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기초연구기획사업 관리지침중 최종보고서 초안 작성양식

최종보고서 초안 제출양식

귀 하

“‘나노-포토닉스 원천기술개발사업‘ 추진방안 수립"에 관한 연구의

최종보고서(초안)를 별첨과 같이 제출합니다.

2011. 3. 25 .

연구책임자 한 일 기 (인)

연 구 원 (인)

최종보고서 제출양식

겉표지 양식 : (4×6배판(가로19㎝×세로26.5㎝))

(뒷 면) (옆면) (앞 면)

나노포토닉스

원천기술개발사업

추진방안수립

교육과학기술부

200○ - ○○

‘나노-포토닉스 원천기술개발사업’

추진방안 수립

(A study on the development strategy

for 'fundamental technology for

nanophotonics')

연구기관 : 한국과학기술연구원

연구책임자 : 한 일 기

2011. 3. 25

교 육 과 학 기 술 부

제 출 문

교 육 과 학 기 술 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “‘나노-포토닉스 원천기술개발사업‘ 추진방안 수립에 관한 연구

"의 최종보고서로 제출합니다.

2011 . 3 . 25 .

연구기관명 : 한국과학기술연구원

연구책임자 : 한 일 기

연 구 원 : 박 경 현

연 구 원 : 조 용 훈

연 구 원 : 김 광 무

연 구 원 : 최 대 근

연 구 원 : 신 종 화

연 구 원 : 권 순 홍

연 구 원 : 김 상 인

연 구 원 : 남 옥 현

연 구 원 : 김 택

연 구 원 : 정 명 영

연 구 원 : 노 영 준

연 구 원 : 김 병 희

연 구 원 : 천 호 영

- 4 -

목 차

PART I. Neo LIGHT 시대 위한 나노포토닉스 융합기술 사업 R&D

기획

제 1 장 사업개요 ·············································································· 1

1.1 사업개념 및 목표 ································································································· 1

1.2 사업의 철학 ··········································································································· 5

1.3 미래전망 시나리오 ································································································· 6

1.4 사업내용 ················································································································· 9

1.5 시장규모 및 전망 ································································································· 9

제 2 장 추진배경 및 필요성 ·························································· 14 2.1 추진 배경 ··············································································································· 14

2.2 필요성 ····················································································································· 15

2.3 계획 수립 근거 ····································································································· 15

2.4 그간의 추진 경위 ································································································· 16

제 3 장 대내외 여건 변화 ································································ 17

3.1 정치적 환경 ··········································································································· 18

3.2 산업경제적 환경 ··································································································· 19

3.3 과학기술적 환경 ··································································································· 19

3.4 환경적 측면 ··········································································································· 19

제 4 장 우리의 현주소 ······································································ 21 4.1 나노포토닉스분야 R&D 투자현황의 문제점 ·················································· 21

4.2 나노포토닉스 R&D 정책의 당면과제 ······························································· 22

제 5 장 해외 선진국의 정책 동향 ·················································· 23 5.1 미국의 나노포토닉스 연구지원 ········································································· 23

5.2 유럽의 나노포토닉스 연구지원 ········································································· 24

5.3 일본의 나노포토닉스 연구지원 ········································································· 26

- 5 -

제 6 장 나노포토닉스 기술개발 동향 ············································ 27

6.1 나노포토닉스 논문 동향 ····················································································· 27

6.2 나노포토닉스 특허 동향 ····················································································· 33

제 7 장 사업추진 전략 및 운영 관리 방안 ·································· 40 7.1 사업추진 기본방향 ······························································································· 40

7.2 기존사업과의 차별성 확보 방안 ······································································· 41

7.3 사업추진 전략 체계도 ························································································· 43

7.4 중점추진 분야의 도출 ························································································· 45

7.5 사업의 구성 ··········································································································· 47

제 8 장 사업추진의 시의성 및 적절성 ·········································· 48 8.1 사업추진의 시의성 ······························································································· 48

8.2 정부지원의 필요성 ································································································· 48

8.3 상위계획과의 부합성 ··························································································· 49

8.4 기존 사업과의 차별성 ························································································· 49

제 9 장 소요예산 및 파급효과 ························································ 50 9.1 소요예산 ················································································································· 50

9.2 R&D 투자 파급효과 분석 ··················································································· 51

- 6 -

PART II. 기술분야 세부 R&D 기획

제 1 장 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술

················································································································ 79

1. 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술의 미래상 ····· 79

1.1 미래전망 시나리오 ······························································································ 79

1.2 시장규모 및 전망 ································································································· 82

1.3 사업 개요: 사업의 정의 및 범위 ······································································ 87

1.4 사업추진의 필요성 ······························································································· 88

1.5 국내외 주요 R&D 정책 ······················································································· 91

1.6 기술개발 동향 ······································································································· 95

2. 기술의 구조 ···································································································· 100

2.1 기술체계도 ············································································································ 100

2.2 기술수준 및 도전과제 ························································································ 101

3. R&D 수준 전략 및 내용 ············································································· 111

3.1 기술개발 목표 및 추진전략 ·············································································· 111

3.2 연구추진체계 ········································································································ 123

3.3 분야별 주요내용 ·································································································· 123

3.4 연구개발 기획 로드맵 ························································································ 128

3.5 파급효과 ················································································································ 131

제 2 장 지속가능형 그린 나노포토닉스 소자 기술 ··················· 137

1. 지속가능형 그린 나노포토닉스 기술의 미래상 ······································ 137

1.1 미래전망 시나리오 ······························································································ 137

1.2 시장규모 및 전망 ································································································ 138

1.3 사업 개요: 사업의 정의 및 범위 ····································································· 140

1.4 사업추진의 필요성 ······························································································ 141

1.5 국내외 주요 R&D 정책 ······················································································ 147

1.6 기술개발 동향 ······································································································ 149

- 7 -

2. 기술의 구조 ···································································································· 159

2.1 기술체계도 ············································································································ 159

2.2 기술수준 및 도전과제 ························································································ 160

3. R&D 수준 전략 및 내용 ············································································· 164

3.1 기술개발 목표 및 추진전략 ·············································································· 164

3.2 연구추진체계 ········································································································ 171

3.3 분야별 주요내용 ·································································································· 172

3.4 연구개발 기획 로드맵 ························································································ 179

3.5 파급효과 ················································································································ 181

제 3 장 질병극복을 위한 나노포토닉스 제어 기술 ··················· 185

1. 질병극복을 위한 나노포토닉스 제어 기술의 미래상 ···························· 185

1.1 미래전망 시나리오 ······························································································ 185

1.2 시장규모 및 전망 ································································································ 187

1.3 사업 개요: 사업의 정의 및 범위 ····································································· 194

1.4 사업추진의 필요성 ······························································································ 195

1.5 국내외 주요 R&D 정책 ······················································································ 199

1.6 기술개발 동향 ······································································································ 201

2. 기술의 구조 ···································································································· 212

2.1 기술체계도 ············································································································ 212

2.2 기술수준 및 도전과제 ························································································ 213

3. R&D 수준 전략 및 내용 ············································································· 217

3.1 기술개발 목표 및 추진전략 ·············································································· 217

3.2 연구추진체계 ········································································································ 223

3.3 분야별 주요내용 ·································································································· 225

3.4 연구개발 기획 로드맵 ························································································ 231

3.5 파급효과 ················································································································ 231

제 4 장 중소형 과제 평가 결과 및 RFP ······································ 235

- 8 -

1. 평가결과 ·········································································································· 235

1.1 IT 분야 ··················································································································· 235

1.2 GT 분야 ················································································································· 236

1.3 BT 분야 ·················································································································· 237

2. 과제제안요청서 ······························································································ 238

- 1 -

Part I. Neo LIGHT 시대 구현을 위한 나노포토닉스 융합

기술사업 R&D 기획

제 1 장 사업개요

1.1 사업개념 및 목표

o 사업명: Neo LIGHT 시대 구현을 위한 나노포토닉스 융합기술

(Nanophotonics Convergence Technology for Neo LIGHT Era)

o 나노포토닉스 기술은 기존 전자 전송, 저장 등으로 구현된 디지털 혁명이

한계에 다다름에 따라 한계를 뛰어넘기 위한 새로운 패러다임의 기술

기존기술나노포토닉스 기술

비 고

컴퓨팅 속도 1ns 1ps예) THz급 통신, 계산 능력의 컴퓨터

등장

전력 손실 ㎽㎼예) 그래핀기반 나노레이저, Electrode free 광소자 등장

에너지 효율향상

100 % 190 %예) Efficacy 이론 한계 상향: 260

lm/W에서 400 lm/W인체 내 진단영상 분해능

10 μm 10 nm예) 나노포토닉스 생체적합 조영 나노

입자, 회절한계극복 광소자

o Neo LIGHT (New Life by Information, Green and Human Technology) 시

대는 자연광을 활용한 초기 독점적 정보시대의 한계를 극복하는 새로운 광

기술 (new light technologies, new photonics technologies)의 개발을 통해

인간 중심의 IT, GT, BT 신기술을 포토닉스 플랫폼 상에 구현하는 미래 국가

정보, 에너지, 건강 인프라를 구축함으로써 사회 구성원들의 편리한 삶, 쾌

적한 삶, 건강한 삶이 보장되는 시대.

o Neo (Happy, BIG) LIGHT-나노포토닉스 융합기술은 기존기술의 한계극복을

위한 신개념 광기술을 IT, BT, GT 기술과 융합하여 스마트 (Smart)한 환경에

서, 건강한 (Well-Being) 삶을, 지속가능 (Sustainable)하게 만드는 기술을 의

미

- 2 -

그림 1. Neo Light 시대 구현을 위한 인간중심 나노포토닉스 융합기술 개념도

o (IT관점) Neo (Happy, BIG) LIGHT-나노포토닉스 융합기술은 기존 레이저의

개발과 더불어 시작된 정보활용의 시대에서 언제 어디서나 자유롭고 편리하

게 저전력, 초소형, 초고속 대용량으로 인간중심의 정보를 처리하고, 전달하

는 정보공유의 시대를 여는 한계돌파적 (breakthrough) NIBT 융합 기술임

그림 2. Neo Light에 의한 정보활용 한계의 돌파 개념

- 3 -

o (GT관점)Neo (Happy BIG) LIGHT-나노포토닉스 융합기술은 기하급수적으로

증가하는 화석에너지 고갈, 환경 오염 등 미래사회의 당면문제를 해결하고

새로운 산업을 창출할 수 있는 파급효과가 큰 융합 기술임

그림 3. IT, BT, GT 분야의 현안과 해결방안

o (BT관점)Neo (Happy,BIG) LIGHT-나노포토닉스 융합기술은 고령화 등에 따른

인간의 건강한 삶 증대를 위해 그동안 진단할 수 없었던 질병 질환 등을 광

기술과 BT기술과의 융합을 통해 실현하고자 하는 기술

그림 4. Neo Light에 의한 질병극복 개념

- 4 -

o (기반원천기술관점) Neo (Happy, BIG) LIGHT-나노광 (나노포토닉스) 융합기

술은 극한 공간 크기, 극한 시간 크기, 극한 에너지 크기, 극한 매질 특성

등 기존 coherent 광의 특성을 극한으로 추구하여 새로운 자연현상의 이해

및 이를 통한 원천기술을 확보할 수 있는 미래 국가 경쟁력 기술임

그림 5. Neo Light를 통한 극한 기술 예

1.2 사업의 철학

스마트(Smart) 환경에서 지속가능 (Sustainable)한

건강한 (Well-Being) 삶 구현

목 표(2012~2021)

❶ 저전력, 초소형, 초고속 대용량 정보 처리·전달로 인간중심의 정보공유

시대 실현

❷ 화석에너지 고갈, 환경오염 등 미래사회의 당면문제를 새로운 개념으로

해결하고 새로운 산업을 창출

❸ 그동안 진단할 수 없었던 질병 질환 등을 광기술과 BT기술과의 융합을

통해 구현하여 인간의 건강한 삶 증대 실현

추 진 전 략

창의성

(원천기술 창출)

융합성

(나노기반 BIG 융합)

혁신성

(패러다임 전환)

연계성

(기반-목적 연계)

추 진 방 법

< 연구단 중심의 기반(supply)-목적(mission) 연계형 융합연구 >

▣ 목적형

(포토닉스+IT,BT,GT) - 나노포토닉스 기술의 IT,BT,GT와의 융합 연구

▣ 기반형

(원천 기반 기술) - 전분야에 공통으로 기여할 나노포토닉스 기반기술

- 6 -

1.3 미래전망 시나리오

o 정보의 공유시대에서 정보의 생성시대로

- 최근에 들어 각 개인이 일방적으로 정보를 받는 입장에서 트위터 및 페이

스북 등과 같이 각 개개인에 의하여 정보를 생성하는 시대가 시작되었으

며, 이에 따라 미래에는 개개인에 의한 막대한 정보생성에 의하여 정보량

이 기하급수적으로 늘어날 것임,

※ 2007년 Business Week지에 따르면 일방적으로 데이터를 받는 입장에서 인간이 정보를 생

성하는 주체로 개념의 패러다임이 변화하기 시작하였으며 기술의 발전은 실시간, 광대역,

유무선 통합, 인간에 무해하고 편리한 정보 활용의 시대를 구축할 것이라고 예측함.

※ 전 세계 IP 트래픽은 2008년 월 10 Exabytes1) 에서 2012년 월 42 Exabytes로 약 4배 증

가할 것으로 예상되며, 연평균 40%의 증가율을 보일 것으로 예측되고 있음 (Cisco, 2009).

그림 6. 전세계 IP트래픽 발전 전망 및 음성 및 데이터 트래픽 변화 추이 예측

- 폭발적인 트래픽 량 증가로 현재의 기술인 O-E (Optical-Electrical ?) 변환

방식에 따른 네트워크에서 소비되는 전력량이 기하급수적으로 증가하여

세계 소비 전력의 상당 부분을 차지할 것으로 분석됨

※ 기존 1.2Tbps 용 전력 소모량이 15kW 수준으로 신규로 건설 중인 구글 데이터 센터 전

력 소모량은 100MW 이상이 소모가 예상되고 국내 원전 평균 발전량이 800MW 수준임을

고려할 때 O-E 변환 방식의 비효율 해결은 국가적으로 대처해야 할 아젠다임.

1 ) Exab yte : 10 18 b y te

- 7 -

그림 7. 구글 데이터 센터 건설 개념도

o 신기술에 의한 스마트 그린사회의 지속 성장

- 지구 에너지 자원 고갈은 기근, 질병, 식수 등과 함께 미래 인류가 당면할

문제 중 가장 확실하고, 중요한 이슈 중 하나이며 이를 해결하기 위하여

지금까지 시도된 방식을 탈피한 새로운 방식을 적용하여 기존 이론치의

성능 한계를 돌파하고 이를 통하여 그린산업이 지속적으로 성장될 것으로

전망됨.

- 그린소자의 대표주자격인 LED 및 태양전지의 경우 지향해왔던 저가 및 효

율 향상 외에 신기능성 부가를 통한 스마트 그린사회의 지속 성장이 전망

됨.

MQW 구조 LED

이론 한계 돌파 LED (예)

그림 8. 이론 한계 돌파 그린소자 및 신기능에 의한

스마트 그린사회의 지속적 성장

- 8 -

o 창조적 융합 연구의 활성화 및 개인 맞춤형 바이오 의학 분야의 급성장

- 나노미터 크기의 다양한 물질의 제작 공정 기술과 이를 통해 만들어진 나

노 구조물과 빛의 상호 작용의 효과적인 응용을 통해서, 기존 단일 나노

기술, 포토닉스 기술로는 상상할 수 없었던 다양한 응용 가능. 특히, 나노

물질을 사용한 생체 이미징, 광 조작 기술 등을 통해서, 생물학, 화학, 의

학 발전에 기여할 혁신적인 방법들이 대거 출현하여 관련 연구분야에 획

기적인 전환점이 예상되고, 나노미터 스케일에서 발생하는 전자기적인 새

로운 특성을 이용하는 새로운 의료용 진단 및 영상기술의 개발이 이루어

지고, 액체 상태의 생체 물질 뿐만 아니라 고체 상태의 조직 단위에도 분

석을 수행할 수 있는 1회용의 휴대형 분석키트와 고감도 장비, 대용량 처

리를 위한 장비 등으로의 개발이 진행될 것이다.

※ 새로운 방법론이 개발 될 때 마다 생물, 화학, 의학 분야 지식의 수준이 도약하였음 (예,

광학 현미경, 분광학 기술, 형광 단백질 등). 나노-포토닉스의 융합은 이러한 기술의 도약

과정을 가속화 시킬 것으로 기대 됨.

그림 9. 질병극복을 위한 나노 포토닉스 제어 기술 미래 상

- 9 -

- 또한 생체적합 나노재료를 사용한 환자 이식형 생체 정보 측정 및 감지

기술이 개발되고 IT 기술과 융합되어 개별 환자의 종합적인 맞춤형 건강

관리가 이루어 질 것으로 기대됨. 이는 미래 의료 기술의 발전 방향으로

제시되고 있는 4P (personalized, predictive, preventive, participatory) 의

료 기술의 기반이 될 것임.

1.4 사업내용

o 미래전망 시나리오에 따라 광범위한 나노포토닉스 기술 중 미래사회에 기여할

수 있는 목적 지향적이며, 핵심 원천기술의 확보가 가능한 사업으로서 각

분야 전문가와의 기획회의 및 수요조사, 시급성 및 파급성을 고려해서 아래

의 3대 연구분야를 선정

1. 미래 정보사회를 위한 인간친화형 나노포토닉스 개발

- 단위소자 복합체가 한 개의 다기능 시스템 기능을 제공하며, 언제 어디서

나 실시간으로 인간중심의 통합 정보를 활용하기 위한 고출력, 초고속, 고

집적, 다기능 나노포토닉스 소재 소자

2. 지속가능형 그린 나노포토닉스 소자 개발

- 그린사회의 지속성장을 위하여 기존 연구의 틀을 탈피한 복합나노구조 기

반의 새로운 연구 틀에서 이론적 한계치가 상향조정되고, 새로운 응용성이

부여된 스마트 그린나노포토닉스 소자

3. 질병 극복을 위한 나노포토닉스 제어 기술

- 인간 질병의 규명, 진단, 치료를 획기적으로 향상시키기 위한 나노 포토닉

스 융합 기술로서, 광학 또는 나노 재료를 독립적으로 사용하던 기존 생물

/의료용 기술의 한계를 돌파하기 위한 나노 포토닉스 기반의 초고속 초고

해상도 영상 기술, 초고감도 감지 기술, 초정밀 생체 단일 분자 조작 기술

1.5 시장규모 및 전망

o 본 사업을 통해서 개발될 나노기반 IT, GT, BT 융합 기술은 각각 미래 정보

사회, 미래 그린사회, 미래 바이오사회에 지대한 영향을 미칠 것이나 그 응

용 분야가 다양하여 시장규모를 예측하기엔 한계가 있으나 아래와 같이 몇

몇 중요한 응용분야를 고려할 때 그 규모는 한 국가의 산업을 좌우할 크기

일 것으로 판단됨.

- 10 -

o 이트레이드증권 리서치센터 (2010. 2)에 의하면 기존 스마트폰 산업은 2009

년도에 2.25억대 (약 112.5조원)에서 2013년도에 5.08억대 (약 254조원)에

이를 것이라는 전망을 근거로 할 때 본 사업을 통해서 개발된 IT, GT 기술

의 응용분야로 예상되는 IT/GT 융합형 스마트폰의 시장은 2021년도에 약

10.7억대 (약 537조원)에 이를 것으로 전망됨

그림 10. 전세계 스마트폰 시장 전망 (이트레이드증권 리서치센터, 2010. 2)

o 미래 정보사회를 위한 나노포토닉스 기반 고속, 광대역, 저전력 구동 광인터

커넥션 기술을 성공적으로 개발하였을 때 10년 내에 단기적으로 적용할 수

있는 주요 시장은 급격히 증가 할 것으로 예측됨

- 전자부품, memory/CPU 칩, 컴퓨터 등 전반이 광 인터페이스형으로 전환

이 가능하며 이 경우 2,500억불/년 이상 규모의 새로운 전자부품, 소재, 시

스템 시장을 창출

- Memory/CPU 광 인터페이스 기술은 향후 5년 이내에 1,000억불을 넘는

5GHz급 이상의 메모리/MPU 칩 시장에 확산. 포토닉 인터페이스 적용을

국내 반도체 산업이 CPU 시장까지 진출 가능

- Rack base interconnection에서는 2015년까지 35억불$ 새로운 시장이 창

출이 전망됨. 이 분야에서 단연 두각의 나타내는 IBM, Avago에서 향후

copper 기반의 interconnection을 대체하는 것을 목표로 많은 투자를 진행

중이고 기술의 발전이 초기 보드 간에서 칩간 기술 나아가 칩내 인터커넥

- 11 -

션 기술이 완성된다면 혁신적인 슈퍼 컴퓨팅 분야의 발전이 예상됨

그림 11. 전체 광인터커넥션 시장 예측, CIR Copm. 200X

- 무안경 3D vision, UHD vision, PC 주변기기, 통신기기 등에 광 interface

기술 적용으로 단기적으로 2015년 80억불 이상 규모의 시장 형성이 예상

됨

- 이외 나노포토닉스 기반 photon-interfaced 기술로 단기적, 중장기적으로

시장을 창출할 수 있는 산업 분야는 다음과 같음

그림 12. 나노포토닉스 기반 시장 창출이 가능한 산업 분야

o 지속가능형 그린 나노포토닉스소자의 대표주자인 LED 및 태양전지의 시장

은 중 나노기술 개발을 통한 에너지절감 및 효율향상 시장은 2011년 현재

20조원, 2014년에는 65조원의 시장을 형성할 것으로 예측됨. (Cientifica

2007).

- 12 -

구분 2005 2008 2010 2012(e) 2015(e) CAGR

LED광소자 3,970 5,190 6,850 11,510 20,000 17.6%

LED응용/융합기기 12,260 13,000 16,130 22,620 42,000 13.1%

LED 조명기기 1,370 3,560 9,440 20,500 38,000 39.4%

합계 17,600 21,750 32,420 54,630 100,000 19.0%

그림 13. 나노기술을 통한 에너지절감 및 효율향상 시장

[출처: World market evolution for nanotechnology applications

in the energysector (Cientifica 2007)]

- Helmut Kaiser Consultancy (HKC)에서는 나노융합기술을 사용한 청정에너

지 시장이 2005년에 150조원, 120만개의 일자리를 창출하였고, 2010년에

는 293조원, 2015년도엔 490조원에 이를 것이며 300만개의 일자리를 창

출할 것으로 예측함.

- 광원 시장은 현재 LED를 중심으로 이루어져 있으며, 세계 LED 시장 규모

는 2008년 218억달러 규모에서 2012년에는 546억달러 규모로 성장하다가

2015년에는 1 ,000억달러 규모에 달할 것으로 전망된다.

<LED 세계 시장 규모>

(단위 : 백만달러)

<자료 : 한국광기술원(2008.4), 반도체 조명 (LED) 현황분석 , KETI 2009>

o 나노포토닉스 기술이 적용된 바이오-의료 분야의 시장규모는 조사된 바 없

으나, 나노포토닉스 기술은 앞서 전망한 바와 같이 나노기술에 기반한 미래

의료 분야에서 특히 진단 및 이미징, 생체 내 제어분야의 핵심 응용기술로

서 각 제품에 융합되어 사용됨으로써 전체 시장규모에서 상당 부분을 차지

할 것으로 예상됨.

- 13 -

- 현재 나노기술에 기반한 의료분야의 제품시장은 최대 매년 48%씩 성장하

는 것으로 추정되고 있음. 2009년 기준, 미국 시장은 47억달러, 유럽 시장

은 36억달러로 추정되고 있음.

- 나노기술 의료분야에서 현재 가장 큰 부분을 차지하는 나노약물전달체 제

품의 시장규모는 2009년에서 2014년 사이 연간 21% 성장하여, 2014년에

는 160억달러에 도달할 것으로 예상됨.

- 2009년에서 2014년 사이 생체적합 이식형 나노재료는 42%, 나노진단기술

은 22%씩 각각 성장할 것으로 기대되며, 향후 나노기술 의료분야에서 그

비중을 확대할 것으로 예상됨.

- 14 -

제 2 장 추진배경 및 필요성

2.1 추진배경

o 세계 선진국은 과학적 한계 극복을 위해 새로운 영역의 연구를 지속적으로

수행하여 원천기술을 확보하여 기술적 우위를 선점

- 산업 혁명, 디지털 혁명 등의 근간은 기계, 전자(반도체)기술의 등장이라는

새로운 패러다임으로의 접근이 가져온 결과

o 선진국은 그간의 기술적 우위를 바탕으로 새로운 패러다임을 예상하고 이의

선점을 위해 적극 투자

- 우리나라도 catch-up 전략에서 벗어나 과거 G7사업의 성공사례 (반도체

등)를 거울삼아 미래 패러다임의 예측을 통해 단일 목적 지향적 사업 발굴

이 필요한 상황

o 빛을 정보처리, 클린 에너지원 등으로 활용할 경우, 저전력, 초고속, 무한 에

너지원 확보 등의 관점에서 매우 유용한 기술로 알려져 왔으나

- 기술의 한계 등으로 인해 과거 집중 투자가 이루어지지 않고 있다가, 기술

의 발전, 실리콘 기술의 한계 봉착, 에너지원 고갈 등으로 인해 다시 새로

운 미래 신기술로 세계적으로 부각

o 광전자 소자의 경우만 고려하더라도 전 세계 시장에서 향후 10년간

(2010-2020) 꾸준히 성장하여 1.3조 달러를 상회하는 수익을 창출할 것으로

기대됨 (OIDA forecast).

- FPD, HB LED, Laser, optical communications, optoelectric transcievers,

solar, computing/processing, medical care, and consumer displays/TVs

o 포토닉스 분야 최대 규모 학술회의인 Photonics West 2007(미국 캘리포니

아주 San Jose 2007,1.20~25)에서 행사 마지막에 “나노포토닉스 로드맵 건

설”이란 워크샵 진행. 3개 대륙 참가(유럽,아시아,미국), 전자-광자공학 융합,

국제협력, 시장문제, 생산기술로의 업스케일링 등의 주제로 토론.

- 15 -

2.2 필요성

o 그간 전자가 거의 모든 정보전송, 에너지 등으로 활용되는 근원이었으나 속

도, 에너지 등의 한계에 봉착함에 따라 광(빛)이 새로운 매개체로 등장할 것

으로 예상

o 글로벌 시장에서 나노포토닉스는 학제간, 타 분야와의 협력, 융합을 통해 새

로운 기술 및 수익 창출, 신산업 창출은 물론 바이오, 환경, 건강, 복지, 에

너지 등 여러 분야에 걸쳐 활용될 주요기술로 각광

- 세계기술평가센터(World tech. Evaluation Center, WTEC)는 “2010년 사회적

요구에 나노기술 연구 방향 회고 및 개요“라는 보고서를 통해 나노포토닉스

의 용도와 전망을 내놓고 활발히 투자 중

o 우리나라도 강점을 지닌 나노기술, 등을 바탕으로 IT, BT, GT 등과 융합이라

는 고유의 방법을 통해 신기술을 선점할 경우 새로운 광(빛)의 시대에서의

기술 선점이 가능

- 기존의 통신, 컴퓨팅, 의료, 에너지 등의 패러다임이 바뀔 것을 대비하여 융

합광기술 개발 및 이를 IT, BT, ET등과 융합한 활용을 타겟으로 단일R&D

프로그램으로 추진할 필요

2.3 계획 수립 근거

o 국가연구개발사업 중장기 발전전략 (2008. 7)의 국가 중점육성기술 50개 분

야인 차세대 디스플레이, 신재생 에너지 기술 등

o 『NBIC 융합기술지도』(2010. 9)의 정보통신분야 융합 LED내의 나노 포토닉

스. 정보통신 단말용 광소자, 플렉서블 LED 등

o 『선진일류국가를 향한 이명박 정부의 과학기술기본계획 (안)』 (2008. 8. 12,

국과위)의 기초․원천연구 진흥, 과학기술 국제화, 글로벌 이슈 대응 등

o 범부처 차원의 『녹색기술 연구개발 종합대책』 (2009. 1. 13, 국가위)

o 신성장 동력 (신소재․나노융합) 세부추진 계획 확정 (2009. 5)

o 부품․소재 산업 경쟁력 향상을 위한 효율적 R&D 투자 방향 (2009. 8. 19,

국가위)

- 16 -

2.4 그간의 추진 경위

단계 주요내용

과거 기획연구 성과계승

○ 나노포토닉스 기술 로드맵 수립 연구

▼

기획을 위한 위원회구성․운영

○ 자문위원회- 원로급 전문가 4명(산·학·연 및 정책전문가)

○ 세부기획위원회- 4개 분야, 기술전문가 25 명

▼

후보과제 POOL구성(97개)

○ 산학연 전문가를 대상으로 수요조사 실시- 97개 기술제안서 접수

▼

세부기획 분야 선정○ 기반기술, IT·BT·GT와의 융합 분과 등 총 4개 분야

- 사업취지와의 부합성 및 유사기술 그룹핑을 통하여20 개 과제로 통합․선정

▼

분야별 세부기획○ 분야별 세부기획위원회 구성․운영

- 3개 과제 세부기획서 초안 완성

▼

사업 추진우선순위 평가

○ 자문위원 평가를 통하여 사업추진 우선순위 평가- 사업목적과의 부합성, 기술의 중요성, 세부기획의

우수성 등

- 17 -

제 3 장 대내외 여건 변화

o 나노포토닉스 기술은 전자를 매개체로 하는 정보통신, 전자공학 등의 IT, 에

너지 및 인체측정 등의 기술을 광(빛)을 기반으로 패러다임을 전환하는 기

술로

- 현재 진행 중인 광관련 기술을 혁신적으로 발전시키고

- 이를 IT와 융합하여 전송, 저장 등의 방식에 광(빛)을 활용하므로서 기존

전자 매개체의 한계인 속도, 전력 등을 획기적으로 개선하고

- GT와 융합하여 현재 세계적 문제인 에너지 고갈 문제 등을 개선하며

- BT와 융합하여 기존에 측정할 수 없었던 진단 등에 활용하여 인간의 건강

한 삶에 기여

(표) 나노포토닉스기술에 영향을 주는 요인

분야 변화요인

정치

○ 선진국의 기술 선점에 따른 무기화

○ 중국 등 후발국의 추격 가속화

○ 탄소배출권 거래 등에 따른 국제 규제 심화

산업경제

○ 대기업-완제품 위주의 성장

○ 광기술 등 요소기술 부재로 인한 기술무역 역조 심화

○ IT기업의 에너지·바이오 융합, 신시장 진출 가속화

과학기술

○ 전자기반 산업 기술의 한계 봉착이 시작

○ 융합기술 등 혁신형 와해성 기술의 필요성 부각

○ 나노기술의 저변 확대로 융합의 근간기술로 성장

환경

○ 글로벌화·지능화의 기속화(스마트폰 등)

○ 환경오염과 지구온난화

○ 삶의 질 향상에 대한 국민의 니즈 증가

- 18 -

3.1 정치적 환경

o 선진국은 오랜 기간 축척해온 과학기술적 우위를 근간으로 기술 선점에 따

른 무기화를 위해 노력 중

- 특허 선점 등을 통한 기술무역 시장을 공고히 하여 기술무역 수지 흑자폭

을 넓히고 있으며, 탄소배출권 거래 등에 따른 국제 규제 심화

- 세계가 하나로 통하는 글로벌화로 인해 기술적 우위를 선점한 글로벌 기

업의 승자독식 체계 가속화

o 중국, 인도 등 신흥후발국의 추격 가속화가 시작됨에 따라 가격경쟁력 등에

서 우리나라가 경쟁력을 잃어가는 상황

- 선진국과 신흥후발국 사이에서 자칫 우리나라가 넛크래커 상황이 전개될

우려

※ 2000년 미국의 NNI(National Nanotechnology Initiative) 선언을 시작으로 세계

거의 모든 나라들이 나노기술 개발에 참여를 하고 있고 그 나라의 사회, 경제,

과학 기술적 여건을 감안한 나노기술 개발 전략을 수립하고 기술개발을 지원하

고 있으며 더 많은 국가들이 경쟁에 가세하고 있음

※ 우리나라 역시 2001년 국가 나노기술종합 발전계획을 수립하고 나노기술 개발을

적극적으로 추진하여 투자 규모를 점진적으로 늘려가고 있으나 나노기술 개발에

대한 주요 국가들의 최근의 투자 규모를 보면 아직 독일, 중국에도 미치지 못하

는 수준에 머무르고 있음

그림 14. 나노기술 개발을 위한 투자 추이(출처: cientifica 2008)

- 19 -

3.2 산업경제적 환경

o 우리나라는 단기간 경제성장을 이룩하였으나 대기업-완제품 위주의 성장전

략으로 인해 광기술 등 요소기술 부재로 인한 기술무역 역조 심화

- 중소기업, 혁신벤처기업 등의 발전이 미약하여 다양화되는 기술품목에서

기술적 우위를 선점하기 어려운 구조

o 국민생활의 선진화로 인해 기술선도형 산업구조 뿐 아니라 사회니즈형 사업

구조의 필요성이 점차진행되는 상황

- IT대기업의 에너지·바이오 융합 가속화를 통해 새로운 신시장 진출을 모색

하고 있는 상황

3.3 과학기술적 환경

o 우리나라는 IT, 자동차, 조선 등의 산업경쟁력에서 우위를 점하고 있으나 과

학기술적 측면에서 선진국의 기술에 아직도 부족한 상황

- 특히 IT 등에 있어 전자기반 산업 기술의 한계 봉착이 시작됨에 따라 기

존의 한계 극복을 위한 대체기술인 광기술 등에 대한 기초체력이 부족

o 과학기술적 한계극복과 새로운 패러다임을 제시할 방향으로 융합기술이 부

각되어 정부R&D 등에서 많은 투자의 가속화

- IT기술 뿐 아니라 NT기술 또한 기술의 발전으로 인해 융합의 기반기술로

자리매김함에 따라 융합의 가속화가 진행될 것으로 예상

3.4 환경적 측면

o 스마트폰 등에서 알 수 있듯이 과 글로벌화·지능화의 기속화가 이루어지고

있으며 혁신적 제품의 파급력이 커지고 있는 상황

- 스마트폰 앱 등에서 알 수 있듯이 고객(국민)의 니즈가 기술·산업 발전의

원동력이 되어가고 있어 수요지향적 기술이 필요한 상황

o 세계 및 우리나라 국민의 관심사가 점차 삶의 질에 관련된 요구로 전환됨에

따라 건강 등에 대한 요구가 증대

- 환경오염과 지구온난화에 따른 사회적 요구도 점차 증가하는 추세

※ 현재 IT 기기 CO2 배출 중 컴퓨터 기기가 62%를 차지하므로, 광인터페이스 적

용시 컴퓨터의 소비전력 감소로 CO2 배출량을 격감시킬 수 있음.

- 20 -

※ Google data center 1개소의 전력 소비량이 100MWh로 고리원자력발전소의

1/10 수준이므로, IT 기기의 전력사용량의 비중이 매우 큰데, 광인터커넥션 기술

적용으로 수백분의 1 이하로 소비전력을 줄일 수 있음.

※ 기존 전기적 배선에 사용되는 Pb (납), Cu 등 유해금속과 금속 식각/도금용 유해

화화학물질을 대폭 줄일 수 있으므로, 혁신적인 친환경 산업으로 전환시킬 수 있

음.

- 21 -

제 4 장 우리의 현주소

4.1 나노포토닉스 분야 R&D 투자현황의 문제점

o 현재 나노포토닉스관련 사업은 주로 B/U형태의 사업에서 산발적으로 추진

중이며 기반기술 확보와 IT, GT, BT 등과의 융합을 통해 공통의 목적 달성

과 산업 전방위에 기여할 원천기술 확보을 타겟으로 하는 사업은 없음

o 교과부에서 추진 중인 기초연구사업 내 소규모과제에서 일부 관련 과제를

추진 중이나 사업레벨에서 전략적으로 추진되지 않는 상황

- 구조성장 등의 관점에서 광결정 구조, 양자점 구조 형성을 위한 소규모과

제가 진행 중

- 목적적 관점에서 태양전지, LED 등 일부 녹색기술로의 활용을 목표로 진

행되고 있는 상황

o 지경부에서도 일부 소규모 관련 과제를 추진 중이나 다양한 사업* 내에서

동일 목적 내에 진행되지 않고 있는 상황

※ 산업원천기술개발사업 내 여러 분야(전자정보디바이스, 천전제조 등), 에너지기술

개발사업, 국제공동연구 등 다양한 사업 내에서 분산 투자

- 타부처 사업으로 진행되는 과제는 전무한 상황

o 나노포토닉스 분야는 광결정, 양자점 구조 성장, 플라즈모닉스 등 기반기술

에서 정보통신, 태양전지, LED 등으로의 활용에 있어서까지 전주기적 기술

의 관리와 성과 공유가 꼭 필요한 상황

- 소규모과제가 산발적으로 진행됨에 따라 성과연계 등이 이루어지지 않아

미래 새로운 패러다임에 대한 기술적 대비가 어려운 상황

o 정부의 2010년도 나노기술발전시행계획에 의하면, 2006-2008년도 사이에

나노전자소자 및 시스템은 나노기술 전 분야 투자비용의 약 18% 였으며,

나노전자소자 및 시스템 분야 중 나노포토닉스 분야에 대한 투자 또한 18%

정도여도 나노기술 전 분야의 투자비용에 비하여 나노포토닉스에 대한 투자

비용은 약 3%에 불과함.

- 22 -

그림 15. 나노포토닉스 투자 현황 <출처: 2010년도 나노기술발전시행계획>

4.2 나노포토닉스 R&D 정책의 당면과제

o 나노포토닉스 기술은 전자기반 산업의 한계를 극복할 대안으로 IT 뿐만 아

니라 GT, BT분야와도 연관성이 큰 분야이나

- 전략적으로 큰 정책적 그림이 부재할 뿐만 아니라, 이를 한틀에서 추진할

수 있는 사업이 없어 국가차원의 목적 달성을 위한 기술적 성과계승 등이

부재한 상황

o 기존의 전자기반 기술개발 전략을 혁신적으로 개선하기 위해 Top-Down의

관점에서 목적달성에 필요한 기반기술에서부터 전략적 기획이 필요

- 또한 사회적 니즈의 반영 등을 통해 전략 분야를 발굴하고 IT, 그린, 바이

오 등과의 기술적 융합 방안을 기획할 필요

- 23 -

제 5장 해외 선진국의 정책 동향

5.1 미국의 나노포토닉스 연구지원

o NNI (National Nanotechnology Initiative)는 2010년과 비슷하게 2011년도에

도 약 18억달러의 예산을 청구한 상태이며 기초 R&D의 진보와 역량으로부

터 지속 가능한 에너지 기술, 의료보건, 환경보호 등과 같은 국가적 우선순

위 부분의 투자가 지속적으로 확대되고 있음.

- 태양에너지에 대한 나노기술의 활용 관련 DOE, NIST, NSF, DOD, DNI,

USDA/NIFA 등의 기관에서 총 51 M$를 투자할 예정임.

- 나노포토닉스 기술을 이용, 타 산업과의 시너지 효과가 발생하여 새로운

일자리 창출 할 것으로 기대함.

o NSF는 2011년 제 1 목표달성을 위해 만든 새로운 프로그램으로 5개 프로

그램 중 "Nanotechnology for Solar Energy Collection and Conversion"를

운영하고 있음.

o IBM은 전자를 이용한 CMOS 한계를 극복 할 대안으로 빛을 이용한 CMOS

개발에 착수, CISN (CMOS Integrated Silicon Nanophotonics) 기술이라 명명.

o 미 에너지국 (Department of Energy, DOE)은 “National Photovoltaic

Program"으로 연방 태양광 산업을 이끌고 있음. National Center for

Photovoltaic, cumulative shipment 등은 국가 연구소들, 산업, 학교 등과 연

계하여 프로그램을 수행. 가격효율, 성능, 생산품의 신뢰성 등 향상을 목표

로 함.

o HELIOS 프로젝트: 태양광 에너지를 이용하여 가능한 신재생 수송 연료의 형

태로 변환하여 저장하는 방법을 개발하기 위해 설립된 프로젝트. 조류

(algae)를 이용하여 생물자원(biomass)으로부터 바이오연료를 추출하고, 태

양에너지를 이용하여 물과 이산화탄소를 연료로 직접 전환하는 연구에 투

자. LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory), SERC, JBEI, EBI 등의 기

관이 참여. 나노과학, 생물학, 화학, 지구과학, ALS, EETD, JGI, NCEM, 에너

지 공학 등 다양한 분야와의 결합을 통해 고효율과 저비용을 실현하기 위한

프로젝트 가동. 특히 나노스케일 합성 및 조합 방법은 태양에너지 변환, 고

효율 발광, 수송에 효율을 높일 더 가볍고 강한 물질 개발, 화학적·생물학적

감지 등에 중대한 향상을 가져올 것으로 예상.

- 24 -

5.2 유럽의 나노포토닉스 연구지원

o PhOREMOST (The EU Network of Excellence on nanophotonics) : 2005년

유럽위원회 (European commission)의 지원을 받아 MONA (Merging Optics

and NAnotechnologies)라 불리는 컨소시엄이 개최되었고, 나노포토닉스에

대한 유럽 로드맵을 작성하여 미래에 출현 할 수 있는 세부적인 산업들에

대한 밑그림을 작성.

o 유럽위원회는 2009년 산업발전을 보조할 다목적 기술을 "Key Enabling

Technology (KET)"라 정의하고 포토닉스와 나노기술, 첨단소재(advanced

materials) 등을 포함시킴.

o 유럽 위원회는 2007년 11월 유럽 태양전지(PV) 산업을 규정하기 위해 Solar

Europe Initiative (SEI) 설정을 포함하는 Strategic Energy Technology (SET)

를 제안. SEI는 2020년까지 유럽 전력 소모량의 12%까지 태양에너지로 대

체생산을 목표.

o ETP 산하 Energy 부문 PVs plan은 2005년 VP 활성화를 위한 “A Vision for

Photovoltaic Technology"를 제안하고, 저비용, 고효율을 위한 방안 중 하나

로 나노구조 제작기술과 결합한 single crystalline and polycrystalline

semiconductor layers 제작 및 multi-junction을 언급.

o ENIAC은 나노전자공학 분문에서 관련 산업, 유럽위원회, 동분야 유럽 R&D

리더 등이 함께 구축한 공-사 파트너쉽인데 2007년 CMOS 기술 한계를 극

복하기 위한 새로운 대안 중 하나로 나노포토닉스 소자 (나노 규모의 광기

술)과 CMOS 상호 통합을 언급.

o ICT programme

- 유럽위원회 ECT 산하 ICT는 2011-2012년 관련하여 FP 예산 EUR 4200

million를 지원 받았음.

- 22011-2012년 ICT 연구 방향을 유도하기 위한 보고서에서, 나노전자공학,

다기능성 칩개발, 새로운 소재 사용, 포토닉스 부문 진보 등 각 구성요소

및 시스템 개발에서의 제 2의 경로가 기술 전반에 걸친 발전을 가져올 것

이라고 명시하고 3번째 도전과제로 전자와 포토닉스 부문, 집적 마이크로/

나노시스템, 멀티코어 연산시스템, 임베디드 시스템과 그 모니터링, 조정

및 협력 복잡계 시스템이라 제시하고 이 분야에 EUR 55million 예산 배정

- 장기적 관점에서 유럽 산업계에 이익을 줄 것으로 기대되는 와해성 광기

- 25 -

술 (Disruptive photonic technologies)에 대한 행동강령을 규정.

(Plasmonics, photonics crystal, nano-photonics, near-field effects, new

materials, etc) FP7(2011-2012)-EUR 20 million 배정

- 최신 기술을 유럽이 강점을 가지고 있는 여러 응용분야 (레이저, 기타광원,

모듈레이터, 트랜스미터, 리시버, 멀티플랙서, 광섬유 부품 등 특정한 광부

품 및 부속 시스템 등)로 확장 적용하여 진일보한 생산품을 양산할 새로운

기회를 제공하기 위한 일환으로 핵심 광기술 (core photonic

technologies)을 행동강령으로 규정. (optical data communications,

biophotonics for early, fast and reliable medical diagnosis diagnosis of

diseases, imaging and sensing for safety and security, light and

displays, photonics integration platforms) FP7(2011-2012)-EUR 79 million

예산 배정

- Flexible, Organic & Large Area Electronics(OLAE) and Photonics 에

FP7(2011-2012) EUR-50 millions 예산 배정

o European Technology Platform (ETP) Photonics21

- 2005년 유럽 경제의 경쟁력 향상을 위한 Information & Communication

Technology (ICT) sector 중 하나로, 유럽 내에서 포토닉스에 관한 단일 목

소리를 내기 위해 European photonics community를 통합하면서 ETP

Photonics21 설립. 유럽 산업계, 연구소, 대학 및 개인이 참여한 네트워크

구성 (over 1500 members). 산업과 과학, 포토닉스 R&D 정책 사이의 일

관성 및 연결 다리를 제공. 포토닉스 관련 유럽 장기 전략에 대한 공통 환

경을 정의. 2007년 포토닉스 관련 FP7 기금을 FP6 비교 50% 상승 책정하

게 함.

- ‘10년 1월 Photonics21 연차회의에서 수립한 “Second Strategic Research

Agenda (SRA) in Photonics“에서는 산업 분야에서 출현 할 최첨단 기술로

나노포토닉스 소자, 첨단 광 소재 중 하나로 메타물질 (PhC, QDs,

nanoparticles, etc)이라고 명시하고 이에 특별 전략을 수립의 중요성을 강조.

o 나노포토닉스가 가장 임팩트하게 적용될 가능성을 가진 분야가 어디인지,

나노포토닉스가 당면한 과학적·기술적 도전과제를 규정하기 위해 2010년 11

월 Nanophotonics Europe Association 조직됨.

o Disruptive nanophotonics를 통해 에너지 효율을 높이기 위한 씨앗 공동프

로젝트라는 주제로 N4E (Nanophotonics 4 Energy) Network of Excellence

가 2010년 9월 발족.

- 26 -

5.3 일본의 나노포토닉스 연구지원

o PARC (Photonics Advanced Research Center)

- 2011년 초를 목표로 Osaka Univ.의 에 5000 m2 5층 규모의 신축건물 신

설하고 laser Raman microscopy, e-beam lithography and sputter

depositio 등 최신 장비를 갖추어 nanophotonics, imaging, sensing and

biophotonics 분야 연구를 지원할 예정.

- Advanced nanophotonics and plasmonics 사이의 학제간 연구 촉진을 목

표로, Osaka 대학과 여러 협력 회사 간 협업을 바탕으로 장기에 걸친 과

학과 기술혁신을 얻을 것으로 기대됨.

o 전략적 창조연구 추진 사업(‘09)

- 일본 문무과학성은 매년 국가로서 대응이 불가결하고 사회적 파급효과가

큰 정책과제를 전략목표로 정하고 과학기술진흥기구(JST)에 의뢰, 연구영역

및 연구총괄을 설정하는데, 09년 과제 전략목표 4가지 중 하나로 “타분야

융합에 의한 자연광 에너지 변환 재료 및 이용기반기술 창출“을 설정하였

고, 2010년에 505억엔 예산을 편성함.

- 3개의 기본 연구 프로그램을 운영. Core Research for Evolution S&T

(CREST), Precursory Research for Embryonic Science and Technology

(PRESTO), Exploratory Research for Advanced Technology (ERATO)

- 이 중 PREST는 국가가 정한 전략목표의 달성을 위한 목적지향형 기초연구

를 추진하는데, 2006년부터 “Photons on soft materials" 프로그램을 운영

하야 나노와 포톤의 결합을 통해 새로운 물리 현상 연구 및 소자 효율을

증진시키는 방법을 연구함.

- ERATO는 기초연구로부터 과학기술의 seed 탐색을 목적으로 10-15년 후

새로이 나타날 신산업 창출 기대되는 영역 지원하며, 2006년부터 “Light

Energy Conversion“프로그램을 운영. 빛 에너지를 효율적으로 활용 가능한

에너지 형태로 전환하기 위한 최적의 디자인, 소재 개발, 소자 개발을 목

적으로 3가지 영역에 초점을 두어 연구 진행.

- 27 -

제 6 장 나노포토닉스 기술개발 동향

6.1 나노포토닉스 논문의 연도별 동향

o ISI 사의 논문 데이터 베이스 'Web of Science'는 1974년 이후 약 2,500만

편의 학술논문이 수록된 과학기술분야의 대표적인 데이터 베이스임. 이번

분석에서는 1991년부터 2011년 3월 현재까지 발표된 나노 포토닉스 분야의

논문 동향을 조사하였음. 논문 검색을 위해 사용된 키워드는 ‘nano

photonics' 임.

o 나노 포토닉스 기술에 대한 연도별 논문 발표를 분석한 결과, 2002년이후

논문건수가 매우 빠르게 증가하고 있음.

그림 16. 연도별 논문발표 동향

o 주요 국가별 논문 발표를 분석한 결과, 미국이 607건으로 전체(1,716건)의

35%를 차지 하고 있으며, 그 다음은 중국이 118건(7%), 일본 114건(7%), 프

랑스 81건(5%) 순임

그림 17. 주요 국가의 연도별 논문발표 동향

- 28 -

o 주요 국가별 평균 피인용 수를 분석한 결과, 미국이 논문 1편당 평균 16.06회

피인용되어 가장 높고, 벨기에 12.57회, 영국 11.53회로 그 다음임

o 한국의 논문 1편당 평균 피인용은 4.43회로 세계 10위, 전체평균피인용(9.8회)보

다 낮은 수준임

그림 18. 논문발표 상위 10개 국가 평균 피인용수

o 주요 국가별 피인용 지수(Q)를 분석한 결과, 미국이 1.64로 가장 높고, 그 다

음으로 벨기에(1.28), 영국(1.18) 순임. 한국의 피인용 지수는 0.45로 세계 평

균(1)보다 낮음

* Q : 논문의 질적 수준 비교를 위한 지표

그림 19. 주요 국가별 피인용 지수(Q) 분석

- 29 -

o 논문 수와 피인용 지수를 종합하여 분석한 결과, 미국, 벨기에, 영국이 논문 수와

피인용 지수 모두 평균 이상임.

* 논문 수 국가별 평균 : 33건, 피인용 지수 세계 평균 : 1

o 한국은 논문 수(77건)로는 평균 이상인 반면, 피인용 지수(0.45)는 평균보다 낮음

<국가별 피인용 지수(Q) 분석> <국가별 P-Q 분석>

그림 20. 주요 국가별 논문 수(P)/피인용 지수(Q) 분석

o 주요 기관별 피인용 지수(Q)를 분석한 결과, Harvard University 가 8.67로 가장

높고, 그 다음으로 University of California Berkeley (5.13), Northwestern Univ

(1.94) 순임

<주요 기관별 피인용 지수(Q) 분석>

o 주요 기관별 논문발표 수를 분석한 결과, 벨기에의 University of Ghent가 59

건으로 가장 많고, 미국의 Stanford University가 44건, 미국의 Harvard

University가 39건 순임

- 30 -

o 주요 기관별 평균 피인용 수를 분석한 결과, 미국의 Harvard University가 1편

당 85회로 가장 높고, 미국의 University of California Berkeley가 50.31회, 미

국의 Northwestern University가 19.05회 등임

<기관별 논문 발표 상위 10개 기관> <상위 10개 기관 평균 피인용 수>

그림 21. 상위 10개 기관 논문발표 현황 분석

o 논문 수와 피인용 지수를 종합하여 분석한 결과, Harvard University ,

University of California Berkeley, Northwestern University가 논문 수와 피

인용 지수 모두 세계 평균 이상임

* 각 기관별 논문 수 세계 평균 : 1.88편, 피인용 지수 세계 평균 : 1

<기관별 피인용 지수(Q) 분석> <기관별 P-Q 분석>

그림 22. 주요 기관별 논문 수(P)/피인용 지수(Q) 분석

o 국내의 경우, 인하대(35건), KAIST(11건), 고려대(7건), 충북대(7건), 한양대(6

건), KIST(2건)를 중심으로 연구가 진행되고 있음

- 31 -

<국내 연도별 논문발표 수> <국내 주요 연구 기관>

그림 23. 국내 논문 발표 현황

o 국내 상위 5개 기관 평균 피인용도는 고려대(15.71회/편), 전북대(6.5회/편), 한

양대 (6회/편) 순임.

o 국내 기관 평균 피인용도는 고려대가 세계 평균 피인용도(9.8회/편)보다 높으

므로 이 기관의 논문 영향력이 큰 것으로 판단됨

그림 24. 국내 논문발표 상위 5개 기관 평균 피인용도

o 세계 주요 연구기관의 연구동향을 살펴보면, 벨기에 Ghent 대학의 경우 실리

콘 나노포노닉스, 광인터커넥션 기술, 선형 및 비선형 나노 포토닉스 소자, 저

손실 도파관, Thermal nano imprint lithography 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 스탠포드 대학의 경우, 광결정 소자, 실리콘 포토닉스, 나노 포토닉 논리

회로, 나노 포토닉 태양전지, 광 인터커넥션 기술 등의 분야를 연구하고 있음

- 32 -

o 미국 하버드 대학의 경우, 나노 와이어 포토닉 회로 소자, 표면 플라즈몬 공

진, Supercontinuum, 그래핀 포토닉스, 광 결정 도파관, 포토닉 크리스탈 나

노빔 등의 분야를 연구하고 있음

o 한국 인하대의 경우, 나노 스케일 광 결정 소자, 3차원 평면 집적 광학, 광 인

터커넥션, 광 전사 회로용 나노 임프린팅 기술 등의 분야를 연구하고 있음

o 일본 동경대의 경우, 3D 광 결정 nanocavity, 이중 양자 우물 구조 나노로드

를 이용한 나노 포토닉스 에너지 변환, Surface plasmon polarition 기술 등

의 분야를 연구하고 있음

o 미국 MIT의 경우, 고효율 나노포토닉스 기술, UV optical lithography를 이용

한 나노패터닝, THz source, 3차원 광학, Optonanomechanical self-adaptive

포토닉 소자 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 UC, Berkeley의 경우, 나노와이어 포토닉스, 그래핀, Optical nanorod

antennas, 테라헤르츠 인터커넥션, 나노 레이저 기술 등의 분야를 연구하고

있음

o 미국 UC, San Diego의 경우, Information optics, 나노 포토닉스,

optoelectronics, surface plasmon polariton, 초고속 나노 스케일 광학, 나노

포토닉 도파관 등의 분야를 연구하고 있음

o 중국 CAS(Chinese Academy Science)의 경우, 고효율 브로드 밴드 커플러,

Optical waveguide, 초고속 광학 스위칭, nanocavity, 나노포토닉 도파관,

nanosandwich photonic metamaterial 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 University of Washington의 경우, nanocrystal photodetector,

nanophotonic material, 나노 포토닉 양자점 도파관, 광학 안테나, 나노 포토

닉스 기술을 이용한 태양전지 및 센서, Optical manipulation, 플라즈모닉 나

노프리즘, 양자점 나노포토닉스 등의 분야를 연구하고 있음

o 전체 논문분석결과, 주요 기술 키워드로는 Nanoparticle, Quantum Dots,

Surface Plasmon Polaritons, Nanoelectronics, Metamaterials, Lithography,

Waveguide, Printed Circuit, Interconnection 등으로 나타남

- 33 -

그림 25. 논문맵

6.2 나노포토닉스 특허 동향

o Thomson 사의 ‘Aureka’는 미국, 유럽, 일본, 국제 특허의 검색 및 분석 툴을 제공

하는 대표적인 특허 데이터 베이스임. 이번 분석에서는 1991년부터 2011년 3월

현재까지 발표된 나노 포토닉스 분야의 특허 동향을 조사하였음. 특허 검색을

위해 사용된 키워드는 ‘nano photonics'임

o 나노 포토닉스 기술에 대한 연도별 특허 발표(특허 공개일 기준) 동향을 분석한

결과, 2005년 이후 특허 건수가 매우 빠르게 증가하고 있음

o 주요 국가별 특허 발표 동향을 분석한 결과, 미국은 2000년 초반 이후 지금까지

특허 건수가 지속적으로 증가하고 있으며, 일본의 경우 2006년까지 증가하다 최

근 들어 약간 감소하고 있고, 한국의 경우는 최근 들어 관련 특허가 증가하고

있음

* 1991년부터 현재까지 미국(US), 일본(JP), 유럽(EP), 세계특허기구(WO)에 출원

또는 등록된 ‘Nano photonics’ 관련 특허 검색결과 총 754건임

o 나노 포토닉스 분야는 기술 수명 주기상 발전기에 해당함

- 34 -

그림 26. 연도별 특허 발표 동향 그림 27. 기술 수명 주기

o 주요 국가별 특허 발표 동향을 분석한 결과, 미국(545건) 72.3%, 일본(39건)

5.2%, 한국(35건) 4.6%, 영국(26건) 3.4%, 독일(22건) 2.9% 등의 순임

* 국가별 특허 점유율: 우선권 출원 국가를 기준으로 작성, PUBLICATION

COUNTRY: 특허공개 국가를 기준으로 작성

그림 28. 특허 출원 세계 주요 국가

그림 29. 국가별 특허 점유율 그림 30. 특허 Publication Country

- 35 -

o 주요 출원인은 Hewlett Packard Development Co 1위, University of California

2위, Samsung Electronics Co 3위, California Institute of Technology 4위 등의

순임

그림 31. 주요 출원인의 특허 건수

o 미국의 주요 출원인은 Hewlett Packard development Co, University of

California, California Insitutue of Technology, Stanford University,

Massachusetts Institute Technology, Searete LLC 등임

o 일본의 주요 출원인은 Japan Science & Technology Agency, Canon Co,

Nippon Telegraph & Telephone, Furukawa Elecctric Co 등임

o 한국의 주요 출원인은 Samsung Electronics Co, ETRI, 연세대, KAIST, 한국기계연구

원, 서울대, LG 전자, LG 화학 등임

o 유럽의 주요 출원인은 Koninklijke Philips Electronics NV, Max Planck

Gesellschaft, NXP BV, Lumileds Lighting LLC, Fiat Ricerche, 등임

- 36 -

<미국 주요 출원인> <일본 주요 출원인>

<한국 주요 출원인> <유럽 주요 출원인>

그림 32. 주요 국가에 대한 출원인 현황

<특허의 국가별 양적․질적 수준 비교> <특허의 기관별 양적․질적 수준 비교>

그림 33. 특허의 국가별, 기관별 수준 비교

- 37 -

o 특허 포트폴리오 분석을 통해 특허의 양적(특허수, 가로축) 측면과 특허의 질적

(CPP, 세로축) 측면에서 우수한 국가 및 기관을 살펴본 결과, 국가별 수준 비교에서

는 미국이 우수하였음. 기관별 수준 비교에서는 University of California, California

Institute of Technology, MIT, Stanford University 등이 우수하였음

* 인용도 지수(CPP) =

o 전방 인용도를 살펴보면, 미국 하버드대 LIEBER, Charles, M.이 출원한

US20030089899A1 ‘Nanoscale wires and related devices’가 총 210회로 가장 많

이 인용되었음

<전방 인용도(Forward Citation) TOP 10 특허>

o 세계 주요 연구기관의 연구동향을 살펴보면, 미국의 Hewlett Packard Development

Co의 경우, 포토닉 인터커넥션, 포토닉 스위칭, 나노 센서, 광 공진기, 3차원 나노

크리스탈 어레이, Nano-imprinted photonic crystal waveguide, 포토닉 크리스탈

레이저 센서 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 University of California의 경우, 광 센서, 포토닉 크리스탈 파이버 바이오 센

서, Metallic Nanostructure, Nanowire, Nanoribbon, 포토닉 크리스탈 태양 전지

등의 분야를 연구하고 있음

o 한국 삼성전자의 경우, 테라헤르츠 인터커넥션, 포토닉 크리스탈 생산을 위한

Nano imprinting, 3차원 포토닉 크리스탈 도파관, 포토닉 크리스탈 타입 컬러

필터, Reflective display(LCD), 포토센서티브 나노 크리스탈 및 디스플레이용 3차

- 38 -

원 microfabrication 기술 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 California Institute of Technology의 경우, 실리콘 기반 나노포토닉 소

자, 광 스위치 및 논리회로, Ferroelectric nanophotonic materials and devices,

2차원 포토닉 크리스탈 기반 광 소자, Nanocavity laser 기술을 등의 분야를 연

구하고 있음

o 미국 MIT의 경우, 비선형 광 소자, Surface plasmon effective index guided

waveguide, Nanostructured material, Spatial phase locked electron beam

lithograhpy 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 Searete LLC의 경우, 광 안테나 어셈블리, Surface plasmon, 포토닉 크리스

탈 등의 분야를 연구하고 있음

o 미국 스탠포드 대학의 경우, Fiber optic sensor, 광 소자, Optical microcavity,

Photonic crystal reflector, Quantum-dot photon turnstile device 기술 등의 분

야를 연구하고 있음

o 이탈리아 Fiat Ricerche의 경우, 포토닉 크리스탈 소자, 포토닉 크리스탈 LED, 나

노 구조 소자, 3차원 percolated layer를 사용하는 LED 등의 분야를 연구하고 있

음

o 일본 Japan Science & Technology Agency의 경우, 2차원 포토닉 크리스탈,

Photo responsive liquid crystal containing photonic crystal, 양자점 광 소자, 나

노 포토닉스 소자 등의 분야를 연구하고 있음

o 일본 Matsushita Electric Industries Co의 경우, Nano laser, 나노 포토닉 발광 소

자, UV 초고속 레이저 펄스를 이용한 레이저 나노매칭 기술 등의 분야를 연구하

고 있음

o 전체 특허분석결과, 주요 기술 키워드로는 Quantum Electronic, Substrate

Pattern, Lithography, Photonic Bandgap, Light Dectect Source, Photovoltaic,

LED, Light Emitting, Waveguide, Switch, Coupled, Plasmonic Excitaion, Carbon

Nanotube 등으로 나타남

- 39 -

그림 34. 특허맵

- 40 -

제 7 장 사업추진 전략 및 운영 관리 방안

7.1 사업추진 기본방향

o 본 사업은 광통신, 태양전지, LED 등 기존 특정 분야에만 사용되던 광산업

을 언제, 어디서나 자연스럽게 사용 가능한 일상 생활에서의 광산업으로 전

환시킬 수 있는 나노 광기반 융합기술을 개발, 확보하고자 함

- 기존 전자의 전송, 저장 등을 통해 정보, 에너지, 인체 측정 등의 시스템이

구성된 디지털 혁명에 이어 전자기술의 한계를 극복할 나노광기술을 한 사

업 내에서 추진함으로서 새로운 미래 기술을 선점

o 본 사업의 기본방향은 나노광에 기반한 기반기술 확보와 IT, BT, GT 융합

연구로서

- 특정 산업에 한정된 광산업에서 생활 속의 광산업을 창출시키는 연구

- 기초과학을 기반으로 목적 지향적 응용 연구까지 연결

- 광의 물리적 특성을 극한화를 통한 자연과학의 새 영역 개척 연구

o 본 사업의 최종 목표는 나노광 기술을 기반으로 국민 모두가 스마트(Smart)

환경에서 지속가능 (Sustainable)한 건강한 (Well-Being) 삶을 구현하는데 있

음

- 저전력, 초소형, 초고속 대용량 정보 처리·전달로 인간중심의 정보공유시대

실현

- 화석에너지 고갈, 환경오염 등 미래사회의 당면문제를 새로운 개념으로 해

결하고 새로운 산업을 창출

- 그동안 진단할 수 없었던 질병 질환 등을 광기술과 BT기술과의 융합을 통

해 구현하여 인간의 건강한 삶 증대 실현

o 위의 목표 달성을 위한 본 사업의 주된 추진전략은.

