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  • 차세대 신소재 ‘황화몰리브덴’ 전기적 특성 풀었다

    물리학과 이영희 교수

    차세대 신소재 ‘황화몰리브덴’ 전기적 특성 풀었다

    이영희 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단장 팀은 차세대 신소재로 불리는 그래핀과 나란히 주목 받고 있는 이황화몰리브덴(MoS2)의 나노박막의 구조와 전기적 특성을 밝혀냈다. 차세대 반도체 개발에 큰 보탬이 될 기초연구 성과로 보인다. 이황화몰리브덴은 몰리브덴(Mo) 원자 1개에 황(S) 원자 2개가 결합한 물질로, 1나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 미만 두께의 단일층 반도체를 만들 수 있어 극도로 얇은 차세대 반도체 회로 제작에 쓸 수 있다. 연구팀은 불활성 가스를 채운 상자 속에서 이황화몰디브덴 나노박막 소자를 제작했다. 이황화몰디브덴이 공기 중에 노출되면 산화반응으로 전기적 특성이 변질될 수 있기 때문이다. 이렇게 제작한 소자는 전기 저항이 최대 10배 이상 우수한 것으로 나타났다. 이황화몰리브덴과 그래핀은 나노박막 지름이 수 십 마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1m)에 불과한 미세한 입자들이 연결된 형태다. 각 원자의 결합구조 때문에 이웃한 두 결정입자의 각도가 서로 틀어지면서 특이한 경계면(결정립계면)이 생긴다. 결정립계면은 전기의 이동을 방해하기 때문에 반도체 회로 구성에 걸림돌이 돼 왔다. 그러나 이황화몰리브덴의 결정립계면의 형태에 따라 전기적 특성이 어떻게 변하는지 아직까지 알려진 것이 없었다. 연구팀은 고해상도투과전자현미경(HRTEM)을 활용해 각 결정립계면의 틀어진 각도와 원자결합구조 상태를 정밀하게 관측하고, 서로 다른 각도로 틀어진 여러 결정립계면의 전하 이동을 측정했다. 그 결과 이황화몰리브덴도 그래핀처럼 결정립계면에서 전기저항이 높아지고 이에 따라 전하이동도가 떨어지며, 틀어진 각도가 전하이동도에 영향을 준다는 사실이 처음으로 밝혀졌다. 계면의 각도가 8도 정도일 때 전하이동이 가장 낮았고, 8~20도 범위에서는 각도가 커질수록 전하이동도 증가했다. 최종적으로 약 20도 이상에서는 가장 높은 값을 유지했다. 이번 연구 결과에 쓰인 분석 방법은 층상구조를 띤 다른 반도체 물질에도 적용할 수 있을 것이고 이를 토대로 고성능 신소재 반도체를 구현하는 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 이 성과는 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 에 실렸다.

  • 인간의 뇌 닮은 인공지능 기억저장소자 - 그래핀 등 2차원 나노물질로 터널링 메모리(TRAM) 개발

    전자전기공학부 유우종 교수

    인간의 뇌 닮은 인공지능 기억저장소자 - 그래핀 등 2차원 나노물질로 터널링 메모리(TRAM) 개발

    조선비즈 - http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2016/09/02/2016090201922.html?main_hot5 미래창조과학부 산하 기초과학연구원 나노구조물리연구단(단장 이영희, 성균관대 물리학과) 연구진과 성균관대학교 유우종 교수(전자전기공학부) 연구진은 공동연구를 통하여 인간의 뇌 속 시냅스를 모방한 기억저장소자인 터널링 메모리(TRAM, Tunneling Random Access Memory)를 개발했다. 이로써 차세대 연산장치 개발이 본격적인 궤도에 오를 전망이다. 인간의 뇌는 시냅스로 전기적 신호를 전달하고 신호의 잔상이 시냅스에 남는 방식으로 기억을 저장한다. 시냅스는 2개의 신호전달 돌기(소자의 전극)로 신호를 입력받고 전달하며, 동시에 저장한다. 이러한 시냅스의 기능을 구현하는 소자를 만들기 위해서는 시냅스와 같이 2개의 신호전달 전극을 갖는 기억저장소자(메모리)가 필요하다. 반면, 컴퓨터 기억저장소자인 플래시 메모리는 신호의 입력, 전달, 저장을 각각 담당하는 3개의 전극(Drain, Source, Gate)로 구성되어 시냅스로의 적용에 구조적 한계를 갖고 있었다. 연구진은 기존 3개의 전극을 갖는 플래쉬 메모리에서 저장 전극(Gate)을 없앴다. 그 대신 2개의 전극(Drain, Source)으로 신호 전달 및 저장을 동시에 수행하도록 하여 시냅스로 동작이 가능한 터널링-메모리(TRAM)를 구현하였다. 이번 개발된 터널링 메모리는 2차원 나노물질인 그래핀 그래핀 : 탄소원자들이 6각형 형태로 배열되어 2차원 평면구조를 갖는다. 전기 전도성과 열전도도가 매우 높고 빛 투과율, 물리화학적 안정성 그리고 값이 싼 장점 때문에 차세대 신소재로 주목받았다. 하지만 단위 체적 및 무게 당 성능치가 낮은 2차원 구조로 산업적 응용에 한계가 있다. , 육각형 질화붕소(h-BN) 육각형 질화붕소 : 붕소(B)와 질소(N)로 이루어진 육각형(Hexagonal) 벌집구조 모양의 2차원 물질로 부도체의 물성(절연)을 지닌다. 기판과 전자소재 및 소자간의 상호작용을 최소화해, 소재 및 소자의 성능을 온전히 유지 시킬 수 있는 신물질로 각광받고 있다. , 이황화몰리브덴(MoS2) 이황화몰리브덴 : 전이금속인 몰리브데늄(Mo) 원자에 주기율표상 산소와 같은 족에 속하는 황(S) 두 개가 결합하여 2차원 평면을 이루고 있는 2차원 물질이다. 단일층 MoS2는 반도체 특성을 보이며, 전자소자 및 광전자 소자에 응용 가능성이 매우 높은 신소재로 알려져 있다. 을 쌓아올려 만들었다. 이황화몰리브덴에 연결된 입력 전극(Drain)에 전압을 가하면 이황화몰리브덴을 통해 전자(신호)가 흐른다. 일부 전자는 수 나노미터 나노미터 : 10의 마이너스 9승 미터 의 두께의 얇은 육각형 질화붕소 절연층을 터널링 터널링 : 양자역학의 관점에서 에너지를 가지고 이동하는 물체(전자)가 자신의 에너지보다 높은 에너지 장벽을 뚫고 통과할 수 있는 확률적 현상을 의미한다. 고전 역학 관점에서는 에너지 장벽보다 적은 에너지를 가진 물체가 장벽을 뛰어넘을 수 없다고 판단되지만, 에너지 장벽의 두께가 아주 얇거나 이동하고 있는 물체의 에너지가 상당하다면 터널링에 의한 통과 현상이 일어날 수 있다 해 그래핀에 저장된다. 저장된 전자의 양에 따라 이황화몰리브덴의 저항이 변하며 전자의 흐름을 제어하는 방법으로 0 에서 1 사이의 아날로그 신호로 나뉘어 시냅스 기능을 수행하거나, ‘0’ 또는 ‘1’의 디지털 신호로 나뉘어 기존 디지털 기기의 메모리 기능을 수행한다. 메모리로 기능을 한다. 터널링 메모리 구조는 현재 상용화된 실리콘 메모리에도 곧바로 적용이 가능하다. 또한, 이번 성과는 모든 소자재료를 전기적, 기계적 특성이 우수한 2차원 나노물질을 사용해, 기존 메모리 소자(PRAM, RRAM) 대비 1000배 높은 신호 정밀도(on/off ratio 109)를 얻었다. 또한, 깨지기 쉬운 게이트 전극과 절연막을 제거하여 늘어남에 매우 적합한 구조(>19%)를 확보했다. 향후 입는 스마트폰, 휘어지는(플렉시블) 컴퓨터에 쉽게 적용돼 기술적 진보를 가져올 것으로 보인다. 본 연구 성과는 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 9월 2일 게재됐다.

