Open Access System for Information Sharing
Research Highlights
- 신소재 김종환 교수팀, 단원자에 기반한 양자 LED 기술 개발
- [POSTECH-UTS 연구진, 상온에서 작동하는 hBN 점결함 기반 ‘양자 광원’ 기술 구현]
최근 POSTECH 신소재공학과 김종환 교수·통합과정 박규나 씨 연구팀은 시드니공대(University of Technology Sydney) 이고르 아로노비치(Igor Aharonovich) 교수팀과의 연구를 통해 단일 원자로 구성된 발광소재에 전하를 주입하여 빛을 만들어내는 ‘양자 LED 광원’ 기술을 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 나노·양자 광학 분야 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’의 표지 논문(front cover)으로 최근 게재됐다.
빛은 정보 전달과 저장, 첨단 기술의 기반으로 우리 일상에서 빼놓을 수 없는 필수 요소다. 특히, 양자 컴퓨팅과 양자 통신 같은 미래 기술은 광자를 하나하나 정밀하게 방출하거나 여러 광자를 서로 얽힌 상태로 만들어 양자 정보를 전달하는 ‘양자 광원*1’ 발전에 크게 의존하고 있다. 그러나, 양자점에 기반한 현재의 기술로는 극저온으로 냉각을 해야만 이러한 LED 광원을 작동시킬 수 있어 상용화에 한계가 있었다.
이번 연구에서 연구팀은 ‘육각형 붕소질화물(이하 hBN)’을 활용하여 전기로 빛을 내는 ‘양자 LED 광원’ 기술을 구현했다. 전자를 개별 원자 수준의 극단적으로 작은 공간에 가두면 수백 개에서 수천 개의 원자로 구성된 양자점과 달리 상온에서도 우수한 양자 광원 특성을 발현시킬 수 있다. hBN은 소재 내부에서 발생하는 다양한 원자 결함에 전자를 안정적으로 가두어 둘 수 있는 흥미로운 발광소재로 주목을 받고 있다. 하지만 넓은 밴드갭(band-gap)*1 때문에 전기로 전하를 주입하기 어려워 그동안 LED 소자 구현이 어려웠다. 빛을 내려면 전자와 정공이 재결합해야 하는데, 전하가 충분히 주입되지 않으면 이 과정이 어려워져 빛 방출 효율이 떨어지기 때문이다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 반데르발스 힘을 활용하여 각 층들을 안정적으로 결합한 ‘그래핀-hBN-그래핀’ ...
2025-01-10
- 기계 임근배 교수팀, 물속 붕소 제거, 스펀지 하나면 충분해
- [ POSTECH, 국소적 pH조절 기술을 활용한 친환경 재생형 붕소 제거 흡착제 개발]
기계공학과 임근배 교수, 박사과정 최운재 씨, 이민수 박사 연구팀은 나노채널 기반의 국소 pH 조절 기술을 이용해 혁신적인 붕소 제거 시스템을 개발했다. 이번 연구는 환경과학 · 공학 분야 국제 학술지인 ‘유해물질 저널(Journal of Hazardous Materials)’ 온라인판에 게재됐다.
붕소는 농업과 산업, 반도체 제조 등 여러 분야에서 필수적인 원소로 사용된다. 그러나 과도한 붕소가 물에 포함될 경우 인체와 환경에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 세계보건기구(WHO)는 음용수 내 붕소 허용치를 2.4mg/L로 규정했으며, 한국과 미국, 일본 등 주요 국가들은 이를 1.0mg/L 이하로 더욱 강화했다.
특히 물속 붕소는 대부분 전기적으로 중성인 ‘붕산(Boric acid)’ 형태로 존재해 전기적 인력을 이용하는 기존의 흡착제를 사용하는 데 어려움이 있었고, 해수의 담수화에 널리 사용되고 있는 ‘역삼투 처리’ 기술로도 붕소를 완전히 제거하는 데 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 ‘멀티스케일 다공성 스펀지(MP-AES)’는 나노미터 규모의 채널을 통해 붕소를 효과적으로 제거할 수 있다. 이 스펀지는 특수 흡착 소재가 코팅되어 있어 채널 내부에서 산도(pH)를 국소적으로 조절해 물속의 중성 붕산을 음전하를 띤 붕산염으로 바꾸고 이를 효과적으로 흡착한다. 또한, 이 마이크로미터 크기의 기공을 가진 친수성 스펀지는 물이 빠르게 확산할 수 있도록 설계되어 별도의 장비 없이도 물에 담그기만 하면 빠르게 붕소를 흡착해 제거한다.
