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김용훈 교수 연구팀, 점점 작아지는 나노소자 더 똑똑하게 설계한다
우리 대학 연구진이 차세대 반도체 소자 설계의 기반이 되는 물리학 표준이론의 대안(alternative)을 제시했다.
전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀은 현대 양자수송 표준이론의 대안을 제시, 나노소자의 에너지 특성 까지 정확히 예측할 수 있는 이론을 확립하고 소프트웨어로 구현 했다고 14일 밝혔다.
일상적으로 쓰는 가전제품에서는 전자가 입자적 성격을 띠고 고전적으로 흐르지만, 최신 전자제품에 들어있는 첨단 나노소자에서는 전자가 양자적 특성을 띠고 전혀 다르게 움직인다.
원자나 분자 수준에서 단위정보를 처리하는 신개념 반도체 소자나 수소전지 같은 차세대 에너지 소자의 설계를 위해서는 이 같은 미시세계에서의 전자 및 스핀의 양자수송(quantum transport) 특성을 반영하여 소자의 동작을 미리 예측하는 과정이 필수적이다.
20세기 후반에 확립된 양자수송에 대한 표준이론은 나노소자를 채널영역과 그에 연결된 무한한 두 개의 전극으로 구성된 열린 양자계(open quantum system)로 기술한다.
이를 바탕으로 첨단 트랜지스터, 태양전지, LED 등 다양한 반도체 소자의 구동을 해석하려는 노력이 있지만, 이 방법으로는 전도성 이외 무한한 전극이 포함된 소자의 에너지를 기술할 수 없어 에너지 소자의 설계에 활용하기에는 한계가 있었다.
연구팀은 이 한계를 극복하고자 비평형 상태의 나노소자를 닫힌 양자계로 보고, 이 안에서의 양자수송 현상을 한 쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 전자가 광학여기(optical excitation) 되는 현상에 대응시키는 관점을 제안했다. 또한 이를 통해 소자의 에너지를 최소화하는 방식의 이론을 개발 하고 소프트웨어로 구현했다.
이 계산방식을 활용하면 소자의 전류-전압 특성 이외 에너지 특성까지 기술할 수 있어, 특히 배터리 같은 에너지 저장소자, 촉매나 연료전지 같은 에너지 변환소자 등 원자 수준 에너지 소자 설계의 중요한 실마리가 될 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 7월 1일 게재됐다.
2020.07.14
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조남진 교수, 美원자력학회 위그너원자로물리학자상 수상
〈 조 남 진 교수 〉
우리 대학 원자력및양자공학과 조남진 명예교수(69)가 美 원자력학회가 발표한 2017년도 ‘위그너 원자로물리학자상(Eugene P.Wigner Reactor Physicist Award)’ 수상자로 선정됐다.
시상식은 오는 11월 워싱턴 DC에서 열리는 美원자력학회 연차대회에서 열리고 조 교수는 기념 강연을 진행한다.
美프린스턴 대학의 위그너 교수는 노벨물리학상 수상자이며 세계 최초의 원자로 설계프로젝트의 핵심적 리더이다. 물리학자인 엔리코 페르미와 함께 원자로물리 분야의 선구자로 알려져 있다.
美 원자력학회는 위그너 교수의 공적을 기리기 위해 1990년 제1회 수상자를 위그너 교수로 선정하고 이 상을 제정했다.
상이 제정된 이래 미국, 영국, 프랑스, 이탈리아, 스웨덴 이외의 국가에서 수상자가 나온 것은 KAIST의 조 교수가 처음이다.
조 교수는 해석함수전개 노달방법, 2차원-1차원 융합 중성자수송계산법, 부분중성자류 소격격자가속기법의 우수성과 등 원자로물리 분야에서의 지대한 공로를 인정받았다.
조 교수는“이번 수상소식에 지난 30여 년간 KAIST에 재직하는 동안 같이 고뇌하고 땀 흘려 연구한 제자들에게 공을 돌리고 싶다”며 “또한 이를 가능하게 한 KAIST의 학구적인 분위기와 NRL프로그램(국가지정연구실사업) 등 정부의 지속적인 연구비 지원에 감사드린다”고 말했다.
조 교수는 원자력공학 핵심 분야인 원자로물리분야에서 노심설계방법론 및 전산해석기술의 권위자로 2001년도 美 원자력학회 석학회원(Fellow)에 선임되기도 했다.
2017.07.12
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단백질 나노튜브의 자기조립 분자스위치 발견
- 한국, 미국, 이스라엘 국제 공동 연구 성과 -
- 암 치료와 뇌 질환 메커니즘 단서 -
우리 학교 바이오및뇌공학과 최명철 교수와 송채연 연구교수는 미국
산타바바라 캘리포니아대학교, 이스라엘 히브리대학교와 공동으로 세포분열과 세포간 물질수송에 열쇠가 되는 단백질 나노튜브의 자기조립
구조를 제어하는 분자스위치를 발견했다.
