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우리 학교 화학과·대학원 에너지시스템학과 연구팀이 바이오매스로부터 수소를 추출하는 고효율 촉매를 개발했다. 청정 연료 수소의 활용을 위한 친환경적 방안으로 널리 적용될 수 있을 전망이다. 화학과·대학원 에너지시스템학과 장혜영·유성주·윤호섭 교수 연구팀의 성과는 '이리듐 촉매를 이용한 에틸렌글리콜로부터 수소와 Cn 유기산의 생산(Ir(tri-N-Heterocyclic carbene)-catalyzed production of hydrogen and Cn acids from ethylene glycol)'이라는 논문으로 화학 분야 국제 학술지인 <ACS 서스테이너블 케미스트리 & 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, IF 9.224, JCR 상위 8.741%)>에 게재됐다. 이번 연구에는 대학원 에너지시스템학과 이미현 학생(제1저자)을 포함하여 변희민, 박준서 학생과 기초과학연구소 윤우진 박사가 공동저자로 참여했다. 화학과 학부생 김시원 학생은 학부 인턴 연구 프로그램을 통해 이번 연구에 참여했다.이번 연구는 바이오매스 유래 에틸렌글리콜을 원료로 사용하여 청정 수소를 생산할 수 있는 기술 에 대한 것이다. 연구팀은 논문에서 이리듐 촉매의 리간드 디자인을 통해 기존의 촉매 활성 대비 25배 이상 향상된 촉매 활성을 보고했고, 이 촉매 시스템을 이용한 수소 생산량은 시간당 약 490 L/g-촉매로 확인했다.청정 연료로 주목받고 있는 수소의 경우, 현재 대부분 화석 원료로부터 추출하고 있어 이산화탄소 배출을 동반할 수밖에 없다. 이에 지구 온난화를 억제하기 위해, 이산화탄소 배출 없는 수소 생산 기술의 개발이 시급하다. 아주대 연구팀은 이번 연구결과에서 바이오매스로부터 생산되는 에틸렌글리콜을 수소원으로 사용하여 수소 생산이 가능함을 확인했다. 수소 추출 후 얻어지는 유기물 또한 화학 고분자 산업에서 유용한 Cn acid 유기산으로 추가적인 부산물이 발생하지 않는다. 친환경 수소 생산 기술은 지구 온난화 억제를 위한 '2050 탄소-중립 달성'에 핵심 기술 중 하나로, 연구팀의 성과 역시 중요한 역할을 수행할 것으로 기대된다.이번 연구에 참여한 이미현 학생은 "선행연구를 통해 탈수소화 반응에서 중심금속에 NHC(N-hetero carbene) 리간드의 개수가 많을 때 높은 활성을 보일 것이라는 가설을 세웠고, 이를 증명하기 위해 3개의 NHC 리간드가 배위한 신규 촉매를 개발했다"며 "실험을 통해 개발한 촉매가 높은 활성을 가지는 것을 보임으로써 가설을 증명해낼 수 있어 기쁘고 뿌듯하다"라고 전했다.한편, 장혜영 교수 연구팀은 바이오매스 유래 수소 생산을 위한 다양한 촉매 기술을 개발하고 있으며, 촉매 기술의 상업화를 위한 다양한 연구를 수행하고 있다. *실험실 홈페이지: https://sites.google.com/ajou.ac.kr/ajouom/home#위 사진설명 : 대학원 에너지시스템학과 이미현 학생화학과·대학원 에너지시스템학과 장혜영·윤호섭·유성주 교수 연구팀
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- 작성일2023-08-03
