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[연구] 성균관대학교 기계공학부 백승현 교수 연구팀, 산화된 구리입자를 비산화 구리로 재생하는 기술 개발

성균관대학교 기계공학부 백승현 교수 연구팀, 산화된 구리입자를 비산화 구리로 재생하는 기술 개발 - 산화된 구리입자를 비산화 구리로 재생 기술 개발 - 높은 전기전도성, 열전도성, 장기안정성 나노복합재료 합성 □ 성균관대학교 기계공학부 백승현 교수 연구팀이 산화된 구리입자를 이용하여, 화학적 방법으로 비산화 고전도성 구리 나노복합재료를 합성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 기존 구리 기반 나노복합재료의 문제점으로 지적되어 왔던 구리의 산화로 인한 성능 저하 문제를 해결함과 동시에 매우 높은 전기전도도와 열전도도를 가진 나노복합재료를 합성하는데 성공했다. 이 연구에는 K.P. 파실라 박사와 C. 무하매드 박사가 공동1저자로 참여하였다. □ 은과 금은 산화 방지가 가능하며 높은 전기전도도와 열전도도로 인해 나노 복합재료에 많이 사용된다. 반면, 구리는 유사한 전기전도도와 열전도도를 갖고 비교적 저렴하기 때문에 대규모 산업에서 은과 금의 유망한 값싼 대체재로 여겨진다. 하지만 구리는 공기 중에서 산화가 쉽게 되는 특성으로 인해 구리 기반 나노복합재료의 성능이 저하된다는 점이 한계로 지적되어 왔다. □ 연구팀은 포름산을 활용하여 에폭시 고분자 기지 안에서 구리 식각과 환원 반응을 통해 산화된 구리를 비산화된 구리와 구리 나노위성입자로 재생했다. 해당 기술로 합성된 나노복합재료는 별도의 처리 과정 없이 매우 높은 전기전도도와 열전도도를 달성하였으며, 장기간 안정성을 확보하였다. □ 연구팀은 산화된 구리, 포름산, 에폭시 등을 혼합함으로써 구리의 근본적인 산화문제를 해결했다. 구리의 표면 산화층은 포름산을 사용하여 현장 식각되어 제거되며 구리 포메이트를 형성한다. 구리 포메이트는 소결을 통해 비산화 구리와 구리 나노위성입자로 열적 환원되어 고전도성 구리 나노복합재료를 형성한다. □ 저렴한 산화된 구리를 이용하여, 간단하게 현장에서 비산화된 구리 나노복합재료를 합성하는 기술은 전기 및 열관리 응용 분야에 활용될 것으로 기대된다. □ 연구팀의 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업 미래기술연구실, 교육부 대학중점연구소지원사업으로 수행되었다. □ 본 연구결과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 평셔날 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)에 9월 8일 온라인 게재됐다. ※ 논문명: In-situ regeneration of oxidized copper flakes forming nanosatellite particles for non-oxidized highly conductive copper nanocomposites, K.P. Faseela (공동1저자), C. Muhammed Ajmal (공동1저자), 차석재, 백승현 (교신저자), Advanced Functional Materials, 2023, 2304776, https://doi.org/10.1002/adfm.202304776 [그림1] 산화된 구리입자를 비산화된 구리입자와 구리 나노위성입자로 재생하는 개념도와 투과전자현미경 이미지 [그림2] 상온 환경에서 나노복합재료의 전기전도도 장기간 안정성 실험
- 작성일 2023-10-17
- 조회수 4883
[연구] 기계공학부 백승현 교수 연구팀, 재사용 가능한 상변화물질 기반 고성능 열계면소재 개발