  • 20.4% 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 - 단일조성으로 세계 최고효율 달성

    화학공학/고분자공학부 박남규 교수

    20.4% 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 - 단일조성으로 세계 최고효율 달성

    페로브스카이트 태양전지는 최근 높은 효율과 낮은 공정단가로 인하여 각광을 받는 새로운 차세대 태양전지 기술이다. 페로브스카이트 태양전지는 용액공정으로 손쉽게 제조가능하다. 하지만 용액공정으로 제조된 페로브스카이트 필름은 태양전지 특성을 저하시킬 수 있는 그레인바운더리가 동시에 형성된다. 박남규 교수 연구팀은 코팅용액의 전구체를 비화학양론으로 혼합하여 그레이바운더리를 스스로 치유할 수 있는 신기술을 개발 20.4% 고효율 개발에 성공하였다. 현재까지 세계최고 효율은 복합조성을 갖는 페로브스카이트를 이용한 것이나 단일조성으로는 박교수 결과가 최고효율이다. 특히 그레이바운더리 힐링 기술을 통해 700개 이상의 소자에서 평균효율 20% 이상의 결과를 도출해 상용화도 가능하리라 예상한다. 박남규 교수팀은 장기안정성이 있는 페로브스카이트 태양전지를 세계최초로 개발하여 지난 2012년 8월에 네이처 사이언티픽 리포트 (Nature Scientific Report)에 발표하였으며, 박교수의 2012년 발표논문은 2016년 6월 현재 1,260회 이상 인용되고 있으며, 페로브스카이트 태양전지 관련 Top 5 인용 논문에 포함되어 연구의 우수성을 세계적으로 인정받고 있다. *논문명 : Self-formed grain boundary healing layer for highly efficient CH3NH3PbI3 perovskite solar cells *연구팀 : 손대용, 이진욱 (공동 제1저자, 성균관대), 박남규 교수 (교신저자, 성균관대 화학공학/고분자공학부), 신현정 교수 (공동교신저자, 성균관대 에너지과학과), 김동호 교수 (공동교신저자, 연세대 화학과) 뉴스1 http://m.news1.kr/articles/?2698569 아시아투데이 http://www.asiatoday.co.kr/view.php?key=20160622010011338 전자신문 http://www.etnews.com/20160622000295 파이내셜뉴스 http://www.fnnews.com/news/201606221016083745 [ 연구 내용 요약 ] 최근 학계와 연구계로부터 초미의 관심이 되고 있는 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질의 높은 광흡수 특성과 우수한 전하전달 특성으로 인하여 고효율화가 가능하며, 2012년 박남규 교수 연구팀의 의해 9.7% 고효율의 페로브스카이트 태양전지가 최초 개발된 이후 전세계적으로 페로브스카이트 태양전지 개발에 전념한 결과, 불과 2-3년 사이 20% 이상 고효율이 가능하게 되었다. 페로브스카이트 태양전지로 가장 많이 사용되고 연구된 물질은 메틸암모늄 양이온과 2가의 납과 요오드로 구성되어 있다. 메틸암모늄 페로브스카이트 태양전지의 성능은 페로브스카이트 필름의 품질에 좌우된다. 핀홀 없이 매우 균질한 고품질의 페로브스카이트 필름제조가 가능하면 고효율이 가능할 수 있다. 하지만 고품질의 페로브스카이트 필름이라도 용액공정에서 발생하는 페로브스카이트 필름의 그레인바운더리 생성은 태양전지 특성을 저하시킨다. 따라서 그레인바운더리를 효과적으로 치유할 수 있는 기술이 필요하게 된다. 박교수팀은 그레인바운더리를 스스로 치유할 수 있는 기술을 개발하여 메틸암모늄계 페로브스카이트 태양전지의 효율을 20% 이상 향상시키는데 성공하였다.

