신소재공학과

연구 2026년 05월 07일 목요일

반도체 열·응력 해석 정확도 높이는 AI 기술 개발

손톱만 한 반도체 칩부터 수미터 발전소 배관에 이르기까지, 예측 대상의 크기가 변해도 열이 퍼지는 경로와 힘이 집중되는 부위를 AI가 잘 예측할 수 있도록 돕는 기술이 나왔다. UNIST 반도체소재·부품대학원 정창욱 교수팀은 새로운 입력 데이터를 기존에 학습한 데이터 기준에 맞게 재정렬하는 ‘π-불변 테스트 시점 보정(π-invariant test-time projection)’ 알고리즘을 개발했다고 26일 밝혔다. 이번 연구 결과는 인공지능 분야 3대 국제학회로 꼽히는 국제표현학습학회(ICLR) 2026에 채택됐다. 반도체 공정이나 패키징에서는 열이 퍼지는 경로와 힘이 집중되는 부위를 빠르게 예측하기 위해 인공지능 모델을 활용하고 있지만, 모델이 학습 과정에서 경험하지 못한 아주 크거나 작은 단위의 데이터가 입력되면 예측 정확도가 떨어진다. 연구팀이 개발한 알고리즘은 ‘학습 범위 밖의 입력’을 물리 법칙을 지키면서 학습 범위 안의 ‘익숙한 형태’로 바꿔주는 역할을 한다. 새로운 입력 데이터가 들어오면, 먼저 π 값을 기준으로 기존에 학습한 데이터 중 물리적으로 가장 유사한 데이터를 찾아, 그와 비슷한 조건으로 맞춘 뒤에야 인공지능 모델에 입력해 계산하도록 하는 것이다. π 값은 주어진 물리 방정식에서 길이, 온도, 힘처럼 단위를 가진 물리량을 조합해 만든 무차원 비율로, 이 값이 같으면 크기가 달라도 본질적으로 같은 물리 상태로 볼 수 있다는 ‘버킹엄 π 정리(Buckingham π theorem)’에 기반한 기술이다. 이 알고리즘은 별도의 재학습 없이도 기존 인공지능 모델에 그대로 붙여 사용할 수 있어 경제적이다. 입력 데이터를 로그 공간에서 변환해 물리적 비율(π 값)을 유지하도록 맞추는 방식이기 때문에, 모델 구조나 학습 과정은 건드릴 필요가 없기 때문이다. 또 학습 데이터를 전부 일일이 비교하는 대신 비슷한 데이터끼리 묶어 대표 값만 비교하는 방식을 적용해 계산 부담도 줄였다. 기존의 전수 비교보다 약 1/100 수준의 비용으로도 빠르게 입력을 보정할 수 있다. 이 기법을 2차원 열전도와 선형 탄성 문제에 적용한 결과, 기존 모델이 어려워하던 새로운 조건에서도 안정적인 예측이 가능해졌고, 평균절대오차는 최대 약 91%까지 감소했다. 유체 역학의 난제로 불리는 나비에-스토크스(Navier–Stokes) 방정식에도 적용했을 때도 비슷한 성능 개선 효과가 확인됐다. 나비에-스토크스 방정식은 물이나 공기 같은 유체의 움직임을 설명하는 수식으로, 항공기 설계 등에 필수적이지만 계산이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 개발된 알고리즘은 외력이 없는 이상적인 경우뿐 아니라 외력이 작용해 π 값이 완전히 유지되지 않는 경우에도 정확도 개선 효과를 유지했다. 연구팀은 “반도체 칩의 열 설계, 패키지 신뢰성 평가, 배터리 열관리, 구조물 안전 해석 등 크기와 조건이 계속 달라지는 다양한 공학 시뮬레이션에서 계산 시간과 비용을 줄이는 데 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업, 정보통신기획평가원(IITP)의 AI대학원지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구 2026년 04월 15일 수요일

