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제2회 KAIST 국제 이머징 소재 심포지엄 개최
우리 대학이 11월 16일(화)부터 18일(목)까지 3일간 '제2회 KAIST 국제 이머징 소재 심포지엄(2nd KAIST Emerging Materials e-Symposium)'을 개최한다.'차세대 유망 소재 분야의 방향성과 전망'을 주제로 재료공학·화학·화학공학·응용물리학 분야의 세계적인 석학 23명이 강연자로 참여해 온라인 석상에서 발표와 토론을 진행한다.
이번 심포지엄은 재료공학·화학·화학공학·응용물리학 분야의 혁신적인 기술과 최신 성과를 공유하기 위해 기획됐다. 에너지저장 및 하베스터를 위한 혁신소재, 최신 나노소재와 응용분야, 화학·생명공학 연구의 방향성 등 크게 3개의 주제를 아우르는 아이디어와 학계 주요 이슈를 전 세계 학생과 엔지니어를 포함한 연구자들에게 제공할 예정이다.이를 위해, 미국화학회가 발행하는 나노분야 대표적 학술지인 나노학술지(ACS Nano)의 편집장 폴 바이스(Paul S. Weiss) UCLA 교수와 알리 자베이(Ali Javey) UC 버클리 교수 등 9명의 부편집장까지 총 10명이 대거 참여해 신흥 유망 소재 분야의 연구 현황을 발표하고 패널 토론을 통해 국제학술지의 나아갈 방향을 논의한다. 또한, 재생 가능한 에너지를 활용한 전기 생산이 탄소 중립의 대안으로 주목받고 있는 기술 트렌드를 반영해 에너지 분야에 정통한 석학들도 초청됐다.첫째 날인 16일 오전에는 리튬이온전지를 최초로 개발한 공로를 인정받아 2019년 노벨 화학상을 수상한 스탠리 휘팅엄(M. Stanley Whittingham) 미국 빙엄턴 대학 교수가 강연한다. 휘팅엄 교수는 생산된 전기를 가장 손쉽게 저장 및 운반할 수 있는 리튬이온전지의 기본 원리와 현재의 연구 개발 현황을 소개할 예정이다.이와 함께, 전기자동차가 상용화되며 고안정성·고에너지밀도 전지를 필요로 하는 기술 수요에 부응하기 위해 고체전해질 분야의 우수 연구진들이 대거 참여해 차세대 전고체 전지 분야의 나아가야 할 방향에 대해 강연을 진행한다. 고체전해질을 사용한 전고체 배터리는 1회 충전만으로도 800km를 주행할 수 있을 것으로 기대되는 첨단 소재다. 폭발 위험이 낮고 음극과 양극 사이에 분리막이 필요 없는 구조로 기존의 배터리보다 에너지 밀도를 높일 수 있어 차세대 배터리로 각광받고 있다. 이번 국제 심포지엄은 ▴첨단 에너지 재료 ▴차세대 바이오·나노재료 ▴신소재 선도 분야 및 최신 나노연구 등 3일간 7개의 세션에서 열띤 강연이 진행된다.행사를 총괄한 김일두 석좌교수(KAIST 신소재공학과, ACS Nano 부편집장)는 "KAIST가 재료 및 화학, 생명공학, 응용물리학 분야 저명한 석학들이 한자리에 모이는 국제 학술 교류의 장을 마련해 최신 미래 기술이 활발하게 논의하는 글로벌 허브의 역할을 수행할 것ˮ이라고 강조했다.이번 행사는 KAIST 신소재공학과·웨어러블 플랫폼소재 기술센터 및 코리아21(BK21)에서 한다. 유튜브(Youtube), 코우쉐어(KouShare) 등의 중계를 통해 전 세계에서 최소 5만 명 이상이 참여할 것으로 기대되고 있다. 심포지엄과 관련한 자세한 정보는 홈페이지(ems2021.kaist.ac.kr)에서 확인할 수 있다.
신소재·화학·물리·바이오 및 화학공학 분야 미래 선도 기술들에 대한 최신 연구에 관심이 있는 연구자라면 KAIST 신소재 공학과의 유튜브 채널(www.youtube.com/c/kmaterials)에 접속해 누구나 무료로 시청할 수 있다.
한편, KAIST 신소재공학과는 `2022 QS 세계대학평가 학과별 순위'에서 전 세계 대학 중 16위를 차지한 바 있다.
2021.11.15 조회수 3454 -
홍승범 교수의 코세라(Coursera) 온라인 강의, 세계적으로 4만여 명 수강해 큰 인기
우리 대학이 세계적인 온라인 교육기관 `코세라(Coursera)'에 개설한 강의가 큰 인기다.
신소재공학과 학과장 홍승범 교수가 코세라에 개설한 `전자기학 특강(Electrodynamics Specialization)' 과목의 누적 수강인원이 4만여 명을 달성했다.
코세라(Coursera)는 미국 스탠퍼드大 컴퓨터과학과 앤드류 응 교수와 대프니 콜러가 창업한 온라인 교육기관이다. 2012년 운영을 시작해 2020년 현재 전 세계에서 7천 7백만여 명이 온라인으로 강의를 수강하고 있다.
홍 교수가 영어로 강의한 `전자기학 특강' 과목은 전자기학 기초(초급), 전기장 분석(중급), 전기 및 자기장 (고급), 맥스웰 방정식 심층 해법(고급) 등 총 4개 강좌로 구성됐다.
우리 대학에서도 고학년 학부생과 대학원생이 전공선택으로 듣는 이 과목은 다소 어렵다는 평가를 받고 있는데 전 세계 149개국에서 수강자가 몰리고 있어 다소 놀랐다고 홍 교수는 평가했다.
