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입는 기기용 플렉시블 패키징 기술 개발
우리 학교 신소재공학과 백경욱 교수 연구팀은 이방성 전도성 필름(ACF, Anisotropic Conductive Film) 특수 신소재를 이용해 전기가 잘 통하면서도 자유롭게 구부리거나 휠 수 있는 저가형 플렉시블 *패키징 기술을 개발했다.
* 전자 패키징 기술 : 스마트폰, 컴퓨터, 가전기기 등 모든 전자제품의 하드웨어구조를 제작하는 기술이다. 다양한 반도체 및 전자부품 등을 매우 작고, 빠른 전기적 성능을 갖도록 해 전자기기의 크기, 성능, 가격을 결정한다. 따라서 미래의 입는 기기 전자제품을 구현하는데 있어서도 중요하다.
이 기술은 입는 기기의 중앙처리장치 및 메모리반도체, 다양한 센서반도체, 자유롭게 휘어지는 스마트폰, 플렉시블 디스플레이 등 다양한 전자제품 조립분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.
입는 기기(웨어러블 컴퓨터)는 악세서리 형, 의류 일체형, 신체 부착형 등 다양한 형태의 제품으로 생활전반에 걸쳐 적용될 수 있다. 입는 기기를 사람의 몸에 탈 부착하려면 신체의 편안한 착용감을 갖도록 유연한 형태와 자유자재로 구부리거나 장치가 변형되는 특성이 요구된다.
이를 구현하기 위해서는 4가지 하드웨어 핵심기술인 △플렉시블 반도체 △디스플레이 △배터리 △패키징 기술이 모두 개발돼야 한다. 이미 플랙시블 반도체, 디스플레이, 배터리 기술이 성공적으로 개발되고 있으나, 모든 전자부품을 통합하기 위해서는 플렉시블 패키징 기술 개발이 중요하다.
패키징 기술은 커넥터 또는 솔더(납땜)를 사용하는 반도체 및 전자 부품의 전기접속 방법을 사용하고 있다. 이 기술은 구부리거나 변형 시 접속 부위에 손상을 유발해 휘어지는 전자기기에는 적용에 한계가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 전도성폴리머 소재를 사용해 반도체를 자유롭게 휠 수 있는 저가형 플렉시블 반도체 패키징 기술을 개발했다.
연구팀이 개발한 특수 이방성 전도성 필름(ACF) 신소재는 플랙시블 상태에서 전극과 전기적 접속을 잘 형성할 수 있는 ‘미세 전도성 입자’와 열에 의해 경화되며 전극을 감싸 구부릴시 유연하게 소자를 기계적으로 보호할 수 있는 최적화된 물성을 갖는 ‘열경화성 폴리머 필름’ 등으로 구성됐다.
연구팀은 기존의 두껍고 딱딱한 반도체 소자를 30~50㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 두께로 얇게 갈아낸 후 플렉시블 기기용 이방성 전도성 필름(ACF) 신소재를 사용해 연성 기판에 패키징했다.
이 방법은 기존의 플렉시블 반도체 기술에 비해 매우 공정이 간단하고, 가격이 저렴한 장점이 있다. 개발된 플렉시블 패키징된 반도체는 직경 6mm(밀리미터) 수준까지 구부리더라도 전기적으로 우수하고 유연한 기계적 특성을 보였다.
이와 함께 크기가 작은 소자에 많은 입출력 패드를 넣어도 초미세입자에 의한 접속부의 연결로 협소한 전극 간격에서도 우수한 전기적 연결이 가능하다. 공정측면에서도 오염을 유발시킬 수 있는 재료나 공정 등을 사용하지 않아 환경 친화적이고 저렴한 생산라인을 구축할 수 있게 됐다.
백경욱 교수는 “웨어러블 기기를 통해 간단한 손짓으로 컴퓨터를 조작하고 전화, 문자, 메신저 등 다양한 정보를 편리하게 받아보는 시대가 올 것”이라며 “이번 패키징 기술 개발로 웨어러블 컴퓨터 시대가 한 발 더 앞당겨 질 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.
2014.03.05 조회수 17182 -
바이러스를 이용한 친환경 나노발전기 개발
- 자연계의 생체 합성 능력을 모방해 만든 신물질로 나노발전기 개발 -
우리 학교 신소재공학과 이건재(38)·남윤성(40) 교수 공동연구팀은 유전자 조작 바이러스를 이용해 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
연구결과는 나노 및 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘ACS Nano’ 온라인판(11월 14일자)에 게재됐으며, 대면적 저비용 제작에도 성공해 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 12월호 표지논문으로 선정되기도 했다.
