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- [연구] 정현석 교수 연구팀, 고분자 가교 중합을 이용한 수분에도 안정한 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발
- [그림] 신소재공학부 정현석 교수 · Guo He 연구원 (왼쪽부터) 고분자 가교 중합을 이용한 수분에도 안정한 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 이 연구는 할라이드 페로브스카이트 박막의 입계 결함과 격자 변형 문제를 효과적으로 해결하여 상용화 가능성을 높인데 학술적 의의가 있다. 신소재공학부 및 성균에너지과학기술원 소속 정현석 교수가 이끄는 공동연구팀이 페로브스카이트-폴리머 복합체를 활용하여 고효율 및 고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다고 밝혔다. 할라이드 페로브스카이트 박막은 기판과의 열팽창 계수 불일치에 의해 결정 성장 과정 중 격자 변형이 발생하고 박막 내 잔류 응력을 유발한다. 이는 이온 이동 활성화 에너지를 감소시켜 페로브스카이트 분해를 가속하는 문제가 있어 안정성 확보를 위해 관련 기술 개발이 요구되었다. 또한 할라이드 페로브스카이트 물질은 수분에 매우 취약하여 상용화를 위해 수분 안정성 확보 또한 지속적으로 요구되어 왔다. 이에 정현석 교수 연구팀은 이러한 고효율 태양전지의 상용화에 큰 장애물로 작용해 온 페로브스카이트의 불안정성을 극복할 수 있는 혁신적인 방법을 개발했다. 연구팀은 비정질 페로브스카이트 박막과 아크릴아미드(Acrylamide) 단량체에 빛을 조사하여 교차결합시켜 안정적이고 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제작했다. 이 방법은 박막 내에서 결정 성장 및 결정 간의 교차결합을 촉진시켜 페로브스카이트 박막의 안정성을 크게 향상시켰다. 특히, 아크릴아미드 단량체는 페로브스카이트 박막의 결정립 크기를 확장시키고, 결정의 선호 방향성을 유도하며, 교차결합층은 페로브스카이트 박막을 수분에 의한 열화로부터 보호함을 밝혀냈다. 연구팀은 이번 연구를 통해 개발된 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 장기적인 안정성을 확보하는 데 큰 성과를 거두었다고 밝혔다. 연구 결과에 따르면, 제안된 전략을 사용하여 제작된 소자는 24.45%의 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)과 1.199 V의 개방 회로 전압(VOC, Open Circuit Voltage)을 달성했으며, 이는 TiO2로 구성된 전자 수송층(Electron Transport Layer)을 포함한 할라이드 페로브스카이트 태양전지 분야에서 보고된 최고 VOC이다. 또한 고습 환경에서의 높은 안정성(700시간 후 초기 성능의 80% 유지) 및 광안정성(1,008시간 후 초기 성능의 80% 유지)를 확인했다. 페로브스카이트 박막 내 압력 결함 제어 및 고결정 페로브스카이트 박막 형성 과정 추가적으로, 연구팀은 제안된 전략을 활용하여 대면적 PSC 모듈을 제작했으며, 이 모듈은 33cm²의 활성 면적에서 77.1%의 높은 필팩터(Fill factor), 20.31%의 전력 변환 효율과 뛰어난 저장 안정성을 보여 대면적 소자로의 확장 가능성 또한 입증했다. 이 연구는 할라이드 페로브스카이트 박막의 입계 결함과 격자 변형 문제를 효과적으로 해결하여 상용화 가능성을 높인데 학술적 의의가 있다. 정현석 교수는 "아크릴아미드 단량체를 사용한 새로운 접근법이 격자 변형을 완화하고 페로브스카이트 박막의 결정 성장을 제어하여 고품질 박막을 생산할 수 있으며 박막의 소수성 특성을 확보하여 할라이드 페로브스카이트 소재의 오랜 문제인 수분 안정성에 대한 문제를 해결하는 등 상용화에 기여할 수 있는 기술로 기대된다."고 설명했다. 본 연구 성과는 에너지, 연료(Energy&Fuels) 분야 상위 3% 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 표지 논문으로 2024년 1월 5일에 게재되었다. ※ 저널명: Advanced Energy Materials ※ 논문명: In Situ Polymerization of Cross-Linked Perovskite–Polymer Composites for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells ※ DOI: 10.1002/aenm.202302743 ※ 저자 - 교신저자: 정현석 교수(성균관대학교 신소재공학부 / 성균에너지과학기술원), 한길상(한국화학연구원) - 제1저자: Guo He(성균관대학교 신소재공학과 박사과정) - 공동저자: 윤건우(성균관대학교 신소재공학과 석박통합과정), Zi Jia Li(China New Energy R&D Center), 윤영훈 박사, 이상욱 교수(이하 경북대학교 신소재공학부), 서유현 박사, 전남중 선임연구원(이하 한국화학연구원)
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- 작성일 2024-09-05
- 조회수 869