기계공학부 백승현 교수 연구팀, 재사용 가능한 상변화물질 기반 고성능 열계면소재 개발 - 전자장비, 전자소자, 기계장비 등의 냉각 및 방열에 활용 기대 기계공학부 백승현 교수 연구팀이 재사용 가능한 상변화물질 기반 고성능 열계면소재를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 고분자 기지와 상변화물질의 화학적 기능화를 통해 기존 상변화물질의 한계로 지적되어 왔던 새는(leaking) 문제를 해결함과 동시에 손상 후 치유가 가능한 고열전도도 저열저항 열계면소재를 개발하는 데 성공하였다. 이번 연구에는 샤바스 아함메드(박사과정)과 김태훈 박사가 공동1저자로 참여하였다. 열계면소재는 열을 발생시키는 소자와 열을 외부로 방출하는 히트싱크 사이의 틈을 메움으로써 발열소자를 효과적으로 냉각시키는 역할을 한다. 상변화물질 기반 열계면소재는 비교적 낮은 온도에서 고체에서 액체로 상태가 변화하기 때문에, 효율적으로 틈을 메울 수 있게 된다. 하지만 상변화로 인한 새는 문제(leaking)와 비교적 낮은 열전도도가 한계로 지적되어 왔다. 연구팀은 상변화물질과 고분자의 기능화를 통해서 새는 문제를 해결하고, 수소 결합을 통해 손상 후 치유하여, 재사용 가능한 열계면소재를 개발하였다. 또한, 은입자와 기능화된 탄소나노튜브를 이용하여 높은 열전도도와 낮은 열저항을 달성하였다. 또한 컴퓨터에 실장 테스트를 진행하여, 기존 상변화물질 기반 열계면소재 대비 우수한 방열 성능과 재사용성을 확인하였다. 개발된 상변화물질 기반 열계면소재는 우수한 방열 성능과 재사용 가능한 특성을 나타내고 있어 △전자장비 △전자소자 △기계장비의 냉각 및 방열에 활용이 기대된다. 또한, 열계면소재 재사용은 전자부품 폐기물 감소에 긍정적인 효과가 있을 것으로 예상된다. 연구팀의 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업 미래기술연구실 및 교육부 대학중점연구소지원사업으로 수행되었다. 연구결과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 6월 10일(토) 온라인 게재됐다. ▲ 손상 후 치유 가능한 열계면소재 이미지 ※ 논문명: Covalently Functionalized Leakage-Free Healable Phase-Change Interface Materials with Extraordinary High-Thermal Conductivity and Low-Thermal Resistance, Shabas Ahammed Abdul Jaleel (공동1저자), 김태훈 (공동1저자), 백승현 (교신저자), Advanced Materials, 2300956. ※ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202300956 ○ 관련 언론보도 - 성대 백승현 교수 연구팀, 재사용 가능한 고성능 열계면소재 개발 <파이낸셜뉴스, 2023.06.16.> - 백승현 성균관대 교수, ‘재사용 가능’ 상변화물질 기반 고성능 열계면소재 개발 <메트로신문, 2023.06.16.> - 성균관대 기계공학부 백승현 교수 연구팀, 재사용 가능한 상변화물질 기반 고성능 열계면소재 개발 <교수신문, 2023.06.16.> - 성균관대 백승현 교수팀, 재사용 가능한 상변화물질 기반 고성능 열계면소재 개발 <에너지경제, 2023.06.16.>
- 작성일 2023-07-07
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[연구] 기계공학부 최덕현 교수 국제 공동연구팀, 마찰전기 분야 10년간의 논문 집대성한 메가 리뷰 논문 게재

기계공학부 최덕현 교수 국제 공동연구팀, 마찰전기 분야 10년간의 논문 집대성한 메가 리뷰 논문 게재 - 국제학술지 ACS Nano 보조 표지논문으로 선정 - 관련 분야 전 세계 석학들과 공동연구 기계공학부 최덕현 교수 연구팀은 마찰전기(Triboelectric nanogenerators) 분야에서 지난 10년간의 연구성과를 분석하여 마찰전기의 잠재력을 조명하고 상용화를 앞당기기 위한 향후 10년의 연구 방향을 제시한 메가 리뷰 논문을 세계적인 저명 학술지 ACS Nano(IF: 18.027 JCI 상위 3.74%)에 게재했다고 7일 밝혔다. '마찰전기'는 미래 기후 변화와 에너지 관련 환경 문제를 대비하기 위해 ‘정전기’를 이용하여 에너지를 수집하는 기술이다. 마찰전기는 2012년 처음 보고된 이래 지난 10년간 버려지는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하기 위한 매개로써 이와 관련된 활발한 연구가 진행되고 있다. 연구팀은 지난 10년간 보고된 800편 이상의 기존 연구를 분석해 마찰전기 분야의 역사와 이론부터 응용 사례 및 연구 방향 등을 제시하며 해당 분야 연구를 한 편의 논문에 집대성하였다. 