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MITMIT10대유망

MIT는 10대 유망기술1.나노압전 전자공학(Nanopiezoelectronics)미국 조지아 공대(Georgia Institute of Technology)의 연구원들은 아연 산화물 나노와이어(zinc oxide nanowires)의 반도체와 압전체의 특성을 접목하여 새로운 전자 소자 부품을 만듦으로써 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 여겨진다.현재까지 연구원들은 전계 효과 트랜지스터, 다이오드, 센서와 전류를 생산하는 나노발전기를 아연 산화물 나노와이어와 나노벨트를 이용하여 제조하였다. 새로운 부품은 기계적인 성질과 전기적인 성질이 접목된 나노물질의 압전 성질을 이용하여 나노-피에조트로닉스(nano-piezotronics)라고 명명하였다.나노-피에조트로닉스는 압전재료와 반도체의 성질을 동시에 부여하여 새로운 전자 부품을 제조한 것이라고 조지아 공대의 재료공학과 종린 왕(Zhong Lin Wang) 교수가 설명하였다. 이러한 소자는 향후 새로운 전자 소자 분야를 개척하는 새로운 빌딩 블럭으로 사용될 것으로 여겨진다.예를 들면,나노-피에조트로닉 트랜지스터는 1차원적인 아연 산화물 나노와이어에 전기 전하의 분포를 변형시켜서 전류의 흐름을 제어하게 된다. 전류의 흐름을 측정함으로써 피에조트로닉 센서는 나노 뉴톤(Newton)이노 피코 뉴톤 수준의 작은 압력까지 측정할 수 있다. 또한 한쪽에 구부려진 아연 산화물 나노 구조를 부착하면 전류의 흐름을 한쪽으로만 보내는 피에조트로닉 다이오드를 만들 수 있다.나노-피에조트로닉 메카니즘은 압전 재료로부터 만든 나노와이어와 나노벨트의 기본적인 성질을 이용하여 구부리거나 압력을 가하여 전하를 분리시켜서 한쪽은 양의 전하를 가지고 다른 쪽은 음의 전하를 가지게 만든 것이다. 또한 구부린 부분과 전하가 발생되는 연결부위에서는 나노발전기가 되어서 측정 가능한 전류를 만들 수도 있게 된다.조지아 공대의 종린 왕 교수팀은 최근에 과학저널인 어드밴스 머티리얼(Advanced Materials) 최근호에 이에 관련된 연구를 발표하였다. 그들은 또한 지난 해에 나노-압전 특성에 대한 논문을 나노레터스와 사이언스에 발표하였다. 향후 나노 기술 연구는 각각의 부품에서 전체적인 집적이 가장 큰 이슈로 발전할 것이다. 따라서 압전 성질을 요구하는 나노-피에조트로닉 부품은 다양한 집적 회로에 응용이 될 것이라고 종린 왕 교수는 덧붙혔다.나노-피에조트로닉스의 장점1. 아연 산화물 나노구조는 변형에 대한 손상없이 많은 양의 힘을 견딜 수 있으므로 접을 수 있는 전력 공급원을 포함한 유연성이 요구되는 전자 소자등에 응용 가능.2. 많은 양의 변형이 가능함으로 높은 전압이요구되는 큰 부피의 물질도 제조 가능.3. 아연 산화물은 생체적합성 물질이므로 인체에 부작용없이 생체내에서도 응용 가능.4. 나노 발전기등의 제조에 있어서 유연성있는 고분자 기판에도 적용 가능.5. 임플란트 시스템(implantable systems) 등의 전력 공급원으로 집적 가능.2.