공과대학 신소재공학부 교원들의 세계적 연구업적 연이어 발표돼

이경진 교수 국제공동연구팀, 차세대 반도체 소비전력 95% 절감 기술 개발
강용묵 교수 공동연구팀, 2차 전지 충전용량 한계도 돌파구 제시

▲ 신소재공학부 강용묵 교수(왼쪽)와 이경진 교수(오른쪽)

공과대학 신소재공학부 교수들의 차세대 반도체, 2차 전지와 같은 미래 부품 소재 연구 과제가 세계적인 학술지에 잇따라 게재되는 쾌거를 거둬 화제가 되고 있다.

공과대학 신소재공학부 이경진 교수 연구팀이 국제공동연구(일본 교토대 테루오 오노(Teruo Ono) 교수/김덕호 박사, 미국 미주리대학 김세권 교수, KAIST 김갑진 교수 등)를 통해 신규 자성소재를 적용하여 MDW(Magnetic Domain Wall)-MRAM의 소비 전력을 95% 이상 절감시킬 수 있는 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

연구 결과는 영국 현지 시간 9월 18일 세계적인 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 발표됐다.

D램은 초고속 데이터처리·고밀도 저장·저전력 구동 등 강점이 있으나, 데이터 저장을 위해 사용하지 않을 때도 계속 전원

을 공급해야 하는 단점이 있다. MDW-MRAM은 이런 단점을 극복하기 위해 개발된 것이다. 그동안은 고밀도 데이터 저장을 위해 필요한 구동 전류가 높다는 한계가 있었다.

이경진 교수팀은 MDW-MRAM에 기존에 사용돼 왔던 강자성(Ferromagnets) 소재를 새로운 페리자성(Ferrimagnets) 소재로 변경했다. 이를 통해 구동 전류 효율이 20배 이상 개선하고, 소비전력도 기존 대비 95% 이상 절감할 수 있는 해법을 제시했다.

이경진 교수는 "이번 연구 결과는 차세대 MDW-MRAM 기술의 중요한 난제였던 높은 전력 소모 문제를 해결할 수 있는 가능성을 보여주었다. MRAM은 비휘발성·고밀도·저전력을 동시에 만족하는 특성이 있어 AI(인공지능), 자율주행, IoT(사물인터넷) 등 향후 4차 산업혁명 기술발전에 있어 파급 효과가 있을 것“이라고 기대했다.

이번 연구는 삼성전자가 2017년 12월 삼성미래기술육성사업 지원과제로 선정했다.

▲ 결정수를 활용한 층상구조 내 비가역적 상전이의 가역화

공과대학 신소재공학부 강용묵 교수와 성균관대 윤원섭 교수 공동 연구팀은 2차 전지 충전용량의 한계를 극복할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

이번 연구 결과는 영국 현지시간 9월 2일 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표됐다.

2차 전지는 주로 스마트폰, 전기차 등에 사용되고 있다. 2차 전지의 사용 시간이 어느 정도인지는 대부분 양극 소재의 성능에 의존하고 있다.

현재 2차 전지에 사용되고 있는 양극 소재는 전기를 운반하는 양이온층과 금속산화물층이 교대로 적층된 형태의 구조물인데, 전지 충방전 과정에서 일정량 이상의 양이온이 움직이게 되면 층간 구조가 무너져 회복되지 않는 성질이 있다.

이런 비가역적 구조 변화로 양극 소재가 본래 저장할 수 있는 충전용량을 100% 사용할 수 없는 것이 2차 전지의 성능 한계로 지적돼왔다.

강용묵 교수팀은 망간계 산화물인 버네사이트(Birnessite)를 이용하면 층과 층 사이에 존재하는 결정수(crystal water)의 양과 위치에 따라 층간 구조적 특징을 제어할 수 있다는 것에 착안했다.

이를 통해 충방전 과정에서 발생하는 구조 변화를 가역적으로 만들어 충전용량을 100% 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다.

강용묵 교수는 “이번 연구결과는 충방전 과정에서 발생하는 양극 소재의 구조 변화를 근본적으로 뛰어넘을 수 있는 새로운 패러다임을 최초로 제시했다.”라고 연구 의의를 말하며 “가역적인 구조변화가 다양한 적층 소재에 확대 적용될 수 있다면 이론적 한계에 거의 도달한 2차 전지 양극 소재 개발에 박차를 가할 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 2017년 6월 삼성전자 삼성미래기술육성사업 자유공모테마로 선정, 지원됐다.