니코틴 중독, 뇌의 작은 RNA 네트워크가 이유 -흡연에 의한 중독현상의 치료 및 재발 방지에 마이크로RNA 이용가능성 제시 흡연으로 인한 니코틴 중독은 개인의 건강 문제뿐만 아니라 중독 치료를 위한 사회적 비용과 노력이 요구되는 중요한 문제이다. 국내 연구진이 뇌의 마이크로RNA 네트워크를 분석해 니코틴이 중독되는 현상의 원리를 밝혀 니코틴 등 약물 중독치료 연구에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 신경과학연구단 임혜인 박사팀은 인간의 흡연과 유사하게 생쥐의 니코틴 중독을 일으키는 행동실험 장비를 이용하여 니코틴에 중독된 생쥐 뇌의 마이크로RNA와 유전자를 통합적으로 분석해, 뇌의 하베뉼라 부위에 위치한 마이크로RNA가 중독에 관여하는 원리를 밝혔다. 뇌속의 해마 (hippocampus) 바로 밑에 위치하는 아주 작은 부위인 하베뉼라 (habenula) 영역은 흡연 시 니코틴에 의한 보상작용이나 금단현상에 관여하는 것이 최근 연구보고로 알려져 있으나, 이러한 현상이 어떠한 기전으로 이루어지는지는 명확히 알려져 있지 않았다. 연구진은 사람이 스스로 흡연하는 것과 유사하게 생쥐가 스스로 니코틴을 투여할 수 있도록 만들어진 행동 실험 장비에서 니코틴에 중독된 생쥐 모델을 만들었다. 그리고 니코틴의 농도를 달리했을 때 생쥐의 니코틴 투여량을 비교했다. 이후, 뇌에서 하베뉼라 영역을 분리하여 마이크로RNA와 유전자의 변화를 니코틴을 투여하지 않은 대조군과 비교하였다. 생쥐는 행동 실험 장비 내에서 버튼을 누르면 정맥에 연결된 관을 통해 니코틴이 몸속으로 들어오게 된다. 이 방식은 기존의 연구자에 의한 약물 주사 방식과는 달리 생쥐가 자발적으로 니코틴을 투여한다는 점에서 인간의 흡연과 유사한 방식으로 니코틴 중독을 일으킨다. 연구진은 하베뉼라 부위의 유전자를 통합적으로 조사했고 그 결과 변화가 두드러지는 유전자들을 확인할 수 있었다. 이러한 유전자는 신경영양인자(neurotrophin), 칼슘 시그널링 경로 등에 관계된 유전자들로 기존 다른 연구에서 흡연 중독 현상과 밀접하다고 보고된 유전자들이다. 또한 이러한 변화가 유전자 발현 조절인자인 마이크로RNA에 의한 것이라는 사실을 확인하였다. 마이크로RNA는 주로 유전자 발현을 억제하는 기능을 하므로, 마이크로 RNA가 증가하면 유전자는 감소하게 된다 (그림2 참고). 이 결과를 바탕으로 마이크로RNA와 유전자의 변화 사이의 상관관계를 확인했으며, 니코틴에 중독되는 현상과 연계되어 있음을 확인하였다. 본 연구는 니코틴 중독 현상에 마이크로RNA에 의한 유전자 조절현상이 관여하고 있음을 밝힌 것으로, 니코틴 외의 다양한 중독현상의 치료나 금단현상 방지를 위한 치료 등에 마이크로RNA가 이용될 수 있다는 가능성을 제시했다. 특히, 크기가 작은 마이크로RNA는 약물 전달 물질에 삽입하여 체내로 전달이 용이하다고 알려져 있어서 약물치료제 개발에도 활용도가 높을 것으로 보인다. KIST 임혜인 박사는 “최근 담배값의 상승과 더불어 담배중독 및 금연에 대한 관심이 급격히 증가하고 있지만 담배중독 (니코틴중독)의 원인이나 치료법이 확실하지 않았는데, 이번 연구결과를 통해 새로운 담배중독의 원인과 치료 방법 개발의 근간을 만들었다.”고 연구 의의를 밝혔다. 연구결과는 과학 학술지인 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)에 08월 11일자로 게재되었다. * (논문명) Integrated miRNA-mRNA analysis in the habenula nuclei of mice intravenously self-administering nicotine - (제1저자) (한국과학기술연구원 뇌과학연구소 신경과학연구단) 이상준 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 뇌과학연구소 신경과학연구단 임혜인 선임연구원 <그림자료> 1. 실험용 생쥐에서 니코틴을 스스로 투여하는 행동장치 (사람에서 자의에 의한 흡연을 가장 가깝게 모방할 수 있는 설치류 행동장치)로 다양한 니코틴의 농도에 따라 체내로 투여되는 니코틴의 양이 어떻게 변화하는지를 실험한 결과이다. 실험용 생쥐가 니코틴에 중독되는 과정에서 니코틴에 의한 자극에 둔감해지게 되어 체내로 투여되는 니코틴 농도가 높아져도 니코틴 투여량을 줄이지 못한다. 참고적으로, 중독이 되지 않은 생쥐의 경우 니코틴 농도가 높아짐에 따라 발생되는 부작용 (메스꺼움, 발작 등) 때문에 투여량을 줄이는 것이 일반적이다. 2. 다양한 종류의 마이크로RNA(윗줄)와 유전자(아랫줄)가 증가(붉은색)하거나 감소(초록색)하는 것을 마이크로어레이 실험을 통해 확인하였다. 마이크로RNA의 조절 작용에 의해 유전자와 반비례양상을 띄며 변화한다.