특히 이론, 소재, 디바이스, 시스템, 회로, 응용 등을 세분화하여 분석하고 연구 방향을 담은 로드맵을 제시하였다. 또한 기존 연구에서의 이슈들을 정의하고 상용화를 앞당기기 위한 특화 기술에 대해 논의하여 최적의 응용방안을 소개하는 등 연구 동향과 전망을 제시하였다. 마찰전기 분야를 개척한 Zhong Lin Wang 교수는 "마찰 전기 분야는 다양한 기술과 산업에 전 세계적으로 영향을 끼치고 있으며 현재 12,000명 이상의 과학자들이 83개국에 분산되어 연구가 진행되고 있다"고 말하며 "이번 메가 리뷰는 △웨어러블 전자 장치 △인간-기계 인터페이스 △사물 인터넷 △로봇 공학 △의학 △환경 보호 및 보안 분야에서 광범위하게 응용될 마찰전기 분야에 대한 가장 완전한 최신 리뷰를 제공한다"라고 밝혔다. 성균관대 최덕현 교수는 "이번 연구를 통해 전 세계 석학들과 마찰전기의 상용화를 위해 논의하는 과정에서 한국이 그 중심에 있다는 것을 확인할 수 있었다"며 "앞으로도 해당 분야의 석학들과 힘을 합쳐 마찰전기가 인류의 발전에 기여할 수 있도록 노력하겠다"고 밝혔다. 이번 논문은 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부, 대만 국가과학기술위원회의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 ACS Nano에 지난 5월 23일(화)에 온라인 게재되어 보조 표지 논문 및 주목해야할 논문으로 선정되었다. 이번 연구는 기계공학부 최덕현 교수 연구팀에서 이끌었으며 신소재공학부 백정민 교수와 노벨물리학상 후보로 거론되는 조지아공과대 Zhong Lin Wang 교수가 공동교신저자로, 경희대학교 기계공학과 최동휘 교수, 가천대학교 기계공학과 이영훈 교수 및 국립대만대학교 Zong-Hong Lin 교수가 공동제1저자로 이름을 올렸다. 아울러 마찰전기 분야를 선도하는 전 세계 80여 명의 석학들과 공동으로 수행되었다. ※ 논문명: Recent Advances in Triboelectric Nanogenerators: From Technological Progress to Commercial Applications ※ DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12458 ※ 저자명: 최덕현, 백정민, 종린 왕(교신저자), 최동휘, 이영훈, 종홍 린(제1저자), 69명의 공동저자
- 작성일 2023-06-14
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[연구] 휴고로드리그 교수 연구팀, 필름 기반 팽창식 튜브의 좌굴 현상 실용 방안 개발

휴고로드리그 교수 연구팀, 필름 기반 팽창식 튜브의 좌굴 현상 실용 방안 개발 - 소프트 로보틱스의 비선형성 극복 및 상용화 기대 기계공학부 휴고로드리그 교수 연구팀이 기하학적 모델링을 통해 필름 기반 팽창식 튜브의 좌굴* 현상을 분석, 소프트 로보틱스 분야의 실용방안을 개발했다고 밝혔다. * 좌굴(buckling): 기둥 형태의 구조물이 축방향으로 압축력을 받을 때 한계점을 넘어 횡방향으로 변형하는 현상 고체 재질의 경우 탄성 영역을 넘어선 소성 좌굴이 발생하면 원래의 형태로 돌아올 수 없기 때문에 구조물의 파손을 방지하기 위해 좌굴을 피해야만 한다. 반면에, 공압 구동되는 팽창식 튜브는 좌굴이 발생해도 유연한 재료의 특징을 활용해 원형을 회복할 수 있다. 선행 연구들은 팽창식 튜브를 연질로 가정하여 부드러운 곡선을 형성하는 좌굴이 발생하는 것으로 해석했지만, 이는 튜브를 구성하는 재질과 가해지는 내부압력에 의해 달라질 수 있다. 유연하지만 신축성이 없는 재질로 제작된 튜브를 고압 구동한다면 순간적으로 형태변형이 일어나는 스냅-스루* 좌굴을 발생시킬 수 있다. 