성균관대학교

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Research Stories

자율주행 차량용 LiDAR 센서 반도체 개발

VLSI 2020 학회의 하이라이트 논문으로 선정

반도체시스템공학과 최재혁 교수 · 전정훈 교수·서형석 연구원

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  • 자율주행 차량용 LiDAR 센서 반도체 개발

    반도체시스템공학과 최재혁 교수 ·전정훈 교수·서형석 연구원

    자율주행 차량용 LiDAR 센서 반도체 개발

    정보통신대학 반도체시스템공학과 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 국내 최초로 자율주행 차량용 CMOS Light Detection and Ranging (LiDAR) 센서 반도체의 개발에 성공하고, 그 연구 논문 (1저자: 서형석 석박통합과정)이 반도체 분야 최고 권위 학술대회인 Symposia on VLSI Technology and Circuits에 발표되었다. 또한 해당 논문은 VLSI 2020 학회의 하이라이트 논문으로 선정되어 VLSI Symposia 미디어 프레스에 소개되었다 (https://vlsisymposium.org/press-kit/). VLSI 학회는 1981년에 설립되어 매년 6월 미국과 일본에서 번갈아 개최되고, 한해 동안 세계 각국의 반도체 업계 및 학계에서 제출된 논문 중 가장 뛰어난 성과를 보인 논문을 선정해 발표하는 반도체 분야 최고 권위의 학회 중 하나이며, Samsung, Intel과 같은 세계 최고의 기업들이 최신 기술을 경쟁적으로 발표하는 곳이다. LiDAR 센서는 적외선광을 이용하여 사물의 형상 및 거리를 고정밀로 감지, 사물 및 상황 인지를 가능케 하는 자율주행 차량의 핵심 센서이다. 자율주행차용 LiDAR 센서는 일부 상용 제품들이 출시되었으나, 개별소자 및 개별부품 기반의 큰 부피를 가지는 고가의 시스템이었던 반면, 성균관대에서 개발한 LiDAR 센서는 반도체 기반 system-on-chip로 구현됨으로써 6x5 mm2이내의 작은 면적으로 저가 대량생산을 가능케 한다. 해외 기업 및 연구 기관 (Toshiba, Toyota, EPFL 등)이 LiDAR 센서 반도체 기술을 선점하였으나, 성균관대에서 국내 최초로 LiDAR 센서 반도체를 개발하였고, 또한 광간섭 및 악천후에서의 정밀도 저하 문제를 해결하기 위한 interference 필터 및 multi-event histogramming time-to-digital converter 기술이 센서 칩에 집적되어, 많은 자율주행 차량들이 운용되는 실외 환경에서도 48m의 거리를 고정밀 측정함으로써 기존 LiDAR 센서들을 압도하는 성능을 내었다. 해당 LiDAR 시스템은 SOS Lab, 삼성전자 종합기술원과 공동 개발되었고, 성균관대에서는 시스템의 핵심인 LiDAR 센서 반도체의 개발을 담당하였다. 해당 논문은 2020년 6월, VLSI 학회의 Image Sensor and Imaging Techniques 세션에서 발표되었다. 해당 세션에 채택된 총 5편의 논문들은 Samsung, Toshiba와 같이 주로 세계 최고의 기업들에 의해 발표되었으며, 국내 대학으로서는 성균관대가 유일하다. ※논문: “A 36-channel SPAD-integrated scanning LiDAR sensor with multi-event histogramming TDC and embedded interference filter”, Symposia on VLSI Circuits, 2020. ※저자: 서형석 (1저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 최재혁 (교신저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 전정훈 (공동저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 윤희선·김동규 (공동저자, SOS Lab.), 김정우 (공동저자, 삼성전자 종합기술원), 김성진 (공동저자, UNIST)

