정재일 교수(서울시립대)는 다층 회전그래핀으로 이루어진 이차원 무아레 초격자 물질에서 위상기하적 성질을 가지는 플랫밴드가 생성되는 조건에 대한 연구와 전기적 물성을 이해 가능하게 하는 전자구조 연구를 진행한 결과, 각분해능 광전자분광 실험에서 관측 가능한 분광함수의 성질을 계산하고 이를 Nature Physics 에 논문 발표했습니다(2020년 9월)  * UC Berkeley 및 Lawrence Berkeley 국립연구소와 공동으로 진행

또한, 전기전도도 실험에서 관측 가능한 다층 무아레 그래핀의 베리곡률과 위상플랫밴드의 성질을 물리적으로 해석하는 연구를 달성하여 이를 Nature Communication에 발표 하였습니다(2020년 11월). 본 연구는 인도 뭄바이의 Tata Institute of Fundamental Research 연구진과의 공동연구 성과로 이를 통해 다층 회전그래핀으로 이루어진 무아레 소재에서 생성되는 플랫밴드를 시각화하고 무아레 소재의 전기적 물성을 해석하는 토대를 마련하였습니다.

이승준 교수(고려대)는 암흑물질 구성에 관한 연구 결과를 Journal of High Energy Physics에 발표했습니다(2020년 10월).

이승준 교수는 컴포짓힉스, 등각장론 혹은 축척불변 이론 등에서 존재할 수 있는 새로운 물질들이 딜라톤을 매개로 표준모형 입자들과 상호작용하여 우주 암흑믈질을 구성할 수 있는가에 대해 이론 분석과 데이터 분석을 병행하여 연구를 수행해왔습니다.

이현우 교수(포스텍)는 박제근 교수(서울대)와 공동으로 2차원 반데르발스 물질인 Fe3GeTe2에 전류를 걸면 이 물질이 강자성 물질에서 연자성 물질로 바뀐다는 것을 확인하고 이를 이용해 자기메모리의 에너지 효율을 높이는 방법을 발견하여 Advanced Materials에 발표했습니다(2020년 12월).

Fe3GeTe2는 강자성 물질로서 N극과 S극 정보를 안정적으로 유지할 수 있는데 새로운 정보를 쓰려고 할 때만 Fe3GeTe2를 연자성 물질로 바뀔 수 있습니다.

이 성질을 이용하면 정보 저장 안정성을 훼손하지 않으면서 자기메모리의 에너지 효율 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 작은 전력으로 빠르게 자료를 처리하고, 전원이 꺼져도 정보가 지워지지 않는 저전력 고속 비휘발성 메모리 실현에 한발 다가선 것으로 기대되고 있습니다.

신의철 교수(KAIST)는 코로나19 환자는 회복 후기 단계부터 코로나19 바이러스를 적으로 인지하는 면역세포인 ‘기억 T세포’의 수가 증가하며 회복된 뒤 충분한 기억면역반응 능력을 갖게 되는 것을 확인하여 Immunity에 발표하였습니다(2020년 12월).

이 결과는 코로나19에 걸리면 T세포가 제 기능을 못한다는 초기 추정이 틀린다는 것을 확인한 결과로, 이를 바탕으로 코로나19 백신에 의해 유발되는 T세포 면역반응의 특성 규명에도 탄력을 받아 면역력이 얼마나 오래 지속될 지도 추정 가능하게 될 것으로 기대됩니다.

정원석 교수(KAIST)는 성체 뇌에서 기억을 담당하는 시냅스가 제거되는 새로운 방식을 규명하여 Nature에 발표했습니다(2020년 12월).

신경세포인 뉴런과 뉴런 사이를 연결하는 시냅스는 뇌 안에서 정보를 학습하고 기억하는 역할을 담당하는데 기억이 형성되는 과정에서 기존의 시냅스가 사라지고 새로운 시냅스가 형성되는 현상이 일어납니다.