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우리 대학 연구진이 투명하고 유연한 소재의 유기 태양전지 전극을 개발했다. 이를 활용하면 건물과 차량의 외벽, 비닐하우스의 지붕, 웨어러블 기기 등 그동안 태양광 발전이 어려웠던 곳에도 안정적으로 태양전지를 적용할 수 있게 될 전망이다. 박성준 교수(전자공학과)·김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원분자과학기술학과) 연구팀은 유연 고내구성의 반투명 유기 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 '초유연 반투명 유기태양전지(Ultra-flexible semitransparent organic photovoltaics)'라는 논문으로 유연 전자 소자 분야 학술지 <npj 플렉서블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics, IF=12.019 IF%=3.804)> 6월3일자에 게재됐다. 아주대 이한비(전자공학과 석사 졸업)·김재현(지능형반도체공학과 석사 재학) 학생과 정소영 영국 임페리얼컬리지 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 아주대 박성준 교수(전자공학과)·김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 공주대 이승훈 교수(신소재공학부)가 공동 교신저자로 함께 했다. 태양광 발전은 지속가능한 재생 에너지원으로 저렴한 운영 비용과 다양한 활용 가능성으로 주목을 받아왔다. 그러나 기존 실리콘 기반의 무기 태양전지는 무겁고, 어두운 색을 띄는 데다 유연하지 못해 다양한 형태로 활용하기에는 어려움이 많았다. 이에 최근 학계와 산업계는 롤러블·웨어러블 기기나 곡면의 건물과 지붕에 활용할 수 있고, 창문이나 비닐하우스 지붕처럼 빛을 그대로 투과시켜야 하는 곳에도 적용 가능한 차세대 유기 태양전지 개발에 관심을 기울여 왔다. 그러나 기존 유기 태양전지에서 사용해온 하부 전극 물질인 ITO(인듐 주석 산화물, Indium tin oxide)는 기계적 안정성이 낮아, 유연 소자에 적용하기 어렵다는 한계를 보여 왔다. 이에 공동 연구팀은 기존에 유기 태양전지에 사용되어 온 두꺼운 두께의 ITO 전극과 불투명 상부 전극을 대체할 수 있는 방안을 찾는 데 주력했다. 연구팀은 연성이 좋은 금속 중 하나인 은(Ag)을 주목, Ag 금속을 초박막 형태로 쌓아 유연성이 뛰어난 투명 하부 전극을 제작했다. 또 절연체-금속-절연체 구조의 박막을 만들어 금속에서 발생하는 난반사를 상쇄하는 AR 코팅(Anti-reflection coating) 기법을 도입, 흡광성능을 극대화하는 데 성공했다. AR 코팅은 빛의 반사를 방지하는 기술의 일종으로 유리판이나 액정 패널의 표면, 광학 렌즈 등 빛의 반사를 막고자 하는 경우에 이용된다. 연구팀은 AR 코팅 기법을 활용해 상쇄 간섭을 통한 반사광의 소멸을 유도, 이를 통해 소자의 전체적 투명도를 높였다.연구팀은 이렇게 개발한 초유연 반투명 유기 태양전지에 대해 가시광선 영역에서 약 80% 이상의 투과율을 보이며, 200%의 인장을 1000번 이상 가해도 견딜 수 있는 내구성을 가지고 있음을 확인했다. 새로운 유기 태양전지 전극은 머리카락 두께의 50분의 1 수준인 2마이크론 두께로, 두께가 얇아짐으로써 소자의 강성도가 최소화되어, 기계적인 변형에서도 안정적인 개발이 가능하다. 연구팀이 개발한 초유연 반투명 유기 태양전지의 유연성은 현존 최고 수준이다. 이에 사물인터넷(IoT), 롤러블·웨어러블 기기와 곡면으로 된 건물 및 비닐하우스 등의 외벽에 적용이 가능할 전망이다. 높은 기계적 안정성을 바탕으로, 태양 에너지로 자가 구동할 수 있는 다양한 웨어러블 기기에도 활용할 수 있을 것으로 보인다. 박성준 교수는 "얇고 유연하며, 기계적 변형에 대해 내구성이 높은 유기 태양전지 소자를 개발함으로써 새로운 연구 분야를 개척해냈다는 점에 이번 연구의 의의가 있다"며 "기존 태양전지의 불투명한 성질로 인해 활용이 어려웠던 건물·차량의 창문과 비닐하우스 외벽 등에도 부착이 가능할 것"이라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구. 