  • 실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명

    에너지과학과 오상호 교수 ·이수빈 박사

    실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명

    나노스케일에서 재료의 변형 및 파괴 거동은 재료공학, 기계공학 분야에서 오랜 기간 연구되어온 주제로서, 최근 환경변화를 감지하는 압력 센서 및 반도체 소자 등 저차원 나노재료의 다양한 응용연구에 힘입어 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 재료에 영구적인 변형을 일으키는 전위*의 생성과 움직임은 재료의 기계적 물성을 결정짓는 매우 중요한 인자이다. 더욱이 나노재료에서는 작은 크기로 인해 소성변형이 시작됨과 동시에 파괴로 이어지는 경우가 많아 변형 초기에 전위가 생성되고 움직이는 현상을 관찰하는 것이 중요하다. 나노재료에서 전위에 의한 소성 변형이 어떻게 시작하는지에 대한 연구는 지난 2-30년간 활발히 진행되어 왔다. 원자 시뮬레이션에 의하면 소성변형은 수 나노미터 크기의 매우 작은 전위루프에 의해 시작된다고 알려졌다. 하지만 최초의 전위가 어떻게 생성되고 어떻게 움직이는지, 그리고 재료의 강도 및 강화 메커니즘에 어떻게 영향을 주는지에 관한 실험적 관찰은 전무하다시피 하였다. 나노재료의 더 깊은 이해와 응용을 위해서는 전위의 직접 관찰을 통한 분석이 필수적이며, 이를 위해서는 전위를 직접 관찰할 수 있는 유일한 실험 방법인 실시간 투과전자현미경 실험법이 요구된다 에너지과학과 오상호 교수와 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이수빈 박사 연구팀은 재료의 내부를 백만 배 이상까지 확대할 수 있는 투과전자현미경을 이용하여 나노미터 수준에서 재료가 변형되는 순간을 포착하였다. 연구팀은 실시간 투과전자현미경 실험을 이용하여 금 나노선을 나노인덴테이션(Nanoindentation) 방법으로 변형함과 동시에 전위의 생성에 의한 초기 소성변형 과정을 직접 관찰하는데 성공하였다고 밝혔다. 초당 25프레임의 고속 카메라로 촬영한 결과, 수 나노미터의 작은 전위루프들이 수 십분의 1초에 생성되는 것을 관찰되었다. 전위루프는 먼저 작은 전위선의 생성으로 시작되고, 이후 다른 슬립면으로 이동하는 교차슬립 (Cross slip)을 거쳐 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이 과정에서 접촉면에 따라 전위선의 생성과 교차슬립이 경쟁적으로 작용하여 다른 변형 메커니즘으로 발현되는 것을 확인하였다. 작은 접촉면의 경우 힘을 받으면 작은 크기의 전위루프가 빠르게 형성되는 반면, 접촉면적이 크면 전위루프 생성에 더 많은 에너지가 필요하여, 교차슬립이 더욱 활발하게 일어나서 나선형 전위가 형성됨을 관찰하였다. 본 결과는 재료 변형 거동의 근본적인 이해를 돕는 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상되며, 반도체, 센서, 에너지하베스팅 등의 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.880)에 5월 12일 게재됐다. [그림. 소성변형이 시작되는 순간 형성되는 전위루프. 금 나노선의 실시간 투과전자현미경 나노인덴테이션 변형실험으로부터 초기 소성변형 과정에서 형성되는 전위루프의 생성 과정을 관찰한 실험 결과 및 원자 시뮬레이션 결과.

  • 더 오래가고 더 안전한 자동차 배터리용 양극소재개발에 새로운 길 제시

    에너지과학과 윤원섭 교수 ·이은강 연구원

    더 오래가고 더 안전한 자동차 배터리용 양극소재개발에 새로운 길 제시

    에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀 (제1저자 이은강연구원) 의 리튬이온배터리 양극소재의 열적안정성에 대한 논문이 소재과학(material sciences) 분야의 세계적 권위의 학술지인‘Advanced Science’에 온라인으로 지난 4월 24일(금)에 게재되었으며, 5월 15일 저널 커버로 선정되었다. 고성능 차세대(Next-generation) 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온배터리의 양극소재로 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있다. 하지만, 이러한 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 갖는 고유한 열적불안정성은 소재 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 여러 연구들이 진행되어왔지만, 현재까지도 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 근본적인 원인에 대한 규명이 부재하였기에 획기적인 열적안정성 개선이 이뤄지지 못하였다. 윤원섭교수팀은 가열 중에 변화하는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 통하여, 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명하였다. 고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극 소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘 규명을 통해, 본 연구는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자 (Key-factor)를 제시한다. 그러므로 본 연구 결과는 리튬이온배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고 성능 전기차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온배터리의 안전성 향상시키는데 중요한 역할을 할 것으로 기대 된다. 본 논문의 제 1저자인 이은강 연구원은 “더 오래가고 더 안전한 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다는데 그 의미가 있다”라고 전했다. ※ 논문명: Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902413 외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도

