심지훈 교수(포스텍)와 이현우 교수(포스텍) 연구팀은 사각 격자구조의 반금속 물질에서 관찰되는 위상학적 전자구조를 체계적으로 분류하고, 이를 통해 유사한 격자구조에서 관찰되어온 다양한 물리 현상의 실마리를 제공하여 그 연구 결과를 Physical Review B에 발표했습니다(2021년 4월).

사각 격자구조 물질은 유사한 위상학적 전자구조를 가진 것으로 알려져 있는 반면, 최근 활발히 연구되고 있는 ZrSiS, SrMnBi2, YbMnBi2 등 물질에서 제각각 다른 형태의 바일 금속 및 디락 밴드구조 등이 보고되고 있습니다.

이러한 다양성은 각각 물질의 미세한 밴드 구조 변화 때문이며, 그 핵심 파라미터는 전하밀도 및 3차원 이방성 때문임으로 분석되었습니다. 이러한 체계적 분류는 압력이나 화학적 도핑을 통해 관찰될 새로운 형태의 위상학적 전이를 예측하여 추후 실험 연구의 가이드라인이 될 것으로 기대됩니다.

서성배 교수(KAIST)와 이원재 교수(서울대) 공동연구팀은 동물이 체내에서 필수 아미노산 부족을 감지하는 장세포와 이를 섭취하도록 섭식 행동을 조절하는 구체적인 원리를 규명하여 Nature에 발표했습니다(2021년 5월).

우리 몸은 본능적으로 필요한 영양소를 파악하고, 이를 보충하기 위해 식성을 변화시키는데 그 원리는 밝혀지지 않았습니다.

공동연구팀은 체내 필수 아미노산 부족을 감지하는 유전자를 찾았고 어떤 신호를 통해 부족한 아미노산 섭취를 조절하는 지와 장내 미생물은 어떤 영향을 미쳤는지를 초파리 실험을 통해 확인했습니다.

최석봉 교수(서울대)는 계면 자기 특성 변조를 통해 자기 스커미온의 형성 방향을 조절하는 원리를 개발하여 Applied Physics Letters에 발표했습니다(2021년 6월).

같은 물질로 구성되어 있지만 구조적으로 역전된 Pd/Co/Pt와 Pt/Co/Pd 자기 박막에서 적층 순서에 따라 계면 Dzyaloshinskii-Moriya 상호 작용과 수직 자기 이방성 등의 계면 자기 특성이 서로 독립적으로 변조되는 현상을 발견하였습니다.

이러한 현상의 원리로부터 외부 자기장이 없는 실온 자기 스커미온 구현에 필요한 계면 자기 특성 규명에 한발 더 다가선 것으로 기대되고 있습니다.

김도헌 교수(서울대)는 반도체 스핀-전하 하이브리드 큐비트의 결맞은 양자제어법과 단발측정법을 실험적으로 구현하여 Nano Letters에 발표하였습니다(2021년 6월).

이중 반도체 양자점에 속박된 3개 전자의 스핀과 전하 상태의 혼성으로 이루어지는 반도체 하이브리드 큐비트는 스핀의 높은 위상 결맞음 시간을 전기적으로 제어할 수 있어 반도체 양자점 기반의 양자컴퓨팅 분야에서 새로운 큐비트 형태로 주목받고 있지만, 아직까지 큐비트의 상태를 높은 정확도로 검출할 수 있는 실험적인 방법이 존재하지 않았습니다.

김도헌 교수 연구실은 GaAs 이중 양자점에서 발견된 높은 효율의 스핀-전하 변환법을 이용하고 고속 라디오파 반사계수 측정법을 이용하여 하이브리드 큐비트의 양자상태를 수 마이크로 초 이내에 96% 이상의 정확도로 검출할 수 있는 단발측정법을 세계최초로 개발하였습니다.

또한, 본 연구에서 새롭게 발견된 3중 전자의 에너지 준위는 전자의 강한 상호작용에 의한 Wigner molecule 상태가 될 수 있는 가능성을 관측하여 강상관계 분자의 에너지 준위를 양자정보소자로 이용할 수 있는 가능성을 확인하였습니다.

김지훈 교수(서울대)는 암흑물질이 거의 없는 은하가 어떻게 생겨났는지에 관한 연구 결과를 The Astrophysical Journal Letters에 발표했습니다(2021년 8월).

그동안 표준 우주모형에서는, 암흑물질이 은하의 대부분을 차지하고(질량기준 80% 이상) 아주 적은 양의 별과 가스만이 은하에 속할 것으로 예상되어 왔습니다. 그러나 2018년 발견된 두 개의 왜소 은하는 기존 우주론에서 예측되는 것에 비해 암흑물질이 1/400이하인 것으로 보고되어(NGC1052-DF2, NGC1052-DF4), 이들의 형성 메커니즘이 학계의 큰 주목을 받아 왔습니다.

