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[연구] 신소재공학부 하마드코티바 교수 연구 그룹 '마그네슘 기반 소재의 연성-취성 특성의 이해와 인공지능의 활용' 발표 NEW

Mg 기반 소재의 연성-취성 행동(ductile-brittle behavior)을 이해하고 특징(특성)하는 인공지능 6월 11일, 신소재공학부의 Kotiba Hamad 교수가 이끄는 연구팀은 Clarivate’s Journal Citation Reports’ (JCR) 따른 금속공학 부문에서 1위에 해당하는 " Magnesium and Alloys (IF =11.8)"에 " Brittle and ductile characteristics of intermetallic compounds in magnesium alloys: A large-scale screening guided by machine learning"을 발표했다. 이 연구는 재료 발견 및 설계 분야에서 AI 기술의 적용 가능성과 잠재력을 조사하기 위해, 연구팀이 수행한 작업 중 하나이다. 본 연구의 결과는 AI의 기술인 머신러닝을 통해 마그네슘 기반 합금에서 형성되는 금속간 화합물의 연성-취성(brittle-ductile) 특성이 안정적이고 정확하며 빠르게 예측된다는 것을 보여주었다. 머신러닝 결과는 아래 그림과 같이 밀도범함수 이론(density functional theory)을 이용한 이론적 계산에 통해 검증되었다. 이러한 결과는 구조적 적용을 위한 고성능 마그네슘 합금의 설계를 용이하게 할 수 있다. 이는 컴퓨터의 능력의 증가로 인해 인공지능의 하위 범주인 머신러닝이 기존 실험이나 심지어 물리 기반 모델링 및 시뮬레이션보다 훨씬 빠른 데이터 기반 모델을 구축하는 능력으로 재료 발견 및 설계 분야에서 크게 활용되고 있다고 말했다. 현재의 연구 그룹인 Kotiba Hamad (Professor), Russlan Jaafreh (PhD candidate), 강유성 (Graduate collaborator/Currently working in ‘Computer Systems and Intelligence Laboratory’), Santiago Pereznieto (Masters Student)는 재료 과학과 공학 분야에서 AI의 능력을 활용하고 있으며, 이 주제에 관한 여러 논문을 ACS Applied materials & interfaces, Journal of Materiomics와 같은 고급 학술지에 발표했다. 관련된 링크: - Russlan Jaafreh, Yoo Seong Kang, Kotiba Hamad, Journal of Magnesium and Alloys 2022, DOI: doi.org/10.1016/j.jma.2022.05.006. - Russlan Jaafreh, Yoo Seong Kang, and Kotiba Hamad, ACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (48), 57204-57213, DOI: doi.org/10.1021/acsami.1c17378 - Professor Kotiba’s Website: kotibahamad995.wixsite.com/aem-skku
- 작성일 2022-08-16
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[연구] 신소재공학부 김윤석 교수 이온빔 활용 차세대 반도체 소재 고성능화 최초 구현해 사이언스지에 발표

김윤석(신소재공학과), 김영민(에너지과학과) 교수, 이온빔 활용 차세대 반도체 소재 고성능화 최초 구현해 사이언스지에 발표 - 반도체 소자의 초고집적화를 위한 응용 가능성 열어- [사진]김윤석 교수 신소재공학과 김윤석 교수 및 에너지과학과 김영민 교수 연구팀[공동교신저자 허진성 박사(삼성전자 종합기술원), Sergei Kalinin 박사(미국 오크리지 국립연구소)이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해서 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다. 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구, 기본연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지인 사이언스(Science)에 5월 13일 게재되었다. 강유전성이란 외부 자기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하게 되는 성질을 말하며, 강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있게 된다. 이러한 강유전성을 지니는 물질을 사용할 경우, 나노미터의 매우 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 통해 반도체 소자의 집적도를 높일 수 있다는 아이디어가 이미 40여 년 전에 제안되었으나, 최근 새로 도입된 소재인 하프늄옥사이드에서도 강유전성 증대를 위한 후처리과정이 추가로 필요하고 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미치는 등 실제 적용에는 공정상 큰 한계점이 있어 실제로 구현되지는 못했었다. 이에 연구팀은 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정 없이, ‘이온빔’이라는 하나의 변수만으로 하프늄옥사이드의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 강유전성의 발현 정도는 산소 공공(산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리)과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 연구팀은 이에 착안하여 이온빔을 이용한 산소 공공의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다. 연구팀은 이온빔을 적용한 결과, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈으며, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있었다. 김윤석 교수는 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”며 “현재의 방법론적 연구 결과를 토대로 실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다”고 말했다.