  • 대용량 전력저장용 저가 카본 배터리 전극소재의 이온 저장 메커니즘 규명

    기계공학부 김재훈 교수 ·Handi Setiadi Cahyadi 연구원

    대용량 전력저장용 저가 카본 배터리 전극소재의 이온 저장 메커니즘 규명

    기계공학부, 성균나노과학기술원, 화학공학/고분자 공학부 김재훈 교수 연구팀 (제1저자 Stevanus Alvin 및 Handi Setiadi Cahyadi 연구원)이 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수 연구팀과 공동으로 중대형 전력저장용 베터리용 음극소재로 각광받고 있는 하드카본의 리튬, 나트륨 및 칼륨 이온저장 메커니즘을 규명하여 안전하고 용량이 높은 소재 개발에 새로운 길을 제시했다고 밝혔다. 태양광, 풍력 등 전기출력특성이 균일하지 않은 신재생에너지의 지속적인 활용을 위해 신재생 전기를 저장해서 필요할 때 사용할 수 있는 중대형 에너지저장시스템 개발이 필수적이다. 하지만 리튬이온전지는 불안전성 및 높은 가격으로 에너지저장시스템의 저변확대에 어려움을 격고 있다. 이에 리튬 대비 매우 풍부하고 저가인 나트륨 및 칼륨을 하드카본에 저장하는 전지가 각광받고 있으나 이온저장 메커니즘이 규명되지 않아서 고용량 배터리 개발에 어려움이 많았다. 이에 연구팀은 리그닌을 원료로 하드카본을 합성하였고, 리튬, 나트륨 및 칼륨의 충전 및 방전 중에 변화하는 하드카본의 물리화학적 성질 변화에 대한 체계적인 연구를 진행하였다. 또한 밀도 범함수 이론 계산 결과를 바탕으로 기존에 밝혀지지 않았던 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 삽입될 때 그래핀 층이 확장되었으며, 그래핀 층의 확장 효과가 없는 리튬보다 나트륨 및 칼륨의 저장에서 더 많은 용량을 보이게 되는 것을 규명하였다. 나아가 연구팀은 리튬, 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 충전 및 방전될 때 저장 메커니즘을 규명하고, 하드카본 음극소재의 용량 및 안전성 향상을 위한 인자를 제시하였다. 본 연구는 새로운 접근방법 및 통찰을 바탕으로 중대형 전력저장용 배터리의 안전성 및 용량 개선을 위한 방안을 제공함으로써 신재생에너지 전력저장 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. Handi Setiadi Cahyadi 연구원은 “그간 논란이 되어왔던 하드카본의 이온저장 메커니즘을 실험 기법 및 이론 기법을 이용하여 밝혀냄으로써 향후 중대형 전력저장용 저가 음극소재 개발에 활용 가능하다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 기후변화대응사업(2017M1A2A2087635)와 환경산업기술원 폐자원에너지화기술개발사업(2018001580001)의 지원으로 수행되었다. 본 연구결과는 소재과학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Material’에 4월 15일(수) 온라인 게재되었으며, 5월 26일(화) 저널의 커버로 발표되었다. ※ 논문명: Intercalation Mechanisms: Revealing the Intercalation Mechanisms of Lithium, Sodium, and Potassium in Hard Carbon ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000283 Li, Na 및 K- 이온이 하드카본에 삽입될 때 이온 및 카본층의 전자 반경 및 전위의 차이를 보여주는 모식도. 가장 큰 전자 반경을 갖는 K- 이온은 후속 K- 이온이 하드 카본의 층간 공실 내로 더 깊이 침투 할 수 있는 가장 넓은 입구 팽창 (edge expansion)을 보여줌.

  • 손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재 개발

    기계공학부 백승현 교수 · 문형필 교수 · 김문기 교수

    손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재 개발

    기계공학부 백승현 교수 연구팀이 문형필 교수, 김문기 교수 연구팀과 공동으로 손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재를 개발했다고 밝혔다. 공동연구팀은 반복 1,000회의 손상 및 치유 후에도 전기전도도가 복원되는 고전도성 나노복합소재를 개발하는 데 성공하였다. 서대우 박사와 케이피파셀라가 공동 1저자로 참여하였다. 형태변형 및 손상 후 치유가능한 전도성 소재는 인공피부, 사물인터넷, 바이오전자소자 등 미래 전기전자소자 핵심기술로 최근 주목받고 있다. 그러나 낮은 전기전도도와 기계적·전기적 손상 후 전도성이 원래 상태로 완벽히 복원되지 않는다는 기술적 한계가 있었다. 연구팀은 복합소재 혼합 공정 중에 마이크로 은입자를 화학적으로 에칭하여 조밀하고 균일하게 분산된 위성구조의 은나노입자 네트워크를 합성하는데 성공하였다. 입자 간의 직접적인 연결 없이 전자 터널링을 통해 형성된 전도성 네트워크는 고전기전도도를 달성할 뿐 아니라, 끊어진 후 복원되어도 원래의 구조가 회복되어, 반복 1,000회의 손상 및 치유 후에도 복합소재의 전기전도도가 완벽히 복원될 수 있었다. 기계적 특성 변화를 이론적으로 계산하였으며, 침수나 장시간 공기유출 환경에서도 전도성이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 개발된 고전도성 나노복합소재는 고무찰흙과 같이 자유자재로 형태변형이 가능하고 손상 후에도 치유가능한 특성을 나타내고 있으며, 사람의 진입이 제한된 재난상황이나 극한환경에서 로봇 등을 이용하여 손상된 전기부품·회로를 복원하는데 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 본 연구결과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 5월 7일 게재됐다. ※ 논문명: Electron tunneling of hierarchically structured silver nanosatellite particles for highly conductive healable nanocomposites, 서대우 (1저자), K.P. Faseela (공동1저자), 김원준, 박찬용, 임장균, 서성원, 김문기, 문형필, 백승현 (교신저자), Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-15709-8. [그림1] 위성구조 은나노입자 네트워크 기반의 다양한 형태변형 및 손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재