본 연구에서는 두 개의 은하가 매우 빠른 속도로 충돌할 때, 그 충돌면에서 암흑물질이 거의 없는 새로운 작은 은하가 생성될 수 있음을 고해상도 수치실험을 통해 보였습니다. 충돌 단면적이 매우 작은 암흑물질은 다른 은하와의 충돌을 거의 느끼지 못하지만, 가스 성분은 강한 충격파를 만들며 충돌면에 남으면서 암흑물질과 분리됩니다.

이전의 연구에서는, 이렇게 뭉친 가스가 별을 형성하면서 이른바 "암흑물질 결핍은하”가 만들어진 바 있습니다. 본 연구에서는 이전 연구보다 64배 높은 해상도를 사용하여, 충격파로 인해 가스가 압축된 곳에서 무거운 성단들이 함께 생성되는 사실도 확인하였습니다.

이러한 연구 결과는 암흑물질이 대부분인 표준우주모형에서도 암흑물질이 거의 없는 왜소은하가 매우 밝은 성단들과 함께 생성될 가능성을 제시합니다.

신의철 교수(KAIST)는 감염질환에서 방관자 T세포 활성화의 중요성을 강조하는 주제로 세계적인 면역학 권위지인 Nature Immunology에 초청 리뷰 논문을 게재했습니다(2021년 8월).

이번 리뷰 논문을 통해 다양한 감염질환에서 방관자 T세포의 역할과 이를 조절하는 기전들을 총체적으로 고찰하고 인간 질병 치료에 응용할 수 있는 미래 연구의 방향을 제시했습니다.

신의철 교수는 2018년 세계 최초로 인간 질병에서 방관자 T세포의 역할을 체계적으로 증명하여 Immunity에 보고하였고 최근에는 활성화된 방관자 T세포들이 감염된 조직으로 이동하는데 필요한 세포이동 관련 기전을 발견해 Cell Reports에 발표하였습니다(2021년 7월).

김경규 교수(성균관대)는 구조생물학 기반의 연구를 통해 신규 이형핵산을 발굴하고 이들의 기능에 대한 연구를 수행한 결과로 Nucleic Acids Research지에 두 편의 논문을 게재하였습니다(2021년 8월, 9월).

세포 내 AC-motif라는 새로운 DNA 구조가 존재하며 이 구조가 유전자 발현을 조절한다는 사실을 규명하였습니다. 금번 연구에서 아데닌과 사이토신이 반복되는 특정한 염기서열이 마그네슘 존재 하에 양성화된 아데닌과 사이토신의 염기쌍을 통해 I-motif와 유사한 사중나선 DNA 구조를 형성을 하고 있음을 확인하였고, 이를 AC-motif라 명명하였습니다. 그리고 AC-motif가 CDKL3라는 발암유전자의 발현을 조절할 수 있음을 규명하였습니다.

구아닌 베이스가 반복되는 핵산 부위에 만들어지는 G-quadruplex는 유전자 복제, 전사 및 번역 과정에서 중요한 조절자 역할을 한다는 것이 알려져 있습니다. 하지만, 이들의 구조와 기능간의 연관성에 대해서는 많이 알려진 바가 없습니다. 특히 반복되는 구아닌 사이에 loop가 있는 경우, 이들이 어떻게 유전자 발현을 조절하느냐에 대해서는 알려진 바가 없습니다.

김교수는 다양한 길이 및 구조의 Loop를 갖는 G-quadruplex를 모델로 하여 이들이 유전자 발현에 미치는 영향을 연구하였고, 이러한 결과를 세포의 유전체에 적용하여 hairpin구조의 loop를 갖는 G-quadruplex가 유전자 발현에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였습니다.

이러한 결과는 구조적으로 다양한 G-quadruplex가 세포의 기능조절에 관여한다는 증거로써 향후 이형핵산 연구의 지평을 넓히는 계기를 마련하였다고 평가됩니다.

안지훈 교수(고려대)는 식물이 온도변화에 대응하여 개화시기를 조절하는 메커니즘을 밝혔습니다. 이 연구 결과는 Science에 게재되었고 Perspectives 코너에서도 소개했습니다(2021년 9월).

식물은 이동성이 없기 때문에 좋은 환경이 오기를 기다리며 개화 시기 등을 조절합니다.

식물이 꽃을 피우는 데는 개화유도 호르몬인 플로리겐이 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있는데 플로리겐 분자가 세포 내에서 합성된 이후 인지질과 결합하여 잎의 도관 세포의 지질막에 격리되고 온도변화에 따라 개화를 조절한다는 것을 알아냈습니다.

최근 지구 온난화로 농업 생산에 미치는 영향을 이해하는 데에 도움이 될 것으로 기대됩니다.

이동환 교수(서울대)와 최철호 교수(경북대) 연구진은 지금까지 알려진 분자 중에서 가장 크기가 작은 적색광 발광체를 발명하고, 긴 파장에서 빛이 나오는 광물리학적 메커니즘을 이론적으로 규명하여 Nature Communications에 게재했습니다(2021년 9월).

