국가 R＆D 보고서

비공개항목입니다.

전기화학발광(electrochemiluminescence, ECL) 현상은 1960년대 DPA, anthracene, rubrene 등과 같은 방향족분자에서 처음 발견되었다[1, 2]. 이후 상대적으로 안정적인 이온 라디칼인 Ru(bpy)32+에서 ECL 현상이 관찰되면서 관련 연구 분야가 확산되었다. ECL 현상은 물을 포함한 액체 환경에서도 발생하며 선형성이 우수하여 분자 탐지 기술로 활용되었다. ECL 기반 분석기술은 민감도가 높고 외부 광원을 필요로 하지 않는 간단한 시스템을 구성할 수 있어 임상 분석, 환경모니터링, 식품 분석, 생물학적 분석 및 화학물질 검출을 위해 개발되었다. 이러한 특성으로 유동 주입 감지기(flow injection detectors), 질병 진단, 액체 크로마토그래피, 식품 분석에서 성공적으로 활용되었다.
최근에는 디스플레이 또는 조명용 발광장치에서 기존 유기발광다이오드(OLED)의 대체 플랫폼으로 ECL을 활용하려는 노력이 시작되었다[1~3]. OLED는 공정 과정에서 고진공 설비와 상당한 청정도 관리(습기/산소/먼지가 없는 환경)를 필요로 하여 제작비용 문제가 발생한다. ECL에 기반한 발광소자(ECL display, ECLD)는 2개의 마주보는 전극 사이에서 발광 소재와 전해질로 구성된 단일 활성층이 산화/환원을 일으키고 그를 통해 빛이 생성되는 형태이다. 따라서 ECLD는 OLED 소자와 비교해 1) 단순 소자 구조, 2) 낮은 구동 전압, 3) 저비용 용액 공정, 4) 일함수와는 무관한 전극 사용 등의 장점을 제공하지만 상대적으로 낮은 방출 효율과 고상의 소자 제작이 어렵다는 단점이 존재한다. 그럼에도 불구하고 2014년 고분자겔 유형의 ECLD가 보고되었고, 최근에는 겔형 ECL층을 기반으로 한 5×5cm2 면적의 유연한 풀컬러디스플레이가 시연되었다. 이러한 발전으로 기존의 디스플레이에서는 구현할 수 없는 고유한 특성을 가진 ECLD를 실현하는 데 초점이 옮겨졌다. ECLD는 종종 구성 요소의 유사성으로 인해 또 다른 전기화학 기반 발광소자인 LEC(light-emitting electrochemical cells)와 혼동된다[4]. 하지만 ECLD와 LEC는 동작 방식이 완전히 달라 소자 설계, 엔지니어링 원리, 향후 응용 분야 등에서 차이를 보인다. 표 1에 ECLD와 LEC의 차이점을 간략히 요약해놓았다[4].
본 보고서에서는 최근 출판된 리뷰 논문을 기반으로 ECL의 기본 원리와 ECL을 활용하는 장치의 작동 방법에 대해 간략히 소개하고, ECLD에 사용되는 발광체 및 전해질 및 액상 ECL 물질을 겔로 전환하기 위한 연구 전략 등에 대해 살펴보고자 한다[1].

○ 연구개발목표 및 내용 최종 목표 높은 광활성의 g-C₃N₄/TiO₂ 혼성 광촉매 물질과 자발발광성의 축광 물질을 조합한 발광 광촉매 복합소재를 건축 타일/보드에 적용함으로서, 오염물질/미세먼지 저감 기능과 자연발광에 의한 예술적인 심미성을 지닌 세계 최고(최초) 수준의 다기능성 발광-광촉매 건축재를 설계 제조하고자 함. 전체 내용 ￭ 축광성 소재 복합화 및 타일/보드 적용 가능한 광활성이 우수한 g-C₃N₄/TiO₂ 혼성 광촉매 소재 제조 ￭ 고휘도 및 장잔광 특성이 우수한 알칼리 희토류 산화물계 축광성 형광체 제조공정 기술 개발 ￭ 축광 물질과 광촉매 물질을 융합한 축광성 광촉매 하이브리드 복합소재 개발 ￭ 축광체 물질의 타일/보드 적용 기술 개발 ￭ 광촉매-축광체 하이브리드 복합소재를 적용한 발광 타일/보드 개발 ￭ 광촉매-축광체 하이브리드 복합소재의 타일/보드 기재에 대한 결착특성이 우수하고 내구성이 높은 코팅 및 접합 공정 기술 ￭ 대기오염물질/미세먼지의 우수한 광분해 제거 성능을 지닌 친환경 광촉매 발광 타일/보드 건자재 제조기술 개발 ￭ 축광성 광촉매 하이브리드 소재 적용한 타일/보드의 성능 평가 1년차 목표 ￭ 건자재(타일/보드)용 고광활성 및 대기오염물질의 광분해 제거반응이 우수한 광촉매 소재 제조 공정 개발 ￭ 고휘도 및 장잔광 특성이 우수한 알칼리 희토류 산화물계 축광성 형광체 제조공정기술 개발 및 이의 건자재 적용 방법 개발 내용 ￭ 타일/보드용 고광활성 광촉매 소재 제조공정 연구 - 광촉매 전구체(g-C₃N₄, TiO₂), 유기금속화합물(예: 