성균관대학교

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  • 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상

    에너지과학과 신현정 교수 ·서성록 연구원

    페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상

    성균관대학교 에너지과학과 (DOES) 석박통합과정 서성록 연구원과 신현정 교수 연구팀 그리고 박남규 교수는 공동으로 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술개발에 성공했다고 밝혔다. 페로브스카이트는 결정구조의 이름이며 최근의 차세대 태양전지로서의 유-무기 할라이드 원소를 사용한 특별한 조성의 물질군을 일컫는다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간 동안 광변환 효율 22%를 넘는 고 효율 보이는 광흡수층으로 전세계적으로 많은 연구자들에게 커다란 관심의 대상이다. 특히 작년에 박남규 교수는 해당 물질의 태양전지 연구의 선구자적인 업적을 인정받아 노벨 화학상 후보로 거론되기도 하였다. 이 소재는 매우 우수한 광전 특성을 가지며 동시에 저비용의 장점이 있으나 수분, 열, 빛, 그리고 전기장 등에 취약하여 짧은 소자 수명이 산업화의 걸림돌로 지적되었다. 본 연구에서 사용된 페로브스카이트 태양전지의 구조는 역전형 (inverted type) p-i-n 구조로 되어있으며 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 또 다른 물질들인 전하수송층을 무기계 소재로 구성함으로써 매우 안정한 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 전하수송층들은 모두 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 증착되었으며, 박막의 핀홀이 없이 균일하고 밀도 높은 막질을 형성하였다. 특히 무기계 전자수송층으로 Al이 도핑된 ZnO를(AZO) 채택하였고, 이 소재는 매우 우수한 전자수송 특성뿐만 아니라 아래에 있는 페로브스카이트 층을 보호하는 역할을 하였다. ALD - AZO는 외부 수분 및 산소의 페로브스카이트 층으로의 침투와 페로브스카이트의 휘발성 구성원의 증발을 방지함으로써 안정성을 향상 시킬 수 있음이 밝혀졌다. 특히 완성된 소자의 표면에서 진행되는 기존의 봉지기술과 차별화되는 특성으로, 전극/페로브스카이트의 사이에 존재하는 ALD - AZO 층은 전극/페로브스카이트 간의 상호확산 (interdiffusion)을 차단함으로써 태양전지의 작동환경 안정성을 획기적으로 개선하였다. 본 공동 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가에서 ADL-AZO 박막을 채택하지 않은 소자들은 빛을 조사하였을 경우 매우 빠른 속도로 소자의 열화가 진행되는 반면 ALD – AZO 박막을 채택한 소자는 500 시간 동안 초기 효율의 99.5 %의 특성을 유지하였음을 확인하였다. 이처럼 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지는 초기효율 18.45 %에서 시작하여, 고온 (85 oC) 및 대기환경 (ambient air)분위기, 모의 태양빛 (1-sun) 조사라는 극한 환경에서 500 시간 동안 86.7 %의 효율을 유지할 수 있어 페로브스카이트 태양전지의 산업화 가능성을 크게 높였다. 에너지과학과 신현정교수와 서성록 연구원, 화학공학과 박남규 교수가 수행한 본 연구는 한국연구재단 및 글로벌프론티어사업 (단장: 최만수 교수)의 지원으로 진행되었으며, 재료과학 (material science)분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 19.791)에 5월 23일자 온라인판에 게재되었다.