레이스트랙(Racetrack) 메모리하드디스크가 고장나면 부팅이 안되거나 저장된 데이터를 잃어 버린다.P.C의 하드디스크가 가진 근본적인 기계적 한계이다. 하드디스크는 디스크가 회전하면서 헤드로 정보를 읽고 쓴다.이런 과정으로 기계적인 마모로 인하여 헤더, 디스크, 프레임 등이 고장을 일으켜 데이터를 잃어 버린다. HDD 또는 플레시 메모리의 한계를 넘어선 새로운 방식의 저장장치가 개발되고 있다.최근 솔리드스테이트 메모리 (SSD)가 등장 하였는데 이는 메모리 칩을 chacha하게 나열한 기판으로 HDD를 대신하여 보다 빠르게 데이트를 읽고 쓸 수 있으며 중앙처리장치 등에 데이터를 옮기는 속도가 빠르지만 가격이 너무 비싸고 저장 능력이 적은 단점이 있다.플레시메모리는 정보를 읽는 능력은 빠르지만 기록하는 속도는 느리며 횟수도 제약을 받는다. 고전압 펄스를 이용해 정보를 저장하기 때문에 만번 정도 쓰고 나면 수명을 다한다.레이스트랙(Racetrack) 메모리는 자성 나노선을 사용해 새로운 형태의 데이터를 저장하는 기술. 이것은 모든 형태의 컴퓨터 메모리를 대체할 수 있으며, 작고 저렴한 휴대용 기기들에도 적용될 수 있다.레이스트랙 메모리(Racetrack Memory)현재의 하드디스크보다 저장용량이 최소 1천배 이상 큰 메모리. IBM이 개발 중인 신개념 저장장치다. 이 저장장치는 플래시 메모리 수준의 내구성과 속도, 하드디스크보다 훨씬 큰 저장용량을 자랑한다. 컴퓨터 메모리로 사용되는 D램보다 빠르고, 전원이 꺼져도 정보가 그대로 보존되는 특징을 지닌다. ‘레이스트랙’이라는 이름은 알파벳 U자 모양의 나노선을 따라 자기(磁氣) 정보가 자동차 경주 트랙을 도는 것처럼 빠르게 흐르는 데서 유래했다. IBM 연구진은 지난해 12월 이 저장장치로 6비트 길이의 정보를 저장하는 데 성공했다. 연구진은 “10비트를 옮기는 데 성공하면 플래시메모리, 100비트를 옮기면 하드디스크를 대체할 가능성이 높다”고 밝혔다.3.100달러 게놈(Genome)게놈 분석 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 나노플루이딕 칩. 정확한 시퀀싱 기술과 조합한 칩으로 의사들이 특정한 질병과 연결된 새로운 게놈을 맵핑하고, 새로운 바이러스와 전염병들을 확인해 환자 고유의 유전자 프로파일에 맞게 의학적 치료를 할 수 있다.100달러 게놈 분석에 도전하는 complete genomics사와 bionanomatrix사로 이 두 기업은 100달러의 비용으로 하루 만에 게놈을 분석하는 새로운 방법을 찾기 위해 공동으로 협력하고 있다.DNA의 염기배열을 분석하는 최근 기술은 한 번에 하나의 염기문자를 감지하여 분석하는 것이다. 그러나 complete genomics사는 5개의 염기문자로 구성된 각각의 전체 단어들을 감지하는 프로세스를 개발하고 있다. 예를 들면 구글의 키워드로 데이터베이스를 검색하는 기술을 모방하는 것이다. 여기에 최첨단 화학반응 기술과 나노팹 기술을 이용해 하나의 나노어레이칩상에서 멀티 게놈을 동시에 읽어 내는 디바이스를 개발하고 있다.