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- [일반] 신소재공학부 주관 PIXEL 사업단, 부트캠프 디스플레이 분야 사업단 선정
- 신소재공학부 주관 PIXEL, 부트캠프 디스플레이 분야 사업단 선정 - 신소재공학부 조형균 교수 PIXEL 인재양성 사업단, 5년간 70억원 지원받아 - 교육부 첨단산업 인재 양성 부트캠프 디스플레이 분야 선정...고급 인재 육성 신소재공학부 조형균 교수의 PIXEL 인재양성 사업단이 교육부의 2024년 첨단산업 인재 양성 부트캠프에 선정되어 디스플레이 분야 고급인재 양성에 나선다. 사업단은 매년 14억원씩 5년간 70억원의 지원을 받아 사업을 수행할 예정이다. PIXEL 사업단은 디스플레이 분야 인재양성을 위해 코닝정밀소재를 포함한 47개의 산업체와 함께 투명 디스플레이, 3D, 자동차, XR 등 차세대 디스플레이 핵심 기술 등을 다루는 이론-실무 융합 교육과정을 산학협력 모델로 구축한다. 아울러 학생 주도형 연구과제 수행 등 디스플레이 트랙 프로그램을 통해 산업계에 필요한 인재를 양성한다는 계획이다. ▲ 2024년 첨단산업 인재 양성 부트캠프에 선정되어 디스플레이 분야 고급인재 양성에 나서는 PIXEL 인재양성 사업단 우리 대학은 보유하고 있는 우수한 교수진과 교육·연구 인프라를 활용해 소재, 공정, 소자를 포함한 디스플레이 분야 전반에 대해 단계별 교육과정을 개설하는 등 학부생 특화형 교육을 진행한다. 이를 통해 풍부한 실무경험, 높은 산업 이해도, 전문 연구 경험, 글로벌 역량을 두루 갖춘 디스플레이 분야 고급 인재를 양성한다. 조형균 교수는 “세계 최고의 기술력을 보유한 국내 디스플레이 산업은 경쟁국 대비 초격차 기술력을 확보하는 것이 중요하며 이를 위해서는 차세대 디스플레이 산업을 주도할 국내 고급 인력을 꾸준하게 배출해야 한다”라며 “특히 우수한 학부 인재들이 산업 트렌드의 변화를 이해하고 선도할 수 있는 산업 맞춤형 교육을 수행하는 것이 필요하다”고 밝혔다. 덧붙여 “학부생들이 실무경험과 연구 경험을 균형 있게 습득할 수 있도록 정교하게 교육과정을 설계할 것”이라고 말했다. 한편 교육부는 반도체, 이차전지, 바이오, 디스플레이, 항공·우주 등 5개 첨단산업 분야의 인재를 양성하는 2024년 첨단산업 인재 양성 부트캠프에 성균관대를 포함한 32개교를 신규 선정하였다고 발표하였다.
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- 작성일 2024-07-31
- 조회수 1062
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- [연구] 조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발
- [그림] 김동수 박사, 오신영 연구원, 이학현 연구원 (왼쪽부터) 이산화탄소 분해해 재활용 가능한 신재생 에너지원 생산에너지 분야 국제학술지, 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 3월호 표지논문 선정 성균관대(총장 유지범) 신소재공학부 조형균 교수 연구팀(김동수 박사, 오신영, 이학현 연구원)이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 광전극과 나노입자 촉매 융합연구를 통하여 고부가가치 화합물로 제조할 수 있는 친환경 신재생 에너지 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 이산화탄소의 분해를 위해서는 외부로부터 많은 에너지가 요구되는데 광전기화학적 이산화탄소(CO2) 분해는 태양광을 활용하여 이산화탄소로부터 신재생 에너지원을 생성하는 기술로 친환경적인 미래 기술이다. 연구팀은 원자단위의 선택적 광환원 촉매 기술력을 반도체 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 탄소중립 달성 및 이산화탄소 분해 상용화의 가능성을 확인하였다. 무한한 청정에너지인 태양광을 활용하여 이산화탄소 분해에 필요한 에너지를 최소화하며 동시에 95% 이상 일산화탄소로(CO) 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이는 현재까지 논문으로 보고된 수치 중 가장 높은 결과값이다. 대기 중 온실가스를 제거함과 동시에 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있는 일산화탄소(CO), 에탄올(C2H6O), 메탄올(CH3OH), 개미산(HCOOH) 등의 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이지만 이산화탄소 분자는 화학적으로 높은 안정성을 지녀 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 큰 난제로 여겨지고 있다. 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 3월호 표지. 연구팀이 개발한 광전기화학적 이산화탄소 전환 및 분해 기술은 태양광과 전기를 활용해 온실가스인 이산화탄소를 재활용 가능한 신재생 에너지원인 탄소화합물로 바꾸는 기술이다. 이 기술은 지구온난화를 일으키는 온실가스의 감축을 위한 수단으로 최근 많은 주목을 받고 있다. 