헬로티 이동재 기자 | 리튬이온 배터리는 이미 소형 가전, IT 기기부터 전기차까지 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 현재는 더 빨리 충전되고 더 오래가며, 무게가 가볍고 높은 출력 밀도를 갖는 차세대 배터리의 수요가 급증하고 있다. 미래 에너지 소재는 향상된 특성 뿐만 아니라 친환경적인 요인도 함께 고려되어야 하므로, 이를 만족하는 이차전지 소재의 연구 및 개발이 요구되고 있다. 산화철은 지구에 풍부하게 존재하며, 독성이 적고 화학적으로도 매우 안정된 물질이기 때문에 리튬이온 배터리 소재로 다양한 연구가 진행돼왔다. 산화철을 비롯한 전이금속산화물은 충·방전에서 많은 개수의 리튬이온을 이용할 수 있어서 기존 흑연 소재보다 3배에서 4배 정도 큰 용량을 갖는 장점이 있다. 이러한 장점에도 불구하고 낮은 리튬 이동도, 큰 부피 변화, 낮은 초기 쿨롱 효율 등의 단점 때문에 실제 개발은 매우 제한적이다. 한국표준과학연구원(KRISS) 소재융합측정연구소 EM나노메트롤로지팀과 건국대학교 김연호 교수 연구팀은 리튬이온 배터리의 초기 쿨롱 효율과 용량을 획기적으로 향상한 산화철 나노구조체를 개발했다. 쿨롱 효율은 최근에 충전을 완료한 용량이 바로 그 전에 충전을 완료
헬로티 김진희 기자 | 국내 연구진이 자성체 기반의 차세대 정보처리 및 저장 디바이스의 효율을 더욱 향상시킬 핵심 메커니즘을 최초 규명했다. DGIST는 신물질과학전공 홍정일 교수팀과 한국표준과학연구원 황찬용 박사팀이 자성체 내 자구(磁區, magnetic domain)의 이동 메커니즘에 대한 상호 작용을 밝혀내고, 이를 효율적으로 미세 제어할 수 있는 새로운 스핀트로닉스 응용 구조를 제시했다. 90년대부터 스핀트로닉스 전자공학이 본격 도입되면서 더 많은 정보의 저장 및 처리가 가능한 차세대 자성 메모리 및 정보처리 소자, 고효율 센서 기술들이 개발되고 있다. 스핀트로닉스 기술은 자성체의 자기 상태를 전기적으로 제어해 정보를 처리, 저장하는 고성능-고효율 컴퓨팅 기술 구현의 핵심 원리다. 자성체 내의 정보 이동 및 처리를 담당하는 소자의 작동원리는 자화 반전(flux reversal) 현상을 통해 일어나는데, 자구의 다양한 움직임과 확장 등을 통한 이동 특성에 의해 결정된다. 자구는 자성체가 일정한 방향성을 갖고 정렬돼 있는 미세한 구역인데, 자구의 배열을 통해 0과 1로 구성된 최소 데이터 단위인 비트(bit)를 생성한다. 이 때문에 자구의 움직임을 제어해
헬로티 조상록 기자 | 실제 화재로 발생하는 불만 인식해 발화 10초 이내에 알려주는 지능형 화재감지기가 개발됐다. 한국표준과학연구원(이하 KRISS) 안전측정연구소 비파괴평가팀과 KRISS 연구소기업 한선에스티가 만들었다. 대부분의 기존 화재감지기들은 최초 발화 1분 이후인 화재 2단계에 화재를 감지하므로, 연기와 화염으로 인해 진압과 대피가 어려웠다. 또한 스프링클러는 실내 온도 72도가 넘어야 작동되므로, 실내에 있는 사람의 안전을 확보할 수 없었다. 이번 지능형 화재감지기는 화재 극 초기에 해당하는 1단계에서 화재를 인식해 자체경보와 스마트폰앱을 통해 알려준다. 불꽃의 위치 좌표를 확인할 수 있어 소화장치를 연동할 경우 국소 공간의 자동소화도 가능하다. 지능형 화재감지기는 오경보율 3% 이내로 기존 화재감지기인 연기감지기나 열감지기의 오경보율인 34%~50%에 비해 신뢰성이 매우 높다. 지능형 화재감지기의 이러한 성능이 가능한 이유는 적외선센서와 적외선 열화상센서를 결합한 융합센싱기술을 도입, 불꽃 인식률을 높였기 때문이다. 적외선센서가 불꽃의 특정 CO2 파장대를 이용하여 빠르게 불꽃을 인식할 수 있는 장점을 활용했다. 이에 더해, 화재감지기가 설치