티탄알콕사이드, 티탄이소프로폭사이드)의 습식 공정, 연소반응 공정 실험 및 고찰 - 졸-겔법, 수열합성법을 이용한 타일/보드 적용 가능한 광촉매 나노분말 합성방법에 대한 연구 고찰 - 가시광원 반응형 광촉매 복합소재: 흑연탄소질화물(g-C₃N₄)과 TiO₂의 혼성화 방법 ￭ 타일/보드용 고휘도 및 장잔광 특성의 형광체 제조공정 기술 개발 - Sr-Al-O계 축광성 형광체 분말 제조방법 설정: 졸-겔법, 고상반응법, 연소반응법 등 - 출발원료 SrCO₃, Al₂O₃, Sr(NO₃)₂, Al(NO₃)₃․9H₂O, 등의 적정 조성 및 열처리 조건설정 - 부활제 및 공부활제의 적정 첨가량 설정: Eu₂O₃, Dy₂O₃, etc. ￭ 축광성 형광체 분말의 타일/보드 혼입/코팅 공정 기술 개발 - 축광체 분말, 유무기 결합제, 경화제의 적정 첨가비율 조절 - 축광체 분말입도에 따른 충진율, 발광특성 최적화 기술 ￭ 광촉매 물질과 축광체 물질을 융합한 광촉매-축광체 하이브리드 복합소재 제조 기술 g-C₃N₄와 Ti 전구체를 용해시켜서 졸 용액을 제조하고, 딥-코팅, 혹은 스프레이 법을 이용하여 축광체 분말을 나노 g-C₃N₄/TiO₂로 코팅함으로서 광촉매-축광체 혼성 분말을 제조함 - 광촉매 g-C₃N₄/TiO₂ 졸을 이용한 형광체 코팅, 광촉매-형광체 하이브리드 소재 제조 - 제조된 시료의 광활성, 발광특성 측정 평가 ￭ 축광체 물질의 접합 기술 및 이의 타일/보드 적용 기술 개발 - 글라스 프리트, 유약(liquid glaze)을 이용한 축광 물질의 접합 방법 고찰 - 타일/보드 기재 표면 내 축광체/글라스의 적정 배열/혼입 공정 방법 개발 ￭ 광분해 반응, 발광특성 평가 및 메카니즘 규명 - 자외선 및 가시광원 하에서의 MB용액 광표백 정도 측정실험 - 주요 유해물질/미세먼지 (CO₂, NO_x, SO_x, benzene, toluene, organic pollutants 등)의 광분해 측정 실험 및 분석 2년차 목표 ￭ 광촉매-축광체 하이브리드 복합소재를 이용한 대기오염물질/미세먼지 저감 및 고휘도 발광 기능을 지닌 친환경 타일/보드 건자재 제조기술 개발 ￭ 광촉매-축광체 하이브리드 복합소재의 타일/보드 기재 융합을 위한 결착특성이 우수하고 내구성이 높은 코팅 및 접합 공정 기술, 후열처리 기술 개발 내용 ￭ 표면 광활성 극대화를 위한 광촉매, 축광체의 최적 혼합 기술 개발 - 광촉매 소재의 조성비에 따른 타일/보드의 광분해 반응 특성 연구 - 광촉매-축광체 소재, 모재 원료, 바인더 등의 혼합방법 및 공정 조건에 따른 타일/보드 기재의 광분해 반응, 발광휘도 특성 연구 ￭ 축광체 발광 비드 제조 및 이의 타일/보드 기재 접합(표면 매립)기술 연구 - Sodium alginate, CaCl₂ 수용액을 이용한 축광체 발광 비드 제조방법 개발 - 축광체 발광 비드의 g-C₃N₄/TiO₂ 광촉매 박막 코팅 연구 - 광촉매 코팅 축광체 비드를 이용한 발광 타일/보드 제조 기술 개발 ￭ 광촉매의 타일/보드 기재 코팅 기술 연구 - 광촉매 (g-C₃N₄/TiO₂)-졸 용액의 타일/보드 기재 도포방법 연구 - 광촉매 코팅 막의 밀착성 향상을 위한 실리카(SiO₂) 버퍼 층 코팅 기술 고찰 - 광촉매 코팅 막의 점착 특성 및 경도 고찰 - (N-, Fe-) 원소 도핑에 의한 가시광 반응형 광촉매 타일/보드 제조 기술 연구 ￭ 광촉매 코팅막의 열처리 공정 연구 - 광촉매 코팅 층의 광분해성, 밀착성을 개선하기 위한 열처리 방법에 대한 연구 고찰 - 광활성 극대화를 위한 후열처리 공정 연구 ￭ 광촉매-축광체 적용 타일/보드의 성능시험 - 고광활성, 발광 기능 타일/보드 시제품 제조 실험 - 광촉매-축광체를 적용한 타일/보드의 주요 대기오염물질(CO₂ 포함)/미세먼지 (NO_x, SO_x, benzene, toluene, organic pollutants 등)에 대한 광분해 성능, 발광휘도, 잔광특성 측정 고찰 - 광촉매-축광체 적용 건자재의 환경평가, 내구성 수명 및 신뢰성 평가 고찰 ○ 연구개발성과 ￭ 이론적 아이디어 기술 - g-C₃N₄/TiO₂ 광촉매 물질과 축광 물질을 융합한 혼성 복합소재를 적용함으로서, 오염물질/미세먼지 저감 및 자연발광에 의한 예술적인 심미성을 지닌 다기능성 타일/보드 건축재 제조기술 ○ 연구개발성과 활용방안 및 기대효과 ◾오염물질/미세먼지 저감 기능과 동시에 자연발광에 의한 예술적인 심미성을 지닌 세계 최초/최고수준의 다기능성 축광 광촉매 타일/보드 건축재 설계 제조기술에 대한 기존 광촉매 제품과 차별화된 원천기술을 확보함 ◾참여기업 및 타일/보드 건자재 제조 기업을 대상으로 축광 광촉매 건축재 제품 생산시스템을 구축하기 위한 기술이전 추진 ◾고부가가치의 친환경 고기능성 감성 광촉매 타일/보드 제품의 실용화에 따른 새로운 산업분야 일자리 창출에 기여 (출처 : 요약문 3p)