수강자(기초과정 기준) 상위 10개국 중 1위는 인도(37.8%)이다. 이어 미국(11.7%)· 필리핀(5.0%) ·방글라데시(2.7%) ·멕시코(2.4%) ·파키스탄(2.1%) ·이집트(2.0%) ·영국 (1.9%) ·터키(1.9%) ·캐나다(1.8%) 순으로 수강자가 많은 것으로 나타났다.
홍 교수의 강좌 인기는 구글에서도 확인할 수 있다. 검색창에 전자기학 과정(Electrodynamics course)을 입력하면 메사추세츠 공과대학(MIT)가 개설한 전자기학보다도 상위에 나타나 그 열기를 실감할 수 있다.
익명으로 진행된 강의평가도 "사례가 많아 강의가 쉽다ˮ는 표현이 많았다.
익명의 평가자 A는 "이 과목의 힘은 수강자가 전자기학을 이해할 수 있도록 쉬운 비유법을 많이 사용한 것ˮ이라며 "이 강의를 만난 것은 행운ˮ이라고 평가했다.
익명의 평가자 B는 "이 과목은 매우 잘 디자인되고 기본을 강조하고 있다ˮ며 "다음 과정도 계속해서 수강하고 싶다ˮ라며 홍 교수에게 감사를 표시했다.
익명의 평가자 C는 "이 과목은 수강자가 명확하게 이해할 수 있게 예시를 많이 제시해 줘서 쉽게 이해할 수 있다ˮ라며 "방정식의 물리학적 의미 등 새로운 지식을 얻는 계기가 됐다ˮ라는 소감을 남겼다.
한국인 교수가 코세라에 개설한 온라인 강좌 중 언어나 교양과목 초급과정에서 수만 명이 수강한 경우는 있지만 이처럼 공학 분야 고급과정을 4만여 명 이 수강한 경우는 매우 이례적이라는 평가다.
해외에서 인기 비결에 대해 홍 교수는 "어떻게 하면 학생의 눈높이에서 이해하기 쉽게 지식을 전달할 수 있을까를 고민했다ˮ라며 "기존지식과 연관 짓고 비유적인 설명이 큰 효과가 있었다ˮ라고 말했다.
이어 "같은 강의를 지난 10년간 강의실에서 500명이 수강했는데 반해 코세라에서 온라인 강의는 3년 만에 4만여 명이 수강했다ˮ라며 "온라인 강의 파급효과에 놀랐다ˮ라고 언급했다.
홍 교수는 위의 온라인 강의 성과를 인정받아 2020년 KAIST 교육혁신의 날에서 `교수학습혁신 부문 대상'을 수상하기도 했다.
홍 교수는 향후 수강생 10만 명을 목표로 신소재 양자역학, 인공지능 신소재 과목도 추가로 개설할 계획이다.
본 강좌는 코세라 홈페이지에서 유료로 수강할 수 있으며 4회 학습을 완료한 학습자는 코세라가 발급하는 `공유 가능한 수료증(Shareable Certificate)'을 발급받을 수 있다.
2021.11.02 조회수 2542 -
이혁모 교수, 대한금속·재료학회 회장으로 선출
우리 대학 신소재공학과 이혁모 교수가 대한금속·재료학회 회장으로 선출됐다고 밝혔다.
지난 10월 21일(목) 제주국제컨벤션센터 한라홀에서 열린 (사)대한금속·재료학회 2021년 정기총회에서 대한금속·재료학회 제52대 회장에 우리 대학 이혁모 회원이 선출됐다. 이혁모 신임회장의 임기는 2022년 1월 1일부터 시작되며 임기는 1년이다. 이혁모 신임회장은 서울대학교 금속공학 학사 및 석사학위를 받았고, 미국 MIT에서 재료공학 박사학위를 받았다. 현재 우리 대학 신소재공학과 교수, 기초과학연구원(IBS) 이사, 한국과학기술한림원 정회원, 중소벤처기업부 중소기업 기술혁신 추진위원회 위원장을 맡고 있으며 활발한 대내외 활동으로 금속 및 재료공학 발전에 힘써 왔다.
이혁모 신임회장은 “위드 코로나, 뉴 노멀시대, 탄소중립과 소재강국을 선도하는 대한금속·재료학회를 만들겠다”고 당선 소감을 밝혔다.
대한금속·재료학회는 산업체, 대학교, 연구소에 있는 재료관련 연구자 1만 7천여명의 전문가들이 회원으로 활동 중인 국내 최대 규모의 학회이며, 1946년 창립된 이후 올해 75주년을 맞이하며 지금까지 대한민국 금속 및 재료관련 학문발전과 산업 발전을 선도해 오고 있다. 대한금속·재료학회는 학술 연구 부분에 있어도 국내 최다인 3종의 과학기술논문 인용색인(SCI) 에 등재된 학술지를 발간하고 매년 2,500 여건 이상의 학술대회 논문을 발표하는 등 금속 및 재료 분야 학술 부분 국내 최고 권위를 자랑하는 학회다.
2021.10.22 조회수 2147 -
광대역 광학 활성을 갖는 카이랄 세라믹 물질 최초 개발
우리 대학 신소재공학과 염지현 교수 연구팀이 광대역 광학 활성을 갖는 *카이랄 세라믹 물질을 최초로 개발했다고 30일 밝혔다. 신소재공학과 박기현 석사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 개재됐다. (논문명 : Broad Chiroptical Activity from Ultraviolet to Short-Wave Infrared by Chirality Transfer from Molecular to Micrometer Scale)
☞ 카이랄(Chiral): 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 다양한 과학 분야에서 비대칭성을 가르키는 용어중 하나다. 이는 어떤 대상의 모양이 거울에 비춘 모양과 일치되지 않을 때 카이랄 성이 존재한다고 일컫는다.