자연과학| 2010.06.17| 3페이지| 1,500원| 조회(166)

나노, mit, MIT10대유망

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산화티타늄

산화티타늄산화티타늄은 금속티타늄이 산화된 물질입니다. 대부분 이산화티타늄(titanium)(TiO2이라고 합니다.TiO2는 Srilankite, anatase, rutile, brookite, 그리고 amorphous 등의 상이 있습니다. 보통은 아나타제와 루타일이 가장 많고 공업적으로도 가장 많이 이용합니다. TiO2는 물리화학적으로 매우 안정하고, 은폐력이 높아서 백색안료로 많이 사용합니다. 또한 굴절율이 높아서 고굴절율의 세라믹스에도 많이 이용되고 있지요. 그러나 TiO2의 가장 큰 특징을 말하라고 하면 단연 광촉매적 특성과 초친수성의 특성을 들 수 있습니다.우선 광촉매란 광화학과 촉매가 결합된 의미로 빛에너지에 의하여 활성을 나타내는 촉매를 말합니다. 즉, 빛에너지를 TiO2에 조사하면 빛에너지를 흡수한 촉매가 활성을 나타내어 유기물들을 산화 또는 환원시키는 역할을 합니다.광촉매의 메카니즘은 금속산화물의 가전자대와 전도대의 밴드갭 에너지와 관련되어 있습니다. 금속 산화물은 가전자대(valence band: VB)와 전도대( conduction band:CB)로 구성된 분자 궤도함수로 이루어져 있고 이 두 밴드간의 차( E = ECB - EVB = hν)를 밴드갭(band gap)이라고 하며, 이 밴드갭 에너지가 대략 2.0∼4.0 eV 정도이면 반도체의 특성을 나타내게 됩니다. 반도체 화합물에 밴드갭과 같거나 큰 에너지를 가지는 파장의 빛(300-400 nm)을 조사하면 그 빛 에너지를 흡수하여 VB의 전자는 CB로 여기(excited)되고, 촉매 내부에 정공과 전자가 발생합니다. 이 정공과 전자가 TiO2 표면에 확산 이동하여 표면에 흡착되어 있는 물질과 반응하는 촉매를 광촉매라고 합니다.TiO2의 초친수성 특성은 다른 물질들이 전기적인 특징, 즉 극성 용매와 극성 물질간의 결합 특성과는 약간 다른 특성이 있습니다. 물 분자를 라디칼과 산소이온으로 분해하기 때문에 TiO2의 접촉각은 0도에 가깝습니다. 따라서 물방울이 TiO2표면에서는 방울로 맺히지 못하고 얇은 막으로 TiO2표면을 덮습니다. 이런 원리를 이용하여 김서림 방지제 등에 이용되고 있습니다. 김서림은 물체의 표면온도가 공기 온도 보다 낮을때 공기중의 수증기는 이슬점이하의 조건이 되는 물체의 표면에서 아주 작은 물방울로 맺히는 현상인데, TiO2의 초친수성 특성이 이런 작은 물방울이 맺히지 못하게 하는 것입니다.

자연과학| 2010.06.12| 2페이지| 1,000원| 조회(541)

