이길호 교수(포스텍)연구팀은 이차원 물질의 가장 자리에 일차원 양자 투과 접합을 형성하는 기법(Side tunneling contact)을 개발하고, 연구 결과를 Nature에 발표하였습니다(2022년 3월).

그동안 고체계에서는 물론 원자분자광학계를 포함한 물리 전분야에서 관측하지 못했던 지속적 플로켓 상태(steady Floquet state) 를 세계 최초로 관측하는데 성공하였고, 또한 조길영 교수(포스텍) 연구팀과의 공동 연구를 통해 이를 이론적으로 규명하였습니다.

이번 연구는 양자 상태를 바꾸는 새로운 방법론을 제시한 것으로 향후 응집물질계에서 비평형 양자역학계를 연구할 수 있는 새로운 플랫폼이 될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

한진희 교수(KAIST)는 생쥐 뇌에서 기억저장 뉴런을 표지하고 추적 관찰할 수 있는 기술을 이용해 같은 경험을 다시 할 때에 원래 존재하던 오래된 기억 뉴런이 새로운 뉴런으로 교체됨을 규명하여 Current Biology에 발표했습니다(2021년 10월).

이번 연구는 같은 기억이 같은 뉴런으로 계속 저장됨으로써 경험이 누적될 수 있다는 기존의 통념과 달리, 같은 경험을 다시 할 때 뇌에서 다이나믹하게 뉴런이 새로 교체됨을 최초로 증명하였다는 점에서 기존의 패러다임을 전환하는 중요한 학문적 의미가 있으며, 향후 노화 및 뇌질환으로 인한 기억상실을 해결할 수 있는 기술 개발에 기여할 것으로 기대합니다.

조승환 교수(포스텍) 연구팀은 다치환 유기붕소 화합물을 활용한 비대칭 반응 개발에 관한 연구 결과를 정리하여 화학분야의 세계적인 권위지인 Accounts of Chemical Research에 초청 리뷰 논문을 게재 했습니다(2021년 10월).

키랄성 붕소 화합물은 다양한 화학적 변환이 가능하기 때문에 유기화학에서 가장 활용도가 높은 반응 중간체로 알려져 있습니다. 조승환 교수는 키랄성 붕소 화합물을 합성하는 독창적인 연구를 수행하고 있으며, 이번 리뷰 논문은 그간 조승환 교수 연구팀이 개발한 다치환 유기붕소 화합물을 활용한 키랄성 붕소 화합물 합성 전략에 관한 내용을 중심으로 정리 하였고, 향후 관련 연구가 나아가야 할 방향을 제시 하였습니다

조승환 교수는 2018년 아연을 포함하는 다중유기붕소 화합물의 합성과 이를 활용한 키랄성 붕소화합물 합성 전략을 Angewandte Chemie International Edition (ACIE)에 보고 하였고, 2021년에는 반응 메커니즘의 이해를 바탕으로 다중유기 붕소화합물의 알릴화 반응을 개발하여 Journal of the American Chemical Society (JACS)에 보고하는 등 관련 연구 결과를 꾸준히 발표하였으며, 금번 리뷰 논문은 유기붕소 화합물 분야에서 독자적 연구 성과가 인정받고 있다는 의미가 있습니다.

권오훈 교수(UNIST)는 나노 다이아몬드가 내는 빛을 검출하는 분석법을 개발하여 ACS Nano에 게재하였습니다(2021년 12월).

발광소자로 각광을 받는 양자점이나 반도체 나노입자의 광효율을 증진하기 위해서는 각각의 양자점이나 나노입자의 크기, 모양, 결함구조 등에 기인하는 입자별 광물리적 특성 파악이 핵심입니다.

권오훈 교수 연구팀은 초고속 전자현미경(ultrafast electron microscopy) 기술 및 음극선 발광(cathodoluminescence) 검출 기법, 시간 상관 단광자 계수(time-correlated single photon counting)기법을 접목하여 개별 나노 입자 수준에서 발광 스펙트럼 및 발광 수명을 피코초 시간분해능으로 측정할 수 있는 시공간분해 음극선 발광 검출법을 구현했습니다. 그리고 본 연구방법론을 이용해 발광 소자 뿐만 아니라 양자 정보 소자로의 응용이 기대되는 나노다이아몬드(nanodiamond) 단일 입자의 시분해 발광 특성을 탐구하고, 입자 내 전하수송체(charge carrier) 이동 메커니즘에 의한 실시간 발광 특성 변화 과정을 규명하였습니다.

이번에 개발된 기법을 통해 발광 소자의 구조-특성 상관관계를 나노미터 수준에서 연구할 수 있는 분광 이미징 토대를 마련했으며, 장차 태양전지 및 광촉매의 효율 증대를 위한 연구에도 활용이 가능하리라 기대합니다.

김형준 교수(KAIST)와 최창혁 교수(포스텍)는 전기를 가한 금속 전극 주변에 액체 속 이온이 쌓이면서 생성되는 특이한 층 구조인 ‘전기 이중층‘의 구조를 규명하여 Nature Communications에 게재하였습니다(2022년 1월).

전기 이중층은 에너지 변환/저장 성능에 영향을 미치는 주요한 요소임에도 불구하고, 나노 크기 정도의 공간에서 물과 이온들의 복잡한 배열을 가지는 구조이기 때문에 이를 직접 관측하기란 불가능에 가까워 오랜 기간 동안 이에 대한 연구의 뚜렷한 진보는 없었습니다.

