[산업계동향] 신기술ㆍ신제품 개발 소식

커패시터(capacity) 향상을 위한 초박막전자 필름의 개발

오일 기반의 거대 분자(oil-based macromolecule)와 당(sugar)을 연결시킨 새로운 고분자 복합체의 개발은 5 나노미터 크기의 해상도로 자가 조립(self-organization) 이 가능한 초박막 필름을 만들 수 있게 해 준다.

이 기술은 하드디스크의 용량을 증가시키거나 마이크로 프로세서(microprocessor)의 속도를 증가시키는 데 새

로운 지평을 열 것으로 기대된다. Centre de Recherches sur les Macromolecules Vegetales(CNRS)가 주도한 프랑스-미국 연합 연구팀에 의한 이번 연구 결과는 두 개의 특허를 출원하는 데 성공했으며 ACS나노(ACS Nano) 지에 게재되었다. 융합 고분자(hybrid copolymer)에 기 반한 새로운 종류의 박막 필름은 나노리소그래피 (nanolithography), 바이오센서, 광전압전지(photovoltaic cell) 및 유연한 전자기기(flexible electronics) 등에 이용될 의 진보에 중요한 단계로 받아들여지고 있다.

NREL의 분석가들은 일부 에너지 기술에 대해 2,000개 이상의 관련 연구를 검토하였으며, 여기에 품질 관리법을 적용하여 온실가스 배출의 예측 범위를 크게 줄일 수 있었 다. 이번 연구에서는 태양광발전(photovoltaics)에서 발 생하는 생애 온실가스 배출이 석탄에서 발생하는 온실가스

의 약 5% 수준이라는 것을 발견하였다. 그리고 풍력과 태양

에너지는 배출에 있어 거의 동등한 수준이었고, 원자력발전 은 다른 재생가능에너지와 같은 수준인 것으로 나타났다. 이 번 연구로 온실가스 배출에 대한 예측 범위를 큰 규모로 줄 일 수 있었다. 일부의 경우 80~90%까지 예측 범위를 좁힐 수 있었다. 이를 통해 정밀도를 개선하고 다양한 프로젝트에 관련된 이해관계자들에게 더욱 확실한 환경적 영향을 분석 할 수 있는 기회를 제공하게 되었다. NREL의 이번 연구결 과는 Journal of Industrial Ecology에서 확인할 수 있다.

또한 DOE 산하의 브룩헤븐국립연구소(Brookhaven

National Laboratory)의 연구원들과 협력업체도 이번 연 구를 지원하였다. NREL의 과학자이자 이번 프로젝트의 리더인 Garvin Heath는“하나의 사회로서, 우리는 선택 된 에너지가 어떤 효과를 줄 수 있는지에 대해 보다 명확히 이해할 필요가 있다. 온실가스와 기후변화는 이러한 논쟁 의 일부분이다. 우리는 미래 에너지 시스템을 변화시키고 그 모습을 예측하려고 하기 때문에, 그 변화기에서 어떤 일 이 발생하는지 정확하게 이해할 필요가 있다.”라고 밝혔다.

태양이나 풍력과 같은 재생가능한 자원들은 석탄, 석유, 천연가스와 비교할 때 매우 적은 온실가스를 배출한다. 그 러나 Heath와 연구팀의 메타분석(meta-analysis)은 태양 전지판, 풍력터빈, 석탄발전소, 천연가스 라인의 제작부터 폐기까지 전과정의 배출량 예측을 통해 더욱 자세히 들여다 보았다. 점점 더 많은 대출기관, 유틸리티사 임원, 입법관계 자들은 다양한 에너지원에서 발생하는 온실가스 배출의 정 확한 정보를 얻기 위해 노력하고 있다. 그리고 이들은 예측 범위가 너무 크다는 이유로 종종 실망감을 갖기도 하였다.

