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건국대 연구팀, 1분 안에 수은 검출하는 시스템 개발

건국대학교는 KU융합과학기술원 전봉현 교수(시스템생명공학과) 연구팀이 수은 금속 나노소재를 활용해 수은을 1분 안에 검출할 수 있는 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다. 연구팀은 '실리카-은 복합 나노소재'를 무기수은이 미량 함유된 시료와 혼합하면 소재 표면에서 아말감과 은 나노입자의 융합 구조가 형성된다는 것을 발견했다. 연구팀은 실리카-은 복합 나노소재가 수은에 반응하는 표면 구조에 주목해, 표면증강 라만분광법(SERS·Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) 기반 수은 검출법으로 활용했다. 이 기법은 금속 나노소재 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)으로 흡착된 분자 고유의 '라만 산란 신호'를 비약적으로 증폭하는 분석 기법이다. 미량의 분자도 검출할 수 있어 수많은 유기물 검출에 활용되고 있다. 연구팀은 라만 리포터가 도입된 실리카-은 복합 나노소재를 무기수은의 검출을 위한 SERS 기질로 활용했다. 수은에 반응해 변형된 표면 구조는 억제된 SERS 활성을 나타냈으며, 무기수은의 농도와 일정한 관계를 보여 정량 검출 시스템으로써 활용 가능성도 확인했다. 실리카-은 복합 나노소재 기반 검출 시스템은 1분 이내에 164ppb 수준의 미량의 무기수은을 검출한다. 또 기존 SERS 기반 검출법에서 지적돼 온 낮은 재현성을 상대표준편차 4.62% 이하 수준으로 개선하는데도 성공했다. 연구팀은 구축된 검출 시스템의 간편성과 신속성, 높은 재현성에 기반해 현장에서 채취된 시료 내 수은 화학종을 검출, 정량함으로써 중금속 노출 환경에서 신속한 실태 조사에 활용할 수 있을 것으로 기대했다. 해당 연구는 국제 저명 학회인 미국 화학회(ACS·American Chemical Society)의 국제 저명학술지인 'ACS Applied Nano Materials'에 지난달 내표지논문으로 게재됐다. 이번 연구는 건국대 생명공학과 김윤희 박사과정 학생이 제1저자로, 강원대 장혜진 교수와 건국대 전봉현 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부가 추진하는 중견연구자지원사업, 원천기술개발사업(BRIDGE융합연구개발사업), 산업통상자원부 바이오·의료기술개발사업과 건국대학교 지원으로 수행됐다.