  • 해양홍조류의 유전체에서 후생성 유전자 조절기작 규명

    생명과학과 윤환수 교수

    해양홍조류의 유전체에서 후생성 유전자 조절기작 규명

    2003년 인간게놈프로젝트 (Human Genome Project)가 완성되며 의학과 과학 분야에서 유전체 서열을 밝히는 연구가 많이 진행되고 있다. 유전체는 생물이 갖는 모든 유전자를 포함한 유전 정보의 총합으로 이를 해독할 경우 유전자의 종류나 기능은 물론 진화적 역사를 추정하여 다른 생물과의 관계도 밝힐 수 있는 수많은 정보를 알 수 있다. 이러한 장점으로 최근 정부의 여러 부처가 동시에 “다부처유전체사업”을 시작하였고, 해양수산부에서는 100여종의 해양생물의 유전체 해독을 목표로 사업을 시작하였다. 생명과학과 윤환수 교수 연구진은 미역이나 다시마류 및 홍조류를 포함한 다양한 해양식물 30종의 유전체 분석을 2014년부터 시작하였는데, 그 첫 결과로 홍조류 개꼬시래기 (Gracilariopsis chorda)의 전체 유전체 해독을 완성하여 진화생물학 분야 최고권위지인 “Molecular Biology and Evolution” (5년 IF 14.558)에 출판하였다 [중앙일보: http://news.joins.com/article/22571416]. 개꼬시래기는 김, 우뭇가사리 등과 함께 식용으로 쓰이는 대표적인 홍조류 중 하나이며, 최근 다이어트식품이나 고급샐러드의 재료 등으로 많이 활용이 되고 있다. 본 연구를 통해 밝혀진 개꼬시래기 (진정홍조강) 유전체 정보는 홍조류 7000여 종 중에서 두 번째로 밝혀졌다는 점에서 의의가 매우 크며, 홍조류의 특이적 유전자진화패턴과 후생성 유전자 조절 기작에 의한 유전체 조절기작을 밝힌 점에서 중요성을 인정받았다. 주요 해양생물자원의 유전체자료를 선점한다는 것 이외에도 유용한 기능성 유전자 발굴 및 활용을 위한 기반이라는 점에서 매우 중요하다. 실제로 본 연구를 통해 밝힌 개꼬시래기의 탄산무수화효소 유전자는 기존에 밝혀진 유전자보다 매우 효율이 좋다는 것을 포항공대 황인환 교수팀과의 공동연구를 통해 확인하여 대기중의 이산화탄소 제거시스템 구축하는 연구로 확장하고 있다. 또한 성균관대 약학대학의 곽종환 교수팀과의 공동연구를 통해 개꼬시래기의 추출물에서 당뇨병과 동맥경화증 완화에 효과가 있는 유효성분들을 분석해 특허를 출원한 상태이다. 이렇게 해양홍조류의 유전체정보는 학문적, 산업적으로 직간접적으로 이용되고 있다. 현재 윤환수 교수 연구진은 개꼬시래기 뿐만 아니라 산성이나 높은 온도 등의 극한환경에 적응하는 단세포성 홍조류나 곰팡이와 공생하는 대형 홍조류 등의 전체유전체분석을 수행하고 있으며, 미역 등과 같은 다시마류가 속해있는 갈조류의 유전체연구를 통해 우수품종연구, 개체군 유전체분석 등을 수행하고 있다. 그리고 다양한 광합성 미세조류의 유전체연구를 수행하여 해양 및 담수에 서식하는 수생조류의 유전체 진화연구와 유용유전자 발굴 연구를 수행하고 있다. 이러한 다양한 광합성 식물의 유전체 정보는 생물의 진화역사를 밝히고 산업적 응용연구에도 중요한 정보를 제공할 것이다. [연구실 홈페이지: http://bio.skku.edu/glter/wiki/Hwan%20Su%20Yoon]

  • 4D 프린팅을 이용한 근육 섬유다발을 모사한 세포지지체 제작

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수

    4D 프린팅을 이용한 근육 섬유다발을 모사한 세포지지체 제작

    4D프린팅 기술은 3D프린터를 통하여 기본 구조를 제작하고, 제작된 구조물이 또 다른 기능적인 구조물의 형태로 자가변환(self transformation)하게 하는 기술이다. 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀 (김원진, 김민성)은 다양한 형태의 구조체를 간단하게 제작 할 수 있는 4D 프린팅 기술을 기반으로 근육조직과 같이 미세한 근육섬유다발(Myofibril)이 한 방향으로 배열된 형태의 세포지지체(scaffold)를 제작해냈다. 제작한 세포지지체에 근육세포를 배양하였으며, 세포의 배열과 근섬유의 형성 및 분화에 효과적으로 영향을 주는 것을 확인하였다. 배열된 미세 섬유다발로 이루어진 3차원 구조체 제작은 근육 뿐만 아니라 신경, 힘줄, 방광 등 미세 섬유다발로 이루어진 구조를 갖는 인체의 여러 조직의 재생 등에 적용이 가능한 활용도 높은 기술로서, 배열된 미세 섬유다발을 제작하기 위한 기존의 복잡한 기술들에 비해 매우 효율적이며 간단한 방법으로 다양한 복합 구조체를 제작 할 수 있다. 김근형 교수는 “이 연구는 4D 프린팅기법을 이용하여 배열된 미세 섬유다발 구조체 제작에 있어서 기존의 까다롭고 복잡한 방식과 차별되는 매우 효율적인 방법”이라며 “수-마이크론 크기의 미세한 섬유다발을 동시에 제작 및 배열함으로서 근육조직 뿐만 아니라 미세 섬유다발로 이루어진 다양한 인체조직(심장근육 및 신경)의 재생에 활용될 수 있는 매우 중요한 기술이 될 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구는 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었다. 소재과학분야의 전문학술지 Advanced Functional Materials (Impact Factor 12.1)에 4월 on-line 게재되었다.