연구팀은 뉴런을 둘러싸고 있는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 ‘별아교세포’가 성장한 생체의 뇌에서도 활발하게 시냅스를 제거하고 있음을 처음으로 밝혀냈습니다. 이 연구를 바탕으로 ‘별아교세포’가 시냅스을 제거하는 현상을 조절하게 할 수 있다면 자폐증, 조현병, 치매 등 뇌신경질환 치료에 새로운 전기를 마련할 수 있을 것으로 기대됩니다.

박정원 교수(서울대)는 물질 성장의 시작인 결정핵이 생성되는 과정을 실험을 통해 검증함으로써 고체 물질이 형성되는 과정의 근본 원리를 규명하여 Science에 게재하였습니다(2021년 1월).

기존의 핵생성 이론은 원자들이 처음부터 규칙적으로 정렬을 이루며 결정을 형성한다는 것이었습니다.

그러나 이번 연구에서 박교수는 sub-msec 의 속도의 이미징이 가능한 in situ 수차보정투과전자현미경을 이용하여 원자들이 무질서하게 뭉친 덩어리 구조(비결정상)가 됐다가 정렬을 이루며 결정을 형성한 구조(결정상)도 되는 상태를 반복하면서, 결정의 크기가 커짐에 따라 점차 원자들이 정렬된 구조로 유지되어 결정상의 상태가 되는 핵의 생성 과정을 밝혀냈습니다.

이동환 교수(서울대)는 하나의 벤젠 고리 주변에 여러 개의 양이온성 파이-컨쥬게이션 "머리"와 탄소 사슬 "꼬리"를 문어발처럼 갖는 분자가 음이온과 만나 응집체를 형성하는 과정에서 형광성이 급격히 증가하는 현상을 이용해서, 수용액 조건에서 소수성 양이온을 선택적으로 감지하는 새로운 개념의 초분자 센서를 만들어 Angewandte Chemie에 게재했습니다(2021년 2월).

사람에게 가장 일반적인 환경인 물이, 화학자들에게는 가장 도전적인 용매 환경입니다. 소금(NaCl)을 만드는 이온결합은 섭씨 800도가 되어야 분해될 만큼 강하지만, 물에서는 순식간에 녹아 양이온과 음이온으로 나누어집니다. 물속에서도 이온결합을 유지하려면 긴 탄소 사슬을 이용해서 물 분자의 접근을 효과적으로 막아줘야 하는데, 사슬을 달아 소수성을 크게 만든 분자는 애초에 물에 잘 녹지 않는다는 모순이 있습니다. 더구나, 소수성의 근원이 되는 판데르발스 힘은 세기가 약하고, 방향성도 없으며, 아주 짧은 거리에서만 작용하는 비공유결합이기 때문에 자유롭게 움직이는 분자 수준에서 조절이 매우 어렵습니다.

본 연구에서는 형광체의 "머리"는 그대로 둔 채, 탄소 사슬 "꼬리"의 길이를 체계적으로 바꾸는 방법을 통해 거대한 양이온 분자의 극성을 정교하게 제어하고, 이를 통해 수용액에서 음이온에 대한 감응성도 자유롭게 바꿀 수 있다는 점을 최초로 보였습니다.

이흥규 교수(KAIST)는 뇌종양 세포가 주변의 산소를 먹어 치우며 면역세포를 무력화하는 과정을 밝혀내고, 그 연구 결과는 Nature Immunology에 게재되고 News & Views 코너에서도 소개되었습니다(2021년 2월).

악성뇌종양인 교모세포종은 평균 생존기간이 1~2년 정도로 짧은 예후가 매우 좋지 않은 종양으로 알려져 있습니다.

연구팀은 악성 뇌종양 세포의 과도한 산소 소비로 인한 감마델타(γδ) T 세포의 면역반응 저하 과정을 규명하였고 감마델타 T 세포의 저산소 환경을 해소하자 항종양 면역반응이 개선되는 것을 뇌종양 생쥐모델을 통해 확인했습니다.

안경원 교수(서울대)는 빛을 빠르게 모조리 흡수하는 초흡수 현상을 구현하여 Nature Photonics에 발표하였습니다(2021년 3월).