휠 수 있는 얇은 태양전지, 금속 나노잉크로 값싸고 친환경적으로 - 기존 나노잉크 공정의 유기물 분산제 사용 없이 안정적인 나노 잉크 제조 - 저비용, 고효율 박막태양전지 상용화 가능성 열어 - Journal of Materials Chemistry A 표지논문 선정 나노잉크를 프린팅하는 제작기법을 사용해 얇은 막 모양의 형태로 건물이나 웨어러블 기기에 사용이 가능한 박막태양전지를 값싸게 만들 수 있는 공정이 개발되었다. 고가의 진공 장비나 독성 분산제를 사용하지않아 친환경적이고 저가의 박막태양전지 개발이 가능해졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 이도권(광전하이브리드연구센터)박사팀은 금속 나노잉크 프린팅 공정으로 제조비용을 절감하면서도 효율이 높은 박막태양전지를 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 박막태양전지는 현재 가장 많이 쓰이는 실리콘 계 태양전지에 비해 자유롭게 형태를 변형할 수 있고 가벼워서 건물, 휴대용, 웨어러블 기기 등으로 응용처가 크게 확장될 것으로 기대된다. 그러나 박막태양전지 제조에는 보통 고가의 반도체 공정에 쓰이는 진공 장비가 사용되기 때문에 제조 단가 절감에 어려움이 있다. 연구진이 개발한 나노잉크 프린팅 공정은 기존의 박막태양전지 제조 공정에 사용되는 고가의 진공 장비가 필요 없고 유연한 기판을 이용하는 연속공정에 적용 가능하므로 공정비용이 저렴할 뿐 아니라 대량생산에 적합한 장점이 있다. 기존의 나노잉크 기술에서는 나노입자가 서로 엉기는 현상을 막고 치밀한 코팅 막을 얻기 위해 비싸고 독성이 있는 유기물 분산제를 첨가해야하고, 프린팅 후 고온 공정을 거쳐 유기물을 다시 분해해야했다. 또한, 유기물이 완전히 분해되지 않을 경우 박막에 남는 탄소 잔유물이 태양전지 성능을 저하시키는 단점이 있었다. 이도권 박사팀은 친환경적인 에탄올 용매 이외에는 어떤 유기물도 첨가하지 않고 세라믹 볼을 회전시켜 얻은 기계적 에너지만으로 나노입자를 균일하게 분산시키고 이를 치밀한 박막 형태로 만드는데 성공했다. 제조된 나노잉크는 대기 중에서 최소 한 달 이상 안정한 상태를 유지해 기존 유기물 분산제를 사용한 나노잉크와 비교해 우수한 안정성을 나타냈다. 특히, 나노잉크의 재료로 구리-인듐 계 금속 나노입자를 사용함으로써, 금속 원자들이 셀레늄과 만나 화합물을 이루는 과정에서 일어나는 부피 팽창을 적극적으로 이용하여 표면에 구조 결함이 없는 고품질의 구리-인듐-셀레늄 (CIS) 박막태양전지를 제조했다. 그 결과, 연구팀은 유사한 화합물로 구성된 저가형 태양전지 중 가장 높은 광 변환 효율인 11.4%를 달성하였다. 현재 박막태양전지의 시장 규모는 약 3 조로 개발한 공정을 활용할 경우 최대 30%의 제작비용 감소 효과가 있다. 또한 광변환 효율을 15%까지 올리게 되면 휴대용 전자기기의 이동용 전원 등으로 활용이 가능할 것으로 보인다. 이도권 박사는 “유기물 분산제를 사용하지 않고 고품질의 박막을 형성할 수 있는 나노잉크 제조 기술은 그동안 사례가 없었던 일이다”며“박막 반도체의 밴드갭 조절 등을 통해 효율 향상의 여지가 충분하기 때문에 저비용, 고효율 박막태양전지의 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다 ”고 말했다. 이번 성과는 KIST-UNIST-울산시 융합 신소재 연구센터 및 KIST 미래원천사업의 지원으로 UNIST 송명훈 교수팀과의 공동연구로 이루어졌으며, 에너지 분야 Journal of Materials Chemistry A에 8월 21자 표지논문으로 선정되었다. * (논문명) High-density Cu In intermetallic nanocrystal layers: towards printable CuInSe2 solar cells with high efficiencies - (제1저자) 한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터, 과학기술연합대학원 대학교(UST) 석사과정 이병석 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터 책임연구원 이도권 <그림자료> 1. Journal of Materials Chemistry A지 2015. 8. 21일자 표지에 사용된 이미지: 금속 나노결정으로부터 제조한 나노잉크를 펴 발라 구리-인듐-셀레륨 화합물 박막태양전지를 제조하는 과정을 표현한 그림.

손으로 느끼고 조작하는 실감나는 가상현실이 온다 - 카메라형 센서로 가상현실과 실제 공간을 일치시켜 여러 사용자간 확장공간 공유 및 상호작용 - 보급형 평면 입체 디스플레이 환경에서 입체가상물체를 실제 물체처럼 보고 맨손으로 조작 서로 멀리 떨어진 곳에 있는 사람들이 하나의 가상공간에서 가상물체를 실제처럼 보고 손으로 직접 조작할 수 있는 기술이 국내연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 로봇연구단 박정민 박사팀은 가상공간과 실제 공간간의 차이가 5mm로 몰입감이 우수한 가상현실공간을 개발했다. 이는 세계 최고수준으로 알려진 기존 기술의 공간 차이가 10mm 였던 것을 대폭 개선한 것으로 한층 더 높은 몰임감으로 현실처럼 가상물체를 조작할 수 있게 되었다. 보편적으로 사용되는 평면 입체 디스플레이를 이용함으로써 다양한 가상현실공간의 응용에 손쉽게 사용할 수 있으므로 기술활용도가 매우 높을 것으로 기대되며, 가상물체를 실제 물체처럼 직접 손으로 조작(잡기, 들기, 움직이기 등)하는 기술은 훈련 및 교육 어플리케이션이나 의료용 시뮬레이터 등 다양한 응용분야에서 직관적인 사용자 인터페이스로 활용될 것으로 기대된다. 현실에 있는 사용자가 가상공간의 물체를 현실과 동일한 수준의 몰입감으로 조작하기 위해서는 현실공간과 가상공간을 통합하는 기술이 필요하다. 현실공간과 가상공간을 하나로 통합하는 기술은, 사용자가 영상을 보는 평면 입체 디스플레이와, 사용자간의 상호작용을 위하여 사용자움직임을 감지하는 카메라형 센서의 위치를 추정하는 기술이 핵심이다. 연구진은 거울을 이용해 디스플레이를 비추는 영상을 얻고 각각의 센서-디스플레이 쌍에 대해서 거울을 이용한 센서변수 및 자세를 추정해 현실공간과 가상공간이 일치하는 정합결과를 얻는 기술을 개발했다. 특수한 장치로 고안된 가상공간과 현실공간을 통합하는 예는 기존에 있었으나, 특정한 입출력장치로 구성된 시스템에서 제한된 공간에서만 사용할 수 있는 한계가 있었다. 때문에 가정과 산업현장에서 보편적으로 사용하기 어려웠다. 반면, 평면 입체 디스플레이와 RGBD 센서인 키넥트(Kinect)를 사용, 색상(color)과 깊이(depth)를 이용하는 본 기술은 가상공간 구성 비용이 저렴하고 보급형 출력장치인 3D TV와 같은 평면입체디스플레이를 사용하므로 손쉽게 몰입형 가상공간을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한, 현실처럼 가상공간에서 상호작용이 가능하고 몰입감이 뛰어나 산업용으로나, 일반 사용자용 및 다양한 새로운 서비스 창출이 가능할 것으로 예상된다. 