“1g에 ‘국평’ 아파트 30채 면적”..방사성 요오드 포집하는 다공성 소재 개발

원전 사고나 사용후핵연료 처리 과정에서 유출될 수 있는 방사성 요오드 기체를 빠르게 흡착해 제거할 수 있는 다공성 소재가 개발됐다. 이 소재 1g 속에 숨은 ‘국평’ 아파트 약 30채 면적에 해당하는 공간에 요오드 기체가 가둬지는 원리다. UNIST 신소재공학과 채한기·이승걸 교수팀은 방사성 요오드 기체를 빠르고 효율적으로 제거할 수 있는 초다공성 탄소섬유를 개발했다고 2일 밝혔다. 이 초다공성 탄소섬유는 자기 무게의 최대 4.68배에 해당하는 많은 요오드 기체를 흡착할 수 있으며, 흡착 속도도 빨라 포화 상태에 도달하는 시간이 약 100분으로 짧다. 연구팀은 소재 내부에 다양한 크기의 기공을 많이 만들 수 있는 제조 기술과 산소 도핑(첨가) 처리를 통해 이 같은 소재를 개발했다. 이 소재 1g 안에 들어 있는 기공을 모두 펼쳐 붙이면 그 면적이 최대 2982m²에 달한다. 32평 아파트 약 30채의 바닥면적에 해당하는 공간이 숨어 있는 셈이다. 이처럼 넓은 내부 표면 덕분에 요오드 기체가 붙을 자리가 많다. 또 내부에 큰 기공들이 통로 역할을 해줘 요오드가 내부로 빠르게 이동하고 흡착 속도가 빨라진다. 여기에 산소가 들어가면서 성능이 더 강해졌다. 산소가 요오드와 상호작용을 일으켜 흡착을 더 강하게 만들기 때문이다. 산소가 없는 탄소섬유보다 요오드 흡착량은 약 1.5배, 흡착 속도는 약 1.7배 향상된 것으로 나타났다. 제조 자체도 간편하다. 분말 형태의 기존 흡착제와 달리 별도 성형 공정이 필요 없으며, 차세대 다공성 소재인 MOF와 비교해 제조 비용이 낮고 대량생산에 유리하다. 여러 번 반복 사용해도 초기 성능의 약 90% 이상을 유지해 재사용할 수 있는 것도 장점이다. 한편, 연구팀은 요오드가 탄소섬유 내부로 들어오면서 탄소층 사이 간격이 일시적으로 벌어지는 현상도 확인했다. 이는 요오드가 탄소층 가장자리와 층 사이 공간까지 파고들며 흡착된다는 것을 보여주는 결과다. 컴퓨터 시뮬레이션(DFT)을 통해서도 이를 확인했다. 이승걸 교수는 “이번 연구는 탄소 소재가 유해 물질을 흡착하는 과정에서 나타나는 동적 구조 변화 메커니즘을 규명했다는 점에서도 의미가 있다”고 설명했다. 채한기 교수는 “제조가 간편하고 대량생산이 가능하며, 재사용할 수 있어 경제성을 갖추고 있다”며 “사용후핵연료 재처리 시설의 배기 시스템이나 사고 대응용 필터뿐만 아니라 다양한 오염 물질 흡착에도 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 연구는 산업통상자원부, 한국산업기술기획평가원 그리고 과학기술정보통신부의 기관 고유 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 성과는 국제학술지 케미컬엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 4월 1일 게재됐다.

커뮤니티 2026년 03월 24일 화요일

UNIST, ‘한우물파기’ 2명 선정… “10년 연구로 양자·미래 소재 선점”

UNIST에서 장기 기초연구 지원사업인 ‘한우물파기 기초연구’ 선정자 2명이 나왔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 ‘2026년 한우물파기 기초연구’ 과제에 컴퓨터공학과 김정훈 교수와 신소재공학과 이현정 교수가 나란히 선정됐다. 올해 전국에서 30여 명만 이름을 올린 이 사업을 통해 두 교수는 앞으로 10년간 약 20억 원씩 장기적인 연구 지원을 받게 된다. 한우물파기 연구는 박사학위 취득 후 15년 이내의 우수 연구자가 한 분야를 오랫동안 파고들며 도전적인 질문에 답할 수 있도록 설계된 대표적 장기 사업이다. 단기 성과에 매이지 않고, 시간이 걸리더라도 근본적인 과학 문제를 꾸준히 추적할 수 있도록 뒷받침한다는 점에서 의미가 크다. 김정훈 교수는 ‘양자 친화적 그래프 구조화 및 하이브리드 분석 프레임워크’ 연구에 착수한다. 목표는 그래프 마이닝과 양자컴퓨팅을 잇는 원천 기술 확보에 있다. 대규모 그래프 데이터는 구조가 복잡해질수록 기존 계산 방식만으로는 처리와 분석에 한계가 뚜렷했다. 김 교수는 이런 병목을 넘기 위해 그래프를 양자컴퓨팅에 맞는 단위로 재구성하고, 이를 토대로 양자-고전 하이브리드 분석 체계를 구축할 계획이다. 핵심은 그래프를 단순히 줄이거나 쪼개는 데 있지 않다. 그래프 구조 자체를 계산 단위로 삼아 분석의 틀을 다시 짜겠다는 데 있다. 구조를 축소하거나 분할하는 기존 접근에서 벗어나, 구조 그 자체를 연산 자원으로 활용하는 새 분석 패러다임을 열겠다는 뜻이다. 김 교수는 구조 기반 그래프 분석과 융합 분야에서의 경쟁력을 인정받아 이번 과제에 선정됐다. 김정훈 교수는 싱가포르 난양공과대학교에서 박사학위를 취득한 뒤, 2022년 UNIST 컴퓨터공학과에 합류했다. 이후 대규모 그래프 데이터 분석과 구조 기반 네트워크 마이닝 분야에서 연구를 이어왔으며, 복잡한 그래프 구조를 효율적으로 분석하기 위한 모델과 알고리즘 개발에 집중해 왔다. 김 교수는 “이번 연구는 기존 데이터 마이닝 방법론을 넘어, 그래프 구조 자체를 재구성하고 이를 양자컴퓨팅과 결합하는 새로운 분석 패러다임을 제시하는 데 의미가 있다”며 “장기적인 관점에서 구조 기반 그래프 분석의 한계를 확장하고, 차세대 분석 기술의 기반을 구축하고자 한다”고 전했다. 이현정 교수는 동역학에 기반해 리튬 이온 이동을 촉진하는 새로운 개념의 고체전해질 소재 연구를 시작한다. 기존 고체전해질 연구는 결정 구조 설계와 결함 제어, 조성 조절 등을 통해 이온전도도를 높이는 방식이 중심이었다. 그러나 이런 접근만으로는 이온 이동의 근본 메커니즘을 바꾸기 어려워, 전도도 향상 폭을 일정 수준 이상 끌어올리는 데 한계가 있다는 지적이 꾸준히 제기돼 왔다. 이 교수가 주목한 것은 클러스터 음이온의 회전 운동 같은 동역학적 특성이다. 이런 움직임이 리튬 이온의 이동 장벽을 낮출 수 있다는 점에 착안해, 연구팀은 해당 현상의 작동 원리를 규명하고 이를 새로운 고체전해질 설계 전략으로 확장할 방침이다. 이번 연구는 고체전해질에서의 이온전도 메커니즘에 대한 근본적 이해를 넓히는 동시에, 차세대 소재 설계의 새로운 가능성을 제시할 것으로 전망된다. 이현정 교수는 영국 옥스퍼드대에서 박사후연구원을 지낸 뒤 2023년 UNIST 신소재공학과에 임용됐다. 이후 2024년부터 우수신진연구 과제를 수행하며 이차전지 소재와 고도 분석 분야 연구를 이어왔다. 이번 선정은 그동안 축적한 연구 성과와 학문적 잠재력을 공식적으로 인정받은 결과로 평가된다. 이 교수는 “이번 연구를 통해 새로운 이온전도 메커니즘에 기반한 초이온전도체를 개발하고, 차세대 고체전해질 소재 설계의 방향을 보여주고자 한다”며 “UNIST의 우수한 연구 환경을 바탕으로 장기 기초연구를 수행해 의미 있는 과학적 발견을 이끌어내고 싶다”고 말했다.