전자, 산화티타늄, 빛 에너지

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전기변색창문

전기변색창문건물은 국가에너지의 약 40%를 사용하며 미국에너지부는 기존 창문을 통한 에너지손실이 난방 및 냉방에너지의 거의 30% 해당되는 것으로 예측하고 있다. 전기 비용으로 환산하면 매년 400억불에 해당하는 양이다. 색조를 입힌 시스템은 건물 난방 및 냉방에너지의 손실을 거의 25% 줄일 수 있다. 이러한 화학에 기반을 둔, 에너지 절약기술 시장과 중요성은 세계적으로 점점 증가하고 있다.날씨에 따라 색깔이 변하는 창문은 겨울철에는 태양빛을 흡수하고 여름철에는 반사시켜 전기료를 줄일 수 있는 장점이 있다. 이 창문은 실제로도 만들어졌지만, 너무 비싸서 널리 사용되지는 못하고 있다. 전기변색 창문은 작은 전기장이 가해지면 색깔이 변하는 물질을 이용해서 만든다. 센서가 빛이나 온도의 변화를 감지하면 색깔이 변하도록 신호를 보내게 된다. 연구를 진행하고 있는 미국 재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory, NREL) 의 Anne Dillon 은 전기 변색 창문은 모든 조작이 자동으로 일어나서 전혀 신경을 쓸 필요도 없을 정도로 좋지만, 너무 비싼 것이 문제이다.NREL 연구팀은 차세대 지능형 창문을 개발해 에너지관련 예산을 대폭 축소하려는 목표를 세우고 기술개발에 착수한 바 있다 NREL 연구진들은 태양광 산업에서 개발된 것과 비슷한 프린팅 기술과 금속 잉크 기술을 이용해 동 지능형 유리의 제조비용을 줄이는 방안을 모색하고 있다. NREL은 또한 전기적 착색 필름을 유연한 플라스틱 형태로 제조하는 길을 찾고 있다. NREL 관계자는 높은 제조비용 때문에 동 혁신적인 기술의 상용화가 지연되고 있는데, NREL 연구의 목표는 그 높은 비용을 빠른 시일 내에 큰 폭으로 줄이는 것이라고 강조하였다.일반적인 전기 변색 시스템은 두 개의 전극과 이 사이에 위치한 전해질로 구성되어 있다. 보통 산화 금속이 전극으로 사용되는데 리튬과 같은 이온이 전극 속으로 이동하거나 빠져나오면 색깔의 변하게 된다. NREL의 시스템은 산화 니켈 (nickel oxide)과 산화 텅스텐 (tungsten oxide) 전극을 사용하고 있는데, 저렴한 전구체 (precursor)를 스프레이 한 다음 가열하는 방식으로 전극을 제조하는 것이 특징으로, 이 방식은 처음으로 적용되는 것이다. NREL은 이미 액체 전해질을 사용한 실험을 마쳤으며 고체 이온 전도체를 사용한 시스템을 개발하고 있다. 전압이 가해지면 리튬이온이 산화니켈 전극으로부터 빠져 나와 전해질을 거쳐 산화 텅스텐 전극으로 이동하게 되며, 이로 인해 전극의 색깔이 바뀌게 된다. Tenent는 필름을 스프레이 방식으로 제조하는 것이 제조비를 낮출 뿐 아니라 성능 향상도 가져온다고 한다. 연구팀은 산화니켈 스프레이 잉크용액에 소량의 리튬을 첨가하면 색상 변화가 더 빠르고 넓은 범위에서 일어남을 발견했다. NREL 시스템의 니켈 전극은 29초 만에 광 투과도가 80 퍼센트에서 30 퍼센트로 변하는 성능을 보여주었다. Tenent는 통상적인 전기 변색 시스템 제조 공정에 소량의 리튬을 첨가하기는 쉽지 않다고 덧붙였다.

자연과학| 2010.06.06| 2페이지| 1,000원| 조회(623)