카이랄 나노물질은 입사하는 원형 편광의 오른쪽 또는 왼쪽 방향성에 따라 다른 광학적 성질을 보이는 광학 활성도(chiroptical activity)의 특징을 가지고 있다. 같은 물질이어도 구조에 따라 서로 다른 광학 성질을 보이는 특이성을 활용해 많은 응용이 가능할 것이라는 기대로 최근 주목을 받는 물질이다. 하지만, 기존에 보고된 대부분의 카이랄 나노물질은 자외선(ultraviolet) 및 가시광선(visible) 영역에서만 제한적으로 광학 활성을 갖고 있어 바이오 및 통신 등을 포함한 다양한 분야에서의 응용에 한계가 있었다.
염지현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 자외선에서부터 근적외선 영역을 넘어 단적외선 영역에서까지 광범위한 광학 활성을 갖는 카이랄 소재를 최초로 개발했다. 연구팀은 황화구리(copper sulfide) 세라믹 물질에 원자 수준에서부터 마이크로 수준에까지 체계적으로 카이랄 특성을 부여하는 기술을 선보였다. 그와 동시에 황화구리 나노입자의 화학적 상태를 긴 파장의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 상으로 변화되도록 유도하여 적외선 영역 광학 활성 효율을 극대화하였다.
연구팀은 먼저 아미노산이 가지고 있는 원자 수준 카이랄 특성을 무기 나노입자에 전이시켜 나노 수준 카이랄 특성을 구현한 후, 나노입자 사이의 인력 및 척력을 조절해 1~2 마이크로미터(㎛) 길이의 카이랄 나노꽃(nanoflower, NF)이 자가조립으로 만들어지도록 유도했다. 연구팀은 이렇게 디자인된 나노꽃이 자외선에서부터 수 마이크로미터의 파장을 갖는 적외선에서까지 빛의 원형 편광 방향 따라 특이적으로 상호작용하는 것을 확인했다. 또한, 이 광대역 광학 활성은 연구팀이 유도한 대로 적외선을 흡수할 수 있는 황화구리 상으로 화학적 변화가 잘 변이됐기 때문이고, 나노꽃의 구조적 카이랄 특성이 원형 편광의 방향성에 따른 비대칭적 상호작용을 유도하기 때문인 것을 컴퓨팅 시뮬레이션으로도 밝혔다.
이렇게 개발된 광대역 광학 활성 나노 플랫폼 기술은 바이오센서, 바이오이미징, 적외선 신경 자극, 나노온열치료, 텔레커뮤니케이션 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다. 제1 저자로 이 연구에 참여한 박기현 석사과정은 “이 연구를 통해 카이랄 물질군 라이브러리를 만들고 그들의 자가조립 제어 기술을 이용해 새로운 패러다임의 나노소재를 개발하는데 기여할 수 있으며, 무엇보다 세계 최초로 단적외선 영역에서도 광학 활성을 갖는 소재를 개발함으로써 카이랄 나노소재의 응용과 발전을 위한 토대를 마련한 것 같다”며 이 연구의 의의를 설명했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 범부처전주기의료기기연구개발사업단, 삼성 반도체연구기금, 연구재단 우수신진사업, KAIST 창의도전사업 (C2 프로젝트) 등의 지원을 받아 수행됐다.
2021.10.01 조회수 3502 -
김일두 교수, 과기정통부 장관상 수상
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수가 2021년 9월 1일 개최된 제4회 지식재산의날 (대통령소속 국가지식재산위원회 주최) 기념식에서 과학기술정보통신부 장관상을 수상했다.
김일두 교수는 유해가스 검출 및 질병진단용 호흡가스 센서 분야에서 나노섬유 센서 어레이화를 통해 혁신적인 기술진보를 이룩하였으며, 나노섬유소재 원천특허 기술을 바탕으로 최근 5년간 7건의 기술이전을 실시하였다. 이를 통해 가스센서 분야 기술경쟁력 제고에 크게 기여했으며, MEMS 가스센서 실용화에 크게 공헌하고 있다.
김 교수는 현재까지 222건의 국내외 특허 등록 및 출원 실적을 발표하여 지식재산 창출에 앞장서왔으며, 2019년 3월 ㈜김일두연구소 교원창업을 통해 전기방사 제조기술 확대와 고효율 나노섬유 필터 실용화에 크게 기여하고 있다. 특히 대면적 정열 나노섬유 멤브레인 제조 양산화에 세계 최초로 성공 (미국, 중국, 한국 특허 등록 및 PCT 출원) 하였으며, 탁월한 통기성 특성을 바탕으로 재사용 마스크, 항바이러스 및 생분해성 필터 개발을 이끌고 있다.
김 교수는 표지논문 48건을 포함하여 326편의 학술지 논문을 발표하였으며, 최근 5년간 발표된 170편의 논문 중 Impact Factor 10 이상 저널에 81편을 발표하여 나노섬유 분야의 학술 연구 활성화에도 크게 기여하고 있다.
김 교수는 권위학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano) 저널의 부편집장으로 지난 2월에 개최된 KAIST 50주년 기념식에 맞추어 14편의 KAIST Special Review 논문집을 발간하였으며, ACS Nano 저널에 Editorial로 KAIST의 역사와 Vision에 대해 소개하여, KAIST 50주년 기념의 의미를 전 세계에 널리 홍보하기도 하였다.
김일두 교수는 “지식재산의 중요성이 더욱 강조되는 시대에, 원천특허 등록 및 기술이전 실용화 실적을 바탕으로 뜻 깊은 상을 수상할 수 있어 기쁘다고 말하며, KAIST에 우수 특허들이 더욱 많이 등록되고, 기술 창업까지 이어져서, KAIST의 기술력이 국가발전의 든든한 초석이 되길 희망한다”라고 밝혔다.