예를 들어, 주 및 지역 입법관계자가 새로운 석탄화력발 전소와 풍력단지에 대한 장점을 서로 비교할 때, 단지 상대 적인 비용 비교뿐만 아니라 이러한 기술을 선택하였을 때 향후 몇 십년간 환경에 주는 영향에 대해서도 알고 싶어할 것이다. Heath는“이번에 연구된 새로운 접근방법은 올바 른 결정을 내리는데 도움이 될 것이고, 저 기술을 사용하는 것보다 이 기술을 사용함으로써 얻을 수 있는 혜택을 보다 명확히 설명하게 해 줄 것이다.”라고 설명하였다. 프로젝트 개발자, 투자자, 제조자, 유틸리티사들은 모두 그들의 특정 프로젝트나 정책 가이드를 만들기 위한 구성요소로서 이번 조화 예측방법을 사용할 수 있다. Journal of Industrial Ecology의 Reid Lifset는“NREL의 LCA 조화 프로젝트 는 일관성 제고에 많은 도움을 주었다. 그리고 현재 LCA 관 련 논문들의 노력을 훨씬 뛰어넘고 있다.”라고 밝혔다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 5월 11일)

수 있을 것으로 기대된다.

차세대 마이크로프로세서가 개발되기 전, 전기회로를 프린팅하기 위해 이용되는 그 기술은 필수적이었다. 지금 까지, 전기회로에 이용되는 박막 필름은 석유 유래의 합성 고분자에 의해 디자인되었다. 그러나 이들 박막 필름들은 한계가 있다. 그들이 지닌 최소 구조해상도(minimum structural resolution)는 약 20나노미터이고 석유 기반 고분자와 결합에 의해서는 더 줄어들 수 없었다. 이러한 한 계가 차세대 고해상도의 유연한 전자장치를 개발하는 데 주요한 장애물이었다.

왜 그러한 한계가 존재하는가? 두 고분자 블록 사이의 낮 은 불화합성(incompatibility) 때문에 두 고분자들은 모두 오일에서 유래한 것이어야 했다. 그러한 이유로 Centre de Recherches sur les Macromolecules Vegetales (CERMAV)의 선임 연구원인 Redouane Borsali가 이끄 는 연구팀은 융합 물질을 만들었다. 이 새로운 종류의 박막 필름은 당 기반(sugar-based)과 석유 기반(petroleum- derived)의 고분자들을 융합한 것이며 다양한 물리 화학 적 성질을 지니고 있다.

이 중합 고분자는 매우 불화합성이 높은 빌딩블럭으로 이루어져 있으며 작은 물방울에 오일 방울이 결합된 것과 유사한 구조를 지니고 있다. 연구자들은 이러한 종류의 구 조가 스스로의 자가조립을 통해 석유 기반의 고분자 격자 내에서 당 실린더를 형성한다는 것을 보여주었다. 또한 이 새로운 종류의 물질은 풍부하고 재생가능하며 생분해되는 당으로부터 얻어진 것이다.

이러한 기능으로 인해 이 물질은 유연한 전자기기 등에 많이 응용될 것으로 기대된다. 즉, 회로리소그래피(circuit lithography)의 소형화, 정보저장 용량의 6배 증가, 광전 압전지의 성능향상이 가능하다. 연구자들은 현재 이 나노 글리코 필름의 대량 생산을 조절하는 연구를 수행 중이다.

이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 Oligosaccharide/

Silicon-Containing Block Copolymers with 5 nm Features for Lithographic Applications. Cushen, J.;

et al., ACS Nano, Published on the 24 April 2012을 참고하기 바란다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 5월 18일)

일회용 종이 전자 터치패드의 개발

미국과 프랑스의 공동 연구팀이 종이 기반의 전자 터치 패드(paper-based electronic touch pad)를 개발해 음 식물의 포장이나 일회용 의료 장비에 이르기까지 다양한 방면에 응용될 수 있는 저렴한 터치 패드를 만드는 데 성공 했다.

금속이 덧입혀진 종이(박막의 투명 고분자 필름(thin film of transparent polymer)으로 덮여 있는 약 10nm 두께의 알루미늄 층으로 코팅된 종이)로 만들어진 터치패 드(touch pad)가 개발되었다. 예를 들자면, 그 종이는 상 업적으로 생산되어 맥주병 위에 빛나는 라벨이나 책의 커 버 등에 이용될 수 있다. 그리고 이것들은 $0.25/m

정도 의 가격으로 매우 저렴하다.

이에 대해 미 하버드대(Harvard University)의 George Whitesides의 랩에서 연구를 수행한 Aaron Mazzeo은

당(sugar)을 연결시킨 새로운 고분자 복합체의 개발.

그림. 연구진이 개발한 종이 터치패드.

