이산화탄소 자원화를 위한 고효율 은 나노 촉매 개발 - 이산화탄소로부터 직접 화학원료 생산 가능한 저가용 촉매 개발 - 저 비용 고 성능 촉매 개발로 인공광합성 상용화 가능성 열어 화석 연료 기반의 에너지 소비는 대기 중의 이산화탄소 농도를 지 속적으로 증가 시키고 있다. 이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 기체다. 미국 국립해양 대기청은 2015년이 전 세계적으로 가장 더운 한 해로 기록 될 것이라고 발표했다. 최근 태양빛을 이용하여 이산화탄소와 물로부터 직접 화학연료를 생산 하는 인공 광합성 기술이 주목받고 있다. 인공광합성 기술은 대기중의 이산화탄소를 활용하여 태양에너지를 연료나 화학 원료 형태로 저장할 수 있어 이산화탄소 저감과 탄소 순환이라는 측면에서 기후변화에 대응하는 핵심기술로 발전할 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀(이하 연구팀)은 은 나노 입자를 탄소 담지체에 직접 성장(은 이온이 탄소 담지체에 수백에서 수천 개 모이면서 3, 5, 10 nm 나노 크기로 커지게 됨)시켜, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했다. 일산화탄소와 수소의 혼합기체는 합성기체라고 불리며 다양한 화합물을 합성하는데 널리 쓰이고 있는 유용한 기체 화학원료 이다. 일산화탄소는 전 세계 연간 50조원에 달하는 시장을 보이고 있으며, 꾸준히 성장하고 있다. 인공광합성 기술을 실현하기 위해서는 다양한 요소 기술이 필요한데, 핵심 기술들 중 하나는 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜주는 촉매 기술이다. 연구팀은 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 전환 가능한 고효율 및 고성능의 촉매 개발에 성공하였다. 전기화학적으로 이산화탄소를 환원 하여 고부가 화학원료로 바꾸는 반응은 높은 과전압이 필요하기 때문에 낮은 과전압에서도 선택적으로 목표한 생성물을 만들어 내는 촉매의 개발은 인공광합성 기술의 상용화를 위해 필수적이다. 특히, 수용액에서 이산화탄소 환원 반응은 물이 직접 환원되어 수소가 생성되는 반응과 경쟁적이기 때문에 효율적인 이산화탄소 환원 촉매의 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재까지는 금 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 은의 경우는 금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(금 가격의 1/65)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 은 나노 입자를 탄소 담지체 위에 직접 성장시키는 기술을 개발하였고, 이를 이용하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 기존 은 촉매에서 필요하던 과전압보다 40 % 줄어든 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여주었다. 또한 연구팀이 개발한 은 나노 촉매는 이산화탄소로부터 선택도 80% 이상으로 일산화탄소를 생산하였고, 특히 은 촉매의 단위 질량당 높은 반응성을 보였다. 이 결과는 현재 보고된 은 촉매들의 성능 중 최고 수준으로, 적은 양의 촉매로도 높은 활성을 기대할 수 있게 되었다. 개발된 촉매는 은 나노 입자와 탄소 담지체가 효과적으로 결합하여 이산화탄소 환원 반응 후에도 비교적 높은 안정성을 보였다. 안정적이고, 저 비용 고 효율 촉매 개발을 통해, 연구팀이 구현한 바 있는 일체형 인공광합성 디바이스에 적용함으로써 인공 광합성 기술의 상용화를 한층 앞당길 전망이다.(“A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature” Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 5835-5942. ) 연구팀은 “이번에 개발된 저가, 고효율의 이산화탄소 환원 촉매는 향후 태양 빛만으로도 원하는 고부가 화학원료를 직접 생산 할 수 있는 미래형 화학원료 생산 시스템 상용화에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 미래원천 연구사업 및 미래부 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명한 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS) 11월 4일자에 게재되었다. * (논문명) Achieving Selective and Efficient Electrocatalytic Activity for CO2 Reduction Using Immobilized Silver Nanoparticles - (제1저자) 한국과학기술연구원 김청희, 전효상 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 센터장, 황윤정 선임연구원 <그림자료> 개발된 세 가지 크기의 은 나노 입자들과 전기화학적 이산화탄소 환원반응의 일산화탄소로 전환 반응성 및 선택성을 나타낸 결과. 과전압의 감소와 80% 이상의 일산화탄소 전환율을 확인.