1. 창의성에 근간한 미래사회 대응 원천기술 개발

- 세계적으로 선도가능한 핵심 원천기술 개발에 연구역량 집중

- 현존 광산업의 국산화/자립화 기술지원이 아닌 혁신적 기술 개발

- 미래 사회 수요에 기반한 선도형 산업견인을 위한 핵심 기술 확보

- 기존의 ‘모방형‘ 또는 ‘시장추종형’ 기술개발에서 ‘창조형’, ‘시장선도형’ 기

술개발 체제로 전환

- 41 -

2. 기술간 융합을 통한 파급효과 극대화

- 나노광 기반기술 뿐 아니라 이를 IT, BT, GT 기술과 융합하여 목적 지향적

선도기술 확보

- 핵심기반기술과 기존 신기술과의 유기적 연계를 통해 기존 기술의 한계를

뛰어넘을 기술의 개발

3. 미래 패러다임 전환에 근간이 될 혁신적 기술의 개발

- 기존 산업, 기술의 연장선상에서 Technology Push 관점의 미래기술예측

관점을 뛰어 넘을 기술의 창출

- 기술, 산업으로의 파급 뿐 아니라 사회 생활구조에 변화를 가져올 기술 지

향

4. 사업 내 기반-목적 기술 연계 및 연구성과의 사업화 연계의 기반 제공

- 기반기술 및 3대 융합분야 사업단 간 유기적 연계를 위해 성과 및 상호

기술 수요 등을 상시 공유(기반기술 분야 사업단장이 전략기획단장 겸임)

※ 전략기획단 : 사업단의 연구단의 경영컨설팅, 특허 분석 등을 통한 무빙타겟 기

획 지원, 유망기술 조기발굴‧성과관리에서 사업단 간 연계를 위한 전략적 컨설팅

등을 수행(기반기술이 기술 공급자의 관점으로 설계되어 있으므로 기반기술 분

야의 사업단장이 전략기획단 단장 겸임)

- 지경부 등 타 부처와 협력하여 추진된 기초/원천 연구 결과를 분석, 사업

화로 연계 유도

5. 전주기적 책임운영 및 관리 및 경쟁을 통한 핵심역량 강화

- 사업단 형태의 단장 중심의 책임운영 (기반기술 ,IT융합, BT융합, GT융합)

선기획 후 사업추진 + 선택과 집중과제 (토너먼트식 과제, 성실실패 용인)

- 학제 간, 연구주체 간, 연구방향의 융합과 전주기적 연구 관리

- 매 단계마다 연구방향성 기획을 통하여 무빙 아젠다 수립

7.2 기존사업과의 차별성 확보 방안

7.2.1 전략적 포지셔닝

o 본 사업은 기손 광기술의 한계를 극복하고, 나노포토닉스 기반 IT, BT, GT가

융합된 인간중심 미래 수요기술이며, 녹색, 신성장 동력산업의 기반/원천기술

- 42 -

로서 향후 15-20년 이내에 세계시장을 선점할 수 있는 기술 분야임.

o 본 사업은 그 특성상 기초/원천 기술을 기반으로 한 목적지향적 연구 성격이

강하고, 개발하고자 하는 융합형 응용분야는 대용량 초고속 저전력을 요구하

는 미래 정보사회, 에너지 자원의 효율화 및 생산을 위한 미래 그린사회, 고

감도 이미징 및 진단에 의한 건강 사회 구축에 적극 필요한 분야로서 그 기

여도 및 파급효과가 클 것으로 기대됨.

7.2.2 추진 목적의 차별성

o 본 사업은 현재 연구개발이 활발히 진행되고 있는 분야가 아니라 정보사회,

그린사회, 건강한 사회 등 미래사회에서 요구되는 이슈가 클 것으로 예상되

는 분야를 나노포토닉스 기반기술과 나노포토닉스와 IT, BT, GT 융합기술을

기반으로 미리 대처하고, 나아가, 산업의 지속 성장이 가능한 타겟형 (목적지

향형) 원천기술 개발을 주목적으로 하고 있음. 따라서 현존 기술의 개량 및

단기간 내 국산화․사업화를 목표로 하는 타 연구사업과 차별됨.

- 타 사업 내에서 일부 진행되고 있는 나노광 기반 기술은 추진 사업(기초, 정

보, 에너지 등)의 목적에 부합하도록 설계되어 산발적 성과 창출, 연계 부족

등으로 인해 그 중요성에 비해 기술의 발전속도가 매우 느린 상황

그림 35. 제안된 사업의 연구단계 및 연구대상 배치

- 43 -

7.3 사업추진 전략 체계도

o 사업수행주체: 교육과학기술부

- 한국연구재단을 통하여 R&D 사업의 선정 및 ․평가 수행

- 4개 사업단(기반기술, 나노광+IT, BT, GT)과 전략기획단(기반기술사업단장)

으로 구성하고 사업단장이 연구목표 설정에서 연구팀 구성, 사업단 내 예

산 배분의 총괄적 권한 및 성과창출의 의무를 가지고 업무 수행

- 기반기술 사업단장은 나머지 3개 목적형 융합기술 사업단의 기술 수요 등

의 분석을 통해 기술 공급자의 관점에서 원천기술을 개발, 제공하고, 개발

된 원천기술의 유기적 연계를 위한 컨설팅 병행(전략기획단장 겸임)

o 사업진행구조

- 나노광 +IT, BT, GT 분야 3개 사업단은 미래사회 대처 및 산업의 지속 성

장을 위한 목적지향적 원천기술 개발을 목표로 10년간 3단계 (3+3+4)로

진행함.

- 매 단계마다 단계 평가를 통하여 하위 20% 과제를 강제 탈락시키고 사업

의 목적에 부합하는 신생기술의 발굴 및 지원함

- 기반기술 분야 사업단은 다양한 과제의 진행이 필요하므로 과제구성, 추진

연한, 평가 등을 사업단장의 책임하에 자율적으로 운영

※ 기반기술사업단 과제 규모 : 중소형 (1-10억/연)과제 및 필요시 대형과제 추진 가

능

- 44 -

그림 36. 사업 추진 체계도

o 사업진행 절차 및 일정

- 사업 기획 (‘11~’12): 정부지원 사업으로서의 중요도와 시급성, 목적지향적

원천기술 확보 가능성 등을 고려하여 해당 분야 전문가 집단에서의 과제

기획 및 예비타당성 검토

- 사업단 연구책임자 공모 및 선정 (‘12년, 1/4분기): 4개의 사업단을 책임질

수 있는 중견 연구책임자를 공개적으로 선정함.

▪ 나노포토닉스 기반기술

▪ 미래 정보사회를 위한 인간친화형 나노포토닉스 개발

▪ 지속가능형 그린 나노포토닉스 소자 개발

▪ 질병 극복을 위한 나노 포토닉스 제어 기술

- 단계평가 (나노광 +IT, BT, GT 분야 3개 사업단)

▪ (1단계 평가) 단계평가에는 분야별 전문가뿐만 아니라 세부연구책임자

간 상호 평가를 유도하여 상대평가 실시함

※ 불성실 과제는 탈락시키고 (20%), 우수과제는 연구비를 증액하며,

- 45 -

목적지향적 신기술을 발굴하여 신규 지원함.

▪ (2단계 평가) 2단계의 연구실적이 우수하고 향후 성공 가능성이 있는

과제를 선별하여 (20%) 3단계 집중 지원함.

- 기반기술 사업단의 경우 사업단장의 경영 능력 등의 업무능력을 3+3+4년

3단계에서 평가하고 필요시 교체

- 공동연계프로그램 (Bridge Program) 상시운영

▪ 지경부 등 타 부처와 협력하여 추진된 기초․원천연구 결과를 분석하여

사업화로 연결․활용하는 시스템 마련

▪ (교과부, 학회 등) 올 해의 원천기술 연구성과 추천 --> (지경부) 산업

원천연구개발 사업으로 기획, 후속기술 개발 및 실용화 연구 지원

- 전략적 기획 및 성과 중심 관리체계 강화(전략기획단 상시 운영)

▪ 과학적․객관적 기획 강화, 성과중심의 평가 및 활용․확산 체계 마련

▪ 단계별․사업별 특성에 적합한 성과지표 개발 및 목표관리제 실시

▪ 특허 등의 분석을 통한 무빙 타겟 설정

7.4 중점추진 분야의 도출

7.4.1 나노포토닉스 기반 IT, BT, GT 융합 기술개발

o 미래전망 시나리오에 따르면 정보의 공유시대에서 정보의 생성시대로 변천

하면서 기하급수적으로 늘어나는 정보량 및 그에 따른 사용 전력 (에너지)

문제, 화석에너지 고갈, 환경오염 등 미래사회의 당면문제, 그 동안 진단할

수 없었던 질환 등의 문제를 능동적으로 대처하고 이들 문제를 극복할 수

있고 나아가 산업의 지속 성장이 가능하도록 견인할 원천기술의 개발이 필

요함.

o 나노포토닉스 기반 IT, BT, GT 융합기술은 현존 광산업의 국산화/자립화 기

술지원이 아니라, 창의성에 근간한 미래사회 대응 원천기술 개발, 기술간 융

합을 통한 파급효과 극대화, 미래 패러다임 전환에 근간이 될 혁신적 기술을

특징으로 한 개발 사업임. 이에 따라

- 미래 정보사회를 위한 인간친화형 나노포토닉스 기술, 지속가능형 그린 나

노포토닉스 소자 기술, 질병 극복을 위한 나노포토닉스 제어 기술 등 3대

분야별 핵심 기술이 도출됨.

- 46 -

그림 37. 미래사회 이슈별 대응 나노포토닉스 기술

7.4.2 나노포토닉스 기반기술 사업단 과제

o 국내 산‧학‧연 여러 기관으로부터 중소형과제 제안서를 받고 이 중 목적지

향적 대형과제의 성격에 부합되는 것은 대형과제의 연구내용에 편입시키었

고, 부합되지 않은 과제 중 국내에서 아직 시도되지 않았거나 세계적으로도

아직 초창기에 있는 기초/원천단계에 있으면서도 기술의 성공시 파급효과가

큰 기술 등은 기반기술 과제로 편성하였음

o 기반기술 사업단에 포함될 중소형과제의 선정 기준은 아래와 같음

- 기술의 원천성 여부

- 국내외에서 아직 초장기에 있으면서 성공시 파급효과가 큰 기술

- 목적지향적이기 보다는 개발의 성공시 다양한 분야에 기반기술로 활용

- 47 -

o 선정된 중소형 과제 리스트는 다음과 같음

분과 과제명 연구기간 연구비 순위

IT

신기능 광소재 및 nano-optomechanics 융합 ultrafast 광소자 연구

5년 10억/년 1

집적 광전자시스템을 위한 파장한계 반도체 나노 광원

5년 5억/년 2

나노광학 Junction 구조를 이용한 전광 연산소자 5년 5억/년 3

GT

Nanophotonic volume grating 기반 3D 디스플레이 소자기술 개발

5년 10억/년 1

II-VI 족 산화물 반도체 Nano 구조를 이용한 발광다이오드 개발

3년 5억/년 2

나노구조를 이용한 반도체 소자의 광효율 개선연구

5년 5억/년 3

BT

생체 적용 가능한 초고해상도 바이오 나노 포토닉스 영상 기술

5년 10억/년 1

단일 분자 수준 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술 5년 5억/년 2

나노 포토닉스를 이용한 국소근접장 나노 광집게 개발

5년 5억/년 3

7.5 사업의 구성

o 연구과제의 구성은 미래사회 목적지향적 대형과제와 미래사회 기반기술향

중소형 과제 (기반기술)로 구성함.

- 대형과제: 사업단 별 연 60-100억, 총 10년 (총예산: 2,300억원)

- 중소형 과제: 년 1-10억, 총 5년 (총예산: 400억원)

- 대형과제와 중소형 과제는 별도의 사업으로 운영함

※ 대형과제는 목적지향적 3개 사업단, 중소형과제는 기반기술 사업단 과제임

- 대형과제의 경우 매 단계마다 강제탈락 및 목적지향적 신기술 기획 및 발

굴에 따른 신규과제 지원함

o 미래사회 목적지향적 대형과제 개발은 사업단 별 총 10년의 연구개발 기간

이 소요됨

- 1단계: 도입기 3년

- 2단계: 발전기 3년

- 3단계: 융합기 4년

- 48 -

제 8 장 사업추진의 시의성 및 적절성

8.1 사업추진의 시의성

o 그간 전자가 거의 모든 정보전송, 에너지 등으로 활용되는 근원이었으나 속

도, 에너지 등의 한계에 봉착함에 따라 광(빛)이 새로운 매개체로 등장할 것

으로 예상

- 기존의 통신, 컴퓨팅, 의료, 에너지 등의 패러다임이 바뀔 것을 대비하여

융합광기술 개발 및 이를 IT, BT, ET등과 융합한 활용을 타겟으로 단일

R&D 프로그램으로 추진할 필요

o 에너지 고갈, 정보용량과 속도의 한계 등을 극복하기 위해 광(빛)이 대안으

로 인식되어 산발적 투자를 집중하여 왔으나, 국내의 우수한 광기술 관련 기

반기술과 인적자원을 활용하여 R&D를 집중할 경우, 세계적으로 선점효과가

클것으로 예상

8.2 정부지원의 필요성

o 법적 근거․요건

- 나노기술개발촉진법 제 6 조 (연구개발의 추진), 제 12 조 (연구개발의 실

용화)

- 기술개발촉진법 제 7 조 (특정연구개발사업의 추진 등)

- 선진일류국가를 향한 이명박 정부의 과학기술기본계획

- 범 부처 차원의 녹색기술연구개발 종합대책

o 정부지원의 필요성

- 나노광 기반기술 및 광기술 활용 융합기술은 기존 개념과 다른 혁신적 방

법으로 민간추진이 어려운 High risk, High return분야

- 포토닉스 관련 기초․원천기술은 투자회임은 늦으나 경제적 효과는 막대하

므로 국가 차원의 적극적이고 지속적인 지원으로 선진국 수준의 기술 확

보와 전문가 양성 필요

- 나노포토닉스 융합 기술과 접목을 이루기 위한 기초․원천 기술에 대한 기

반이 민간 부문에서는 전혀 안되어 있으며, Neo Light-융합기술은 궁극적

으로 인간의 삶의 질 향상을 목표로 하고 있어 기술의 특성 상 공공복지

의 성격이 강하므로 정부의 지원이 필요

- 49 -

8.3 상위계획과의 부합성

o 『NBIC 융합기술지도』(2010. 9)의 정보통신분야 융합 LED 분야에서 나노포토

닉스 원천기술 개발이 선행되어야 이를 활용한 LED관련 많은 응용, 개발 단

계의 연구개발이 이루어질 것으로 적시

o 국가연구개발사업 중장기 발전전략 (2008. 7)의 국가 중점육성기술 50개 분

야인 차세대 디스플레이, 신재생 에너지 기술 등과 연계

o 『선진일류국가를 향한 이명박 정부의 과학기술기본계획 (안)』 (2008. 8. 12,

국과위)의 기초․원천연구 진흥, 과학기술 국제화, 글로벌 이슈 대응 등과 연

계

o 범부처 차원의 『녹색기술 연구개발 종합대책』 (2009. 1. 13, 국가위) 27대

중점육성기술에서 실리콘/비실리콘계 태양전지 양산 및 핵심원천기술 등과

연계

o 신성장 동력 세부추진 계획 확정 (2009. 5) 중 신소재․나노융합 등과 연계

8.4 기존 사업과의 차별성

o 기존 사업과의 차별성

- 현재 광기술 기반 융합기술을 타겟으로한 정부 R&D프로그램은 없음

o 기존 광기술 관련 과제와의 차별성

- 교과부 : 주로 창의적 탐색연구(개인 기초연구 사업 내)로 진행

- 지경부 : 기존 방식을 활용하여 산업화에 초점

--> 새로운 접근 방식을 활용 : 새로운 방식의 광원, 광센싱, 광활용 기반

기술을 개발하고 이를 IT, BT, GT와 융합하여 새로운 원천기술을 창출

- 50 -

제 9 장 소요예산 및 파급효과

9.1 소요예산

9.1.1 소요예산 산출근거

o 총사업비: 2,686 억원 (10년)

o 연구과제의 구성: 대형과제 (목적지향) + 중소형과제 (기반기술)

- 대형과제: 230억/년, 총 2,300억원

․ IT 나노포토닉스 사업단: 100억원/년, 3개의 세부과제로 구성

․ GT 나노포토닉스 사업단: 70억원/년, 5개의 세부과제로 구성

․ BT 나노포토닉스 사업단: 60억원/년, 3개의 세부과제로 구성

- 중소형과제: 과제당 1-10억/년, 총 386억원

- 사업단 운영비 별도 계상

<표> 연차별 소요예산

(단위: 억원, 개)

1단계 도입기 2단계 발전기 3단계 융합기

구분 ‘12 ‘13 ‘14 ‘15 ‘16 ‘17 ‘18 ‘19 ‘20 ‘21

합계(과제수)

284(20)

284(20)

284(20)

273(21)

273(21)

260(21)

260(21)

260(21)

254(19)

254(19)

대형과제(과제수)

230(11)

230(11)

230(11)

2301

(11)230(11)

230(11)

2304

(11)230(11)

230(11)

230(11)

중소형과제(과제수)

54(9)

54(9)

54(9)

432

(7)43(7)

303

(10)30(10)

30(10)

245

(8)24(8)

1, 4 1단계 및 2단계 종료 후 각각 대형과제 20% 탈락, 목적지향적 신규과제 20%

선정2 1단계 종료 후 중소형 과제 20% 탈락3 중소형 과제 신규 선정 (3억 x 10개)5 중소형 과제 20% 탈락

9.1.2 소요인력 산출근거

o 사업 착수시 개발목표 달성에 필요한 핵심요소 기술의 전문가 집단으로 구

성된 학‧연 연구그룹을 구성하며, 단계전환이 진행되면서 산업체 연구진의

연구 참여를 적극 유도함

- 51 -

o 국내외 연구동향에 대한 정보교류 및 협력연구 촉진을 위해 3대 사업단 별

연구회 구성‧운영

o 사업단내 과제별 20명, 중소형 과제별 10명의 비율로 참여 인력이 예상되

며, 단계별 석․박사 전문인력을 약 300여명 양성할 수 있을 것으로 기대됨.

9.2 R&D 투자 파급효과 분석

9.2.1 나노포토닉스 원천기술 개발사업의 기대효과

9.2.1.1. 경제적 기대효과

가. 경제적 가치 분석의 개요

나노 포토닉스 원천기술 개발사업의 경제성 분석은 3대 분야별로 3~4개의

Target 시장을 대상으로 수행한 예시적 분석 결과임.

- 나노 포토닉스 원천기술은 특성상 다수의 Target 제품에 적용 가능하나 관련 미

래 시장규모에 대한 문헌자료가 부족

- 따라서 본 경제성 분석에서는 미래기술의 경제적 파급성 및 시장규모 문헌자료

가용성을 고려하여 대표적인 Target 시장에 대해 경제성 분석을 수행

본 경제성 분석에 대한 기본적 가정은 아래와 같음.

o 경제성 분석을 위한 비용투입기간 및 혜택기간은 각각 10년으로 설정

- 비용투입기간은 기획된 각 프로그램의 사업기간(‘12년 ~ ’21년)으로 정의함.

- 혜택기간은 본 사업의 성과로 개발되는 각 원천기술의 사업화 성과가 발생되는

시장진입시기부터 10년으로 정의함.2)

o 1 $ = 1,000원으로 가정함.

o 비용은 본 원천기술 개발사업에 투입되는 총 사업비로 정의함.

o 할인율은 KISTEP이 국가연구개발사업 예비타당성분석 시 적용하는 할인율

5.5%3)를 원용하여 사용함.

o 현재가치 추정을 위한 기준연도는 2010년으로 함.

o 편익 규모는 시장규모, 시장점유율, 부가가치율, R&D 기여도, 사업화 성공

률, 사업화기여율을 곱하는 방식으로 추정하였음.

2) 일반적으로 혜택기간은 개발기술의 기술수명주기를 고려하여 대입하나, 원천기술이 적용되면 보통

10년 이상 활용되므로 본 분석에서는 혜택기간을 10년으로 설정하였음

3) 타당성조사 수행을 위한 기본 연구, 대구경북연구원, 2009

- 52 -

편익의 계산 1 ※ To p -D o w n 방 식 의 계 산

편익 = 시장규모×시장점유율×부가가치율×R&D기여도×사업화성공률

×사업화 기여율

o 시장규모 추정

- 1 단계 : Target 기술 선정 (기획위원회 회의 결과)

- 2 단계 : Target 기술시장 규모 추정 (문헌조사, 전문가의견)

2단계 추정절차(i) 관련 제품시장규모 추정

(ii) (본 원천기술이 적용되는) Target 제품시장규모 추정

(iii) (Target 제품에서) Target 시장 규모 추정 (Target 기술의 비중 고려)

o 시장점유율 추정

- 본 사업의 기간은 10년으로 계획되어 있고 시장점유율은 해외에서의 상용화시기

등 많은 외부요인에 따라 결정되므로, 각 분야 기획위원회 전문가들의 의견을 바

탕으로 아래의 3가지 시나리오(보수적, 평균적, 낙관적)를 설정하여 분석을 수행하

였음.

<BT 분과의 연관산업의 시장점유율 분석을 통한 추정>

- 국내 바이오센서 시장은 2005년에 300억원을 시작으로 2012년 약 6,000억원에

이를 것으로 전망된다. 이는 현재 전 세계 시장에서 약 5~10%를 차지하는 비율

로 나타났지만 본 사업이 종료되는 시점인 2022년부터는 20%이상을 차지할 것으

로 예측

- 의료 영상 장비의 시장 점유와 관련제품에 대한 국내 시장규모를 고려하면 현재

까지 국내시장 점유율이 미미하였지만 2020년에서 2025년 사이 국내 시장규모가

큰 폭으로 증가될 것으로 예상되어 20% 이상 점유할 것으로 예측

- 위의 세계시장 점유율(20%, 20%)의 평균 점유율 20%를 평균 시장점유율 15%로

설정함.

- 따라서 BT 분과 원천기술에 대한 시장점유율을 시나리오 1(보수적) 15%, 시나리

오 2(평균적) 20%, 시나리오 3(낙관적) 25%로 설정함.

<GT 분과의 연관산업의 시장점유율 분석을 통한 추정>

- 현재 전 세계 태양전지 시장에서 한국 시장이 차지하는 비중은 약 3%를 차지하

고 있으므로 나노 태양전지에서 국내 업체는 세계시장 점유율을 보수적으로 3%

를 차지할 수 있을 것으로 예측됨.

- 국내 LED의 세계 점유율을 고려하여 나노구조 초고효율 LED에서 국내 업체의 세

계 시장 점유율을 보수적으로 ‘09년 현재의 점유율인 15%이상을 확보할 수 있을

것으로 예측함.

- 2010년 현재 삼성 및 LG의 세계 스마트폰 시장 점유율은 약 30%를 차지하고 있

는 것으로 파악되어 유연 LED에서 국내 업체의 세계 시장 점유율을 보수적으로

2010년 현재의 점유율을 30% 이상을 확보할 수 있을 것으로 예측함.

- 53 -

- 위의 세계시장 점유율(3%, 15%, 30%)의 평균 점유율 16%를 평균 시장점유율로

설정함.

- 따라서 그린 나노 광소자의 시장점유율을 시나리오 1(보수적) 11%, 시나리오 2

(평균적) 16%, 시나리오 3(낙관적) 21%로 설정함.

<IT 분과의 연관산업의 시장점유율 분석을 통한 추정>

- 국내 업체의 세계 시장 점유율을 고려하여 본 사업이 종료된 시점에 광전 부품의

광원 세계시장 점유율은 15%를 확보할 수 있을 것으로 예측

- 국내 업체의 세계 시장 점유율을 고려했을 때 2020년 이후부터는 고집적 초고속

나노 포토닉스 소자의 세계시장 점유율은 25% 이상을 확보할 수 있을 것으로 예

측

- 대용량 유무선 광인터커넥션 기술에 대한 세계 시장 점유율은 평균적으로 35%

이상을 확보할 수 있을 것으로 예측

- 위의 세계시장 점유율(15%, 25%, 35%)의 평균 점유율 25%를 평균 시장점유율

20%로 설정함.

- 따라서 IT 분과 원천기술에 대한 시장점유율을 시나리오 1(보수적) 20%, 시나리

오 2(평균적) 25%, 시나리오 3(낙관적) 30%로 설정함.

- 각 분야별 Target 기술 시장 점유율 예측치의 평균값을 도출하여 편차 ±5%를 적

용함 (<표 1-1> 참조)

구 분시나리오 1

(보수적)시나리오 2

(평균)시나리오 3

(희망적)

BT 분과 15% 20% 25%

GT 분과 11% 16% 21%

IT 분과 20% 25% 30%

표 11 최종 3개 분야 및 시나리오별 시장 점유율(단위: %)

o 부가가치율의 결정

- 2007~2009 생산성에 관한 지표(한국은행 경제통계국 기업통계팀)를 근거로, 동

사업에 의하여 제품이 창출될 수 있는 해당 산업 11개 분야의 부가가치율의 평균

값 26.1%를 적용함.

- 54 -

산 업 분 야 (중 분 류 ) 부 가 가 치 율 산 업 분 야 (중 분 류 ) 부 가 가 치 율

전 자 부 품 , 컴 퓨 터 , 영 상 , 음 향

및 통 신 장 비24 .2 7%

전 동 기 , 발 전 기 및 전 기

변 환 ∙공 급 ∙제 어 장 치2 5 .0 6 %

반 도 체 및 전 자 부 품 25 .7 9% 기 타 전 기 장 비 2 5 .5 5 %

컴 퓨 터 및 주 변 장 치 21 .9 9% 가 정 용 기 기 2 0 .2 9 %

통 신 및 방 송 장 비 19 .3 5%하 수 ∙폐 기 물 처 리 , 원 료 재 생 및 환 경

복 원 업3 4 .1 6 %

영 상 및 음 향 기 기 , 마 그 네 틱 및

광 학 매 체20 .8 6%

컴 퓨 터 프 로 그 래 밍 , 시 스 템 통 합 및

관 리 업3 8 .6 6 %

의 료 , 정 밀 , 광 학 기 기 및 시 계 30 .6 2%

부 가 가 치 율 평 균 26 .1 %

표 12 선정된 산업분야 리스트

o R&D기여도의 결정

- R&D기여율은 신태영(2007)4)에서 제시하고 있는 R&D의 경제성장 기여울인

30.6%를 적용함.

- 하준경(2005)은 그의 연구에서 R&D의 경제성장 기여율을 10.9%(선진국 대비 기

술격차효과를 산입하지 않을 경우)로 상대적으로 낮게 제시한 바가 있으나 나노

포토닉스 원천기술 개발사업의 최신성을 고려해볼 때, 이 분야의 선진국과의 기술

격차가 경제성장에 미치는 효과는 크기 않을 것으로 판단됨.

o 사업화성공률의 결정

- 한국산업기획평가원(ITEP)의 ‘08년도 산업기술개발사업 성과활용 현황조사 결과보

고서와 한국연구재단∙한국보건산업진흥원∙한국환경기술진흥원의 과제별 성과조사

자료의 내용을 재분석하여 16.2%를 적용함.

- KISTEP이 국가연구개발사업 예비타당성분석 시 사용되는 사업화 성공률 16.2%을

동일하게 적용

o 사업화 기여율의 결정

- TRL(Technology Readiness Levels)이란 특정 기술의 성숙도를 평가하거나, 서로

다른 유형의 기술 성숙도를 일관되게 비교할 수 있도록 도와주는 체계적인 측정

수단을 말하는 것으로 본 사업에서 사업화 기여율을 결정하기 위해 이용함.

- 미국 국방부의 TRLs를 이용하여 본 5개 분야 모두 TRL 5단계로 통일하여 해당

TRL 5단계의 사업화 기여율(기술의 완성도) 45%를 본 사업의 사업화 기여율로 결

정함.

4) 신태영, 기술혁신과 경제성장: 요소대체율, 기술진보율 및 연구개발투자, 기술경영경제학회, 2007

- 55 -

표 13 미국 국방부 TRLs 예

나. 비용분석(총사업비)

o 본 사업으로 투입될 나노 포토닉스 원천기술 개발사업비는 2012년부터

2021년까지 10년간 2,300억원이며, 10년간의 총사업비의 현재가치(PV,

Present Value)는 약 1,769억원임.

연도 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 합계

사업비 85 252 331 331 331 331 285 197 118 39 2,300

PV 81 226 282 267 253 240 193 128 73 23 1,769

표 14 나노 포토닉스 원천기술 개발사업 사업비 및 현재가치 환산결과(2012~2021)

(단위 : 억원)

다. 편익분석(Top-Down)

9.2.1.1.1 BT분과 기술의 편익분석

(가) 편익분석을 위한 Target 기술 선정

o BT 분과 기술에 대한 경제성 분석을 위해 본 기획위원회에서 선정한 Target

- 56 -

기술은 아래와 같음.

- 나노 포토닉스 바이오센서 기술

- 나노 포토닉스 의료 영상 기술

(나) Target 기술에 대한 편익 분석 결과

나노 포토닉스 바이오 센서 기술 편익 분석

o Target 기술의 시장 진입시기 = 2022년5)

- 사업이 본 과제 사업은 3단계로 진행. 1단계 3년 동안은 형광분자를 이용한 초고

감도 생체 단일분자 감지기술 개발, 2단계 3년 동안은 초고감도 생체분자들 간

상호작용 감지기술 개발, 마지막 3단계에서는 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

을 위해 발광체들의 광학적 특성 개선 및 새로운 나노물질 / 나노구조 개발을 그

목표로 사업이 끝나는 시점인 2022년을 시장 진입시기로 결정함.

o Target 기술 시장규모 추정

- (관련 제품 시장규모) BT/NT/IT 융합 진단 기술인 바이오센서 세계시장규모가

2008년 약 62억달러에 달하였고 2003-2008년 연 평균성장률은 9.5%를 기록하고

있다고 추산. 향후 시장 규모는 2008년 10%에서 2013년 12%로 추산하였으며,

R&D 투자의 증가와 생산기반 확충, 합작 및 특허 증가, 그리고 바이오센서 장치

의 휴대화 및 마이크로칩 기술의 발달을 통해 성장 속도가 가속화 될 것으로 예

측. 이를 통해 2015년과 2018년에는 세계 시장 규모가 각각 135억 달러와 190억

달러에 이를 것으로 예측함.6)

- (Target 제품 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 세계 바이오센서 시

장에서 나노 포토닉스 바이오센서의 비중을 40%로 예측함.

- (Target 기술 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 Target 제품에서 나

노 포토닉스 바이오센서 기술의 비중은 50%로 추정하여 Target 기술의 시장규모

를 추정함.

o 시장점유율

- 시나리오 1(보수적) 15%, 시나리오 2(평균적) 20%, 시나리오 3(낙관적) 25%로 설

정하여 3가지 시나리오에 따라 분석을 실시하였음.

5) 기획위원회 전문가 회의 결과

6)“World Biosensors Market", Frost & Sulivan, 2007

- 57 -

년도관련제품 시장규모

(바이오센서)

Target 제품 시장규모(나노 포토닉스 바이오센서)

Target 기술 시장규모(나노 포토닉스

바이오센서 기술)2009 73,6102010 81,7892011 90,8762012 100,9742013 112,1932014 124,6592015 138,5102016 153,9002017 171,0002018 190,0002019 209,0002020 229,9002021 252,8902022 278,179 111,272 55,6362023 305,997 122,399 61,1992024 336,597 134,639 67,3192025 370,256 148,102 74,0512026 407,282 162,913 81,4562027 448,010 179,204 89,6022028 492,811 197,124 98,5622029 542,092 216,837 108,4182030 596,301 238,521 119,2602031 655,932 262,373 131,186

표 15 나노 포토닉스 바이오센서 기술 시장규모(단위 : 억원)

o 부가가치율 = 26.1%

o R&D 기여도 = 30.6%

o 사업화 성공률 = 16.2%

o 사업화 기여율 = 45.0%

o 앞서 도출된 시장규모, 시장점유율, 부가가치율, R&D 기여도, 사업화 성공

률, 사업화 기여율에 관한 추정 정보를 토대로 편익을 계산하면 다음과 같

음.

- 시나리오 1 (보수적 시장점유율 15%)에서 편익 PV는 약 328억원임.

- 58 -

Scenario 1 = 보수적

연도

Target기술

시장규모

한국시장점유

율

부가가치율

R&D기여도

사업화

성공률

사업화기여율

편익

할인율

편익PV

202

255,636 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

049

5.5%

27

202

361,199 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

053 28

202

467,319 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

059 29

202

574,051 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

065 31

202

681,456 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

071 32

202

789,602 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

078 33

202

898,562 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

086 35

202

9108,418 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

095 36

203

0119,260 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

0104 38

203

1131,186 0.150 0.261 0.306

0.16

2

0.45

0115 39

합계 328

표 16 나노 포토닉스 바이오센서 기술 편익 분석 - 시나리오 1(단위 : 억원)

- 시나리오 2 (평균적 시장점유율 20%)의 경우 편익 PV는 약 437억원임.

- 시나리오 3 (낙관적 시장점유율 25%)의 경우 편익 PV는 약 546원임.

나노 포토닉스 의료 영상 기술 편익분석


- 사업이 본 과제 사업은 3단계로 진행. 1단계 3년 동안은 형광분자를 이용한 초고감

도 생체 단일분자 감지기술 개발, 22단계 3년 동안은 비형광물질을 이용한 초고속

초해상도 생체 단일분자 영상 기술 개발, 마지막 3단계에서는 나노포토닉스를 이용

한 초고속 초해상도 영상 기술 개발을 그 목표로 사업이 끝나는 시점인 2022년을

시장 진입시기로 결정함.


- 59 -

년도관련 제품 시장규모

(CT 및 MRI) Target 제품 시장규모

(광학 형광 진단)Target 기술 시장규모(나노 광학 형광 기술)

2009 198,0572010 209,9402011 222,5372012 235,8892013 250,0422014 265,0422015 280,9482016 297,8042017 315,6732018 334,6132019 354,6902020 375,9712021 398,5302022 422,441 211,221 105,6102023 447,788 223,894 111,9472024 474,655 237,328 118,6642025 503,134 251,567 125,7842026 533,322 266,661 133,331

표 17 나노 포토닉스 의료 영상 기술 시장규모

(단위 : 억원)


- (관련 시장규모) 세계 의료 영상 장비에서 CT 및 MRI 시장 규모는 2009년

198,057억원으로 추정되며8) 2009년 이후 연평균 성장률은 기획위원회 전문가 의

견을 바탕으로 2010~2031년 CAGR=6%를 적용

- (Target 제품 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 세계 의료 영상 장비 중

CT 및 MRI 시장에서 광학형광 진단 시장이 차지하는 비중을 50%로 추산하여 시장규

모를 추정함.

- (Target 기술 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 광학형광 진단 시장

에서 나노 광학형광 기술이 차지하는 비중을 50%로 추정하여 시장규모를 도출함.

o 시장점유율




o R&D 기여도 = 30.6%

o 사업화 성공률 = 16.21%


8)"Global Revenue of the imaging market", BCC Research

- 60 -

2027 565,322 282,661 141,3302028 599,241 299,621 149,8102029 635,196 317,598 158,7992030 673,307 336,654 168,3272031 713,706 356,853 178,426


연도

Target기술

시장규모

한국시장점유

율

부가가치율

R&D기여도

사업화

성공률

사업화기여율

편익

할인율

편익PV

202

2105,610 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 92

5.5%

51

202

3111,947 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 98 51

202

4118,664 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 104 52

202

5125,784 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 110 52

202

6133,331 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 116 52

202

7141,330 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 123 52

202

8149,810 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 131 53

202

9158,799 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 139 53

203

0168,327 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 147 53

203

1178,426 0.150 0.261 0.306 0.162 0.450 156 53

합계 523

표 18 나노 포토닉스 의료 영상 기술 편익 분석 - 시나리오 1(단위 : 억원)



음.



- 61 -

- 시나리오 3 (낙관적 시장점유율 25%)의 경우 편익 PV는 약 871억원임.

□ (종합) BT 분과 기술 - 전체 Target 기술 편익 종합

o BT 분과 기술 - 예시로 선정된 2개 Target 기술에 대해 시장점유율 시나리

오별 편익분석결과를 취합정리하면 아래와 같음.

시나리오 1 (보수적 시장점유율)Target 기술 편익 PV

나노 포토닉스 바이오센서 기술 328나노 포토닉스 영상 진단 기술 523

합계 851

표 19 BT 분과 기술 편익 분석 - 시나리오 1 (단위 : 억원)

시나리오 2 (평균적 시장점유율)Target 기술 편익 PV


합계 1,134


시나리오 3 (희망적 시장점유율)Target 기술 편익 PV


합계 1,417


- 62 -

년도관련 제품 시장규모(LED 및 태양전지)

Target 제품 시장규모(나노 LED 및 나노

태양전지)

Target 기술 시장규모(나노 LED 및 나노

태양전지 기술)2010 2,930,0002011 3,330,0002012 3,730,0002013 4,130,000

표 22 나노 LED 및 나노 태양전지 기술 시장규모

(단위 : 억원)

9.2.1.1.2 GT 분과 기술 편익분석


o 분자/이온 제어 기술에 대한 경제성 분석을 위해 본 기획위원회에서 선정한

Target 기술은 아래와 같음

- 나노 LED 및 나노 태양전지 기술

- Flexible LED 기술


나노 LED 및 나노 태양전지 기술 편익 분석


- 본 과제는 3단계로 진행되지만 1단계 3년 동안은 R, G, B LED의 구현, 2단계 3년

동안은 R, G, B LED의 조절을 통한 백색 LED 구현, 이후 3년 동안 소자의 신뢰성

및 기술 이전 단계로서 사업이 끝나는 시점인 2022년을 시장 진입시기로 결정함.


- (관련 제품 시장규모) Helmut Kaiser Consultancy(HKC)에서는 나노융합기술을 사

용한 청정에너지 시장이 2005년에 150조원, 120만개의 일자리를 창출하였고, 201

년에는 293조원, 2015년도에 490조원에 이를 것이며 300만개의 일자리를 창출할


- (Target 제품 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 전체 LED 및 태양전

지 시장에서 나노 LED 및 나노 태양전지 시장규모는 10%로 추정함.

- (Target 기술 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 나노 LED 및 나노

태양전지 제품에서 본 기술의 비중은 15%로 추정하여 Target 기술 시장규모를

추정함.


- 63 -

2014 4,530,0002015 4,930,0002016 5,330,0002017 5,730,0002018 6,130,0002019 6,530,0002020 6,930,0002021 7,230,0002022 7,630,000 763,000 114,4502023 8,030,000 803,000 120,4502024 8,430,000 843,000 126,4502025 8,830,000 883,000 132,4502026 9,230,000 923,000 138,4502027 9,630,000 963,000 144,4502028 10,030,000 1,003,000 150,4502029 10,430,000 1,043,000 156,4502030 10,830,000 1,083,000 162,4502031 11,230,000 1,123,000 168,450


연도

Target기술

시장규모

한국시장점유

율

부가가치율

R&D기여도

사업화

성공률

사업화기여율

편익

할인율

편익PV

202 114,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 73 5.5% 41

표 23 나노 LED 및 나노 태양전지 기술 편익 분석 - 시나리오 1

(단위 : 억원)

o 시장점유율




o R&D 기여도 = 30.6%





음.


- 64 -

22023

120,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 77 41

2024

126,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 81 40

2025

132,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 85 40

2026

138,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 89 40

2027

144,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 93 39

2028

150,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 96 39

2029

156,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 100 38

2030

162,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 104 38

2031

168,450 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 108 37

합계 392



Flexible LED 기술 편익분석


- 본 과제 3단계 중, 2단계까지는 Flexible R, G, B LED 어레이 구현이 될 것이며,

이후 무기형광체를 적용한 Flexible 백색광 LED 구현 연구를 3단계에서 수행한 사

업이 끝나는 시점인 2021년 이후 양산화를 취한 추가 기간이 필요하므로 2024년

으로 추정함.


- (관련 제품 시장규모) 플렉서블 디스플레이의 가장 큰 응용분야를 스마트폰으로

가장할 때 스마트폰의 전 세계 시장규모는 2010년에 2.85억대, 약 142조원, 2013

년에 5.07억대, 약 250조원에 이를 것으로 전망됨.11) 따라서 동일 비율로 스마트

폰의 시장이 증가한다고 가정하면, 3년간 약 110조원의 증가가 나타나므로 2016

년도에 360조원 2019년도에 470조원 2020년도는 약 506조원의 시장이 예측됨.

- (Target 제품 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 나노 포토틱스 기술

을 적용한 유연 스마트폰이 개발되면 전 세계 스마트폰 시장의 약 20%를 대체할

것으로 기대됨에 따라 이를 토대로 추정한 대체제품 시장규모는 2020년 약 101.2


11) 이트레이드증권 리서치 센터, 2010.2

- 65 -

조원, 2030년에는 약 174조원으로 성장이 예상됨.

- (Target 기술 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 본 대체 제품 인 유

연 스마트폰 시장에서 Flexible LED 소자의 기술이 약 15%를 차지할 것으로 예측

하여 Flexible LED 소자 기술의 시장규모를 추정함.


(스마트폰) Target 제품 시장규모

(유연 스마트폰)Target 기술 시장규모(Flexible LED 소자)

2010 1,420,0002011 1,780,0002012 2,140,0002013 2,500,0002014 2,860,0002015 3,220,0002016 3,580,0002017 3,940,0002018 4,300,0002019 4,660,0002020 5,020,0002021 5,380,0002022 5,740,000 1,148,000 172,2002023 6,100,000 1,220,000 183,0002024 6,460,000 1,292,000 193,8002025 6,820,000 1,364,000 204,6002026 7,180,000 1,436,000 215,4002027 7,540,000 1,508,000 226,2002028 7,900,000 1,580,000 237,0002029 8,260,000 1,652,000 247,8002030 8,620,000 1,724,000 258,6002031 8,980,000 1,796,000 269,400

표 24 Flexible LED 소자 시장규모

(단위 : 억원)

o 시장점유율




o R&D 기여도 = 30.6%





- 66 -

음.



연도

Target기술

시장규모

한국시장점유

율

부가가치율

R&D기여도

사업화

성공률

사업화기여율

편익

할인율

편익PV

2022

172,200 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 110

5.5%

61

2023

183,000 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 117 62

2024

193,800 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 124 62

2025

204,600 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 131 62

2026

215,400 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 138 62

2027

226,200 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 145 62

2028

237,000 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 152 61

2029

247,800 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 159 61

2030

258,600 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 166 60

2031

269,400 0.110 0.261 0.306 0.162 0.450 173 59

합계 611

표 25 Flexible LED 소자 편익 분석 - 시나리오 1

(단위 : 억원)


- 시나리오 3 (낙관적 시장점유율 21%)의 경우 편익 PV는 약 1,166억원임.

- 67 -

□ (종합) GT 분과 기술 - 전체 Target 기술 편익 종합

o GT 분과 기술 - 예시로 선정된 2개 Target 기술에 대해 시장점유율 시나리



나노 LED 및 나노 태양전지 기술 392

Flexible LED 소자 611

합계 1,003

표 26 GT 분과 기술 편익 분석 - 시나리오 1

(단위 : 억원)



Flexible LED 소자 888

합계 1,459


(단위 : 억원)



Flexible LED 소자 1,166

합계 1,915


(단위 : 억원)

- 68 -

9.2.1.1.3 IT 분과 기술의 편익분석


o IT 분과 기술 대한 경제성 분석을 위해 본 기획위원회에서 선정한 Target

기술은 아래와 같음.

- 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술

- 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술

- 대용량 유무선 광인터커넥션 기술


집적형 극고소비전력 나노 광원 기술 편익 분석


- 본 과제는 3단계로 진행되지만 1단계 3년 동안은 광원 구조 최적화 연구, 2단계

3년 동안은 나노광원 변조 최적화연구, 이후 3년은 나노 광원 고밀도 고집적화

연구를 통하여 신개념의 언제 어디서나 활용할 수 있는 광원을 개발 후 3년 동안

소자의 신뢰성 및 기술 이전 단계로서 사업이 끝나는 시점인 2022년을 시장 진

입시기로 결정함.


- (관련 시장규모) 광전 부품 전체 시장은 2002년부터 연평균 10.9%의 성장을 이루

어 왔으면 현재 5,440억불에서 매년 12.1%의 성장이 기대되며 2015년에는 9,680

억불에 이르는 거대 시장이 형성될 것으로 예상되는 가운데 광전 부품 시장 전체

에서 Info-communication 시장이 1,673억불 수준으로 나타남13). 2011년 이후 연

평균 성장률(CAGR)은 2011~2015년까지는 12.1%, 2016~2022년까지는 8%, 2023

년~2031까지는 4% 적용하여 시장 규모 추정함.

- (Target 제품 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 광전 부품 시장 전체

에서 Info-communication 시장에서 나노 광원 시장 규모가 10%를 차지할 것으로

예측하여 시장규모를 추정함.

- (Target 기술 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 광부품 시장은 2010

년을 기점으로 2014년까지 연평균 28% 이상 증가로 100억불 수준의 시장이 형

성될 것으로 전망되고 광통신용 광부품 이외의 나노광원 신규 시장을 고려할 때

전체 광전부품의 ITC(Information Technology communication)제품에서 본 기술의

기여도는 15%로 추정하여 Traget 기술 시장 규모를 추정함.


13) "Optoelectronic world market", OITDA/JAPAN

- 69 -

년도관련 제품 시장규모(Info-communication

시장)

Target 제품 시장규모(집적형 극고소비 전력 시장)

Target 기술 시장규모(집적형 극고소비전력

나노 광원 기술)20092010 1,673,0002011 1,875,4332012 2,102,3602013 2,356,7462014 2,641,9122015 2,961,5842016 3,198,5102017 3,454,3912018 3,730,7422019 4,029,2022020 4,351,5382021 4,699,6612022 5,075,634 507,563 76,1352023 5,278,659 527,866 79,1802024 5,489,806 548,981 82,3472025 5,709,398 570,940 85,6412026 5,937,774 593,777 89,0672027 6,175,285 617,528 92,6292028 6,422,296 642,230 96,3342029 6,679,188 667,919 100,1882030 6,946,356 694,636 104,1952031 7,224,210 722,421 108,363

표 29 집적형 극고소비전력 나노 광원 기술 시장규모

(단위 : 억원)

o 시장점유율




o R&D 기여도 = 30.6%





음.


- 70 -


연도

Target기술

시장규모

한국시장점유

율

부가가치율

R&D기여도

사업화

성공률

사업화기여율

편익

할인율

편익PV

202

2

76,1350.200 0.261 0.306 0.162 0.450 89

5.5%

49

202

3

79,1800.200 0.261 0.306 0.162 0.450 92 48

202

4

82,3470.200 0.261 0.306 0.162 0.450 96 48

202

5

85,6410.200 0.261 0.306 0.162 0.450 100 47

202

6

89,0670.200 0.261 0.306 0.162 0.450 104 46

202

7

92,6290.200 0.261 0.306 0.162 0.450 108 46

202

8

96,3340.200 0.261 0.306 0.162 0.450 112 45

202

9

100,1880.200 0.261 0.306 0.162 0.450 117 45

203

0

104,1950.200 0.261 0.306 0.162 0.450 121 44

203

1

108,3630.200 0.261 0.306 0.162 0.450 126 43

합계 462

표 30 집적형 극고소비전력 나노 광원 기술 편익 분석 - 시나리오 1(단위 : 억원)



고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술 편익분석


- 본 과제는 3단계로 고속 스위칭 나노포토닉스 연구, 완전광 스위칭 연구, 신물질

연구를 통하여 고집적 초고속 나노 포토닉스 소자 기술 개발 단계별로 2단계가

끝나는 시점에서 고속 광스위칭 소자의 2018년 시장진입을 추진하고, 이후 3년

동안 소자의 신뢰성 및 기술 이전 단계를 거쳐 사업이 끝나는 시점인 2022년을


- 71 -

년도

관련 제품 시장규모

(Info-communication

시장)

Target 제품 시장규모

(고집적 초고속 나노포토닉스

시장)

Target 기술 시장규모

(고집적 초고속

나노포토닉스 기술)20092010 1,673,0002011 1,875,4332012 2,102,3602013 2,356,7462014 2,641,9122015 2,961,5842016 3,198,5102017 3,454,3912018 3,730,7422019 4,029,2022020 4,351,5382021 4,699,6612022 5,075,634 507,563 101,5132023 5,278,659 527,866 105,5732024 5,489,806 548,981 109,7962025 5,709,398 570,940 114,1882026 5,937,774 593,777 118,755

표 31 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술 시장규모(단위 : 억원)

초고속 광스위칭 소자의 시장 진입시기로 결정하였음.


- (관련 시장규모) 전 부품 전체 시장은 2002년부터 연평균 10.9%의 성장을 이루어

왔으면 현재 5,440억불에서 매년 12.1%의 성장이 기대되며 2015년에는 9,680억

불에 이르는 거대 시장이 형성될 것으로 예상되는 가운데 광전 부품 시장 전체에

서 Info-communication 시장이 1,673억불 수준으로 나타남15). 2011년 이후 연평

균 성장률(CAGR)은 2011~2015년까지는 12.1%, 2016~2022년까지는 8%, 2023

년~2031까지는 4% 적용하여 시장 규모 추정함.

- (Target 제품 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 광전 부품 시장 전체

에서 Info-communication 시장에서 고집적, 초고속 나노 포토닉스 소자 시장규모

는 10%를 차지할 것으로 예상하여 시장규모를 추정함.

- (Target 기술 시장규모) 기획위원회 전문가 의견을 바탕으로 광부품 시장은 2010

년을 기점으로 2014년까지 연평균 28% 이상 증가로 100억불 수준의 시장이 형

성될 것으로 전망되고 광통신용 광부품 이외의 나노광원 신규 시장을 고려할 때

전체 광전부품의 ITC(Information Technology communication)제품에서 본 기술의

기여도는 20%로 추정하여 Traget 기술 시장 규모를 추정함.

15) "Optoelectronic world market", OITDA/JAPAN

- 72 -


연도

Target기술

시장규모

한국시장점유

율

부가가치율

R&D기여도

사업화

성공률

사업화기여율

편익

할인율

편익PV

202

2101,513 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 118

5.5%

66

202

3105,573 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 123 65

202

4109,796 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 128 64

202

5114,188 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 133 63

202

6118,755 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 138 62

202

7123,506 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 144 61

202128,446 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 150 60

표 32 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술 편익 분석 - 시나리오 1

(단위 : 억원)

2027 6,175,285 617,528 123,5062028 6,422,296 642,230 128,4462029 6,679,188 667,919 133,5842030 6,946,356 694,636 138,9272031 7,224,210 722,421 144,484

o 시장점유율




o R&D 기여도 = 30.6%





음.


- 73 -

8202

9133,584 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 156 59

203

0138,927 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 162 58

203

1144,484 0.200 0.261 0.306 0.162 0.450 168 58

합계 616



□ (종합) IT 분과 기술- 전체 Target 기술 편익 종합

o IT 분과 기술 - 예시로 선정된 2개 Target 기술에 대해 시장점유율 시나리



집적형 극소소비전력 나노 광원 기술 462고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술 616

합계 1,078

표 33 IT 분과 기술 편익 분석 - 시나리오 1

(단위 : 억원)



합계 1,346


(단위 : 억원)

- 74 -



합계 1,615


(단위 : 억원)

9.2.1.1.4 나노 포토닉스 원천기술 개발사업 비용 편익 종합 (3대 분야 종합)

(가) 나노 포토닉스 원천기술 개발사업 편익 분석결과 (요약)

시나리오 1 (보수적 시장점유율)구분 편익 PV

BT 분과 기술 851GT 분과 기술 1,003IT 분과 기술 1,077

합계 2,931

표 36 시나리오 1(보수적 시장점유율) 편익

시나리오 2 (평균적 시장점유율)구분 편익 PV

BT 분과 기술 1,134

GT 분과 기술 1,459

IT 분과 기술 1,346

합계 3,939

표 37 시나리오 2(평균적 시장점유율) 편익

- 75 -

시나리오 3 (희망적 시장점유율)구분 편익 PV

BT 분과 기술 1,417

GT 분과 기술 1,915

IT 분과 기술 1,616

합계 4,948

표 38 시나리오 3(희망적 시장점유율) 편익

(나) 나노포토닉스 원천기술 개발사업의 경제성 분석 결과

구분비용 PV

(Cost)편익 PV(Benefit)

B/C Ratio

Scenario 1 1,769 2,931 1.66

Scenario 2 1,769 3,939 2.23

Scenario 3 1,769 4,948 2.80

표 39 B/C ratio 분석 결과

(단위 : 억원)

- 76 -

9.2.1.2 경제적 파급효과

가. 경제적 파급효과의 개요

□ 나노 포토닉스 원천기술 개발사업에 따른 경제적 효과를 정량적으로 추정함

으로써 나노 포토닉스 원천기술 개발사업이 계획대로 추진되었을 때를 예상

하여 국가 경제에 미치는 경제적 효과를 효과적으로 제시하고자함.

□ 본 경제적 파급효과 분석에 대한 기본적 가정은 아래와 같음.

o 경제적 파급효과 분석기간은 10년으로 설정.

- 혜택기간은 본 사업의 성과로 개발되는 각 원천기술의 사업화 성과가 발생되는

시장진입시기 2022년부터 2031년까지 10년으로 한정함.

o 경제성 분석에서 사용한 3개 분과의 시장자료를 각각 이용

- 2022~2031년까지 추정한 세계시장과 국내시장 점유율을 이용하여 국내시장규모

도출

o 한국은행 ‘2008년 산업연관표 작성결과’에서 유발계수 도출

- 선정 산업에 대한 유발계수 값은 아래와 같음.

계수 계수값 구분

생산유발계수 1.863 전기 및 전자기기

부가가치유발계수 0.499 전기 및 전자기기

취업유발계수 2.2176 전자기기부분품

표 40 선정 산업에 대한 유발계수 값

□ 파급효과는 국내 시장규모에 각 계수(생산유발계수, 부가가치유발계수, 취업

계수)를 곱하여 산출

파급효과의 계산

편익 = 국내시장규모 × 계수(생산유발계수, 부가가치유발계수, 취업계수)

- 77 -

나. 경제적 파급효과 분석

□ 나노 포토닉스 원천기술 개발 사업은 BT 분과, GT 분과, IT 분과 등 3개 분

야에 대한 경제적 파급효과를 분석하고자함.

9.2.1.2.1 BT분과 기술의 경제적 파급효과 분석

o BT 분과의 Target 기술 시장의 세계 시장 자료에 국내시장 점유율을 이용하

여 국내시장 규모를 도출하고 아래와 같이 생산유발효과, 부가가치유발효과,

취업유발효과를 도출

o 생산유발계수 및 부가가치유발계수 : 1.863(전기 및 전자기기)

o 취업유발계수 : 2.2176(전자기기 부분품)

구분 2022년 2024년 2026년 2028년 2030년

세계시장 161,246 185,983 214,787 248,373 287,587

국내시장 32,249 37,197 42,957 49,675 57,517

생산유발효과 60,080 69,297 80,030 92,544 107,155

부가가치유발효과 16,092 18,561 21,436 24,788 28,701

취업유발효과(명) 6,861 7,914 9,140 10,569 12,237

표 41 BT 분과의 파급효과 분석

(단위: 억원, 명)

o BT 분과의 원천기술 개발로 인해 2030년에는 약 10조 7천억원의 생산유발

효과가 나타나고 약 2조 8천억원의 부가가치 유발효과가 나타날 것으로 분

석되며 약 12,000여명의 일자리 창출이 이루어질 것으로 분석됨.

9.2.1.2.2 GT분과 기술의 경제적 파급효과 분석

o GT 분과의 Target 기술 시장의 세계 시장 자료에 국내시장 점유율을 이용

하여 국내시장 규모를 도출하고 아래와 같이 생산유발효과, 부가가치유발효

과, 취업유발효과를 도출



- 78 -

구분 2022년 2024년 2026년 2028년 2030년

세계시장 286,650 320,250 353,850 387,450 421,050

국내시장 45,864 51,240 56,616 61,992 67,368

생산유발효과 85,445 95,460 105,476 115,491 125,507

부가가치유발효과 22,886 25,569 28,251 30,934 33,617

취업유발효과(명) 9,758 10,902 12,046 13,189 14,333

표 42 GT 분과의 파급효과 분석


o GT 분과의 원천기술 개발로 인해 2030년에는 약 12조 5천억원의 생산유발

효과가 나타나고 약 3조 3천억원의 부가가치 유발효과가 나타날 것으로 분

석되며 약 14,000명 이상의 일자리가 창출될 것으로 분석됨.

9.2.1.2.3 IT분과 기술의 경제적 파급효과 분석

o IT 분과의 Target 기술 시장의 세계 시장 자료에 국내시장 점유율을 이용하

여 국내시장 규모를 도출하고 아래와 같이 생산유발효과, 부가가치유발효과,

취업유발효과를 도출



구분 2022년 2024년 2026년 2028년 2030년

세계시장 177,647 192,143 207,822 224,780 243,122

국내시장 44,412 48,036 51,956 56,195 60,781

생산유발효과 82,739 89,491 96,793 104,691 113,234

부가가치유발효과 22,161 23,970 25,926 28,041 30,330

취업유발효과(명) 9,449 10,220 11,054 11,956 12,932

표 43 IT 분과의 파급효과 분석


o IT 분과의 원천기술 개발로 인해 2030년에는 약 11조 3천억원의 생산유발

효과가 나타나고 약 3조원의 부가가치 유발효과가 나타날 것으로 분석되며

약 13,000여명에 달하는 일자리가 창출될 것으로 분석됨.

- 79 -

Part II. 기술 분야 세부 R&D 기획

제 1 장 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스

기술

1. 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술의 미

래상


o mW구동 마이크로 사이즈 나노광원, 다채널 초소형 WDM광원, 3D집적화된

인터커넥션 모듈, 테라헤르츠 인터커넥션을 활용한 광대역 무선기반, 바이오

센싱기술, 광PN다이오드를 활용한 광논리소자, 광대역 맞춤형 광메타물질,

광논리소자, 그래핀 특성을 활용한 신개념 광소자 기술들이 하나의 나노 포

토닉스 플랫폼에 융합되어 한 개의 소자가 인간이 삶을 유지 하는 모든 기

능들을 제어, 처리, 공유하도록 하여 일하면서 즐기고, 아픔이 없는 삶을 유

지하고, 함께 하는 사회로 발전할 전망임

o 광대역 광 및 테라헤르츠 인터커넥션 기술 개발로 개인이 1Gbps이상의 무

선 데이터와 100Gbps급의 유선 데이터를 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

기술의 개발로 지금까지 경험하지 못한 Ultra-HDTV를 대화면으로 압축되지

않은 실시간으로 느낄 수 있고 교육, 컨퍼런스, 게임 등 매우 다양한 삶의

질을 바꿀 수 있는 신기술 등을 경험 할 수 있을 것으로 예측

그림 1-1 대용량 무선 인터커넥션 기술 개발에 따른 응용서비스 개념도

- 80 -

o 대용량, 고효율 광인터커넥션 기술을 접목한 휴대형 supercomputer의 출현:

미래 컴퓨터는 nano 기술의 적용으로, 현재 super computer급 연산용량을

갖는 컴퓨터가 2020년경에는 휴대형 컴퓨터 규모로 축소될 것으로 예상. 수

십 Peta flops의 연산속도로, 인간 뇌에 해당하는 용량의 컴퓨터 기능이 손

안의 크기에 들어가는 모듈형 컴퓨터가 등장할 것으로 예상.

- Smart phone의 진화: 고성능 시스템의 소형화로 인해, 컴퓨터, 멀티미디어

기기, 디스플레이, 통신기기간의 경계도 무너져 궁극적으로는 휴대형 초소

형 컴퓨터로 merging 될 것으로 예상.

- 이러한 대용량 소형 기기의 데이터 수송은 photon 수송으로 가능하며, 광

인터커넥션 기술이 시스템 창출의 핵심기술이 될 것임.

그림 1-2 대용량 광인터커넥션 기술 발전 전망도

o 미래 사회에는 유비쿼터스, 친환경, 정보화라는 변화를 중심으로 인간 개인

에 대한 서비스가 가속되어질 전망이다. 이러한 변화에 따라 가볍고 휴대가

용이한 flexible, stretchable, portable 정보화기기가 중점적으로 개발될 것이

다.

- 그래핀의 우수한 전기적, 기계적, 광학적 특성에도 불구하고 대량 생산의

어려움을 겪고 있어서 산업화, 응용화에 어려움을 겪고 있으나 실용화 기

술이 개발된다면 매우 다양한 응용영역에 활용이 예상되고 미래 산업 전반

에 영향을 끼칠 것으로 예상

- 평상시에는 손목에 감고 있다가 전화가 오면 펼쳐서 통화하는 기술, 크기

를 자유자재로 할 수 있을 뿐 아니라 휘어지거나 접을 수 있는 디스플레이

를 구현이 제공 해 줄 미래 삶의 변화를 예견 할 수 있음

- 81 -

그림 1-3 (왼쪽)노키아 손목형 휴대폰 (오른쪽)성균관대 휘어지거나 접을 수 있는 디스플레이 개념도.

o 실리콘 포토닉스 기술 발전으로 On-Chip 광신호 처리 플랫폼 기술이 고효

율, 저전력 구동, 대용량, 친환경 그린 기술로 가능하여 한 개의 소자가 시

스템을 대체하는 사용자는 내부 기능을 몰라도 시스템이 모든 것을 알아서

처리하여 주는 지능형으로 발전 할 전망

- 광섬유로 연결되어 있는 광 라인카드로 구성된 시스테을 보여 주고 있으나

미래 신기술 개발로 한 개의 소자로 대신할 수 있다는 개념도(출처: EU

Silicon Photonics Cluster, Platon 라우터 개념도)

그림 1-4 대용량 라우터 기능을 한 개의 고집적 실리콘

포토닉스 칩으로 구현하기 위한 개념도.

o Intel, IBM 등 세계의 주력 반도체 제조회사는 기존의 electrical chip의 속도

증가에 한계를 느끼고, 광으로 시그널 프로세싱이 가능한 칩 개발에 주력함.