빛이 빠르게 방출되는 초방사 현상에 대칭되는 초흡수 현상은 이론적으로는 예측됐으나 실제로 관측된 것은 이번이 처음으로 마치 시간을 되돌리듯이 초방사 상태의 원자를 제어해 초흡수 현상을 실험적으로 구현해낸 것입니다. 나노구멍 격자와 위상 제어 레이저, 공진기 등으로 구성된 특수한 실험장치를 고안해 초흡수 현상을 구현하는 데 성공하였습니다.

빛을 보통보다 더 빠르고 완벽하게 흡수하는 초흡수 현상이 가능하다면 식물의 광합성이나 태양전지에서의 빛에너지 수확 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 광자를 이용한 양자정보처리의 효율향상이나 천체관측을 위한 미세한 광신호 감지 등에도 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

이장식 교수(포스텍)는 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 이용하여 강유전체 메모리를 구현하는 방법을 제시하는 연구 결과를 Science Advances에 게재하였습니다(2021년 1월).

새로운 방식으로 구현된 강유전체 메모리는 기존 플래시 메모리나 페로브스카이트 기반 강유전체 메모리보다 훨씬 우수한 메모리 특성을 보였으며, 수직 구조의 소자 제작을 통해 고집적 3차원 메모리에 적용될 수 있음을 확인하였습니다.

지금까지 강유전체 메모리는 강유전 물질의 분극 현상을 활용해 정보를 저장하기 때문에 플래시 메모리에 비해 낮은 작동 전압에서 빠르게 동작 가능하다는 점에서 주목받아 왔습니다. 하지만 높은 열처리 온도, 불안정한 동작 특성, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제 등이 상용화의 발목을 잡았습니다.

연구팀은 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하고, 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현하였습니다. 그 결과, 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서 수백 배 이상 빠른 동작 속도, 1억 번의 반복적인 동작에도 안정적인 특성을 보이는 것을 확인하였습니다.

이번 연구 결과는 기존 3차원 낸드 플래시 메모리의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 고집적·고성능 메모리를 구현하기 위한 기반 기술을 확보하고, 그 가능성을 직접 확인했다는 데 큰 의미가 있습니다.

김동유 교수(GIST)는 우수한 전기적 및 자기적 성질을 보이는 열린/닫힌 껍질 (Open-shell and Closed-shell)을 가지는 퀴노이드-방향족(Quinoid-Aromatic, Q-A) 공액 고분자를 개발하고 이들의 구조에 따른 전기적 및 자기적 특성의 상관관계를 규명하였습니다. 연구 결과는 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재됐습니다(2021년 1월).

논문에서는 공액 고분자의 전기적 특성뿐만 아니라 자기적 성질을 향상시킬 수 있는 분자 구조 설계를 제시하였습니다. 길이가 다른 두 개의 퀴노이드 구조체를 이용하여 퀴노이드-방향족 공액 고분자 2종을 개발하였습니다. 길이가 짧은 닫힌 껍질 퀴노이드를 포함하는 고분자는 유기 트랜지스터에서 2 cm2/Vs 이상의 높은 전하 이동도를 보였습니다. 한편, 길이가 긴 열린 껍질 구조의 라디칼을 포함하는 고분자는 라디칼의 스핀에 의한 향상된 자기적 성질이 관찰되었습니다.

이번 연구결과는 라디칼을 가지는 구조체를 이용한 높은 자기적 성질을 보이는 공액 고분자를 개발할 수 있는 원천 기술을 확보한 것에 가장 큰 의의가 있다고 밝혔습니다. 해당 연구를 통해 더 강한 자성을 가지는 유기물 자성 소재의 개발에 기여할 것으로 기대합니다.

조형균 교수(성균관대) 연구팀은 Cu(구리)-In(인듐)-Se(셀렌)계의 열역학적 상태도를 기반으로 미세한 조성조절을 위한 전기화학증착 기반 전구체 합성 공정을 설계해 셀렌화 공정을 통해 2상(phase)이 공존하는 반도체소재구조를 설계하여 교류전압에서 구동하는 고성능 태양광 물분해 시스템을 구현하고, 연구 결과를 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였습니다(2021년 1월).

