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- [연구] 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 이방성 반도체 소재를 활용한 불규칙 저농도 독성이산화질소 탐지용 메모리 타입 센싱 시스템 제시
- 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 이방성 반도체 소재를 활용한 불규칙 저농도 독성이산화질소 탐지용 메모리 타입 센싱 시스템 제시 [그림1] 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 공동 제1저자 김영빈 박사, 정성현 박사과정 신소재공학부 조형균 교수 연구팀(공동 제1저자 김영빈 박사, 정성현 박사과정)은 일반적인 고농도 독성이산화질소 가스에 대한 경보 기능뿐만 아니라, 불규칙적/지속적 노출에 따른 누적량을 탐지하는 진보적 기능을 모두 탑재한 메모리 타입 가스 센싱 시스템을 제시했다고 밝혔다. 기존의 독성 가스 센싱 시스템은 치사량 이상의 순간적인 독성가스 노출을 탐지하여 시그널을 생성하는 것이 주된 기능이지만, 실생활에서는 치사량 이하 저농도 독성가스가 불규칙적이고 지속적으로 체내에 누적되어 치사량을 넘는 상황이 발생한다. 불규칙적인 가스 노출 환경에 따른 시그널을 생성하기 위해선 구동 및 자발적 회복기능이 동일한 환경에서 이뤄져야 하지만, 기존에 연구된 산화물 반도체와 같은 소재는 강한 화학흡착 기구를 통해 구동되기 때문에 불규칙적인 가스 노출 환경에 대한 시그널 생성에 어려움이 있었다. [그림2] 이에 연구팀은 저차원 결정구조 반도체인 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3) 나노플레이크(Nanoflake)를 디자인 및 개발하고, 이를 기반으로 고농도에서의 비상 경보기능과 저농도에서의 메모리타입 가스 센싱이 모두 가능한 시스템을 구현했다. [그림3] 일반적으로 저차원구조 소재 기반 가스 센싱은 결함이 존재하지 않는 반 데르 발스(van der Waals) 면에서 발생하는 물리적 흡착 (Physisorption)에 의해 상온에서 구동가능하며, 산화물 기반 센싱 소재의 끊어진 결합, 즉, 댕글링 본드(Dangling bonds) 면에서는 고온에서 반응하는 화학적 흡착(Chemisorption)을 통해 구동한다. Sb2Se3 나노플레이크 구조는 이방성 2차원 결정구조로 인해, 형성된 표면이 반 데르 발스 결정면과 댕글링 본드 결정면으로 이루어지는 이방성을 보이며, 상온 및 고온에서 모두 이산화질소 탐지가 가능하다. 특히 기존소재와 달리, 본 Sb2Se3 가스 센서는 상온에서도 매우 낮은 구동전압(1V)만을 필요로 하며, 자발적 회복 기능으로 별도의 처리 없이 지속적인 구동이 가능하다. [그림4] 연구팀은 2차원 결정구조를 가지는 Sb2Se3 나노플레이크 구조를 가지는 전도성 재료의 결정면에 따른 물리흡착기구와 화학흡착기구를 적극 활용하여 상온 구동 및 자발적 회복기능을 갖는 메모리타입의 센싱 시스템의 구현이 가능하게 하였다. [그림5] 조형균 교수는 “Sb2Se3 가스 센서 개발을 통해 치사량을 넘는 고농도 가스에 대한 비상경보 기능을 포함해, 극미량의 불규칙적이고 지속적인 노출 환경에서 체내에 누적됨에 따라 치사량을 넘을 수 있는 상황을 실시간으로 확인할 수 있도록 하는 메모리타입 센싱 시스템을 구현한 것은 큰 의미가 있다”고 말했다. 본 연구는 국가연구과제 "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)와 “스마트 플랫폼 첨단소재 개발연구 (Development of Advanced Materials for Smart Platform)” (No.2019R1A6A1A03033215)의 지원을 받아 수행되었으며, 소재과학(Materials science) 분야 상위 4.33% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Functional Materials (IF 18.808)에 2021년 6월 온라인 게재되었다.
