 또한, 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원이다.
이 전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.
유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮아 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송특성을 향상하려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔다. 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구되어 왔다.
그러나 이들 연구에서는 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했다.
이러한 문제를 포함해 유기태양전지들은 상용화하기에는 아직 낮은 광변환 효율을 보여 이에 대한 성능향상이 시급히 요구되어 왔다.
KAIST 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%까지 크게 향상시키는데 성공했다.
또한 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했다.
이 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대된다.
김상욱 교수는 “이번 연구결과를 통해 나노소재 기술이 유기태양전지의 성능향상에도 크게 기여할 수 있음을 알아냈다”며 “앞으로 나노소재 기술을 이용한 차세
대 에너지개발을 위한 연구에 노력하겠다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)연구사업의 지원을 받아 김상욱, 유승협 교수의 지도하에 박사과정 이주민 학생이 진행했다.
2010.12.07 조회수 18965 -
10nm대의 초미세 나노패터닝 新기술 개발
- 나노 레터스 誌 발표, 대면적 10nm대 나노패턴의 실용화 가능성 열어 -
복잡하고 다양한 10nm대의 고분해능 나노패턴을 대면적에 효율적으로 제작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다.
KAIST 정희태 교수가 주도한 이번 연구결과는 나노분야 세계적인 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 온라인으로 최근 (8. 17) 게재되었다.
이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 시행하는 ‘세계수준의 연구중심대학(WCU) 육성사업’과 ‘중견연구자지원사업 도약연구’의 지원을 받아 수행되었다.
정희태 교수 연구팀은 차세대 반도체, 디스플레이 및 나노전자 소자개발에 핵심기술인 10nm대의 고분해능 패턴을 원하는 모양과 크기로 쉽게 대면적에 제작할 수 있는 기술을 개발하였다.
연구팀은 전압차를 이용하여 아르곤(Ar) 입자를 가속시켜, 원하는 목적층에 물리적 충격을 줌으로써 목적층의 물질을 제거하는 이온충격(ion-bombardment) 공정 중에서 나타나는 2차 스퍼터링 (secondary sputtering)이라는 현상을 적용하였다.
이 현상은 이온충격(ion-bombardment)으로 물리적 식각을 할 때 목적층의 물질이 다양한 각분포로 이탈하여 마스크 패턴의 옆면에 흡착하는 현상을 이용한 것으로서, 선 모양, 컵 모양, 가운데가 비어있는 실린더(Hole-cylinder) 모양, 삼각 터널(triangle tunnel) 등 다양한 모양을 가지며, 최대 종횡비(high-aspect-ratio) 20까지 높이를 간단하게 제어할 수 있다.
이렇게 제작된 패턴은 웨이퍼, 유리기판, 쿼츠(Quartz), 금속판 뿐만 아니라 PET필름과 같은 플렉서블 기판에서도 공정이 가능하기 때문에 범용적으로 사용되어 질 수 있다.
연구팀은 투명한 쿼츠셀 위에 금 선 패턴을 제작하여 ITO기판을 대체할 수 있을 만큼 높은 성능을 갖는 투명전극을 제작하여 태양전지에 응용함으로써 다양한 광학/전기적 나노소자에 응용할 수 있음을 보였다.
동 연구는 기존의 리소그라피기술로 제작된 패턴의 해상도를 능가하는 10nm급 패턴을 제작할 수 있는 신기술로 거의 모든 금속(금, 은, 알루미륨, 크롬)과 무기물(ZnO, ITO, SiO2)에 적용가능하며, 기존의 패터닝 방법과 비교하여 낮은 공정비용과 간단한 실험공정으로 고해상도 패턴을 대면적에 균일하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
정희태 교수는 “10nm급의 고해상도 미세패턴 제작기술은 미래산업 전반에 걸쳐 매우 중요한 기술군으로, 그동안 나노분야에서 극복해야 할 핵심과제였습니다. 본 연구는 이러한 문제점을 비교적 간단한 방법으로 극복하고 향후 태양광 발전, 반도체 및 바이오소자의 효율증대에 적용가능한 기술”이라고 연구의의를 설명하였다.
2010.09.08 조회수 17161 -
고성능 전자소자 소재 "절반-금속" 나노선 개발
-교과부 21세기 프론티어사업단 김봉수교수팀, 나노신소재 합성성공-
한 물질이 금속과 비금속의 특성을 나타내 기존 반도체 소자의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 "절반-금속 (half-metallic) 강자성 규화금속 나노선"이 개발됐다.
우리학교 화학과 김봉수 교수팀이 절반-금속성을 갖는 규화철 나노선을 최초로 합성함으로써 통하여 ‘차세대 스핀전자공학’에 필수적인 스핀 주입(spin injection) 물질을 개발했다.
스핀주입이란 외부의 전기장이나 자기장에 의해 물질 내 전자의 자기적 특성(스핀)을 조절하는 것인데, 이번에 개발된 규화철 나노선은 한 방향 스핀을 갖는 전자들에게는 전도성 금속으로 작용하고 그 반대방향 스핀을 갖는 전자에게는 절연체로 작용하여 한 가지 스핀방향만을 가지는 전류를 만들어 낼 수 있다.
