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- [연구] 구종민 교수 연구팀, 극한 우수 환경에서도 안정적인 전자파 차폐 및 적외선 은폐·감지 기능을 갖춘 맥신 하이브리드 소재 개발
- 신소재공학과 구종민 교수 연구팀은 숭실대학교 정영진 교수와의 공동 연구를 통해 맥신(MXene)과 탄소나노튜브(CNT)로 구성된 유연하고 경량이며 기계적으로 견고한 야누스 필름구조의 다기능성 맥신 하이브리드 소재를 개발하였다. 이 혁신적인 필름은 극저온부터 고온까지의 극한 우주 환경에서도 우수한 전자파 차폐 (Electromagnetic shielding) 기능과 함께, 적외선 (Infrared) 은폐(Camouflage)/감지(Detection) 기능을 동시에 구현할 수 있다. 이 연구는 제1저자인 Dr. Tufail Hassan의 주도로 진행되었으며, 국제적으로 저명한 저널인 Nano-Micro Letters(IF: 31.6)에 게재되었다. 현대의 국방, 항공우주, 웨어러블 전자기기 분야에서는 고온, 극저온, 열충격 등 극한 환경 하에서도 안정적인 전자파 및 적외선 신호 제어가 가능한 다기능성 소재에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 맥신은 뛰어난 전기전도도와 낮은 적외선 방사율 (emissivity)을 바탕으로 유망한 후보 물질로 주목 받고 있으나, 기계적 강도 및 열충격 내구성의 한계로 인해 실사용이 제약이 있다. 본 연구팀은 고결정성의 Ti₃C₂Tₓ 맥신 나노소재를 합성하고, 기계적 강도가 우수한 CNT 필름과 결합하여 이종계면 기반 야누스 하이브리드 구조를 구현함으로써, 이러한 문제를 효과적으로 해결하였다. 그 결과, 얇은 15μm 두께의 맥신/CNT 야누스 필름은 X-밴드 마이크로웨이브에서 72dB의 전자파 차폐 성능, 0.09이하의 적외선 방사율, 우수한 적외선 감지 민감도등 뛰어난 다기능 특성을 동시에 구현하였다. 뿐만 아니라, 제작된 필름은 우주환경을 모사한 극저온 및 급격한 충격에서도 기계적·구조적 안정성과 성능을 유지하여, 기존의 소재들을 능가하는 경량화, 유연성, 기계적 강도, 극한환경 내구성, 전자파 차폐도, 및 적외선 은폐 및 감지 기능을 모두 확보하였다. 이번 연구는 전자파 및 적외선 차폐/스텔스 소재의 새로운 기준을 제시할 뿐만 아니라, 군사, 항공우주, 웨어러블 전자장치 등 극한 환경에 강한 스마트 시스템 개발을 위한 핵심 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) 중견연구자사업 (2022R1A2C3006227), 나노 및 소재 사업(2021M3H4A1A03047327), 국가과학기술연구회(NST) 미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발 사업(CRC22031-000) 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「Nano Micro Letters, 2024, 16, 216」 (IF 27.4, JCR 분야 1.9%) 최신 호에 게재됐다.
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- 작성일 2025-05-22
- 조회수 259
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- [연구] 이내응 교수 연구팀, 생체 촉각기관 모사한 '지능형 인공 촉각 수용기' 개발
- 신소재공학과 이내응 교수 연구팀은 인간의 촉각 인지 시스템에서 착안하여 유사 시냅스의 기능과 구조를 모사한 지능형 인공 촉각 수용기* 어레이*를 개발하였으며, 이를 기반으로 새로운 지능형 센서 플랫폼을 구현했다고 밝혔다. * 촉각 수용기: 외부의 자극 (압력, 진동, 온도 등)을 감지하여, 활동 전위로 변환하여 뇌로 전달하는 역할 * 어레이: 단일 소자가 아닌 다수의 소자로서 집합적으로 동작하도록 제작된 구조 최근 인공지능의 중요성과 역할은 전 산업 분야에서 주목받고 있으며, 특히 피지컬 AI(Physical AI)는 미래 산업에서 자율 시스템의 핵심 기반 기술로 부상하고 있다. 피지컬 AI에서 데이터 입력은 센서를 통해 시작되며, 이에 따라 센서 데이터의 효율적 처리를 위해 고성능 신호처리 능력을 갖춘 인체 체성감각계의 메커니즘을 모사한 지능형 센서 기술에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이번 연구는 인체의 감각기관이 정보를 처음 처리하는 방식, 즉 감각 수용체와 신경 말단 사이의 ‘유사 시냅스 구조’에 주목해 이루어졌다. 연구팀은 사람의 피부 속 느린 적응형(메르켈)과 빠른 적응형(파시니안) 촉각 수용체에서 영감을 받아, 두 가지 적응 특성을 모두 반영한 16개의 감각 센서부와 시냅스부(시냅틱 트랜지스터)를 하나로 통합한 플랫폼을 개발했다. 