  • 투명·유연전극용 은 나노와이어 합성 新기술 개발

    신소재공학부 임병권 교수 ·심한규, 복신규 연구원

    투명·유연전극용 은 나노와이어 합성 新기술 개발

    공과대학 신소재공학부 임병권 교수 (교신저자), 심환수, 복신규 박사과정생 (이상 공동 제 1 저자) 연구팀은 유기 안정화제의 사용을 필요로 하지 않는 새로운 은(Ag) 나노와이어의 합성 기술을 개발하였다. 은 나노와이어는 높은 전도도 및 용액 가공성과 나노와이어 필름의 우수한 투명성으로 인하여 터치패널, 유기발광다이오드, 태양전지의 투명 전극 소재로 주목을 받고 있다. 또한, 최근에는 유연, 신축 전극 소재로도 활발히 연구되고 있다. 그러나, 은 나노와이어 합성에 첨가되는 유기 (주로 고분자) 안정화제는 나노와이어의 표면에 잔류하여 나노와이어간의 접촉 저항을 크게 증가시켜 전극의 성능을 저하시키는 문제를 야기한다. 이러한 유기안정화제를 제거하기 위해서는 나노와이어 합성 후, 유기 안정화제에 친화적인 용매를 이용한 반복적인 세척 과정이 필요하고, 이러한 과정을 거치더라도 완전한 제거가 어렵다. 연구진은 유기 안정화제 대신 소량의 금속 염(metal salt)을 첨가하여 이 문제를 해결했다. 첨가된 염과 은 전구체(precursor)가 반응하여 생성되는 염화은(AgCl) 입자에서부터 은 나노와이어가 이종핵생성(heterogeneous nucleation) 및 일차원 성장 (one-dimensional growth)을 통하여 자라나는 것을 관찰하였으며, 이를 통하여 고수율의 나노와이어 합성 기술을 확보할 수 있었다. 합성한 은 나노와이어는 별도의 세척 과정없이 투명 및 유연전극 소재로 적용 가능하였다. 제작한 투명 전극은 95%의 광 투과도에서 40 ohm/sq의 면저항을 나타내었으며, 이는 대표적인 투명 전극 소재인 인듐 주석 산화물 (ITO) 기반의 투명 전극과 유사한 수준의 성능으로 깨지기 쉬운 ITO를 대체하여 유연한 투명 전극을 개발하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 은 나노와이어를 이용하여 제작한 신축전극은 30%까지 5000번을 반복해서 늘려도 전기적 특성이 유지되는 우수한 안정성을 나타내었다. 본 연구에는, 성균관대 화학공학과 조성민 교수, 김봉성, 김민하 연구원이 공동저자로 참여하였으며, 연구 결과는 화학분야 세계적 권위의 학술지 '안게반테 케미 (Angewandte Chemie)'에 8월 29일자로 게재됐다. 논문 제목(영문): Organic-Stabilizer-Free Polyol Synthesis of Silver Nanowires for Electrode Applications

  • MR Imaging을 이용하여 뇌 허혈 부위의 진단을 위한 pH 민감성 고분자 마이셀의 개발

    화학공학/고분자공학부 이두성 교수

    MR Imaging을 이용하여 뇌 허혈 부위의 진단을 위한 pH 민감성 고분자 마이셀의 개발

    허혈성 뇌졸중은 통상 뇌 속으로 유입되는 혈액이 부족하거나 혈전이나 폐색 등으로 인해 일어나는 병이다. 허혈성 뇌졸중은, 노령 인구의 급격한 증가로 말미암아 노인성 질환으로 간주되어 있으며 이미 선진국에서는 막대한 의료비용의 지출과 삶의 질 저하를 초래하는 질환으로 여겨지고 있어, 이 질병의 조기 진단의 중요성이 화두로 떠오르고 있다. 그러나 허혈성 뇌졸중의 조기 진단을 위한 MRI probe 및 표적치료 연구는 초기 단계에 머물러 있다. 이를 치료하기 위한 여러 가지 원인의 분석과 새로운 약물의 개발도 진행되고 있지만 현재 치료제로 밝혀진 여러 단백질이나 약물, 진단을 위한 조영제등을 질환부위에 좀 더 효율적으로 전달하기 위한 방법에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그 방법 중 하나가 고분자를 이용한 새로운 입자전달 시스템을 만드는 것이다. 본 연구진에서는 pH에 민감한 다양한 고분자를 합성하여 약물전달시스템에 이용하고 있는데, pH 민감성 고분자 나노입자를 이용한 약물전달 시스템의 개발은 별도의 항체나 리간드 없이 pH 민감성 마이셀의 낮은 pH에서의 디마이셀 전이특성을 이용하여 암 조직 또는 뇌 허혈부위의 산성 환경에서 약물이나 MRI probe를 표적지향적으로 방출시켜 질환의 진단 및 치료가 가능하도록 한다. 본 연구는 MRI를 이용하여 뇌 허혈부위를 진단하기 위해 고분자를 기반으로 하는 새로운 나노입자전달 시스템에 대한 것이다. 뇌 허혈부위의 표적지향성 나노입자전달시스템의 지지체로는 인체의 생리학적 조건인 온도 37°C 및 pH 7.4에서 고분자 나노입자(마이셀)을 형성하고 상대적으로 낮은 pH에서는 용해되어 봉입된 probe 및 약물이 방출될 수 있는 생분해성을 가지는 pH 민감성 고분자(mPEG-b-P(DPA-DE)LG)를 합성하여 이용하였다. 이 고분자는 개환중합을 통해 중합하였고 아미놀리시스 반응을 통하여 곁사슬을 추가하는 방식으로 합성되었다. 여기에 Fe3O4 나노입자와 높은 결합도를 가지며 자가 조립이 용이한 도파민 그룹을 추가하여 생리학적 pH에서 높은 안정도를 보이게 하였으며 또한 pH 민감성 그룹이 산성 환경에서의 Fe3O4 입자의 방출을 조절할 수 있도록 돕는다. 뇌 허혈 질병을 가진 쥐 동물 모델에 제조된 고분자 나노입자를 정맥주사를 이용해 주입한 뒤 24시간 후의 변화를 MRI 측정을 통해 관찰한 결과 pH 민감성 고분자 나노 입자의 경우 시간이 지남에 따라 뇌 허혈부위에 Fe3O4 입자가 모이는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 제조된 고분자를 이용하여 만든 Fe3O4 입자를 봉입한 고분자 나노입자가 산성을 나타내는 조직의 MRI probe로 이용 가능함을 확인하였다. 이 결과는 단순히 제조된 고분자 입자를 이용하여 뇌졸중 부위만 진단하는 것이 아닌 암과 같이 뇌졸중과 비슷하게 질병부위가 산성 환경을 나타내는 질병 또한 진단이 가능하도록 발전할 수 있으며, 단순히 진단뿐만 아니라 치료가 가능한 치료약물을 같이 봉입하여 치료와 진단을 동시에 할 수 있는 스마트한 전달체로 발전할 수 있다. (본 연구의 결과는 영국의 Royal Society of Chemistry의 nanoscale 저널에 게재되었음)

