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KAIST, 차세대 반도체 핵심 '텔루륨' 스위칭 비밀 풀었다 [이코노믹데일리] 인공지능(AI) 시대를 맞아 초고속·저전력 반도체의 중요성이 커지는 가운데, 국내 연구진이 차세대 메모리 소자의 작동 원리를 규명하는 데 성공했다. 그동안 열에 취약해 다루기 힘들었던 소재를 제어하는 기술을 확보함으로써 반도체 설계의 새로운 이정표를 세웠다는 평가다. 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 생명화학공학과 서준기 교수팀이 경북대 이태훈 교수팀과 공동 연구를 통해 나노 소자 내부의 전기 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 실시간으로 포착하는 실험 기법을 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 연구의 핵심은 차세대 메모리 소재로 주목받는 '텔루륨(Te)'이다. 텔루륨은 금속과 비금속의 성질을 모두 가진 준금속 원소로, 특히 원자 배열이 불규칙한 '비정질' 상태일 때 고속 동작과 저전력 구동이 가능하다. 하지만 전기를 흘리면 발생하는 열 때문에 성질이 쉽게 변해 비정질 상태를 유지하며 연구하기가 매우 까다로웠다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '급속 냉각' 방식을 도입했다. 소자 주변 온도를 극저온으로 낮춘 뒤 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 식히는 기법이다. 이를 통해 머리카락보다 훨씬 작은 나노 소자 안에서 텔루륨을 유리처럼 불규칙한 비정질 상태로 안정적으로 구현해냈다. 연구팀은 이 환경에서 전압을 가했을 때 전기가 어떻게 흐르는지 정밀 관측했다. 그 결과 비정질 텔루륨의 스위칭은 단순한 1단계가 아니라는 사실이 밝혀졌다. 전압이 일정 수준을 넘으면 내부의 미세한 결함을 따라 먼저 전류가 급격히 증가하고, 이후 열이 축적되면서 물질이 녹는 '2단계 스위칭' 과정을 거친다는 것을 확인했다. 스위칭이 시작되는 정확한 전압과 열 조건, 에너지 손실 구간을 구체적으로 파악한 것이다. 또한 연구팀은 과도한 전류 없이도 비정질 상태를 유지하며 전압이 스스로 커졌다 작아지는 '자가 진동(Self-oscillation)' 현상을 구현하는 데도 성공했다. 복잡한 화합물 없이 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적인 전기 제어가 가능함을 입증한 셈이다. 이번 성과는 단순히 현상을 관찰한 것을 넘어, '왜, 언제 전기가 켜지는지'에 대한 원리를 규명했다는 데 의의가 있다. 이를 활용하면 열 발생을 최소화하면서도 작동 속도가 빠르고 전력 소모가 적은 AI용 메모리 소자를 설계할 수 있다. 서준기 교수는 "비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 스위칭 원리를 규명한 첫 사례"라며 "차세대 메모리 및 스위칭 소재 연구의 새로운 기준을 제시했다"고 강조했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다.2026-02-08 13:32:43
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韓 연구진, 800km 주행·12분...전기차 배터리 '게임체인저', 국내서 개발 [이코노믹데일리] 1회 충전으로 800km를 주행하고 단 12분 만에 초고속 충전이 가능하며 30만km 이상을 달려도 성능 저하가 거의 없는 차세대 전기차 배터리 핵심 기술이 개발했다. KAIST와 LG에너지솔루션 공동 연구팀이 리튬메탈전지의 상용화를 가로막던 가장 큰 기술적 난제인 ‘덴드라이트(Dendrite)’ 현상을 억제하는 원천기술을 세계 최초로 개발했다. KAIST 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 공동으로 설립한 프론티어 연구소(FRL)를 통해 리튬메탈전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 최고 권위의 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재되며 그 중요성을 세계적으로 인정받았다. 리튬메탈전지는 현재 전기차에 널리 쓰이는 리튬이온전지의 핵심 소재인 흑연 음극을 리튬메탈로 대체한 것이다. 흑연보다 에너지 저장 용량이 10배가량 높은 리튬메탈을 사용하면 이론적으로 전기차의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있어 ‘꿈의 배터리’로 불려왔다. 하지만 여기에는 치명적인 아킬레스건이 존재했다. 바로 배터리를 충전할 때 음극 표면에 나뭇가지 모양의 뾰족한 리튬 결정체 즉 ‘덴드라이트’가 자라나는 문제다. 이 덴드라이트는 배터리의 분리막을 훼손해 수명을 단축시키고 심할 경우 양극과 음극을 접촉시켜 내부 단락(short-circuit)을 일으켜 화재나 폭발의 원인이 될 수 있다. 