[파이낸셜뉴스] 국제 공동연구진이 레이저 포인터 수준의 약한 빛만 쪼여줘도 1만배 이상의 빛에너지를 방출하는 나노물질을 세계 최초로 발견했다. 연구진은 이 나노물질을 태양전지에 활용해 빛을 전기에너지로 변환하는 효율을 높일 수 있을 것으로 전망하고 있다. 한국화학연구원은 서영덕·남상환 박사팀이 미국, 폴란드 연구진과의 공동연구를 통해 툴륨(Tm) 나노입자를 합성한 물질에 적은 빛을 쪼여도 증폭반응을 일으켜 더 큰 에너지의 빛을 강한 세기로 방출하는 현상을 발견했다고 14일 밝혔다. 연구진은 이 나노물질이 바이러스 진단의 바이오·의료 분야를 비롯해 자율주행자동차의 첨단 사물인터넷 분야, 태양전지의 신재생 에너지 분야 등 미래 기술에 폭넓게 활용될 것이라고 전망했다. 세계 최초로 발견한 이번 연구성과는 세계적인 과학저널인 '네이처' 표지논문에 선정됐다. 일반적인 나노물질은 빛 에너지를 흡수하면 일부를 열에너지로 소모하고, 나머지를 처음 흡수한 빛보다 적은 에너지의 빛으로 방출한다. 연구진이 발견한 나노물질은 적은 빛을 받아들여 광학적 연쇄증폭반응을 일으키면서 최소 100배에서 최대 1만배 이상까지 엄청난 빛에너지를 방출했다. 나노입자가 마치 눈사태를 일으키는 모습과 비슷하다는 점을 착안해 '광사태 나노입자'로 새롭게 이름을 붙였다. 연구진은 툴륨을 1%, 4%, 8% 등 여러 비율로 섞은 나노물질에 빛을 쪼여 실험했다. 그결과 8%의 툴륨을 섞은 나노물질에서 빛의 강도가 최대로 발산됐다. 서영덕 박사는 "향후 화학연구원의 페로브스카이트 태양전지 연구진과 함께 태양전지의 효율을 높이는 응용연구를 진행할 계획"이라고 말했다. 광사태 나노입자는 기존 태양전지가 흡수·활용할 수 있는 빛의 영역보다 더 긴 파장의 빛도 흡수할 수 있기 때문에 전지의 효율을 높일 수 있다. 또한 레이저 포인터보다 더 약한 세기의 LED 빛으로도 광사태 현상을 일으키기 위한 후속 연구도 진행 중이다. 광사태 나노입자로 임신진단키트 형태의 바이러스 진단 키트 등 체외진단용 바이오메디컬 기술, 레이저 수술 장비 및 내시경 등 광센서 응용기술, 항암 치료와 피부 미용 등에 쓰이는 체내 삽입용 마이크로 레이저 기술 등으로도 활용할 계획이다. 한편, 후속연구와 관련해 네이처 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 박사와 미국 컬럼비아대학의 제임스 셕 교수는 최근 세계적 권위의 고든컨퍼런스에서 상향변환 나노입자 분야의 컨퍼런스를 처음으로 공동창립해 오는 6월 하순에 미국에서 첫 컨퍼런스를 개최할 예정이다.    monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 생물학적으로 합성된 무기물 나노재료의 종류와 응용을 총망라해 최신의 연구내용과 흐름을 한눈에 파악할 수 있도록 전략을 정리했다. 연구진은 생물학적 무기 나노재료 합성법이 친환경적이며 단순한 공정으로 경제적인 효과를 거둘 수 있을 것이라고 전망했다. 또한 생물학적 무기물 나노재료의 높은 생체 적합성을 장점으로 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 바이오 의료 분야 등 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수팀이 '미생물과 박테리오파지를 이용한 생물학적 무기 나노재료의 합성 및 응용' 논문을 국제학술지 '네이처 리뷰 케미스트리'에 발표했다고 4일 밝혔다. 이상엽 교수는 "생물학적 나노재료들이 추후 바이오 의료 분야의 재료, 바이오 전자기기, 친환경 화학물질 생산 등에 새롭게 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구진은 미생물과 박테리오파지를 이용해 55개 주기율표 원소를 기반으로 단일 또는 두 가지 원소를 조합해 146개의 무기 나노재료가 생물학적으로 합성 가능하다는 것을 밝혔다. 