개발한 기술은 네트워크를 통해 여러 사용자가 하나의 확장공간을 공유하여 같은 가상 물체와 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 연구진은 본 기술을 사용하면 가상 물체를 직접 접촉하고 조작하는 것이 필요한 응용의 전 분야에 활용이 가능하다고 밝혔다. 예를 들면 체험형 교육, 3D 관광 안내지도, 3D 인터랙티브 광고, 가상 실감 쇼핑몰, 가상 체험전자 전시나 안내물, 장치 매뉴얼 등 다양한 분야에서 새로운 서비스를 제공할 수 있다. 또한 가상현실에서의 콘텐츠를 제어하는데 마우스 대신 맨손으로 사용할 수 있어 더욱 실감나는 물체조작 환경 구축에 응용이 가능하다. 이 연구는 미래창조과학부 ‘현실과 가상의 통합을 위한 인체감응솔루션’ 글로벌 프런티어사업의 지원으로 개발되었으며 관련기술은 국내/외 특허가 등록(각 1건)되었고 국외출원(1건), 국내 특허 출원(1건)을 마쳤다. 연구책임자인 박정민 박사는“이미 널리 보급된 입출력 장치를 사용하므로 다양한 가상현실 관련 산업을 견인하는 기술파급효과가 클 것으로 예측되며, 네트워크를 통해 연결함으로써 멀리 떨어진 곳에 있는 사람이 실제처럼 만나서 함께 일하고 재미있게 놀이할 수 있는 새로운 공간이 마련되므로 신서비스 창출에 기여할 수 있을 것”이며, “손으로 직접 조작할 수 있는 기술 개발로, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 웨어러블 인터페이스에서 한걸음 나아가 가상공간환경의 다양한 어플리케이션에서 가상물체를 다루는데 손쉽게 사용할 수 있는 차세대 인터페이스로 자리매김할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다. <그림자료> 그림 1. 평면 입체 디스플레이와 카메라형 센서 간의 정합 가상공간을 나타내기 위해서는 출력장치가 필요하고 가상공간과 상호작용하기 위하여 사용자의 모습을 감지하는 입력장치가 필요하다. 본 개발에서는 출력장치로 평면입체 디스플레이를 사용하였으며, 가상공간의 범위(좌, 우)를 넓히기 위하여 예를 들면 위의 그림과 같이 좌측, 아래측으로 연결하여 구성하였다. 사용자의 모습을 감지하기 위한 센서로 깊이카메라(RGB-D)를 사용하였다. 두 종류의 입출력장치는 모두 사용자를 향하여 놓임으로 디스플레이가 제시하는 정보를 입력장치인 깊이카메라는 관측할 수 없다. 따라서 공간의 어느 부분에서 어떤 가상 물체를 조작하는지 알 수 없기때문에 디스플레이의 정보를 센서에서의 정보로 직접적인 변환하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 디스플레이와 다수의 센서를 통합된 하나의 좌표계에서 표시하는 기술이 필요하다. 그림 2. 다수 평면입체 디스플레이와 다수 카메라형 센서간의 정합 방법 개발 디스플레이의 영상을 센서가 볼 수 없으므로 거울을 이용하여 가시성을 확보하고 좌표계를 통합 표현하기 위하여 다수 센서-디스플레이 사이의 통합 비선형 최적화 방법을 고안하였다. 그림 3. 다수 센서와 다수 디스플레이를 이용한 몰입형 가상현실 다수의 디스플레이를 통해 출력되는 입체 가상공간과 다수의 센서로 감지되는 현실공간을 하나로 통합함으로써 다수 디스플레이를 통해 사용자에게 넓은 가상공간 영역에서 가상 물체를 현실과 같이 직접 조작할 수 있음을 보인다. 본 기술을 통해 현실공간과 가상공간이 잘 대응되어 있어서 공간 상에서 정밀한 제어가 필요한 젱가블럭놀이를 맨손으로 가상공간에서 실감나게 할 수 있음을 보인다.

나노구멍으로 세포 조절, 기능성 강화된 생체재료 제작 - KIST, 레이저공정을 이용한 나노표면으로 세포의 부착, 이동방향 조절 - 생체재료 표면에서의 세포 반응 규명, 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발에 적용 생체이식 소재연구는 몸속에서 안전하고, 생체에 안정적으로 이식이 가능해야하며, 주변 조직에 기능적으로 어떤 영향을 미치는 지가 중요한 이슈이다. 국제 연구진이 특수 레이저를 이용하여 생체이식 소재의 표면을 조절해 기능성을 강화할 수 있는 세포 조절 나노패터닝 기술을 개발했다. 기능성 생체재료는 인체에서 분해되는 금속이나 고분자, 약물 전달을 위한 고분자 코팅 등에 한정되어 사용할 수 있는 소재가 제한적이다. 생체 이식용으로 가장 많이 활용되고 있는 타이타늄과 같은 소재는 우수한 기계적 강도를 갖고 있지만, 인체 조직의 활성과는 관련이 없는 소재이다. 연구진이 개발한 레이저 패터닝 기술을 활용하면 다양한 생체재료 소재의 표면을 기능화하여, 인체에 활성을 가지지 않는 소재들도 생체기능성 소재로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 개발기술을 활용하면 생체재료의 부작용을 최소화하는 인공수정체와 혈관스텐트, 부러진 뼈를 고정할 뿐 아니라 뼈재생까지 촉진하는 임플란트 등의 개발이 한층 앞당겨질 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 전호정 박사는 미국 버클리 캘리포니아 주립대(UC Berkeley) 기계공학과 코스타스 그리고로폴러스(Costas Grigoropoulos) 교수와 재료공학과 케빈 힐리(Kevin Healy) 교수팀과의 공동연구를 통해 펨토초 레이저를 이용하여 만든 1마이크로미터(백만분의 1미터) 미만의 나노구멍 패턴을 이용하여 재료 표면에서의 세포 성장과 운동을 조절하는 메커니즘을 규명하는데 성공했다고 밝혔다. 우리 몸을 구성하는 기본 단위인 세포는 혈액 속에 떠다니는 혈관 세포를 제외하고는 대부분 이웃하고 있는 세포나 세포주변을 감싸고 있는 조직의 표면에 부착하여 생존하거나 기능을 발현하게 된다. 임플란트와 같은 생체재료를 이식했을때도 마찬가지로 세포가 와서 붙게 된다. 이때 세포는 사람의 발과 비슷한 역할을 하는 초점 접착역(Focal Adhesion)의 형태를 통해 생체재료 표면에 부착되고 이를 통하여 외부의 물리, 화학적 신호를 받아들인다. 연구진은 생체 재료 표면에 나노구멍을 만들고 그 크기와 간격을 바꾸어 실험한 결과 나노구멍이 세포의 초점접착역에 영향을 미칠 수 있다는 점을 발견했다. 연구진은 단일 레이저 펄스의 폭이 100 펨토초(10-15초)인 레이저를 이용하여 직경이 500에서 1000 나노미터이면서 깊이가 500 나노미터인 나노구멍으로 이루어진 표면을 제작하였다. 나노구멍 간격을 조정하면 세포가 붙지 않는 표면을 만들거나, 세포를 특정한 장소로 몰아서 세포들이 띠모양, 원모양 등으로 그룹을 형성하도록 유도할 수 있다. 이러한 재료표면 제어를 통해 임플란트 표면에 세포가 붙지 않게 하거나 선택적으로 세포를 붙게 할 수 있다. 또한 패턴으로 인한 물리적 자극으로 임플란트 주변조직의 재생을 억제하거나 촉진시킬 수가 있다. 세포는 살아있는 생명체로서 주변 환경에 반응하여 스스로 살기에 더 적합한 환경 혹은 자신의 역할이 필요한 곳으로 이동하는 경향을 보인다. 세포는 일반적으로 초점접착역의 부착에 관여하는 단백질의 농도가 높고, 부착한 표면이 더 단단한 곳으로 이동한다고 알려져 있다. 연구진이 개발한 방법은 기존에 알려져 있는 세포 이동 조절인자 외에 레이저로 나노구멍을 만들어 세포의 이동 방향을 조절하는 기술로, 기존 기술과 달리 실제 인체에 삽입하는 임플란트 표면에 적용하기가 용이하여 기능성 임플란트의 상용화에 쉽게 적용될 수 있다. 