이때 압축으로부터 튜브가 좌굴되는 지점과 이완으로부터 좌굴이 회복되는 지점이 상이한데, 두 지점 사이에서 팽창식 튜브는 인위적으로 좌굴 혹은 비좌굴 상태의 전이가 가능한 이중안정영역을 가진다. * 스냅-스루(snap-through): 하중으로 인해 순식간에 형태가 변하는 좌굴의 특수 경우 연구팀은 축 압축 시 팽창식 튜브의 형태 및 부피 변형에 대한 새로운 기하학적 모델링을 디자인함으로써 이러한 비선형적 특징이 발생하는 근거와 타당성을 제시하였고, 3D 프린팅된 외골격을 추가하여 좌굴을 활용해 자기강화 그리퍼, 단일 및 이중 안정성 전이 구조물, 고속 구동 구조물을 설계함으로써 팽창식 튜브의 비선형성*을 실용화할 방안을 제시했다. * 비선형성(nonlinearity): 출력이 입력의 변화에 비례적이지 않은 성질 또한 제시된 시스템의 규모를 확장해, 단일 및 이중 안정성을 넘어 다중안정성 전이 구조물의 개발, 고속 및 고출력 구조물의 개발이 가능하다고 연구팀은 밝혔다. 공압 액추에이터*의 비선형성을 분석, 예측할 수 있도록 모델링하고 이에 적합한 추가 구조물을 적용한다면 시스템이 갖는 고유의 비선형적 특징들을 기피해야 할 현상이 아닌 ‘유니크한 동작’을 만들어내는 새로운 방안이 될 수 있다. * 액추에이터(Actuator): 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계적 장치 휴고로드리그 교수는 “비선형성으로 인해 정밀제어에 제한이 있던 소프트 로보틱스 분야의 한계를 극복하여 강체 시스템과는 차별화된 장점을 극대화함으로써 실생활에 소프트 로봇이 적용될 가능성을 높여줄 것”이라고 밝혔다. 연구팀의 이번 연구결과는 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며 재료공학 분야 국제학술지 Materials Today에 2월 10일 게재되었다. ※ 저널: Materials Today ※ 논문명: Harnessing the Nonlinear Properties of Buckling Inflatable Tubes for Complex Robotic Behaviors ※ 저자명: Hugo Rodrigue(교신저자), Haneol Lee(제1저자)
- 작성일 2023-06-14
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[연구] 기계공학부 변도영 교수 연구팀, 전기수력학적 젯 프린팅을 이용한 투명 마찰전기 소자 개발

기계공학부 변도영 교수 연구팀, 전기수력학적 젯 프린팅을 이용한 투명 마찰전기 소자 개발 - 마이크로 격자무늬 전극 기반으로 기존보다 높은 투과성 제시 성균관대학교(총장 신동렬) 기계공학부 변도영 교수 연구팀이 전기수력학적 젯 프린팅을 이용해 마이크로 단위의 격자무늬를 프린팅함으로써 기존보다 향상된 투과성을 제시하는 마찰전기 소자에 대한 연구 결과를 발표했다. 기상 상황에 따라 발전이 좌우되는 태양전지의 한계를 극복하기 위해 빗물을 이용해 발전 가능한 마찰전기 소자를 태양전지 위에 부착시켜 사용하는 방안이 대두되었으나, 태양전지 성능 유지를 위해 마찰전기 소자의 높은 투과성이 요구되어 왔다. 이에 연구진은 전기수력학적 젯 프린팅을 이용하여 평균 12마이크로미터의 은 나노입자를 격자무늬 형태로 그려내 최대 96%의 투과성을 가진 투명 마찰전기 소자를 개발했다. 변도영 교수는 “기존 투명 마찰전기 소자에서 주로 사용되던 ITO(Induim tin oxide)를 대체하여 사용 가능한 투명 전극을 구현함으로써 태양전지와의 하이브리드 발전에서 유용하게 사용될 것이며, 추후 더 다양한 분야에도 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 본 연구결과는 한국연구재단의 전략과제 및 신진연구원지원사업, 산업통상자원부의 우수기업연구소육성사업의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘Nano Energy’(IF=17.881)에 2월 12일 자로 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Electrohydrodynamic jet printed silver-grid electrode for transparent raindrop energy-based triboelectric nanogenerator ※ 저자 : 변도영 교수(교신저자, 성균관대 기계공학부), 조대현 교수(교신저자, 경상국립대학교 메카트로닉스공학과), 임부시 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정), 강기호 박사(참여저자, 성균관대 기계공학과), 문준경 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 이승기 교수(참여저자, 부산대학교 재료공학과)