생물학적 무기 나노재료 합성에는 박테리아, 곰팡이, 조류, 박테리오파지가 주로 이용됨을 정리했다. 이들의 합성 메커니즘에는 효소·비효소 단백질, 펩타이드, 전자 수송경로의 구성 요소 등이 주요 역할을 담당하고 있다. 특히 연구진은 "유전적으로 조작된 미생물과 박테리오파지들을 이용하면 생물학적 무기 나노재료의 합성 수율을 높일 수 있다"고 밝혔다. 유전적으로 조작된 미생물들은 무기 이온에 대한 결합력을 높이고 무기 이온의 생물학적 환원을 증가시키는 한편 무기 이온의 생물체에 대한 독성을 줄이기 위한 전략으로도 도입된다. 이번 연구에는 미생물과 박테리오파지를 이용한 무기 나노재료의 생산 가능성과 크기, 모양, 결정성을 조절하기 위한 전략들이 포함됐다. 연구진은 결정질 무기 나노재료를 생물학적으로 합성하기 위해 물질의 열역학적 안정성을 나타내주는 푸베이 다이어그램 분석을 활용한 전략도 제시했다. 또한 연구진은 생물학적 나노재료의 합성 시 고려해야 하는 사항을 정리한 10단계의 흐름도를 제시했다. 현재 생물학적으로 합성된 무기 나노재료들은 촉매, 에너지 수확 및 저장, 전자기기, 항균물질, 의생명 분야의 응용에 적용됐다. 이번 논문은 KAIST 생명화학공학과 최유진 박사가 제1 저자로 참여했으며 네이처 리뷰 케미스트리에서 우수성을 인정받아 12월호 표지논문으로 게재됐다. 한편, 금속 물질 등이 주된 무기 나노재료(inorganic nanomaterial)는 물리·화학적 합성법에 따라 얻어진다. 이 나노재료는 고온·고압의 조건에서 반응이 이뤄지고, 유독한 유기용매 및 고액의 촉매가 필요해 환경오염의 문제를 일으키는 단점이 있다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] LG전자는 2020년형 '나노셀 TV' 신제품이 에너지소비효율 1등급을 받았다고 6일 밝혔다. LG전자는 프리미엄 LCD(액정표시장치) TV인 ‘LG 나노셀 AI(인공지능) 씽큐(ThinQ)’가 에너지소비효율 1등급을 획득, 기존 ‘LG 울트라HD TV AI 씽큐’에 이어 1등급 TV 모델을 확대했다. 이번 신제품은 정부의 으뜸효율가전제품 환급대상으로, 구매 금액의 10%, 최대 30만원을 추가로 환급받을 수 있다. LG 나노셀 TV는 약 1나노미터(nm, 10억 분의 1미터) 크기의 미세 입자를 활용한 프리미엄 LCD TV다. LCD 패널 위에 덧입힌 나노 입자들이 백라이트에서 나오는 빛의 파장을 정교하게 조정해 자연색에 가까운 색을 구현한다는 게 LG전자 측의 설명이다. LG전자는 오는 19일까지 전국 LG베스트샵, LG전자 온라인 공식 판매점 등에서 65·55형 신제품 예약 판매를 진행할 예정이다. 구입 모델에 따라 최대 20만원 캐시백, 국내 OTT(온라인 동영상 스트리밍) 서비스 ‘왓챠플레이’ 6개월 이용권 등 다양한 혜택을 제공한다. 이번 신제품 출하가는 244만원(모델명: 65NANO87), 159만 원(모델명: 55NANO87)이다. 오는 8월에는 75형(모델명: 75NANO87) 신제품도 선보일 계획이다. 손대기 LG전자 한국HE마케팅담당(상무)은 “‘LG 울트라HD TV AI 씽큐’에 이어 프리미엄 LCD TV인 ‘LG 나노셀 AI 씽큐’까지 에너지 소비효율 1등급 모델을 확대해 고객 선택의 폭을 넓힐 것”이라고 말했다. seo1@fnnews.com 김서원 기자

