한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 차세대반도체연구소 이명재 박사팀이 40nm 후면 조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 mm 수준으로 물체를 식별할 수 있는 ‘단광자 아발란치 다이오드(SPAD)’를 개발했다고 밝혔다. 단광자까지 검출 가능한 초고성능 센서 소자인 SPAD는 그 개발 난이도가 매우 높아 현재까지 일본의 Sony만이 90nm 후면 조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 SPAD 기반 라이다 제품화에 성공해 애플 제품에 공급하고 있다. Sony의 SPAD는 학계에서 보고된 후면조사형 단광자 아발란치 다이오드 보다 우수한 효율 특성을 갖는다는 특징이 있지만 약 137~222ps의 타이밍 지터 성능을 보여 단거리/중거리 라이다 응용에서 요구되는 사용자 구분, 제스처 인식 및 사물의 정확한 형태 인식을 구현하기에 부족했다. KIST가 개발한 단광자 센서 소자는 타이밍 지터 성능을 56ps로 2배 이상 크게 향상시켰으며, 거리 분해능 또한 약 8mm 수준까지 향상돼 단거리/중거리용 라이다 센서 소자로서의 활용 가능성이 매우 높다. 특히 SK 하이닉스와의 공동연구를 통해 양산용 반도체 공정인 40nm 후면조사형 CMOS 이미지 센서 공정을 기반으로 SPAD를 개발했기 때문에 즉각적인 국산화 및 제품화가 가능할 것으로 기대된다.

국제공인 전력기기 시험인증기관인 한국전기연구원(KERI)의 시험 성적서 발행 범위가 ‘전자식 변성기’까지 확대됐다. 변성기는 전력 계통망의 고전압·대전류(High Voltage·Current)를 측정기가 읽을 수 있는 수준의 크기로 낮춰주는 핵심 장치다. 관리자는 이러한 측정기를 통해 전력망의 상태 점검 및 사고 여부를 확인할 수 있고, 전기요금을 산정할 수도 있다. 이 중 최신 정보처리 기술 등이 적용되어 더욱 빠르고 정확해진 전자식 변성기는 전 세계적 ‘디지털 변전소’ 구축 흐름에 따라 수요가 급증하고 있는 장치다. ERI 성과는 국제전기위원회(IEC)의 최신 규격(61869)을 적용한 전자식 변성기의 ‘형식시험 성적서’를 국내 최초로 발행한 것이다. 형식시험은 제품이 필요한 자격요건을 모두 갖췄다고 인증해 주는 절차다. 그만큼 시험을 해주는 기관의 기술력과 전문성이 필요하고, 국제적으로 결과를 인정받기 위한 신뢰성도 요구된다. 그 결과 최근 효성중공업(대표: 요코타 타케시)이 제조한 전자식 변성기의 성능을 효과적으로 검증, 국내 1호 시험 성적서를 발행하는 데 성공했다. 효성중공업은 이를 토대로 내년 전자식 변성기가 적용된 디지털 GIS의 아이슬란드 고객사 입찰을 비롯한 유럽, 중동, 동남아 등 글로벌 시장으로 수출을 모색한다는 계획이다.

한국전기연구원(KERI) 정순신 박사팀이 전자레인지 작동의 핵심 원리인 마이크로파를 활용해 농약 없이 병해충을 효과적으로 방제하고, 농가의 연작장해 피해를 막는 획기적인 기술을 개발했다. KERI의 성과는 마이크로파를 땅속 깊이 침투시켜 토양 속 수분을 가열하고, 열에 취약한 병해충을 방제하는 기술이다. 해당 기술은 호주 등에서 이미 연구가 진행됐지만, 마이크로파가 쉽게 흩어져서(파동의 회절) 땅속 깊이 침투하지 못했고(약 10cm), 잡초 제거 등에만 활용되는 수준이었다. 정순신 박사팀은 마이크로파 성질을 수년간 면밀하게 연구 및 분석해 왔고, 파장을 원하는 대로 늘렸다 줄였다 하며 마이크로파 공간 분포를 조절할 수 있는 수준까지 도달했다. 그리고 이를 기반으로 마이크로파 침투를 극대화할 수 있는 독자적인 안테나(방사부)를 개발하는 데 성공했다. 안테나에서 방사된 마이크로파는 땅속 특정 지점에서 만나도록 유도되어 서로 합쳐져(파동의 중첩) 진폭이 커졌고, 세계 최고 수준인 땅속 30cm 이상 깊이까지 가열할 수 있었다.