2021.09.01 조회수 3794 -
신소재 데이터 고속 분석을 위한 인공지능 훈련 방법론 개발
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 시뮬레이션을 기반으로 한 신소재 데이터 분석을 위한 인공지능을 개발했다고 24일 밝혔다.
최근 컴퓨팅 파워가 기하급수적으로 증가함에 따라 인공지능을 활용한 다양한 응용들이 실생활에 활용되고 있으며, 이에 인공지능을 활용해 신소재 데이터를 고속으로 분석하고 소재를 역설계하는 기술의 연구 역시 가속화되고 있다.
최근 인공지능의 효율 및 정확도를 증가시키는 연구를 바탕으로 자율주행 자동차, 데이터베이스 기반의 마케팅 및 물류 시스템 보조 등의 분야에 인공지능의 활용이 높아지고 있다. 특히 신소재 개발에 장시간이 소요되는 점을 고려할 때, 소재 및 공정 개발에 인공지능을 활용해 다양한 구조 및 물성 데이터 사이의 상관관계를 빠르게 분석해 신소재 개발 소요 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 인공지능 방법론이 주목을 받고 있다.
그러나 신소재 데이터의 경우, 대량의 유의미한 실험 데이터를 구하기 어렵고 기업들이 중요한 데이터는 대외비로 취급하고 있어서 인공지능을 소재 데이터 영역에 적용하는 것이 상당히 어려운 것이 현실이다. 이런 데이터의 다양성, 크기 및 접근성 문제가 해결돼야 하며, 이를 보완하기 위해 생성 모델 및 적절한 데이터의 합성에 관한 연구가 진행되고 있다. 인공지능의 성능 향상을 위해 생성되는 데이터 또한 실제 소재가 가지는 물리적 제약을 따라야 하며, 소재 데이터의 재료적 특징을 파악할 수 있는 기술이 필요하다.
홍승범 교수 연구팀이 이번에 개발한 인공지능 훈련 방법론은 훈련을 위해 생성되는 데이터가 물리적 제약을 공유하도록 위상 필드 시뮬레이션을 활용해 기초 데이터를 형성하고 소재 데이터가 가지고 있는 실제 측정 과정에서 발생하는 다양한 잡음, 입자의 분포 정보 및 입자의 경계를 모사해 크기가 작은 소재 데이터의 한계를 해결했다. 기존에 수작업으로 작성한 소재 데이터를 활용한 인공지능과의 상 분리 성능을 비교했으며, 생성된 데이터의 모사 요소가 상 분리에 영향을 미치는 영향을 파악했다.
아울러 이번 연구에서 제시하는 소재 데이터 생성을 활용한 인공지능 훈련 방법은 기존의 수작업으로 훈련 데이터를 준비하는 시간을 크게 단축할 수 있으며, 인공지능의 전이 학습 및 다양한 물리적 제약을 바탕으로 하는 위상 필드 시뮬레이션 활용을 바탕으로 다양한 소재 데이터에 빠르게 적용할 수 있는 장점이 있다.
홍승범 교수는 "인공지능은 분야를 막론하고 다양한 영역에서 활용되고 있으며, 소재 분야 역시 인공지능의 도움을 바탕으로 신소재 개발을 더욱 빠르게 완료할 수 있는 세상을 맞이할 것이다ˮ라며, "이번 연구 내용을 신소재 개발에 바로 적용하기에는 데이터 합성 측면에서의 여전히 보강이 필요하지만, 소재 데이터 활용에 큰 문제가 됐던 훈련 데이터를 준비하는 긴 시간을 단축해 소재 데이터의 고속 분석 가능성을 연 것에 연구의 의의가 있다ˮ고 말했다.
신소재공학과 염지원 연구원, 노스웨스턴(Northwestern) 대학의 티베리우 스탄(Tiberiu Stan) 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 노스웨스턴 대학의 피터 부리스(Peter Voorhees) 교수 연구실과 함께 진행됐으며 연구 결과는 국제 학술지 `악타 머터리얼리아(Acta Materialia)'에 게재됐다. (논문명: Segmentation of experimental datasets via convolutional neural networks on phase field simulations)
한편 이번 연구는 KAIST 글로벌특이점 연구 지원으로 수행됐다.
2021.08.24 조회수 3450 -
모트 전이 반도체로 진성 난수 생성기 개발
우리 대학 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 모트 전이 반도체의 확률적 거동을 이용한 진성 난수(True Random Number) 생성기 개발에 성공했다고 18일 밝혔다.
전자기기들이 초연결되는 메타버스 시대에는 전자기기 간에 대량의 데이터가 실시간으로 오가게 되는데, 이때 더욱 고도화된 데이터의 보안과 암호화 기술이 뒷받침돼야 한다. 현재 대부분의 난수는 소프트웨어로 생성되고 있는데, 이렇게 생성된 일반적인 난수는 소프트웨어의 해독을 통해 쉽게 예측할 수 있고 이는 데이터 보안 및 개인 정보 침해에 매우 큰 위협이 될 수 있다.
이에 반해 진성 난수는 자연의 무작위적인 물리적 현상으로부터 얻어지는 인간이 예측할 수 없는 난수로 이를 얻는 것은 궁극의 보안 기술을 구현하기 위해 필수적이다.
김경민 교수 연구팀은 진성 난수를 추출하기 위해 모트 전이 소재에 주목했다. 모트 전이 소재는 특정 온도에서 전기전도도가 부도체에서 도체로 전이하는 소재로, 이 소재에 전류를 흘려주어 가열하면 부도체 상태와 도체 상태가 주기적으로 변하는 상태의 진동 현상을 관찰할 수 있음이 잘 알려져 있었다. 연구팀은 이 과정에서 주기적으로 소재의 가열과 냉각이 반복될 때 열의 생성과 발산이 예측 불가능함을 이론적으로 입증했다.
