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우리 학교 이재현 교수 연구팀이 이차원 반데르발스 재료의 상용화를 위한 분석 기술을 개발했다. 이차원 반데르발스 재료는 실리콘을 대체할 차세대 반도체 기술의 핵심 소재로 주목받고 있는 소재다.아주대 이재현 교수(첨단신소재공학과, 사진 왼쪽)와 문지윤 박사후연구원(대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)은 합성된 다결정 이차원 반데르발스 재료의 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 ‘2D 결정 스캐너 기술’을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘Nondestructive Single-Atom-Thick Crystallographic Scanner via Sticky-Note-Like van der Waals Assembling–Disassembling’라는 제목의 논문으로 재료 분야 국제 학술지 <어드벤스드 메터리얼즈(Advanced Materials)> 4월호에 온라인 게재됐다. 황동목 성균관대교수, 김태훈 전남대 교수도 연구에 참여했다. 이차원 반데르발스 재료(2D van der Waals Materials)란, 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 극박막 소재로 나노급 선폭과 두께를 가진 초고집적 반도체 내에서 높은 물리적, 화학적 물성 및 안정성을 유지할 수 있어 실리콘을 대체할 수 있는 유력한 후보로 주목받고 있다. 그래핀도 이차원 재료 중 하나다. 이차원 반데르발스 재료는 차세대 소재로 주목받고 있으나, 재료 전반의 특성을 파악할 수 있는 미세구조를 정확하게 분석할 수 있는 기술이 존재하지 않았다. 새로운 재료를 실제 제품에 적용하기 위해서는 분석 기술이 필요하지만, 이 재료의 경우 두께가 원자층 수준에 불과해 일반적으로 사용되는 미세구조 분석법(x선 결정법, 전자현미경 등)의 직접 적용이 불가능하다. 이에 연구팀은 서로 다른 이차원 반데르발스 소재를 각도가 다르게 겹쳐 적층할 때 나타나는 무아레 무늬(Moire Pattern)와 그에 따른 광학적 특성 변화에 주목했다. 무아레 무늬(Moire Pattern는 규칙적으로 되풀이되는 무늬들이 합쳐졌을 때 나타나는 새로운 간격을 갖는 무늬를 말한다. 연구팀은 미세구조의 결정 방향이 확인된 단결정 단층 그래핀을 광학필터로 활용, 그 위에 합성된 미지의 다결정 그래핀을 반데르발스 힘(van der Waals force)을 이용해 적층한 후 나타나는 변화를 라만분광법으로 분석했다. 분석 결과, 미지의 다결정 그래핀 내부에 존재하는 여러 미세구조 정보들이 광학필터로 활용된 단결정 단층 그래핀과 서로 다른 각도로 적층된 것을 확인했으며 이를 통해 어긋난 미세구조의 광학적 정보를 빠르고 정확하게 스캔해 이미지화할 수 있었다. 또한, 분석을 완료한 시편은 원자-스폴링(Atomic-Spalling) 기술을 통해 ‘포스트잇’을 떼는 것처럼 물리적 파괴 없이 깨끗하게 분리했다.이재현 교수는 “반도체 소자의 크기가 점점 작아지고 있고, 원자 수준의 작은 스케일에서 현 수준 이상의 반도체 소자 성능을 내기 위해서는 구조 혁신과 함께 소재 혁신이 이뤄져야 한다”며 “이차원 반데르발스 소재가 ‘소재 혁신’의 키를 쥐고 있다”라고 설명했다. 이어 이 교수는 “이번 연구를 통해 이차원 소재의 미세구조를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되어, 소재에 대한 높은 신뢰성이 요구되는 분야의 어려움을 해결할 수 있을 것”이라며 “후속 연구를 통해 양산 공정에 적용이 가능한 실시간 고속 분석 기술로 발전할 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원사업으로 수행됐다. 아주대 공동 연구팀이 제안한 새로운 미세구조 분석 기술. 2D 결정 스캐닝은 다음의 과정으로 진행된다. (i) 결정 방향이 정의된 단결정 광학필터 준비 (ii) 단결정 광학필터와 미지의 이차원 소재의 반데르발스 적층 (iii) 분광학적 분석을 통해 빠르고 정확한 미세구조 스캔 (iV) 스캔이 완료된 시편을 원자-스폴링 기술을 통해 비파괴적으로 분리한 후 원하는 기판으로 전사.