한국천문연구원(원장 박영득)은 강원도 서울대 평창캠퍼스에 건설 중인 한국우주전파관측망(KVN) 4호기 서울대 평창 전파망원경(이하 KVN 평창 전파망원경)의 첫 230GHz 신호를 성공적으로 검출했다. KVN 평창 전파망원경은 내년부터 기존 KVN 망원경 3기와 더불어 EHT* 프로젝트에 참가해 초대질량 블랙홀 관측에 직접 참여할 예정이다. KVN 평창 전파망원경은 기존 KVN 망원경의 관측 주파수 대역을 포함해 최고 270GHz에 이르는 고주파수 우주전파신호를 관측할 수 있는 세계 최초 5채널(22/43/86/150/230GHz) 수신시스템을 갖췄다. 지난 10월 100GHz 대역에서 오리온성운 일산화규소(SiO) 분자선을 성공적으로 검출한 데 이어, 가장 높은 주파수 대역인 230GHz 대역에서도 첫 신호(First Light)로 오리온성운 일산화탄소(CO) 분자선 검출에성공했다. 특히, 천문연이 독자 개발한 KVN 다주파수 동시관측 수신시스템은 현재 전 세계 여러 전파망원경에 도입돼 국제 표준으로 자리 잡아 가고 있다. 2022년에는 이탈리아 국립천체물리연구소에 3기를 수출했으며, EHT 전파망원경을 비롯해 차세대 블랙홀 관측을 위한 거대 국제공동연구 프로젝트인 차세대 EHT 프로젝트(ngEHT)*의 핵심 관측 시스템으로 채택됐다.

한국원자력연구원(원장 주한규) 첨단방사선연구소(소장 정병엽)는 ‘방사선 이용 바이오매스 함유 생분해성 고분자 복합소재 제조 기술’을 이레콘텍㈜(대표 구춘원)에 이전하는 기술실시계약을 체결했다고 19일 밝혔다. 정액기술료 7,000만 원에 매출액 1%를 경상기술료로 받는 조건이다. 이번 생분해성 고분자 복합소재 제조 기술로 만든 친환경 콘크리트 블록은 주변 식물의 성장을 도와주고, 재활용하지 않고 버려질 때는 자연분해 되는 장점이 있다. 지난 2021년, 연구원은 과기정통부 ‘방사선 이용 폐플라스틱 저감기술개발사업’의 일환으로 방사선을 활용한 하이드로겔 제조 기술을 개발했다. 물에 녹는 플라스틱 같은 수용성 고분자 물질에 10MeV급 전자빔 가속기로 특정 세기의 방사선을 조사하면 분자 사슬이 연결되어 하이드로겔을 제조할 수 있다. 물을 함유한 젤 형태인 하이드로겔과 나무, 쌀겨, 커피 찌꺼기, 가축분 퇴비와 같은 바이오매스를 섞으면 자연 상태에서도 물과 미생물에 의해 쉽게 분해된다. 친환경 콘크리트 블록은 하이드로겔과 바이오매스, 콘크리트 조성물을 최적 비율로 조합해 만들어졌다. 하이드로겔의 특성 때문에 식물 재배, 물 저장·흡수가 필요한 장소에 블록을 설치하면 건조한 환경에서도 지속해서 수분과 영양을 공급할 수 있다. 블록은 하천이나 강둑에 식생 옹벽, 호안 등의 형태로 사용할 수 있으며, 주차장 잔디 블록과 스마트팜 등 다양한 분야에서도 활약할 수 있다. 