또한, 일산화탄소는 초산, 플라스틱을 비롯한 다양한 화학물질을 생산할 수 있으며, 합성 연료유, 메탄올과 같은 대체에너지원을 생산하는 데 필요한 원료 물질이다. 이산화탄소 광전기화학적 전환은 광흡수층과 촉매의 결합이 중요하다. 광전기화학 전환에 높은 활성을 보이는 금, 백금, 은과 같은 귀금속 촉매는 전환 비용이 높아 기술적 비용 절감에 한계를 겪고 있다. 따라서, 기존 귀금속 촉매 물질에서 저비용 촉매로의 변화와 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지원을 태양광으로 유도할 수 있는 적합한 반도체 광전극 및 시스템 개발이 필요한 실정이다. 연구팀은 저비용의 나노입자 구리(Cu) 촉매를 산화물 반도체(Cu2O) 흡수층으로부터 전기화학적 성장하여 촉매와 흡수층 사이 흡착력 증가 및 계면저항 감소에 대한 시너지 효과를 발생시켜 이산화탄소 분해에 사용되는 과전압을 줄임과 동시에 이산화탄소 분자를 보다 효과적으로 분해하여 95% 이상 일산화탄소로 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이에 연구팀은 산화구리(Cu2O) 흡수층의 본질적인 광환원 반응을 이용하여 제조된 나노입자 구리 촉매로 효율적인 이산화탄소 환원을 대면적, 저비용으로 가능하게 하는 혁신적인 2단계 촉매 생성 전략을 제안하였다. 이 접근법은 ▲물리적으로 밀도 높게 분산된 구리 나노입자의 성장과 ▲전기화학 구리 클러스터 촉매의 전기화학 결합으로 인하여 효과적으로 이산화탄소 분해를 달성하였다. 광흡수층(Cu2O)과 구리 촉매의 결합은 광부식 억제와 함께 0VRHE에서 -1.2mA/cm2의 광전류 성능을 보여주며 고순도 일산화탄소 생성물을 생성할 수 있다. 성균관대 조형균 교수 연구팀의 김동수 박사는 “무한한 태양광을 통해 지구온난화를 막아낼 이산화탄소 분해 촉매 형성의 새로운 발견이며, 고효율 이산화탄소 광전기화학 분해 연구의 초석이 될 것”이라며 “가장 시급한 글로벌 이슈인 탄소중립과 지속가능한 에너지원 발견에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 “광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 지난 1월 9일 온라인 게재 및 3월호 표지를 장식했다. ※ 논문제목: Harmonized Physical and Electrochemical Process Design for Densely Dispersed Cu Catalysts on Cu2O Absorbers for Efficient Photoelectrochemical CO2 Reduction Reaction 출처 : Usline(유스라인)(http://www.usline.kr)
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- 작성일 2024-05-17
- 조회수 3937
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- [일반] 코닝정밀소재 현장견학 진행
- 코닝정밀소재 현장견학 진행 지난 5월 10일 금요일 신소재공학부 교수와 학생 등 80여 명이 코닝정밀소재에 방문하여 코닝 정밀소재라는 회사와 퓨전공법 등 소재분야의 첨단 기술에 대해 설명을 듣고, 가공공정을 함께 둘러보는 현장견학을 진행했다. 이번 현장견학은 학생들에게 학과 전공 분야의 우수한 회사를 체험하고, 앞으로의 진로의 방향성을 제시할 수 있는 시간이 되었다. 회사 차원에서는 미래 우수 인재를 확보하고 회사 브랜드를 제고하기 위한 홍보 활동의 일환으로 기획되어, 회사와 학교가 공조하여 서로에게 도움이 되는 혁혁한 사례가 되었다. 행사는 코닝정밀소재 인사그룹 공영삼 그룹장과 성균관대 신소재공학부 학부장 조형균 교수의 환영 인사로 시작하여, CTCK의 M&S(Modeling & Simulation) 리더 윤홍 그룹장이 “Glass age – vital to our future” 라는 주제로 코닝의 유리, 세라믹, 광물리학의 170년 여정에 대해서 소개했다. 이어진 Q&A 세션에서, 학생들은 코닝의 글로벌한 환경과 조직에서 일하는 방식, 입사하려면 필요한 역량, 복리후생, 등에 대해서 질의 응답 시간을 갖았으며, 다양한 연구 과제와 제품군에 대하여 “유리와 세라믹이 활용되는 아이템이 생각보다 다양하고, 코닝이 진행하는 사업의 범위가 굉장히 넓어서 놀랐다.’는 소감을 전했다. 마지막 순서로 가공설비그룹 이상훈 그룹장의 제조 공정 소개와 가공공정 투어가 이어졌다. 투어 중 학생들은 “수업 시간에 배웠던 내용인데, 실제로 보니 훨씬 큰 규모에 자동화 되어있어서 놀랐다”, “실제로 구현되는 모습을 보니 신기하다” 고 말했다. 이날 학생들을 인솔한 성균관대 신소재공학부 조형균 교수는 “신소재공학 전공자로서 코닝과 같은 전문 소재 기업으로의 취업은 본인의 전공을 최대한 활용할 수 있는 글로벌 커리어를 쌓을 수 있는 좋은 기회가 될 것”이라고 말했다. 행사를 담당한 코닝정밀소재 인사그룹 전현진 프로는 “초청 설명회는 미래의 임직원 후보자 혹은 잠재 고객에게 코닝의 차별화된 강점과 170년 유산을 공유할 수 있는 소중한 기회였으며, 대면 행사를 통해서 정서적으로도 소통한다는 점에서 어떤 채용 브랜딩 행사 보다도 특별하다”라는 말로 행사를 마무리 지었다.
