과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환/ 이하 재료연) 에너지전자재료연구실 권정대 박사연구팀이 다양한 반사색을 나타내면서도 태양전지 효율을 크게 떨어뜨리지 않는 유연 기판 투명 박막 태양전지를 세계 최초로 구현하는 데 성공했다. 본 연구는 투명전극인 알루미늄을 도핑한 산화아연 재료에 수소를 주기적으로 혼입해 굴절률 차이를 유발함으로써, 단일재료만으로 반사색을 구현하는 기술이다. 5% 이하의 극도로 낮은 굴절률 차이의 다층박막을 설계해 태양전지 소자가 흡수하는 가시광 영역의 반사손실을 최소화했다. 색상 구현으로 인해 태양전지 효율을 거의 떨어뜨리지 않아 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용할 수 있다. 또한, BIPV(건물 일체형 태양광, Building Integrated Photo Voltaic) 및 VIPV(차량일체형 태양광, Vehicle Integrated Photo Voltaic)용 유연 기판 투명 박막 태양전지의 심미성 증진에 척도가 될 것으로 기대된다. 연구팀은 일반적인 반도체 및 태양전지 제조 공정에 사용되는 진공 스퍼터링(Vacuum Sputtering) 증착 방식으로 산화아연 박막을 증착하면서, 주기적인 수소 반응을 통해 굴절률이 다른 다층박막을 형성시켰다. 이후 다층박막의 두께를 조절해 빛의 삼원색을 얻었다. 이때 전극의 색상은 가시광 영역의 빛을 흡수하는 태양전지에 적용해도 그대로 잘 구현됐다.

국내 연구진이 차세대 이차전지로 알려진 전고체배터리를 위한 고체 전해질막 개발에 성공했다. 이를 통해 안전하면서도 성능이 높은 전고체배터리 조기 상용화에 큰 도움이 될 전망이다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 황화물계 고체 전해질과 고분자 직물 지지체를 활용하여 기존 펠릿 형태 대비 10배 이상 얇고 에너지밀도는 6배 증가한 고체 전해질막 개발에 성공했다고 밝혔다. 존 전고체배터리 연구에서는 고체 전해질 입자에 압력을 가하거나, 소결하는 공정을 거쳐 수백 마이크로미터(μm) 두께의 펠릿 형태로 제조하는 것이 일반적이었다. 하지만 고체 전해질 펠릿은 깨지기 쉬운 성질이 있어, 이를 적용한 배터리 셀에 유연성을 부여하기 어렵고, 두께가 두꺼워져 셀의 에너지밀도가 기대와는 달리 오히려 낮아지는 한계가 있어 상용화에 걸림돌이 되어 왔다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해, ETRI 연구진은 우수한 이온전도도를 갖는 황화물계 고체 전해질과 기계적 강도가 우수한 고분자 직물 지지체를 활용하여 얇은 고체 전해질막을 개발하는 데에 성공했다.

국내 연구진이 드론에 데이터‧네트워크‧인공지능(DNA)을 접목한 기술을 개발하고 드론 서비스 개발 활성화에 본격 나선다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 ‘DNA+드론기술개발사업’의 결과물을 활용해 드론데이터 획득부터 실시간 전송, 실시간 AI 분석까지 가능한 DNA+드론 플랫폼 기술로 실시간 드론 서비스 개발을 위한 테스트베드를 구축한다고 밝혔다. 연구진은 본 테스트베드가 ETRI 보유기술의 공개와 더불어 드론산업 활성화에 마중물이 될 것이라고 설명했다. 본 시스템은 공중 지향 안테나로 드론비행 고도에 최적화된 통신 품질을 제공한다. 드론 데이터 전송을 위한 업링크 용량을 최대로 확보할 수도 있다. 무엇보다 5G 코어 시스템에 DNA+드론 플랫폼을 전진 배치해 더욱 빠른 지능화 드론 서비스도 가능하다.