조개껍질, 해면, 뼈 등에서 볼 수 있듯이 자연계는 인간이 만들기 어려운 여러 가지 물질이나 구조를 스스로 합성하고 조립하는 능력을 가지고 있다. 예를 들어, 자연계의 조개껍질은 매우 단단한 반면 같은 물질이지만 인공 합성물인 분필은 쉽게 부서진다.
게다가 기존의 여러 인공 합성법들은 독성이 많고 극한적인 환경에서 이뤄진다는 것에 비해 이러한 자연적인 합성은 매우 신비하고 주목할 만한 현상이다. 이처럼 생물들이 가지고 있는 자연적 물질 합성을 모방하면 과학기술 분야에서 효율적으로 환경문제를 해결하거나 신물질을 개발할 수 있다.
연구팀은 자연계에 대량으로 존재하면서 인체에는 무해한 M13이라는 바이러스 유전자를 조작하고, 이 바이러스의 특징을 이용해 압전 효과가 우수한 티탄산바륨(BaTiO3)을 합성함으로써 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
나노발전기란 기계적인 힘을 가하면 전기가 생성되는 압전(piezoelectricity) 현상을 응용해 만든 에너지를 얻는 소자다. 연구팀은 이번에 손가락의 움직임으로도 전기에너지를 생산해 LED를 구동하는데 성공했다.
남윤성 교수는 “이번에 개발된 나노발전기는 DNA 조작이 생명체의 변형을 뛰어넘어 전자소자까지 제어할 수 있다는 새로운 발상의 전환을 보여주는 것”이라며 “뛰어난 압전특성과 친환경적인 제조공정은 이러한 접근법이 얼마나 매력적인지를 잘 보여준다”고 연구의 의의를 설명했다.
ㅁ 그림설명
바이러스 구조를 이용한 티탄산바륨 합성 및 나노발전기 모식도(첫째 줄), 바이러스와 이를 이용한 티탄산바륨 나노물질의 전자현미경 사진 및 구현된 유연한 나노발전기와 소자 (LED) 구동 모습(둘째 줄)
2013.12.10 조회수 24888 -
오래가는 리튬황 이차전지 개발
- 리튬이온전지 보다 에너지밀도가 5배 이상 높은‘리튬황 전지’개발 -
우리 학교 신소재공학과 김도경 교수는 EEWS 최장욱 교수와 공동으로 현재 상용화중인 리튬이온 배터리의 수명 및 에너지 밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황 전지를 개발했다.
연구결과는 나노소재 분야 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3일자 표지논문(frontispiece)으로 실렸다.
개발된 리튬황 전지는 △단위 무게당 에너지 밀도가 최대 2100Wh/kg로 상용화 중인 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)의 5.4배에 달하고 △기존에 개발된 리튬황 전지가 갖는 충·방전에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결해 수 백 번 충·방전이 가능하다.
김 교수 연구팀은 나노 전극 재료합성기술을 활용, 두께 75nm(나노미터) 길이 15㎛(마이크로미터)의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극 재료를 제작했다.
제작된 황 나노와이어 정렬 구조는 1차원 구조체로 빠른 전자의 이동이 가능해 전극의 전도도를 극대화시켰다.
이와 함께 황 나노와이어 표면에 균일하게 탄소를 코팅함으로써 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹아나는 것을 방지, 리튬황 전지가 갖는 수명저하 문제를 해결했다.
기존에 개발된 리튬황 전지용 전극은 초기에 높은 용량을 보임에도 불구하고 충·방전을 반복함에 따라 지속적인 용량감소를 보였다.그러나 개발된 전극은 빠른 방전속도(3분마다 1회 충·방전 조건)에서 300회의 충·방전 후에도 초기 용량의 99.2%를 유지했고 1000회의 충·방전 후에도 70%이상 용량을 나타냈다.
따라서 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명, 에너지 밀도 등에서 기존의 어떠한 전극보다 성능이 우수한 세계 최고 수준으로 평가받고 있다.
김도경 교수는 “개발된 리튬황 전지는 무인기, 전기자동차 및 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “대표적인 차세대 이차전지인 리튬황 전지의 오랜 난제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고 수준의 성능을 구현해 내 이 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 1편과 PCT 국제 특허 1편의 출원을 완료했다.