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- 작성일 2024-05-16
- 조회수 3204
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- [연구] 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발
- 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 개발된 맥신 나노소재가 저주파인 라디오파(RF)에서부터, X-band, 테라헤르츠, 적외선에 이르는 광범위한 주파수 영역에서 우수한 전자기파 차폐 및 흡수 성능을 가지는 소재임을 확인 신소재공학부 구종민 교수 신소재공학부 구종민 교수 연구팀은 스텔스* 국방 기술 및 고집적 통신/전자기기의 전자파 차폐 기술에 활용할 수 있는 맥신(MXene) 전자기파 흡수 소재를 개발했다고 4일 밝혔다. * 스텔스기술: 전자기파(波)를 흡수해 레이더 영상에 나타나지 않게 하는 기술로 레이더에 의한 항공기, 미사일의 조기 발견을 곤란케 하는 기술. 전자기파(electromagnetic wave)의 흡수 소재 개발은 레이더 탐지를 무력화하는 스텔스기술 및 통신/전자기기에서 발생하는 유해 전자파 차단·제거를 위해 꼭 필요한 기술로 많은 주목을 받고 있다. 현재 국내 스텔스 전투기 도료기술은 많은 부분을 해외에 의존하고 있어 이에 관한 연구와 개발이 필요하며 고집적 전자장치용 전자파 흡수 소재 개발을 위해서는 가볍고 얇으면서 코팅 가공성이 우수한 소재 기술 개발이 필요하다. 이에 구종민 교수 연구팀은 맥신(MXene) 이차원 나노소재와 ZIP(zeolitic imidazolate framework) 나노소재의 자기조립 구조체를 이용하여 효율적인 스텔스 성능과 전자파 흡수 특성을 가지는 소재를 개발하였다. 맥신 소재 (MXene)는 Ti(티타늄), V(바나듐), Mo(몰리브덴) 등과 같은 전이금속(M)과 질소 또는 산소 원소 (X)을 포함하는 전이금속탄화물 또는 질화물 (Mn+1Xn, n=1=4) 이차원 소재로 전기전도성이 매우 우수한 특성을 가진다. 또한 다량의 표면작용기가 존재하여 표면 음전하 특성을 보이는 나노소재이다. 반면 ZIP 나노소재는 CO2+와 같은 금속양이온과 2-methylimidazole(Hmim)와 같은 유기분자 음이온으로 형성된 3차원 나노소재이다. 연구팀은 유기분자구조를 조절하여 표면양전하를 띠는 ZIP 나노소재를 제조하였다. 연구팀은 맥신의 표면 음전하 특성과 ZIF 나노입자의 표면 양전하 특성을 이용해 정전기적인력(electrostatic interaction)에 의한 자기조립 하이브리드 나노구조 소재를 제작하였다. 이 소재는 각 나노소재의 상반된(음·양전하) 표면전하특성에 의해 이종계면(heterointeface)에서 매우 강한 내부 전기장(built-in electric field, BIEF)이 형성된다. 이 내부 전기장이 강한 유전손실을 유도하여 X-band (8-12 GHz) 주파수 영역*에서 2.5mm 두께의 스텔스 성능(반사손실 RL)을 보여주었고 47.5dB, 유효밴드범위가 6.3GHz인 우수한 전자파 흡수 성질 및 스텔스 성능을 가진다는 것을 밝혔다. 연구팀은 개발된 맥신 나노소재가 저주파인 라디오파(RF)에서부터, X-band, 테라헤르츠, 적외선에 이르는 광범위한 주파수 영역에서 우수한 전자기파 차폐 및 흡수 성능을 가지는 소재임을 확인하였다. 이를 활용하면 스텔스 응용뿐 아니라 통신/전자소자용 차폐 소재, 적외선 스텔스, 적외선 위조 방지 등 다양한 기술로 활용 가능하다. 구종민 교수는 “맥신 소재는 향후 국내 KF-21 스텔스 전투기 제작사업에서 스텔스 소재로 활용할 수 있으며 그 외에도 최첨단 고집적 전자소재 그리고 전기 자동차의 유해 전자파 흡수 소재로도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 사업, 출연연융합연구사업과 포스코(POSCO)의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 Advanced Materials(IF: 29.4)와 Nature Reviews Electrical Engineering 저널에 동시에 온라인 게재되었다. 1. Zhenguo Gao, Aamir Iqbal, Tufail Hassan, Shengchong Hui, Hongjing Wu*, Chong Min Koo*, “Tailoring Built‐in Electric Field in a Self‐Assembled Zeolitic Imidazolate Framework/MXene Nanocomposites for Microwave Absorption”, Advanced Materials 2024, 2311411 (https://doi.org/10.1002/adma.202311411) 2. Aamir Iqbal, Tufail Hassan, Shabbir Madad Naqvi, Yury Gogotsi, Chong Min Koo*, "MXenes for multispectral electromagnetic shielding”, Nature Reviews Electrical Engineering 2024, 1, 180-198. [연구그림 1] 맥신(MXene) 이차원 나노소재 구조 및 라디오파에서 적외선에 이르는 광대역 주파수 범위에서 발현되는 우수한 전자파 차폐 효과 [연구그림 2] 맥신-ZIF 나노입자의 자기조립구조 및 형성된 하이브리드 구조의 내부전기장(BIEF) 형성 효과 [연구그림 3] 맥신-ZIF 하이브리드의 계면에 형성된 내부전기장(BIEF) 효과 및 BIEF효과에 의해 유도된 우수한 스텔스 성능
