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김지한 교수, 다공성 물질 내 가스 흡착량 증진 가능성 제시
〈 김 지 한 교수, 정 상 규 석사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 결함공학을 통한 다공성 물질의 가스 흡착량 증진법을 개발했다.
정상규 석사과정이 1저자, UC 버클리 화학과의 Günther Thiele 박사후 연구원이 2저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’11월 16일차 온라인 판에 게재됐다.
금속-유기 구조체(metal-organic framework, 이하 MOF)는 금속 클러스터와 유기 리간드의 규칙적인 배위결합을 통해 합성되는 결정체이며, 넓은 표면적과 수많은 공극을 지닌 물질로서 다양한 에너지 및 환경 관련 소재로 각광받고 있다.
하지만 다른 결정성 물질들과 마찬가지로 실제 MOF는 완벽한 결정성을 가질 수 없으며 여러 종류의 결함을 가지게 된다.
이러한 결함들 중 결정체 내 유기 리간드가 불규칙적으로 본래 자리에 결합되지 않은 상태를 뜻하는 리간드 공공결함은 실험적인 기법들을 통해 공공결함의 밀도가 조절될 수 있다고 알려져 있다.
연구팀은 기존 제시된 리간드 공공결함의 조절을 통한 결함 공학 기법을 특정 MOF 내 고립된 공극의 존재여부와 접목시켜 결함공학을 통한 가스 흡착 증진 가능성을 제시했다.
김지한 교수가 직접 개발한 그래픽 프로세서(GPU) 소프트웨어 코드로 초고속 스크리닝 기법을 활용해 실험적으로 합성된 12,000 가량의 MOF들로 부터 메탄 가스에 대해 상당한 부피의 고립공극을 가지는 MOF들을 계산적으로 선별했다.
고립 공극의 판별 작업에는 안정적 에너지 구간에 대한 플러드-필(flood-fill) 알고리즘이 사용됐으며 이는 마이크로소프트 그림판에서 흔히 접할 수 있는 ‘색 채우기’ 기능과 동일한 알고리즘이다. 이를 통해 무한히 연결된 주 공극구조만 판별해내고 연결되지 않고 고립돼 존재하는 공극의 존재여부를 판단했다.
이후 많은 양의 고립공극이 파악된 MOF들에 대해 리간드 공공결함을 가상으로 결정 구조 내 도입했으며 리간드가 없어지면서 기존의 고립돼 존재하던 공극들이 주 공극구조와 합쳐지도록 유도했다.
이러한 스크리닝 작업을 통해 연구팀은 리간드 공공결함이 도입되었을 시 상당한 메탄 가스의 흡착량 증진을 겪을 수 있는 13개의 MOF를 최종적으로 선별했으며, 불과 8.33% 이하의 리간드 결함이 존재했을 시에도 최대 55.6% 의 메탄 가스 흡착량 증진을 가질 수 있다는 것을 확인했다.
본 연구팀이 제시한 리간드 공공결함을 통해 기존에 활용되지 못하던 고립 공극을 주 공극구조에 연결시켜 새로이 활용하는 기법은 단순한 가스 흡착량 증진 외에도 혼합 가스의 선택적 흡착, 반 영구적 가스 포획 등 다양한 효과를 가져올 수 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구에서 사용된 플러드-필 알고리즘을 설명하는 도해와 플러드-필 알고리즙을 통해 고립공극이 판별된 MOF의 예시
그림2. 본 연구에서 선별된 MOF 중 두 가지 MOF의 공공결함 도입 전과 후(좌, 우)의 흡착가능 공간 비교
2017.11.27 조회수 15274 -
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 16537 -
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 18384