미래창조과학부가 이화여자대학교 우정원 교수 연구진이 메타물질*로 전하**이동을 제어하여 광전소자***의 전력생산 효율을 높이는 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.* 메타물질 : 자연계 물질이 구현하지 못하는 특성을 지니도록 파장보다 작은 크기로 설계된 인공의 구조** 전하 (charge) : 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양으로 전기 현상을 일으킨다.*** 광전소자 : 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로, 태양전지, LED 등이 대표적이다.기존에는 광전소자의 전력 효율을 높이기 위해 소자의 구조 자체를 조절하는 세밀한 광학 설계 기술을 이용하여 왔는데 이와 같은 기술은 실제로 구현하기 쉽지 않고 소자의 구조에 민감하기 때문에 안정적인 효율 향상을 얻기 어려웠다.이번 우정원 교수팀은 복잡한 공정 없이도 광전소자에서 발생하는 전하 이동 현상을 메타물질로 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 하였다.※ 엑시톤*의 시상수**가 약 3배 증가 (0.2 ps*** → 0.5 ps)* 엑시톤 : 외부에서 빛이 흡수될 때 광활성층에 형성되는 전자-정공의 쌍으로 전류를 만들어내는 역할을 함** 시상수 : 엑시톤이 전자와 정공으로 분리될 때까지 걸리는 시간으로 시상수가 길수록 전력 효율이 증가되어 광전소자의 전력효율 증가시키는 가장 중요한 요소임*** ps(pico second) : 1조분의 1초우정원 교수(이화여대) 연구진은 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어연구단), 해외우수연구기관유치사업(이화CNRS국제공동연구소)과 선도연구센터사업(양자메타물질연구센터)을 수행하였으며 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 6월 5일자에 게재 되었다.논문명과 저자 정보는 다음과 같다.논문명 : Charge-transfer dynamics and nonlocal dielectric permittivity tuned with metamaterial structures as solvent analogues저자 정보: 이광진(제1저자, 이화CNRS국제공동연구소) 시아오(소르본느 대학교, 프랑스), 우제흔(이화CNRS국제공동연구소, 한국표준과학연구원), 김은선(이화CNRS국제공동연구소), 크레허(소르본느 대학교, 프랑스), 아티아스(소르본느 대학교, 프랑스), 마트베(소르본느 대학교, 프랑스), 리비에르(교신저자, 이화CNRS국제공동연구소), 우정원(교신저자, 이화CNRS국제공동연구소), 앙드레 (교신저자, 이화CNRS국제공동연구소)논문의 주요 내용은 다음과 같다.1. 연구의 필요성차세대 에너지 소자로 주목을 받고 있는 유기 태양전지는 1세대 태양전지(실리콘계 태양전지)와 2세대 태양전지(박막 태양전지) 보다 가공이 쉽고 재료가 다양하며 저렴한 가격으로 제작 가능하다. 또한 발전효율 향상이 빠르며 유연소자로 개발 가능하여 3세대 태양전지로 기대를 받고 있으나 아직은 낮은 효율과 짧은 수명으로 인해 응용에 제한을 받고 있다.빛을 흡수하여 광활성층*의 도너**에서 생성된 전자-정공쌍인 엑시톤***은 억셉터로 이동하여 전자-정공으로 분리되고 전자는 양극, 정공은 음극에 모여 전류를 생성시킨다.* 광활성층 : 빛을 받아들이는 부분으로 도너와 억셉터로 구성되어 있음** 도너 (donor) : 전자를 주는 역할*** 엑시톤 : 외부에서 빛이 흡수될 때 광활성층에 형성되는 전자-정공의 쌍으로, 전류를 만들어내는 역할을 함**** 억셉터 (accepter) : 전자를 받는 역할엑시톤의 시상수*가 짧으면 억셉터로 가기도 전에 전자-정공쌍이 재결합하여 전류를 생성할 수 없다. 따라서 엑시톤의 시상수가 길면 억셉터로 갈 확률이 높아져 전류 생성률이 증가하게 된다. 