[헬로티] 한국표준과학연구원(KRISS)이 반도체·디스플레이 공정에 사용되는 플라즈마 양을 실시간으로 측정할 수 있는 센서를 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 가동 장비를 멈추지 않고도 사용할 수 있기에 반도체·디스플레이 장비 성능평가 및 제품 수율 향상에 도움이 될 것으로 기대된다. 이번 기술은 한국 원천 특허 등록을 기반으로 미국·유럽·중국·일본 등 4개국 특허 출원이 완료됐다. KRISS 연구팀은 기기에 센서가 내장된 ‘지능형 식각공정 장비’ 개발을 추진할 예정이며, 외산에 독점화된 반도체 장비 시장에서 기술혁신을 이룰 것으로 전망된다. 반도체 소자의 저전력화, 선폭 초미세화, 3차원 구조화에 따라 반도체 플라즈마 공정의 난도가 높아지고 있다. 플라즈마 공정은 반도체 회로 패턴 가운데 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분은 깎아내는 작업인 식각 공정에 사용된다. 식각 공정의 안정성은 반도체 생산성·수익성의 척도인 수율로 이어진다. 잘못된 식각 공정으로 회로 부분이 끊기거나 균일하지 않으면 생산된 반도체 칩에 오류가 생기고 원하는 동작을 수행할 수 없다. 지금까지는 공정 중 웨이퍼 영역의 플라즈마 변수를 직접 측정할 수 있는 센서가 없었다. 해외에서 독점적으
[헬로티] 국내 연구진이 양자통신과 양자컴퓨팅에 쓰이는 정보 단위인 큐비트 상태를 평가하는 기술을 개발하고 세계 최고 수준의 정확도를 달성하는 데 성공했다. 여기서 큐비트(qubit)란, 원자, 광자와 같은 기본 양자입자에 저장된 정보. 0과 1의 중첩이 가능해 정보의 보안성이 높고 경우에 따라 대용량 정보처리가 가능해, 양자암호통신과 양자컴퓨팅에서 사용되는 기본 정보 단위를 말한다. 양자상태 정밀측정기술은 양자정보 기술의 신뢰성을 검증하기 위한 핵심기술이다. 양자암호통신을 포함한 양자정보 기술 산업 분야에서 널리 활용할 수 있다. 양자정보기술에서 측정은 그 자체가 정보처리 과정의 일부이기도 하다. 측정 행위가 측정 대상인 양자상태에 영향을 주고, 이런 상호작용을 양자컴퓨터의 계산 과정이나 양자통신에 활용하기 때문이다. 부정확한 측정은 정보의 오류를 유발하며, 응용기술은 본래 목적을 달성할 수 없다. 양자상태를 정밀하게 측정하려는 연구는 꾸준히 수행돼왔다. 그러나 원자나 광자 같은 양자역학적 입자들을 직접 측정하는 양자기술의 특성상, 측정 대상의 수가 많지 않아 정밀도가 제한적이다. 최근에는 이를 개선하기 위해서 머신러닝 방법론이 사용돼왔다. 기존에 제안된
[헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS)은 3월 22일 발사된 국내 최초의 표준모델급 인공위성 ‘차세대중형위성 1호’의 망원경 핵심부품인 반사경을 모두 국산화하는 데 성공했다. 반사경은 인공위성 카메라의 해상도를 결정하는 핵심부품이다. 반사경의 지름이 클수록 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있지만, 대형 반사경은 전략물자로 사용될 수 있기에 해외 수입이 어렵다. 3월 22일 발사된 차세대 중형위성 1호에 사용된 거울은 총 5개다. 그중 가장 중심이 되는 거울인 주 반사경은 지름이 0.6m로 크지만, 무게가 13kg 남짓으로 매우 가볍다. 거울면의 형상 오차는 머리카락의 8,000분의 1 수준인 10nm(나노미터, 10억분의 1ｍ) 정도로, 좁은 골목길까지 정밀하게 촬영할 수 있다. 대구경 주 반사경의 초경량화 설계 및 제작기술은 지구의 중력과 로켓에 의한 발사환경, 그리고 우주 환경에 영향을 받지 않도록 해야 한다. 이는 최첨단 기술로서 지금까지 국내에서는 이 요구조건을 만족하는 설계 및 제작기술이 전혀 없었다. KRISS 첨단측정장비연구소 우주광학팀은 반사경 국산화를 위해 지난 2005년부터 현재까지 한국항공우주연구원(이하 항우연)과
[헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS) 나노바이오센서팀과 반도체측정장비팀이 펨토 몰(1000조 분의 1몰) 수준으로 실시간 측정이 가능한 장비 개발에 성공했다. 조기진단이 필요한 급성심근경색증, 치매, 각종 감염병 등에 활용이 기대된다. 연구팀이 개발한 장비는 복잡한 과정 없이 쉽고 간단하게 실시간으로 혈액‧체액 내 특정 물질을 측정할 수 있다. 이번 성과는 2016년도에 개발한 기술을 고도화한 것으로, 기존 장비보다 450배 이상 측정 민감도를 갖는다. ▲KRISS 연구팀이 개발한 초고감도 실시간 바이오센싱 장비의 구조 급성심근경색은 관상동맥이 혈전으로 막혀 산소와 영양분 공급 부족으로 심장근육이 괴사하는 질환이다. 골든타임 2시간 이내의 신속한 응급조치를 위해서는 조기진단이 매우 중요하다. 이를 위해서 급성심근경색증 발병 초기에 특이하게 발견되는 ‘트로포닌’이라는 물질을 빠르게 측정할 수 있어야 한다. 트로포닌은 혈액 내 농도가 피코 몰(1조 분의 1몰) 이하의 극미량이므로 관찰이 어렵다. 트로포닌처럼 혈액·체액 내 특정 질환 여부나 상태를 나타내는 단백질·DNA 등 지표 물질을 &lsquo
[헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS)이 순수 국내기술로 개발한 키블저울(전자기력으로 물체에 작용하는 중력을 가늠해 고정된 물리상수 값을 기준으로 측정 대상의 질량을 측정하는 장비)을 이용해 질량의 단위인 킬로그램 측정값을 구현, 국제비교 참가에 성공했다. 국제비교는 각 나라의 측정값을 비교하는 것으로, 분야별로 국제비교가 실행되고 있다. 이번 국제비교는 단위 재정의 이후 국제 질량 눈금을 정하기 위해서 첫 번째로 시행됐다. 질량비교기가 있는 BIPM(국제도량형국)에 각 나라의 측정값을 보내 비교하는 방식이다. 이번 국제비교에 참가하기 위해서는 불확도(측정값을 의심하는 정도) 2×10-7 이하의 선제조건이 요구됐다. KRISS는 1.2×10-7의 불확도를 달성했으며 NRC(캐나다), NIST(미국), BIPM(국제도량형국), NIM(중국) 등 총 5개 표준기관이 키블저울 실험을 이용해 참가했다. 질량의 단위인 킬로그램은 백금과 이리듐을 합금한 금속 원기의 질량을 1kg 으로 정의해 사용해 왔다. 그러나 100여 년 동안 약 수십 마이크로그램(㎍, 100만분의 1g)이 변한 것으로 추정돼 정확성에 문제가 제기됐다. 단위가 불안정하고
[첨단 헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS)은 강웅 책임연구원팀이 개발한 수소 유량 교정시스템 제작기술을 ‘피디케이’에 성공적으로 기술이전 했다고 5월 14일 밝혔다. 수소 유량 교정시스템은 수소충전소에서 정량의 수소가 충전될 수 있도록 유량계를 검증하는 기술이다. 해당 연구 기술은 국내 및 PCT 특허 2건이 출원됐으며, 향후 수소 상거래의 신뢰도 증진 및 수소차 시장 확대에 도움이 될 것으로 기대된다. ▲KRISS 박현민 원장(왼쪽), 피디케이 한무필 대표(오른쪽)가 협약식을 체결하고 있다. 현재 수소충전소에서는 충전기 내의 유량계가 계량하는 수소기체의 질량값에 의해 금액이 부과된다. 그러나 수소는 석유 등과 달리 고압(700 기압) 및 저온(영하 40 ℃)의 가혹 조건에 놓여 있어 유량 측정이 매우 어렵고 결과가 불확실했다. 급속히 성장하고 있는 수소에너지 산업에 반해 수소 충전량 계량기술이 투명성을 확보하지 못한 것이다. 2018년 개정된 국제법정계량기구(OIML)의 규정에서는 수소유량계의 최대 허용오차를 1.5% ~ 2.0%로 정하고 있다. 하지만 현재 국내 충전소에서 사용하는 코리올리 유량계는 교정 시 상압·