- 작성일 2023-06-14
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[연구] 기계공학부 교수 김재훈 교수 ·Muhammad Kashif Khan 박사, Malayil Gopalan Sibi 박사, Deepak Verma 박사, 조흔태 연구원, 윤원중 연구원 온실가스의 주범인 이산화탄소로부터

18세기 중반 석탄을 이용한 산업혁명과 19세기 원유의 발견으로 인해 인류는 값싼 연료 및 화학소재를 대량 생산하는 기술을 개발하여 비약적인 발전을 해 왔다. 우리나라도 1970년대 중화학공업 발전 전략으로 세계 5위권의 석유화학제품 국가이며 세계 8위권의 정유산업을 보유하고 있고, 석탄화력발전으로 세계 8위권의 석탄수입국가로 성장하였다. 20세기 전 세계적으로 원유와 석탄 등 화석연료 활용으로 비약적인 경제발전을 이루어 왔으나 이에 따른 반대급부로 대기중의 CO2농도가 나날이 증가하여 420 ppm에 다다르고 있어, 지구온난화, 생태계 파괴, 해수면 상승, 바닷물의 산성화 등 인류의 생존을 위협하는 단계에 이르렀다. 성균관대 김재훈 교수 연구팀에서는 산업에서 배출되는 이산화탄소를 재생 가능한 수소와 반응 시켜 연료와 화학소재를 선택적으로 생산할 수 있는 기술을 개발하였다. 이를 통해 기후변화에 대응해 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 알루미나 프로모터가 활용된 철계 촉매 (Na-FeAlOx)를 이용하여 CO2로부터 77.0%의 높은 선택도로 가솔린 및 디젤의 연료로 활용할 수 있는 C5+의 장쇄 탄화수소를 합성하는 기술을 개발하여 2020년 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 게재되었다 [ACS Catalysis, 2020, 10, 10325−10338]. 이번 연구를 통해 연구팀은 철계 촉매에서 방향족 화합물의 전구체인 알파 올레핀의 합성 메커니즘의 원리를 규명했다. [Na-FeAlOx 촉매에서 CO2의 반응 메커니즘] 연구팀은 철계 촉매와 제올라이트를 복합한 복합촉매를 활용하여 45%의 높은 CO2 전환율 및 39%의 높은 방향족 선택도로 이산화탄소로부터 방향족 화합물 생산이 가능한 것을 확인하여 그 결과를 국제 저명 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였다 [Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 301, 120813]. 특히 제올라이트의 산점 조절로 방향족 화합물 중 BTX의 선택도가 59%로 높았다. 고부가 방향족 화합물은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등을 말한다. 이들은 전체 석유화학 제품 생산량 중 1위에 해당하는 매우 중요한 플랫폼 화학소재이다. [Na-FeAlOx/zeolite 복합 촉매에서 CO2로부터 직접 방향족 화합물 합성] 또한 연구팀은 세계 최초로 코발트계 촉매를 이용하여 CO2로부터 C5+의 장쇄 탄화수소를 약 20%의 높은 수율로 1425 시간 이상 운전이 가능한 공정을 개발하여 그 결과를 2022년 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였다 [Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 305, 121041]. 연구팀이 새롭게 개발한 코발트계 촉매는 CO2 전환에 있어 촉매는 높은 C5+ 및 C21+ 선택성을 나타내므로 유망한 액체 연료 및 윤활기유를 생산할 수 있는 초석을 마련하였다. 이 이외에도 연구팀은 CO2의 직접 수소화로 고부가 화학소재인 아세트산 및 프로피온산을 합성할 수 있는 니켈-아연 합급촉매를 설계하여 그 결과를 2021년 ACS Catalysis에 게재하였다 [ACS Catalysis, 2021, 11, 8382–8398]. [Na-CoMnOx 촉매를 이용하여 CO2로부터 직접 장쇄 탄화수소 합성 메커니즘] 현재 김재훈 교수 연구팀은 국내 정유사와 협업을 통해 상용화 가능성을 연구하고 있어 향후 국가 온실가스 저감에 기여하고자 한다.
