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우리나라 나노센서 성능평가 기술, 국제표준으로 제정산업통상자원부 국가기술표준원(원장 진종욱, 이하 국표원)은 우리나라가 국제표준화기구(ISO)에 제안한 「나노센서 검출성능 기술」이 국제표준으로 제정되었다고 밝혔다. * 표준명: Nanotechnology — Performance characteristics of nanosensors for chemical and biomolecular detection — Part 1: Detection performance(화학적 및 생체분자 검출을 위한 나노센서의 성능 특성 ― 1부: 검출성능) 이번 제정된 표준은 ‘19.11월부터 약 4년에 걸친 논의와 검증 과정을 거쳐 제정(’22.12월)된 것으로 선진국이 주도하는 나노기술 분야에서 한국이 개발한 나노센서 관련 첫 국제표준이라는 데 의의가 있다. 나노센서는 기존 센서에 나노물질을 이용하여 성능을 향상시킨 센서 또는 나노물질과 나노전자소자를 결합시켜 만든 새로운 개념의 센서를 말하며, 기존 센서에 비하여 높은 감도를 가진다. 글로벌 나노센서 시장은 2021년 7억 1,050만 달러 규모에서 2027년 13억 7,560만 달러로 연평균 11.7% 성장 예상(출처: IMARC)되며, 최근에는 나노센서가 바이오, 환경 등의 분야에 신호 검출을 위한 센서로 활용되는 추세이며 바이오장비, 진단기기, 위해환경 감지기, 웨어러블 기기 등에 사용되는 핵심 부품이다. 그동안 센서의 검출성능 평가는 민감도와 특이도를 활용했다. 하지만 이것만으로는 초미세 크기까지 검출가능한 나노센서의 성능을 제대로 평가하기에는 한계가 있어 국제표준 개발이 추진되었다. 이번 제정표준은 우리나라 연구진이 개발한 검출성능 평가 기준(검출신호비율*, Detection Signal Ratio)을 새롭게 정의한 것이 핵심이다. * 진음성 시료 강도에 대한 진양성 신호 강도의 비율로 표준화 과정 중 국제적으로 합의된 기준 이 기준을 적용시 나노센서와 일반센서의 차별화된 성능을 제대로 평가, 비교할 수 있게 되어 국내외 센서시장에 나노센서 보급확대와 신제품 개발을 촉진할 것으로 예상한다. 표준개발자인 나노종합기술원 이문근 책임연구원은 “나노센서의 우수한 성능을 명확하게 표현할 수 있는 표준이 확보되어, 국내·외 혁신적인 나노센서 제품개발에 마중물이 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 또한, 바이오 나노센서 업계는 “나노센서 제품 성능을 판명할 수 있는 기준이 국제표준으로 제정된 데 환영한다.”라고 말하며, “이 기준으로 발급된 공인 시험성적서는 국내 식약처 또는 미국 FDA 승인에 활용 가능하며 향후 우리 제품의 해외시장 확대에 도움이 될 것”이라고 예상하였다. 한편, 진종욱 국표원장은 “나노센서의 시장이 급속히 성장하는 상황에, 우리나라가 나노센서 표준화의 선도국임을 확인하였다.”라면서, “나노센서 산업의 경쟁력을 강화할 수 있도록 국제표준 선점과 기업을 지원하는 국제표준화 활동을 확대해 나갈 것”이라고 말했다.