이 플랫폼은 마치 사람의 지문처럼 생긴 마찰전기 센서층과, 자극을 기억하고 반응하는 시냅틱 트랜지스터를 단일 구조로 구현한 것으로, 느린 자극과 빠른 자극을 동시에 인식할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 실험을 통해, 이 센서는 기계적인 자극의 강도·빈도·형태에 따라 시냅스 가중치가 자연스럽게 변화하며 반응하는 것을 확인했다. 특히, 전체 데이터의 10% 이하만을 활용해도 90% 이상의 정확도로 질감과 표면 패턴을 인식할 수 있어, 기존 기술에 비해 데이터 처리 효율이 매우 우수한 것으로 나타났다. 이와 같이, 감각 자체에 인공지능적 기능이 내장된 센서는 초저전압, 초저전력, 고효율로 작동하는 것이 특징이며, 지능형 로봇, 뉴로모픽 감각 시스템, 웨어러블 전자피부 등 다양한 분야에 새로운 기술적 가능성을 제시한다. 특히 외부 환경 데이터를 센서 단계에서부터 처리할 수 있어, 향후 고속·고효율 자율 AI 시스템 구현의 핵심 기술로 주목받고 있다. 이 연구결과는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원, 나노 및 소재기술개발 사업, 교육부의 기초연구기반구축사업 (중점연구소지원)의 지원으로 수행되었다. 성균관대 홍석주 석박통합과정생과 이유림 박사, 아타누 배그 박사가 공동제1저자로 참여하였고, 이내응 교수가 교신저자로 진행한 이 연구 성과는 재료분야에서 세계 최고 권위를 가진 학술지‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 25년 4월 28에 게재되었다. ※논문명: Bio-inspired artificial mechanoreceptors with built-in synaptic functions for intelligent tactile skin ※저널명: Nature Materials ※저자명: 이내응(교신저자), 홍석주, 이유림, 아타누 배그(제1저자), 김효수, Trang Quang Trung, M Junaid Sultan, 문동빈 (공동저자) 인간의 느린적응와 빠른적응 촉각 수용체가 동시에 모방된 초고효율, 초고전력, 초저전압 지능형 인공 촉각 수용기 개발 (왼쪽부터)성균관대 이내응 교수, 홍석주 석박사통합과정생, 이유림 박사, 아타누 배그 박사
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- 작성일 2025-05-15
- 조회수 353
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- [연구] 신소재공학과 출신, 울런공대 김정호 교수(신소재공학과 겸임교수), 2024년 세계 상위 1% 연구자(HCR) 선정
- 신소재공학과 출신, 울런공대 김정호 교수(신소재공학과 겸임교수), 2024년 세계 상위 1% 연구자(HCR) 선정! ▲ 김정호 교수 우리 대학은 클래리베이트(Clarivate)사가 발표한 2024년 세계 상위 1% 연구자(Highly Cited Researcher, HCR) 선정 결과에서 소속 교원 10명이 HCR로 선정되며, 2년 연속 사립대학 1위를 차지했다. HCR은 분야별로 논문이 상위 1%에 해당하는 피인용 횟수를 기록한 HCP(Highly Cited Paper) 보유 연구자를 의미하며, 연구 성과의 질과 영향력을 인정받은 세계적 기준이다. 2024년 발표에서는 전 세계 59개 국가 및 1,200여 기관에서 6,886명이 HCR로 선정되었고, 국내에서는 12개 분야에서 총 75명이 이름을 올렸다. 성균관대는 △서울대(12명) △성균관대(10명) △UNIST(8명) △한양대(6명) △연세대(5명) △고려대(5명) 순으로 선정되며, 국내 대학 중 2위, 사립대학 중 1위를 기록했다. 올해 선정된 성균관대 연구자는 △박남규 교수(재료과학, 8년 연속) △이영희 교수(크로스필드, 7년 연속) △안명주 교수(임상의학, 6년 연속) △박근칠 교수(임상의학, 5년 연속) △이진욱 교수(크로스필드, 4년 연속) △무함마드칸 교수(컴퓨터과학, 4년 연속) △임호영 교수(크로스필드, 3년 연속) △김대식 교수(크로스필드, ’20~’21 선정) △신현석 교수(크로스필드, 신규) △김정호 교수(크로스필드, 신규)이다. 특히, 박남규 교수는 세계 최초 안정적인 페로브스카이트 태양전지를 개발하며 상용화에 기여한 업적을 통해 국내 최초 종신 석좌교수로 임명되었으며, 이영희 교수는 7년 연속 크로스필드 분야 HCR로 선정되어 연구 역량을 입증했다. 신규 HCR로 선정된 신현석 교수는 올해 출범한 이차원양자헤테로구조체연구단의 단장으로 활약 중이며, 본교 졸업생인 김정호 교수의 선정은 성균관대 연구 생태계의 지속적 성장 가능성을 보여준다. 유지범 총장은 “성균관대의 연구 성과는 혁신적이고 도전적인 학문 활동의 결과로, 인류와 미래 사회 문제 해결에 기여하고자 하는 우리의 의지를 반영한다”며 “앞으로도 세계적 연구 영향력을 강화하며 글로벌 연구중심대학으로서 위상을 높여갈 것”이라고 밝혔다.