  • 60도 회전 대칭을 갖는 새로운 결정구조의 금 나노와이어 합성에 성공

    에너지과학과 신현정 교수 ·이선희 연구원

    60도 회전 대칭을 갖는 새로운 결정구조의 금 나노와이어 합성에 성공

    에너지과학과(DOES) 박사과정 이선희 연구원과 신현정 교수 연구팀은 나노스케일의 제한된 구조 내에서 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 금(Au) 나노와이어를 성장시켰으며, 그 안에서 새로운 결정구조, 즉 동질이상(同質異像, polymorph)을 발견하였다. 금은 백금(Pt)와 함께 구조적으로 가장 안정한 물질로 알려져 있으며, 지금까지 면심입방(face-centered cubic, fcc) 구조만이 보고되었다. 동질이상(polymorphism)은 화학 조성은 같지만 다른 결정구조를 갖는 것을 말한다. 결정구조의 미세한 변화는 광학적, 전기적 특성을 포함한 물리•화학적 특성 변화를 초래하기 때문에 동질이상의 제어는 기초 재료 과학 연구에 있어서 매우 중요하다. 동질이상은 물과 얼음, 다이아몬드와 흑연처럼 일상에서도 흔히 접할 수 있는 물질에서도 나타나며, 약학에서는 주로 부작용을 줄이기 위하여 연구되었다. 그러나 금, 은, 백금, 구리와 같은 귀금속에서는 거의 연구가 이루어 지지 않았으며, 아직도 미지의 영역으로 남아있다. 일반적으로 동질이상은 온도와 압력 등 주변 환경에 영향을 받으며 열역학적으로 가장 안정한 구조를 채택하지만, 신현정 교수 연구팀은 온도와 압력이 일정한 상태에서도 나노스케일의 제한된 구조가 새로운 준안정상(metastable phase)이 형성될 수 있는 환경을 제공 할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 이 준안정상은 투과전자현미경을 이용하여 60° 회전 대칭(6-fold rotational symmetry)을 갖는 육방비조밀충진(hexagonal non-close-packed) 구조로 확인되었다. 이 구조는 일반적인 육방조밀충진(hexagonal close-packed, hcp) 구조보다 큰 면간 거리를 가지며, 마치 층상구조인 흑연(graphite)과 매우 유사하다는 것을 밝혀내었다. 육방비조밀충전 구조는 기존의 면심입방(face-centered cubic) 구조에 상응하는 열적 안정성을 보였으며, 광학적 특성에서도 분명한 차이를 보였다. 본 재료과학 분야의 기초연구로 나노스케일에서의 동질이상 형성 메커니즘을 규명함으로써, 화학조성의 변화 없이 재료 고유의 물리•화학적 성질을 뛰어 넘는 새로운 소재 개발을 위한 발판을 마련하였다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 에너지과학과 신현정 교수와 이선희 연구원, 배창득 연구교수가 주로 수행한 본 연구는 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.04.20) 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.

  • 전자현미경으로 전자의 분포 관찰

    에너지과학과 오상호 교수

    전자현미경으로 전자의 분포 관찰

    단백질, 나노입자, 원자 등을 관찰하는 전자현미경으로 그보다 훨씬 작은 전자의 분포를 관찰해냈다. 전자의 양을 정밀하게 제어해서 원하는 위치에 형성시키고, 최대한 빠르게 이동시키는 기술은 반도체 메모리 소자, LED 광소자의 성능과 밀접하게 연관된 핵심기술이다. 전자를 효과적으로 조절하기 위해서 이론적으로 예측된 전자의 분포를 시각적으로 검증·분석할 수 있는 고분해능 현미경 관찰법이 필요하다. 연구팀은 민감도가 매우 높은 ‘인라인(inline) 전자 홀로그래피’를 이용하여 두 종류의 산화물(LaAlO3/SrTiO3) 사이에 형성된 2차원 전자가스를 시각적으로 관찰하는 방법을 개발했다. - 2차원 전자가스는 두 재료의 계면에 형성되는 전도성 전자 무리를 일컫는다. 전자현미경으로 관찰하기에는 신호가 약하고 여러 변수의 영향을 고려해야 하는 한계로 인해 지금껏 관측되지 못했으나, 이번 연구에서는 모든 변수를 정확히 보정하여 2차원 전자가스의 고유 특성을 분석하였다. - 개발된 분석법을 통해, 결정 방위(원자가 결합한 각도 및 방향)에 따라 2차원 전자가스의 분포와 밀도가 미세하게 변하는 것이 관측되었다. 이는 관측방향에 따라 전자의 에너지 준위가 변하기 때문에 나타나는 양자현상이라고 연구팀은 설명했다. 오상호 교수는 “이 연구는 강자성, 초전도성, 금속-절연체 상전이 등 다양한 양자현상에 기인하는 전자 분포와 밀도 변화를 최초로 직접 관찰해 낸 것”이라며 “지금까지 물리 이론으로 예측되어 온 표면, 계면 전자의 특성을 분석하는 데 활용되어 양자현상과 소자 연구를 연결하는 중요한 역할을 할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 기초연구사업(중견연구), 미공군 아시아오피스(AOARD) 등의 지원으로 수행되었다. 나노분야 국제학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)* 3월호(3월 7일 발간)에 게재되었다. 또한, 미국 위스콘신-메디슨 대학교 엄창범 교수팀과 후속 연구를 진행하여, 2차원 홀가스를 2차원 전자가스로부터 구분하여 이미징하는데도 성공하였으며, 결과는 네이처 머터리얼즈 (Nature Materials) 3월호 (3월 7일 발간)에 동시 발표되었다. * 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) : 네이처에서 발행하는 나노분야 최고 권위의 국제학술지. 2010년 창간되었으며 임팩트 팩터(impact factor)는 38.986