[파이낸셜뉴스] 나노메딕스의 그래핀 소재 적용 차세대 배터리 개발 및 중국 2차전지 시장 진출이 가속화될 전망이다. 나노메딕스는 중국 2차전지 전문기업 강소펑청 뉴에너지 파워 테크놀로지(이하 FC뉴에너지)에 4000만위안(약 67억7000만원)의 투자금을 납입 완료했다고 26일 밝혔다. 이로써 나노메딕스는 FC뉴에너지의 지분 28.57%를 취득해 2대주주 지위를 확보했다. 투자금 납입이 완료 되면서 FC뉴에너지와 스탠다드그래핀 및 나노메딕스가 그래핀을 활용한 전기차용 대형 배터리 제작이 본격화 될 전망이다. FC뉴에너지는 중국내 2차전지 업계에서 최고 수준의 기술력을 입증 받은 기업으로 최근 6세대 및 차세대 셀인 320wh/kg, 400wh/kg 개발을 위해 한국 업체들과 공동개발 연구를 진행하고 있다. 특히, 그래핀을 음극재로 적용한 2차전지는 기존 음극재인 흑연대비 배터리셀의 용량이 3배 이상 증가증가하는 것 확인 돼 그래핀을 활용한 전기차용 대형 배터리의 사업적 가치가 높을 것으로 예상된다. 나노메딕스 관계자는 “FC뉴에너지는 2차전지 관련 기술력은 물론 양산 능력을 갖춘 뛰어난 기업으로 차세대 배터리 개발 사업에서 시너지가 기대된다”며 “FC뉴에너지는 중국 수주물량 급증은 물론 태국 CP그룹, 아시아 최대규모의 전기차 전용 공장을 보유한 중국북경자동차그룹의 BAIC사 등 유수의 기업들과 증설을 위한 투자협의를 진행하고 있어 향후 협력 범위 확대 등 의미있는 성과를 만들어 갈 것”이라고 말했다. 한편, FC뉴에너지는 작년 5세대 폴리머 셀인 260wh/kg(55Ah) 폴리머 배터리를 개발해 중국 국가강제검측인증을 통과, 공업정보화부에 등록된 바 있다. 또 FC뉴에너지는 지난해 말 스탠다드그래핀으로부터 그래핀을 공급받아 중신그룹 산하의 전기차배터리 생산업체 역신뉴에너지유한과기와 그래핀적용 배터리개발을 위한 연구에 착수했다. dschoi@fnnews.com 최두선 기자

[파이낸셜뉴스] 지구를 보존하고 개선시키는 에너지 미래를 건설하는 도전은 거대한 사업이다. 그러나 그것은 모두 눈에 보이지 않을 정도로 작은 물질들을 통해 움직이는 충전 입자에 달려 있다. 과학자들과 정치인들은 세계의 에너지 생산과 소비라는 메커니즘에 시급하고 실질적인 변화가 필요하다는 것을 인식했다. 이 정도 규모의 코스 수정은 확실히 힘들지만, 사이언스지에 실린 새로운 보고서는 지속가능성을 달성하기 위한 기술적 경로가 이미 마련돼 있다고 시사하고 있다. 그것은 단지 그것을 따르기로 선택하는 문제일 뿐이다. 국제 연구팀이 작성한 이 보고서는 지난 20년 동안 에너지 저장을 위한 나노 물질 분야의 연구가 어떻게 지속 가능한 에너지원을 사용하는 데 필요한 큰 단계를 가능하게 했는지를 설명한다. ■재생에너지 저장 기술개발이야 말로 지구 살리기 드렉셀대 공과대학의 유리 고고트시 박사와 바흐 교수는 "지속 가능성 추구에 직면 한 가장 큰 문제는 모두 더 나은 에너지 저장의 필요성과 연결될 수 있다"고 말했다. "신재생 에너지원의 광범위한 사용, 전력망 안정화, 유비쿼터스 스마트 및 연결 기술의 에너지 수요 관리, 또는 전기로의 운송 수단 전환 등 우리가 직면하고 있는 문제는 에너지 저장 및 분배 기술을 어떻게 개선할 것인가 하는 것이다. 수십 년간의 연구개발 끝에 나노 물질이 그 질문에 대한 답을 제시 할 수 있을 것이다." 그린 뉴딜정책부터 파리협약, 다양한 지역 탄소배출 정책에 이르기까지 대부분의 에너지 지속 가능성에 대한 계획은 에너지 소비를 재점검하고 태양열과 풍력 발전과 같은 신재생에너지를 활용할 필요성을 주장하고 있다. 이러한 두 가지 노력의 병목 현상은 에너지 저장 기술의 개선이다. 재생 가능 자원을 에너지 그리드에 통합하는 문제는 자연의 예측할 수 없는 특성을 감안할 때 에너지 공급과 수요를 관리하기가 어렵다는 것입니다. 따라서 태양이 빛나고 바람이 불 때 발생하는 모든 에너지를 수용하고 높은 에너지 사용 기간 동안 신속하게 분배할 수 있는 대규모 에너지 저장 장치가 필요합니다. 