이런 기능은 정보신호로 변환이 가능하기 때문에 이 나노선으로 고성능, 고집적, 저전력 특성을 가지는 전자소자를 만들면 현재 실리콘 반도체의 한계를 극복할 수 있다.
김 교수팀은 기존에 개발한 규화철(FeSi) 나노선에 산소기체를 도입한 간단한 열확산 법을 이용하여 매우 높은 큐리 온도 (Tc=840 K)에서도 강자성을 유지하고 높은 스핀편극도를 가지는 절반-금속 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선으로 완벽하게 변환하였으며, 같은 방법으로 규화코발트(Co2Si) 나노선을 변환시켜 최초로 단결정 코발트(Co) 나노선을 합성하는 등 소재의 조성을 조절하는 합성법의 일반화에도 성공하였다.
김 교수팀이 개발한 강자성 규화철(Fe3Si) 나노선은 나노 소자 제작을 위한 빌딩 블록(building blocks)에 활용될 수 있어, 효율적이고 소형화된 초고성능 자기 메모리 및 거대 자기저항(GMR) 센서의 개발이 가능해졌다. 이에 따라 양자 메모리 처리와 고주파 전자통신 소자 등 다양한 나노 소자 개발에 기술적 전기(轉機)가 마련됐다.
한편, 이번 연구결과는 8월초 나노기술(NT) 분야의 가장 권위있는 학술지인 "나노 레터 (Nano Letters)"지 온라인판에 게재되었고, 현재 국내 특허 출원 중이다.
2010.08.19 조회수 16626 -
KAIST, 미국 TI社 지원받아 미래 CPU개발
- 전기 및 전자공학과 유회준교수 연구실, 공식 TI Lab 지정 -
우리학교 전기및전자공학과 유회준 교수 연구실이 공식 TI Lab(Texas Instruments Lab.)으로 선정돼 연구비와 3억원 상당의 연구장비를 지원받는다.
미국의 종합 반도체 생산업체인 Texas Instruments社(이하 TI社)는 유회준 교수 연구실과 ‘사람의 뇌를 모방한 매니코어 프로세서 칩(Many-core Processor Chip) 개발’을 위한 협약을 7월초 가진 바 있다.
21일에는 박현욱 KAIST 전기및전자공학과장, 유회준 전기및전자공학과 교수와 유혜경 TI사 한국지부 반도체영업부장은 유회준 교수 연구실에서 TI Lab 선정 현판식을 가졌다.
최근 하나의 칩상에 수십 개 이상의 프로세서를 집적하는 미래형 CPU가 미국 인텔사 등을 중심으로 활발하게 연구되고 있다. KAIST 전기 및 전자공학과 유회준 교수팀은 인텔 기술을 뛰어 넘는 새로운 CPU기술을 개발해오고 있다.
TI사 관계자는 “KAIST와의 연구 협력을 통해 미래 세계를 이끌어갈 지능형 컴퓨터의 핵심 기술인 매니코어 프로세서개발에 새로운 전기를 마련할 계획”이라며 “유회준 교수 연구실과의 기술 교류를 통해 차세대 기술 개발을 선도할 수 있을 것으로 기대 한다”고 밝혔다.
유 교수는 “이번 기회로 미래 CPU를 국내 기술이 선도할 수 있는 계기로 삼고 싶다”고 말했다.
유 교수는 면적을 적게 소모하며 계산 속도가 뛰어난 아날로그 회로와 전력 소모가 낮고 정밀도가 높은 디지털 회로를 한 칩으로 하는 혼합형 회로를 통해 인체의 뇌를 모방하는 신경회로망을 설계하였으며, 이를 Many-core Processor에 일부분으로 삽입하여 인간의 뇌의 종합적인 지능을 단순처리에 능한 종래의 프로세서에 접목시키는 연구를 해오고 있다. 특히 이를 이용해 지능형 감시 카메라, 로봇 및 자동차 등의 ‘눈’을 한층 더 똑똑하게 만들어 2008년부터 매년 미국 샌프란시스코에서 발표해오고 있다.
국제 전기전자공학자학회(IEEE) 석학회원이며 세계 최고 권위의 국제 고체회로학회(ISSCC)의 아시아 지역 회장이기도 한 유 교수는 미국의 국제적인 출판사인 Wiley사에서 올해 ‘Mobile 3D Graphics SoC’라는 책을 출간했으며 2년전에는 미국 CRC 출판사에서 ‘Low-Power NoC for High Performance SoC Design’이라는 책을 펴낸 바 있다.(끝)
<용어설명>
○ Texas Instruments社 : 인텔, 삼성, 도시바와 함께 세계 4대 반도체 엔진 생산업체 중 하나
○ Many-core Processor : 10개 이상의 코어를 탑재하여 만든 프로세서, 싱글코어에 비해 처리 속도가 빠르고 전력 소모량이 적다.
○ 신경회로망 : 인간의 뇌가 물체를 인식하는 방법을 모사하여 설계한 칩으로 기존의 복잡한 연산과정을 거치지 않기 때문에 컴퓨터의 물체 인식 처리 시간을 20배 이상 빨라지게 하였으며 전력 소모량도 크게 줄였다.
2010.07.22 조회수 18327