커뮤니티 2026년 02월 12일 목요일

UNIST 대학원생 4명, 제32회 삼성휴먼테크 금·은·동상 석권

UNIST 대학원생 4명이 ‘제32회 삼성휴먼테크논문대상’에서 금상 1명, 은상 1명, 동상 2명의 수상 결과를 거두며, 탁월한 연구 경쟁력을 입증했다. UNIST는 2015년 이후 매년 수상자를 배출해 기초과학부터 응용기술에 이르기까지 폭넓은 연구 업적을 이어가고 있다. 금상은 에너지화학공학과 홍진기 대학원생(지도교수 송현곤)이 차지했다. 홍 연구원은 차세대 전지의 핵심인 전해질에 관행적으로 사용돼 온 희석제가 오히려 계면 반응을 저해할 수 있음을 규명했다. 분자 수준에서 구조를 정밀 제어하는 방식으로 해결의 실마리를 찾은 것이다. 이 기술은 희석제를 표면에서 배제하는 계면 정화 메커니즘을 통해 전지의 고에너지 밀도와 수명 안정성을 높였다. 그는 “연구의 방향성을 믿어준 동료들과 지도교수님께 깊이 감사드리며, 이번 수상을 계기로 상용화에 기여하는 완성도 높은 기술 개발에 매진하겠다”고 전했다. 은상은 신소재공학과 신미라 대학원생(지도교수 차채녕)에게 돌아갔다. 신 연구원은 서로 다른 폐폴리에스터를 분해·정제 과정 없이도 하나의 공정으로 고부가가치 생분해성 TPEE(열가소성 폴리에스터 엘라스토머)로 전환하는 업사이클링 기술을 선보였다. 복잡한 전처리 없이 다양한 폐플라스틱을 한 번에 재활용할 수 있는 길을 연 셈이다. 신 연구원은 “이번 수상은 연구 과정에서의 고민과 노력을 인정받은 결과라고 생각한다”며 “이를 계기로 지속가능한 소재 개발에 대한 책임감을 가지고 앞으로도 성실히 연구에 임하겠다”고 말했다. 동상은 에너지화학공학과 장유진 대학원생(지도교수 고현협)과 인공지능대학원 한승오 대학원생(지도교수 주경돈)이 각각 수상했다. 장 연구원은 생분해성 소재 기반의 인공 시냅스를 개발했다. 키토산·구아검 기반의 이온이동층과 셀룰로오스 아세테이트 기반의 이온결합층을 적층해 이온–쌍극자 결합 기반 시냅스 동작을 구현했다. 이 기술로 일반 전자기기 소비전력의 수십억 분의 1 수준인 0.85 fJ의 초저전력 구동과 최대 5,944초의 장기기억 유지를 동시에 달성했다. 서로 다른 생분해성 재료를 이중 구조로 설계해 내구성과 안정성을 끌어올린 결과다. 장 연구원은 “이번 연구는 생분해성 소재의 고내구성 확보를 통해 적용 가능성을 확장했다”며 “본 연구의 초저전력·장기기억형 인공 시냅스가 차세대 뉴로모픽 소자 개발에 기여하길 기대한다”고 밝혔다. 한승오 연구원은 기존 3차원 실내 공간 복원 연구가 양질의 데이터에 의존해야 했던 한계를 짚었다. 이를 극복하기 위해 파노라마 형식의 영상만으로 정밀한 3D 공간 복원이 가능하도록 하는 새로운 접근법을 구현해냈다. 그는 “후회되지 않게 매순간 최선을 다해 준비했다”며 “좋은 연구를 수행할 수 있게 지도해 주신 교수님과 함께 동고동락하는 연구실 동료 덕분에 좋은 결실을 맺을 수 있었다”고 고마움을 표했다. 박종래 총장은 “이번 수상은 UNIST 학생 연구자들이 연구 현장에서 축적해 온 역량과 잠재력을 보여주는 성과”라며, “앞으로도 차세대 연구 인재 양성을 위한 연구 환경 조성과 지원을 지속적으로 강화해 나가겠다”고 전했다. 한편, 삼성휴먼테크논문대상은 국내 최대 규모의 학생 논문대회로, 해마다 높은 경쟁률을 기록하며 수상 이력은 연구자의 학문적 역량을 입증하는 지표로 평가된다.

연구 2026년 02월 06일 금요일

미생물이 이산화탄소 먹어 치우고 친환경 연료 뱉어낸다!