한국산업기술평가관리원의 시장주도형k-센서기술개발사업, 미래창조과학부의 대학ICT연구센터육성지원사업, 한국연구재단(과학기술정보통신부)의 2021년 전략형 국제공동연구사업(한국-호주 공동연구)의 지원을 받아 수행됐다. * 제일 위 사진 설명 : (a) 초유연 반투명 유기 태양전지의 단면과 빛의 투과 과정에서 발생하는 현상에 대한 모식도 (b) 초유연 반투명 유기 태양전지의 소자 구조 모식도 (c) 연구팀이 개발한 초유연 반투명 유기 태양전지의 실제 사진 이번 연구에 참여한 연구진. 제일 위 왼쪽부터 정소영 영국 임페리얼컬리지 박사(제1저자), 이한비 아주대 전자공학과 석사(제1저자), 김재현 아주대 지능형반도체공학과 석사 재학생(제1저자). 아래 왼쪽부터 박성준 아주대 전자공학과 교수(교신저자), 김종현 아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 교수(교신저자), 이승훈 공주대 신소재공학부 교수(교신저자) (위) 연구팀이 개발한 소자의 200% 양축 인장 변형 반복 실험 실제 모습 (아래) 인장 실험의 1000번 변형 반복 후 소자 성능 실험 결과. 1000번의 인장 실험 후, 소자의 효율을 측정한 결과 기존 대비 73% 정도의 효율이 관찰되었으며 이는 현재까지 개발된 해당 소자 중 가장 뛰어난 성능이다.
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- 작성일2023-08-03
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- 작성일2023-07-31
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서형탁 아주대 교수팀이 기존의 상용 적외선 센서 대비 우수한 성능을 가진 근적외선 광센서를 개발했다. 이에 고성능의 광센서가 필요한 자율주행차, 지능형 CCTV. 우주 및 군사 시설 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 광흡수에 의해 급격한 절연체-금속 전이가 발생하는 ‘모트 전이’ 효과를 통해 기존 상용 적외선 센서를 능가하는 성능을 가지는 이산화바나듐 기반 근적외선 광센서를 개발했다고 밝혔다. 관련 연구 내용은 '근접 센서 시각 처리를 위한 모트 전이 기반의 피코 암페어 암전류와 광전커플링 초선형 응답성(Picoampere Dark Current and Electro-Opto-Coupled Sub-to-Super-linear Response from Mott-Transition Enabled Infrared Photodetector for Near-Sensor Vision Processing)'이라는 제목으로 재료·소재 분야 최상위권 저널인 <어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF=32.086)> 5월호에 정식 게재됐다. 이 논문은 해당 저널 이슈의 권두 표지 논문(Frontispiece Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자)와 임석원·김지수 학생(대학원 에너지시스템학과, 공저자)이 함께 참여했다.빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지와 정보통신, 사물 인터넷, 광통신 등의 분야에서 필수적으로 사용되는 부품이다. 그중에서도 근적외선 광 검출은 ▲자율주행 차량의 전방 센서 ▲의료 분야의 열화상 측정 ▲야간 투시를 비롯한 우주·군사 시설 ▲물체 이동 감지 센서 ▲태양전지 등에 활용된다. 이처럼 광전효과 기반 광센서는 최근 부상하는 신산업 분야와 밀접하게 연관되어 있어, 미래 핵심 기술로 주목받고 있다. 