나노기반정보 에너지사업본부 나노기술 (NT) 정보기술 (IT) 에너지기술 (ET) 융합 신성장동력창출할원천기술개발 나노기반정보 에너지사업본부 연구책임자 김창균본부장 주소 대전시유성구가정로 141 한국화학연구원내나노기반정보 에너지사업본부 전화 042-860-7354 이메일 cgkim@krict.re.kr 홈페이지 www.niet.re.kr 임인재객원기자 / mimohhh@naver.com 2013. 12 화학세계 35
신진선도연구기관 미래창조과학부의신기술융합형성장동력사업을수행하는나노기반정보 에너지사업본부 ( 본부장김창균박사, 한국화학연구원 ) 는나노기술을기반으로한정보및에너지분야의융합형원천기술연구 개발을목표로 2009 년 7월부터연구를시작했다. 사업본부에는 NT-IT 소자재료융합연구단 ( 단장김창균박사, 한국화학연구원 ), 차세대전지기술융합연구단 ( 단장조재필교수, 울산과학기술대학교 ), 비실리콘박막태양전지융합연구단 ( 단장윤경훈박사, 한국에너지기술연구원 ) 우주환경기반신기술융합연구단 ( 단장신용현박사, 한국표준과학연구원 ) 이있으며총 700 여명의연구원이참여해 87개의연구과제를수행하고있다. 사업본부는연구를시작한이후지금까지 SCI 급논문 878 건게재, 국내외특허출원 477 건및등록 116 건등의연구성과를냈으며, 그중 9건의기술을기업에이전하여약 36억원의기술료실적을올렸다. 사업본부의최종목표는나노기술 (NT), 정보기술 (IT), 에너지기술 (ET) 의융합연구를통해정보전자, 박막태양전지, 이차전지, 극한환경발생및제어분야에서미래신성장동력을창출할 융합형원천기술 을개발하는것이다. NT-IT 소자재료융합연구단 NT-IT 소자재료융합연구단 은소자기능에최적화된소재를설계 합성해소자의안정성및신뢰성을향상시키는것을 연구목표로삼고있다. 구체적으로연구단은 NT-IT 융복합소자, 화학증착공정기반기억소자, 유무기혼성트랜지스터, 그래핀기반트랜지스터, 투명전극, 반도체냉각소자, 대면적디스플레이등에활용할수있는원천소재및소자를개발하고있다. 연구단의성과는모바일컴퓨터, 전자통신기기의성능및신뢰성향상, 소형화, 동작시간증가등에활용될수있고이를통해현재보다빠르고전력소모가낮은 IT 제품의출현을가능하게할것으로평가받고있다. 김창균 NT-IT 소자재료융합연구단단장은 유무기융합반도체소자나그래핀기반투명전극을기반으로한접을수있는대면적디스플레이제품도상용화될수있을것 이라고설명했다. 현재연구단에서는 꿈의신소재 로불리는그래핀합성및응용연구를활발히진행하고있다. 대표적으로서울대홍병희교수연구팀은원통형의구리호일에그래핀을화학기상증착법에의해성장시킨후롤투롤방식으로플라스틱기판에전사하는방법을이용해 30인치크기의대면적그래핀을합성했다. 그리고이것을플렉서블그래핀터치스크린패널에적용 제작하는데성공함으로써실험실수준의그래핀에서벗어나플렉서블전자기기등산업적용도로사용할수있는계기를마련했다 [ 그림 1]. 이와더불어한국과학기술원전석우교수연구팀은칼륨염용액상에서고순도그래핀을제조하는방법을개발해저비용 그림 1. ( 좌 ) 30 인치대면적그래핀합성, ( 우 ) 그래핀으로제작한터치스크린패널 36 화학세계 2013. 12
나노기반정보 에너지사업본부 으로손쉽게그래핀을제조할수있는방법을개발했다. 연구팀은칼륨염이들어있는용액상에그래핀을분산시킨후고순도그래핀재료를추출하는방법을이용해산화그래핀이많이생기는단점을최소화했다. 또한국화학연구원안기석박사연구팀은그래핀파우더를액상분산액형태로개발해인쇄전자공정에서잉크로사용하는기술을개발해관련기술을기업에이전했다 [ 그림 2]. 그림 2. 분산성이향상된그래핀잉크및이를이용해제작한소자 현재연구단은메모리반도체소재및소자연구에서도큰진전을보이고있다. 대표적으로서울대황철성교수연구팀은차세대메모리반도체소자분야에서큰관심을끌고있는이산화티타늄 (TiO 2 ) 물질의저항변화원인을나노크기에서규명해메모리칩의극초소형화및집적화가능성을제시했다. 