미생물에 이산화탄소를 먹여 친환경 연료인 부탄올을 생산하는 기술이 나왔다. UNIST 신소재공학과 김진현 교수는 미국 UC버클리 연구진과 함께 두 종류의 미생물을 단계적으로 사용해 이산화탄소를 부탄올로 바꾸는 연속 공정 시스템을 개발했다고 28일 밝혔다. 탄소 중립이 시급한 과제로 떠오르면서 온실가스인 이산화탄소를 유용한 자원으로 바꾸는 기술에 관한 관심이 뜨겁다. 그중 미생물을 이용한 기술은 미생물이 이산화탄소를 먹고 이를 소화해 유용한 물질로 다시 내뱉는 방식이라 친환경적이며, 에너지 소모가 적고 귀금속 촉매도 필요 없다는 강점이 있다. 연구팀이 개발한 미생물 전환 시스템은 두 미생물의 반응을 마치 공장의 연속 생산 라인처럼 연결해 이산화탄소로 부탄올을 생산한다. 기체 전환에 능한 아세토젠균이 이산화탄소(CO₂)를 먹고 단순한 구조의 아세트산(CH₃COOH)을 1차 생산하면, 복잡한 분자 합성에 특화된 대장균이 이를 이어받아 최종적으로 부탄올(C₄H₉OH)이 완성되는 구조다. 단일 미생물만으로는 가스 상태의 이산화탄소를 섭취하고 이를 다시 복잡한 형태의 연료 분자로 바꾸는 데 한계가 있었는데, 이를 ‘분업화’를 통해 해결한 것이다. 또 연구팀은 대장균의 유전자를 조작해 부탄올 생산 효율을 약 3.8배 높였다. 대장균이 아세트산을 ‘주식’으로 잘 먹을 수 있도록 하고, 소화해서 만든 에너지를 부탄올을 만드는 데 더 많이 쓰도록 했다. 보통의 대장균은 아세트산을 잘 먹지 않거나, 먹더라도 그 에너지를 자신이 생존하는 데에만 사용해 부탄올 생산 효율이 떨어진다. 개발된 연속 공정 시스템은 외부에서 별도의 유기 탄소 공급 없이 오직 이산화탄소와 수소만을 투입해 90시간 이상 안정적으로 부탄올을 생산해냈다. 수소는 아세토젠균이 이산화탄소로 아세트산을 합성할 때 함께 쓰인다. 김진현 교수는 “원료 공급과 제품 생산이 끊임없이 이루어지는 연속 배양 반응기 2대를 안정적으로 연동했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “미생물의 대사 효율을 더 높이고 공정을 최적화한다면, 화석 연료를 대체하고 탄소 중립 시대를 앞당기는 대안이 될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 UC 버클리 화공생명공학과 더글라스 클락(Douglas S. Clark) 교수, 화학과 페이동 양(Peidong Yang) 교수가 교신저자로, 김진현 교수가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘생물자원기술(Bioresource Technology)’에 지난달 24일 온라인 공개됐다.

연구 2026년 01월 30일 금요일

전기차 ‘연비’ 늘리는 모터 전기강판 제조 공정 개발

전기차 배터리 용량을 키우지 않고도 주행거리를 늘릴 수 있는 길이 열렸다. 내연기관차의 연비에 해당하는 전기차 ‘전비’를 향상시킬 수 있는 철강 제조 공정이 개발됐기 때문이다. 신소재공학과 김주영·이석빈·이기석 교수팀은 전기차 모터에서 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있는 전기강판 열처리 공정을 개발했다. 전기차 모터에서 전기가 자동차를 움직이는 운동에너지로 바뀔 때 에너지 손실이 발생한다. 철손(Iron Loss)도 그중 하나다. 모터 안에 걸리는 자기장 방향은 1초에 수백 번 바뀌는데 이때 모터 철강판 내부의 ‘작은 자석’들이 그 속도를 미처 따라가지 못해 생기는 에너지 손실이 철손이다. 나침반에 외부 자기장인 자석을 천천히 갖다 대면 침이 잘 돌아가지만, 자석을 이리저리 빠르게 움직이면 침이 자석의 움직임을 재빨리 따라오지 못하는 것과 흡사하다. 이 철손은 모터 에너지 손실의 약 25%를 차지하는 것으로 추산되기 때문에, 철손만 잘 잡아도 같은 전기로 달릴 수 있는 주행거리인 ‘전비’를 늘릴 수 있게 된다. [연구그림] 열처리 대기 환경이 강판 시편 미세 구조 형성에 미치는 영향 분석 연구팀은 전기강판을 최종 열처리하는 공간에 질소 대신 수소를 채워 넣어 철손이 적은 전기강판을 만들어냈다. 질소 대신 수소를 채워 넣은 열처리 환경에서는 철 표면에 거칠고 두꺼운 질화물(AlN) 층이 생기지 않고, 얇고 균일한 산화막이 먼저 형성돼 자기장 변화에 대한 저항이 줄어드는 원리다. 실제 이 제조법으로 만들어진 전기강판의 히스테리시스는 기존보다 약 16% 더 낮은 것으로 나타났다. 히스테리시스는 자기장 방향이 바뀔 때 저항 같은 역할을 하는 값으로, 히스테리시스 값이 작을수록 철손이 줄어든다. 철손 자체를 약 8~10% 정도 줄일 수 있는 수준이다. 제1저자인 이소현 박사는 “최종 열처리 온도와 사용 가스를 바꿔가면서 전기강판의 피막, 거칠기, 표면부 미세 석출물과 불순물 등을 체계적으로 분석해 최적의 열처리 공정을 찾아낼 수 있었다”며 “전기차 모터에서 발생하는 철손이 생각보다 표면층에서 많이 좌우된다는 점을 실험적으로 보여준 사례”라고 설명했다. 김주영 교수는 “기존 설비를 크게 바꾸지 않고도 열처리 조건만 조정해 전기차 모터 철손을 줄일 수 있다”며 “우리나라 전기차 산업의 기술 경쟁력을 높여줄 소재 기술이 될 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 금속공학분야 1위 학술지인 ‘재료 과학과 기술 학술지 (Journal of Materials Science & Technology)’에 온라인으로 지난달 31일 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)의 중견연구사업 및 국가전략기술소재개발, InnoCORE AI-우주 태양광 사업단 등의 지원을 받아 진행됐다.