이에 따라 엑시톤의 시상수 증가는 전류 생성, 나아가 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있는 가장 중요한 요소이다.* 시상수 : 엑시톤이 전자와 정공으로 분리될 때까지 걸리는 시간으로 시상수가 길수록 전력 효율이 증가되어 광전소자의 전력효율 증가시키는 가장 중요한 요소임2. 연구 내용본 연구에서는 빛의 파장보다 약 70배 얇은 10 nm 두께의 은과 산화막을 교대로 층층이 쌓아 제작한 메타물질 위에 코팅한 분자에서 일어나는 전하이동 현상을 메타물질을 이용하여 임의로 조절할 수 있음을 밝혀냈다. 이론적으로 분자 주변의 유전상수*를 낮추면 엑시톤의 시상수는 증가한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 메타물질을 이용하여 분자 주변의 유전 상수값을 낮춰 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되지 않고 긴 시간 유지하는데 성공하여 소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 하였다.* 유전상수 : 물질의 전기적인 특성을 나타내는 물질 고유의 값광전소자의 광활성층에서 발생하는 전하 이동 현상을 복잡한 공정 없이도 메타물질로 제어함으로써 엑시톤의 시상수를 약 3배 (0.2 ps* → 0.5 ps) 증가시키는데 성공했다.* ps(pico second) : 1조분의 1초3. 연구 성과기존의 유기 태양전지 상용화의 걸림돌이었던 낮은 효율과 짧은 수명을 향상시키기 위해 메타물질을 적용하여 기존의 세밀하고 복잡한 기술을 사용하지 않고도 전자 이동현상을 제어할 수 있는 길을 열었다.새로운 방식으로 전하 이동 현상메커니즘을 임의로 조절할 수 있어 태양전지를 비롯한 광전 소자 뿐 아니라 유기 반도체, 유기 디스플레이소자 등 다양한 전력 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 원천기술로 의미를 갖는다.우정원 교수는 “이번 연구는 메타물질을 이용하여 메타물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하이동 현상을 능동적으로 조절할 수 있는 방법을 세계최초로 제안했다는 점에서 학문적 의의가 크며 향후 유기 태양전지에 적용할 경우 태양광을 전기로 변환하는 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대한다”고 말했다. 또한 우 교수는 “이번 성과는 태양전지뿐만 아니라 IoT 센서, 디스플레이, 유연 소자, 유연 에너지 소자에 적용되는 유기 소자를 제어할 수 있어 원천기술로 큰 부가가치를 창출할 것이다”고 전망했다.
과학 | 오은정 기자 | 2017-06-12 17:14
산업통상자원부는 9일(금) 서울 양재동 엘타워에서 ‘대한민국 로봇산업 기술로드맵’에 대한 공청회를 개최했다.‘대한민국 로봇산업 기술로드맵’은 2016년 11월 15일 범부처 로봇산업 정책협의회가 의결한 ‘로봇산업 발전방안’의 후속조치 중 하나로 주관 부처인 산업부와 6대 로봇 연구기관*, 대학, 수요기업 등 각계 전문가 80여 명이 6개월 동안 분야별 분과위원회** 운영을 통해 로드맵 초안을 마련했다.*과학기술연구원(KIST), 기계연구원(KIMM), 로봇융합연구원(KIRO), 생산기술연구원(KITECH), 전자부품연구원(KETI), 전자통신연구원(ETRI)**제조, 물류, 농업, 의료, 재활, 안전, 개인서비스, 부품, SW, 지능, 표준화 등 8개 분과이에따라 로봇 관련 산, 학, 연, 관 관계자 100여 명이 참석한 로드맵 공청회를 열고 초안 검토와 향후 개선 방안 등에 대한 의견을 수렴했다.대한민국 로봇산업 기술로드맵은 로봇 핵심 기술을 ‘8대 핵심분야’로 구분하고 제조, 물류, 농업, 의료, 재활, 안전, 개인서비스 등 5개 제품기술 및 부품, SW, 지능, 표준화 등 3개 기반기술을 제시했다.제품기술 중 국내 로봇시장에서 가장 큰 비중(61%)을 차지하는 ‘제조로봇’ 분야에서는 협동로봇, 조립공정용* 로봇 중심으로 개발 목표 및 기술 확보 방안을 도출했다.*(예시)협동로봇 관련 로봇 단품 자체로 안전 구현이 가능한 로봇 안전 기술, 인간 작업자의 조립능력과 유사한 수준의 조립공정용 로봇 기술기반기술인 로봇 ‘부품’은 센서, 구동기, 제어기로 분류하고, 국내 부품기술 경쟁력 확보를 위하여 로봇제품과 연계한 부품 기술개발 방향*을 제시했다.*(예시)협동로봇 작업에 활용 가능한 이형 작업물 조립,이송용 그리퍼 기술