  • 스티커처럼 붙일 수 있는 플라즈모닉 나노패턴구조 어레이를 통한 고효율 태양광-수소에너지 기술 개발

    화학공학/고분자공학부 김정규 교수 ·이병완 연구원

    스티커처럼 붙일 수 있는 플라즈모닉 나노패턴구조 어레이를 통한 고효율 태양광-수소에너지 기술 개발

    화학공학/고분자공학부의 김정규 교수 연구진은 균일한 크기와 모양으로 최적화된 구형의 금 나노 구체를 정렬된 패턴구조를 갖도록 단일층으로 배열한 어레이를 매우 간단한 Transfer-printing을 통해 판박이 스티커처럼 원하는 위치에 붙이는 기술을 개발하였고, 금 나노 구체 어래이의 플라즈모닉 에너지 전달 현상을 통해 태양광으로부터 강한 전자기장을 유도함으로써, 청정 수소에너지 생산을 위한 태양광 물 분해 전극의 성능을 극대화했다. 정렬된 나노 패턴으로 배열되는 단일층 구조를 금속산화물로 이루어진 전극 필름 표면에 스티커를 붙이듯이 붙이고 태양광을 받게 하면, 플라즈몬 에너지 전달 현상에 의해 금속산화물 표면에 강한 전자기장이 형성된다. 형성된 전자기장은 금속산화물 내부에서 전자와 전공의 재결합을 방지하고, 금속산화물 표면의 정공을 오래 살아남게 하며, 이와 동시에 태양광 흡수 효율을 증가시킴으로써 태양광 물 분해 성능을 3배 이상 증가시켰다. 특히 이번 연구결과는 대기압의 공기 중에서 원하는 위치에 원하는 모양으로 개발된 소재를 붙일 수 있어서 다양한 소자로의 응용이 매우 용이하다는 장점이 있다. 이번 연구를 통해 개발된 기술은 김정규 교수팀에서 2018년 10월 ‘Advanced Energy Materials’에 게재된 연구결과 (논문제목: Mo:BiVO4 Solar Water Splitting with Patterned Au Nanospheres by Plasmon-Induced Energy Transfer)를 통해 개발된 기술을 한층 더 발전시킨 것으로, 태양광 수소에너지 및 태양전지와 같은 에너지 변환 소재뿐 아니라 정보전자소자, 메모리, 디스플레이 등 금속산화물을 사용하는 전 분야 응용될 수 있는 넓은 범용성을 보인다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 24.88) 에 2020년 4월 24일 날짜로 온라인에 게재되었다. *논문제목: Retarded Charge–Carrier Recombination in Photoelectrochemical Cells from Plasmon‐Induced Resonance Energy Transfer *참여연구진: 이병완 (1저자, 성균관대 박사과정), 김정규 (교신저자, 성균관대 조교수)

  • 설명가능한 뇌영상 인공지능 모델 분석 파이프라인 개발

    글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 ·라다 코호토바 연구원

    설명가능한 뇌영상 인공지능 모델 분석 파이프라인 개발

    인공지능과 기계학습의 인기는 날이 갈수록 증가하고 있다. 뇌인지과학 분야도 예외가 아니다. 최근 인공지능과 기계학습 알고리즘을 뇌영상에 적용하여 병의 진단이나 치료 효과를 예측하는 식의 연구가 인기를 얻고 있다. 심지어 뇌영상을 이용하여 개인의 지능도 측정한다. 하지만 우리는 뇌영상 기반 인공지능 모델의 결정을 얼마나 신뢰할 수 있을까? 인공지능은 종종 안이 들여다보이지 않는 블랙박스로 묘사된다. 인공지능 모델이 왜, 그리고 어떻게 작동하는지 정확히 알기 어렵기 때문이다. 하지만 이를 모른다면 우리는 인공지능 모델이 언제 실패할 것인지, 언제 편파적인 결정을 내릴 것인지에 대해서도 알 수 없을 뿐 아니라, 뇌질환과 뇌의 작동 원리를 파악하는 데에도 도움이 되지 않는다. 이와 같이 뇌영상 인공지능 모델의 해석과 설명은 매우 중요하지만, 이를 통합적으로 분석하고 평가할 수 있는 접근법은 존재하지 않았다. 이러한 한계를 극복하기 위해 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징연구단 우충완 교수 연구팀은 동대학교 전자전기공학부 문태섭 교수 연구팀, 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌영상 인공지능 모델의 설명가능성을 분석하고 평가할 수 있는 통합 분석 파이프라인을 새롭게 구축하고 연구자들이 쉽게 따라할 수 있도록 구체적인 분석 프로토콜을 개발하였다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 “뇌영상을 이용한 다양한 분야에서 기계학습과 인공지능의 사용이 일반화되고 있어, 뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석과 설명의 필요성이 날로 커지고 있다”라며, “이번 연구를 통해 향후 설명가능하고 신뢰할 수 있는 뇌영상 인공지능 모델의 개발, 더 나아가 뇌질환과 뇌작동원리에 대한 더 깊은 이해의 촉진에 도움이 될 것으로 기대된다”고 하였다. 이번 연구의 제1저자인 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 박사과정 대학원생 라다 코호토바는 “뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석은 실제로 매우 복잡하며 아직 잘 정립되지 않은 연구 분야이다. 이 연구가 앞으로 더욱 철저하고 체계적인 뇌영상 인공지능 모델 해석의 기본 토대를 제공하길 바란다”고 하였다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부에서 지원하는 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원에서 지원하는 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 연구결과물이다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 프로토콜스 (Nature Protocols, IF 11.334)에 3월 18일 게재됐다. 블랙박스라고 알려진 뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석을 모델, 예측 변수, 생물학의 세 가지 수준으로 병렬적으로 접근, 위계적이고 체계적인 새로운 분석 시스템을 구축 및 제안하였음.