연구 2026년 01월 21일 수요일

겹겹이 쌓은 층상 소재 안에 42종 금속 입맛대로 끼워 넣는다!

겹겹이 쌓인 층상 소재 안에 원하는 금속을 쉽게 끼워 넣어 소재 성능을 전략적으로 조절할 수 있는 합성 기술이 개발됐다. 산업 현장에 꼭 필요한 맞춤형 촉매, 이차전지 소재 설계 등에 기여할 전망이다. UNIST 신소재공학과 조승호 교수팀은 에너지화학공학과 안광진 교수, 반도체소재·부품대학원 정후영 교수, 서울대학교 한정우 교수팀과 함께 층상 티타네이트(layered titanate)의 층간에 알칼리 금속부터 희토류에 이르는 총 42종의 금속 중 원하는 금속을 쉽게 삽입할 수 있는 합성 방법을 개발했다고 14일 밝혔다. 층상 티타네이트는 얇은 층이 겹겹이 쌓인 형태의 티타늄 산화물이다. 층과 층 사이의 공간에 금속 양이온을 수용할 수 있는 성질 덕분에 배터리 전극이나 촉매 지지체로 각광 받는 소재다. 하지만 기존에는 고온의 열처리와 강산을 이용한 세척 과정을 거쳐야 금속 이온을 넣을 수 있었고, 삽입 가능한 금속의 종류도 제한적이라는 한계가 있었다. [연구그림] 다양한 금속 이온을 삽입한 촉매 지지체 제조 과정과 그 성능 검증 연구팀은 수산화암모늄 용액을 이용한 새로운 합성법을 개발했다. 수산화암모늄 용액 속에 녹아 있는 티타늄 산화물의 원료 성분들이 화학반응을 통해 층상 구조로 조립되는 상향식 합성법이다. 층 안에는 수소 이온이 들어간 형태로 조립된다. 이렇게 합성된 층상 티타네이트를 삽입하고자 하는 금속 양이온이 녹아 있는 용액에 담그면, 층 사이에 미리 삽입되어 있던 수소 이온이 금속 양이온으로 쉽게 대체된다. 이 합성법은 알칼리 금속부터 희토류 금속에 이르는 총 5개 그룹 42가지 금속 원소를 삽입할 수 있을 정도로 범용성이 뛰어나며, 총 30종 이상의 금속 원소를 동시에 삽입할 수 있다. 연구팀은 개발된 합성법으로 로듐 촉매의 지지체를 만들어 상용화 가능성도 검증했다. 실험결과, 이 로듐 촉매를 플라스틱, 세제 등의 기초 원료를 합성하는 ‘프로필렌 하이드로폼일화’ 반응에 적용했을 때, 층상 티타네이트 내부에 칼륨 금속을 넣은 경우 상용화된 로듐 촉매보다 반응 효율(TOF)이 3배 이상 뛰어났다. 연구팀은 이 같은 고성능의 원인도 이론 계산을 통해 규명했다. 공동 연구팀은 “이번 연구는 단순히 새로운 소재 하나를 합성한 것이 아니라, 42종의 금속 원소를 자유자재로 활용할 수 있는 방대한 ‘라이브러리’를 구축한 기반 기술이라는 데 큰 의의가 있다”라고 설명했다. 연구팀은 이어 “실제 촉매 공정의 생산성 향상과 비용 절감에 기여할 뿐만 아니라, 이차전지나 커패시터 같은 차세대 에너지 저장 소재의 성능 개선에도 즉각적인 응용이 가능해 향후 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 UNIST 신소재공학과 김효석 연구원, 에너지화학공학과 오대원 연구원, 서울대학교 재료공학부 김미연 연구원이 제1저자로 참여하여 재료 분야의 저명 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)’에 지난달 26일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 UNIST와 과학기술정보통신부 한국연구재단, UNIST 이노코어 (InnoCORE) 프로그램, 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원, 울산RISE센터, 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 이뤄졌다.