□ 연구개발 목표 및 내용 ○ 최종 목표 ㅇ 멀티컬러 비선형 라만 분자 영상 핵심기술 개발 - 라만 분자 영상용 펨토초 광원 개발 - CARS 기반 라만 분자 영상 기술 개발 ㅇ 종양 정밀 치료 핵심 모듈 개발 - 전기장 기반 암 치료 효과 향상을 위한 강유전체 나노 소재 및 전극 개발 - 전기장 암 치료 모듈을 이용한 종양 세포 유효성 평가 및 전임상 테스트 ○ 전체 내용 ㅇ (진단) 펨토초 레이저 비선형 라만 광원 개발(Pumping and Stokes) - 800 nm 파장의 < 100 fs 광원 개발 - 1030 nm 파장의 < 1 ps 광원 개발 - 근적외선 광대역 비선형 광원 개발 - 레이저 Gantry 광학계 설계 - Tilt mirror & folding 메커니즘 기술 ㅇ (진단) 멀티컬러 비선형 라만 분자 영상 핵심기술 개발 - 펨토초 레이저 비선형 라만 광원 개발 - CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) 기반 현미경 개발 - 다양한 암세포(위암, 폐암, 식도암 및 림프절 전이)의 현미경 이미징 - 라만스펙트럼 바이오마커 발굴 - 임상적 유효성 검증 ㅇ (치료) 강유전체 나노입자 프로브 개발 및 전극 기술 개발 - 세포 유효성 평가 실험을 위한 강유전체 나노 소재 및 전극개발 - 강유전 나노입자 프로브 개발 및 암 특이적 단백질 고정화기술 - 전기장 암 치료의 세포사멸의 효율성 검증 및 기전 연구 ㅇ (치료) 전기장 암 치료 기기를 위한 핵심 모듈 개발 - 전기장 제어 고도화 기술 - 안전성이 우수하고 휴대 가능한 전기장 발생기 설계 및 제작 - 전기장 암 치료 모듈의 성능 검증을 위한 전임상 테스트 ○ 해당연도 □ 목표 ㅇ (진단) 펨토초 레이저 비선형 라만 광원 개발(Pumping and Stokes) ㅇ (치료) 강유전 나노입자 소재 및 전극 기술 개발 □ 내용 ㅇ (진단) 펨토초 레이저 비선형 라만 광원 개발(Pumping and Stokes) - 800 nm 파장의 < 100 fs 광원 개발 - 1030 nm 파장의 < 1 ps 광원 개발 - 근적외선 광대역 비선형 광원 개발 - 레이저 Gantry 광학계 설계 - Tilt mirror & folding 메커니즘 기술 ㅇ (치료) 강유전체 나노입자 프로브 개발 및 전극 기술 개발 - 세포 유효성 평가 실험을 위한 강유전체 나노 소재 및 전극개발 - 강유전 나노입자 프로브 개발 및 암 특이적 단백질 고정화 기술 - 전기장 암 치료의 세포사멸의 효율성 검증 및 기전 연구 □ 연구개발성과 - 멀티컬러 비선형 라만 영상 핵심기술 - 전기장 기반 종양 정밀 치료 핵심기술 - 펨토초 라만 광원 - 강유전 나노입자 프로브 - 시작품 2건 (CARS라만 현미경, 세포 실험용 전기장 치료기) - 국내특허 출원 1건, 직무발명 1건 - 기술문서(TM/TDP) 10건 - SCIE 논문 1건, 국내 논문 1건 - 국내학회발표 1건 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 - 특정 종양 세포에 발현하는 특정 분자를 찾아냄으로써 위양성을 줄이는 스크리닝용 내시경에 활용 - 종양 절제 범위를 정확하게 판단하기 위한 수술 가이드용 광학 생검에 활용 - 정부정책과 연계한 의료 산업 분야의 기술 수요 증대 - 의료비 절감 및 암환자 삶의 질 향상을 위한 핵심 수단으로 활용 - 스마트 융복합 의료기기 기술 발전에 따라 ICT융합기술 수요 증가 (출처 : 요약문 2p)