  • 바이오프린터로 인체손실부위재생을 위한 인공조직/장기 제작에 대한 연구

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수

    바이오프린터로 인체손실부위재생을 위한 인공조직/장기 제작에 대한 연구

    YTN 보도 바로가기 - 3D 프린터로 찍어낸 살아있는 뼈세포 생명공학대학 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수(교신저자) 연구팀이 전기유변학적특성을 (electrorheological properties) 이용한 세포프린팅 (cell-prining) 기술을 세계최초로 개발했다. 이는 기존 압출-세포프린팅 방식의 낮은 세포 생존율 및 바이오잉크의 불안정한 가공조건을 극복한 것으로, 미세노즐 내부의 높은 전단응력 (shear stress)을 최소화 하였고, 노즐출구에서 바이오잉크의 흔들림/응집현상을 정전기적힘 (electrostatic force)으로 안정화 시킨 독창적인 방법으로 학계 및 세포프린팅업체들의 관심을 받고 있다. 또한 기존의 3D 세포프린팅 기술은 바이오잉크가 노즐을 통해 압출될 때 노즐 벽면에서의 높은 전단응력의발생으로인하여, 낮은 가공속도로 프린팅을 진행해야하는 어려움이 있었으나, 본 기술의 개발로 인하여 보다 빠른 가공속도를 유지하여 대용량의 세포프린팅을 빠르게 제작할 수 있는 기술로 평가받고 있다. 김근형 교수 연구팀은 기존 세포프린팅의 문제를 해결하기 위해 그림 1과 같이 압출 방식의 세포-프린팅 방법에 전기장이 결합된 새로운 세포프린팅 기술을 개발했다. 또한, 이 기술을 이용하여 뼈세포와 인간유래 지방줄기세포(hASCs)가 포함된 다공성의 세포블럭을 제작 했다. 또한 사용된 전기장에 의해서 세포 손상을 최소화하기 위해 노즐과 바닥면 사이에 얇은 세라믹 인슐레이터를 코팅함으로서 바이오잉크에 가해지는 전류를 획기적으로 감소시키는 방법을 고안했다. 그림 2에서와 같이 유리판을 사용하지 않았을 때 전류가 0.05~0.6A였지만 세라믹코팅을 이용하면 10~35nA까지 내려가는 것으로 나타났다. 이를 통해 전기장을 사용한 세포-프린팅 기술이 바이오잉크의 종류에 상관없이 안전하게 사용 가능하다는 것이 확인되었다. 이러한 방법은 물리적 반응 및 주위 환경조건에 민감한 줄기세포를 안정적이고 원활하게 압출될 수 있도록 컨트롤 가능하며, 노즐 벽면에서의 전단응력을 최소화 하여 세포의 생존율을 90% 이상 유지 시켜줄 수 있게 하였다. 또한, 개발된 세포프린팅 기술을 이용하면 기존의 세포프린팅 방식에 비해 단시간에 마이크로크기의 strut으로 이루어진 미세 다공성의 3D 세포구조체를 제작 할 수 있으며 (그림 3), 이 기술은 기존의 조직공학에서 사용되는 세포프린팅 기술을 한 단계 업그레이드 시킨 기술로서, 향후 다양한 조직 재생 (피부, 연골, 근육, 뼈 및 간등)에 적용이 가능할 것으로 생각된다. 이러한 결과는 생체소재/가공 분야의 전문학술지인 “Acta Biomaterialia”에 게재 되었다. 조직재생/바이오가공연구실 성균관대학교 생명공학대학 바이오메카트로닉스학과 조직재생/바이오가공연구실은 김근형 교수의 지도하에 박사 후 연구원 1명, 박사과정 3명, 석박통합 5명, 학부연구생 4명이 열심히 연구하고 있다. 주로 인체주요 조직인 연골, 피부, 근육 및 간 등 다양한 장기재생용 구조체를 제작할 수 있는 공정 시스템개발 및 이를 이용한 3D 세포구조체 제작에 관한 연구를 수행하고 있다. 특히, 3D 프린팅을 기반으로 하여 전기유체공정, 플라즈마프로세스, 마이크로/나노 임프린팅 등 다양한 공정을 결합하여 신개념의 세포조직재생 공정을 개발하고 있으며, 이를 이용하여 세포구조체 형상 제작 및 다양한 표면 개질을 통해 세포의 성장 및 분화를 촉진 시킬 수 있는 연구를 수행 중이다. 본 연구실에서는 기계공학/전기-전자공학/재료공학/의-약학이 결합된 융합 연구영역을 추구하며, 실제 다양한 학문을 전공한 학생들이 모여서 창의적 융합연구를 수행 중이다. 또한, 코넬대학교, 미국국립표준기술연구소(NIST) 국제협력 연구와 국내 한강성심병원 화상연구센터, 서울대학교병원, 서울대-보라매병원, 한국기계연구원부설-재료연구소 등과 공동연구를 진행중이다.