□ 그림설명
그림1. 개발된 리튬황 전지수명특성 그래프, 300회의 충·방전 시에도 초기 용량의 99.2%의 성능을 낸다.(좌측) 1000회 충·방전에도 높은 성능을 유지한다.(우측)
그림2. 탄소 코팅된 황 나노 와이어 정렬 구조(좌측상단 1, 2 프레임), 단일 황 나노와이어(좌측 하단), 황 나노 와이어 정렬 구조 모식도(우측)
2013.12.03 조회수 19069 -
화학적 도핑을 통한 탄소신소재 개발
- 재료분야 저명 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 25주년 특집호 발표 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수가 ‘화학적 도핑을 통한 탄소 신소재 개발’을 주제로 재료분야 저명학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 25주년 기념 초청 리뷰논문(10월 14일자)을 게재했다.
이번 논문에서 김 교수는 그래핀과 탄소나노튜브에 다양한 이종원소 도핑을 통해 새로운 탄소 소재를 개발하고, 적용 가능한 수준까지 재료의 특성을 끌어올려 배터리, 광촉매 등은 물론 미래 기술로 각광받고 있는 태양전지, 휘어지는 디스플레이 등에도 응용될 것이라고 전망했다.
‘도핑’은 운동경기에서 좋은 성과를 내기 위해 선수들이 약물이나 주사 등을 사용하는 것으로 널리 알려져 있다. 그러나 과학계에서는 순수한 물질에 필요한 불순물을 첨가시키는 것을 ‘도핑’이라고 부른다.
두 가지 도핑 모두 성능을 향상시키는 데 도움이 된다는 공통점을 가지고 있지만 과학계의 도핑은 부작용이 없으며 요구되는 성능을 획득하는데 반드시 필요한 존재라는 특징을 갖고 있다. 실리콘 반도체의 경우에도 다양한 원소가 도핑된 반도체를 사용해 요구 성능을 확보하고 있다.
최근 주목받는 그래핀이나 탄소나노튜브와 같은 신소재는 재료 특성이 매우 우수한 것으로 알려져 있지만 산업적으로 활용하기 위해서는 다양한 원소를 도핑이란 첨가 방법을 통해 재료 특성을 우수하게 끌어올리는 방법이 필요했다.
도핑을 할 경우 탄소원자로만 구성된 그래핀과 탄소나노튜브에 다른 원소의 주입이 가능하게 되고 이들 원소의 특징에 따라서 전자를 주거나 받게 되어 전기를 보다 잘 통하게 할 수 있다. 또 반응성을 향상시켜 산업적 응용을 방해하던 낮은 용매 분산성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 함께 향상된 용매 분산성과 전기 전도도는 그동안 탄소 계열 신소재에서는 불가능하게 여겨졌던 용액 공정을 가능하게 할 수 있다. 이를 통해 휘어지는 반도체, 오래가는 배터리, 효율 높은 광촉매 등의 개발을 가능하게 한다.
김상욱 교수는 “이번 기술 개발로 현재 사용되는 배터리보다 더 오래가는 배터리, 더 빛을 잘 차단해주는 자외선 차단제, 태양열로 가는 자동차 및 휘어지는 휴대폰 등에 활용할 수 있는 신소재의 개발이 한층 더 앞당겨진 것으로 기대된다”고 말했다.
어드밴스드 머티리얼스는 재료분야 최고 수준의 학술지로 이번 25주년 기념 특집에서는 세계적으로 저명한 재료 과학자들로 구성된 학술지 편집진이 엄격한 심사과정을 거쳐 선정한 가장 선도적인 업구업적을 내고 있는 연구자들을 초청해 연구 성과를 소개했다.
그림1. 도핑을 통해 만들어진 탄소 신소재와 이들의 다양한 적용사례
- 1. 태양전지, 2. 휘어지는 기판, 3. 액정, 4. 선택적 흡착제, 5. 에너지 저장 및 변환소자, 6. 복합재료(왼쪽 위부터 시계방향)
2013.11.05 조회수 18354 -
양자점 이용한 고효율 투명 태양전지 개발
- 양자점 전해질에 분산해 9%대 고효율 염료감응 태양전지 원천기술 개발 -- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 19일자 게재 -
우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용해 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.
현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수를 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 빛 흡수를 높이기 위해 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.
아직은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.
이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율이 증가했으며 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교에서도 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.
강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.