2024.01.23 16:34주문정

국내 최초 '다이아몬드 웨이퍼' 개발한 RFHIC…올 하반기 제품화 윤곽

국내 RF(무선통신) 부품기업 RFHIC가 최근 GaN(질화갈륨) 기반의 4인치 다이아몬드 웨이퍼 개발에 성공했다. 국내 기업으로선 최초 성과로, 자체 개발한 특허 기술을 적용했다는 점에서도 의미가 깊다. 다이아몬드 웨이퍼는 기존 웨이퍼 대비 방열 특성이 뛰어난 것이 특징이다. 향후 위성·방산 등 산업 전반에서 반도체 성능을 향상시킬 것으로 기대된다. RFHIC는 올 하반기 내로 해당 웨이퍼를 자사 제품에 적용해 회사의 경쟁력을 끌어 올리고, 향후 시장 영역을 확대할 계획이다. RFHIC는 통신용 GaN(질화갈륨) 트랜지스터 및 전력증폭기를 전문으로 개발 및 생산하는 기업이다. GaN은 기존 반도체 소재인 실리콘 대비 전력 효율성, 고온·고압에 대한 내구성이 뛰어나다. 또한 스위칭(전기 신호를 켜고 끄는 것) 속도가 빨라 위성, 방산 등의 산업에서 수요가 특히 강하다. 최근 RFHIC는 GaN 소자의 차세대 방열 소재인 다이아몬드 웨이퍼 분야에서 괄목할 만한 성과를 거뒀다. 이 회사는 지난해 말 국내 최초로 4인치 Diamond(다이아몬드) 웨이퍼를 개발해냈다. 관련 기술을 확보한 기업은 미국, 중국 등 전 세계에서 4~5곳에 불과하다. 현재 GaN 웨이퍼는 주로 실리콘, 혹은 실리콘카바이드(SiC) 위에 GaN 물질을 성장시켜 만든다. 다이아몬드는 이들 소재 대비 내구성이 높고, 열전도율이 뛰어나 방열에 유리하다는 장점이 있다. 지난 9일 경기 안양 소재의 RFHIC 본사에서 다이아몬드 웨이퍼 개발의 주역인 곽준식 RFHIC AGS본부장을 만났다. 이곳에서 곽 본부장은 RFHIC의 다이아몬드 웨이퍼가 지닌 경쟁력, 향후 사업 계획 등을 소개했다. 곽 본부장은 "방열성이 높으면 소자의 온도를 낮춰주기 때문에, 동일한 조건에서도 더 높은 성능을 낼 수 있게 된다"며 "기존 구리(Cu) 방열소재 적용 소자 대비 RF 출력을 최대 200%까지 높일 수 있다"고 설명했다. RFHIC는 올 하반기 내로 다이아몬드 웨이퍼 기반의 소자를 양산하는 것을 목표로 하고 있다. 먼저 자사 제품에 적용해 경쟁력을 높이고, 노하우가 충분히 쌓이면 대외 판매로 영역을 확장한다는 전략이다. 가장 유망하게 보고 있는 시장은 방산, 위성 분야다. 나아가 향후에는 양자 컴퓨팅으로의 진출을 위한 단결정(싱글-크리스탈) 다이아몬드 웨이퍼를 개발할 계획이다. 단결정은 현재 개발된 다결정(폴리-크리스탈) 대비 열전도율이 더 높다. 이를 위한 웨이퍼 제조 기술 연구개발(R&D)에도 많은 공을 기울이고 있다. 이번에 개발된 RFHIC의 다이아몬드 웨이퍼는 GaN 웨이퍼와 다이아몬드 웨이퍼를 각각 제조한 뒤, 다이(Die) 단에서 직접 본딩(붙이는)하는 공정을 거친다. 이보다 기술적 난이도가 높은 W2W(웨이퍼 투 웨이퍼) 본딩에 대한 연구개발도 추진 중이다. 곽 본부장은 "GaN 웨이퍼에 다이아몬드를 직접 증착하는 기술 역시 지속 개발하고 있으나, 실제 양산에 필요한 조건들이 매우 까다로운 상황"이라며 "본딩의 경우 다이아몬드 층을 더 두껍게 할 수 있어 방열 특성을 향상시킬 수 있다"고 밝혔다. 또한 RFHIC는 다이아몬드를 성장하는 과정에서 자체 개발한 특허 기술을 적용했다. 현재 주요 경쟁사가 고온·고압(HPHT) 공정을 채택한 것과 달리, RFHIC는 자체 개발한 마이크로웨이브(주파수가 0.3㎓ ~ 300㎓ 영역에 해당하는 전자파) CVD(화학기상증착) 장비로 다이아몬드를 성장시킨다. 곽 본부장은 "현재 국내외 위성, 가전 기업들이 RFHIC의 다이아몬드 웨이퍼에 관심을 표하고 있는 상황"이라며 "높은 특성을 요구하는 하이엔드 시장에 대응하기 위해 관련 기술을 지속 고도화해나갈 것"이라고 말했다.