□ 연구개발 목표 및 내용 ○ 최종 목표 1 차 의료기관에서 사용 가능한 올인원(All-In-One) 형태의 Real-time PCR 에 적용 가능한 초소형, 보급형 다파장 광원 장치 및 형광 신호 리더기 ○ 전체 내용 • 올인원 Real-time PCR 장치에 적용 가능한 다파장 광원 장치개발 • 올인원 Real-time PCR 장치에 적용 가능한 초소형, 고민감 형광 신호 리더기 개발 ○ 1단계 □ 목표 1 차 의료기관에서 사용 가능한 올인원(All-In-One) 형태의 Real-time PCR 에 적용 가능한 초소형, 보급형 다파장 광원 장치 및 형광 신호 리더기 □ 내용 • 올인원 Real-time PCR 장치에 적용 가능한 다파장 광원 장치개발 • 올인원 Real-time PCR 장치에 적용 가능한 초소형, 고민감 형광 신호 리더기 개발 □ 연구개발성과 기술이전 및 국내 특허 출원 1 건 □ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 < 성과 활용 계획 > 기술이전을 통한 기술 사업화 및 사업 전략 ▪ 1차 : 국내 주요 1차병원(‘23년~) 소아청소년과병원 중심 가정의학과, 산부인과 등 ▪ 2차 : 질병진단용 의료기기 인증 획득을 통한 대상병원 확대(‘24년~) ▪ 3차 : FDA 승인 획득을 통한 글로벌 시장 진출(중국, 미국)(‘26년~) < 기대 효과 > ○ 현장형/비대면 체외분자진단 시스템용 광학장치 소형화/보급화를 통한 체외진단 홈헬스케어 분야 국내 기업 보유 기술 경쟁력 확보 ○ 해외의존도가 높은 PCR 원천기술 확보 및 내재화 개발을 통한 국가경쟁력 확보 ○ 금번 감염병 대유행 사태를 통해 현장에서 활용 가능한 체외진단기기의 필요성이 증가하고 있는 상황에서 금번 사업을 통해 개발하고자 하는 현장진단용 올인원 Real-time PCR 장치는 편의성과 경제성 뿐 아니라 안정성도 함께 확보함으로 현장 및 1차 병원에서의 직접적인 활용이 가능할 수 있을 것으로 기대 ○ 금년도 상반기에 국내 소아청소년과 병원 및 1차 병원 중심으로 론칭 준비 중인 장내 미생물 분석 서비스를 통해 Real-time PCR 장치를 도입할 수 있는 회원 병원을 지속적으로 확보할 예정임 ○ 개발이 완료되는 시점인 2023년도부터 약 470개 병원에서 2028년까지 약 1,500개의 회원 병원을 대상으로 올인원 Real-time PCR 장치를 도입할 계획이며 이를 통해 기업 매출 또한 본격적인 성장을 예상 ○ 현장 및 1차 병원에서 바로 질병, 감염병을 확인할 수 있어 국민생활건강에 이바지하며 수입대체효과 및 국가의료산업경쟁력을 확보할 수 있으며, 기업 역시 안정적인 매출 확보를 통해 고용창출에도 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대 (출처 : 요약문 3p)

□ 연구개요 다양한 미세구조체를 적용할 수 있는 과학기술영역에 적용이 가능한 수십~수백 나노 nm 수준의 2~3차원 미세구조체 직접 가공할 수 있는 유도방출응용 광중합 (Photo-polymerization) 반응 억제기술을 이용한 초고해상 레이저 가공원천기술을 확보하고, 수 ~ 수십 μm 해상도로 수백 mm 이상의 선폭 또는 면적으로 고속 가공할 수 있는 UV 광경화 기반 패터닝 시스템 기술을 개발한다. 종래의 가시광 레이저직접가공 (Direct Laser Writing, DLW) 또는 2광자 광중합 DLW를 통하여 회절한계를 뛰어 넘는 횡방향 및 종방향 가공해상도를 구현할 수 없는 실정임을 고려할 때, 극미소 3차원 구조체 직접 가공기술의 개발은 선폭 해상도 1000nm 이하의 가공특성이 지속적으로 요구되고 있는 3차원 미세유체채널, 나노 기전시스템 및 광결정 구조 기반 3차원 나노광학소자 등을 구현할 수 있으므로 나노 및 바이오 산업의 지속적인 발전을 도모할 수 있는 핵심 원천기술이다. □ 연구 목표대비 연구결과 - Excitation Beam의 광출력을 CW 0.7μW 고정 후 STED 광출력 변화시키며 노광특성검증 - 임의의 가공 path를 구현하는 SW 검증 및 광량조건별 해상도 향상 검토 - Modulated vortex-phased azimuthally polarized light exposing 시스템 개발 - 노광광학계의 해상도 검증을 위해 nm 사이즈 beads 및 bio sample의 이미징을 검토 해상도 40nm 수준 확보 - 400nm 고출력 UV 광원과 F-theta 이미징광학계를 이용한 고속패터닝광학계 설계 - 2개의 광학모듈을 