[첨단 헬로티] 소금을 얻는 가장 쉬운 방법은 무엇일까? 바닷물을 증발시키면 된다. 바닷물에서 물을 증발시키면, 물에 녹아있던 소금들이 결정이 되어 나타난다. 이처럼 액체 또는 기체 상태에 있는 무질서한 입자들이 일정한 배열을 가지는 고체로 변하는 현상을 결정화라고 한다. 어떤 물질의 결정화 과정을 정확히 관찰하고 파악하는 것은 매우 중요하다. 물질이 형성되는 과정을 조정해 원하는 물질을 만들 수 있기 때문이다. 이를 이용하면 다방면에서 활용될 신소재를 개발할 수 있다. 한국표준과학연구원(이하 KRISS) 소재융합측정연구소 극한측정연구팀은 밀리미터 크기 콜로이드 액체를 공중에 띄워 결정화 과정을 실시간으로 관찰하는 방법을 개발했다. 콜로이드는 입자들이 다른 물질 속에 골고루 퍼져 떠다니는 상태의 혼합물을 말한다. 예를 들어 우유는 투명한 물(용매)에 단백질, 칼슘 등이 고르게 퍼져 둥둥 떠다니는 상태다. 연구팀은 정전기 공중부양 장치와 산란장치를 결합한 장비를 사용해 콜로이드 액체를 공중에서 증발시키고 실시간으로 결정화를 관찰하는 획기적인 방법을 사용했다. 이는 공중 부양한 콜로이드 액체와 다른 물체의 접촉을 원천적으로 차단한다는 장점이 있다. 기존 연구자들
[첨단 헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS)이 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다. 현재 저항표준체계는 GaAs(갈륨비소) 반도체 기반의 양자홀 소자가 표준저항으로 사용되고 있다. 그러나 극저온(1.5K 이하)과 고자기장(10T 이상)의 동작 환경이 필요해 작동시키기가 복잡하고 매우 어려웠다. * 켈빈((Kelvin)은 열역학적 온도 혹은 절대온도의 단위로, 국제단위계의 기본단위이며, 기호로 K를 사용한다. * 테슬라(Tesla)는 자기선속밀도 혹은 자기장의 단위로 국제단위계의 유도단위이며, 기호로 T를 사용한다. 반면 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀으로 만들어진 표준저항소자의 경우 독특한 물리적 성질로 인해 상대적으로 높은 온도(4.2 K 이상)와 낮은 자기장(5T 이하)의 효율적인 실험환경에서 표준저항 구현이 가능하다. 또한, 차세대 양자 전기 표준체계 중 하나인 교류(AC) 양자홀 표준저항으로 응용할 수 있어 PTB(독일), NIST(미국) 등 세계 주요 측정표준기관들은 기존 표준저항소자를 그래핀으로 대체하는 연구를 진행하고 있다. 차세대 양자 전기표준체계는 교류 양자홀 표준저항 또는 교류
[첨단 헬로티] 국내 연구진이 해킹이나 도청과 같은 정보유출을 원천적으로 차단하는 양자정보기술을 개발하는 데 성공했다. 한국표준과학연구원(이하 KRISS)과 고등과학원, 서울대학교 공동연구팀은 여러 사람이 공유하는 양자정보를 유출 가능성 없이 전달할 수 있는 원격전송(양자계에 저장된 정보를 손상 없이 다른 양자계로 옮기는 작업) 기술을 완성하는 데 성공했다. 양자정보(quantum information)는 원자, 광자와 같은 기본 양자입자에 저장된 정보로서, 0과 1의 중첩이 가능하여 정보의 보안성이 높고 경우에 따라 대용량 정보처리가 가능하다. 연구팀이 최초로 고안하고 실험적으로 증명한 ‘비밀공유 양자원격전송’은 기존보다 월등히 높은 성공률과 보안성을 가져 양자정보기술의 실용화를 크게 앞당길 것으로 전망된다. 양자네트워크로 연결된 구성원들은 유출 불가능한 비밀정보를 공유할 수 있다. 공유된 비밀정보란, 전체 참여자가 힘을 합치지 않으면 개별 참여자는 해독할 수 없는 정보를 의미한다. 양자네트워크에서의 비밀정보 공유는 양자원격전송(물질이 직접 이동하지 않으면서 물질의 상태만을 원거리로 전달하는 기술)을 통해 이루어진다. 정보가 공유된 그