연구팀은 이와 같은 모트 전이 소재에서의 예측 불가능한 특성을 진성 난수로 변환해주는 프로토타입의 진성 난수 생성기를 설계 및 제작하여 진성 난수를 성공적으로 수집했다.
공동 제1 저자인 신소재공학과 김광민 석사과정과 인재현 박사과정은 "모트 전이 반도체를 기반으로 하는 진성 난수 생성기는 25 마이크로초(μs) 마다 5.22 나노줄(nJ)의 에너지로 1개의 난수를 생성할 수 있는데 이는 기존 기술에 대비 최소 2.5배 이상 빠르고, 1,800분의 1 수준의 에너지로 저전력 동작이 가능하다ˮ며 "이는 저항 변화 메모리의 셀렉터 등 제한된 분야에서만 사용되던 모트 전이 소재를 진성 난수 생성기에 적합하다는 것을 입증한 결과로 새로운 하드웨어 보안용 소재 개발 분야를 개척한 의의가 있다ˮ 라고 말했다.
이러한 진성 난수 생성기는 반도체 칩의 형태로 제작해 기존 전자기기와 호환할 수 있으며 휴대전화 등 전자기기의 보안을 위한 암호화 하드웨어로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 지난 5월 18일 字에 게재됐으며 산업통상자원부, 한국반도체연구조합, KAIST의 지원을 받아 수행됐다. (논문명 : Self-clocking fast and variation tolerant true random number generator based on a stochastic mott memristor)
2021.08.18 조회수 4424 -
유체 제어 기술로 대면적 기능성 나노박막 제작 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 스티브 박, 김일두 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 금속 나노입자가 결착된 전도성 금속 유기 골격체 나노 박막을 대면적으로 제작하는 새로운 공정 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
신소재공학과 김진오 박사, 구원태 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 네이처 출판 그룹의 오픈 액세스(Open-access) 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)' 7월 13일 字에 게재됐으며 연구의 우수성을 인정받아 재료공학과 화학 부문의 편집장 선정 논문(Editors' Highlights)에 선정됐다. (논문명: Large-area synthesis of nanoscopic catalyst-decorated conductive MOF film using microfluidic-based solution shearing)
다공성 구조를 가지는 2차원 전도성 *금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, 이하 MOF)는 전도성 유기 리간드 도입을 통해 전하 수송, 전계 효과 및 전자 상호작용과 같은 전기적 특성 제어 및 초소형 금속 나노입자 촉매의 주입이 가능해, 높은 선택성과 민감도를 요구하는 가스 센서 분야의 차세대 신소재로 각광받고 있다.
☞ 금속유기골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 연결물질(리간드)가 연결된 다공성 물질로 배위 고분자의 일종이다. 이는 기공을 매개로 하여 화학종의 분리, 가스 저자아, 촉매, 약물 전달, 화학 센서 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.
이러한 전도성 MOF의 뛰어난 재료적 특성을 활용하기 위해서는 균일한 전도성 MOF 입자의 합성과 합성된 전도성 MOF 입자 간의 간격을 최소화해 향상된 전자 이동도를 확보할 수 있는 고품질, 대면적 전도성 MOF 박막 제작 기술이 요구된다. 하지만 지금까지 보고된 전도성 MOF 박막 제작 기술의 경우, 나노 수준의 균일한 박막 두께 제어, 대면적 박막 제작 및 초소형 나노입자 촉매의 균일한 결착이 어려워 고민감도 가스 센서 소자 적용에 한계로 존재해왔다.
공동 연구팀은 전도성 MOF 박막의 형성 및 금속 나노입자의 합성 과정을 정밀하게 통제하는 데 중점을 뒀다. 미세 유체(Microfluidic) 시스템을 도입해 화학 반응을 단계적으로 제어하고 용액 전단 공정 (Solution shearing)을 통해 균일한 전도성 MOF 박막을 제조하는 새로운 공정 개발 연구를 진행 했다. 머리카락 굵기보다 가는 미세관 내(300 마이크로미터(㎛) 이하)로 합성에 필요한 용액을 흘려주게 되면 물질 전달이 극대화돼 수백 밀리초( ms)의 매우 짧은 시간에도 불구하고 화학 반응을 일으키고 제어할 수 있다. 이를 통해 금속 나노입자를 수 나노미터의 MOF 기공 내부에 균일하게 결착시킬 수 있게 된다.
미세 유체 시스템으로부터 합성된 용액은 용액 전단 공정을 통해 MOF 박막 형성을 하는데 일정한 속도와 연속적인 용액의 공급으로 인해 대면적의 기능성 MOF 나노 박막 형성이 가능하다. 미세 유체 반응기와 기판 사이에 마이크로 수준의 단차(Gap)를 주며 일정한 속도로 움직일 수 있는 용액 전단 공정은 균일한 계면(Meniscus)을 형성해 일정한 용매 증발을 야기 한다. 이는 균일한 MOF 성장을 일으켜 나노 두께의 박막 제조가 가능하다.
공동 연구팀은 미세 유체의 정밀 제어를 통해 제작된 초소형 나노입자 촉매가 결착된 전도성 MOF 나노 박막을 활용해, 대기 유독 가스 중 하나인 이산화질소(NO2) 기체를 선택적으로 검출할 수 있는 가스 센서를 개발하는 데 성공했으며, 기존에 보고된 2차원 소재 기반 가스 센서 대비 우수한 가스 검출 특성을 검증했다.