사물인터넷(IoT) 기술 보급에 따라 근적외선 감지 기술은 실시간 영상에 기반한 여러 안전, 교통, 보안, 통신 분야에 적용되고 있으며 의료 진단 및 우주 관측 분야에도 활용된다. 이에 전 세계적으로 대학, 연구기관, 기업 등에서 근적외선 감지 기술에 대해 활발히 연구하고 있다. 신산업 분야에서 요구되는 근적외선 감지 센서는 기존 기술과 차별화되는 높은 감도와 검출 성능을 필요로 한다. 센서의 높은 정확도와 함께 실시간 영상을 처리·활용하기 위해서는 구동에 필요한 전력은 최소화되어야 한다. 이를 위해 빛이 없을 때 측정되는 전류인 암전류는 피코암페어(pA, 10의 12승분의 1) 수준으로 최소화하되 입사광 하에서 측정되는 광전류는 최대화하여야 하고, 동작에 필요한 인가 전압(applied voltage) 또한 최소화되거나 자가 전력으로 가능해야 한다. 이렇게 센서 감도를 극대화하면, 야간이나 가시광이 없는 환경에서 물체의 움직임을 관찰할 수 있게 된다(예 - 자율 주행 차량의 모션 모니터링).이러한 광센서를 개발하기 위해 연구팀은 모트 전이 모트 전이(Mott transition) 소재인 이산화바나듐에 주목했다. 이산화바나듐은 미세한 외부 자극(온도, 빛, 전압)에 의해 소재의 전도성이 절연체에서 도전체로 급격히 변화한다(양자역학적 전이). 또한 외부 자극 전후의 온·오프 전류비가 최대 1만배 이상으로, 스위칭 속도가 실리콘보다 빠르다. 이에 업계에서는 모트 전이 소재를 활용하면, 수천억원 대의 장비 및 별도의 공정이 필요한 기존 반도체의 실리콘 공정을 대체할 수 있을 것으로 기대해왔다. 하지만 소재로서의 여러 장점에도 불구하고, 반도체 호환 공정으로 이산화바나듐 박막을 실리콘 웨이퍼 상부에 형성하는 기술은 아직 개발되지 못했다. 이산화바나듐은 바나듐이 산소와 결합하여 만들어지는 다양한 산화물 조성 중 한 가지로, 불안정하고 형성이 매우 어렵기 때문이다. 대부분의 경우 여러 산화물 조성이 혼합되며 모트 전이 특성이 약화되거나 사라지게 되어 이를 극복하는 것이 관건이었다.이에 아주대 연구팀은 집적회로 양산공정에서 기존에 널리 활용되는 원자층 증착 기술을 이용하여 안정적인 스위칭을 얻는 이산화바나듐 초박막(박막 두께 약 10 nm / 나노미터는 미터의 십억분의 일에 해당)을 실리콘 기판 위에 구현하는 데 성공했다. 그리고 이를 통해 실리콘과 이산화바나듐으로 구성된 포토 다이오드 소자를 제조했다. 이렇게 개발된 센서는 피코암페어의 암전류를 가지며 근적외선 광입사에 대하여 초고감도·최고 수준의 검출 성능을 보였다. 연구팀은 새로 개발한 광센서를 이용해 노이즈 영상 패턴을 명확히 구분하는 지능형 이미지 검출을 시연해냈다. 서형탁 교수는 "그동안 구현이 불가능했던 초고감도 근적외선 검출을 새로운 소재 및 공정 방식을 통해 실리콘 기판 위에서 반도체 호환 공정으로 실현했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다"며 "이 방식을 응용하면 기존의 실리콘 집적 회로 공정에 접목하여 우수한 성능의 광센서를 구현할 수 있어 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물 인터넷, 광통신 등의 여러 분야에서 널리 활용될 수 있을 것"이라고 전했다. 아주대 연구팀은 이번 연구 성과를 기반으로 후속 연구를 진행, 실제 상용화가 가능하도록 높은 기술적 파급효과를 가진 소자화 기술을 추가로 개발하겠다는 목표다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 PIM인공지능반도체핵심기술개발사업과 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. (위 그림) 개발된 광센서의 동작 원리: 절연체 상태의 이산화바나듐은 광전류 발생이 없으나 금속성 이산화바나듐 빛은 광전류를 효율적으로 생성한다. (아래 그림) 초선형성 이미징 기술: 노이즈가 높은 이미지를 광센서의 초고감도 센싱을 통해 짧은 시간 반복적으로 스캐닝하여 노이즈가 제거된 이미지 영상을 도출해냈다.* 위 사진 : <어드밴스트 머터리얼즈(Advanced Materials)> 5월호에 권두표지논문으로 게재된 아주대 연구팀의 연구 관련 이미지