  • 플라즈마 화학기상증착법을 활용한 금속성 팔면체(1T) 이황화 텅스텐 박막 합성 원천기술 개발

    기계공학부 김태성 교수 ·김형우 박사

    플라즈마 화학기상증착법을 활용한 금속성 팔면체(1T) 이황화 텅스텐 박막 합성 원천기술 개발

    기계공학과/성균나노과학기술원(SAINT) 김태성 교수와 성균나노과학기술원 김형우 박사는 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)를 이용한 다양한 이차원(2D) 물질 합성 핵심기술을 연구해 왔고, 이를 기반으로 ‘웨이퍼 크기의 금속성을 가지는 팔면체 이황화 텅스텐(1T-WS2) 박막 성장 및 효율적이고 안정적인 수소발생반응’ 기술 개발에 성공했다. 김태성 교수 연구팀은 전이금속 칼코겐화합물의 가장 대표적인 물질인 이황화몰리브데넘 (MoS2)을 PECVD를 이용하여 저온에서 4인치 대면적으로 합성 및 메커니즘을 규명하여 학계 및 산업계에 큰 주목을 받았고 (Advanced Materials, 2015), 산화금속계열인 α-MoO3 (Nanotechnology, 2017), 그래핀-이황화몰리브데넘 박막형 이종구조 (Applied Surface Science, 2019) 합성에도 성공하는 등PECVD를 다양한 2차원 물질의 합성에 적용해 왔다. 전이금속 칼코겐화합물은 형상별로 전기적 특성이 달라지는 특징이 있고, 특히 상온‧상압의 조건에서 안정상인 육방형 구조상(2H)과 달리, 팔면체 구조상(1T)은 도체의 특성이 있어 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 낮은 저항으로 값비싼 백금류 촉매를 대체할 수 있는 에너지 전기화학 촉매 소재로 각광받고 있다. 이에 김태성 교수와 아주대학교 이재현 교수 공동연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화 텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용하였다. 플라즈마를 활용하여 이황화 텅스텐 결정의 크기를 나노사이즈로 만들어 높은 표면에너지를 유도하여 상온‧상압에서 준안정상인 팔면체 구조를 1,000회 이상의 전기화학 반응 후에도 지속해서 유지할 수 있도록 하였으며, 높은 밀도의 결정립을 유도하여 촉매 반응성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 김태성 교수는 연구성과에 대해 “에너지 산업에 활용되기 위해서는 대면적의 안정하면서 높은 균일도를 가지는 것이 중요한데 PECVD로 이를 해결하기 위한 방법을 제시하였고, 안정적인 팔면체 구조의 이황화 텅스텐은 수소에너지 분야 주요 원천기술이 될 것으로 기대합니다.” 라고 평가했다. 이번 연구는 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)' (IF:10.856, JCR 상위 10%이내)의 2020년 2월 13일자 표지논문으로 게재되었다. (현재 김형우 박사는 미국 Northwestern 대학에서 Mark C. Hersam 교수 지도하에 MOCVD를 이용한 전이금속 칼코겐화합물의 합성 및 멤리스터 응용을 주제로 박사후과정 연수 중이다.) ※ 관련 논문 1) Low-Temperature Synthesis of Large-Scale Molybdenum Disulfide Thin Films Directly on a Plastic Substrate Using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (Advanced Materials, 27, 2015, 5223-5229) (제1저자: 안치성 / 교신저자: 이창구, 김태성 교수) 2) Highly uniform wafer-scale synthesis of α-MoO3 by plasma enhanced chemical vapor deposition (Nanotechnology, 28, 2017, 175601) (제1저자: 김형우 / 교신저자: 김태성 교수) 3) Low-temperature wafer-scale growth of MoS2-graphene heterostructures (Applied Surface Science, 470, 2019, 129-134) (제1저자: 김형우 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수) 4) Wafer-Scale and Low-Temperature Growth of 1T-WS2 Film for Efficient and Stable Hydrogen Evolution Reaction (Small, 16, 2020, 1905000) (공동 제1저자: 김형우, Vinit Kanade, 김만수 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수) (a) 4인치 대면적 이황화 몰리브데넘의 합성 순서를 나타내는 모식도. (b) 실제 4인치 폴리이미드(PI)와 웨이퍼 위에 합성한 팔면체 이황화 몰리브데넘(1T-WS2)의 모습. 스몰(Small) 저널 커버(Cover) 이미지로 금속성(1T)형상을 가지는 이황화 텅스텐이 나노-그레인형태로 박막형으로 합성되었고 수많은 그레인 경계면을 따라서 수소발생반응이 일어나는 것을 형상화함.