열 및 물질 전달 면에서 우수한 장점을 가지는 미세 유체 시스템과 일정한 용매 증발을 통한 두께 제어가 쉬운 용액 전단 공정의 융합 및 이를 이용한 금속 나노입자가 결착된 MOF 나노 박막 합성 연구는 기능성 박막 제조 연구 분야에 새로운 접근법을 제안해 그 파급효과가 클 것으로 기대한다.
공동 제1 저자인 김진오, 구원태 박사는 "입자의 상호작용력 조절을 통해 단일 층 두께에서 나노막대 스스로가 방향성을 통제하며 고 배열로 정렬할 수 있다는 것을 보였다. 이는 외부 힘 없이도 더욱 정교한 자기 조립구조가 가능하다는 것을 보여주는 결과다ˮ 라며 "고배열, 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작 및 필름 소자에 활발히 사용될 것이다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 포스코청암재단의 포스코사이언스 펠로우십, K-Materials 글로벌 혁신 교육 연구단 (BK21 FOUR), 지역혁신선도연구센터사업, 한국연구재단의 나노․소재원천기술개발 사업 및 중견연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.08.12 조회수 4924 -
원자 단층 촬영 기술로 나노입자 표면 리간드 분자의 3차원 분포 규명
우리 대학 신소재공학과 최벽파 교수 연구팀이 이화여자대학교 화학신소재공학과 이상헌 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원자 단층 촬영 기술을 활용해 나노입자 표면에 존재하는 리간드 분자의 3차원 분포를 최초로 규명했다고 9일 밝혔다.
리간드(Capping ligand)는 금속 나노입자 합성 시 발생하는 유기 분자로서, 입자 간 응집을 방지할 뿐만 아니라 입자의 형태와 각종 특성까지 조절한다는 사실이 밝혀지며 나노입자의 합성 및 설계에 있어 그 중요성이 점점 더 커지고 있다.
신소재공학과 장규선 박사과정과 독일 막스 플랑크 연구소 김세호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지인 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 14.919)' 7월 14일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Three-dimensional atomic mapping of ligands on palladium nanoparticles by atom probe tomography)
복잡한 구조의 유기 분자로 이루어진 리간드의 공간적 분포를 분석하기 위해서는 원자단위의 공간 분해능과 경량 원소에 대한 높은 검출 민감도를 가지며 3차원 분석이 가능한 기술이 필요하다. 이러한 분석 기술의 부재로 인해 현재까지 나노입자 표면에 존재하는 리간드 분포를 3차원에서 관찰한 사례는 존재하지 않으며, 이로 인해 입자 합성과정에서 리간드의 거동은 상당 부분 미지의 영역으로 남아있다. 예를 들어, 할라이드 리간드인 브롬(Br) 이온의 경우 정육면체 형태의 금속 나노입자 형성을 촉진하는 것으로 알려져 있으나, 여러 논문에서 이와 다른 결과를 보고하고 있다.
최벽파 교수 연구팀은 원자 단층 촬영 현미경(Atom probe tomography)을 활용해 서로 다른 할라이드 리간드를 통해 합성된 두 종류의 팔라듐 나노입자 표면에 존재하는 세트리모늄 리간드(Cetrimonium chloride)의 3차원 분포를 원자단위에서 관찰하는 데 성공했다.
원자 단층 촬영 현미경은 아주 얇은 바늘 모양으로 가공된 시편 표면의 원자들을 고전압 또는 고에너지 펄스를 가해 차례차례 증발시켜 검출기에 충돌시키고, 검출기에 기록된 원자의 충돌 위치와 충돌 순서, 그리고 충돌 원자의 질량 대 전하 비를 이용해 시편의 3차원 원자 분포를 재구성하는 분석 기술이다.
이러한 원자 단층 촬영 기술은 3차원 원자단위 분석 및 화학적 정량 분석이 가능할 뿐 아니라, 옹스트롬(100억 분의 1미터) 단위의 공간 분해능과 모든 원소에 대해 동일한 ppm 단위의 우수한 검출 감도를 갖고 있어 최근 재료 분석 분야에서 큰 주목을 받고 있다.
연구팀은 리간드의 3차원 분포에 대한 단층 촬영 데이터로부터 각각의 나노입자 표면에 존재하는 세트리모늄 리간드의 밀도를 계산했다. 이를 통해 연구진은 세트리모늄 리간드와 할라이드 리간드 사이에 기존에 알려지지 않았던 상호작용이 존재하며, 이러한 서로 다른 리간드 사이의 상호작용이 나노입자의 최종 형태와 산화 저항 특성을 결정할 뿐 아니라 기존의 연구 결과들이 합치되지 않았던 원인이었음을 규명했다.
최벽파 교수는 "이번 연구는 기존에 상반됐던 연구 결과들을 모두 포용할 수 있는 실험적, 이론적 결과를 제시했다는 점에서 의의가 있다ˮ며, "해당 연구를 통해 얻은 결과는 나노입자 합성에 대한 근본적인 이해를 높이고, 우수한 특성을 가진 나노입자를 설계하는데 응용될 수 있으리라 기대한다ˮ고 밝혔다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업인 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
2021.08.10 조회수 4541 -
날숨 속 황화수소 가스 검출을 통한 구취 센서 개발
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원과 공동연구를 통해 극소량의 나트륨과 백금 촉매를 금속산화물에 기능화하여 호흡으로 질병을 진단할 수 있는 가스 센서 플랫폼을 개발했다고 28일 밝혔다.
이 가스 센서 플랫폼은 사람의 날숨에 포함된 다양한 질병과 관련된 미량의 생체지표(biomarker) 가스를 선택적으로 감지해 관련된 특정 질병을 실시간 모니터링할 수 있는 기술이다.