- 작성일 2022-05-30
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[연구] KIST-SKKU 탄소중립 공동연구센터 1차 융합 연구 사업 발표회 개최

KIST-SKKU 탄소중립 공동연구센터 1차 융합 연구 사업 발표회 개최 ‘KIST(한국과학기술연구원)-SKKU(성균관대학교) 탄소중립 공동연구센터’가 지난 26일 KIST 글로벌게스트 하우스 커뮤니티라운지에서 ‘1차년도 융합 연구 사업 발표회’를 개최했다. KIST-SKKU 탄소중립 공동연구센터는 △과학기술인재 양성을 위한 SKKU-KIST 융합교육과정 개발 및 운영 △우수연구인력 교류를 촉진할 학연교수 운영 △그린 에너지 및 탄소 중립 분야에서 새로운 협력 모델 및 공동융합연구 사업을 진행하고 있다. 본 센터에는 KIST와 SKKU의 전문가 13인이 참여하고 있으며, 이번 행사에는 선정된 6개의 융합 사업 과제 책임자의 과제 설명회와 함께 연구과제의 성공을 위한 상호 협력의지를 확인하고 향후 상호 공동연구를 심화하고 확대하는 방안이 논의되었다. 이번 행사에는 윤석진 KIST 원장, 김진상 KIST 전북 분원장, 이내응 SKKU 공대 학장 등 20여명이 참석했다. 백정민 연구센터장은 ‘센터의 성공적인 출발과 미래 혁신기술을 도출하기 위한 전략을 공유하는 뜻 깊은 자리였다’고 평가했으며, 앞으로 지속적인 연구 인력 및 기술 교류를 통한 그린 에너지 및 탄소 중립 분야에서의 선도적인 역할을 기대했다. 본 센터 소속 학생들에게는 등록금 전액지원 (장학금 지급) 및 추가적인 최고 수준의 인건비 지급, 논문 인센티브 등 많은 혜택이 부여된다.
- 작성일 2022-05-09
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[연구] 신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 미세 먼지 저감 고효율 SCR 촉매 개발

신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 미세 먼지 저감 고효율 SCR 촉매 개발 - Cu-Ce 이종나노 복합체 합성 및 분산기술을 활용한 저온용 SCR촉매 개발 - 국제적 학술지 Chemical Engineering Journal 2022년 2월 온라인 게재 성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 한국생산기술연구원 김홍대 박사, UNIST 박혜성 교수 연구팀과 함께 저온 구간(180oC~220oC)에서 높은 활성을 가지는 질소산화물(NOx) 제거 촉매를 개발했다. 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)은 미세먼지 원인물질인 NOx의 제거를 위해 암모니아를 환원제로 이용하여 무해한 N2 및 H2O로 전환하는 기술로서 현재 산업공정에서 널리 쓰이고 있다. 하지만 일반적으로 널리 사용되는 VO2/TiO2계 촉매는 250℃ 이상의 고온에서 우수한 특성을 보이는데, 이는 높은 유지 비용 뿐만 아니라 입자의 응집현상으로 인해 촉매 비활성의 원인이 된다. 이에 200℃ 정도의 저온에서 높은 활성을 갖는 촉매 개발이 중요한데, 이 경우 SO2 및 수분에 의한 활성저하의 문제점이 있다. 이러한 한계를 돌파하고자, 백정민 교수 연구팀은 3~5nm 크기의 Cu-Ce 산화물 구조를 가지는 나노 이종복합체를 제조하고, 이를 VO2/WO3/TiO2 촉매에 효과적으로 분산시키는 기술을 개발하여, 저온에서 기존 상용촉매보다 약 44% 향상된 NOx 제거 효율을 달성했다. 또한 SO2 분위기 하에서 K-factor (K16h/K0) 값도 0.60에서 0.83으로 크게 향상시켰으며, 수분이 존재하는 경우에도 활성이 저하되지 않는 등 SO2와 수분에 의한 피독저항성 크게 향상 시켰다. 백정민 교수는 “본 연구는 곧 산업현장에서 실증 실험을 통해 그 적용 가능성을 점검할 예정이며, 추가 연구를 통해 200℃ 이하에서도 장시간 높은 활성을 지니는 촉매를 개발할 예정이다”고 밝혔다. 백정민 교수 연구팀은 이미 관련 특허 2건을 출원한 상태이며, 기술 성공 시 공장, 제철소 등 산업 현장에 배출되는 NOx 배출 저감 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 이번 연구는 2019년 4월 산업통상자원부 과제 (Wide Temperature Window NOx 제거 촉매 개발)로 선정돼 지원을 받았으며, 국제적 학술지 Chemical Engineering Journal에 2월 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Cu- and Ce- promoted nano-heterostructures on vanadate catalysts for low-temperature NH3-SCR activity with improved SO2 and water resistance ※ https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135427