특히 충전 속도를 높일수록 덴드라이트 현상은 더욱 심각해져 초고속 충전은 불가능의 영역으로 여겨져 왔다. KAIST-LG에너지솔루션 공동 연구팀은 덴드라이트가 형성되는 근본적인 원인이 급속 충전 시 리튬메탈 표면에서 리튬 이온들이 불균일하게 뭉치는 ‘계면 응집반응’ 때문임을 규명했다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 개념의 ‘응집 억제형 신규 액체 전해액’을 설계했다. 새로운 전해액은 리튬 이온(Li⁺)과의 결합력이 약한 음이온 구조를 활용해 리튬 이온들이 음극 표면에 뭉치지 않고 고르게 달라붙도록 유도한다. 이를 통해 계면의 불균일성을 최소화하고 12분이라는 초고속 충전 환경에서도 덴드라이트의 성장을 효과적으로 억제하는 데 성공했다. 그 결과 높은 에너지 밀도는 그대로 유지하면서도 수명과 안정성, 충전 속도라는 세 마리 토끼를 모두 잡을 수 있게 된 것이다. 이번 기술 개발은 KAIST와 LG에너지솔루션이 차세대 배터리 기술 선점을 위해 2021년 설립한 프론티어 연구소(FRL)의 대표적인 성공 사례다. 대학의 기초 연구 역량과 기업의 상용화 노하우가 결합해 시너지를 낸 결과다. 김희탁 KAIST 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 계면 구조에 대한 깊은 이해를 통해 리튬메탈전지의 기술적 난제를 돌파하는 핵심 토대가 됐다”며 “리튬메탈전지가 전기차에 도입되기 위한 가장 큰 장벽을 넘어섰다”고 그 의미를 평가했다. 김제영 LG에너지솔루션 CTO(전무)는 “LG에너지솔루션과 KAIST가 FRL을 통해 이어온 지난 4년간의 협력이 유의미한 성과를 창출하고 있다”며 “앞으로도 산학 협력을 더욱 강화해 기술적인 난제를 해결하고 차세대 배터리 분야에서도 최고의 성과를 창출해 나가겠다”고 밝혔다. 이번 연구 성과는 전기차 시장의 ‘게임 체인저’가 될 잠재력을 품고 있다. 긴 주행거리와 내연기관 주유 시간과 맞먹는 초고속 충전이 가능해진다면 소비자들이 전기차를 선택하는 데 있어 가장 큰 걸림돌이었던 ‘주행거리 불안’과 ‘충전 시간’ 문제를 동시에 해결할 수 있기 때문이다. K-배터리 기술이 다시 한번 세계 시장을 선도할 중요한 전환점이 마련된 셈이다.2025-09-04 08:27:36
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KAIST, 스마트폰 충전 전력으로 CO2 포집…'저전력 DAC' 기술 세계 최초 개발 [이코노믹데일리] 국내 연구진이 스마트폰 충전기 수준의 초저전력만으로 공기 중 이산화탄소를 직접 포집하는 획기적인 기술을 세계 최초로 개발했다. KAIST는 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 미국 MIT와 공동 연구를 통해 전기를 흘려 스스로 뜨거워지는 전도성 섬유 기반의 전기 구동 직접공기포집(e-DAC) 기술 개발에 성공했다고 25일 밝혔다. 기존 직접공기포집(DAC) 기술은 포집한 이산화탄소를 분리하는 과정에서 100℃ 이상의 고온 증기가 필요해 막대한 에너지를 소모하는 것이 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다. 연구팀은 이 문제를 ‘저항 가열’ 방식으로 해결했다. 전기장판처럼 섬유에 직접 전기를 흘려 열을 발생시키는 원리다. 스마트폰 충전 전압인 3V의 저전력만으로 80초 만에 섬유를 110℃까지 가열해 이산화탄소를 분리해낸다. 외부 열원 없이 필요한 부분만 정밀하게 가열해 에너지 손실을 획기적으로 줄였다. 이번 기술의 핵심은 ‘숨 쉬는 전도성 코팅’ 기술이다. 연구팀은 은 나노와이어와 나노입자 복합체를 다공성 섬유 표면에 3마이크로미터(µm)의 얇은 두께로 코팅해 ‘3차원 연속 다공 구조’를 구현했다. 이 구조는 전기는 매우 잘 통하면서도 이산화탄소 분자가 섬유 내부까지 원활하게 이동하는 통로 역할을 해 효율적인 포집과 빠른 가열을 동시에 가능하게 했다. 연구팀은 실제 대기 환경에서 이 기술로 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 회수하는 데 성공하며 대규모 시스템으로의 확장 가능성도 입증했다. 이번 성과는 5년간의 연구 끝에 얻은 결실로 연구팀은 이미 2022년 말 핵심 기술에 대한 국제 특허(PCT) 출원을 완료해 원천 기술을 확보했다. 특히 이 기술은 전기만으로 구동돼 태양광, 풍력 등 재생에너지와 쉽게 연계할 수 있어 탄소중립 공정 전환의 ‘게임 체인저’가 될 것으로 기대를 모은다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’ 최신호에 게재됐으며 표지 논문으로도 선정됐다. 고동연 교수는 “직접공기포집(DAC)은 단순히 이산화탄소 배출을 줄이는 기술을 넘어 공기 자체를 정화하는 ‘음(陰)의 배출(negative emissions)’을 가능케 하는 핵심 수단”이라며 “이번에 개발한 전도성 파이버 기반 DAC 기술은 산업 현장은 물론 도심형 시스템까지 폭넓게 활용될 수 있어 한국이 미래 DAC 기술의 선도국으로 도약하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.2025-08-25 08:07:49
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