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- 작성일 2024-05-03
- 조회수 3145
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- [연구] 원병묵 교수 연구팀, 땀방울의 체온 유지 메커니즘 규명
- 땀방울의 체온 유지 메커니즘 규명 기후 위기에 맞서 건강 보건, 스포츠 과학, 일기 예보, 기능성 소재 개발 등에 활용될 것으로 기대 신소재공학부 원병묵 교수는 땀방울의 불완전 증발이 체감온도를 결정하는 '열지수 (Heat Index)'의 물리적 근원임을 최초로 규명했다고 밝혔다. 지구 온난화 때문에 덥고 습한 날이 많아지면서 유럽과 미국에서는 덥고 습한 날 사망하는 사례가 속출하고 있다. 기온과 습도에 따라 달라지는 체감온도는 ‘열지수 (Heat Index)’라는 값에 의해 결정된다. 열지수는 전 세계 거의 모든 국가에서 일기예보에 활용하고 있다. 가령, 습도가 70%이며 32°C인 날의 열지수는 41°C이다. 즉, 우리가 느끼는 체감온도는 41°C이다. 건조한 날에 비해 습한 날은 더 높은 체감온도를 경험한다. 아주 습하고 더운 날은 열지수가 높고 체온 유지가 어려워 생명이 위험할 수 있다. 하지만 열지수의 정확한 물리적 근원에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. ‘습하고 무더운 날 체온 유지가 어렵다’ 정도만 알고 있을 뿐이다. 우리 몸은 땀을 방출하여 땀방울이 증발할 때 열을 내보내 체온을 유지한다. 체온 유지는 생명 유지에 중요한 작용으로서 일상 생활 또는 운동할 때와 같이 우리의 건강과 직결되어 있다. 이토록 땀을 흘리면 체온이 내려간다는 것은 잘 알려진 사실이지만, 기온과 습도에 따라 땀에 의한 체온 유지 메커니즘이 어떻게 열지수와 관련 있는지 정확하게 밝혀진 것이 없다. 원병묵 교수 연구팀은 땀방울이 순수한 물방울과 약 1% 염분 차이가 발생한다는 사실에 착안하여, 기온과 습도에 따른 땀방울 증발 현상을 정밀 관찰하였으며, 땀방울이 순수한 물방울과 달리, 무덥고 습한 조건에서 완전 증발이 되지 않고 일부의 물이 잔존하는 ‘불완전 증발’을 한다는 사실을 발견했다. 땀방울의 불완전 증발에 따른 열손실을 측정하여 습한 환경에서 땀방울의 불완전 증발이 높은 열지수의 물리적 근원이라는 사실을 최초로 입증했다. 낮은 습도에서는 땀방울이 완전히 증발하여 땀 침전물만을 남기는 반면, 높은 습도에서는 땀 침전물 뿐만 아니라 수분이 잔류하고 있다. 높은 습도에서는 땀 잔여물이 주위 공기에서 수분을 지속적으로 흡수하기 때문이다. 이러한 불완전 증발은 땀증발에 의한 열전달 효율을 감소시켜 열지수를 높이고 신체의 체온 조절 능력을 떨어뜨린다. 땀방울의 체온 유지 메커니즘에 대한 이해는 습하고 더운 날씨가 자주 등장하는 최근 기후 위기에 맞서, 인류의 건강 보건, 스포츠 과학, 일기 예보, 기능성 소재 개발 등에 매우 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 이번 연구 결과는 4월 16일 미국화학회가 발행하는 환경과학 분야 저명 학술지 ‘환경과학과 기술 (Environmental Science & Technology)’에 표지 논문으로 게재됐다. 이번 연구성과는 아모레퍼시픽의 연구비 지원을 통해 수행되었다. ※ 저널: Environmental Science & Technology (2024), Impact factor 11.4 (2022년 기준), JCR 환경과학 분야 상위 6.7% 저널 ※ 논문제목: Heat transfer by sweat droplet evaporation ※ DOI 10.1021/acs.est.4c00850 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c00850 ※ 공동 제1저자: Mohadese Beigtan 박사, Marta Gonçalves 박사 ※ 교신 저자: 원병묵 교수 (성균관대학교 신소재공학부) 땀방울의 불완전 증발이 열지수의 원인이라는 연구 결과 표지 논문, 4월 16일 출판 (좌) 원병묵 교수 (중) Mohadese Beigtan 박사 (우) Marta Gonçalves 박사
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- 작성일 2024-04-17
- 조회수 3277
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- [학생실적] 신소재공학부 연성물질물리연구실(원병묵 교수) 박사후 연구원 소피아 브리토 박사, 성장기 새치 생성을 유도하는 유전자 발견