이산화탄소 자원화를 위한 고효율 은 나노 촉매 개발 - 이산화탄소로부터 직접 화학원료 생산 가능한 저가용 촉매 개발 - 저 비용 고 성능 촉매 개발로 인공광합성 상용화 가능성 열어 화석 연료 기반의 에너지 소비는 대기 중의 이산화탄소 농도를 지 속적으로 증가 시키고 있다. 이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 대표적인 기체다. 미국 국립해양 대기청은 2015년이 전 세계적으로 가장 더운 한 해로 기록 될 것이라고 발표했다. 최근 태양빛을 이용하여 이산화탄소와 물로부터 직접 화학연료를 생산 하는 인공 광합성 기술이 주목받고 있다. 인공광합성 기술은 대기중의 이산화탄소를 활용하여 태양에너지를 연료나 화학 원료 형태로 저장할 수 있어 이산화탄소 저감과 탄소 순환이라는 측면에서 기후변화에 대응하는 핵심기술로 발전할 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 민병권, 황윤정 박사 연구팀(이하 연구팀)은 은 나노 입자를 탄소 담지체에 직접 성장(은 이온이 탄소 담지체에 수백에서 수천 개 모이면서 3, 5, 10 nm 나노 크기로 커지게 됨)시켜, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했다. 일산화탄소와 수소의 혼합기체는 합성기체라고 불리며 다양한 화합물을 합성하는데 널리 쓰이고 있는 유용한 기체 화학원료 이다. 일산화탄소는 전 세계 연간 50조원에 달하는 시장을 보이고 있으며, 꾸준히 성장하고 있다. 인공광합성 기술을 실현하기 위해서는 다양한 요소 기술이 필요한데, 핵심 기술들 중 하나는 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜주는 촉매 기술이다. 연구팀은 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 전환 가능한 고효율 및 고성능의 촉매 개발에 성공하였다. 전기화학적으로 이산화탄소를 환원 하여 고부가 화학원료로 바꾸는 반응은 높은 과전압이 필요하기 때문에 낮은 과전압에서도 선택적으로 목표한 생성물을 만들어 내는 촉매의 개발은 인공광합성 기술의 상용화를 위해 필수적이다. 특히, 수용액에서 이산화탄소 환원 반응은 물이 직접 환원되어 수소가 생성되는 반응과 경쟁적이기 때문에 효율적인 이산화탄소 환원 촉매의 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 현재까지는 금 촉매가 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 은의 경우는 금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(금 가격의 1/65)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다. 연구팀은 고효율, 저가 촉매 제조를 위해 은 나노 입자를 탄소 담지체 위에 직접 성장시키는 기술을 개발하였고, 이를 이용하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 기존 은 촉매에서 필요하던 과전압보다 40 % 줄어든 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여주었다. 또한 연구팀이 개발한 은 나노 촉매는 이산화탄소로부터 선택도 80% 이상으로 일산화탄소를 생산하였고, 특히 은 촉매의 단위 질량당 높은 반응성을 보였다. 이 결과는 현재 보고된 은 촉매들의 성능 중 최고 수준으로, 적은 양의 촉매로도 높은 활성을 기대할 수 있게 되었다. 개발된 촉매는 은 나노 입자와 탄소 담지체가 효과적으로 결합하여 이산화탄소 환원 반응 후에도 비교적 높은 안정성을 보였다. 안정적이고, 저 비용 고 효율 촉매 개발을 통해, 연구팀이 구현한 바 있는 일체형 인공광합성 디바이스에 적용함으로써 인공 광합성 기술의 상용화를 한층 앞당길 전망이다.(“A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature” Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 5835-5942. ) 연구팀은 “이번에 개발된 저가, 고효율의 이산화탄소 환원 촉매는 향후 태양 빛만으로도 원하는 고부가 화학원료를 직접 생산 할 수 있는 미래형 화학원료 생산 시스템 상용화에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 미래원천 연구사업 및 미래부 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명한 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS) 11월 4일자에 게재되었다. * (논문명) Achieving Selective and Efficient Electrocatalytic Activity for CO2 Reduction Using Immobilized Silver Nanoparticles - (제1저자) 한국과학기술연구원 김청희, 전효상 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 센터장, 황윤정 선임연구원 <그림자료> 개발된 세 가지 크기의 은 나노 입자들과 전기화학적 이산화탄소 환원반응의 일산화탄소로 전환 반응성 및 선택성을 나타낸 결과. 과전압의 감소와 80% 이상의 일산화탄소 전환율을 확인.