또한, 연구진이 개발한 나노구멍 패터닝 기술은 펄스폭이 아주 작은 특수한 펨토초 레이저를 사용하기 때문에 고분자, 세라믹, 금속 표면에 모두 적용이 가능하며, 유해한 화학물질 사용없이 나노구멍의 크기를 조절해 인체에서 안정적이라는 장점이 있다. 인공수정체나 혈관스텐트와 같이 세포의 과다 증식으로 후속 질환이 발생하는 소재에 적용하여 세포 증식을 억제하는 기능성 생체재료를 만들 수 있고, 뼈 고정용 임플란트 표면에 활용하여 뼈 재생을 촉진시킬 수 있는 기능화된 의료기기 제작도 가능하다. 공동 제 1저자인 KIST 전호정 박사는 “개발한 기술로 다양한 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발이 가능할 것으로 보인다”며, “세포의 부착 특성은 세포의 분화 및 증식과도 연관이 높기 때문에 후속연구를 통해 줄기세포의 분화능력은 유지한 채, 세포의 양을 늘리는 배양 기술이 필요한 줄기세포 치료제 등의 생산에도 활용이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구는 미국 NIH(National Institute of Health, 국립보건원) 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 네이처 머티어리얼즈 (Nature Materials)에 7월 27(월)일자 온라인판에 게재되었다. *(논문명) Directing cell migration and organization via nanocrater-patterned cell-repellent interfaces - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 전호정 박사, (UC Berkeley) 구상모 박사과정 - (공동 교신저자) (UC Berkeley) Costas Grigoropoulos 교수, (UC Berkeley) Kevin Healy 교수 <그림자료> <그림1> 펨토초 레이저 공정을 이용하여 만든 나노구멍. (a) 렌즈 선택에 따른 다양한 종횡비를 가지는 나노구멍을 보여주며, (b) 나노구멍 패턴을 보여주는 SEM 이미지 및 (c, d) 레이저의 펄스 에너지에 따른 나노구멍 크기를 보여준다. <그림 2> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 디자인과 (b-f) 패턴 위에 세포를 배양했을 때 처음에는 표면 전체에 붙는 듯 하지만, 배양 시작후 5시간 뒤부터는 세포가 이동성을 보이기 시작하여 15시간 이후에는 확연하게 세포가 붙은 영역과 붙지 않는 영역을 보여준다. 나노구멍 간격이 촘촘한 영역에 붙어있던 세포들은 간격이 넓은 영역으로 경향을 띄면서 이동하는 모습을 보인다. <그림 3> (a) 간격 구배를 갖는 나노구멍 패턴 위에 붙어있는 세포의 모습 (b) 패턴 위에서 자라는 세포는 그림a의 가로축을 기준으로 45도 방향으로 이동하는 방향성을 보이지만, (c) 패턴이 없는 곳의 세포는 이동에 경향성을 보이지 않는다. (d) 패턴 위의 세포를 형광 염색해서 현미경으로 관찰하였을 때, (e) 나노구멍 위에 붙어있는 세포의 초점접착역은 안정화되지 못하고 나노구멍을 피해서 작은 크기로 형성되는 반면, (f) 패턴이 없는 곳의 세포는 길쭉한 형태의 안정된 초점접착역을 보여준다. <그림 4> 나노구멍 패턴을 이용하여 세포들을 (a) 띠 형태, 혹은 (b) 원형으로 패터닝 할 수 있다.

2차원 나노소재 형성 메카니즘 규명 - 차세대 물질로 주목받고 있는 그래핀 및 2차원 소재에 대한 성장 메카니즘 정밀 분석, 정량적 데이터 제시 및 통합 합성 방정식 유도 - 금속 촉매 도움 없이, 저온에서, 직접 절연촉매 위에 그래핀 성장을 가능하게 해 주는 γ-Al2O3 기판 소재 개발 - 이러한 분석과 개발을 통해, 맨손으로 공정이 가능한 ‘그래핀 스티커’ 개발 현재 반도체 기술은 처리 능력 향상을 위해 소자 밀도가 높아지면서 단위 면적당 전력 수요가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하는 열처리 문제 때문에 소자의 성능을 제대로 구현할 수 없는 한계에 도달하였다. 이를 해결하기 위해, 기존 반도체 소자 물질인 실리콘을 대체하는 월등한 전기적 특성을 가지면서 저전력 고효율 물질인 2차원 나노 소재인 그래핀에 대한 연구가 활발하다. 그러나 2차원 소재가 실질적, 정량적으로 어떻게 성장하는지에 대한 메카니즘이 규명되지않아 기존 연구들이 한시적, 산발적으로 그치게 되었고, 결국 연구 결과들 간의 상호 상승효과(synergistic effect) 또한 극대화 되지 못하고 있는 실정이다. 국내 연구진이 2차원 소재가 성장하는 메카니즘을 밝히고 대면적 그래핀을 합성하는데 성공했다. 다양한 2차원 나노 소재 성장을 위한 새로운 촉매 및 성장법 연구와 새로운 나노 소재의 개발에 실질적으로 활용이 가능할 것으로 보인다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 나노 소재의 합성 적용이 가능한 2차원 나노 소재의 합성 메카니즘을 수학적으로 유도하였으며, 이를 정량적으로 규명하였다. 연구진이 개발한 메카니즘은 이것이 적용되는 성장 환경, 촉매 기판, 전구체를 함수로 넣어 최종적으로 합성 될 2차원 소재의 정량적 형태를 정확히 예측할 수 있다. 그래핀을 이용하여 이를 증명한 연구팀은, 이를 기반으로 하여 새로운 비금속 절연 기판 소재인 γ-Al2O3 (감마상의 알루미나) 기판을 그래핀 합성을 위한 촉매이자 기판으로 개발, 응용하여 그래핀을 금속 촉매 없이 직접 절연 기판 위에 합성하는데 성공하였다. 또한 이렇게 γ-Al2O3 기판 상에 합성된 그래핀은 추가적인 금속촉매 제거공정 없이 바로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 Cu(구리)와 Ni(니켈) 촉매를 사용하여 합성된 그래핀 보다 우수한 특성들을 가진다는 것을 증명하였다. 2009년에 전이금속 촉매를 활용한 균일한 대면적 그래핀 합성법이 개발된 이후, 비금속 촉매 기판으로 그래핀을 대면적으로 균일하게 합성한 예는 아직까지 없었다. 그런데 이 방법은 그래핀을 합성한다고 하더라도 그래핀만을 금속 촉매에서 분리하기 위해 용액 기반의 전사 공정을 거쳐야 해서 비용이나 환경적 측면에서 많은 단점이 있고 대면적으로 균일한 크기의 그레인1)으로 그래핀을 성장시키는데 한계가 있었다. 게다가 현재까지는 이러한 문제가 촉매 기판 자체의 한계로 인한 것인지, 아니면 성장 조건의 최적화 문제인지에 대한 판단의 기준도 없었다. 연구진이 수학적 유도를 통해 밝힌 메카니즘에 따르면 기존의 그래핀 합성에 대한 문제들을 모두 해결할 수 있게 되었다. 또한 촉매 기판에 합성시킬 그래핀의 형태를 정량적으로 예측할 수 있게 되었다. - 연구진이 수학적으로 유도한 2차원 나노 소재의 일반적인 형성 메카니즘은 시스템에 주입한 탄소 전구체의 종류, 압력, 촉매 기판의 정보로부터 탄소 전구체가 수소를 잃으면서 촉매 기판 위에 공급되는 탄소 원자량을 바탕으로 한다. 이러한 과정에서 생성된 탄소 원자가 기판 표면으로부터 떨어져 나가는 확률과 표면 확산2)을 통해 무사히 다른 탄소 원자 또는 다량체3)와 만나 이량체4)를 형성하거나, 그래핀 핵이 형성되고 성장하는 확률, 그리고 그래핀 그레인으로부터 탈착되는 확률에 대한 비율 평형 방정식 (balance rate equation)을 바탕으로 세워졌다. 