다상복합구조는 반도체전극 내부와 표면에서 형성된 전하공핍영역의 확장효과로 인해 향상된 전하수송효율을 보이며 다상의 존재로 인해 음(-) 전압 하에서의 환원과 양(+) 전압 하에서의 산화 반응에서 광전류를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 교류전압으로 발생하는 광전류를 모두 유의미하게 활용할 수 있는 새로운 구동 시스템이라고 할 수 있습니다.

또한, 표면에 수소이온흡착을 용이하게 하고 가스 클러스터의 조대화를 억제해 직류전압 시스템보다 156% 향상된 수소 발생량 확인하여 교류전압 구동형 광전기화학 물분해 시스템의 가능성을 검증하였습니다.

백정민 교수(성균관대)는 UNIST 양창덕 교수 연구팀과 함께 C60으로 기능화된 폴리이미드를 개발하여 비접촉 방식의 고출력 나노발전기를 개발하여 국제적 학술지 Energy & Environmental Science에 게재하였습니다(2021년 1월).

일반적으로 마찰발전은 두 표면 사이의 물리적 접촉에 따른 재료 마모로 인해 출력 전력의 감소, 기기 교체 필요성, 작동으로 인한 소음 등의 문제점이 제기되어 왔습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 비접촉 방식의 마찰 전기 발전기가 대안으로 부상하고 있으나 두 소재 사이의 거리가 증가함에 따라 전기 출력이 감소하는 문제가 있었습니다.

연구진은 위의 한계를 돌파하고자 높은 전하 포집 특성을 가지는 탄소 동소체 C60을 선정하여 이전 연구에서 개발한 폴리이미드에 펜던트(pendent) 형태로 도입했습니다. 그 결과 기존 대비 4.3배 더 높은 출력과 3배 높은 전하유지효율의 성능을 나타내어 세계 최초로 비접촉 방식의 도어락과 자동차 스피드센서에 적용해 우수한 성능과 소자 안정성을 선보였습니다.

정현종 교수(건국대)는 2차원 금속인 그래핀과 2차원 부도체인 hexagonal boron nitride만으로 전류를 백만배까지 스위칭할 수 있는 고체전자 소자를 개발하여 Nature Communications 에 발표하는 성과를 이루었습니다(2021년 2월).

전계 방출 배리스터(Field-Emission Barristor)라 명명된 신규 전자소자는 게이트 전압으로 그래핀 내 전자의 에너지를 조절하여 그래핀과 육방정계 질화붕소 사이에 형성된 터널링(tunneling) 장벽의 높이를 제어하고 이에 따라 전계 방출(field-emission) 전류를 제어하게 됩니다.

역사적으로 최초의 트랜지스터가 진공관 소자를 대체한 이후로 70년 이상 동안 ‘반도체 소자’라는 용어가 ‘고체 전자소자’라는 의미로 사용되고 있듯이, 고체전자소자에서 반도체 물질은 필수적입니다.

하지만, 본 연구는 최초로 반도체없이 고체전자소자를 구현하였습니다. 새로운 소자는 반도체가 없어서 영하 258℃부터 영상 127℃까지 전류-전압 특성이 변하지 않습니다. 이처럼 반도체’없는’소자의 차별성을 확인함으로써, 전계 방출 배리스터는 반도체 물질의 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 광범위한 온도에서 동작하는 전자소자, 특히 극한의 환경에서도 동작하는 센서 등 기존의 반도체 소자로는 구현이 어려운 새로운 기능을 개발할 수 있는 가능성을 제시합니다.

김형범 교수(연세대)는 DNA 염기 서열을 변화시켜 생명 현상이 발생한 시간을 측정하는 시스템을 세계 최초로 개발하여 Cell에 게재하였습니다(2021년 2월).

이 연구는 연세대학교 의과대학 정인경·조성래 교수, 연세대학교 응용통계학과 박태영 교수, 서울대학교 전기정보공학부 윤성로 교수 연구팀과 공동으로 진행되었습니다.