- 작성일 2022-10-11
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[연구] 기계공학부 교수 김태성 교수 ·우건후 연구원 자가조립단분자막 도핑을 통한 부저항 특성의 고성능 광 센서 개발

기계공학부 김태성 교수 연구팀(제1저자 우건후 연구원)이 가천대학교 유호천 교수 연구팀과 자가조립단분자막을 활용한 원거리 도핑과정을 통해 고성능․다기능성의 광센서 소자를 개발했다. 최근 AI를 활용한 자율주행 시스템 및 사물인터넷 기술의 발달에 따라 보다 명확한 데이터 처리를 위해 고성능의 광센서에 대한 수요가 급증하고 있다. 특히 도핑은 반도체 특성을 조정할 수 있는 대표적인 방법으로 광특성을 향상시키기 위해 많이 활용되고 있다. 하지만 일반적인 도핑은 물질 내부에 불순물 형태의 도펀트를 삽입하여 반도체 특정 변화를 유도하기 때문에 전자 충동에 의해 전자이동도의 손실을 야기할 수 있다. 이에 연구팀은 실리콘 기판 위에 수 나노미터 두께의 비정질 산화물 반도체를 증착하여 이중접합구조를 제작하였고, 표면에 자가조립단분자막을 코팅 및 가열의 원거리 도핑과정을 통해 고성능의 광센서를 구현했다. 제작된 소자는 원거리 도핑 처리 전에 비하여 100배의 성능이 향상되었고, 높은 소자 안정성 및 성능 균일성을 나타냈다. 또한 원거리 도핑처리 후에 광 조사를 통해 실리콘 기판과 비정질 산화물 반도체의 접합면에서의 반도체 특성을 조정함으로써 부저항 특성을 가진 소자를 구현하여 향후 다진법 소자 및 신호 증폭기과 같은 다양한 어플리케이션에 대한 적용 가능성을 제시했다. 김태성 교수는 “자가조립단분자막 코팅을 통한 도핑과정은 간단한 처리 방법과 효과적인 성능 개선을 바탕으로 산업에서 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 예상되며, 본 성과를 바탕으로 향후 광센서 및 이미지 센서의 성능개선에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Advanced materials(Impact Factor=30.849)에 2021년 11월 3일(수) 출판되었다. ※ 논문명 : Energy-Band Engineering by Remote Doping of Self-Assembled Monolayers Leads to High-Performance IGZO/p-Si Heterostructure Photodetectors
- 작성일 2022-10-11
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[연구] 기계공학부 부교수 이원영 부교수 ·최민기 연구원 세계 최고 성능의 양성자 전도성 연료전지 개발

기계공학부 이원영 교수 연구팀(제1저자 최민기 박사후연구원)이 에너지분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지 중의 하나인 Energy & Environmental Science (IF: 38.53, JCR<1%)에 양성자 전도성 전해질의 기초 물성치를 극대화할 수 있는 제조 방법을 개발하고 이를 기반으로 세계 최고 성능을 가지는 양성자 전도성 연료전지를 개발한 연구결과를 게재했다. 양성자 전도성 연료전지는 전해질의 높은 이온 전도도와 낮은 활성화에너지 때문에 고효율 전력생산이 가능한 차세대 에너지 시스템으로 크게 주목받고 있지만, 실제로 제작된 양성자 전도성 연료전지의 성능은 이론적인 예측값에 크게 못미치고 있어 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다. 이원영 교수 연구팀은 양성자 전도성 연료전지의 성능이 낮은 이유가 제조 공정 중에 전해질의 주요 성분이 휘발되면서 소재의 화학적 안정성이 저하되고 결정립의 성장이 지연되기 때문임을 밝혀 냈다. 또한, 전해질의 주요 성분의 휘발성을 정밀하게 제어하여 소결성을 크게 향상시켰고 전해질의 내부에서 완벽한 화학적 조성을 가지면서 기존에 보고된 수치보다 약 5배 가량 큰 결정립을 가지는 전해질의 제작에 성공하였다. 이렇게 제작된 전해질을 기반으로 600도 이하의 작동온도에서 기존에 보고된 수치들을 크게 상회하는 세계 최고의 성능을 가지는 양성자 전도성 연료전지 시스템을 개발하였다. 이원영 교수는 “양성자 전도성 연료전지를 제작하는데 있어 가장 큰 난관이었던 전해질의 열적 불안정성을 본 연구에서 개발한 전해질 휘발성 제어를 통하여 극복할 수 있었고, 특히 복잡한 추가 공정없이 세계 최고 수준의 성능에 도달할 수 있음을 실증하였기 때문에 일반적으로 활용되는 상용화 단계의 연료전지 제작에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구 성과는 한국 연구재단의 중견연구지원과제와 세종과학펠로우십지원 사업의 지원을 받아 수행되었다. (No. 2019R1A2C4070158, No. 2021R1C1C2006657) 에너지분야 국제학술지 Energy & Environmental Science (IF: 38.53, JCR<1%) 논문으로 10월 16일자 온라인 게재되었다.