또한, optomechanics 기술의 특징인 저에너지 대비 고비선형성을 활용하면

optical 고속 스위칭 소자, optical delay 소자, add/drop filter, 초소형 광원

등의 구현이 가능할 것으로 기대되면서 optical 시그널 프로세싱 칩이 가까

운 시일 내에 개발될 것으로 예상되어 미래 사회 삶의 패턴 변화의 중심으

- 82 -

로 기여 할 것으로 예상함

1.2 시장 규모 및 전망

o 전 세계 광 네트워크 시스템 시장 규모는 2014년 200억불 이상의 규모가

형성될 것으로 예상되고 지역적으로 아시아 태평양(AP) 지역의 급신장을 보

여 주고 있다. 이는 인구밀도가 높은 아시아 지역에서 액세스망의 수요가

급증하기 때문이다. 주목할 만한 것은 390억불 수준의 2009년 4분기시장

통신시스템 revenue에서 2009년 52% 수준이 모바일 캐리어에 의한 것으로

모바일 수요가 급증하고 있음을 보여고 있음 (출처: Ovum 2009)

그림 1-5 광네트워크 장비 시장 지역별 규모, (OVUM 2009)

o 광통신 시장에서 매우 중요한 부분인 광부품 시장은 2010년을 기점으로

2014년까지 연평균 28% 이상 증가로 100억불 수준의 시장이 형성될 것으

로 전망되고 광가입자망의 급격한 증가가 진행되고 있는 점을 감안하면

2016년 이후부터는 15%이상의 예상되고 2022년 이후에는 인프라 구축이

완성되는 시점으로 5%로 예측됨 (자료; Ovum 2009)

o

그림 1-6 < 세계 광부품 시장 예측, OVUM 2009 >

- 83 -

o 광전 부품 전체 시장은 2002년부터 연평균 10.9%의 성장을 이루어 왔으며

현재 5,440억불에서 매년 12.1%의 성장이 기대되며 2015년에는 9,680억불

에 이르는 거대 시장이 형성 될 것으로 예상되고 고용유발효과가 큰 미래

지향 핵심 기술임

그림 1-7 Optoelectronic world market(in billion USD) - 자료: OITDA/Japan

o 투명 디스플레이의 핵심 소재인 투명전극 ITO 필름의 자원 고갈 및 자원보

유국의 자원무기화로 최근 들어 급격한 가격 상승이 진행되어 단일 소재가

차지하는 시스템 구성 비율 중 주요 요인으로 고려되고 있음

- Displaybank의 2008년 조사에 따르면 ITO 소재의 2010년 시장규모가 70억

달러 수준으로 형성 될 핵심 소재이나 제한적인 ITO 자원, 약한 내구성 등

으로 탄소나노튜브, 전도성고분자, 그래핀 등이 ITO 대체 기술에 관한 치열

한 기술 경쟁이 진행중에 있음

2008 2009 2010 2011 20120

1

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6

Mar

ket (

Billio

n $)

? ? (year)

Market Size

그림 1-8 2008년 터치스크린 세계시장 규모

- 84 -

o 투명광소자를 이용한 스마트 창, 스마트 쇼윈도, 투명내비게이션 등 투명 IT

기기는 2010년부터 시장을 형성하여 2015년에 200억 달러 규모로 급성

장될 것으로 예측된다. (자료: DisplaySearch 2005. 3., CLSA, Deutsche Bank, LG

전자 자체 분석)

그림 1-9 투명 디스플레이 시장의 전망

o Nanophotonics 기반 광인터커넥션 기술은 차세대 컴퓨터의 핵심기술로 부

각되어, 미국, EU, Canada, 일본, 중국 등 여러 나라에서 국가간 협력 또는

자국내 기업/대학/연구소들이 컨소시움을 구성하여 대형 사업으로 출범하고

있음.

- 미국은 DARPA UNIC (Ultraperformance Nanophotonic Intrachip

Communication) Program: SUN을 중심으로 Stanford, UC San Diego,

Carnegie-Mellon 대학들과 협동으로 "Nanophotonic interconnected

ultra-complex computing macrochip" 개발 중. (2008~, 100억원/년 x 5.5

년 규모)

- 근래 10여년에 걸쳐, DARPA EPIC (Electronic and Photonic Integrated

Circuits) Program 하에 MIT, Cornell 등 대학들과 기업의 협력으로 프로젝

트 수행한 바 있음.

- Intel (UC Santa Barbara 등과 협력, DARPA 지원), IBM (DARPA 지원) 등

에서 Si-photonic components, single-chip computer 개발을 진행 중임.

- 유럽에서는 European Commission, HELIOS (pHotonics ELectronics

functional Integration on CMOS) project: France, UK, Belgium, Germany

등의 19개 대학/연구소가 연합 Si-photonics 기술을 개발하고 있음.

- France는 국가사업으로 "Ultra-high speed optoelectronic devices for

optical interconnects" 프로그램을 Paris 11대학과 기업들의 협력으로 진

행하고 있음

- 85 -

o Nanoelectronics, nanophotonics 기술개발은, 위와 같이, 여러 나라에서 다

국가 간의 기업/대학/연구소들이 컨소시움을 구성하여 대형 사업으로 출범

하고 있고, 이들 국가들은, 반도체, 무선통신 단말기, 디스플레이 등의 산업

에서 국제적으로 앞서가고 있는 한국을 추월할 수 있는 호기로 보고, nano

기술 개발에 연합적인 투자를 하고 있음

- Photonic interconnection 기술은 기존의 시스템을 완전 대체하는 와해성

기술이므로, 이러한 연합은 우리 국가 산업이 무너질 위기감을 주고 있는

실정으로 효과적인 투자로 nano 시대의 경쟁력을 확보해야 하는 바, 국내

의 산학연 기관들이 협력체계를 구축을 구가 주도로 체계적으로 구축 단계

별 선택과 집중에 의한 연구를 펼칠 전략 수립이 필요함

o 미래 전자 산업의 최첨단 기술로서 차세대 모바일 기기, 디스플레이, 광컴퓨

터, 항공우주 산업, 의료, 생명공학, 환경 기술, 에너지 산업에 이른 전방위

분야에 나노 기술의 융합이 메가 트렌드로 작용할 것이다. 특히 나노 포토

닉스 기술은 저전력, 초고속 신호처리 및 정보 전송 시스템의 차세대 대안

기술 이며, 극소형 광원소자 및 광검출 소자는 나노 포토닉스 기술의 핵심

원천기술로 자리매김할 것이다.

o 광자와 nano-optical cavity간의 상호작용을 활용한 optomechanics 기술은

현재 EU의 Maxplanck 연구소, 미국의 Caltech 및 Stanford에서 진행 중이며

DARPA 와 NSF의 연구 기금으로 차세대 광시스템을 위한 대규모 연구 투

자를 진행 중임. 현재까지는 기초적인 연구를 통하여 optomechanic system

에서 양자역학적 성질을 규명하고 중력파 탐지를 위한 UHF 영역대에서

system 개발이 진행되어 왔으며, 향후 새로운 opto-RF conversion system

및 정밀 측정용 시스템, ultrafast laser, quantum information system에 응

용 가능한 특성들이 보고되고 있음.

o 파장보다 작은 크기에서 빛을 효율적으로 생성하고자 하는 초미세 반도체

광원 기술은 기존 레이저 및 LED에 비하여 크기뿐만이 아니라 다른 우수한

장점 들을 지닐 것으로 예상됨

- 매우 작은 모드부피로 말미암아 기존의 반도체 광원에 비하여 매우 높은

직접 변조 대역폭 (예: 50 GHz 이상)을 가질 것으로 예상되며, 이에 따라

고속 정보 전달을 위한 외부 변조기를 따로 사용할 필요가 없어짐

- 특히, nanoscale LED의 경우, Purcell 효과로 인한 spontaneous emission

lifetime의 감소로 기존의 한계를 뛰어넘는 초고속 동작이 가능할 것으로

전망

- 발광소자의 모드부피가 감소함에 따라 전력소모가 감소하고 변조속도가

- 86 -

증가하는 경향을 보이므로, 발광소자의 전체적인 크기와 함께 모드부피를

최소화하려는 노력이 필요함

o 미국의 Intel은 2007년부터 화합물 반도체인 InP 물질을 기반으로 하여 실

리콘 광도파로와 집적한 반도체 광원을 고속 광변조기와 함께 제작하여 40

Gbps 광 전송에 성공함

- 미국의 IBM은 2008년 이후 SOI (silicon-on-oxide) 웨이퍼에 AlGaInAs 화

합물 물질의 박막을 bonding한 hybrid laser 구조를 제안하고, micro disk

laser 등 소형 laser 구조들을 발표해오고 있음

o 2007년 네이처 포토닉스에 발표된 테라헤르츠 기술 로드맵에서 정보 통신,

반도체·나노 재료, Security, 바이오 메디컬, 농업·식품, 의료·의약, 환경 관련,

기타 계측기기를 이용한 각종 분석·측정·검사 등 직․간접적으로 활용이 예상

되나 THz시스템의 고가 및 크기로 인해 신산업으로의 활용이 제한적인 상

황으로 관련 기술 개발에 집중적인 연구개발을 투자하고 있는 실정임

o 투명 전극 외 테라헤르츠 광소자, 초고속 레이저, 초고속 광감지기, 그래핀

기반 LED 등 그래핀 광소자 기술은 세계적으로 아직 실험실에서 개별의 소

자를 구현하기 시작하는 개발 기초 단계이다. 현재 국내의 그래핀 합성 기

술은 세계적인 수준에 있으므로 이러한 그래핀 성장 기술을 기반으로 기술

진입 장벽이 높지 않은 다양한 그래핀 광소자 개발을 한다면 세계적으로

원천기술을 확보할 것이다.

o 실리콘 포토닉스의 잠재적인 큰 시장 규모와 혁신적인 기술적 가치로 인하

여 저자소자 기반의 컴퓨팅의 대표 기업들(Intel, IBM 등)이 실리콘 포토닉

스 기술 개발에 경쟁적으로 참여하고 있음

- 최근 Intel사에서는 모든 광소자를 실리콘 기판 위에 집적화한 실리콘 포

토닉스 기술로 40Gb/s 광연결 장치를 개발하였음.

- 87 -

그림 1-10 인텔사의 40Gbps TRx SiP 모듈

- 최근들어 10Gbps급 이상의 CMOS집적형 실리콘포토닉스 플랫폼 기술 개

발에 관해 경쟁적으로 발표를 하고 있는 실정으로 CMOS 칩상에 광플랫폼

제작 기술 성공을 IBM, 인텔, Luxtera등에서 발표됨

- 대기업 중심의 실리콘포토닉스 경쟁에서 상당부분 기술 경쟁력 확보에 어

려움이 있을 것으로 예측되고 단기간에는 단위 구성부품의 고효율화에 역

점을 두고 나노 포토닉스 연구에는 기존 실리콘 포토닉스기술과 차별화 할

수 있는 고집적 나노 포토닉스 광원, 3D 광인터커넥션기술, 신소재 기술이

융합된 인터커넥션 기술 개발이 바람직함

1.3 사업 개요: 사업의 정의 및 범위

○ “인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술”은 정보활용시대에서 누구나

나 손쉽게 어디서나 IT, BT, GT융합기술의 혜택을 받을 수 있는 정보공유시대 구축

을 위한 핵심 플랫폼 개발을 목적으로 함.

○ 정보 활용자에서 정보생성 및 공유자로의 패러다임 변화에 적극적으로 대응하여 미래

사회 수요기술을 적기에 개발하여 사회 인프라 구축을 추진하여 안적하고 쾌적한 삶

의 유지 하게하고 관련 산업의 경쟁력 강화 및 신산업 창출을 극대화를 하고자함

○ 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술에서 구현하고자 하는 주요 나

노포토닉스 기술을 정리하였음

- 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술

･ 빛의 파장보다 1/100이하로 작은 고집적, 고효율 나노포토닉스 광원 기술 개발은

금속광학을 광소자에 이용함으로써 파장 한계를 넘어서는 나노스케일 광소자 개발

이 가능 언제 어디에서나 광대역 광신호를 활용하고자 함

･ 광출력향상을 위한 coherent coupling 기법 및 나노레이저 어레이 구조 연구. 고효

율의 고속 변조가 가능한 LED 형 나노포토닉스 기반 광원 개발

- 88 -

･ 실리콘기판에 이종 반도체 물질 성장법을 활용 고효율 WDM 광원 및 LED를 개발

광인터커넥션의 광대역화 및 신개념 조명 기술을 개발

- 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술

･ Optomechanics 기술의 광양자 상호 작용을 이용한 고효율 비선형성에 관한 연구

를 나노포토닉스 기술에 적용하여 매우 작은 구동 전류에서 높은 이득과 높은 변

조속도 제공이 가능한 초소형 고집적화 on-chip 광연결 소자를 개발함

･ 실리콘/금속 메타구조로 4×10-12 cm2/W 이상의 Kerr 비선형계수를 갖는 광대역 메

타물질 및 1.55 마이크론 및 근적외선 이하의 동작 파장을 가지는 광대역 메타물질

개발

･ 광자의 charge와 reference energy의 부재 문제를 극복하기 위해 광학적, 전기적으

로 조절 가능한 photonic junction을 제안, 구현함으로써, 정밀하고 높은 민감도로

광자의 흐름을 제어할 수 있는 기술을 개발하고자 함

- 대용량 유무선 광인터커넥션 기술

･ Nanoelectronic 집적 소자와 연동된 3D grid의 photon routing 기술 구현으로 3D

광인터커넥션 기술을 적용한 peta b/s 급 interchip/intrachip 광 데이터 수송 기능

기술 개발

･ 나노포토닉스 기반의 인터커넥션 기술의 높은 광정렬도 한계 및 인간중심의 정보공

유 시대 구축에 필수적인 광대역 무선링크 기술인 테라헤르츠 광인터커넥션 기술

개발로 신개념의 100Gbps 이상의 무선 인터커커넥션 기술 제공으로 과학적, 산업

적, 사회적 파급효과 극대화가 가능

1.4 사업추진의 필요성

1.4.1 사업추진의 시의성

○ 광원의 크기 한계에 도전하는 나노광원 연구는 단시간에 성능향상을 통하여 산업화를

시킬 수 있는 기술이 아니다. 기존 광원의 한계를 돌파하기 위해서는 나노 광구조에

대한 근본적인 기초학문의 발전과 나노재료, 공정에 대한 고성능 장비 등 대량의 인

적, 물적 자원이 요구되며 장시간에 걸친 산,학,연의 체계적인 공동 접근이 필요하다.

10년 이내에 새롭게 형성될 나노광원 기반 시장의 선점을 위해서는 장기적이고 융

합적인 기술 개발을 지원할 수 있는 정부 주도형의 연구과제가 필수적임

○ EU의 Maxplanck 연구소를 비롯하여 미국의 Caltech 및 Stanford는 DARPA 와 NSF

의 연구 기금으로 차세대 광시스템을 위한 대규모 연구 투자를 진행 중이나,

optomechanics, 그래핀광소자, 광다이오드 등을 활용한 기초소재부터 응용시스템까지

체계적인 기술 개발은 미진한 상태임. 나노포토닉스 기술을 활용하면 고효율, 초고속,

고집적 특성을 쉽게 확보 할 수 있어 기존 기술을 와해할 수 있는 기술개발에 따른

파괴력이 큰 신규분야로 빠른 시일 내에 경쟁력을 올려야 나노포토닉스 시장의 경쟁

력을 확보할 수 있는 핵심 연구분야임

- 89 -

○ 데이터 트래픽의 급격한 증가추세 및 유무선 네트워크 통합에 따른 광대역 유무선 광

인터커넥션 기술 개발 필요성이 급증하고 있다. 기술 개발 장벽이 높아 관련기술 확

보를 위해서 선진국의 주요 연구기관들과의 치열한 경젱이 예상되어 체계적인 국가

주도의 관련 핵심 연구개발이 필수적임

1.4.2 정부지원의 필요성

○ 고효율, 고집적, 초고속 나노포토닉스 소재, 소자 기술 연구는 향후 폭발적인 데이터

증가 및 이에 따른 소비전력 증가를 보완할 수 있으며, 향후 개발될 양자 컴퓨터의

핵심 기술이 될 가능성이 크기 때문에 세계시장을 선점할 수 있는 미래유망 이머징

기술(Emerging Tech.)이며 ‘고위험, 고수익’ 핵심기술이므로 정부 주도의 연구투자가

필요함.

- 콘텐츠, IT기반 서비스 등 지식기반 서비스 산업의 기반산업으로 나노포토닉스 시장

뿐만 아니라 문화적․산업적 파급효과가 크므로 정부 주도의 연구투자가 필요함

○ 나노광원 기술은 나노기술을 기반으로 한 초고속, 대용량 정보처리를 위한 IT 나노광

소자 기술 중 하나로서 정보처리의 핵심 소자가 될 광원을 기존 소자의 크기한계보

다 수백 배 더 작게 만듦으로서 초고속, 극소소비전력, 고집적이 가능하여 차세대 광

원, 디스플레이, 조명등에 직접적인 활용이 예상되는 기술개발의 파급효과가 매우 크

나 높은 기술 개발 장벽으로 국가 주도로 체계적인 연구가 필수적인 미해 핵심 융합

기술임

1.4.3 상위계획과의 부합성

○ 나노포토닉스 기술 개발은 상위계획인 ‘제3기 나노기술종합발전계획’의 중점 나노기술

중에서 차세대 소자 기술에 해당하므로 상위계획과 잘 부합함을 알 수 있음

○ 본 사업 추진으로 나노포토닉스 소재, 소자 기술개발로 광대역, 고집적, 저전력 구동

소자 기술에 대한 원천기술 확보가 가능하여 과학기술적으로 세계 선도적 결과들을

창출하고 산업적으로 파급효과가 큰 핵심기술 확보가 기대됨

○ 선진국의 기술보호주의에 기술개발을 통한 장벽 해소에 적극적으로 활용이 가능하고

융합기술을 구성하는 핵심 플랫폼기술인 나노포토닉스에 관한 기술경쟁력이 융합기술

의 경쟁력을 결정하여 기술개발을 통한 미래 핵심 기술인 융합기술 시대를 대비

○ 초고속, 친환경, 병렬성 특성을 제공하는 광기술에 저전력 구동, 고집적이 가능하도록

하는 나노포토닉스 기술 개발은 기존 물리적 한계를 극복하는 한계 기술군들을 포함

하고 있어 관련 산업 활성화 및 전문 인력 배출에 직접적인 역할을 할 것으로 기대됨

1.4.4 기존 사업과의 차별성

○ 개별 연구기관 단위로 미소광원 연구는 수행된 바 있으나 금속-유전체 결합 구조를

기반으로 기존 광원의 물리적 한계를 뛰어넘은 획기적인 나노광원을 개발하고자 시도

- 90 -

는 지금까지 진행된 적이 없는 신개념임

○ Optomechanics 분야에 대한 원천기술을 확보하고 nanophotonics 기술의 융합을 통

하여 신개념 광집적 소자 기술을 개발하는 것으로, 현재 국내 어느 기관에서도 연구

되고 있지 않는 새로운 분야이며, 원천기술 연구를 통한 기반기술 경쟁력 확보 및 기

술 융합에 의한 고성능(초고속/저전력/집적화)의 새로운 광집적 소자(광스위칭 및 광

지연소자) 개발이 가능한 한 파급효과가 큰 차별적인 분야임

○ 개별 연구기관 단위로 미소광원 연구는 수행된 바 있으나 금속-유전체 결합 구조를

기반으로 기존 광원의 물리적 한계를 뛰어넘은 획기적인 나노광원을 개발하고자 시도

는 지금까지 진행된 적이 없는 신개념임

○ 테라헤르츠파 응용의 주요 내용인 테라헤르츠 영상, 분광 시스템 개발을 위한 기총녀

구들이 소규모로 진행되었지만 나노포토닉스 기반 테라헤르츠 인터커넥션 기술은 지

금까지 시도된 적인 없는 신기술임

1.4.5 사업추진상의 위험요인 및 대응방안

○ 나노광원의 구현을 위해서는 금속구조를 나노영역에서 미세하게 제어할 수 있는 공정

기술이 필요하지만 국내에서는 그러한 나노구조 제작에 대한 연구 역량이 아직 부족

하다. 한편 나노광원의 기반이 될 표면 플라즈몬 기술에 대한 연구는 활발하지만 대

부분 수동소자에 중점을 두고 있어서 광원개발에 대한 연구 기반이 거의 조성되어 있

지 않음

○ 세계시장을 선점할 수 있는 미래유망 이머징기술 (Emerging Tech.)이며 원천기술이므

로 산,학,연 협력을 통하여 원천연구 및 개발을 수행하고자 하며, 나노포토닉스 기술

은 대표적 융합기술이므로 기계공학, 고분자 공학, 물리학, 전자공학 등의 다학제 간

연구를 통하여 수행하여야 함

○ 나노포토닉스에 관한 선진각국의 연구개발에 대한 관점은 포토닉스 기술이 미래 사회

구축의 핵심 기술로 자리를 잡고 있고 환경, 에너지 등에서 기술 개발 필요성이 더

강조되어 나노포토닉스 기술개발이 미래 사회 경쟁력의 원천으로 최우선적인 연구개

발을 시도하고 있으나 국내에서는 단위기술 중심의 산발적 연구만이 진행되어 집중

적인 투자가 진행되고 있는 선진 국가들과의 기술격차가 점차 확대되고 있음

○ 고부가가치 기술 확보를 통한 작지만 강한 기술 중심의 기업 창출이 미래 국가 경쟁

력의 핵심 키워드로 고려되고 있는 시점에서 국가 주도로 선택과 집중으로 연구개발

체계 구축이 필수적이고 관련기술들이 대부분 초기단계에 머물러 있어 기술 진입장

벽이 높지 않아 집중적인 국가수준의 지원과 체계적인 연구전략을 통한다면 기술을

선점할 수 있을 것임

○ 선택과 집중으로 경쟁력을 확보하고 있는 연구분야부터 국내외 나노광소자 선두그룹

과 인력 및 기술교류를 통해 기술격차를 해소하기 위한 노력이 병행되어야 할 것임

- 91 -

1.5 국내외 주요 R&D 정책

1.5.1 미국

o DARPAs Chip-to-Chip Optical Interconnections(C2OI) 여러개의 칩간 통신

모듈 개발 연구를 진행중에 있다. Agilent가 (now Avago Technologies)

DARPA Parallel Optical Network Interconnect (PONI) project 이름으로 연

구를 진행하고 있으며 최근 30Gbps 트랜스미터를 개발하였음

(2.5Gbps/lane).

o 칩간 통신에서 칩내 통신을 목적으로 DARPA주관아래 Ultraperformance

Nano- photonics Intrachip Communications (UNIC) 2008년부터 프로젝터

가 진행중에 있음. Sun/Oracle, Kotura and Luxtera 공동연구로

"high-performance, CMOS-compatible photonic technology for

high-throughput, non-blocking and power-efficient intrachip photonic

communications networks." 연구개발중

o 미국의 국가 프로젝트는 DARPA/MTO (Microsystems Technology Office)가

TIFT(Terahertz Imaging Focal-Plane Technology)와 SWIFT(Sub-Millimeter

Wave Imaging Focal-Plane Technology)의 프로그램을 추진하고 있으며, 유

럽에서는 제5차 연구 개발 체제 이후 2004년부터 시작된 TeraNova 사업

종료 후 Teravision과 WANTED를 통합 발전시킨 프로그램이 진행중에 있고,

일본의 경우 비교적 작은 규모의 다수의 국가 연구개발등이 추진중에 있음

o NSF, NIST 등 유관 기관들의 협의체 주관의 Forum 'Nanoelectronics for

2020 and beyond (2010,2월)‘에서 반도체, 통신 기술의 한계 돌파를 위한

과제 5대 과제를 선정하고, 특히 대학을 중심으로 국내 연구소, 산업계의

Network 구성을 계획 중임. 공통의 Fund를 통해 장비, 인력을 제공할 예정

이며, 이를 통해 미국의 Nanoelectronics에 대한 leadership을 공고히 하고

자 함.

o National nanotechnology Initiative(NNI)에서 전체 비젼, 4개의 goal, 8개의

프로그램을 포함한 2011년 strategic plan을 발표하였음.

o 2012년 NNI예산을 발표했으며, 이에 따르면 멤버 기관들에게 지원할 예산

을 2.1억 달러이며, 특히 에너지 분야 Nanotechnology R&D 예산과

nanoscale device & system 분야의 예산을 크게 상향 조정 했음.

(http://www.nano.gov/)

- 92 -

1.5.2 일본

o 2040년까지의 일본 포토닉스의 정책목표는 “자연스러운 글로벌 정보공간의

창설”에 의한 쾌적하고 유쾌한 자연스러운 사회 실현에 공헌하는 것임. 자

연스러운 정보공간이란 인간이 발전하고 쾌적하게 살아가는데 필요한 정보

에 언제든지 어디에서든 접근 가능하고 그 방법도 어떤 지식이나 기능을

필요로 하지 않으며, 또한 입출력장치, 그리고 그 배후의 네트워크 등의 존

재를 전혀 느낄 수 없는 상황이 가능한 공간을 이야기함. 한 예로 HDTV는

물론이고 슈퍼 Hi-Vision 등의 고해상도 영상을 자유롭게 즐길 수 있는 환

경 등을 의미하며 이러한 것을 2020년부터 30년 안에 가능하게 하고자 하

는 연구 개발을 추진할 예정이며, 실현할 수 있는 구체적인 광네트워크를

구축하는 것을 목표로 하여 연구개발이 이루어지고 있음.

o 정보량 증가에 대응함에 있어서 현재의 소비전력을 유지하는 기술을 우선

시 하고 있음. 10년간 60배, 20년간 3000배 정도의 정보량이 증가할 것으로

예상하고 있으므로 소비전력은 10년간 1/60, 20년간 1/3000 수준으로 저소

비전력화를 달성하고자 함. 이를 실현하기 위하여 고기능, 고집적 광device,

칩간/칩내 광 interconnection, 초소형/고집적 광 나노집적회로 기술을 후보

기술로 검토하고 있음.

o 일본은 장기간에 걸친 꾸준한 기초연구 투자와 산 ‧ 학 ‧ 연 ‧ 관의 노력으

로 여러 가시적인 성과를 거두고 있음. 14명의 노벨과학상 수상자를 배출하

는 등 기초연구에 강점을 가지고 있으며, 이는 산 ‧ 학 ‧ 연의 고유 역할 및

협력시스템이 Top-down 방식의 관점에서 주요 사업을 추진하는 데 기인하

고 있음.

- PARC(Photonics Advanced Research Center, Osaka Univ)를 신설하여,

laser Raman microscopy, 전자빔 리소그래피 등 최신 장비를 갖추어 나

노포토닉스 분야 연구를 지원할 예정이며, advanced nanophotonics and

plasmonics 사이의 학제간 연구 촉진을 목표로, Osaka 대학과 여러 협력

회사 간 협업을 바탕으로 장기에 걸친 과학과 기술혁신을 추구하고 있음.

o 일본 총무성에서 2005년 테라헤르츠 기술을 10대 기간 기술로 선정 매우

다양한 기획 및 기초 연구들을 진행중에 있음. 신산업 기반THz 광학개발·프

로젝트, 안전한 사회 실현을 위한 THz파 기술연구개발, 위법 약물·위험물질

의 비파괴탐지 장치의 개발 등 산학연 중심의 연구개발이 진행중에 있으며

대표적 기관으로는 RIKEN, 오사카대학, NTT등이 관련 기술 개발에 집중적

인 연구개발을 추진중임

- 93 -

그림 1-11 일본의 나노포토닉스 기술개발 로드맵

1.5.3 유럽

o 2005년 유럽의회는 20세기 전자시대에서 21세기 포톤닉스 시대가 열릴 것

에 대비 Photonics 21 프로그램을 시작하였다. 고령화사회, 에너지효율, 기

후변화 문제등 우리들이 현재 당면하고 있는 과제들을 해결한 유일한 대안

으로 포토닉스 연구를 강조하고 있으며 4년간의 1차 연구전략 및 최근 2차

연구전략을 발표하였음

o 주요 연구분야는 Information and Telecommunication(ITC), 레이저 응용면

에서 Macufacturing and quality, Health care and life science, Lighting

and displays, Safety and security, Cutting-edge material and

technologies 영역을 포함하고 있는 미래 산업군 전체를 포함하고 있음

o 연구주제별로 세부 프로그램을 운영하고 하고 있으며 철저하게 컨소시엄을

구성하고 기술개발, 산업화 방안 등을 포함하고 있다. ITC분야에서 많은 관

심을 갖고 있는 실리콘 포토닉스 프로그램도 3000만 유로 연구비의 EU

Silicon Photonics Cluster를 구성하였으며 클러스터를 구성하고 있는 세부

과제를 정리하였음

- 94 -

그림 1-12 EU 실리콘 포토닉스 클러스터 구성과제표

o 테라헤르츠 고출력 단일 주파수 프로젝터로 DOTFIVE프로젝트가 최근 시작

되었다. 연구내용으로는 SiGe소형 반도체로 500GHz 테라헤르츠파 발생 및

검출 모듈 개발을 목적으로 하고 있으며 개발시 통신 및 영상 목적으로 활

용이 예상됨

1.5.4 국내

o 범부처 공동(‘05.12)으로 작성된 나노기술종합발전계획(‘06～15’)에 대하여

제2기 성과분석 및 제3기 비전/목표/중점추진전략 검토 중

- 제 3기 나노기술종합발전계획(‘11～20’) 부분에 수정․보완 예정

- 2015년도 세계최고수준 실용화 30대 기술 나노소자 분야에 나노화합물반

도체광소자, 나노실리콘광소자, 나노광결정광소자 포함됨

o 최근 (2011년 2월) 지경부에서는 100대 전략제품 선정을 위한 123개 후보

기술을 발표하고 추가 검토와 업계 의견 수렴을 통하여 4월에 확정할 예정

- 후보 제품군에 정보통신산업의 정보전자 디바이스 분야(14개 제품)에 광

연결플랫폼, 레이저핵심부품이 포함됨.

o 최근 (2009년 10월) 교과부에서 나노원천기술개발 중기전략(안)이 수립

- 기본 R&D 방향을 기초 원천 연구 투자 확대, 그린나노기술 연구 역량 강

화, 나노기초 원천 실용화 기술 주기 완성 등으로 정함

- 7대 R&D 연구분야(나노융합소재, 물성평가해석, 안전성평가, 차세대나노

- 95 -

소자, 나노공정장비, 나노바이오, 나노에너지)를 선정함.

- 7대 R&D 연구분야의 하나인 나노융합소재에 나노광소재 포함됨.

o 나노기술의 산업화 연계 지원 및 기업체 투자 유도를 위해 지경부/교과부

공동으로「나노융합산업 발전전략」수립 추진 중

- 조속한 산업화를 위한 산업계 수요 중심의 기술개발 시스템 구축 등

- 교과부는 자체 종료과제 중 유망기술 및 우수기술에 대해 기술 이전 및

사업화가 가능토록 연계지원

1.6 기술개발동향

o 나노레이저 기술은 최근 5년간 주요 연구 선진국에서 집중적으로 연구되고

있으며, 학문적 진보성과 응용 가능성을 동시에 만족시키는 주제로서 학계

와 산업체 모두에서 다양한 연구결과를 발표하고 있음

- KAIST 물리학과에서는 지난 2004년 상온에서 동작하는 photonic crystal

전류주입형 레이저를 세계 최초로 시연하여 Science 지에 발표함 (그림 a

참조)

- 네덜란드의 TU of Eindhoven 대학은 KAIST 물리학과와 공동으로 2007년

에 금속으로 표면을 둘러싼 파장보다 작은 크기의 모드 부피를 갖는 전류

주입형 반도체 레이저를 세계 최초로 시연하여 Nature Photonics 지에 발

표함 (그림 b 참조)

- 미국의 UC Berkeley 대학은 반도체 nanowire를 사용하여 파장의 한계를

뛰어넘는 plasmon laser를 2009년 말에 Nature 지에 발표함 (그림 c 참조)

그림 1-13 a) 상온에서 동작하는 photonic crystal 전류주입형 레이저, b) 금속으로

표면을 둘러싼 파장보다 작은 크기의 모드 부피를 갖는 전류주입형 반도체 레이저, c)

nanowire를 사용하여 구현한 파장의 한계를 뛰어넘는 plasmon laser

o Nanophotonics 기반의 광인터커넥션기술은 주로 Si-photonics 연구가 주류

이며, Si 기반의 광소자 집적 실현을 위한 창의적인 구조들이 활발히 발표

- 96 -

되고 있음.

- Intel에서 CMOS compatible 공정으로 photon modulator를 구현하여

Nature에 수편의 논문을 발표하여, Si-CMOS nanoelectronic 기술로

nanophotonic 소자 집적까지 가능함을 보여주었고, 대용량 nano chip 컴

퓨터 실현의 길을 열어주었음.

- Cornell Univ와 IBM에서도 Si 기반의 ring resonators를 Nature에 발표하

여, 광스칭 소자를 nano scale로 집적 가능함을 보여 주었고, nano chip의

고집적화의 길을 열어주었음.

그림 1-14 a) CMOS compatible 공정으로 photon modulator를 구현, b)

Si-CMOS nanoelectronic 기술로 제작한 nanophotonic 소자 c) Si 기반의

ring resonators

o Cavity Optomechanics: Back-Action at the Mesoscale, Science 29 August

2008: Vol. 321 no. 5893 pp. 1172-1176 이 연구에서 back-action of

photons caused by radiation pressure 가 quantum limit까지 접근하였으며

radiation pressure 가 optomechanical dynamics 서로 상호 작용하는 원리

를 바탕으로 향후 혁신적인 측정장치가 가능함을 보여주었다.

그림 1-15 광압을 이용한 Cavity Optomechanics

o 2009년 nature photonics에서 Tunable bipolar optical interactions

between guided lightwaves의 논문에서 두 개의 광도파로 사이에 gradient

force에 의해 각기 상이한 광압에 의해 진동 모드가 생기는데 이것을 이용

하여 소자로 이용할 수 있음을 입증함.

- 97 -

그림 1-16 Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves

o 전자산업의 PN Junction 구조는 다이오드, 트랜지스터 등 전자산업의 기초

소자들을 구현하도록 함으로써, 현재의 산업발전에 초석이 되었으며,

Junction 개념의 확장은 나노튜브, 그래핀, 스핀트로닉스 등으로 확장되어

널리 활용되고 있음.

- 네덜란드 Delft 대학과 미국 Bell 연구소에서는 탄소나노튜브에서 분자간

junction을 구성하여 다이오드 효과를 관찰하였고 이를 1999년 Nature에

발표함 (그림 1-16A 참조)

- Harvard 대학에서는 2007년 그래핀 PN junction에서의 quantum Hall

effect를 Science지에 발표함 (그림 1-16B 참조)

- 일본 AIST 에서는 2005년 magnetic tunneling spin junction을 구성하고

전류에 의한 spin torque 현상을 이용하여 spin diode를 구현한 결과를

Nature에 발표함 (그림 1-16C)

o 광 영역에서의 Junction 구조는 아직 제안된 바 없으나, 위에 열거한 수준

들의 개념 확장과, 나아가 차세대 광집적회로 기반 전광신호처리를 실현하

기 위해서는 필수적 개념으로, 현재 활발히 연구되고 있는 여러 소자 (스위

치 / 다이오드 / 논리소자)들의 한계치를 극복할 수 있는 접근방식이 될 수

있음 (그림 2)

o THz파원 및 검출기술에 관한 매우 다양한 연구결과들이 개발되어 최근

Nature지, Nature Photonics, Sceience에 논문 게재 수가 급격히 증가하고

- 98 -

그림 1-17 A) 탄소나노튜브에서 분자간 junction을 구성하여 다이오드 효과를 관찰 B) 그래

핀 PN junction에서의 quantum Hall effect. C) magnetic tunneling spin junction을 구성,

전류에 의한 spin torque 현상을 이용하여 spin diode를 구현있는 기술 분야로 현재까지 대부분 이 고효율 테라헤르츠파 발생 및 검출

기술 관련이 다수를 차지

- THz 갭 영역에서 0.1 ~ 3THz 영역의 응용성이 점차 증가하고 있음. 그 이

유로는 Homeland security 이후 기술개발의 필요성이 많이 증대된 비접촉

이미징분야, 그리고 무엇보다도 많은 주요 분자들의 진동 및 회전 공명주

파수가 이 영역에 걸쳐있기 때문에 의료 진단, 환경 계측, 식품 검사,

DNA/RNA분석, Security 시스템 등 매우 광범위한 응용영역으로 경쟁력 있

는 파원기술 개발이 매우 시급한 상황임

- 2010년 Nature 포토닉스 “Monolithically integrated solid-state terahertz

transceivers” 및 2010년 Science 지의 “Microcavity Laser Oscillating in a

Circuit-Based Resonator” 게재된 논문의 주요 기술 내용은 초소형 테라헤

르츠 트랜시버 기술 개발에 관련된 것으로 초소형, 고효율 테라헤르츠 핵

심 기술 개발 수요의 필요성 보여 주고 있음

- THz 인터커넥션 개념은 아직 성숙되어 있지 않고 300GHz 반송주파수를

활용하여 오디오 비디오 전송 시현을 보이고 있는 실정임

o 2005년 Nature vol438, pp.197에서 맨체스터대 가임교수의 논문과 동일 볼

륨 pp.201의 콜롬비아대 김필립 교수에 의해 흑연으로부터 그래핀을 기계

적으로 박리하여 물리학적으로 2차원 상태의 물질을 구현하는데 성공했다.

이를 통해 그래핀의 현실적 구현을 세계최초로 성공하여 기존의 전자소재

를 대체할 꿈의 신소재 그래핀을 선보였다.

o 2009년 Nature vol457, pp.706에서 성균관대에서 대면적 그래핀 합성기술

을 제시했고 역시 성균관대에서 2010년 Nature Nanotechnology 표지논문

으로 (vol.5, pp574) 대면적 그래핀의 대량생산 기술을 보고하여 이를 이용

한 터치스크린 제품을 시연했다. 이로서 그래핀 광소자 상업화의 가능성을

선보였다. (그림 1-18(a) 참조)

o 2009년 Nature Nanotechnology vol. 4, pp.839에서 IBM 연구소는 500GHz

의 초고속 광신호 변조가 가능한 그래핀 광감지기를 선보였으며 2010년

Nature Photonics vol4, pp.297에서도 역시 초고속 광감지기를 그래핀을 기

반으로 구현하였다. 이는 미래 정보화 사회의 기틀이 될 대량, 초고속 광정

- 99 -

보처리 소자로서 의미를 가진다. (그림 1-18(b) 참조)

o 2008년 Science, vol.320, pp.206에서 Wang는 그래핀 기반 발광소자의 가능

성을 보였으며 이는 적외선 영역에서 빛의 생성, 증폭, 측정 등에 있어서 새

로운 광소자의 가능성을 제시했다. (그림 1-18(c) 참조) 자외선에서 테라헤

르츠 영역까지 빛을 흡수, 방출하는 특성으로 광흡수체로 초고속 short

pulse 레이저 (그림 1-18(d) 참조)에 응용될 수 있다. 그리고 액정-폴리머와

그래핀을 결합하여 투명도를 제어할 수 있는 스마트 윈도우를 제작할 수

있다 (그림 1-18(e) 참조) 2010년 Nature Photonics vol. 4, pp.611에서 그래

핀 광소자의 응용가능성과 전망에 대해 다양하게 제시했다.

그림 1-18 a) 성균관대에서 2010년 발표한 대면적 그래핀 합성기술을 제시을 이용

하여 만든 터치스크린. b) IBM 연구소에서 발표한 500GHz의 초고속 광신호 변조가

가능한 그래핀 광감지기. c) Wang는 그래핀 기반 발광소자 d) 자외선에서 테라헤르

츠 영역까지 빛을 흡수, 방출하는 특성으로 광흡수체로 초고속 short pulse 레이저

e)그래핀 광소자의 응용가능성과 전망에 대해 다양하게 제시

- 100 -

2. 기술의 구조

2.1 기술체계도

n 대분류 (총괄과제명): 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술 개발

- Nano Photonic Technology for Human Friendly Information Society

n 중과제명:

제1 세부과제: 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술

제2 세부과제: 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술

제3 세부과제: 대용량 유무선 광인터커넥션 기술

n 세부기술(세부과제목표달성에 필요한 기술)

제1세부과제: 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술

- 파장의 한계를 넘어서 고밀도 집적이 가능한 subwavelength-scale 반도체

레이저

- 그래핀 기반 저전력소모, 극미세 전기구동 나노광원 연구

- Ultrafast laser using Quantum interaction cavity

- 실리콘 기반 고효율 WDM 광원 기술

제2세부과제: 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술

- 고효율 nano-optomechanics 광집적 회로 기술 연구

- Quantum interaction cavity NON-EO 초고속 광스위칭 소자기술

- 고기능성 단파장 광대역 메타물질을 활용한 고집적형 초소형 고속스위칭

소자기술

- Photonic Junction의 구현 및 이를 기반으로 한 초고속 전광 연산소자 기

술

제3세부과제: 대용량 유무선 광인터커넥션 기술

- 대용량 유선 광인터커넥션 기술

- 대용량 무선 테라헤르츠 인터커넥션 기술

(고감도 테라헤르츠 검출 기술 포함)

- 101 -

기술

명칭

중요도

가중치

현재기술수준 주요 시장요구사항미래

기술수준국내 벤치마크세계

최고주요 기술발전요인

제1세부

집적형

극소소비

전력 나노

광원 기술

나노반도

체

레이저

25

수정가

능

1000

fJ/bit

이상

일본 NTT

연구소

~200

fJ/bit

나노레이저의

에너지소모를 극소화하여

효율적인 정보통신

시스템의 구현100%

- 나노레이저

수준은 100

fJ/bit 이하

구현

- 레이저

집적도

~10(λ/n)3

달성

레이저의 모드부피를

최소화를 통한

광발생효율의 극대화

나노레이

저

크기의

극소화

기술

1000(λ/

n)3

이상

미국

University of

California,

Berkeley

~100(λ

/n)3

다수의 나노레이저를

고밀도로 집적하기

위해서는 레이저 크기의

소형화 기술이 요구됨

Electrical feed와 공진기

구조의 공동설계를 통한

나노레이저 크기 최소화

그래핀

나노

광원

25

100uA,

상온

펄스

발진

네덜란드 Tu

of

Eindhoven

대학

6uA,

저온77

K,

펄스

발진

저소비전력 구동 고효율

광원 (Ith:<1nA)

100%

- 레이저

문턱값은

1nA 이하

- 상온 발진

구현

높은 광투명도, 전도도

나노전극과 나노레이저

결합 기술 요구됨

100%

(상용레이저

대비 출력,

효율 동등

수준)

수정요망실리콘

기반

고효율

WDM

광원

기술

25 40 Intel, IBM

단일

파장

광원

배열을

이용한

4 채널

실리콘 기판 경제적

WDM 광원 및 고효율

LED기술

100%

- 16 채널

이상의

WDM 광원

- ~ps

수준의 실리콘 기판

표 1-1 각국의 기술수준 표

2.2 기술수준 및 도전과제

o 기술수준

- 102 -

WDM

transmi

tter

mode-locked laser

이종 소재 웨이퍼 스케일

본딩, 성장 기술

펄스폭을

가지는

실리콘

기판의

집적형

mode-locke

d laser

- 이종 물질

성장에 의한

실리콘 기판

LED

가중평균

기술수준100 37.5

제2세부

고집적

초고속

나노포토

닉스 소자

기술

고효율

nano-opt

omechan

ics 기반

광스위칭

기술

40 -Caltech &

Maxplanck

Q:

1*106

(1)완전광 기반 고속

광스위치 소자(1nsec이하)

(2)고집적 저전력 구동

100%

1nsec

구동속도,

uW

구동전력,

5*105 의

Q를 가지는

광스위치

소자

고집적 저전력 구동

Q Factor ≥ 5*105

단파장

광대역

메타물질

기반

고속

광스위칭

소자

30 50 KAIST, 한국 50

메타물질 기반 초고속,

고집적 광소자 기술100%

(1) 소형화, (2) 고속화,

(3) 저전력화

Photonic

Junction

구현 및

초고속

전광연산

소자기술

30 30

일본 NTT &

미국 Caltech

50

(P: 1W,

T:

50%,

Isolatio

n:

30dB)

(1) 저 전력 (< 10mW)

(2) 고속동작 (> 50GHz)

(3) 고 효율 ( > 90%)

(4) 로직기능 (Gate 등)

(1) 초저전력

(< 100uW)

(2) 고속동작

(> 200GHz)

(3) 고급로직

(Adder 등)

Photonic junction은,

광학/전기적으로 정밀하게

광자흐름을 제어할 수

있게하여 광논리 소자의

구현을 가능케 할 것으로

기대 가중평균

기술수준100 46.6

광학적, 전기적으로 조절

가능한 photonic

- 103 -

junction은, 정밀하고 높은

민감도로 광자의 흐름을

제어할 수 있게 함으로써,

각종 광논리 소자의

구현이 가능할 것으로

기대

제3세부

대용량

유무선

광인터커

넥션 기술

대용량

유선

인터커넥

션 기술

40 40 Intel, IBM 80

급증하는 데이터 트래픽

칩간, 칩내 처리 기술

필수

Si-CMOS 공정으로 구현,

열적안정성 확보,

광원과의 집적 필요,

100 %

- Photon -

interfaced

memory,

MOU 칩

등장Si-CMOS 공정으로 구현,

열적안정성 확보,

광원과의 집적 필요, 대용량

무선

테라헤르

츠

인터커넥

션 기술

60 30 일본, NTT 50

테라헤르츠 통신, 영상,

분광용 파원 및 검출

기술개발 필수

100 %

양방향

100Gbps

이상 무선

인터커넥션

기술

PIC기반 초소형, 고효율,

어레이형 테라헤르츠

인터커넥션 기술가중평균

기술수준100 55

o 2010년은 레이저 기술이 탄생한지 50주년이 되는 해로서, 학계와 산업계

모두에서 레이저의 크기와 소모전력을 줄이려는 노력을 경주하고 있음

- 2000년대에 광자결정레이저에 대한 연구가 본격적으로 시작되어 미세 영

역의 레이저에 비약적인 발전을 가져왔음

- 2010년에는 플라즈몬 레이저가 처음으로 실험실 수준에서 구현되어,

Nature 지에 2편의 논문이 보고됨

- 반도체 나노레이저 기술은 전 세계적으로 태동기에 있는 상태이며, 명확히

확립되어 있는 기술표준이나 구체적인 발전 로드맵이 작성되어 있지 않은

상태임

- 현재 파장 정도의 스케일을 갖는 나노레이저의 광출력은 nW 정도의 수준

으로서 직접적인 응용이 어렵고 이를 해결하기 위해 다년 간의 연구개발이

필요한 상태이지만, 연구가 성공했을 때의 파급효과를 고려하여 많은 세계

적으로 많은 연구팀이 연구를 진행하고 있음

o 고기능성 광대역 메타물질 및 적외선/가시광선 광대역 메타물질에 대한 이

론적으로 넓은 대역폭을 가지는 메타물질에 관해 그 가능성을 예측한 논문

이 발표된 바 있으나, 테라헤르츠 파장 대역에서 이를 실험적으로 증명한

논문이 2011년 초에 처음으로 발표되는 등 실험적으로 보고된 결과는 매우

소수인, 초기 단계이다.

- 104 -

- 고굴절율 외에 비선형성 등 다른 고기능성 메타물질에 대해서는 체계적으

로 연구되어 발표되어진 바가 없다.

- 적외선 및 가시광선 파장 대역에서 작동하는 광대역 광메타물질에 대해서

도 연구가 매우 미비하다.

- 일부 연구자들이 유전체들을 이용하여 광대역 “메타물질”이라 발표한 경우

가 있으나, 이로서는 고굴절율, 고비선형성 등 자연에 존재하지 않는 성질

을 얻을 수 없고, 단지 이미 존재하는 유전체들의 평균적인 성질만을 얻을

수 있어서 그 의미가 적다. 기존 광매질 시장을 혁신할 수 있는 연구가 되

기 위해서는 금속을 이용한 광대역 메타물질에 대한 연구가 절실하다.

o 그래핀 기반 저전력소모, 극미세 전기구동 나노광원 연구

- 전기/전자소자와 결합된 나노 광원을 개발하기 위해서는 현재 외부에서 광

펌핑을 이용하여 동작하는 나노광원을 전기로 구동시킬 수 있어야 함.

- 현재 마이크로/나노 레이저는 대부분 광펌핑으로 구현되어 낮은 광흡수 효

율로 인해 레이저 문턱값이 높음. 또한 작은 크기로 인한 발열문제로 상온

연속발진의 문제가 있으며 이로 인해 초고속 변조 나노 광원 구현에 어려

움이 있음.

- 몇몇 연구그룹에서 보고된 전기구동 극미세 레이저는 전극으로 사용하는

금속구조의 흡수/산란 손실로 인해 극저온에서만 동작하거나

subwavelength-scale로 초소형화하는 것이 어려움.

- 대형 디스플레이 장치에 투명전극으로 개발되고 있는 그래핀은

subnanometer-scale의 원자수준의 두께를 가지고 있으며 열전도도가 다른

반도체 물질에 비해 매우 우수하고, 투명도와 전도성이 높은 것으로 보고

되고 있음. 따라서 나노 전극으로 그래핀을 사용하면 발열문제를 해결하

고, 고효율 전기 구동 레이저의 구현이 가능할 것으로 예상됨

o 고효율 nano-optomechanics 광집적 회로 기술 연구

- On chip 광연결 소자를 개발하기 위한 첫 번째 어려움은 point to point

interconnection과 전기로 작동하는 내부 프로세서의 접속을 위한 E/O 변

환에 따른 많은 전력 소모와 파장 변환 지연속도 때문이다.

- 현재 광스위칭, 파장 gain 변환은 파장 변환을 위해서 희소 물질을 사용한

Er-doped fiber 혹은 비교적 최근의 Raman silicon amplifier를 이용한

Raman gain silicon laser 등이 있는데, 이것은 주로 parametric 비선형 원

리를 이용한다. 그러나 여전히 현저히 낮은 변조 주파수와 높은 전력 소모

량 및 다이오드 반도체 공정을 요구하므로 on chip 소자화에 많은 난관이

예상된다.

o 전자공학 기반의 초고주파 기술 개발 및 원적외선 포토닉스 기술 개발이

급격히 진행되고 있고 테라헤르츠 갭이라고 하는 0.1 ~ 10THz 주파수 대역

에서 타 기술과 차별화되는 응용성이 입증되었으나 적절한 부품 기술 미개

- 105 -

발로 선진 각국에서 테라헤르츠 갭을 채우기 위한 핵심 기술 개발에 치열

한 경쟁이 진행되고 있음

- THz 갭영역에서 0.1 ~ 3THz 영역의 응용성이 점차 증가하고 있음. 그 이

유로는 Homeland security 이후 기술개발의 필요성이 많이 증대된 비접촉

이미징분야, 그리고 무엇보다도 많은 주요 분자들의 진동 및 회전 공명주

파수가 이 영역에 걸쳐있기 때문에 의료 진단, 환경 계측, 식품 검사,

DNA/RNA분석, Security 시스템 등 매우 광범위한 응용영역으로 경쟁력 있

는 파원기술 개발이 매우 시급한 상황임

- 테라헤르츠 영상용으로는 고출력 테라헤르츠 파원 개발이 무엇보다 시급하

고 더불어 비냉각형 2차원 테라헤르츠 검출기 기술 개발을 위한 다양한 시

도들이 현 재 진행중에 있음

- 테라헤르츠 기술의 주요 응용중 하나인 테라헤르츠 분광기 개발을 위해서

는 광대역 주파수 가변형 테라헤르츠 파원 및 검출기 기술개발이 필수적

임. 현재 대부분이 펨토초 초단 펄스를 활용하고 호모다인 검출법을 활용

한 펄스형 테라헤르츠 시스템이 광범위하게 활용중이나 가격이 고가이고,

크기, 긴 데이터 처리 시간 등이 응용에는 제한적이라 실시간, 저가격, 초

소형 광대역 시스템을 기술 개발에 많은 노력들이 진행중에 있음

그림 1-19 Time domain THz 파 발생 개요도

o 액세스망의 확충에 이어 25Gbps 4채널로 구성된 시대 100GbE 광통신 시스

템 개발수요가 급증하고 있다. 유선망의 급격한 발전과 함께 무선링크 기술

확보를 위한 다양한 방식의 연구들이 진행되었음. 60GHz 반송파를 갖는

3Gbps급 이상의 무선 시스템이 개발되었으며 RoF(Radio over Fiber)개념으

로 반송주파수 120GHz시스템이 NTT에서 개발되어 2008년 북경올림픽 중

계에 시스템 시연이 있었고 더 높은 반송주파수를 갖는 테라헤르츠 통신

시스템 개발을 추진하고 있음

o 반도체 나노레이저 기술은 전 세계적으로 태동기에 있는 상태이며,

- 106 -

chip-scale에서의 광연결 시스템 구현을 위하여 향후 해결해야 할 주요 사

항들은 다음과 같음

- 나노레이저 구조의 초소형화 및 극저소비전력 달성을 위한 소자의 광손실

최소화

- 높은 전류밀도와 발열을 견딜 수 있는 효율적인 반도체 접합구조 개발

- 반도체 광원과 광도파로의 효율적인 광 결합 구조 달성 및 직접 변조 속도

의 최대화

- 고속 , 고효율 나노레이저 활성 물질 및 구조 연구

o 미래 나노포토닉스 플랫폼에서 요구될 초저전력 구동 및 고집적화를 위해

서는 빛을 빛으로 제어 할 수 있는 기술 개발이 필요하나, 최근까지 반도체

광증폭기 및 광섬유비선형 소자를 기반으로 한 완전광 소자에 대한 초기

수준의 연구결과들이 발표되었지만 나노스케일 수준에서 완전광 스위칭 기

술 개발에 대해서는 매우 초보적인 수준임

- Optomechanical device에 nanophotonics 기술을 응용한 광집적 소자 연구

필요

- 플라즈모닉스 cavity, 도파로를 이용한 optomechanic 시스템 개념 정립

- All-optical 스위칭 기술 개발

- 플라즈모닉스를 이용한 초소형 마이크로-나노 광인터커넥터 기술

- Photonic Junction을 이용한 나노 전광 다이오드 및 논리 소자의 구현

- 광대역 메타물질 및 그래핀 나노 광소자 기술

o Nanophotonics 인터커넥션 기술은 nanoelectronics 칩의 interchip,

intrachip 데이터 수송의 문제가 최근 들어 심각하게 부각되면서, 데이터 수

송을 electron에서 photon으로 전환시키려는 방향으로 진행되고 있고, 현재

Si-photonics 기반의 photon 인터커넥션에 대한 연구가 주류를 이루고 있

음.

- Si-CMOS compatible 공정으로 nano scale의 광도파로, 10Gb/s 이상 고속

광 modulator, 광 path switch/router, SiGe photodetector 등이 구현됨에

따라 Si 칩에의 적용 가능성에 많은 관심을 끌며 Nature 등에 발표되고 있

음.

- 이러한 구조들은 그 가능성 보여준 데에는 의의가 크나, nanoelectronics

칩과 함께 집적시키기에는 열적 안정성, 광전소자의 집적 공정화, photon

power 공급 등에서 해결해야할 많은 난제를 안고 있음.

- 이러한 난제로 인해, Si-photonics 기반으로 적용한 system은 아직 구현된

바 없고, Si-photonics 요소 소자에 대한 희망적 결과들과 multicore

processor interface에의 적용을 시도한 정도가 발표되어 있음.

- 현재 수준에서도 3x1010 이상의 transistor가 집적되고 있는,

- 107 -

nanoelectronic microprocessor chip 등에 고집적 칩에 optoelectronics 소

자/광도파로를 대규모로 집적시키는 것은 회로 설계와 공정 yield면에서 매

우 어려울 수 있음. 그 대안으로 고가도로처럼 photon 수송망을 chip 위에

분리시키는 3D 인터커넥션 구조를 창안하는 새로운 도전이 필요함. 또한,

nanoelectronics 칩은 배선 단축을 위해 3D multichip 구조로 발전되고 있

는 추세이므로, 광배선도 3D multichip에 적합한 구조로 연구되어야 함으

로, 3D 적층에 적합한 인터커넥션 구조를 창안하여야 함.

- 또한, 광소자의 소비전력과 집적 부담을 크게 줄이기 위해, electric power

의 중앙공급식 처럼, photon power를 중앙에서 공급하는 방식을 창안하는

새로운 도전도 필요함.

o 광논리소자의 기본인 광다이오드에 있어서 과거의 구현방식은 주로 자기

광학 효과 (Magneto-optical effect), 혹은 입/출력구조의 비대칭성을 활용하

였으나, 광자성체 구현의 어려움, 혹은 입출력구조 임피던스 부조화로 인한

낮은 투과도 (<50%) 및 높은 소모 전력 (~1W) 등으로 인하여 실제 구현에

는 어려움이 있어 왔음

- 전자 산업에서의 Junction구조는 접합면 부근의 급격한 potential변화를 전

기적으로 조절할 수 있도록 하여, 다이오드, 트랜지스터와 같은 기본적 전

자소자들이나, 보다 높은 수준의 복합소자들의 구현을 가능하게 하였으며,

최근 나노 튜브 구조, 그래핀 구조, 스핀트로닉스 등에서도 Junction 개념

의 도입 및 이를 이용한 소자의 구현이 활발히 진행되고 있음

- 이에 대비하여, 광자의 charge와 reference energy의 부재는 electrical

junction에 대응되는 photonic junction구조의 개발을 막아왔음

- 본 과제에서는 광학에 Junction 개념을 도입하여 기존의 광다이오드 구조

에서 해결하지 못하였던 낮은 성능 수준들을 일시에 해결하고 (80% 이상

의 투과도, 10~100mW 수준의 소모 전력), 이를 확장하여 각종 광논리소자

(전광 Half-adder, full adder 등)를 구현함으로써, 전광 논리 연산의 현실화

를 이루어낼 것을 목표로 함

- 108 -

o 도전과제

그림 1-20 본 연구의 진행 흐름도

o Chip-scale 광연결 시스템에 적용할 수 있는 나노레이저의 구현을 위하여

도전해야할 주요 과제들을 정리하였음

- 나노레이저 구조의 초소형화 방안 제시

- 극저소비전력의 달성을 위한 radiative loss, material loss의 최소화 방안

연구

- 나노레이저 내부의 높은 전류밀도와 발열을 견딜 수 있는 효율적인 반도체

접합구조 및 재료, 전류주입 구조의 개발

- 반도체 광원과 광도파로의 효율적인 coupling 구조 달성 및 직접 변조 속

도의 최대화

- 전기/전자소자를 구성하는 silicon 기판과의 효율적인 집적 방안 연구 및

새로운 개념의 optoelectronic hybrid architecture 제시

o 그래핀 기반 저전력소모, 극미세 전기구동 나노광원 구현을 위하여 도전하

여야 할 주요 과제들을 정리하였음

- 대형 디스플레이에서 그래핀을 전극으로 사용할 때와 달리, 극미세 레이저

에서 그래핀을 사용할 때에는 그래핀의 흡수손실에 의한 공진 모드의 품위

값, 파장 변화 등이 고려되어야 함. 현재 미세 공진기 구조에 그래핀 전극

을 결합한 구조는 현재 보고된 바가 없음. 원자 수준의 두께를 가진 그래

핀을 광학적으로 취급하기 위한 나노 광설계 기술의 개발이 요구됨

- 그래핀으로 인한 광손실을 최소화하고 전류주입을 최적화할 수 있는 전기

구동 나노 레이저의 광학적 설계와 나노 제작 기술이 필요함. 최종적으로

- 109 -

1nA 이하의 문턱값을 가지는 전기구동 나노 레이저 구현이 요구됨

- 나노입자와 광양자 상호작용 구조체의 나노 포토닉스 적용연구

o Optical interconnect 기술의 전송 용량 증가를 위해서나 향후 광기술에 의

한 병렬 신호처리 기술의 구현을 위해서는 실리콘 기판위에 효율적인

WDM 광원 구현이 요구됨

- 넓은 대역폭을 가지는 mode-locked laser나 incoheent 광원인 LED를

spectral slicing 하는 방식의 WDM 광원이 경제적인 대안이라 할 수 있음

- 실리콘 기판위에 mode-locked laser를 구현하는 연구는 아직 보고 된 바

없으며, wafer bonding 된 화합물반도체 층을 가지는 실리콘 기판에 구현

가능한 효율적인 saturable absorbing mirror를 구현하는 것은 쉽지 않은

과제이며, 적절한 mirror 구조 설계와 구현 방안에 관한 연구가 필요함

- LED를 이용한 WDM 구현에 있어서는, 실리콘 기반 상에 출력 파워가 충분

히 큰 LED를 구현하는 것이 요구되며, wafer bonding에 의한 LED 양자 효

율 제약을 극복하고 LED의 추출 효율을 증가 및 도파로와의 결합 효율 증

가 등의 문제를 해결하여야 함.

o 본 연구에서는 완전광 스위칭 소자 개발을 위한 주요 과제들을 정리하였음

- On chip 광연결 소자를 개발하기 위하여 point to point interconnection의

어려움과 전기로 작동하는 내부 프로세서간의 접속을 위한 E/O 변환에 따

른 많은 전력 소모와 파장변환 지연속도를 해결하고자 함

- Optomechanics 기술의 광양자 상호 작용을 이용한 고효율 비선형성에 관

한 연구를 나노포토닉스 기술에 적용하여 새로운 개념의 소자화 기술을 연

구함

- 현재 완전광 파장스위칭의 핵심인 파장이득 변환을 확보하기 위해서는 매

우 작은 구동 전류에서 높은 이득과 높은 변조속도 제공이 가능한 초소형

고집적화 구도 구현이 필수

o 본 연구에서는 초소형, 초고속 광스위칭 소자 개발을 위한 높은 비선형성을

가지는 광대역 메타물질의 개발을 위하여 도전할 주요 기술적 과제들을 정

리하였음

- 광대역 메타물질의 개념과 원리를 적용하여, 기존 매질의 비선형성을 두

크기 차수 이상 향상시킬 수 있는 구도.

