교육과학기술부와 한국연구재단은 우리나라 학문 발전 및 연구 역량 강화에 기여할 수 있는 우수 연구 과제를 선정, 지원하고 있다. 전자과학은 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 주요 연구 성과 중 바이오칩/센서 연구, 태양에너지 활용 연구, 에너지 수확을 위한 나노 발전 기술 연구, 고효율 메모리 반도체 기술 연구에 관한 내용을 소개한다. [편집자 주]

전 세계적으로 지속 가능한 친환경 에너지 확보가 이슈가 되고 있다. 최근에는 빛, 열, 진동 등의 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지원에서 전기에너지를 수확하는 ‘에너지 하베스팅(Energy harvesting)이 각광받고 있다. 동시에 스마트기기가 확산함에 따라 시계처럼 손목에 차는 스마트폰, 두루마리 형태의 태블릿 PC 등 다양한 형태의 기기 개발에 관심이 높아져 가고 있다. 이에 과학자들은 ‘생체기반 에너지 하베스팅’과 ‘플렉서블 스마트기기’ 연구에 몰두하고 있다.

인체자가발전 기반 고효율 삽입형 나노 발전기 개발
페로브스카이트 구조를 가진 세라믹 박막물질은 기존 ZnO 나노 발전기보다 전기 발전효율이 우수하다. BaTiO3는 페로브스카이트 구조를 가졌지만 나노 발전기에 적용하기는 어렵다. 특성(취성)상 쉽게 깨지기 때문이다. 한국과학기술원 신소재공학과 이건재 교수는 이런 문제점을 극복하기 위해 마이크로 스트럭쳐 반도체 기술(μs-Sc)을 이용했다. 마이크로 스트럭쳐 반도체 기술은 벌크 형태의 실리콘 기판위에 세라믹 박막을 형성하여, 고온공정으로 결정화시켜 박막의 특성을 극대화할 수 있다. 압전 박막물질을 플라스틱 위에 옮겨 깨지지 않고 유연한 나노 발전기를 제작할 수 있다. 제작된 나노 발전기는 손으로 구부렸을 때 단위 면적당 세계 최고 효율의 1.0 V 전압과 7 mW/cm3 전력을 얻을 수 있다. 하지만 나노 발전기를 생체 내부 바이오 전자 소자의 영구 에너지원으로 사용하기 위해서는 생체 친화적이고 고효율이어야 한다. 2차 전지의 전기 에너지로 저장 가능한 기술이 필요하다. 이런 요건이 충족된다면 의료기기 사업 분야에 획기적인 도움을 줄 것이다.
인체 내부에 나노 발전기를 부착하여 일상생활에서 전기를 생산하면 몸속에 이식된 의료기기 배터리의 수명을 크게 늘릴 수 있으며, 바이오센서 등을 영구히 작동시킬 수 있다. 또한 원천 기술을 다양한 분야에 응용하거나 ▲특허권 제공 ▲플랫폼 설계　▲나노 발전기 제작 기술 이전을 통한 부가가치를 창출할 수 있다. 이밖에도 여러 산업 분야, 가정 및 자연 어디에서든 손쉽게 전기 에너지를 얻을 수 있다. 현재 한국과학기술원 신소재공학과 이건재 교수는 진행 중인 나노 발전기에서 생성된 전기 에너지를 2차 전지에 저장하는 연구를 완료하여, 생체에 이식된 의료기기 배터리 수명을 1.1~1.5배 연장할 수 있는지에 대해 확인할 예정이다.