한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 김재욱 박사는 터븀인듐산화물(TbInO3)이 양자컴퓨터 소자 등에 쓰일 수 있는 양자스핀액상(Quantum Spin Liquid, 이하 QSL) 물질이 될 수 있음을 실험적으로 증명했다고 23일 밝혔다. 양자컴퓨터는 양자역학의 고유 특성인 중첩과 얽힘을 이용해 한 번에 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다. 또한 특정 문제에 대해 기존의 수퍼 컴퓨터보다도 수 백만 배 이상 빠르게 풀 수 있어 양자 기술이 미래 산업의 판도를 바꿀 게임 체인저 기술로 주목받는다. 하지만 양자역학적 중첩과 얽힘 현상은 구현이 어렵다. 온도 변화, 불순물, 외부 전자기장 등 미세한 자극에도 다양한 오류가 발생한다. 취약한 양자 상태를 안정적으로 만들려면 절대영도(-273.15도)에 가까운 극저온 환경을 구현해야하는 등 까다로운 조건들이 필요하다. 연구진은 먼저, 레이저로 녹여 구조가 고른 단결정을 제조하는 레이저 부유 용융로(Laser-diode floating zone)를 사용해 고품질의 TbInO3 단결정을 합성했다. 이후 테라헤르츠(THz) 전자기파를 물질에 쪼여 광학전도도를 측정하는 분광실험을 수행했다. 실험은 극저온에서 상온에 이르는 넓은 온도 범위와 다양한 자기장, 주파수 대역에서 진행됐다. 특히 실험에 방해가 되는 빛의 내부 반사 효과를 줄이기 위해 시료 두께를 정밀히 제어했다. 그 결과, 특정 영역에서 광학전도도가 정확히 주파수 제곱에 비례함을 실험적으로 입증했다. 특히 영상 27도 수준의 실온에서도 광학전도도 비례 현상이 나타났다. 이는 TbInO3가 상온에서도 QSL 특성을 구현할 수 있음을 실제 확인한 최초 사례다. 이번 연구 결과를 바탕으로 연구진은 TbInO3이 무오류 양자컴퓨터의 소자로 응용할 수 있는지 등을 더 연구할 계획이다.

한국원자력연구원(원장 주한규)은 국가 기반산업 핵심 설비의 안전을 상시 모니터링할 수 있는 압전형 센서 소재·부품 원천 기술을 개발하고, 개발된 센서 제품에 대해 국내외 인증을 획득했다고 8일 밝혔다. 이에 기기안전진단연구부 이민구 박사 연구진은 2017년부터 기초 핵심 소재인 친환경 압전 소재부터, 디자인, 부품 제작 기술까지 센서 원천 기술 개발에 집중해왔다. 먼저, PZT를 대체할 친환경 소재로 주목받고 있는 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3, 이하 KNN)’에 미세 도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가해 압전성이 우수한 압전 소재를 만들었다. 이후 개발된 소재를 적용한 센서가 감도, 주파수, 안정성 측면에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 디자인을 개발했고, 센서 내 복잡한 구성 부품의 제작, 조립, 가공 기술을 최적화하는데 성공했다. 연구진이 개발한 센서는 원전 등 다양한 산업 설비의 이상진동, 이물질 충격 등을 감시할 수 있는 직경 2cm, 높이 6cm 가량의 가속도계 센서 2종과 배관 등의 누설이나 결함을 탐지할 수 있는 직경 2~3cm, 높이 2~4cm 가량의 음향방출형 센서 2종이다. 올해 초 한국인정기구(KOLAS) 공인시험을 통해 기존 PZT 기반 상용 제품을 대체할 만큼의 성능을 확인했다. 이는 즉시 상용화가 가능한 수준이다.