- 현재 마이크로 웨이브와 테라헤르츠에 한정되어 있는 광대역 메타물질의

동작 가능 파장 대역을, 적외선과 가시광선 영역까지 확대한다. 이를 위해,

금속에 의한 광손실이 많은 이들 파장 대역에서도 작동하는 메타물질에 대

한 이론적 연구와 10 nm 수준의 나노제작공정기술을 확보함

- 110 -

o 본 연구에서는 저전력, 초고속 광연산소자 개발을 위한 Photonic Junction

구현을 위하여 도전할 주요 기술적 과제들을 정리하였음

- Photonic junction 구조의 광 다이오드 특성은 본 연구진에서 이론적으로

검증한 바 있으며, 특히, 소모전력에 있어서 이전의 1/1000 수준인

~20mW의 threshold power와 기타 우수한 특성(>30dB directionality,

~100GHz 대역폭, >90% 투과도)들을 가짐을 이론적 / 수치적으로 검증한

바 있음

- 본 연구에서는 이를 확장하여, multilevel photonic junction구조를 도입하

고, 이를 응용하여 하여 저전력 (<sub-W), 고속 동작 (>50GHz)이 가능한

전광 논리 연산소자 (half-adder / full adder)를 개발, 검증할 예정임

- 또한 본 연구에서는 위의 이론 / 수치적인 설계를 광결정 / 플라즈모닉 구

조 등 적절할 플랫폼에서 실제로 소자를 구현하여 검증하고자 함

o 나노포토닉스 인터커넥션 기술 구현을 위하여 도전해야할 주요 과제들은

정리하였음

- Nanophotonics 인터커넥션 기술은 nanoelectronics 칩의 interchip,

intrachip 데이터 수송의 문제가 최근 들어 심각하게 부각되면서, 데이터

수송을 electron에서 photon으로 전환시키려는 방향으로 진행되고 있고,

현재 Si-photonics 기반의 photon 인터커넥션에 대한 연구가 주류를 이루

고 있으며,

- 이러한 구조들은 그 가능성 보여준 데에는 의의가 크나, nanoelectronics

칩과 함께 집적시키기에는 열적 안정성, 광전소자의 집적 공정화, photon

power 공급 등에서 해결해야할 많은 난제를 안고 있음

- 현재 수준에서도 3x1010 이상의 transistor가 집적되고 있는,

nanoelectronic microprocessor chip 등에 고집적 칩에 optoelectronics 소

자/광도파로를 대규모로 집적시키는 것은 회로 설계와 공정 yield면에서 매

우 어려울 수 있음. 그 대안으로 고가도로처럼 photon 수송망을 chip 위에

분리시키는 3D 인터커넥션 구조를 창안하는 새로운 도전이 필요함. 또한,

nanoelectronics 칩은 배선 단축을 위해 3D multichip 구조로 발전되고 있

는 추세이므로, 3D 적층에 적합한 인터커넥션 구조 창출

o 광대역 테라헤르츠 인터커넥션 기술 개념은 아직까지 제시된바 없으며 광

정렬 0.1㎛수준을 요구되는 광인터커넥션의 단점을 보완하고 무엇보다도

100Gbps급 이상의 테라헤르츠 인터커넥션 기술은 지금까지 관련 부품의

고가격으로 시도 되지 못하였음

- 저가격 Photonic Integrated Circuits (PICs) 기반의 광원 및 테라헤르츠파

- 111 -

목표

•

총괄목표

(2021)

인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술 개발

• 단계별

세부목표목표 연구개발 내용과 범위

1 단계

(2012-20

14)

집적형 극소소비전력

나노 광원 기술

· 유전체기반 극미세

레이져 상온 연속구동

및 그래핀 공진기에

대한 이론적 실험적

분석

• 그래핀 기반 저전력소모, 극미세 전기구동 나노광원 연구

· 유전체기반 극미세 레이져 상온 연속구동

: 그래핀의 열전도성을 활용한 나노 레이저의 발열 제어 연구

· 그래핀 공진기에 대한 이론적 실험적 분석

: Subnanometer-scale 금속막인 그래핀 존재시, 공진기

광모드의 광특성 파악

·실리콘 기반의 광대역

광원 기초 기술 연구

•실리콘 기반의 광대역 광원 기초 기술

·집적형 mode-locked laser 구조 설계

· Wafer bonding에 기반한 집적형 mode-locked laser 구현

· Wafer bonding에 기반한 고효율 근적외선 대역 LED 구현

· 파장의 한계를 넘어선

고밀도 집적이 가능한

subwavelength scale

반도체 레이저 구조 및

waveguide coupling

구조 개발

• 반도체 나노레이저 기술 개발

· 파장의 한계를 넘어선 고밀도 집적이 가능한 subwavelength

scale 반도체 레이저 구조 및 waveguide coupling 구조 개발

: 금속광학을 광소자에 이용하여 파장 한계를 넘어서는 광소자

개발

: 금속-유전체 혼합형 공진기 구조를 사용한 초미세 레이저 및

LED 연구

: 나노스케일에서의 발열 제어 방안 연구

표 1-2 나노포토닉스 기술개발 단계별 목표 및 연구개발 내용과 범위

발생 및 검출 기술 모듈 기술 필요

- 반송주파수 300GHz 및 500GHz대역에서 오디오 비디오 신호 전송 시연이

있었지만 기술의 가능성을 보여준 정도로 40Gbps급 이상의 포토닉스 기반

의 어레이형 테라헤르츠 인터커넥션 기술 개발을 위한 양방향, 광대역 무

선링크 기술, 고출력, 고감도 테라헤르츠 발생 및 검출 기술 개발을 위한

소재, 소자, 부품, 시스템 기술 개발이 필요

3. R&D 추친 전략 및 내용

3.1 기술개발 목표 및 추진전략

- 112 -

: 파장 다중화 방식을 위한 고집적 다채널 반도체 레이저 구조

제안 및 실증

고집적 초고속

나노포토닉스 소자 기술

· Optomechanical 제어

원천 기술 연구 및 측정

시스템 구축

• 고효율 Nano-optomechanics 광집적 회로 기술 연구

· Optomechanical 제어 원천 기술 연구 및

Optomechanical 비선형 현상 측정 시스템 구축

· Optomechanical resonance

: 100MHz 대역 구현

· Photon-phonon control 기초연구

· Gradient force와 radiation force를 동시에 이용한 소자

기초연구

· Photonic junction

개념을 제안하고, 이를

이용한 광복합 논리/연산

소자를 설계 및 검증

• Multilevel photonic junction을 이용한 광복합 소자

· 구현 가능한 광복합 소자를 설계 및 검증

- 이론 및 수치해석 (FDTD, FEM)을 통한 검증

· 광학적 비선형 박막의 비선형성 측정, 조사

· 고기능성 단파장

광대역 메타물질에 대한

이론적 연구 및

전자기장 분포 제어를

통한 높은 비선형성

확보 이론 확립

• 기능성 단파장 광대역 메타물질 연구

· 금속에 의한 광손실이 많은 파장 대역에서도 작동하는

메타물질에 대한 이론적 연구

· 파장보다 작은 수준에서 전자기장 분포의 제어에 관한 이론

확립 및 검증

· 광대역에 걸쳐 두 크기 차수 이상 비선형성을 높일 수 있는

메타물질에 대한 이론적 연구

대용량 유선

광인터커넥션 기술

· 3D photonic grid

node의 2way/3way

switching 구조 개발

• 대용량 유무선 광인터커넥션 기술

· 3D photonic grid node의 2way/3way switching 구조 개발

: 2way/3way switch node의 반복적 배치로 photonic 수송망

구성할 수 있는 3D grid 구조 창안

: Ring resonator 또는 grating을 이용한 2way/3way 스위칭

node 구조 창안

대용량 무선 테라헤르츠


· 고속 변조 가능한

장파장 Dual wavelength

laser 기반 테라헤르츠파

발생 및 검출기 개발

• 테라헤르츠 인터커넥션 기술

· 고속 변조 가능한 장파장 dual wavelength laser 기반

테라헤르츠파 발생 및 검출기 개발

: 장파장 dual mode laser 및 dual wavelength 반도체 레이저

개발

: 반도체 기반 고출력 테라헤르츠 발생기 및 검출기

: CNT기반 테라헤라헤르츠 검출기 기술 구도 연구

2 단계

(2015-20

17)



· 마이크로 레이져

전기구동 구현


· 마이크로 레이져 전기구동 구현

: 유전체 공진기 기반 마이크로 레이저와 그래핀 투명전극이

결합된 전기구동 나노 레이저 기술 연구

·이종성장 기반의 실리콘

incoherent 광대역 광원

•실리콘 기반의 광대역 광원 구현 기술

· 이종 에피성장에 기반한 고효율 LED 구현 기술 연구

- 113 -

구현 기술 연구

· 나노레이저의 고효율화

및 고속 변조 방식 개발


· 나노레이저의 고효율화 및 고속 변조 방식 개발

: 광출력 향상을 위한 coherent coupling 기법 및 nanolaser

array 구조 연구

: 고효율의 고속 변조가 가능한 LED형 반도체 광소자 구조 제안

: 나노스케일 트랜지스터 전자소자와의 효율적 연동 방안 모색

고집적 초고속


· Optical switching 및

Slow light 기술 연구

• 고효율 Nano-optomechanics 광집적 회로 기술 연구

· Optical high Q cavity 구조 연구

: Optical Q > 5x105

: 포토닉크리스탈을 이용한 high Q cavity 구현

: Plasmonic high Q cavity 구현

· High mechanical Q 구조 연구 (공진주파수 > 54Mhz)

: High Q를 가지는 SOI 구조 설계

· Slow light 기술 연구(Delay time>100psec, micro 크기)

:포토닉크리스탈 CROW 구조를 이용한 slow light 구현

· Plasmonic 나노 구조물 기술 연구

: FDTD를 이용한 plasmonic ring resonator /plasmonic

waveguide coupler/plasmonic cavity /plasmonic crystal의 최적

설계

· 광복합 논리소자

성능의 trade-off 도출

· Photonic

junction구현을

위한 최적 플랫폼

도출


· 소자 성능의 trade-off 및 플랫폼 도출

· 비대칭적 비선형성 인가를 위한 나노 광공진기 플랫폼 도출

(광결정, 플라즈모닉, 메타물질 등)

· 1.55 마이크론 및

근적외선 이하의 동작

파장을 가지는 광대역

메타 물질 개발


· 1.55 마이크론 및 근적외선 이하의 동작 파장을 가지는 광대역


: 메타물질 제작을 위한 10 nm 수준의 나노제작공정기술 확보

: 금속에 의한 손실을 극복할 수 있는 이론 개발

대용량 유선


· 3d photonic grid 및

photon routing 구현


· 3d photonic grid 및 photon routing 구현

: Nanoelectronic 집적 소자와 연동된 3D grid의 photon

routing 구현

· Photon 중앙공급에 따른 interchip 광링크 구현

: WDM light source를 이용한 nanophotonic interfaced

칩에서의 photon power 공급 방식 창안



· 집적형 Dual


· 10Gbps 이상 변조 가능한 집적형 Dual wavelength laser 기반


- 114 -

wavelength laser 기반

테라헤르츠파 발생 및

검출기 개발

: 반도체 기반 10Gbps급 테라헤르츠 발생기 및 검출기

: 고감도 2D 테라헤라헤르츠 검출기 기술 개발 연구

3단계

(2018-20

21)



· 플라즈몬

subwavelength scale

레이저 구동 및 1nA이하

문턱전류 구동


· 표면 플라즈몬 기반 파장보다 작은 나노 레이저 전기구동 및

1nA이하 문턱전류 구현

: 발진 파장 크기보다 작은 나노 레이저를 그래핀 나노전극을

사용하여 전기구동 발진에 성공하며 문턱전류를 1nA 이하로

낮추어 극소소비전력 전기구동 나노 레이저 구현

· 이종성장 기술 기반의

실리콘 고효율 coheent

광대역 광원 구현 기술

• 실리콘 기반의 극소형 고효율 광대역 광원 구현 기술

· 실리콘 기판에 이종성장된 화합물반도체 상에 집적형

mode-locked laser 구현 기술 연구

· 이종성장 기술 향상 및 LED 효율 개선

· 실리콘에 기반한

전자소자와의 집적기술

개발


· 실리콘에 기반한 전자소자와의 집적기술 개발

: Main stream 반도체 공정 기술을 활용한 초소형 반도체

발광소자 구조 제안

: 화합물 반도체와 실리콘 소재의 효율적인 집적을 위한

bonding 기법 및 assembly 방안 연구

고집적 초고속


· Optomechanical

광소자 제작을 위한

nanoimprint 공정 및

패키징 기술 개발과

광집적 모듈 제작 및

시험

• 고효율 nano-optomechanics 광집적 회로 기술 연구

· Nano 광소자 on chip 패키징 기술 연구

· Optomechanical 광소자 제작을 위한 nanoimprint 공정기술

개발

: Process 개발 및 공정 최적화

: Optomechanical 광소자용 금형 개발

· Optomechanical 광소자를 이용한 광집적 모듈 제작 및 시험

· Photonic junction

논리소자 성능 최적화

· Junction Diode의 구현


· 제안된 소자 성능의 최적화 및 확장

• Photonic junction diode의 제작 및 성능 평가

· 설계된 공진기와 모드 선택적 커플러 연결에 의한 junction

형성

· Photonic junction diode 구현 및 특성 파악

· 단파장 광대역

메타물질 기반 고성능

광소자 개발


· 단파장 광대역 메타물질을 핵심 소재로 하여 기존보다

집적도와 효율을 향상시킨 광소자 개발

: 전산 모사와 실험을 통한 검증

대용량 유무선


· Peta b/s급 photonic

link 3D-chip 시스템


· Photon 중앙공급 및 photon grid 적용한 peta b/s급 photonic

link 3D-chip 시스템 시연

: 3D 광인터커넥션 기술을 적용한 peta b/s급

interchip/intrachip 광 데이터 수송 기능 구현

- 115 -

시연


광인터커넥션 기술·

테라헤르츠파 발생 및

검출기 개발


· 100Gbps 어레이형 집적형 dual wavelength laser 기반


: 반도체 기반 100Gbps급 테라헤르츠 발생기 및 검출기

: 고감도 2D 테라헤라헤르츠 검출기 모듈 기술 개발 연구

연구목표의

수준

예상되는 세계

최고수준

세계

최고

수준

대비

국내수준

연구목표의 설정근거

총괄목표

(2021)

인간친화형 미래

정보 사회를 위한

나노포토닉스 기술

개발

집적형, 고효율

대용량 인간중심

정보 처리 단말기

플랫폼

100%

1단계목표

(2014)

집적형

극소소비전력


·유전체기반

극미세 레이져

상온 연속구동및

그래핀 공진기에

대한 이론적

실험적 분석

·광결정/마이크로

디스크 레이저 상온

연속 전기 구동

:파장 크기 한계의

10배 정도 되는

유전체 레이저의

전기구동

·유전체 공진기에

그래핀을 결합하여

광특성 분석

80%

·Plasmon 구조체 연구 및 photonic

crystal 구조를 이용한 나노레이저는

국내연구가 진행되고 있음

·유전체 기반 극미세 레이저의 상온

연속 발진은 복잡한 재성장 기술에

의한 구조와 양자점 기술에 국한되어

광펌핑으로만 구현된 결과가 보고되고

있음.

·그래핀을 나노 공진기에 적용시켜

광특성의 변화를 살펴본 연구는 전

세계적으로도 보고된 바 없음.

·wafer bonding

기반의 실리콘

광대역 광원

· 10ps 수준의

펄스폭을 가지는

집적형 mode-locked

laser

80%

· 실리콘 기반의 광연결장치 용

광원으로 아직 광대역 광원이 보고된

바 없으나 mode-locked laser를

spectal slicing 하는 방식의 WDM

광원이 요구될 것으로 예상됨.

·Subwavelength-sc

ale 반도체 레이저

구조,

waveguide

· 금속 결합

공진기를 이용하여

파장한계를 넘는

나노스케일 광소자

연구

80%

·Subwavelength-sclae 극미세

레이저의 광펌핑 동작이 최근

국내에서도 보고되었음. 특히 광결정,

표면 플라즈몬 연구는 국내에서도

진행되고 있음.

표 1-3 나노포토닉스 기술개발 목표와 기대 성과

- 116 -

coupling 구조의

개발

:금속-유전체 혼합형

공진기, 발열 제어

· 나노광원과

광도파로의 결합구조

개발

: 결합효율을

높이면서 공진기

품위값 유지

·공진기와 결합된 광도파로 구조의

전산모사를 통하여 결합효율을

이론적으로 분석할 수 있고

투과곡선을 측정하여 실험적으로

확인할 수 있음

1단계목표

(2014)

고집적 초고속

나노포토닉스 소자

기술

·Optomechanical

제어 원천 기술

연구 및

optomechanical

resonance

: Mhz 대역 구현

·Gradient force와

radiation force를

동시에 이용한 소자

기초연구

:Optomechanical

resonance (100MHz

대역)

50%

·Optomechanics에 관련된 학문

분야는 태동기에 해당되고 전

세계적으로도 소수의 연구소만 연구

진행 중. 국내 연구 진행 여부는

보고되지 않았음.

·Optomechanical 제어 원천 기술

확보 여부는 소자의 optomechanical

resonance 발생 여부를 통하여 확인

할 수 있음.

·Junction을 이용한

광복합 /광논리

소자를 제안 /검증

초저전력 (< 100uW)

고속동작 (>

200GHz)

고급로직 (Adder 등)

100%

· Junction의 개념은 전자 산업을

시작으로 그래핀, 나노 튜브,

스핀트로닉스 등에 널리 활용된 바

있으나 광학 분야에서는 적용된 바

없음

· Photonic Junction에 관한 개념이 본

연구진에 의해 제안, 이론적으로

입증된 바 있으며, 이의 개념이 확장

가능할 것으로 감안

· 고기능성 단파장

광대역 메타물질에

대한 이론적 연구

및 전자기장 분포

제어를 통한 높은

비선형성 확보

이론 확립

· 이론적으로 세

크기 차수 이상

증가한 Kerr

비선형성을 가진

메타물질

70%

· 비선형성 메타물질에 대한 연구는

소수의 결과가 보고되어 있으나,

광대역을 이룬 연구는 없음.

· 광대역 메타물질로 굴절율을 한

크기 차수 이상 높이는 연구가

국내에서 보고되었음을 감안.

1단계목표

(2014)

대용량 유선


·3D photonic grid

node의 2/3way

switching 구조

개발

10GB/s/ch 이상

전송

: 10 Tera b/s

: Photonon link

MPU 수정/추가

60%

수정/추

가

·정보단위당 소비에너지 500fJ/bit

·저온 및 펄스동작

·단일 레이져 광소자 수준

·양자우물을 이용한 화합물 반도체

수정/추가

대용량 무선 70% · 신개념 dual-mode laser기술

- 117 -

테라헤르츠


· 고속 변조

가능한 반도체

레이저 기반

테라헤르츠파 발생

및 검출기 개발

· 고속변조 PIC기반

테라헤르츠파 발생기

및 검출기

· 반송주파수 300GHz

· SNR: >40dB@300GHz

· 변조속도: >1Gbps

· 반도체 기반 초소형 테라헤르츠파

발생 및 검출 모듈

· CNT기반 고감도 테라헤라헤르츠

검출기술

2단계목표

(2017)

집적형

극소소비전력


· 마이크로 레이져

전기구동 구현

·파장한계에

근접하는 마이크로

레이저

: 상온 전기구동,

문턱값 20uA

100%

·광결정/마이크로 디스크 경우 공진기

외부에 금속 전극을 두어 전기구동

펄스 레이저 동작이 보고된 바 있음.

·광결정 전기구동 레이저는 국내에서

기술을 기 확보하고 있음.

·외부에 금속전극을 두어 발생하는

전류손실을 그래핀 나노전극을

이용하여 극복하면 현재 100uA인

레이저 문턱 전류를 1/5이하인 20uA

수준으로 낮출 수 있을 것으로

예상함.

·이종성장 기반의

실리콘 incoherent

광대역 광원

· 실리콘 기판에

이종성장된

화합물반도체 상에

LED 구현

100%

·실리콘 기판에 광원을 구현하는 데

있어서 궁극적인 형태는

화합물반도체를 이종 에피 성장

기술로 형성하고 이를 활용한 광원

구현이 될 것으로 예상됨. 현재

지속적인 연구를 통해 실리콘

기판상에 이종에피성장 기술이

발전하고 있으며 향후 5년 이내에

LED 구현은 가능한 것으로 예상됨.

· 나노레이저의

고효율화 및 고속

변조 방식 개발

·광출력 향상

:coherent

coupling방법 이용

·고효율, 고속변조

LED형 광소자 개발

100%

·Coherent coupling을 사용하면

외부로 방출되는 빛의 방향성 및

효율을 조절할 수 있으므로 고효율

나노광원 구현 가능

·극미세 공진기는 자발방출율이

Purcell효과에 의해 커지므로

모드크기가 작을수록 초고속 변조

광원으로 만들 수 있음

2단계목표

(2017)

고집적 초고속


기술

·Optical switching

소자 (Switching

speed ≤ 1 nsec

이하, μW의

소비전력) 및

·Nano-optomechanic

al switching

속도: 수십 nsec

·광결정 구조를

이용한 delay line

:300psec 이상

70%

·Optomechanics 이론을 응용하면

OE변환 없이 광신호 on/off가

가능하므로 optical switching 소자

개발에 응용할 수 있음

·포토닉크리스탈을 이용하면 도파로

내에서 photon의 group velocity

제어가 가능할 것으로 예상됨

·1단계 원천 기술 연구에서 주요

기술을 확보하고 선행 연구로 수행한

- 118 -

Slow light 기술

연구 (Delay time

> 100psec, micro

크기)

plasmonics 및 포토닉크리스탈 기술을

활용하면 optial switching 소자 및

slow light 기술 확보가 가능할

것으로 판단됨

·Plasmonics 및 photonic crystal

기술은 국내에서 진행되고 있으며,

이미 연구 기반을 확보한 상태임

· Multilevel

junction을 이용한

고급논리소자

성능의 trade-off

및 플랫폼 도출

저전력 (< 100uW)

고속동작 (>

200GHz)

Diode 구현

고급로직 (Adder 등)

설계

100%

· 1단계 연구 결과를 확장해

Multilevel junction의 개념을 도입한

광논리/연산 소자의 설계가 가능할

것으로 보임

· Juntion 개념 자체가 modular

설계를 가능하게 하므로, 기존의

전자소자에서 구현된 소자들에서

아이디어를 얻을 수 있을 것으로

판단됨

· 1.55 마이크론 및

근적외선 이하의

동작 파장을

가지는 광대역


· 1.55 마이크론

이하의 동작 파장을

가지며 이득물질로

손실 보정된 광대역

메타물질 개발

80%

· 이득 물질을 첨가하여 메타물질의

손실을 줄이는 연구는 일부 보고되고

있음. 단파장 광대역 메타물질로의

응용을 위한 연구 필요.

2단계목표

(2017)

대용량 유무선


· 3d photonic grid

및 photon routing

구현

·Photon 중앙공급에

의한 interchip

광링크 구현

90%

·Photon link multi processor

·40Gb/s/ch

·100Tera b/s data

·0.2mW/Gbps 이하소비전력

·상온 및 연속동작 레이져

·1차원 혹은 2차원 나노레이져 집적화

·나노와이어 등을 이용한 quantum

confinement 구현

대용량 무선

테라헤르츠


· 변조기 집적형

Dual wavelength

laser 기반


및 검출기 개발

·변조기 집접형

반도체 레이저

· 10Gbps이상 변조

가능한

테라헤르츠파 발생기

및 검출기

· 2D 초고감도

테라헤르츠 검출기

개발-수정/추가

80%

· 변조기 집적형 dual-mode laser기술



· 변조속도: 10Gbps



· 고감도 2D 테라헤라헤르츠 검출기술

3단계목표

(2021)

집적형

극소소비전력 나노

광원 기술

· 플라즈몬 sub -

· 파장크기에 비해

1/1000 크기인 표면

플라즈몬 레이저

전기구동 구현

:레이저 문턱값 1nA

100%

·현재 파장한계의 10배정도 크기인

광결정 전기구동 레이저의 문턱값이

100uA로 보고되었음.

·레이저의 크기를 표면 플라즈몬을

이용하여 광결정 레이저의

- 119 -

wavelength scale

레이저 구동 및

1nA이하 문턱전류

구동

1/10000으로 줄이고, 그래핀 나노

투명전극으로 전류주입손실을

방지하면 1nA 문턱값을 가지는

전기구동 나노레이저 구현할 것으로

예상됨

·이종성장 기반의

실리콘 incoherent

광대역 광원

· 실리콘 기판에

이종성장된

화합물반도체 상에

mode-locked laser

100%

·실리콘 기판상에 이종에피성장

기술의 발전으로 향후 10년 이내에

이종에피성장에 기반한 실리콘 레이저

구현이 가능한 것으로 예상됨.

· 실리콘에 기반한

전자소자와의

집적기술 개발

· 화합물 반도체와

실리콘 소재의

bonding and

assembly

:실리콘 기반

전자소자와

나노레이저 결합

100%

·1, 2단계를 통해 개발한

파장한계보다 작은 극미세, 초고속

변조, 고효율 나노광원은 그 크기가

전자소자에 비견될 만큼 작아질

것으로 예상됨

·실리콘 기판과 화합물 반도체 기판의

결합을 통한 하이브리드 광원 연구는

세계적으로 최근 시작되고 있는

분야이므로 3단계 연구시점에는 기

연구를 통해 세계적인 수준에 도달할

수 있을 것으로 전망됨

3단계목표

(2021)

고집적 초고속


기술

· Optomechanical

광소자 제작을

위한 nanoimprint

공정 및 패키징

기술 개발과

광집적 모듈 제작

및 시험

· Ghz급의 nano

scale

optomechanical

device

100%

· 나노 광소자를 imprint로 제작

가능하므로 다양한 크기 및 형상으로

구성된optomechanical 소자 또한

imprint 공정으로 제작 가능할 것으로

예상됨

· 기 연구에서 임프린트 마이크로

광소자 연구 수행으로 연구 노하우

보유

· Multilevel

junction을 이용한

고급논리소자

성능의 최적화

초저전력 (< 10uW)

고속동작 (>

500GHz)

고급로직 (ADC 등)

100%

· 3단계 연구시기에는 비선형성이

높은 물질들과 High-Q 공진기들이

개발되어 있을 것으로 예상되며,

이러한 물질과 공지기들을 Junction

구조에 채용하면 소자의 소비전력과

고속화에 진전이 있을 것임.


메타물질 기반

고성능 광소자

개발


메타물질 기반

고성능 광소자 개발

100%

· 집적도(소자크기)와

효율(저소비전력화) 각각에서 기존

광매질 활용 소자 대비 한 크기 차수

이상 향상된 소자 개발

3단계목표

(2021)

대용량 유선

광인터커넥션 기술 ·Photon 중앙공급 및

photon grid 적용

100%

수정/추

가

·Single chip super computer

·40Gb/s/ch data

·1Peta b/s 이상

- 120 -

·Photon 수송망을

이용한 3D chip

시스템 기술

Peta B/s 3D

광링크구현

:고효율 포토믹서

:집적형 테라헤르츠

발생 및 검출기

개발-수정/추가

·0.1 mW/Gbps 소비전력

·Quatumdot 구조를 이용한

나노레이져 구현

·나노스케일에서 나노전자 소자와

결합

·고온동작 연속동작 레이져

-수정/추가

대용량 무선

테라헤르츠 광

인터커넥션기술

·100Gbps

어레이형 집적형

테라헤르츠 양방향

인터커넥션 모듈

· 100Gbps 어레이형

PIC형 반도체 레이저

· 어레이형


및 검출기

: 반도체 기반

100Gbps급

테라헤르츠 발생기

및 검출기

: 고감도 2D

테라헤라헤르츠

검출기 모듈 기술

개발 연구

100%

· 어레이형 변조기 집적형 반도체

레이저

(발진파장: 1.3μm, 출력 150mW/ch)



· 변조속도: 100Gbps(10x10, 25x4)



· 고감도 2D 테라헤라헤르츠 검출

모듈

□ 주요추진 전략

o 인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술 개발 추진 전략

- 매년 기술개발 사업의 홍보 및 성과 확산을 위한 국제 학술대회 및 산학연

포럼을 개최하여 국제적인 협력을 강화하고 우수 성과물의 조기 사업화를

적극 추진

- 연구 단계에서 개발된 논문, 특허 및 시제품을 유명 국제 학술대회 및 전

시회에 발표함으로써 국내 연구수준의 위상을 세계에 알리고 아울러 선진

국외 기관과의 협력을 추진

- 세계 선도적인 그룹과의 지속적인 교류를 통하여 국제공동프로젝트 또는

국제 네트워크 구축 등 실질적인 국제 공동 연구 체계 구축

- 세계 유명 선진 그룹과의 교류를 통하여 선진 그룹과의 격차를 줄이고 아

울러 최종 단계에서는 연구 결과를 서로 공유함으로써 세계의 선진 그룹으

로 동시에 진입할 수 있는 체계를 구축

- 초기 원천연구 단계를 지나 성장연구 단계에 진입할 때 그 결과를 산업화

와 직접적으로 연결하기 위해서 관련있는 기업체의 발굴 및 유기적인 협력

- 121 -

관계를 도모

o 세부 연구 목표 달성을 위한 기술 개발 추진 전략

1. 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술 개발

- 조속한 그래핀 나노 전극 미세 공정 기술 개발을 위하여 국내외 그래핀

선진연구 그룹과 공동연구를 추진

- 전기구동에 적합한 파장 이하 규모의 극미세 레이저 구조 구현을 위하여

금속 극미세 공진기 구조 설계 기술 연구

- 실리콘 기판에 집적형 나노 광원을 구현하기 위해서는 나 실리콘 반도체

공정 기술을 활용한 초소형 반도체 발광소자 구조 제안하고, 화합물 반도

체와 실리콘 소재의 효율적인 집적을 위한 bonding 기법 및 assembly 방

안을 모색

- 실리콘 기판에 다파장 광원을 구현하기 위하여 화합물반도체 기반의 나

노레이저 배열의 flip-chip bonding 방식, mode-locked laser 방식,

incoherent 광대역 광원인 LED 활용 등의 다양한 기술적 접근 방식을 시도

하고, 요구되는 파장 대역에 따른 최적의 기술을 개발

2. 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술 개발

- 실리콘 기반 액티브 광소자의 소형화, 고속화, 저소비전력화에 장애물로

작용하고 있는 실리콘의 낮은 비선형성 개선을 위하여 고기능성 단파장 광

대역 실리콘/금속 메타물질 구조를 설계하고 유효 비선형성을 두 크기차수

이상 높이는 기술을 개발

- 기존 광통신 파장 대역 및 향후 온칩 광소자의 예상 사용파장과의 호환

성을 위해 동작파장을 관련 대역으로 넓히고, 금속에 의한 손실을 극복할

수 있는 이론을 개발하며 10 nm 수준의 나노제작공정 기술을 확보

- 고기능 광대역 메타물질 설계를 위하여 파장보다 훨씬 작은 수준에서 전

자기장 분포의 제어에 관한 체계적 이론의 확립하고, 전산 모사와 실험을

통하여 전자기장 분포 및 거시적인 광학 특성의 검증하여야 하므로 이론

및 전산모사 연구 그룹과 실험 그룹의 유기적인 협동이 필요함

- 새로운 개념의 고집적 초고속 광소자 구현을 위하여, 포톤-cavity 상호작

용 및 gradient force 에 의하여 나노구조물에 광학적 공진 및 기계적 공진

을 동시에 일으켜, 빛과 매질간의 상호작용을 획기적으로 향상시킬 수 있

는 양자 cavity optomechanics 기술을 나노포토닉스 기술에 활용하고자

함.

- 전자소자의 핵심 기술인 Junction구조는 접합면 부근의 급격한

potential변화를 조절할 수 있도록 하여, 다이오드, 트랜지스터와 같은 기본

- 122 -

소자와, 보다 높은 수준의 복합소자들의 구현을 가능케 했던 반면, 광자의

charge와 reference energy의 부재는 대응되는 photonic junction구조의 개

발을 막아왔으며, 높은 소모 전력, 적은 대역폭, 낮은 투과 특성, isolation

특성의 부재 등의 문제를 해결하기 어려웠음. 이와 같은 문제를 극복하기

위해 광학적, 전기적으로 조절 가능한 photonic junction을 제안, 구현함으

로써, 정밀하고 높은 민감도로 광자의 흐름을 제어할 수 있는 기술을 개발

하고자 함.

3. 대용량 유무선 광인터커넥션 기술 개발

- 3D photonic grid 인터커넥션 연구는 nanoelectronic 칩의 multichip 집

적 구조를 대상으로 대용량의 photon 수송망을 구현하는 방향으로 연구를

하며, grid node의 핵심 광소자 개발과 아울러 대용량 interchip/intrachip

photon data 수송의 효과적인 망 구현을 위해 chip architecture,

computer architecture, signal protocol 등의 연구진들과 협력으로 진행

- Photon power 중앙공급 구조 연구는 MPU/memory 등의 주요 칩을 대

상으로 photonic interface에 적합한 Si-nanophotonic components를 활용

하고, 이의 구동에 필요한 photon power 공급 방식을 연구하며, 점진적으

로 intrachip까지 photon power를 공급하는 구조로 연구범위를 확장해 나

감

- 신개념의 포토닉스 기반의 초소형, 고효율 여기광원 과 고효율 포토믹서

를 개발 반송주파수 300GHz, 500GHz급의 테라헤르츠파 발생기를 개발한

다. 테라헤르츠 인터커넥션 기술을 개발하기 위해서는 양방향 신호 처리가

가능하여야 하고 이를 위해서는 필터 집적형 쇼트키 다이오드를 개발하고

어레이화하여 100Gbps급 이상의 양방향 테라헤르츠 무선 인터커넥션 모듈

을 개발

- 테라헤르츠 인터커넥션 기술이외에도 테라헤르츠 고유의 응용영역인 테

라헤르츠 영상, 분광을 위해 고효율 광대역 테라헤릋파 발생 및 초고감도

2D검출기 기술을 개발하여 통신 이외의 응용영역 확대에 적극적으로 대체

하여 국가 경쟁력 확보를 추진함

- 123 -

3.2 연구추진체계

□ 연구기간 및 연구비 규모

o 총사업기간: 총10년(2012~2022) 3+3+4년 방식

o 총사업비 : 1,000억원, 100억/년

□ 연구수행기관

o 그린 나노광소자의 개발 및 그 응용을 추구하는 본 사업의 특*성상 전체적

인 사업을 관장할 수 있고 융합연구가 원할한 연구기관 중심으로 추진하되,

관련 전문가의 적극적인 참여를 유도한다.

o 기초 원천기술의 심화와 기술의 산업화를 위하여 산․학․연 기관이 참여할 수

있도록 추진한다.

□ 세부 연구 주제

o 중과제 “인간친화형 미래 정보 사회를 위한 나노포토닉스 기술 개발”의 효

율적 연구개발을 위하여 3개의 세부과제로 구성

제1 세부과제: 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술

제2 세부과제: 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술

제3 세부과제: 대용량 유무선 광인터커넥션 기술

o 국제 협력 연구 기관: 세부 기관 별로 해외 선진 연구팀 또는 기술 보유 및

활용가능 기관과 협력 연구를 추진함

3.3 분야별 주요내용

□ 집적형 극소소비전력 나노 광원 기술

o 반도체 나노레이저 기술 개발

- 금속광학을 광소자에 이용함으로써 파장 한계를 넘어서는 나노스케일 광소

자 개발. 금속-유전체 혼합형 공진기 구조를 사용하여 초미세 레이저 및

LED를 연구하고 나노 스케일에서 발열을 제어할 수 있게 함. 파장다중화

방식을 위해 고집적 다채널 반도체 레이저 구조를 제안하여 실증함. 파장

의 한계를 넘어서 고밀도 집적이 가능한 subwavelength-scale 반도체 레이

저 구조 및 waveguide coupling 구조의 개발.

- 광출력향상을 위한 coherent coupling 기법 및 나노레이저 어레이 구조 연

- 124 -

구. 고효율의 고속 변조가 가능한 LED 형 반도체 광소자 구조 제안. 나노

스케일 트랜지스터 전자소자와의 효율적 연동 방안 모색. 나노레이저의 고

효율화 및 고속 변조 방식 개발.

- 반도체 공정 기술을 활용한 초소형 반도체 발광소자 구조를 제안하고 화합

물 반도체와 실리콘 소재의 효율적인 집적을 위해 bonding 기법 및

assembly 방안을 연구함. 이를 통해 실리콘에 기반한 전자소자와 반도체

나노레이저의 집적기술 개발.

그림 1-21 실리콘에 기반한 전자소자와 반도체 나노레이저의 집적기술

을 통합하여 CMOS개발

o 그래핀 기반 전기구동 나노광원 연구

- 원자두께의 금속막인 그래핀이 존재할 때 공진기 광모드의 광특성 (품위값,

공진파장)의 이론적 분석 및 광학적 측정

- 그래핀 막의 광흡수 효과를 최소화하는 동시에 전류주입이 용이한 공진기

설계 및 제작을 통해 유전체 공진기 기반 마이크로 레이저와 그래핀 투명

전극이 결합된 전기구동 레이저 기술 연구.

- 금속-유전체 공진기와 그래핀 나노 투명전극 결합구조를 최적화하여 파장

보다 1/1000 이하로 작고 레이저 문턱값이 1nA 이하 초미세 전기구동 나

노 광원 제작 기술 개발

o 실리콘 기반 고효율 WDM 광원 기술

- 실리콘 기판에 16 채널 WDM 전송 용 집적형 단일 광대역 광원 구현 기

술 개발

- 실리콘 기판에 10ps 이하의 극초단파 펄스폭을 가지는 집적형

mode-locked laser 구현 기술 개발

- 실리콘 기판에 양자 효율 70% 이상의 고효율 근적외선 LED를 구현 기술

개발

- 125 -

□ 고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술

o 고효율 nano-optomechanics 광집적 회로 기술 연구

- 두 개의 도파로에 빛을 주사하면 굴절률 차이에 의하여 optical gradient

force가 발생하고 optical gradient force는 광cavity들의 커플링 모드에 따

라서 attractive/repulsive force로 진동하며, 수 Mhz~Ghz 이상의 기계적 공

진이 발생함. 이러한 공진 현상을 이용하여 광에 의하여 구동되는 1nsec

이하의 스위칭 속도와 μW의 소비전력을 가지는 NON-EO 고속 광스위칭

기능을 구현하고 개발하고자 함

- Radiation force 및 gradient force에 의한 구조물의 포톤 상호작용 및

QED (Quantum electrodynamics) 기술을 나노광학에 접목하여 새로운 형

태의 나노 광소자 원천기술 개발을 통하여 5x105 이상의 Optical Q값을

가지는 cavity 구조 연구

- 포토닉크리스탈 CROW(Coupled resonator optical waveguide)와 플라즈모

닉스 구조를 이용한 100psec 이상의 지연속도와 마이크로 크기를 가지는

slow light 소자 구현

- Nano 광소자 on chip 패키징 기술 및 nanoimprint 공정기술 개발을 통하

여 Optomechanical 광소자를 이용한 광집적 모듈을 제작 및 시험하고자

함

그림 1-22 고효율 nano-optomechanics 광집적 소자 개념도

o 고기능성 단파장 광대역 메타물질

- 실리콘/금속 메타구조로 4×10-12 cm2/W 이상의 Kerr 비선형계수를 갖는

광대역 메타물질 개발: 실리콘은 전자 산업의 핵심 소재이나, 1.54 마이크

론 파장에서 4×10-14 cm2/W 수준인 실리콘의 낮은 비선형성은 실리콘

기반 액티브 광소자의 소형화, 고속화, 저소비전력화에 장애물로 작용하고

있다. 광메타물질의 개념을 적용함으로써 실리콘/금속 메타물질의 유효 비

선형성을 두 크기차수 이상 높이는 기술을 개발

- 126 -

- 1.55 마이크론 및 근적외선 이하의 동작 파장을 가지는 광대역 메타물질

개발: 기존 광통신 파장 대역 및 향후 온칩 광소자의 예상 사용파장과의

호환성을 위해 동작파장을 관련 대역으로 넓힌다. 금속에 의한 손실을 극

복할 수 있는 이론을 개발하고, 10 nm 수준의 나노제작공정 기술을 확보

- 단파장 광대역 메타물질 기반 고성능 광소자 개발: 기존 광매질에 비해 한

크기 차수 이상 향상된 굴절율 및 두 크기 차수 이상 향상된 비선형성을

가지는 광대역 광메타물질을 기반으로, 집적도와 소비전력이 각각 한 크기

차수 이상 개선된 광소자를 구현

- 1.55 마이크론 및 근적외선 이하의 동작 파장을 가지는 광대역 메타물질

개발: 기존 광통신 파장 대역 및 향후 온칩 광소자의 예상 사용파장과의

호환성을 위해 동작파장을 관련 대역으로 넓힌다. 금속에 의한 손실을 극

복할 수 있는 이론을 개발하고, 10 nm 수준의 나노제작공정 기술을 확보

한다.

o Photonic Junction의 구현 및 이를 기반으로한 고속 전광 연산 소자 기술

- 소모전력에 있어서 이전 광다이오드들의 1/1000 수준인 ~20mW의

threshold power와 기타 우수한 특성(41dB directionality, 100GHz 대역폭,

97% 투과도)을 목표 한다. 이론적 설계를 실험적으로 검증하려 하며, 또한

복합적인 기능을 갖는 논리 소자를 제안하고, 이를 다양한 platform에 적용

해 보려고 한다. 실험적인 검증을 위해서는 다음과 같은 연구개발을 수행

하려 한다.

- 다양한 비선형 박막 (AlGaAs, Silicon, Chalcogenide glass, CNT, noble

metal 등)의 비선형성을 측정하여 광다이오드를 구현할 매질을 선택한다.

비선형 Kerr 계수는 1.5×10-17 m2/W 수준을 요구하여 이는 AlGaAs,

Chalcogenide에서 얻을 수 있다.

- 비대칭적 비선형성 인가를 위해 나노공진기를 구현할 플랫폼을 찾는다.

Q-factor는 103 정도가 요구되며, 이는 광결정, 혹은 최적화된 플라즈몬 공

진기에서 가능하다.

- 설계된 공진기와 모드 선택적 커플러를 연결하여 junction을 형성함으로써,

모드 junction diode를 구현하고 이의 특성 곡선 등을 측정한다.

- 다이오드 외에도 높은 복잡도와 기능을 갖는 소자들을 구현한다. 구체적으

로는, multilevel photonic junction구조를 도입하여 저전력 (<sub-W), 고속

동작 (>50GHz)이 가능한 전광 논리 연산소자를 개발할 것이다.

- 127 -

그림 1-23 Photonic Junction 다이오드의 이론적 설계 및 성능

□ 대용량 유무선 광인터커넥션 기술 개발

o 3D photon 수송망의 핵심 2-/3-way switch node 구조 연구

- 2-/3-way switch node의 반복적 배치로 photonic 수송망을 구성할 수 있

는 3D grid 구조 창안

- Ring resonator 또는 grating 등을 이용한 2-way/3-way 스위칭 node 구조

창안

- Photon 중앙 공급에 의한 photon signal modulation 및 3D grid와의

coupling 구현

- Nanoelectronic 집적 소자와 연동된 3D grid의 photon routing 구현

- 3D 광인터커넥션 기술을 적용한 peta b/s 급 interchip/intrachip 광 데이터

수송 기능 구현

o Nanophotonic 칩 구동을 위한 photon 중앙 공급 구조 창안

- WDM light sources를 이용한 nanophotonic interfaced 칩에의 photon

power 공급 방식 창안

- Nanophotonic circuit 망에서 photon signal isolation 및 non-reflecting

photon termination을 위한 photon 재활용 구조

- 3D photon 수송망에의 photon 공급을 위한 중앙공급된 photon의 normal

modulation 구조 창안

o 대용량, 고효율 테라헤르츠 인터커넥션 기술

- 장파장 dual mode laser 및 dual wavelength laser 반도체 레이저 개발

- 고속 변조기 집적형 장파장 dual mode laser 및 dual wavelength laser

반도체 레이저 개발

- 128 -

- 어레이형 고속 변조기 집적형 장파장 dual mode laser 및 dual

wavelength laser 반도체 레이저 개발

- 나노 기반의 고효율 포토믹서 기술

- 테라헤르츠 검출기 및 테라헤르츠 증폭기 기술

- 초고감도 테라헤르츠 검출기 기술

- 2D 초고감도 테라헤르츠 검출기 기술

- 집적형 테라헤르츠 발생 및 검출기 기술

3.4 연구개발 기획 로드맵

중점추진연구분야(집적형 극소소비전력 나노 광원 기술)

1 단계 2 단계 3 단계

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

반 도 체 나 노 레 이저 기 술

그 래 핀 기 반 전 기 구 동 나 노 광 원 기 술

실 리 콘 기 반 고 효 율 W D M 광 원 기 술

표 1-4 중점추진분야 연구개발 기획 로드맵 (집적형 극소소비전력 나노 광원 기술)

나노레이저, nanophotonic 소자,

nanoelectronic 소자들의

intrachip집적

그래핀 이용 상온 연속발진 극미세 레이저 구현

금속 광학 이용 초소형 공진기 구현

광출력 극대화, 레이저 어레이 사용 WDM 대역폭 향상

광도파로와 고효율 결합 및 발열제어 연구화합물 반도체 나노

레이저 개발

고밀도 집적 위한 전류주입식 나노레이저 연구

초고속 직접 변조기술 구현

CMOS 나노 전자회로와의 집적화 구현

그래핀 결합 공진기 광모드에 대한 광특성 분석

유전체 기반 그래핀 결합 전기구동 나노레이저 개발

전기구동 나노 레이저 상온 연속발진, 저전력소모 구현

파장보다 작은 초미세 전기구동 나노레이저 구현

레이저의 문턱값을 1nA이하로 저전력소모 구현

실리콘-화합물 반도체 wafer bonding구조 기반 광원 제작 기술

실리콘 기반 mode-locked 레이저 개발

공진기구조 이용한 LED추출효율 증가

집적형 saturable absorbing mirror구현

공진기구조 이용한 LED 양자효율 증가 실리콘 기반 고효율

LED 구현

- 129 -

중점추진연구분야(고집적 초고속 나노포토닉스 소자 기술)


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

O p t o m e c h a n i c 기 반 고 속 광 스위 칭 소 자

그 래 핀 기 반 전 기 구 동 나 노 광 원 기 술

광 대 역 단 파 장 메 타 물 질 초 고 속 광 소 자

Photonic Junction 구현 및 이에 기반한 초고속 전광 연산 소자 기술

표 1-5 중점추진분야 연구개발 기획 로드맵 (집적형 초고속 나노 포토닉스소자 기술)

그래핀 감지 및 발광 특성

연구

고비선형성 메타물질 원천기술 개발

Photon-photon 제어기술 연구

Optomechanic 비선형성 연구

Gradient force 소자 연구

Optomechanics기반 delay line

Optomechanics기반 switch

Optomechanical 광소자용 imprint

공정 개발

Nanooptomechanics 광소자 패키징

Optomechanics기반 modulator

그래핀 투명전극

원천기술 개발

그래핀 기반 초고속 레이저 개발

그래핀 기반 광소자 상품화(대면적 투명전극, 초고속

나노레이져, 그래핀 태양전지 등)

태양전지용 그래핀 투명전극 개발

고기능 단파장 메타물질 원천기술 개발

단파장 메타물질 공정기술 개발 메타물질을 이용한 초고속 고집적 나노광소자 구현

Photonic Junction의

개념 및 확장 소자 개발

Photonic Junction Diode 제작을 위한 플랫폼 및

공진기 설계 및제작

고급 논리 소자 (ADC)의 구현 및

성능 평가

Multijunction 논리 소자 (Adder)의 구현 및 성능의 trade-off

분석

Photonic Junction Diode 제작 및 성능 평가

Multijunction 논리 소자 (Adder)의 최적화 설계

- 130 -

중점추진연구분야(대용량 유무선 광 인 터 커 넥 션 기술 개발 )


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

대용량 유무선 광 인 터 커 넥 션 기술 개발

대용량 무선 테라 헤 르 츠 광 인터커넥션용 테라헤르츠 발생기

표 1-6 중점추진분야 연구개발 기획 로드맵 (대용량 유뮤선 광인터커넥터 기술개발)

10 Tera b/s이상 data throughput

10Gb/s/ch 이상 데이터 전송속도

100 Tera b/s이상 data throughput


3D 인터커넥션 1 Peta b/s이상 data throughput


0.5mW/Gbps 이하 소비전력

0.2mW/Gbps 이하 소비전력 0.1mW/Gbps 이하 소비전력

나노 광기반 포터블 테라헤르츠 영상 모듈 기술 개발

이종모드 반도체 레이저

변조기 집적형반도체 이중 파장 레이저

고감도 2D 테라헤르츠 검출기

기술

테라헤르츠파 발생용 어레이형 집적형 반도체 이중파장 레이저

10Gbps 무선 테라헤르츠 TRx

CNT 기반 고감도 THz검출기반도체 레이저

고속 테라헤르츠 발생 및 검출기

100Gbps 무선 테라헤르츠 인터커넥션 모듈

고감도 2D 테라헤르츠 검출 모듈 개발

광대역 테라헤르츠 검출기 개발 물리 연구

극한 임계 물리 연구

- 131 -

3.5 파급효과

3.5.1 과학기술적 파급효과


o 파장의 한계를 극복하는 극미세 나노레이저 연구는 세계적으로도 한두 그

룹만이 실험적으로 구현하는 초기 단계에 있음. 뿐만 아니라 본 연구를 통

해 고집적, 고속변조 초미세 나노레이저를 구현하면 표면 플라즈몬, 초미세

공진기, 그래핀과 같은 광학 및 물리, 전자, 재료 전반에 있어서 널리 관심

을 받고 있는 첨단 기술 분야에서 세계 최고의 기술을 원천적으로 확보할

수 있을 것임.

o 극미세 나노레이저 연구의 기반이 되는 표면 플라즈몬, 그래핀 등은 세계

최고의 과학 저널인 Science, Nature, Nature 자매지 등에 매달 여러 편씩

연구가 소개되고 있으며 본 연구과제가 이행될 경우 이와 같은 최상위급

논문 확보가 예상됨. 게다가 파장보다 더 작은 나노공진기에 대한 연구 내

용은 초미세 공진기 영역에 전자기 에너지를 집중시키는 것으로 재해석 할

수 있으며, 고감도 센서, 고밀도 자료저장 (data storage), 고해상도 이미징

기술 등에 응용 가능할 뿐 아니라 매우 작은 크기로 인하여 빛과 물질 간

의 상호작용을 극대화하여 비선형 현상, 양자광학 등 이를 여러 공학/학문

분야로 응용하는 것이 가능함.


o Quantum cavity interaction 소자의 또 다른 혁명적 의미로는 atom-photon

interaction control 기술로 이론상으로만 가능했던 QED 관련 이론들이 엔

지니어 영역으로 확대하면서 photonics 및 nanolectronics 기술에 큰 변혁

이 일어날 것으로 예상됨

o Nanoelectronics 기술과 nanophotonics, quantum photonics 기술의 융합을

촉진하고 20년 이내에 도래할 양자 컴퓨팅 및 optical processor 기술에 핵

심적인 기술로 자리 잡게 하는데 본 연구가 핵심적인 역할을 할 것임

o 그래핀이 2005년 제안된 이래로 5년 만에 2010년 노벨 물리학상이 수상될

정도로 학문적 중요성을 인정받고 있는 연구주제이다. 2차원 물리계를 구현

하여 기초과학 연구에 기반이 되고 있을 뿐 아니라 투명전극 등 다양한 응

용 가능성을 가진 신소재로서 광전자소자 응용까지 양자역학에서 전자, 재

료, 화학, 물리에 이르는 폭넓은 영역에서 연구의 핵심이 되고 있다. 본 연

구과제의 그래핀 기반 광소자 개발에 따라 나노 광기술 뿐만 아니라 이공

학 전반에 획기적, 창의적 발전을 유도할 수 있을 것으로 예상된다. 세계 최

- 132 -

고의 과학 저널인 Science, Nature, Nature 자매지 등에 한달에 수십 편씩

그래핀 관련 연구가 소개되고 있으며 본 연구과제가 이행될 경우 이와 같

은 최상위급 논문 확보가 예상됨

o Junction 구조는 다이오드, 트랜지스터와 같은 기본적 전자소자의 구성 요

소로 현재까지의 전자 산업 발전의 초석이었으며 그래핀, 나노 튜브, 스핀트

로닉스 등에 적용되어 세계 최고 과학 저널인 Nature, Science에 게재된바

있다. 또한 광결정, 플라즈모닉 구조, 메타물질 등에서의 광스위치 및 논리

소 자 역시 한계에 봉착한 전자 소자를 대체하기 위해 활발히 연구되

고 있는 분야이다. Photonic junction 기술은 높은 성능의 광연산 소자를 현

실화함으로써, 차세대 광자 집적회로 연구의 핵심적인 기술이 될 것이다.

□ 대용량 유무선 광인터커넥션 기술

o 실리콘 포토닉스를 CMOS구동 회로 집적형 실리콘 포토닉스 기술 개발로

칩간 10Gbps이상의 기술이 발표되고 있다. 기술의 발전으로 급격한 트래픽

의 증가가 진행중에 있고 이를 효과적으로 처리 할 수 있는 미래 기술 확

보가 미래 사회 경쟁력과 직결되는 핵심 미래 ICT 기술로 기존 전자가 수행

되는 대분분의 기능을 포톤이 처리하는 포토닉스 사회구현의 핵심 기술로

자리매김

o 고효율 대용량 3D 광이턴커넥션 기술 개발을 통한 현재 실리콘 포토닉스

대안기술을 제공함으로써 하고 Nanoelectronic chip의 data throughput을

Peta b/s 수준으로 발전시킬 수 있으며 또한 구동 소비전력은 수백 분의 1

로 감소시켜 인간 두뇌 수준의 초소형 supercomputer 실현의 미래 핵심 기

술

o 현재 기가급 무선 링크 기술들이 개발되고 있으나 Ultra HD급 영상 실시간

제공, 광대역 재난망구축, 인터렉티브 교육 등 매우 다양한 광대역 무선링크

기술 수요가 유 선망의 발전으로 급격히 증가하고 있다. 이를 효과적으로

해결할 유일한 방법으로는 테라헤르츠 대역의 반송파를 가지고 댁내 무선

링크 시스템 구축이 미래 사회에 필수적임

o 0.1~3 THz 광대역 특성을 확보하기 위해 저주파 대역에서는 출력이 f-2 고

주파 대역에서는 f-4에 비례하여 감소하는 물리적인 한계를 극복하기 위한

많은 연구들이 진행되고 있으나 광기반 기술 도입에 따른 광대역, 고효율,

초소형 기술 개발이 가능한 미래 핵심 신기술

3.5.2 산업/경제적 파급효과


- 133 -

o 광전자회로에 고밀도로 집적될 나노광원의 소비전력을 극히 낮춘 극소소비

전력 나노 광원 기술은 폭발하는 정보량에 따라 급증하는 에너지 문제 해

결에 핵심이 될 것임. 기존의 광원인 레이저 다이오드에 비해 수백~수천배

로 작은 나노광원은 소비전력량 역시 1/1000 이하로 줄어들 것이며 이는

O-E변환에 이용되는 막대한 에너지 소모를 해결할 것임. 또한 실리콘 기반

광소자 기술은 칩 상에서 전자-광회로의 결합을 구현해서 전기-광 신호의

변환효율을 현격하게 증가시키고 신호 전달에 발생하는 손실을 제거하여

광통신/광정보처리의 비용을 대폭 낮추어 에너지 소모로 인한 정보처리 시

스템의 유지비용을 대폭 낮출 수 있을 것임.

o 기존의 전자회로를 대체할 빛을 이용한 광회로 기술의 핵심 소자인 나노

광원 원천기술의 확보 및 새롭게 개척될 광회로 시장을 선점하는 효과가

있을 것으로 예상됨. 본 연구에서 개발되는 파장보다 더 작은 극미세 나노

광원은 세계적으로 개발 초기 단계이므로 이 연구를 통해 선도적 위치에서

국내 연구기관 및 기업의 참여를 유도할 수 있을 것임. 뿐만 아니라 나노광

원 연구에 수반되는 그래핀 나노 투명전극 연구는 디스플레이, 태양전지에

이용될 그래핀 투명전극을 보다 깊게 이해하도록 하여 산업적, 경제적 파급

효과가 막대하리라 예상됨.


o 이전까지 존재하지 않았던 optical control mechanics가 가능하게 되면서 새

로운 광부품 시장이 MOEMS 분야 및 광계측 분야에서 신규 창출될 가능성

이 높다. 많은 mechanical movement 부품 및 광측정에 전기적 변환이 필

요했지만 앞으로 optomechanics 소자를 응용하여 물리적 한계까지 민감도

를 끌어 올린 장치 개발이 가능하게 되었으며, 이로 인해 기존에 불가능하

던 측정 장치 및 초고효율 에너지 효율을 가진 광소자 및 초소형 및 초민

감성 측정 장치 등의 새로운 시장이 형성될 것임.

o Non EO 광부품의 개발은 EO 변환 광부품 시장을 대체하고 획기적인 성능

향상을 통하여 기존의 광부품 시장을 확대하고 예전에 없던 새로운 비선형

광부품 시장을 추가적으로 생성할 것으로 기대됨.

o 산화인듐주석을 대체할 새로운 투명전극 물질로 개발되는 그래핀은 투명

디스플레이, 태양전지 등 예측이 어려울 정도로 빠르게 성장하는 시장 규모

가 예상되므로 그 산업적, 경제적 파급효과는 막대하다고 볼 수 있다. 본 연

구에서 개발되는 그래핀의 나노 광소자에서 응용은 그래핀의 기존 물질의

대체 뿐만 아니라 나노 전기광소자라는 새로운 시장을 개척할 것이다. 이는

현재 세계적으로 기초 연구단계인 그래핀 광소자 원천기술을 확보하여 기

술적 우위를 확보할 수 있을 것임.

- 134 -

o Photonic Junction을 이용한 전광 컴퓨팅이 현실화될 경우, 기존의 전자 소

자들을 광소자로 대체하는 기술 개발이 진행될 것으로 기대된다. 즉,

Photonic junction 기술은 차세대 나노 광소자 산업에서 원천 기술로서의

가치가 있으며, 초고속 전광 논리 연산을 통한 전자 컴퓨팅의 대체는 기존

에 불가능했던 바이오, 양자 분야에서의 컴퓨팅을 통한 연구를 가능케 하여,

타 분야의 연구에도 그 파급 효과가 막대할 것이다.


o Photon 수송 적용으로 칩과 시스템의 구조가 혁신 변화, 기존 전자산업의

와해와 아울러 광범위한 새로운 부품/시스템 산업이 창출 Nanoelectronics

memory 공정 및 부품 기술에 국제적으로 앞서가고 있는 한국이 system까

지 대규모 시장 진출이 가능할 것으로 예상되어 산업 경제적 파급효과가

매우 큼

o 광스위치, 광메모리, 신호 제어 등을 구현시킬 비선형 나노 광소자의 개발은

기존 IC chip을 대체할 Photonic integrated circuit을 현실화 시킬 수 있다.

이를 이용함으로써 하나의 칩에 고밀도 광집적 회로의 구현이 가능해지고,

궁극적으로는 광컴퓨터와 초고속 광통신 또한 가능해 질 것이다. 일상 생활

에 사용되는 정보의 양이 폭발적으로 증가하는 현대는 전자회로의 시대에

서 광회로의 시대로 전환되는 시점에 있다. 이 시점에 미래의 핵심적 기술

이 될 광집적회로의 원천기술을 국내기술로 확보하는 것은 추후 발생할 수

있는 엄청난 기술비용을 확보하는 일이 될 것이다.

o 테라헤르츠파를 반송파로 하는 광대역 무선인터커넥션 기술이 개발되었을

때 급팽장하고 있는 유선망의 트래픽을 적절히 흡수함과 동시에 광기반 인

터커넥션 기술의 단점인 광정렬에 따른 시스템 구성의 한계를 극복할 수

있는 미래 핵심기술로 100Gbps 무선 링크 기술 개발로 미래 신산업 창출

및 국내 업체 경쟁력 견인에 핵심적 역할을 할 것으로 예상

o 주파수가변형 테라헤르츠파 발생 및 검출 기술개발로 정보 통신, 반도체·나

노 재료, Security, 바이오 메디컬, 농업·식품, 의료·의약, 환경 관련, 기타 계

측기기를 이용한 각종 분석·측정·검사 등 매우 다양한 테라헤르츠파 응용 분

야에 직접적으로 활용이 가능한 핵심 수요기술임

3.5.3 사회문화적 파급효과


o 고효율 전기 구동 나노 광원은 전자회로와 광회로의 결합을 가속화시켜 광

- 135 -

전자회로를 구현할 것이며, 궁극적으로는 단일전자로 구현되는 단일 광자

레이저, 광원의 실현을 통해 양자 암호학, 양자 컴퓨터의 기반이 될 것임.