패터닝 시스템에 적용하여 600mm를 10um 이하의 선폭으로 패터닝이 가능한 광학시스템 구축 - 광중합유도 광속 및 광중합 억제 STED 광속의 광출력 및 pulse 폭 변조에 따른 laser direct 패터닝 특성을 검토하였고, 단일 광자 광중합 반응시 확보할 수 있는 최소 선폭 190nm를 구현 - 4매 액체렌즈 개별 곡률 제어를 이용한 2축 구동 및 3차원 공간검출 광학계 설계 - 직교 2축 단순조화진동이 가능한 VCM에 의한 렌즈 2축 구동을 활용한 초광각 compact 공간검출 광학계 설계 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) - 3D 프린터를 이용한 적층형 제조방식이 Macro-scale 형상 Proto-type 쾌속조형 및 다품종 소량생산 제조방식으로 보편화되고 있는 점을 감안할 때, 적층방식으로 Nano-scale 구조체를 직접 가공할 수 있는 본 기술의 성공적인 개발은 형상 및 재료에 따라 다양한 물리적/화학적/생물학적 특성을 갖는 극미소 구조체를 바탕으로 한 생체시료 Scaffold, 나노바이오센서, 나노전기전자소자 등의 핵심 시료 및 소자를 직접적으로 가공함으로써 향후 바이오/반도체/통신/정보저장산업 등 응용분야가 무궁무진할 것으로 기대됨. - 뿐만 아니라, 본 연구에서 구현하는 유도방출 응용 광중합억제 현상을 응용하는 가공기술은 현존하는 물리적, 화학적, 생물학적 가공원리 가운데 가장 미소한 scale로 나노구조체를 직접적으로 가공할 수 있는 기술로서 현재까지 직접적으로 구현할 수 없었던 수준의 3차원 나노구조체를 활용한 나노과학 및 나노공학 분야의 새로운 지평을 열 수 있을 것임. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

□ 연구개요 ○ 무기물 기반 마이크로 LED (μ-LED) 광원 적용 R, G, B 풀컬러 스트레처블(Stretchable) 디스플레이 구현 - 초소형 픽셀형 R, G, B LED 광원 공정 기술 개발 - 스트레처블 기판 및 연신율 50% 이상 신축성 배선 소재/공정 기술 개발 - 스트레처블 배선 위에 R, G, B 광원 전사 및 접합 기술 개발 - 스트레처블 R, G, B 픽셀형 LED 구동 및 인장시 신뢰성 확보 기술 개발 □ 연구 목표대비 연구결과 ○ μ-LED 공정 및 기판 분리 기술 개발 - 80 ㎛ x 60 ㎛ 마이크로 LED 마스크 설계 기술, 칩 제작 공정 기술 - Chemical lift off (CLO) 및 Laser lift off (LLO)를 이용한 기판 분리 기술개발 ○ 가역성 접착 제어 기술 이용한 R, G, B 칩 이송 기술 기술 - 온도에 따라 점착력의 변화가 가역성 접착 제어 기술의 점착력 제어향상 기술 ○ 고정밀 선택적 이송 기술 및 정밀 접합 기술 - 500㎛ 이하 pitch로 설계한 패널에 R, G, B 마이크로 LED를 ACF 소재 및 공정 기술개발을 통해 모듈화 - 전사 필름과 패널 기판의 align key를 상/하부 비전을 통해 좌표를 인식 후 5 ㎛ 이하 정밀도의 정밀 가접합 ○ 유연/신축 배선 및 본딩 소재 기술 - 유연기판, 배선 및 Encapsulation 소재 및 공정 기술 - 유연·신축성을 가지는 구조의 배선 비저항 및 배선 인장 길이에 따른 2x10^-5 ohm.cm 이하의 저항 변화율 ○ 스트레처블 유연 전극 및 디스플레이 구현 기술 - 디스플레이 구현을 위해 아일랜드 구조 및 신축성 배선을 설계 후 마이크로 LED를 접합 - 1, 2차년도때 개발된 신축성 소재 및 공정 기술을 이용하여 Encapsulation을 진행 후 신축하여 50 % 의인장시 저항 20배 이하 달성 - 디스플레이 인장 전·후 전기적광학적 특성 측정 결과 50% 인장시 특성 EL 특성 변화 20% 이하 달성 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ○ 본 연구에서 개발 진행된 우수한 초소형 픽셀용 μ-LED 칩을 적용한 고선명도, 고신뢰성, 초저전력, 고휘도의 스트레처블 디스플레이를 구현 가능하며, 이러한 기술은 전 세계적으로 아직 표준화된 기술이 없고 연구실 수준의 시도단계이므로 충분히 경쟁력이 있으며, 원천기술에 우위를 확보하는데 크게 기여함 ○ 마이크로 LED 및 스트레처블 배선과 기판, 본딩 기술들은 향후 스트레처블 디스플레이뿐만 아니라 가시광 통신, 인체삽입용 의료용 광원, 웨어러블 스마트 기기용 디스플레이 등 다양한 분야의 새로운 시장 창출 가능함 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

