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韓-佛 과학자, 물리학 이론 깼다…세계 최초 'AA구조' 적층 소재 합성 성공

자석은 같은 극끼리 밀어낸다. 같은 소재의 원자 적층에서도 마찬가지 현상이 발생한다. 이 같은 물리학 법칙을 한국과 프랑스 연구진이 깼다. POSTECH(포항공과대학교)은 신소재공학과 김종규 교수 연구팀이 프랑스 몽펠리에대학교와 함께 과학계에서 '불가능'하다고 여겨졌던 새로운 형태의 원자 배열로 신소재를 합성하는데 성공했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 2차원 물질인 '육방정계 질화붕소(h-BN1)'로 여러 층이 정확하게 겹치는 새로운 형태의 'AA 구조'(붕소 위에 붕소, 질소 위에 질소가 쌓이는 형태)를 실현했다. h-BN은 지금까지 붕소와 질소가 '교차 정렬된' 형태의 'AA 프라임 구조'로만 적층이 가능하다는 것이 정설이었다. 같은 극을 가진 자석이 서로 밀어내듯 같은 소재의 원자도 서로 밀어내 열역학적으로 매우 불안정해져 일정한 정렬 상태를 유지할 수 없기 때문이다. 연구팀은 이 연구에서 2인치 크기의 단결정 질화갈륨(GaN) 웨이퍼를 기판으로 사용했다. 또 질화갈륨 표면의 계단 구조를 '성장 가이드'로 활용해 h-BN이 일정한 방향으로 정렬되도록 유도해 'AA 구조'를 구현했다. 기존 연구는 주로 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 금속이나 사파이어 기판을 사용한다. 연구팀은 전자를 소량 도입하는 '도핑' 기술을 통해 불안정하다고 여겨졌던 이 'AA구조'가 오히려 더 안정적이라는 사실도 밝혀냈다. 김종규 교수는 "h-BN뿐만 아니라 2차원 반도체 물질 적층에도 적용 가능하다"며 "향후 양자 기술이나 차세대 초소형 전자기기 연구에 중요한 전환점이 될 것"으로 기대했다. 김 교수는 “대외부총장도 맡아 대학 행정과 연구를 병행하는 것은 결코 쉬운 일이 아니었다"며 "단순한 과학적 발견을 넘어 2차원 소재 산업화의 중요한 전환점을 마련할 것”이라고 말했다. 연구를 함께 수행한 문석호 박사는 "전하 도핑과 기판 계면 설계를 통해 원자층 적층 구조를 제어할 수 있다는 점을 실험과 이론으로 입증한 연구"라며 이번 연구에 의미를 부여했다. 이 연구에는 POSTECH 신소재공학과 김종규 교수와 문석호 박사 외에 최시영 교수와 프랑스 몽펠리에대 기욤 카사부아(Guillaume Cassabois) 교수 연구팀이 참여했다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '네이처 머터리얼즈(Nature Materials)'에 지난 19일 게재됐다. 한편, 이 연구는 교육부 글로벌박사펠로우십사업, 기초과학연구역량강화사업 (소재이미징 해석연구센터), 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노및 소재기술개발사업, 산업자원부 전자부품산업기술개발사업, 삼성전자 등의 지원을 받았다.