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발
- 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발 - 정전기와 나노와이어 기반 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술 개발 - 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중 병원체 제거 - 향후 실내외 공조시스템 및 마스크 방호복으로 활용 [그림1] 신소재공학부 김상우 교수, 김영준 연구원 우리 대학은 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용하여 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체(바이러스, 박테리아)를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이로써 우리 주변에 흔히 존재하지만 사용되지 못하고 버려지는 진동 등의 운동 에너지를 수확(energy harvesting)하여 정전기를 발생시키고 실내외 병원체를 단기간에 제거할 수 있게 되었다. 공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적·경제적 손실이 발생하고 있다. 특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 COVID-19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있다. ㅇ 백신 개발에 필요한 시간을 고려하였을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제가 있다. 또한 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성이 있다. 연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 찾았다. 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 연구진은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음을 확인했다. 이는 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터와 비교했을 때 유사한 수준이지만 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술이다”며 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 17일(목) 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Triboelectrification induced self-powered microbial disinfection using nanowire- enhanced localized electric field ※ 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 김영준 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정), Zheng-Yang Huo 박사(제1저자, 성균관대 연구교수), 서인용 연구원(참여저자, 성균관대 석사과정), 이동민 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 이정환 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원), Ye Du 박사(참여저자, Sichuan University), Si Wang 연구원(참여저자, UESTC), 윤홍준 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원, 현 Northwestern University 박사후연구원) [그림2] 전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법에 의한 박테리아 사멸 [그림3] 병원체 제거 시스템의 작동 원리 [그림4] 정전기 에너지 하베스터의 구조 및 공진에 따른 출력 증가 [그림5] 공기 중 바이러스 및 박테리아 제거 효율 [그림6] 대전부 설계에 따른 제거 효율 및 상용화된 필터와 차압 비교
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- 작성일 2022-02-08
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- [학생실적] 성균나노과학기술원 김영준 교수 연구팀 (신소재공학과 박창원 박사과정), 그래핀 코팅을 통해 리튬이온전지의 부피를 줄이는 고밀도 전극 설계기술 개발