지난 5월 베트남 정부가 한-베트남 과학기술연구원 (Vietnam Korea Institute of Science & Technology, 이하 V-KIST) 설립 특별시행령을 제정함으로써 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)을 모델로 삼은 V-KIST의 설립에 탄력을 받을 전망이다. 베트남뿐만 아니라 에티오피아 등 한국의 경제발전경험을 배우고자 하는 개발도상국들의 요청이 쇄도하고 있다. 이런 요구에 발맞춰 KIST는 KIST 설립 및 발전경험을 개발도상국 정책결정자 및 연구자들과 공유하기 위한 영문도서 『The KIST Story』를 발간했다. KIST는 1966년, 우리나라 최초의 정부출연 과학기술 연구소로 출범해 지난 50년간 과학기술개발을 통해 국가 발전에 주요한역할을 수행해 왔다. 『The KIST Story』는 이러한 KIST의 발전모델을 산업화과정에서 KIST 역할, KIST 설립, 초창기 관리시스템, 주요성과 등 총 6장에 걸쳐 체계적으로 소개하고 있다. 특히, 한국의 산업화 과정에서 견인차 역할을 수행한 KIST의 역할과 주요 과학기술 성과를 중점적으로 구성하였다. 이 외에도 KIST 설립을 위한 박정희 대통령과 초대 원장 최형섭 박사의 노력, 설립 초기 연구원들의 생활상, 첫 계약 연구 등 연구소 설립부터 현재까지 발생한 주요 사건들을 에피소드 형식으로 소개하고 있다. KIST 이병권 원장은 “이번에 발간한 『The KIST Story』는 한국이 반세기만에 눈부신 경제성장을 이룩하는 데에 주요한 역할을 수행한 KIST의 설립 및 발전사뿐만 아니라 한국의 과학기술 발전 과정을 생생하게 전달하고 있다”며 “이 도서가 개발도상국에게 국가발전의 희망을 전달하는 동시에 과학기술 진보에 한층 더 도움이 되는 계기가 될 것”이라고 말했다. 아울러 “KIST의 역할 및 발전모델을 개발도상국에 전파함으로써 글로벌 과학기술 리더십을 확보하는 한편, 신규 ODA 사업을 발굴하는 좋은 기회가 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이 도서는 10월 20일부터 10월 21일까지 대전컨벤션센터에서 개최된 경제개발협력기구(OECD) 과학기술장관회의에서 각국 대표단을 대상으로 처음으로 소개되었다. 앞으로 이 도서는 각 국 대사관, 연구기관 등 국외 관련기관에 배포하고, 전자책 서비스를 통해 개발도상국 정책결정자 및 연구자들과 공유할 수 있도록 할 예정이다. KIST는 앞으로도 성공적인 과학기술 연구소 설립·운영 및 국가 경제발전에 기여한 노하우를 개발도상국과 지속적으로 공유할 계획이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)는 덴마크 DHI Group (대표이사 Antoine Labrosse) 과 물환경 분야의 연구개발 및 ‘화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률(이하, 화평법)’ 공동 대응을 위한 협력 기반 마련을 위해, 11월 5일(목) 오전 10에 덴마크 DHI Group 본사에서 협력협정을 체결했다고 밝혔다. 이번 협력협정을 통해 KIST와 DHI Group은 2015년 본격 시행된 국내 화평법 공동 대응, 도시지역의 수자원 관리, 산업 폐수 및 의료 폐수 처리 분야에 대해 상호 협력을 추진할 계획이다. 특히, 양 기관은 한국과 유럽의 ‘화학물질 규제’에 대한 공동 대응체계 구축 및 산업계 공동 지원을 통하여 한국과 유럽 간 화학 산업분야의 제조 및 교역 촉진에도 기여할 것으로 기대된다. 