  • 단일 실리콘 나노 와이어 축 상을 따라 초 정밀 도핑 제어를 통해 형성된 n-형 및 p-형 반도체 채널 영역을 이용한 초 전력 소모 전계 트렌지스터 기반 상보형 인버터 제작 연구

    물리학과 강대준 교수

    단일 실리콘 나노 와이어 축 상을 따라 초 정밀 도핑 제어를 통해 형성된 n-형 및 p-형 반도체 채널 영역을 이용한 초 전력 소모 전계 트렌지스터 기반 상보형 인버터 제작 연구

    이번 연구 결과는 재료 공학과 황 동목 교수 연구실과의 공동 연구를 통하여 얻어진 결과물로써 단일 실리콘 나노 와이어에 p형과 n형 반도체 영역을 형성하여 현재 논리 회로 구현에 가장 많이 이용되는 전계 효과 트랜지스터 기반 (CMOS FET) 상보형 인버터 소자를 제작하였다. 본 연구 결과는 전계 효과 트랜지스터에 전도성 채널로 실리콘 반도체 나노와이어를 이용, 최근 전통적인 소자 제작 공정을 바탕으로 한 박막 트랜지스터 소자를 소형화할 때 야기되는 심각한 기술적 한계점들을 극복할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 본 연구에서는 실리콘 단일 나노와이어에 도핑 농도를 효과적으로 제어함으로써 p형과 n형 전도성 채널 영역을 축 방향으로 형성할 수 있는 기술을 도입하여 단일 실리콘 나노와이어 위에 형성된 p-n 접합 다이오드와 CMOS 인버터의 제작을 시도하였다. 특히 낮은 문턱 전압을 보이는 고성능 p, n형 실리콘 나노와이어 채널 전계 효과 트랜지스터 기반으로 본 연구에서 제작한 실리콘 나노와이어 CMOS 인버터들은, ±3 V 입력 전압에서 높은 전압 증폭률(~ 6)과 매우 낮은 정적 소비전력(≤0.3 pW)을 유지하면서 낮은 동작 전압(< 3 V)을 보여, 고 밀도 유연 논리 소자제작에 보다 용이하게 적용될 수 있을 것으로 본다. 본 연구에서는 고밀도 나노 와이어 기반 논리 소자구현에 관한 가장 최근 연구 주제를 다루고 있을 뿐만 아니라, 차세대 유연 전자 소자 기반 논리 회로 구현을 위한 나노와이어, 나노튜브, 나노케이블, 나노리본 등의 1, 2차원 반도체를 활용한 CMOS 제작과 관련된 향후 연구에 있어서도 아주 중요한 기초 연구 결과를 제공했다 할 수 있다.

  • 국제표준 트리플(A4WP, WPC, PMA) 모드를 지원하며, 급속 충전 기능을 탑재한 무선충전 및 송, 수신 칩 개발

    전자전기공학부 이강윤 교수

    국제표준 트리플(A4WP, WPC, PMA) 모드를 지원하며, 급속 충전 기능을 탑재한 무선충전 및 송, 수신 칩 개발

    이강윤 교수 연구실에서는 향후 휴대폰이나 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스, 태블릿 PC 노트북 등에 적용 가능한 무선 충전기술을 개발하여 2016년도 국가연구개발 우수성과 100선에 선정되었다. 무선 충전 기술은 자기유도(Inductive Coupling)방식과 자기공진(Magnetic Resonance)방식으로 나눌 수 있다. 자기 유도 방식은 WPC(Wireless Power Consortium)와 PMA(Power Matters Alliance)에서 표준을 정하고 있으며, 수백kHz의 주파수를 사용하여, 1-2cm 이내의 근거리에서만 고효율 무선충전을 할 수 있어, 거리의 제약이 있다. 자기 공진 방식은 A4(Alliance for Wireless Power)에서 표준을 정하고 있으며, 6,78 MHz의 주파수를 사용하여, 수십cm에서 수m까지 충전을 할 수 있지만, 상대적으로 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 무선 충전 기술의 낮은 효율로 인한 발열 문제로 인해 현재 상용제품들에서는 5W급의 충전이 가능하여 충전 속도가 느리고, 휴대폰 또는 웨어러블 디바이스에 한하여 무선충전이 가능한 상태이다. 이강윤교수는 본 연구를 통해 근거리 및 원거리에서 무선 충전이 가능하도록 트리플 (WPC, PMA, A4WP)표준을 모두 지원하고, 무선 충전 기술의 전달 효율을 향상시켜 기존 5W급의 무선충전을 15W급의 급속 충전을 지원하는 무선 충전 칩의 설계에 관한 연구를 진행하였으며, 상용화를 앞두고 있다. 웨어러블 디바이스 또는 휴대폰과 같은 작은 면적에 무선 충전 장치를 실장해야 하므로 회로는 집적회로(Integrated Circuit, IC)의 형태로 설계, 제작되었다. 또한 원천 IP를 확보하고 있으므로, 응용에 맞게 다양한 형태의 수신 IC를 제작하여, 다양한 전자기기에 적용 가능하다. 이 기술이 본격적으로 상용화되면, 사무실 책상이나 회의 탁자 주변에 충전기를 두면 주변에 둔 휴대폰이 무선 충전될 수 있을 것으로 예상된다. 충전기와 단말기를 멀찌감치 떨어뜨릴 수 있다면 편의성과 응용분야는 엄청나게 커진다. 자동차 안에 충전기를 두면 휴대폰을 어디에 둬도 충전할 수 있고, 커피숍이나 지하철역, 버스정류장 등에 무선 충전 존을 구현할 수도 있다. 무선 충전 분야는 세계적인 기술개발 경쟁이 치열하다. 국내의 S사 등 세계 휴대폰 제조업체들과 이동통신사, 칩 제조사들이 경쟁적으로 연구를 하고 있다. 배터리로 동작하는 모든 분야에 적용 가능한 기술이지만, 현재 상용화된 무선충전 반도체는 전량수입에 의존하고 있는 만큼 이를 대체하는 국산기술과 제품이 나와야 할 때이다. 그리고 특히 향후 휴대폰 및 loT/웨어러블 제품, 테블릿 PC및 노트북 등 많은 제품에 무선충전 기술이 적용될 것이라 예상된다.