“우리는 뛰어난 기술을 지닌 저렴한 비용의 물질들을 디자 인하는 시스템에 관심이 있다.”고 말했다. 이번에 개발된 시스템의 핵심은 그 종이가 커패시터(capacitor)의 필수 적인 요소들을 가지고 있다는 점이다. 실제로 얇은 금속 표 면의 두 면이 그들 사이에 존재하는 작은 틈 사이에 쉽게 놓 일 수 있다. 연구팀은 두 개의 커패시터 배열에 대한 테스트 를 수행했다. 하나는 전도성 표면에 대해 수직으로 존재하 는 덮개를 지닌 단일 시트(single sheet)를 이용하고 있으 며 다른 하나는 금속 표면에 수평 덮개를 가지고 있는 두 개 의 종이 시트를 이용하고 있다.

이에 대해 Mazzeo는“우리는 금속화된 종이에 별개의 전도성 영역을 만들기 위해 레이저 커터를 이용했다.”고 말 했다. 레이저를 이용해 표면 내에 존재하는 많은 수의 커패 시터를 절단하는 것이 가능하며 이들 각각은 패드 위의 키 와 서로 대응하고 있다. 각각의 키들은 외부 전원과 연결되 어 키가 터치될 때 전기회로가 생겨나게 된다. 인간의 몸은 그 자체로 전도체의 역할을 하고 손가락이 키를 터치하게 되면 키의 커패시턴스(capacitance)에 큰 증가가 생겨 외 부 전자 기기에 의해 감지된다.

이에 대해 Mazzeo는 종이 터치패드는 관련 전원과 전자 기기들이 저렴하고 유연하며 휴대가 가능해질 때 실용화될 수 있다고 말했다. 그럼에도 불구하고, 여전히 터치패드의 응용 분야는 매우 다양하다. 한 가지 응용 분야는 포장의 안 전에 관한 분야이다. 카드보드 박스가 터치패드와 결합되 어 내용물의 안전을 보장할 수 있다. 그 박스는 키가 제대로 눌러져야 작동하며 그렇지 않은 경우에는 열리지 않는다.

영국 캠브리지의 IDTechEx의 인쇄 전자기기 전문가인 Khasha Ghaffarzadeh은 이번 연구에 대해“이것은 정말 재미있는 연구이다. 그러나 저자들이 지적한 바와 같이 외부 전자 장치의 한계가 존재하며 이것은 종이 기반의 전자 기기 가 바람직한 성능을 내는데 걸림돌이 되고 있다.” 고 말했다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 5월 17일)

차세대 IT기술로 이용 가능한‘슈퍼나노” 플라 스틱 섬유

프랑스의 재료 연구자들이 일요일 그들이 휴대용 전자기 기, 컴퓨터 및 태양전지에 이용가능한 나노스케일의 고전

도플라스틱 와이어(highly-conductive plastic wire)를 개발했다고 보고했다.

2011년 남프랑스 레스 메스(Les Mees, southern France) 에서 찍힌 이 사진은 태양 패널을 보여주고 있다. 프랑스의 재료 과학자들은 나노 스케일 크기의 고전도성 플라스틱 와이어를 만들었고 이들은 이동 장치나 컴퓨터 등에 이용 될 수 있다고 말하고 있다. 단지 수십 억 분의 1정도의 크기 를 지닌 나노 섬유들은 가볍고 비용이 저렴하며 유연하기 때문에 일반적인 탄소 나노튜브*에 비해 다루기가 쉽다는 특징을 지니고 있다고 연구진은 나노화학(Nature Chemistry) 지에서 말하고 있다.

그 와이어들은 수십 년 동안 복사기(photocopiers)에 서 사용되어 왔던 트리아릴아민(triarylamine)이라 불리 는 인위적인 분자들의 파생물로 이루어져 있다. 이번 연구 에서 연구자들은 그 나노와이어들이 빛의 번쩍임 등에 의 해 자동적으로 자가조립되며 구리와 같은 정도의 전도성을 지닌다고 말하고 있다.

벤치 테스트 실험에서(bench-test experiment), 그 작 은 물질들은 100나노미터(1미터의 10억 분의 100) 정도 떨어져 있는 두 전극 사이에 일종의 다리(bridge)를 형성한 다. 이 에 대 해 국 립 과 학 연 구 소 (National Centre for Scientific Research (CNRS))의 연구자들은“그 연구자 들은 현재 그들이 개발한 섬유들이 유연한 스크린, 태양 전 지, 트랜지스터와 프린트된 나노회로와 같은 미니어쳐화 된 전기 장치에 산업적으로 이용이 가능하다.”고 말하고 있다.

