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아주대학교 수학과의 새로운 소식입니다.

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이인환 교수 공동 연구팀, 차세대 반도체 소재 개발

- 높은 전하이동도에 신축성도 우수 - 전자피부, 웨어러블 기기용 新 소재 활용 기대 아주대학교 화학과 이인환 교수 공동 연구팀이 높은 전하이동도를 유지하면서 신축성도 뛰어난 차세대 반도체 소재를 개발하는 데 성공했다. 이에 앞으로 웨어러블 기기와 소프트 로보틱스 등 차세대 전자소자의 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 우리 학교 이인환 교수(화학과)와 이병훈 이화여대 교수(화공신소재공학과), 최태림 스위스 취리히연방공대(재료과) 교수 공동 연구팀의 이번 연구는 ‘리빙 중합 전략을 활용한 공액성 멀티블록 공중합체 개발: 신축성과 전하 수송에서의 구조–물성 상관관계에 대한 체계적 연구(Living Polymerization Strategy for Conjugated Multiblock Copolymers: A Systematic Study of Structure–Property Relationships in Stretchability and Charge Transport)’라는 제목의 논문으로 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)>에 2월 게재됐다. 논문의 제1저자로 아주대 양희성 박사(에너지시스템학과 박사 졸업)와 이화여대 유현진 학생(화공신소재공학과 석박통합과정)·김예진 박사(화공신소재공학과 박사 졸업)가 참여했다. 최근 학계와 산업계에서 주목받고 있는 전자 피부(e-skin)와 웨어러블 전자기기 등은 피부를 비롯한 인체에 밀착되면서도 생체 신호를 정밀하게 측정해야 한다. 이에 전기적 안정성 및 효율성과 더불어 유연성을 필요로 하는데, 이를 동시에 구현하는 데에는 한계를 보여왔다. 공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘다중블록 공중합체’ 플랫폼을 구축했다. 전기가 흐르는 공액 고분자 블록과 응력을 흡수하는 탄성 블록을 분자 수준에서 정밀하게 연결한 것. 특히 폴리(3-헥실티오펜)(Poly(3-hexylthiophene), P3HT) 블록을 정교한 리빙 중합(living polymerization) 기법으로 합성해 높은 구조적 정밀도를 확보하고, 이를 유연한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 블록과 공중합해 전하이동도 감소 없이 높은 신축성을 구현할 수 있었다. 연구팀이 개발한 소재는 300% 이상 늘어나면서도 균열이 발생하지 않고, 기계적 변형에도 안정적 전기적 특성을 유지했다. 더불어 폴리디메틸실록산(PDMS) 블록이 열에 강한 덕분에 고온의 열처리 후에도 전하이동도가 안정적으로 유지됨을 확인했다. 이번 연구 성과는 정밀 융합 전략을 기반으로 소자 성능과 공액 고분자의 구조적 요소의 상관관계를 체계적으로 규명함으로써, 그동안 상충관계에 놓여있던 신축성과 전하 이동도를 동시에 만족시킨 결과다. 이에 앞으로 전자 피부, 웨어러블 디바이스, 소프트 로보틱스 등의 개발 및 활용에 핵심적 소재로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 해당 연구는 ▲과학기술정보통신부 및 한국연구재단 국가연구소(NRL2.0) 지원사업 ▲중견연구자 지원사업 ▲기초연구실 지원사업 ▲대학기초연구소 지원사업 ▲뇌질환융합센터 등의 지원을 받아 수행됐다. * 위 사진 설명 - 왼쪽부터 아주대 이인환 교수, 아주대 양희성 박사, 이화여대 유현진 학생, 이화여대 이병훈 교수

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데이터보안활용 COSS 사업단·ACTS, MOU 체결