그림1. 모바일 양자점이 포함된 염료감응태양전지의 흡수 스펙트럼, 외부양자효율, 전압-전류.(상단) 플라즈몬 구조, 빛반사층과 모바일 양자점이 구현된 태양전지의 외부양자효율, 산란파워, 그리고 사진의 비교. (하단)
그림2. 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(좌측)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (우측): Foster Resonance Energy Transfer (FRET) (상단), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(중단), 2광자 흡수 (하단)
그림3. 염료감응 태양전지 샘플
그림4. 연구원 사진
2013.09.25 조회수 20119 -
리튬공기 이차전지 핵심기술 개발
- KAIST-경기대 공동연구팀, 나노섬유·그래핀 복합촉매 개발 -- 리튬이온 이차전지보다 5배 용량 향상, 최대 800km 주행가능 -
서울-부산을 전기차로 왕복할 수 있는 시대가 열릴까? 차세대 초고용량 전지로 주목받고 있는 리튬공기 이차전지의 핵심기술이 개발됐다.
우리 학교 신소재공학과 김일두·전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀은 나노섬유·그래핀 복합촉매를 개발하고 리튬공기 이차전지에 적용해 리튬이온 이차전지 보다 용량이 5배 높은 ‘리튬공기 이차전지’를 만드는 데 성공했다.
연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 8월 8일자 온라인판에 게재됐다.
‘리튬이온 이차전지’의 음극과 양극에는 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 구성돼 있다. 이 전지는 핸드폰, 노트북 등에 널리 사용되고 있는데 전기차에 적용할 경우 한 번 충전에 약 160km 정도만 주행할 수 있어 아직은 전기차용으로는 용량이 충분하지 않다는 것이 일반적인 평가다.
연구팀이 이번에 개발한 ‘리튬공기 이차전지’는 음극은 리튬, 양극은 산소를 사용한다. 무게가 가벼우면서도 실제 얻을 수 있는 에너지밀도가 리튬이온 이차전지보다 훨씬 높아 차세대 이차전지 중 가장 큰 각광을 받고 있다.
그러나 방전 시 리튬과 산소가 서로 만나 리튬산화물(Li2O2)이 형성되고 충전 시 다시 분해되는데 이 과정이 원활하게 일어나지 않는 문제점으로 인해 높은 저항이 발생하며, 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다. 따라서 리튬산화물의 형성 및 분해반응을 보다 수월하게 해주는 고효율 촉매 개발이 필수적이었다.
연구팀은 전기방사 방법으로 대량생산이 가능한 코발트산화물 나노섬유와 그래핀을 섞어 나노 복합촉매를 개발했다.
촉매활성이 매우 높은 ‘코발트산화물 나노섬유’에 큰 비표면적과 높은 전기전도도를 가지고 있는 ‘비산화그래핀’을 결착시킴으로써 리튬공기 이차전지의 성능을 극대화 시킬 수 있었다고 연구팀은 전했다.
개발된 나노 복합촉매를 리튬공기 이차전지의 양극에 적용하면 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1000mAh/g 이상의 고용량에서도 80회 이상의 충·방전이 가능한 우수한 수명특성을 보였다.
연구팀이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준이며, 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용했기 때문에 저렴하게 만들 수 있다. 상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800Km이상 주행할 수 있어 서울-부산을 왕복 가능해질 것으로 기대된다.
김일두 교수는 “안정성 등 상용화까지는 해결할 과제들이 많이 있지만 본격적인 전기차 시대를 위해 여러 기관들과 협력해 연구할 것”이라며 “우리나라에서 리튬공기 이차전지 분야의 핵심 소재 중에 하나인 나노촉매 합성 기술 개발을 주도해 차세대 리튬공기 이차전지 분야의 활성화에 기여하고 싶다”고 말했다.
한편, 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 류원희 박사, 송성호 박사과정 학생, 경기대학교 윤택한 석사과정 학생이 참여했다.
그림1. 나노복합촉매로 구성된 리튬공기 이차전지 개념도
그림2. 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 이미지
그림3. 리튬공기 이차전지용 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 제조과정 이미지
2013.09.05 조회수 22100 -
호흡 분석해 질병 진단한다!
- 나노섬유 형상 120ppb급 당뇨병 진단센서 개발 -- 음주 측정하듯 후~ 불면 질병 진단할 수 있어 -
우리 학교 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 인간이 호흡하면서 배출하는 아세톤 가스를 분석해 당뇨병 여부를 파악할 수 있는 날숨진단센서를 개발했다.
연구 결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 5월 20일자 표지논문으로 게재됐다.
인간이 숨을 쉬면서 내뿜는 아세톤, 톨루엔, 일산화질소 및 암모니아와 같은 휘발성 유기화합물 가스는 각각 당뇨병, 폐암, 천식 및 신장병의 생체표식인자(바이오마커)로 알려져 있다.