탄소나노튜브*: 1991 년 일본전기회사(NEC) 부설 연구

그림. 나노 스케일 크기의 고전도성 플라스틱 와이어는

이동 장치나 컴퓨터 등에 이용될 수 있다.

소의 이지마 스미오 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견 하였다. 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연 결되어 관 모양을 이루고 있다. 관의 지름이 수∼수십 나노 미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 나 노미터는 10억 분의 1m로 보통 머리카락의 10만 분의 1 굵 기이다. 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연 계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다

100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지

는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 4월 27일)

구조조절특이성을지닌바이오기반고분자의 합성

고분자 합성을 위한 새로운 바이오 기반의 합성 기술이 최종 고분자 구조에 대한 조절을 보다 용이하게 하고 나노 의학 분야에서 많은 발전을 가져오게 할 수 있을 것이라고 일련의 연구자들이 보고하고 있다.

지난주 네이처 화학(Nature Chemistry)지에 게재된 논문에서, 시드니 뉴사우스 웨일즈대 (University of New South Wales)와 영국 워릭대(University of Warwick) 의 연구자들이 분리(segregation)와 주형(templating) 에 기반한 새로운 고분자 생산 기술을 소개했다. 분리와 주 형은 수십 억년 동안 복잡한 생물학적 구조를 만들어내기 위한 자연적인 형태의 기술이다.

분리(segregation)는 잘 정의되고 조절된 환경으로 반응 액을 조절함으로써 생명체 내의 세포에서 생화학적인 조절 능 력 을 향 상 시 킨 다. 반 면 유 전 적 정 보 의 전 달 은 주 형 (templating)에 영향을 받게 된다고 논문에서 설명되고 있다.

이에 대해 뉴사우스웨일즈대 화학공학과(School of Chemical Engineering at UNSW)의Advanced Macromolecular Design (CAMD) 소속 Per Zetterlund 교수는“정확하고 조절된 방법으로 고분자들을 합성하는 능력은 우리로 하여 금 특별한 능력을 지닌 고분자들을 만들 수 있게 하며 재료 과학, 나노 및 나노 의학분야에 큰 도움을 줄 수 있다”고 말 했다. 일반적으로 수천 개의 작은 분자들로 이루어진 분자 들은 서로 연결되어 시술과 같은 구조를 형성한다. 고분자

들은 서로 속성이 다를 수 있고 기능도 다를 수 있다. 이들 사슬들을 성장시키는 방법 중 하나는 자유 라디칼을 이용 하는 라디칼 중합(radical polymerisation)으로 알려진 과정이다. 이들은 매우 반응성이 뛰어나며 쌍을 이루지 않 는 전자들을 가지고 있는 분자들이다.

Zetterlund은 이에 대해 자유 라디칼들이 모노머들을 첨가함으로써 사슬 성장을 시작한다고 설명했다, 이를 통 해 계속해서 모노머가 첨가된 새로운 라디칼들이 만들어져 이 과정이 지속되게 된다. 하지만 Zetterlund은 일반적인 라디칼 중합은 잘 정의되어 있지 않고 고분자들을 만들어 낸다고 말한다.그들은 분자량이 매우 다양하고 단량체의 서열도 정의하기 힘들어 사슬의 길이들을 사전에 조절하기 힘들다는 단점이 있다.

Zetterlund은 이에 대해“합성 고분자 화학”에서의 장 기적인 목표중의 하나는 잘 정의된 구조를 지닌 고분자를 합성하는 것이다. 우리의 연구방법은 분자량의 분포를 보 다 잘 조절할 수 있게 하고 보다 분자량이 높은 고분자나 단 량체 서열을 만들 수 있게 한다”고 말했다. 그는 또한 이 기 술은 기능을 조절할 수 있도록 고분자의 물리적 기계적 속 성을 조절하게 해주며 이를 통해 고분자의 중합을 조절할 수 있게 해준다고 덧붙였다.