상자 속 입자 모델로 표현할 수 있는 분자가 낮은 에너지의 빛을 내기 위해서는 전자를 담는 “큰 상자”가 필요합니다. 화학 구조로 말하자면 거대한 파이-컨쥬게이션 분자에 해당하기 때문에, 지금까지 알려진 장파장 발광체는 파이-결합을 하는 여러 개의 탄소 고리를 붙여서 주로 만들었습니다.

본 연구진은 빛을 흡수하는 에너지와 빛을 내놓는 에너지의 차이에 해당하는 스토크스(Stokes) 이동이 분자의 크기와 직접적인 상관관계를 보인다는 점에 착안해서, 스토크스 이동이 가장 큰 벤젠을 연구의 출발점으로 삼았습니다. 하지만, 벤젠은 자외선 영역에서 빛을 흡수하고 내놓기 때문에 형광체로 활용되기 어렵다는 단점이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해, 연구진은 벤젠에 여러 개의 전자 주개와 전자 받개를 대칭적으로 도입함으로써, 가시광 영역에서 빛을 내는 DAPA(diacetylphenylenediamine) 분자의 여러 이성질체를 설계하고 합성했습니다.

세 종류의 DAPA 이성질체는 원소 조성면에서는 똑같지만, 전자 주개-전자 받개의 위치에 따라 매우 다른 발광 특성을 보이는데, 그 가운데 p-DAPA는 지금까지 알려진 적색광 형광체(발광 파장 600 nm 이상) 중 가장 작은 분자량(MW = 192)을 가집니다.

본 연구는 합성 전문가인 이동환 교수 연구진과 이론화학 전문가인 최철호 교수 연구진의 공동 연구를 통해 아주 작은 분자로도 장파장의 형광성을 구현할 수 있다는 이론적인 토대를 세우고, 가시광 전 영역에 걸쳐 빛을 내는 가장 작은 형광체 라이브러리를 합성으로 구현함으로써 기능성 분자의 새로운 영역을 열었다는 데 중요성이 있습니다.

최철호 교수(경북대) 연구진은 초고속 여기상태 동력학을 연구하기 위한 새로운 양자역학 이론을(MRSF-TDDFT) 개발하였고, 최근 다양한 상황에 적용하여 기존 양자역학 이론들의 한계점들을 극복할 수 있음을 보여주었습니다. 이 중 2편의 논문이 J. Chem. Phys. Lett. 표지 논문으로 선정되었습니다(2021년 10월).

가장 강한 흡수 과정 중 하나인 파이전자전이에서 컨쥬게이션된 파이결합의 진동이 필수적으로 따라오고 이 경로과정에서 내부전이(Internal Conversion)가 일어남을 정립하였습니다. 이를 통해 기존 여기상태 동력학에서 사용되고 있는 CASSCF나 TDDFT 방법론이 가지는 한계를 극복하고 MRSF-TDDFT가 좋은 대안이 됨을 보였습니다.

분자오비탈 개념은 HF이론같은 평균장(Mean Field)이론의 결과물입니다. 평균장이론을 벗어나면 이 개념이 정립될 수도 없고 정립되어 있지 않습니다. 특히, 여기 상태 특성의 해석에 절실히 필요하나 지금까지는 이런 이유로 분자오바탈의 활용이 힘들었습니다.

최교수는 MRSF-TDDFT와 확장 쿠프만이론 (Extended Koopman)을 접목하여 여기상태 각각의 고유한 분자오비탈을 구하는 새로운 방법을 개발하였으며, 분자오비탈의 활용의 폭을 넓혀 다양한 상황에서 활용 가능하게 하는 진보를 이루었습니다.

본 연구는 기저 및 여기상태의 정밀한 전자구조 계산 및 해석들이 최철호 교수 연구진이 개발한 MRSF-TDDFT로 가능함을 보여 이 분야에서 새로운 돌파구를 제공 했다는 것에 의의가 있습니다.

최재윤 교수(카이스트)는 동역학정 불안정성을 유도하여 초유체의 높은 표면 모드 생성 및 스핀 상관된 물질파 방출에 성공하여 두편의 논문을 Physical Review Letters에 발표하였습니다(2021년 9월, 7월).

동역학적 불안정성은 특정한 패턴 및 모드를 증폭 시키는 기작으로서, 유체를 주기적으로 진동시켜 주었을 때 형성되는 패러데이 패턴이 그 대표적인 예라고 할 수 있습니다. 이러한 기작은 양자 다체 시스템에도 발현되며, 이로부터 초유체의 내재적인 성격을 알 수 있을 뿐 아니라 서로 다른 모드들 간의 양자 얽힘 가능성이 주로 연구되고 있습니다.

연구팀은 원자들간의 상호작용을 변조시켜주어 높은 계수를 갖는 표면 모드를 유도하였으며, 이로부터 초유체의 표면 여기 모드의 에너지 관계를 규명할 수 있었습니다. 또한 초유체를 구성하는 원자의 스핀 에너지를 순간적으로 변화시켜주어 스핀 쌍 생성을 유도하였으며, 보즈-아인슈타인 응집체를 증폭제로 삼아 스핀 상관된 물질파 방출에 성공하였습니다.