미소에너지 수확을 위한 형태변환형 나노전력발전소자
나노전력발전소자는 자가 발전을 통해 전력을 발생시키는 친환경 에너지 소자이다. 그래핀은 기계적, 전기적 특성이 뛰어난 차세대 신물질로 나노전력발전소자의 전극으로 사용하면 완벽한 플렉서블리티를 구현할 수 있다. 또한 나노전력발전소자를 누르거나 구부리는 등의 인위적인 힘을 통해 구현하여 새로운 에너지 하베스터를 제시하거나 버려지는 에너지도 재 수확할 수 있다. 기술적으로는 ▲나노센서 ▲나노전자소자 ▲나노광소자 ▲나노바이오소자와 같은 매우 작은 크기의 소자를 외부 에너지 공급 연결선 없이 독립적이고 지속적으로 구동시킬 수 있어, 각 분야에서 획기적인 기술 도약이 이뤄질 것으로 예상된다. 형태변환형 나노전력발전소자는 NT-IT-ET 기술 융합을 통해 에너지 발생 소자나 관련 산업 분야의 원천기술 확보 등으로 국내외 차세대 에너지 시장에 큰 파급효과를 나타낼 수 있다. 성균관대학교 신소재공학부 김상우 교수에 따르면 이 기술은 미래형 플렉서블 전자소자 개발을 목표로 하는 부품소재 원천 기술 연구 분야의 발전에도 크게 기여할 것이며, 차세대 나노소재 합성기술을 이용한 플렉서블 나노전력발전소자 개발, 제작 및 특성 평가에 관한 연구로 기대할 수 있다고 한다. 이 기술이 개발 완료되면 나노전력발전소자는 외부의 전력 공급 없이도 휘거나 누르거나 진동을 주어 자가발전을 통해 ▲차세대 디스플레이 ▲미래 IT 기기 ▲에너지 소자 등에 적용할 수 있다. 특히 나노전력발전소자는 재료의 압전특성을 이용하여 주위 환경에서 에너지를 추출해 기존 신재생에너지와 달리 시/공간상의 제약을 덜 받는다. 또한 다양한 에너지 하베스팅을 통해 고효율의 에너지 변환 소자로 미래의 에너지원으로 기대되고 있으며, 배터리 수명 등의 생체 삽입형 의료기기 응용을 저해했던 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 

튜브형 구조의 생체 삽입 전지 개발
경상대학교 나노·신소재공학부 남태현 교수는 체내물질을 이용해 자가발전이 가능하고 이를 저장할 수 있는 인체이식 가능한 융합/자가발전형 나노배터리/생체연료전지 전원시스템을 개발했다. 이번 성과물(특허)은 생체 및 혈관 내에 삽입될 수 있는 ①튜브형 생체 삽입 전지의 다양한 구조 설계 ②생체 삽입 전지의 전극 효소를 효율적으로 고정하는 방안 ③생체 삽입 전지가 혈액이나 생체에 노출됨에 따라 발생하는 독성 억제 방안 ④생체연료전지에서 발생된 전압을 승압시키기 위한 변압 회로부의 초기 구동 방안 ⑤발생된 전압을 변압 회로부에서 효율적으로 충전하기 위한 방안 등을 포괄적으로 포함하고 있다. 현재 제안특허 구현을 위해 시작품 제작이 진행되고 있으며, 이미 2010년 제조과정의 핵심 부문인 튜브형 이차전지의 시작품 제작이 이뤄졌다. 성공적으로 시작품 제작이 진행될 경우, 생체연료전지와 나노이차전지의 융합관련 원천기술을 확보할 수 있다. 또한 ▲효소개량 기술 ▲나노공정 기술 ▲고해상도 초음파 영상을 이용한 유동진단 기술 ▲나노필터링 기술 ▲생체적합 나노구조 제조 기술 ▲생체에 적용할 수 있는 바이오 MEMS 기술 등의 요소 기술을 확보로 관련분야의 기술향상에 크게 기여할 것으로 예상된다. CMOS 칩에 바이오센서 기술과 다양한 바이오 장치를 집적시키는 최초의 사례이다. 기존의 인공 심장, 심장 박동 조절 장치(pacemaker), 캡슐형 내시경, 진단용 의료센서, 약물 주입 펌프(drug infusion pump) 등의 생체 이식형 의료 기기를 비롯한 신개념 의료기기 개발에 크게 기여할 수 있다. 인체이식 가능한 융합형 전원시스템 개발은 약 300억 달러(2015년)로 예상되는 인체삽입용 의료기기 시장을 선점할 수 있다. 또한 신개념의 나노 의료기기 개발 및 보급화가 가능할 것으로 기대된다. 이밖에도 원천특허 취득에 따른 막대한 기술료 수입이 가능해 새로운 국가성장 동력산업을 창출할 수 있으며, 생체 내에서 자가발전 및 저장이 가능한 에너지 하베스팅 관련 분야의 원천기술을 확보하고, 산업체 위원회를 구성해 산업화를 할 기업의 의견 및 컨설팅 등을 수용하는 활로를 만들 예정이다. 이를 위해 특허 포트폴리오 수립에 따른 연구 및 실용화 검토, 기술이전을 위한 핵심기술 선정 및 보완, 기술보완 및 산업체위원회를 중심으로 한 관련업체로의 기술이전에 활용할 계획이다.