마지막으로 그는“바이오 고분자의 전체적인 구조는 DNA의 이중염기 가닥에 의해 실증된 바와 같이 어떻게 고 분자 사슬들이 접히느냐에 따라 조절될 수 있다. 그러한 움 직임을 모방하기 위해 길이에 따라 특이적인 단량체를 지 닌 고분자들을 준비하는 것이 필요하다”고 덧붙였다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 5월 10일)

pH로 유기촉매를 조절하는 기술의 개발

영국의 화학자들이 단순하게 pH를 바꾸어줌으로써 스 위치온 되는 유기촉매(organocatalyst)를 개발해 화제가 되고 있다. 그 연구자들은 빛, 온도, 전기장 등과 같은 자극 을 포함한 다양한 외부 요인들을 이용해 활성-비활성 (activation-deactivation) 기술이 다양한 범위의 촉매에 이용가능하다고 말하고 있다.

이번 연구는 다중 스위치 촉매(multiple switchable

catalyst) 등을 포함한 합성에 이용될 수 있는 복잡한 연속

촉매 경로를 구축하는 데 있어 하나의 가능성을 연 것으로 평가된다. 연구진이 개발한 촉매는 로탁산(rotaxane)-축 (axle)을 따라 자유롭게 움직이는 거대고리(macrocycle) 를 통해 매달려있는 하나의 축으로 구성된 분자 구조를 지 니고 있다-에 기반을 두고 있다. 또한 부피가 큰 스톱퍼 (stopper group)가 축의 양 끝 쪽에 매달려 있어 거대고리 (macrocycle)가 빠져나가는 것을 막아준다.

David Leigh가 이 끄 는 에 딘 버 그 대 (Edinburgh University)의 연구자들이 축의 중앙에 일종의 특성화된 유기 촉매의 역할을 하는 디벤질아민/암모늄 (dibenzylamine/

ammonium)기가 첨가된 로탁산을 합성하는 데 성공했다.

산성 조건에서, 로탁산이 양성자화되면 그 거대 고리의 선 로 결 합 위 치 는 축 의 중 앙 에 있 는 암 모 늄 그 룹 (ammonium group)이 된다. 이러한 조건에서 거대 고리

는 중앙의 촉매 영역을 숨기게 되고 그 분자로 하여금 촉매 성을 잃게 만든다. 그러나 그 분자가 양자화되지 않았을 때 는 거대 고리가 트리아조늄(triazolium) 위치에 결합하게 되어 촉매가 활발하게 일어나도록 만든다.

연구팀은 시남알데히드 (cinnamaldehyde)에 티올 (thiol)의 첨가가 이들이 양자화되지 않은 경우에도 로탁산 에 의해 촉매될 수 있음을 보여주었다. pH를 증가시키기 위해 수산화나트륨(sodium hydroxide) 을 첨가시킴으로 써 탈양자화(Deprotonation) 가 이루어진다.

이에 대해 Leigh은“축에 들어갈 수 있는 서로 다른 촉매 그룹들은 매우 많으며 빛, 전류, 온도 등과 같이 로탁산에 존재하는 고리의 위치를 변화시킬 수 있는 많은 방법들이 존재한다. 이러한 것들은 서로 다른 시간에서 서로 다른 촉 매를 스위칭시켜 일반적인 빌딩 블록들을 조립할 수 있는 가능성을 제시한다. 우리는 이미 축에 서로 다른 촉매 그룹 들을 붙이는 연구를 시작했으며 이들의 스위칭을 위해 서 로 다른 종류의 자극을 주는 실험을 하고 있다.”고 말했다.

로탁산과 관련된 화학적 연구(rotaxane chemistry)를 수행한 바 있는 노스웨스턴대(Northwestern University) 의 Fraser Stoddart 은“산과 염기를 차례로 첨가해 스위 치 온, 오프할 수 있는 유기 촉매를 만드는 것은 촉매의 활 성/불활성에 관한 조절을 할 수 있게 하는 분자 디자인의 힘 을 입증하는 것이다. 화학 자극을 지닌 촉매와 기계적인 움 직임을 결합시키는 것은 우리에게 화학 반응성을 증가시키 기 위해 조합된 분자 시스템을 이용하게 하는 단계에 한층 더 다가갈 수 있게 만들어줄 수 있을 것이다.”고 말했다.

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 4월 25일) 그림. pH를 바꾸어줌으로써 스위치온 되는 유기촉매

(organocatalyst)의 메커니즘.