□ 연구개요 본 과제는 광자기반 양자컴퓨터의 구현에 필수적인 단일광자광원을 원하는 위치/원하는 파장으로 형성할 수 있도록 2차원 물질 양자점과 메타 원자를 결합하여 결정론적 나노광원을 개발한다. 이를 위해, 유전체 나노구조에서 Bound State in Continuum 현상에 의해 발생하는 supercavity mode를이용하여 고효율 단일광자광원을 개발한다. - 고효율 발광 메타물질 결합 2차원 물질기반 단일광자광원 개발 - 파장가변 가능한 단일광자광원 기반 개발 - 메타물질/2차원 물질 양자점의 특성을 이용하여 광모드의 위치/파장을 2차원 물질 양자점에 쉽게일치시킬 수 있는 단일광자광원 개발 □ 연구 목표대비 연구결과 • 메타원자를 개발함에 있어 그 먼저 특성을 확인하기위해 실리콘 입자를 주기적으로 배열시킨 구조를 연구함. 해당 구조는 미 산란을 이용하여 반사스펙트럼이 sRGB급으로 높은 채도 및 반사율가지며, 추가로 넓은 광시야각이 나타나는 구조를 설계할수 있음을 확인함. ('Far-Field Analysis on Reflecting Colors of Dielectric Nanosphere Metasurface', J Nanomater, 2019, June 2019) • 금속 사이의 공기슬롯에 강한 전기장을 형성할 수 있는 구조를 개발함. 10-20nm급 공기 슬롯에서 형성되는 플라즈몬 갭모드 기반의 메타물질은 투과 스펙트럼의 특성이 파란색부터 붉은색까지 높은 채도와 투과율을 보임.('Metal Slot Color Filter Based on Thin Air Slots on Silver Block Array', Nanomaterials, 9(6), 912, June 2019 논문 출판됨) • 초박막 (3-50 nm) 물질에 형성되는 광모드의 세기를 제어할 수 있는 파장선택형 광측정기를 개발함. ('Ultrathin Submicrometer Scale Multicolor Detector of Visible Light Based on Metamaterial', Sensors, 19, 4103, Sep 2019). • 독일 Wuerzburg 대학의 Sven Hoefling교수와 공동연구를 통해 DBR 광도파로에 있는 GaAs 양자점기반 단일광자광원의 광간섭계 구조의 설계 및 분석을 진행함.(Purcell-Enhanced and Indistinguishable Single-Photon Generation from Quantum Dots Coupled to On-Chip Integrated Ring Resonators, Nano lett, 20(9), 6357-6363 ,July 2020) • Pb가 수소와 결합했을 때 물성이 변하는 것을 이용하여 은 막대와 함께 위치시켜 먼장의 큭성이 변하는 것을 확인함.(Hydrogen Sensor: Detecting Far-Field Scattering of Nano-Blocks (Mg, Ag, and Pd, Sensors, 20, 3831, July 2020) • 고려대 박홍규와 현재까지 연구된 여러 광공동들의 원리 및 특징 그리고 그 활용방안에 대하여 투고함. (Recent advances in nanocavities and their applications, chem Commun 57, 4875, February 2021) • 적절한 크기의 실린더를 일정 간격을 두고 아래위로 두면 각각 실린더에 존재하는 Mie resonance간의 간섭을 이용하여 double cylinder 구조의 크기, 간격, 주기를 적절히 조절하면 106 이상의 품위값을 가지는 메타원자를 설계함. (현재 논문 투고 중) • 공기슬롯을 내부에 가지는 메타원자구조는 슬롯에 수직한 방향으로 강한 전기장을 형성할 수 있으므로 슬롯의 두께, 높이 등을 조절하여 메타원자 위에 올라갈 2차원 물질과 결합효율을 높일 수 있음을 확인함.(현재 논문 작성 중, 국제학회 발표) • 유전체 브래그 미러(DBR) 위에 은 나노판을 주기적으로 배치하여 Tamm 플라즈몬 나노빔 구조를 제안함.