- 사이버보안 분야 인재 양성 및 기술 협력 함께 나서 - 재직자 교육·현장실습 등 프로그램 공동 운영 아주대학교 데이터보안활용 혁신융합대학사업단이 의료기기 시험·인증 전문 기업인 ㈜ACTS와 사이버 보안 인재 양성 및 기술 협력을 위한 업무협약을 체결했다. 업무협약 체결식은 9일 아주대 율곡관에서 열렸다. 아주대 곽진 데이터보안활용 혁신융합대학사업단(데이터COSS사업단) 단장(위 사진 오른쪽)과 ㈜ACTS 김동율 대표(위 사진 왼쪽)를 비롯한 관계자들이 함께 자리했다. 이번 협약은 두 기관의 협력을 통해 의료기기 및 디지털 헬스케어 분야의 사이버보안 신뢰성을 높이고, 현장 중심의 실무 인재를 양성하기 위해 마련됐다. 양 측은 이번 협약을 기반으로 ▲의료기기 및 디지털 헬스 제품에 대한 기술 자문 ▲공신력 확보가 필요한 사이버보안 보고서에 대한 학술 기반 검증 및 공동 발행 ▲첨단분야 전문인력 양성을 위한 재직자 교육 프로그램 공동 개발 및 운영 ▲데이터보안활용융합 연계전공 학생 대상 기업 맞춤형 현장실습 지원 ▲기업 수요 기반 문제해결형 프로젝트(WE-Meet) 운영 및 현직자 멘토링 등 폭넓은 분야에서 협력하기로 했다. 특히 아주대 데이터COSS사업단은 ㈜ACTS의 인증·시험 노하우를 산학협력 기반의 프로젝트와 현장실습 등 교육과정에 반영해 학생들이 실제 산업 현장에서 요구되는 보안 역량을 갖출 수 있는 기회를 제공할 예정이다. 더불어 ㈜ACTS는 아주대의 학술적 전문성을 바탕으로 사이버보안 보고서의 객관성과 공신력을 한층 더 강화할 수 있을 것으로 기대된다. 아주대 곽진 데이터COSS사업단장은 “의료기기 인증 분야의 전문 기술력을 갖춘 ㈜ACTS와의 협력은 학생들이 이론을 넘어 실제 산업 현장의 보안 이슈를 직접 경험하고 해결해보는 데 큰 도움이 될 것”이라며 “앞으로도 기업 맞춤형 현장실습과 프로젝트를 통해 책임 있는 디지털 시민 역량을 갖춘 실무 보안 인재를 양성하기 위해 노력하겠다”라고 밝혔다. ㈜ACTS 김동율 대표는 “최근 의료기기 분야에서 사이버보안은 필수적인 요소가 되었다”라며 “아주대와의 공동 교육 및 기술 자문 협력을 통해 국내 디지털 헬스 제품의 글로벌 경쟁력을 강화하고 우수한 보안 전문가를 발굴하는 데 적극 협력하겠다”라고 말했다. 아주대 데이터보안활용 혁신융합대학사업단(데이터COSS사업단)은 교육부의 <첨단분야 혁신융합대학(COSS) 사업>에 참여, 데이터보안활용융합 연계전공을 운영하고 있다. 이 사업은 대학 간의 수업, 시설, 교육 콘텐츠 공유를 통해 첨단분야 전문 인재를 키워내기 위해 데이터보안과 이차전지, 빅데이터 등 18개 분야에서 진행되고 있다. 아주대는 지자체 참여형 데이터보안활용융합 부문에 강원대학교(주관), 한양대학교(에리카), 충남대학교, 영남이공대학교와 함께 참여하고 있다. 우리 학교 사이버보안학과와 소프트웨어학과의 주도로 운영되는 데이터보안활용융합 연계전공은 학과 불문 누구나 참여할 수 있으며, 사이버보안·클라우드·블록체인 분야 교육을 타 대학과의 협동과정으로 제공한다. 아주대 데이터COSS사업단과 ㈜ACTS 관계자들의 기념촬영

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물리 임준원 교수팀, 20년 통념 깬 새로운 위상 보호 이론 제시