이번 연구에서 연구진은 양자역학 및 분자동역학에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 개발하여 전기 이중층 구조를 규명하는데 성공하였으며, 이러한 결과는 실제 실험에서 측정되는 전기 이중층의 물리적 특성을 정확하게 예측할 수 있었습니다. 또한 더 나아가 전기 이중층 구조를 실제로 제어할 수 있는 전략을 도출하였으며, 이를 통해 탄소 저감에 중요한 전기화학적 이산화탄소의 연료화 반응 효율 제어에 성공하였습니다.

본 연구를 통해 오랜 난제인 전기 이중층 구조를 규명하는데 성공했을 뿐 아니라, 이를 제어하여 친환경 전기 에너지의 변환 및 저장 성능을 획기적으로 높일 수 있는 가능성에 첫 단추를 꿰었다는 의미가 있습니다.

이수형 교수(연세대) 연구팀은 Masses of hadrons in the chiral symmetry restored vacuum연구를 Physical Review D에 게재하였습니다(2022년 1월).

이수형 교수의 연구는 강입자의 질량에 근본과 chiral symmetry breaking효과의 연관성을 밝힌 논문으로 일본 가속기 센터의 주요 실험 관심사 중의 하나입니다. 이수형 교수는 본 연구 내용으로 일본 가속기 센터 (JPARC)의 국제학회 및 워크샵에 초청 강연을 하였으며(2022년 2월) 국제적인 주목을 받고 있습니다.

최석봉 교수(서울대)는 자성체에서 자구벽이 이동할 때 발생하는 Walker 붕괴 현상이 두 차례 이상 발생하는 사실을 발견하여 Scientific Reports에 발표했습니다(2022년 2월).

외부 자기장의 세기가 증가함에 따라서 자구벽의 이동 속도가 증가하다가 어느 순간에 속도가 급격히 감소하는 Walker 붕괴 현상이 발생합니다. 이러한 현상은 일종의 에너지 barrier를 넘어서는 현상으로 이해할 수 있는데, 자성체의 구조에 따라서 Walker 붕괴 현상이 두 차례 발생하는 현상을 발견하였고 그 원인을 시뮬레이션과 이론으로 밝힘으로써 자구벽 동역학의 이해를 높였습니다.

김정용 교수(성균관대) 연구팀은 엑시톤 간 상호 작용을 억제하여 반도체의 비발광 엑시톤 충돌현상을 줄일 수 있다는 것을 최초로 증명하고, 발광 반도체의 고휘도 양자효율을 획기적으로 향상한 연구 결과를 Nature Communications에 게재했습니다(2021년 12월).

LED와 같은 반도체 발광소자는 광여기하거나 전기적으로 주입된 전자(-)와 정공(+)들이 만나 엑시톤을 이루고, 이 엑시톤들이 다시 광자로 변하면서 빛을 발하는 원리로 작동합니다. 다만, 높은 밝기를 얻기 위해 엑시톤의 밀도를 증가시키면, 엑시톤이 광자로 변하기 전에 서로 충돌해 소멸되어 (엑시톤이 갖는 에너지는 열로 소비됨) 고휘도에서의 LED 양자효율이 급격히 줄어드는 전형적인 문제가 있습니다. 엑시톤이 광자로 변하기 위해선 보통 수 나노(10억분의 1)초의 시간이 걸리는데 이보다 먼저 충돌하면서 소멸되기에 엑시톤의 평균수명도 밀도가 높아짐에 따라 10배 이하로 급격히 줄어든다고 알려져 있습니다.

연구진은 양자가둠 효과가 큰 2차원 반도체에서 더욱 심화되는데 착안하여, 엑시톤들이 무작위가 아닌 전기장에 의한 상호 인력에 의하여 충돌이 가속된다고 가정하고 전기장 차폐 성질이 있는 금속 박막을 2차원 반도체에 근접시키고 고휘도에서 양자효율을 측정한 결과 금속 박막이 없을 때보다 최고 16배 증가시킬 수 있었습니다. 2차원반도체와 인접 금속판과의 간격 변화에 따른 엑시톤 간 충돌 확률을 양자역학 기반으로 계산한 결과와 실험 결과가 완벽히 일치하여 연구진이 세운 가설의 효용성이 확인되었습니다. 이 연구결과는 반도체 LED의 고휘도 양자효율 저하 문제의 해결책으로 의미가 있다고 할 수 있습니다.

양희준 교수(KAIST) 연구팀은 전자의 운동량 또는 오비탈에 따른 전기적 게이팅 현상을 측정하고, 전자의 에너지와 운동량을 모두 활용할 수 있는 2차원 터널링 소자를 제시하는 연구결과를 Advanced Materials 에 발표하였습니다(2021년 12월).

양희준 교수는 전자의 에너지와 운동량을 모두 활용하여, 기존에 복잡한 구조(에사키 다이오드 등)에서 발현되던 부성미분저항 (negative differential resistance)을 간단한 방법으로 구현할 수 있었으며, 터널링 소자의 주요한 특징인 온도에 민감하지 않은 양자 소자를 제작할 수 있었습니다. 또한 기존 원자 단위에서 관측됐던 슈타르크 효과 (Stark effect)를 상온 고체 소자에서 처음으로 유도하고 공명 터널링 현상으로 관찰할 수 있었습니다.