  • 2차원 소재‧소자의 양자역학적 상호 작용 규명

    에너지과학과 양희준 교수 ·Shoujun Zheng 박사

    2차원 소재‧소자의 양자역학적 상호 작용 규명

    에너지과학과 양희준 교수와 Shoujun Zheng 박사는 2차원 적층 소재에 존재하는 슈타르크 효과 (Stark effect)를 활용하여 양자역학적 밴드갭 제어 및 초절전 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다. 미래 소자의 핵심적인 역할을 담당할 2차원 소자 연구에서 수직 적층 구조의 터널링 소자가 큰 관심을 끌고 있다. 2차원 수직 터널링 소자는 기존 실리콘 반도체 소자보다 100배 이상 에너지 소모가 적고, 100배 이상 빠른, 초고속, 초절전 소자의 잠재력을 가지고 있다. 하지만, 열 에너지, 전자 에너지 등 외부 환경이 효율적인 터널링 (공명터널링) 소자 개발을 어렵게 한다는 난제가 남아 있었다. 본 연구에서는 원자 단위 크기에서 발현되는 양자역학적 슈타르크 효과 (Stark Effect)를 활용하여 이와 같은 난제를 해결하고, 정교한 밴드갭 제어 및 공명터널링 기반 트랜지스터를 개발할 수 있었다. 본 연구에 적용된 핵심적인 원리인 슈타르크 효과(Stark effect)는 1914년 요하네스 슈타르크에 의해 보고된 후 1919년 노벨물리학상을 받았으나, 지금까지 전기적 방법으로 소자 단위에서 측정 및 규명된 바 없었다. 본 연구는 슈타르크 효과가 크게 발현될 수 있는 2차원 적층 구조에서 전기적 방법으로, 직접 슈타르크 효과를 관측 및 활용한 최초의 연구라는 기초과학적인 의미가 있다. 또한, 응집 물리학에서 주요하게 연구되는 포논, 엑시톤 등 여러 준입자들의 영향을 변인통제, 제어하며, 상온에서 0.01 전자볼트 수준의 정확도를 갖는 전자의 에너지 분포를 활용하여 차세대 미래 전자 소자를 개발할 수 있는 방법을 제시하였다. 양희준 교수는 “기존 반도체 소자의 핵심인 전계효과트랜지스터를 대체할 수 있는 새로운 터널링 트랜지스터의 개발” 이라고 말하며, “이번 연구는 차세대 수직 소자 개발을 위한 정확한 물성 측정 및 설계 방법을 제시한 독창적인 연구 성과” 라고 밝혔다. 이 성과는 국제학술지 ’Advanced Materials (IF=25.809)’에 2020년 2월 6일에 게재되었다. 이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었으며, 박사후연구원 Dr. Shoujun Zheng (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였다. (그림) 2차원 소재 기반 공명 터널링 트랜지스터와 전자 밴드 구조 모식도

  • 수평힘 기반 에너지를 효율적으로 하베스팅하는 마찰전기 에너지소자 기술 개발

    화학공학/고분자공학부 방창현 교수 ·천성우 박사

    수평힘 기반 에너지를 효율적으로 하베스팅하는 마찰전기 에너지소자 기술 개발

    화학공학/고분자공학부 방창현 교수와 나노과학기술학과 천성우 박사는 마찰전기의 효율을 크게 높일 수 있는 에너지 소자를 개발했다고 밝혔다. 최근 체열로 충전하는 스마트 워치, 차량 진동으로 충전하는 스마트폰처럼 진동이나 열, 바람 등 일상생활에서 버려지는 자투리 에너지를 수확해 전원으로 활용하는 '에너지 하베스팅'(Energy Harvesting) 산업에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 고집적·저전력이 요구되는 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 헬스케어 분야에서 저전력 전자기기는 핵심 기술이라 할 수 있다. 이 가운데 물체의 접촉으로 발생하는 마찰 전기를 이용한 나노 발전기도 활발히 연구되고 있지만, 두 물체가 수직 방향으로 접촉해야만 반응해 효율을 높이는 데 한계가 있다. 연구팀은 모든 방향의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있는 머리카락을 닮은 나노미터(㎚·10억분의 1m) 굵기의 구조체를 고안했다. 이 머리카락 모양 구조체를 마찰전기 소자 위에 붙여 수직 방향 움직임 뿐만 아니라 수평 방향 움직임도 진동으로 바꿔 감지할 수 있도록 했다. 이렇게 만든 소자를 옷감에 붙이자 구겨진 지폐를 펴는데 필요한 힘의 5분의 1 정도에 불과한 0.2Pa(파스칼) 이하의 아주 적은 수평 방향의 힘에도 반응하는 것이 확인됐다. 또 옷깃이 흔들릴 정도의 작은 바람에도 마찰 전기가 발생했다. 머리카락이 물체와의 직접적인 접촉 없이 바람과 같은 비 접촉성 움직임에도 진동으로 마찰 전기를 유도하는 원리를 모사했다고 연구팀은 설명했다. 연구팀은 "초소형 사물인터넷 기기와 생체 삽입형 소자에 전원을 공급하는 기기 개발에 기여할 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 지난 13일 자에 표지논문으로 실렸다.