고고트시는 "에너지를 수확하고 저장하는데 더 능숙해질수록 자연에서 간헐적인 재생 에너지원을 더 많이 사용할 수 있을 것"이라고 말했다. "배터리는 농부의 저장고인 사일로와 같다. 만약 그것이 충분히 크지 않고 농작물을 보존할 수 있는 방식으로 건설된다면, 긴 겨울을 넘기기가 어려울 것이다. 지금 당장 에너지 산업에서는 우리가 수확을 위해 올바른 사일로를 건설하려고 노력하고 있다고 말할지도 모른다. 바로 여기에서 나노 물질이 도움이 될 것이다." ■에너지 저장분야 나노소재 덕 본다 에너지 저장효율을 높이는데 멈추지 않는 것은 원자 수준에서 물질을 만들고 조작하는 과학자들에게 공동의 목표였다. 보고서에서 강조된 지난 10년 동안 그들의 노력은 이미 스마트폰, 노트북, 전기 자동차에 전력을 공급하는 배터리를 개선했다. 고고트시는 "최근 몇 년간 에너지 저장 분야에서 우리가 이룬 가장 큰 업적은 나노소재 통합 덕분"이라고 말했다. "리튬이온 배터리는 이미 배터리 전극에 탄소 나노튜브를 전도성 첨가제로 사용해 충전이 빠르고 오래 지속되고 있다. 그리고 점점 더 많은 수의 배터리는 저장되는 에너지의 양을 증가시키기 위해 양극에 나노실리콘 입자를 사용한다." 나노 물질의 도입은 점진적인 과정이며 앞으로 배터리 내부의 나노 스케일 재료를 점점 더 많이 보게 될 것이다. 오랫동안 배터리 설계는 주로 점진적으로 더 나은 에너지 물질을 찾아 더 많은 전자를 저장하기 위해 그것들을 결합하는 것에 기초해 왔다. 그러나 최근에, 기술 개발은 과학자들이 이러한 전송과 저장 기능에 더 잘 기여할 수 있도록 에너지 저장 장치의 재료를 설계할 수 있게 했다. 나노구조화라고 불리는 이 과정은 배터리, 콘덴서, 슈퍼캐패시터의 새로운 구성 요소로서 입자와 튜브, 파편과 나노 크기의 물질을 도입한다. 이 모양과 원자 구조는 전자의 흐름을 빠르게 할 수 있다. 즉, 전기 에너지의 심장박동이다. 그리고 그들의 넓은 표면적은 충전된 입자들에게 더 많은 휴식 공간을 제공한다. ■나노소재가 베터리 디자인까지 바꿨다 나노소재의 효과로 인해 과학자들은 배터리 자체의 기본 설계를 다시 생각할 수 있게 됐다. 전자가 충전과 방전 중 자유롭게 흐를 수 있도록 금속으로 만들어진 나노구조 재료를 사용하면, 배터리는 기존의 배터리에 필요한 금속 포일 전류 집전기를 제거함으로써 상당한 무게와 크기를 줄일 수 있다. 결과적으로, 배터리의 형태는 더 이상 전원을 공급하고 있는 장치의 제한 요소가 아니다. 배터리는 점점 작아지고, 충전 속도가 빨라지고, 오래 지속되며, 천천히 마모되고 있지만, 엄청난 양의 에너지를 지속적으로 저장하고, 장기간에 걸쳐 필요에 따라 분배할 수도 있다. 이 논문의 공동저자인 에카테리나 포메란트세바 박사는 "나노스케일 에너지저장소 분야에서 일하는 것은 매우 흥미롭다"고 말했다. "우리는 현재 그 어느 때보다도 더 많은 나노입자를 사용할 수 있으며, 다른 구성, 모양, 그리고 잘 알려진 특성을 가지고 있다. 이 나노입자들은 레고블록과 똑같으며, 기존의 어떤 에너지 저장장치보다 뛰어난 성능을 가진 혁신적 구조를 만들 수 있도록 스마트하게 조립할 필요가 있다. 이 과제를 더욱 매혹적으로 만드는 것은 레고와는 달리, 어떻게 다른 나노입자를 결합해 안정된 구조를 만들 수 있는지가 항상 명확하지 않다는 사실이다. 그리고 이러한 원하는 나노스케일 아키텍처들이 점점 더 발전함에 따라, 이 과제는 점점 더 도전적으로 돼 과학자들의 비판적 사고와 창의성을 촉발시킨다." ■나노소재 생산단가를 낮춰야 고고트시와 그의 공동 저자들은 나노소재를 활용하기 위해서는 일부 제조 공정을 업데이트해야 하고 그 크기가 커짐에 따라 재료의 안정성을 보장하는 방법에 대한 지속적인 연구가 필요할 것이라고 제안했다. 