전기변색창문, NREL, 전기 변색

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진자의 구심력

1. 실험목적진자가 앞뒤로 진동할 때 진자 추의 구심력에 영향을 미치는 요소는 무엇인지 알아본다. 또 구심력은 진자 추의 진동의 빠르기에 의존하는지에 대하여 알아본다.2. 실험이론진자 추는 둥근 궤도를 따른다. 그러므로 그것은 구심력(“center - sooking")에 의해 행동하게 된다. 진자의 경우, 줄에 의해 유발된 추의 장력이 원 궤도의 원인이 된다. 추의 진자 진동 하단의 알짜힘은 중력에 의한 힘과 줄의 장력의 조합이다.뉴턴의 제2법칙에서 ∑F=T-mg=ma=Fc 인데 T는 줄의 장력, m은 진자 추의 질량, g는 중력으로 인한 가속도, Fc는 구심력이다. 힘 센서는 진자가 그 평형위치(T=mg일 때)에서 정지해 있을 때 0이 될 것이다. 이와 같이 진자가 진동의 가장 낮은 점을 빠져나갈 때 힘 센서로 측정되는 힘은 구심력 Fc과 같다. 구심력은 추가 가장 낮은 점을 지나갈 때의 속도 υ를 이용하여 얻어질 수 있다.구심력 ⇒r은 이 경우처럼 진자의 길이와 같고 원 궤도의 반경이다.3. 실험기구 및 장치힘센서, 포토게이트, 저울, 추와 행거 세트, 캘리퍼스, 진자추, 클래프, 지지막대, 받침대와 지지막대, 줄4. 실험방법힘센서를 이용해 진자 추가 가장 낮은 점에서 진동할 때의 구심력을 측정한다. 포토게이트를 이용하여 진자 추가 포토게이트 빔을 차단할 때 시간을 측정한다. 진자 추의 직경 값을 입력한다. 진자 진동의 하단에서 Data Studio 또는 Science Workshop은 진자 추의 속도와 진자의 구심력을 계산하고 보여준다.PART Ⅰ : 컴퓨터 셋업1) 인터페이스 장치를 컴퓨터에 연결시킨 후 인터베이스 장치의 전원을 켜고, 컴퓨터를 켠다.(※주의 : 전원 켜는 순서를 다르게 할 경우 컴퓨터가 인터페이스 장치를 읽지 못 할 수도 있다.)2) 포토게이트 폰 플러그를 인터페이스의 디지털 채널 1에 연결한다.3) 힘센서의 플러그를 아날로그 채널A에 연결한다.3) 다음과 같은 문서파일을 열어라Data StudioP26 Centripetal Force.DS- Data Studio 파일에는 워크북 화면이 있다.- Science Workshop 문서에는 시간에 대비한 속력의 그래프 화면이 있다.PART Ⅱ : 센서 교정과 장비 준비1) 진자 추의 직경 값을 측정한다.2) 소프트웨어에 직경을 입력한다.3) 후크 끝을 내려 수평 막대에 힘 센서를 부착한다.4) 진자 추의 질량을 측정한다.5) 진자를 만들기 위해, 약 1미터 길이의 줄을 사용한다. 줄의 끝에 힘 센서의 후크를 묶고 다른 끝에 진자 추를 묶는다.6) 추가 정지 상태일 때 진자 추가 프토게이트 빔을 차단할 정도로 포토게이트를 배열한다. 진자 추의 질량 중심은 포토게이트 빔의 높이와 거의 같은 높이에 있어야 한다.7) 힘 센서 후크의 하단으로부터 진자 추의 중간까지인 추의 길이를 측정한다.PART Ⅲ : 데이터 기록1) 진자 추가 정지 상태일 때, Tare 버튼을 눌러 힘 센서가 0이 되게 한다.2) 진자를 운동시킨다. 진자 진동이 앞뒤로 몇 번 정도 허용되도록 만하고, 진동의 감소를 허용한다.3) 데이트 기록을 시작한다.4) 데이터 기록은 약 20초 정도 한다.※ 진자를 운동시킬 때 진자 추가 포토게이트에 부딪히지 않도록 한다.5. 결과 분석이 그래프에서 구심력과 속력은 각각 점점 감소하고 있다.위 그래프의 실험에서 진자 추의 질량은 일정하게 69.8g으로, 진자의 길이는 42cm로 모두 같다. 하지만 속력은 점점 줄어 감소하고 있다. 구심력은 질량과 속력에 비례한다. 위 실험에서는 속력의 변화에 따른 구심력을 알 수 있다. 속력이 점점 감소하므로 구심력 또한 감소한다.데이터 테이블항 목값지름(직경)0.016 m질량0.0698 kg길이0.42 m데이터 테이블점Fc, 측정된 값(N)υ(㎧)Fc, 이론적 값(N)%차이10.451.960.638429.520.461.960.638427.930.451.9420.626728.240.461.9140.608824.450.441.8960.597426.3?질문?1) 측정한 구심력의 값들과 계산된 이론적인 구심력의 값들의 비교는 어떠한가?⇒ 차이가 있다. 이론적 구심력이 더 크다.2) 구심력의 측정된 힘과 계산된 힘에 차이가 있는 이유는 무엇인가?⇒ 공기의 저항으로 본래 속력이 나오지 않는다. 또 진자 추가 비스듬히 묶였기 때문에 추가 비틀어져서 무게의 중심도 정중앙에 있지 않는다. 그래서 진자 운동 할 때도 진자 추가 일직선의 포물선 운동이 아닌 비스듬한 포물선 운동을 했다.6. 토의 및 건의사항처음에 이 실험을 할 때 조교님께서 이번 실험은 어렵다고 하셔서 이 때까지 하던 실험보다 더욱 집중을 했다.책에 오차를 구하는 문제가 눈에 보였다. 최대한 오차를 줄이기 위해서 조심스럽게 실험에 임했다. 실험은 비교적 쉬웠다.다만 추가 일직선으로 똑바로 포물선 운동을 하지 않아서 걱정이 되었다. 추가 비스듬히 운동하면 분명히 포토게이트 빔을 지나칠 때 오차가 생길 것이 뻔했다. 역시 예상대로 오차가 너무 많이 났다. 최고90%까지 오차가 났다.오차의 원인은 다음과 같은이 가정을 했다.① 추가 흔들릴 때 시작 한다.② 진자 운동을 하기 전에 힘센서의 'Tare' 버튼을 누르지 않는다.