2024.01.15 16:36장경윤

기후위기 주범 탄소로 나노섬유 만든다···탄소 활용+저장 일석이조

기후위기의 주범 이산화탄소(CO₂)를 탄소나노섬유로 전환하는 기술이 개발됐다. 이산화탄소를 실제 산업에서 다양한 용도로 쓰이는 탄소나노섬유 형태로 오랜 기간 저장함으로써 탄소 중립을 앞당길 수 있으리란 기대다. 미국 에너지부(DoE) 브루크헤이븐연구소와 컬럼비아대학 공동 연구진의 이 성과는 학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)'에 최근 실렸다. 이산화탄소를 포집해 땅 속에 저장하거나 산업적으로 유용한 다른 소재의 원료로 사용하는 탄소포집·활용·저장(CCUS)은 기후변화를 일으키는 탄소 배출을 막을 주요 기술로 주목받는다. 하지만 탄소 저장엔 유출 위험이 따른다. 탄소를 다른 분야에 활용할 수 있는 소재로 만들려면 많은 추가 에너지가 투입되어야 한다. 탄소 기반으로 만들어진 제품이 곧바로 활용되면서 다시 대기에 탄소를 돌려보내는 결과를 낳기도 한다. 반면 이번에 개발된 기술은 상대적으로 낮은 400℃의 온도로 상압 환경에서 작업 가능하고, 오랜 기간 쓰이는 탄소나노튜브나 나노섬유 소재로 전환되어 대기에 다시 배출되기까지 기간을 연장할 수 있다. 또 공정 부산물로 차세대 에너지로 주목받는 수소도 나온다. 연구진은 이산화탄소를 탄소나노섬유로 전환하는 과정을 두 단계로 나누고 각 단계에 다른 공정과 촉매를 적용하는 방식을 택했다. 일산화탄소(CO)가 이산화탄소에 비해 탄소나노섬유로 전환하기 쉽다는 점에 착안, 우선 이산화탄소를 효율적으로 일산화탄소로 바꾸는 방법을 찾았다. 전류가 흐르면 화학 반응을 유도하는 팔라듐 전기촉매를 이용해 이산화탄소와 물(H₂O)을 일산화탄소와 수소로 분리했다. 이어 철과 코발트 합금으로 열촉매를 만들어 일산화탄소에서 탄소나노섬유를 얻었다. 1천℃ 이상의 고온 환경에서 작업해야 하는 기존 공정과 달리 400℃의 낮은 온도에서 작업 가능하다. 코발트를 약간 첨가하면 탄소 나노섬유 수율이 높아진다는 점도 확인했다. 연구진은 밀도함수이론(DFT) 기반 연산 등 컴퓨팅 모델과 X선 촬영, 투과전자현미경(TEM) 등을 통해 물질의 변화 과정도 규명했다. 사용한 금속촉매를 추출하는 방법도 찾아 재활용 길을 열었다. 진광 첸 컬럼비아대학 화학공학과 교수는 "이산화탄소에서 탄소나노섬유를 얻는 공정을 2단계로 분리함으로써 유용한 물질을 효율적으로 만들어냈다"라며 "이 공정을 모두 신재생에너지로 진행할 수 있게 되면 탄소 저감의 새로운 가능성이 열릴 것"이라고 말했다. 논문 제목은 CO₂ fixation into carbon nanofibres using electrochemical–thermochemical tandem catalysis 이다.

2024.01.15 13:33한세희

"AI로 국내 리튬 매장지 찾는다···자원 없는 한국을 핵심 광물 생산국으로"