지금까지 전자 소자는 전압을 가했을 때 주어지는 에너지로 전류를 만들어 구동되었습니다. 전자의 운동량 정보는 전자 확산에 기반한 기존 전자 소자에서는 나타나지 않고, 터널링과 같은 양자역학적 전하 수송에서 발현될 수 있는데, 2차원 소재의 경우 전자의 운동량에 따라 층간 상호작용의 정도가 달라지며, 얇은 터널링 배리어(tunnel barrier)를 쉽게 제작할 수 있다는 특성을 활용하여 전자 오비탈 터널링 소자를 개발할 수 있었습니다. 또한, 본 연구진은 2단자 오비탈 게이팅 (orbital self-gating) 소자를 광센서에 활용하여 높은 민감도와 빠른 동작 속도를 동시에 구현할 수 있는 새로운 소자 아키텍쳐를 제안하였습니다.

박병국 교수(KAIST) 연구팀은 차세대 비휘발성 메모리로 개발중인 스핀궤도토크 자성메모리 (SOT-MRAM)의 스위칭 방향을 전기장으로 제어하는 소재 기술을 개발하고, 이 결과를 이용하여 자성메모리 소자에서 논리연산을 구현함으로써 기억과 연산 기능을 동시에 수행하는 스마트 소자의 개발 가능성을 보여주는 연구결과를 Nature Communications에 발표하였습니다(2021년 12월).

스핀궤도토크 자성메모리는 기존의 스핀전달토크 자성메모리 (STT-MRAM) 보다 동작 속도가 10배 이상 빠르고 높은 안정성을 가져서 차세대 자성메모리 기술로 주목을 받고 있지만, 정보 기록을 위해서 외부자기장 인가가 필요한데, 이는 고집적 메모리 소자 구현에 걸림돌로 여겨지고 있습니다.

박병국 교수는 자성메모리에 측면 게이트 구조를 도입하여 라쉬바 효과를 제어함으로써 외부자기장 인가가 필요 없는 스핀궤도토크 스위칭 기술을 개발했습니다. 그리고, 게이트 전압의 극성으로 스위칭 방향을 제어하는 결과를 이용하여 하나의 소자에서 배타적 논리합(XOR), 논리곱(AND) 등의 다양한 논리연산을 구현하는 데 성공하였습니다.

또한, 본 연구를 통해 확보한 기술에 대한 특허를 출원하여, 데이터를 저장하는 메모리 반도체와 연산 기능을 수행하는 로직 반도체가 융합된 MRAM 기반 PIM 소자의 원천 기술을 확보하는 데 큰 의미가 있습니다. 더 나아가 이 기술은 폰노이만 구조를 갖는 기존 컴퓨팅 기술의 한계를 넘는 차세대 지능형 반도체 소자 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대합니다.

이경진 교수(KAIST) 연구팀이 스핀 기반 차세대 반도체 기술(스핀트로닉스)의 최신 연구 동향 및 미래 발전 전략을 정리한 ‘준강자성체 기반 스핀트로닉스’ 리뷰 논문이 Nature Materials에 표지논문으로 게재되었습니다(2022년 1월).

지난 수십 년간 스핀트로닉스에서 주로 사용돼 왔던 강자성체는 스핀 동역학 속도가 기존 정보 처리 기술의 수준과 유사한 GHz 수준에 머물러 정보 처리 속도 향상에 어려움을 겪고 있었습니다.

이경진 교수는 2017년에 준강자성체의 스핀 동역학 속도가 기존 대비 약 천배 빠른 THz 수준이라는 점에 주목하고 이를 이용해 스핀 메모리로 활용되는 자구벽을 강자성체보다 월등히 빠른 속도로 구동할 수 있음을 보여 동 저널에 게재한 바 있고, 2019년에는 준강자성체를 이용하면 스핀 양자 정보의 장거리 전송이 가능함을 밝혀 동 저널에 보고했습니다.

수년간에 걸친 꾸준한 연구성과로 인해 준강자성체 기반의 초고속 초고집적 스핀트로닉스에 대한 관심이 고조되고 있으며, 현재 세계적으로 관련 연구가 활발히 진행 중입니다.

또한, 연구팀은 준강자성 기반의 초고속 자기광학 장치 개발 및 준강자성체가 갖는 독특한 스핀파 성질을 이용한 파동/양자 정보처리 기술 개발 등을 제시하였으며, 새로 개발된 준강자성체는 기존의 자성체와 근본적으로 다른 흥미로운 물리현상을 보일 것으로 기대되어 준강자성체 기반의 근본 자성 연구에 대한 발전 방향도 제시했습니다.

이번 리뷰 논문은 그동안 강자성체에만 집중돼왔던 스핀트로닉스 연구를 준강자성체로 확장시키는데 중요한 이정표가 될 것으로 기대됩니다.

명재민 교수(연세대) 연구팀이 녹색광 페로브스카이트 발광 다이오드(PeLED) 내 정공 수송층으로 Föster resonant energy transfer (FRET)을 통한 에너지 전달을 유도하여 PeLED의 효율을 향상시킨 연구 결과가 Advanced Functional Materials의 표지 논문으로 선정되었습니다(2022년 2월).