그리고 연구 결과 촉매 기판의 촉매적 활성화 사이트 (catalytic active site)가 온도에 따라 변화되는 점을 착안하여 유도된 메카니즘 식을 보정하였다. 연구진이 개발한 매커니즘으로 예상한 그래핀 합성결과와 실제 그래핀의 합성 결과는 저온공정에서 고온공정, γ-Al2O3 촉매 절연기판, Cu와 같은 전이 금속 촉매 기판 모두에서 그래핀의 성장 결과가 정확히 일치하였다. 이러한 결과식을 시간에 따라 풀면, 온도에 따른 초기 핵형성 방정식 (initial nucleation rate)부터, 그레인의 성장 속도, 최종적으로 성장될 그레인 크기, 표면 점유율 (surface coverage) 등을 구할 수 있다. 그리고 이 연구 과정에서 새롭게 개발된 절연촉매 기판인 γ-Al2O3 기판은 (1) 다른 금속 촉매의 도움 없이 그래핀을 합성할 수 있으며, (2) 기판 자체가 전사 공정이 필요 없는 절연기판이기에 합성된 상태에서 바로 사용가능하다. 또한 (3) 그래핀 형성의 속도결정단계 (rate-determine step)의 활성장벽5)이 낮아 이론상의 그래핀 합성 최저 온도가 100oC6)에 근접하는 저온공정이다. 기존의 그래핀 합성온도가 1,000oC이고, 반도체 공정에 일반적으로 필요한 온도가 400oC 이하임을 감안할 때 매우 낮은 공정이라 할 수 이다.(4) 표면 확산 장벽7) 이 거의 0에 가까워 균일 합성에 있어서는 최적의 기판으로 예상되었고, 실험적으로 이를 증명하였다. 또한, (5) γ-Al2O3 촉매 기판이 나노미터 크기부터 마이크로미터 크기의 그레인을 갖는 그래핀을 맞춤형으로 합성 할 수 있는 기판이라는 것 역시 확인되었다. 특히 (6) 성장된 그래핀과의 접착 에너지8)가 매우 작아 성장된 그래핀 위에 폴리머를 코팅하고 물리적으로 떼어내는 방식으로 최소한의 손상으로 ‘그래핀 스티커’를 얻을 수 있으며, 이를 플렉서블 또는 스트레처블 소자에 바로 응용할 수 있다. 손으로 재단한 그래핀 스티커는 D-형 광섬유에 부착하면, 그래핀의 비선형성 광흡수를 응용한 초고속 펄스 레이저 (femtosecond laser)를 구현할 수 있다. 또한 그래핀 스티커를 활용하여 전기 신호로 빛을 제어하는 전광스위치를 개발할 수도 있으며, 이를 활용하면 광통신에 직접 응용할 수 있다. 그래핀 스티커는 패치형 바이오센서, 기체센서, 광센서에도 적용가능하다. 제1저자인 박재현 박사는 “2차원 나노 소재에 대한 일반적 합성 메카니즘을 다양한 정량적 활성화 에너지를 바탕으로 도출된 식으로 표현하였으며, 이러한 활성화 에너지 값들이 2차원 소재 성장에 어떠한 영향을 미치느냐를 잘 보여주는 실질적인 해석의 틀을 제공하였다.”며, “새로운 2차원 나노 소재 합성에 있어 고려해야할 매우 중요한 판단의 근거를 제공해 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, Scientific Reports에 “Growth, Quantitative Growth Analysis, and Applications of Graphene on γ-Al2O3 catalysts” (DOI: 10.1038/screp11839)라는 제목으로 7월 3일 게재되었다. <그림자료> 그림 1. 개발된 γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 전구체로부터 그래핀 핵이 형성되는 과정을 그린 모식도. C: 탄소, H: 수소, Ea: 그래핀 형성 과정에서 고려된 에너지 장벽. 그림 2. γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 전구체로부터 그래핀 핵이 형성되는 과정을 그린 (a) 에너지 랜드스케이프 및 (b) 최저 에너지 경로를 모델링한 결과. 삽입 그림은 γ-Al2O3 촉매 기판 위에 탄소 원자가 가장 안정한 상태에 있을 때를 모델링한 결과. 그림 3. (a) γ-Al2O3 기판 위에 성장된 그래핀 위에 폴리머 필름을 코팅 후 손으로 떼어내는 방법으로 얻어진 그래핀 스티커 모식도 및 얻어진 스티커를 가위로 재단하는 사진. (b) 재단된 그래핀 스티커를 D-형 광섬유에 간단히 붙이는 방법으로 고출력 지속파를 초고속 펄스파로 변환하는 모식도 및 실제 사진. 그림 4. 2차원 나노소재의 일반적인 형성 메카니즘 유도 과정 및 해의 예.

？녹조가 발생하면 문제가 되는 것? : 녹조에서 나오는 독성(마이크로시스틴), 맛·냄새물질(흙,곰팡이냄새) → 녹조발생시 국민들이 안심하고 마실 수 있는 안전한 수돗물 생산을 위한 정수공정개발 ？정수장 구성 취수장(강에서물을퍼오는곳) → 착수정(퍼온 물 속에 포함되어 있는 찌꺼기나 모래등을 가라앉히는 곳) → 혼화지 및 응집지(응집제를 주입한 후 빠르게 섞어 덩어리로 만드는곳) → 침전지(더러운 덩어리를 가라앉히는 곳) → 여과지(물 속에 남아있는 알갱이들을 없애는 곳) → 정수지(깨끗하게 처리한 물을 모아두었다가 보내는 곳) → 배수지(물 양을 조절하여 가정으로 보내주는 곳) → 가정 ？녹조 발생 시 정수장 운영 취수원에서는 녹조가 발생하는지를 감시. 녹조가 많아짐을 감지하게 되면 취수장에서 조류를 걸러내는 기술을 적용하여 1차로 제거하고, 물이 이동하는 통로에 약품 (개발산화제, 흡착제,응집제)등을 넣어 조류로부터 나오는 독성물질, 맛·냄새물질을 제거 (과학적 원리) ？모니터링기술: 맛·냄새물질은 매우 낮은 농도에서도 냄새가 나기 때문에 고감도 분석 가능 하고, 실시간으로 분석이 가능한 기기(GC/FID)를 사용하여 모니터링 ？조류제거기술: 나노버블장치- 고속으로 나노버블을 발생시켜 떠오르는 조류를 제거 ？독성물질 제거: 과망간산칼륨을 이용하여 마이크로시스틴의 독성구조를 변형(산화반응) ？맛·냄새물질 제거: 분말활성탄·응집혼화제를 응결핵으로서 응집효율을 증진시켜 흡착제거

고가의 귀금속 대신 저렴한 코발트계 촉매로 수소 에너지 상용화 앞당겨 - KIST, 내구성 높은 고효율, 저가형 수소 및 산소 발생을 위한 촉매 개발 - 친환경 물분해과정을 통한 수소에너지 보급에 기여 친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전세계적으로 다양한 연구가 진행중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 코발트계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매보다 비용이 약 0.01배로 저렴하고 성능은 거의 동일한 수준으로 제작이 가능해 수소 에너지 상용화를 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 류재윤 연구원은 자체로 음극에서 높은 수소 발생성을 띄는 인화코발트 나노입자를 산화전위 산소발생 반응의 전구촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 그 중 물을 전기분해해 수소를 바로 발생시켜 공급하는 수소 스테이션 방법은 고순도의 수소를 환경피해 없이 생산할 수 있지만, 건물크기 수준의 대용량 수조가 필요해 도심에서 쉽게 사용하기 위해서는 전극을 소형화해야 하는 등의 해결과제가 남아있다. 