(현재 논문 작성 중, 국제학회 발표) • 미 산란의 전기쌍극자가 입자의 크기에 따라 가변되는 특성을 이용하여 4개의 유전체실린더 4개를 크기순서대로 시계방향으로 배치하여 광학적으로 카이랄(Chiral) 특성이 나타나게 설계함.(현재 논문 작성 중, 국내학회 발표) • 광자광원의 빛의 방출방향을 제어하기위한 연구로 미 산란의 전기쌍극자와 자기쌍극자를 결합했을 때 특정한 방향으로 빛이 방출되는 것을 이용하여 서로 다른 크기의 유전체들을 이용하여 그 특성을 확인함.(현재 논문 작성 중, 국제학회 발표) □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) ○ 본 연구성과를 통해 저차원 나노신소재 기반 광소자를 개발할 수 있으며, 크기가 나노미터 또는 그 이하 급으로 기존 광소자의 문제인 전자소자보다 큰 물리적 크기한계를 극복할 수 있으며 이를 통해 초저전력/초고속 광집적회로 구현이 가능해지며 본 연구결과들은 세계적으로 거의 연구된 바 없는 연구이므로, 세계선도적 위치에서 원천특허기술 확보가 가능함. ○ 2차원 물질기반 나노광구조를 이용한 나노광원 개발은 원자층 두께를 가진 광소자제작을 가능하게 하여 기존에 없는 초박막 광집적회로 등을 가능하게 하여, 새로운 광소자연구에 기반이 될 것임. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

□ 연구개요 ◆ 2차원 반도체 물질들의 이종 접합 나노 구조에서의 이종 접합된 2차원 반도체 채널 간의 기초적인 에너지 상호 작용에 대한 기초 특성 연구를 전기적 그리고 광학적 방법으로 진행하였음 ◆ 2차원 이종 접합 소자 표면의 Defect에 대한 미세적 특성 연구를 주사 탐침 현미경을 이용하여 진행하였으며, 이를 기반으로 표면 Defect에 의한 전자 소자의 특성 연구를 광전류 효과 등의 실험으로 진행함으로써 광전소자, 비휘발성 메모리 및 가스 센서로의 응용에 필요한 성능 향상 연구를 진행하였음 □ 연구 목표대비 연구결과 (1) 1차년도 연구 목표: 2차원 물질 이종 접합 나노 구조체 구현 및 특성 연구 -CVD 방법에 의해 성장된 단일 층 두께의 삼각형 WS₂에 대하여 defect의 종류 및 밀도에 따라서 달라지는 전위차를 SKPM으로 관찰함 -육각형 WS₂ 단일 층에 대하여 PL 및 Raman을 측정함으로써 내재적 defect 및 인위적 도핑에 따라서 PL 및 Raman의 세기가 조절 되어질 수 있음을 확인함 -hBN 층에서의 bubble의 생성에 따라 표면 일함수가 doping 및 strain effect에 의해 감소되어짐을 확인함 (2) 2차년도 연구 목표: 2차원 물질로 구성된 전극 및 절연체의 이종 접합 소자 적용 연구 - hBN 절연체와 그라펜 전극을 적용하여 그라펜 게이트 기반 트랜지스터 소자를 구현하였으며, MoS₂ 반도체에서 전하 이동도 100 cm²/V∙s 이상의 저전압 특성의 소자를 제작함 - 2차원 이종 접합 구조를 이루고 있는 MoS₂, hBN, 및 Graphene에 대한 전위차를 SGM으로 측정하여, 게이트 전압이 +40 V 또는 –40 V 일 때, 최상층에 적층된 MoS₂의 전위차 값이 크게 변화되어지는 것을 확인함 - H₂O 및 탄화수소 유기물이 MoS₂와 hBN 사이에 오염 물질로 존재하게 될 경우, 전하의 tunneling이 더욱 잘 이루어지는 것을 시뮬레이션 및 소자 측정으로 확인함 - In₂Se₃ 강유전성 반도체를 활성층으로 적용할 때, 빛의 유∙무에 따라 전류 점별 비율이 매우 높게 나타내는 것을 확인함 (광전류 점멸 비 : ~10⁴) (3) 3차년도 연구 목표: 다양한 2차원 물질 이종 접합 소자에 대한 표면 defect 연구 진행 - Black phosphorous (BP) 층을 공기 중에 일정 부분 산화시킴으로써 수직 형태의 tunnel FET를 제작을 할 수 있었으며, 산화된 BP의 전하 저장 및 tunneling 되는 역할을 발견함으로써 성공적으로 tunneling 메모리 소자를 구현할 수 있었음 - UV-Ozone 처리에 따른 2차원 이종 접합 구조에 대해서 라만 분광법을 통해 광 특성을 측정하였을 때, UV-Ozone 처리 후의 Raman 시그널의 크기가 상당히 줄어들었음을 확인함 - 2차원 