본 연구결과는, 정공 수송층의 발광 파장과 CsPbBr3 흡광 파장의 중첩에 의한 FRET효과로 정공 수송층에서 발광층으로 에너지 전달이 가능함을 평균 형광 감쇠 시간의 증감으로 증명하였습니다. 그리고, PVK와 CBP를 혼합한 정공 수송층의 도입은 가전자대 최대값 제어를 통해 발광층으로의 정공 주입 효율을 향상시켰습니다. 그 결과로 PVK와 CBP가 혼합된 정공 수송층이 적용된 CsPbBr3 PeLED는 15.4%의 우수한 외부 양자 효율을 나타내었으며 PVK 단일 정공 수송층을 적용한 PeLED 대비 구동 시간이 3배 이상 향상되어, 향후 PeLED 상용화를 위한 발광 효율 및 안정성 향상 기술 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.

또한, 명재민 교수는 페로브스카이트 발광층을 나노 복합체 형태로 제어하여 우수한 특성의 순청색 발광다이오드를 구현한 연구 결과가 Advanced Optical Materials의 뒷 표지 논문으로 선정되었습니다(2022년 1월).
PeLED에서 대표적으로 사용되는 정공 주입층인 PEDOT:PSS에 CsCl 도핑을 통해 PEDOT:PSS 박막의 전도도와 일함수의 감소를 유도하여 페로브스카이트 발광층으로의 정공 주입을 용이하게 함으로써 소자 성능을 향상시켰습니다. 또한, 페로브스카이트 박막의 결정화 과정에서 PEDOT:PSS에 존재하는 Cs+와 Cl- 이온이 확산하여 CsPbBrxCl3-x 상과 더불어 Cs4PbBrxCl6-x 상의 형성을 유도하여 나노 복합체 형태의 페로브스카이트 결정 형성을 유도하였고, 이는 Cs4PbBrxCl6-x 상이 CsPbBrxCl3-x 상에 존재하는 결함들을 효과적으로 Passivation할 뿐 아니라, 더 얕은 가전자대 준위를 형성하게 하여 정공 주입 효율 향상에 따른 고성능의 순청색 발광 다이오드(발광 파장 470 nm, 외부 양자 효율 5.3%)를 구현할 수 있었습니다. 본 연구 결과는 차세대 고성능 청색 PeLED 상용화를 위한 기술 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.

최수석 교수(포스텍) 연구팀은 키랄성 광학 젤(Chiral Photonic Gels, CPG)의 전기적 스트레인 유도에 의한 카이랄젤의 전기 조절형 스트레칭 가시광 색파장 튜닝 방법의 기술적 전략을 최초로 제시하였습니다. 연구 결과는 Nanophotonics에 게재되었습니다(2022년 1월).

연구팀은 키랄성 나노분자 구조체를 유연한 나노구조 필름 형태로 형성한 후, 추가적으로 스트레인 자극을 가해 나노길이 변화방식에 의한 광학적 밴드의 파장 위치와 길이를 조절하는데 성공하였습니니다. 특히, 많은 선행 연구에서 제시하지 못했던 전기적 신호 방법에 의한 스트레인 유도형 키랄 나노구조체의 변화를 실험적으로 검증함으써 전 기연신 키랄광학소재 (Electrically Stretchable Chiral Photonic Gels)의 가능성을 확인하였습니다.

이번 연구는 가시광 영역에서의 넓은 파장 조절 범위와 높은 반복 파장 조절 회복 구동 신뢰성을 전기적 조절 방식을 통해 확인함으로써 디스플레이, 이미지센서 등의 색변환형 화소설계와 해상도 증가에 기여할 것으로 예상됩니다. 또한 향후 유연한 화소형 파장조절형 튜너블 레이져 기술로 확대될 것으로 기대하고 있습니다. 특히, 이번 연구는 디스플레이, 이미지센서, 레이저등의 연구를 넘어 모든 RF 및 초단파의 파장의 조절 연구와 파장선택 기반의 Bio응용 연구 등으로 적용과 확대를 기대되고 있습니다.

이상권 교수(중앙대) 연구팀은 나노 두께의 2차원 전이금속인 PtSe2를 적층한 PtSe2/PtSe2 homostructure에서 제벡효과 현상을 측정하는 과정에서 PtSe2 층 사이의 interface (계면)에서 유도되는 새로운 제벡효과 (interfaced-induced Seebeck effect)가 있다는 것을 발견하였고 실험적 검증과 이론적 분석 결과를 ACS Nano에 게재했습니다(2022년 2월).

본 연구는 기존의 물리로는 이해할 수 없는 새로운 물리 현상으로 새롭게 제시된 계면 유도 Seebeck effect는 저항이 높은 PtSe2 층에 저항이 낮은 PtSe2층을 PtSe2/PtSe2 homostructure 형태로 적층한 구조에 in-plane 방향으로 온도 구배가 주어지면 아래층 PtSe2에 존재하는 hot carrier들이 위층과의 계면으로 이동하여 축적되거나 위층에 주입되어 상대적으로 한 개 층만으로 구성된 PtSe2에 비해 높은 제벡계수를 갖는 현상이라고 할 수 있습니다.

이러한 연구결과는 아래층의 높은 제벡계수와 위층의 상대적으로 낮은 전기전도도를 이용하는 새로운 방법으로 다양한 소재의 열전 파워지수(thermoelectric power factor) 향상이 기대됩니다.