본 연구는 향후 양자 난류에 대한 체계적인 접근을 가능하게 하는 발판을 마련하였으며, 표면모드를 통해 양자 기체의 초고체성을 연구하는데 활용이 가능할 것으로 기대합니다. 또한 결맞는 스핀 상관된 물질파가 방출됨으로서 공간적으로 떨어진 거대 EPR 상태의 구현 및 양자 정보 연구에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

박철민 교수(UNIST)는 유전물질인 DNA 및 RNA 조각인 ‘올리고뉴클레오타이드 (oligonucleotide)’의 특정 위치에 작용기를 붙일 수 있는 화학 촉매 기반 변형 기술을 개발하여 Nature Communications에 게재했습니다(2021년 3월).

최근 속도를 내고 있는 유전물질 기반 신약(mRNA 백신, 희귀질환치료제)의 대중화는 기존 유전물질의 단점을 보완하거나 특정 기능을 추가 할 수 있는 값싸고 빠른 변형 기술 개발이 관건입니다.

본 연구에서는 로듐 금속 기반 화학 촉매를 이용해 올리고뉴클레오타이드의 구아닌 염기(base) 부분만 선택적으로 변형시킬 수 있었고, 염기쌍(base-pair)을 형성하는 염기와 그렇지 않은 염기의 반응성 차이를 이용해 위치 선택성 또한 얻을 수 있었습니다.

연구진은 개발된 방식을 이용해 빛으로 제거할 수 있는 작용기(Photocaging group)를 붙이는 변형이나 올리고뉴클레오타이드끼리 이어 붙이는 반응에 성공했습니다. 또 변형된 올리고뉴클레오타이드를 ‘DNA 결합 단백질’(DNA-binding protein)의 검출에도 응용하였습니다.

이번에 개발된 기술은 제약 분야뿐만 아니라 기초 생명과학 분야 연구, 나노공학 연구의 플랫폼 기술로 쓰일 수 있을 것으로 기대됩니다.

오상호 교수(성균관대), 김영민 교수(성균관대), 이재광 교수(부산대) 연구팀은 이종 산화물 계면에서 형성되는 2차원 전자가스의 형성 과정에서 원자 배열의 뒤틀림이 다양한 방식으로 발현될 수 있다는 이론적 원리를 발견하고, 이를 원자분해능 전자현미경으로 관찰하여 발현 메커니즘을 규명하였습니다. 본 연구 결과는 Science Advances(2021년 4월), Advanced Science(2021년 5월)에 연이어 게재되었습니다.

절연 산화물의 박막 계면 (LaAlO3/SrTiO3, LAO/STO)에 형성되는 2차원 전자가스는 고밀도 초고속 전자/스핀 제어 소자의 출현을 예견케 하는 등 학계에 큰 주목을 받아 왔으나, 형성 원리는 약 20여년간 논란이 지속되어 왔습니다.

본 연구팀은 표면 산소 원자의 결함이 2차원 전자가스의 형성에 결정적인 역할을 하며, 특유의 원자 배열 뒤틀림을 유발한다는 것을 발견하였으며(Science Advances), 더 나아가 계면의 결정 방위를 조절함으로써 원자 배열의 뒤틀림을 다양한 형태로 발현시킬 수 있음을 예측하고 이를 피코미터 정밀도로 원자 위치를 측정하여 실험적으로 증명하는데 성공하였습니다(Advanced Science).

본 연구는 계면에서 발현되는 2차원 전자가스의 초전도, 강유전 등 다양한 양자 현상을 제어할 수 있는 원자 단위 제어 기술을 발견했다는데 큰 의의가 있으며, 차세대 고성능, 고전력 반도체 소자 기술 개발에 중요한 분석 기법으로 활용될 것으로 기대됩니다.

김병수 교수(연세대 화학과) 연구팀은 UNIST Robert J. Mitchell 교수, 고려대학교 안동준 교수 연구팀과 함께 항생 펩타이드를 모사한 새로운 형태의 항생 고분자 시스템을 개발하여 국제적 학술지 ACS Nano에 논문을 게재하였습니다(2021년 5월).

항생 펩타이드는 여러 유기체의 면역체계를 이루는 구성요소로, 많은 양의 양이온성 및 소수성 아미노산을 함유하고 있어 음이온성을 띄는 박테리아 표면에 잘 달라붙어 선택적으로 파괴할 수 있다는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 방식은 박테리아가 내성을 갖기 어려워, 항생제 내성을 가진 슈퍼박테리아에 대한 해결책으로 제안되어 왔으나, 항생 펩타이드는 대량 합성이 용이하지 않으며, 체내에서 단백질 분해 효소에 의해 쉽게 분해되어 다양한 방식의 활용이 어렵다는 단점이 존재했습니다.