- 작성일 2022-03-16
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[연구] 신소재공학과 김상우 교수 연구팀, 초음파 자극 체내 생분해성 마찰전기 발전기 세계 최초 개발

신소재공학과 김상우 교수 연구팀, 초음파 자극 체내 생분해성 마찰전기 발전기 세계 최초 개발 - 병증 치료 후 체내 삽입된 의료기기의 제거 시술이 필요없는 체내 완전 생분해 가능한 의료기기 구현 기대 [사진] 좌측부터 김상우 교수,이동민 연구원, Najaf Rubab 연구원 성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 초음파 세기를 조절함으로써 진단/치료 등 의료목적을 위해 체내 삽입된 전자약 등의 의료기기를 충전한 이후 원하는 시점에 추가적인 제거 시술없이 단시간동안 소자를 체내에서 완전 생분해시켜 제거 가능한 초음파 자극 체내 생분해성 마찰전기 발전기를 세계 최초 개발했다. 인체 삽입된 전자약 등의 의료기기를 이용하여 신경을 자극하여 통증, 우울증 등의 병증을 단기간에 치료할 수 있음에도 불구하고 치료 후에 전자약 제거를 위한 시술이 다시 필요했다. 이에 재시술이 필요없이 치료 후 체내에서 완전 생분해시켜 제거하는 삽입용 전자약 기술개발이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있으나 체내에서 짧은 시간 내에 완전 생분해 가능한 전자약 구현이 현실적으로 어려운 상황이었다. 기존 시한성소재 기술은 소재의 두께와 물성에 의존하는 수동적 제어 기술로 의료목적에 따라 원하는 시점에 분해가 어려웠으며 체내에서 분해되는데 수 주에서 수 개월이 소요되어 소자 잔여물이 독성을 일으킬 수 있는 문제점이 있었다. [연구그림1] 초음파 자극 체내 생분해성 마찰전기 발전기의 모식도 이번 연구에서는 체내에 초음파를 인가함으로써 소자의 생분해를 촉진하여 제거하는 기술로 소자 잔여물 또한 수십 분 안에 생분해시켜 체내에서 발현될 수 있는 잠재적인 독성요인을 최소화한 것이다. [연구그림2] 시한성 마찰전기 발전기의 초음파 자극 체내 생분해 매커니즘 본 연구에서는 낮은 초음파 세기에서는 마찰전기 발전기를 통해 안정적인 에너지 발전특성을 보이고 원하는 시점에 인체에 무해한 수준의 높은 초음파 세기를 인가하면 짧은 시간 안에 마찰전기 발전기가 체내에서 완전 생분해됨을 입증하였다. [연구그림3] 마찰전기 발전기의 생체환경에서의 초음파 자극 체내 생분해성 확인 연구팀은 사람과 해부학적 구조가 가장 유사하다고 알려진 돼지 조직에 시한성 마찰전기 발전기를 삽입하고 외부에서 초음파를 인가하여 조직 내에서 수십 분 내에 생분해 시킬 수 있음을 입증하였다. [연구그림4] 초음파 자극 체내 생분해성 마찰전기 발전기의 에너지 발전특성 평가 연구팀은 돼지 표피로부터 0.5 cm 깊이에 삽입된 시한성 마찰전기 발전기에 낮은 세기의 초음파를 인가하면 안정적인 발전특성(0.34 V의 전압, 3.20 μA의 전류)을 확보할 수 있고 높은 세기의 초음파를 인가하면 40분 만에 소자를 생분해시켜 소자의 기능성을 상실시킬 수 있음을 보인 것이다. 김상우 교수는 “외부에서 인가하는 초음파의 세기를 조절하는 것만으로 추가적인 제거 시술없이 체내에서 단기간 내 완전 생분해 가능한 시한성 마찰전기 발전기를 세계 최초로 개발한 것”이라며, “전자약 등 차세대 의료기기 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 의의를 밝혔다. 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 국제학술지인‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 1월 7일 자에 게재되었으며, 관련 국내외 특허가 국내 기업에 기술이전 되었다.