박재형 교수(성균관대)는 경북대학교 백문창 교수 연구팀과 함께 암세포의 엑소좀(exosome) 생성 및 분비를 억제하는 약물을 기반으로 면역관문억제제의 효능을 크게 향상시키는 병용치료법을 개발하여 국제 학술지 Advanced Science에 게재하였습니다(2022년 2월).

종양세포에서 분비된 엑소좀 PD-L1은 혈액을 통해 온몸을 순환하면서 세포 독성 T세포의 사멸을 유도하고 면역관문억제제의 기능을 저해하는 것으로 알려져 있습니다. 연구진은 임상에 적용되고 있는 약물을 대상으로 고속 대량 스크리닝(high throughput screening)을 통하여 엑소좀 PD-L1의 생성 및 분비를 억제할 수 있는 후보 약물을 발굴하였습니다. 또한, 면역관문억제제와 병용 투여 시 T 세포를 활성화 시켜 종양 치료 효과를 대폭 향상시킬 수 있음을 검증하였습니다.

본 연구는 면역관문억제제로 치료가 되지 않거나 효능이 미비한 환자에게 적용 가능하며, 기존 면역관문억제제로 치료되지 않았던 다양한 암 종에 확대 적용이 가능할 것으로 기대됩니다.

문준혁 교수(서강대) 연구팀은 탄소나노튜브와 몰리브덴산화물(MoO3)이 각각 입자의 표면의 절반씩 차지하는 ‘야누스’ 입자로 이루어진 전극을 이용하여 6분 내 완전 충전 조건에서 기존 리튬이온전지 대비 40% 향상된 용량을 구현한 결과를 Nano Energy에 게재했습니다(2022년 2월).

차세대 리튬 전지로 잘 알려진 리튬-황 전지는 기존 리튬이온전지보다 약 5배의 높은 에너지 밀도로 주목받았으나 부도체 특성을 갖는 황의 느린 충•방전 반응이 단점으로 지적되어 왔습니다. 이에 탄소나노튜브에 의한 높은 전기전도도와 MoO3에 의한 충•방전 반응의 촉진 기능을 한 입자 내에 동시에 가지게 되는 야누스 입자를 제조하여 리튬-황 전지의 산화 환원 반응을 배가할 수 있었습니다.

정대성 교수(포스텍) 연구팀은 태양 직사광과 같은 강한 배경광에서 물체를 확인할 수 있는 분자스위치 내장형 포토다이오드 구현에 대한 연구 결과를 Advanced Materials에 게재하였습니다(2022년 3월).

본 연구에서는 유기 반도체의 낮은 전하이동도로 인한 기존 유기 포토다이오드의 이른 광전류 포화 현상을 극복하기 위해, 쇼트키 접합(Schottky junction)과 광증폭형(photomultiplication-type) 포토다이오드의 구동 기작을 입사광 세기에 따라 자율적으로 변환시키는 이론적 방법을 제시하고, 이를 실험적으로 증명하였습니다.

본 연구에서는 광활성층으로 사용되는 유기 반도체의 특성을 개질하여 광전류 포화 현상을 극복하는 기존 연구 결과들과 달리, 분자 스위치의 도입을 통해 다양한 색 선택성을 가지는 포토다이오드를 구현함으로써 광활성층의 특성을 변화시키지 않는 보편적인 기술임을 확인하였습니다.

해당 연구를 통해 개발된 분자 스위치 내장형 포토다이오드는 직사광과 같은 강한 세기의 입사광에 자주 노출되는 자율주행자동차, 무인기 등에 응용될 것으로 기대됩니다.

김병수 교수(연세대)는 홍합족사단백질의 핵심아미노산을 모사한 단량체에 기반한 폴리에테르를 개발하여, 복합적 수소결합이 접착력의 핵심 기능을 수행한다는 사실을 밝혀내고, 연구 결과를 Journal of the American Chemical Society에 발표하였습니다(2022년 3월).

홍합족사단백질의 우수한 수중 접착력을 이해하고 그 특성을 모사하려는 시도가 활발하게 이어져 왔습니다. 김병수 교수 연구팀은 높은 친수성, 유연성을 가지는 폴리에테르를 고분자의 주사슬로 사용하였을 때 기능기 간의 인력 뿐만 아니라 주사슬과 기능기 간의 다양하고 복합적인 수소결합으로 인해 전체적인 수중접착력의 세기가 증가한다는 사실을 처음으로 파악하였으며, 현존하는 가장 높은 표면접착력을 얻을 수 있었습니다.

본 연구를 통해서 단백질 모사형 고분자의 새로운 장을 열 수 있는 기반기술을 제공함과 동시에 다양한 고분자간 상호작용 연구에 활용될 수 있을 것이라 기대됩니다.

노종선 교수(서울대), 신동준 교수(한양대), 김영식 교수(조선대) 공동 연구팀은 양자 내성의 격자기반 암호의 문제 중 특정 파라미터에 대한 Ring-SIS와 Module-SIS의 새로운 환원(reduction) 관계를 유도한 논문을 IEEE Access지에 게재하였습니다(2021년 12월).

본 연구팀은 2020년에 Module-SIS가 Ring-SIS보다 더 쉬운 파라미터 값들이 존재함을 증명했었는데, 이번 연구를 통해 Module-SIS가 Ring-SIS보다 더 쉬운 파라미터 값들이 적용 범위가 더 광범위함을 새롭게 증명하였습니다.