연구 2026년 01월 06일 화요일

“어두운 3D 영상 안녕”.. 필터 없이 원형편광 만드는 발광소자 개발

3D 영화는 일반영화보다 유독 어둡게 느껴진다. 원형편광이라는 빛의 특정 성분만 통과할 수 있는 필터를 쓰기 때문이다. 이 필터 없이도 원형편광을 고순도로 만들어내는 차세대 발광소자가 개발됐다. 더 밝은 차세대 3D 디스플레이, 순도 높은 빛 성분을 0과1 정보로 활용하는 보안·통신 기술 분야에 도움이 될 전망이다. UNIST 신소재공학과 송명훈‧이승걸 교수팀은 페로브스카이트 발광층 구조 안에 특수 분자 2종을 넣어 외부 필터 없이 고순도의 원형편광을 골라 발광하는 페로브스카이트 LED(Perovskite LED, PeLED)를 개발했다고 29일 밝혔다. 원형편광은 특정 방향으로 회전해 나가는 빛의 성분이다. 일반 LED에서 나오는 빛은 사방으로 퍼지기 때문에 필터를 덧대 원형편광 성분 빛만을 분리하는 방식으로 만드는데, 이 과정에서 밝기가 뚝 떨어지는 게 문제다. 편광 필터를 통과하지 못한 빛이 사라지기 때문이다. 연구팀이 개발한 PeLED는 LED 자체가 처음부터 원형 편광 빛을 낸다. 발광 소재인 ‘페로브스카이트’ 내부의 ‘키랄(Chiral)’ 분자 덕분이다. 키랄 분자는 왼손과 오른손처럼 서로 겹치지 않는 비대칭 구조 분자다. 키랄 분자를 넣으면 내부 구조가 한쪽으로 쏠리면서 그 안에서 생성되는 빛도 한쪽 방향으로 회전하는 형태가 된다. 기존에는 키랄 분자 한 종만 첨가하는 방식이 주를 이뤘으나, 구조의 비틀림이 균일하지 않아 편광 방향의 순도나 밝기가 급격히 떨어졌는데, 연구팀은 역할을 분담하는 두 가지 키랄 분자를 혼합하는 방식으로 이를 해결했다. ‘메틸벤질 암모늄(MBAI)’과 ‘비나프틸 인산염(BHP)’이다. 메틸벤질 암모늄은 페로브스카이트 층 사이에서 전체적인 비틀림 구조를 유도하고, 비나프틸 인산염은 구조적 비틀림 때문에 생기는 결함까지 완화해 안정성을 높이는 역할을 했다. 연구팀은 이론 계산을 통해 이러한 구조 변화가 실제로 빛의 회전 방향과 밝기에 직접 영향을 준다는 것을 확인했다. 또 실제 실험 결과, 개발된 PeLED는 편광 방향의 순도가 높고, 발광 효율 또한 크게 개선됐다. 순도를 나타내는 발광 이심도(g_CP-EL)는 최대 7.5×10⁻²까지 상승해, 단일 키랄 분자를 넣었을 때보다 약 3배 가까이 증가했다. 발광 효율을 나타내는 외부양자효율(EQE) 또한 1.28%에서 6.9%로 크게 향상됐으며, 최대 휘도(밝기) 역시 742 cd/m²에서 1,753 cd/m²로 증가했다. 특히 편광 방향의 순도 향상은 보안, 양자정보 통신 분야에서 개발된 PeLED의 잠재력을 보여주는 대목이다. 편광 방향의 순도가 높을수록 좌측 또는 우측 방향으로 도는 빛을 0, 1의 정보로 활용하는 보안이나 통신 기술에서 정보를 정확하게 구분할 수 있게 된다. 송명훈 교수는 “페로브스카이트 LED는 이미 상용화된 OLED보다 제조 원가와 광효율 측면에서 원형편광을 발광하는 LED를 만드는 데 유리하다”며 “이번에 개발된 기술은 필터 없는 고휘도 디스플레이는 물론 양자 암호 통신과 같은 고부가가치 미래 시장을 선점하는 기술이 될 것”이라고 밝혔다. 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)’에 12월 3일 온라인 공개되어 정식 출판을 앞두고 있다.

연구 2025년 12월 30일 화요일

반도체 배선 ‘전기 동맥경화’ 뚫어낼 원료 물질 개발

반도체 회로 선폭이 줄어들면서 발생하는 이른바 ‘전기 동맥경화’ 현상을 해결할 물질이 개발됐다. UNIST 신소재공학과 김수현 교수팀은 차세대 반도체 배선 소재인 루테늄의 새로운 원료 물질(전구체)과 이를 적용한 원자층 증착 공정 (atomic layer deposition, ALD)을 개발했다고 18일 밝혔다. 금속 배선은 반도체 칩 내부의 수억 개 트랜지스터에 전력을 공급하고 신호를 전달하는 핵심 구조이다. 공정 미세화가 진행되면서 배선 폭이 점점 줄어들고 있는데, 상용 구리 배선은 선폭이 감소할수록 박막의 전기저항이 급격히 증가해 전류가 잘 흐르지 못하고 칩 성능 저하로 이어지는 문제가 있다. 반면 루테늄은 선폭이 줄어들어도 저항 증가가 상대적으로 완만해 차세대 배선 소재로 주목받고 있다. 또한 구리와 달리 별도의 확산방지층이 필요하지 않아 구조를 더욱 간단하게 만들 수 있다는 장점도 있다. 연구팀이 개발한 원료 물질은 400℃에서도 분해되지 않아 고품질의 루테늄 배선을 깔 수 있다. 루테늄 배선은 원료 물질을 먼저 기판에 흡착시킨 뒤, 반응 가스를 주입해 원료 물질의 루테늄 금속 부분만 남기고 나머지 부분을 제거하는 ALD 방식으로 이뤄진다. 배선의 품질은 공정 온도가 높아질수록 뛰어나지만, 기존 루테늄 원료 물질은 높은 공정 온도를 견디지 못하고 분해돼 버리는 문제가 있었다. [연구그림] 개발된 원료물질을 이용해 좁고 깊은 3차원 구조에 루테늄 박막을 입힌 모습 이 원료 물질로 증착된 루테늄 박막은 열처리 없이도 이상적인 저항률(벌크 7.4 μΩ·cm)에 거의 근접한 10.6 마이크로옴(μΩ·cm)의 낮은 저항률을 기록했다. 단차 피복성도 95% 이상을 기록했다. 이는 3D 낸드(NAND)와 같이 좁고 깊은 반도체 구조에 박막을 균일하게 입힐 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구에 사용된 원료 물질은 반도체 공정비용과 시간도 줄일 수 있다. 배선이 필요한 곳에만 선택적으로 루테늄이 증착되고, 전기가 통하면 안 되는 절연체 위에는 달라붙지 않는 특성이 있기 때문이다. 절연체 위에 달라붙은 배선은 별도의 식각 공정을 통해 제거해야만 했다. 또 1회 공정에 0.13 나노미터(nm, 1.28 Å) 두께의 루테늄 박막을 만들었는데, 이는 기존보다 약 2배 빨라진 속도다. 김수현 교수는 “반도체 소자의 고집적화로 배선 공정의 난이도가 기하급수적으로 높아지는 상황에서, 미세 선폭의 저항 감소와 3D 구조의 증착 균일성, 빠른 증착 속도를 동시에 확보했다는 데 의미가 있다”라며 “차세대 로직 및 메모리 반도체 양산 공정의 수율과 성능 경쟁력을 높이는 데 기여할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 UNIST와 일본의 귀금속 소재 회사인 다나까 귀금속(TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES Co., Ltd.)간의 국제 공동 연구를 통해 얻어졌으며, 연구 결과는 저명한 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 11월 23일 온라인 게재됐다. 연구는 산업통상자원부(MOTIE) 기술혁신사업의 지원으로 진행되었다.