- 작성일 2022-02-08
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[연구] 신소재공학과 정현석 교수, 페로브스카이트 태양전지 상용화 공정기술로 2021 과학기술부 기후변화대응 대표기술 10선 선정

신소재공학과 정현석 교수, 페로브스카이트 태양전지 상용화 공정기술로 2021 과학기술부 기후변화대응 대표기술 10선 선정 원천기술 확보하여 상업화 단계로의 진입 장벽을 낮추고, 친환경적이고 지속가능한 태양전지 재활용 기술개발로 국가기술경쟁력을 높이는데 기여 신소재공학과 정현석 교수가 개발한 페로브스카이트 태양전지 상용화 공정기술이 과학기술정보통신부(한국연구재단) 주관 2021년 범부처 기후변화대응 대표기술 10선에 선정되어 과학기술정보통신부 장관상을 수상했다. 지난 12월 22일 일산 킨텍스에서 개최된 2021 기후변화대응 대표기술 10선 성과공유회 및 시상식에서 정현석 교수는 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위해 대면적화 및 태양전지 재활용 관련 연구를 수행하여 다수의 특허 등록 및 출원으로 원천기술을 확보하여 상업화 단계로의 진입 장벽을 낮추고, 친환경적이고 지속가능한 태양전지 재활용 기술개발로 국가 기술경쟁력을 높이는데 기여한 공로를 인정받아 수상의 영예를 안았다. 정 교수의 연구성과로 인하여 우리나라는 대면적 코팅 공정 기술, 모듈화 기술 개발로 실용화가 가능한 페로브스카이트 태양전지 생산 기술을 확보하여 새로운 광에너지 소자에 대한 국제적 경쟁력을 제고하고, 혁신 소재 및 에너지 소자 분야의 산업화를 국제적으로 선도할 것으로 기대된다. 또한 태양전지 재활용 기술 개발을 통해 태양전지의 환경유해성을 보완함으로써 친환경이고 지속 가능한 페로브스카이트 태양전지 시장 성장의 기반이 되어 우리나라의 해외 기술 의존도를 낮추고, 태양전지 미래 시장을 선점하는 데 큰 기여를 할 것으로 평가되었다. 정현석 교수는 금번 수상에 대하여 “페로브스카이트 태양전지 상용화 기술개발을 위해 함께 열정적으로 연구해왔던 대학원생 및 공동연구원, 그리고 동료교수님들 모두의 성과”라며 “성균관대학의 지속적인 지원에 힘입어 이렇게 좋은 결실을 맺음에 진심어린 감사 말씀드린다. 앞으로도 성실하게 연구와 교육에 정진하여 국가과학기술 발전에 이바지 할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 소감을 밝혔다. 대면적 페로브스카이트 코팅공정 기술 ▽ 페로브스카이트 태양전지 모듈 재활용 기술 ▽
- 작성일 2022-02-08
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[연구] 신소재공학과 강주훈 교수 연구팀, 부분적 도핑 공정을 활용한 3진법 소자 개발

신소재공학과 강주훈 교수 연구팀, 부분적 도핑 공정을 활용한 3진법 소자 개발 - 2진법 소자의 물리적 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소재․소자 기술 [사진] 이동준 박사, 강주훈 교수, 정명진 연구원, 김지현 연구원(좌측부터 시계방향으로) 성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학과 강주훈 교수 연구팀(제1저자 김지현 박사과정, 정명진 석사과정 연구원)이 3진법 연산이 가능한 차세대 반도체 소재 및 소자 기술을 개발했다. 최근 4차 산업혁명의 핵심인 인공지능, 자율주행, IoT 등의 기술에 대한 수요가 많아지면서 대규모 정보 처리 기술에 대한 수요가 높아지고, 이를 빠르게 처리하는 고성능 반도체 연구개발 또한 주목을 받고 있다. 0과 1 두 가지 숫자로 정보를 처리하는 2진법 기반의 반도체 소자는 단위 면적당 집적도 향상을 위한 물리적 한계에 가까워지고 있으며, 이에 짧은 정보처리 시간, 높은 성능, 낮은 소비전력 등의 조건을 만족하기 위한 새로운 패러다임으로 0, 1, 2 의 세 가지 숫자, 혹은 그 이상의 숫자로 정보를 처리하는 다진법 소자 구현에 관한 연구가 대안으로 제시되었다. 기존의 다진법 소자는 일함수가 다른 반도체 물질을 이종 접합하여 두 개 이상의 문턱 전압을 형성하는 방식으로 구현했다. 하지만 서로 다른 반도체 물질을 정교하게 접합하는 공정은 생산성이 떨어지고, 따라서 실산업 응용을 위한 대면적화에 어려움이 있었다. [연구 그림] 소자 구조의 모식도와 구동원리 이러한 난제를 해결하기 위해 연구팀은 용액 공정을 활용하여 대면적의 단일 반도체 물질 필름을 형성하고, 다진법 소자를 구현할 수 있는 기술을 개발했다. 