한국지질자원연구원이 빅데이터와 인공지능(AI)을 활용해 국내에서 리튬 매장 가능성이 큰 광산을 찾는다. 또 선광과 제련 관련 친환경 자원기술 개발을 통해 중국 의존도를 낮추고 자원 민족주의 성향을 보이는 자원 부국들과 협력을 강화하는 한편, 폐배터리 재활용 기술을 강화한다. 이를 통해 한국 중심의 신공급망 구축에 나선다는 목표다. 11일 한국과학기자협회와 한국지질자원연구원(KIGAM) 주최로 서울 광화문에서 열린 과학미디어아카데미에서 이평구 KIGAM 원장은 "전국 각지의 지질과 수계, 광물에 대한 데이터를 바탕으로 AI를 학습시켜 리튬 매장 가능성이 큰 지역을 추렸다"라며 "전국을 직접 돌아다니지 않고도 새로운 배터리 소재나 희토류 광산을 찾을 수 있다"라고 말했다. 하천에 쌓인 흙에 흡착된 리튬을 효율적으로 추출할 수 있는 지역을 AI 기술을 활용해 찾아내는 것이다. 그간 KIGAM이 전국 2만 5천 곳 이상 지역에서 채취해 36개 원소를 분석하며 쌓아온 데이터를 기반으로 한다. 리튬 외에도 니켈과 코발트, 망간 등 핵심 광물의 부존 가능성을 예측, 올해 주요 입지에 대한 정밀 현장조사를 실시한다. 이와 함께 광물 제련 및 선광, 배터리 원료소재 생산의 효율을 높이는 기술을 개발, 배터리 소재와 희토류 자원이 풍부한 국가들에 지원한다. 리튬이 풍부한 카자흐스탄을 비롯, 몽골과 베트남, 인도네시아 국가들과 협력이 진행 중이다. 이 원장은 "주요 자원 부국들에서 외국 기업에 현지 생산이나 기술 이전을 요구하는 자원 민족주의 성향이 강해지고 있다"라며 "이들 국가가 핵심 원료 생산 역량을 갖도록 지원, 중국 의존도를 낮추고 우리 기업들이 수혜를 얻을 수 있도록 하겠다"라고 말했다. 또 2050년 600조원 규모로 커질 것으로 전망되는 폐배터리 재활용 기술 개발에 주력한다. 이를 위해 SK에코플랜트트 등과 협력하고 있으며, 성일하이텍에 관련 기술을 이전하기도 했다. KIGAM은 친환경적으로 자원을 활용해 탄소중립을 가능하게 하는 저탄소 자원활용 기술 개발도 확대한다. 정경우 자원활용연구본부장은 "현재 세계는 친환경 에너지를 만들기 위한 '녹색 광물'에 집중하고 있지만, 이 과정에서 환경에 더 악영향을 미치기도 한다"라며 "탄소중립 역행을 되돌릴 '녹색발자국광물'이 앞으로 중요해질 것"이라고 말했다. 남미의 소금 호수에서 리튬을 채취하는 기술이 지하수 유출과 지반 침해를 일으키는 것에 대응, 리튬을 얻어내고 물은 다시 돌려보내는 기술이 연구되는 것이 대표적이다. 미국과 EU 등이 환경 규제 강화함에 따라 탄소 배출을 줄여 자원의 활용성을 높이는 고부가 자원 활용 기술 개발이 필요하다는 인식이다. 폐배터리 재활용 등 재활용 기술이 자원 기술의 질적 성장을 견인할 것이라 보고 관련 기술 개발에 주력한다. 정 본부장은 "앞으로 자원의 가치는 기술이 결정할 것"이라며 "현재의 녹색 광물 시장에선 중국이 선두지만, 향후 친환경 고부가 자원 활용 기술을 통해 자원이 없는 우리나라도 자원 시장을 주도할 수 있을 것"이라고 말했다.

2024.01.11 17:01한세희

SK실트론, SiC 웨이퍼 사업 순항…獨 인피니언과 장기 공급 계약

인피니언테크놀로지는 실리콘카바이드(SiC) 웨이퍼 공급업체인 SK실트론 CSS(SK실트론 미국법인)와 장기 공급 계약을 공식화했다고 11일 밝혔다. 이번 계약으로 SK실트론 CSS는 인피니언에 150mm(6인치) 웨이퍼를 공급할 예정이다. 다만 구체적인 공급량 및 시기 등은 아직 정해지지 않았다. 나아가 양사는 장기적으로 200mm(8인치) 웨이퍼로의 전환에도 협력할 계획이다. 앞서 SK실트론은 지난 2020년 미국 미시간주에 오번 위치한 듀폰의 SiC 웨이퍼 사업부를 인수하고 자회사 실트론 CSS를 설립한 바 있다. 이를 통해 현재 연 10만장 이상의 6인치(150mm) SiC 웨이퍼를 양산하고 있다. SiC는 기존 반도체 소재인 실리콘 대비 고온·고전압에 대한 내구성, 전력효율성 등이 뛰어나다. 덕분에 자동차를 비롯한 산업 전반에서 수요가 증가하는 추세다. 현재 SiC 웨이퍼는 4인치 및 6인치가 시장의 주류를 이루고 있다. 인피니언은 "SK실트론 CSS와의 협력으로 고객사가 요구하는 고효율, 고성능 제품을 공급할 수 있게 돼 기쁘게 생각한다"고 밝혔다. 지안웨이 동 SK실트론 CSS 최고경영자(CEO)는 "우리는 SiC 소재 및 제조 분야에서 쌓아올린 경험을 바탕으로 화합물 반도체 솔루션에서 비교할 수 없는 노하우를 제공한다'며 "이러한 경험이 인피니언과의 협력의 초석이 됐다"고 말했다.