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- 작성일2023-07-17
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아주대 연구진이 차세대 지능형 반도체에 활용 가능한 신소자를 개발했다. 기존의 플래시 메모리보다 빠르게 적은 에너지로 다양한 연산을 구현할 수 있어 인공지능 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등에 폭넓게 활용될 전망이다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 강유전성 초박막 소재의 나노 위상 분극 도메인 정보 저장 및 스위칭 제어 기술을 이용하여 연산과 비메모리 기능이 통합된 프로세스-인-메모리(PIM) 터널링 소자 개발에 성공했다고 밝혔다.연구 내용은 "초고속 로직-인-메모리 동작 구현을 위한 헤프늄-지르코니아 나노라미네이트 기반 의 스위칭 가능한 극성 나노텍스츄어(Switchable Polar Nanotexture in Nanolaminates HfO2-ZrO2 for Ultrafst Logic-in-Memory Operations)"라는 제목으로 나노융합기술 분야 저명 국제 학술지인 <스몰(Small)> 3월호 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 대학원 에너지시스템학과 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수가 제1저자로, 아주대 대학원 한승익·안영환·전예린·박지영 학생이 공저자로 참여했다. 서형탁 교수는 교신저자로 함께 했다. PIM(Process-in-Memory)은 뇌의 신경회로를 모사해 메모리와 프로세서를 통합한 신개념 반도체로 미래 반도체 핵심 기술이다. 현재 반도체 집적회로는 메모리와 프로세서가 분리되어 데이터를 처리하는 '폰노이만 아키텍쳐(Von Neumann architecture)' 방식을 이용한다. 그러나 최근 인공지능(AI) 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등을 위해 메모리와 프로세서 간 데이터 전달량이 증가함에 따라 처리 속도가 한계에 이르는 '폰노이만 병목현상'이 발생하고 있다. 이에 메모리와 프로세서를 통합해 빠른 연산 처리 속도를 구현하고, 전력 소모량도 아낄 수 있는 PIM 기술이 주목받고 있다.이러한 PIM 소자를 구현하기 위해 전 세계 반도체 제조사들은 기존 실리콘 집적회로 소재와 공정을 기반으로 회로 구조적인 변화를 시도함과 동시에 실리콘 소재에서 탈피하여 멤리지스터(메모리+레지스터)와 멤트랜지스터(메모리+트랜지스터)와 같은 신소자를 이용한 개발을 진행하고 있다. 그러나 PIM 기술이 목표로 하는 저전력·고속 스위칭·멀티 레벨 스위칭의 신뢰성을 모두 확보한 신기술의 개발은 아직 요원하다. 특히 나노 스케일의 단위 소자에서 안정적인 비휘발성 저장 및 논리 연산을 저전력·초고속으로 달성한 결과는 아직 보고되지 않았다.