- 작성일 2022-10-11
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[연구] 기계공학부 교수 이창구 교수 ·부디싱 박사, 파완스리바스타바 박사, 야시르하산 박사 THz기술용 신개념 전자소자 발명

이창구 교수팀(기계공학부, 나노과학기술원)이 2차원 소재중 하나인 흑린을 이용하여 기존과 완전히 다른 새로운 구조의 테라헤르츠(THz)기술용 전자소자를 개발하였다. 테라헤르츠 기술은 전자기파 중에서 0.1-10 THz 주파수대역의 서브밀리미터(sub-milimeter)파장을 이용하는 기술을 말한다. 이 기술은 현재에는 X선과 같은 방사선이 없이도 사물을 투시해 볼 수 있는 공항의 보안용 검색기, 비파괴 검사기기, 의료용 영상진단기기 등에 활용되고 있으나, 향후에는 5G(5세대) 통신보다 수십배 빠른 6G 초고속무선통신, 암 진단 시스템, 신약개발, 신소재개발, 고속영상처리 등의 혁신적인 미래첨단기술에 두루 사용될 것으로 예상되고 있다. 이번에 연구팀이 개발한 전자소자는 흑린의 비정방성을 이용하여 세층으로 쌓아올림으로써 공진터널다이오드(Resonant tunneling diode)라는 전자소자로 구성되었다. 공진터널다이오드는 전하를 빠르게 이동시키기 위해 중간에 얇은 양자우물을 만들어 전하가 관통하듯이 지나가게 함으로써 THz와 같은 높은 주파수를 처리하는 초고속소자이다. 소자 내에서 전하는 양자우물의 양자구속효과로 생긴 양자에너지레벨을 통과할 때에 신호를 처리하게 된다. 기존에는 양자우물의 양쪽에 에너지준위가 높은 산화물과 같은 소재로 얇은 에너지장벽을 만들어 신호가 흐를 필요가 없을 때에는 양쪽의 전하가 서로 섞이지 않도록 하였다. 하지만, 이러한 벽은 아무리 얇아도 에너지준위가 높고 두께효과가 있어 신호를 감소시키는 원인이 될 수 밖에 없다. 이러한 이유로 에너지가 많이 소모될 수 밖에 없었다. 또한 어느 정도 이상의 높은 주파수대역을 구현하기가 쉽지가 않았다. 연구팀은 2차원소재의 비등방성을 이용하여 이러한 문제를 해결할 수 있었다. 우연히 흑린의 격자배열각도를 틀어서 90도가 되도록 겹쳐서 소자를 만들었을 때, 두 층 사이에 에너지장벽이 생기는 것을 확인하였다. 이는 물리적으로 존재하는 장벽이 아니므로 두께가 제로에 가까워 에너지손실이 극히 적게 나타나는 효과를 만들어냈다. 이를 통해 아주 높은 주파수일지라도 쉽게 신호를 처리할 수 있는 구조가 형성되었다. 연구팀은 또한 두 층 사이의 격자배열각도가 90도 뿐 아니라 30도와 60일 때도 비슷한 효과가 생기지만, 45도일 때는 그렇지 않은 것을 확인하였다. 이는 에너지장벽효과가 하나의 각도에서만이 아니라 여러 각도에서 생길 수 있는 현상으로써, 지금까지 알려진 것과는 패턴이 전혀 다른 층 사이의 상호작용이 발생하고 있다는 것을 암시한다고 할 수 있다. 한편 연구팀은 기존의 공진터널다이오드에서는 발견할 수 없었던, 두 번째의 양자에너지레벨을 통과하는 신호가 생길 수 있음을 발견하였다. 기존 소자에서는 이는 이론적으로만 가능할 뿐 높은 에너지손실로 인해 이러한 현상이 일어날 수가 없었다. 연구팀은 이번 연구결과를 원천기술로써 특허를 출원하였으며, 향후 THz영역의 초고속무선통신, 고용량 영상처리를 필요로 하는 고해상도 AR/VR 등의 영역에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 네이처 자매지인 nature electronics 3월8일(영국 시간)자 온라인판으로 발표되었으며, 한국연구재단의 중견연구(2020R1A2C2014687)와 글로벌연구실(2016K1A1A2912707)사업의 지원으로 개발되었다.
- 작성일 2022-10-11
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연구

Research highlights