특히, NMDG*1를 흡착물질로 사용한 기존 방식은 붕소 제거 성능이 우수하지만 재생 과정에서 많은 화학약품이 필요하고, 흡착된 붕소를 떼어내는 데 어려움이 많았다. 이에 비해 POSTECH 연구팀의 스펀지 시스템은 ‘포스트잇’처럼 간단히 붙이고 떼어내어 다시 사용할 수 있으며, 재생과정에서도 소량의 염기성 용액만 필요해 ...
2025-01-09
- 물리 이길호 교수팀, 그래핀 숨은 경로 밝히고, 차세대 소자 혁신 가능성 열다
- [POSTECH·日 NIMS, 이중층 그래핀의 가장자리 상태가 전자 이동에 미치는 영향 규명]
물리학과 이길호 교수, 통합과정 정현우 씨 연구팀이 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 와타나베 켄지(Kenji Watanabe) 박사, 타니구치 타카시(Takashi Taniguchi) 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 이중층 그래핀의 가장자리 상태와 전자의 이동 및 비국소 수송 메커니즘을 밝혀냈다. 이번 연구는 나노 기술 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.
‘이중층 그래핀’은 두 겹의 그래핀 층으로 구성된 소재로 외부 전기장을 이용해 전자의 이동에 중요한 밴드 간극(band gap)을 조절할 수 있다. 그 덕분에 기존의 트랜지스터를 뛰어넘는 차세대 정보 기술인 ‘밸리트로닉스(valleytronics)*1’의 핵심 소재로 주목받고 있다. 밸리트로닉스는 전자의 에너지 구조에서 특정 정보 저장 단위인 ‘계곡(valley)’을 활용하는 기술로 전하를 기반으로 한 기존 전자 소자나 스핀트로닉스(spintronics)보다 빠르고 효율적인 데이터 처리가 가능해 큰 기대를 모으고 있다.
밸리트로닉스에서 중요한 개념 중 하나는 ‘계곡 홀 효과(valley Hall effect)’*2다. 이는 전자가 물질 내부에서 특정 에너지 상태(계곡)를 따라 이동하며, 전자의 흐름 방향이 나뉘는 현상을 의미한다. 그로 인해, 전기가 흐르지 않아야 할 곳에서도 저항이 나타나는 ‘비국소 저항’이라는 독특한 현상이 발생한다.
기존 연구에서는 이 ‘비국소 저항’이 계곡 홀 효과의 증거로 여겨졌지만, 일부 학자들은 소자 가장자리의 불순물이나 제작 공정 등 외부 요인이 영향을 미쳤을 가능성을 제기하며 여전히 논쟁이 이어지고 있다.
연구팀은 이중층 그래핀의 비국소 저항 발생 원인을 밝히기 위해 이중 게이트*3 구조로 밴드 간극을 조절할 수 있는 그래핀 소자를 제작했다. 그리고, 자연적으로 형성된 가장자리와 ‘반응성 이온 식각(Reactive ...
2025-01-09
- 화공/융합 차형준 교수팀, 폐암 치료의 새로운 전환점, 홍합에서 영감을 얻다
- [POSTECH · 경북대, 점막 접착성 나노입자를 활용한 흡입형 폐암 치료제 개발]
최근 화학공학과·융합대학원(의공학전공) 차형준 교수, 화학공학과 정연수 박사 연구팀은 경북대 첨단기술융합대학 의생명융합공학과 조윤기 교수 연구팀과 공동으로 연구를 진행해 홍합에서 유래한 접착단백질을 활용한 폐암 치료용 흡입형 생체 나노입자를 개발했다.