이러한 새로운 개념의 광기술은 새로운 광정보화 사회를 탄생시킬 것으로

예상됨

o 고성능 초미세 반도체 광원에 대한 연구는 IT (information technology) 분

야의 응용 이외에도 여타의 nanophotonics, nanoelectronics, bio/medical

technology, mechatronics 등의 기술과 융합하여 상상을 넘어선 새로운 기

술과 산업으로 발전될 가능성을 보여주고 있음. 전자산업에서 연산을 담당

하는 기본 소자가 트랜지스터였던 것처럼 향후 광전융합소자

(optoelectronic convergence device)에서의 핵심소자는 nanophotonics 기

반의 나노레이저 및 공진기를 중심으로 하는 초미세 광원, 스위치, 라우터

등이 될 것으로 예상됨. 이는 전자/전기 기반 사회에서 광 기반 사회로 패

러다임 전화을 가져올 것임.


o Optomechanics 기술의 광양자 상호 작용을 이용한 non E-O 변환 소자기

술 개발은 양자 컴퓨팅의 도래를 앞당기고 초고속의 정보 처리 및 정보 전

달을 가능하게 한다. 실시간의 대용량 정보 전달이 가능함에 따라 인류의

정보 공유가 더욱 활발해지고 이로 인하여 삶의 질적 향상이 가능할 것임.

o 광양자 상호 작용을 이용한 non E-O 변환 소자기술 개발은 저에너지 고효

율 광소자 개발이 가능하게 함으로써 폭발적인 데이터 증가량에도 불구하

고 비트당 에너지 소비율을 획기적으로 낮춤으로서 에너지 자원을 절약할

수 있고 탄소배출량을 현저히 감소시킬 있을 것으로 예상됨.

o Photonic Junction을 이용한 전광 컴퓨팅이 현실화될 경우, 저전력, 고속 동

작을 통한 에너지 소모의 감소 및 초고속 전광 논리 연산을 통한 전자 컴

퓨팅의 대체를 실현할 수 있을 것이다. 이를 통해 양자 / 바이오 분야에서

의 컴퓨팅을 통한 연구가 가능해지면서 각 연구 분야의 융합 및 혁신과 이

를 통한 인류의 삶의 질 향상이 가능할 것으로 여겨진다.


o 컴퓨터 칩에서 nano scale photonic circuit에 의한 10Gb/s/ch 이상 속도,

Peta b/s 이상 data throughput의 데이터 전송은 PC, 멀티미디어 기기 와

통신 시스템의 데이터 처리 용량을 지금보다 수십-수천 배 가까이 늘여줄

수 있어, 휴대용 enterprise computer, 인간 뇌 성능의 컴퓨터, 감성 로봇,

실시간 원격의료진단 등이 실현, 인류복지 전반에 걸쳐 그 파급효과가 확산

- 136 -

o 테라헤르츠 나노 광집적회로 기반으로 미래 핵심기술 융합기술인 테라헤르

츠 주요 핵심 기술을 초소형, 고효율, 저가형으로 개발한다면 지금까지 없었

던 혁신적인 인간 중심의 신개념의 기술들을 제공할 수 있어 유비쿼터스

사회 실현 핵심요소인 비침습, 실시간 생체기술을 포함한 매우 다양한 핵심

정보 제공이 가능

- 인체내 혈당을 비침습으로 측정이 가능하여 저가형 고출력 주파수 가변형

트랜시버 기술 개발 수요가 급격히 증가 할 것으로 예상

- 테라헤르츠 트랜시버가 탑재된 신개념의 모듈/시스템 개발이 국내에서 자

체적으로 개발된다면 고부가가치 산업으로 자리 매김 할 수 있어 관련 일

자리 창출 가능

- 가치 사슬 하부에 속하는 부품소재 분야에서 테라헤르츠 나노 포토닉스 기

술 개발로 확보 할 트랜시버기술을 포함한 주요 소재, 소자, 모듈 기술의

가치사슬 한계 극복이 가능하여 부품소재 강국의 사회 기반 확충이 가능

- 137 -

제 2 장 지속가능형 그린 나노포토닉스 소자 기술

1. 지속가능형 그린 나노포토닉스 소자 기술의 미래상


o 지구 에너지 자원 고갈은 기근, 질병, 식수등 인류가 당면한 문제등 미래 인

류가 당면할 문제 중 가장 확실하며, 중요한 이슈 중 하나임. 이에 대한 대

비책으로 선진국을 비롯한 국내에서도 태양전지 및 LED 등과 같은 그린 광

소자 분야에 지속적인 정책 지원과 함께 많은 R&D 투자와 연구지원을 통

하여 대체 에너지 기술개발, 에너지 소비효율 향상 기술개발 등으로 다가올

에너지 자원 고갈 문제에 대처하여 왔음. 이에 대한 성과로서 가장 대표적

으로 에너지 변환효율이 약 41%인 III-V 태양전지, 조명효율이 약 200

lm/W인 고효율 LED 등이 개발되었음. 국내에서도 녹색 성장 정책 지원에

힘입어 비록 세계 최고 수준은 아니지만 LED 및 태양전지 산업이 꾸준히

성장되고 있는 상황임.

o 그러나, 현재 연속 기술선상에서의 LED 및 태양전지 소자 성능의 향상은 뚜

렷한 둔화세를 보이고 있어 동 산업에서 지속적인 성장이 어려울 것으로

전망됨. 예를 들어 지난 수년간 LED 산업은 LCD Backlight 에 적용되어 비

약적인 성장을 하였으나 LCD 디스플레이 이후, 즉 조명기구를 대체할 만한

기술수준에 도달하지 못함에 따라 그 성장세가 급격히 둔화되고 있음. 따라

서 미래에는 이와 같이 녹색산업을 지속적으로 성장시킬 수 있는 와해

(Destructive) 기술의 개발이 시급한 당면 과제가 될 것이며 이러한 와해 기

술의 개발은 미래기술의 원천기술 확보로 이어져 새로운 기술 장벽으로 작

용 할 것임. 따라서 지금까지 시도된 방식에서 벗어나 새로운 방식을 적용

하여 기존 이론치의 성능 한계를 돌파하는 기술의 개발 또는 새로운 기능

발굴을 통해 기존 산업의 성장을 유지, 가속 시킬 수 있을 것으로 보임.

o 예를 들면, 현재 청색 LED 에 황색 형광체를 결합한 방식의 백색 LED의 효

율한계 인 260lm/W를 극복 하기 위해 나노구조 자체를 발광체로 활용하여

이론적 성능한계를 400 lm/W로 상향시키기는 한계극복 기술 또는 유연

(flexible) 나노 광소자를 적용한 유연 (flexible) 스마트폰 등과 같이 새로운

기능의 부여를 통하여 녹색산업의 지속적인 성장이 도모될 것으로 전망됨.

- 138 -

그 림 2 -1 . 유 연 그 린 광 소 자 를 적 용 한 유 연 스 마 트 폰 개 념 도


o 나노기술 개발을 통한 에너지절감 및 효율향상 시장은 2011년 현재 20조

원, 2014년에는 65조원의 시장을 형성할 것으로 예측됨. (Cientifica 2007).

에너지저장 시장은 30%로 상대적으로 낮은 성장속도가 예측되는 반면 에너

지절감기술 관련 시장은 매년 64%, 에너지 발전시장은 90%로 상대적으로

매우 빠르게 시장이 성장할 것으로 예측됨.

그 림 2-2 . 나 노 기 술 을 통 한 에 너 지 절 감 및 효 율 향 상 시 장

[출 처 : W o rld m a rke t e vo lu t io n fo r n ano te ch no log y ap p lica t io n s

in th e ene rg y se c to r (C ien t if ic a 20 07 )]

- 139 -

o 일본 경단련의 조사에 따르면 일본의 나노기술시장규모는 2010년에는 약

320조원에 달할 것으로 예측하고 있으며 환경․에너지분야는 2005년 1조

3,570억원(4.8%)에서 2010년에는 19조 1,180억원(6%)으로 성장할 것으로 전

망하고 있음.

o Helmut Kaiser Consultancy (HKC)에서는 나노융합기술을 사용한 청정에너

지 시장이 2005년에 150조원, 120만개의 일자리를 창출하였고, 2010년에는

293조원, 2015년도엔 490조원에 이를 것이며 300만개의 일자리를 창출할


o 광원 시장은 현재 LED를 중심으로 이루어져 있으며, 세계 LED 시장 규모는

2008년 218억달러 규모에서 2012년에는 546억달러 규모로 성장하다가

2015년에는 1,000억달러 규모에 달할 것으로 전망됨. 기술의 발전으로 레이

저 다이오드를 대량생산 할 체계가 구축되었으며 조만간에 실현 가능할 것

으로 예상되고 급격한 광원 활용이 예상됨

구분 2005 2008 2010 2012(e) 2015(e) CAGR

LED광소자 3,970 5,190 6,850 11,510 20,000 17.6%

LED응용/융합기기 12,260 13,000 16,130 22,620 42,000 13.1%

LED 조명기기 1,370 3,560 9,440 20,500 38,000 39.4%

합계 17,600 21,750 32,420 54,630 100,000 19.0%

표 2-1 LED 세계 시장 규모

단위 : 백만달러

< 자 료 : 한 국 광 기 술 원 (2008 .4 ), 반 도 체 조 명 (LED ) 현 황 분 석 , K ET I 2009>

o 파장보다 작은 크기에서 빛을 효율적으로 생성하고자 하는 초미세 반도체

광원 기술은 기존 레이저 및 LED에 비하여 크기뿐만이 아니라 다른 우수한

장점 들을 지닐 것으로 예상됨

- 매우 작은 모드부피로 말미암아 기존의 반도체 광원에 비하여 매우 높은

직접 변조 대역폭 (예: 50 GHz 이상)을 가질 것으로 예상되며, 이에 따라

고속 정보 전달을 위한 외부 변조기를 따로 사용할 필요가 없어짐

- 특히, nanoscale LED의 경우, Purcell 효과로 인한 spontaneous emission

lifetime의 감소로 기존의 한계를 뛰어넘는 초고속 동작이 가능할 것으로

전망

- 발광소자의 모드부피가 감소함에 따라 전력소모가 감소하고 변조속도가

증가하는 경향을 보이므로, 발광소자의 전체적인 크기와 함께 모드부피를

최소화하려는 노력이 필요함

- 140 -

o 한편 스마트폰의 전 세계 시장 규모는 2010년에 2.85억대, 약 142조원,

2013년에 5.07억대, 약 250조원에 이를 것으로 전망되는데 (이트레이드증권

리서치 센터, 2010. 2), 나노포토닉스 기술을 적용한 유연 스마트폰이 개발

되면 이와 같은 규모의 스마트폰 시장증가를 더욱 가속화 할 것으로 기대

됨.

그 림 2 -3 . 전 세 계 스 마 트 폰 시 장 전 망 (이 트 레 이 드 증 권 리 서 치 센 터 , 2 010 . 2 )

1.3 사업개요

1.3.1 사업의 정의 및 범위

o 지속가능형 그린 나노광소자 기술은 향후 기존 그린광소자의 성능한계에

의하여 당면할 그린 산업의 성장 한계를 극복하여 그린 산업의 지속적인

성장을 견인할 기술을 개발하는 것을 목적으로 함. 이를 위하여 크게 새로

운 나노구조를 이용하여 기존 그린 광소자의 이론적 성능한계치를 돌파할

수 있는 기술개발과 그린 광소자에 새로운 기능성을 부여할 수 있는 기술

발굴을 본 사업을 위한 핵심 가치로 설정하였음.

o 한편 기존 그린 광소자의 성능 한계를 돌파할 새로운 나노구조를 이용하는

그린 광소자는 가장 산업적인 효과가 큰 LED 및 태양전지로 범위를 제안하

- 141 -

였고, 그린 광소자에 새로운 기능성을 부가하기 위한 기술로는 기존 산업에

새로운 임팩트를 가져올 유연성 (flexibility) 기술로 범위를 제안하였음.

o 따라서 지속 가능한 그린 나노광소자 기술은 위와 같은 핵심가치와 산업에

영향력이 큰 분야를 고려하여 5가지 중점추진 분야를 아래와 같이 구성하

였으며, 각각의 분야에서 구현하고자 하는 성능 및 기능을 기술하고 각각의

분야가 독립적이 아닌 유기적인 관계로 융합되어 새로운 응용분야로 활용

될 수 있도록 하였음.

1. 한계돌파형 무형광체 초고효율 백색 나노 LED 기술

형광체를 사용하지 않고 무형광체 초고효율 백색 LED 구현하기 위해 나노

구조위에 활성층을 구비하는 기존기술의 성능 한계를 돌파한 새로운 개념

의 백색 LED 구현

2. 한계돌파형 고출력 장수명 무기 형광체 기술

유기재료 기반의 형광체 대신에 무기재료 기반의 형광체를 사용하여 기존

기술의 성능 한계를 돌파한 장수명 무기 형광체 백색 LED 구현

3. 유연 무기 LED 기술

나노구조를 이용하여 희생층과 LED 구조가 결합된 구조의 성장, 수 1/100

로 작게 한 LED 어레이 제작 및 이 어레이를 유연 기판으로 전사시켜 무

기 LED를 이용한 유연 디스플레이 기반기술 구현

4. 유연 대면적 3차원 주기적 나노구조기반의 고효율 에너지 소자 연구

저비용의 나노 집적 기술을 기반으로 한 고도로 정렬된 (highly arrayed)

대면적 3차원 주기적 나노구조의 개발 및 이를 이용한 초고효율 에너지 소

자 (유/무기 태양전지 및 발광 소자) 제작

5. 유연 나노 광구조체 전사 공정 장비 기술

고온에서 성장된 고효율 나노 광구조체의 표면 성질 및 전사 공정을 제어

하여, 고효율 태양전지 및 LED 소자를 유연 기판으로 전사하는 고속 장비

를 구현함

1.4 사업추진의 필요성

1.4.1 사업추진의 시의성

o 현재까지 나노구조를 적용한 LED 및 태양전지에 대한 연구 대부분은 빛을

내거나 받는 활성부는 기존의 평탄 구조를 유지 한 채 그 위에 나노구조를

- 142 -

적용하여 광을 외부로 추출하거나 내부로 주입하는 효율을 높이는 시도로

소자의 일부 기능을 개선하는 연구에 그쳐 패러다임을 바꿀 수 있는 핵심

을 피해 왔음.

o 또한 무기재료 기반의 LED 및 태양전지의 경우 그 재료의 특성상 평평한

면 구조에서 응용되었을 뿐 유연한 면 구조에 대한 응용은 그 성능의 한계

에도 불구하고 유기재료의 고유영역으로 인식하고 그 틀을 벗어나는 시도

가 거의 이루어지지 않았음. 이와 같이 기존 틀에서 벗어나지 못한 연구 개

발은 그 성장에 있어서 한계에 도달할 것이 분명하고 이를 극복하기 위한

새로운 틀에서의 원천연구를 통해 그린 나노광소자의 지속적인 성장을 유

지해야 할 시기가 도래하고 있음.

o LED 분야에서 기존의 틀을 벗어나 새롭게 시도되는 연구로는 나노구조를

직접 발광체로 사용하고 크기조절에 따라 청, 녹, 적색 광의 방출을 유도하

고 이들의 혼합을 통한 형광체 없는 백색 LED 개발에 대한 연구, 또는 기존

YAG 위주의 형광체 대신 glass ceramic에 나노구조를 활용한 무기 형광체

개발이 일부 선진국에서 시작되고 있음. 나노구조를 이용한 LED 의 경우 결

정결함이 없고, 고품질의 반극성 또는 무극성 결정면을 활용할 수 있으며,

저가격 대면적의 기판을 이용하거나 유연기판 위로의 전사가 용이한 점, In

조성을 높일 수 있어 파장의 선택폭이 넓은 점 등 여러 가지 기술적 장점

때문에 고효율의 유연 백색 LED 개발을 가능케 함. 이와 같은 시도 및 응용

은 아직 초기 단계에 있는 반면 성공 시 새로운 그린 나노광소자 시장을

주도할 것이므로 그 파급효과는 대단히 크다고 할 수 있음.

o 유연전자소자의 연구가 국내외에서 활발히 진행되는 반면 유연 광소자에

대한 언급이나 국내 연구지원의 중요성은 아직 간과되고 있는 실정임. 이와

같은 상황에서 미국 Ford 자동차 회사, NSF, 미국 에너지부 등은 무기 LED

의 유연 기판에서의 구동을 위한 연구 프로그램을 지원하고 있으며

(Science 2009), Intel, Lawrence Berkeley National Lab. 등에서는 화합물

반도체 나노선 어레이를 SOI 기판으로 전사 (transfer) 하는 기술을 지원하

고 있음 (Nature 2010). 이와 같이 최근 선진국에서는 무기재료의 유연 또

는 이종 기판으로의 전사를 통하여 기존 소자의 유연성 및 응용성을 다양

하게 확대시키고 있는 상황이어서 이에 대한 국내 연구도 조속히 진행되어

야 할 시점에 도래하고 있음.

1.4.2 정부지원의 필요성

o 지금까지 정부 R&D 지원에서 LED 및 태양전지 분야는 대형 프로그램을 기

반으로 지식경제부에서 주도적으로 지원하여 왔음. 그러나 그 R&D 내용은

기본 틀을 유지하면서 주변기술을 활용한 성능 향상에 치중하는 연속기술

에 대한 지원이었기 때문에 패러다임을 바꾸는 획기적인 성능의 혁신을 가

- 143 -

져 오는 와해기술의 개발을 기대하기 어려운 상황임. 이에 따라 기존 틀을

벗어나 성능의 획기적 향상을 기대하기 위해서는 어느 정도 위험을 감수한

과감한 지원이 요구되며 따라서 교육과학부를 중심으로 한 정부지원이 절

실히 필요한 상황임.

o 광 집적 구조를 이용한 나노광기술의 잠재적 파괴력은 프랑스, 영국, 독일을

포함한 유럽전역에서 공동으로 추진되고 있는 차세대 광 집적 사업 (Next

Generation Photonic Integration)을 통해 입증된 바 있고 유럽뿐만 아니라

미국, 일본 등의 기술 선진국들에서도 정부 차원의 기술 개발지원이 이루어

지고 있음. 이러한 흐름으로 보아 향후 10년 이내에 나노기술이 적용된 제

품과 나노기술 산업 규모가 급속히 성장할 것으로 전망되므로 원천기술의

선점을 위해 정부차원의 적극적인 지원이 절실함.

o 최근 에너지 저감 및 고효율화 시책으로 자동차 및 조명 분야에서 고출력/

고휘도 LED 로의 대체가 매우 시급한 문제로 대두되고 그 수요가 폭발적으

로 증대되고 있음. 나노소재를 이용한 Glass ceramic 무기발광 소재의 경우

일본 및 세계 주요 선진 연구기관과 기업에서 차차세대 제품으로서 본격적

으로 연구 기반을 조성하고 있는 실정임. 반면 국내의 경우 이에 대한 대응

이 거의 없는 상태이고 시장규모의 성장 시점을 기초로 판단할 때, 본 과제

의 성공적인 수행 후 시장에 진입하기에 현재가 연구 개시에 가장 적합한

시점으로 판단됨.

o 무기재료의 유연화 기술 역시 유기재료의 유연화라는 기존 연구의 틀을 깬

분야로서 미국을 중심으로 기술개발 경쟁이 치열하고, 기술선진국에서도 도

입기에 있으므로 원천기술 확보가 가능하며 그에 따른 기술 리더쉽 확보가

기대되고, 후발 경쟁국과의 차별화 및 기술 선도가 가능한 분야이지만 민간

분야의 투자로는 기술발전 속도를 따라 가기 힘든 미래 기술 분야로 정부

지원이 시급한 분야임.

o 기반기술이 부족한 후속주자에게 기술의 주도권을 잡는 일은 언제나 불연

속 기술의 등장에 의해 있어왔음. 소니의 Trinitron TV, 워크맨 등이 주도하

는 시장이 디지털 LCD TV, MP3 player 등에 의해 그 주도권이 삼성이나

애플사로 넘어간 것은 좋은 예가 됨. LED 및 태양전지는 그 동안 연속기술

의 범위 내에서 발전해 왔으며 이는 아직 시장의 주도권을 잡고 있는

Nichia, Orsram, Lumiled, Sunpower, First solar 등 기존 선진업체들의 벽을

넘어서기 힘듦을 의미함. 그러나 나노구조를 이용한 신개념 소자는 지금은

이러한 연속기술의 벽을 허무는 와해 기술로 주목 받고 있으며 이 기술에

대한 선점은 시장의 패러다임을 바꿀 수 있는 기회가 될 것임.


o 본 사업은 나노기술을 기반으로 한 그린 나노광소자 기술로서 연구의 기존

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틀을 벗어나 기존 이론한계치를 초과한 성능 향상 및 새로운 기능 부여를

통하여 현재의 기술 영역 틀에서 이루어진 국내 그린 산업 이후차세대를

선도해 갈 목적으로 기획되었음. 이에 따라 본 사업은 NT/GT 융합 기술로

구성되었고, 지향하는 기술 영역은 그린 기술이라 할 수 있음.

o 이에 따라 본 사업은 정부의 『NBIC 융합기술지도』(2010. 9)의 정보통신분야

융합 LED내의 나노 포토닉스, 정보통신 단말용 광소자, 플렉서블 LED 등의

분야와 잘 부합되고 있음.

o 또한, 본 사업은 국가연구개발사업 중장기 발전전략 (2008. 7)의 국가 중점

육성기술 50개 중의 하나인 차세대 디스플레이 기술, 신재생 에너지 기술

분야에 속하고, 경제성장과 저탄소/환경지속성에 직접적으로 영향을 미치는

‘녹색기술에 대한 R&D 투자의 전략적 확대’ (녹색기술 연구개발 종합대책,

2009. 1) 사업과 직접적으로 연관 되어있으며, 신 성장동력 비전 및 발전전

략 (2009. 1)의 3대 분야 중 하나이며 ‘단순한 에너지 절감 분야가 아닌 미

래 성장의 바탕이 되고 기후변화/자원위기에 대한 해결능력이 큰 분야’로

규정된 녹색기술산업 내의 LED 응용, 신재생 에너지와 일치하는 분야로서

국가 상위계획과 정확히 부합하는 사업이라고 할 수 있음.

o 2009년 지경부 최상위 기술로드맵인 LED통합기술청사진에서는 LED기술의

메가트렌드는 초저가화, 고효율화, 고출력화, 융복합화, 고신뢰성으로 선정하

였고, 이러한 메가트렌드에 부합하기 위해서는 국가 전략적인 차원에서 원

천 특허를 위한 기술개발을 수행하여야 하며, 유연 나노 LED는 현실적으로

가장 시급한 연구주제라 할 수 있음.

o 한편 2009년 상반기 특허청이 추진한 ‘지재권중심 기술획득전략사업’에서

도출된 전략기술에 나노기반 유연 LED 기술이 포함됨.


o 2010년도 지식경제부 산업원천 사업에서 나노구조 적용 LED 사업은 양자점

사이의 FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) 원리를 이용하여

180 lm/W의 특성을 가진 LED 개발을 목표로 하고 있으며, 이 외에도 LED

표면에 플라즈모닉스를 적용하여 외부 추출 효율을 증대시키려는 연구 등

에 지원되었는데 이들은 주로 기존 LED 틀을 유지하면서 외부에서 나노구

조를 적용하여 효율을 증대시키는 데 초점이 맞추어져 있음. 예를 들어, 형

광체가 빛을 이용한 에너지 전달의 개념이라면 FRET는 비 발광성 에너지

전달을 이용한 개념으로 에너지가 전달되는 개념의 차이는 있으나 높은 에

너지 (즉 청색 파장) 에서 낮은 에너지 (즉 황색 파장) 로 에너지가 변환되

는 원리는 같으며 따라서 두 에너지차이만큼의 손실 (Stoke Shift loss) 을

피할 수 없는 한계가 있음. 또한 LED 표면에 플라즈모닉스를 적용하여 광

추출 효율을 증대시키는 연구는 현재 기존 LED의 최고 추출 효율이 85%

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수준임을 감안 하면 기술개발이 성공적으로 완료 된다 하여도 이로 인해

얻는 이익의 범위는 매우 제한적인 것이 현실임. 반면 본 사업에서는 기존

사업에서의 틀을 벗어나 나노구조 자체를 LED로 활용하며 크기 조절을 통

해 형광체 없는 R, G, B 조합으로 기존 이론 한계치를 돌파한 초고효율 백

색 LED 개발을 진행하려 함.

o 그 동안 유연성을 가진 LED를 개발하려는 연구는 유기재료 기반의 OLED

분야에 대한 연구에 집중되어 왔을 뿐, 무기 LED를 이용한 유연화 연구는

거의 진행된 바 없음. 본 사업에서는 무기 LED의 어레이를 희생층과 전사공

정 개발을 통하여 유연 기판 위에 전사시키고 이를 유연 디스플레이 기술

로 응용하는 연구를 진행하려함.

o 태양전지의 경우 교과부 신성장 동력사업에서는 다중접합 화합물 반도체

태양전지, 또는 양자점이 삽입된 태양전지 등이 개발되고 있으며 2010년도

에 시작된 GNT (Green Nano Technology)에서는 III-V 화합물반도체 나노선

과 염료감응 태양전지의 하이브리드로 구조로 이들은 주로 기존에 해외에

서 개발되거나 보고된 구조를 추격해 가는 연구에 집중되고 있음. 이에 반

하여 본 사업에서는 지금까지 시도된 바 없는 반도체-부도체-플라즈모닉 도

체로 구성된 3차원 나노구조의 태양전지 개발을 진행하려 함. 여러 복합 물

질을 자유로이 정렬 할 수 있는 기술 개발을 통하여 반도체를 이용한 전자/

정공의 이동을 용이하게 할 수 있고, 플라즈모닉 도체를 이용하여 태양광

흡수를 극대화 할 수 있고, 반도체와 부도체를 함께 이용하면 전자나 정공

을 반도체 안의 양자우물에 국한시켜서 전자나 정공의 전도성을 높일 수

있음. 또한 이 기술은 대면적에 3차원 구조를 고 정밀도로 투명한 유리기판

이나, 유연기판 위에서도 구현 할 수 있어서 미래 산업인 유연한 전자소자,

광소자, 바이오센서 등 다양한 소자에 응용될 수 있어 기존 태양전지 연구

의 틀을 벗어난 분야라 할 수 있음.

o 현재까지 개발이 시도된 전사 관련 기술은 주로 단일 금속층 혹은 소면적

의 테스트 기기로 나노스케일의 유연 광학소자의 실용화 기술에 적용하기

는 힘들었음. 본 과제에서는, 유연나노광소자에 적합한 신뢰성 높은 대면적

전사공정 장비기술을 개발하여 현재 기술 초기단계에 머물러 있는 나노 광

구조체 전사기술의 조기 선점을 통해 핵심 에너지소자인 태양전지․LED 등

다양한 친환경 분야에 적용하여 산업화에 필요한 고성능․고효율 소자생산에

기여하려고 함.


o 나노기술 자체가 급속히 성장 중임에도 불구하고 원천기술에 대한 연구 개

발 역량 확보 전략 결여 및 나노기술 인력양성을 위한 체계적인 시스템 부

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족.

- 해외교류를 통해 기술력 향상 및 핵심인력 육성을 추진하고 나노기술 및

인력양성 과정에서 고급인력 및 고급기술 개발에 대한 차별적인 전략 마련

필요.

o 국내의 고출력 백색 LED 기술 및 연구가 활발히 진행되었음에도 불구하고

현재 형광체와 같은 발광소재에 대한 뚜렷한 결과가 없는 실정임. 더욱이

국내의 경우 나노 glass ceramic 색변환 소재에 대한 연구는 초기 단계이기

때문에 일본 및 미국에서 나노 glass ceramic 색변환 소재의 개발이 먼저

완료되어 시장을 선점하는 경우 본 연구는 큰 의미가 없어 질 수 있음.

- 조속한 연구개발 진행으로 나노 glass ceramic 색변환 소재의 원천기술을

확보 및 선진 연구기관과의 교류를 통해 국내기술의 격차를 줄일 수 있는

전략이 필요

o 3차원 나노집적 구조를 이용한 고효율 에너지소자의 경우, 성공적인 개발을

위해서는 도체, 반도체, 부도체의 구조를 나노미터의 3차원 공간에서 정밀

하게 제어하는 기술이 필요하나 이러한 분야의 국내 연구수준은 활성화되

어 있지 않다. 따라서 이 분야의 세계적 선도그룹과의 활발한 공동연구를

수행하여 도체, 부도체, 반도체 물질의 3차원 나노집적구조를 단기간 구현

하고, 이를 기반으로 고효율 에너지 소자의 수준을 한 차원 향상시키는 전

략이 필요함.

o 연구개발이 선진 연구그룹의 개발방향을 답습할 경우 기술개발의 성공 가

능성은 높으나 이미 선진그룹에서 확보된 원천특허의 범위를 회피하지 못

하고 기술예속화가 될 우려.

- 과제선정 시 연구방향 및 계획에서 선진연구 그룹과의 차별화 방안에 대한

대책 및 원천특허 확보 계획에 대한 심도 있는 검토 필요.

o 주변기술과의 체계적인 동반 발전계획 결여 및 이에 따른 불균형 기술발전

과 개발 수준의 한계 봉착

- 나노소자를 실현케 하는 핵심 기술, 나노구조 형성을 위한 기반 기발, 새로

운 물리적 현상 을 고려한 소자 물리 기술 및 나노구조에 맞는 소자 구조

기술의 균형 발전을 위한 체계적인 마스터 플랜 필요.

o 나노집적 구조를 이용한 고효율 에너지소자의 성공적인 개발을 위해서는

도체, 반도체, 부도체의 구조를 나노미터의 3차원 공간에서 정밀하게 제어

하는 기술이 필요하나 이러한 분야의 국내 연구수준은 활성화되어 있지 않

음.

- 본 그룹에서는 이 분야의 세계적 선도그룹(Old Dominion 대학의 Gon

Namkoong 연구팀 등)과의 활발한 공동연구를 수행하여 도체, 부도체, 반

도체 물질의 3차원 나노집적구조를 단기간 구현하고, 이를 기반으로 고효

율 에너지 소자 개발연구를 수행하고자 함.

- 147 -

1.5 국내외 주요 R&D정책

1.5.1 미국

o 오바마 대통령은 향후 10년간 1,500억 달러를 청정에너지 (Clean Energy)

산업에 투자하여 그린에너지산업 시장과 신규일자리 5백만개 창출을 통한

『신에너지 경제 (New Energy Economy)』를 실현하여 미국의 에너지 독립을

달성하겠다는 녹색성장 관련 공약을 한 바 있음.

o 또한 2006년도에는 『첨단에너지계획 (Advanced Energy Initiative)』을 통하

여 2006년 대비 2007년도 예산을 1억 4,800만불로 2배 확대하고 태양열 발

전, 목질계 바이오에탄올, IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle)

등 차세대 녹색기술 연구개발에 집중하겠다는 계획을 발표한 바 있음.

o 미국 정부의 나노기술개발은 국가나노기술전략 (National Nanotechnology

Initiative, NNI)는 2010년과 비슷하게 2011년도에도 약 18억달러의 예산을

청구한 상태이며 기초 R&D의 진보와 역량으로부터 지속 가능한 에너지 기

술, 의료보건, 환경보호 등과 같은 국가적 우선순위 부분의 투자가 지속적으

로 확대되고 있음.

- 태양에너지에 대한 나노기술의 활용 관련 DOE, NIST, NSF, DOD, DNI,

USDA/NIFA 등의 기관에서 총 51 M$를 투자할 예정임.

- 나노포토닉스 기술을 이용, 타 산업과의 시너지 효과가 발생하여 새로운

일자리 창출 할 것으로 기대함.

o 미국의 기존 유선망의 고도화에서 고효율 태양광, 밀리미터, 테라헤르츠 전

파자원 확대기술 등 일등국가로유지를 위한 다양한 프로그램을 진행중에

있으며 나노사업, 바이오를 중심으로 한 융합사업, 테라헤르츠파 기술 개발

로의 중심 이동이 진행중에 있으며 그 근간에는 고효율, 저전력구동, 초소형

의 포토닉스 기술이 자리 잡고 있음.

o 과학재단(NSF)은 나노기초연구, 나노기술센터 및 인프라 시설 구축, 교육 및

인력 양성 부문을 지원하고 있음. 과학재단은 17개의 나노과학공학센터

(NSEC)와 6개의 재료연구센터(MRSEC), 국가나노 기술인프라네트워크

(NNIN), 나노전산네트워크(NCN) 등을 설립 및 지원하고 있음.

o LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory), SERC, JBEI, EBI 등의 기관이

참여하는 HELIOS 프로젝트는 나노과학, 생물학, 화학, 지구과학, ALS, EETD,

JGI, NCEM, 에너지 공학 등 다양한 분야와의 결합을 통해 고효율과 저비용

을 실현하기 위한 프로젝트로서 특히 나노스케일 합성 및 조합 방법을 통

하여 태양에너지 변환, 고효율 발광, 수송에 효율을 높일 더 가볍고 강한 물

질 개발, 화학적·생물학적 감지 등에 중대한 향상을 가져올 것으로 예상.

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1.5.2 일본

o 일본의 나노기술개발은 과학기술기본계획에 의해 추진되고 있음. 현재 제3

기 과학기술기본계획(2006~2011)을 추진 중에 있으며, 과학기술의 전략적중

점화(기초연구의 추진, 정책과제대응형 연구개발 중점화), 과학기술 시스템

개혁(인력양성, 혁신창출), 사회·국민의 지지를 받는 과학기술 등을 목표로

설정하고 있음.

o 일본 문무과학성은 매년 국가로서 대응이 불가결하고 사회적 파급효과가

큰 정책과제를 전략목표로 정하고 과학기술진흥기구(JST)에 의뢰, 연구영역

및 연구총괄을 설정하는데, 09년 과제 전략목표 4가지 중 하나로 “타분야

융합에 의한 자연광 에너지 변환 재료 및 이용기반기술 창출“을 설정하였

고, 2010년에 505억엔 예산을 편성함.

o 일본은 NEDO (New Energy and Industrial Technology Development

Organization) 하에 2004년 6월 2030년 태양전지 상용화를 목표로 한 장기

기술개발 계획을 수립하였음. 2006년 태양전지 R&D 분야 총예산은 20억엔

이며 중점 연구분야는 박막형 CIS 태양전지, 박막형 실리콘 태양전지, 염료

감응 태양전지, 초박막형 태양전지, 유기박막 태양전지로 총 6개 분야임.

1.5.3 유럽

o 유럽연합의 과학기술 연구개발은 1984년부터 추진되고 있는 프레임워크 프

로그램(Framework Program, FP)을 통하여 추진되고 있으며, 2000년 초부터

나노기술분야를 FP 체제 내에서 전략적인 연구개발 부문으로 설정하고, 연

구지원을 강화해오고 있음. 유럽연합은 2004년 5월 나노기술개발전략15)을

수립하고, 2005년 6월 나노기술개발시행계획(2005~2009)을 발표하였음. 유

럽연합의 나노기술개발 시행계획(2005~2009)은 유럽지역의 나노기술 연구

개발 능력의 통합(integration)과 산업화 그리고 사회적 영향에 대한 책임

(responsibility)을 강조하고 있음. 구체적인 예로 2009년 부터는 7번째 프레

임워크 프로그램 (FP7) 에서는 Osram 의 주도하에 14개 연구기관이 나노구

조 LED 기반기술을 연구하는 SMASH 프로젝트를 지원중임. 2009년 SMASH

프로젝트의 예산은 11.5 M Euro 이며 매년 증가하고 있음.

o Photonics 21의 보고서 ‘2nd Strategic Research Agenda in Photonics’에

의하면 유럽에서는 지속적인 성장이 가능한 연구분야 중의 하나로 그린 포

토닉스를 선정하고, 그린 포토닉스에 포함되는 여러 기술 중 LED와 태양전

지를 가장 영향력이 큰 분야로 고려하여, 2007년부터 2012년까지 총 1.73

억 유로를 투자해오고 있음.

o Disruptive nanophotonics를 통해 에너지 효율을 높이기 위한 씨앗 공동프

로젝트라는 주제로 N4E (Nanophotonics 4 Energy) Network of Excellence

가 2010년 9월 발족.

- 149 -

1.5.4 국내

o 정부는 범부처적으로 2009년에 ‘녹색기술 연구개발 종합대책(안)’을 만들고,

‘녹색기술은 저탄소 녹색성장에 기여하여 환경보호와 경제성장이 선순환되

는 전략적 구심점‘ 이라는 철학으로 지속가능한 성장을 기대하면서 녹색기

술을 IT, BT, NT 등 신기술간 또는 기존 제품․산업간 융합을 지향하는 융합

녹색기술로 영역을 확장하고 녹색기술 R&D 투자의 전략적 확대를 추진하

고 있음. 이에 따라 R&D 예산을 2008년도 1조원에서 2012년에 2조원으로

2배 확대하고, 선택과 집중에 의거 중점 육성해 나갈 기술 27개를 선정하였

음.

o 교육과학기술부는 2009년에 ‘나노기초원천기술 중기전략(NT 7-4-3 이니셔

티브)’을 수립하였으며, 이는 7대 중점 연구분야를 집중지원하고, 4대 인프

라를 강화하여 2014년 까지 나노 분야 선진 3대 강국을 실형하는 것을 비

전으로 제시하고 있음. NT 743이니셔티브 전략은 기초/원천 연구 투자를

크게 확대함. 7대 중점 연구분야는 나노융합소재, 물성평가해석, 안전성평가,

차세대 소자, 나노공정/장비, 나노바이오, 나노에너지 등이며 이들 7대 분야

의 35대 국가 그린 나노기술을 집중 지원하게 됨.

1.6 기술개발 동향

o 고품질 나노구조 성장기술 : 나노구조 성장은 크게 통상적인 에피텍시 성장

방법인 MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Emipaxy) 또는 MBE

(Molecular Beam Epitaxy) 기술에서 선택적 성장방법을 사용하거나 금속 촉

매를 이용한 VLS (Vapor-Liquid-Solid) 성장법이 이용됨. 전자는 선택적 성

장을 위한 나노 패터닝이 필요한 반면 VPS 법은 자기 정렬법 (Self

Assembly) 인 장점이 있으나 촉매로 사용된 금속에 의해 결정이 오염되는

단점을 피하기 어려움. GaN 선택적 성장법은 1997년 Hitachi 사에 의해 단

면이 삼각형 또는 사각형 성장법이 보고된 이래 97년 NTT 사가 6각 기둥

성장을 보고하는 등 다양한 결정면을 가지는 성장법이 보고되었음. 또한

Nagoya 대학 연구진은 2000년 선택적 성장법에 의해 결정결함의 전파 방

향이 바뀌어 고품질의 결정성장이 가능함을 보여주기도 하였음. 초기에는

직경이 10마이크로 미터 이상으로 비교적 구조물의 크기가 컸으나 큰 구조

물의 성장기 점점 작은 크기의 구조물 성장개발이 진행 되어 11년에는

200nm 크기의 나노 막대 성장에 성공하기도 하였음.

- 150 -

그림 2-4 (Appl. Phys. Lett. 1996 Hitachi) (Appl. Phys. Lett. (Appl. Phys. Lett.,2000

(Appl. Phys. Lett. 2011, 1997 NTT) Nagoya) Research Centre Julich GmbH)

o 고효율 청, 녹, 황, 적색 InGaN 활성층을 나노 구조위에 성장하는 기술 : 나

노구조물 위에 성장된 InGaN 활성층의 물리적, 광학적 특성은 평면 위에

성장된 기존의 박막 형태의 활성층과는 매우 다른 양상을 보임. 04년 영국

의 Strathclyde 대학 연구진은 피라미드 구조 위에 성장된 InGaN 활성층으

로부터 양자점과 같은 발광특성을 보임을 보고 하였음. 한편 UC Berkeley

는 07년 VLS 법으로 성장된 InGaN 나노 막대에서 조성에 따라 가시광 전

영역에 걸친 발광이 가능 함을 처음으로 보고 하였으며 10년에는 Sophia

대학에서 선택적 성장법에 의해서도 청색부터 적색까지 발광이 가능함을

보여주었음.

그림 2-5 (Appl. Phys. Lett., 2004 (Nature Mater. 2007 University of (Appl. Phys.

Lett. 2010 Sophia Univ.) University of Strathclyde) California at Berkeley)

o 고효율 다중파장 백색LED 구조 개발 : 상대적으로 나노구조 LED 소자의 개

발은 나노구조 성장기술이나 활성층 성장기술 개발에 비해 더디게 발전 하

고 있는데 이는 나노구조의 특성상 소자를 구현하기 위해서는 새로운 소자

설계, 새로운 공정 개발등이 수반되어야 하기 때문임. 특히 전극의 형성, 균

일한 전류분포 제어, 접촉저항 감소 및 누설전류 방지 등은 아직까지도 해

결해야 할 난제가 많이 남아 있는 분야이다. 국립 대만 대학은 평면구조의

박막형 LED 구조를 식각 방법에 의해 나노막대로 변형한 LED 개발에 대한

보고를 꾸준히 발표하고 있음. 이러한 구조는 근본적으로 누설전류를 제어

할 수 없으며 또한 무극성 또는 반극성 결정면을 이용하고 있지도 않고 발

- 151 -

광면적이 감소하는 등 근본적인 문제를 안고 있음. 한편 09년 미국의

Sandia National Lab. 에서는 나노 막대 형태의 LED 를 제작하고 막대 하나

하나의 누설전류를 측정하여 보고 하기도 하였으며 일본의 Sophia 대학, 미

국의 RPI 등에서도 나노 구조 LED 를 제작 하여 보고 하였으나 전술한 나

노 구조 LED 의 문제점을 해결 하지는 못하였음. 이러한 문제점에도 불구하

고 나노 구조 LED 를 개발 하고자 하는 노력은 꾸준히 증가 추세에 있으며

스웨덴 Lund 대학의 Samuelson 교수는 유럽 벤처 캐피탈로부터 18.6

MEuro 를 투자 받아 Nano LED 회사인 Glo 사를 설립하여 나노구조 LED

개발에 박차를 가하고 있음.

그림 2-6 (Appl. Phys. Lett., 2004) (IEEE Electronics Letters 2009)(Appl. Phys. Lett., 2009,

국립대만 대학교, Sophia Univ..) ( Sandia National Lab.) RPI)

o 최근의 LED용 형광체 개발은 기본적인 효율 향상뿐만 아니라 제품 사용 중

광특성 변화를 최소화 하고 장수명을 보장 할 수 있는 신뢰성 향상 기술과,

LCD BLU (Backlight Unit)나 조명, 전장 등 각각의 응용 분야별로 요구되는

연색성, 색재현성, 색온도 안정성 등을 만족시키기 위한 특화된 형광체 연구

로 진행되고 있음.

o 현재 형광체를 모체 (hostmaterial)의 주성분 관점으로 논의할 때, 기존의

YAG, TAG, Silicate계열 산화물 형광체와 황화물 (sulfide) 계열의 종류가 많

으나 이들 조성의 형광체는 백색 LED에서 요구되는 내구성, 내습성, 색온도

안정성 등의 신뢰성을 만족시키기에는 부족함. 그러나 최근에 개발 및 적용

진행 중인 질화물 (nitride) 또는 산질화물 (oxy-nitride) 모체는 기존 산화물

의 산소대신 질소 원자의 강한 공유결합으로 이루어져 안정성이 높고, 여기

및 발광파장이 장파장으로 이동하여 blue 광을 이용한 LED 적용에 적합함.

이러한 이유들 때문에 최근 고온 특성이 우수한 질화물계 형광체 개발에

대한 관심이 높아지고 있으며 신규 형광체로서 상용화 연구가 급속도로 진

행 되고 있음. 또한 양자점 형광체는 양자구속효과를 통하여 크기에 따라

발광파장을 쉽게 조절할 수 있기 때문에 백색 LED 용 형광체로의 적용을

- 152 -

위해 연구가 활발히 진행 중에 있음.

o YAG, TAG, Silicate 계열 산화물 형광체 : 1996년에 청색 LED의 상용화가

이루어짐에 따라, 칩 위에 형광체를 도포하는 방법으로 청색 LED로부터 발

산하는 청색광과 Y3Al5O12:Ce3+ 형광체로부터 얻어지는 황색광(560 nm)을

조합시킨 백색 LED가 등장하게 되었음. 이 방식은 고휘도이지만 두 개의 우

세한 파장들로 발광이 구성되기 때문에 발광스펙트럼에 녹색 및 적색 톤이

부족해져서 일반적으로 연색성이 부족한 것이 단점으로 지적되고 있음. 전

형적으로 CRI(Color Rendering Index) 값이 60-70 범위에 있으나 조명을 위

해서는 80 이상의 값이 필요함으로 적색을 발광하는 형광체를 첨가하여 발

광 스펙트럼을 넓혀서 이러한 단점을 보완하고자 하는 시도가 진행되었음.

초기에는 YAG:Ce 황색 형광체가 휘도와 신뢰성 등이 우수해 라이선스 계약

된 LED 업체들이 사용해왔으나, 그렇지 않은 업체는 일본 니치아의 특허 공

격을 피하기 위해 유일한 대안으로 실리케이트 황색 형광체를 사용하기 시

작하였음. 그러나 최근 스미토모금속광산과 도호쿠대학 다원물질과학연구소

와의 공동으로 YAG:Ce 황색형광체에 비해 약 1.5 배의 형광강도를 가지는

(Sr,Ba,Eu)2SiO4 실리케이트 형광체 개발에 성공하였음.

o Nitride 또는 Oxy-nitride 형광체 : 대표적인 Oxy-nitride 형광체인 Ca-α

-SiALON 에 Eu2+ 가 첨가된 형광체의 경우 300nm 와 400nm 영역대에서

강한 여기 스펙트럼을 보이며 이로 인해 585nm 영역대에서 넓은 황색을

발광을 나타냄. 이 형광체와 청색 LED를 이용하여 백색 LED를 제작한 경우

YAG:Ce 형광체에 비하여 색온도가 낮은 warm white LED를 구현할 수 있

음. 반면 대표적인 Nitride 형광체인 La3Si6N11:Ce3+ 형광체의 경우 약

300nm 영역대와 400∼500nm 영역대에서 강한 여기 스펙트럼을 보이며 이

로 이해 543nm 와 586nm 영역대에서 넓은 황색 발광을 나타냄. 이 질화물

형광체와 YAG:Ce 형광체의 고온에서의 열특성의 경우 100°C 이하에서는

서로 비슷한 특성을 나타내지만 100°C 이상에서는 La3Si6N11:Ce3+ 형광체

가 훨씬 우수한 열특성을 나타냄.

- 153 -

기술명개발

단계개발 내용 개발

YAG:Ce 황색형광체 상용화청색 LED와 황색 형광체의

조합에 의한 백색광 구현Nichia사

TAG:Ce 상용화 〃 OSRAM사

Ba-orthosilicate 기술개발 〃 GE사

(Sr,Ba)-

orthosilicate기술개발 〃 OSRAM사

(Ca,Sr,Ba)-

orthosilicate상용화

〃Toyoda Gosei/

LWB/Tridonic

〃Phosphor

Technology

M-orthosilicate 상용화 〃Intematix

Corp사

Sr3SiO5:Eu 상용화 “ KRICT

Ca-α-SiALON:Eu2+ 상용화 “NIMS/

Mitsubishi

La3Si6N11:Ce3+ 상용화 “NIMS/

Mitsubishi

(Sr,Ba,Eu)2SiO4기술개발

완료“

스미토모

금속광산

표 2-2 황색 형광체의 개발 동향

o 양자점 형광체 : 양자점 형광체는 약 2∼10nm 크기의 II-IV, III-V 족 등의 반

도체 입자(CdS, CdSe, CdTe, InP 등)로 이루어진 중심과 주로 ZnS 등의 껍

질로 구성되며 외부가 무기물(SiO2) 혹은 고분자 등으로 코팅되어 있음. 이

러한 양자점 형광체는 일반적으로 반도체 밴드 갭이 좁을수록 장파장의 빛

을 방출하며 양자구속효과를 통해 크기에 따라 청색에서 적색까지 빛을 방

출 할 수 있음. 따라서 백색광을 구현하는데 사용할 수 있는 양자점으로는

ZnSe, CdSe, InGaP 등을 예로 들 수 있지만 주로 가시광선 영역을 다 포함

하는 CdSe 양자점 연구가 많이 진해되고 있음. 그러나 실제 백색 LED 에

적용하는 경우 흡수대와 발광 파장이 상당부분 겹쳐 입자간의 재흡수가 발

생하여 발광파장이 적색 편이를 일으켜 농도가 진한 경우 양자효율의 저하

가 발생하며 표면의 결함 및 산란 문제로 발광특성이 좋지 못한 문제점을

가지고 있음.

o 최근에는 백색 LED 의 높은 색재현성이 요구되는 분야가 많아짐에 따라 황

- 154 -

색형광체 보다는 적색 및 녹색 형광체에 대한 수요가 급증하고 있음. 따라

서 대표적 황색형광체인 YAG:Ce을 생산하는 Nicha 사 외에도 CaAlSiN3:Eu

와 (Sr,Ca)AlSiN3:Eu 와 같은 적색형광체와 (Ba,Sr)2SiO4:Eu 과 CaSc2O4:Ce

와 같은 녹색형광체를 판매하는 Mitsubishi 사가 많은 주목을 받고 있음.

o 유연 태양전지는 광활성 소재를 유리 기판 위에 코팅해 제작하는 기존의

태양전지와는 달리 금속 호일이나 플라스틱과 같은 Flexible한 유연 기판 위

에 광활성 소재를 코팅, 제작된 태양전지를 말한다. 이러한 태양전지는 고분

자 기반의 유기태양전지와 Si 및 CIGS 기반의 무기 태양전지로 크게 나눠어

짐. 아래 그림과 같이 유연기판의 유/무기 태양전지 시장은 점점 증가하고

있음. 무기 박막 태양전지의 경우 얇은 박막 두께로 인해 태양광 흡수가 한

계가 있으며 3차원 나노집적구조의 표면 플라즈몬 및 포토닉 밴드갭 효과

를 이용하여 박막의 광흡수율을 증가시키고 전지의 효율을 극대화시킬 수

있음.

그림 2-7 유연기판을 시용한 유/무기 태양전지 시장 전망

o 기존의 Si 태양전지의 경우 20%이상의 고효율을 나타내나 유연 기판 적용

시 효율이 감소하는 단점을 가지고 있음. 일리노이 주립대의 John Rogers

교수 연구팀은 기존의 태양전지의 단점을 해결할 수 있는 새로운 방법을

보고하였음. 이 방법은 마이크론 크기의 Si 나노 막대를 고분자 박막 위에

3차원 배열을 가지도록 배열한 후 이를 유연기판에 전사함으로서 유연기판

에 적용된 무기 태양전지를 개발하였음. 이러한 방식으로 제작된 Si 태양전

지의 효율을 약 12%이었음.

- 155 -

그림 2-8 유연 기판을 이용한 Si 태양전지 (Nature materials 2008)

o 스위스 취리히 연방공대의 Ayodhya N. Tiwari 박사 연구팀은 저온 공정을

통해 유연한 고분자 기판 위에 CIGS [Cu(In,Ga)Se2] 박막을 증착함으로서

17.6%의 효율을 가지는 고효율 CIGS 유연 태양전지를 개발하였음. CIGS 광

흡수층 제작공정은 550℃ 이상의 고온에서 주로 이루어짐으로 고분자 및

유연 박막의 열팽창 특성으로 인해 제작된 광흡수층이 변형되어 효율이 감

소함. Ayodhya N. Tiwari 박사팀은 CIGS 박막을 450℃ 이하의 저온에서 성

장시키고 성장 과정 중에 Ga 농도 제어 및 Na 도핑을 통해 고효율 유연

CIGS 태양전지를 구현하였음.

그림 2-9 유연 기판을 이용한 CIGS 태양전지 (좌) 및 효율

특성 (우), 스위스 취리히 연방공대

o 대면적의 투명기판이나 플라스틱 위에 3차원 복합 나노 집적 구조를 제어

하고 형성할 수 있는 기술은 표면 플라즈몬이나 광결정 구조를 이용하여

태양광의 흡수 및 에너지변환 효율을 극대화 할 수 있어 저가형 고효율 에

너지 소자 개발의 핵심 요소임. California Institute of Technology 의 Harry

A. Atwater그룹에서는 표면 플라즈몬 유도를 이용하여 태양전지의 효율 향

상을 보고하였음. 또한 Cambridge 그룹에서는 TiO2 mesoporous 위에

- 156 -

그림 2-10 태양전지의 효율향상을 위한 표면 플라즈몬 유도 나노구조

(Nature Materials 2010)

microporous TiO2 구조를 집적하여 연료감응 태양전지를 성공적으로 구현

하였으며 3차원 나노 집적 구조에 대한 선도적인 연구를 수행하였음.

그림 2-11 3차원 TiO2 나노 집적 구조를 이용한 염료감응 태양전지 (Nano Letters 2010)

o 태양광의 흡수 및 에너지변환 효율을 극대화 할 수 있는 기존의 표면 플라

즈몬이나 광결정 구조들은 고비용의 E-beam lithography 나

nanoimprinting 등을 이용하지만, 미국 Old Dominion University 의 Gon

Namkoong 교수 연구팀은 상대적으로 비용이 저렴한 atomic layer

deposition, chemical etching 방법 등을 이용하여 반도체 (ZnO, TiO2), 도체

(Pt), 부도체 (Al2O3) 등을 3차원의 복합 나노 포토닉 구조로 1 인치 Si 기

판 위에 형성하였고 이를 ACS NANO, Nanoresearch, Physica status solidi

rapid research letters 등 여러 저널에 논문을 출간한바 있으며, 3차원 주

기적 나노구조 연구분야에서 선도적인 그룹임. 또한 이를 이용한 광소자 응

용 가능성을 제시하였음.

- 157 -

그림 2-12 3차원 반도체, 도체, 부도체로 이루어진 3차원 나노 포토

닉 구조 (Nano Research 2011)

o 2010년 Science, Vol. 330, p 655에서 K. Chung 등이 GaN LED 소자를 글

래스, 금속, 플라스틱 등 임의의 기판으로 전사하여 소자 작동 실험을 수행

하였음. 그림 A에서 같이 그래핀 시트를 전이 기판으로 활용할 경우 그래핀

접착 성질로 인해 기계적으로 쉽게 박리되는 성질을 활용하였음. 그래핀 기

판위에 ZnO를 중간층으로 삽입해서 그 위에 LED 소자 성장을 용이하게 하

였고, 이러한 공정은 금속 및 플라스틱 기판등 LED 유연소자로의 응용 가능

비전을 제시했다는 점에서 의미가 큼.

그림 2-13 다양한 기판 위 LED 구조 (Sience 2010)

o 2009년 Science, Vol. 325, p977에서 S. Park 등이 AlInGaP 기반 적색 LED

적층구조를 AlAs 희생층의 습식에칭을 통해 제거하는 방식으로 PDMS 스템

프에 전사한 후 기판에 프린팅하는 방식으로 유연하면서 반투명한 디스플

레이를 제작하였음. 소자 전체를 프린팅하는 방식이 아닌 LED 소재 프린팅

후 금속 전극등을 적층하는 방식으로 소자가 제작되었으며 PET등의 유연기

판에 전사되어 소자가 정상작동 됨을 보여주었음. 소자의 고효율을 위해서

희생층 에칭 및 전사시에 적층구조의 손상을 최소화 하는 공정이 필요함.

같은 그룹에서 박리 및 프린팅 공정의 최적화를 위한 프린팅공정시 동력학

에 대한 연구를 2006년 Nature Materials, Vol 5, pp33 에서 발표한 바 있

- 158 -

음. Separation 속도가 빠를수록 이형에너지가 많이 드는 것을 관찰하여 박

리 시에는 빠른 속도로, 프린팅 시에는 느린 속도로 진행하는 것이 유리하

다는 것을 증명하였고, 최근 국내외에서 공정 전사율을 높이고 다양한 분야

에 응용하는 연구를 경쟁적으로 연구하고 있음.

그림 2-14 전사공정 연구 (Nature

Materials 2006)

그림 2-15 PET에 전사된 적

색 LED 어레이 (Science

2009)

- 159 -

2. 기술의 구조

2.2.1 기술 체계도

o 대분류 (총괄과제명): 지속가능형 그린 나노광소자 기술 개발

o 중분류 (세부과제명):

- 제 1세부과제 : 한계돌파형 무형광체 초고효율 백색 나노 LED 기술

- 제 2세부과제 : 한계돌파형 고출력 장수명 무기 형광체 기술

- 제 3세부과제 : 유연 무기 LED 기술

- 제 4세부과제 : 플라스틱 기판 위 대면적 3차원 주기적 나노구조 고효율

에너지 소자 기술

- 제 5세부과제 : 유연 나노 광구조체 전사 공정 장비 기술

o 세부기술 (세부과제 목표달성에 필요한 기술) :

1. 제 1세부과제 : 한계돌파형 무형광체 초고효율 백색 나노 LED 기술

- 고품질 GaN 나노구조 성장 : 결정학적 나노형상 형성 기술, 결정결함 전파

방지 기술, 이종기판 (예, Si) 성장 기술

- 나노구조 청, 녹, 황, 적색 InGaN 활성층 성장 : 나노구조체에 의한 In 조성

제어기술, 응력제어기술, 활성층 구조 설계 기술

- 다중파장 백색LED 구조 개발: 저 누설전류 구조 설계, 균일한 전류분포 구

조 설계, 다중파장 발광 구조 설계, 주기적인 나노 광 추출구조, 이종기판

전사 기술

2. 제 2세부과제 : 한계돌파형 고출력 장수명 무기 형광체 기술

- 무기 나노 glass ceramic 색변환 소재 설계: Host matrix, activator 조성 제

어, Nano-crystal 또는 quantum dots

- Nano 입자 공정제어: 조성, 용융/열처리 조건, 나노입자 크기 및 발광 특성

제어

- Nano glass ceramic 소재분석: 나노입자분석(TEM, SEM, Raman 등), 열분

석(DSC, DTA 등)

- LED 광원용 소재성형: 나노 glass ceramic 성형, 평판형/렌즈형 설계제어

및 가공

- LED 적용 평가: 변환효율, 색좌표 등 발광특성, 온도 및 시간에 따른 신뢰

성 평가

- 160 -

기술명칭

중요

도

가중

치

현재기술수준 주요 시장요구사항

미래

기술수준국

내벤치마크

세

계

최

고

주요 기술발전요인

제 1세부

한계돌파

형

고품질 GaN

나노구조

성장

30 40

Sandia

National

Lab./

70

대면적 이종기판 위에 나노

구조체의 균일한 성장 기술100%

(직경100~50

0nm의 성장 조건에 따른 결정학적

표 2-3 나노구조 에너지 소자 국내 기술수준 및 월드클래스 비교

3. 제 3세부과제 : Soft 무기 LED 기술

- R, G, B LED에 대한 희생층 소재 연구

- 희생층을 포함한 R, G, B LED 에피구조 성장

- 유연 기판 위로의 R, G, B LED 어레이 전사기술 연구

- 전사된 R, G, B LED 칩의 물성 연구

4. 제 4세부과제 : 유연 기판 위 대면적 3차원 주기적 나노구조 고효율 에너

지 소자 기술

- 저비용 3차원 주기적 나노집적 구조 구현 및 분해능 구현

- 대면적 유리, 플라스틱 기판 위에 나노 복합 구조 형성 기술 개발

- Plasmonic effect, phtonic bandgap effect 구현을 위한 수치 해석적 분석

기술 개발

- 3차원 복합구조를 이용한 태양전지 소자의 효율 향상

5. 제 5세부과제 : 유연 나노 광구조체 전사 공정 장비 기술

- 유연 기판 위 대면적 전사 공정 장비 설계 및 제작: 면적 12“, 연속공정,

다층전사공정

- 나노구조체 전사 장비 적용 기술 개발: 나노 LED/태양전지 구조체 유연기

판 전사공정

- 전사 공정 기반기술 개발: 대면적 탈부착 기술을 위한 표면처리 기술, 대면

적 전사 스템프 제작 기술, 전사공정의 소자 특성 및 평가 기술

2.2 기술수준 및 도전과제

□ 기술수준

- 161 -

무형광체

초고효율

백색

나노 LED

기술

UC Berkeley결정면 선택/전위 전파 방지

기술

나노 GaN구

조체의

균일한 성장)

나노구조

청,녹, 황, 적

색InGaN 활

성층 성장

30 20 UC Berkeley 30

IQE 80% 이상의 460, 530,

570, 630nm 파장의

InGaN 활성층

100%

(자유로운 In

조성 제어에

따른

파장제어기

술)

성장조건 외 나노 구조체에

의한 In조성 조절기술

/응력 및 Piezoelectric 제어

기술

다중파장

백색LED 구

조 개발

40 10 Nichia 20

형광등과 가격경쟁이 가능한

조명효능의 백색 LED100%

(형광체를

사용하지

않고

시감도에

맞춘 일체형

백색LED)

다중 파장 LED 구조/저

누설전류 LED 구조

/효율적인 광 추출 나노구조

가중평균

기술수준100 55

제2세부

한계돌파

형

고출력

장수명

무기

형광체

기술

나노 GC

소재 개발40 30

S.Tanabe,

N.Takayuki60

고출력 백색 LED에서의 황변

및 효율저하 방지를 위한

고신뢰성 형광물질 요구100%

(상용YAG:

Ce 형광체

대비 100%

발광효율)나노결정구조 제어를 통한

나노 GC 소재 제조기술

나노 GC를

이용한

remote

타입의 판상

및lens 개발

40 10 NEG 40

고효율 색변환 및 광학기능의

일체화를 통한 공정 비용 절감

및 효율향상

100%

(형광체

합성과

동시에

remote type

의 판상 및

lens 성형)

백색 LED용 나노GC 소재 성형

및 가공기술, 정밀

렌즈가공기술

가중평균

기술수준100 47

제3세부

soft 무기

LED기술

R,G,B 무기

(inorganic)

LED 희생층

소재 및

성장

40 40

J.A. Roger

그룹 (U.

Illinois at

Urbana-Sha

mpaign)

50

R,G,B 무기 LED 별 희생층이

포함된 LED 구조 성장

100%

R,G,B 무기

LED별

희생층을

포함한 무기

LED 구조

성장

나노구조를 통한 기판과

성장층과의 격자부정합 해결

유연기판위

로의 무기

LED 전사

30 50

J.A. Roger

그룹 (U.

Illinois at

70유연기판 위로 무기 LED

어레이 전사

100%

오믹 금속이

형성된

- 162 -

Urbana-Sha

mpaign)

오믹형성을 위한

metallization 문제 해결

유연기판

위에 무기

LED 어레이

전사됨

전사된 무기

LED 칩의

물성 특성

평가

30 50

J.A. Roger

그룹 (U.

Illinois at

Urbana-Sha

mpaign)

70

전사 전후에 무기 LED chip의

특성이 변화가 없어야 함

100%

유연기판

위에서 무기

LED 칩의

정상 동작

시뮬레이션에 의한 무기 LED

칩의 스트레스 분포 계산 및

측정

가중평균

기술수준100 47

제4세부

대면적

3차원

주기적

나노집적

구조를

이용한

초고효율

에너지

소자

연구

저비용

3차원

주기적 나노

집적 구조

구현

30 40

Gon

Namkoong

(Old

Dominion

University)

90

E-Beam lithography 나

nanoimpriting 기술이 아닌

저비용 제작기술

100 %

(저비용,

10nm

resolution)저비용, 고밀도, 고정밀

나노공정 기술 필요

대면적

3차원 나노

복합 구조

형성 기술

30 0

Gon

Namkoong

(Old

Dominion

University)

70

4 inch 이상의 유리기판 및

유연 플라스틱 기판 적용기술100 %

(4 inch

이상)대면적 광전소자 개발 요구

초고효율

태양전지

제작

40 70

Richard

Friend

(University

of

Cambridge),

Alan J.

