[대학 뉴스브리핑] 서강대·중앙대·성균관대

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[아시아타임즈=양혜랑 기자] 서강대학교 화학과 연구팀이 선형 시아네이트(NCO–)를 고밀도로 정렬한 구조를 설계해, 자외선 영역에서도 높은 복굴절을 구현하는 신물질을 개발했다. 중앙대학교 화학과 연구팀이 AI 기반 라만 분석을 통해 미세플라스틱을 더 정확하게 식별·정량하는 방법을 개발했다. 성균관대학교 양자정보공학과 연구팀은 2980개 조셉슨 접합 기반 초전도 증폭기(TWPA)를 설계·제작·패키징·극저온 평가까지 전 공정 독자 기술로 구현했다.

옥강민 서강대 화학과 교수 연구팀, 국제 최고 권위 학술지 JACS 논문 게재

(좌측부터) 옥강민 서강대 화학과 교수, Chen Chong-An 박사후연구원. (사진=서강대)

옥강민 서강대학교 화학과 교수 연구팀이 짧은 파장의 자외선(SWUV) 영역에서 복굴절을 구현할 수 있는 새로운 무기 결정 설계 전략을 제시하고 신물질을 개발하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.

이번 연구는 옥 교수가 교신저자, Chen Chong-An 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 화학 분야 학술지인 Journal of the American Chemical Society (JACS)에 게재됐다.

복굴절(birefringence)은 빛이 물질을 통과할 때 편광 방향에 따라 서로 다른 속도로 진행하는 현상으로, 이를 통해 빛의 방향, 속도, 편광 상태를 정밀하게 제어할 수 있다. 이러한 특성은 레이저, 반도체 리소그래피, 광통신, 정밀 센서 등 첨단 광학기술의 핵심 기반으로 활용된다. 그러나 짧은 파장의 자외선 영역에서는 넓은 밴드갭과 높은 광학 이방성을 동시에 만족시키기 어려운 근본적인 한계로 인해, 고성능 복굴절 소재 개발이 오랜 난제로 남아 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 '밀도 보상형 분극률 이방성(density-compensated polarizability anisotropy)'이라는 새로운 설계 전략을 제안했다. 이 전략은 작고 선형적인 음이온을 고밀도로 정렬시켜 거시적 광학 이방성을 극대화하는 개념이다.

이를 바탕으로 연구팀은 선형 구조를 갖는 시아네이트 음이온 (NCO–)과 d10 전이금속(Hg2+, Cd2+)을 결합하여 네 가지 새로운 무기 결정 K[Hg(NCO)2]Cl, K[Cd(NCO)3], K2[Hg(NCO)4], K2[Cd(NCO)4]을 설계 및 합성했다.

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이들 물질은 229~254 nm 영역의 자외선 투과 특성(SWUV cutoff)을 유지하면서도, 최대 Δn ≃ 0.511(@546 nm)에 달하는 기록적인 복굴절 값을 달성했다. 특히 3번과 4번 화합물은 현재까지 보고된 SWUV 무기 복굴절 결정 중 최고 수준의 성능을 나타낸다. 연구 결과에 따르면, 이러한 성능 향상은 단순한 화학 조성의 변화가 아니라, 선형 (NCO)– 단위의 고밀도 집적 d10 금속 이온에 의해 유도된 정렬된 구조 배열이 결합된 결과로 나타난다. 즉, '높은 밀도+정렬된 방향성'이라는 구조적 시너지가 광학 이방성을 극대화하는 핵심 메커니즘임이 밝혀졌다.

김지현·홍성관 중앙대 교수팀, AI 융합 라만 분석으로 미세플라스틱 정량 불확실성 해소

(왼쪽부터) 오민영 중앙대 화학과 석사, 정인춘 박사과정생, 김지현 교수, 홍성관 교수. (사진=중앙대)

홍성관 중앙대학교 화학과 교수, 김지현 교수 연구팀이 인공지능(AI)과 라만 분광법을 융합한 새로운 분석 프레임워크를 통해 미세플라스틱 정량 과정의 불확실성을 줄이고, 보다 정확하고 효율적인 분석 가능성을 제시했다고 25일 밝혔다.