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ETRI, AI로 98% 정확도 피부부착 센서 개발국내 연구진이 피부의 늘어나는 크기와 방향을 동시에 정확히 측정할 수 있는 피부부착형 스트레인 센서를 개발했다. 새로운 센서 구조에 인공지능(AI) 알고리즘을 적용, 정확도와 신뢰성을 획기적으로 높여 향후 재활, 헬스케어, 로봇의 전자피부에 널리 활용될 전망이다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 중앙대 연구팀과 함께 360도 전 방향에 걸쳐 늘어나고 줄어드는 신축량과 변형 방향을 98%의 정확도로 감지할 수 있는 스트레인 센서를 개발했다고 밝혔다. 본 성과는 세계적 학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 1월 5일자로 온라인에 게재되었다. 기존 피부부착 스트레인 센서는 고무와 같은 신축성 소재와 그래핀, 탄소나노튜브(CNT) 등 전도성 나노소재를 더해 신축성 전도체 채널을 만든 뒤, 채널이 늘어나고 줄면서 변화하는 전기 저항값으로 변형의 크기를 감지했다. 하지만, 이러한 구조는 미리 정해진 특정 방향으로 가해지는 변형만을 감지할 수 있어 같은 부위라도 상황에 따라 여러 방향으로 늘어나는 피부의 특성을 정확히 측정할 수 없다는 한계가 있었다. ETRI-중앙대 연구진은 세계 최초로 늘어나는 크기와 방향을 동시에 잴 수 있는 스트레인 센서를 제작했다. 또한, 인공신경망 구조를 이용한 AI 알고리즘을 적용해 크기와 방향을 98% 정밀도로 예측하는 데 성공했다. 본 기술은 사람의 피부에 부착, 인체의 움직임을 측정할 수 있을 뿐 아니라 재활, 헬스케어, 로봇 등에 활용이 가능할 것으로 보인다. 본 기술의 핵심은 새로운 방향성 센서 구조다. 연구진은 일자 형태의 신축성 전도체 채널을 늘어나지 않는 두 개의 단단한 영역 사이에 걸쳐 360도로 늘어나는 방향에 따라 주기적인 저항 증감 특성을 나타내는 새로운 구조를 구현해 특허출원을 마쳤다. 또한, 세 개의 센서를 서로 다른 방향으로 인접하게 배치하여 이들 신호의 조합으로 특정 부위의 신축 방향과 변형량을 동시에 뽑아낼 수 있다. 아울러, 다양한 센서 데이터들을 인공신경망 알고리즘을 통해 학습, 분석해 30% 신축 범위에서 신축 방향과 변형량을 98% 정확도로 추출할 수 있었다. 기존에는 다양한 감각을 인지하기 위해 다량의 개별센서가 필요해 신호 해석 시간에 따른 지연 현상을 벗어나기 어려웠다. 본 연구에서는 단일 교차반응 센서에서 얻어진 복합신호에 인지학습을 통한 AI 알고리즘을 적용, 다양한 감각 특성을 동시에 추출하는 방식을 보였다. 본 센서에 사용된 소재들은 인체에 무해한 소재로 피부부착 및 인체 각 부위의 동작 감지에 널리 사용될 수 있다. 또한, 인쇄공정을 통해 제작이 간편하다. 제작 단가가 낮고 제작 시간도 짧으며 일반적으로 많이 쓰이는 저가의 소재를 사용하므로 일회용 센서로도 활용 가능하다. ETRI 플렉시블전자소자연구실 김성현 책임연구원은“연구진이 개발한 고정확 스트레인 센서는 간단한 구조로도 피부의 복잡한 변형 양상을 정확히 측정할 수 있어 재활치료 및 헬스케어, 로봇, 의족/의수, 웨어러블 기기 등 전자피부가 필요한 분야에 폭넓게 활용이 가능할 것이다”고 말했다. 중앙대 박성규 교수도 “개발된 기술은 인공지능 알고리즘을 이용하여 단순한 센서 모듈로도 다양한 특성을 동시에 인식하고 기존 방식의 시공간적인 제약을 탈피할 수 있는 획기적인 시도로 인공지능 기반 시스템에 두루 응용될 수 있다”고 밝혔다. 연구진은 3년 내 상용화를 목표로 향후 본 기술을 다양한 동작 하에서 근육 및 관절의 움직임 측정에 적용해 근골격 질환의 진단 및 상시 재활치료에 적용할 계획이라고 전했다. 본 연구는 과학기술정보통신부“스킨트로닉스를 위한 감각 입출력 패널 핵심 기술 개발” 과제와 “상시 근골격 모니터링 및 재활을 위한 무자각 온스킨 센서 디바이스 기술”과제로 수행되었다. 본 연구는 ETRI와 중앙대가 연구 책임을 맡아 성균관대학교 및 미국의 코네티컷 주립대와 공동으로 진행했다. 논문의 제 1저자는 ETRI 플렉시블전자소자연구실 김성현 박사와 중앙대 반도체디스플레이연구실 이준호 박사과정생이다.