연구 결과는 세계적 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF=35.7)’ 19일자에 게재됐다.
마이크로튜불(microtubule, 미세소관)은 사람의 몸속에서 세포분열·세포골격·세포간 물질수송 도구로 사용되는 튜브 형태의 단백질로 굵기가 25나노미터(1나노미터는 머리카락 굵기의 10만분의 1)에 불과하다.
대부분의 암 치료 약물은 마이크로튜불의 형성을 교란해 암세포 분열을
억제하는 것으로 작용 메커니즘이 알려져 있다. 알츠하이머병은 세포간 물질수송을 담당하는 마이크로튜불의 구조적 안정성이 떨어지면서
신경세포에서의 신호전달이 제대로 이루어지지 않아 생기는 대표적 뇌질환이다.
연구팀은 싱크로트론 X선 산란장치(synchrotron x-ray
scattering: 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 강력한 X선을 발생시키는 장치)와 투과전자현미경을 이용해 단백질
나노튜브의 자기조립 구조를 서브나노미터(1나노미터 미만)의 정확도로 측정했다.
연구팀은 이번 연구를 분자 레벨에서 레고 블록을 쌓아 올리는 것에 비유해
가로×세로×폭이 각각 4×5×8 나노미터인 단백질 블록을 쌓아 올려 25나노미터 굵기의 튜브를 형성하는 메커니즘을 추적했다. 이
과정에서 연구팀은 레고 블록의 형태를 제어하는 분자스위치를 발견했다. 또 지금까지 보고된 바 없는 전혀 새로운 크기와 형태의
단백질 튜브 구조를 만들어 내는데 성공했다.
최명철 교수는 “인간의 생명 시스템은 고도의 자기조립 구조체를 형성해 복잡한 생물학적 기능을 하고 있지만 한편으로는 극히 단순한 물리학적 원리에 의해 제어가 가능하다는 새로운 패러다임을 제시했다”고 이 연구의 의의를 밝혔다.
또 “이번 연구는 암 치료와 뇌질환 메커니즘을 규명하고자하는 작은 발걸음이며 앞으로 바이오 나노튜브를 이용한 공학적 응용이 무궁무진할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 국제협력사업, 신진연구자지원사업, 학문후속세대양성사업, KAIST 고위험 고수익 프로젝트(High Risk High Return Project)의 지원으로 수행됐다.
2014.01.21
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이산화탄소 포집저장기술 상용화 속도낸다
- 이산화탄소의 선박 수송 시 발생하는 증발가스 문제 해법 제시-- 원유값 등 다양한 상황에 따른 최적의 재액화율 이론 정립해 -
지구 온난화의 주범이 되는 이산화탄소를 포집한 후 땅속에 주입해 영구 저장하는 기술이 전 세계적으로 관심을 받고 있는 가운데, KAIST 연구진이 이산화탄소의 선박 수송을 위한 최적의 방법을 제시했다.
우리 학교는 해양시스템공학과 장대준 교수 연구팀이 포집된 이산화탄소의 선박 운송 중에 발생하는 증발가스의 최적화된 처리를 위한 해법을 제시했다.
이로써 이산화탄소를 포집하는 기술과 유전에 저장하는 기술 뿐 아니라 선박 수송에 대한 해법도 제시돼, 포집-수송-저장의 삼박자를 갖춰 이산화탄소 포집저장 기술이 곧 상용화될 것으로 전망된다.
최근 지구온난화에 의한 자연재해 문제가 심각해지면서 유럽을 중심으로 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 연구가 확산되고 있다.
이를 해결하기 위해 발전소와 공장 등으로부터 발생하는 이산화탄소를 포집해 지중에 다시 영구적으로 저장하는 기술인 ‘이산화탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)‘이 대안으로서 각광받고 있다.
우리나라는 2013년부터 포스트 교토의정서가 발효될 경우 이산화탄소 감축 의무를 면하기 어려울 전망이다. 정부는 이에 따라 오는 2030년까지 3200만 톤(전체 감축 전망치의 10%)의 이산화탄소를 감축한다는 목표를 세우고 있고 KAIST 등 국내 연구팀들도 이를 위한 기술 개발 및 실용화를 위한 연구에 속도를 내고 있다.
장대준 교수 연구팀은 지난 2009년 ‘이산화탄소 해상수송 및 주입터미널 프로젝트’를 통해 지중 저장 원천기술을 개발하는데 성공했고 이어, 이번에 액상 이산화탄소 운반선상에서 발생하는 증발가스의 위험성을 인식하고 이를 최적화하는 해법을 제시했다.
장 교수 연구팀은 선박을 이용해 액화 이산화탄소를 운송할 때 저온(-51℃)・고압(6.5bar)의 상태로 운반돼야 하는 점에 주목했다.