현재는 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 우수하지만 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구되고 있다. 전체 전기분해 반응 중 수소 발생에 가장 중요한 속도를 결정하는 단계가 +극에서 일어나는 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction)이다. +극은 반응은 4개의 전자가 관여되는 복잡한 반응이기 때문에, 음극의 수소 발생반응과 비교했을 때 속도가 훨씬 느리고, 이런 이유로 산소 발생에 있어 높은 추가 전압(과전압)과 에너지를 필요로 한다. 따라서 가격이 낮으면서도, 추가 전압이 낮고, 안정성은 높은 양극 원료의 개발이 필요하다. KIST 유성종 박사팀은 기존 희소 귀금속인 이리듐 및 루세늄 기반의 산소발생 촉매와 비슷한 성능의 저가의 코발트기반 화합물로 촉매를 제작하고 산소발생이 일어나는 높은 전압조건에서 해당물질의 구조의 변화를 인과 코발트와의 상호작용을 통해 제어함으로써 산소 발생이 극대화된 촉매를 제작할 수 있었다. 연구팀은 코발트와 인이 조합된 인화코발트 나노입자를 최종 촉매 물질의 전단계 상태의 물질인 전구체로 사용하게 되면 물질이 산소를 발생시키는 전압의 위치인 산화전위에 노출 될 때 자체적으로 물질이 조립되는 양상이 독특하다는 점을 발견하였다. 연구팀은 인화코발트에 존재하는 포스페이트(인의 산화형 구조)가 나노입자의 변이과정에 관여되는 것으로 보이며, 궁극적으로 독특한 미세한 그물구조의 분산된 형태와 분자 클러스터구조를 갖게 된다고 밝혔다. 유도된 분자 클러스터 구조는 높은 산화수준을 유지해 산소 발생에 유리한 촉매환경을 극대화시킬 수 있다. 이렇게 활성화된 코발트 화합물은 전기화학적 활성을 극대화 할 수 있어 소량만 사용해도 10 mA/cm2 의 전류를 얻는데 0.36 V 만의 낮은 과전압이 소요된다. 이는 최고의 귀금속 이리듐 촉매의 과전압이 약 0.35V인 점을 감안할 때 세계최고수준이라 할 수 있다. 내구성 역시 뛰어나 높은 전류와 전압 조건에서 운행된 12시간 동안의 물분해 조건에서도, 성능이 거의 감소되지 않는다. 이는 기존의 코발트 옥사이드 촉매와 귀금속계 촉매보다도 오히려 뛰어난 내구성을 보인 것이다. 인화코발트 화합물은 지구상에 풍부하게 존재하는 코발트를 기반으로 하기때문에, 가격이 저렴한 것이 장점이다. 더욱이, 인화코발트 화합물을 합성하는 조건 역시 단일 단계의 공정이기 때문에 제작 비용이 저렴하고, 효율은 높은 촉매를 쉽게 만들 수 있다. 또한, 인화코발트 나노입자는 양극뿐 아니라, 음극에서도 수소발생반응성이 높아, 양극 산소발생반응 촉매뿐 아니라 음극에서도 사용이 가능해, 한 가지 재료를 양기능성 촉매로 활용이 가능하다. KIST 유성종 박사는 “산소발생반응 촉매의 전구체라는 관점에서 나노입자를 제어해 실제로 작동하는 활성화된 촉매의 물리적 화학적 구조를 제어했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다”며, “이번 연구로 수소에너지 보급 및 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 촉매 분야의 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 7월 2일에 게재되었다. 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Most Read Articles 에 선정된 바 있다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원(출원번호:2015-0003543) 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다. <그림1> 인화코발트 나노입자를 통한 수소 및 산소발생 반응. 인화코발트 나노입자는 산소발생반응 활성화 촉매의 전구체이며 자체로 백금과 맞먹는 수준의 수소 발생 능력을 가진 물질이다. <그림2> 합성된 인화코발트 나노입자의 구조분석 <그림 3> 산화전위에 노출 후 자발적으로 변화되는 인화코발트 나노입자

원하는 곳에 레이저로 그래핀을 바로 합성 - 통신용 레이저를 이용해 광학소자 내의 원하는 부분에 그래핀을 직접 합성 - 높은 광학적 비선형성을 갖는 나노소재인 그래핀을 응용하여 실용적인 펨토초의 초고속 펄스 레이저 구현 고성능의 전자 소재로 알려진 그래핀 (graphene)은 다양한 소재로도 많이 연구 되면서 응용 분야를 넓혀 가고 있다. 흑연을 박리하면 손쉽게 제작할 수 있는 그래핀의 품질과 형상을 제어하기 위해 합성 그래핀을 개발하려는 노력이 활발하지만, 이 경우에도 실제 사용되는 기판위로 옮기는 전사 공정에서 품질이 떨어지고 손상이 발생해 연구에 걸림돌이 되어 왔다. 국내 연구진이 통신용 레이저를 이용해 광소자내에 원하는 위치에 그래핀을 바로 합성하는 기술을 개발했다. 초고속 데이터 송신에 쓰이는 광학소자 및 초소형 전자 소자 등의 발전을 앞당길 것으로 보인다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 송용원 박사 연구팀은 “통신용으로 사용되는 레이저를 이용하여, 광소자 내 원하는 위치에 그래핀을 직접 합성하고 이를 기반으로 광학적 비선형 소자를 구현”하는데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 탄소가 함유된 니켈 층을 가열하게 되면, 탄소가 니켈 층 밖으로 확산되어 나오면서 석출됨과 동시에 그래핀이 형성되는 현상에 대해 지속적인 연구를 해 오고 있었다. 이번 연구에서는 그래핀이 생성 될 광섬유의 끝면에 니켈을 증착하고, 형성 된 니켈 층만을 국부적으로 가열하기위해 광학소자에서 일반적으로 쓰이는 통신용 레이저를 사용했다. 연구팀은 광섬유 기반의 광학소자에서 광 데이터의 제어에 사용 되는 통신용 레이저를 광섬유 끝면에 코팅된 니켈 층에 쬐었다. 이렇게하면 니켈 층 내에 불순물로 포함 되어 있던 탄소 성분이 광섬유와 니켈 층 사이에 석출되면서 그래핀이 합성 되는 것이다. 연구팀이 개발한 그래핀 합성법은 (1) 전사의 과정이 필요 없이 고품질 그래핀 기반의 소자를 제작하는 것이 가능하고, (2) 특별한 진공 환경이나 합성에 필요한 높은 온도, 또는 추가적인 레이저와 같은 외부 에너지원이 불필요 하며, (3) 그래핀을 구성하는 성분인 탄소 원자를 외부에서 별도로 공급하지 않고 금속에 포함된 불순물을 이용 할 수 있고, (4) 최종 합성 하고자 하는 그래핀의 미세 모양과 위치에 대한 제어가 가능하다. 또한 (5) 미세 가열 영역 이외의 다른 모든 부분이 상온을 유지하여 추후 플렉서블 기판에 적용이 가능한 장점이 있다. 이러한 통신용 레이저의 사용은, 광학소자에서 기존에 사용되고 있던 레이저를 합성용으로 출력을 높게 손쉽게 전환하여 사용 한 후, 다시 통신용으로 전환이 가능해 원래 레이저를 그대로 사용할 수 있다는 면에서 추가 장비와 공정 등의 도입 비용이 들지 않아 효과적이다. 또한 증착된 니켈 층은 용도에 따라 형성된 그래핀 층과 함께 비선형거울 (nonlinear mirror)로 사용 될 수도 있으며, 그래핀 층만이 요구되는 환경에서는 간단한 금속 에칭을 통하여 니켈 층을 제거한 후 순수한 그래핀 층을 얻을 수도 있어 다양한 곳에 응용이 가능하다. 