당뇨병의 경우 일반적으로 정상인은 900ppb(parts per billion), 당뇨환자는 1800ppb의 아세톤 가스를 날숨으로 내뿜는다. 따라서 날숨 속 아세톤 가스의 농도 차이를 정밀하게 분석하면 당뇨병을 조기에 진단할 수 있고 발병 후 관리를 쉽게 할 수 있다.
연구팀은 얇은 껍질이 겹겹이 둘러싸인 다공성 산화주석(SnO2) 센서소재에 백금 나노입자 촉매가 균일하게 도포된 1차원 나노섬유를 대량 제조하는 기술을 개발했다. 이 소재의 표면에 아세톤 가스가 흡착될 때 전기저항 값이 변화하는 120ppb급 아세톤 농도 검출용 센서에 적용해 날숨진단센서를 개발했다. 개발한 나노섬유 센서는 1000ppb급 아세톤 농도에서 소재의 저항 값이 최대 6배 증가해 당뇨병을 진단할 수 있음이 입증됐다.
이와 함께 7.6초의 매우 빠른 아세톤 센서 반응속도를 나타내 실시간 모니터링이 가능해져 상용화에 대한 기대를 높였으며, 전기방사 기술로 제조해 나노섬유형상을 쉽게 빠르게 대량생산할 수 있는 게 큰 장점이다.
연구팀이 개발한 날숨진단센서는 사람의 호흡가스 속에 포함된 다양한 휘발성 유기화합물의 농도를 정밀하게 분석할 수 있다. 따라서 당뇨병은 물론 향후 폐암, 신장병 등의 질병을 조기에 진단하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김일두 교수는 이번 연구에 대해 “ppb급 농도의 날숨 휘발성 유기화합물 가스를 실시간으로 정밀하게 진단하는 나노섬유 센서를 당뇨병 또는 폐암 진단용 감지소재로 이용하면 다양한 질병을 조기에 검출하고 관리하는 일이 가능해질 것”이라고 말했다.
김 교수는 향후 다양한 촉매와 금속산화물 나노섬유의 조합을 통해 많은 종류의 날숨가스를 동시에 정확하게 진단하는 센서 어레이(array)를 개발해 상용화를 앞당길 계획이다.
미래창조과학부 글로벌프린티어사업 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받은 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 신정우 학부생(2월 졸업), 최선진 박사과정 학생, 박종욱 교수, 고려대학교 신소재공학과 이종흔 교수가 참여했다.
그림1. 날숨진단센서 어레이(우측)와 날숨진단센서 크기 비교(좌측 상단)
그림2. 나노섬유 센서들이 어레이로 구성된 당뇨진단 센서 이미지
그림3. 날숨 가스들을 분석하는 질병진단 분석기의 소형화 및 실시간 분석
그림4. 주석산화물 나노섬유를 이용한 당뇨진단 센서 이미지
2013.05.30 조회수 25979 -
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 20022 -
휘어지는 대용량 반도체 원천기술 개발
- KAIST 김상욱 교수, 세계 최고의‘분자조립’기술력 활용해 휘어지는 대용량 반도체 원천기술 확보 -
우리 학교 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 원하는 형태로 분자가 스스로 배열하는 ‘분자조립’ 기술을 활용해 유연한 그래핀 기판 위에 양산중인 반도체 패턴의 최고 수준인 20nm(나노미터)급 초미세 패턴을 구현하는데 성공했다.
이번 기술 개발로 향후 유연하게 휘어지면서도 많은 양의 데이터를 저장할 수 있는 반도체를 구현할 수 있어 고성능 플렉시블 전자기기 개발에 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
이와 함께 연성소재의 특성을 이용해 초미세 패턴을 형성하기 어려운 3차원 굴곡진 기판에서도 자유롭게 구현하는데 성공, 다양한 응용소자에 활용할 수 있는 것은 물론 화학 반응으로 물질을 섞어주기만 하면 원하는 형태로 스스로 배열해 고가의 장비가 필요하지 않아 반도체 제작비용이 훨씬 저렴해질 것으로 전망된다.
이번 연구의 핵심 기술인 ‘분자조립’이란 플라스틱, 액정, 생체분자 등과 같이 딱딱하지 않고 유연한 연성소재의 고분자를 원하는 형태로 스스로 배열하게 해 기존에 만들기 어려웠던 작은 나노구조물을 효율적으로 만드는 기술이다. 마치 물과 기름이 서로 섞이지 않는 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 상분리되어 섞이지 않는다는 점을 이용하는 것이다.