이연구에서는 TiO 2 를기반으로하는저항변화메모리소자의특성을조절할수있는가장큰요인이마그넬리상의형성을조절하는것임을밝혀냈다. 최근에는 TiO 2 박막내부에 Ru nanodot 을삽입해전계를집중시키는효과를통해마그넬리상의형성을조절함으로서저항변화소자의가장큰문제로제기되었던저항변화특성의균일성문제를해결했다. 이연구결과는이후저항메모리상용화에크게기여할것으로기대된다. 차세대전지기술융합연구단 차세대전지기술융합연구단 은나노구조전지원천소재, 접을수 있고손상시에도안전한대면적전지, 인체삽입형전지등을개발하는것을목표로삼고있다. 연구단의성과들은플렉서블모바일기기의주전원으로사용되어접을수있는전자종이, 두루마리형태의디스플레이, 옷에부착할수있는휴대용노트북, 능동형 RFID 태그, 스마트더스트, 인체에삽입해반영구적으로사용할수있는의료기기등의상용화기반이된다. 현재연구단은리튬이차전지의성능향상을위한전극소재기술개발을진행하고있다. 2011 년에는리튬이차전지용고안정성양극활물질및고용량음극활물질대량합성기술을개발하여 27억원규모의기술이전에성공했다. 이연구에서울산과학기술대조재필교수연구그림 3. 양극활물질내부의전기화학적반응경로에대한팀은고온에서도안정하고수명열화가없는양극소재를저가로대량모식도합성할수있고흑연대비용량이 3배증가되면서도흑연과동등한특성을나타내는실리콘물질의대량합성방법을세계최초로개발했다. 이와함께조재필교수연구팀은리튬이차전지를 2013. 12 화학세계 37
신진선도연구기관 그림 4. 케이블형리튬이차전지시작품 100% 충전하는데걸리는시간을기존기술대비 30분의 1 ~ 120 분의 1로줄일수있는전극소재개발에도성공했다. 이기술을적용하면전기자동차용이차전지를 1분내로완전충전할수있을것으로기대된다 [ 그림 3]. LG화학기술연구소김제영박사연구팀은케이블 ( 전선 ) 형태의리튬이온이차전지구조를개발하여시작품을제작했다. 이것은케이블내부에양극재, 음극재와전해질등전지구성요소가모두들어있는형태로기계적유연성이매우우수할뿐만아니라전자기기와외부에서연결가능한독립적인형태로서전원공급이가능해전자기기의크기를획기적으로줄일수있는장점이있다 [ 그림 4]. 비실리콘박막태양전지융합연구단 현재사용되고있는실리콘기반 1 세대태양전지소재는공급이부족할뿐만아니라가격경쟁력에서도떨어진다. 이에 비실리콘박막태양전지융합연구단 은 CIGS 박막으로대표되는화합물박막, 유기물박막, 염료감응형소재, 투명전도막소재기술및이들의신뢰성평가기술을융합해태양광기술의경제성확보가가능한원천소재기술개발에주력하고있다. 연구단은궁극적으로이연구를통해국내태양전지대량보급에따른새로운에너지공급원을확보하고자한다. 구체적으로지상발전용평판형박막태양전지, 지상발전용초고효율집광형태양전지모듈, 건물일체형태양광발전시스템 (BIPV), 모바일기기및휴대용가전제품용의휘어질수있는태양전지, 자동차및우주용태양전지기술개발에연구성과를활용하는것을목표로삼고있다. 연구단의대표적성과로는그래핀상대전극을포함하는저가고효율염료감응태양전지개발에성공한것이다. 이연구에서고려대김환규교수연구팀은흑연의가장자리에선택적으로아미노기를도입한후열처리를하는간단한공정으로, 질소가도핑된그래핀을대량생산할수있는기술을개발했다. 이방법으로제조된그래핀을염료감응태양전지상대전극으로활용하면저비용 고효율 장수명염료감응태양전지를구현할수있어염료감응태양전지의상용화에크게기여할수있을것으로기대된다 [ 그림 5]. 두번째성과로는저가대면적화가가능한화학적방식을기반으로이셀렌화구리인듐 (CuInSe 2 ) 박막태양전지를개발한것이다. 한국에너지기술연구원윤경훈박사연구팀은기존의고온나노입자합성공정보다매우간단한저온공침법을이용해나노입자를제조했으며이를통해 CIS 태양전지결과에비견할만한수준의변환효율을달성했다. CIGS 태양전지의제조공정을기존의진공방식에서이기술을적용한비진공롤투롤방식으로대체할경우, 제조원가의획기적절감과동시에세계태양광시장의선점이가능할것이다 [ 그림 6]. 그림 5. 질소가도핑된그래핀의제조모식도및분석데이터 38 화학세계 2013. 12