아주대학교 연구진이 지난 20여 년 동안 물리학계에서 전제로 받아들여져 온 핵심 가정을 뒤집는 새로운 이론을 제시했다. 임준원 아주대 교수(물리학과, 위 사진 왼쪽) 연구팀은 위상물리학 분야의 새로운 보호 메커니즘을 이론적으로 정립하고, 실제 물질에서도 구현해 낼 수 있음을 보였다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘국소 지원 대칭과 파괴적 간섭을 통한 위상적 보호(Topological Protection by Local Support Symmetry and Destructive Interference)’라는 제목으로 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 2월호에 게재됐다. 연구에는 미국 프린스턴대 B. 안드레이 버네빅(B. Andrei Bernevig, 위 사진 오른쪽) 교수(물리학과), 건국대 이훈경 교수(물리학과), 홍익대 김세중 교수(전자공학전공) 연구팀이 함께 참여했다. 2016년 노벨물리학상*을 받은 주제이기도 한 위상물리학(Topological Physics)은 수학의 위상(位相) 개념이 물리학에 적용된 것으로, 물질의 형태가 변해도 바뀌지 않는 고유한 기하학적 성질을 활용해 물질의 상태와 물성을 연구하는 분야다. 일례로, 위상 개념에서는 도넛과 컵을 하나의 형태로 본다. 실제 모양, 부피나 크기 등과는 관계없이 ‘구멍이 하나’라는 위상적 특성만을 생각해서다. 위상물리학은 기존의 방식과 다른 위상수학적 접근법을 통해 더 근원적이고 세부적으로 기존 물질과 다른 특이한 물성을 파악할 수 있게 한다는 점에서, 최근 20여 년 동안 고체 물리학에서 가장 주목받아 온 분야다. 독특한 특성을 가진 여러 별난 물질을 발굴함으로써, 양자 컴퓨터와 같이 아직은 미지의 영역인 첨단 분야의 소재로 활용할 수 있다는 기대가 있어서다. 위상물리학의 개념을 물질에 적용한 위상물질(Topological Mater)의 특성은 그동안 학계에서 ‘대칭이 물질 전체에 걸쳐 존재해야만 안정적으로 유지된다’라는 전제 위에서 이해되어왔다. 대칭이 조금이라도 깨지면 밴드 교차점이 사라지거나 위상적 특성이 무너진다고 본 것. 그러나 실제 물질에서는 불순물, 흡착 원자, 계면 효과 등으로 인해 이러한 대칭이 쉽게 깨진다. 이 때문에 이론적으로는 가능해 보여도 현실 물질에서는 위상적 특성이 얼마나 안정한지 설명하기 어려운 경우가 많았다. 아주대 공동 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 물질을 두 부분으로 나누어 바라보는 새로운 관점을 제시했다. 연구팀은 물질의 한 부분에서는 대칭이 유지되지만, 다른 부분에서는 대칭이 깨져 있는 상황을 가정한 뒤, 전자 파동이 어떻게 퍼지는지를 정밀하게 분석했다. 그 결과 특정 조건에서는 전자의 블로흐 파동함수가 ‘파괴적 간섭(destructive interference)’을 일으켜 대칭이 깨진 영역으로는 퍼지지 않고, 대칭이 남아 있는 영역에만 국소적으로 머물 수 있음을 밝혔다. 이 경우 전체 물질 차원에서는 대칭이 깨져 있어도, 실제 전자 상태는 사실상 대칭이 보존된 부분만을 ‘느끼게’ 되고, 그 결과 위상적 성질이나 밴드 교차점이 그대로 보호될 수 있다는 것이다. 연구팀은 이러한 메커니즘을 ‘국소 지지 대칭(Local Support Symmetry)’ 보호 원리로 정의하고, 이를 일반적인 이론 틀로 정리했다. 이 틀을 이용하면 위상 절연체의 Z2 위상수와 같은 위상 지표가 어떻게 유지되는지, 또 디랙(Dirac) 점과 같은 밴드 교차가 왜 쉽게 사라지지 않는지를 하나의 공통된 언어로 설명할 수 있다. 연구팀은 또한 단순한 이론 제안에 그치지 않고, 여러 모형 계산을 통해 국소 시간반전 대칭이나 회전 대칭에 의해 보호되는 위상 상태와 밴드 교차점을 구체적으로 구현했다. 더 나아가, 최근 주목받고 있는 2차원 탄소 소재인 바이페닐렌 네트워크에 플루오린을 주기적으로 흡착시킨 구조를 예로 들어, 전체 대칭이 깨져 있음에도 특정 방향에서 디랙형 분산이 거의 유지되는 현상을 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 확인했다. 이는 연구팀의 이론이 실제 물질 설계와 해석에도 적용될 수 있음을 보여주는 사례다. 아주대 임준원 교수는 “위상적 성질은 반드시 전체 대칭이 있어야만 보호된다는 기존의 통념을 넘어, 부분적인 대칭과 간섭 효과만으로도 충분히 안정화될 수 있음을 보여준 연구”라며 “현실적인 물질 환경에서도 위상적 특성을 설계할 수 있는 새로운 길을 제시한 셈”이라고 밝혔다. 이어 “앞으로는 국소 대칭과 파동 간섭을 활용해 보다 강인한 위상물질과 양자 소자를 설계하는 연구로 확장해 나갈 계획”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 중견연구자지원사업과 대학기초연구소사업(G-램프) 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. * 2016년 노벨물리학상 영국 출신의 미국 물리학자인 데이비드 사울레스(David J. Thouless), F. 덩컨 M. 홀데인(F. Duncan M. Haldane), J. 마이클 코스털리츠(J. Michael Kosterlitz) 3명은 2016년 노벨물리학상을 받았다. 이들은 수학에서 사용해온 위상(位相) 개념을 물리학에 적용, ‘이전까지는 알려지지 않은 물질의 세계로 향하는 문을 열었다’라는 평가를 받았다. 이들은 기존에 전자구조만을 이용해 도체와 부도체로 물질을 분류하던 패러다임을 넘어서서 파동함수의 위상학적 구조를 통해 더욱 상세한 물질 분류법을 제시했으며, 위상학적으로 보호되는 표면 상태의 강인함은 물리학뿐만 아니라 전자공학의 발전 가능성을 한층 넓혔다는 평가를 받는다. 아주대 공동 연구팀은 ‘대칭이 물질 전체에 걸쳐 존재해야만 안정적으로 유지된다’라는 위상물리학의 기존 관점을 뒤집어 새로운 시각에서 설명해냈다. 연구팀은 물질을 두 부분으로 나누어 분석, 전체 물질 차원에서 대칭이 깨져 있더라도 실제 전자 상태는 사실상 대칭이 보존된 부분만을 느끼게 됨으로써, 위상적 성질이 그대로 보호될 수 있음을 규명해냈다. 이러한 ‘국소지지 대칭’ 개념은 양자 컴퓨터와 같이 아직은 미지의 영역인 첨단 분야의 소재 설계에 활용될 수 있다.