  • immuneCare-DISC기반 종양미세환경 조절 및 면역세포 활성화 기술

    성균나노과학기술원 임용택 교수

    immuneCare-DISC기반 종양미세환경 조절 및 면역세포 활성화 기술

    항암면역치료기술은 체내에 존재하는 면역세포를 암 세포 사멸에 이용하기 때문에, 부작용 및 독성이 최소화된 차세대 항암치료기술로 각광 받고 있으며, 이미 많은 의약품들이 임상에서 사용되고 있다. 하지만 실제 임상에서 이러한 면역치료에 반응하는 환자군은 20-30%로 매우 낮은 상황인데, 그 이유는 종양미세환경 (Tumor microenvironment)에 존재하는 다양한 면역억제인자(immunosuppressive factors)들이 치료용 면역세포의 활성화를 저해하기 때문인 것으로 밝혀지고 있다. 또한, 이러한 면역억제인자들은 암 수술을 통하여 완전하게 제거되지 못한 암세포에 의한 암의 재발(recurrence)나 다른 조직으로의 전이(metastasis)를 유도하는 메커니즘과 관련되어 있다. 이러한 면역억제환경을 제공하는 대표적인 세포가 골수유래면역억제세포 (Myeloid-derived suppressor cells, MDSC)이다. 이번 연구에서 본 연구진은 이러한 암의 재발이나 전이를 방지하기 위하여, 수술 후에 유도되는, 면역억제인자들을 제어함과 동시에, 치료용 면역세포인 수지상 세포와 T 세포 활성화를 유도할 수 있는 플랫폼 기술을 개발하였다. 인체 내 적용이 가능한 생체친화성 고분자를 기반으로 다공성 DISC를 제조하고, 여기에 종양유래 면역억제세포인 MDSC를 제어할 수 있는 약물인 Gemcitabine과 수지상 세포와 T 세포 활성화를 위한 항암백신이 동시에 로딩함으로써, 이러한 플랫폼 (immuneCare-DISC, iCD)을 완성 하였다. 특히, Gemcitabine 약물은 임상에서 널리 사용되고 있으나, 생체 내 투여 후에 나타나는 약물구조의 낮은 안정성과 과량/반복 투여에 따른 독성이 큰 문제가 되고 있는데, 본 iCD 플랫폼 개발을 통하여 안정성 및 독성 문제를 해결할 수 있었다. 단회의 국소이식을 통하여, 체내에서 서서히 방출되는 Gemcitabine은 항암백신에 의해 활성화된 T 세포의 활성을 저해하는 MDSC를 효과적으로 제어할 수 있게 함으로써, 최종적으로 항암치료 효능을 높일 수 있다 (그림1). 본 연구에서는 종양이 수술로 완전히 제거되지 않는 상황이나 수술이 불가능한 상황을 모방하여 성장한 종양의 90%를 제거하고, 남은 종양에 의해 유도되는 암의 재발과 전이를 관찰하는 소동물 모델을 사용하였다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘ Advanced Materials’에 2018년 03월 23일자 온라인 게재되었다. * 논문제목: Implantable Synthetic Immune Niche for Spatiotemporal Modulation of Tumor-derived Immunosuppression and Systemic Antitumor Immunity: Postoperative Immunotherapy * 참여연구진: 임용택(교신저자, 성균관대 교수), Hathaichanok Phuengkham (공동 제1저자, 성균관대 박사과정), 송찬영(공동 제1저자, 성균관대 석박통합과정), 엄숭호(공저자, 성균관대 교수).

  • 종양 제거 수술 후, 암의 재발/전이를 막을 수 있는 면역 치료 기술 개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수