미세플라스틱은 토양, 해양, 대기뿐만 아니라 인체 시료에서도 검출되며 환경·보건 분야의 주요 현안으로 주목받고 있다. 그러나 실제 분석 현장에서는 낮은 신호 강도, 복잡한 배경 신호, 긴 측정 시간, 그리고 필터의 일부만 측정하는 부분 샘플링 방식 때문에 정량 결과의 오차와 불확실성이 꾸준히 문제로 지적돼 왔다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 라만 측정 조건을 최적화하고, 저품질 및 잡음이 많은 스펙트럼도 안정적으로 판별할 수 있는 AI 기반 모델을 개발했다.

연구 결과, 개발된 AI 기반 분석법은 기존의 사람 중심 판독이나 통상적인 스펙트럼 판별 방식보다 우수한 미세플라스틱 식별 성능을 보였으며, 입자의 크기와 형태까지 자동으로 평가할 수 있음을 확인했다. 특히 실제 시료에서 미세플라스틱이 불균일하게 분포할 경우, 부분 샘플링이 전체 개수 추정에 큰 편향을 초래할 수 있음을 정량적으로 규명하고, 보다 신뢰도 높은 정량을 위한 효율적인 샘플링 전략도 함께 제안했다.

이번 연구는 미세플라스틱의 화학적 식별과 물리적 특성 분석, 정량 정확도 개선까지 아우를 수 있는 핵심 도구가 될 수 있음을 보여줬다. 연구팀이 제시한 분석 체계는 향후 환경오염 감시, 위해성 평가, 정책 수립을 위한 과학적 근거 마련에도 폭넓게 활용될 전망이다.

이번 성과는 'Journal of Hazardous Materials'에 게재됐으며, 한국환경산업기술원(KEITI)과 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다.

성균관대 연구팀, 양자컴퓨터 핵심부품 TWPA 독자개발 성공

(왼쪽부터) 정연욱 성균관대학교 교수, 김영두, 고영우, 박종원 연구원. (사진=성균관대)

정연욱 성균관대학교 양자정보공학과 교수 연구팀은 양자컴퓨터의 핵심부품이면서 동시에 국가 전략부품인 TWPA의 독자 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.

정연욱 교수와 김영두, 고영우, 박종원 연구원이 참여한 연구팀은 작년 12월 첫 워킹다이(WD) 웨이퍼를 얻은 이후, 현재 엔지니어 샘플(ES)을 국내외 연구자들에게 배포하고 성능을 검증하며 기술개발을 마무리하고 있다. 이번 TWPA의 개발은 칩의 설계부터 제작 및 패키징, 극저온 평가분석까지 전 과정을 성균관대에서 자체 기술로 진행했다.

양자컴퓨터 기술은 최근 매우 빠른 속도로 발전하면서 산업화가 가속화되고 있으며, 초전도 기술은 글로벌 대기업이 주로 채택하는 대표적 양자컴퓨터 방식이다. 성균관대 연구진은 이미 20~50 큐비트 규모의 양자프로세서(QPU)를 공급한 바 있다.

양자컴퓨터의 기본은 0과 1을 중첩해서 데이터를 읽고 쓸 수 있는 큐비트이며, 양자 신호는 매우 작기 때문에 이를 잘 읽어내기 위해서 잡음이 없는 초정밀 신호증폭기가 필요하다. TWPA는 양자컴퓨터를 작동하기 위해서 반드시 필요한 핵심 부품으로서, 양자역학의 원리가 허용하는 한도에서 잡음이 거의 없는 신호증폭기이다. 기술의 난이도가 매우 높아 극히 일부의 선도국가에서만 제작기술을 보유한 양자기술의 핵심 부품이다.

이번에 개발을 완료한 TWPA는 2980 개의 조셉슨 접합으로 구성된 초전도칩이며, 양자컴퓨터 시스템에서 양자프로세서(QPU)와 함께 극저온에서 작동하는 대표적 핵심부품이다. 성균관대의 TWPA는 증폭률 20dB이상, 주파수 대역폭 1GHz 이상, 포화세기 –100dBm 이상, 삽입손실 1dB 이하 등 세계 최고 수준의 성능을 보유한 동시에 상용화를 위한 높은 수율과 양산성 및 패키징 기술까지 전 과정을 자체적으로 확보했다.

한편, 고성능 TWPA 기술은 미국을 비롯한 선도국가 일부에서만 성공한 기술이며, 이를 포함한 파라메트릭 증폭기 기술은 이중용도(dual-use) 특성 때문에 첨단 반도체 기술과 함께 수출통제가 엄격하게 이루어지는 대표적 품목이다.