이에 연구진은 아미노산 곁사슬을 담지한 에폭시 단량체 라이브러리를 활용하여, 이를 기반으로 PEG 기반 펩타이드인 PEGtide를 합성하여 여러 종류의 박테리아에 효과적으로 작용을 하며, 생체친화성을 확보한 신개념 펩타이드 모사 시스템을 성공적으로 구축하였으며, 고분자의 미세 구조가 생체 활성에 영향을 끼치는 원인을 면밀하게 파악함으로써 추후 더욱 효과적이고 정교한 항생 고분자 개발에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대됩니다.

최경민 교수(성균관대) 연구팀은 초고속 스핀 전류 인가에 의한 다양한 자성 물질, 강자성(ferromagnet), 약강자성(ferrimagnet), 및 반강자성(antiferromagnet)의 자화의 변화를 초고속으로 측정하는 기법을 제시하였습니다. 광-스핀 변환 물질을 이용하여 광 펄스를 직접 스핀 펄스로 변환하는 방법, 초고속 광스위치를 이용하여 광 펄스를 전류 펄스로 변환하는 방법을 이용하여 수 피코초(picosecond) 수준의 스핀 전류를 생성하였고, 이 스핀 전류에 의한 초고속 자화 변화를 강자성(Co), 약강자성(CoGd 합금), 반강자성(PtMn) 물질에서 확인하였습니다. 이 연구결과는 Applied Physics Letters에 게재되었습니다(2021년 6월, 7월).

이와 같은 초고속 스핀 전류 생성 기법은 초고속 자성메모리 개발에 유용하게 적용될 수 있습니다.

기존의 연구 기법은 정상 상태(steady state)의 스핀 전류 인가에 의한 자화의 평형 상태 변화 또는 스핀 펄스 인가 이후의 자성 상태 변화 감지였으나, 초고속 스핀 전류 인가에 의한 자화 변화를 실시간으로 감지하는 기법을 활용하면 전자의 스핀과 물질의 자화 사의의 상호작용 원리를 보다 심도 있게 연구할 수 있을 것으로 기대됩니다.

본 연구진은 이 기법을 자화 상변태(강자성, 약강자성, 반강자성 등 다른 자기상으로의 변태)에서 일어나는 물질에 적용하여 빠른 동작 속도 및 낮은 동작 전력을 가지는 새로운 동작 원리를 연구할 계획입니다.

김정곤 교수(전북대), 김병수 교수(연세대) 연구팀은 기계화학 합성법으로 기존 용매를 사용하는 합성에서 어려움을 겪는 유기 아실 아자이드 활용 아미드 합성 및 이온 고분자의 기능화를 구현하여, ACS Sustainable Chemistry & Engineering(2021년 6월)과 ChemSusChem(2021년 7월)에 발표하였습니다.

두 연구에서는 기계화학법이 기존의 용매 반응과 다른 반응성, 그리고 물질간 혼합 성능을 보여주는 것을 활용하여, 용매 조건에서 어려움이 있는 화학 반응들을 높은 효율로 구현하였습니다.

ACS Sustainable Chemistry & Engineering 논문에서는 용액 조건에서 불안정한 아자이드의 기계화학 조건에서 안정성을 검증하였으며, 이를 활용하여 용액 대비 우수한 탄소-수소 활성화 반응을 달성했습니다.

ChemSusChem 논문에서는 용해도 때문에 어려움을 겪는 이온 고분자의 기능화 반응이 기계화학 조건에서는 쉽게 진행되는 점을 보고 하였으며, Cover Feature 논문으로 선정되었습니다.

최장욱 교수(서울대), 정성윤 교수(KAIST) 연구팀은 수계아연전지의 양극과 음극의 기초 연구를 통해 제한적인 수계아연전지의 수명 문제를 극복할 수 있는 방안을 제시하였습니다. 연구 결과는 Nature Communications(2021년 7월)와 Advanced Energy Materials(2021년 9월)에 게재되었습니다.

연구팀은 아연 이온이 물분자와 같이 양극 구조 내로 삽입되는 것(수화 삽입)을 전자 현미경을 통해 직접 관찰한 결과를 발표하였습니다. 바나듐 산화물 양극 분석 결과 기존 유기 용매에서의 아연 이온의 저장 위치와 다른 곳에서 물과 아연이 저장됨을 시각화하여 규명하였습니다. 이러한 원자 단위의 이온 거동 분석 결과는 고용량 수계 양극 소재 설계의 확장에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대됩니다.

아연금속 음극의 경우 대기 중에서 자연산화피막이 생성되고 이를 전지에 적용할 경우 충방전시 아연이 수지상으로 형성되는 문제가 있습니다. 연구팀은 젤 소재 중의 하나인 젤라틴으로 음극 표면을 코팅하여 자연산화막을 제거하였고 이로 인하여 새로 형성되는 음극은 기판과 결정학적으로 연속적인 층을 만들 수 있어 전지 성능이 향상되고 300회 이상 안정적으로 충방전이 가능하였습니다.