폐암은 세계에서 가장 치명적인 암 중 하나로, 한국에서도 암 발생률 상위권에 속한다. 특히, 전체 폐암 중 85%를 차지하는 비소세포 폐암*1은 초기에 발견하기 어려워 치료가 까다롭다. 기존 항암제는 일반적으로 정맥주사를 통해 전신에 투여되어 암세포뿐 아니라 정상 조직까지 영향을 미치면서 심각한 부작용을 일으킬 수 있어 최근 폐에 약물을 직접 전달하는 ‘흡입형 치료법’이 떠오르고 있지만, 폐의 점막 장벽과 면역세포가 약물 전달을 방해해 효과적인 치료가 어려웠다.
이번 연구에서 연구팀은 수중 접착력이 강한 홍합 접착단백질을 활용하여 폐암 치료에 적합한 점막 접착성 나노입자를 설계했다. 특히, 연구팀은 ‘산화·환원 반응성’을 가진 ‘족사단백질 6형(fp-6)’에서 영감을 받아 ‘족사단백질 1형(fp-1)’에 시스테인(cysteine)을 추가해 강한 접착력을 유지하며 폐암 미세환경에서 약물을 선택적으로 방출할 수 있도록 했다. 이 입자는 폐암 세포 주변의 환원 환경에서는 약물을 방출해 치료 효과를 높이고, 정상 조직에서는 방출을 억제해 부작용을 최소화한다. 또한, 홍합 단백질이 가진 생체적합성과 생분해성, 면역 적합성 덕분에 안전성을 확보하며, 항암물질의 체류시간을 획기적으로 늘리는 데 성공했다.
폐암 동물 모델 실험에서 연구팀이 개발한 나노입자와 그 안에 담긴 항암제는 네뷸라이저*2를 통해 폐로 이동한 뒤 점막에 오랫동안 머물며 암세포의 전이와 침윤을 억제하는 데 효과를 보였다. 특히, 이 기술은 환자가 병원에 가지 않고도 손쉽게 약물을 흡입을 통해 자가 투여할 수 있기 때문에 폐암 치료의 접근성을 높이고...
2025-01-06
- 물리 이길호 교수팀, 그래핀과 초전도체의 만남, 초전도 기술의 날개를 달다
- [POSTECH · 日NIMS, 2차원 초전도 접합 기술로 차세대 전자기기 개발 가능성 열어]
물리학과 이길호 교수, 장성 연구원 연구팀이 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 와타나베 켄지(Kenji Watanabe) 박사, 타니구치 타카시(Takashi Taniguchi) 박사 연구팀과 협력해 그래핀과 초전도 전극의 접합 특성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 이번 연구는 나노 기술 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다.
‘초전도체’는 특수한 조건에서 저항이 0이 되는 물질로, 일반 도체와 결합하면 초전도성이 도체로 전달되는 ‘근접효과(Proximity effect)’가 나타난다. 이 현상은 전자기기 성능을 극대화하는 핵심 기술로, 조셉슨 접합*1이나 위상 초전도*2 개발 등 응용 분야에서 중요한 역할을 한다.
그래핀은 전기 전도성이 우수하고, 전자 이동 속도가 빨라 초전도체와 도체를 연결하는 이상적인 재료로 주목받아 왔다. 하지만 기존 방식에서는 초전도체가 그래핀에 전자를 주입하는 과정에서 전자가 빠져나가 ‘홀 도핑(hole doping)’ 상태가 되었고, 그로 인해 초전도체와 그래핀 사이에 ‘PN 계면’이라는 경계가 형성되었다. 이 경계는 접합 투과도를 낮추고 근접 효과를 약화해 초전도체가 그래핀에 전기를 효율적으로 전달하는 데 방해가 되었다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 그래핀의 전하 밀도*3를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 접합 방식을 개발했다. 연구팀은 그래핀을 보호하는 부도체인 ‘육방정계 질화붕소(h-BN)*4’ 특정 부분을 정밀하게 깎아내어 그래핀의 표면을 노출하고, 이 위에 초전도체를 접합했다. 이 방식은 기존 1차원 접합과 달리 그래핀 전하 밀도와 극성을 게이트 전압*5을 통해 조절할 수 있기 때문에 홀 도핑 상태에서도 초전도체와 그래핀 간의 원활한 연결이 가능해 강력한 초전도 근접 효과와 높은 접합 투과도를 유지할 수 있었다.
제1 저자인 장성 연구원은 “...
2024-12-31