유전자 가위를 이용하여 DNA 염기 서열 변이를 추적함으로써, 질병이 언제 발생했는지 알 수 있고, 이를 통해 질병의 진행 정도에 따른 치료법을 적용할 수 있어 인체가 바이러스에 언제 감염되었는지도 정확히 추적할 수 있을 뿐만 아니라 노화 등 대부분의 생물학 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

최은미 교수 (UNIST)는 신개념 전파자원인 궤도각운동량 (OAM)을 적용한 무선 통신의 채널 용량 예측 공식을 마련하여 OAM 적용시 한번에 최대로 보낼 수 있는 데이터 전송량 예측을 가능하게 하였고 실험적으로 검증하는데 성공하여 이 결과를 IEEE Wireless Communications Magazine에 게재하였습니다(2021년 2월).

OAM 전파모드의 자유도를 예측한 이번 연구는 6G 통신의 채널용량 증대에 새로운 전파자원을 발굴하고 그 장·단점을 정량화했다는 점에서 의미 있는 연구로, 향후 6G 무선백홀 통신에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

채영철 교수 (연세대) 는 Activity-Based signal processing 기술을 적용하여 구현한 고해상도 phase-domain ADC에 대한 연구 결과를 International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)에 발표했습니다(2021년 2월).

해당 연구에서는 Oversampling ADC 에 activity-based signal processing 기법을 적용하여 완전히 디지털 합성을 통한 phase-domain ADC 를 구현한 것이 특징입니다. 이로 인해 기존의 analog phase-domain ADC 에 비해서 칩 면적과 전력 효율을 각 5배 이상 줄일 수 있었습니다.

해당 결과는 기준 주파수원 내의 핵심 블록으로 사용되어, BLE 사용을 목표로 하는 28MHz 기준 주파수 생성기를 구현하였고, 이는 2.56ppm/C 의 매우 낮은 온도 계수를 달성하였습니다. 이에 따라 BLE 를 구동하는데 외부 crystal 없이 구현할 수 있는 가능성을 제시했습니다.

한욱신 교수(포스텍)는 시간에 따라 변화하는 조 단위의 초대규모 동적 그래프 데이터를 빠르게 분석하는 초고속 분산 동적 그래프 분석 엔진인 iTurboGraph (TurboGraph v. 2.0b)를 개발하고, 이를 데이터베이스 분야 세계 최고 권위 국제학술대회인 ACM SIGMOD 에서 연구 성과로 발표했습니다(2021년 6월).

대부분의 그래프 분석 시스템들은 그래프 데이터가 변화할 때마다, 분석 질의를 처음부터 다시 처리하기 때문에 조 단위의 대규모 동적 그래프를 처리하는 데에 오랜 시간이 소요됩니다.

iTurboGraph는 동적 그래프에 대한 점진적 그래프 분석 방법을 사용하여, 동적 그래프에 대한 분석 질의 처리 시간을 획기적으로 단축시켰습니다. 점진적 질의의 자동 생성, 그래프 스트리밍 연산, 델타 기반의 동적 그래프 저장 전략 등의 획기적인 기술들을 기반으로 하여 수십여 대의 머신으로 구성된 소규모 클러스터로 단시간 안에 조 단위 규모의 동적 그래프를 분석할 수 있습니다.

빠르게 변화하는 대규모 그래프 데이터를 처리하는 응용이 다양하고 중요한 만큼, iTurboGraph는 학계뿐만 아니라 고속 그래프 분석이 필요한 산업계에서도 기반 시스템으로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. iTurboGraph는 웹 페이지들간의 실시간 중요도 추정, 소셜 그래프에서의 실시간 친구 추천, 단백질 네트워크에서 단백질 상호작용 분석 등의 응용뿐만 아니라, 1천억 개의 신경세포와 수백조개의 연결로 구성된 인간의 뇌 그래프를 분석하여 뇌 질환을 발견하는 의료분야 등의 고부가가치 산업에도 활용될 수 있을 것입니다.