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표준연, 양자·AI 연구 날개 달 스커미온 트랜지스터 개발# 2016년 알파고가 바둑을 둘 때 소모한 전력은 가정집 100가구의 하루 전력소모량과 맞먹고, 2021년 테슬라가 발표한 자율주행용 인공지능은 학습을 위한 서버 한 대의 전력소모량이 알파고의 10배를 넘는다. 에너지 위기의 시대, 초저전력·고성능을 특징으로 하는 스핀트로닉스 기술 혁명이 기다려지는 이유다. 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 스커미온을 제어하는 트랜지스터를 세계 최초로 구현했다. 초저전력 차세대 소자 개발에 쓰일 수 있는 핵심 기반기술로 양자·AI 연구에 활용이 기대된다. * 스커미온(Skymion)은 소용돌이 모양으로 배열된 스핀 구조체로, 수 나노미터까지 크기를 줄일 수 있으며 매우 작은 전력으로도 이동할 수 있어 차세대 스핀트로닉스(Spintronics) 소자 응용기술의 대표주자로 꼽힌다. 21세기 전자공학이 급격히 발전한 계기는 1947년 미국 벨 연구소의 트랜지스터 발명이었다. 트랜지스터가 전자공학에서 전류의 증폭기이자 스위치 역할을 하기 때문이다. 이 때문에 2009년 스커미온이 처음 발견된 후 많은 연구자들이 트랜지스터의 스커미온 버전 개발에 주력했지만 스커미온의 이동을 제어하는 핵심기술의 부재로 달성하지 못했다. 이번에 개발된 스커미온 트랜지스터는 자성체에서 나오는 스커미온의 이동을 전기적으로 제어하는 독자 기술을 바탕으로 해 일반 트랜지스터가 전류를 제어하듯이 스커미온을 흐르거나 멈추게 할 수 있다. 자성 스커미온의 움직임 조절은 스커미온 에너지를 결정하는 자기이방성(magnetic anisotrophy)의 제어가 관건이다. 기존 연구에서는 소자 내 산소의 움직임을 이용하는 방식을 시도했지만 자기이방성을 균일하게 제어하기 어려웠다. KRISS 양자스핀팀은 산화알루미늄 절연체 내부의 수소를 활용해 자기이방성을 균일하게 제어하는 핵심기술을 개발해, 그간 이론상으로만 제안됐던 스커미온 트랜지스터 소자를 세계 최초로 실험을 통해 구현하는 데 성공했다. 이번 성과는 2021년 KRISS가 개발한 스커미온의 생성·삭제·이동 기술에 이어 스커미온 소자 개발을 위한 또 다른 핵심 기반기술이다. 전자공학의 가장 중요한 소자 중 하나인 트랜지스터를 스커미온으로 구현함에 따라, 기존 전자소자에 비해 소비전력·안정성·속도 측면에서 대폭 유리한 뉴로모픽 소자, 로직 소자 등 스커미온 기반 소자들의 개발을 앞당길 전망이다. 황찬용 KRISS 양자기술연구소장은 “국내 대기업에서도 기존 실리콘 반도체의 한계 극복을 위해 스핀트로닉스를 이용한 차세대 반도체에 눈을 돌리고 있다”며 “앞으로도 스커미온 관련 기반기술을 추가로 개발해, 차세대 반도체 소자 및 양자기술에 응용할 수 있는 수준으로 발전시킬 예정”이라고 말했다. 양승모 선임연구원은 “트랜지스터가 20세기 디지털 혁명을 견인했다면, 스커미온 트랜지스터는 21세기 스핀트로닉스 기술 혁명의 단서가 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발사업, 중견연구자지원사업, 우수연구자교류지원사업의 지원을 받은 이번 연구는 KRISS 양자기술연구소 양자스핀팀과 건국대학교 박배호 교수팀, 부산대학교 박성균 교수팀, UNIST 한희성 박사가 공동으로 참여했다. 해당 성과는 작년 12월 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 32.086)에 권두삽화 논문(frontispiece)으로 게재됐다.