고고트시는 "기존 소재에 비해 나노소재 비용이 큰 걸림돌로 작용하고 있어 저비용·대규모 제조기술이 필요하다"고 말했다. "그러나 이것은 이미 중국의 배터리 산업 수요를 위해 수백 톤의 제조를 가진 탄소 나노튜브에서 이뤄졌다. 이런 방식으로 나노소재를 전처리하면 현재의 배터리 제조 장비를 사용할 수 있게 된다." 그들은 또한 나노소재를 사용하면 배터리의 핵심 부품이었던 특정 독성물질이 필요치 않을 것이라고 지적한다. 그러나 그들은 또한 미래 나노소재 개발을 위한 환경기준을 제정할 것을 제안한다. 고고트시는 "과학자들이 에너지 저장을 위한 새로운 물질을 개발할 때마다, 그들은 우발적인 화재나 소각 또는 폐기물 투기의 경우에도 항상 인간과 환경에 대한 독성을 고려해야 한다"고 말했다. 이들은 이 모든 것이 의미하는 것은 나노기술이 미래 지향적인 정책이 요구하는 에너지 소싱의 전환과 함께 발전할 수 있을 만큼 에너지 저장를 다용도로 만들고 있다는 것이다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

국내 연구진이 금 나노입자가 염화금산(HAuCl4) 용액내 입자의 농도와 시간에 따라 형태가 변하는 것을 밝혀내 향후 생물학 센서와 제약, 재생에너지, 촉매, 광학 등에 다양한 응용에 활용할 것으로 기대된다. GIST 신소재공학부 김봉중 교수 연구팀은 액상에서 생성된 뾰족한(spiky) 금 나노입자의 성장 메카니즘, 운동학적 특성, 그리고 모폴로지(형태학) 변화를 투과전자현미경으로 실시간 관찰을 통해 최초로 규명했다고 22일 밝혔다. 이번 연구결과는 금 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 센서, 생물학 센서와 제약, 약물 전달, 재생에너지, 촉매 등의 분야에 활력을 불어 넣을 것으로 기대된다. 김 교수 연구팀이 금 입자는 성장시에 반듯한 면으로 둘러싸인 상태에서 가시가 면에서 나와 고슴도치 모양의 입자로 변함을 밝혔다. 또한 자외선-가시광선 분광법을 통해 광범위한 파장대(530-1120 나노미터)에서 변화함을 확인했다. 이와함께 이론적 모델링을 통해 시간에 따라 입자 표면의 금 원자 농도를 정량적으로 구할 수 있었다. 더 나아가, 금 입자가 완전히 뾰족한 형태로 변하는 시간이 입자의 밀도에 반비례한다는 것을 밝혔고, 입자의 밀도는 빔 도즈에는 비례하나 액상 농도에는 크게 의존적이지 않음을 규명했다. 본 연구팀은 실시간 액상 셀 투과전자현미경 기법을 사용함에 있어 충분히 물을 순환시켜 기포를 완전히 제거하고, 전자빔의 크기와 전자수, 염화금산(HAuCl4) 용액의 농도를 조절해 단일 금 나노입자의 성장 환경을 만들었다. 또한 명시야상 이미징을 이용해 액상에 연속적인 전자빔을 투여할 수 있게 했다. 김봉중 교수는 "이번 연구 성과는 광학, 에너지, 촉매, 생명공학 등 광범위한 분야에 활용되는 뾰족한 금 나노입자의 생성, 성장, 그리고 형태의 변화를 표면이나 물질의 결함을 이용하지 않고 물질내의 해당 원자의 과농축만을 이용해 물질을 생성시키는 방법을 통해 정량화 한 최초의 결과로써, 해당 응용분야의 발전과 함께 핵생성을 통한 물질의 근본적인 생성 원리를 밝혔다는데 큰 의미가 있다"고 말했다. GIST 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)가 주도하고 GIST 신소재공학부 정완길 박사과정 학생이 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성과제와 연구재단의 중견연구자과제 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 결과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지 Journal of the American Chemical Society에 지난 10일자 온라인 게재 및 표지 논문으로 선정됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