상온보다 낮은 온도로 운반되는 액화 이산화탄소 저장용기는 대기의 열 침투로 증발가스가 발생해 내부 압력이 높아져 용기가 파괴될 수 있기 때문이다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 압력용기에서 기화된 이산화탄소 가스를 재 액화 처리해 다시 압력용기로 주입하는 방법을 제시하고 이론적으로 모델링했다.
또 원유값, 탄소세, 원유증진회수를 위한 탄소거래비용 등 CCS 기술 도입을 위해 핵심적으로 고려될 사항을 바탕으로, 선박의 증발 가스 재액화율 결정을 위한 최적화된 해법을 고안해 냈다.
장대준 교수는 “저장된 이산화탄소가 해양에서 누출되면 대형사고로 번지게 된다” 며 “저장된 이산화탄소의 압력 거동을 예측하고 발생한 증발가스의 적절한 처리방안을 만드는 것이 상용화를 위한 필수적인 과정”이라고 말했다.
아울러 “이번 연구에서 정립된 이론은 CCS 상용화를 위한 시스템의 최적화와 액상 이산화탄소 운반 선박의 개발에 활용될 것으로 기대 된다”고 강조했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 해양시스템공학과 장대준 교수(제1저자 추봉식 박사과정 학생)가 교육과학기술부의 세계수준 연구중심대학(World Class University)과 국토해양부의 지원을 받아 수행했다.
장 교수 연구팀의 이 연구 성과는 환경 분야에서 세계적 학술지로 꼽히는 ‘국제 온실가스 제어(International Journal of Greenhouse Gas Control)지’ 6월 12일자 온라인 판에 실렸다.
그림 1. 저장된 액화 화물에서의 BOG 발생 및 그 영향
그림 2. 증발가스 생성으로 인한 저장용기 내부 압력 변화 및 열팽창으로 인한 액위 변화
그림 3. 누출 시 속도 및 온도 변화에 의한 주변 구조 및 선체에 미치는 영향
그림 4. 누출 시 이산화탄소의 거동 관측 실험
그림 5. CCS-EOR 병행 기술에서 증발가스 재액화가 미치는 영향
2012.06.27
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OLEV, 2010년 최고 발명품중 하나로 선정
우리학교 온라인전기자동차가 세계의 주목을 받았다.
미국의 유명 주간지 「타임(Time)」誌는 KAIST 온라인전기자동차(Online Electric Vehicle, OLEV)를 2010년 세계 최고 발명품 중 하나로 선정했다. 「타임」은 11월 22일자 특집란에서 ‘2010년 전 세계에 소개된 최고 발명품 50개’를 선정해 리스트를 발표했다.
리스트는 올 한 해 동안 일반 대중에게 알려진 혁신 과학기술 제품이나 예술작품을 기술(technology), 수송(transportation), 건강 및 의료(health & medicine), 생명공학(bioengineering), 녹색에너지(green energy), 의류(clothing), 로봇/소프트웨어(robot/software), 군수용품(military), 기타(miscellaneous), 전문가 선정(expert picks) 등으로 나누어 소개하고 있다.
온라인전기자동차는 수송부문에서 버스를 비롯한 교통수단의 전기차 상용화를 앞당길 수 있는 녹색기술로 소개되었다. 다음은 기사 전문.
“사진에 소개된 기차는 텔레비전 프로그램의 ‘소울 트레인’이 아니다. 서울에 있는 많은 버스는 전기를 이용해 달릴 날이 멀지 않을 것 같다. KAIST에서는 도로에 매설된 전선에서 발생하는 자기장을 전력으로 전환, 무선으로 차량에 전송하는 전기차를 연구하고 있다. 서울 남쪽에 위치한 과천의 서울대공원에서 시운전을 선보이고 있는 온라인전기자동차는 세계에서 유일한 무선 전기자동차다. 온라인전기자동차 기술은 (현재 시중에 나온 전기차의 배터리보다 더 작은) 5분의 1 크기, 3분의 1 가격대의 배터리를 장착한 전기차 개발을 가능하게 만들 것이라고 KAIST 연구원들은 말했다.”
‘타임’지가 선정한 ‘올 해 세계 최고 50개 발명품’의 하나로 소개된 KAIST 온라인전기자동차는 한국의 대학에서도 얼마든지 세계 과학기술계 흐름을 주도할 수 있는 ‘혁신원천기술개발’이 가능하다는 것을 보여주고 있다는 점에서 시사하는 바가 크다. 뿐만 아니라, 온라인전기자동차가 대학 내에서 이루어지고 있는 ‘대담한 과학 실험’에만 그치지 않고 ‘상용화’가 가능한 모델로 소개됨으로써 이윤을 창출할 수 있는 ‘기술’로 그 가치를 인정받는 점도 주목할 만하다.