이번 연구 결과는 기존의 제한적인 수계아연전지의 수명 문제가 극복될 수 있는 사례로 향후 대용량, 저가, 고안전 배터리로 발전할 수 있을 것으로 기대됩니다.

윤태식 교수(UNIST) 연구팀은 이온 이동을 기반으로 하는 게이트 스택의 물성 및 구조 변조를 통한 비휘발성 메모리 소자 구현 방법을 제시하였습니다. 결함성 고유전율 게이트 절연막과 산화물 반도체 채널층으로 구성된 박막트랜지스터에서 게이트 절연막과 채널층 사이의 산소 이온 이동을 통해 채널층의 높은 전도성 변화 특성과 이를 이용한 비휘발성 메모리와 인공 시냅스 소자 특성을 구현하였습니다. 본 연구 결과는 올 7월 Nanoscale에 게재되었습니다(2021년 7월).

연구팀은 전기 전도도가 산소 공공 농도에 높은 의존성을 갖는 indium-zinc oxide 산화물 반도체 채널층과 산소 이온의 이동이 용이한 결함성 hafnium oxide 게이트 절연막 사이의 산소 이온 이동을 전기적으로 유도하여 채널층의 전도도를 약 10,000 배 이상 변화시킴으로써 안정적인 비휘발성 메모리 조건을 확보하였습니다. 또한, 게이트 전압 조건에 따른 채널 전도도 변화 거동을 조절하여 다양한 인공 시냅스 소자 특성을 확보하였습니다.

본 연구는 기존의 전하 저장 기반 비휘발성 메모리 소자와는 달리, 이온 이동에 의한 게이트 스택의 물성 및 구조 변조를 이용하여 비휘발성 메모리 소자와 뉴로모픽 시스템의 인공 시냅스 소자에의 적용 가능성을 제시하였습니다.

손재성 교수, 채한기 교수(UNIST) 연구팀은 3D 직접 잉크 쓰기를 할 수 있는 열전 소재를 개발하여 초소형 필라멘트 형태의 열전 모듈을 수백 마이크로미터 크기로 작게 만드는데 성공하였습니다. 연구 결과는 Nature Electronics 표지 논문으로 선정되었습니다(2021년 8월).

열전 발전 모듈은 평편한 필름 형태보다는 폭은 좁고 길이는 긴 필라멘트 형태가 온도 차가 더 발생하여 출력을 높일 수 있지만 3D 구조인 필라멘트 구조를 마이크로 단위로 작게 제작할 기술이 없었습니다.

본 연구에서는 3D 직접 잉크 쓰기 기술로 정교한 미세 입체 구조를 구현하기 위해 열전 소재 입자 크기와 분포를 조절하여 고점도 잉크를 만들었고 열전 소재 입자 표면 전하를 조절하여 바인더 첨가 후에도 높은 점도가 가능하여 3D 필라멘트 구조가 유지되었습니다.

이 열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위면적(1㎠)당 479㎼에 달하며, 최대 온도 차는 82.9℃로서 이는 현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차입니다.

또한 기존 필름 형태의 마이크로 열전 모듈의 미세전자제어기술(MEMS) 공정을 이용하지 않고 3D 직접 잉크 쓰기 기술을 사용하기 때문에 비용 절감이 가능하여 밀폐된 초소형 전자기기 등의 여러 분야에 응용 가능할 것으로 기대합니다.

김종호 교수(한양대 ERICA), 이환규 교수(단국대) 연구팀은 병원성 박테리아를 저비용으로 신속하고 정밀하게 검출하고, 동시에 효과적으로 사멸시킬 수 있는 전이금속 디칼코게나이드 (Transition metal dichalcogenide, TMD) 인공항체를 개발하였습니다. 연구 결과는 Journal of the American Chemical Society(JACS)에 게재되었으며 저널의 Cover 논문으로 선정되었습니다(2021년 8월).

TMD 인공항체는 도입된 고분자 인식상(polymeric recognition phase)의 종류에 따라 다양한 구조체를 형성할 수 있고, 병원성 박테리아에 대한 결합 선택도가 변화합니다.

본 연구팀은 박테리아에 결합하고 있는 TMD 인공항체의 광학 신호를 읽음으로써 단일 콜로니까지 박테리아를 검출하고, 그 농도를 정확히 알 수 있습니다. 이와 동시에 박테리아에 결합하고 있는 TMD 인공항체에 빛을 가해주면 열이 발생하여 해당 병원성 박테리아의 선택적 멸균이 가능하고 감염된 상처가 효과적으로 치유됩니다.

개발한 TMD 인공항체는 박테리아 감염병의 진단 및 치료 외에도 다양한 질병에 적용 가능하여 그 확장성과 파급 효과가 매우 큰 원천 기술이 될 것으로 기대됩니다.