과학 | 권혁교 기자 | 2017-06-09 16:35
인공지능(AI)과 사람의 바둑 대국으로 소프트웨어(SW)와 알고리즘의 중요성이 부각되고 있다. 영국, 미국 등 선진국 공교육을 중심으로 SW 교육인 코딩스쿨에 대한 관심이 고조되고 있고, 우리나라도 ‘18년 SW 교육을 필수화하고 올해 900개의 SW 선도학교를 선정할 계획이다.SK텔레콤은 이러한 트렌드에 맞춰 SW 교육용 로봇 ‘알버트’의 초등학교용 버전인 ‘알버트 스쿨’을 3월 23일 출시하고, 초등학교 SW 교육 확산에 박차를 가할 계획이다.기존 스마트로봇 ‘알버트’가 스마트폰이나 태블릿의 앱을 통해서 로봇을 제어했다면, ‘알버트 스쿨’은 학교 교실에 설치된 PC를 통해서도 로봇을 제어할 수 있도록 업그레이드 한 것이다. 즉, 기존 스마트기기에 더해 PC까지 연동 범위를 확장하였으며, PC에서 구동되는 교육용 프로그래밍 언어인 ‘엔트리(ENTRY)’를 통해 알버트를 구동하면서 SW수업이 가능하다.또한, 알버트를 활용하여 1년 간 학교 SW 수업이 가능하도록 초/중급 과정의 40회 ‘커리큘럼’을 완비하여 학교에서 편리하게 활용할 수 있도록 했다.스마트로봇 알버트는 유아 및 초등학생이 코딩카드 및 코딩보드 등을 활용한 아날로그 학습 활동이 가능한 것이 특징이다. 또한, PC나 스마트 폰을 활용하여 코딩을 하면 로봇이 따라 움직임으로써 아이들이 흥미롭게 코딩교육을 배울 수 있다.알버트를 활용한 코딩 교육은 교육효과성이 뛰어난 것으로 국내외에서 인정받고 있다. 작년 2학기 한국과학창의재단 주관의 ‘스마트로봇 SW 교실’ 후 참가자들을 대상으로 한 조사에서 코딩 교육이 창의성 및 문제 해결력 등에서 효과가 큰 것으로 나타났다.건국대(교육공학 임걸 교수) 및 고려대(교육학과 박인우 교수) 연구진이 참가학생 1,130명을 대상으로 측정한 결과, 문제해결력과 몰입도 항목에서 유의한 상승 결과를 보였다. 또한 10개학교 200명 학생을 대상으로 시행된 초등도형 창의성 검사(학지사 심리검사연구소 개발)에서도 학생들의 창의력이 의미있게 향상된 것으로 밝혀졌다.‘15년 12월에는 ‘스마트로봇 코딩스쿨’이 미국 와튼스쿨-QS 주관의 권위 있는 교육 분야 상인 ‘REIMAGINE EDUCATION 2015’의 초중고 영역에서 대상을 수상했다. 이 상은 미국에서도 권위있는 교육상으로, 한국 교육서비스로는 최초로 수상하는 등 코딩 선진국 미국에서도 우수성을 인정받은 것이다.또한, 지난 3월 18일 미국 워싱턴에 본사를 두고 있는 미주개발은행(IDB) 루이스알베르토 몰레노 총재가 SK텔레콤을 방문하여 공동으로 추진하고 있는 중남미국가 대상 스마트로봇 코딩스쿨에 대한 사업협의를 진행하였다.이 사업은SK텔레콤과 IDB가 함께 총 사업비 240만불을 투자하여 중남미 코스타리카 300여 학급(교사 600여명, 학생 6,000여명)을 대상으로 ‘알버트’ 를 활용한 시범교실을 2018년까지 운영하는 것이다. 금년 5월 시작하는 시범사업의 결과가 좋을 경우 IDB는 중남미 전역으로 본 사업을 확대할 계획이다.스마트로봇 코딩스쿨은 국내 교육 격차 해소에도 적극적이다. SK텔레콤은 엔트리교육연구소와 함께 ‘찾아가는 SW 놀이터’ 무료 교육복지 프로그램을 국내 지역아동센터 7곳, 130여 명 아동 대상 3월부터 6월까지 무상 교육을 실시하고 있다.장동현 SK텔레콤 사장은 지난 3월 18일 서울 을지로 본사 T타워에서 IDB 총재가 예방한 자리에서 “로봇을 통한 코딩교육은 21세기 디지털 시대 컴퓨팅 사고력 역량을 갖춘 미래인재 육성에 필수적이며, IDB과 함께 코스타리카 지역 시범학교 추진을 통해 국내외 정보, 교육격차 해소에 앞장서겠다”고 밝혔다.
과학 | 권혁교 기자 | 2016-03-23 14:27