  • 10nm이하의 소자가 지닌 결함도 찾아낸다

    전자전기공학부 최병덕 교수 ·허성 연구원

    10nm이하의 소자가 지닌 결함도 찾아낸다

    정보통신대학 최병덕 교수(교신저자)연구팀이 기존의 태양전지에 사용되는 CuInGaSeS 구조에서의 에너지 결함을 분석하고 결함의 깊이에 따른 분포, 모양 등을 3차원 이미징 (imaging) 구현을 성공하였다. 이러한 新 분석기법을 통하여, 메모리 반도체, 태양전지 등의 소자층에서 성능에 직접적으로 영향을 미치는 결함(defects)의 역할을 규명할 수 있는 길을 제시했다. 태양 전지 소자의 결함(defect)이 효율에 미치는 영향에 대해서는 그동안 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나 이러한 결함이 소자의 성능과 직접적으로 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 쉽지 않았다. 특히 결함은 매우 미량의 소자적 결함으로 이 결함에 대한 측정방법이 아직까지 제대로 정립이 되지 않아 이러한 분야의 분석을 확립하는데 많은 어려움이 있었다. 본 연구에서는 깊은 준위 천이 분석법(DLTS)을 이용하여 미량의 결함을 정량적으로 분석하고, 흡수층에서의 깊이별로 이미징하는데 성공하였으며, 이러한 결함 이미징을 통하여 직접적으로 태양전지의 성능에 영향을 미치는 결함의 종류(어셉터 또는 도너 타입)를 판별할수 있는 기술을 확립하였다. 이 기술은 향후 메모리 반도체, 태양전지, 디스플레이 소자의 신뢰성 및 수명 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것이라는 평이다. 10나노미터 이하 크기의 반도체 소자는 미량의 결함에 의해 소자특성이 결정되기 때문이다. 메모리 반도체, 디스플레이, LED 분야에서의 결함 연구는 소자의 특성에 직접적으로 관계가 되며, 반도체 소자의 집적도, 수명, 효율향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 영국 네이처 자매지 'Scientific Report' 에 8월 1일자로 게재됐다. 논문 제목 (영문): Defect visualization of Cu(InGa)(SeS)2 thin filns using DLTS measurement(한글) : 에너지 준위 분석을 이용한 Cu(InGa)(SeS)2 박막의 3차원 결함 최병덕 교수