덴마크 DHI Group은 50년 역사와 전문성을 가지고 있는 세계 최고 수준의 물 관련 비영리 연구기관으로, 140여 개국과 협력연구를 하고 있으며, 30여 개국에 사무소를 설립하여 권역별로 수자원, 상하수도 등 물환경에 대한 권역별 맞춤형 솔루션을 제공하고 있다. 이번 협약식 후, 이병권 KIST 원장과 Antoine Labrosee (안토인 라브로스) DHI Group 대표이사는 상호 공동협력 방안에 대한 구체적인 논의를 진행할 예정이며, 오는 11월 17일 KIST 본원에서 개최될 K-REACH INFODAY 행사를 시작으로 본격적인 협력의 첫걸음을 내디딜 예정이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과 ㈜LG화학 기술연구원(원장 유진녕)은 11월 9일 KIST 본원에서 ‘공동연구 및 상호협력에 관한 협정서(MOU)’를 체결하고 관련 기술교류회를 개최했다고 밝혔다. KIST와 ㈜LG화학은 에너지 및 환경소재기술 분야 협력체계를 구축하여 연구 상호협력 및 공동사업추진에 나선다. 양 기관은 미래창조과학부에서 추진 중인 기후변화대응 6대 핵심기술 분야 연구협력을 통해 관련 분야 원천기술 및 상용화 기술 개발을 추진키로 했다. 양 기관은 에너지·환경소재기술 분야에 축적된 전문 지식과 기술력을 바탕으로 기초 소재 개발부터 산업화까지 상호 협력체계를 구축한다. 아울러 관련 분야에서 KIST가 보유한 이차전지, 연료전지, 태양전지 및 환경기술과 연계하여 공동연구를 진행할 예정이다. 이번 협정을 계기로 양 기관은 인력교류 및 공동연구를 진행하고, 연구정보 교류와 공동 세미나 개최를 통해 연구협력을 확대할 방침이다. KIST 이병권 원장은 “에너지· 소재 전문기업인 LG화학과 연구협력을 강화하여 기후변화에 대응하는 핵심기술을 개발하고, 지속가능한 사회의 실현을 위해 노력하겠다.”고 말했으며, ㈜LG화학 유진녕 기술연구원장은 “출연연과 기업연구원 간의 제대로 된 역할 분담을 통해 대한민국 소재산업의 경쟁력을 한 차원 높일 수 있기를 기대한다.”고 말했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 11월 4일 오전 10시, 서울 밀레니엄 힐튼호텔에서 글로벌 동반성장과 과학기술 공적개발원조(ODA)협력 활성화를 위한 주한 과학담당 외교관 회의를 개최한다고 밝혔다. 이 회의에는 주한 파라과이 대사 등 18개국의 과학기술 담당 외교관이 참석하여 KIST의 개도국 초청 교육연수 사업을 비롯한 협력사업 현황을 공유하고 향후 협력사업 발굴 방안을 논의한다. 또한 국가과학기술연구회 및 한국전자통신연구원 등 정부출연연구기관에서도 참석하여 개발도상국의 과학기술 역량강화 지원을 위한 방안을 함께 모색할 예정이다. KIST의 주한 과학담당 외교관 회의는 과학기술을 통한 전 지구적 과제들을 해결하고 글로벌 동반성장을 추진하자는 취지로 2011년 시작된 회의로서 매년 개최되고 있다. 2013년과 2014년에는 주한 에티오피아 대사관 및 주한 에콰도르 대사관과 공동으로 주최하는 등 주한 개도국 대사관들의 많은 관심이 이어지고 있다. 이번 회의는 유엔산업개발기구 서울투자진흥사무소 (UNIDO ITPO)와 과학기술연합대학원대학교(UST)와 공동으로 추진한다. KIST는 회의에서 논의된 제안 내용을 토대로 개발도상국의 실정에 맞는 수요자 맞춤형 협력사업을 추진하는데 지속적인 노력을 기울일 예정이다.