    종양 제거 수술 후, 암의 재발/전이를 막을 수 있는 면역 치료 기술 개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수 연구팀은 미국 하버드 의과대학 연구팀과 함께 종양 제거 수술 후, 암의 재발/전이를 막을 수 있는 종양 면역 치료 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과에 따르면 항암 면역치료법과 수술을 병행하면 암 관련 사망자의 90%를 차지하고 있는 종양 재발 및 전이를 막을 수 있다고 한다. 종양의 외과적 수술 방법은 현재 임상적으로 가장 널리 사용되고 있는 치료법이나 미세 암들까지 제거할 수 없을 뿐 아니라, 종양을 제거함으로써 몸에 유익한 면역세포와 종양항원까지 제거를 한다는 한계점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 종양 제거 수술로 인하여 일시적인 면역붕괴 현상이 발생하고 있으며, 이러한 이유로 많은 환자들이 종양 제거 수술 후 암의 재발 및 전이로 고통 받고 있다. 따라서, 종양 제거 수술 후 발생하는 종양의 재발과 전이를 막을 수 있는 치료법이 시급히 필요한 실정이다. 이를 위해 연구팀은 체내에서 안전하게 분해되고 약물을 체내에서 장기간 서방전달 가능한 하이드로젤을 개발했고, 면역반응을 유발/촉진시킨다고 알려진 다양한 약물을 내부에 탑재 하였다. 연구팀은 마우스의 유방암, 폐암 또는 피부암 (흑색종) 에 걸린 쥐의 종양을 수술적으로 제거 한 후, 다양한 약물이 탑재된 하이드로젤을 이식하였으며, 그 후 12주 동안 암의 성장과 마우스의 생존을 추적관찰 하였다. 그 결과 선천면역을 활성화 시킨다고 알려진 약물을 하이드로젤에 탑재해 전달하였을 때, 마우스의 가장 높은 생존율을 보인다는 것을 밝혔다. 동일한 선척면역 활성화 약물일지라도 기존의 정맥 투여 또는 국소 주사 방법으로 전달했을 때는 대부분의 마우스에서 종양의 재발과 전이가 발견되었다. 이를 통해 약물전달 하이드로젤을 이용하여 선천면역을 활성화 시키는 약물을 수술부위에 국소적으로 장기간 전달하는 것이 중요하다는 것을 밝혔다. 연구팀은 이번 연구가 종양 절제 수술을 받은 많은 환자들에게 널리 이용될 수 있는 안전하고 효과적인 치료법인만큼 빠른 시일 안에 환자에게 적용하는 것이 향후 계획이라고 밝혔다. Published article: C. G. Park, C. A. Hartl, D. Schmid, E. M. Carmona, H.-J. Kim, M. S. Goldberg, Extended release of perioperative immunotherapy prevents tumor recurrence and eliminates metastases. Sci. Transl. Med. 10, eaar1916 (2018). Article link: http://stm.sciencemag.org/content/10/433/eaar1916

  • 1회 충전으로 400km 달리는 고(高)에너지 전지 개발의 길 열다

    에너지과학과 윤원섭 교수 ·이원태 연구원

    1회 충전으로 400km 달리는 고(高)에너지 전지 개발의 길 열다

    에너지과학과(DOES) 윤원섭 교수 연구팀은 전기차 배터리의 핵심 요소 중 하나인 니켈(Ni) 양극소재에서 니켈(Ni)의 함량에 따라 변화하는 결정구조 특성 및 소재의 성능, 그리고 전기화학 반응 중 나타나는 소재의 구조 거동을 관찰하였다. 이를 통해 고(高)에너지 소재를 개발하는 데에 기존의 고정 관념을 깨는 주요한 인자(Key factor)들을 발견하였으며, 1회 충전에 서울에서 부산까지(약 400km) 주행 가능한 고밀도 전지 개발의 시대를 열었다. 4차 산업혁명의 개념과 함께 전기차(Electric vehicle)의 시대가 도래하면서 자동차의 내연기관을 배터리가 대체한다. 따라서 전기차 상용화 사업에서 고(高)함량 니켈(Ni)계 양극소재는 장거리 주행 전기차의 핵심 소재로서 각광받고 있다. 본 연구 이전까지는 니켈(Ni) 원소의 양을 증가시킴과 동시에 다른 원소들의 양은 일정하지 않은 비율로 변화시키는 연구들이 진행되었고 니켈 원소를 활용하여 고(高)에너지 소재 개발에 박차를 가하는 데 어려움이 있었다. 연구팀은 다른 원소들이 소재의 구조 특성에 미치는 영향을 최대한 배제할 수 있도록 구성 원소들의 함량을 체계적으로 제어하여 니켈(Ni) 원소의 함량에 따른 결정구조 특성 변화를 관찰하였다. 이를 통해 실제 니켈(Ni) 원소의 함량이 증가할수록 리튬 이온이 이동하는 통로(lithium ion channel)의 크기 증가와 리튬의 이동을 방해하는 양이온 무질서도(Cation disorder)의 감소현상을 파악하여 그간 어려움이 있던 고(高)에너지 소재 개발에 탄력을 줄 수 있게 되었다. 또한 층상구조 양극소재에서 특정 원소의 함량만으로도 리튬 이온 통로(lithium ion channel)의 크기를 조절(control)할 수 있다는 사실을 보여줌으로써 원자 수준(atomic level)에서의 고속 충-방전 소재를 디자인할 수 있는 새로운 가능성을 제공하고 있다. 더 나아가 본 연구에서는 층상구조에서 c축이 붕괴되더라도 실제 리튬 이온이 결정 구조 내에서 이동할 수 있는 환경을 유지한다는 사실을 발견함으로써, 전극 구조 내에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 길을 열었다. 에너지과학과 (DOES) 윤원섭 교수와 이원태 연구원이 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 16.72) 에 표지로 선정되었다. (2018.02.06.)