  • 니켈산화물 초박막을 활용한 차세대 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성 개선

    에너지과학과 신현정 교수

    니켈산화물 초박막을 활용한 차세대 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성 개선

    태양에너지는 미래 전세계 에너지 공급의 핵심적인 역할을 담당할 것으로 기대되는 에너지원이다. 세계 각국에서 기후변화에 따른 환경 변화 대응의 일환으로 재생에너지로부터의 전기생산 비중을 높여가려고 노력하고 있으며 태양전지는 이러한 흐름에서 가장 큰 비중을 차지하리라 예상된다. 오래전부터 이미 많은 과학자들은 여러 종류의 태양광 변환 소재 및 공정을 연구하여 보다 더 효율적인 태양전지를 개발하고, 또한 대량생산을 위한 기술을 탐색해 오고 있다. 이상적인 태양전지의 대량 생산을 위해서는 태양광 변환 및 전극 소재 등이 지구상에 풍부하여 비용이 저렴하고, 또한 태양광 소자로서 고효율이면서도 안정적이어야 한다. 기존 기술은 주로 실리콘 태양전지로 상업화가 이루어졌지만 최근 연구자들은 새로운 물질로서 저비용 고효율 태양전지가 가능한 것으로 보이는 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합 소재에 주목하고 있다. 2013년 과학 분야의 10대 발전 중 하나로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지는 효율의 급속한 개선(2008년 2.2%에서 2016년에는 22%로)으로 결정질 실리콘 태양전지의 효율(~25%)에 근접하였으며 값싼 재료와 용액 공정 기반의 제작과정으로 가격대비 우수한 성능을 갖춘 차세대 태양전지로서 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 페로브스카이트는 ABX3 (X는 음이온, A와 B는 양이온, 이온의 크기는 A > B) 의 화학식으로 표현되는 물질이다. 여기에 태양전지로 사용되는 페로브스카이트는 A 이온으로 메틸암모늄이 주로 사용되고, B 이온은 납 또는 주석 이온, 그리고 X 이온은 할라이드계 이온들로 구성된다. 이 재료는 가시광을 흡수할 수 있는 적절한 밴드갭 (약 1.6 eV)과 높은 흡광계수, 그리고 0.1 ~ 1 μm에 이르는 긴 전하 수송 거리 등을 가지고 있어 태양전지 흡수체로써 매우 우수한 특성들을 보유하고 있다. 현재까지 가장 성공적으로 사용되어온 페로브스카이트 태양전지의 구조는 산화 티타늄과 Spiro-OMeTAD(2,2′,7,7′-tetrakis(N,N′-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene) 전하전송층을 사용한다. 그러나 높은 효율에도 불구하고 전류-전압 히스테리시스(정방향과 역방향의 전류-전압 측정결과가 일치하지 않는 현상)가 있어 소자의 신뢰성을 떨어트린다. 반면에 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrene sulfonate))와 PCBM(phenyl C61 butyric acid methyl ester)을 이용한 페로브스카이트 태양전지도 제작이 가능하다. 이 구조로 태양전지를 제작했을 때 페로브스카이트의 신뢰성을 저해하는 전류-전압 히스테리시스가 상당히 개선되었다. 페로브스카이트 태양전지의 또 하나의 문제점은 낮은 안정성이다. 이 물질은 수분 및 열에 매우 취약하여 공기중의 노출에도 수 시간내에 전지의 효율이 급격하게 하락하는 단점이 있다. 따라서 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시키는 것이 효율 향상 못지 않게 실용화를 위한 중요한 도전과제이다. 본연구진은 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 유기전하수송체인 PEDOT:PSS를 화학적으로 안정한 니켈산화물(NiO)로 대체하여 기존의 PEDOT:PSS 기반의 태양전지에 비견될만한 높은 광전변환효율 (16.40 %)을 보고하였다. PEDOT:PSS는 페로브스카이트 광흡수층에서 여기된 정공을 선택적으로 추출하는 계층으로 우수한 기능성을 지녔으나 흡습성이 있어 수분민감성인 페로브스카이트의 분해를 촉진한다. 반면에 니켈 산화물은 화학적 안정성을 보유하여 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 기존의 니켈 산화물을 이용한 페로브스카이트 태양전지는 PEDOT:PSS을 기반으로 한 전지에 비해 낮은 광전류(photocurrent)와 채움률(fill factor)로 인해 광전변환효율이 낮았다. 본 연구진은 이를 개선할 방법으로 니켈산화물을 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 통하여 수 나노 두께의 초박막을 형성하였다. 초박막 니켈 산화물은 이전의 벌크 두께를 가질 때에 비하여 향상된 홀수송능력을 보유하였으며, 높은 투명도를 지님으로써 페로브스카이트 태양전지가 높은 효율을 낼 수 있도록 하였다. 또한 이 태양전지는 비활성 기체 분위기에서 보관되었을 때 500시간 이상 초기 효율의 90%를 유지하였다. 이러한 연구결과는 적층 태양전지 구조를 통하여 효율 향상이 가능하고 추가적인 봉지기술 개발을 통하여 신뢰성을 높이며, 이를 통해 차후 상용화 가능한 고효율 고신뢰성 페로브스카이트 태양전지 개발의 밑거름이 될 것으로 기대된다. 본 연구는 나노과학 기술 관련 분야에 영향력이 큰 Nanoscale지에 게재되었다.

  • 진딧물 자리를 모사한 메타물질 조립

    성균나노과학기술원 이승우 교수

    진딧물 자리를 모사한 메타물질 조립

    진딧물이 끈끈한 물질 없이 벽을 기어오르거나, 식물 줄기에 거꾸로 매달려서 움직이는 원리를 이용, 기존 2차원 조립에 머물러 있던 트랜스퍼 프린팅을 3차원 조립에도 이용할 수 있도록 확장. 이와 같은 생체모사 3D 트랜스퍼 프린팅을 이용, 비자연적 극한광학 물성을 갖는 메타물질을 3D조립하는데 이용함. 본 연구에서는 메타물질 구조적 다양성을 실험적으로 확보할 수 있는 조립공정기술을 개발했다. 이는 진딧물 다리의 dry-adhesion 조절을 모사한 토랜스퍼 프린팅 기술로 가능했다. 진딧물은 끈끈한 물질 없이 벽을 기어오르거나 거꾸로 매달려서 움직일 수 있고 이는 다리와 물체 사이의 붙는 힘을 자유자재로 조절 할 수 있기 때문이다. 그림 1과 같이 진딧물이 다리 뒷꿈치의 혈압을 높여서 부풀어 오르게 하면 물체와 닿는 면적이 최대화 되서 부착힘이 극대화 되고, 반대로 혈압을 낮추면 다리 뒷꿈치가 수축해서 다리가 물체로부터 닿는 면적 및 부착힘을 최소화 시킨다. 본 연구에서는 그림2와 같이 고무 도장을 진딧물 다리를 모사해서 제작했다. 뾰족한 팁을 갖는 고무 도장은 프린팅 하고자 하는 메타물질과의 표면적이 최소화되어 어디든 프린팅이 쉽도록 되지만(adhesion-off), 뾰족한 팁이 뭉그러지게 되면 메타물질/도장 사이의 면적이 최대화 되어 메타물질을 떼어 낼 수 있다(adhesion- on). 고무로 된 팁은 누르는 힘에 의해서 뭉그러지거나, 원래 팁 모양으로 회복될 수 있기 때문에 기판으로부터 떼어내고(트랜스퍼), 프린팅 되는 과정이 고무도장을 누르는 힘 조절로 자유자재로 될 수 있는 것이다. 이 원리를 이용하면 그림 3과같이 메타원자들을 레고 블록 조립하듯이 트랜스퍼 프린팅해서 메타물질을 만들어 낼 수 있다. 이때 메타원자의 종류, 격자구조, 이종물질의 종류, 메타물질 집적 기판의 종류에 제한이 없음을 보여주었고, 따라서 그래핀 투명망또 및 광변조기와 같은 메타물질의 실용적 응용을 앞당길 수 있는 기반을 마련했다. /생체모사+ 연성광학 연구실/ 2014년 성균나노과학기술원에 (성균관대 나노과학기술학과 대학원, SKKU Advanced Institute of Nanotechnology(SAINT))설립, 이승우 교수의 지도로 박사후연구원 1명, 석박통합 3명, 학부연구생 3명이 열심히 연구하고 있다. 생체모사를 또는 DNA 오리가미/고분자와 같은 스마트 연성나노물질을 이용하여 다양한 빛-물질 상호작용들을 혁신하는 연구를 수행 중이다. 특히 꽃잎의 구조색, 사하라 사막의 개미가 열을 식히는 원리를 모사하여 태양전지/LED와 같은 광전자소자 효율을 높이거나, DNA를 이용 알고리즘 자리조립으로 비자연적 극한 광학 물성을 유도하는 “알파고 메타물질”연구를 수행 중이다. (seungwoo.skku.edu) 화학공학/나노바이오/나노화학/물리/재료공학/전자공학의 다양한 학문적 융합을 추구한다. 실제 화학공학, 물리, 전자공학, 화학을 전공한 학생들이 모여서 창의적 융합연구를 수행중이다. Harvard에서 열리는 생체분자디자인 경진대회 참석 및 MIT/Harvard/Caltech 대학교와의 공동연구 등 다양한 국제협력도 진행중이다.