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- 작성일2024-05-27
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아주대 화학과 장혜영 교수팀이 이산화탄소를 통해 친환경 고분자 소재 PPC를 제조할 수 있는 고활성 촉매를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 경제성이 높고 독성이 없어 친환경 소재 개발이 필요한 국내 화학 산업에서 다양한 활용이 가능할 전망이다. 장혜영 교수팀은 이산화탄소로부터 친환경 고분자 소재인 PPC(polypropylene carbonate)를 제조할 수 있는 고활성 촉매 개발에 성공했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘박막형 아연-갈산 촉매를 활용한 이산화탄소 고분자 합성(Ultrathin Zn-Gallate Catalyst: A Remarkable Performer in CO2 and Propylene Oxide Polymerization)’이라는 제목으로 저명 학술지 <ACS 서스테이너블 케미스트리&엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry&Engineering)> 2월 온라인판에 부표지 논문(Supplementary Journal Cover)으로 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 장혜영 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 왼쪽)와 김승주 교수(화학과, 위 사진 오른쪽)가 교신저자로 참여했고, 양용문 석사 졸업생(대학원 에너지시스템학과)과 성기혁 박사과정 학생(대학원 에너지시스템학과)이 공동 제1저자로 참여했다. 이번 성과는 교내외 연구진과의 공동 연구를 통해 도출됐다. 촉매화학, 무기화학, 고분자화학, 재료화학, 물리학 분야의 융합 연구로, 아주대 이분열 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)뿐 아니라 연세대·성균관대 연구진도 참여했다. 장혜영 교수팀이 촉매·고분자 제조를 맡았고, 이분열·박지용 교수팀과 연세대·성균관대 연구팀이 촉매 및 고분자의 분석을 맡았다. 플라스틱 산업은 화석 원료를 기반으로 하기에 ▲원유 추출 ▲플라스틱 제조 ▲플라스틱 사용 및 폐기 등의 과정에서 다량의 온실가스를 배출한다. 이에 현 구조의 플라스틱 산업은 지속가능한 발전에 저해가 된다. 이산화탄소 배출과 관련이 깊은 기후 위기 문제와 더불어, 유한한 자원인 화석 원료를 사용해야 하는 문제 때문이다. 실제 국제사회는 기후 위기에 대응하기 위해 탄소 중립을 목표로 공동 대응에 나서고 있다. 탄소 중립(Net-Zero)이란 인간 활동에 의한 온실가스 배출을 가능한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수하고 제거해 실질적 배출량이 0(Zero)이 되게 하는 개념이다. 우리나라 역시 ‘2050 탄소중립’을 선언하고 2050년 탄소중립을 목표로 주요 정책을 수립해 실행하고 있다. 더불어 온실가스 감축을 위한 규제의 하나로 유럽연합(EU)의 탄소국경세 부과가 오는 2026년부터 단계적으로 시작될 예정이다.이에 지속 가능한 탄소원인 이산화탄소로부터 플라스틱을 제조하는 기술은 환경과 경제 두 가지 측면에서 주목받고 있다. 친환경 이산화탄소 고분자 제조에 있어, 해결해야 하는 가장 중요한 문제 중의 하나는 ‘촉매 기술’이다. 이산화탄소는 화학적으로 매우 안정되어있는 물질로 이산화탄소를 활성화시켜 화학반응에 참여시키려면 적절한 촉매가 필요하다. 이산화탄소로부터 PPC를 제조하는 공정의 핵심은 촉매 기술이기에 그동안 이산화탄소로부터 플라스틱의 원료인 PPC(Polypropylene carbonate)를 제조할 수 있는 다양한 종류의 균일 촉매와 불균일 촉매가 개발되어 왔다. 그러나 독성이 없고 활성과 단가를 모두 만족하여 실제 산업에 적용 가능한 촉매는 그 수가 제한되어 있다.현존하는 PPC 제조 촉매 기술 중 상용화 공정에서 주로 사용되는 불균일 촉매는 아연-글루타릭산 촉매와 아연-코발트 기반 촉매인 DMC(double metal cyanide) 촉매다. 