반도체 물질인 WSe₂를 NO₂ 유독 가스 감지 물질로 적용하였을 때, 트랜지스터 소자 형태에서 매우 높은 전하 이동도 (~100 cm²/V∙s)를 나타내면서 800% 이상의 전류 변화 비율을 구현할 수 있었음 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) ◇ 본 과제를 통해 얻어진 연구 결과를 바탕으로 향후 표면에 형성된 Defect과 여러 가지 화학 구조를 지닌 가스 분자 간의 상호작용을 가스 반응에 의한 전기적 전도도 변화와 같은 척도로 비교∙측정할 수 있을 것이며, 이에 따라 여러 가지 가스 종류에 따른 반응의 양자 물리학적 상관관계 또한 알아낼 수 있을 것이다. ◇ 과제 초기에 지속적으로 연구한 원자 단위 표면 Defect의 소자 특성 정보를 기반으로 가스 분자 측정 연구를 좀 더 효과적으로 진행할 수 있으며, 이를 기반으로 상온 동작 가능한 나노 센서를 개발하는 것이 기대되어진다. 이에 고품질의 나노 센서, 즉 신뢰성이 높고 선택도가 뛰어나며 상온에서 동작 가능한 나노 센서를 집적화하는 기술을 이끌어낼 수 있다면, 미래의 유비쿼터스 센서 네트워크 사회 실현에 있어 큰 도움을 줄 것으로 사료된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

연구개요 본 연구는 스마트 산업 시대에서 발생할 수 있는 대용량 데이터 통신 수요를 감당하기 위해 기존 실리콘 계열의 3차원 반도체 물질을 대신하여 더 빠른 속도로 작동할 수 있는 이차원 물질과 나노 플라즈몬을 이용한 새로운 나노 광학 소자 모듈을 개발하고 이를 초고속 정보 통신을 위해 활용하기 위한 원천 기술을 확보하기 위하여 수행함. 연구 목표대비 연구결과 본 연구의 목표는 광통신에 중요한 핵심 요소인 광검출 소자와 발광 소자의 작동속도를 향상시키기 위하여 기존 실리콘 기반의 3차원 반도체 물질을 대체할 수 있는 방안으로서 이차원 물질과 나노 플라즈몬 구조를 이용한 새로운 형태의 광학 소자구조를 개발하는 데 있다. 이를 위해, 발광 소자의 경우 전자 터널링 구조 기반의 소자를 제작하여 터널 장벽을 통과한 전자가 나노 전극 구조의 플라즈몬을 여기하여 빛을 발생시키거나, 이차원 물질의 밴드갭에 해당하는 빛을 낼 수 있는 구조로 제작하고, 광검출 소자의 경우 이차원 물질과 빛 에너지를 국소 영역에 집중시킬 수 있는 나노 플라즈몬 전극 구조를 융합한 형태로 웨이퍼 칩 위에 제작하는 것을 목표로 연구를 수행하였다. 이를 위해 원자층 증착법이나 산화 방법을 이용하여 수 nm 에 해당하는 산화알루미늄을 터널 장벽으로 하는 터널링 구조를 제작하였고, 이차원 물질을 웨이퍼 칩 위의 원하는 곳에 집적할 수 있는 셋업을 구축하였다. 또한 이빔리쏘그래피 방법이나 원자층 증착법을 이용하여 나노 플라즈몬 구조를 전극 구조 형태로 제작하여 플라즈몬의 특성을 소자 전극에서 바로 이용할 수 있게 제작하였다. 본 연구를 통하여 플라즈몬을 이용한 발광소자로서 나노 구멍 어레이를 이용한 터널링 소자와 그래핀과 TMDC등의 이차원 물질을 이용한 발광용 터널링 소자를 제작하여, 전자 터널링 특성을 확인하였다. 광검출 소자로서 TMDC 이차원 물질과 나노선 어레이 융합한 형태의 소자를 제작하여 전류 특성을 확인하였다. 이를 통해 당초 계획하였던 이차원 물질 및 나노 플라즈몬 구조를 이용하여 빠른 속도로 작동할 수 있는 광학 소자 모듈을 웨이퍼 위에 개발하였다. 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 본 연구를 통해 개발된 광소자 구조는 빠른 속도로 작동할 수 있는 소자 모듈로서 활용가능하다. 후속 연구를 통해 본 연구를 통해 개발된 소자 구조를 빠른 속도로 작동해야하는 실제 광통신 칩이나, 광센서/이미지 센서 등에 활용하기 위해 필요한 점을 보완하여 본 과제의 연구 결과가 실제 광소자 산업 분야에서 활용될 수 있는 방안을 모색할 것이다. 또한, 본 연구를 통해 개발된 소자들은 원자 단위의 두께를 가진 이차원 물질과 나노 플라즈몬 구조로 구성되어 있어 칩위의 매우 작은 영역에도 제작이 가능하기 때문에 미래에 초소형 광통신용 소자 칩이나 포토닉 컴퓨팅 칩, 혹은 빛을 이용한 양자 정보 처리 칩 등에 활용 가능할 것으로 기대된다. (출처 : 요약문 2p)