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ETRI, 늘어나는 반도체 소자 개발국내 연구진이 고무줄처럼 늘릴 수 있는 스트레처블(Stretchable) 디스플레이 구현을 위해 신축성 무기(無機) 반도체 소자기술을 개발했다. 세계 최초로 개발한 신개념 전자소자로 차세대 디스플레이 반도체 분야를 선도할 전망이다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 고밀도 집적이 가능한 고성능·고신뢰 신축성 무기 박막 트랜지스터(TFT) 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 본 성과는 세계적 과학 전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 8월 24일 온라인 게재되었다. 스트레처블 디스플레이는 고무줄처럼 팽팽하게 늘리고 줄일 수 있는 차세대 디스플레이 패널이다. 활용성 높은 고해상도 스트레처블 디스플레이를 구현하기 위해서는 고성능 신축성 반도체 소자가 필요하다. 반도체 소자는 전류 조절을 통해 화면 픽셀을 제어하는 역할을 한다. 그동안 신축성 반도체 소자는 주로 유연한 유기물 소재가 사용됐으나 실리콘, 금속산화물 등 단단한 무기물 분야로 연구가 확장되고 있다. 소재의 유연성은 떨어지지만, 전기적 성능과 신뢰성, 내구성이 더 뛰어나기 때문이다. ETRI 연구진은 세계 최초로 무기 산화물 전자소자를 신축성 금속 배선 위에 직접 올리는 반도체 소자구조를 개발했다. 고성능 무기질 반도체에 유연성을 더하면서 소자 집적도까지 비약적으로 끌어올린 기술이다. ETRI가 개발한 반도체 소자는 기존 신축성 산화물 반도체 소자 대비 소자 집적도가 약 15배 향상되었으며, 전류 구동 성능 역시 2배 이상 높아졌다. 제품 소형화와 고해상도 디스플레이 구현 가능성을 동시에 입증한 셈이다. 연구진은 구불구불한 말발굽 형태의 폴리이미드 유연 기판 배선 위에 고성능 산화물 반도체 트랜지스터를 고밀도로 집적하여 신축성 소자를 구현했다. 구불구불한 기판이 점차 직선으로 펴지면서 용수철처럼 늘어나는 원리다. 제작된 소자는 두 배까지 잡아당겨도 파괴되지 않고 성능을 유지한다. 기존에는 늘어나는 금속 배선과 늘어나지 않는 전자소자를 반복연결한 비효율적 공간 구조로 소자 집적도가 떨어지는 단점이 있었지만, 본 개발로 디스플레이 패널의 신축성과 고화질을 다 잡을 것으로 기대된다. 이번에 개발된 신축성 전자소자는 반도체 표준공정과 호환될 뿐만 아니라 디스플레이, 스마트폰, TV, 자동차, 헬스케어, 스킨트로닉스 등 다양한 스트레처블 제품에 적용 가능해 특히 주목받고 있다. 이번 논문의 제1저자인 ETRI 플렉시블전자소자연구실 오힘찬 선임연구원은 “중국의 빠른 연구개발 속도로 우리나라와의 반도체·디스플레이 기술 격차가 많이 좁혀지고 있다. 스트레처블 전자소자 기술을 통해 우리나라가 차세대 반도체·디스플레이 분야를 선점할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다. 향후 연구진은 이번 신축성 반도체 공정을 더욱 단순화해 비용을 절감할 수 있도록 하는 데 중점을 두고 연구할 예정으로 산업계에 빠르게 적용될 수 있도록 준비한다는 계획이다. 본 연구는 과학기술정보통신부 국가핵심소재연구단 사업인 “초고해상도/초유연 디스플레이 백플레인 핵심소재 기술 개발(디스플레이 백플레인 신소재연구단)” 과제와 ETRI 지원사업인 “스킨트로닉스를 위한 감각 입출력 패널 핵심 기술 개발” 과제의 일환으로 수행되었다.