-
- [연구] 신소재공학부 김한기 교수 연구팀, 차세대 반투명 페로브스카이트 태양전지 핵심기술 개발
- 신소재공학부 김한기 교수 연구팀, 차세대 반투명 페로브스카이트 태양전지 핵심기술 개발 - 차세대 반투명 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 투명 캐소드 제조 기술 개발 - 국제적 학술지 Nano Energy 2021년 1월 온라인 게재 및 특허 출원 [그림1] 신소재공학부 김한기 교수 신소재공학부 김한기 교수 연구팀이 차세대 반투명 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 투명 캐소드 제조 기술을 개발했다. 반투명 페로브스카이트 태양전지는 효율이 높아 차세대 건물 외장 유리인 건물 일체형 태양광(BIPV:Building Integrated Photovoltaics)이나 자동차 유리에 적용이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다. 하지만 투명 전극 캐소드 기술의 한계로 지금까지 실험실 수준의 연구 결과만 보고되었다. 이에 김한기 교수 연구팀은 기존 반도체․디스플레이 양산 공정에 사용되고 있는 스퍼터 기술을 응용한 Linear Facing Target Sputtering(LFTS) 기술을 이용하여 플라즈마 데미지 없이 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 기술을 개발하고, 특허 출원(출원번호 10-2019-0144706 투명 산화물 전극을 형성하기 위한 스퍼터링 방법 및 이에 의해 제조된 투명 산화물 전극)을 완료했다. ※ 스퍼터 기술 : 반도체/디스플레이 제작 시 박막(Thin film)을 제작하는 장치 ※ 플라즈마 데미지 : 반도체소자나 디스플레이 혹은 태양전지가 플라즈마에 노출되어 망가지는 현상 [그림2] 반투명 페로브스카이트 태양전지 구조 및 투명 전극 개략도 기존 스퍼터 기술을 이용한 ITO 전극 기술은 플라즈마 데미지뿐만 아니라 공정 온도를 높여야 하는 문제가 있었으나, 연구팀은 상온에서도 투명 전극 특성을 나타내는 InZnSnO 소재 및 LFTS 기술을 적용하여 고효율 반투명 페로브스카이트를 성공적으로 제작할 수 있는 기술을 개발했다. ※ ITO 전극 기술 : 디스플레이/태양전지를 제작하기 위해선 투명하면서 전기가 통하는 전극이 필요하며 일반적으로 Indium Tin Oxide (ITO) 물질을 사용 ※ InZnSnO : Zn(아연)과 Sn(주석)을 동시에 In2O3 산화물 반도체에 도핑시켜 제작한 비정질 투명 전극 물질 [그림3] 반투명 페로브스카이트 태양전지용 투명 전극 제작을 위한 LFTS 기술과 반투명 페로브스카이트 태양전지 김한기 교수는 “본 연구는 향후 반투명 페로브스카이트 태양전지를 생산하는 데 있어서 핵심 기술이 될 것이며, 대면적 반투명 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 핵심 기술을 국내 연구진이 확보한 것에 의의가 있다”고 밝혔다. 본 연구는 한국전력의 사외 과제 지원과 한국전력연구원과의 공동 연구로 이루어졌으며, 연구결과는 국제적 학술지인 Nano Energy에 2021년 1월 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Semi-transparent perovskite solar cells with bidirectional transparent electrodes ※ https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105703 [그림4] 반투명 페로브스카이트 태양전지가 적용된 건물 예상 모형
-
- 작성일 2022-02-08
- 조회수 2915
-
- [연구] 신소재공학과 이병상 (이정헌 교수 연구팀) 석박사과정 연구원, AI 기반 이미지 분석 기술을 활용하여 나노소재의 형태를 통계적으로 분석할 수 있는 기술 개발