연구팀은 기계적 물성이 우수하고 원하는 기판에 쉽게 옮길 수 있는 그래핀 위에 ‘블록공중합체’라는 분자조립기술을 통해 초미세 패턴을 형성한 후, 이를 3차원 기판 혹은 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PDMS(폴리디멜틸실론산) 등과 같은 플렉시블 기판에 옮겨 자유롭게 3차원 혹은 플렉시블 기판에 구조물을 구현했다.
김상욱 교수는 이번 연구에 대해 “지금까지 발표된 휘어지는 반도체는 온도에 취약한 플라스틱 기판을 사용해 극한 공정조건을 극복해낼 수 없어 상용화에 어려움이 많았다”며 “이번 기술은 기계적 물성이 우수한 그래핀을 회로 기판으로 적용하는 데 성공한 획기적인 연구성과”라고 말했다.
김 교수는 이어 “이번 연구에 대해 세계적으로 많은 관심을 받아 3월 20일 열리는 미국 물리학회에서 초청 강연을 할 예정”이라며 “이번에 개발한 원천기술을 바탕으로 후속 연구를 진행해 반도체 회로와 같이 복잡한 회로의 설계에 도전할 것”이라고 포부를 밝혔다.
한편, 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 다차원 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 3월 6일자에 실렸다.
그림1. 제작공정
1. 스핀 코딩이라는 도포법을 사용해 그래핀 박막을 형성
2. 그래핀 박막 위에 블록공중합체를 형성
3. 블록공중합체을 식각 또는 패턴 전사법을 통해 나노 구조를 형성4. 그래핀을 전사층으로 활용해 다양한 기판에 나노 구조를 형성
그림2. 블록공중합체 분자조립기술
블록공중합체 분자조립기술은 물과 기름이 서로 섞이지 않은 것과 같이 서로 다른 두 고분자가 섞이지 않는다는 점을 이용한 기술이다. 물과 기름의 경우, 서로 섞이려고 하지 않는 물질이기 때문에, 물과 기름은 혼합하게 되면, 물을 물끼리 어울려 덩어리 지고, 기름은 기름끼리 어물려 덩어리가 지게 된다. 하지만, 물과 기름이 서로 떨어질 수 없게끔 결합이 되어 있다고 가정하면, 다른 현상이 예상된다. 동일하게 물은 물끼리 있으려 하고 기름은 기름끼리 있으려고 하지만, 물 옆에는 결합된 기름이 있게 된다. 따라서 물과 기름의 거대한 두 덩이리가 형성되는 것이 아니라, 매우 미세하게 물과 기름이 번갈아가면서 형성되게 된다. 동일하게 블록공중합체에서는 화학적으로 서로 다른 고분자가 공유 결합이라는 쉽게 깨지지 않은 결합을 통해 연결되어 있다., 따라서, 결합된 물과 기름에서와 동일하게 미세한 크기의 상분리가 일어나게 된다. 이러한 구조의 크기는 대개 고분자의 크기에 의해 결정되면, 머리카락 크기의 1/10000 수준으로 매우 미세하며 주기적인 패턴을 형성하게 된다. 패턴의 형태는 서로 다른 고분자의 비율에 따라 구, 원통형, 판형 등으로 나타난다.
그림3. 플렉시블 기판 상에 옮겨진 금 나노 구조체
2013.03.12 조회수 19266 -
휘어지는 고성능 배터리 제작기술 개발
- 플렉시블 OLED 디스플레이와 배터리의 완전 결합길 열려 -
휘어지는 디스플레이의 에너지원으로 반드시 필요한 고효율 유연 배터리를 KAIST 연구진이 세계 최초로 개발하는데 성공했다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 유연한 고효율 배터리를 개발하는데 성공, 이 연구결과가 재료분야 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8월호 온라인판에 실렸으며, 미국 화학학회 뉴스레터인 C&EN(Chemical & Engineering News)에도 (8월 10일자) 특집으로 보도됐다.
얇고 가벼우면서도 유연한 디스플레이로의 혁신적인 기술 발전을 위해서는 필연적으로 휘어지며 충전밀도가 높고, 폭발위험이 극히 적은 고성능 유연 고상배터리의 개발이 요구돼 왔다.
그러나 고효율 배터리를 만드는 소재 중 산화물 양극재료는 고온의 열처리가 필요하기 때문에 플라스틱 기판위에서는 구현할 수 없을 뿐만 아니라 고온 열처리 없이 분말 형태로 만들 경우에는 충전밀도가 매우 낮다는 문제점이 있었다.