자연과학| 2010.05.27| 4페이지| 1,500원| 조회(761)

구심력, 인터페이스, 뉴턴의 제2법칙, 진자의 구심력

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그래핀

그래핀(graphene)어원Graphite’ + ‘-ene’흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene을 결합해 만든 용어이다.그래핀(graphene) 이란?연필심에 쓰이는 흑연의 구성 물질.흑연은 탄소원자들이 무수히 연결되어진 6각형의 벌집 모양으로, 수없이 쌓아올린 3차원 구조이다. 그래핀은 여기서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이다.구조탄소가 육각형 벌집모양으로 배치된 이차원 탄소 동소체를 일컫는다.탄소의 최외각 전자 4개 중 3개가 강한 공유결합을 통해서 육각형 격자를 형성하고 나머지 하나의 전자는 그래핀의 평면과 수직인 형태의 π-오비탈을 이룬다.연필심에 사용되어 우리에게 친숙한 흑연은 주기율표상 원자번호 6번에 해당하는 탄소로 만들어진 동소체중 하나이다. 흑연은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 켜켜이 쌓여 있는 원자구조를 가지고 있다. 주로 공유결합을 통해서 이루어진 탄소 동소체들은 4개의 최외각 전자들의 파동함수의 성형결합의 방식에 따라서 결정구조를 포함한 많은 물리적 성질이 결정 된다. 공유결합을 이루는 대부분의 고체들은 전자를 발견할 확률 분포가 원자와 원자 사이에서 최대가 된다. 탄소 동소체중 하나인 다이아몬드가 그대표적인 예이다. 하지만, 그래핀에서는 세 개의 최외각 전자들의 선형 결합만이 탄소간의 강한 공유결합에 참여하여 앞에서 언급한 육각형 그물 모양 평면을 만들고 여분의 최외각 전자의 파동함수는 평면에 수직인 형태로 존재하게 된다. 평면에 평행하여 강한 공유 결합에 참여하는 전자들의 상태를 σ오비탈이라고 부르며 평면에 수직한 전자의 상태를 π오비탈이라 한다. 그래핀의 물리적 성질을결정하는 페르미 준위 근처의 전자의 파동 함수들은 π오비탈들의 선형결합으로 이루어져 있다.

자연과학| 2010.05.27| 2페이지| 2,000원| 조회(628)

탄소나노, 흑연, 그래핀

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