2차원 흑린 원자막 메모리 소자 제작 성공, 차세대 2차원 반도체 소자 연구 박차 - 2차원 흑린 원자막과 강유전성 고분자 물질을 이용한 메모리소자 개발 - 세계 최초의 2차원 흑린 원자막 기반 메모리 소자 실리콘을 대체하는 새로운 차세대 반도체 소재로써 전 세계적으로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 대형 가전제품의 폭발적인 수요 증대와 더불어 보다 값싸고 양질의 반도체 소재를 찾기 때문이다. 반도체로써 현재까지 발견된 2차원 원자막 소재 중에서 가장 큰 관심을 받고 있는 소재가 바로 인의 동소체 중의 하나인 흑린이다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이며, 단일 원소로 구성되어 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 황도경/최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은(이하 연구팀) 흑린 원자막 (Black Phosphorus)와 강유전성 고분자 물질[P(VDF-TrFE)]을 반도체 채널 및 유전층으로 사용하여 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공하였으며 이러한 메모리 특성을 전압 신호 (Digital signal)로 직접 읽을 수 있는 신개념의 메모리 소자 개발에 성공하였다. 2차원 흑린 원자막 소재는 가장 최근에 발견된 새로운 반도체 소재로써 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질이다. 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응하여 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있다. 연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용함으로써 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었다. 아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못하는 문제를 가진다. 연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작하였으며, 보다 발전된 형태인 n형 반도체 (MoS2, 이황화 몰리브덴)와 p형 반도체 (흑린)로 구성된 CMOS？ (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작함으로써 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공하였다. ？ . CMOS : n형 트랜지스터와 p형 트랜지스터로 이루어진 인버터 논리회로 가장 기본 적인 반도체 단위 응용소자이다. 이황화물리브덴/흑린 강유전성 CMOS 인버터 메모리소자는 전압 구동의 완전한 메모리 소자로써 우수한 메모리 특성을 보여주며 약 98%의 메모리 저장 효율을 가지는 신 개념의 메모리 소자이다. 최원국 박사는　“흑린 (BP)이 가지는 높은 전하이동도와 대면적화 공정의 가능성을 고려해 볼 때, 현재 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 소재를 대체 할 수 있는 꿈의 소재로 판단되며, 이 연구는 2차원 원자막 소재 기반의 복합 논리회로 및 반도체 응용소자로의 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과이다” 라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업, 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부 중견연구자 도약 사업의 지원으로 수행되었으며, 10월 27일(화) (Off-Line 출판)자 ACS Nano에 온라인 게재되었다. (논문명) “Nonvolatile Ferroelectric Memory Circuit Using Black Phosphorus Nanosheet-Based Field-Effect Transistors with P(VDF-TrFE) Polymer” (DOI: 10.1021/acsnano.5b04592) - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이영택 박사 - (공동 제1저자) 연세대학교 물리학과 권혁재 박사과정 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 박사 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 최원국 박사 - (공동교신저자) 연세대학교 물리학과 임성일 교수 <그림자료> <그림> 이황화몰리브덴(n형) 및 흑린(p형)으로 구성된 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자. (a) 광학 현미경 이미지 (b) 사용된 원자막의 두께 분석 (c) 완성된 강유전성 CMOS 메모리 소자의 모식도 (d) 각 n형 및 p형 메모리 소자의 전류 구동 특성 (e) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 특성 (f) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 유지 특성