지난 2009년 이명박 정부는 지식경제시대 한국의 경제를 이끌어 나갈 신성장 동력원으로서 ‘녹색성장기술개발을 위한 혁신연구사업’의 하나로 KAIST의 온라인전기자동차사업을 선정했다. 정부의 지속적인 성원과 투자로 개발에 착수한 지 1년만인 올 3월, KAIST는 과천 서울대공원에 온라인전기자동차의 첫 시범 모델을 선보였다.
과천에 있는 온라인전기자동차는 국내 언론은 물론, ‘CNN’ ‘뉴욕타임즈’ ‘USA Today’ ‘로이터’ ‘AFP’ ‘The Times’ ‘산케이신문’ ‘신화통신’ 등 해외 유수 언론에 소개되었으며, 오는 12월에는 ‘Discovery Channel’의 과학 프로그램인 ‘Into the Future’에서 ‘차세대 친환경 교통수단’으로 소개될 예정이다.
아울러, 지난주 폐막된 ‘G20 정상회의’에서 KAIST는 온라인전기자동차 홍보관을 마련하고 회의 참석자들에게 한국에서 개발한 세계 최초, 최고의 친환경 녹색교통기술을 선보여 큰 호응을 받았다.
이 밖에도 시몬 페레스(Shimon Peres) 이스라엘 대통령, 라스 라스무슨(Lars Rasmussen) 덴마크 총리, 아덴 베멘트(Arden L. Bement Jr.) 전 美국립과학재단(NSF) 총재, 국제자동차공학회(SAE International) 앤드류 브라운(Andrew Brown) 회장 등의 저명인사가 온라인전기자동차를 둘러보고 갔다. KAIST가 주최한 ‘2010 전기자동차 국제포럼(IFEV 2010)’에 참석했던 브라운 회장은 온라인전기자동차 시승 후, “새로운 전기차의 모델을 구상하고 있는 KAIST의 대담한 연구 시도와 상용화가 가능한 수준의 기술 개발력에 깊은 인상을 받았다”고 시승 소감을 밝히기도 했다.
※ 타임즈기사 원문
http://www.time.com/time/specials/packages/article/0,28804,2029497_2030622_2029703,00.html
2010.11.12
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장충석 교수, 美 물리학회석학회원 선임
- 미국 물리학회 정회원 중 0.5%이내의 인원만 선임되는 영예로운 직임.
- 플라즈마 수송이론, 전자파 가열이론의 선도적, 창의적 기여와 대형전산 시늉 연구분야의 지도자적 역할 인정
물리학과 장충석(張忠錫, 55) 교수가 물리학 분야에서 세계적 권위를 자랑하는 미국 물리학회(APS : American Physics Society)의 석학회원(Fellow)으로 선임됐다.
석학회원은 미국 물리학회 정회원 중 0.5% 이내의 인원만 선임할 정도로 관련 분야 학자들에게는 큰 영예로 받아들이고 있다. 張 교수는 플라즈마 수송이론과 전자파 가열이론 분야에서 선도적이고창의적인 기여와, 대형전산 시늉 연구분야의 지도자적 역할을 인정받아 석학회원으로 선정됐다.
張 교수는 그동안 미국 에너지성의 주요 정책위원회에 여러 차례 초청되어 활약해 왔으며, 미국 주요 국립연구소들의 플라즈마 이론연구활동에 대한 실사위원(On-site Review Committee)으로도 장기간 활동한 바 있다. 그동안 KAIST 학생들과 수행해온 연구결과가 세계적으로 인정되어 대형 국제학회는 물론이고 가장 권위 있는 미국 물리학회 학술대회에서도 수차례 초청 발표를 한 바 있다. 이런 연유로 張 교수 연구실 출신의 KAIST 전산물리 박사들은 핵융합 분야에서 세계적으로 실력을 인정받고 있다.
또한 張 교수는 미국 학계 사상 한국인으로는 보기 드물게 지난해에 미국 에너지성(Department of Energy)이 3년간 600만달러의 연구비를 투입하는 초대형 전산이론 연구단의 총괄책임자로 추대된 바 있으며, 핵융합 플라즈마물성을 대형 병렬컴퓨터를 이용하여 전사모사 하는 복합이론연구단을 미국 쿠랑 수리과학연구소에 본부를 두고 지휘하고 있다. 이 연구단은 프린스턴대, 콜롬비아대, MIT, 캘리포니아 공대, 캘리포니아 주립대, 럿거스대, 뉴욕대 쿠랑수리과학연구소, 오크리지 국립연구소, 버클리국립연구소 등 14개의 연구-교육 기관에 소속된 물리-수학-전산 분야의 미국 최고 석학들로 구성되어 있어 세계적인 관심을 끌고 있다.
2006.10.24
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