차세대 반도체 물질로 각광 받는 이차원 이황화 몰리브덴에 국소적 화학 처리를 통해 단일 물질에서 서로 다른 문턱전압을 갖는 영역을 형성하고, 이를 순차적으로 구동하여 3진법 정보 처리를 위한 “0”, “1”, “2” 상태를 안정적으로 구현했다. 더불어 본 3진법 반도체 소자를 이용하여 대규모 정보 처리를 위한 다양한 논리 연산 또한 안정적으로 구동하는 것을 확인했다. 강주훈 교수는 “본 기술 구현을 위한 소자구조는 기존의 반도체 공정상의 큰 변경이나 추가 없이 웨이퍼 단위의 대면적 다진법 소자 구현이 가능하다는 점에서 기초연구를 넘어 실제 반도체 산업에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 연구진은 향후 이상적인 반도체 소재 조합을 추가로 설계하고 실제 구현을 통해 3진법을 초과하는 다진법 연구에 본 기술을 확장하여 적용할 계획이다. 본 연구는 과학기술정보통신부 신진연구자지원사업(No. 2020R1C1C1009381) 등의 지원을 받아 수행되었으며, 소재 분야의 권위지인 나노레터스(Nano Letters, IF=11.189)에 11.15(월) 온라인 게재되었고, 향후 표지논문으로 정식 출판될 예정이다. ※ 논문명 : Area-Selective Chemical Doping on Solution-Processed MoS2 Thin-Film for Multi-Valued Logic Gates
- 작성일 2022-02-08
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[연구] 신소재공학과 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진을 위한 태양광 물분해 광전극과 저항변화메모리의 기술융합

신소재공학과 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진을 위한 태양광 물분해 광전극과 저항변화메모리의 기술융합 - 뛰어난 내구성과 높은 수소변환 효율 동시에 달성 - 이론값 대비 80%에 도달하는 광전극 소자 개발 - 에너지 분야의 세계적 학술지 Advanced Energy Materials 9월호 표지논문 선정 [그림] 조형균 교수, 김동수 연구원(왼쪽부터) 연구팀은 누구도 시도하지 않은 전도성 필라멘트의 기술력을 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 상용화의 가능성을 확인하고, 무한한 청정에너지인 태양광과 물을 기반으로 그린수소를 생성할 수 있는 광전극의 효율을 이론값 대비 80% 수준까지 달성했다. 친환경 수소에너지는 태양광에너지를 흡수하여 물을 그린수소로 변환함으로써 얻을 수 있다. 이때 광전극은 태양광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하여 광전류를 형성한다. 하지만, 기존의 광전극은 의도하지 않은 자발적 광부식이 발생하여 장시간 안정성을 보장할 수 없었다. 이를 해결하기 위해 내식성이 뛰어난 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 표면보호층 적층기술이 연구되었으나, 표면보호층의 낮은 전도성 때문에 극심한 광전류의 손실이 야기된다. 결과적으로 광전극의 장시간 안정성과 수소변환 효율이 상충관계(trade-off)를 가지게 되어 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 이에 조형균 교수 연구팀은 저항변화메모리 소자에서 반도체의 전도성을 인위적으로 제어할 수 있는 전도성 필라멘트 기술력을 광전극에 적용하였다. 산화구리(Cu2O) 기반의 광전기화학셀에 필라멘트 기술 도입은 세계 최초 시도이며, 연구진은 전도성 필라멘트의 메커니즘까지 규명하였다. 광전극 내부에 산소공공(Oxygen vacancy)으로 구성된 필라멘트를 전기화학적방법으로 형성하여 이산화티타늄(TiO2)의 전도성을 증가시키며 광전류를 11.9mA/cm2(산화구리 광음극 world record, 이론값 대비 약 80%) 까지 달성하였고 약 100시간 이상의 장시간 안정성까지 동시에 보장하였다. 또한 수소 변환 촉매인 백금(Pt)을 전도성 필라멘트 영역에 광전기화학증착방법을 통해 선택적으로 성장시키는 기술도 효율 향상에 큰 기여를 하였다. 조형균 교수는 “본 연구는 태양광과 물을 통해 무한한 그린수소의 시대를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 메모리 반도체에 사용되어온 기술을 수소 생산에 적용한 창의적인 아이디어로 융합연구의 좋은 본보기가 된 결과이다”고 말했다. 