아연-글루타릭산 촉매는 고분자 내 이산화탄소 첨가 비율은 높으나 활성이 매우 낮고, DMC 촉매는 활성은 높으나 고분자 내 이산화탄소 첨가 비율이 낮다는 단점이 있다. 아주대 공동 연구팀은 이 두 상용화 촉매의 단점을 모두 극복해 이산화탄소 첨가 비율이 높으면서도 활성이 매우 높은 무독성의 촉매를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 이산화탄소의 고분자 반응은 불균일 촉매 표면에서 진행되기 때문에 촉매 표면의 활성 자리가 적으면 촉매 활성이 떨어진다. 이번 연구에서 제조한 촉매는 느슨한 층상 구조를 가지고 있어 화학반응이 시작되면서 나노 크기의 박막 입자로 쪼개져서 활성 자리의 숫자가 폭발적으로 늘어나며 고분자 반응을 촉진한다. 연구팀이 개발한 촉매를 활용하면, 1t의 PPC 제조 시 440kg 수준의 CO2를 포함할 수 있다. 연구팀은 동일 실험 조건에서 기존에 활용되던 아연-글루타릭산 촉매 대비 100배 가까이 높은 활성 향상을 확인했다. 더불어 자연에서 쉽게 구할 수 있는 갈산과 저렴한 아연염을 합성 과정 및 촉매 원료로 활용해 촉매의 경제성을 확보했다. 이는 기술의 상용화 가능성을 높이는 요소다. 장혜영 교수는 “이산화탄소 첨가 비율이 높으면서, 활성도까지 기존의 DMC 촉매 수준 으로 높은(98% 이상) 불균일 촉매를 세계 최초로 보고했다는데 이번 연구의 의의가 있다”며 “석유화학 기반의 폴리카보네이트 플라스틱 산업을 이산화탄소 활용 친환경 고분자로 대체할 수 있는 혁신적 촉매 기술이 될 것으로 생각한다”고 말했다. 장 교수는 “여러 분야 산업체에서 포집한 이산화탄소를 활용하여 플라스틱을 제조하는 선순환 구조를 만들 수 있을 것”이라며 “탄소 국경세 부과를 앞두고 친환경 소재 개발이 시급한 국내 화학 산업에서 다양한 활용이 가능하며, 실제 국내외 석유화학 기업에서 적극적으로 관심을 보이고 있다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단 Carbon to X 사업의 지원을 받아 수행됐다. 아주대 연구팀의 연구 내용이 실린 <ACS 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)>이미지 출처 – ACS Publications
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- 작성일2024-05-27
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전자공학과·지능형반도체공학과 연구팀이 유연하고 가벼운 태양전지와 피부 부착형 바이오센서 기술을 통합해 자가 구동 웨어러블 심전도 센서를 개발했다. 세계 최고 수준의 고성능 유연 소자로 사물 인터넷과 웨어러블 헬스케어 기기, 드론과 인공위성, 전기차 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.이재진·박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수팀은 갈륨비소(GaAs) 기반의 초유연성 에너지 하베스팅 소자와 피부 부착형 바이오센서를 결합해 자가 구동이 가능한 웨어러블 심전도 센서를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘초유연성 갈륨비소(GaAs) 태양전지 기반 자가 구동 웨어러블 바이오센서 통합 기술(Ultra-Thin GaAs Single-Junction Solar Cells for Self-Powered Skin-Compatible Electrocardiogram Sensors)‘이라는 논문으로 저명 학술지 <스몰 메쏘드(Small Methods, 2023년 기준 인용지수 IF=12.4, IF%=15.4)> 3월호에 게재됐다. 아주대 전자공학과 남용현 졸업생(석사), 지능형반도체공학과 신동준 졸업생(석사)과 아주대 정보통신연구소 최준규 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 박익모 전자공학과 교수(공동저자)와 이재진·박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수(교신저자)도 함께 했다. 이번 성과는 태양전지와 화합물 반도체 분야를 연구하는 이재진 교수(위 사진 오른쪽)팀과 플렉서블 전자소자와 바이오 센서를 연구하는 박성준 교수(위 사진 왼쪽)팀의 융합 공동 연구 결과다.