연구 2025년 12월 20일 토요일

반도체 한계 넘는 제3의 자성 소재 신호 제어 가능성 규명

국내 연구진이 교자성체 소재 안에서 스핀의 정렬된 방향을 바꿔 변환 신호 방향을 뒤집는 데 성공했다. 복잡한 구조나 강한 자기장 없이도 전류를 스위칭할 수 있는 저전력 스핀 반도체 소자 개발의 물꼬를 텄다는 평가다. UNIST 신소재공학과 유정우 교수와 물리학과 손창희 교수팀은 산화루테늄 교자성 소재 안에서 스핀-전하 변환을 가역적으로 제어할 수 있음을 실험적으로 입증했다고 10일 밝혔다. 산화루테늄은 최근 반도체 분야에서 강자성과 반강자성 소재의 장점을 갖춘 제3의 자성 소재인 ‘교자성체’로 분류되며 관심을 받아온 물질이다. 이 물질은 이론적으로 기존 반도체 소자의 속도 한계를 넘고 에너지 효율을 극대화하는 스핀 반도체를 만들 수 있다. 하지만 자성 소재로 반도체와 같은 전자 소자를 만들려면 ‘스핀’ 신호를 회로가 인식할 수 있는 전류 신호로 바꾸는 과정(스핀-전하 변환)이 필수인데, 교자성 소재의 경우 아직 확립된 제어 기술이 부족했다. 연구팀은 이 물질 내부의 스핀 정렬 방향인 네엘 벡터(Néel vector)를 조절하면, 스핀이 전하 전류로 바뀌는 변환 방향(극성)이 정반대로 뒤집힌다는 사실을 실험적으로 입증했다. 즉 물질 내부의 자성 정렬 상태를 180도 회전시키는 것만으로도 출력되는 전기 신호의 플러스(+)와 마이너스(-)를 가역적으로 바꿀 수 있음을 증명한 것이다. 이는 외부 전력 공급 없이도 정보가 유지되는 ‘비휘발성’ 메모리 소자의 ‘0’과 ‘1’ 상태를 명확하게 구분하고 제어할 수 있는 원리다. 기존 기술에서는 이러한 신호 변환을 제어하기 위해 복잡한 다층 구조를 쌓거나 강한 외부 자기장을 활용하는 방식이 주로 사용됐다. [연구그림] 네엘벡터 방향에 따라 뒤집히는 교자성 스핀-전하 변환 신호 연구팀은 자체적으로 고안한 소자를 제작해 이 같은 사실을 입증했다. 이산화타이타늄 (TiO₂) 기판에 산화루테늄 (RuO₂), 코발트철붕소(CoFeB) 박막을 차례로 적층한 소자를 만들고, 코발트철붕소 박막에서 온도 차이로 인해 생성된 스핀 신호를 산화루테늄에 주입하는 실험을 한 것이다. 스핀 신호가 산화루테늄에서 전하 신호로 변환되는데, 이 신호를 측정했다. 공동연구팀은 “교자성체에서 스핀 신호를 가역적으로 조절할 수 있다는 점을 실험으로 확인한 연구”라며 “이러한 원리는 스핀 기반 차세대 논리 소자나 메모리 소자 설계에 쓰일 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 2024년 9월부터 과학기술정보통신부의 ‘한계도전 R&D 프로젝트’의 지원을 받아 진행됐다. 이 프로젝트는 기존 방식으로는 실현하기 어려운 고난도·고파급 기초과학 연구를 빠르게 추진할 수 있도록 설계된 한국의 혁신적 연구개발 시스템이다. 연구팀은 이러한 지원을 바탕으로 소재 합성부터 소자 제작과 측정, 논문 발표에 이르는 전 과정을 단 1년여 만에 완수하여 탁월한 성과를 거뒀다. 이 사업을 담당하는 한계도전전략센터의 김동호 책임PM(프로그램 매니저)은 “이번 성과는 실패를 두려워하지 않고 과감하게 도전한 혁신도전형 연구의 대표적 사례로, 향후 이 기술이 우리나라 반도체 산업의 핵심 전략기술로 발전할 수 있도록 강력한 지원을 지속해 나갈 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 UNIST 신소재공학과 정현정 연구원(현 GIST 이노코어 박사후연구원)과 물리학과 소기목 연구원이 제 1저자로 참여했으며, 나노과학·재료 분야 국제적 권위지인 나노 레터스(Nano Letters)에 11월 25일 게재되었다.