Heeger

(UCSB),

Yang-Yang

(UCLA)

80

유연 플라스틱 기반의 저비용,

고효율 태양전지 개발 기술 100%

(광전변환효

율 10%

이상의

저비용

고효율

태양전지)

유비쿼터스 구현 기술

가중평균

기술수준100 55

제5세부

유연

나노

광구조체

전사

공정

장비

기술

대면적

광소자 전사

공정 장비

개발

40 70

80

(현재

세계적으로

대면적

장비 사례

없음)

80

고효율 광소자의 전사를 위한

대면적(8in이상), 높은

정렬도를 가진 장비 설계 기술

및 제작 기술

100%

(다층 8in

이상의 나노

광 소자

전사 장비

제작 기술)

유연 기판위 전사율 95% < ,

8in 이상의 대면적 전사 공정

기술 개발

대면적

탈부착을

위한 표면

처리 기술

30 80

80

John

Rogers

(Universtity

of Illinose

90

대면적 희생층 제어 기술 및

박리후 불순물 세정 기술100%

(표면처리

8in 이상,

박리율 99%

이상, 전사율

접착 제어를 위한 물리/화학적

표면처리 및 재료 기술 개발

- 163 -

as

Urbane-Cha

mpaign)

99% 이상)

고해상도

전사공정

소자특성

평가 기술

30 80

C.G. Wilson

(University

of Texas

Austin)

Molecular

Imprint Co.

90

다층 나노 광구조체

전사공정을 통한 소자 특성

평가기술

100%

(유연기판

전사후 효율

변화 없이

제작)

고해상도 스템프 제작, 정렬

및 조립기술, 성능검증 기술

/조립/성능검증 제작 기술

가중평균

기술수준100 55

□ 도전과제

그림 2-16 지속가능형 그린 나노광소자 활용과 도전

n 본 사업은 기존 연구의 틀에서 형성된 현재의 그린 시장이 지나간 이후에도 지

속적으로 그린 시장을 성장시키기 위한 연구로서 기존 연구의 틀을 벗어나 기존

보다 상향된 이론 한계값 또는 새로운 기능에 도달할 수 있는 기술을 개발하는

것을 목적으로 함.

n 기존 나노구조체를 이용하여 외부 추출효율을 증대시키는 것과는 달리, 나노구

조체 자체가 R,G,B 발광체가 되도록 활용하고, 무기형광체를 이용하여 기존 형광

체의 열화와 이로 인한 효율 저하 및 수명감소 효과를 해결함으로서 LED 분야

의 국가 경쟁력을 획기적으로 높이고자 함.

- 164 -

목표

총괄목표(2021)

나노구조체의 직접 활용을 통하여 상향된 이론값에 도달하는 무기 LED 및

태양전지를 구현하고, 이들을 유연 기판위에서 구동함으로서 응용 범위를

확장시키고 새로운 그린 나노광소자 시장을 개척하기 위한 핵심 응용기술을

확보한다.

단계별

세부목표목표 연구개발 내용과 범위

1 단계

(2012-2014)

형광체 없는 백색 LED

-청색+황색 방식

-조명효능>200lm/W

@350mA

-색온도:5700K

-역

누설전류 Vr<10uA

@-5V

▪고품질 GaN 나노구조 성장

▪나노구조 청, 녹, 황, 적색 InGaN 활성층 성장

▪다중파장 백색LED 구조 개발

발광 특성 YAG:Ce의

90% 를 나타내고

연색지수(CRI)가 최소

80 이상을 가지는

나노 GC 형광체 소재

개발

▪무기 나노입자 함유 glass ceramic 소재 설계

▪나노입자 제어를 위한 공정 조건 확립

▪나노입자 함유 glass ceramic 소재 분석

1 단계

(2012-2014)

무기 LED 전사 및

특성평가

▪RED 무기 LED의 실리콘 기판 위로 전사 및 구동

▪나노구조를 이용한 Blue 무기 LED의 희생층 연구

▪희생층이 포함된 blue 무기 LED 구동

1 단계

(2012-2014)

고도 정렬된(highly

arrayed) 대면적

▪Atomic layer deposition, chemical etching 등의 방법을

이용한 반도체, 도체, 부도체로 이루어진 3차원 주기적 복합

표 2-4 기술개발 단계별 및 총괄 목표

n 기존의 고비용 나노공정기술과 달리, 저비용으로 대면적 고정밀 3차원 구조를

투명한 기판 유리나, flexible 기판 위에 구현 할 수 있는 기술을 다양한 분야에

응용 하여 미래 산업에 많은 파급효과와 현재의 유가 상승 및 온실 효과에 대비

한 에너지 소자의 급속한 발전에 기여 하고자 함.

3. R & D 추진 전략 및 내용


- 165 -

3차원 주기적 복합

나노집적 구조의 개발

나노집적 소재의 개발

▪대면적 (4인치 이상) 유리나 플라스틱 기판 위에 3차원 나

노집적 구조 형성

▪대면적 나노 광구조체의 유연기판위 전사를 위한 전사공

정 장비 설계 및 제작 기술 개발 (면적 8in 이상)

▪고해상도, 고정렬도 시스템 조립 기술

▪단층/다층 소자 전사를 위한 나노 구조체 소재 특성 분석

▪나노 광 구조체 전사 소자 선정

▪전사 공정 속도 및 표면 성질등 공정 변수에 대한

mechanism 연구

▪고효율 무기 소자의 성장 제어 기술

2 단계

(2015-2017)


-청색+황색 및 청, 녹,

적색 방식


@500mA

-색온도:3000~5700K

-역 누설전류 Vr<5uA

@-5V




나노 GC 형광체 효율

향상(상용 YAG:Ce

대비 100%, CRI >85)

및 나노 GC 형광체를

이용한 remote

타입의 판상 및 lens

성형

▪나노 GC 형광체 효율 향상

▪고출력 LED 광원용 소재 성형

2 단계

(2015-2017)

유연 기판위로 무기

LED의 전사 및

특성평가

▪RED 무기 LED의 유연 기판 위로 전사 및 구동

▪나노구조를 이용한 Blue 무기 LED의 유연 기판위로 전사

및 구동

▪희생층이 포함된 blue 무기 LED 구동

2 단계

(2015-2017)

대면적 3차원 주기적

복합 나노집적 구조를

이용한 에너지소자

제작 및 효율 향상

▪Plasmonic effect, photonic bandgap effect의 극대화를 위

한 3차원 주기적 나노집적 구조의 설계 및 제작

▪3차원 나노집적 구조를 이용한 에너지 소자 제작 및 효율

향상

▪극초단 레이저 분광법 및 근접장나노광학현미경을 이용한

에너지 소자의 나노 공간 광전하 동력학 연구

2 단계

(2015-2017)

유연 나노 광구조체

전사 공정 기술 개발

▪대면적 탈부착을 기술을 위한 표면처리기술

▪Silicon oxide 및 Ge 표면희생층 제어를 위한 식각속도 및

세정기술 개발

▪대면적 전사 스템프 제작을 위한 재료 및 공정 기술 개발

▪소자의 선택적 전이를 위한 스템프 설계 및 표면처리기술

- 166 -

3단계

(2018-2021)


-청색+황색 및 청, 녹,

적색 방식


@1000mA

-색온도:3000~5700K

-역 누설전류 Vr<1uA

@-5V

-수명>100,000 시간




나노 GC를 이용한

고출력 백색 LED

제작

- 광효율 : 70lm/W

- 광속유지

시간(90%)

: 6,000 시간 이상

▪나노 GC를 이용한 고출력 LED 적용

3단계

(2018-2021)

나노구조체 R,G,B

LED의

유연기판으로의 전사

▪나노구조체 무기 LED의 유연기판 위로 전사 및 구동

▪유연기판 위 나노구조체 무기 LED를 이용한 고효율 백색

LED 구현

3단계

(2018-2021)

초고효율 에너지 소자

(flexible 태양전지 및

발광소자) 제작

- 에너지효율: >30%

- 발광소자 광추출

효율: >90%)

▪도체 전극, 반도체 광활성층 및 각 구성 요소의 계면 구조

최적화를 통한 초고효율 에너지 소자 구현

3 단계

(2018-2021)

유연 나노 광구조체

전사 공정 평가 및

고도화 기술

▪전사공정의 소자 특성 평가기술

▪다층 연속 전사 및 고도화 기술

▪전사 구조체 정렬제어 최적화 및 응용 기술 확보

▪반복 연속 전사를 통한 대면적화 기술 및 신뢰성 향상 기

술

- 167 -

연구목표의 수준

예상되는

세계

최고수준

세계

최고

수준

대비

국내

수준

연구목표의 설정근거

총괄

목표

(2021)

지 속 가 능 형 그 린 나 노 광 소 자

기 술 개 발 : 나 노 구 조 체 를

이 용 한 R Y K 고 효 율 유 연 무

기 LED 및 태 양 전 지 를 구 현

하 고 새 로 운 그 린 나 노 광 소

자 핵 심 응 용 기 술 을 확 보

-무 형 광 체 백 색 LED : 조 명 효

능 > 3 0 0 l m / W

@ 100 0m A , 수 명 > 100 ,0 0 0 시

간

-나 노 G C 이 용 LED :

7 0 lm /W , 광 속 유 지 시 간 >

6 ,0 0 0

-나 노 구 조 체 R ,G ,B 고 효 율

LED 구 현

-초 고 효 율 에 너 지 소 자 : 광 전

변 환 효 율 > 3 0%

-광 소 자 전 사 율 > 9 9 .9% , 정

렬 정 밀 도 2u m

-무 형 광 체 백 색

LED : 조 명 효 능

> 250 lm /W

-나 노 G C 이 용

LED : 7 0 lm /W ,

광 속 유 지 시 간 >

6 ,0 0 0

-나 노 구 조 체

R ,G ,B 고 효 율

L ED 구 현

-초 고 효 율 에 너 지

소 자 :

광 전 변 환 효 율 >

3 0%

-광 소 자 전 사 율

> 9 9 .9% , 정 렬

정 밀 도 2u m

70%

▪현 LED 방 식 의 이 론 효 율 한 계 가 26 0 lm /W 이

므 로 추 가 효 율 달 성 불 가 .

▪나 노 구 조 LED 는 파 장 변 환 에 따 른 효 율 감 소 가

없 으 며 시 감 도 에 유 리 한 파 장 조 합 으 로 현 재 기

술 로 불 가 능 한 성 능 확 보 가 능

▪기 존 의 고 출 력 백 색 L ED 와 달 리 유 기 바 인 더

를 사 용 하 지 않 는 고 출 력 백 색 LED 를 제 조 함 으 로

써 유 기 바 인 더 에 의 해 저 하 된 광 속 유 지 시 간 이

약 6 ,0 0 0 시 간 이 상 증 가 할 것 으 로 판 단 됨

▪나 노 구 조 체 를 이 용 한 R ,G ,B L ED 의 구 현 과 유 연

기 판 위 로 의 전 사 기 술 을 접 목 시 키 면 초 고 효 율 유

연 백 색 L ED 구 동 이 가 능 할 것 으 로 예 상 됨

▪본 과 제 의 3차 원 주 기 적 복 합 나 노 집 적 포 토 닉

소 재 를 이 용 할 경 우 전 자 /정 공 의 생 성 및 이 동 을

개 선 하 여 고 효 율 에 너 지 소 자 (fle x ib le 태 양 전 지 및

발 광 소 자 )를 구 현 가 능 함 .

▪단 계 마 무 리 시 에 실 용 화 를 목 표 로 한 완 성 도 높

은 공 정 장 비 기 술 목 표 설 정

1단계

목표

(2014)

-조 명 효 능 > 200 lm /W

@ 350m A

-색 온 도 :5 7 0 0K

-역 누 설 전 류 V r< 1 0u A

@ -5V

▪2 0 0 lm /W (D O E

R o ad m ap 기 준 일

경 우 17 0 lm /W )

1 0 0

%

▪연 속 기 술 선 상 에 서 20 0 lm /W 달 성 을 위 해 서 는

LED W a ll p lu g 효 율 이 85% 에 달 해 야 함 .

▪나 노 구 조 LED 는 W a ll p lu g 효 율 50% 로

2 0 0 lm /W 확 보 가 능 하 여 연 속 기 술 대 비 세 계 정 상

수 준 달 성 가 능

▪상 용 Y A G :C e 황 색 형 광 체

발 광 특 성 대 비 90% 발 광 특

성

▪C R I : 최 대 8 0

▪상 용 Y A G :C e

황 색 형 광 체 의

발 광 특 성 대 비

10 0% 발 광 특 성

▪C R I : 최 대 8 5

3 0%

▪나 노 G C 를 이 용 한 형 광 체 개 발 은 현 재 전 세 계 적

으 로 시 작 단 계 이 며 Y A G :C e 함 유 G C 를 이 용 한

소 재 는 초 기 개 발 단 계 로 서 구 체 적 성 능 지 표 가

부 족 한 상 태 로 상 용 90% 수 준 은 비 교 적 높 은 수 준

임

1단계

목표

그 린 나 노 광 소 자 기 초 제 조

기 술 및 응 용 기 술 개 발

▪유 연 기 판 위

R ed 무 기 LED 7 0%

▪기 존 red 무 기 LED 전 사 기 술 을 벤 치 마 킹 하 여

어 레 이 수 의 증 가 가 가 능 할 것 으 로 예 상 됨

표 2-5 연 구 개 발 총 괄 목 표 및 단 계 별 세 부 목 표

- 168 -

(2014)

▪6 4 x6 4 R ED 무 기 LED 전

사 및 구 동

▪나 노 구 조 체 를 이 용 한 B lu e

무 기 LED 용 희 생 층 성 장 및

LED 구 동

6 4 x6 4 어 레 이

▪나 노 구 조 의 Z n O 를 희 생 층 으 로 사 용 할 경 우

G aN LED 구 조 성 장 에 무 리 가 없 어 서 희 생 층 이

포 함 된 b lu e 무 기 LED 구 동 이 가 능 할 것 으 로 판

단 됨

1단계

목표

(2014)

▪저 비 용 의 나 노 집 적 기 술

을 기 반 으 로 한 고 도 로 정 렬

된 (h ig h ly a rra yed ) 대 면 적 3

차 원 주 기 적 복 합 나 노 집 적

구 조 의 개 발

▪반 도 체 , 도 체 ,

부 도 체 로

이 루 어 진 3차 원

주 기 적 복 합

나 노 집 적 소 재

제 작 (정 밀 도 :

5 0 -1 0 0 n m ,

크 기 : > 2 인 치 )

4 5%

▪기 존 의 나 노 공 정 기 술 은 고 비 용 의 E-b e am

lith o g rap h y 나 n an o im p r in t in g 등 에 의 존 하 고 있

으 며 수 cm 2 이 상 의 대 면 적 의 주 기 적 나 노 구 조 는

사 실 상 고 비 용 으 로 실 용 성 이 많 이 떨 어 지 고 , 나

노 구 조 의 re so lu t io n 도 수 십 n m 에 국 한 되 고 있

음 .

▪또 한 기 존 의 기 술 은 단 일 물 질 로 된 주 기 적 나

노 구 조 로 반 도 체 , 부 도 체 , 플 라 즈 모 닉 도 체 로 구 성

된 물 질 을 3차 원 나 노 구 조 로 정 렬 하 는 데 어 려 움

이 있 음 .

1단계

목표

(2014)

유 연 나 노 광 구 조 체 전 사 공

정 장 비 설 계 및 제 작 기 술

개 발

(면 적 8 in < , 전 사 율 9 0% ,

정 렬 정 밀 도 3u m )

▪대 면 적 나 노

광 구 조 체 의

유 연 기 판 위 전 사

전 사 공 정 : 면 적

8 in < , 전 사 율

9 0% , 정 렬

정 밀 도 3u m

·전 사 공 정 장 비

설 계 및 제 작

·고 해 상 도 ,

고 정 렬 도 시 스 템

조 립 기 술

80%

▪세 계 적 으 로 경 쟁 이 치 열 한 분 야 로 미 국 의 Jo h n

R o g e rs (U IU C ), A li Ja v e y (B e rk e le y ) 등 이 원 천 기 술

확 보 를 통 해 S c ie n ce , N a tu re 자 매 지 등 에 최 근

활 발 한 저 술 활 동 을 벌 이 는 태 동 기 기 술 임 .

▪최 근 G IS T 와 KA IS T 재 료 과 에 서 국 내 연 구 진 에

의 한 기 술 시 작 단 계 로 광 구 조 체 뿐 아 니 라 디 스

플 레 이 T F T , 바 이 오 소 자 등 다 양 한 소 자 에 응 용

가 능 한 공 정 기 술 임 .

▪기 존 기 술 은 장 비 의 도 움 없 이 수 작 업 으 로 진 행

되 는 연 구 실 결 과 로 장 비 를 이 용 한 기 반 한 공 정

기 술 의 목 표 달 성 시 소 자 균 일 성 및 작 업 균 일 성

이 향 상 될 것 으 로 기 대 됨

▪목 표 달 성 치 는 장 비 화 된 기 술 로 는 참 고 문 헌 치 가

없 는 새 로 운 분 야 의 태 동 기 기 술 이 기 때 문 에 목

표 를 새 롭 게 제 시 함 .

2단계

목표

(2017)

-조 명 효 능 > 250 lm /W

@ 500m A

-색 온 도 :3 0 0 0~ 57 0 0K

-역 누 설 전 류 V r< 5u A

@ -5V

▪2 5 0 lm /W 1 0 0

▪2 5 0 lm /W 는 현 재 양 산 에 사 용 되 는 극 성 기 판 사 용

으 로 는 달 성 이 불 가 능 . U C SB N a kam u ra 그 룹 은

무 극 성 기 판 사 용 으 로 250 lm /W 확 보 계 획 발 표 .

▪나 노 구 조 LED 는 극 성 기 판 위 에 성 장 된 반 , 무 극

성 결 정 면 사 용 으 로 저 가 격 , 고 효 율 목 표 달 성 가

능

▪상 용 Y A G :C e 황 색 형 광 체

발 광 특 성 대 비 10 0% 발 광

특 성

▪C R I : 최 대 8 5

▪상 용 Y A G :C e

황 색 형 광 체

발 광 특 성 대 비

10 0% 발 광 특 성

▪C R I: 최 대 8 5

▪소 재 제 어 및 공 정 기 술 발 전 에 따 른 효 율 향 상

으 로 인 한 상 용 형 광 체 대 비 효 율 증 대

2단계

목표

그 린 나 노 광 소 자 성 능 향 상

기 술 및 응 용 기 술 개 발

▪유 연 기 판 위

b lu e 무 기 L ED 9 0%

▪1단 계 에 서 의 나 노 구 조 체 를 이 용 한 b lu e 무 기

LED 의 구 동 기 술 과 64 x6 4 re d 어 레 이 전 사 기 술 을

- 169 -

(2017)▪나 노 구 조 체 를 사 용 한 b lu e

무 기 LED 의 유 연 기 판 위 로

전 사 및 구 동 (6 4 x6 4어 레 이 )

구 동활 용 할 경 우 유 연 기 판 위 에 b lu e 무 기 LED 전 사

및 구 동 이 가 능 할 것 으 로 기 대 됨

2단계

목표

(2017)

▪대 면 적 3차 원 주 기 적 복 합

나 노 집 적 구 조 의 최 적 화 및

에 너 지 소 자 제 작

▪반 도 체 , 도 체 ,

부 도 체 로

이 루 어 진 3차 원

주 기 적 복 합

나 노 집 적 소 재

제 작 (정 밀 도 :

1 0 -5 0 n m , 크 기 :

> 4 인 치 )

▪나 노 집 적

구 조 를 이 용 한

태 양 전 지 구 현

(효 율 : > 2 0% )

4 0%

▪대 면 적 에 3차 원 구 조 를 고 정 밀 도 를 가 지 고 투

명 한 기 판 유 리 나 , fle x ib le 플 라 스 틱 위 에 구 현 할

경 우 미 래 산 업 인 fle x ib le한 전 자 소 자 , 광 소 자 ,

ch em ic a l & b io se n so r 등 다 양 한 소 자 에 응 용 될

수 있 음 .

▪복 합 물 질 을 자 유 로 이 정 렬 할 수 있 는 기 술 이

개 발 될 경 우 반 도 체 를 이 용 한 전 자 /정 공 의 이 동

을 용 이 하 게 할 수 있 고 , 플 라 즈 모 닉 도 체 를 이 용

하 여 태 양 광 흡 수 를 극 대 화 할 수 있 고 , 반 도 체 와

부 도 체 를 함 께 이 용 하 면 전 자 나 정 공 을 반 도 체

안 의 양 자 우 물 에 국 한 시 켜 서 전 자 나 정 공 의 전 도

성 을 높 일 수 있 음 .

2단계

목표

(2017)

▪유 연 나 노 광 구 조 체 전 사

공 정 기 술 개 발

▪전 사 율 : 9 0% ,

▪정 렬 정 밀 도 :

2 .5 u m , 면 적 8 in

▪전 사 공 정 :

전 사 율 9 5% ,

정 렬 정 밀 도

2 .5 u m

▪대 면 적 박 리

기 술 : 박 리 율

90% <

▪희 생 층 제 어

및 세 정 기 술

▪대 면 적 전 사 를

위 한 표 면 처 리

및 접 착 처 리

기 술

9 0%▪향 후 개 발 될 공 정 장 비 및 세 계 적 기 술 개 발 속

도 를 추 정

3단계

목표

(2021)

- 조 명 효 능 > 3 0 0 l m / W

@ 100 0m A

-색 온 도 :3 0 0 0~ 57 0 0K

-역 누 설 전 류 V r< 1u A

@ -5V

-수 명 > 100 ,0 0 0 시 간

▪2 5 0 lm /W 1 2 0

%

▪현 LED 방 식 의 이 론 효 율 한 계 가 26 0 lm /W 이

므 로 추 가 효 율 달 성 불 가 .

▪나 노 구 조 LED 는 파 장 변 환 에 따 른 효 율 감 소 가

없 으 며 시 감 도 에 유 리 한 파 장 조 합 으 로 현 재 기

술 로 불 가 능 한 성 능 확 보 가 능

▪나 노 G C 를 이 용 한 고 출 력

백 색 LED

·광 효 율 : 7 0m /W

·광 속 유 지 시 간

(9 0% ) : 6 ,0 0 0 h

이 상

▪나 노 G C 를

이 용 한 고 출 력

백 색 LED

·광 효 율 :

7 0 lm /W

·광 속 유 지 시 간

(9 0% ) : 6 ,0 0 0

h

이 상

100

%

▪기 존 의 고 출 력 백 색 L ED 와 달 리 유 기 바 인 더

를 사 용 하 지 않 는 고 출 력 백 색 LED 를 제 조 함 으 로

써 유 기 바 인 더 에 의 해 저 하 된 광 속 유 지 시 간 이

약 6 ,0 0 0 시 간 이 상 증 가 할 것 으 로 판 단 됨

▪상 용 의 Y A G :C e 형 광 체 와 발 광 특 성 이 비 슷 한

형 광 체 의 개 발 로 광 효 율 도 상 용 고 출 력 백 색 LED

와 비 슷 한 수 준 이 될 것 이 라 판 단 됨 . 아 울 러 ch ip

자 체 의 성 능 이 향 상 될 경 우 광 효 율 은 더 욱 증 가

가 능

- 170 -

3단계

목표

(2021)

초 고 효 율 유 연 그 린 나 노 광

소 자 개 발

▪나 노 구 조 체 R ,G ,B LED 를

이 용 한 초 고 효 율 유 연 백 색

LED 구 동

▪백 색 유 연 L ED

구 동

100

%

▪나 노 구 조 체 를 이 용 한 R ,G ,B L ED 의 구 현 과

유 연 기 판 위 로 의 전 사 기 술 을 접 목 시 키 면

초 고 효 율 유 연 백 색 LED 구 동 이 가 능 할 것 으 로

예 상 됨

3단계

목표

(2021)

▪초 고 효 율 에 너 지 소 자 (유

연 태 양 전 지 및 발 광 소 자 )

제 작

▪나 노 집 적


태 양 전 지

최 고 효 율 : > 3 0%

▪나 노 집 적


유 /무 기 발 광 소 자

광 추 출 효 율 :

> 9 0%

40%

▪3차 원 나 노 집 적 구 조 를 가 지 는 기 판 위 에

광 흡 수 층 의 구 조 를 마 이 크 로 및 나 노 크 기 로

제 어 함 으 로 서 30% 이 상 의 고 효 율 태 양 전 지 를 구 현

가 능 함 .

▪본 과 제 의 3차 원 주 기 적 복 합 나 노 집 적 포 토 닉

소 재 를 이 용 할 경 우 전 자 /정 공 의 생 성 및 이 동 을

개 선 하 여 고 효 율 에 너 지 소 자 (fle x ib le 태 양 전 지 및

발 광 소 자 )를 구 현 가 능 함 .

3단계

목표

(2021)

▪유 연 나 노 광 구 조 체 전 사

공 정 평 가 및 고 도 화 기 술

(전 사 공 정 : 전 사 율 99 .9% , 정

렬 정 밀 도 2u m )

▪전 사 공 정 :

전 사 율 9 9 .9% ,

정 렬 정 밀 도

2u m

▪다 층 나 노

광 구 조 체 전 사

공 정 기 술 : 5층

<

▪고 해 상 도

스 템 프 제 작 및

정 렬 조 립 기 술 :

해 상 도 10 0n m

> , 두 께 5 0n m >

100

%

▪단 계 마 무 리 시 에 실 용 화 를 목 표 로 한 완 성 도

높 은 공 정 장 비 기 술 목 표 설 정

- 171 -

□ 기 술 개 발 의 추 진 전 략

o 성과 홍보 및 확산형 사업추진

- 매년 그린 나노광소자 기술개발 사업의 홍보 및 성과 확산을 위한 국제 학

술대회 및 산학연 포럼을 개최하여 국제적인 협력을 강화하고 우수 성과물

의 조기 사업화를 추진하고, 또한 연구 단계에서 개발된 논문, 특허 및 시

제품을 유명 국제 학술대회 및 전시회에 발표함으로써 국내 연구수준의 위

상을 세계에 알리고 아울러 선진 국외 기관과의 협력을 추진함

o 개방형 공동 협력 연구체계 구축


국제 네트워크 구축 등 실질적인 국제 공동 연구 체계 구축함.

- 세계 유명 선진 그룹과의 교류를 통하여 선진 그룹과의 격차를 줄이고 아

울러 최종 단계에서는 연구 결과를 서로 공유함으로써 세계의 선진 그룹으

로 동시에 진입할 수 있는 체계를 구축함

o 상용화를 고려한 연구개발 추진

- 초기 원천연구 단계를 지나 성장연구 단계에 진입할 때 그 결과를 산업화

와 직접적으로 연결하기 위해서 관련있는 기업체의 발굴 및 유기적인 협력

관계를 도모함. 또한 개발된 기술의 IT/BT/GT 융합을 통한 신응용 분야를

발굴하여 신산업 분야를 창출한다.


□ 연 구 기 간 및 연 구 비 규 모

o 총 사업기간: 10년 (‘12~’21)

o 총 사업비: 700 억원, 70억원/년

□ 연 구 수 행 기 관

o 그린 나노광소자의 개발 및 그 응용을 추구하는 본 사업의 특성상 전체적

인 사업을 관장할 수 있고 융합연구가 원할한 연구기관 중심으로 추진하되,

관련 전문가의 적극적인 참여를 유도함.

o 기초 원천기술의 심화와 기술의 산업화를 위하여 산․학․연 기관이 참여할 수

있도록 추진함.

- 172 -

□ 세 부 연 구 주 제

o 주요 연구 분야 별로 4개의 세부과제로 구성

- 제 1세부과제 : 한계돌파형 무형광체 초고효율 백색 나노 LED 기술

- 제 2세부과제 : 한계돌파형 고출력 장수명 무기 형광체 기술

- 제 3세부과제 : Soft 무기 LED 기술

- 제 4세부과제 : 유연 기판 위 대면적 3차원 주기적 나노구조 고효율 에너

지 소자 기술

- 제 5세부과제 : 유연 나노 광구조체 전사 공정 장비 기술


활용가능 기관과 협력 연구를 추진함.

- 제 1 세부과제: Tanabe (Koyto University, Japan)

- 제 2 세부과제: Sania National Lab., UC Berkeley

- 제 3 세부과제: J.A. Rogers 그룹 (U. Illinois at Urbana-Shampaign), K.

Takei (UC Berkeley) 등

- 제 4 세부과제: Gon Namkoong (Old Dominion University, USA)

- 제 5 세부과제: L.J. Guo (University of Michigan, USA), Ali Javey (UC

Berkeley)


o 본 과제는 나노구조체 R,G,B LED를 이용한 백색 LED 및 glass ceramic 형

광체 기술, 3차원 나노구조를 이용한 고효율 태양전지 기술, 그리고 이들을

유연기판 위로 전사시켜 유연 디스플레이 분야에 응용하는 것으로 이루어

져 있고, 자세한 내용은 아래와 같음.

□ 한 계 돌 파 형 무 형 광 체 초 고 효 율 백 색 나 노 LED 기 술

o 고품질 GaN 나노구조 성장 : 나노구조물은 먼저 평면형태의 박막을 성장한

후 선택적 식각에 의해 제조 하는 방식과 선택적 성장기술 방식이 있는데

전술한 나노구조의 장점을 살리기 위해서는 선택적 성장기술이 유망하며

세부 기술로는 결정학적 나노형상 형성 기술, 결정결함 전파방지 기술, 이종

기판 (예, Si) 성장 기술 등이 있음.

- 나노구조의 p-n 접합 형태는 다음과 같이 아래 위로 접합된 형태와 안

과 바깥 사이에 접합된 형태가 있으며 표면 누설전류 및 발광부 면적등을

고려 할때 후자가 바람직한 형태 임. 또한 나노구조체의 형태는 나노 막대

형태 또는 다면체 구조가 있는데 발광면적으로 보면 나노 막대가 유리한

- 173 -

반면 균일한 전류주입은 다면체 구조가 용이한 장점이 있음.

그림 2-17 다면구조체(왼, 위)와 나노막대(오, 위) 이

미지와 P/N 접합 구조도(아래)

- 나노구조 LED 는 하나의 Chip에서 2개 이상의 파장을 동시에 발광하

여 형광체가 필요 없는 백색 LED를 구현 하는 기술 임.

o 나노구조 청, 녹, 황, 적색 InGaN 활성층 성장 : 나노 구조체의 표면은 그 형

태 및 성장방식에 따라 다양한 종류의 반, 무극성 결정면을 갖게 되며 따라

서 그 위에 형성되는 InGaN 층의 성장조건이나 광학적 특성은 기존 기술과

매우 다르며 앞으로도 밝혀내야 할 것이 많은 중요한 기술이다. 특히 주목

할 기술은 성장 온도나 가스 유량이 아닌 같은 성장 조건에서도 나노구조

체에 의해서 In 의 조성을 제어하는 기술, 나노구조체의 특성인 탄성응력완

화를 제어 하는 기술, 이러한 특성을 고려한 활성층 구조 설계 기술 등이

중요함.

o 다중파장 백색LED 구조 개발 : 나노구조 LED 는 매우 많은 장점에도 불구

하고 실제로 제작이 용이한 소자 형태의 설계가 어려운 문제가 있으며 이

것이 아직 까지 나노구조 LED 연구가 기초적인 수준에 머물러 있는 이유이

다. 특히 나노구조로 LED 를 제작 할 경우 누설전류가 높고 균일한 전류주

입이 어려운 문제가 있다. 그밖에 다중파장 발광 구조 설계, 주기적인 나노

광 추출구조, 이종기판 전사 기술 등이 효율 향상을 위해 필요한 기술임.

- LED 의 효율은 주입된 전기에너지와 발광되어 나온 빛 에너지의 비

(ratio) 인 반면 조명 효능은 주입된 에너지 대비 발광된 빛의 광속으로 결

정되는 값으로 사람의 시감도에 크게 의존하며 다음 식으로 표현됨. 여기

서 붉은 색으로 표현된 P(λ)/IV 가 LED 의 효율이며 V(λ) 가 시감도임. 그

런데 시감도 V(λ) 는 다음 그림과 같이 파장에 크게 의존하며 녹색 일 때

가장 높고 청색 또는 적색으로 갈수록 급격히 떨어지게 됨. 그런데 형광체

- 174 -

방식의 백색 LED 파장을 보면 시감도가 높은 녹색 파장대의 광 세기가 낮

고 시감도가 낮은 청색과 황색 위주로 구성되어 있어 LED 의 효율 (P

(λ)/IV) 이 100% 인 경우에도 조명 효능은 264lm/W 가 한계 값임. 만일 이

상적인 파장조합으로 백색을 만들 경우 최대 조명 효능은 400lm/W 이상

이 되나 현재의 LED 기술은 그림에서 보는 바와 같이 시감도가 낮은 청색

과 적색에서는 효율이 높은 반면 녹색에서는 효율이 낮음. 이것이 현재 형

광체를 사용하는 이유 임.

그림 2-18 왼쪽부터 차례대로- 시 감 도 곡 선 , 형 광 체 방 식 의 백 색 LED 파 장 곡 선 , 이 상 적 인

파 장 사 용 시 한 계 효 능 , 파 장 에 따 른 LED 효 율 변 화

o 나노구조 LED 는 기존의 평면 (Planar) 구조 LED 대비 다음과 같은 장점을

가지고 있으며 평면 구조에서는 불가능한 이상적인 파장 조합의 백색 LED

구현이 가능하며 결과적으로 조명 효능의 혁신을 가져 올 수 있음.

- 결정결함이 매우 낮아 고효율 발광이 가능함.

- GaN 와 InGaN 간의 격자상수 차이에 의한 응력을 탄성변형으로 흡수 하

여 결함이 발생하지 않고 Quantum Confined Stark Effect (QCSE) 에 의한

전자-정공 결합효율감소가 없음.

- 격자상수 나 열팽창계수 차이가 큰 Si 과 같은 이종기판 위에 성장 할 수

있어 대면적, 저가격화가 가능.

- InGaN 활성층 에서 In 조성 이 자유로워 장파장의 고효율 발광이 가능

- 고품질 성장이 가능한 극성 기판위에 성장하여도 반, 무극성 결정면을 제

공하여 piezoelectric field에 의한 발광효율 저하가 없음.

- InGaN 활성층 두께를 증가 시킬 수 있어 발광층의 부피를 증가 시킬 수

- 175 -

있음.

- 구조물 형태 및 주기를 변화시켜 In 조성을 제어 할 수 있어 동시 성장으

로도 서로 다른 복수의 파장을 발광 시킬 수 있으며 이로 인해 형광체를

사용하지 않는 다중파장 백색 LED 구현이 가능함.

- 형광체 등에 의한 파장 변환을 이용하지 않아 Stoke Shift 손실에 따른 효

율 감소가 없음.

- 파장을 자유롭게 제어 할 수 있어 시감도가 높은 파장을 조합한 백색 LED

구현이 가능 하며 이로 인하여 조명 효능 (lm/W) 이 크게 증가함.

- 빛의 파장에 근접한 나노크기의 구조물에서 발광 하므로 광추출 효율이

100% 에 근접 가능.

- 박막 평면 구조에 대비 유연한 특징이 있어 다른 기판으로의 전사가 용이

함.

□ 한 계 돌 파 형 고 출 력 장 수 명 무 기 형 광 체 기 술

o 고출력 백색 LED 용 기존 형광체를 대체하는 동시에 우수한 열특성, 색변환

특성 및 수명을 제공하는 remote 타입의 판상 및 lens 형태의 색변환 소

재를 개발함

그림 2-19 색소변환소재

o 기존 LED 의 경우 유기바인더와 무기형광체를 혼합하여 고출력 백색 LED를

제작하고 있음. 이러한 경우 유기 바인더가 고출력 광에 장시간 노출됨으로

써 유기바인더의 황변 현상이 발생하여 백색 LED 의 출력 저하 및 CRI 값

이 변화 됨

o 따라서 유기바인더를 사용하지 않고 우수한 광특성을 나타낼 수 있는 나노

GC 색변환 소재의 개발이 중요하며 이러한 소재 개발을 위해서 기지재료인

산화물 유리의 선택과 발광재료인 활성이온 주변에서의 수~수십 nm크기의

무기 나노입자 형성 및 제어가 가장 중요함

o 열분석 장비 및 광특성 분석 장치를 이용하여 가시광 영역에서 투과성이

우수하고 동시에 성형성이 우수한 산화물 유리 기지재료의 선택

- 176 -

o 선택된 기지재료 내에 활성 이온인 발광물질을 혼합하고 포논에너지가 낮

은 나노입자를 발광물질 주변에 석출시킴으로써 발광 효율 향상 극대화

o 나노 GC 성형 조건을 분석하여 판상 및 lens 타입의 소재 가공 및 설계 기

술 확보 연구

o 고출력 LED 에 적용후 온도와 시간에 따른 변환 효율, 색좌표 및 발광 특성

평가

□ So ft 무 기 LED 기 술

o 무기 LED 구조 성장

- 기존 무기 LED 구조와는 달리, 기판 위에 LED 구조를 바로 성장하지 않고

기판과 LED 구조 사이에 희생층을 성장함. Red LED의 경우 GaAs 기판과

red LED 구조 사이에 AlAs를 희생층으로 사용함. 그러나 blue LED의 경우

사파이어 기판에 보통 GaN/InGaN LED 구조를 사용하는데 사파이어 기판

(또는 Si 기판)과 blue LED 구조사이에 적절한 희생층을 연구하는 것은 매

우 중요함. 본 연구에서는 나노구조를 이용하여 기판과 blue LED 구조사이

에 희생층을 성장함.

- MBE 또는 MOCVD를 이용하여 사파이어 기판 (또는 Si 기판) 위에 희생층

을 성장하고 그 위에 blue LED 구조를 성장하여 무기 LED 구조 성장을 완

성함.

o 무기 LED 어레이 전사

- 기존 LED의 크기보다 1/100 정도 작은 크기로 LED 어레이 패턴을 형성하

고 anchor와 PDMS stamp를 사용하여 64x64 LED 어레이를 유연 기판위로

전사시킴.

- 유연기판 위로 LED 어레이를 전사시키기 전에 LED에 전류를 인가하기 위

한 금속 패턴공정을 유연기판 위에서 실시함.

o 나노구조체 백색 무기 LED

- 무기 LED 어레이 전사기술과 나노구조체 R,G,B LED를 이용하여 유연기판

위에 초고효율 백색 무기 LED를 전사시키고 구동시킴. 시뮬레이션과 실험

을 통하여 구부러짐과 compress, stretch 등과 같은 스트레인 현상에 대한

특성을 평가하여 유연 디스플레이로의 응용성을 확보함.

- 177 -

그림 2-20 어레이 전사기술과 이를 이용한 유연디스플레이

o 유연 기판 위 대면적 3차원 주기적 나노구조 고효율 에너지 소자 기술 (대면적

3차원 주기적 나노구조를 이용한 초고효율 에너지 소자 연구)

o 고 비용의 E-beam lithography 나 nanoimprinting 등을 이용하지 않고 상

대적으로 비용이 저렴한 atomic layer deposition, chemical etching 방법

등을 이용하여 도체, 반도체, 부도체 등의 다양한 물질을 3차원의 공간에서

수 nm의 정밀도로 정렬하여 3차원 주기적 복합 나노집적 포토닉 소재를

제작함.

o 4인치 이상의 대면적 유리나 플라스틱 기판 위에 3차원 복합 나노집적 포

토닉 소재를 형성시키고 대면적 에너지 소자에 활용함.

o 3차원 나노집적 구조를 이용하여 발광소자의 전자/정공의 주입 효율을 극대

화하고 소자의 발광효율을 증대시킬 수 있음.

o 태양전지의 흡광도 개선을 위해서는 3차원 주기적 복합 나노집적 포토닉

구조의 최적화를 통한 plasmonic effect, photonic-bandgap effect 극대화가

필요함(수치 해석적 방법이 요구됨).

o 에너지 소자의 효율 최적화를 위해서는 극미세 나노 공간에서의 극초단 광

전하 동력학 연구가 필요함. (펨토초 레이저 분광법, 근접장나노광학현미경

등의 연구가 요구됨)

□ 유 연 나 노 광 구 조 체 전 사 공 정 장 비 개 발

o 유연 기판위 대면적 전사 공정 장비 제작 및 이를 위한 대면적 탈부착 기

술을 위한 표면처리 기술, 대면적 스템프 제작 기술, 전사 공정 소자의 특성

평가 기술을 확보하고 고온에서 성장된 고효율 나노 광구조체의 표면 성질

및 전사 공정을 제어하여, 고효율 유연 태양전지 및 유연LED에 응용하기 위

해서 소자 손상 없이 유연 기판으로 전사하는 고속 대면적 장비를 구현함

- 178 -

그림 2-21 유연나노광구조체 전사공정장비 개발

o 유연 기판위 대면적 전사 공정 장비 설게 및 제작: 신뢰성 높은 고속 대면

적 장비 설계 및 제작을 통하여 중과제 내의 다양한 그린소자의 전사 공정

에 적용하기 위한 장비 및 공정 기반 기술 확보.

o 나노 구조체 전사 공정 적용 기술: 대면적 전사공정기술의 기반 기술은 고

효율 LED, 태양전지등의 광학소자 뿐만 아니라 반도체 전자소자, 바이오 소

자의 응용등 다용도로 활용이 가능하여 기술 융합 및 신개념의 소자 개발

이 기대됨.

그림 2-22 유 연 나 노 구 조 체 의 디 스 플 레 이 /전 자 소 자 /바 이 오 소 자 로 의 다 양 한 응 용 예

o 전사공정 기반 기술 확보: 유연나노광소자에 적합한 신뢰성 높은 대면적 전

사공정 장비기술을 개발하여, 기술 초기단계의 나노 광 구조체 전사기술의

조기 선점을 통해 핵심 에너지소자인 태양전지․LED 등 다양한 친환경 분야

에 적용하여 산업화에 필요한 고성능․고효율 소자생산에 기여함.

- 179 -


□ 중점 추진 연구 분야별 기술 로드맵

중점추진

연구분야


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

한계돌파

형 무형

광체 초

고 효 율

백색 나

노 LED

기술

표 2-6 한계돌파형 무형광체 초고효율 백색 나노 LED 기술 분야 로드맵

중점추진

연구분야


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

한계돌파

형 한 계

돌 파 형 고

출 력 장 수

명 무 기

형 광 체 기

술

표 2-7 한계돌파형 한 계 돌 파 형 고 출 력 장 수 명 무 기 형 광 체 기 술 분 야 로 드 맵

나노GC 소재(상용대비

90%)

나노GC 소재

개선

나노GC 소재

성형기술

나노GC 소재

최적화

나노GC 기반 고출력 백색LED 제조 기술

나노패터닝 및 선택적 성장기술

청색 및 황색 활

성층 성장

나노구조 형태 및 결정면 제어

이종기판 성장 기술 및 전사 기술

이 파장 백색 LED 균일한 전류주입

나노 구조

녹색, 적색 활성층 나노구조에 의한 파장 제어

동적 파장 제어 구조, 저누설 전류 나노 구조

- 180 -

중 점 추 진

연구분야


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

Soft

무기

LED

기술

표 2-8 Soft 무기-LED기술

중점추진

연구분야


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

유 연 기 판 위 대 면 적 3차 원 주기 적 나 노구 조 고 효율 에 너 지 소 자 기 술

표 2-9 유 연 기 판 위 대 면 적 3차 원 주 기 적 나 노 구 조 고 효 율 에 너 지 소 자 기 술

중점추진

연구분야


2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

유 연 나 노 광 구 조 체 전 사 공 정 장 비 기 술

표 2-10 유 연 나 노 광 구 조 체 전 사 공 정 장 비 기 술

적색 무기 LED 전사 및 구동

청색 무기 LED 성

장

유연기판 위로 청색LED 전사 및 구동

나노구조체 R,G,B 무기 LED를 이용한 유연 백색 LED 구현

3차원 대면적 복합 나노구조 형성

수치 해석적 방법을 통한 나노구조최적화

나노구조 및 에너지소자 최적화

유연 태양전지 효율 30% 구현

광구조체 전사 장비 설계 및 제작

공정 변수 최적화 연구

소자 평가 및 신뢰성 확보를 통한 고도화 기술

- 181 -

3.5 파급효과


o 20세기 기술혁명을 주도한 Si 반도체 기술은 이제 그 한계가 보이기 시작

하는 시점이며 그 돌파구는 나노소자, 특히 이종재료와 결합하는 기술 개발

이 될 것으로 전망하고 있음.

- 예를 들어 Si 트랜지스터의 속도의 한계는 III-V 족 화합물 반도체로 극복

할 수 있는데 평면 구조를 유지 하는 한 두 물질간의 상이한 물성 때문에

서로 결합이 어려운 실정임. 이를 극복할 수 있는 해결 책 중 하나가 소자

크기에 필요한 나노 크기의 화합물 반도체를 Si 에 결합 하는 방식임. 또

다른 예로는 전자와 빛의 결합을 들 수 있음. 전자(electron) 는 생각 (연

산) 을 잘하는 반면 소통 (통신) 에 한계가 있으며 광 (light) 은 그 반대임.

현재까지는 서로 각자의 장점을 살리는 범위 내에서 경쟁하며 발전해 왔으

나 미래에는 이들 이 서로 결합하여 새로운 부가 가치를 창출 하지 않으면

안 되는 한계상황에 온 것임. 또한 이러한 결합은 기존 기술의 한계를 극

복하는데 그치지 않고 새로운 분야를 창출하는 파급 효과를 가지고 있음.

이를 위해서는 Si 과 화합물 반도체의 결합과 같은 이종결합이 필수적이며

이를 가능케 하는 것이 나노 포토닉스 기술 임.

- 이러한 배경을 볼 때 나노구조의 광소자 개발 및 더 나아가 이를 이종 기

판에 전사하는 기술까지 포함하는 이번 나노 포토닉스 기획 사업은 시기적

으로도 매우 시의 적절 할 뿐 아니라 미래 과학 기술의 줄기 기술을 확보

하는 매우 중요한 사업이 될 것이며 IT, BT, GT 등 분야를 초월하는 기반

기술로서의 파급 효과를 가져 올 것이 확실함.

o 반도체 기술은 지난 20년간 전자산업의 비약적인 발전을 가져 왔으며 최근

에는 기술의 범위가 모든 산업분야로 확대 되고 있음. 예를 들어 LED, 태양

전지, 바이오 센서 등이 모두 반도체 제조 기술에 바탕을 두고 있음. 특히

LED 는 반도체 제조기술의 수혜자 일 뿐 아니라 이를 지속적으로 발전시켜

전 산업분야로 확대하는 동력이 될 것이 확실 함. 이러한 점에서 나노 LED

기술은 우리나라가 보유한 반도체 과학 기술분야를 바탕으로 경쟁력을 확

보하고 이를 더욱 확장, 다른 분야로 전파하는 선 순환 구조의 중심에서 그

역할을 수행 할 것으로 판단됨.

o 현재 나노 GC 형광체에 대한 연구는 세계적으로도 초기 단계에 있어 본 연

구 분야에 조기 진입함으로써 학문적이며 기술적인 세계 리더가 될 수 있

다고 판단되고, 이러한 나노 GC 형광체의 경우 물리적 화학적으로 안정성

- 182 -

이 뛰어난 무기물 기반 소재를 활용하여 Remote 타입의 lens 의 개발로 새

로운 구조의 고출력 백색 LED를 개발함으로써 기존의의 유기물 바인더와

무기물 형광체의 혼합을 이용한 고출력 백색 LED에서 발생하는 여러 문제

점을 해결할 수 있을 것이라 판단됨

o 유연기판 위로의 LED 전사기술은 무기 LED 분야뿐만 아니라 무기재료 기반

의 광/전자 소자의 전사기술로 활용될 수 있으므로 여러 광/전자 소자의 새

로운 분야로의 응용기술 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대됨.

o 투명 기판이나 플라스틱 위에 3차원 복합 나노집적 포토닉 구조를 제어하

고 형성할 수 있는 기술은 태양광의 흡수 및 에너지변환 효율을 극대화 할

수 있어 저가형 고효율 에너지 소자 (유/무기 태양전지 및 발광 소자) 기술

개발에 크게 기여할 수 있으며, 기존의 고밀도 고정밀 나노공정 기술에 큰

변혁을 가져오고, 특히 3차원의 반도체, 도체, 부도체로 구성된 나노구조를

다양한 분야에 응용 할 수 있어 관련 연구 분야에 많은 파급효과가 기대됨.

o 대면적 나노 구조체의 전사공정 기술은 세계적으로 기술 개발 경쟁이 치열

한 분야로 기술선진국에서도 도입기에 있는 기술의 원천기술 개발시 기술

리더쉽 확보가 기대되며 후발 경쟁국과의 차별화 및 기술 선도가 가능할

것으로 기대됨.

3.5.2 산업·경제적 파급효과

o LED 는 기술적 열세에도 불구 하고 현재 우리 산업이 갖는 경쟁력, 즉 디스

플레이 기술에 적용하여 최근 수년간 비약적인 산업적 발전을 이룩하였음.

- 향후 5~10년은 LED 가 백열등, 형광등과의 가격 경쟁을 이겨내고 일반조

명 시장으로 확대 적용 되는지를 결정하는 중요한 시기 임. LED 의 가격

경쟁력의 근간은 조명 효능이나 기존 조명 효능의 한계를 극복하지 못하면

조명 효능만 가지고는 일반조명시장에서의 경쟁력을 확보 할 수 없음. 하

나의 소자에 고 전류 주입하는 고출력 화 및 장 수명화가 수반 되어야 함.

DOE (Department of Energy) 의 기술 로드맵에 따르면 이를 위해 2020년

까지 조명 효능은 200 lm/W 로 향상 시키되 이때 주입 전류 수준은 2A

이상이며 수명은 100,000 시간 이상을 확보하여 Ownership cost에서 기존

조명기구와 경쟁 하는 것으로 되어 있음. 2000년부터 시작된 DOE

Roadmap 은 현재까지 조명 효능은 로드맵 수준을 따라 왔으나 고 출력화

는 2007년 이후 그 수준을 따라오지 못하는 실정임. 이는 주입전류가 높아

질 수록 LED 효율이 감소하는 Droop 현상 때문임.

- 183 -

- 나노구조 LED 가 목표로 하는 조명효능 300lm/W 는 주입전류 1A 수준에

서도 형광등과 경쟁이 가능한 가격경쟁력을 제공 할 수 있으며 이로 인하

여 LED 조명 시대가 열렸을 때 LED 조명산업의 직접적인 확대는 물론 전

력을 절감하여 발생하는 부수적은 경제적 파급 효과는 상상 할 수 없는 수

준이 될 것임.

o 향후 급속한 성장이 예상되는 조명용 고출력 LED의 핵심 발광체 원천 기술

의 확보 및 시장 선점이 예상되며, 개발 초기 단계이므로 관련 연구기반 및

지적재산권 확보를 통해 국내 기업 기술이전을 통한 시장창출 및 경쟁력

확보가 기대되고, 중국 등 개발도상국의 저가형 LED에 대하여 뚜렷한 차별

화를 통한 기술격차 유지에도 핵심적인 역할을 담당할 것으로 기대됨

o 유연기판 위로의 LED 전사기술은 기존 OLED 위주의 유연 디스플레이 분야

를 대체할 수 있는 기술로서 LED의 응용분야를 다양화 할 수 있으므로 새

로운 산업 창출이 가능하여 국내 녹색산업의 지속적 성장을 견인할 것으로

기대됨

o 대면적 고정밀의 3차원 주기적 나노집적 구조를 저비용으로 제작 할 수 있

어 관련 산업체의 생산 비용 절감이 기대되고, 개발 완료시 기존 태양전지

의 제작비용의 절감과 초고효율 태양전지의 사업화 추진가능하며, 개발 초

기 단계이므로 단기간에 선진국 수준으로 경쟁력 확보가 가능하며, 또한 개

발 기술의 선도기술 분야 특허 추진 및 지식재산권 확보할 수 있을 것으로

기대됨.

o 또한 나노 광 구조체 전사공정기술의 기반 기술은 광학소자 뿐만 아니라

반도체 전자소자, 바이오 소자의 응용등 다용도로 활용이 가능하여 기술 융

합 및 신개념의 소자 개발이 기대됨.


o 조명이 인간의 생활에 미치는 영향은 우리가 인식하는 그 이상임. 예를 들

어 현대인에 가장 많이 격고 있는 질병은 불면증임. 미국 National Sleep

Foundation 에 따르면 성인남자의 50%, 전체 인구의 15% 인 약 4000만명

을 만성 불면증 환자로 보고 있음. 불면증의 원인은 매우 다양한 것으로 보

고되고 있으며 특히 현대사회가 고도화 되면서 발생하는 정신적 스트레스

를 가장 큰 스트레스로 보고 있음. 그러나 불면증 환자치료에 가장 좋고 반

드시 실행해야 할 치료법은 적정시간 햇볕을 쪼이는 것임. 현대인이 실내

- 184 -

생활을 함으로써 자연광을 받는 시간이 갈수록 감소하는 것도 중요한 질병

의 원인으로 꼽히고 있음.

o 나노 구조 LED 조명은 기존 조명기구와 달리 자연광에 가장 근접한 빛을

낼 수 있어 실외 태양빛을 받기 어려운 현대인의 건강을 유지 하는데 도움

을 줄 것임. 또한 인간의 감성은 조명에 크게 영향을 받으므로 판매 매장,

독서실, 사무실, 침실 등 목적에 맞는 색온도의 맞춤식 감성 조명도 가능해

짐. 이렇게 자연광에 근접한 실내 조명은 인류의 건강과 감성에 지대한 역

할을 할 것으로 기대 됨. 또 한 가 격 경 쟁 력 이 있 고 소 비 전 력 이 낮 은 LED 조 명 은

보 안 /안 전 취 약 지 구 의 조 명 을 더 욱 확 대 할 수 있 게 하 여 안 전 사 고 와 범 죄 로 부 터

좀 더 자 유 로 운 사 회 를 만 드 는 데 기 여 할 것 임 .

o LED 기술은 우리나라의 당면과제인 그린 IT 기술을 통한 녹색성장의 한 축

으로 인식되고 있으며, 특히 고출력 LED는 소비 전력 규모면에서 매우 중요

한 위치를 점유하고 있기 때문에 에너지 절감에서 큰 역할을 할 것으로 기

대 됨

o 현재의 유가 상승 및 온실 효과에 대비한 에너지 소자의 급속한 발전에 큰

기여를 할 것으로 기대됨.

o 과제수행에 따른 기술 확보를 통한 선진기관과의 연구 교류.

- 185 -

제 3 장 질병 극복을 위한 나노 포토닉스 제어 기술

1. 질병 극복을 위한 나노 포토닉스 제어 기술의 미래상


나노 기술과 다양한 과학 기술 간 창조적 융합 연구의 활성화와 개인 맞춤

형 바이오 의학 분야의 급성장이 향후 기초 과학 및 관련 산업 분야에 큰

영향을 줄 것으로 예상됨.

o 과학 기술 간의 창조적 융합의 가속화

- 나노 기술과 포토닉스 기술은 최근 수십 년 동안 급속한 속도로 발전하였

으나, 각각의 단위 기술로 발전하였음. 나노-포토닉스 기술은 나노 제작

공정 기술과 포토닉스 측정-제어 기술 각각에 새로운 발전 패러다임의 전

환을 일으킬 수 있는 창조적 융합기술로 예상됨.

-

그림 1 질병 극복을 위한 나노 포토닉스 제어 기술의 미래상

- 나노미터 크기의 다양한 물질의 제작 공정 기술과 이를 통해 만들어진 나

- 186 -

노 구조물과 빛의 상호 작용의 효과적인 응용을 통해서, 기존 단일 나노

기술, 포토닉스 기술로는 상상할 수 없었던 다양한 응용 가능. 특히, 나노

물질을 사용한 생체 이미징, 광 조작 기술 등을 통해서, 생물학, 화학, 의

학 발전에 기여할 혁신적인 방법들이 대거 출현할 것으로 전망.

- 나노-포토닉스 분야의 신 개념에 바탕을 둔 새로운 방법론의 출현으로 생

화학과 생의학 연구에 획기적인 전환점이 예상됨. 새로운 방법론이 개발

될 때 마다 생물, 화학, 의학 분야 지식의 수준이 도약하였음 (예, 광학 현

미경, 분광학 기술, 형광 단백질 등). 나노-포토닉스의 융합은 이러한 기술

의 도약 과정을 가속화 시킬 것으로 기대 됨.

- 나노미터 스케일에서 발생하는 전자기적인 새로운 특성을 이용하는 새로

운 의료용 진단 및 영상기술의 개발이 이루어질 것임. Silica-coated 금속

나노 입자에서 관찰되는 surface enhanced Raman scattering (SERS) 현상

을 이용한 생체정보의 정량적 획득 및 분석기술 등이 예가 될 것임.

- 의료 현장에서는 임상 병리학적인 분석에 현재 사용되고 있는 각종 시약

및 분석 기구들에 나노기술이 융합되는 형태로 개발이 이루어 질 것으로

예상. 앞서 SERS의 경우 나노 입자를 기반으로 한 혈액 같은 액체 상태의

생체 물질 뿐만 아니라 고체 상태의 조직 단위에도 분석을 수행할 수 있

는 1회용의 휴대형 분석키트와 고감도 장비, 대용량 처리를 위한 장비 등

으로의 개발이 진행될 것.

o 바이오 의학 분야의 급성장과 시장 규모 확대

- 전 세계적으로 고령 인구의 급격한 증가16)와 이로 인한 막대한 의료비

지출 전망. 특히 대한민국의 출생률은 급격히 감소. 출산율의 하락과 평균

수명의 증가로 인해 의료비 지출 비중 증가가 가속화 될 것으로 전망. 질

병의 원인 규명, 진단과 치료 분야 연구 기술 개발이 절실히 요구됨.

- 개인 유전 정보를 바탕으로 한 맞춤형 치료가 현실화 될 것으로 전망. 개

인별 DNA, RNA, 단백질 등 다양한 생체 분자들을 효과적으로 측정할 수

있는 기술 개발 필요. 또한 암, 유전질환, 면역질환 등에서 개인 유전 정

보에 바탕을 둔 맞춤형 치료가 현실화되기 위해서는 신약 개발 단계에서

단일 분자, 단일 생체 세포의 반응을 효과적으로 모니터링 가능한 기술

개발 필요.

- 고령화와 함께 특히 다양한 암의 진단 건수가 급격한 증가 추세임. 65세

이후로 암의 발병률이 특히 증가함. 현재 국내에서는 4명 중 1명이 암으

로 사망하고 있으며, 고령화와 생활의 서구화로 암 환자는 앞으로 더욱

증가할 것으로 예상됨.

16) 미국의 평균 수명은 2005년 기준 남성과 여상이 각각 74세와 80세이었으나, 2030년 예상 수명은 78세와

84세로 증가 예상 <미국 센서스 조사 2005>

- 187 -

- 전 세계적으로도 2020년까지 암 발병 건수가 2000년 대비 최소 50% 이

상 증가할 것으로 세계보건기구는 예상하고 있음. 2008년도 기준으로

1270만 명이 새로 암 환자로 진단되고, 750만 명이 암으로 사망한 것으

로 추정되고 있어 전 인류의 사망 원인 중 13%를 차지하는 것으로 추정

됨. 근 미래에는 특히 현재 급격한 산업화가 이루어지고 있는 중국과 인

도를 중심으로 암 환자의 절대수가 폭증할 것으로 예상됨.

- 나노포토닉스 기술에 기반을 둔 새로운 나노재료, 나노제어, 나노생체이미

징 기술은 암의 조기 진단과 치료 및 예후 예측을 위한 핵심 응용기술로

활용될 것으로 기대됨.

- 또한 생체적합 나노재료를 사용한 환자 이식형 생체 정보 측정 및 감지

기술이 개발되고 IT 기술과 융합되어 개별 환자의 종합적인 맞춤형 건강

관리가 이루어 질 것으로 기대됨. 이는 미래 의료 기술의 발전 방향으로

제시되고 있는 4P (personalized, predictive, preventive, participatory) 의

료 기술의 기반이 될 것임.


o 나노포토닉스 기술이 적용된 바이오-의료 분야의 시장규모는 조사된 바 없

으나, 나노포토닉스 기술은 앞서 전망한 바와 같이 나노기술에 기반을 둔

미래 의료 분야에서 특히 진단 및 이미징, 생체 내 제어분야의 핵심 응용기

술로서 각 제품에 융합되어 사용됨으로써 전체 시장규모에서 상당 부분을

차지할 것으로 예상됨.

o 현재 나노기술에 기반을 둔 의료분야의 제품시장은 최대 매년 48%씩 성장

하는 것으로 추정되고 있음. 2009년 기준, 미국 시장은 47억 달러, 유럽 시

장은 36억 달러로 추정되고 있음.

o 나노기술 의료분야에서 현재 가장 큰 부분을 차지하는 나노약물전달체 제

품의 시장규모는 2009년에서 2014년 사이 연간 21% 성장하여, 2014년에는

160억 달러에 도달할 것으로 예상됨. 주요 업체로는 Abraxis BioSciences,

AstraZeneca, Capsulution Nanoscience AG, Do-Coop, Elan Corporation,

J.R. Nanotech, Liquidia Technologies, Merck KGaA, Novartis, Pioneer

Surgical, Smith & Nephew, Star Pharma and Wyeth Pharmaceutical 등이

있음.

o 2009년에서 2014년 사이 생체적합 이식형 나노재료는 42%, 나노진단기술

은 22%씩 각각 성장할 것으로 기대되며, 향후 나노기술 의료분야에서 그

- 188 -

비중을 확대할 것으로 예상됨.

1.2.1 시장 분석 Target 기술 선정

o BT분야의 총괄 목표는 인간 질병 극복을 위해 나노 포토닉스 기술을 기반

으로 질병의 원인 규명, 정확한 진단, 효과적인 치료를 위한 초고속, 초해상

도, 초고감도, 초정밀의 나노바이오 포토닉스 기술들을 구현하여, 나노바이

오기술을 이용한 의료기술시장을 개척하기 위한 핵심 응용기술을 확보하는

것임. 이에 BT분야에 대한 경제성 분석을 위해 본 기획위원회에서 선정한

Target 기술은 아래와 같음.

- 나노포토닉스 바이오 감지 기술

- 나노포토닉스 의료 영상 기술

1.2.2 시장 진입시기의 결정

o 나노포토닉스 바이오 감지 기술 = 2022년17)

- 본 과제 사업은 3단계로 진행. 1단계 3년 동안은 생체 적용을 위한 나노

포토닉스 제어 기술의 기반이 되는 기술들을 개발하고, 2단계 3년 동안은

생체 유사 환경에서 나노 포토닉스 제어 기술을 적용하는 기술들을 개발

한다. 마지막 3단계에서는 1, 2단계에서 개발된 기술들을 융합하여 생체

에 직접적으로 활용이 가능한 다기능의 나노 포토닉스 바이오 감지 기술

을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

- 이에 사업이 끝나는 시점인 2022년을 시장 진입시기로 결정하였다.

o 나노포토닉스 의료 영상 기술 = 2022년18)

- 본 과제 사업은 3단계로 진행. 1단계 3년 동안은 생체 적용을 위한 나노

포토닉스 제어 기술의 기반이 되는 기술들을 개발하고, 2단계 3년 동안은

생체 유사 환경에서 나노 포토닉스 제어 기술을 적용하는 기술들을 개발

한다. 마지막 3단계에서는 1, 2단계에서 개발된 기술들을 융합하여 생체

에 직접적으로 활용이 가능한 다기능의 나노 포토닉스 의료 영상 기술을

개발하는 것을 목표로 하고 있다.