방사선융합기술연구부 정성린 책임연구원은 “바이오매스와 하이드로겔이 콘크리트 블록 기능성 향상에 쓰일 수 있다는 것을 적용한 최초 사례”라며, “앞으로도 바이오매스와 하이드로겔을 활용해 친환경 제품을 개발하고 연구하도록 하겠다”고 밝혔다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 센서시스템연구센터 & KU-KIST 융합대학원 서민아 박사팀과 고려대학교 보건과학대학 바이오의공학부 유용상 교수팀이 공동연구를 통해 상온, 상압의 실제 환경에서 0.25% 수준의 극미량의 수소 가스 누출까지 확인할 수 있는 비접촉식 테라헤르츠 광센서를 개발했다고 밝혔다. 연구진은 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 기능을 하는 메타물질을 이용해 극미량의 가스에 의한 테라헤르츠 광신호의 변화를 민감하게 측정할 수 있는 가스 검출 센싱 플랫폼을 개발했다. 이를 위해 먼저 가스에 민감한 테라헤르츠 대역에서 신호를 증폭할 수 있는 테라헤르츠 메타물질을 개발했다. 그리고 이 메타물질에 팔라듐을 균일하게 도포해 14 nm 수준의 극도로 좁은 공간을 형성함으로써 테라헤르츠 신호의 민감도를 극대화시켰다. 팔라듐은 흡착된 수소와 산소의 촉매 반응에 의해 표면에 물 분자를 생성하는 역할을 한다. 이후 수소 및 산소 가스 등을 개발한 센싱 플랫폼에 주입해 광학 신호 값을 분석한 결과, 수 분 이내로 가스 검출 여부를 탐지할 수 있었다. 팔라듐과 같은 금속수소화물은 상변이 후 다시 원래 상태로 돌아올 수 없는 비가역성을 가지기 때문에 재사용이 어려운데, KIST-고려대 공동연구팀은 특수 처리 기술을 통해 샘플의 재사용성을 확보했다. 또한 나노미터 스케일에서 수소가 탈착되는 메커니즘을 광신호를 통해 비접촉식으로 실시간 추적하는 기술개발에 성공했다.

한국핵융합에너지연구원(이하 핵융합(연), 원장 유석재)은 한국형초전도핵융합연구장치 KSTAR의 핵심 장치 중 하나인 디버터를 텅스텐 소재로 신규 개발하여 설치를 완료하였으며, 이를 활용한 KSTAR의 첫 번째 플라즈마 실험을 시작한다고 13일(수) 밝혔다. 기존 KSTAR에는 탄소 소재의 디버터가 설치되어 있었으나, 가열 장치의 성능향상 및 1억도 이상 초고온 플라즈마 운전 시간 증가 등으로 탄소 디버터의 열속 한계치를 넘어서게 되었다. 이에 기존의 탄소 디버터를 열속 한계치가 높은 텅스텐 소재의 디버터로 교체하기로 결정하고, ’18년 개발에 착수하였다. 하지만 텅스텐은 금속임에도 충격에 쉽게 깨지는 성질이 있어, 복잡한 형상의 KSTAR 장치에 맞는 디버터를 개발하는 데 어려움이 있었다. 특히 텅스텐과 냉각수가 흐르는 구리소재의 냉각관의 접합이 난관으로 여겨졌으나, 핵융합(연)은 국내 산업체와의 협력을 통해 고온·고압을 이용하여 두 가지 재료를 접합하는 새로운 방식을 고안해 디버터 개발을 추진할 수 있었다. 그 결과, ’21년 첫 번째 시제품 제작에 성공하였으며, ’22년 9월부터 약 1년간 기존 디버터의 해체와 새로 개발한 텅스텐 디버터의 설치를 진행하였다. 새롭게 설치된 디버터는 텅스텐 소재의 모노 블록으로 만들어진 총 64개의 카세트가 모여 KSTAR 내부의 진공용기 하단부를 360도 두르는 형태로 이루어져 있다.