연구 2025년 12월 16일 화요일

태양광 수소 생산 성능 높이는 초박막 소재 개발

햇빛으로 물에서 수소를 추출하는 태양광 수소 생산 기술 상용화가 빨라질 전망이다. 태양광 수소 생산에 꼭 필요한 광전극의 성능을 높이는 박막 물질이 개발됐기 때문이다. UNIST 신소재공학과 조한희 교수팀은 태양광 수소 생산 성능을 높일 수 있는 나프탈이미드계 자기조립분자 박막을 개발했다고 8일 밝혔다. 태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 광전극(photoanode) 내부의 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 생기는데, 이 전자가 기판으로 이동해 물이 수소와 산소로 분해되는 화학반응을 일으킨다. 연구팀이 개발한 자가조립박막은 유기반도체와 기판 사이에서 전자를 전달해 주는 역할을 한다. 기존에는 이 역할을 두께가 두껍고 전하 전달 성능이 떨어지는 금속산화물층이 맡아왔다. 이 물질을 광전극에 적용했을 때, 7.97 mA/cm² 전류 밀도를 기록했다. 이는 벌크 유기반도체(BHJ)를 기반으로 하는 광전극 중에서 가장 뛰어난 전류 밀도 성능이다. 광전극의 전류 밀도 성능이 뛰어날수록 수소가 반대쪽 전극에서 빠르게 생산된다. 또 이 물질은 금속산화물층과 달리 분자끼리 알아서 조립돼 박막을 형성하기 때문에 제작 공정 비용도 줄일 수 있다. [연구그림] 박막을 구성하는 단분자와 광전극의 구조 연구팀은 박막을 이루는 분자를 ‘푸쉬-풀(push–pull) 구조’로 설계해 이 같은 물질을 개발할 수 있었다. 푸쉬-풀은 한 분자 안에 전자를 밀어내는 부분과 당기는 부분이 공존하는 구조로, 이 구조의 분자들은 힘을 합쳐 강한 전기장을 형성할 수 있다. 형성된 전기장은 에너지 장벽을 낮추는 역할을 해, 전자가 자기조립분자박막을 뚫고 이동하는 ‘전자 터널링’ 현상이 활성화되는 원리다. 조한희 교수는 “유기 반도체 기반 광전극은 가격이 저렴하고 대면적 제조가 가능하다는 장점이 있다”며 “이번에 개발된 자기조립분자막은 이러한 유기 광전극 기반 태양광 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 크게 높인 물질”이라고 설명했다. 조 교수는 이어 “이번 연구의 분자 설계 전략인 ‘푸쉬-풀’ 분자 구조는 태양광 수소 생산 기술뿐만 아니라 전자 추출이 중요한 태양광전지, 발광다이오드, 광학 센서 소자에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 에너지 분야의 국제 권위 학술지인 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 11월 11일 온라인으로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 기초연구실지원사업, 우수신진연구사업, 이노코어 사업(지능형 수소기술 혁신단, AI-우주 태양광 사업단), 스위스 ETH Leading House Asia의 지원을 받아 진행됐다.

대학소식 2025년 12월 16일 화요일

“챗GPT랑 함께한 연구결과물 제출하고 상금 받아가세요!”

과학기술정보통신부가 2026 AI Co-Scientist Challenge Korea 참가팀을 모집한다. 과학기술 연구에 AI를 효율적으로 활용할 수 있는 방법을 모색하고 더 나아가 연구동료로서 AI의 가능성과 한계를 탐색하기 위한 시도다. 이번 대회는 국내‧외 기업, 연구자, 학생 누구나 참여할 수 있으며, 상용 AI를 활용한 연구결과를 겨루는 Track 1, 직접 연구 도우미 AI 에이전트를 개발하는 Track2로 나눠 진행된다. Track1 참가자들은 상용 LLM이나 AI 에이전트를 활용해 바이오, 반도체 등 7대 분야의 지정주제 또는 자유 주제로 연구를 진행하고, 논문 형태의 연구보고서를 제출하면 된다. 이 때 AI 활용보고서(URL, 로그, 체크리스트 등 포함)와 활용 데이터 목록도 함께 제출해야 한다. Track1 부분은 총 6점의 수상작을 선발할 계획이며, 대상인 과학기술정보통신부장관상 수상자에는 500만원의 상금이 주어진다. Track2 부분의 사전 심사를 통과한 10개 팀에게 AI 모델 개발에 필요한 GPU, API 이용 비용 등을 제공한다. 총 10점의 수상작을 선발할 계획이다. Track2 대상팀은 500만원의 상금 뿐만 아니라 향후 연간 5억 원 규모의 ‘딥사이언스 창업 활성화 지원’(최대 3+2년, 기업) 또는 ‘공공연구성과 실증 시범사업’(2년, 연구자) 등 대형 후속 사업화 과제와 연계되는 특전이 주어진다. Track1은 이달 10일부터 내년 1월 31일까지, Track2의 사전 제안서는 내년 1월 2일까지 대회 공식 누리집(https://aifactory.space/page/ask2026)을 통해 온라인으로 접수하면 된다. 문의는 대회공식 누리집을 통해서 가능한다.