나노기반정보 에너지사업본부 그림 6. Cu-In-Se, S 나노입자기반태양전지제조기술 우주환경기반신기술융합연구단 우주환경기반신기술융합연구단 은초고진공, 고에너지, 초고온등을융 복합한우주상태와유사한환경의발생과제 어기술을확보하고이를통해신소재와새로운공정을개발하고있다. 연구단은이연구를통해기존방법으로는얻기어려웠던고순도소재나나노입자소재를개발하고, 초정밀진공플라즈마부양제어기술을바탕으로차세대반도체및나노소자개발에필요한초미세박막공정기술을확보하고자한다. 또한가속기개발, 디스플레이, 철강, 우주산업등을구현할수있는장비및모듈개발과연계해수입에의존하고있는첨단생산장비시장점유율을높이는데기여하고자한다. 대표적으로한국표준과학연구원신용현박사연구팀은고진공플라즈마정밀측정제어기술개발을통해신개념플라즈마원개발에성공했다. 또이와관련된고진공플라즈마발생및변수제어기술을활용해기판의산화물 -부산물을선택적으로제거하는기술을세계최초로개발했으며이기술을기업에이전했다 [ 그림 7]. 두번째성과로는 8세대이상의 OLED 기판제작에적용가능한하향식증발증착법을개발한것이다. 한국표준과학연구원이주인박사 김정형박사연구팀이개발한이기술은기존의상향식방법과달리아래에기판을두고유기물질을위에서아래로증착시키는방식으로, OLED 디스플레이의대형화관련제작공정의효율성을획기적으로높일수있어제품가격을상당히낮출수있을것으로전망된다. 그림 7. 고진공플라즈마원개발과파생기술의기술이전 그림 8. 극고진공시스템시작품 2013. 12 화학세계 39
신진선도연구기관 세번째성과로포항공대하태균박사연구팀은극고진공시스템시작품을제작했다. 우주환경을모사해신소재및신공정기술을개발하기위해서는우주의진공도인 10-12 mbar 이하의극고진공구현기술개발이선행되어야한다. 연구팀은스테인레스강진공용기표면에고품질의순수한크롬산화막을형성시켜기체방출을억제하고, NEG 및이온펌프를조합한진공시스템을구축하여 3 x 10-12 mbar 를달성했다 [ 그림 8]. 미래창조과학부의신기술융합형성장동력사업을수행하는 나노기반정보 에너지사업본부 김창균 ( 본부장 ) 1978 ~ 1982 서울대학교화학과 ( 학사 ) 1983 ~ 1985 한국과학기술원무기화학 ( 석사 ) 1988 ~ 1993 U. of Michigan 무기화학 ( 박사 ) 1985 ~ 1988 한국과학기술연구원연구원 1993 ~ 현재한국화학연구원책임연구원 윤경훈 ( 단장 ) 1971 ~ 1975 서울대학교재료공학과 ( 학사 ) 1975 ~ 1977 서울대학교요업공학 ( 석사 ) 1983 ~ 1986 Limoges 대재료공학 ( 박사 ) 1979 ~ 1980 쌍용중앙연구소연구원 1983 ~ 1986 프랑스 CNRS New Ceramic Lab. 연구원 1980 ~ 현재한국에너지기술연구원책임연구원 조재필 ( 단장 ) 1986 ~ 1990 경북대학교무기재료공학과 ( 학사 ) 1990 ~ 1992 Iowa State University 세라믹공학 ( 석사 ) 1992 ~ 1995 Iowa State University 세라믹공학 ( 박사 ) 1995 ~ 1996 Georgia Institute of Technology 박사후연구원 1996 ~ 2002 삼성 SDI 중앙연구소수석연구원 2002 ~ 2008 금오공과대학교부교수 2008 ~ 2009 한양대학교부교수 2009 ~ 현재울산과학기술대학교교수 신용현 ( 단장 ) 1979 ~ 1983 연세대학교물리학과 ( 학사 ) 1983 ~ 1985 연세대학교대학원물리학 ( 석사 ) 1994 ~ 1999 충남대학교대학원물리학 ( 박사 ) 1984 ~ 현재한국표준과학연구원책임연구원 2012 ~ 현재대한여성과학기술인회회장 2000 ~ 2011 대한여성과학기술인회총무, 감사, 부회장 2002 ~ 2004 과기부여성과학기술정책자문위원 2008 ~ 2010 국가과학기술위원회운영위원회운영위원 40 화학세계 2013. 12