김종필 교수(동국대)는 최신 줄기세포 기술에 나노 기술을 결합해 생체 내 세포의 운명 전환 및 재생을 조절할 수 있는 차세대 세포 재생 기술을 개발하여 국제적 학술지 Advanced functional materials에 게재하였고(2021년 8월) Biomaterials에도 Accept되어 발표될 예정입니다(2021년 10월).

Advanced functional materials 에 게재된 연구는 전자기화된 그래핀을 세포에 투입하여 기능이 우수한 도파민 신경세포를 제작하였습니다. 파킨슨 질환 마우스 모델에 그래핀을 투입하고 전자기파를 전달함으로써, 손상된 신경세포 주변의 세포가 신경세포로 바뀌고 파킨슨병 증상도 개선되었습니다.

Biomaterials에 발표될 연구는 전자기화된 금 나노입자를 생체 내에 투입하여 생체 내 신경재생을 유도하였습니다. 노화된 마우스 모델에 금 나노입자를 투입하고 전자기파를 전달함으로써, 뇌의 regeneration을 유도하여 기억력 및 인지능력을 향상시켰습니다.

본 연구들은 기존 재생 의학의 한계를 극복할 수 있는 새로운 나노기술 기반 세포 재생 기술을 선보였습니다.

변혜령 교수(KAIST), 주정민 교수(부산대) 연구팀은 차세대 비수계 산화환원 흐름전지(Redox Flow Battery, RFB)에 활용되는 고효율의 레독스 활성 유기분자 설계 전략을 제시하였습니다. 연구 결과는 ACS Energy Letters에 게재되었으며 저널의 부록 표지 논문으로 선정되었습니다(2021년 9월).

연구팀은 레독스 유기 활성 물질의 용해도 및 레독스 전위를 향상시키고 교환막을 통한 활성 물질의 교차를 제어할 수 있는 전략을 제시하였습니다.

구현된 벤조싸이아졸이 치환된 피리디늄 레독스 중심은 확장된 π-컨쥬게이션을 통해 안정화되었고, 4차 암모늄 양이온성 치환기는 교차 현상을 억제하고 화학적 부반응을 방지할 수 있었습니다. 또한, 선택적인 음이온의 사용으로 비수계 용매에서 피리디늄 유도체의 용해도를 향상시킬 수 있었습니다.

가용성이 높고 안정적이며 교차 저항성이 높은 헤테로아릴피리디늄은 RFB의 음극활물질로 사용되어 총 500 사이클에서 사이클 당 0.08%의 용량 감소율을 보여 고용량 및 고전압을 가지는 차세대 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)의 개발에 기여할 것으로 기대합니다.

박호성 교수(전남대), 김성환 교수(울산대), Albert No 교수(홍익대) 연구팀은 DNA저장 장치의 오류정정성능을 극대화할 수 있는 클러스터링과 복호 기술을 개발하여 Bioinformatics에 게재하였습니다(2021년 4월).

합성 및 시퀀싱 실험을 통해 513.6KB이미지 파일을 DNA에 저장하고 읽어내는데 성공하였으며, 파운틴 부호와 Reed-Solomon 부호를 적용하고 클러스터링과 복호 기술이 협력적으로 동작하도록 설계하여 오류 정정성능을 향상시켰습니다.

이 기술을 통해 DNA 저장장치의 저장 밀도를 높이거나 읽는 비용을 줄일 수 있어 DNA 저장장치 상용화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

본 연구는 서울대학교 전기정보공학부 노종선 교수 연구팀, POSTECH화학공학과 이정욱 교수 연구팀과 공동으로 진행되었습니다.

궁재하 교수, 이성진 교수, 김대훈 교수 연구팀(DGIST)은 smartSSD-NPU-CPU를 활용한 효율적인 딥러닝 학습 시스템 구조를 제안하고, 그 결과를 IEEE Computer Architecture Letters(CAL)에 발표하였습니다(2021년 5월).

대규모 학습데이터와 모델의 크기를 요구하는 딥러닝 학습은 데이터 전송에 많은 에너지를 소모하고 학습시간을 크게 저하시키는 문제가 있습니다.

이를 해결하기 위해 대규모 딥러닝 학습에서 smartSSD들의 분산학습과 NPU로의 레이어 분할학습을 병행하는 시스템 구조인 Deep Partitioned Training을 제안하였습니다.

이러한 학습 시스템을 통해 vision task에서는 31%, recommender system에서는 45% 학습 속도가 향상됨을 확인하였습니다.

정진규 교수(성균관대), 이재욱 교수(서울대) 공동 연구팀은 Android등의 모바일 OS에서 어플리케이션의 전환 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 소프트웨어 핵심기술을 개발하여, 컴퓨터 시스템 분야 최우수 국제 학회 USENIX ATC(Annual Technical Conference)에서 발표하였습니다(2021년 7월).

최근 스마트폰을 통해 다양한 작업을 수행하게 되면서, 평균적인 사용자는 하루 100회 이상 어플리케이션 간 전환을 수행하는 것으로 알려져 있습니다. 다수의 어플리케이션을 번갈아 가며 동시에 사용하게 되면, 스마트폰의 메모리 사용량이 증가하여, 어플리케이션을 구동하거나 전환하는 작업이 느려지는 문제가 발생합니다.