아주대 연구팀은 PIM 신소자 개발을 위해 헤프늄-지르코늄 복합산화물(HfZrO: HZO)에 주목했다. HZO는 차세대 저전력 트랜지스터의 후보군인 음의 정전저항기반 트랜지스터에 사용되는 핵심 소재로, 외부 전기장에 따라 비휘발성 분극이 강하게 일어나는 강유전성을 가지며 특히 3차원 구조의 집적회로 핵심 공정인 원자층 증착이 가능하여 반도체 분야에서 널리 연구 개발되고 있는 소재다. HZO의 강유전성은 이상적으로는 전압의 부호에 따라 상향 및 하향 수직 정렬 분극화가 소재 전체에 일관되게 일어나는 것이 필요하지만, 원자층 증착된 HZO는 나노결정구조를 가지기 때문에 각 결정립의 분포에 따라 수직 정렬 분극뿐만 아니라 경사 정렬 분극화가 점진적으로 발생하는 '위상 극성 도메인'이 형성된다. 연구팀은 이러한 위상 극성 도메인을 제어할 수 있다면, 각 나노스케일의 도메인에 정보를 비휘발성으로 저장하고 다양한 논리 연산을 구현할 수 있음에 착안하여 개발을 진행했다. 아주대 연구팀은 실리콘(Si) 기판 위에 헤프늄 산화물과 지르코니움 산화물을 나노레미네이트 방식의 플라즈마 원자층 증착 공정으로 순차적으로 번갈아 가며 증착하되, 완전히 균일한 박막 1종과 각 단일 층이 교차된 상태를 유지하는 박막 1종을 확보하는 공정을 개발했다. 그리고 원자현미경을 이용한 나노 스케일 분극 스위칭과 분석을 통해 교차 구조를 유지하는 박막의 경우에는, 분극화가 수직 정렬뿐 아니라 경사 정렬될 수 있고 이를 통하여 정보를 멀티레벨로 저장할 수 있음을 최초로 확인했다.이번에 개발한 소자를 이용하면 80나노 초(nsec)에서 쓰기 및 읽기 동작이 가능하고, 온·오프(on·off) 비율, 스위칭 반복성(Endurance), 비휘발성(데이터 저장 시간) 기능이 모두 기존의 소자 대비 우수하다. 더불어 아주대 연구팀은 하나의 단위 소자에서 비휘발성 스위칭 조합을 이용, NAND, NOR, OR, AND 등 총 14가지 논리 연산 기능을 다치레벨로 구현하여 비휘발성 PIM의 필수 특성을 모두 확인했다. 서형탁 교수는 "AI 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등을 위해 차세대 지능형 반도체를 개발하고자 하는 노력이 이어지고 있다"며 "완전히 새로운 구조와 공정, 소자 등 다방면의 연구가 진행 중인 가운데, 이번 연구는 현재 양산 공정이 확보된 강유전성 소재를 기반으로 나노 도메인 분극화를 이용하여 정보를 비휘발성·다중레벨로 구현한 최초의 사례"라고 설명했다. 서 교수는 이어 "실리콘 접합 구조의 터널링 소자 구조를 구현하여 양산 공정 적용이 가능하다"며 "인공지능형 컴퓨팅에 적합한 회로 개발을 위해 다른 분야 연구자들과 협업하여 상용화를 목표로 후속 연구를 진행할 예정"이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 주관하는 PIM인공지능반도체 핵심기술개발 사업과 기본·중견 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. (왼쪽)기존 강유전성 HZO의 경우 상하 수직 분극 정렬만 존재하나 나노라미네이트 구조의 경우 경사 분극 정렬이 혼재되어 다중 분극 상태 제어가 가능함 (오른쪽 아래)투과전자현미경 분석을 통해 원자레벨에서 다중 원자 정렬이 존재함을 입증하였고 전압 크기에 따라 다치레벨의 분극화를 전압 크기에 따라 제어가능함을 원자현미경 분석을 통해 입증 (오른쪽 위)최종 나노텍스츄어의 다중 분극화를 이용한 양자역학적 터널링 메모리-로직연산 통합 소자의 개략도* 위 사진 설명 - 뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 한승익 학생, 서형탁 교수, 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수, 박지영 학생, 전예린 학생
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- 작성일2023-06-30
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