또한, 연구팀은 각각 출력이 다른 두 개의 레이저 빔을 동시에 증착 된 니켈 층에 쬐여주어, 높은 출력의 레이저는 그래핀 합성을 유도하고, 낮은 출력의 레이저는 그래핀 합성에 대한 실시간 모니터링을 수행 할 수 있도록 광학 실험 장치를 구성하기도 하였다. 광학 소자의 표면에 합성된 그래핀에 대해서는, 그래핀의 합성에 있어서 가장 기본적으로 사용되는 라만 분석과 더불어, 전자 현미경을 통한 미세 이미지 관찰, 원자간 결합력 검사를 통한 생성 결합의 정량적 분석 및 원자힘 현미경 등을 통해 그 성분을 분석한 결과 그래핀이 성공적으로 합성되었음을 증명할 수 있었다. 연구진이 합성한 그래핀은, 그래핀이 갖는 높은 광학적 비선형성인 ‘포화흡수 (saturable absorption)’라는 특성을 이용하여, 일반 연속파 (continuous wave; CW) 레이저를 극초단파인 펨토초 (femtosecond) 레이저로 변환하는데 사용 되었다. 이러한 펨토초 레이저의 구현은, 단순한 그래핀의 소자 응용을 뛰어 넘어, 미세한 영역에서 실제로 그래핀이 합성이 되었고, 그 합성된 그래핀이 레이저와 올바르게 상호작용 하고 있음을 보인 것다. 연구진이 개발한 그래핀 합성 방법은, 향후 초고속 대용량 데이터를 다루는 광학소자 뿐 아니라, 복잡한 디자인의 그래핀을 요구하는 초소형 전자소자, 그리고 이들 간의 집적된 혼성 소자의 고효율화에 획기적인 발전을 가져오리라 기대 된다. 제1저자인 KIST Pulak C. Debnath 학생연구원은 “높은 광학적 비선형성을 갖는 그래핀이 광학소자 내에 직접적으로 합성 된 것이 보고된 것은 처음이다”며, “앞으로의 초고속 초대용량 데이터 전송/저장/처리에서 실리콘 기술이 갖는 한계를 극복하기 위한 차세대 기술로서 집적화 포토닉스 기술을 구현하고 현실화 하는데 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 KIST의 차세대반도체연구소 융합사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 Advanced Optical Materials 최신호에 “In Situ Synthesis of Graphenen with Telecommunication Lasers for Nonlinear Optical Devices” (DOI: 10.1002/adom.20150104)라는 제목으로 게재되었다. <그림자료> 그림 1. 그래핀 합성 모식도. (a) 광섬유 끝에 증착된 다결정 니켈 층에 연속파의 통신용 레이저를 조사하여, 니켈 층 내에 함유된 탄소 원자들의 확산을 유도하고 니켈/광섬유 경계면에서 그래핀이 형성하도록 하며, 최종적으로 니켈 층을 에칭하여 제거함으로써 순수한 그래핀이 광섬유 위에 구현 될 수 있게 한다. (b) 실제 광섬유 페룰 끝에 제작된 니켈/그래핀 소자. 그래핀 생성 후 (c)니켈 층을 거울로 이용한 비선형 광학 소자와 (d) 니켈 층을 에칭하여 제거한 비선형 광학 소자의 모식도. 그림 2. 광섬유 끝단에 형성 된 그래핀을 이용하여 제작된 초고속 펨토초 광섬유 레이저의 모식도. EDF: Er이 도핑된 광섬유, WDM: 파장다중분할장치

전기없이 나노 자석 양 끝의 온도 차이로 동작하는 차세대 스핀 메모리 소자 개발 - 전기를 가하지 않고 나노 자석 양쪽 끝의 온도 차이를 이용해 스핀 전류를 발생시킴으로써 메모리 소자에 정보 기록 - 스핀 열전효과를 이용하여 메모리 소자를 작동시킴으로써 전력소비 문제를 획기적으로 개선 차세대 메모리로 주목받는 스핀트로닉스 메모리 소자를 전력 소모없이 나노 자석 양 끝의 온도 차이로만으로 구동시키는 기술이 국내외 과학자들의 공동연구로 개발됐다. 한국과학기술연구원 (KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단의 최경민 박사가 주저자 및 교신저자로 참여하고, KIST 민병철 박사, 고려대 이경진 교수, 일리노이주립대 David G. Cahill 교수 등 국제 공동 연구진이 수행한 이번 연구는 Nature Physics 온라인 판에 “금속 스핀-밸브 구조에서 스핀 의존 제백 (Seebeck)효과에 의한 열적 스핀전달토크”라는 제목으로 6월 8일에 게재되었다. 전자가 스스로 회전하는 운동을 스핀이라고 하는데, 이를 이용해 수 나노미터의 크기의 나노 자석에 정보를 저장하는 것이 스핀트로닉스 메모리 기술이다. 전자의 스핀이 일정한 방향으로 정렬되어 흐르면 스핀전류가 발생하고, 이를 이용하여 나노 자석에 정보를 기록해 메모리로서 작동할 수 있다. 이러한 스핀트로닉스 메모리는 기존 D램 등의 반도체에 비해 전력을 공급하지 않아도 정보가 지워지지 않으며 용량이 큰 정보의 저장이 가능해 차세대 메모리로 각광받고 있다. 하지만, 기존 스핀트로닉스 메모리에서는 정보를 기록할 때 비교적 큰 전류가 필요한 것이 단점으로 지적되어왔다. 연구진이 개발한 기술은 외부에서 전력공급없이 나노 자석 양쪽 끝의 온도 차이만을 이용하여 스핀 메모리 소자에 정보를 기록할 수 있어 스핀 메모리 소자의 에너지 손실을 획기적으로 개선할 수 있다. 금속이나 반도체에서 양쪽 끝의 온도를 서로 다르게 유지하면 온도 차이에 의해서 전압이 발생하며, 이로 인해 외부에서 전지를 연결하지 않아도 금속이나 반도체에 전류가 흐르게 된다. 이와 유사하게 자석의 양쪽 끝의 온도를 서로 다르게 유지하면 온도 차이에 의해서 자석 안에 스핀 전류가 흐르게 된다. 서로 다른 스핀을 가진 전자들이 각각 반대방향으로 움직일 경우, 스핀 전류는 흐르지만 실제 전류는 전혀 흐르지 않을 수 있다. 이러한 방법을 이용하면 전하에 의한 전류는 전혀 흐르지 않는 상태에서 스핀 전류만을 이용하여 스핀 메모리 소자를 동작시키기 때문에 기존 기술에 비해 에너지 손실이 줄어든다. 이렇게 스핀 열전 효과를 이용하여 스핀트로닉스 소자를 동작시키는 것은 그동안 전 세계적으로도 성공하기 어려웠던 것으로 이번 연구결과로 스핀을 이용한 저전력 메모리 소자 및 통신 소자 개발에 한걸음 더 다가섰다는 평가이다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 미래융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업, 그리고 한국과학기술연구원의 기관고유사업 및 KU-KIST 융합대학원 프로그램의 지원으로 수행되었다. *(논문명) “Thermal spin transfer torque driven by spin-dependent Seebeck effect in metallic spin-valve structures” - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 최경민 박사 <그림자료> <그림 1> 초고속 레이저를 이용해 왼쪽에 위치한 자석 (FM1)에 온도 차이를 만들고, 스핀의존 제백 효과에 의해 스핀 전류 (Js)를 발생시켰다. 이 스핀전류가 오른쪽에 위치한 자석 (FM2)으로 흐르면서 나노 자석의 N극·S극의 방향을 회전시킬 수 있었다. 스핀을 이용한 정보저장 소자에서는 자석의 N극·S극의 방향으로 정보를 저장하므로 자석의 방향을 제어하게 되면 나노 자석내의 정보 제어가 가능해짐을 의미한다.