- 성장기 새치 생성을 유도하는 유전자 발견 인간은 누구나 나이가 들면, 정도의 차이가 있지만 흰머리가 하나, 둘 늘어난다. 주로 멜라닌형성세포(Melanocyte)의 활성 감소와 노화에 따른 세포 사멸 등이 원인으로 지목되고 있다. 하지만, 어떤 사람은 유전적 요인으로 인해 상대적으로 젊은 시기부터 흰머리가 나기 시작하며, 일부 사람들은 성장 과정 중에도 흰머리가 확인된다. 이러한 조기 새치 생성 원인은 아직까지 알려진 바가 전혀 없으며, 관련 유전자도 지금까지 보고된 바 없다. 우리 대학 신소재공학부 연성물질물리연구실(원병묵 교수) 박사후 연구원인 소피아 브리토 박사는, 인간 유전체에 존재가 확인되었으나, 그 기능이 전혀 알려지지 않은 식물 설탕 운송 막단백질에 관심을 가지고 연구를 거듭한 끝에 우연히 성장기 새치 생성 유도에 관여함을 발견하였다. 동정된 Slc45a4 유전자는 식물에 널리 존재하는 설탕 운송 막단백질을 코딩(Coding) 하고 있다. 이 유전자가 결핍된 마우스는 태어나서 성장기에 들어서면 갑작스럽게 새치가 늘어난다. 하지만, 성장기가 끝난 시점에는 본래의 색깔의 털들도 대체된다. 이 독특한 현상은, Slc45a4 유전자가 결핍되면 배아 발달과정의 신경능선 (Neural crest)에서 멜라닌모세포(Melanoblast)가 적절히 분열할 수 없어 성장기에 필요한 멜라닌형성세포의 숫자가 부족하여 일어나는 현상으로 추정되고 있다. 그렇다면 어떻게 멜라닌형성세포의 숫자가 부족하게 되었을까? 그리고, Slc45a4 유전자가 결핍되면 신경 발달에도 문제가 있지 않을까? 아직까지 그에 대한 명확한 메커니즘을 발견하지 못했지만, Slc45a4 유전자가 번역되어 만들어진 단백질이 과당을 운반할 수 있음이 시사되어, 과당이 신경능선에서 에너지원으로 사용되고 있을 수 있다. 현재, 추가적으로 Slc45a4 유전자의 신경에서 역할 연구를 포함하여 공동 연구를 진행할 곳을 찾고 있으며, 향후 이 난문이 해결되길 기대하고 있다. 소피아 브리토 박사는 현재 피부과학과 연성물질물리를 접목한 새로운 연구 분야를 개척하고 있으며 피부노화 및 질환을 억제하거나 완화하기 위한 생체적합 물질을 개발하여 국제 특허를 출원하는 등 활발한 연구 활동을 이어가고 있다. 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 피부과학 분야의 세계적인 학술지 ‘저널 오브 인베스티게이티브 더마톨로지 (Journal of Investigative Dermatology)’에 지난 3월 게재되었다. ※ 저널: Journal of Investigative Dermatology, JCR 피부과학 상위 8.6% 저널 ※ 제목: The Slc45a4 Gene Regulates Pigmentation in a Manner Distinct from that of the OCA4 Gene Slc45a2 ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.jid.2023.08.027 ※ 제1저자: Sofia Brito 박사 ※ 지도 교수: 원병묵 교수 (성균관대학교 신소재공학부) (소피아 브리토 박사)
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- 작성일 2024-04-11
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- [연구] 이재찬교수 연구팀, 전이금속 산화물에 숨겨진 물질상태 예견 및 구현
- 전이금속 산화물에 숨겨진 물질상태 예견 및 구현 예견한 물질의 상태를 박막 표면에 실험적으로 구현 신소재공학부 이재찬 교수 · 정봉욱 연구원 신소재공학부 이재찬 교수 공동연구팀은 전이금속 산화물에 숨겨진 물질 상태를 이론적으로 예견하고, 이를 박막 표면에 실험적으로 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 본 연구에서 예견 및 구현한 숨겨진 물질 상태는 전하 질서상으로, 초전도 특성, 거대 자기저항, 다강성 등 중요한 응용 물성을 유도하는 데 있어서 출발점으로 알려져있는 물질 상태이다. 전하 질서상은 지금까지 전이금속 산화물 중 전이금속 양이온의 d 궤도를 전자가 다량 점유하고 있는 경우에 존재할 수 있는 것으로 알려졌으나, 본 연구에서는 전자가 전이금속 양이온의 d 궤도를 가장 적게 점유하고 있는 전이금속 산화물에서도 전하 질서상이 박막 표면에 안정적으로 존재할 수 있음을 이론적으로 예견하고 실험적으로 구현하였다. ※ 전하 질서상(Charge-ordered phase): 전자가 균일하게 분포하는 물질에서 전자가 서로 다른 원자에 국소화 되는 상전이가 일어나 서로 다른 원자가를 가지는 이온들이 일정한 규칙성을 띠고 질서 있게 배열된 물질 상태. 초전도 특성, 자기장 인가에 따라 전기저항이 크게 바뀌는 거대 자기저항(colossal magnetoresistance), 강유전성(ferroelectricity)과 강자성(ferromagnetism)이 동시에 존재하는 다강성(multiferroic) 등 중요한 물성과 연결될 수 있음. 본 연구의 학술적 의미는 전하 질서상의 존재는 원소 주기율표에서의 3d 전이금속 산화물 전 영역에서 발생될 수 있음을 밝혔다는 것이다. 