- 이에 사업이 끝나는 시점인 2022년을 시장 진입시기로 결정하였다.

1.2.3 Target 제품의 미래 시장규모 추정



- 189 -

o 나노포토닉스 바이오 감지 기술 (<표 3-1> 참조)

- Frost & Sullivan에서는 BT/NT/IT 융합 진단 기술인 바이오센서 세계시장

규모가 2008년 약 62억 달러에 달하였고 2003-2008년 연 평균성장률은

9.5%를 기록하고 있다고 추산. 향후 시장 규모는 2008년 10%에서 2013

년 12%로 예상.

- R&D 투자의 증가와 생산기반 확충, 합작 및 특허 증가, 그리고 바이오센

서 장치의 휴대화 및 마이크로칩 기술의 발달을 통해 성장 속도가 가속화

될 것으로 예측. 이를 통해 2015년과 2018년에는 세계 시장 규모가 각각

135억 달러와 190억 달러에 이를 것으로 예측하였다.19) (아래 도표 참조)

그림 3-2 바이오 센서 세계시장 규모 (출처: Frost & Sullivan)

- 전 세계적으로 Abbott (MediSense), Roche (Boehringer Mannheim), J&J

(LifeScan) 등 50여개 이상의 업체가 바이오센서를 공급하고 있으며, 바이

오센서 관련 기업은 미국에 약 40%, 유럽에 약 40%, 그리고 일본에 약

10% 정도의 회사가 분포하고 있음.

- 2001년 9억 달러이던 북미 시장은 2011년 20억 달러를 넘어설 것으로

예측되며, 다음으로 유럽이 큰 시장을 형성할 것으로 전망됨. 누적 연평균

성장률에 있어서는 아시아-태평양 지역이 가장 크게 증가할 전망.

- 바이오센서의 응용 분야별 시장은 가정진단 (Home Diagnostics) 및

Point-of-Care 진단 분야가 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 단일 품목으

로서는 혈당 바이오센서가 가장 큰 비중을 차지. (아래 도표 참조)

19) “World Biosensors Market", Frost & Sullivan, 2007

- 190 -

그림 3-3 바이오 센서 분야별 시장 점유율

- 바이오센서가 핵심 소자로 들어갈 Ubiquitous healthcare 진단시스템의

시장은 앞으로 성장률 및 시장 규모가 크게 증가할 것으로 보고됨. 미쓰

비시 종합 연구소는 Ubiquitous healthcare 진단시스템 시장이 2001년

700억 달러에서 2010년 3,800억 달러로 연평균 20% 성장할 것으로 예측.

삼성 경제 연구소는 2014년 미국의 Ubiquitous healthcare 시장을 340억

달러 규모로 예측.

- 바이오센서에 적용이 가능한 바이오칩의 세계시장 규모는 Global

Industry Analysis Inc.의 조사에 따르면 2008년에 약 21억 달러 규모에

연평균 성장률은 25.5%를 기록. 전체 시장 규모에서 단백질 칩이 바이오

칩 시장에서 차지하는 비중은 그다지 높지 않으나, 성장률에 있어서는

58%의 높은 수치를 보이고 있음. 조사에서는 세계의 단백질 칩 시장이

2006년 1.7억 달러에서 2010년 6.2억 달러 규모로 급격히 성장할 것으로

전망, 특히 2015년에는 11.7억 달러 규모의 큰 성장을 예측. (아래 도표

참조)

그림 3-4 바이오 칩 시장 성장 전망

- 191 -

o 나노포토닉스 의료 영상 기술 (<표 3-2> 참조)

- 서치업체인 BCC 리서치에 따르면 글로벌 의료 역상 시약과 분석 장비 시

장은 2009년 226억 달러를 기록. (아래 도표 참조)

그림 3-5 의료 영상 기술 미래 시장 규모 추정

- 이 시장은 연 5.1% 성장해 2014년 290억 달러 규모에 이를 것으로 예측.

가장 큰 분야는 X-ray와 CT로 2009년 93억 달러에서 2014년 113억 달러

로 연 3.9% 성장을 예상. 초음파 장비 시장은 작년 52억 달러에서 2014

년 61억 달러 규모로 연 3.4% 성장을 예측. 양전자 방사 단층 촬영(PET)

과 방사선의약품 시장은 2009년 35억 달러에서 2014년 53억 달러로 연

8.9%의 가장 높은 성장을 기록할 전망.

- 의료영상 기술은 현대 의료 연구와 임상 진단, 치료에 필수 불가결한 기

술. 의료영상 시장의 성장은 컴퓨터, 디지털 정보기술 등 새로운 기술과

노인 환자 증가 등이 동력임. 의료영상 산업은 경기 침체로 2008년 다소

침체됐지만 새로운 발전과 영상을 통한 진단의 필요성이 시장 성장에 기

여.20)

- 광 바이오 진단을 위한 의료 영상 시스템 시장규모는 2004년 기준 148억

달러 정도로 연평균 6% 이상의 성장이 전망. 전 세계 시장의 80%를 미

국, 유럽, 일본이 차지. GE Medical system, Simens, Philips Medical

system 및 Toshiba와 같은 세계적 업체들이 의료 영상 시장의 70% 이상

을 점유.

- 연평균 시장 규모가 매년 약 6%씩 증가하는 고성장 산업인 의료기기 분

야의 중심산업이며, IT/BT/NT 기술의 발달과 함게 성장할 미래 사회 대비

20) "Global Revenue of the imaging market", BCC Research

- 192 -

년도관련 제품 시장(바이오센서)

Target 제품 신규시장(나노 포토닉스

바이오센서)

기술개발 기여 시장(나노 포토닉스

바이오센서 기술)2018 190,000 19,000 19,0002019 209,000 20,900 20,9002020 230,000 23,000 23,0002021 253,000 25,300 25,3002022 278,000 27,800 27,8002023 306,000 30,600 30,600

형 산업으로서 미국, 독일, 네덜란드, 일본, 이스라엘 등 주요 선진국이 주

도하고 있으며 지속적인 투자를 하고 있음.

- 국내 의료 영상 시장 규모 및 전망을 살펴보면 의료용 영상기기의 수출규

모는 2010년 약 26억 달러, 생산규모는 약 43억 달러로 추산. 국산 저가

제품의 국제 경쟁력은 우수하지만, 고가 장비의 경우에는 선진국과의 기

술 격차가 매우 큰 것으로 판단됨.

- 방사선과 전문의들뿐만 아니라 일반의들도 쉽게 사용할 수 있는 수준의

소형영상진단장치에 대한 시장 수요가 증가할 것으로 판단됨. 초음파 치

료와 결합하여 사용할 수 있는 영상진단장치에 대한 수요가 증가할 전망.

- SPECT와 PET를 포함한 functional & molecule 고가형 영상장비는 해외로

부터 100% 수입에 의존하고 있어, 고부가가치 의료 영상기기 개발에 대

한 정부차원의 지원이 시급한 실정.

- 특히 Pharmaceutical Tracer를 체내에 주입한 후 그 트레이서들로 부터

나오는 감마선을 인체의 외부에서 측정하거나, 인체 내에서 투과율이 높

은 근적외선 파장의 빛을 이용한 단층 촬영 기술, 빛이 조직 내에서 반사

되면서 생기는 간섭 현상을 이용하여 영상을 취득하는 기술, 생체 내에

있는 형광물질이 외부에서 조사된 빛을 흡수한 후 다시 방출하는 것을 영

상화하는 기법 및 특정 효소를 사용한 생체발광을 이용한 영상화 기술의

개발이 시급.21)

- 현재 국내 바이오센서 시장은 의료용과 R&D 부문을 합해 대략 400억원

규모이나 일회용 바이오센서에서 연속형, 고감도 측정이 가능한 나노-바

이오 센서가 개발될 경우 급격한 시장 형성이 기대됨. 특히 광 바이오센

서 및 영상 진단 장비의 경우 전 세계적으로 상용화가 드물어 이에 대한

투자로 국내 의료 광 기술 산업의 수준을 획기적으로 향상시킬 수 있는

좋은 기회로 판단됨.

<표 3-1> 나노포토닉스 바이오 감지 기술 세계 시장 규모 예측 (단위 : 억원)

21) "광 바이오 기술 및 시장 동향“, 정보통신산업진흥원 2009

- 193 -

2024 337,000 33,700 33,7002025 370,000 37,000 37,0002026 407,000 40,700 40,7002027 448,000 44,800 44,8002028 493,000 49,300 49,3002029 542,000 54,200 54,2002030 596,000 59,600 59,6002031 656,000 65,600 65,600


(CT & MRI) Target 제품 시장규모

(광학 형광 진단)Target 기술 시장규모(나노 광학 형광 기술)

2009 198,057 19,806 19,806 2010 209,941 20,994 20,994 2011 222,537 22,254 22,254 2012 235,890 23,589 23,589 2013 250,043 25,004 25,004 2014 265,045 26,505 26,505 2015 280,948 28,095 28,095 2016 297,805 29,781 29,781 2017 315,673 31,567 31,567 2018 334,614 33,461 33,461 2019 354,691 35,469 35,469 2020 375,972 37,597 37,597 2021 398,530 39,853 39,853 2022 422,442 42,244 42,244 2023 447,789 44,779 44,779 2024 474,656 47,466 47,466 2025 503,135 50,314 50,314 2026 533,324 53,332 53,332 2027 565,323 56,532 56,532 2028 599,242 59,924 59,924 2029 635,197 63,520 63,520 2030 673,309 67,331 67,331 2031 713,707 71,371 71,371

<표 3-2> 나노포토닉스 의료 영상 기술 세계 시장 규모 예측 (단위 : 억원)

1.2.4 시장 점유율 추정

o 본 사업의 기간은 10년으로 계획되어 있고, 시장점유율은 해외에서의 상용

화시기 등 많은 외부요인에 따라 결정되므로, 각 분야 기획위원회 전문가들

- 194 -

의 의견을 바탕으로 3가지 시나리오(보수적, 평균적, 낙관적)를 설정하여 분

석을 수행하였음.

o BT 분과의 연관 산업의 시장점유율 분석을 통한 추정

- 현재 국내 바이오센서 시장은 2005년에 300억 원을 시작으로 2012년 약

6,000억 원에 이를 것으로 전망. 이는 전 세계 시장에 있어 약 5%를 차지

하는 비율. 이에 국내 업체는 세계시장 점유율을 보수적으로 5%를 차지

할 수 있을 것으로 예측.

- 의료 영상 장비의 세계 시장과 국내 시장을 비교하고, 이중 광 영상 장비

의 비중을 고려하면 나노 광학 형광 진단 기술에서 국내 업체의 세계 시

장 점유율을 보수적으로 ‘09년 현재의 세계 시장 대비 국내 시장 비율인

4%를 국내 업체 시장 점유율로 확보할 수 있을 것으로 예측.

- 평균적 전망으로서는 현재 세계 시장이 6%대의 성장률을 보이는데 비해

국내의 성장률이 10%대인 것을 감안하면, 2020년의 경우 7.5%의 시장 점

유율을 예상 가능.

- 낙관적 전망으로는 현재 광소자 시장에서 국내 광소자 업체의 시장 점유

율인 15%를 시장 점유율로 예상 가능.

- 따라서 나노 포토닉스를 이용한 바이오센서 및 영상 장비의 시장점유율을

시나리오 1(보수적) 4%, 시나리오 2(평균적) 7.5%, 시나리오 3(낙관적)

15%로 설정.

1.3 사업개요

1.3.1 사업의 정의 및 범위

o 질병 극복 나노 포토닉스 제어 기술은 인간 질병의 규명, 진단, 치료를 획기

적으로 향상시키기 위한 나노 포토닉스 융합 기술 개발을 목적으로 함. 광

학 또는 나노 재료를 독립적으로 사용하던 기존 생물-의료용 기술의 한계를

돌파하기 위한 나노 포토닉스의 창조적 융합을 본 사업을 위한 핵심 가치

로 설정하며, 나노 바이오기술을 이용한 의료기술시장을 개척하기 위한 핵

심 기술을 확보하도록 함.

o 한편 질병 극복과 관련해서 기존 산업에 가져올 임팩트가 크며, 동시에 도

전적인 목표를 위해 나노 포토닉스 영상기술, 감지기술, 치료용 분자 광조작

기술을 구체적인 기술 추진 범위로 제안함. 특히, 기존의 기술이 가지고 있

는 속도, 해상도, 감도, 정밀성 등의 한계를 뛰어 넘는 신개념의 나노 포토

닉스 기반의 초고속 초고해상도 영상 기술, 초고감도 감지 기술, 초정밀 생

체 단일 분자 조작 기술을 개발함.

- 195 -

o 질병 극복 나노 포토닉스 제어 기술은 위와 같은 목표와 산업 영향력을 고

려하여 다음 세 가지 중점 추진 분야를 구성하였음. 각 분야의 목표 기술

을 기술하고, 각 분야가 독립적이 아닌 질병 극복을 위한 대 주제를 위한

유기적인 융합 관계로 능동적인 연구 주제로 활용될 수 있도록 함.

1. 질병 규명을 위한 초고속 초고해상도 나노 포토닉스 영상 기술

인간 질병의 병리를 세포 또는 세포 이하의 DNA, 단백질 차원에서 규명하

고 이해하기 위하여, 기존 바이오 영상 기술의 한계를 뛰어 넘는 초고속 초고

해상도 영상 기술 개발.

2. 질병 진단을 위한 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

나노 구조와 포토닉스와의 상호 작용을 효과적으로 이용하여 질병 유관 물

질을 초고감도로 감지하는 기술을 개발함으로서 질병 연구의 획기적인 개선,

질병의 조기 진단 할 수 있는 기반 기술 마련.

3. 질병 치료를 위한 초정밀 생체 단일 분자 광조작 기술

질병 메커니즘에 관련된 단일 분자를 나노 포토닉스 기술을 이용하여 광조

작 함으로써, 질병 치료 연구에 획기적인 전환점을 가져올 나노 포토닉스 기

반 기술 구현.

1.4 사업 추진의 필요성

1.4.1 사업 추진의 시의성

o 2005년 세계 유수의 과학저널인 Science지는 나노 기술이 미래 의학분야의

진단, 영상, 치료 등의 분야를 혁명적으로 발전시킬 것으로 전망. 미국 국가

과학재단은 2015년 기준 나노 기술을 이용한 시장규모가 최대 1조 달러에

도달할 것으로 전망한 바 있음. 현재 질병 관련 나노 포토닉스 분야는 전

세계적으로 국가 차원의 집중적인 투자와 지원을 바탕으로 기술 선도를 통

한 시장 선점을 위해 치열한 경쟁이 진행 중.

o 나노 포토닉스 기술은 바이오 의학 분야에서 다양한 분야로의 활용이 기대

됨. 특히 진단 및 영상 기술의 혁신에 가장 핵심적인 역할을 할 것으로 기

대. 기존의 기술로 불가능한 해상도를 나노포토닉스 기술을 바탕으로 구현

하고, 새로운 다기능 나노포토닉스 재료에 기반을 둔 초고감도 영상 및 진

단, 분자 수준의 기능성 진단 등의 다양한 혁명적인 기술이 현재 활발히 연

구되고 있음.

o 특히 현재 전 세계 바이오-의료 분야의 선두 주자인 미국은 국가과학재단

- 196 -

(NSF), 국립보건원 (NIH), 국립암연구원 (NCI)의 주도로 2005년에서 2010년

의 기간 동안 1차로 국가 차원의 대학 및 국립연구소들의 나노의료기술 연

구 네트워크를 구축하고, 각종 난치성 질환 암, 심장, 호흡기질환 등의 새로

운 치료방법의 개발을 위한 집중적인 투자를 하였으며, 2010년에서 2015년

의 기간 동안 2차로 의료 산업화를 위한 기술 투자 사업을 이어가고 있음.

이는 앞으로 전 세계적인 산업화와 인구 고령화와 맞물려 급격한 시장 확

대가 기대되는 난치성, 만성 질환의 새로운 나노 치료제의 선점을 바탕으로

바이오-의료분야의 헤게모니를 유지하기 위한 선도적인 투자로 해석 됨.

o 역사적으로 재료 분야 산업에 강점을 지니고 있는 일본은 새로운 나노 재

료 기술에 있어서도 투자를 집중. 특히 바이오-의료 분야의 응용을 위해 도

쿄대를 중심으로 한 나노바이오융합센터를 2009년부터 2013년의 기간 동안

세계주도 과학기술 혁신 R&D를 위한 지원 사업 (Funding Program for

World-Leading Innovative R&D on Science and Technology)으로 선정 연

구 역량과 지원을 집중하고 있음.

o 최근 2-3년 내에 시작된 미국과 일본의 전국가차원의 지원 사업과 기술 선

점이 특히 중요하고 후발 주자의 시장진입장벽이 매우 높은 바이오-의료 산

업을 특성을 고려할 때, 우리나라도 혁신적인 나노포토닉스 핵심 요소 기술

과 이를 응용 융합한 나노-바이오 의료기술의 산업경쟁력 확보를 위한 투자

와 기술 역량의 육성이 매우 시급.

1.4.2 정부 지원의 필요성

o 현재 우리나라는 나노 포토닉스 물질의 합성과 관련된 재료 및 요소 기술

에 대해서는 일정 정도의 성과를 가지고 있으나, 이를 실제 미래 성장 동력

으로 발전시키기 위한 응용 기술에서는 초기단계에 머물고 있음. 특히 장기

적인 집중 투자로 일정 수준 응용기술의 육성을 위한 기반이 갖춰진 IT 분

야에 비해, BT 분야로의 응용 기술의 개발은 매우 미비한 상황.

o 미래 시나리오에서 예상하는 바와 같이 인구 증가 속도의 감소와 인구 고

령화에 따른 만성, 난치성 질환의 증가, 그에 따른 바이오-의료 시장의 상대

적으로 급격한 확대 전망을 고려할 때, BT 분야의 응용 기술의 낙후는 미래

우리나라 전체 경쟁력을 크게 떨어뜨릴 수 있는 위험을 내재하고 있음.

o 한편 나노 포토닉스 기술과 이를 응용하는 나노-바이오 기술이 가지는 다

학제적인 특성을 고려할 때, 나노-바이오 포토닉스 전문 연구 인력을 한 분

야의 전문가로만 구성하기는 어려움. 또한 현재 국내 실정 상 한 개별 연구

소 및 개별 대학 단위로는 충분한 시너지를 낼 수 있는 전문가 풀이 존재

하지 않음. 따라서 국가 차원의 체계적인 정부 주도 연구 추진과 지원을 바

- 197 -

탕으로 각 분야의 연구 개발 역량을 전략적으로 융합하여 최대의 성과를

내기 위한 노력이 필요.


o 본 사업은 나노 기술과 포토닉스 기술을 기반으로 각각 독립적으로 이루어

지던 기존 연구 방법의 틀을 벗어나, 나노 분야와 포토닉스 분야의 유기적

인 융합을 통해 바이오-의학 분야 특히 질병 정복을 위한 기본 연구를 통해

BT 분야 연구와 산업을 선도해 갈 목적으로 기획되었음. 이에 따라 본 사업

은 BT/NT/IT 융합 기술로 구성되었고 지양하는 기술 영역은 의료 기술이라

할 수 있다.

o 이에 따라 본 사업은 정부의 『NBIC 융합기술지도』(2010. 9)의 바이오 의료

분야 내용 중, ‘바이오자원·신소재·장기개발’,‘메디-바이오 진단 시스템’, ‘고령

친화 의료기기’ 분야와 직접적으로 부합되며, ‘바이오의약품’, ‘기능성식품’

분야를 위한 기반 기술을 제공 할 수 있을 것으로 예상 됨.

o 또한, 본 사업은 국가연구개발사업 중장기 발전전략 (2008. 7)의 국가중점

육성기술 목록 50 개 중 7대 분야와 직간접적 연관이 있음. (의료기기 개발

기술, 바이오 칩.센서 기술(U-Health), 면역 및 감염질환 대응 기술, 암질환

진단 및 치료 기술, 뇌과학 연구 및 뇌질환 진단.치료 기술, 약물 전달 기술,

단백체.대사체 응용기술)


o 현재까지 개발이 시도된 나노 포토닉스 기술의 바이오 응용 기존 사업은

대부분 생물학, 생화학 연구 개선을 위한 방법론의 차원에서 이루어져 왔음.

나노 포토닉스 연구 개발로 인한 다양한 새로운 기술을 통해 생물학 생화

학 지식이 확대가 되었으나, 인간 질병 극복을 위한 나노 포토닉스 기술 사

업은 아직 시도된 바가 없음.

o 질병 극복을 위한 기존 사업으로는 과학기술부 21세기 프론티어연구개발을

통해 뇌기능활용 및 뇌질환치료기술 개발 연구사업, 인간유전체 기능연구사

업이 있음. 이 사업들은 뇌질환 또는 인간 유전체 기능 등 세분화되어 있는

질병 연구에 초점이 맞추어져 있음. 반면 본 사업에서는 기존 사업의 틀을

벗어나, 질병의 규명/진단/치료를 위한 종합적인 연구를 위해 나노 기술과

포토닉스 기술을 융합하는 기술 개발을 진행하려 함.


- 198 -

o 선정된 핵심 기술의 결과가 외국의 핵심 개발 기술과의 차별성이 떨어질

수 있음.

- 기술 개발에 성공하더라도, 경쟁국의 추격으로 독자적인 기술 영역을 확

보하고 독점적으로 점유하기 어려울 수 있음.

- 같은 부류의 기술 개발이 동시 다발적으로 여러 국가에서 경쟁적으로 이

루어지므로, 확보된 기술의 고부가가치성이 떨어질 수 있음.

- 정부의 적극적인 지원으로 가장 응용기술로의 가능성이 큰 차별적인 핵심

기술의 전략적 선점과 신속한 특허 출원을 통해 시장 진입 시점을 최대한

앞당기는 전략 수립이 필요. 또한 융합적이고 미래지향적인 새로운 개념

의 의료 서비스 시장의 국내 창출을 도모하는 정부의 전략 수립이 필요

함.

o 바이오-나노포토닉스 기술 개발 과제의 통합적인 시너지효과의 부족.

- 국내 여러 연구 개발 주체들의 각개약진 형식의 과제 진행으로 융합된 시

너지 효과를 창출하는 효과가 부족하고, 전략적 기술 개발의 공동목표를

설정하지 못할 수 있음.

- 정부 주도로 차세대 기술의 발굴, 타당성 검토, 집중 지원을 논의할 수 있

는 전문 기구 설립이 필요하며, 다 학제간, 산학간의 융합을 위한 가교 역

할을 수행하여야 함.

o 바이오-나노포토닉스 기술 인력 양성을 위한 시스템의 부재

- 나노포토닉스 기술과 이를 응용하는 나노-바이오 기술이 가지는 다 학제

적인 특성을 고려할 때, 바이오-나노포토닉스 전문 연구 인력을 기존 분

류에 따른 한 분야의 전문가들로만 육성하기 어려움.

- 전문가를 기존의 세분화된 기술 분류표로만 판단하는 기존의 관념과 교육

및 지원 시스템으로는 미래 융합형 바이오-나노포토닉스 기술 인력 양성

에 한계가 있음.

- 국가 주도로 융합 학과의 설립 및 운영을 지원하고, 융합 학문을 집중적

으로 교육하기 위한 체계화된 커리큘럼의 개발 및 보급, 육성된 전문 인

력이 다학제간, 산학간 융합 연구 개발을 수행할 수 있는 연구소의 설립

등이 필요함.

- 199 -

1.5 국내외 주요 R&D 정책

1.5.1 미국

o 미국은 2009년 종합세출승인법(Omnibus Appropriations Act)과 경기부양법

(American recovery and investment Act)의 제정으로 향후 10년간 주요 과

학정부기관에 대한 연방투자를 증대하고 특히 기초과학에 대한 투자를 향

후 10년간 2배 증대시킬 계획임. 미국의 미래 융합과학기술 틀의 4대 핵심

축은 나노기술(NT), 바이오 기술(BT), 정보기술(IT), 인지과학기술(CogT)로 선

정하였음.

o NIH RoadMap Nanomedicine Initiative에 의해 나노기술에 기반을 둔 의

학기술의 발전을 위한 미국정부 지원사업이 개시. 2005-2010년 사이의 1단

계로 국가 차원의 network이 8개의 나노의학개발센터 (Nanomedicine

Development Center)가 참여하여 구축. 2단계인 2010-2015년 기간의 정부

지원도 확정된 상태22).

1. GATECH RESEARCH CORP, Nanomedicine Center for Nucleoprotein

2. UCLA, Center for Cell Control

3. UC / LBNL, NDC for the Optical Control of Biological Function

4. BAYLOR COLLEGE, Center for Protein Folding Machinery

5. UIUC (IL) National Center for Design of Biomimetic Nanoconductors

6. UCSF (CA) Cellular Control: Synthetic Signaling and Motility Systems

7. UNIVERSITY OF CINCINNATI, Phi29 DNA-Packaging Motor for

Nanomedicine

8. NEW YORK UNIVERSITY, Nanomedicine Center for Mechanobiology

Directing the Immune Response

o 2006년 4월 국립보건원(NIH) 산하에 NIH-Nanotechnology Task Force를 조

직. 혁신적인 나노기술을 이용한 분자 세포 수준에서의 인간 질환 기작연구

와 같은 기초 연구와 질환 예방, 진단, 치료를 위한 임상연구 및 중개연구를

기획/지원. 같은 NIH 내부의 NIH RoadMap Nanomedicine Initiative, 국립

과학재단(NSF), 에너지부(DOE)의 Nanocenter 등과 유기적인 협력 중.

o 국립암연구원(NCI; National Cancer Institute) 산하에 NCI Alliance for

Nanotechnology in Cancer가 설립되어 민관 공동으로 나노기술을 이용한

암의 조기진단, 치료 및 예방을 위한 기술을 연구 중.

o 국립심장, 허파, 혈액연구원(NHLBI; National Heart Lung and Blood

22) http://commonfund.nih.gov/nanomedicine/index.aspx

- 200 -

Institute) 산하에 Program of Excellence in Nanotechnology가 설립되어

2010-2015년 기간 동안 Emory대, Georgia공대, UC Davis, MIT, 하버드의대,

Mount Sinai, MGH, BWH등의 미국 내 유수의 연구기관이 공동으로 참여하

여 심혈관계, 호흡계, 혈액순환계 질환의 치료에 적용될 수 있는 나노스케일

의 기구 및 물질의 개발을 공동으로 진행 중.

o 국립의과학원(NIGMS; National Institute of General Medical Sceinces)에 의

해 나노기술을 접목한 세포생물학 분야의 단분자 물리생물 및 나노과학

(Single Molecule Biophysics and Nanoscience) 연구 진행 중.

1.5.2 일본

o 일본 정부 지원사업인 Funding Program for World-Leading Innovative

R&D on Science and Technology에 선정되어 2009-2013년의 기간 동안 동

경대 산하 Center for Nanobio Integration 주도로 추진되는 Nanobio First

사업이 추진 중. 본 사업으로 나노기술을 이용하여 암과 같은 난치질환의

조기진단 및 완치를 목표로 연구 수행 중.

o 일본 정부의 신에너지/산업기술총합개발기구(NEDO)의 산업기술연구 조성사

업에서는 바이오/나노포토닉스의 핵심 응용분야의 하나로 세포내 물질이동

을 가시화 할 수 있는 형광 바이오 이미징 분야를 집중 육성23).

1.5.3 유럽

o 나노바이오기술분야는 유럽연합(EU)의 전략적 연구개발 부분. EU의 과학기

술개발은“연구개발의 통합 및 조정”을 목표로 1984년부터 도입된 프레임워

크 프로그램(Framework Program, FP)을 통하여 추진되고 있음. 2007년부터

추진되는 제7차 프로그램 (2007~2013)에서는 나노바이오기술은 9개의 핵심

연구분야 의 하나로 48억 3,200만 유로로 예산 책정 되어 진행 중24).

o 독일 교육연구부의 진흥프로그램은 나노-바이오 기술을 위한 물리학, 생물

학, 화학, 재료공학 등 관련 분야의 다 학제적 연구를 지원하는 데 중점을

두고 2004년부터 2010까지 총 1억 마르크(약 580억원)를 투입25). 구체적인

연구 과제 중 본 과제와 관련이 있는 내용은 다음과 같음.

o

1. 뇌종양 치료를 위한 나노입자 기반 기능체계 (프랑크푸르트대학)

2. 암세포 유형별 열화학치료를 위한 MNC 연구 (MagForce Applications사)

23) http://www.nedo.go.jp/english/activities/nedoprojects/bio.html

24) 나노기술연감 2005 / 2006년 5월 KISTI 발간

25) http://www.ats.go.kr/home.asp

- 201 -

3. 박테리아 막단백질에 근거한 나노 센서 (드레스덴공대)

4. 휴대용 분자결합 분석기기 개발을 위한 나노 차원의 전기측정법 (EBiochip

Systems사)

5. 통합적 세포기반 고속 스크리닝 시스템 (막스플랑크 고분자연구소)

6. 분자적 차원의 단백질 조작을 위한 생화학적 핀셋 (마르부르크대학)

7. blood-liquor barrier(나노구멍)상의 대사물질 및 약물이동 스크리닝을 위한

고속 분석법 (뮌스터대학)

1.6 기술개발 동향

o 최근 10년간 나노, 바이오를 키워드로 한 국제저널 발표논문수는 지수적으

로 급속히 증가했지만 국내 연구자를 포한한 국제저널 발표논문수의 경우

최근 5년을 평균했을 때 6% 정도를 차지한다. Nature, Science (Nature 자

매지 포함) 같은 높은 impact를 가지는 저널의 경우 3%정도를 차지한다

<표 3-3 참조>.

o 최근 10년간 바이오와 이미징을 키워드로 한 국제저널 발표논문수는 비교

적 천천히 증가했지만, 나노, 바이오, 이미징을 키워드로 한 국제저널 발표

논문수는 지수적으로 급속히 증가했다 <표 3-4 참조>.

년도

Keyword : NANO, BIO, (Korea in address)

SCI/SCI-E journals

Nature, Science

Nature, ScienceNature 자매지

2000 766 (13) 15 (0) 18 (0)

2001 990 (18) 17 (0) 22 (0)

2002 1,336 (38) 19 (0) 26 (0)

2003 1,837 (65) 21 (0) 60 (0)

2004 2,652 (76) 12 (0) 39 (0)

2005 4,005 (162) 13 (2) 38 (2)

2006 4,889 (235) 21 (0) 53 (1)

2007 6,343 (289) 26 (0) 99 (5)

2008 8,641 (506) 26 (1) 119 (6)

2009 10,575 (603) 18 (2) 109 (4)

2010 12,247 (688) 31 (1) 132 (2)

<표 3-3> 최근 10년간 국제저널에 발표된 나노, 바이오 관련 논문 편수 (Thomson Reuters의 Web of Science DB 사용)

그림 3-6 최근 10년간 나노, 바이

오를 키워드로 한 국제저널 발표논

문수 (상)와 국내 연구자를 포함한

국제저널 발표논문수(하)

- 202 -

년도

SCI/SCI-E journals

bio, imaging

bio, imaging, nano(Korea in address)

2000 1,852 42 (1)

2001 2,000 44 (1)

2002 2,112 80 (0)

2003 2,656 110 (1)

2004 2,672 151 (0)

2005 3,614 253 (6)

2006 3,737 330 (11)

2007 4,484 482 (24)

2008 5,870 728 (53)

2009 6,456 936 (67)

2010 7,011 1,187 (75)

<표 3-4>최근 10년간 국제저널에 발표된 나노, 바이오, 이미징 관련 논문 편수 (Thomson Reuters의 Web of Science DB 사용)

그림 3-7 나노, 바이오, 이미징을 키워드

로 한 국제저널 발표논문수

1.6.1. 나노 포토닉스 기반 생체 이미징 기술 개발 동향

o 생체 이미징 기술은 최근 10년간 미국 주요 연구 기관을 중심으로 집중적

으로 투자&연구 되고 있으며, 기초 연구와 생물/의학 분야의 응용을 동시에

목표로 하는 주제로 다양한 연구결과가 발표 되고 있음.

- 미국 Washington University의 Lihong Wang 그룹은 photo acoustic

microscopy를 개발하여 고해상도 비침습 혈관 영상화 기술 발표 함. 미국

Stanford university의 Mark Schnitzerr그룹은 microendoscopy 기술을 사

용하여 신경과학 연구를 위한 영상화 기술 Nature (2007), Neuron(2009)

등에 발표. 미국 Harvard University에서는 레이블을 사용하지 않고 선택

적 생화학 이미징이 가능한 Coherent Raman microscopy 기술 개발을 바

탕으로 다양한 생물학 문제에 접근하여 Science (2008), Science (2010),

Nature Photonics (2011)등에 발표 함. (그림3-8 참조)

a b c

그림 3-8 실시간 비침습 생체 이미징 최근 기술 개발 내용

- 203 -

o 근접장을 사용한 고해상도 나노생체 이미징 기술은 NSOM (near field

scanning optical microscopy)를 시용한 연구가 주류이며, 초고해상도 실시

간 바이오 이미징 실현을 위한 창의적인 연구가 활발히 진행되고 있음.

미국 HHMI의 Betzig에 의해 NSOM 기술이 개발 되면서 (Science, 1992년)

최근 10년 간 다양한 BT 연구에 NSOM 기술이 적용되고 있음 (그림3-9 참

조).

(a) (b) (c) (d)

그림 3-9 (a) NSOM을 사용한 바이오 이미징 기술의 개념도 (출처: olympus

microscopy) (b) NSOM을 사용한 dual color 발광 이미징. 스케일 바 1 um. (c)

NSOM을 사용한 spectroscopy (d) NSOM을 사용한 반사 산란 이미징 (출처: Science

1992).

- 이탈리아 Fabrizio 그룹 Surface plasmon polariton을 이용하여 대상의 나

노스케일 지형정보와 동시에 화학적 구조정보를 동시에 이미징하는 기술

개발하여 Nature Nanotechnology(2009년) 지에 발표(그림3-10a 참조).

- 스페인 그룹 나노 안테나를 이용하여 단분자의 형광을 이미징하는 기술을

개발하여 Nature Photonics (2008년)지에 발표(그림3-10b 참조).

그림 3-10 NSOM 기술을 위한 나노탐침의 예

o 근접장 및 나노 포토닉스 구조를 이용한 sub-wavelength 이미징 분야에서

는 빛의 회절 한계보다 작은 이미징을 위해 음굴절률을 가지는 인공적인

구조(meta-material)를 개발하는 데에 초점 (그림3-11 참조).

- 영국 John Pendry에 의해 이론적으로 제안된 후 (Physical Review Letters,

2000), Parazolli와 동료들에 의해 첫 음굴절 렌즈가 실험적으로 보임

(Applied Physics Letters, 2004). 그 후 미국 berkeley 대학의 Xiang

- 204 -

Zhang 그룹에 의해 다양한 응용 기술과 가능 주파수 범위의 확대 등

super lens에 대한 기술이 발전.(Nature Materials, 2009).

그림 3-11 (a) 근접장을 나노 구조물을 통해 원거리로

이미징 하는 원리 (b) 근접장을 사용하지 않은 영상

(위) 보다 근접장을 사용한 경우 (아래) 공간 해상도가

더 뛰어남. (출처: Nature, 2009).

o 생체 물질 표적 영상화 기술 부분에서는 immunofluorescent, 양자점, 형광

단백질을 사용한 생체 내 분자의 선택적 영상화 기술 분야가 압도적임(그림

3-12 참조).

그림 3-12 (왼쪽) 양자점, 형광 단백질을 사용한 다양한 생물학적 대상 선

택적 영상화 (출처: Science, 2006). (오른쪽) 여러 형광 단백질을 주입함으

로서 다양한 색의 신경세포를 가진 쥐의 뇌 조직의 형광 이미지 (출처:

harvard medical school)

- 형광 단백질은 1962년 일본의 시모무라 오사무에 의해서 처음 발견. 이후

살아있는 세포내의 단백질을 선택적으로 발광시켜주는 형광 단백질 기술

은 생물학 의학 전 분야에 큰 파급 효과가 있음으로써, 2008년 노벨 화학

상이 수여.

- 형광 단백질을 기반으로 한 다양한 응용 기술들이 나노바이오 포토닉스

분야에서 개발 되었다 (그림 3-13 참고). 그 중 두 형광 단백질 간 에너지

전달을 사용하여, 거리를 nm 스케일로 매우 정밀하게 측정할 수 있는

- 205 -

FRET (Förster resonance energy transfer) 기술의 개발로 단 분자 수준에

서 다양한 생물학적 기제가 규명.

- KAIST 물리학과 윤태영 교수 팀은 단분자 FRET 기법을 사용하여 세포막

내 Synaptotagmin 단백질이 세포간 융합에 작용하는 기작을 규명하여

2010년 Science지에 발표.

그림 3-13 형광 단백질을 기반으로한 다양한 생물학적 영상화 기법 (출처: Science, 2006)

o 포토닉스 기술 이용 생체 세포 연구 응용 분야는 회절 한계보다 작은 크기

로 빛을 입사시키는 기술 개발에 집중 됨.

- 독일 Max Plank 연구소의 Stephen Hell 그룹은 수 십 nm 크기를 가지는

영역을 선택적으로 여기 시키는 기술을 개발 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA

97(15): 8206-8210, 2000). 빛으로 형광 단백질은 우선 여기 시킨 후, 주변

형광 단백질이 형광을 내기 전에 stimulated emission depletion 원리를

사용하여 형광을 제어하는 기술. 이 기술은 Leica 사에 의해서 최근 상용

화 되었으며, 최근 다양한 바이오 분야에 성공적으로 응용 (그림3-14 참

조).

- 206 -

그림 3-14 STED(Stimulated emission depletion) 기법을 사용한 생체 단백질의

nano illumination. (a) Stimulated emission depletion microscope의 원리. (b-c). (출

처: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000).

- 미국 HHMI의 Gustafsson 그룹은 매우 작은 크기의 서로 다른 패턴이 간

섭할 때 생기는 Moire 현상을 이용하여, 빛의 회절 한계보다 작은 크기를

가지는 structured illumination 기술을 바탕으로, 회절 한계보다 작은 영

역에서 형광 단백질을 여기 시키는 Structured Illumination Microscopy

(SIM)을 개발. SIM 기술을 사용하여 세포핵 막의 nuclear pore complex의

3차원 이미징을 초고해상도로 영상화 하는데 성공하여 2008년 Science지

에 발표(그림 3-15 참조).

그림 3-15 Structured illumiation microscopy의 원리와 이를 통한 nano illumination의 예.

(출처: HHMI)

o 형광단백질은 일정 시간 (약 수 분) 이상 형광 후 더 이상 빛을 내지 못하

는 photo-bleaching이라는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위

한 대안으로 양자점 (Quantum dot, QD)를 사용한 생물 분자의 선택적 영

상화 기법이 개발. in-vitro 생체 세포 영상화 기술은 최근 10년 간 급속히

발전.

- 207 -

- MIT 화학과의 Bawendi 그룹에서 양자점을 효과적으로 생산하는 기술을

개발한 이후 양자점 기술이 폭발적으로 발전 (J. Am. Chem. Soc. 1993;

그림3-16 왼쪽 참고)

- MIT 화학과 Alice Ting 그룹은 양자점과 형광 단백질을 사용한 세포내

FRET 기술을 발표(J Am Chem Soc. 2008; 그림3-16 오른쪽 참고)

- 베스 이스라엘 의학 센터의 Frangioni 그룹에서 적외석 영역에서 여기 되

는 QD를 사용하여 림프암 조직을 광학적으로 이미징하는데 성공하여

2004년 Nature Biotechnology에 발표(그림3-17 왼쪽 참고).

- 하버드 의대의 Rakesh Jain 그룹은 QD를 사용하여 마우스의 뇌 혈관 이

미징 연구를 2006년 Cancer Research에 발표(그림3-17 오른쪽 참고).

그림 3-16 (왼쪽) 생체 세표 영상화를 위한 유기물로 코팅된 양자점의 구조.

(오른쪽) 양자점과 형광 단백질의 사용해 세포내 FRET 기법을 통한 in-vitro 이

미징 기법.

그림 3-17 양자점을 사용한 생물학적 이미징 기술 개발 동향

- 208 -

o 단분자 흡수를 이용한 비형광 단분자 이미징 기술이 네델란드(Orrit 그룹;

Leiden U), 미국(Xie 그룹; Harvard U), 스위스(Sandoghdar 그룹;ETH Zurich)

의 3개의 그룹에서 발표됨 (2010년). a 흡수률을 직접적으로 측정, b 열에

의한 부분적인 굴절율의 변화를 측정, c modulation beam에 의한 ground

state의 depleting에 의한 흡수 변화 측정 (그림3-18참조).

그림 3-18 단분자 흡수를 이용한 이미징 기술 방식 a 흡수률을 직접적으

로 측정, b 열에 의한 부분적인 굴절율의 변화를 측정, c modulation beam에 의한 ground state의 depleting에 의한 흡수

변화 측정.

1.6.2. 나노 포토닉스 기반 생체 물질 감지 기술 개발 동향

o zero-mode waveguide 같은 나노구조를 사용한 나노바이오 감지 기술을 적

용한 대표적인 성공 사례로 Pacific Biosciences, Inc.를 들 수 있음. 생체분자

를 단일 분자 분해능으로 실시간 분석하는 기술 (SMRT)을 보유. 이 기술은

15분 내 인간의 30억 염기쌍을 시퀀싱 할 수 있는 기술로 3세대 게놈 시퀀

서로 알려져 있음. 이 기술은 2세대 게놈 시퀀서보다 20,000배 빠르면서 가

격은 게놈당 $100정도의 극단적 경제적인 기술임. 2010년 상장되기 전에

이미 3억7000만 달러의 투자 자금이 모일 정도로 유망한 기술. 게놈 시퀀

서 분야 10대 기업 중 하나이고, MIT Technology Review의 2011년 혁신적

인 회사 50에 선정됨.

- Pacific Biosciences, Inc.의 Turner 그룹은 zero-mode waveguide를 이용하

여 DNA 염기서열을 고속으로 측정할 수 있는 3세대 염기서열 분석 기술

- 209 -

을 개발하여 PNAS (2008년)지에 발표(그림3-19a 참조).

- Turner 그룹(Pacific biosciences Inc)과 Puglisi 그룹(Stanford U)은

zero-mode waveguide를 이용하여 ribosome으로부터 단백질이 형성되는

과정을 단일 codon 분해능으로 실시간 측정하는 기술을 Nature (2010년)

지에 발표(그림3-19b 참조).

그림 3-19 zero-mode waveguide 나노구조를 사용한 나노

바이오 감지 기술의 예

o On-chip, sub-wavelength 광 집속 기반 고감도 센서 기술은 주로 surface

plasmon resonance (SPR) 현상에 의해서 매우 높은 세기로 집속된 광학장

을 이용하여 극소량의 분자를 광학적으로 측정하는 기술 개발을 위주로 연

구 중.

- 일본 Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)에서는

국소 표면 플라즈몬 공진 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)

을 사용한 미량 생체분자 검측을 위해, 나노입자로 구성된 반응면을 병렬

로 구성한 on-chip 형태의 광학 센서 개발(그림3-20참조)

그림 3-20 국소 표면 플라즈몬 공진 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)

을 사용한 미량 생체분자 검측 센서. (위) LSPR을 일으킬 수 있는 나노 입자를 칩위

에 사용한 검측 센서 (아래) 다양한 면역 반응 관련 생체 분자를 극소량 농도 (1

fg/ml ) 에서도 측정 가능한 장비 (출처: Anal. Chem., 2006)

- 미국 Northewestern 대학의 Van Duyne 그룹에서는 나노입자로 구성된

반응 면을 쥐의 피부에 이식함으로서 SERS를 이용한 in-vivo 혈당 측정

장치를 개발(그림3-21 참조).

- 210 -

그림 3-21 in vivo 용 표면 증폭 공진 분광(surface

enhanced raman spectroscopy, SERS) 기술을 사용한 혈당

량 측정 기술을 위한 장비. (출처: Stuart et al., Anal.

Chem., 2006)

o 미국 워싱턴 대학 Ultrahigh Q microresonator의 mode splitting을 이용 단

일 나노입자를 측정 및 사이징 할 수 있는 On-Chip detection 개발하여

Nature Photonics (2010년)지에 발표함(그림3-22 참조).

그림 3-22 Ultrahigh Q microresonator의 mode splitting을 이용 단일 나노입자

를 측정 및 사이징 할 수 있는 On-Chip 센서

1.6.3. 나노 포토닉스 기반 생체 물질 광 조작 기술 개발 동향

o Optical tweezers 기술을 통한 생체분자 및 입자 조작 기술은 광학적으로

포획된 작은 bead 등에 생물학적 단백질, 핵산 등을 부착하고, 생체분자 등

이 다양한 생리학적 환경에서 주변에 작용하는 힘이나, 움직임을 pN, nm

정밀도로 측정함으로서 생체 분자의 기작을 규명하는데 초점.

- Stanford 대학의 Steven block 그룹은 DNA 구조에 부착된 두 개의

beads를 광학적으로 포획함으로써, DNA 위해서 작동하는 riboswitch 단

백질의 mechanism을 규명 (Science, 2008; 그림3-23a 참조). 또한

microtubule 위를 이동하는 kinesine 단백질에 부착된 bead를 역시 광학

적으로 포획함으로서, kinesine-microtubule 사이의 생체역학적 관계 규명

(Nature, 2009; 그림3-23b 참조)

- 최근 동 그룹에서는 광학적으로 포획된 bead 양쪽에 발광분자를 부착함

- 211 -

으로써, 생체 분자의 위치뿐만 아니라 회전 상태 까지 정확히 측정 가능

한 기술을 개발. (PNAS, 2009; 그림23c 참조)

그림 3-23 (a) 광학적으로 포획된 두 개의 bead를 사용하여 riboswitch aptamer 생물학적

기작 규명 (Greenleaf et al., Science, 2008) (b) 광학적으로 포획된 bead에 붙어 있는

kinesine의 biomechanical 기작 규명(Guydosh et al., Nature, 2009) (c) 광학적으로 포획된

bead 양쪽에 발광체를 부착함으로써 bead의 회전 측정 (Gutiérrez-Medina et al., PNAS,

2009)

- 광학적 힘을 사용하여 작은 입자의 3차원 위치의 제어와 측정을 기반으

로 하는 photonic force microscopy 기술은 독일 European Molecular

Biology Laboratory을 중심으로 연구 개발이 이루어져 왔음. 최근에는

photonic force microscopy를 이용하여 다양한 생물학 세포 활동과 관계

된 미소 힘과 주면 점성 등을 광학적으로 측정하는 연구가 진행되고 있

음. (Kress et al., PNAS, 2007; 그림3-24 참조).

(a) (b) (c)

그림 3-24 Photonic Force Microscopy 기술 개발 동향. (a) Photonic force microscopy의 원리. (b) 독일 European Molecular Biology Laboratory에서 사용하는 photonic force microscopy 실험 장비. (c) 세포 분열시 방추사의 역할을 규명하기 위해 photonics microscopy를 사용하는 예. - 영국 U Manchester 물리학과에서 바닥의 나노구조를 이용한 광학집게를

개발하여 2008년 Nature Photonics지에 발표함 (그림3-25a 참조).

- 미국 Erickson 그룹(Cornell U) sub-wavelength slot waveguides를 이용

나노입자와 생체단분자들을 광학적으로 조정하는 기술을 개발하여 2009

년 Nature지에 발표함(그림3-25b 참조).

- 212 -

- 미국 Arnold 그룹(Princeton U) Optical tweezer를 이용하여

sub-wavelength nanopattering 기술을 개발하여 2008년 Nature

Nanotechnology지에 발표함(그림3-25c 참조).

그림 3-25 나노-포토닉스 기술을 이용한 조작 기술의 예

2. 기술의 구조

2.1 기술 체계도

o 대분류 (총괄과제명): 인간 질병 극복을 위한 생체 나노 포토닉스 제어 기술

o 중분류(세부과제명)

제 1 세부과제: 질병 규명을 위한 초고속 초해상도 나노 포토닉스 영상 기술

제 2 세부과제: 질병 진단을 위한 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

제 3 세부과제: 질병 치료를 위한 초정밀 생체 단일 분자 광조작 기술

o 세부기술 (세부과제 목표달성에 필요한 기술)

n 제 1 세부과제: 질병 규명을 위한 초고속 초해상도 나노 포토닉스 영상 기술

o 생체 적용 탐침주사 및 광자힘 영상 기반 기술

o 탐침주사 및 광자힘 현미경을 이용한 생체 지형정보 영상 기술

o 나노 매체 기반 비선형 광학 영상 기반 기술

o 나노 매체 기반 비선형 광기술을 이용한 비형광 생체 단분자 영상기술

- 213 -

기술명칭중 요 도가 중 치

현재기술수준주요시장요구사항

미래기술수준국내 벤치마크

세계최고

주요기술발전요인

제1 세부: 질병

초 고 해 상 도 영 상

기 술 을 3 0 6 0

L ih o n g W an g 그 룹 (W a sh in g to n U n iv .)

E r ic B e tz ig 8 0

-고 속 의 실 시 간 형 광 영 상 획 득기 술 개 발 - 분 자 특 이 형 광 신 호 의 분 석을 통 한 진 단 기 술

100

o 나노 포토닉스 구조를 이용한 초고해상도 영상 기반 기술

o 초고해상도 영상 기술을 이용한 생체 분자들의 선택적 측정 기술

n 제 2 세부과제: 질병 진단을 위한 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

o 나노 포토닉스를 이용한 형광체 광특성 개선

o 나노 포토닉스 구조가 적용된 형광체를 이용한 단일 생체 분자 간 상호작

용 감지 기술

o 생체 적합 다기능 나노 포토닉스 입자 개발

o 다기능 나노 포토닉스 입자를 이용한 단일 생체 분자간 상호작용 감지 기

술

n 제 3 세부과제: 질병 치료를 위한 초정밀 생체 단일 분자 광조작 기술

o 국소장을 이용한 나노 on-chip 광집게 조작 기반 기술

o 나노 on-chip 광집게 기술을 이용한 생체 분자 조작 기술

o 광집속 광자힘 생체 분자 초정밀 조작 기술

o 생체 적용 광집속 광자힘 조작 기반 기술

n 제 1, 2, 3 세부과제 융합을 통한 나노포토닉스 제어 활용 기술

o 영상, 감지, 조작 기능을 동시에 갖춘 복합기능 탐침주사 및 광자힘 나노 제

어 시스템 개발 (제 1, 2, 3 세부과제 용합 연구)

o 나노포토닉스 제어 기술을 이용한 단일 분자 수준의 인간 질병 기작 분석

연구 (제 1, 2, 3 세부과제 용합 연구)

o 질병 진단을 위한 실시간 비침습 생체 정보 수집 및 초고속 나노 포토닉스

영상 기술 개발 (제 1, 2 세부과제 용합 연구)

o 나노 포토닉스 제어 기술을 통한 분자 수준의 초정밀 치료 물질 전달 연구

(제 2, 3 세부과제 용합 연구)

2.2. 기술수준 및 도전과제

o 기술수준

- 214 -

규명을 위한

초고속 초해상

도 나노

포토닉스

영상 기술

이 용 한 생 체

분 자 들 의 선 택 적

측 정 기 술

( Ja n e lia Fa rm , H H M I)

- 고 성 능 나 노 포 토 닉 스 광 원 의 개 발 - 나 노 포 토 닉 스 기 반 분 광 분석 기 술 의 개 발- 분 자 특 이 나 노 포 토 닉 스 입자 기 술

나 노 포 토 닉 스 구 조 를 이 용 한

초 고 해 상 도 영 상 기 반

기 술

4 0 5 0M a rk S ch n itze r 그 룹 (S ta n fo rd

U n iv .)7 0

- 생 체 조 직 의 손 상 을 최 소 화하 는 비 침 습 기 술 (내 시 경 화 )- 생 체 조 직 으 로 의 결 합 가 능 나 노 포 토 닉 스 소 자 기 술

100

- 초 소 형 생 체 적 합 성 나 노 포토 닉 스 소 자 의 개 발 - 고 효 율 나 노 포 토 닉 스 수 광 기 술 의 개 발

나 노 매 체 기 반

비 선 형 광 학 영 상 및 생 체 단 분 자

영 상 기 술

3 0 5 0Su n n y X ie 그 룹 (H a rv a rd U n iv .)

7 0

- 비 선 형 광 학 기 반 세 포 내 재 분 자 특 이 영 상 기 술- 고 감 도 실 시 간 영 상 획 득 기술

1 0 0- 새 로 운 광 대 역 초 고 속 펄 스 나 노 포 토 닉 스 광 원 의 개 발 - 나 노 포 토 닉 스 메 타 물 질 렌즈 의 개 발

생 체 적 용 탐 침 주 사 영 상 기 반

기 술

50 3 0

E ric B e tz ig 그 룹(Jan e lia F a rm ,

H H M I)90

- 고 집 광 성 SPM- 고 속 SPM

100- 초 고 해 상 도 바 이 오 /나 노 시 편 이 미 징

광 자 힘 현 미 경 을 이 용 한 생 체

지 형 정 보 영 상 기 술

20 1 0

E rn st H . K . S te lze r

그 룹 (Eu ro p ea n M o le cu la r B io lo g y

La b o ra to ry )

7 0

- 안 정 적 인 PFM- 고 분 해 능 PFM

100- FR ET 적 용- M o le cu la r fo rce 적 용

제2 세부: 질병

진단을 위한

초고감도

나노 포토닉

스 감지 기술

생 체 적 합 다 기 능 나 노

포 토 닉 스 입 자 개 발

2 0 5 0R o g e r T s ie n 그 룹

(U C S D , H H M I)9 5

- lo w P h o to -b le a ch in g-Lo w P h o to - to x ic ity -B io co m p a tib ility

1 0 0-형 광 체 /형 광 단 백 질 의 형 광 특 성 개 선 기 술-광 자 점 의 생 체 내 독 성 문 제 해 결

형 광 체 를 이 용 한

단 일 생 체 분 자 간

상 호 작 용 감 지 기 술

3 0 6 5T a k jip H a 그 룹 (U IU C , H H M I)

8 0

-단 분 자 3차 원 위 치 의 초 정 밀 측 정-FR E T 사 용 질 병 관 련 단 백 질 기 작 연 구

100-FR E T 단 분 자 의 p h o to b le a ch in g 개 선 기 술-생 체 막 또 는 생 체 단 백 질 의 FR ET연 구 기 술

나 노 포 토 닉 스 를

3 0 4 0Z h ao w e i

Z h an g 그 룹 70 - Lo w P h o to -b le a ch in g

Lo w P h o to - to x ic ity 1 0 0

- 215 -

이 용 한 형 광 체 광 특 성 개 선

(H a rv a rd )

B io -co m p a tib ility

-초 고 해 상 도 용 생 체 용 발 광 체 개 발 기 술

다 기 능 나 노

포 토 닉 스 입 자 를 이 용 한



30 4 0M o n ji B aw en d i

그 룹(M IT )

90

- 다 기 능 나 노 포 토 닉 스 입 자 개 발

1 00-생 체 내 저 독 성 , 고 형 광 특성 을 가 진 새 로 운 발 광 물 질 개 발 기 술

나 노 포 토 닉 스 구 조 가 적 용 된

형 광 체 를 이 용 한



30 1 0Pa c if ic

B io sc ien ce s90

- 나 노 구 조 제 작 의 간 소 화- 국 소 광 라 이 브 셀 이 미 징

100- 방 출 신 호 의 향 상- 형 광 분 자 광 학 특 성 조 절- 나 노 입 자 국 소 광 이 미 징

제3 세부: 질병

치료를 위한

초정밀 생체 단일 분자

광조작 기술

나 노 o n -ch ip 광 집 게 기 술 을 이 용 한

생 체 분 자 조 작 기 술

30 1 0

D av id E r ick so n Lab

(C o rn e ll U n iv e rs ity )

7 0

- 광 포 획 을 위 한 나 노 구 조 개 발- 나 노 제 어 를 통 한 바 이 오 연 구 에 응 용

100- 병 렬 나 노 광 포 획 구 조 개 발- 공 극 cav ity를 이 용 한 광 포 획 구 조 개 발

광 집 속 광 자 힘

생 체 분 자 초 정 밀

조 작 기 술

2 0 4 0S te v e n M . B lo c k , 그 룹 (S ta n fo rd )

8 5

- 광 학 집 게 집 적 화- 광 학 집 게 를 사 용 한 나 노 미 터 크 기 의 시 편 조 절

100- 미 소 유 체 소 자 기 술- 광 학 설 계 기 술- 정 밀 레 이 저 광 학 기 술

국 소 장 을 이 용 한 광 집 속 기 술

5 0 2 0R ich a rd P . V an

D u yn e 그 룹(N o rth w e s te rn )

8 5

- 단 분 자 고 감 도 sen s in g

1 0 0- Su r fa c e P la sm o n P o la r ito n 을 통 한 광 집 속 기 술- 분 광 학 기 술

o 도전 과제

o 본 연구는 인간 질병의 규명, 진단, 치료를 획기적으로 향상시키기 위한 나

- 216 -

노 포토닉스 융합 기술 개발을 위한 것으로서, 광학 또는 나노 재료를 독립

적으로 사용하던 기존 생물-의료용 기술의 한계를 돌파하기 위한 나노 포토

닉스의 창조적 융합 신기술을 개발하는 것을 목적으로 한다.

o 본 질병 극복을 위한 나노 포토닉스 제어 기술은 기존 바이오 산업에 가져

올 임팩트가 매우 클 것으로 기대된다. 본 연구를 통하여 기존의 기술이 가

지고 있는 속도, 해상도, 감도, 정밀성 등의 물리적 한계를 뛰어 넘는 신개

념의 나노 포토닉스 기반의 초고속 초고해상도 영상 기술, 초고감도 감지

기술, 초정밀 생체 단일 분자 조작 기술을 개발하고자 한다.

o 각 세부 분야가 독립적인 단위 기술 개발이 아닌 유기적인 융합 관계로 상

호 연계되도록 함으로써 다음과 같은 도전적이고도 융합적인 나노 바이오

포토닉스 활용 기술을 개발할 수 있도록 한다.

- 영상, 감지, 조작 기능을 동시에 갖춘 복합기능 탐침주사 및 광자힘 나노

제어 시스템 개발.

- 나노포토닉스 제어 기술을 이용한 단일 분자 수준의 인간 질병 기작 분석

연구.

- 질병 진단을 위한 실시간 비침습 생체 정보 수집 및 초고속 나노 포토닉

스 영상 기술 개발.

- 나노 포토닉스 제어 기술을 통한 분자 수준의 초정밀 치료 물질 전달 연

구.

- 217 -

목 표

• 총 괄 목 표 (202 1 )

인 간 질 병 극 복 을 위 해 나 노 포 토 닉 스 기 술 을 기 반 으 로 질 병 의 원 인 규명 , 정 확 한 진 단 , 효 과 적 인 치 료 를 위 한 초 고 속 , 초 해 상 도 , 초 고 감 도 , 초정 밀 의 나 노 바 이 오 포 토 닉 스 기 술 들 을 구 현 하 여 , 나 노 바 이 오 기 술 을 이 용한 의 료 기 술 시 장 을 개 척 하 기 위 한 핵 심 응 용 기 술 을 확 보 한 다 .

• 단 계 별 세 부 목 표 목 표 연 구 개 발 내 용 과 범 위

1 단 계(201 2 -20 14 )

생 체 나 노 포 토 닉 스 제 어 기 반 기 술 개 발

o 제 1세 부 과 제 :Ÿ 생 체 적 용 탐 침 주 사 및 광 자 힘 영 상 기 반 기 술Ÿ 나 노 매 체 기 반 비 선 형 광 학 영 상 기 반 기 술Ÿ 나 노 포 토 닉 스 구 조 를 이 용 한 초 고 해 상 도 영 상 기

반 기 술o 제 2세 부 과 제 :Ÿ 나 노 포 토 닉 스 를 이 용 한 형 광 체 광 특 성 개 선Ÿ 생 체 적 합 다 기 능 나 노 포 토 닉 스 입 자 개 발o 제 3세 부 과 제 :Ÿ 국 소 장 을 이 용 한 나 노 on-ch ip 광 집 게 조 작 기 반

기 술Ÿ 생 체 적 용 광 집 속 광 자 힘 조 작 기 반 기 술

2 단 계(201 5 -20 17 )

생 체 유 사 환 경 에 서 나 노 포 토 닉 스 제 어

기 술 개 발

o 제 1세 부 과 제 :Ÿ 탐 침 주 사 및 광 자 힘 현 미 경 을 이 용 한 생 체 지 형 정

보 영 상 기 술Ÿ 나 노 매 체 기 반 비 선 형 광 기 술 을 이 용 한 비 형 광 생

체 단 분 자 영 상 기 술Ÿ 초 고 해 상 도 영 상 기 술 을 이 용 한 생 체 분 자 들 의 선

택 적 측 정 기 술o 제 2세 부 과 제 :Ÿ 나 노 포 토 닉 스 구 조 가 적 용 된 형 광 체 를 이 용 한 단

일 생 체 분 자 간 상 호 작 용 감 지 기 술Ÿ 다 기 능 나 노 포 토 닉 스 입 자 를 이 용 한 단 일 생 체 분

자 간 상 호 작 용 감 지 기 술o 제 3세 부 과 제 :Ÿ 나 노 on-ch ip 광 집 게 기 술 을 이 용 한 생 체 분 자 조

작 기 술Ÿ 광 집 속 광 자 힘 생 체 분 자 초 정 밀 조 작 기 술

3 단 계(201 8 -20 21 )

생 체 적 용 나 노 포 토 닉 스 제 어 활 용

기 술 개 발

Ÿ 영 상 , 감 지 , 조 작 기 능 을 동 시 에 갖 춘 복 합 기 능 탐침 주 사 및 광 자 힘 나 노 제 어 시 스 템 개 발 (제 1 , 2 , 3 세 부 과 제 용 합 연 구 )

표 3-6 총괄목표 및 단계별 세부목표

3. R&D 추진전략 및 내용


o 기술개발의 단계별 및 총괄 목표

- 218 -

Ÿ 나 노 포 토 닉 스 제 어 기 술 을 이 용 한 단 일 분 자 수 준의 인 간 질 병 기 작 분 석 연 구 (제 1 , 2 , 3 세 부 과 제 용 합 연 구 )

Ÿ 질 병 진 단 을 위 한 실 시 간 비 침 습 생 체 정 보 수 집 및 초 고 속 나 노 포 토 닉 스 영 상 기 술 개 발 (제 1 , 2 세 부 과 제 용 합 연 구 )

Ÿ 나 노 포 토 닉 스 제 어 기 술 을 통 한 분 자 수 준 의 초 정밀 치 료 물 질 전 달 연 구 (제 2 , 3 세 부 과 제 용 합 연구 )

연 구 목 표 의 수 준예 상 되 는 세 계

최 고 수 준

세 계 최 고 수 준

대 비 국 내 수 준

연 구 목 표 의 설 정 근 거

총 괄 목 표(2012 -2021 )

1단 계 목 표(2012 -201 4 )

생 체 나 노 포 토 닉 스 제 어

기 반 기 술 개 발

▷ 제 1 세 부 과 제 : 질 병 규 명 을 위 한 초 고 속 초 해 상 도 나 노 포 토 닉 스 영 상 기 술

- 탐 침 주 사 및 광 자 힘 양 상 기 술(광 자 힘 ) 수 평 분 해 능 : <50 nm 수 직 분 해 능 : <50 nm p robe s ize : < 5 μm * 액 상 기 준(탐 침 주 사 ) 수 평 분 해 능 : <30 nm* 액 상 기 준

- 비 선 형 광 학 영 상 기 술(분 해 능 ) 수 평 분 해 능 : <λ/2 수 직 분 해 능 : <λ(감 도 ) 단 일 분 자 수 준

- 초 고 해 상 도 영 상 기 술 해 상 도 : 수 평 분 해 능 : <λ/50 수 직 분 해 능 : <λ/20

- 탐 침 주 사 및 광 자 힘 양 상 기 술(광 자 힘 ) 수 평 분 해 능 : < 30 nm 수 직 분 해 능 : < 30 nm p robe s ize : < 1 μm * 액 상 기 준(탐 침 주 사 ) 수 평 분 해 능 : < 30 nm * 액 상 기 준

- 비 선 형 광 학 영 상 기 술(분 해 능 ) 수 평 분 해 능 : < λ/2 수 직 분 해 능 : < λ(감 도 ) 단 일 분 자 수 준

- 초 고 해 상 도 영 상 기 술 해 상 도 : 수 평 분 해 능 : < λ/50 수 직 분 해 능 : < λ/20

90%

-단 분 자 수 준 의 초 고 분 해 능 의 영 상 을 얻 기 위 해 수 십 나 노미 터 정 도 의 영 상 해 상 도 가 필 요 함 .