다가오는 미래에는 신재생에너지, 신소재 및 나노융합, 글로벌 헬스케어 등 3대 산업이 가장 유망한 것으로 조사됐다. 전국경제인연합회(전경련)는 민간·국책 연구소 및 증권사 등의 경제전문가 25명을 대상으로 설문 조사한 결과, 이같이 나타났다고 23일 밝혔다. 조사결과에 따르면 지난해 정부가 차세대 신성장동력으로 선정한 3대 분야 17개 산업중 ‘녹색기술산업’ 분야에서는 신재생에너지(56.0%), ‘첨단융합산업’ 분야에서는 신소재 및 나노융합(40.0%)과 IT융합시스템(36.0%), ‘고부가 서비스산업’ 분야에서는 글로벌 헬스케어(54.2%)와 콘텐츠 및 소프트웨어(33.3%) 산업의 미래가 밝을 것으로 파악됐다. 고용창출 효과가 가장 클 것으로 예상되는 산업은 콘텐츠 및 소프트웨어(20.0%), 첨단 그린도시(16.0%), IT융합시스템(16.0%), 글로벌 헬스케어(16.0%) 순으로 나타났다. 글로벌 헬스케어의 경우 일반 고용창출효과 뿐만 아니라 여성층의 고용창출효과도 클 것(28.0%)으로 조사됐다. 하지만 녹색금융(20.8%), 바이오 제약 및 의료기기(16.7%) 등의 경우 취업준비생의 수준이 산업현장의 기대에 가장 미치지 못하는 산업으로 꼽혀 관련 전문인력의 양성이 시급한 과제인 것으로 나타났다. 경제전문가들의 절반(50.0%)은 신성장동력으로 선정된 산업들에 대해 계획대로 지원해야 한다고 응답했다. 반면 산업의 수를 축소해 집중적으로 지원할 필요가 있다는 의견도 41.7%로 조사돼 차세대 신성장동력 육성에 대해 ‘정책일관성’과 ‘선택과 집중’으로 견해가 나뉘고 있었다. 한편 신성장동력을 육성하기 위해서는 관련 규제완화(36.0%)가 우선되어야 하는 것으로 응답해, 여전히 정부의 과감한 규제개혁이 필요한 것으로 지적됐다. 뒤 이어 인력양성(20.0%), 정부 주도의 원천기술 개발 및 보급(16.0%)과 관련 산업의 수요 진작(16.0%) 순으로 나타났다. /win5858@fnnews.com김성원기자

140여년 전에 고안된(?) 작은 ‘도깨비’가 미래 나노기계들의 한계를 알려줄 수 있을 지 모른다. 1867년 스코틀랜드 물리학자 제임스 맥스웰이 제안한 사고실험(머리 속으로만 시행한 이론적 실험)은 다음과 같다. 만일 동일한 입자로 구성된 두 상자 가운데 ‘문’을 두고 빠른 입자를 한쪽 상자로, 느린 입자를 반대쪽 상자로 이동하도록 문만 여닫는 ‘도깨비’가 있을 경우, 궁극적으로 두 상자는 입자 구성이 달라져 열(에너지)이 다른 상태가 된다. 이 경우 도깨비는 매우 적은 양의 일(문 여닫기)만 하므로 결론적으론 적은 에너지로 오히려 큰 에너지 차이를 만들기 때문에 ‘고립된 시스템 내에선 언제나 엔트로피(무질서)가 더 증가하게 된다’는 열역학 제2법칙을 어길 수 있다는 주장이었다. 이것을 ‘맥스웰의 도깨비’라고 부른다. 물론 이 가설은 틀리다고 증명됐다. 도깨비가 이런 일을 하려면 입자들의 성분 정보를 ‘관측’해야 하므로 이에 대한 에너지가 소비되며 이것이 궁극적으로 열역학 제2법칙을 유지하기 때문이다. 하지만 140년 넘게 지나도록 ‘맥스웰의 도깨비’를 모델로 다양한 연구가 진행됐다. ‘극미세 공간에서 미세입자로 에너지를 낼 경우 한계비율을 어디까지로 잡아야 하나’는 많은 물리학자의 궁금증이었다. 