2025.03.20 11:22박희범 기자

세상 최고속 테라헤르츠-광변조 기술 개발…1조분의 1초만에 스위칭 가능

세상에서 가장 빠른 '테라헤르츠 대역 광변조' 기술이 개발됐다. 1조분의 1초만에 스위칭이 가능하다. 포항가속기연구소는 신희준 박사 연구팀이 POSTECH 노준석 교수팀과 공동으로 이 기술을 개발하고, 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 온라인으로 게재했다고 7일 밝혔다. 광변조 기술은 빛의 세기, 주파수, 위상을 조절해 정보를 전달하는 기술이다. 이를 활용해 3D 영상 구현이 가능한 홀로그램 디스플레이, 정밀한 실험 및 측정에 활용되는 펄스파 제어, 빛을 이용한 초고속 데이터 전송 등에 유용하게 쓸 수 있다. 신 박사팀은 기존의 마이크로 대역보다 10만 배 가량 더 넓은 대역폭을 갖는 테라헤르츠 대역에서 파형 제어에 성공했다. 연구팀은 실리콘 기판 위에 분할 고리 공진기(Split-Ring Resonator) 구조의 메타물질을 제작하고, 포항방사광가속기의 펨토초-테라헤르츠 빔라인을 이용해 특정시간 간격에서의 변화를 분석했다. 이 기술 개발에는 주파수 대역의 방사광을 이용해 물질 변화를 분석하는 테라헤르쯔 펌프-프로브 분광법이 이용됐다. 신 박사는 "분할 고리 공진기의 LC 회로(공진회로)에서 단락(Short-circuit)과 기판의 금속화(Metalization) 효과가 발생하는 것을 확인했다"며 "이를 정밀하게 조정해 광변조 성능과 효율성을 획기적으로 개선했다"고 설명했다. 기존에는 반도체의 이완(Relaxation Dynamics) 과정에서 이완시간이 길어 변조 가속도를 올리는데 한계가 존재했다. 하지만 이번 연구에서는 실리콘 기판의 광 여기(전자의 들뜬 상태) 과정만을 이용해 광변조 속도를 획기적으로 개선, 1.3 피코초(10의 -12승초)라는 세계 최단 스위칭 속도를 구현했다. 신 박사는 "특정 테라헤르츠 주파수에서 500% 이상의 변조 심도를 달성했다"며 "테라헤르츠 파를 자유자재로 조절할 수 있는 능동적 시간 파형 제어도 성공적으로 시연했다"고 부연설명했다. 신 박사는 "기존의 능동형 변조 기술이 갖고 있던 수십 피코초 수준의 스위칭 한계를 극복할 수 있는 새로운 광변조 기술"이라며 "향후 초고속 데이터 전송, 차세대 이미징 시스템, 정밀 의료진단 센싱 등 다양한 응용 분야에 적용될 것"으로 기대했다. 신 박사 연구팀은 앞으로 테라헤르츠 대역의 고성능 통신 시스템과 광 기반 정보 처리, 광 센싱 플랫폼 개발 등을 추진할 계획이다.

2025.03.07 10:46박희범 기자

POSTECH-삼성SDI, '나노스프링'으로 스마트폰 배터리 충·방 효율 "더블로"

POSTECH이 삼성SDI와 미국 노스웨스턴대 및 중앙대와 공동으로 스마트폰 배터리 충·방전 효율을 최대 100%까지 개선할 수 있는 '나노스프링' 기술을 개발했다. 이 연구는 POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀이 주도했다. 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 온라인판에 게재됐다. 연구팀은 "배터리의 수명을 기존과 유사한 수준이거나 더 우수하게 개선했다"며 "무엇보다 에너지 밀도를 기존대비 5~10% 개선했다"라고 설명했다. 전자기기 등에 쓰이는 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 충·방전 과정에서 배터리 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생기고, 시간이 지나면 성능이 급격히 저하된다. 통상 배터리 성능은 스마트폰은 500~800회 충·방전시 80%이하, 전기차는 1천회 충·방전시 70~80%를 유지하는 것으로 알려졌다. 연구팀은 이 문제의 개선책을 탄성 구조의 '나노 스프링 코팅'에서 찾았다. 배터리 양극재 표면에 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 코팅을 도입해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수하고 균열을 방지한 것. 전극 두께 변화도 최소화했다. 이를 통해 전극 안정성도 높였다. 연구팀에 따르면 이 기술을 활용하면 소량(0.5wt%, 중량백분율)의 도전재만으로도 570Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있다. 또한, 1천회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78% 성능을 유지한다. 박규영 교수는 "전기차를 대상으로 연구개발을 진행했지만, 스마트폰 등 이차전지 분야 뿐만아니라, 소재 내구성이 중요한 여러 산업에 적용 가능하다"고 설명했다. 박 교수는 또 "기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉬울 것"으로 예상하며 "보다 성능이 뛰어난 전기차 등의 개발에 기여할 것"으로 기대했다. 연구는 삼성SDI, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 기초연구의 지원을 받아 수행됐다.

2025.03.05 11:12박희범 기자

POSTECH, 빛과 소리로 뇌졸중 초기 진단 성공

혈전이 혈관을 막거나 출혈 등으로 발생하는 뇌졸중은 초기진단이 중요하다. 치료가 늦어지면 뇌 조직이 급속 손상되기 때문이다. 국내 연구진이 초기 혈관 변화를 실시간 모니터링할 수 있는 혁신적인 광음향 기술을 개발했다. POSTECH은 IT융합공학과 · 융합대학원 안용주 교수 연구팀이 빛과 초음파(소리)를 결합한 '광음향 컴퓨터 단층 촬영(이하 PACT1)' 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 연구팀은 'PACT1' 개발에 선형과 회전 스캔을 결합한 복합 스캔 방식을 적용했다. 여러 각도에서 얻은 이미지를 하나로 합성한 것. 이는 여러 방향에서 사진을 찍어 입체적으로 재구성하는 것과 같은 원리다. 안용주 교수는 "허혈성 뇌졸중 초기 단계에서 소동물 뇌혈관 변화를 비침습적으로 실시간 모니터링했다"며 "넓은 영역의 혈관 변화를 정밀하게 분석하는 데 성공했다"고 말했다. 연구팀은 또 근적외선 영역 다파장 광음향 이미징을 활용해 헤모글로빈을 비침습적으로 관찰하고, 혈관별 산소포화도를 실시간으로 측정하는 알고리즘도 개발했다. 안 교수는 "허혈성 병변뿐만 아니라 측부 혈류와 신생 혈관의 변화까지 정밀하게 모니터링할 수 있게 됐다"고 설명했다. 안 교수는 또 "뇌졸중 치료 연구뿐만 아니라 다양한 신경·혈관 질환 연구에도 새로운 실험적 접근법을 제공할 것”이라고 말했다.