- 신소재공학과 이병상 (이정헌 교수 연구팀) 석박사과정 연구원, AI 기반 이미지 분석 기술을 활용하여 나노소재의 형태를 통계적으로 분석할 수 있는 기술 개발 - 나노소재가 활용되는 다양한 분야에서 무궁한 활용 가능 - [그림1] 신소재공학과 이병상 석박사과정 연구원, 이정헌 교수 신소재공학과 이병상 석박사 과정 연구원과 이정헌 교수는 AI 기술을 전자 현미경 이미지 분석 기술에 적용하여 나노입자의 형태학적 특성을 높은 정확도로 분석할 수 있는 알고리즘을 개발하였고 이를 활용하여 수십만 개에 달하는 나노입자의 형태와 관련된 다양한 통계적 분석을 진행하였다. ※ 저 자 : 이병상 대학원생 (제1저자, 신소재공학과), 윤석영 대학원생 (참여저자, 성균나노과학기술원), 이진웅 박사 (참여저자, 신소재공학과), 김윤철 대학원생 (참여저자, 신소재공학과), 장준혁 대학원생 (참여저자, 신소재공학과), 윤재섭 대학원생 (참여저자, 시스템경영공학과), 노재철 교수 (참여저자, 신소재공학과), 이종석 교수 (참여저자, 시스템경영공학과), 이정헌 교수(교신저자, 신소재공학과) 신재생 에너지, 나노의약품, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용되는 나노 신소재의 형태가 물리· 화학적 특성에 매우 큰 영향을 끼치지만 이의 형태학적 정보를 대량으로 정확하게 읽고 정량적으로 분석할 수 있는 기술은 현재까지 존재하지 않았다. [그림 2] 유전 알고리즘을 이용한 나노입자 이미지 분석 방법 (a) 다양한 이미지 분석 변수들이 포함되어 있는 18bit의 유전자를 이용한 유전 알고리즘의 모식도. (b) 다양한 이미지 분석 방법을 통하여 확보된 이진화된 나노입자의 이미지 (c) 유역 변환을 통한 나노입자의 분리 이병상 석박사 과정 연구원과 이정헌 교수팀은 신소재공학과 노재철 교수, 시스템경영공학과 이종석 교수팀과 자연에서의 진화를 모방한 유전 알고리즘이라는 기계학습 기법을 활용하여 이미지 분석에 사용되는 다양한 방법 및 변수들을 자동적으로 최적화함으로써 투과전자현미경 이미지로 얻은 나노입자의 형태적 정보를 99.75%의 높은 정확도와 0.25%의 낮은 오인식률로 분석해내는 기술을 개발하였다. 특히 본 알고리즘은 전자현미경 이미지에서 붙어 있거나 포개어져 있는 나노입자를 찾아 스스로 분리하고, 분리가 되지 않으면 제거해 버림으로써 나노입자의 밀도와 분석 정확도를 동시에 크게 높이는 것이 가능하다. 본 연구진은 이 기술을 활용하여 나노입자의 형태적 특성에 대한 다양한 통계적 분석을 진행하였다. 우선 베이지안 통계학을 기반으로 수행되는 마르코프 체인 몬테카를로를 사용하여 16만여 개나 되는 많은 수의 나노입자 형태에 대한 분포를 추정하였고, 신뢰수준에서 대표성을 갖기 위해 필요한 나노 입자의 개수를 찾아냈다. 또한 샘플에 존재하는 다양한 형태의 나노입자들을 자동으로 분류하고 군집화하는 알고리즘을 개발하였으며 이러한 통계적 정보를 활용하는 경우 나노입자의 광학적 물성을 상당히 정확하게 계산할 수 있음을 확인할 수 있었다. [그림 3] 이미지 분석된 나노입자의 원본 이미지와 이진화된 이미지 본 연구 결과는 ACS Nano (IF=14.58) 온라인판에 게재되었고 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 44개 저널의 400명 이상의 편집장들이 추천하여 선정하는 ACS Editors’ Choice 논문으로 채택이 되어 open access로 제공된다. ※ 논문명 : Statistical characterization of the morphologies of nanoparticles through machine learning based electron microscopy image analysis 해당 연구는 전자 현미경 이미지 분석에 머신 러닝 기법을 적용하여 수십만 개의 나노 입자의 형태적 특성을 정밀하게 분석하고 통계적 분석을 수행한 최초의 연구로, 다양한 나노 소재의 주요 물성을 정량화하여 빅데이터를 구축하는데 필요한 핵심 기술 중 하나가 될 것으로 기대한다. 특히 개별 나노 소재의 형태가 광학적 특성이나 표면에서의 반응 등과 같은 물리· 화학적 특성에 큰 영향을 끼치기 때문에 본 기술은 나노 소재의 신뢰성을 평가할 뿐 아니라 새로운 나노 소재를 개발하는데도 활용이 될 수 있을 것으로 생각된다. [그림 4] 나노입자의 통계분석 및 분류 (a) 나노입자의 모양 정량화를 위한 5개의 변수. (b) 몬테카를로 마르코프 체인을 모델을 사용한 나노입자의 장축 길이 분포 추정. (c) 정규 혼합 모델에서 95% 신뢰 수준을 만족하는 나노입자의 장축 및 단축 길이의 적중률. (d) 네 가지 주요 형태학적 매개 변수를 모두 고려할 때의 유효 크기. (e) 푸리에 변환 및 가우시안 믹스쳐 클러스터링을 사용하여 도출된 나노입자 모양의 분류.