  • 지난 50년이상 제자리 걸음이던 블루 이산화티타늄 가시광촉매 개발 성공

    화학과 이효영 교수

    지난 50년이상 제자리 걸음이던 블루 이산화티타늄 가시광촉매 개발 성공

    경제성을 대폭 높인 이산화탄소 제거 촉매가 나왔다. 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장 (성균관대학교 화학과)은 아나타제-루타일 구성의 이산화티타늄을 이용하여 선택적으로 한상을 환원시켜 가시광선 흡수율을 대폭 향상 시킨 촉매를 개발했다. 가시광선으로 화학반응이 가능해 실내에서 사용할 수 있는데다, 연료로 변환 가능한 일산화탄소를 일반 촉매보다 200배, 기존의 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 생산할 수 있어 수익성이 향상됐다. ‘아타나제-루타일 이산화티타늄 이산화티타늄(TiO2): 무색 또는 백색 분말로서 냄새와 맛이 없다. 같은 이산화티타늄이라도 분자구조에 따라 아나타제 결정과 루타일 결정 두 가지 상을 이룰 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 이산화티타늄은 75% 아나타제 결정과 25% 루타일 결정의 혼합으로 이뤄져 있다. (TiO2)’ 은 한 해 500만 톤 이상 소비되어 자외선 차단제, 탈취·살균제 등에 쓰인다. 자외선을 흡수하면서 물과 이산화탄소를 메탄, 일산화탄소, 그리고 다량의 산소로 변환하는 촉매다. 하지만 이러한 이점에도 불구하고 이산화티타늄은 자외선만을 흡수하기에 일상생활에서 사용하기엔 큰 무리가 있어 연구자들은 지난 50년이상 가시광선을 흡수할 수 있는 이산화티타늄 개발에 많은 노력을 기울여왔다. 특히 가시광선까지 흡수하는 가시광촉매는, 자외선만 흡수하는 기존 촉매보다 많은 에너지를 활용하면서 다중이용시설인 병원·지하철·학교·아파트 등 실내에서 작동해 촉매 연구의 핵심 과제로 여겨졌다. 연구진은 지난 2016년 아나타제-루타일 이산화티타늄에서 루타일 결정만을 환원해서 ‘결정아나타제-비결정루타일 이산화티타늄’제조에 성공하였다 (Energy & Environmental, 2016, 9, 499, IF 33.250). 3년동안 각고의 연구끝에 아나타제결정만을 환원시킬 수 있는 방법을 개발 (ACS applied materials & interface, 2019, 11, 39, IF 8.456)하고 저자 이름을 따‘이효영의 블루 이산화티타늄’으로 이름 붙였다. 또 기존 이산화티타늄 환원 공정이 고온·고압의 기체를 다뤄 위험성이 큰 데 비해 앞선 2가지 공정 모두 상온·상압에서 액체상에서 제조되어 안전하다는 장점이 있다. 이로서 광촉매 특성이 가장 우수한 아나타제-루타일 이산화티타늄 혼합상에서 루타일 결정뿐만 아니라 아나타제 결정까지 원하는 결정을 선택적으로 환원시켜 자외선뿐만 아니라 가시광선, 적외선까지 광 흡수율을 대폭 향상시킨 새로운 가시광촉매를 개발하였다. [그림1] 가시광선으로 작동하는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’ 일반 아나타제-루타일 이산화티타늄이 흰색인데 비해, 아나타제만 환원한 ‘비결정아나타제-결정루타일 이산화티타늄은 푸른색을 띤다. 짙은 파란색이 비결정 아나타제, 흰색에 가까운 것은 결정 루타일이다. 연구진은 응용연구중의 하나인 이산화탄소 저감 효율을 향상시키기 위해 촉매가 빛을 흡수하며 생성하는 전하의 수와 이동성을 향상시키고자 실험을 고안했다. ‘이효영의 블루 이산화티타늄’에 다른 물질을 도핑해 불균일한 구조를 만들면, 전하 생성이 증가해 광효율이 향상될 것으로 예상했다. 연구진은 도핑 재료로 일산화탄소 발생률을 높일 수 있는 은을 포함해 3가지 후보 물질을 시도하고, 가장 안정적인 조합인 텅스텐산화물과 은을 도핑해 새로운 하이브리드 광촉매를 만들었다. 이렇게 만들어진 하이브리드 광촉매는 흡수된 빛 중 34.8%를 촉매 변환에 활용할 수 있는데, 이는 기존 광촉매보다 3배 높은 광효율이다. 또 이산화탄소-산소 변환 과정에서 메탄 생산없이 100% 일산화탄소만 발생시켰는데, 유용한 화합물의 중간체인 일산화탄소를 부산물 없이 단일화한다는 점에서 경제성이 높다. 일산화탄소 양은 기존 이산화티타늄 촉매보다 200배, 학계에 보고된 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 발생했다. 현재 본 촉매와 이산화탄소를 사용하여 중간체인 일산화탄소를 유용한 화합물을 제조하는데에 연구 중이다. 본 연구결과는 화학·재료분야 세계적인 권위지인 ‘머터리얼스 투데이(Materials Today, 2020, doi 10.1016/j.mattod.2019.11.005, IF 24.372)'지에 1월3일 온라인 게재됐다. 이효영 교수는 “기초과학연구원-나노구조물리 연구단 지원하에 기초연구를 통하여 가시광선으로 작동하는 블루이산화티타늄 제조 및 물질에 관한 원천기술을 확보하고 이를 이용해 새로운 응용연구들을 진행중이다”며 “이번에 개발한 촉매가 미세먼지와 병원 내 병원균, 박테리아 등을 제거하는 데에도 크게 우수한 성능을 보여 실제 상용화를 위해 통상으로 기술이전을 하였고 현재도 계속 관련 업체들로 부터 기술이전 진행중이다”고 밝혔다. “향후 다양한 연구 분야에 적용돼 전세계에 전파될 것으로 기대된다.” [그림 2] 도핑에 따른 CO2 환원 효율 비교 일반적인 블루 이산화티타늄(7BT) 와 텅스텐(WO3, W1), 은(A1)의 각 조합으로 얻는 촉매 부산물 결과표. 가장 오른쪽이 이번에 개발한 촉매로, 메탄이나 수소같은 다른 부산물 없이 100% CO를 생산한다.