유연하고 가벼우며 높은 효율을 가진 플렉서블(flexible) 태양전지는 바이오 소자의 에너지원으로 활발히 연구되어 왔다. 신체의 움직임이 있을 때에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 장점을 가지고 있어서다. 특히 갈륨비소(GaAs) 태양전지는 다중 접합 태양전지의 구현을 용이하게 하고, 높은 전력 변환 효율을 제공한다. 이에 제한된 전류량에서 더 많은 전류를 공급할 수 있어, 바이오 기기에 활용될 수 있는 우수한 에너지원으로 주목을 받아 왔다. 실제로 지난 수년 동안 항공·우주·국방 분야를 필두로 다양한 공정과 재료를 활용한 갈륨비소(GaAs) 태양전지 연구가 진행되어 왔으나 개발한 태양전지를 유연한 고분자 기판으로 전사하는 과정은 수월하지 않았다. 이에 아주대 연구팀은 이전에 활용됐던 태양전지 모듈의 구조적 변형이 아니라 태양전지 자체의 물리적 변형에 주목했다. 일반적으로 태양전지 에피 구조에서 활용되고 있는 얇은 접합(shallow junction) 구조가 아닌, p-n 접합이 활성층의 하단부에 위치하는 깊은 접합(deep junction) 구조를 사용한 것. 에피 구조가 성장되는 GaAs 기판이 제거되어 초박막 활성층 영역만을 태양전지로 활용하는 박막형 태양전지에서는, 후면 반사 태양광이 하단부의 p-n 접합에 흡수되어 전력변환효율을 극대화할 수 있다. 또 동시에 얇은 고분자 기판에 성공적으로 전사할 수 있다.이러한 접근을 통해 연구팀은 2.3μm 두께의 갈륨비소 태양전지를 50μm 두께의 PDMS 기판 위에 성공적으로 전사하여 고효율 유연 태양전지를 구현했다. 마이크로미터(μm)는 미터(m)의 백만분의 일에 해당하는 길이의 단위다. 연구팀은 또한 이를 피부 부착형 유기 전기 화학 트랜지스터(OECT)와 결합하여 자가발전이 가능한 저잡음 심전도 센서를 개발해냈다. 기존의 건물 전원을 사용한 생체신호의 경우 노이즈로 인해 신호 취득이 어려운 단점이 있으나, 아주대 연구팀은 자연친화적인 태양전지를 에너지원을 사용해 노이즈가 최소화(32.68dB의 신호 대 잡음비)된 안정적인 신호를 취득했다.이재진 교수는 “갈륨비소(GaAs) 기반 태양전지는 가장 효율이 높은 태양전지로, 초경량화·유연화가 가능해 대형 드론이나 인공위성 등 첨단 산업에 활용되고 있다”며 “이번 연구에서 갈륨비소 태양전지를 피부 부착이 가능한 매우 얇은 박막 기판에 전사하는 데 성공했다는 점에 큰 의의가 있다”라고 설명했다. 이 교수는 “갈륨비소 태양전지의 경우 공정에 들어가는 비용이 아직은 매우 높으나, 100% 태양광 기반의 전기차나 웨어러블 바이오 기기 등에의 적용을 위한 산업계 관심이 이어지고 있다”며 “이번 성과를 기반으로 아주대 연구팀은 앞으로 웨어러블 바이오 기기, 차세대 3D 안면인식, 증강현실(AR) 응용에 특화된 세계 최고 수준의 고성능 유연 소자 연구를 이어갈 것”이라고 덧붙였다. 박성준 교수는 “이번 연구는 초유연성 태양전지와 바이오센서를 통합함으로써 실시간 인체 건강 모니터링이 가능한 웨어러블 전자제품 개발에 새로운 지평을 열었다는 점에서 의미가 있다"며 ”향후 재난 감지를 비롯한 사물인터넷(IoT) 분야와 AI, 가상현실, 의료 빅데이터 분석 등 다양한 부문에서 웨어러블 전자소자를 활용할 수 있을 것“이라고 말했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 ‘우수신진연구’, ‘기초연구실’, ‘4단계 BK21 사업’과 한국산업기술평가관리원의 ‘시장주도형 k-센서기술개발사업’, 과학기술정보통신부의 ‘대학ICT연구센터지원사업(ITRC)’, 국가과학기술연구회의 ‘초실감 메타버스 구현을 위한 촉감표준 및 고충실도 통합 햅틱 시스템 개발 사업’의 지원을 받아 수행됐다. 연구진이 제안한 GaAs 태양전지 공정 과정 - 태양전지의 에피 구조와 표면개질화접착법(SMB)을 적용한 이중전사 기술의 공정 과정이다아주대 연구팀이 개발한 고효율 유연 태양전지, 얇고 가벼우며 유연하기에 웨어러블 기기 등에 활용될 수 있다실제 손가락에 연구팀이 개발한 심전도 센서를 부착한 모습. 초박막 GaAs 태양전지와 유기전기화학 소자를 이용해 심전도센서를 시연, 자가발전이 가능한 저잡음 심전도 센서로 손가락에서 안정적인 신호를 취득해냈다
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