2차원 흑린 원자막 메모리 소자 제작 성공, 차세대 2차원 반도체 소자 연구 박차 - 2차원 흑린 원자막과 강유전성 고분자 물질을 이용한 메모리소자 개발 - 세계 최초의 2차원 흑린 원자막 기반 메모리 소자 실리콘을 대체하는 새로운 차세대 반도체 소재로써 전 세계적으로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 대형 가전제품의 폭발적인 수요 증대와 더불어 보다 값싸고 양질의 반도체 소재를 찾기 때문이다. 반도체로써 현재까지 발견된 2차원 원자막 소재 중에서 가장 큰 관심을 받고 있는 소재가 바로 인의 동소체 중의 하나인 흑린이다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이며, 단일 원소로 구성되어 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 황도경/최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은(이하 연구팀) 흑린 원자막 (Black Phosphorus)와 강유전성 고분자 물질[P(VDF-TrFE)]을 반도체 채널 및 유전층으로 사용하여 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공하였으며 이러한 메모리 특성을 전압 신호 (Digital signal)로 직접 읽을 수 있는 신개념의 메모리 소자 개발에 성공하였다. 2차원 흑린 원자막 소재는 가장 최근에 발견된 새로운 반도체 소재로써 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질이다. 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응하여 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있다. 연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용함으로써 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었다. 아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못하는 문제를 가진다. 연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작하였으며, 보다 발전된 형태인 n형 반도체 (MoS2, 이황화 몰리브덴)와 p형 반도체 (흑린)로 구성된 CMOS？ (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작함으로써 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공하였다. ？ . CMOS : n형 트랜지스터와 p형 트랜지스터로 이루어진 인버터 논리회로 가장 기본 적인 반도체 단위 응용소자이다. 이황화물리브덴/흑린 강유전성 CMOS 인버터 메모리소자는 전압 구동의 완전한 메모리 소자로써 우수한 메모리 특성을 보여주며 약 98%의 메모리 저장 효율을 가지는 신 개념의 메모리 소자이다. 최원국 박사는　“흑린 (BP)이 가지는 높은 전하이동도와 대면적화 공정의 가능성을 고려해 볼 때, 현재 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 소재를 대체 할 수 있는 꿈의 소재로 판단되며, 이 연구는 2차원 원자막 소재 기반의 복합 논리회로 및 반도체 응용소자로의 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과이다” 라고 밝혔다. 본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업, 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부 중견연구자 도약 사업의 지원으로 수행되었으며, 10월 27일(화) (Off-Line 출판)자 ACS Nano에 온라인 게재되었다. (논문명) “Nonvolatile Ferroelectric Memory Circuit Using Black Phosphorus Nanosheet-Based Field-Effect Transistors with P(VDF-TrFE) Polymer” (DOI: 10.1021/acsnano.5b04592) - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이영택 박사 - (공동 제1저자) 연세대학교 물리학과 권혁재 박사과정 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 박사 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 최원국 박사 - (공동교신저자) 연세대학교 물리학과 임성일 교수 <그림자료> <그림> 이황화몰리브덴(n형) 및 흑린(p형)으로 구성된 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자. (a) 광학 현미경 이미지 (b) 사용된 원자막의 두께 분석 (c) 완성된 강유전성 CMOS 메모리 소자의 모식도 (d) 각 n형 및 p형 메모리 소자의 전류 구동 특성 (e) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 특성 (f) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 유지 특성