- 성균나노과학기술원 김영준 교수 연구팀 (신소재공학과 박창원 박사과정), 그래핀 코팅을 통해 리튬이온전지의 부피를 줄이는 고밀도 전극 설계기술 개발 - 전극 소재에 단순 공정을 통해 그래핀 코팅하는 기술 확보 - 전극 밀도 한계 돌파 및 향후 고에너지밀도 리튬이온전지 기술 선도 기대 [그림1] 성균나노과학기술원 김영준 교수, 신소재공학과 박사과정 박창원 연구원 성균나노과학기술원 김영준 교수(교신저자) 연구팀이 신소재공학과 박창원(제1저자, 박사과정) 등과 함께 그래핀 코팅을 통한 고밀도 전극 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존 고용량 니켈 층상계 양극 소재의 경우 입자의 강도가 낮아 전극 밀도를 높이는데 한계가 있으며, 도전재로 사용하는 카본블랙 소재는 비효율적 분포로 인해 전극의 밀도를 높이는데 걸림돌로 작용하고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로 전자전도성이 우수한 미세 입자의 그래핀을 전극소재 표면에 균일하게 코팅하여 전자의 전달을 효과적으로 유도하고 양극 소재 입자간 마찰력을 줄여 고밀도 리튬이온전지 전극기술을 실현했다. 양극소재 표면에 그래핀을 코팅하여 도전재와 바인더의 사용량을 최소화했으며, 이를 통해 리튬이온전지 양극의 용량밀도 한계로 여겨지던 700mAh/cc를 25% 이상 극복한 880mAh/cc의 고에너지 전극기술을 확보하게 되었다. [그림2] 전자전도성이 없는 니켈층상계 양극 소재 표면에 그래핀이 흡착하는 모식도 연구팀은 기존의 전자전도성이 떨어지는 산화그래핀 코팅 기술과는 차별화된 전자전도성이 우수한 그래핀 코팅을 자체 발굴한 계면활성제를 통해 구현하였으며, 양산이 가능한 단순화된 공정으로 만들었다고 발표했다. 김영준 교수는 “본 연구는 기존 전극의 formulation에 새로운 방향을 제시한 것으로, 향후 고에너지밀도 리튬이온전지의 전극 구성과 차세대 이차전지 소재, 전극 기술에 혁신을 기대할 수 있다”고 말했다. 본 연구결과는 세계적 권위지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=12.121)에 4.9(금) 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Graphene collage on Ni-rich layered oxide cathodes for advanced lithium-ion batteries
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학부 백정민 교수, 안정적 지속적 에너지 하베스팅 기술의 상용화를 위한 새로운 패러다임 제시
- 신소재공학부 백정민 교수, 안정적 지속적 에너지 하베스팅 기술의 상용화를 위한 새로운 패러다임 제시 -C60 기능화 폴리이미드를 도입하여 비접촉 방식의 고출력 나노발전기를 개발, 마찰대전 전계효과에 의한 BiSbTe 열전 소자의 출력 세계 최고 달성 서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 접촉 대전 (contact electrification) 현상은 주변의 기계적인 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 마찰발전기의 기본 원리로, 이를 이용하면 소형전자기기에 전원을 공급할 수 있고, 전자 피부, 터치 스크린, 의료 기기 및 보안 시스템에서 순간적인 자극을 감지하는 데에도 유용하다. 그러나 두 표면 사이의 물리적 접촉은 재료 마모로 인한 출력 전력의 감소, 기기 교체 필요성, 작동으로 인한 소음 등의 문제점이 제기되어 왔다. 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 백정민 교수 연구팀은 탄소 동소체인 C60로 기능화된 폴리이미드를 개발하여 기존 마찰 발전기에 비해 4.3배 더 높은 출력과 3배 높은 전하유지효율의 성능을 보이는 비접촉 방식의 고출력 나노발전기를 개발하였다. 이러한 우수한 특성을 바탕으로 세계 최초로 비접촉 방식의 도어락과 자동차 스피드센서에 적용해 우수한 성능과 소자 안정성을 보였다. 또한 연구팀은 열전 하베스팅 연구에서 세계 최초로 접촉 대전 (contact electrification) 현상을 이용하여 열전 소재의 특성 향상 없이 출력 파워를 크게 높이는 새로운 기술을 개발하여 새로운 패러다임을 제시하였다. 열전 에너지 하베스팅은 외부에서 열이 가해질 때 소재 양단에 발생한 온도 차이를 활용해 유용한 에너지를 생산하는 기술이다. 지금까지는 에너지 변환효율을 높이기 위해 Bi2Te3, SnSe, PbTe 등 열전소재의 제백 계수, 열전도도, 전기전도도 등의 특성 향상에 집중했지만, 여전히 매우 낮은 출력 전압으로 인해 상용화에 어려움이 있었다. 이런 한계를 돌파하고자 연구팀은 상온에서 ZT(열전성능지수) 값이 가장 높은 BiSbTe 기반 열전 소자의 저온부에 마찰대전 효과로 음전하를 갖는 폴리이미드 계열의 폴리머 층을 생성했다. 그 결과 출력 파워가 2배 이상 증가했으며, 세계 최고의 출력 전압(기존보다 50% 증가)을 달성했다. 백정민 교수는 “본 연구는 접촉 대전 현상을 이용하여 안정적이며 지속적인 에너지를 생산할 수 있다는 보여준 사례로 향후 에너지 하베스팅 분야에서의 성공 가능성을 크게 높여준 기술이다”라고 밝혔다. 이러한 연구는 에너지 분야 세계적 권위지인 Energy & Environmental Science (IF 30.287) 및 ACS Energy Letters (IF: 19.003)에 각각 온라인 게재되었다.