  • 인공뇌의 기억저장소자 고집적 신뢰성 확보

    전자전기공학부 유우종 교수

    인공뇌의 기억저장소자 고집적 신뢰성 확보

    지난 3월 서울에서 열린 바둑대국에 전세계인이 집중했다. 구글社의 자회사 딥마인드가 개발한 인공지능 알파고와 이세돌 구단의 경기였다. 이 대국에서 1200여개의 컴퓨터(CPU)가 시간당 56KW의 전력을 소비한 알파고는, 시간당 불과 20W의 에너지를 소모한 이세돌 구단과 치열한 접전을 벌였다. 이는 인간의 뇌의 뛰어난 직관력 때문으로, 만약 인간의 뇌를 닮은 컴퓨터를 만든다면, 우리는 스마트폰에서도 알파고를 만날 수 있다. 이 때문에 인간의 뇌를 닮은 인공뇌(Neuromorphic) 개발 연구가 시작되고 있으며, 특히 뇌의 기억을 담당하는 시냅스를 모방한 소자 구현 연구가 활발히 진행중이며, 저항 메모리(RRAM)나 상변화 메모리(PRAM)등이 대표적이다. 멤리스터 단일소자를 이용한 인간 뇌의 시냅스 동작 모방에 어느 정도 성과를 보이고 있으나, 대량의 소자 집적 시 높은 에러율을 보이며 뉴로모픽 집적회로의 신뢰도가 급격히 떨어지는 문제점을 안고 있다. 반면, 플로팅 게이트의 충전과 방전을 이용한 메모리인 플래시 메모리는 10년 이상의 데이터 저장, 1,000,000회 이상의 충방전 등의 뛰어난 장점을 갖으며, 특히, 소자 간 특성 차이가 적어 회로 집적 시 100%에 가까운 신뢰도를 보이며 현대의 스마트폰, 컴퓨터 등의 주요 저장장치로 사용 중이다. 그러나 플래시 구조적 한계(3전극 구동)로 인해 시냅스(2전극 구동)에 적용이 불가능했다. 성균관대학교 유우종 교수(전자전기공학부) 연구진은 2016년 플래시 메모리의 구조를 변경(3전극  2전극)한 터널링 메모리(TRAM, Tunneling Random Access Memory)를 최초로 개발하여 시냅스 모방소자을 구현한 바 있다. 실제 사람 뇌 안의 100조개에 달하는 시냅스를 모방하기 위해서는 신뢰성 높은 메모리의 고집기술이 선행되어야 한다. 연구진은 최근 진행된 연구에서 터널링 메모리의 고집적 기술을 확보하였고, 집적메모리의 높은 신뢰성을 확인함으로써 100조개 시냅스 모방의 기초를 마련하였다. 개발 된 터널링 메모리는 2차원 나노물질인 그래핀, 이황화몰리브덴(MoS2)과 고품질의 절연막인 산화알루미늄(Al2O3)의 적층 방식으로 제작되었다. 이황화몰리브덴에 연결된 소스와 드레인 전극에 전압을 가하면 이황화몰리브덴 채널을 통해 전자(신호)가 흐르게 된다. 이때 드레인 전극과 그래핀 사이의 전계 차이에 의해 일부 전자가 수 나노미터의 두께의 얇은 산화알루미늄 절연층을 터널링 하여 그래핀에 저장된다. 저장된 전자는 소스전극과 그래핀 사이의 낮은 전계 차이로 인하여 터널링 되지 않고 그래핀에 유지될 수 있다. 이를 조절하여 저장된 전자의 양에 따른 이황화몰리브덴의 저항 변화를 통해 메모리의 특성이 구현된다. 연구진은 화학기상증착법(chemical Vapor Deposition, 이하 CVD)을 통하여 대면적으로 성장한 그래핀과 2차원 반도체를 활용해 대면적 메모리 집적기술을 확보하였다. 전기적 특성 측정에서 집적된 메모리 중 90%이상의 메모리에서 높은 신호 정밀도(on/off ratio 103)와 낮은 소자 변형(1%)을 보이며 터널링 메모리의 높은 신뢰도와 동작 안정성을 확보하였다. 또한, 깨지기 쉬운 게이트 전극과 절연막을 제거하여 휘어짐에 매우 적합한 구조를 확보했다. 향후 휘어지는(플렉시블) 스마트폰, 컴퓨터에 쉽게 적용돼 기술적 진보를 가져올 것으로 보인다. 본 연구는 과학기술분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 매터리얼(Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정됐다.