이번에 개발한 고성능 유연 고상배터리는 리튬코발트산화물(LiCoO2) 양극재료를 운모 희생기판에서 4㎛(머리카락의 약 10분의 1 두께) 정도인 박막형태로 고온 성장시켜 만든 후, 기판으로 쓰인 딱딱한 희생기판을 제거해 얇은 배터리 부분만 남긴 후 유연한 기판위에 전사해 완성했다.
이 교수 연구팀이 개발에 성공한 유연 배터리는 휘어지더라도 전압이 3.9~4.2V로 거의 변하지 않고, 충·방전 10,000번(방전심도 80%) 정도의 안정적 작동과 함께 2200㎼h/㎤의 높은 에너지밀도(패키징 포함)를 지닌 게 큰 특징이다.
이번 연구를 주도한 구민 박사는 “충전밀도가 높은 박막형태의 고효율 유연 배터리는 완전한 형태의 유연 전자 제품를 만드는 데 획기적인 역할을 할 것”이라고 말했다.
이건재 교수 연구팀은 현재 대량생산을 위한 레이저 리프트 오프(Laser lift-off) 기술과 충전용량을 높이기 위해 삼차원으로 적층하는 후속 연구를 진행 중인데, 이들 연구가 끝나는 대로 상용화 수준의 유연 배터리가 나올 것으로 이 교수 연구팀은 예상하고 있다.
한편, 이번 연구결과는 지난 13일부터 일주일간 미국에서 열린 세계적인 국제학회인 국제광자공학회(SPIE)에서 이건재 교수가 기조강연으로 발표했으며, 국내외에서 다수의 특허를 등록하거나 출원했다.
<동영상 설명>http://www.youtube.com/watch?v=Sh-SkpCZ4AE&feature=player_embedded굽힘 상태에서 상용 블루 LED를 켜며 전압특성이 유지되는 유연 배터리 모습
그림1. 연구팀이 이번에 개발한 유연한 배터리와 기존의 휘어지는 OLED를 결합해 만든 최초의 완전한 플렉시블 디스플레이
그림2. 연구팀이 개발한 플렉시블 배터리와 결합된 디스플레이의 구조
그림3. 연구팀이 개발한 휘어지는 배터리가 LED를 켜고 있다. 휘어져도 전압이 떨어지지 않아 안정적이다.
그림4. 휘어지는 고효율 배터리 제작공정. (g)운모를 제거하고 나서 (h)폴리머 기판으로 옮긴 후 (i)폴리머로 감싸는 공정이 연구팀의 독자기술이다.
그림5. 이건재 교수 연구팀이 유연배터리를 희생기판에서 레이저로 제거하는 연구를 수행하고 있다.
2012.08.21 조회수 20327 -
세계 최고 수준의 초신축성 전극소재 개발
- 정렬된 3차원 다공성 나노구조를 이용한 새로운 개념을 도입해 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 6월호 실려 -
돌돌 말리는 전자책이나 유연한 디스플레이, 옷처럼 입을 수 있는 컴퓨터 등 차세대 전자 소자를 구현하는 핵심 부품인 유연한 신축성 전극을 국내 연구진이 개발했다.
우리 학교 신소재공학과 전석우 교수 연구팀이 정렬된 3차원 다공성 나노구조를 이용하여 세계 최고 수준의 초신축성 소재를 개발하는데 성공했다.
이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)"지 6월 26일자 온라인판에 리서치 하이라이트로 공개됐다.
특히 이번 연구결과는 국내 연구진이 주축이 되어 일궈낸 값진 세계적인 성과로써 큰 의미가 있다.
전석우 교수팀은 연구팀이 보유한 세계 최대 면적의 3차원 나노 패터닝 기술을 이용하여 1인치 이상의 면적에 머리카락 굵기의 1/10에 해당하는 10마이크로미터의 두께를 가지는 정렬된 3차원 나노기공 구조를 제작했다.
연구팀은 제작된 나노기공 구조를 주형으로 활용하여 기공에 탄성중합체를 침투시킨 후에 주형을 제거하는 방법으로 역상의 3차원 신축성 나노소재를 제작하였고, 이 소재 내부에 액상의 전도성 물질을 침투시켜 초신축성 유연 전극을 개발하였다.
이렇게 개발한 전극을 200% 이상 늘어난 상태에서도 전기전도도의 저하 없이 발광다이오드(LED) 램프를 켤 수 있다.
기존에는 소재에 주름을 잡아 아코디언처럼 늘였다 줄였다 할 수 있게 만들거나 평면에 그물처럼 구멍을 뚫어서 신축성을 향상하는 방법을 사용했다. 하지만 이러한 방식은 신축성 향상이 제한적인데다 100%만 늘어나도 전기 전도도가 크게 저하되는 단점이 있었다.