한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 유기소금(Organic Salts)을 활용하여 환기 및 공조설비에 적용 가능한 항바이러스 필터(Organic Salts For Anti-Microbial Filter, 이하 오스팜 필터)를 개발했다고 밝혔다. 이에 최근 코로나19 이슈로 자외선(UV, Ultraviolet Rays) 살균과 같은 다른 기능성 필터의 적용이 활발해지고 있으나, 기존 환기설비에 적용하기 위해서는 별도의 상세 변경 및 추가 설치작업 등이 필요하다. 이에 건설연 건축연구본부 연구팀(팀장: 배상환 박사)은 유해물질 증식 억제기능이 있는 유기소금을 고분자 합성수지 필터에 분자 수준 크기로 분산 용해시켜 항바이러스, 항균 및 항곰팡이 성능을 안정적으로 발현하는 제조기술을 개발하였다. 일상에서 사용하는 마스크나 부직포 같은 고분자 섬유소재는 멜트블로운(Melt-Blown) 공정을 통해 만들어진다. 멜트블로운 공정이란 고분자 합성수지 알갱이를 고열로 녹인 다음, 액체 상태의 고분자 합성수지를 고압으로 분사하여 마치 솜사탕을 만들 듯이 필터원단(섬유)을 제조하는 방식이다. 연구팀은 멜트블로운 과정에 유기소금(Organic Salts)을 최적 비율로 첨가하여 섬유와 유기소금이 일체화된 필터를 제작하는 기술을 개발한 것이다. 개발된 기술의 장점은 필터 본연의 포집 성능을 유지하면서도 필터의 모든 표면에서 항바이러스 및 항곰팡이 성능을 균일하게 가질 수 있도록 했으며 이에 따른 생산 비용 상승을 최소화하였다. 즉, 기존 필터 생산의 5% 수준인 유기소금 생산에 소요되는 비용만 추가된 것이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 나노포토닉스연구센터 김종범 선임연구원 팀이 공기 중 1,000℃의 고온과 강한 자외선이 있는 환경에서도 광학적 특성을 유지하는 복사 스펙트럼 제어용 내화성 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 란타넘이 도핑된 주석산염(이하 “LBSO”)을 레이저 증착법을 통해 격자 변형이 없는 나노 단위의 얇은 박막 형태로 제작했다. LBSO 소재는 고온에서 산화되는 텅스텐, 니켈, 질화 티탄늄 등 기존 내화 전도성 소재들과 달리 1,000℃의 고온과 9 MW/cm2의 강한 자외선 빛에 노출됐을 때도 성능을 유지했다. 이후 LBSO 소재로 적외선 대역의 파장만을 선택적으로 방출할 수 있는 다층 박막 구조 기반의 열 복사체를 제작해 실험한 결과, 복합적인 구조에서도 박막 형태일 때와 마찬가지로 열과 빛에 대한 안정성을 가져 열광전지(TVP) 발전 기술로의 적용 가능성을 확인했다. LBSO 소재를 사용하면 공기와 만나 산화하는 것을 막기 위한 추가적인 조치 없이도 열복사를 열광 전기 셀에 전달할 수 있다. KIST 김종범 선임연구원은 “날씨에 따라 전기 생산량이 달라지는 태양광이나 풍력 재생에너지의 대안으로 태양열 및 고온 환경에서 방출되는 복사에너지를 활용해 전력을 생산하는 친환경 열광 발전 기술이 주목받고 있다”라면서, “LBSO 소재로 열광 발전의 상용화를 앞당겨 기후변화 및 에너지 위기 대응에 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 나노 소재가 가지고 있는 다양한 성질을 한 번에 측정할 수 있는 융합 나노현미경을 개발했다. 나노 영역에서 융복합 신소재의 물성 연구에 필수적인 장비로, 상용화에 적합해 관련 소재 및 장비 산업 발전을 촉진할 전망이다. 이번에 개발한 현미경은 원자힘현미경, 광유도력현미경, 전기힘현미경의 기능을 합친 융합 나노현미경이다. 렌즈 대신 미세한 기능성 탐침으로 시료를 두드려 그 안팎을 들여다보는 방식으로, 나노물질의 형상과 광학적·전기적 성질을 단 한 번의 스캔으로 동시에 측정할 수 있다. 융합 현미경을 필요로 하는 대표적인 나노 소재는 이중층 그래핀이다. 단층 그래핀에 비해 기계적 강도와 유연성, 열전도율이 높아 응용 잠재력이 뛰어난 물질로 손꼽힌다. 각 층에 가해지는 전압을 달리하거나 겹쳐진 각도를 변형함에 따라 초전도성을 비롯한 다양한 물성을 띈다. KRISS 나노분광이미징팀은 융합 나노현미경을 이용해 이중층 그래핀에서 나타나는 독특한 적외선 흡수반응의 원리를 나노 영역에서 밝혀냈다. 그래핀은 이중층으로 구성하면 단층 구조일 때와 달리 적외선을 흡수하는 영역이 생겨난다. 연구진은 이 같은 현상이 그래핀 두 층 간의 전하 불균형으로 인해 발생한다는 점을 융합 현미경을 통해 확인하고, 인위적으로 전하 불균형을 조절해 적외선 흡수 성질을 제어할 수 있음을 실험을 통해 입증했다