본 연구에서는 산화구리 기반의 광전극에 전기화학적방법으로 영구적인 전도성 필라멘트를 인위적으로 형성하여 기존의 광전극과 비교하여 광전류를 10배 이상 증가시켰다. 대면적화, 고효율, 저비용을 가능케 하는 전기화학증착 방법을 기반으로 구성된 광전기화학셀은 시간당 188μmol/cm2의 그린수소를 생성하였으며, 광전극에서 생성된 전하가 인위적 필라멘트를 통하여 가속전달 되는 전도성 메커니즘을 새롭게 규명하였다. 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)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리분야(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지를 장식했다. ※ 논문명 : Towards simultaneous achievement of outstanding durability and photoelectrochemical reaction in Cu2O photocathodesviaelectrochemicallydesignedresistiveswitching
- 작성일 2022-02-08
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[연구] 신소재공학부 정현석, 이재찬, 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀, 강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발

신소재공학부 정현석, 이재찬, 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀, 강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발 - 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향 제시 기대 [그림1] 신소재공학부 정현석 교수, 이재찬 교수, 에너지과학과 안태규 교수 신소재공학부 정현석 교수(공동 제1저자 Jun Zhu 박사과정), 이재찬 교수(공동 제1저자 박슬용 석박사통합과정), 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀은 할라이드 페로브스카이트 소재에 강산화제 물질을 도입해 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다. 할라이드 페로브스카이트는 높은 광흡수율, 광여기된 전자와 정공의 긴 수명 등 태양전지의 소재로서 뛰어난 특성을 보여준다. 최근 이를 활용한 태양전지는 이미 상업화된 태양전지보다 높은 에너지 변환 효율을 보여 차세대 태양전지 소재로 큰 주목을 받고 있다. 하지만 할라이드 페로브스카이트에 본질적으로 존재하는 할라이드 공공과 같은 결함은 전자의 국부화를 유도해 비방사성 재조합을 유도하는 결함복합체를 형성, 광여기된 전자와 정공의 수명을 급격히 감소시킨다. 이로 인해 할라이드 페로브스카이트의 태양전지 소재로서 뛰어난 특성들이 충분히 활용되지 못했다. 이에 연구진은 강산화제인 이황화 포름아미딘 이온을 첨가하여 페로브스카이트 결함에 국부화된 전자를 제거했다. 이황화 포름아미딘 이온은 강한 산화제로서 다른 물질의 전자들을 빼앗아 산화시키는 성질을 갖고 있으며, 페로브스카이트 내에서도 요오드 공공에 국부화된 전자를 제거했다. [그림2] 그림 1은 일반적인 포름아미드요오드화납(FAPbI3) 내 요오드 공공에 국부화된 전자가 비방사성 재조합 중심역할을 하는 결함 복합체를 만드는 과정의 개략도이며, 그림 2의 개략도에서 보는 것과 같이 포름아미드요오드화납 내 이황화 포름아미딘은 요오드 공공에 전자가 국부화되는 것을 막아 결함복합체의 생성을 효과적으로 억제한다. 본 연구에서는 이황화 포름아미딘 이온이 페로브스카이트 구조에 안정적으로 통합되며 요오드 공공의 국부화된 전자를 빼앗아 비방사성 재조합 중심이 되는 결함복합체의 형성을 효과적으로 억제하는 것을 제일원리계산을 통해 밝혔으며, 이를 바탕으로 제작된 페로브스카이트 소재에서 광여기된 전자와 정공의 수명이 향상되는 것을 실험적으로 입증했다. 또한 이황화 포름아미딘 이온은 페로브스카이트 소재 합성과정 중 전구체들이 중간상을 형성하도록 유도해 제작된 페로브스카이트의 결정성 및 결정립계의 크기를 개선해 소재의 특성과 안정성을 더욱 향상시키는 것을 확인했다. [그림3] 그림 3은 이황화 포름아미딘을 첨가한 페로브스카이트를 활용하여 제작한 태양전지 모듈이며, 그림 4와 같이 대면적의 태양전지 모듈에서 매우 높은 에너지 변환 효율을 보여주고 있다. 