신호 손실이 없는 스핀-전기 전환효과를 이용한 차세대 전자소자 개발 - 전력손실은 작고 속도는 빠른 차세대 반도체개발 가능성 높여 □ 스핀트로닉스 소자는 전자의 전기적 특성과 자기적 특성을 모두 이용하는 차세대 전자소자로써 실리콘 이후 차세대 반도체 소자분야에서 가장 주목받는 후보이다. 스핀이 시계방향으로 돌면 “0”, 반대방향으로 돌면 “1”로 인식하여 전자 하나가 1비트가 되는 것이인데, 전자의 스핀은 제어하기 어려운 특성이 있어 스핀정보를 전압으로 제어하고 전기신호로 바꾸는 것이 스핀트로닉스 소자의 활용여부를 가늠하는 핵심이다. 현재까지 가장 널리 알려진 방법은 스핀을 홀 전압으로 전환하는 스핀 홀 현상을 이용하는 것이다. 기존에 스핀 홀 현상을 이용한 소자는 스핀정보가 전기신호로 바뀌는 과정에서 전자간에 충돌이 발생하였는데 본 연구에서는 전자간의 충돌 전에 원하는 전기신호로 바꾸고 이를 외부에서 제어하는 방법을 이용하여 전자소자를 구현하였다. □ 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 구현철·장준연 박사 연구팀은 “전압으로 스핀정보를 제어하고 신호 손실 없이 전기정보로 바꾸어 주는 스핀 홀 전자소자를 개발하였다”고 밝혔다. □ 일반적인 홀 효과는 전기가 흐르는 채널에서 자기력을 가하여 전자의 방향을 측면방향으로 이동시켜 측면전압을 측정하는 방법이다. 스핀 홀 현상은 이와 달리 전자가 갖고 있는 스핀방향에 따라 이동하는 방향이 달라지고 이 전자의 이동을 전압으로 측정하는 방법이다. □ 본 연구에서는 이러한 스핀 홀 현상을 이용하여 스핀정보를 전기신호로 바꾸는 것이다. 이 실험에서는 초고속 인듐비소 (InAs) 채널을 사용하여 전자간의 충돌을 거의 억제하고 충돌 전에 스핀 홀 현상을 발생시켜 전압을 측정하였다. 이러한 현상을 탄동(ballistic) 스핀 홀 현상이라고 부르고 있으며 이를 이용하면 신호의 감소를 최소화 할 수 있다. □ 또한 본 연구에서는 이러한 무손실 스핀 홀 현상전압으로 자유자재로 조절하여 트랜지스터나 로직소자로 사용가능함을 보여주었고 스핀의 주입부터 스핀의 제어까지 모두 전기신호를 이용한 세계최초의 실험이다. □ 본 연구를 기획하고 주도한 KIST 구현철 스핀융합연구단장, 최원영 연구원은 “이번에 보여준 방법은 기존소자에서 항상 존재했던 전자 간에 충돌로 인한 신호 손실을 없애고 초고속 반도체 채널이 가지는 무손실 스핀-전기 전환 현상을 이용하였기 때문에 현재 반도체 소자개발에 가장 핵심요소인 저전력화에 새로운 방법을 제시한 결과이다.”고 밝혔다. □ 최근 출범한 KIST 차세대반도체연구소를 이끌고 있는 장준연 소장은 “실리콘 이후 시대에 필요한 저전력 소자의 동작을 보여줌으로써 산업계가 실패가능성의 위험성이 있어 적극적으로 연구할 수 없는 반도체 스핀트로닉스의 상용화 가능성을 보여준 연구결과이다.” 고 밝혔다. □ 본 연구는 현재 진행되고 있는 차세대 전자소자중 가장 강력한 후보인 스핀전자소자분야에서 반도체 채널을 기반으로 한 연구에 새로운 패러다임을 제공하였다. 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 스핀전자소자는 스핀이 가지고 있는 비휘발성을 이용한 자성 금속기반 스핀토크 메모리이다. 하지만 스핀을 로직소자나 시스템 반도체에 이용하기 위해서는 반도체내의 스핀을 제어가 이루어져야 한다. 본 실험은 특히 차세대 반도체 후보인 화합물 반도체 채널과 무손실 스핀 홀 효과를 결합한 연구로 상대적으로 열세인 국내 비메모리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 예상된다. □ 본 연구 그룹은 2009년 세계최초 스핀트랜지스터 기술개발에 이어 무손실 스핀 홀 소자까지 보여줌으로써 반도체 스핀트로닉스 분야의 기술을 선점하였고 관련분야를 주도해 나갈 것으로 기대된다. □ 본 연구는 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자도약연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노분야의 세계최고 학술지인 네이처 나노테크날로지 (Nature Nanotechnology)지에 5월 25(월)일자 온라인판에 게재되었고 관련특허도 확보하였다 * (논문명) Electrical detection of coherent spin precession using the ballistic intrinsic spin Hall effect - (제1저자) (한국과학기술연구원) 최원영 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 구현철 박사 <그림자료> <그림 1>무손실 스핀 홀 연상에 의한 스핀의 이동. 스핀의 방향은 외부전압을 이용하여 그림과 같이 회전하는 정도를 조절할 수 있다 (위). 스핀의 방향에 따라 스핀의 이동하는 경로가 결정되어 그림과 같은 경로로 이동한다(아래). 이러한 전자의 경로를 이용하여 전압을 측정할 수 있다. <그림2> 스핀 홀 전자소자의 모습. 신호를 측정하기 위해 와이어를 연결한 소자(좌)와 실제 동작부의 전자현미경사진(우)을 보여주고 있다. <그림3> 분자선 결정성장을 이용한 초고속 반도체 층 제작. 분자선 증착장치(좌)를 초진공상태로 만든 상태에서 원하는 물질을 원자 한 개씩 쌓아서 원하는 초고속 반도체 채널 구조(우)를 만든다.