-
- 작성일 2022-02-08
- 조회수 2856
-
- [일반] 시즌3 Ex Campus 강연 참여 안내 김상우교수님 [ ~6/6 ]
- Ex Campus 시즌 3 강연에 신소재공학과 김상우 교수님이 참여하십니다. 다음 강연 내용에 관하여 신청하고자하는 학생은 아래를 참고하여주시면 감사하겠습니다. [YOUTUBE] ExCampus: https://bit.ly/3wIConp ※ExCampus 시즌3 오프라인 청강※ * 선착순 마감 * 챌린지스퀘어 비교과프로그램에서 신청 -김상우 신소재공학부(과) 교수: 일상 속 정전기는 이로울까? 해로울까? - 인간지향 에너지 솔루션 -일정: 2021.06.07.(월) 14:00~15:00 -장소: 인문사회캠퍼스 경영관B3 소극장 SKKU 온라인 지식공유 플랫폼 ExCampus 시즌3 촬영의 청중을 모집합니다. 저명하신 SKKU 교수님과 유망한 동문을 직접 만나고 재미있는 강연을 들을 수 있는 기회이니, 관심있는 학생들의 많은 관심과 참여 바랍니다.
-
- 작성일 2022-02-08
- 조회수 1917
-
- [교수동정] AI·양자역학 화폭에 담는 반도체 공학자 김한기 교수
- (외부 기사)
-
- 작성일 2022-02-04
- 조회수 1755
-
- [연구] 신소재공학부 윤대호 교수·송영현 외 4명 연구원 할라이드 페로브스카이트 나노결정 필름의 안정성 향상 및 이를 통한 고효율 백색 LED 개발
-
- 작성일 2021-12-02
- 조회수 2843
-
-
[연구]
신소재공학부 임병권교수·심한규,복신규 연구원
투명·유연전극용 은 나노와이어 합성 新기술 개발 - 공과대학 신소재공학부 임병권 교수 (교신저자), 심환수, 복신규 박사과정생 (이상 공동 제 1 저자) 연구팀은 유기 안정화제의 사용을 필요로 하지 않는 새로운 은(Ag) 나노와이어의 합성 기술을 개발하였다. 은 나노와이어는 높은 전도도 및 용액 가공성과 나노와이어 필름의 우수한 투명성으로 인하여 터치패널, 유기발광다이오드, 태양전지의 투명 전극 소재로 주목을 받고 있다. 또한, 최근에는 유연, 신축 전극 소재로도 활발히 연구되고 있다. 그러나, 은 나노와이어 합성에 첨가되는 유기 (주로 고분자) 안정화제는 나노와이어의 표면에 잔류하여 나노와이어간의 접촉 저항을 크게 증가시켜 전극의 성능을 저하시키는 문제를 야기한다. 이러한 유기안정화제를 제거하기 위해서는 나노와이어 합성 후, 유기 안정화제에 친화적인 용매를 이용한 반복적인 세척 과정이 필요하고, 이러한 과정을 거치더라도 완전한 제거가 어렵다. 연구진은 유기 안정화제 대신 소량의 금속 염(metal salt)을 첨가하여 이 문제를 해결했다. 첨가된 염과 은 전구체(precursor)가 반응하여 생성되는 염화은(AgCl) 입자에서부터 은 나노와이어가 이종핵생성(heterogeneous nucleation) 및 일차원 성장 (one-dimensional growth)을 통하여 자라나는 것을 관찰하였으며, 이를 통하여 고수율의 나노와이어 합성 기술을 확보할 수 있었다. 합성한 은 나노와이어는 별도의 세척 과정없이 투명 및 유연전극 소재로 적용 가능하였다. 제작한 투명 전극은 95%의 광 투과도에서 40 ohm/sq의 면저항을 나타내었으며, 이는 대표적인 투명 전극 소재인 인듐 주석 산화물 (ITO) 기반의 투명 전극과 유사한 수준의 성능으로 깨지기 쉬운 ITO를 대체하여 유연한 투명 전극을 개발하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 은 나노와이어를 이용하여 제작한 신축전극은 30%까지 5000번을 반복해서 늘려도 전기적 특성이 유지되는 우수한 안정성을 나타내었다. 본 연구에는, 성균관대 화학공학과 조성민 교수, 김봉성, 김민하 연구원이 공동저자로 참여하였으며, 연구 결과는 화학분야 세계적 권위의 학술지 '안게반테 케미 (Angewandte Chemie)'에 8월 29일자로 게재됐다. 논문 제목(영문): Organic-Stabilizer-Free Polyol Synthesis of Silver Nanowires for Electrode Applications