한국과학기술연구원(KIST) 나노융합소자센터 이정훈 선임연구원은 “컴퓨터 중앙처리장치(CPU) 등의 경우 점점 미세한 수준에서의 열 발생에 대한 효율 등의 한계를 밝히는 것이 미래 디자인에 중요하기 때문에 인텔 등의 기업에서도 관심을 갖는 분야”라고 설명했다. 이와 관련, 최근 일본 주오대학 무네유키 에이로 교수와 도쿄대학 사노 마사키 교수 연구팀은 맥스웰의 도깨비 모델을 통해 이러한 ‘정보’가 ‘에너지’로 변환되는 비율을 밝히는데 성공했다. 나노수준의 ‘계단’을 전기장을 이용해 만든 뒤 이리저리 떠다니는 미세입자들이 계단 아래로 내려갈 때만 전기장으로 이를 막자 결국 대부분의 입자가 계단 위쪽에 머물게 돼 아래로 내려가려는 ‘위치에너지’를 갖게 됐다. 입자가 계단 아래로 내려가는 ‘정보’를 관측해 막는 기기와 판단하는 컴퓨터를 ‘도깨비’로 삼은 셈이다. 따라서 ‘정보’가 ‘에너지’로 변환되는 비율을 알 수 있었으며 이것이 1비트의 정보 당 약 3×10의 마이너스 21제곱 줄(joules)이라고 밝혀냈다. 이 연구결과는 ‘네이처 피직스(Nature Physics) 저널 14일자에 온라인으로 게재됐다. 이는 나노기계의 한계효율에 대해 알려주는 기반이 될 것이라는 것이 전문가들의 의견이다. 이 선임연구원은 “거시적인 세계에서도 하드디스크에 정보를 삭제하거나 더할 때 전력이라는 에너지가 들 듯이 나노 수준의 미세한 세계에서 정보와 에너지는 밀접한 관계”라며 “이를 더욱 연구하면 초고성능 나노컴퓨터 등의 에너지효율을 어디까지 향상시키는 것이 효율적인지 등에 대한 심도 있는 발전이 가능할 것”이라고 설명했다. /kueigo@fnnews.com김태호기자 ■사진설명=작은 도깨비가 왼쪽 상자에서 빠른 빨간입자만 오른쪽 상자로 이동하도록 문을 열어준다면 결국 두 상자는 에너지 차이로 열역학 제2법칙을 어길 수 있다는 '맥스웰의 도깨비' 사고실험. 이를 모델로 실제 실험은 미래 나노기계들의 에너지 효율을 밝혀줄 전망이다.

140여년 전에 고안된(?) 작은 ‘도깨비’가 미래 나노기계들의 한계를 알려줄 수 있을 지 모른다. 1867년 스코틀랜드 물리학자 제임스 맥스웰이 제안한 사고실험(머리 속으로만 시행한 이론적 실험)은 다음과 같다. 만일 동일한 입자로 구성된 두 상자 가운데 ‘문’을 두고 빠른 입자를 한쪽 상자로, 느린 입자를 반대쪽 상자로 이동하도록 문만 여닫는 ‘도깨비’가 있을 경우, 궁극적으로 두 상자는 입자 구성이 달라져 열(에너지)이 다른 상태가 된다. 이 경우 도깨비는 매우 적은 양의 일(문 여닫기)만 하므로 결론적으론 적은 에너지로 오히려 큰 에너지 차이를 만들기 때문에 ‘고립된 시스템 내에선 언제나 엔트로피(무질서)가 더 증가하게 된다’는 열역학 제2법칙을 어길 수 있다는 주장이었다. 이것을 ‘맥스웰의 도깨비’라고 부른다. 물론 이 가설은 틀리다고 증명됐다. 도깨비가 이런 일을 하려면 입자들의 성분 정보를 ‘관측’해야 하므로 이에 대한 에너지가 소비되며 이것이 궁극적으로 열역학 제2법칙을 유지하기 때문이다. 하지만 140년 넘게 지나도록 ‘맥스웰의 도깨비’를 모델로 다양한 연구가 진행됐다. ‘극미세 공간에서 미세입자로 에너지를 낼 경우 한계비율을 어디까지로 잡아야 하나’는 많은 물리학자의 궁금증이었다. 한국과학기술연구원(KIST) 나노융합소자센터 이정훈 선임연구원은 “컴퓨터 중앙처리장치(CPU) 등의 경우 점점 미세한 수준에서의 열 발생에 대한 효율 등의 한계를 밝히는 것이 미래 디자인에 중요하기 때문에 인텔 등의 기업에서도 관심을 갖는 분야”라고 설명했다. 이와 관련, 최근 일본 주오대학 무네유키 에이로 교수와 도쿄대학 사노 마사키 교수 연구팀은 맥스웰의 도깨비 모델을 통해 이러한 ‘정보’가 ‘에너지’로 변환되는 비율을 밝히는데 성공했다. 