또한, 다양한 정보이론적 metric들을 활용하여 암호시스템에 일반적으로 적용하여 안전성 레벨을 이론적으로 추정할 수 있는 정보이론적 보안 분석 측도(security measure) 및 이론적 상한/하한 관계를 새롭게 유도하여 IEEE Access지에 발표하였습니다(2021년 10월). 이 연구를 통해 연산 정확도가 제한된 환경에서 암호 알고리즘을 구현하는 경우 보안성에 미치는 영향을 분석할 수 있는 이론적 기반을 마련할 수 있었습니다.

신동준 교수(한양대) 연구팀은 효율적인 부동소수점 동형 연산 방법을 새롭게 제안하는 연구 결과를 CRYPTO에 제출하였습니다(2022년 2월).

그동안 효율적인 실수 동형연산을 지원하는 암호는 CKKS가 유일하였으나 오직 고정소수점 연산만 지원할 수 있었는데, 신동준 교수 연구팀이 제안한 방법을 통해 CKKS뿐만 아니라 TFHE와 같은 이진 기반 동형암호에서도 부동소수점 연산이 가능하게 되었습니다.

이 과정에서 가장 큰 문제 중 하나는 부동소수점 연산 과정 중에 오버플로우(overflow) 발생을 암호 해독이나 정보 유출 없이 동형적으로 검출하는 문제였으며, 신동준 교수는 이 문제를 해결한 OD-FHE (Overflow Detectable FHE)를 새롭게 제안하여 처음으로 부동소수점 연산을 동형암호로 구현할 수 있도록 만들었습니다.

최신현 교수(KAIST) 연구팀은 차세대 메모리 중 하나로 각광받고 있는 멤리스터의 가장 큰 문제점인 신뢰성을 양이온/음이온을 동시에 이용하는 하이브리드 방식으로 개선하여, 연구 결과를 Science Advances에 발표하였습니다(2022년 1월).

현존하는 멤리스터로 실용적인 대용량 인공신경망 컴퓨팅(Large-scale neural computing) 시스템을 만들기 위해서는 멤리스터 단위 소자의 신뢰성을 확보할 수 있는 연구가 필요합니다. 소자의 신뢰성 저하는 전통적으로 비정질 물질 내에 무작위적으로 움직이는 결함 및 이온의 배치에서 일어나게 됩니다.

연구팀은 기존의 비정질 물질을 사용해 신뢰성을 확보할 수 있는 다공성 구조의 양이온 제어층 및 버퍼층으로 이용되는 음이온 제어층을 설계했고, 이를 통해 적층 및 집적 가능한 소자를 제작하였습니다. 연구팀은 기존 소자 대비 6배 이상 신뢰성을 개선할 수 있었으며, 이와 동시에 인공 시냅스 소자로서 필요한 다른 특성들도 확보할 수 있었습니다. 해당 구조는 저온 공정을 통해 형성함으로써 기존 실리콘 상보형 산화금속 반도체(CMOS)에 집적 및 적층이 가능해 집적도 높은 대용량 로직, 인공신경망 컴퓨팅 시스템에 이용 될 수 있습니다.

고신뢰성 시냅스 소자는 안정적인 대용량 어레이 제작의 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대되며, 차세대 신소자를 기반으로 한 뉴로모픽 컴퓨팅 등 빅데이터 처리가 필요한 응용 분야에 적합한 플랫폼을 구축하는 데 기여와 함께 다양한 차세대 소자에 사용되는 여러 물질계에서도 구조적으로 적용할 수 있는 방법론을 제시함으로써 활발한 연구가 진행될 것으로 기대합니다.

최재혁 교수(KAIST)는 고성능 반도체 시스템의 핵심인 초저잡음 고주파 클럭 신호 생성기가 차지하는 실리콘 면적을 극적으로 줄일 수 있는 기술을 개발하여 핵심 연구 내용을 제69회 International Solid-State Circuit Conference (ISSCC) 에서 발표하였습니다(2022년 2월).

수 Gbps에 달하는 통신속도 달성을 위해 고차 변복조 기술을 사용해야 하는 5G 무선통신 시스템과 Lane 당 100Gbps 이상의 속도를 목표로 하는 고속 Serdes 유선통신 시스템은 공통적으로 매우 낮은 잡음 특성을 갖는 고주파 기준 클럭을 필요로 합니다. 초저잡음 신호 생성을 위해서 기존 Fractional-N PLL은 매우 높은 Quality factor를 갖는 passive 소자들을 필수적으로 사용하여 왔는데 이들은 실리콘 집적도 향상을 막는 가장 큰 요인이 되어 왔습니다.

본 연구를 통해 실리콘 집적의 주요 bottleneck인 대면적 passive 소자를 사용하지 않고도 최신 5G 통신이 요구하는 초저잡음 성능을 만족시킬 수 있는 5 GHz 대역 링 오실레이터 기반 digital fractional-N PLL을 개발하였으며 ISSCC2022을 통해 개발한 기술을 소개하였습니다.

정명수 교수(KAIST) 연구팀은 그래프 기계학습이 가능한 계산형 스토리지/SSD 가속기를 세계 최초로 개발하여, 기존 기술의 성능을 7배 능가하는 연구 결과를 USENIX Conference on File and Storage Technologies (FAST)에 발표하였습니다(2022년 2월).