연구진은 “이황화 포름아미딘 이온이 첨가된 페로브스카이트를 이용한 태양전지는 단위 셀뿐만 아니라 넓은 면적의 태양전지 모듈에서 20% 이상의 우수한 효율을 나타냈다”며 “본 연구는 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성의 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 전했다. 본 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 에너지&엔바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental science, IF 38.532)에 7.30(금)에 게재되었다. ※ 논문명 : Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules ※ Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules - Energy &Environmental Science (RSC Publishing)
- 작성일 2022-02-08
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[연구] 신소재공학과 강주훈 교수 연구팀, 반도체 이종접합을 활용한 3진법 소자 개발

신소재공학과 강주훈 교수 연구팀, 반도체 이종접합을 활용한 3진법 소자 개발 - 2진법 소자의 물리적 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소재 및 소자 기술 [그림1] 신소재공학과 강주훈 교수 신소재공학과 강주훈 교수가 연세대학교 화공생명공학부 조정호 교수와 함께 3진법 연산이 가능한 차세대 반도체 소재 및 소자기술을 개발했다고 밝혔다. 최근 4차 산업혁명의 핵심인 AI, 자율주행, IoT 등의 기술에 대한 수요가 많아지면서 대규모 정보를 빠르게 처리하는 고성능 반도체 연구개발 또한 주목을 받고 있다. 현재 2진법 기반의 반도체 소자는 단위면적당 집적도 향상을 위한 물리적 한계에 봉착한 상태이며, 이에 짧은 정보처리 시간, 높은 성능, 낮은 소비전력 등의 조건을 만족하기 위한 새로운 패러다임으로 3진법 이상의 다진법 소자 구현에 관한 연구가 대안으로 등장했다. 이러한 난제를 해결하기 위하여 연구팀은 서로 다른 문턱전압을 갖는 두 종류의 반도체를 순차적으로 구동하는 방식을 통해 3진법 정보 처리를 위한 “0”, “1”, “2” 상태를 안정적으로 구현했다. 더불어 본 3진법 반도체 소자를 이용하여 다양한 논리 연산 또한 안정적으로 구동하는 것을 확인했다. 강주훈 교수는 “본 기술 구현을 위한 소자구조는 기존의 반도체 공정상의 큰 변경이나 추가 없이 웨이퍼 단위의 대면적 다진법 소자 구현이 가능하다는 점에서 기초연구를 넘어 실제 반도체 산업에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다. [그림2] 다진법 구현이 가능한 소자 구조의 모식도와 구동원리 연구진은 계산을 통해 이상적인 반도체 소재 조합을 효율적으로 설계하고 실제 구현을 통해 3진법을 초과하는 다진법 연구에 본 기술을 확장하여 적용시킬 계획이다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 신진연구자지원사업, 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 소재 분야의 세계적 권위지인 Advanced Materials (Impact Factor=30.849, JCR ranking 상위 2.2%)'에 7.22(목) 출판되었다. 아울러 연구진은 관련 연구 동향을 다룬 내용을 4.21(수) Advanced Science(Impact Factor=16.806, JCR ranking 상위 5.2%)에 표지논문으로 출판한 바 있다. ※ 논문명 : Multi-State Heterojunction Transistors Based on Field-Effect Tunneling-Transport Transitions ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101243
- 작성일 2022-02-08
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