혈액 채취나 영상 촬영 없이 내뱉는 숨(호기)만으로 각종 질병 여부를 파악하는 비침습적 호흡 지문 센서 기술은 핵심 미래 기술이다. 호기 속 특정 가스들의 농도변화를 검사해 건강 이상 여부를 판단할 수 있다.
이번 기술은 구취의 생체지표 가스인 황화수소 가스와 높은 반응성을 갖는 나트륨 촉매를 금속산화물 나노섬유 감지 소재 층에 도입해 가스 선택성을 극도로 향상하고, 활성도가 좋은 백금 촉매를 추가로 기능화해 세계 최고 수준의 황화수소 감지 성능을 구현한 기술이다.
호기 가스의 성분에는 수분 외에도 아세톤, 톨루엔, 암모니아, 수소뿐만 아니라 구취의 생체지표 가스인 황화수소(hydrogen sulfide), 메틸머캅탄(methyl mercaptan), 디메틸설파이드(dimethyl sulfide)의 3종 황 화합물이 포함된다. 그중에서 황화수소 가스는 구취 환자에게서 높은 농도로 배출되는 생체지표 가스로서 상기 3종 황화합물 가스 중에서 선택적으로 감지하는 것이 매우 중요하다.
호흡을 이용한 질병 진단은 테들라(Tedlar) 백에 포집된 날숨 가스를 소형 센서 장치로 주입한 후 수분 이내의 빠른 속도로 분석할 수 있는 비침습 진단 방법으로 최근 조명을 받고 있다. 또한, 질병 대사가 일어나는 시점에서 검출할 수 있어 조기 진단이 용이하다.
하지만 생체지표 가스들은 매우 미량의 농도인 10억분의 1(ppb)에서 100만분의 1(ppm) 수준으로 호흡 속에서 배출되기 때문에 정확한 분석을 위해서는 기술의 진보가 필요하다. 호기 속 수백 종 이상의 방해 가스들 속에서 목표 가스만을 선택적으로 분석하는 것은 저항 변화식 센서의 취약점으로 남아있다.
기존 가스 센서는 산화물 감지 소재 표면에 백금, 팔라듐 등 특정 촉매를 결합하거나 n-형 반도체식 금속산화물과 p-형 반도체식 금속산화물의 헤테로 접합 구조를 도입해 감지 특성을 높이려는 등의 시도가 있었으나 여전히 ppb 농도에서 생체지표 가스 감지 특성이 높지 않다는 한계가 있다.
연구팀은 미량의 염화 나트륨(NaCl)과 백금 촉매를 전기방사를 통해 넓은 비표면적과 다공성 구조를 갖는 금속산화물 나노섬유에 결착시켜 특정 생체지표 가스에 선택적으로 반응하는 감지 소재를 개발했다. 나트륨과 백금의 복합촉매가 결착된 나노섬유 센서는 백금 촉매만 결착되거나 촉매가 결착되지 않은 센서 대비 각각 10배 및 200배 이상 감지 특성이 향상됨을 확인했다.
특히 1 ppm의 황화수소 가스에 대해 감도가 780배 수준으로 바뀌는 세계 최고 수준의 감도 특성을 확인했고, 호기 속 방해 가스 중 반응성이 좋다고 알려진 에탄올 가스 대비 약 277배 수준의 선택도가 관찰됐다.
연구팀은 기존에도 호흡으로 질병을 진단하는 센서를 개발했으나 이번 기술은 가스 감지 성능 및 정확도와 신뢰도가 큰 폭으로 향상됐다는 특징이 있다. 또한, 연구팀은 이번에 개발한 초고성능의 가스 센서를 상용화된 압력센서, 온도센서, 습도센서와 결합해 간단하게 날숨을 불어넣는 것(호기 가스 직접 측정)만으로도 개개인의 호흡을 분석해 일반인도 쉽게 건강 이상을 판별할 수 있는 휴대용 복합센서 디바이스 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 가스 크로마토그래피-질량분석법 기반 상용 구취 진단기를 활용한 호기 가스의 정성적 정량적 비교분석을 바탕으로 80건의 날숨 분석을 진행한 결과, 이번 복합센서 플랫폼이 86.3%의 정확도로 구취 유무를 판별할 수 있음을 확인했다. 이번 기술은 구취 유무를 지속적으로 모니터링하는 헬스케어 기기에 손쉽게 적용할 수 있다.
김일두 교수는 "기존 센서에 사용되지 않은 알칼리 금속 기반 촉매를 잘 알려진 백금 촉매와 함께 도입함으로써, 질병과 연관된 생체지표 가스에 초고감도 및 고 선택성으로 반응하는 센서 소재를 구현할 수 있었다ˮ며 "감지 소재 개발에 머물지 않고 실제 센서 디바이스 구현 및 호기 가스 임상시험을 통해 높은 정확도로 구취 유무를 판별할 수 있다는 측면에서 매우 의미가 있는 연구 결과다. 누구나 손쉽게 스스로 진단할 수 있는 자가 진단 기기의 진보는 의료비 지출 상승을 막고 지속적인 건강관리에 큰 도움이 될 것이다ˮ고 밝혔다.
이번 연구는 공동 제1 저자인 신하민, 김동하 박사과정(KAIST 신소재)과 정원종 전문연구원(삼성전자 종합기술원)의 주도하에 진행됐으며, 남궁각 전문연구원(삼성전자 종합기술원)과 김일두 교수(KAIST 신소재)가 교신저자로 참여했다.