연구팀은 그래프 기반 신경망 기계학습 모델(GNN)을 그래프 데이터 자체가 저장된 스토리지/SSD 장치 근처에서 바로 처리하여 가속하는 ‘전체론적 그래프 기반 신경망 기계학습 기술’을 세계 최초로 개발하였습니다.

특히, 주목할 만한 점은 해당 기술이 다양한 그래프 기계학습 모델을 쉽게 프로그래밍할 수 있는 소프트웨어 프레임워크와 사용자가 자유롭게 변경할 수 있는 신경망 가속 하드웨어 로직 및 RTL들을 제공한다는 것입니다.

이는 최신 고성능 엔비디아의 GPU 가속 컴퓨팅 대비 33배 적은 에너지로 7배 빠른 추론 속도를 가졌으며, 기존 고성능 가속 시스템을 대체해 초대형 추천 시스템, 교통 예측 시스템, 신약 개발 등의 광범위한 실제 응용에 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

* 데모 동영상: HolisticGNN: Demo video for our computational SSD prototype - YouTube

2021년 올해의 최석정상 수상자로 김재경 교수(KAIST), 임선희 교수(서울대)가 선정되었습니다(2021년 11월).

김재경 교수는 수학과 의생명과학을 연결하는 의생명수학 분야를 개척하는 연구를 통해 기존 수학의 응용 범위를 획기적으로 확장한 공로가 인정되었습니다. 특히, 수면 불안정 치료 신약을 개발하는 과정에서 나타난 난제를 수리 모형을 이용해 해결함으로써 수면 질환 예방•치료의 새로운 패러다임을 제시하였습니다.

임선희 교수는 기체분자와 같은 작은 입자의 불규칙한 운동(브라운 운동)이 시간이 지남에 따라 어떤 형태를 띠는지를 상당히 일반적인 공간에 대해 증명한 공로가 인정되었습니다. 또한, 뇌 네트워크, 관상동맥 등 다양한 환자 네트워크에 무질서도(엔트로피)를 이용한 데이터 분석, 위상 데이터 분석 등을 적용하는 새로운 방법론을 제시하였습니다.

* 올해의 최석정상
우리나라를 대표하는 수학자로 과학기술인 명예의 전당에 헌정된 ‘최석정 선현‘을 기리고, 수학 발전•활용 및 수학문화 확산에 기여한 과학기술인을 선정하고 격려하기 위해 2021년 처음으로 시행되었습니다.

김성연 교수(서울대)가 제15회 아산의학상(젊은의학자부문) 수상자로 선정되었습니다(2022년 1월).

김성연 교수는 위장의 팽창 신호를 받아 포만감을 일으키는 뇌신경세포를 발견하고, 추울 때 따뜻함을 찾는 체온 유지 행동의 신경회로를 최초로 규명하는 등 생리적 욕구와 본능적 행동의 과학적 원리를 제시해 뇌신경과학 발전에 기여한 공로가 인정되었습니다.

김성연교수는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 통해 물리적 포만감의 신경학적 기전을 총체적으로 연구하고 있으며 최근에 섭취 및 소화 과정에서의 장 기계 감각의 신경 신호 연구에 대한 리뷰 논문을 Nature Review Neuroscience에 게재하였습니다(2022년 1월).

곽준명 교수(DGIST)는 한국과학기술한림원에서 주관한 제6회 카길한림생명과학상을 수상했습니다(2022년 2월).

곽 교수는 식물세포분야를 선도하는 연구자로서 식물의 발달을 정교하게 이뤄내는 세포 활동과 반응을 규명하고 식물의 기관 탈리(脫離)를 효과적으로 연구하기 위한 새로운 세포모델을 최초로 발굴해 확립한 점을 인정받아 카길한림생명과학상을 수상했습니다.

* 카길한림생명과학상
농•수•축산학 분야에서 연구개발 실적이 탁월해 국제적으로 높은 평가를 받고 있는 과학기술자를 선발 및 포상함으로써 농•수•축산학 분야 과학기술인의 긍지를 드높이고자 2015년 제정된 상입니다.

안명주 교수(삼성서울병원/성균관대)가 ‘2021년도 20회 보건의료기술진흥 유공자 정부포상 시상식’에서 보건복지부 장관 표창 우수연구부문 수상자로 선정되었습니다(2021년 11월).

안명주 교수는 암 진료 분야의 장기 공헌 및 기초, 중개, 임상연구에 이르는 폭넓은 연구 활동을 통해 우수한 학술적 성과를 창출하여 국내 보건의료기술 진흥 및 국내 의료기술의 국제적 위신 향상에 기여한 공로를 인정받아 수상의 영예를 안았습니다.

* 보건의료기술진흥 유공자 정부포상
우리나라 보건의료기술의 우수성과 중요성을 알리고 보건의료기술 발전에 크게 공헌한 유공자를 포상하기 위해 제정되었습니다(보건복지부와 한국보건산업진흥원이 주최).

박홍규 교수(고려대)가 과학기술정보통신부와 한국과학기술기획평가원이 발표한 ‘2021년 국가연구개발 우수성과 100선’에서 최우수 연구로 선정되었습니다(2021년 11월).