카멜레온의 변화무쌍한 피부색이나 공작새의 아름다운 깃털 색의 물리현상을 나노 3D프린팅으로 구현해 투명 디스플레이나 증강현실(AR) 장치 등에 활용할 수 있는 기술이 세계최초로 개발됐다. 카멜레온의 변화무쌍한 피부색이나 공작새의 아름다운 깃털 색의 물리현상을 나노 3D프린팅으로 구현해 투명 디스플레이나 증강현실(AR) 장치 등에 활용할 수 있는 기술이 세계최초로 개발됐다. KERI의 성과는 구조색을 정교하게 제어할 수 있는 ‘회절격자(diffraction grating)’를 나노 3D프린팅 기술로 구현한 것이다. 회절격자는 빛의 회절을 제어하는 목적으로 평행선 등의 미세 구조를 규칙적으로 배열시킨 장치다. 여기에 빛을 비추면 파장에 따라 빛이 다른 경로로 반사되어 구조색이나 스펙트럼이 발생된다. 즉, 3D프린팅 기술을 활용해 빛을 제어하여 염료 없이 자연의 아름다운 구조색을 정밀하게 구현하는 기술이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 한‧인도협력센터 이승철 박사 연구팀은 맥신의 자기수송(Magnetoresistance) 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 밝혔다. 이 방법을 활용하면 간단한 측정으로도 맥신의 분자 분포를 분석할 수 있게 되어 생산과정에서 품질관리가 가능해지고, 이를 통해 지금까지 불가능했던 대량생산의 길이 열릴 것으로 기대된다. 연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했다. 그 결과, 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다. 개발된 물성예측 프로그램을 통해 맥신의 표면을 분석한 결과, 자기수송에 영향을 미치는 홀산란인자(Hall Scattering Factor)가 표면 분자의 종류에 따라 극적으로 변한다는 점을 예측했다. 홀산란인자는 반도체 물질의 전하 운반 특성을 나타내는 물리적인 상수로, 동일한 맥신을 제조하더라도 홀산란인자는 불소인 경우 가장 높은 2.49, 산소의 경우 0.5, 수산화물의 경우 1의 값을 보인다는 것을 확인했으며, 이를 통해 분자의 분포를 분석할 수 있었다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사팀과 장지수 박사팀이 공동연구를 통해 마찰전기 섬유와 땀 전지 섬유를 직조해 다양한 습도 조건에서도 전기를 발생시 키는 새로운 형태의 스마트 의류용 섬유 기술을 개발했다고 밝혔다. 사람이 활동할 때 발생하는 마찰뿐만 아니라 마찰전기 섬유의 전력 효율을 저하하는 습기와 땀까지 에너지원으로 활용하여 두 마리 토끼를 잡는 셈이다. KIST 연구진은 탄성중합체와 혼합된 용질(설탕)을 녹이는 간단한 제조 공정을 통해 마찰전기 섬유의 마찰 표면적을 증가시켜 에너지 효율을 향상시켰다. 또한 땀 전지 섬유에 이온 염(ionic salt) 및 파릴렌(parylene-C)을 코팅해 발전 성능을 향상시 키고 비대칭 습윤성을 유지하도록 했다. 이후 이들 섬유를 직조방식으로 결합해 습기에 취약한 마찰전기 섬유와 전력 효율이 낮은 땀 전지 섬유의 한계를 극복한 스마트 의류용 기능성 섬유를 개발했다. 연구진은 마찰전기 섬유 1개와 땀 전지 섬유 36개 (3개 병렬, 12개 직렬)로 구성된 의류용 섬유 두 개를 연결해 배터리 없이 인체의 움직임과 땀으로부터 위치 추적 센서 (3 V, 7~20 mA)를 구동하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 상온‧상압‧고습의 실제 환경에서 수소 가스가 누출된 지점을 색상 변화를 통해 쉽고 빠르게, 육안으로 확인할 수 있는 가스 감응형 변색 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 KIST 센서시스템연구센터 박유신 박사팀과 고려대학교 바이오의공학과 유용상 교수팀의 공동연구를 통해 이뤄졌다. 연구팀은 수소와 산소만 선택적으로 투과할 수 있는 고분자 박막의 위아래를 팔라듐 박막으로 감싸는 금속-고분자-금속 적층형 센서 구조를 개발해 박막 위에 나노미터 두께의 물 층이 형성되도록 했다. 이렇게 형성된 물 층은 센서의 빛 공명과 반사에 영향을 주어 육안으로 관찰되는 색상의 변화를 유도한다. 반대로 수소 가스 누출이 없다면 물이 서서히 증발해 처음 색상으로 돌아온다. 연구팀은 이와 같은 과정을 통해 염료 없이도 나노구조의 규격을 조절해 원하는 색상을 쉽고, 저렴하게 구현할 수 있었다. 이 기술은 유리, 플라스틱 등 투명 기판에도 적용할 수 있을 뿐 아니라 소모 전력 없이 작은 크기로 제작할 수 있어 수소 플랜트, 자동차 연료전지 시스템 등 좁고 복잡한 수소 배관이 지나가는 곳 어디든지 쉽게 부착해 적용할 수 있다. 또한, 수소 가스를 선택적으로 흡수하고 배출하는 고분자 박막을 활용했기 때문에 온도와 습도 등 주변 환경의 변화에 영향을 받지 않고 동작할 수 있어 상용화 가능성이 높다.

실증에 적용된 마이크로 버블-스크러버시스템은 한국생산기술연구원 (원장 이상목, 이하 생기원) 친환경재료공정연구그룹 조형태 박사 연구팀과 태성환경연구소가 2021년 공동 개발했다. 스크러버시스템에 마이크로버블 기술을 접목한 성과로, 스크러버는 액체를 이용해 기체 안에 부유하는 고체나 가스 입자를 포집하는 장치다. 마이크로버블’은 가스를 물속에 녹여 마이크로미터 크기로 만든 기포이며, 기포가 작을수록 가스와 물이 닿는 표면적이 넓어져 반응성이 증가하고, 정전기적 인력도 크게 작용해 유해물질 흡착 효과가 커진다. 연구팀은 송풍기로 가스를 주입해 순수 물과 충돌을 일으켜 미세기 포를 생성하는 시스템을 구현, 에너지 효율을 높임으로써 대형 대기 오염 저감 시스템의 실용화 가능성을 높였다.