본 연구팀은 이러한 어플리케이션 전환 속도의 저하가 모바일 OS에서 디맨드 페이징(demand paging)의 비효율성에 의한 것임을 규명하였습니다. 또한, 이를 극복하기 위한 OS 최적화 기술인 ASAP(Application Switch via Adaptive Prepaging)을 개발하여, 많은 어플리케이션을 동시에 사용하는 환경에서도 빠르게 어플리케이션 전환이 가능함을 보였습니다.

본 연구는 미국 Google의 연구원과 공동연구로 수행되었으며, 향후 더욱 복잡해지는 모바일 어플리케이션 환경에서 유저 경험을 극대화 하는데 기여할 것으로 기대됩니다.

함범섭 교수(연세대) 연구팀이 개발한 네트워크 양자화를 위한 미분 가능한 양자기 기술이 컴퓨터 비전 분야의 최우수 국제학술대회인 IEEE International Conference on Computer Vision(ICCV) 2021에 발표하였습니다(2021년 7월).

네트워크 양자화 기술은 네트워크의 가중치와 특징볼륨에 양자기를 적용하여, 이들을 표현하기 위한 비트 수를 줄이는 방법입니다. 이를 통해, 네트워크가 요구하는 메모리/연산량을 효율적으로 감소시킬 수 있습니다.

함범섭 교수 연구팀은 네트워크 양자화 수행 시, 활용되는 양자기가 미분가능하지 않기 때문에 발생하는 미분 값 불일치 문제를 해결하기 위해, 양자기를 거리 기반 함수로 새롭게 재해석하여 미분 가능한 양자기를 제시하였습니다.

이는 최신 방법들과 비교하여 다양한 양자화 비트 수 설정 값에서도 일정하게 높은 성능을 가졌으며, 낮은 비트(예, 1, 2-bit)로 양자화를 진행했을 경우에는 월등히 높은 성능을 보였습니다.

한국도레이과학진흥재단은 9월 7일에 제4회 한국도레이 과학기술상 수상자 2명과 신진 과학자 4명을 선정, 발표했습니다.

삼성미래기술육성사업의 소재 프로그램 심사위원장 박수영 교수(서울대)가 과학기술상을 수상하였으며, 연구책임자 변혜령 교수(KAIST), 정대성 교수(POSTECH)가 신진과학자상을 수상하였습니다.

이경한 교수(서울대)와 정송 교수(KAIST) 공동연구팀이 개발한 환경 및 응용에 적응적인 강화학습 기반 DVFS 기술인, zTT (zero thermal throttling)가 모바일 컴퓨팅 분야 최우수 국제학술대회인 ACM MobiSys 2021 에서 발표되었습니다. 해당 논문은 국내 최초로 (1저자 기준 아시아 대학 최초) ACM MobiSys Best Paper Award를 수상하였습니다(2021년 7월).

zTT 는 5G 스마트폰, MEC 등에서 과도한 발열로 인해 발생하는 열쓰로틀링 (thermal throttling)에 따른 급격한 성능 저하 문제를 획기적으로 해결한 연구입니다.

체감 성능을 높이면서 열쓰로틀링에 의한 성능 저하를 방지하기 위해서는, 온도 제어가 가능한 총전력 소모 범위 내에서 프로세서 컴포넌트 (CPU, GPU 등) 간 최적의 전력 분배를 수행하는 것이 관건이지만, 주변 온도, 쿨링 상황 등 환경 변화와 사용자 응용 특성에 따른 연산 요구량 변화 등으로 인해 전통적인 DVFS 로는 해결이 어려운 난제였습니다.

이경한 교수 연구팀은 이 문제를 실시간 재학습을 포함하는 강화학습 (Reinforcement Learning) 기반의 동적 전압/주파수 스케일링 (DVFS) 기술을 개발하여 해결하였습니다.

zTT 기술은 향후 이경한 교수 팀이 연구중인 네트워킹 및 컴퓨팅 융합 기술인 On-path computing 뿐만 아니라 다양한 컴퓨팅 플랫폼의 성능 극대화를 위한 핵심기술로써 널리 활용될 것으로 기대됩니다.

정성욱 교수(연세대) 연구팀은 제22회 대한민국 반도체 설계 대전에 참가하여 인공지능 기반 이미지 Super-resolution 하드웨어 작품으로 국무총리상을 수상 하였습니다(2021년 9월).

한국반도체 산업 협회에서 주관하는 제 22회 대한민국 반도체 설계 대전에서 인공지능 알고리즘을 이용한 Super-resolution 하드웨어를 chip과 FPGA로 구현한 “Super-Resolution Hardware with Hardware-optimized methods for Real-Time 4K UHD” 작품을 출품하였으며, 수상작품은 오는 10월 26일부터 개최되는 한국전자전(KES) 2021에서 전시될 예정입니다.