2024.01.11 16:46장경윤

머크, CES서 첨단 반도체·디스플레이용 인텔리전스 소재 선봬

머크(MERCK)는 오는 9~12일(현지 시간) 미국 라스베이거스에서 열리는 세계 최대 가전 IT전시회 'CES 2024'에서 전자산업 발전에 기여할 인텔리전스 소재를 선보인다고 8일 밝혔다. 머크는 디지털 라이프를 선도하는 기업에게 인공지능(AI)을 포함한 미래 전자 산업 메가 트렌드를 뒷받침하는 차세대 칩 개발에 꼭 필요한 혁신적 소재를 공급하고 있다. 특히, 머크의 반도체 및 디스플레이 소재는 전 세계에서 사용되는 거의 모든 최신 전자 기기에 사용된다. 머크의 보드 멤버이자 일렉트로닉스 회장인 카이 베크만(Kai Beckmann)은 "머크는 과학과 기술의 한계를 넓힘으로써 혁명적 미래를 실현하고, 인공지능을 유용하게 사용할 수 있도록 고객사와 노력 중”이라며 “현재 머크는 최신, 최첨단 휴대폰에 필수적인 디스플레이, 반도체 솔루션을 제공하고 있으며, 챗 GTP같이 인공지능 기반 어플리케이션에 꼭 필요한 혁신적 처리 장치를 지원한다”고 말했다. 한편 머크는 'CES 2024' 기간 중 10일(수)에 열리는 패널 토론 및 스타트업 만남에도 참여한다. 머크의 최고 과학기술 책임자 로라 마츠(Laura Matz) 박사, 딜리버리 시스템 및 서비스 부문 수석 부사장 캐서린 데이 카스(Katherine Dei Cas) 등 기업 임원이 참여하는 토론에서는 AI 활용을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소, 여성 기업가 정신에 대해 살펴보고, 스타트업 대상으로 데모데이를 갖는 동시에 벤처 및 업계 리더를 초청해 네트워킹 구축, 협력관계 모색의 자리를 갖는다.

2024.01.08 08:42장경윤

2차원 소재 그래핀 기반 반도체 구현 첫 성공

2차원 그래핀 소재로 반도체를 구현하는데 성공했다. 그래핀을 활용해 빠르고 가벼운 새 반도체 패러다임을 열 수 있으리란 기대다. 미국 조지아공대 연구진의 이 연구 결과는 학술지 '네이처'에 3일(현지시간) 실렸다. 그래핀은 육각형의 벌집 모양으로 배열된 탄소 원자 1개층으로 이뤄진 물질로, 얇고 가벼우며 전도성과 강도가 높아 신소재로 주목받는다. 하지만 에너지를 받는 등 특정 조건에서 전자가 이동하는 밴드갭 특성이 없어 반도체로 쓰이진 못 했다. 연구진은 10년 이상의 연구를 거쳐 실리콘 카바이드 웨이퍼에 그래핀 층을 성장시켜 반도체 특성을 나타내게 하는데 성공했다. 자체 개발한 퍼너스(爐)와 도핑 기법을 활용, 그래핀 층이 성장한 에픽택셜 웨이퍼를 만들고 이것이 반도체 특성을 보임을 확인했다. 이 그래핀 반도체는 0.6eV의 밴드갭을 가지며, 기존 실리콘 반도체보다 10배 가량 높은 전자 이동도를 보였다. 다른 2차원 반도체 소재에 비해선 20배 높았다. 현재 나노 전자 구현에 필요한 특성을 모두 갖는 유일한 2차원 반도체라고 연구진은 밝혔다. 기존 실리콘 기반 반도체 공정을 활용해 제작할 수 있다는 것도 장점이다. 이번 성과가 그래핀 기반의 새 반도체 및 전자공학 패러다임을 열 첫 걸음이 될 것으로 연구진은 기대했다. 현재 실리콘 반도체는 2나노 이하 미세공정에 진입하면서 발열과 전자 누출 등의 문제로 발전 한계에 부딪힌 상황이다. 월터 드 히어 조지아공대 교수는 "이 그래핀 반도체는 매우 안정적이며 전자 이동성도 실리콘보다 10배 높다"라며 "이에 더해 기존 실리콘이 갖지 못한 특성들도 가져 새로운 활용 가능성이 높다"라고 말했다.

2024.01.04 10:49한세희