전석우 교수는 “차세대 전자소자인 유연소자 개발에서 세계 최고 수준의 신축성 전극을 국내 기술로 개발함으로써 시장우위를 선점할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 전석우 교수(교신저자)의 지도아래 박준용 박사과정(제 1저자)이 주도적으로 진행하였고, KAIST 신소재공학과 김도경 교수, 미국 노스웨스턴대 후앙 교수, 미국 일리노이대 로저스 교수가 공동으로 참여했다.
그림 1. A는 3차원 나노패터닝 기술을 통해 제작된 다공성 고분자 주형. B는 A의 주사전자현미경(SEM) 이미지. C는 탄성중합체 침투 및 고분자 주형 제거를 통해 제작된 초신축성 3차원 소재.
그림 2. A는 3차원 초신축성 소재를 전극으로 이용하여 발광다이오드(LED) 소자를 구현하는 개념도이다. B는 220%까지 늘어난 후에도 밝기의 변화 없이 성공적으로 구동된 신축성 전자 소자이다.
그림 3. 이번 연구로 개발된 신소재의 개념도로써, 소재에 잡아당기는 힘이 작용했을 때 정렬된 3차원 나노기공 구조를 통하여 소재가 효과적으로 신축되는 모습을 형상화한 이미지이다.
2012.07.11 조회수 20533 -
신개념 나노발전기 원천기술 개발
- 나노복합체 이용해 복잡한 공정과 고비용 문제 해결 -- 어드밴스드 머터리얼스 6월호 표지논문 게재 -
우리 학교 연구진이 나노복합체를 이용해 나노발전기를 적은 비용으로도 대면적으로 만들 수 있는 원천기술 개발에 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 나노복합체를 이용한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발해 재료분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 6월호 표지논문에 게재됐다.
이번에 개발된 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 면적도 쉽게 제작 가능해 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복해냈다는 평가를 받고 있다.
나노발전기는 나노 크기(10억분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 ‘압전 효과’를 이용한다.
압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐으며, 2010년 미국의 유명한 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되기도 했다.
나노발전기 개발을 위한 압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 적용한 ‘산화아연(ZnO)’이 유일했다.
2010년 KAIST 신소재공학과 이건재 교수 연구팀은 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖고 있는 세라믹 박막물질인 ‘티탄산화바륨(BaTiO3)’을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨데 이어, 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공해 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현해낼 수 있게 됐다.
연구팀은 수백 나노 크기의 고효율 압전 나노입자인 ‘티탄산화바륨’과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 ‘탄소나노튜브’ 또는 ‘산화 그래핀(RGO)’을 폴리머(polydimethylsiloxane, PDMS)와 섞은 후 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했다.
이건재 교수는 “압전효과를 바탕으로 한 ‘나노자가발전 기술’은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있지만, 기존 기술은 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제 및 소자크기의 한계성을 극복하지 못했다”고 말했다.
아울러 “이번에 개발된 기술에 패키징 및 충·방전 기술을 융합하면, 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에 응용될 수 있다“고 덧붙였다.
한편, 이번 기술은 해외 1건, 국내 2건의 특허가 출원 및 등록됐다.
<동영상>http://www.youtube.com/watch?v=90rk7G3t30k&feature=player_embedded
압전 나노복합체 제작공정과 소자를 다양한 방법으로 구부릴 때마다 전기가 발생하는 것을 보여주는 동영상
※응용사례
- 에너지블럭(부산 서면역 적용)
지하철 선로에 압전소자를 적용해 전동차 운행으로 얻어지는 진동을 통해 발전하는 장치로 국내 최초의 압전에너지 상용화 제품http://blog.naver.com/ioyou64?Redirect=Log&logNo=130093513496
- 이스라엘은 고속도로에 압전발전기를 적용해 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있음
- 필립스는 사람이 리모컨 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 생산해 배터리가 없어도 작동되는 리모컨 개발
- 수 많은 나노 발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만든 재킷을 입으면 단순히 걷는 것과 같은 일상생활만으로도 휴대전화나 MP3 등을 충전할 수 있을 것으로 예상됨
- 아주 작은 전원만으로도 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발가능
※그림설명
그림1. 압전 나노입자를 포함하는 복합물질에서 구부림에 의해 전기가 생성되는 것을 보여주는 그림.
그림2. 구부러질 때마다 전기를 만드는 나노복합체 기반의 자가발전기(논문표지)
2012.06.12 조회수 22553