2025.02.28 10:25박희범 기자

한-미 연구진, 고해상도 구현 가능한 단원자 기반 양자LED광원 개발

한-미 연구진이 단원자에 기반한 양자 LED 기술을 개발했다. 이 기술은 고해상도 디스플레이 등에 활용 될 수 있다. POSTECH(포항공과대학교)은 단일 원자로 구성된 발광소재에 전하를 주입, 빛을 만들어내는 '양자 LED 광원' 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이 연구는 신소재공학과 김종환 교수·통합과정 박규나 연구생 연구팀이 시드니공대 이고르 아로노비치(Igor Aharonovich) 교수팀이 공동으로 진행했다. 이 연구결과는 나노·양자 광학 분야 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 표지 논문(front cover)으로 최근 게재됐다. 양자 광원은 광자를 하나하나 정밀하게 방출하거나 여러 광자를 서로 얽힌 상태로 만들어 정보를 전달한다. 그러나 이를 구현하기 위해서는 극저온 냉각 상태가 필요하다. 양자점 LED 광원 구현도 마찬가지다. 연구팀은 전자를 개별 원자 수준의 극단적으로 작은 공간에 가두는 방법으로 상온에서도 우수한 LED 양자 광원 특성을 발현시켰다. 이 발현에는 '육각형 붕소질화물(hBN)'을 활용했다. hBN은 소재 내부에서 발생하는 다양한 원자 결함에 전자를 안정적으로 가두어 둘 수 있는 흥미로운 발광소재다. 하지만 넓은 밴드갭 때문에 전기로 전하를 주입하기 어려워 그동안 LED 소자 구현이 어려웠다. 빛을 내려면 전자와 정공이 재결합해야 한다. 그러나 전하가 충분히 주입되지 않으면 재결합이 어려워져 빛 방출 효율이 떨어지기 때문이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 반데르발스 힘을 활용해 각 층들을 안정적으로 결합한 '그래핀-hBN-그래핀' 반데르발스 터널링 구조를 설계했다. 그래핀은 뛰어난 전기적 특성으로 전자를 hBN의 내부까지 빠르게 이동시킬 수 있으며, 도핑을 통해 전자의 에너지 상태를 조절하여 전하 주입 효율을 극대화한다. 또한, 주입된 전하가 hBN 내부의 원자 결함에 집중되도록 유도했다. 그 결과 전자와 전공의 재결합을 통해 가시광선부터 근적외선까지 폭넓은 파장에서 빛을 방출하는 데 성공했다. 연구팀의 소자는 기술적 한계를 극복하고, 상온에서도 안정적으로 작동했다. 박규나 연구생(논문제1저자)은 “hBN 점결함에 전하를 주입하여 효과적으로 빛을 방출시킬 수 있는 LED 광원 기술을 구현했다”라며, “이 기술은 차세대 광전자 소자와 양자 기술의 응용에 새로운 가능성을 열어줄 것”이라며 이번 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자사업, 기초과학연구원 (IBS), 정보통신기획평가원의 대학ICT연구센터육성지원사업 지원을 받아 수행됐다.

2025.01.10 17:45박희범 기자

국가수리과학연구소, 최윤성 신임 소장 취임

신임 최윤성 국가수리과학연구소장이 지난 6일 임명식을 갖고 직무를 시작했다. 임기는 3년이다. 신임 최 소장은 서울대학교 수학과를 졸업했다. 로체스터대학교에서 석사와 박사 학위를 취득했다. 이후 POSTECH 수학과에서 교수로 35년을 재직했다. POSTECH 수학과 주임교수, 교무처장, 이학장, 포스텍수학연구소장을 지냈다. 대외활동으로 학술지 대한수학회지 총편집장을 맡았다. 지난 2015년 학술상, 2023년 교육상을 수상했다. 신임 최 소장은 "올해는 연구소가 설립된 지 20주년이 되는 해"라며 "국가수리과학연구소가 산업수학을 중심으로 한국을 대표하는 연구소로 발전해 왔다. 앞으로도 연구소 기반을 더욱 강건히 다져 국제적 위상을 높이는데 최선을 다할 것"이라고 말했다.

2025.01.07 09:22박희범 기자