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- 작성일 2022-02-08
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- [연구] 신소재공학과 김선국 교수, 착용형 웨어러블 다채널 근전도 센서 개발
- 신소재공학과 김선국 교수, 착용형 웨어러블 다채널 근전도 센서 개발 - 국제학술지 IEEE Transaction on Industrial Electronics 5.10(월) 온라인 게재 [그림1] 신소재공학과 김선국 교수, Srinivas Gandla 박사 신소재공학과 김선국 교수 연구팀(제1저자 Srinivas Gandla 박사)이 로봇암을 원거리에서도 사람의 팔처럼 제어할 수 있는 착용형 웨어러블 다채널 암밴드 센서를 개발했다고 밝혔다. 기존의 암밴더는 장시간 사용이 불편하거나 피부에 완전히 밀착되지 않아 정확한 근전도 센서값을 모니터링하는 데 한계가 있었다. 이에 연구진은 사람 팔 근육의 미세한 근전도신호를 읽을 수 있는 착용형 웨어러블 암밴더를 개발하고 사람의 제스처에 따라 로봇암이 움직일 수 있는 시스템을 구축했다. 연구진은 장시간 움직이는 착용자의 팔 근육 동작을 안정적으로 포착하기 위해, 자연의 형상을 기반으로 서펜타인과 키리가미 구조를 응용한 신디자인 전극패턴으로 x, y, z축에 대해 응력의 최대 150%까지 힘을 가해도 기계적․전기적으로 안정성을 갖는 신축성 전극 구조를 갖춘 고감도 생체신호 모니터링 센서를 개발했다. ※ 키리가미(Kirigami) : 자르다를 의미하는 일본어 ‘kiri’와 종이를 뜻하는 ‘gami’가 합쳐져, 특정 패턴이나 모양으로 자른 뒤 접었을 때 입체 형상을 나타내는 형태 [그림2] 원격으로 로봇을 조정하기 위한 착용형 웨어러블 암밴더 센서 시스템 본 기술은 언택트산업, 로봇산업, 의료산업에서 사람과 디지털기기를 연결해 줄 수 있는 수단으로 사람의 “제스처”를 생체신호, 즉 근전도를 통해 수신해 디지털 기기의 제어 신호로 활용 가능하다. Gandla 박사는 성균관대 해외우수신진연구자 사업의 지원을 받아 본 연구에 참여했으며, 연구의 핵심 기술인 신축성 전극 소재 기술은 2021년 티앤엘(사)의 ‘스마트 온도계’ 제품 개발에 응용되어 기술이전을 진행했다. [그림3] 착용형 암밴의 제어 시스템 Gandla 박사는 “향후 아이언맨의 전자슈트와 결합해 착용자의 생체신호를 직접적이고 안정적으로 생체신호정보를 전달할 수 있는 인공 근전도 센서시스템에 활용되길 기대한다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구사업(2021R1A2B5B02002167)과 경기도 지역협력연구센터사업(GRRC 2017-B06)의 지원을 받았으
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- 작성일 2022-02-08
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- [교수동정] 신소재공학부 김미소 교수, 과학·정보통신의 날 국무총리표창 수상
- 신소재공학부 김미소 교수, 과학·정보통신의 날 국무총리표창 수상 [그림] 신소재공학부 김미소 교수 신소재공학부 김미소 교수가 2021년 과학·정보통신의 날 기념식에서 국무총리표창을 수상했다. 김미소 교수는 메타물질과 에너지 하베스팅기술의 시너지를 창출한 독보적인 융합연구기술인 ‘메타 에너지 하베스팅 시스템’을 성공적으로 구현해 해당 분야의 선도적인 국제적인 입지를 확보하는데 기여한 공로를 인정받아 과학기술 진흥 부문에서 국무총리표창을 수상했다. 김미소 교수는 “아직 국무총리 표창을 받을 만큼의 공적을 쌓았다고 전혀 생각하지는 않고 과분한 수상이라 생각한다. 앞으로 더 열심히 정진하라는 격려의 뜻에서 수상을 하게 된 것 같다”며 “과학 기술계 뿐 아니라 사회에 공헌할 수 있는 연구를 더욱 더 열심히 수행하겠다. 더불어 성균관대 임용 후 처음 수상한 표창이어서 개인적으로 매우 뜻깊고 감사하다”고 말했다.
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- 작성일 2022-02-08
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