  • 차세대 발전용 및 수송용 바이오연료 제조를 위한 초임계유체를 이용한 바이오오일 업그레이딩

    기계공학부 김재훈 교수

    차세대 발전용 및 수송용 바이오연료 제조를 위한 초임계유체를 이용한 바이오오일 업그레이딩

    최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 에너지 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 비화석연료 기반의 재생가능하고 지속가능하며 환경친화성이 높은 연료 및 화학소재 재조에 대한 관심이 급증하고 있다. 바이오연료 중 옥수수, 사탕수수 등 당질계원료를 이용하는 바이오에탄올 및 팜유, 대두유 등 식물성유지를 이용하는 바이오디젤은 상업적인 생산이 이루어지고 있으나, 이들 1세대 바이오연료는 식량자원과의 경쟁이라는 원천적인 한계를 자기고 있고, 분자구조식에 산소를 포함하고 있기 때문에 기존 화석연료에서 생산되고 있는 가솔린, 항공유 및 디젤과 비교하였을 때 에너지함량이 낮은 단점이 있다. 따라서 기존 1세대 바이오연료에서 탈피하여, 식량지원과 경쟁이 없으며, 또한 분자구조식에 산소를 적게 포함하거나 아예 포함하지 않는 바이오연료(“drop in”바이오연료)생산에 많은 관심이 집중되고 있다. 다양한 비식량계 바이오매스의 열화학 전환공정 중 가장 상업화에 근접한 기술인 급속열분해(fast pyrolysis)는 목질계 바이오매스, 초본계 바이오매스 등 다양한 종류의 바이오매스를 원료로 이용하여 산소가 없는 조건에서 400-600℃의 반응온도에서 수초간 분해한 후 생성되는 기체를 응축하여 액상물질을 제조하는 방법이다. 하지만, 급속열분해로 제조된 바이오오일은 아직 많은 단점이 존재하여 직접적으로 수송용 연료 또는 발전용 연료로 활용되지 못하고 있는 실정이다. 보다 구체적인 바이오오일의 단점은 (1) 산소함량이 35-40 중량%로 매우 높아서 열안정성 및 장기 보관정이 매우 취약하고, (2) 높은 산소함량으로 인해 바이오오일에 함유된 에너지함량이 매우낮고(고위발열량, higher heating value(HHV)=16-9MJ/kg), (3) 생성된 바이오오일에 포함된 물의 함량이 15-30%로 매우 높고, 바이오오일에 물에 용해되는 친수성 탄화수소계 물질이 많이 존재하여 기존 소수성인 화석연료와 혼화성이 매우 취약하고, (4) 개미산, 아세트산 등 강한 산성을 지니는 카르복실산 및 물이 많이 존재하여 pH가 2-3 정도로 매우 낮아 공정장치의 부식을 일으키며, (5) 장기 보관할 경우 열분해 리그닌과 바이오오일 성분끼리 서로 반응해서 고분자 물질을 생성하여 점도가 상승하여 상이 분리되는 현상 등 문제점이 있어왔다. 이러한 바이오오일의 문제점은 바이오오일을 다루고, 이송하며, 보관하고, 이용하는데 많은 기술적인 어려움을 야기하며, 이런 바이오오일의 단점들이 재생가능한 연료 또는 화학소재 생산을 위한 공정비용을 상승시키는 요인이 된다. 본 연구는 초임계 상태의 알코올을 용매 및 반응물질로 이용하여 바이오오일의 분자구조식에 존재하는 산소를 제거하여 에너지 함량을 증가시키고, 카르복실산 등 바이오오일의 산도를 증가시키는 유기산을 제거 또는 다른 안정화된 물질로 변환하여 산도를 낮추며, 또한 바이오오일 중 친수성 물질을 소수성 물질로 변환하여 수분함량을 낮추고, 바이오오일의 pH를 높여 부식성을 감소시킬 수 있는 바이오오일의 업그래이딩 방법에 관한 것이다. 특히 일반적인 촉매를 이용한 바이오오일의 업그래이딩 방법과는 달리, 균일 촉매 또는 불균일 촉매를 이용하지 않고 외부에서 제공하는 고가의 수소를 이용하지 않으면서, 초임계 알코올이 자체적으로 발생하는 매우 활성이 높은 수소(in-situ generated hydrogen)및 초임계 알코올이 갖는 독특한 반응성(에스테르화, 알킬화, 알콕실화, 수소화)를 이용하여 급속열분해로 제조된 바이오오일의 성질을 개선할 수 있다. 전산모사해석 결과 초임계 알코올을 이용하여 업그래이딩된 바이오오일을 제주도에 있는 100MW급 중유발전소의 보일러에 바이오중유로 활용하였을 경우 원유에서 생산되는 중유와 유사한 온도 및 열전달 특성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 업그래이딩 된 바이오오일은 “그린전기”를 생산하는데 이용될 수 있으며, 차량용 바이오가솔린 및 바이오디젤로 활용될 수 있다.

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