연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 `에이씨에스 나노(ACS Nano)' 8월호 표지 논문으로 발행될 예정이며, `미국화학학회(ACS) 위클리 프레스팩(Weekly PressPac)'에 7월 21일 자로 소개되어 전 세계 수천 명의 기자단에게 홍보됐다. 또한, 관련 기술은 국내를 포함해 유럽, 미국, 중국에 특허로 출원됐다.
2021.07.29 조회수 4846 -
㈜ 에이치앤이루자, 신소재공학과에 발전기금 2억 원 기부
우리 대학 신소재공학과의 인프라 향상 및 세계적인 인재 양성을 지원하기 위해 ㈜에이치앤이루자(대표 김병호)가 2억 원의 발전기금을 전달했다.발전기금 약정식은 7월 9일 오전 11시 신소재공학과 ‘이루자 회의실’에서 개최되었으며 김병호 대표, 홍승범 학과장 등 양 기관 관계자들이 참석했다.
또한, 이날 행사에서는 ㈜에이치앤이루자의 발전기금으로 구축한 ‘이루자 회의실 개소식’도 함께 진행됐다. 산학협력을 활발히 추진하고 있는 기업체들과의 공동 연구를 위해 마련된 공간으로 추후 공동장비 구입 등 시설을 확충해 지속적인 협업 연구를 추진해 나갈 계획이다. 이와 함께 ‘이루자 장학금’을 신설해 어려운 상황에서도 학업을 이어가고 있는 학생들을 지원할 예정이다.
김병호 에이치앤이루자 대표는 “세계 최고 대학으로 도약하고 있는 KAIST 신소재공학과의 연구와 교육 시설에 보탬이 되기를 바란다”라며, “앞으로 디스플레이/반도체 분야에서 더욱 전략적이고 지속적인 산학 공동 연구를 바탕으로 좋은 기술을 창출해 국가와 사회 발전에 이바지할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
홍승범 학과장은 “이번 기부를 통해 신소재공학과의 연구 인프라가 업그레이드되었고 앞으로 더 활발한 산학협력이 이루어지기를 기대한다”라고 전했다. 홍 학과장은 이어, “어려운 환경 속에서도 학업에 대한 열정이 많은 학생들을 위해 장학금을 지원할 수 있게 되어 매우 기쁘고 앞으로도 이런 좋은 기부가 이어질 수 있도록 학과도 열심히 노력하겠다”라고 말했다.한편, 우리 대학에 발전기금을 전달한 ㈜에이치앤이루자는 반도체와 평판디스플레이 생산용 장비의 제조/판매회사로 2007년 설립되었다. 국내뿐 아니라 전 세계적으로 OLED 용 SPUTTER 시장 점유율 1위에 올랐으며, 기술력과 성장 가능성을 인정받아 고용노동부 주관 강소기업, 산업통상부 소재부품장비 으뜸기업으로도 각각 선정되었다.
2021.07.09 조회수 3244 -
원자 하나가 촉매가 되다
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 2010년 물리학과 김용현 교수의 이론연구팀과 공동연구를 통해 세계 최초로 단일 원자촉매(Single atom catalyst)를 개발하는 데 성공한 바 있다.
이러한 `최초연구'의 성과를 인정받아 김상욱 교수 연구팀은 최근 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 신소재 분야의 가장 중요한 연구 동향을 소개하는 학술지 `어카운츠 오브 매터리얼 리서치(Accounts of Material Research)'에 특별 초청 리뷰 논문을 표지 논문으로 게재했다고 1일 밝혔다. (논문명 : Discovery of Single-Atom Catalyst: Customized Heteroelement Dopants on Graphene)
촉매는 소량의 첨가만으로 다양한 화학반응의 효율을 높이는 소재를 의미하며, 최근 그 중요성이 급속하게 커지고 있는 에너지, 환경 및 바이오/헬스 분야에서 핵심적인 요소로서 큰 관심을 끌고 있다. 대표적인 예로서 수소연료전지의 에너지 변환반응이나 환경친화적인 수소연료 생성반응 등에서 백금이나 희토류등 값비싼 촉매를 대체하기 위한 연구가 전 세계 신소재 연구의 화두가 되고 있다.
일반적인 촉매는 그 표면에서 화학반응을 일으키는데, 이상적으로는 단일 원자가 촉매가 된다면 같은 양의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있으며 이를 세계 최초로 실현한 것이 김상욱, 김용현 교수팀이 개발한 단일 원자 촉매의 개념이다. 김상욱 교수 연구팀은 탄소나노튜브를 화학적으로 성장시키는 과정에서 철(Fe) 원자가 우리 혈액 속의 헤모글로빈 구조와 유사한 단원자 혼성구조를 생성함을 발견하고, 한 개의 원자에 기반한 새로운 연료 전지 촉매를 제시한 것이다. 해당 촉매는 입자 응집으로 인해서 수명이 짧은 기존의 백금 촉매의 한계를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 형태로 주목을 받았다.
김 교수 팀의 연구 이후 최근에는 전 세계의 많은 연구 그룹들이 단일 원자촉매 연구에 뛰어들고 있으며, 새로운 고효율 촉매를 개발하기 위해 가장 전망이 밝은 분야로 각광받고 있다.
김상욱 교수는 "이번에 출판된 총설에는 그래핀과 같은 나노소재에 금속원소를 도핑하는 방식에서 시작된 단일 원자 촉매의 제조부터 구조와 물성, 그리고 응용까지 망라한 최신 연구 동향들이 잘 정리돼 있다ˮ며, "앞으로 해당 분야 연구에 심도 있는 통찰을 제시하길 희망하여, 향후 고효율 단일 원자 촉매 상용화의 시발점이 될 것이다ˮ라고 이번 논문의 의의를 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 김상욱 교수는 국내에서 유일하게 이 권위 있는 학술지의 편집위원으로 활동하고 있다.
2021.07.01 조회수 5932