  • CEO의 은퇴시기에 따른 혁신 성과의 변화에 대한 연구

    경영학과 김상균 교수

    CEO의 은퇴시기에 따른 혁신 성과의 변화에 대한 연구

    구체적으로, 본 연구는 노동시장 관점(labor market evaluation)과 레거시보존(legacy conservation) 관점을 활용하여 CEO의 위험성향에 영향을 주는 동기요인으로, 은퇴까지 남은 시기를 나타내는 개념인 CEO career horizon이 파괴적 혁신에 미치는 영향과 이를 매개/조절하는 경계상황을 규명하고자 하였다. 두 관점에 따르면, 은퇴시기가 가까운 CEO는 단기적 성과 악화와 지금까지 쌓아온 본인의 과업과 경력에 악영향을 미칠 수 있는 인수합병, R&D 투자, 자본적 지출, 사회적 책임, 파괴적 혁신과 같은 위험이 따르는 전략들에 투자하기보다는, 단기성과를 향상시켜 은퇴 후 노동시장에서 평가와 명성 유지에 도움이 되는 보수적인 전략을 선호하는 외험회피 성향이 강하기 때문에 기업의 미래 이윤 창출과 장기적 경쟁력이 저해할수 있음을 시사하였다. 681개 미국 기업들의 10년간 패널자료를 구성하여 실증 분석한 결과 CEO career horizon은 파괴적 혁신의 성취에 부정적인 영향을 미치며, 이러한 관계는 R&D 투자액 감소를 통해 매개되는 것으로 나타났다. 즉, CEO는 은퇴시기가 가까워질수록 CEO의 위험회피 성향으로 인해 R&D 투자를 줄이게 되고 결국 파괴적 혁신 성취의 가능성은 낮아짐을 알 수 있었다. 흥미로운 부분은 CEO의 위험성향이 기업의 학습행동 유형과 전략적 적합성이 존재할 때 파괴적 혁신성취에 오히려 도움이 된다는 것이다. 구체적으로 설명하자면, 자사의 기존 기술 개선과 같은 활용(exploitation) 중심의 학습행동을 선호하는 기업의 경우, 학습 행동과 은퇴시기가 가까운 CEO의 외험회피 성향과의 전략적 적합성으로 인해 CEO의 위험회피 성향이 기업의 파괴적 혁신 성취에 미치는 부정적인 영향력이 상쇄되는 반면, 새로운 기술개발 등 위험감수 성향이 뚜렷한 탐험(exploration) 학습행동을 선호하는 기업의 경우, 은퇴시기가 가까운 CEO의 위험회피 성향과 기업 학습 행동의 전략적 부적합으로 인해 파괴적 혁신 성취의 가능성은 더욱 낮아졌다. 이러한 연구결과는 기존 문헌에서 주장한 은퇴가 가까운 CEO의 위험회피 성향과 이에 따른 문제점을 지지함과 동시에, CEO의 위험성향이 기업의 학습행동과 전략적으로 적합하다면 오히려 혁신 성취 향상에 기여할 수도 있음을 시사한다. 결론적으로 본 연구는 기업의 파괴적 혁신에 영향을 주는 CEO의 동기요인을 고려함으로써 기업들이 혁신성과를 전략적으로 관리 할수 있는 효과적인 방안을 제시한다. 기업의 활용/탐색 정도와 CEO의 위험성향을 동시에 고려함으로써 파괴적 혁신에 미치는 부적정인 영향을 축소하고 긍정적인 영향을 이끌 수 있을 것이며, 더 나아가 노동시장에서 CEO의 성과평가 시 은퇴 이전의 단기 성과뿐만 아니라 기업의 발전을 위한 장기투자 여부와 그 진행사항까지 고려하여 기업의 목적과 CEO 간의 전략적 적합성 성취가 무엇보다 중요하다는 점을 역설한다.