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- 작성일 2025-02-25
- 조회수 5139
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- [연구] 원병묵 교수 연구팀, 세포 골지체 노화 메커니즘 발견
- 성균관대, 골지체 노화 메커니즘 발견 - 골지체 노화에 의한 세포내 시그널과 후성 유전 조절 교란 메커니즘 규명 우리 신체는 하나의 세포로부터 탄생하고 성장하여 어른이 되고 노화되는 ‘다양한 발달’ 과정을 겪는다. 성균관대학교 신소재공학부 연성물질물리 연구실의 박사후연구원 소피아 브리토 박사(제1저자)와 원병묵 교수(교신저자)는 세포가 노화되면서 점차 외부 시그널에 반응하지 못하는 생물학의 오랜 난제를 규명하였으며, 연구 결과는 발달 생물학 분야 최우수 저널인 Developmental Cell에 2025년 1월 6일자 온라인 게재되었다. 이번 연구에서 세포내 소기관인 ‘골지체 노화’를 처음으로 관찰하고 그 원인으로 ‘아연 항상성 변화’ 메커니즘을 규명하였다. 이를 바탕으로 노화는 생체 분자들이 열역학 제2법칙을 따라 움직이는 필수 불가결한 비가역적 현상임을 제안하였다. 인간의 세포는 끊임없이 대사를 하고 있다. 대사 과정에서, 다양한 세포내 물질들의 평균적 무질서도가 끊임없이 증가한다. 세포내 필수 미네랄인 ‘아연’의 무질서도도 증가한다. 세포 노화가 진행되면, 단백질에 고르게 존재해야 할 아연이 무질서하게 바뀌어 세포내 아연 결핍 부분과 아연 과잉 부분이 늘어난다. 특히, 골지체 아연 결합 단백질에서 발견되는 불균일한 아연 분포가 ‘골지체의 노화’를 유도한다. 그 결과, 골지체에서 만드는 세포내 물질의 이동 통로인 ‘미세소관’ 구조가 무너지고, 다양한 외부 신호를 전달하는 운반체인 단백질이 정상적인 위치로 이동하지 못한다. 결국, 세포는 더 이상 대사 제어가 안 되어 다양한 노인성 질환을 일으키고 마침내 죽음에 이른다. 세포 골지체 노화 제어는 노인성 질환 예방 또는 건강 수명 연장을 위해 주목해야 할 새로운 연구 주제이다. 기존의 피부 노화에서 단순한 콜라겐 생성 유도가 아닌 새로운 피부 항노화 전략으로서 골지체 노화 제어가 앞으로 더욱 주목받을 것으로 기대한다. 본 연구는 가톨릭대학교 의과대학 약리학 교실(김지훈 교수, 공동교신), 아주대학교 항노화 연구실(빈범호 교수, 공동교신)과 공동으로 진행되었다. ※ 저널: Developmental Cell, 발달 생물학 분야 상위 4% 저널(IF = 10.7) ※ 제목: Age-associated interplay between zinc deficiency and Golgi stress hinders microtubule-dependent cellular signaling and epigenetic control ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.12.024 ※ 제1저자: Sofia Brito 박사 ※ 지도 교수: 원병묵 교수 (성균관대학교 신소재공학부)
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- 작성일 2025-01-09
- 조회수 3439
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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 4434
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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 7082
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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
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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
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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
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