최재혁 교수(KAIST)는 Beyond 5G 통신을 위한 초저잡음 신호생성 반도체회로 기술에 대한 2가지 핵심 연구 내용을 제68회 International Solid-State Circuit Conference (ISSCC)에서 발표하였습니다(2021년 2월).

첫 번째 논문에서는 5G 통신의 Sub-6GHz 대역에서 256QAM의 EVM을 만족하는 낮은 노이즈 성능을 유지하면서도 실리콘 면적의 사용을 극단적으로 줄일 수 있는 링 오실레이터 기반 digital Fractional-N PLL 설계에 관한 기술을, 두 번째 논문에서는 미래 6G 통신의 핵심 주파수 대역이 될 것으로 예상되는 100GHz 이상 W/D-Band 대역에서 초잡음 신호를 생성할 수 있는 새로운 반도체회로 기술 연구를 발표했습니다.

함범섭 교수(연세대) 연구팀이 개발한 인공지능 모델 경량화를 위한 네트워크 양자화 기술이 컴퓨터 비전 분야의 최우수 국제학술대회인 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR) 2021에 발표가 승인됐습니다. 또한 그 우수성을 인정받아 삼성 휴먼테크논문대상에서 금상을 수상했습니다(2021년 2월).

네트워크 양자화 기술은 가중치 또는 특징볼륨 표현에 필요한 bit 수(bit-precision)을 줄임으로써 네트워크 연산 및 가중치 저장에 필요한 자원을 획기적으로 줄일 수 있는 모델 압축(model compression)기법 중 하나입니다.

함범섭 교수 연구팀은 양자화 된 네트워크의 학습을 효과적으로 하기 위해, 역전파 시 양자화기에서의 그래디언트(gradient)를 스케일링 하는 기법을 제시하였습니다. 제안한 기법을 활용하여 다양한 bit 수로 네트워크를 양자화 했을 때 기존 방법 대비 전반적인 성능 향상을 보였습니다.

박규환 교수(고려대)는 2020년도 '한국과학상'을 수상하였습니다(2020년 12월).

과학기술정보통신부가 한국연구재단, 한국과학기술한림원과 함께 수상자를 선정하는 ‘한국과학상‘은 자연과학 분야에서 세계 정상 수준의 연구성과를 이룬 과학기술자를 포상해 기초과학 및 과학기술 연구진흥을 도모하기 위해 제정된 대통령상입니다.

박규환 교수는 모든 빛을 반사없이 투과시키는 것이 가능하다는 점을 이론적으로 규명하고 이를 바탕으로 메타물질을 만들어 스텔스 기술, 광통신 소자기술 등에 응용할 수 있는 기반을 마련한 공로를 인정받아 수상의 영예를 안았습니다.

김선욱 교수(고려대)가 2020년도 대한전자공학회 '해동학술상'을 수상했습니다(2020년 12월).

해동상은 대덕전자㈜의 창업주인 고 김정식 회장께서 우리나라 전자공학 분야의 학문 및 기술발전을 위하여 크게 업적을 쌓은 분들의 노고를 치하하기 위해 제정한 상입니다. 대한전자공학회가 전자공학 및 전자산업의 기술발전에 크게 기여한 인물을 선정, 매년 시상하고 있습니다.

정아람 교수(고려대)는 세포막 또는 핵막을 열어준 후, 생체 외부의 물질을 세포 내부로 전달하는 연구를 진행하고 있습니다. 현재 효과적인 물질 전달의 원리를 규명하였으며, 다양한 외부 물질을 세포를 손상시키지 않고 전달하는데 성공했습니다.

또한, 연구 성과를 상용화하기 위해 ㈜ MxT Biotech을 설립하였고(2021년 3월) 최근 성공적인 투자를 유치하였습니다. 향후 mRNA, pDNA, CRISPR-Cas9 등 다양한 생리 활성 물질 전달을 통해 효과적인 세포 유전자 편집과 이를 이용한 차세대 세포치료제 개발이 기대됩니다.