  • 1T 가장자리 개질된 2H 이황화몰리브덴의 가교를 통한 고효율 박막트렌지스터

    화학과 이효영 교수

    1T 가장자리 개질된 2H 이황화몰리브덴의 가교를 통한 고효율 박막트렌지스터

    차세대 소자 구현이 주목 받으면서 플랙서블 박막트랜지스터(TFT)에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 이차원 물질 중 하나인 이황화몰리브덴(MoS2)은 광학, 전기적, 화학적 특성이 우수해 전계효과 트랜지스터(FET)에 활용되고 있다. 하지만 대부분 합성 연구는 화학증착에 집중되어있어, 값싼 용액 공정으로 결정성을 유지하면서 MoS2를 제조할 수 있는 하는 방안이 필요하다. 기초과학연구원 나노구조물리 연구단 부단장 (IBS-CINAP, 단장 이영희) 및 화학과 소속 교수, 이효영 교수님 연구팀은 금속이온을 전혀 사용하지 않고 유기화합물 만으로 MoS2의 가장자리만 선택적으로 개질해 용액 공정으로 MoS2 FET구현을 에너지과학과 소속 정문석 교수님과 공동 연구했다(ACS Nano, 2017, 11, 12832-12839). 가장자리에 1T 상을, 기저는2H 상을 가진 MoS2(edge-1T basal-2H MoS2)를 만들기 위해 유기화합물인 4-Carboxy-benzenediazonium(+N2-benzene-COOH) tetrafluoroborate이라는 다이아조늄 염과 MoS2를 반응했다. 노출되어있는 벌크 MoS2의 가장자리에 있는 친핵성 황과 친전자성 +benzene-COOH 다이아조늄 염이 반응한다. 극성의 COOH 작용기가 MoS2 사이에 정전기적 반발을 형성하면서 벌크가 단일층으로 박리해 HOOC-benzene-MoS2(e-MoS2)가 만들어진다. 기저의 대면적 부분은 반도체 특성을 갖는 2H 결정성을 유지한 채, 가장자리 부분만 개질하면서 전도성 특성을 갖는 1T나 1T’ 상으로 바뀐다. 일반적으로 알려진 n-BuLi로 박리한 MoS2(n-MoS2)나 기저까지 개질된 MoS2(b-MoS2)는 박리 및 개질 과정에서 물질 기저 부분의 2H 상이 금속성의 1T나 1T’로 변하지만, e-MoS2는 대면적의 기저 부분이 2H 결정성을 유지하고 있어서 기존에 비해 높은 이동도(1.2 cm2/(V s))와 점멸비(106)가 나타났다. 이러한 소자 특성은 양이온성 고분자인 polydiallyldimethylammonium chloride(PDDA) 처리를 추가하면 더 향상된다. 양이온 고분자인 PDDA 층 위에 음전하를 띠는 COOH가 있는 e-MoS2로 박막을 만들게 되면 이온 결합으로 인한 분자간 결합력이 향상돼 채널 박막이 더 균일하게 형성된다. 높은 결정성과 PDDA에 의한 낮은 contact resistance 때문에 e-MoS2/PDDA 소자를 SiO2/Si 기판에 구현하면 드레인 전압이 1일 때 평균이동도 170.8 cm2/(V s)로 증가했다. 플랙서블 소자를 만들기 위해 e-MoS2/PDDA 소자를 PDMS/PET 기판 위에 구현했을 때에도 이동도 36.34 cm2/(V s)와 점멸도 103로 우수한 결과가 나왔다. 이차원 물질의 화학적, 전기적, 광학적 특성을 바꾸는 전략으로서 가장자리 개질 방법은 MoS2뿐만 아니라 다양한 이차원 층상 벌크 무기물질에 적용할 수 있다. 이는 다양한 이차원 재료를 저비용으로 전자 기기에 적용할 수 있다는 점에서 큰 잠재력을 가지고 있다.

  • 단일층 이황화전이금속의 텔루륨화 촉매발견

    물리학과 이영희 교수

    단일층 이황화전이금속의 텔루륨화 촉매발견

    기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단(단장 이영희)이 화학기상증착법(chemical Vapor Deposition, 이하 CVD)으로 합성된 단일층 이황화몰리브데늄의(MoS2) 황(S)을 텔루륨(Te)으로 치환하여 이텔루륨화몰리브데늄(MoTe2)으로 바꾸는 방법을 개발하는데 성공했다. 이러한 치환반응을 일으키기 위해서는 고온에서 반응이 필요한데 텔루륨화전이금속들은 열안정성이 낮아 MoS2를 MoTe2로 치환하려는 경우 MoTe2 물질이 불안해지는 문제점이 발생한다. 치환 후 생성물인 MoTe2는 700도 부근에서 열적으로 불안정하여 기화하는데, 어려운 점은 치환반응이 700도 미만에서는 일어나지 않는 것이다. 이러한 문제해결을 위해 텔루륨화 촉매인 텔루륨화나트륨(Na2Te)을 도입하여 낮은 온도(700도 미만)에서도 치환반응이 일어나 안정한 상의 MoTe2를 얻을 수 있었다. 연구팀은 텔루륨화 치환반응이 MoS2 결정의 가장자리부터 우선적으로 일어나는 것을 확인했고 이러한 현상을 이용하여 이종반도체 접합(MoS2-MoTe2)을 만들 수 있었다. 실험조건을 조절하여 다양한 상(MoS2-xTex 합금, 반도체성 2H-MoTe2, 금속성 1T'-MoTe2)를 얻을 수 있었다. 또한 MoS2-xTex 합금의 조성을 조절하여 그것의 밴드갭(Band gap)도 제어 가능함을 보였다. 이번 연구를 주도한 윤석준 박사는 “실제 불안정한 화합물이라도 이런 치환방법을 이용하면 합성이 가능하여, 자연에 존재하지 않는 화합물도 합성이 가능할 것” 이라고 예측했다. 연구팀이 개발한 텔루륨화 촉매를 이용한 치환방법은 (MoS2) 뿐만 아니라 다른 전이금속류인 이황화텅스텐(WS2)에도 적용 가능하여 향후 단일층 텔루륨화전이금속의 합성 기반기술로 활용될 것으로 예상된다. IBS 나노구조물리 연구단 이영희 연구단장, 윤석준 연구원이 수행한 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 12.124)에 12월 18일 게재됐다.

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