이번 국가연구개발 우수성과 최우수 연구 선정은 정부지원을 받은 약 7만 R&D과제 중 각 부∙처∙청이 추천한 852건의 후보성과를 대상으로 공개검증을 거쳐 100건의 우수성과를 선정하고, 이 중에서 선정된 총 12건의 최우수성과로서 박홍규 교수는 빛을 효율적으로 발생시키고 조절하는 새로운 나노광학 분야를 개척한 공로를 인정 받아 선정되었습니다.

최민기 교수(KAIST)가 40세 미만 과학기술인에게 수여되는 대통령상인 젊은 과학자 상을 수상하였습니다(2021년 12월).

최민기 교수는 촉매 설계의 새로운 패러다임을 제시한 고분자 코팅기법을 개발한 공로를 인정받았습니다.

조승우 교수(연세대)가 과학기술정보통신부가 주최하는 이 달의 과학기술인상을 수상하였습니다(2022년 3월).

조승우 교수는 줄기세포와 조직공학을 기반으로 인공 뇌를 구현하고, 뇌를 외부물질로부터 보호하는 혈뇌장벽을 모사한 장기칩을 개발한 공로를 인정 받았습니다.

양희준 교수(KAIST)가 2022년 7월 국제 순수 및 응용물리연합 (IUPAP) 창립 100주년 심포지엄에서, Young Scientist Prize(YSP) 수상자로서 반도체 및 응집물질 물리학 분야 초청 강연 예정입니다.

IUPAP은 전 세계 반도체물리학 분야에서 가장 뛰어난 연구성과를 이룬 젊은 과학자 2명을 2년에 한 번씩 선정하고 있으며, 양희준 교수는 저차원 반도체 소재를 활용한 상전이 소자, 그래핀 배리스터 등을 최초로 제안한 공로를 인정받아 2018년 수상자로 선정되었습니다.

심병효 서울대 전기정보공학부 교수가 2021년 IEEE COMSOC(국제전기전자학회 통신 소사이어티)의 Asia Pacific Outstanding Paper Award를 수상하였습니다.

2018년 IEEE Wireless Communications에 출판된 논문에서 초고신뢰-초저지연(ultra reliable and low latency communication:URLLC)을 위한 패킷 전송, 프레임 구조및 스케쥴링 기법을 제안하였으며 연구 결과는 5G 초기표준인 Rel. 15및 Rel. 16 표준화 및 상용화에 영향을 미쳤습니다. 해당 논문은 IEEE 통신 소사이어티의 Popular Article에 선정되었으며 URLLC기술의 5G 표준화에 많은 기여를 하였으며 현재까지 350회 넘게 인용되었습니다

최재혁 교수(KAIST) 연구팀은 ‘제 22회 대한민국 반도체 설계 대전’의 대통령상을 수상하였습니다(2021년 11월).

조윤서, 박선의, 방주은 학생으로 구성된 연구팀은 6G 통신을 위하여 100GHz 이상의 초고주파대역에서 초저잡음 신호를 생성할 수 있는 CMOS 공정 기반의 칩을 개발하였습니다.

6G 통신은 5G 통신 대비 100 배 빠른 1 Tbps를 목표로 연구가 진행되고 있습니다. 높은 주파수 대역을 사용할수록 넓은 통신 대역폭을 사용할 수 있기 때문에 1 Tbps에 달하는 전송 속도 달성을 위해 6G 통신은 100 GHz 이상의 주파수 대역을 사용하게 됩니다. 하지만, 이러한 높은 주파수 대역에서 반송파로 사용될 수 있는 정확한 기준 신호를 CMOS 공정을 이용하여 만드는 것은 난제입니다. CMOS 공정이 소형, 저전력 설계에 유리함에도 불구하고, 동작 주파수와 고주파 대역 gain 측면의 한계가 있고 잡음 특성 또한 SiGe, InP 등 타 공정에 비해 불리하기 때문에 100 GHz 이상의 주파수 대역에서 초저잡음 성능을 달성하는 것은 어려운 일로 생각되어 왔습니다.

대통령상을 수상한 본 연구는 이러한 CMOS 공정의 한계를 회로 설계 기술로 극복하여 세계 최초로 100 GHz 이상의 주파수 대역에서 100fs 미만의 초저잡음 성능을 달성하는 것에 성공하였습니다. 본 연구는 CMOS 공정 기반 고집적 6G 통신 회로 시스템 구현의 가능성을 보여주었고, 미래 6G 통신 반도체 기술 경쟁력 제고에 역할을 할 것으로 기대됩니다.

- 강문진 교수(KAIST), 김도헌 교수(서울대), 배상수 교수(한양대), 손재성 교수(UNIST), 윤효재 교수(고려대), 이경한 교수(서울대), 이길호 교수(포스텍), 이은지 교수(GIST), 이현우 교수(서울대), 정대성 교수(포스텍), 홍원빈 교수(포스텍)

또한, 과학기술분야에서 20년 이상 활동하며 선도적인 연구 성과를 내고 해당 분야의 발전에 현저히 공헌한 과학기술인들을 선정하는 한림원 정회원으로는 올해 27명이 선정되었으며, 그 중 삼성미래기술육성사업의 연구책임자 6명이 선정되었습니다.

- 김일두 교수(KAIST), 김형범 교수(연세대), 이기암 교수(서울대), 이원준 교수(고려대), 주태하 교수(포스텍), 천정희 교수(서울대)