본 연구의 대상인 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3)은 대표적인 페로브스카이트 전이금속 산화물로 복합 산화물에서 최초로 초전도상이 발견되는 등 중요한 물성이 발현된 바 있다. 그러나 타이타늄산 스트론튬은 전이금속인 타이타늄의 d 궤도를 점유하고 있는 전자가 다른 전이금속에 비해 가장 적어 상대적으로 전자와 전자 간의 상호작용이나 전자와 격자 간의 결합이 약한 물질로 알려져왔다. 이로 인해 전하 질서상이 존재하기 힘들다고 알려져 있었고, 강상관계 물질로서의 신물성 유도에는 제한적으로 활용되어왔다. ※ 페로브스카이트 전이금속 산화물(Perovskite transition metal oxide): ABO3의 화학식으로 표현되는 페로브스카이트 구조를 가지는 전이금속 산화물. 육면체의 꼭짓점인 A 자리에 원자가가 2+인 알칼리 토금속 혹은 원자가가 3+인 란타넘족 원소의 양이온이, 육면체의 체심인 B 자리에 원자가가 3+ 혹은 4+인 전이금속 양이온이 각각 위치하고, 육면체의 면심에는 산소가 위치하는 구조를 가짐. 체심에 위치하는 전이금속 양이온의 d 궤도가 에너지 띠 구조에서 전도 띠(conduction band)를 형성하며 전자, 격자, 궤도, 스핀 간의 상호작용이 크고 이를 통해 새로운 물성을 유도할 수 있어 널리 연구됨. ※ 강상관계 물질(Strongly correlated materials): 전자, 격자, 궤도, 스핀 간의 상호작용으로 일반적인 도체나 부도체에서 알려지지 않은 새로운 물성을 보일 수 있는 물질. 연구진은 우선 제일원리 계산으로 스트론튬을 란타넘으로 일부 치환해 전자가 도핑된 타이타늄산 스트론튬에서 전하 질서상이 준안정상으로 존재함을 이론적으로 예견하였다. 이후 연구진은 란타넘 도핑된 타이타늄산 스트론튬 박막을 타이타늄산 스트론튬 (001) 기판 위에 원자층 수준으로 제어하며 성장시켰고, 그 결과 박막 표면에서 전하 질서상이 유발되어 박막 내부로 침투하며 안정화되는 것을 실험적으로 확인하고 제일원리 계산으로 설명하였다. ※ 제일원리 계산(Ab-initio calculation): 경험적 수량을 전혀 사용하지 않고 기본적인 물리법칙만으로 물질의 물성을 계산하는 방법. 전자의 파동함수를 나타내는 슈뢰딩거 방정식을 풀어서 물질의 전자구조를 얻고 이를 통해 물질의 물리적, 화학적 물성을 이론적으로 예견함. ※ 준안정상(Metastable phase) 물질: 열역학적으로 에너지가 가장 낮은 안정한 상태로 존재하는 대부분의 물질과 달리, 열역학적 에너지가 안정상 보다는 높지만 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지의 양이 커서 비교적 안정한 상태로 존재하는 물질. 이재찬 교수는 “박막 표면을 이용해 준안정상을 안정화하는 본 연구의 접근방식은 추후 초전도, 거대 자기저항, 다강성과 같이 전하 질서상에서 비롯될 수 있는 중요한 물성을 발현시키는 데 있어 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다.”고 설명했다. ※ 논문명: Surface triggered stabilization of metastable charge-ordered phase in SrTiO3 ※ DOI: 10.1038/s41467-024-45342-8 ※ 저자 - 교신저자: 이재찬 교수(성균관대학교 신소재공학부), 엄창범 교수(위스콘신 대학교 매디슨 재료공학과) - 제1저자: 엄기태 교수(성균관대학교 신소재공학과 박사, 현 가천대학교 전자공학부), 정봉욱(성균관대학교 신소재공학과 석박사통합과정) - 공동저자: 오세훈(성균관대학교 신소재공학과, 현 숭실대학교 물리학과), Zhou Hua(아르곤 국립연구소 Physicist), 오상호 교수, 서진솔(이하 한국에너지공과대학교 에너지공학부), 최시영 교수, 장진혁(이하 포항공과대학교 신소재공학과), 최민수(성균관대학교 신소재공학과), 이윤상 교수, 서일완(이하 숭실대학교 물리학과), 이형우 교수, 김영민(이하 아주대학교 에너지시스템학과) 이정우 교수(홍익대학교 나노신소재학과), 이경준(위스콘신 대학교 매디슨 재료공학과), Mark Rzchowski 교수(위스콘신 대학교 매디슨 물리학과) ▲ 스트론튬을 란타넘으로 치환하여 전자 도핑된 타이타늄산 스트론튬 박막 표면에 유도된 전하 질서상의 확인
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- 작성일 2024-04-11
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- [연구] 김한기교수 연구팀, 차세대 페로브스카이트 태양전지 전용 저저항/고투과 ITO 투명 전극 소재/공정 기술 개발