  • 페로브스카이트 태양전지 및 LED 안정성 문제 해결 기술 개발

    성균나노과학기술원 이진욱 교수

    페로브스카이트 태양전지 및 LED 안정성 문제 해결 기술 개발

    성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 및 형광다이오드 (이하 LED) 소자의 효율과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술 개발에 성공하였다. 관련 연구 논문 3편이 재료분야 국제저널랭킹 상위 2% 이내 저널인 Advanced Materials (영향력지수=25. 809)지에 게재되었다. 페로브스카이트 물질에 기반한 태양전지 및 LED 소자는 최근 소자효율이 상용화된 실리콘 태양전지 및 OLED에 근접하여 차세대 광전소자로 각광받고 있다. 하지만 높은 효율에 비해 소자의 구동안정성이 상용화된 제품에 비해 크게 떨어는 문제점이 있었다. 저온에서 생성되는 페로브스카이트 박막내에는 전하를 띈 이온성 결함이 높은 농도로 존재하는데, 태양전지 및 LED 소자가 작동하는 환경에서 높은 농도의 이온성 결함이 소자 내 전기장에 의해 쉽게 이동하여 페로브스카이트 및 전하수송 층을 파괴하는 문제점이 존재하였다. 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 박막 내에서 이러한 이온성 결함의 이동경로를 차단하여 태양전지 및 LED 소자의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 기술을 이용하여 태양전지의 경우 수명이 기존 222시간에서 2011시간으로 약 9배 이상 (Advanced Materials, 2020, 1906995), LED의 경우 그 수명이 기존 약 12분에서 200시간이상으로 1000배 (Advanced Materials, 2020, 32, 1905674) 이상 개선할 수 있었다. 이진욱 교수 연구팀이 개발한 기술은 페로브스카이트 광전소자의 안정성 문제를 해결하기 위한 중요한 과학적 단서를 제공하였을 뿐만 아니라 추후 페로브스카이트 태양전지 및 LED 소자 상용화를 위한 주요 원천기술이 될 것으로 예상되고 있다. 또한 연구팀은 앞서 태양전지의 열역학적 이론 효율 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 각광받는 양자점 태양전지의 효율 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하여 발표한 바 있다 (Advanced Materials, 2019, 31, 1900111). ※ 관련 논문 1) Steric Impediment of Ion Migration Contributes to Improved Operational Stability of Perovskite Solar Cells, Advanced Materials, 2020, 1906995. (교신저자-이진욱) 2) Surface‐2D_Bulk‐3D Heterophased Perovskite Nanograins for Long‐Term‐Stable Light‐Emitting Diodes - Advanced Materials, 2020, 32, 1905674. - Wiley Online Library (제 1저자-이진욱) 3) A Small‐Molecule “Charge Driver” enables Perovskite Quantum Dot Solar Cells with Efficiency Approaching 13%, Advanced Materials, 2019, 31, 1900111. (교신저자-이진욱)

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