-나 노 포 토 닉 스 에 기 반 한 다 기능 고 효 율 광 자 재 료 기 술 과 나 노 구 조 메 타 물 질 및 새 로운 플 라 스 모 닉 신 호 에 기 반한 신 호 세 기 증 대 및 각 종 소 자 기 술 의 개 선 으 로 영 상해 상 도 향 상 , 생 체 영 상 프 로브 의 극 소 화 를 구 현 할 수 있 음 .

- 나 노 포 토 닉 스 기 술 을 이 용 , 분 해 능 및 감 도 의 기 존 광학 기 술 의 물 리 적 한 계 극복 을 목 표 로 제 시 함 .

▷ 제 2 세 부 과 제 : 질 병 진 단 을 위 한 초 고 감 도 나 노 포 토 닉 스 감 지 기 술

- 나 노 포 토 닉 스 적 용 형 광체 특 성 개 선 형 광 체 안 정 성 : 현 최 고 기 술 대 비 >2-3x Pho to b link ing : <3-5% 형 광 효 율 : 기 존 대 비 10%향 상

- 나 노 포 토 닉 스 적 용 형 광체 특 성 개 선 형 광 체 안 정 성 : 현 최 고 기 술 대 비 >5x Pho to b link ing : < 3% 형 광 효 율 : 기 존 대 비 10%향 상

90%

- 현 재 일 반 적 인 형 광 체 기술 수 준 은 , 형 광 안 정 성 기준 2-3 m in @ 100 μW /cm 2 , 형 광 효 율 은 60% (eG FP , 액 상 기 준 ).

- 나 노 포 토 닉 스 기 술 을 도 입

표 7 연구개발 목표 설정의 근거

- 219 -

- 나 노 입 자 광 특 성 세 포 내 전 달 효 율 : >80% 생 체 내 안 정 성 : >95% 근 접 장 증 폭 율 : >100배

- 나 노 입 자 광 특 성 세 포 내 전 달 효 율 : > 80% 생 체 내 안 정 성 : > 95% 근 접 장 증 폭 율 : > 200배

할 경 우 , 플 라 스 모 닉 현 상 에 의 해 형 광 체 특 성 의 개 선 이 가 능 함 .

- 생 체 내 안 정 성 은 나 노 입

자 세 포 주 입 후 10 h 이 내 생 존 비 율

- 세 포 내 전 달 효 율 은 표 면 처리 와 크 기 의 영 항 을 받 으 나 , 기 존 기 술 과 동 등 한 수 준 을 달 성 하 는 것 을 목 표 로 함 .

▷ 제 3 세 부 과 제 : 질 병 치 료 를 위 한 초 정 밀 생 체 단 일 분 자 광 조 작 기 술

- 광조작 정밀도: < 1 nm

- 광조작 대상 물질 크기: 500 nm 이하

- 광자 힘 세기 범위:0.1 pN ~ 100 pN

- 광조작 정밀도: < 0.1 nm


- 광자 힘 세기 범위:0.1 pN ~ 100 pN 80%

- 단 일 생 체 분 자 를 액 상 에 서 조 작 하 기 위 한 연 구 목 표 설 정 . (대 표 적 인 생 체 분 자인 D NA base pa ir 사 이 거리 가 0 .3 nm 임 을 고 려 ).

-광 학 집 게 의 포 획 력 범 위 안에 서 분 자 결 합 력 등 의 연 구가 필 요 함 .

-광 조 작 정 밀 도 는 Brow n ian 운 동 을 최 소 화 시 킬 경 우 .

-해 상 도 향 상 을 위 해 나 노 크기 의 입 자 를 프 로 브 로 사 용할 필 요 가 있 음 .

2단 계 목 표(2015 -201 7 )

생 체 유 사 환 경 에 서 나 노 포 토 닉 스 제 어

기 술 개 발

▷ 제 1 세 부 과 제 : 질 병 규 명 을 위 한 초 고 속 초 해 상 도 나 노 포 토 닉 스 영 상 기 술

- 탐 침 주 사 및 광 자 힘 양 상 기 술(광 자 힘 ) 수 평 분 해 능 : <20 nm 수 직 분 해 능 : <20 nm p robe s ize : < 1 μm * 액 상 기 준(탐 침 주 사 ) 수 평 분 해 능 : <20 nm * 액 상 기 준

- 비 선 형 광 학 영 상 기 술(분 해 능 ) 수 평 분 해 능 : λ/5 수 직 분 해 능 : λ/2(감 도 ) 단 일 분 자 수 준


- 탐 침 주 사 및 광 자 힘 양 상 기 술(광 자 힘 ) 수 평 분 해 능 : < 20 nm 수 직 분 해 능 : < 20 nm p robe s ize : < 1 μm * 액 상 기 준(탐 침 주 사 ) 수 평 분 해 능 : < 20 nm * 액 상 기 준

- 비 선 형 광 학 영 상 기 술(분 해 능 ) 수 평 분 해 능 : λ /10 수 직 분 해 능 : λ /5(감 도 ) 단 일 분 자 수 준


95%

-단 분 자 수 준 의 초 고 분 해 능 의 영 상 을 얻 기 위 해 수 십 나 노미 터 정 도 의 영 상 해 상 도 가 필 요 함 .



- 나 노 입 자 는 형 광 분 자 에 비

- 220 -

- 생 체 분 자 상 호 작 용 측 정 K d : > 100 μM 시 료 농 도 : > 10 μM

- 생 체 분 자 상 호 작 용 측 정 K d : >100 μM 시 료 농 도 : > 10 μM

해 광 안 정 성 이 좋 으 므 로 이를 이 용 한 분 광 기 술 의 개선 이 가 능 .


- 나 노 포 토 닉 스 적 용 형 광체 특 성 개 선 형 광 체 안 정 성 : 현 최 고 기 술 대 비 >5x Pho to b link ing : <1% 형 광 효 율 : 기 존 대 비 20%향 상


- 높 은 SN R로 빠 른 전 이 동 역 학 관 측 Δ t < 10 μ s SN R : > 2



- 높 은 SNR로 빠 른 전 이 동 역 학 관 측 Δ t < 10 μ s SN R : >2

95%







- 나 노 포 토 닉 스 를 적 용 해 형광 분 자 들 의 광 안 정 성 이 확보 되 므 로 , 전 이 동 역 학 측 정을 위 한 높 은 SN R로 시 간분 해 능 의 향 상 이 가 능 .




- 광자 힘 세기 범위:0.1 pN ~ 100 pN



- 광자 힘 세기 범위:0.1 pN ~ 100 pN 90%


-광 학 집 게 의 포 획 력 범 위 안 에서 분 자 결 합 력 등 의 연 구 가 필 요 함 .



3단 계 목 표(2018 -202 1 )

생 체 적 용

▷ 제 1 세 부 과 제 : 질 병 규 명 을 위 한 초 고 속 초 해 상 도 나 노 포 토 닉 스 영 상 기 술- 탐 침 주 사 및 광 자 힘 양 상 기 술(광 자 힘 )

- 탐 침 주 사 및 광 자 힘 양 상 기 술(광 자 힘 )

100% -단 분 자 수 준 의 초 고 분 해 능 의 영 상 을 얻 기 위 해 수 십 나 노

- 221 -

나 노 포 토 닉 스 제 어 활 용 기 술 개 발

수 평 분 해 능 : <10 nm 수 직 분 해 능 : <10 nm p robe s ize : < 1 μm * 액 상 기 준(탐 침 주 사 ) 수 평 분 해 능 : <10 nm * 액 상 기 준

- 비 선 형 광 학 영 상 기 술(분 해 능 ) 수 평 분 해 능 : λ/10 수 직 분 해 능 : λ/5(감 도 ) 단 일 분 자 수 준


- 생 체 분 자 상 호 작 용 측 정 K d : > 100 μM 시 료 농 도 : > 10 μM

- 영 상 획 득 속 도 >10 8 p ix/s

수 평 분 해 능 : < 10 nm 수 직 분 해 능 : < 10 nm p robe s ize : < 1 μm * 액 상 기 준(탐 침 주 사 ) 수 평 분 해 능 : < 10 nm * 액 상 기 준

- 비 선 형 광 학 영 상 기 술(분 해 능 ) 수 평 분 해 능 : λ /10 수 직 분 해 능 : λ /5(감 도 ) 단 일 분 자 수 준


- 생 체 분 자 상 호 작 용 측 정 K d : >100 μM 시 료 농 도 : > 10 μM

- 영 상 획 득 속 도 >10 8 p ix/s

미 터 정 도 의 영 상 해 상 도 가 필 요 함 .




- 나 노 포 토 닉 스 적 용 형 광체 특 성 개 선 형 광 체 안 정 성 : 현 최 고 기 술 대 비 >10x Pho to b link ing : <1% 형 광 효 율 : 기 존 대 비 30%향 상




100%









- 광조작 대상 물질 크기:


- 광조작 대상 물질 크기:

100%


- 222 -

200 nm 이하

- 광자 힘 세기 범위:0.1 pN ~ 100 pN

200 nm 이하

- 광자 힘 세기 범위:0.1 pN ~ 100 pN

-광 학 집 게 의 포 획 력 범 위 안 에서 분 자 결 합 력 등 의 연 구 가 필 요 함 .



▷ 세 부 과 제 융 합 연 구 목 표 수 준

Ÿ 영 상 , 감 지 , 조 작 기 능 을 동 시 에 갖 춘 복 합 기 능 탐 침 주 사 및 광 자 힘 나 노 제 어 시 스템 개 발 (제 1 , 2 , 3 세 부 과 제 용 합 연 구 )

Ÿ 나 노 포 토 닉 스 제 어 기 술 을 이 용 한 단 일 분 자 수 준 의 인 간 질 병 기 작 분 석 연 구 (제 1 , 2 , 3 세 부 과 제 용 합 연 구 )

Ÿ 질 병 진 단 을 위 한 실 시 간 비 침 습 생 체 정 보 수 집 및 초 고 속 나 노 포 토 닉 스 영 상 기술 개 발 (제 1 , 2 세 부 과 제 용 합 연 구 )

Ÿ 나 노 포 토 닉 스 제 어 기 술 을 통 한 분 자 수 준 의 초 정 밀 치 료 물 질 전 달 연 구 (제 2 , 3 세 부 과 제 용 합 연 구 )

o 기술개발의 추진 전략

o 성과 창출형 사업추진

- 매년 생체 나노포토닉스 사업의 홍보 및 성과 확산을 위한 국제 학술대회

및 산학연 포럼을 개최하여 국제적인 협력을 강화한다. 또한 연구 단계에

서 개발된 논문, 특허 및 시제품을 유명 국제 학술대회 및 전시회에 발표

함으로써 국내 연구 수준의 위상을 세계에 알리고 아울러 선진 국외 기관

과의 협력을 추진한다.

o 개방형 공동 협력 연구체계 구축

- 다 학제적인 특성을 가지는 나노포토닉스 및 생체응용 연구 분야에 포함되

는 국내 연구 그룹간의 네트워크를 국가 차원에서 조직하고, 지속적인 교

류와 유기적인 협력을 장려하기 위한 지원 사업을 추진한다.


국제 네트워크 구축 등 실질적인 국제 공동 연구 체계 구축한다.

o 상용화 및 표준화를 고려한 연구개발 추진

- 원천연구 단계를 넘은 연구 성과는 조기 상용화를 통한 시장 선점 및 주도

권 확보를 위해 유망 관련기업들과의 유기적인 협력을 통해 핵심특허의 국

- 223 -

제출원, 핵심원천기술의 이전 및 응용기술개발을 지원한다.

- 핵심 특허 및 시제품의 국제 유명 전시회 발표를 기반으로 개발된 기술의

국제적인 시인성을 높이고, 표준화 작업을 위한 세계 기구의 Task Force

구성 단계에서의 주도적 참여를 기업과 연구 개발 그룹의 유기적인 협력

하에 추진할 수 있도록 독려 및 지원하는 방안을 수립한다.

o 부처 간 연계 및 협력추진

- 나노포토닉스 원천기술 개발사업 추진 시 지경부, 복지부 등과 연구 개발

성과 공유 등을 통해 연구 개발 사업의 영역 간 연계 및 협력 활성화 방안

도출한다.

- 특히 기업과의 활발한 협력을 통해 개발된 핵심원천기술이 조기에 사업화

단계로 이행할 수 있도록 지경부와의 협력을 통해 기업개발과제 도출을 추

진한다.

- 224 -


o 연구기간 및 연구비 규모

o 총 사업기간: 10년 (’12 ~ ’21)

o 총 사업비: 600억 원, 60억/년

o 연구 수행 기관:

o 생체 나노 포토닉스 제어 기술을 개발하고 이를 활용할 수 있는 기초 연구

를 수행할 수 있는 나노 포토닉스 및 바이오 포토닉스 분야의 연구자들을

중심으로 추진한다. 본 사업의 특성상 나노 광기술 및 바이오 분야의 융합

연구가 원활한 연구기관을 중심으로 추진하면서 관련 분야 전문가의 적극

적인 참여를 유도한다.

o 기초 원천 기술 개발을 목표로 하면서 기술의 심화 적용을 위하여 산학연

기관이 참여할 수 있도록 하며, 관련 분야 국내 및 해외 선진 연구팀들과

상호 교류를 통한 다양한 협력을 추진한다.

o 세부 연구 주제:

o 주요 연구 분야별로 다음과 같이 3개의 세부과제로 구성한다.

- 제 1 세부과제:

질병 규명을 위한 초고속 초해상도 나노 포토닉스 영상 기술


질병 진단을 위한 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술


질병 치료를 위한 초정밀 생체 단일 분자 광조작 기술


활용가능 기관과 협력 연구를 추진한다.

- 제 1 세부과제: Harvard Medical School의 R. K. Jain 그룹, C. P. Lin 그

룹, S.　H. Yun 그룹, Tokyo University의 K. Kataoka 그룹

- 제 2 세부과제: Northwestern대학의 Richard P. Van Duyne 그룹, MIT의

Monji Bawendi그룹, UIUC의 Takjip Ha 그룹

- 제 3 세부과제: Cornell 대학의 David Erickson 그룹, EMBL의 Ernst H. K.

Stelzer 그룹

- 225 -


n 제 1 세부과제: 질병 규명을 위한 초고속 초해상도 나노 포토닉스 영상 기술

▷ 생체 적용 탐침주사 및 광자힘 영상 기반 기술

o 매우 작은 크기의 탐침을 스캔하는 방식으로 (scanning probe microscopy,

SPM 방식) 빛의 회절한계보다 작은 공간 분해능으로 표면정보를 획득할 수

있다. SPM 방식을 기반으로 빛의 근접장을 활용함으로써, 나노미터 스케일

의 생체 분자의 다양한 광학적, 물리적, 화학적 영상을 획득 가능한 기술을

개발한다. 광학적으로 포획된 미소 입자를 공간적으로 스캔하는 방식으로

물체 표면의 지형정보를 정밀하게 측정하는 이미징 기술 (Photonic Force

Microscopy, PFM)을 개발한다.

▷ 탐침주사 및 광자힘 현미경을 이용한 생체 지형정보 영상 기술

o 개발된 탐침주사 현미경을 기반으로 단분자-단분자, 단분자-세포 간의 생물

학적 화학적 상호작용 메커니즘을 초고해상도 영상을 통해 규명하는 연구

에 응용한다.

o 개발된 광자힘 현미경을 이용하여 형광 분자들 사이의 공명에너지전이와

약한 분자결합력 등을 도입하여 물체 표면의 지형 정보와 표면 분자의 광

학적, 화학적 성질까지 구분할 수 있는 다중정보 이미징 기술을 구현을 목

표로 한다. 이를 통해 기존 형광 단백질을 사용하는 방법으로는 접근할 수

없었던 단분자 수준의 생화학반응을 연구할 수 있는 기반을 제시한다.

▷ 나노 매체 기반 비선형 광학 영상 기반 기술

o 비선형 광학신호(SRS, SE, SBS, TPA, CARS)의 영상을 단일세포 해상도 이상

의 고해상도로 실시간 획득할 수 있는 기술을 개발한다. 비선형 광학신호를

초고감도로 측정하기 위해 근접장을 증폭할 수 있는 나노 매체를 제조하고

이용하여, 형광신호에 의존하지 않는 분자 특이적 영상획득 기술을 개발한

다.

▷ 나노 매체 기반 비선형 광기술을 이용한 비형광 생체 단분자 영상기술

o 생체 내에서 외부에서 도입하는 형광신호에 의존하지 않고 세포 혹은 조직

수준에서 내제된 분자 특이적인 영상을 획득한다. 이를 통해 대사 작용 등

의 생명현상의 관찰을 수행할 수 있는 기술을 개발한다. 나아가 형광신호로

관찰하기 어려운 특이 분자를 감지하는 영상을 획득하는 것을 바탕으로 새

로운 방식의 진단을 수행할 수 있는 신기술 개발을 목표로 한다.

- 226 -

▷ 나노 포토닉스 구조를 이용한 초고해상도 영상 기반 기술

o 금속 nano-hole에서 근접장의 전파 성질의 이용하면 1 zL 크기의 미세 공

간에 선택적으로 빛을 입사시킬 수 있다. Nano-hole 구조물을 특정 형광물

질과 같이 사용하면 단분자 수준에서의 이미징이 가능해진다 (그림26 참조).

이를 통해 photobleaching과 photoblinking 같은 형광단백질의 광학적 특성

을 제어/측정하는 기술을 개발한다.

o 이를 통해 단백질들 사이의 생화학반응의 동적특성을 살아있는 세포 내에

서 측정하고, 다양한 단백질들 간의 생화학적 상호작용을 높은 system

biology의 관점에서 규명하기 위해, 높은 throughput을 가지는 nano hole

구조체를 설계하고 제작하는 기술을 개발한다 (그림27 참조).

그림 3-26 금속나노구조에

의한 국소장 형성의 예 그림 3-27 나노구조에 의해 형성

된 국소장 영역의 이차원 배열의

예

▷ 초고해상도 영상 기술을 이용한 생체 분자들의 선택적 측정 기술

o 금속 나노 입자를 사용하면 금속 주위에서 증폭된 산란광을 통해 형광 분

자를 효과적으로 여기 할 수 있다. 이를 바탕으로 나노 입자를 세포 내에

주입하여, 나노 입자 표면과 대상 분자의 생화학적 반응을 단일 생체 분자

수준으로 측정하는 새로운 기술을 개발한다. 이를 이용하여 단분자 생명현

상에 대한 생물물리적 접근을 가능하게 해주는 핵심적인 실험 플랫폼을 제

시하고, 실험의 집적화/병렬화를 통해 근접 국소장을 이용한 Nano-Bio

Photonics의 새로운 분야를 개척, 선도함을 최종 목표로 한다.

n 제 2 세부과제: 질병 진단을 위한 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

▷ 나노 포토닉스를 이용한 형광체 광특성 개선

- 227 -

o 기존 생체 영상용 발광체는 일정 시간 발광 후 다시 발광하지 않는

photo-bleaching 문제로 인해, 오랜 시간 지속적으로 이미징 어려움. 나노포

토닉스 구조를 적용하여 단일 발광체의 광학적 특성(선택적 여기 파장, 높

은 발광율)을 획기적으로 개선하는 차세대 발광체의 개발을 목표로 한다.

▷ 나노 포토닉스 구조가 적용된 형광체를 이용한 단일 생체 분자간 상호작용 감지

기술

o 나노포토닉스 기반의 새로운 발광체와 nano-illumination 기술 개발을 바탕

으로 기존 FRET(Förster resonance energy transfer) 기술이 가지고 있던 근

본적인 문제점들 (예, photo-bleaching, 시편들 간의 cross-talk)을 효과적으

로 해결하는 기술 개발.

o 수많은 단백질이 상호 작용을 일으키는 살아있는 세포내에서 선택적으로

발광된 단백질을 수 분 이상 FRET으로 측정할 수 있는 기술 개발을 목표로

한다.

그림 3-28 생체 적합 나노 감지 기술의 응용분야

▷ 생체 적합 다기능 나노 포토닉스 입자 개발

o 양자점, 금속나노입자, 광결정, 메타물질 등 기존에 연구가 되어 있지 않는

새로운 개념의 나노 포토닉스 입자 개발을 통해, 기존 발광체가 가지고 있

는 문제점을 근본적으로 해결하고, 생체 내 영상화에 효과적으로 사용될 수

있는 신물질을 개발한다. 특히 QD는 중금속 나노입자 구조물이기 때문에

생체 내에서 사용될 경우, 독성과 배출의 어려운 근본적인 제한이 있음. 따

라서 생체용 발광체의 bio-compatibility 문제를 개선하여 in vivo 사용이 가

능한 다기능 나노 포토닉스 입자를 개발한다.

▷ 다기능 나노 포토닉스 입자를 이용한 단일 생체 분자간 상호작용 감지 기술

- 228 -

o 개발된 나노포토닉스 입자 개발를 사용하여 빛의 회절 한계 (빛의 반파장

크기)보다 작은 나노미터 크기의 광원을 생체 안에서 효과적으로 생성하고

선택적으로 제어한다. 나노포토닉스 입자를 이용한 나노조명 기술 개발을

통해 생체 내 세포질 또는 세포막의 단백질을 선택적으로 영상화함으로써,

단백질 사이의 상호 작용을 연구 할 수 있다. 또한 생체 세포질 내에서의

질환과 연계된 다양한 단백질 간 상호작용을 연구한다.

n 제 3 세부과제: 질병 치료를 위한 초정밀 생체 단일 분자 광조작 기술

▷ 광집속 광자힘 생체 분자 초정밀 조작 기술

¡ 광학집게를 생체분자의 초정밀 조작에 사용하는 기반기술을 개발한다. 발광

체나 나노입자들이 코팅된 입자의 위치를 제어하여 분리/정제에 사용하는 광

조작 기술을 개발한다. 또한 광자힘을 초정밀 제어하여 생체분자들 사이의

역학적 상호작용을 측정하는 기반 기술을 개발한다.

그림 3-29. On-chip 광학 집게의 응용 분야

▷ 생체 적용 광집속 광자힘 조작 기반 기술

¡ 광학집게를 이용한 생체분자 조작 기술을 이용해 생체 내에서 광학집게를 이

용하는 기술을 개발한다. 질병 치료 물질들을 가진 입자들을 생체 내에서 대

상에 정확하게 전달하는 기술을 개발한다. 또한 광자힘을 이용하여 능동적으

로 대상에 주입하는 기술을 개발한다.

¡ 이러한 조작기술을 생체 영상/감지 기술에 적용하여 영상/감지 기술의 효율

을 향상할 수 있는 기반 기술을 개발한다. 이를 통해 대상을 그대로 보는 소

극적인 영상/감지 기술에서 나아가 생체 대상에 역학적 조작을 가하면서 측

정하는 적극적 영상/감지 기술을 구현하는 기반을 제공한다.

¡ 나노구조를 이용한 나노 on-chip 광집게와 결합하여 광집속 광집게로 나노

구조 근처에서 조작 대상들을 거시적으로 제어하고, 나노 on-chip 광집게로

- 229 -

미시적으로 제어하는 하이브리드형 광집게 제어 기술을 개발한다.

▷ 국소장을 이용한 나노 on-chip 광집게 조작 기반 기술

¡ 빛을 집속하는 광학 집게는 고전광학의 근본적인 한계로 빛의 파장 크기보

다 훨씬 작은 영역에는 입자들을 가두기 어렵다. Surface Plasmon

Resonance, 광결정, 광공진기 등의 개념을 바탕으로, 빛의 파장보다 작은 수

십 나노미터 크기의 강한 근접 국소장을 이용하여, 수십 나노미터 이하의

영역에 생체 분자나 입자를 가두고 위치를 초정밀 제어하는 기술을 개발한

다 (그림30 참고).

그림 3-30. 공극을 이용한 cavity에 의한 국소장의 예.

▷ 나노 on-chip 광집게 기술을 이용한 생체 분자 조작 기술

¡ 근접 국소장을 이용한 on-chip optical tweezer 기술을 사용하여, 바이오 물

질들의 위치를 정밀 제어하거나, 생화학적 작용에 의해 발생하는 미세한 힘

측정, 국소적인 영역의 농도를 광학적으로 조절하는 새로운 기술들을 개발

하고, 미소량의 대상 물질을 효과적으로 탐지하는 바이오 감지 기술에 적용

하는 방법을 개발한다. 이를 바탕으로 극미소량의 질병유관물질(DNA,

protein)을 탐지하거나 유해물질(폭발물, 생화학무기, 방사능 물질)을 현장에

서 측정할 수 있는 소형 감지 장치 개발에 응용한다.

n 제 1, 2, 3 세부과제 융합을 통한 나노포토닉스 제어 활용 기술

▷ 영상, 감지, 조작 기능을 동시에 갖춘 복합기능 탐침주사 및 광자힘 나노 제어

시스템 개발 (제 1, 2, 3 세부과제 용합 연구)

o 생체 적용 광자힘 현미경을 이용한 생체 지형정보 영상기술과 초정밀 조작

기술을 결합하여 생체 내에서 나노 포토닉스 입자를 이용한 단일 생체 분

자간 상호작용을 복합적으로 감지하고 영상화하는 시스템을 개발한다. 이를

통해 인체 내에서 생체 적합 나노포트닉스 구조체를 이용하여 다양한 생체

정보를 획득하는 기술을 개발한다.

- 230 -

▷ 나노포토닉스 제어 기술을 이용한 단일 분자 수준의 인간 질병 기작 분석 연구

(제 1, 2, 3 세부과제 용합 연구)

o 나노 포토닉스 구조를 이용한 초고해상도 영상 기반 기술과 나노 포토닉스

구조가 적용된 형광체를 이용하여 인간 질병관련 단일 생체분자를 초고감

도로 감지하고 국소장을 이용한 나노 on-chip 광집게로 제어하는 기술을

개발한다.

o 이를 기반으로 인간 질병의 아직 밝혀지지 않은 새로운 기작을 in vitro 혹

은 in vivo 환경에서 세포 내 분자 수준에서 새롭게 규명한다. 이를 통해 인

간 질병 진단으로 연결되는 새로운 Bio-marker를 발굴하고 환자 맞춤형 치

료를 위한 세포 분석 신기술로 활용한다.

▷ 질병 진단을 위한 실시간 비침습 생체 정보 수집 및 초고속 나노 포토닉스 영상

기술 개발 (제 1, 2 세부과제 용합 연구)

o 다기능 나노 포토닉스 입자를 이용한 비선형 광학 영상 기술을 사용하여

실시간으로 생체 내에서 비침습적으로 넓은 영역에 대해서 분자 혹은 세포

특이적인 영상을 조직 수준으로 고속 획득하는 기술을 개발한다.

o 이를 통해 특정 환부에서 세포수준의 영상을 진단이 가능한 수준으로 획득

하며, 더불어 조직검사를 위한 조직을 획득하는 복합기능의 영상 획득 및

분석, 진단을 수행할 수 있는 신기술 개발을 목표로 한다.

▷ 나노 포토닉스 제어 기술을 통한 분자 수준의 초정밀 치료 물질 전달 연구 (제

2, 3 세부과제 용합 연구)

o 다기능 나노 포토닉스 입자를 국소장을 이용한 나노 on-chip 광집게로 조

작하여 세포 내에서 단일 분자 수준에서 치료를 위한 나노물질을 전달하는

기술을 개발한다.

o 이를 통해 치료물질의 세포 내 전달경로에 따른 생화학적 반응연구를 초정

밀도로 수행하여 system biology 분야와 신약개발 분야에 기여한다.

- 231 -

그림 3-31 그린나노포토닉스 연구개발 로드맵


3.5 파급효과


o 본 사업에서 제안하는 인간 질환의 규명, 진단, 치료를 위한 초정밀 나노포

토닉스 원천기술은 산업화와 고령화에 따라 근미래에 급격히 증가할 난치

성 인간 질환에 유일하게 대처할 수 있는 나노의료기술 분야의 핵심기술이

다.

o 따라서 본 사업의 수행은, 최상위급의 저널 (Nature, Science, Cell, Science

Translational Medicine, Nature Medicine, Nature Biotechnology, Nature

Nanotechnology)에 게재될 다수의 우수성과를 기대할 수 있으며, 핵심 원

천 특허를 선점할 수 있는 동력이 될 것으로 기대된다.

o 본 연구 사업으로 개발되는 인간 질병 극복을 위한 생체 나노 포토닉스 제

- 232 -

어 기술은 인간질환의 분자/세포 기작에 대한 기초연구, 이를 임상으로 적

용하는 중개연구, 직접적인 신개념 진단기술로 활용하는 임상연구 등의 다

양한 형태로 의생명 연구 전 분야에 직접적으로 다양하게 활용될 것이다.

o 기초연구에서 발굴된 유전자, 분자, 세포 기작 등을 표적으로 하는 첨단 유

전자/세포치료, 분자표적신약 개발 연구를 강력히 지원하는 기반 기술로서

적극 활용될 것이다. 또한 분자특이적인 세포수준 영상획득은 임상 전 단계

의 의생명 중개연구에서 실험동물을 이용하여 수행되는 약동학 (약물의 흡

수, 분포, 제거), 약력학 (약물 반응) 및 생체이용률의 관점의 분석 연구의

효율과 성과를 획기적으로 향상 시킬 수 있는 기반기술로서 적극 활용될

것이다.

o 본 연구 사업으로 개발되는 나노포토닉스 기반 FRET 활용 기술이나 분자

간 결합력 이용 기술은 외부 노이즈의 요소들을 포함하는 실험조건에서 의

미 있는 측정을 할 수 있는 robust한 기법들을 내포하고 있다. 이를 바탕으

로 기존 포획입자를 이미징 probe로 사용하는 기술이 상대적으로 높은 시

스템 안정성을 요구하여, 포획입자를 간단하게 이동하거나 변위들을 측정하

여 결합력이나 주변 조건에 의한 유체역학적 분석을 수행하는 연구에 제한

적으로 활용되어 온 한계를 극복할 수 있을 것이다. 또한 이러한 신기술들

을 스캐닝을 요구하는 SPM 이미징에 성공적으로 적용한다는 것은 바이오

이미징 분야의 큰 기술적 한계를 극복한다는 의미를 가진다.

o 본 연구 사업으로 추진되는 새로운 나노-포토닉스 구조의 개발은 기존 형광

이미징의 장점을 취하고, 단점을 종합적으로 극복하여 기존 분광학적인 방

법이나 바이오 이미징에서 다룰 수 없었던 생화학반응 영역을 단분자 수준

에서 연구할 수 있는 새로운 기법 제공한다. 이를 통해 단분자 생명현상에

대한 생물물리적 접근을 가능하게 해주는 기초적인 실험적 플랫폼을 제공

하고, 실험의 집적화, 병렬화가 가능할 것이다. 또한 국소장을 이용한

Nano-Bio Photonics의 새로운 연구 분야를 개척, 선도할 수 있으리라 기대

된다.

o 나노기술, 광학기술, 바이오기술 등 다양한 분야의 경험을 동시에 요구하므

로 단일 분야의 단편적인 연구의 틀을 벗어나, 학문간 통합적 융합연구를

통해, 전혀 접근이 없었던 새로운 연구 주제를 탐구함으로써 영향력 있는

연구를 수행할 수 있고, 융합 연구를 통해 각 개별 분야의 지식의 수준을

높일 수 있는 효과도 기대 할 수 있다. 또한 이런 학문간 경계가 없는 연구

수행을 통해 세계적인 수준의 경쟁력 있는 우수한 연구 인력을 양성할 수

있다.

o 나노 광학 및 근접장을 이용한 비접촉식 국소 광원 연구와 국소 조작 연구

는 아직 학계에 보고된 결과가 미미한 단계이므로 optical nano-science라

는 신분야를 개척할 수 있다. 또한 발표될 논문들이 그 기초가 되는 핵심

- 233 -

논문들이 될 것으로 예상된다. 또한, 기존 far-field과 near-field로 명확히 나

누어져있던 광학의 경계를 허물고, far-field와 near-field 각각의 장점을 취

한 디자인을 가능케 하는 패러다임의 변화를 기대할 수 있다.

3.5.2 산업, 경제적 파급효과

o 본 연구 사업에서 제안하는 인간 질환의 규명, 진단, 치료를 위한 초정밀 나

노포토닉스 원천기술은 미국 NSF에서 전망하는 향후 5년 내 1조 달러 규모

의 나노의료 시장을 주도적으로 개척할 수 있는 근 미래 유망 융합형 핵심

기술이다.

o 경제, 산업적인 측면에서 본 연구 사업으로 개발되는 실시간 비침습 나노생

체 이미징 기술은 의생명 기초 연구를 활성화하고, 그 결과를 실제 임상으

로 연결하기 위한 중개연구를 지원하여, 제약 및 진단, 치료분야의 신규 산

업 육성 및 기존 산업의 효율성 제고에 다양한 방식으로 활용될 것으로 기

대된다.

o 예를 들어 기존에 간접적인 분석방법론의 한계로 통계적인 결과를 수집하

기 위해 대량의 실험동물이 임상 실험 전단계의 안정성 평가 및, 약동학적,

약력학적 평가에서 요구되었던 것을 직접적으로 생체 내에서 약물, 혹은 세

포, 유전자를 영상화함으로써 훨씬 소량의 실험동물을 기반으로 수행할 수

있을 것으로 기대된다. 이를 통해 임상 전 단계에서의 투자비를 최소화하고,

연구 기간을 단축하는 효과를 거둘 수 있을 것이다. 또한 현재 국내에서 집

중적으로 육성하고 있는 다양한 나노기술을 활용한 생명산업의 개척과 산

업화에서 나노생체 이미징 기술은 강력한 도구로서 사용될 것으로 기대된

다.

o 본 연구주제는 새로운 측정기술과 이미징 기술의 개발에 집중되어 있다. 따

라서 성공적으로 완성될 경우 실용화가 가능한 주제이며 차후 제품화 추진

을 기대할 수 있다. 연구결과를 원천기술화 하여 국내외 핵심 특허의 선도

적인 등록을 기대한다. 최근 상용화된 광학집게 제품들이 출시되어 많은 관

심을 끌고 있다. 광학집게를 probe로 사용하는 스캐닝의 최적화 등 관련 이

미징 기술을 선점할 수 있다면 향후 기술이전 등 경제ㆍ산업적 측면에서

큰 기여를 하리라 기대한다.

o 본 연구 과제는 현존하는 기술적 한계를 근본적인 물리적 개념을 사용하여

극복하는 새로운 방법들을 제시한다. 또한 발생하는 성과물은 직접적으로

실용화 할 수 있는 기술이다. 따라서, 핵심 기술의 특허 등록을 통한 선점,

기술 이전 등을 통해 향 후 경제ㆍ산업적으로 크게 기여할 수 있다.

o 본 연구 주제는 생물학/의학에 대한 새로운 접근을 가능하게 해주는 신개념

방법론을 개발하는 것을 본 연구 주제의 목적으로 한다. 따라서 위상현미경,

- 234 -

전자현미경, 형광단백질 등의 의 예에서 알 수 있듯이, 새로운 개념의 연구

방법론이 성공적으로 개발 될 경우 기초 연구의 확대와 이를 통한 인간 복

지의 향상에 대한 파급 효과는 매우 클 것이다. 이러한 본질적 신개념 방법

론이 국내에서 성공적으로 수행 될 경우, 대한민국 기초 과학의 위상 제고

는 물론이고, 국내 학계와 관련 산업의 발전에 크게 기여할 것으로 기대한

다.


o 나노 물질의 생물학 및 의료 분야 적용 시, 생체 안전성 문제와 환경에 미

치는 영향 대한 사회적인 우려가 크다. 본 연구 과제를 효과적으로 수행하

기 위해서는 이러한 문제들에 대한 철저한 연구와 우려될 수 있는 요인들

을 효과적으로 제어 할 수 있는 새로운 기술 개발이 필수 불가결하게 요구

된다.

o 본 연구 사업으로 개발되는 신개념 초고해상도, 초고감도 영상, 감지기술은

나노 물질의 생체/환경 안전성을 높이는 부가 연구 등으로 활용되어 친생체

/친환경 나노바이오기술을 세계최초로 선도적으로 연구 개발하는 데 큰 기

여를 할 것으로 기대된다.

o 이러한 파급효과를 극대화하는 전략으로 향후 나노 바이오 포토닉스기술의

국제표준화 흐름을 선도 할 수 있는 기반을 마련할 수 있는 계기가 될 것

으로 기대된다.

- 235 -

제 4 장 중소형 과제 평가 결과 및 RFP

1. 평가 결과

1.1 IT 분야

제안과제명 위원회 평가결과 비고

신기능 광소재 및

nano-optomechanics

융합 ultrafast 광소자

연구

아직 국내에서 시도되지 않은 원천기술이

고 세계적으로는 기초연구단계에 있으며,

폭발적인 데이터 증가량에 대하여 속도 및

소모전력 면에서 대응가능하고 차세대 양

자컴퓨터의 핵심기술이 될 가능성이 큰 와

해성기술이므로 파급효과가 큼.

과제기간: 5년

신청금액: 10억/년

집적 광전자시스템을 위한 파장한계 반도체 나노 광원

실리콘 기판에 집적형 광대역 고효율 광

원 제작 기술은 on-chip 또는 inter-chip

광대역 광연결장치의 핵심 요소 기술이

며 광자와 전자가 결합된 형태의 나노

집적 광전자 정보처리 시스템 구현을 가

능케 하는 미래 정보화사회의 핵심 기반

기술임. 관련 연구는 태동기 단계이므로

원천기술 확보가 기대됨.

과제기간: 5년


나노광학 Junction 구조를 이용한 전광 연산소자

광 다이오드 개념으로 차세대 컴퓨터의 핵심인 여러 가지 연산소자들, 특히 CPU 의 ALU (Arithmetic Logic Unit)에 필요한 소자등과 기능들을 광학적으로 구현하는 것은 지금까지 없었던 신개념으로 세계적 원천기술 개발이 예상되고 기술개발이 갖는 산업적/사회적 파급효과가 매우 클 것으로 기대됨

과제기간: 5년


포토닉크리스탈 광학을

이용한 나노구조 대면적

표면의 초고속 영상화

기술 연구

나노미터급 가공 형상을 3차원으로 실시

간 검사하는 기술 개발의 필요성은 있으

나 기술개발 방법이 명확하지 않음

미선정

Nano photonic 기술을 이용한 초고분해능 광학 현미경 개발

초점 거리나 사용 파장 대역 제한이 없

는 super lens 연구에 관한 것임. 최근들

어 나노포토닉스 연구분야에서 많은 연

구가 진행되고 있는 내용으로 제안연구

내용의 차별화가 명확하지 않음

미선정

나노구조체 비수차 초고

해상 GRIN(Gradient Refractive Index) 렌즈

제작기술

이전 초점 거리나 사용 파장 대역 제한

이 없는 super lens 연구와 유사한 연구

내용으로 제안연구내용의 차별화가 명확

하지 않음

미선정

- 236 -

1.2 GT 분야


나노 금속 구조를 이용한 반도체 소자의 광흡수효율 개선연구

나노구조를 이용한 반도체 태양전지, LED 등의 흡수 또는 발광효율을 증대시키기 위한 내용으로 기존에 잘 알려진 기술 중의 하나임. 그러나 기존에 사용된 나노구조 외에 새로운 나노구조를 적용하여 새로운 시도를 한다면 원천기술 확보가 가능할 것으로 판단됨. 유사 제안이 있으므로 그들과 한 과제로 통합함이 바람직함

과제기간: 5년


(다른 유사 과제와

통합)

Nanophotonic volume grating 기반 3D 디스플레이 소자기술 개발

나노패턴 및 나노포토닉스 격자를 이용한 3D 디스플레이 소자 원천기술에 관한 것으로서, 성공시 기존 백라이트 기술에서 구현할 수 없는 대면적 지향성 스티어링 일체형 백라이트 도광판의 원천기술 확보가 가능하고 그 파급효과가 대단히 큰 분야로 판단됨

과제기간: 5년


나노광학구조를 이용한 자외선 LED 및 녹색 LED의 효율 향상 기술



통합)

Tunnable 나노플라즈모닉스 나노안테나 원천기술 개발



통합)

II-VI 족 산화물 반도체 Nano 구조를 이용한 발광다이오드 개발

ZnO 박막과 나노선 하이브리드형 LED 구조를 개발하는 것으로 박막과 나노선 하이브리드 구조를 갖는 다는 것이 기존 연구동향과 차별화됨. 전 세계적으로 많은 관심을 갖고 있는 부분으로 성공시 원천기술 및 파급효과가 큰 분야로 판단됨

과제기간: 5년


- 237 -

1.3 BT 분야


생체 적용 가능한 초고해상도 나노 바이오 포토닉스 영상 기술 개발

기존 영상 기술의 한계를 극복하여 생체

내에서 세포, 분자, 유전자 차원의 인간

질환 분석 및 진단을 수행할 수 있는 비

침습 초고속 초고해상도 영상 기술을 개

발하는 내용으로 차세대 바이오 영상의

핵심기술이 되므로 원천성과 파급효과가

큼

과제기간: 5년


단일 분자 수준 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

질병 유관 물질을 단일 분자 수준에서 초

고감도로 감지 할 수 있는 나노 포토닉스

기술 개발에 대한 내용으로, 관련 연구는

태동기 단계이므로 원천기술 확보가 기대

됨.

과제기간: 5년


나노 포토닉스를 이용한 국소근접장 나노 광집게 개발

나노포토닉스 기반 바이오 감지 및 영앙

기의 융합을 통하여 나노 스케일의 생체

분자 조작이 가능한 나노 광집게를 개발

하는 내용으로 세계적 원천기술 개발이

기대되고, 향후 산업적 파급효과도 클 것

으로 기대됨.

과제기간: 5년


Nanophotonics와 optical force에 기초한 이용한 차세대 bio nano-microsystem 개발

Optomechanical system을 나노 포토닉스

기술로 구현하여 초소형의 바이오 센서

시스템을 구현하는 내용으로, 기술 개발

의 필요성은 있으나 상대적인 우선 순위

에서 제외된.

미선정

단일분자수준의 초정밀 바이오이미징 및 나노-제어를 위한 나노-광학구조 개발

나노-광학구조를 이용해 높은 SNR을 가

지는 단일분자 바이오 이미징 및 나노제

어 기술 개발에 대한 것임. 중과제의 세

부과제 내용에 유사 내용이 포함되어 있

어 중소형 과제로 선택하지 않음.

미선정

광 IC 형태의 PS-OCT 생체단층영상 기기 개발

기존 OCT 의 성능 향상을 위한 광 IC 형

태의 PS-OCT 구조 연구에 관한 것으로

창의성이 있으나 기술 개발의 상대적인

우선 순위에서 제외된.

미선정

다기능 바이오-화학 정밀 센서용 플라즈모닉 광자결정 광섬유 복합 플랫폼 개발

바이오-화학적 수치를 동시에 계측할 수

있는 다기능 광센서 플랫폼을 개발하기

위한 것으로, 기술 개발의 필요성은 있으

나 상대적인 우선 순위에서 제외된.

미선정

- 238 -

2. 과제제안요청서 (RFP)

RFP 번호 NP-IT- 1

연구분야명

1. 연구목표신기능 광소재 및 nano-optomechanics 융합 ultrafast 광소자 연구

○ 최종목표 - Optomechanical nanophotonics 기술에 기존의 실리콘을 대신하여 graphene 및 메타

물질을 활용하여 낮은 구동전원을 필요로 하는 초고속 광집적소자 원천기술 연구 ⦁ 1nsec 이하의 구동 속도 ⦁ 기존 대비 1/10 수준의 구동전력 ⦁ On chip 가능한 사이즈 ○ 단계별 연구개발 목표 - 1단계

⦁ 전산모사를 통한 optomechanics 기반 나노 포토닉스 소자의 비선형성 및 graphene의 새로운 광학적 성질 연구

⦁ 메타 물질을 이용한 새로운 광학적 성실 구현 연구 및 소자 응용 연구 - 2단계 ⦁ Graphene 물질 및 메타물질을 이용한 nano-optomechanics 소자 제작 및 성능 최

적화 2. 연구내용 및 범위

○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2) - Simulation을 통한 optomechanics 기술 기반 나노 포토닉스 소자 설계 - Mechanical and optical high Q cavity 설계

⦁ Photonic crystal/mirco toroidal/plasmonic cavity/silicon pillar를 활용 ⦁ Cavity-optomechanics를 integrated photonic system에 구현 ⦁ FEM을 이용한 나노 구조물의 진동체 설계 ⦁ FDTD를 이용한 optomechanical resonace 현상 분석 - Subnanometer-scale 금속막인 그래핀 존재시, 공진기 광모드의 광특성 파악 및 이론적

실험적 분석 - 고기능성 단파장 광대역 메타물질에 대한 이론적 연구 및 전자기장 분포 제어를 통한

높은 비선형성 확보 이론 확립 ○ 2단계 (‘15.2 ~ ’17.2) - Graphene 및 nano-optomechanics 기반 ultrafast 광소자 개발 및 검증

⦁ 나노 포토닉스 소자 제작 및 성능 최적화 ⦁ Optomechanical resonance를 측정할 수 있는 광회로 구현 및 소자의 특성 검증 ⦁ 플 라 즈 몬 subw ave len g th sca le 레 이 저 구 동 및 1nA 이 하 문 턱 전 류 구 동 ⦁ 메 타 물 질 기 반 고 성 능 광 소 자 개 발

3. 특기 사항 ○ 지원기간 : 총 5년(3+2년)○ 1단계(3년) 연구진행 후 단계평가 결과에 따라 2단계 계속지원 여부 결정 - 단계평가시 연구성과가 미진한 경우 조기종료 예정

○ 단독과제로 구성 4. 예산 10억원/년

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RFP 번호 NP-IT-2

연구분야명 집적 광전자시스템을 위한 파장한계 반도체 나노 광원

1. 연구목표 ○ 최종목표 - 미래 정보화시대의 저전력, 고대역폭 정보 교환/처리를 위한 고집적 광전자시스

템을 위한 나노스케일 핵심 광소자 (공진기, 광원) 개발 - 현재의 전자 기반 정보처리 개념을 확장한 광전자 기반의 정보전달 및 처리 시

스템의 기반 기술 확보

○ 단계별 연구개발 목표 1단계 - 파장의 한계를 넘어서는 반도체 기반 나노레이저 구조 연구 - 집적형 광대역 광연결장치용 광원 및 이종에피성장 기술 연구 2단계 - 고집적 광전자시스템의 구현을 위한 반도체 나노레이저와 나노스케일 전자소

자의 집적 방안 연구 - 이종에피성장 기반의 집적형 광대역 coherent/incoherent 광원 구현 기술

2. 연구내용 및 범위

○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2) - 반도체 광원 (레이저 및 LED) 구조의 극소형화 방안 제시 - 반도체 광원의 극저소비전력 달성을 위한 최적 공진기 설계 및 손실 최소화 방안 연구 - Wafer bonding 기술을 이용한 mode-locked laser 구조 연구 - 실리콘 기판에 화합물반도체 이종에피성장 기술 연구

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) - 광전자시스템의 구현을 위한 반도체 광원과 광도파로의 효율적인 coupling 구조 달성 - 파장한계 반도체 광원의 변조 속도 최대화 방안 연구 - 이종에피성장 기술을 이용한 집적형 광대역 coherent/incoherent 광원 구현 - silicon 기반의 전자소자와의 효율적인 집적 방안 연구 및 새로운 개념의 광전자 통합 정보처리 architecture 제시

3. 특기 사항

○ 지원기간 : 총 5년(3+2년)○ 1단계(3년) 연구진행 후 단계평가 결과에 따라 2단계 계속지원 여부 결정 - 단계평가시 연구성과가 미진한 경우 조기종료 예정○ 단위과제(단독과제)로 구성해서 지원할 것

4. 예산 5 억원/년

- 240 -

RFP 번호 NP-IT-3

연구분야명 나노광학 Junction 구조를 이용한 전광 연산소자

1. 연구목표 ○ 최종목표

현재의 전광 (All-optical) 논리소자 (logic device)는 매우 큰 소모전력을 필요로 하며 기능에 있어서도 입출력비가 매우 나쁜 단순 diode의 구현 정도에 머물러 있다. 본 과제에서는 전자공학의 기본개념 / 구조인 Junction 구조를 나노광학에 도입하여, 여러 가지 연산소자들, 특히 CPU 의 ALU (Arithmetic Logic Unit)에 필요한 소자등과 기능들을 광학적으로 구현하는 것을 목표로 한다.

○ 단계별 연구개발 목표1단계 : nano-Photonics를 이용한 Junction 개념 확립과 기본적 Photonic Diode 설계, 그리고 이를 이용한 XOR, NOR 등 의 기본 전광 논리 (logic) 소자 구현

2단계 : Multi-Junction 개념의 nano 광학 도입과 그리고 이를 이용한 Adder 등 의 전광 연산 (Arithmetic) 소자 설계 및 구현


○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2) - nano-Photonics (광결정, 플라즈몬 등) 에 적용가능한 photonic Junction 개념 정립- Junction 기본 응용소자인 Photonic Diode 설계- Photonic Diode를 이용한 고속 Signal regeneration 및 Logic 기능 구현- 목표 성능 소모전력 : 10 ~ 100mW (기존 기술 ~ Watt 대비 100 ~ 1,000 배 이상) 동작속도 : 10 ~ 100GHz, Throughput > 90%

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) - multi-level, multi-Junction 개념 정립- Junction 응용 고급 소자인 전광 연산소자 설계 (Half-adder, Full-adder등)- 외부 제어가 가능한 Three-terminal, reconfigurable device 설계- 목표 성능 소모전력 : 1 ~ 10mW (기존 기술 ~ Watt 대비 100 ~ 1,000 배 이상) 동작속도 : 100 ~ 1,000GHz, Throughput > 90%

3. 특기 사항

○ 현재까지 광학, 또는 나노광학에서 Junction 구조가 제안된 바는 없음 (독창, 창의적)

○ 전광 신호처리 소자의 기술을 획기적으로 끌어 올릴 수 있을 것으로 보임○ 광결정, 플라즈몬, opto-mechanics 등 여러 가지 platform에 적용 가능 함○ 개념 정립 및 설계 단계의 기술이 이미 확보된 것으로 파악됨 (단기 결과 가능)○ 실험적 구현에 있어서 공정처리 등에 많은 지원이 필요함

4. 예산 5 억원 / 년

- 241 -

RFP 번호 NP-GT-1

연구분야명 Nanophotonic volume grating 기반 3D 디스플레이 소자기술 개발

1. 연구목표 ○ 최종목표 광학적 방법으로 제작된 nanophotonic volume grating 지향성 스티어링 백라

이트를 장착한 차세대 3D 디스플레이 소자 원천 기술 개발

○ 단계별 연구개발 목표 1단계 - Nanophotonic volume grating 구조 설계 및 해석 - 지향성 스티어링 백라이트 nanophotonic volume grating 가공 기반기술 확보 2단계 - 지향성 스티어링 백라이트 nanophotonic volume grating 가공 기술 개발 - Nanophotonic volume grating 소자의 3D 디스플레이 평가 및 분석


○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2) - 3D 디스플레이용 지향성 스티어링 백라이트에 적용 가능한 nanophotonic

volume 설계

- Nanophotonic volume grating 구조의 광특성 해석 및 최적화

- 투명소재 표면 및 내부에 nanopatterning이 가능한 기반 확보

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) - 광학적 방법을 이용한 nanophotonic volume grating 가공 기술 개발 - 제작된 소자의 광파장대 별 광특성 평가 및 분석

- 평면 3D 디스플레이의 지향각 및 광효율 평가 및 분석

3. 특기 사항

○ 지원기간 : 총 5년(3+2년)○ 1단계(3년) 연구진행 후 단계평가 결과에 따라 2단계 계속지원 여부 결정 - 단계평가시 연구성과가 미진한 경우 조기종료 예정

○ 단위과제(단독과제)로 구성해서 지원할 것

4. 예산 10 억원/년

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RFP 번호 NP-GT-2

연구분야명 II-VI 족 산화물 반도체 Nano 구조를 이용한 발광다이오드

개발

1. 연구목표

○ 최종목표

II-VI 족 산화물 반도체인 ZnO의 p-type 박막과 n-type nanorod의 동종접합을 통하여 확장된 발광영역을 갖는 발광다이오드의 개발

○ 단계별 연구개발 목표

1단계: ZnO 기반 에피-나노선 하이브리드 구조 성장 기술 개발

2단계: ZnO 기반 에피-나노선 하이브리드 구조 LED 개발 및 특성 평가


○ 1단계 (‘12.3 ~ ’14.2) - Sb, Li, P 도핑을 통한 p-type ZnO 개발

- n-type/intrinsic ZnO nanorod 성장

- p-n 동종접합구조의 구조 제작

- 캐리어의 수송특성 및 발광 메커니즘 확립

- ZnO의 캐리어 농도에 따른 발광특성 비교 분석

○ 2단계 (‘14.3 ~ ’15.2) - Intrinsic ZnO 재결합층 형성을 통한 발광효율 증대 - ZnO 투명전극형성을 통한 광추출효율 극대화

3. 특기 사항




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RFP 번호 NP-GT-3

연구분야명 나노구조를 이용한 반도체 소자의 광효율 개선연구

1. 연구목표

○ 최종목표 광결정, 표면 플라즈몬, 나노 막대 등의 다양한 나노 광학구조를 적용함으로써

수/발광 소자의 광효율 증대

○ 단계별 연구개발 목표 1단계 - 수/발광소자에 적용 가능한 나노구조 설계 및 공정 연구

2단계 - 나노구조 적용한 수/발광소자의 제작 및 특성 평가


○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2) - LED 및 태양전지의 광효율 향상을 위한 나노광학구조 설계

- 나노광학구조 응용 공정 기술 개발

- 나노광학구조의 LED 및 태양전지 적용 및 특성 평가

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) - 다양한 나노광학구조의 적용을 통한 LED의 광추출효율 극대화 - 다양한 나노광학구조의 적용을 통한 태양전지의 광흡수율 극대화

3. 특기 사항




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RFP 번호 NP-BT-1

연구분야명생체 적용 가능한 초고해상도 바이오 나노 포토닉스 영상 기술

1. 연구목표 ○ 최종목표

기존 영상 기술의 한계를 극복하여 생체 내에서 세포, 분자, 유전자 차원의 인간 질환 분석 및 진단을 수행할 수 있는 비침습 초고속 초고해상도 영상 기술 개발.

○ 단계별 연구개발 목표1단계 : 생체 및 세포에 적용이 가능한 신개념 분자 특이적 초고해상도 영상 기법을 개발. 이를 달성하기 위한 생체 적합 나노포토닉스 구조체, 입자 등을 설계하고 제조하는 기술을 개발하고 생체 유사 환경에서 검증.

2단계 : 초고해상도 영상기술을 생체에 적용하기 위해 필요한 비침습화 및 초고속화 기술을 개발. 생체 내에서 단일 세포 및 단일 단백질, 유전자 수준의 생체 정보를 영상화하여 인간 질환을 분석하고 진단할 수 있는 융합 기술을 개발.

2. 연구내용 및 범위 ○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2)

§ 나노스케일의 탐침 및 광자힘을 이용한 나노미터 수준의 생체 지형정보 영상화 기술을 확립하고 생체 적용이 가능하도록 개발.

§ 비선형 광학신호(SRS, SE, TPA, CARS)를 이용한 단일 세포 수준의 분자 특이적 영상화 기술 및 조영 나노입자기술을 확립하고 생체 적용이 가능하도록 개발.

§ 나노 포토닉스 홀구조를 이용한 다중 생체 분자의 생화화적 반응의 고감도 고분해능 영상화 기술을 확립하고 생체 적용이 가능하도록 개발.

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) § 탐침주사 및 광자힘 영상기술을 이용하여 인간 질병과 연관된 단분자 간의

생화학적 상호작용을 생체 및 세포 내에서 분석하는 융합기술 개발.

§ Label-free 비선형 광학신호로 생체 및 세포 내에서 단일 분자 수준의 분자 특이적 영상을 획득하고, 이를 이용하는 인간 질병 분석 및 진단 융합기술 개발.

§ 나노 포토닉스 구조와 입자를 활용하여 생체 및 세포 내에서 대용량 초고속으로 단일 생체 분자 수준으로 생체 분자의 상호작용을 추적하는 융합기술 개발.

3. 특기 사항


4. 예산 10억원 / 년

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RFP 번호 NP-BT-2

연구분야명 단일 분자 수준 초고감도 나노 포토닉스 감지 기술

1. 연구목표

○ 최종목표인간 질병 연구의 획기적인 개선과 질병의 조기 진단을 위해, 질병 유관 물질을 단일 분자 수준에서 초고감도로 감지 할 수 있는 나노 포토닉스 기술 개발.

○ 단계별 연구개발 목표1단계: 기존의 형광체가 가지고 있는 발광 특성의 근본적인 한계를 해결하고, 생체 내에서 사용 가능한, 생체적합 다기능 나노 포토닉스 입자 개발.2단계: 질병 유관 물질을 단일 분자 수준에서 감지하고, 다른 분자간의 상호작용을 살아있는 세포 내에서 초고감도로 연구할 수 있는 나노 포토닉스 융합 기술 개발.

2. 연구내용 및 범위○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2)

§ 나노포토닉스 구조를 적용하여 단일 발광체의 광학적 특성(선택적 여기 파장, 높은 발광율)을 획기적으로 개선하는 차세대 발광체 개발.

§ in-vivo 실시간 영상화에 효과적으로 사용될 수 있는 생체 적합 다기능 나노 포토닉스 입자 개발.

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) § 새로운 나노포토닉스 발광체와 nano-illumination 기술 개발을 바탕으로 기

존 FRET(Forster resonance energy transfer) 기술이 가지고 있던 photo-bleaching과 시편들 간 cross-talk 문제를 근본적으로 해결하는 신 기술 개발.

§ 나노 포토닉스 구조와 입자를 활용하여, 수많은 단백질이 상호 작용을 일으키는 살아있는 세포내에서 선택적으로 발광된 단백질을 수 분 이상 FRET으로 측정할 수 있는 융합기술 개발.

§ 나노 포토닉스 입자를 활용하여 빛의 회절 한계보다 작은 광원을 생체 안에서 효과적으로 생성하고 선택적으로 제어. 이를 통해 생체 세포내에서 질환과 연계된 단백질 간 상호작용 연구

3. 특기 사항


4. 예산 5억원 / 년

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RFP 번호 NP-BT-3

연구분야명 나노 포토닉스를 이용한 국소근접장 나노 광집게 개발

1. 연구목표

○ 최종목표바이오 센서/이미징 기술에 결합 가능한 나노포토닉스를 이용한 생체분자 조작 나노 스케일의 광집게를 개발한다.

○ 단계별 연구개발 목표1단계 : 나노구조를 이용하여 수십 나노미터 영역에 생체분자나 나노입자를 포획할 수 있는 나노광집게를 개발하고, 이를 집적화 / 병렬화하는 기술을 개발한다.

2단계 : 바이오 칩, 광학현미경 같은 바이오 센서 / 이미징 기술에 결합 가능한 바이오 조작 기술을 개발한다.


○ 1단계 (‘12.3 ~ ’15.2) Ÿ 나노 광공진기, 나노 안테나 같은 수십 나노미터 영역에 강한 근접장을 형성

하는 나노구조를 이용하여 생체분자나 입자를 포획할 수 있는 나노광집게 개발.

Ÿ 여러개의 나노구조를 병렬적으로 구동하는 집적된 나노광집게 개발.

Ÿ 기존 원장 광집게와 결합하여 조작 영역과 효율을 최대로 하면서 초정밀 조작이 가능한 나노&마이크로 광집게 개발.

○ 2단계 (‘15.3 ~ ’17.2) Ÿ 형광현미경 같은 바이오이미징 기술과 결합하여 이미징 대상의 실시간 조작

이 가능한 나노광집게 기반 바이오이미징 기술 개발.

Ÿ 바이오센서와 결합하여 집적된 나노광집게로 대상의 농도 등의 측정조건의 in-Situ 조절 가능한 능동형 바이오센서 기술을 개발하여 측정의 효율을 높이고, 측정한계를 극복하는 기술 개발.

Ÿ 근접장에 의해 발생하는 힘을 이용하여 단일 생체분자에 역학적 조작을 가하면서 생화학적 변화를 측정하는 기술 개발.

3. 특기 사항


4. 예산 5억원 / 년

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본 연구보고서에 기재된 내용들은 연구책임자의

개인적 견해이며 교육과학기술부의 공식견해가

아님을 알려드립니다.

교육과학기술부 장관 ○ ○ ○

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