나노수준의 ‘계단’을 전기장을 이용해 만든 뒤 이리저리 떠다니는 미세입자들이 계단 아래로 내려갈 때만 전기장으로 이를 막자 결국 대부분의 입자가 계단 위쪽에 머물게 돼 아래로 내려가려는 ‘위치에너지’를 갖게 됐다. 입자가 계단 아래로 내려가는 ‘정보’를 관측해 막는 기기와 판단하는 컴퓨터를 ‘도깨비’로 삼은 셈이다. 따라서 ‘정보’가 ‘에너지’로 변환되는 비율을 알 수 있었으며 이것이 1비트의 정보 당 약 3×10의 마이너스 21제곱 줄(joules)이라고 밝혀냈다. 이 연구결과는 ‘네이처 피직스(Nature Physics) 저널 14일자에 온라인으로 게재됐다. 이는 나노기계의 한계효율에 대해 알려주는 기반이 될 것이라는 것이 전문가들의 의견이다. 이 선임연구원은 “거시적인 세계에서도 하드디스크에 정보를 삭제하거나 더할 때 전력이라는 에너지가 들 듯이 나노 수준의 미세한 세계에서 정보와 에너지는 밀접한 관계”라며 “이를 더욱 연구하면 초고성능 나노컴퓨터 등의 에너지효율을 어디까지 향상시키는 것이 효율적인지 등에 대한 심도 있는 발전이 가능할 것”이라고 설명했다. /kueigo@fnnews.com김태호기자 ■사진설명=작은 도깨비가 왼쪽 상자에서 빠른 빨간입자만 오른쪽 상자로 이동하도록 문을 열어준다면 결국 두 상자는 에너지 차이로 열역학 제2법칙을 어길 수 있다는 '맥스웰의 도깨비' 사고실험. 이를 모델로 실제 실험은 미래 나노기계들의 에너지 효율을 밝혀줄 전망이다.

【수원=이정호기자】경기도와 교육과학기술부가 나노분야 연구개발을 지원하기 위해 설립한 나노소자특화팹센터(대표 고철기)는 국내 최고 효율 24.14%의 태양전지를 개발했다고 6일 밝혔다. 이번에 개발된 3세대 집광형 ‘고효율 III-V 화합물 반도체 태양전지’는 InGaP(인듐-갈륨-인 화합물)와 GaAs(갈륨-비소 화합물)를 2중 접합한 것으로, 실리콘을 주원료로 태양광 발전 시장의 90% 이상을 점유하고 있는 1세대 결정형 태양전지와 차별화된 제품이다. 결정형 태양전지가 실리콘 부족과 석유·석탄·가스 등 다른 에너지에 비해 8배나 높은 발전단가로 경제성이 낮은 반면 나노센터의 3세대 집광형 고효율 태양전지는 저비용 고효율을 달성, 세계적으로 새 시장이 형성되고 있는 신기술이다. 이 태양전지는 반도체 특성을 이용, 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 데 경제 효율성 측면에서 우수하다. 집광형 고효율 태양전지는 가격이 저렴한 플라스틱 렌즈나 알루미늄 코팅 거울을 이용해 태양광의 집광도가 높을수록 사용면적을 줄일 수 있어 태양전지 모듈 제조단가를 대폭 낮출 수 있다는 장점이 있다. 실제 축구장 크기의 실리콘 태양전지가 낼 수 있는 에너지 효율을 그 1000분의 1의 면적에 해당하는 집광형 태양전지를 갖고도 낼 수 있기 때문에 고가의 반도체 태양전지를 저가의 플라스틱 집광기로 대체할 수 있다. 이와 함께 3세대 집광형 고효율 태양전지는 기존자원을 활용해 제조비용이 크게 절감되고 공해 발생 염려가 없는데다 저비용, 고효율로 보급이 확대되면 현재의 KWh당 500원의 발전단가를 2030년께 70원 이하 수준으로 낮출 수 있을 것으로 전망된다. 고철기 나노센터 대표는 “현재 우리나라의 III-V 화합물 반도체 태양전지 시장은 현재 형성 단계이지만 2015년에는 관련 시장규모가 4조5000원에 육박할 것”이라며 “센터가 보유하고 있는 세계 최고 수준의 화합물반도체 공정 장비와 인력을 활용해 본격적인 차세대 태양광 발전 기술 개발에 박차를 가하겠다”고 말했다. 한편 나노센터는 경기도와 협력해 신재생에너지 기술개발 사업을 추진 중이며 지난달 아주대학교와 ‘태양전지 공동연구센터’를 설립, 세계수준의 차세대 태양전지 원천기술의 조기 확보에 주력하고 있다. /junglee@fnnews.com