[첨단 헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS)이 일상생활에 밀접한 나노물질들의 안전측정기술을 제안, 국제표준으로 승인되었다. KRISS 나노안전성 기술지원센터가 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 공동 제안한 ‘나노물질의 광촉매활성(물질 사이에 전자를 주고받는 산화-환원반응의 일종) 측정법’이 나노기술 국제표준(ISO/TC 229)에 채택되었다. 정확한 사용법을 알아야 안전성이 보장되는 나노물질의 잠재적 불안요소가 크게 해소될 것으로 전망된다. 산화아연, 이산화티타늄, 탄소나노튜브 등 광촉매활성을 가지는 나노물질은 자외선과 반응하면 활성산소를 형성한다. 활성산소는 산소원자를 포함하고 화학적 반응성을 띠는데, 사람을 비롯한 생물체 내에 생성되어 강한 산화력으로 생체조직을 공격하고 세포를 손상시킨다. 산화아연, 이산화티타늄 등은 산업현장은 물론 자외선차단제 등 화장품의 필수 원료로도 널리 사용되는 나노물질이다. 범용성이 점점 커지는 나노물질을 안심하고 사용하려면 믿을만한 측정을 바탕으로 품질 관리가 이루어져야 한다. 하지만 광촉매활성과 관련된 기존의 표준문서(ISO 10676, 10678)의 경우, 코팅 표면에서의 광촉매활성을 측정할
[첨단 헬로티] '광유도력' 발생원리 학계 논쟁 종지부 찍을 듯 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 직무대행 조성재)이 나노물질이 빛과 반응할 때 발생하는 신비한 힘의 원리를 세계 최초로 규명했다. KRISS 나노구조측정센터 이은성 책임연구원팀은 반도체 등 다양한 나노물질이 빛과 상호작용하면서 발생하는 광유도력(photo-induced force)의 물리학적 원리를 밝혀냈다. 발생원리의 불확실성으로 혼란이 있던 광유도력의 응용방향이 명확해짐에 따라, 나노소자의 내부를 파괴 없이 탐침으로 두드려가며 측정하는 광유도력 현미경의 활용이 가속화될 것으로 전망된다. 미세한 물질의 형상이나 특성을 관찰하는 가장 대표적인 장비는 광학현미경이다. 물질에 빛을 쪼이면 발생하는 반사광 또는 투과광을 렌즈로 집속하고 확대시키는 것이 광학현미경의 측정원리다. 하지만 물질의 크기가 나노미터급으로 빛의 파장보다 훨씬 작아지면, 렌즈를 사용하는 광학현미경으로는 회절한계 때문에 제대로 관찰할 수 없다. 최근 기존의 문제점을 극복하기 위한 대안으로 세계의 연구진들이 광유도력 현미경(PiFM; Photo-induced Force Microscope)에 주목하고 있다. 광유도력 현미경은 렌즈
[첨단 헬로티] 한국표준과학연구원(이하 KRISS)이 첨단 반도체나 디스플레이의 내부 결함을 이미지 한 장만으로 검사하는 데 성공했다. KRISS 첨단측정장비연구소 김영식 책임연구원팀은 3차원 나노소자의 구조와 특성을 생산라인에서 즉각 파악할 수 있는 측정기술을 개발했다. 메모리 소자 기술의 핵심은 정해진 2차원 면적에 최대한 많은 소자를 배치하는 것이다. 2차원이 한계에 부딪히자 박막을 10층 이상 겹겹이 쌓는 패키징 기술로 다층막 3차원 나노소자가 개발되었고, 초고속화·대용량화의 한계를 뛰어넘었다. 3차원 나노소자는 반도체, 플렉시블 디스플레이, IoT 센서 등 첨단분야에 널리 사용되고 있다. 소자 성능이 향상되는 만큼 공정 기술의 복잡도 또한 올라가게 되어 제품의 불량률이 높아지고 있다. 그러나 아직 현장에서는 실시간이 아닌 완성품 중 일부를 파괴하여 검사하는 방식을 주로 사용한다. 비파괴 검사는 측정 과정이 오래 걸리고 외부 진동과 같은 환경 변화에 취약하여 현장에서 쓸 수 없기 때문이다. 불량을 제때 검출하지 못하면 수조 원대의 리콜 사태가 빚어질 수 있는 만큼 빠르고 정확한 측정이 필요한 시점이다. 현재는 이러한 문제로 3차원 나노소자
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