-
- 작성일 2021-12-02
- 조회수 3079
-
[연구]
신소재공학부 임병권교수·심한규,복신규 연구원
-
-
[연구]
신소재공학부 김선국 교수
피부에 밀착되는 신축성 있는 온·습도 센서 개발 - 김선국 교수 연구팀이 피부에 부착하는 신축성 있는 패치형태의 센서로 최장 7일간 생체신호를 실시간으로 모니터링하는 시스템을 구축했다. 연구팀은 착용자의 움직임에도 불구하고 안정적으로 피부 표면의 온도나 습도, 착용자의 동작(보행, 넘어짐 등)을 포착할 수 있는 새로운 디자인의 고감도 생체신호 모니터링 센서를 개발했다. 뱀처럼 구불구불한 형상의 서펜타인 구조를 통해 x축과 y축 방향 으로 유연성을 확보하는 한편, 키리가미※ 구조를 통해 z축에 대해서도 신축성을 부여함으로써, 패치가 가진 응력의 최대 200%까지 압력을 가해도 기계적· 전기적으로 안정성을 유지하도록 설계 했다. ※ 키리가미(Kirigami) : 자르다를 의미하는 일본어 ‘kiri’와 종이를 뜻하는 ‘gami’가 합쳐져, 특정 패턴이나 모양으로 자른 뒤 접었을 때 입체 형상을 나타내는 신체변화를 모니터링, 질병의 초기신호를 감지할 수 있는 웨어러블 헬스케어 디바이스에 관한 연구가 활발하나 장시간 사용하기 불편하거나 피부에 잘 밀착되지 않아 정확한 정보를 모니터링하는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 착용성을 고려, 피부에 밀착되어 움직임(압착, 밀고 늘어남)에 제약을 주지 않도록 피부 친화적이면서 방수성을 갖는 다공성 실리콘 점착제로 된 패치에 해당 센서를 구현해 냈다. 생체 친화적이며 피부에 적합한 점착성을 가진 실리콘을 활용하였으며 식약처 기준에 준하는 생물학적 안전성 (biocompatibility ; 세포독성, 감작성, 급성독성, 피부자극, 발열성)이 확보된 패치를 사용했다는 설명이다. 원리는 피부 온도 변화에 따라 나타나는 신축성 백금센서의 저항변화를 이용하는 것이다. 이를 통해 20 ~ 50범위에서 0.2 이내의 오차범위로 온도를 측정할 수 있도록 했다. 나아가 스마트폰 어플리케이션을 통해 실시간으로 신호변화를 확인할 수 있도록 무선통신 모듈도 함께 구현했다. 지속적인 관찰이 필요한 신생아, 노약자, 운동선수 등의 생체 신호를 모니터링해서 응급상황에 대처할 수 있도록 하는 데 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 병원과의 임상연구를 통해 인허가를 위한 후속연구를 진행할 계획이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원 사업 및 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 'IEEE Transaction on Industrial Electronics’에 11월 6일 게재되었다.
-
- 작성일 2021-12-02
- 조회수 2858
-
[연구]
신소재공학부 김선국 교수
-
-
[연구]
신소재공학과 백정민 교수
안정적 지속적 에너지 하베스팅 기술의 상용화를 위한 새로운 패러다임 제시 - 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.
-
- 작성일 2021-12-02
- 조회수 2689
-
[연구]
신소재공학과 백정민 교수