- 차세대 대면적 고효율 페로브스카이트 태양전지 및 초고효율 탄뎀 솔라셀 구현을 위한 투명 전극 기술 확보 성균관대학교(총장 유지범) 신소재공학부 김한기 교수 연구팀은 차세대 대면적 고효율페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 전용 ITO 투명 전극 기술을 개발했다고 밝혔다. ※논문명: Advanced Energy Materials (Impact factor: 29.698) 12월 10일 게재 제목: Sn composition engineering toward the breakthrough of transparent front electrodes for efficient and stable perovskite solar cells. ※저자명: 김한기(교신저자), 석해준(제1저자) 기존연구의 문제점 및 한계성 극복: 기존 페로브스카이트 태양전지 연구는 전용 투명 전극없이 디스플레이나 기본 태양전지에 사용되는 Sn이 10 wt.% 도핑된 ITO 투명 전극만을 사용하여 진행하였기 때문에 최고효율달성에 한계가 있었다. 페로브스카이트 태양전지의 광활성층 및 버퍼층의 특성을 고려한 Sn 도판트 함량에 관한 연구는 이루어지지 않았기 때문에 현재 대부분의 연구가 디스플레이용 ITO 전극을 활용하여 연구를 진행해 오고 있다. 김한기 교수 연구팀의 페로브스카이트 태양전지 전용 ITO 투명 전극을 구현하기 위해 Co-sputtering 공정을 이용해 Sn 도판트 함량을 미세하게 조절하고 빛을 이용한 급속 열처리 기술을 도입하여 페로브스카이트 전용 ITO 투명 전극을 세계 최초로 구현하였다. CE-ITO (Composition Engineered ITO)로 명명한 페로브스카이트 태양전지 전용 투명 전극은 2.75 Ohm/sqaure의 낮은 면저항과 94%의 광투과도를 타나내어 전극 교체로만 페로브스카이트 태양전지 효율을 20.78% (일반적인 ITO 전극) 에서 23.35% (CE-ITO전그)로 대폭 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 뿐만 아니라 CE-ITO 전극에 제작된 페로브스카이트 태양전지는 일반적인 ITO에 제작된 페로브스카이트 태양전지에 비해 우수한 안정성을 나타내어 차세대 페로브스카이트 태양전지 상업화를 위한 핵심 기술을 확보하였다. 대부분의 연구팀은 페로브스카이트 광활성층 연구나 버퍼층 연구로 효율을 향상시키는데 김한기 교수 연구팀은 발상의 전환을 통해 투명전극을 특성을 대폭 향상시켜 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시키는 기술을 개발하였다. 김한기 교수 연구팀이 개발한 CE-ITO 전극의 우수한 전기적/광학적 특성 및 안정성은 페로브스카이트 광활성층의 에너지밴드를 고려한 Sn (주석) 도판트의 정확한 함량 제어와 빛을 이용한 급속 열처리를 통해 이루어지는 결정화 기술에 기인하고 있다. 이는 적층 구조로 제작되는 페로브스카이트 태양전지의 계면 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 구성하는 그 위에 성막되는 층의 결정성 또한 개선시키는 효과를 보여주기 때문이라고 연구팀은 설명하고 있다. 이러한 연구 결과는 차세대 태양전지로 알려진 페로브스카이트 태양전지 연구 및 상용화를 위한 핵심 전극 기술로, 반투명 페로브스카이트 태양전지, 초고효율 덴덤 태양전지의 상용화를 앞당길 것으로 예상하고 있다. 뿐만 아니라 CE-ITO 기술은 차세대 우주용 초고효울 태양전지의 안정성을 확보할 수 있는 기술로 적용이 가능할것으로 예상하고 있다. CE-ITO 투명 전극 CE-ITO가 적용된 반투명 페로브스카이트 태양전지 저자멘트: 본 연구팀은 발상의 전환을 통해 광활성층 연구나 버퍼층 소재 연구가 아닌 모두가 연구하지 않는 ITO 투명 전극의 특성을 대폭 향상시켜 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율을 극대화 할수 있는 기술을 개발하였다. 본 연구진이 개발한 CE-ITO 기술은 페로브스카이트 태양전지 뿐만 아니라 무기 디스플레이, OLED, 스마트 윈도우, 터치패널, 바이오센서, 및 투명 전자 소자 기술에도 적용이 가능하기 때문에 차세대 광전소자 특성을 전극의 교체로 대폭 향상 시킬수 있는 핵심 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. CE-ITO 기술은 김한기교수 실험실 스타트업 회사인 ㈜코코넛머터리얼즈(http://www.coconutmaterials.com)를 통해 연구용 TEG (test element group) 제품으로 양산을 준비하고 있으며 페로브스카이트 태양전지를 연구하는 대학/연구소/기업을 대상으로 공급될 전망이다. 사업지원 및 논문게재: 이 연구결과는 과학기술정보통신부 연구재료개발확산사업 및 경기도지역협력연구센터 (GRRC)의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials (IF: 29.698)에 12월 10일에 게재되었다.
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- 작성일 2024-01-11
- 조회수 4782
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- [학생실적] 포르투갈에서 온 과학자, K-뷰티의 두뇌가 되다 : 마르타 곤살베스 박사후연구원 인터뷰
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- 작성일 2023-10-04
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