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아주대 연구진이 실리콘 반도체 기반의 초고감도 적외선 광학 검출 소자를 개발했다. 이에 적외선 영역의 고감도·고효율의 센서가 필요한 자율주행차, 태양전지, 의료진단기기 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 전망이다.아주대 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 반도체 결정 구조의 이완에 의해 발생하는 변전 효과를 이용해 우수한 성능을 가진 실리콘 기반 적외선 광센싱 소자를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 연구 내용은 ‘구조이완·변전효과에 따른 제어가능 자가전력 기반 고성능 단파장 적외선 광검출 소자(Controllable, Self-Powered, and High-Performance Short-Wavelength Infrared Photodetector Driven by Coupled Flexoelectricity and Strain Effect)’라는 제목으로 나노 분야 국제 학술지 <스몰 메소드(Small Methods, IF=14.188)> 7월19일자 온라인판에 실렸다. 이 논문은 해당 저널 권두 표지 논문(Frontispiece Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 제1저자로 아주대 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과)와 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)가 함께 했다.빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과(빛에 의해 형성된 전자와 정공의 이동에 의해 광 전류를 감지하는 방식)를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지의 활용과 스마트폰, 사물 인터넷, 광통신 등에서 필수적인 부품이다. 그중에서도 적외선 광 검출은 활용 분야가 가장 넓어 의료 분야의 열화상 측정, 야간투시뿐 아니라 자율주행 차량의 전방 센서, 물체 이동 감지 센서 등으로도 활용된다. 적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 여러 가지가 있으나, 적외선 직접 흡수에 의해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다. 이 방식은 고부가가치 응용 분야에도 적용이 가능하다. 그러나 이러한 광전효과 방식의 적외선 센서 제조를 위해서는 광 흡수 반도체의 밴드갭(반도체 소재가 빛을 흡수하기 위해 필요한 최소 에너지)이 적외선 광에너지 보다 낮아야 한다. 때문에 지금까지 주로 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 갈륨비소 같은 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고, 적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다, 성능이 떨어지는 한계를 보여왔다. 아주대 연구팀은 기존에는 적외선 감지 소재로 활용하지 못했던 실리콘 소재를 주목했다. 실리콘 소재에 변전효과 변전효과(소재의 국소적 변형에 의해 전기적 특성이 변하는 효과로 밴드갭 변화를 유발하기도 함)를 적용, 반도체 결정 구조에 적절한 이완효과(strain effect, 외부 응력 등에 의한 반도체 결정 구조의 탄성적 변화로 물리적 성질이 변화하는 것)가 나타나 밴드갭 에너지를 적외선 광에너지 이하로 크게 줄일 수 있음을 확인한 것. 연구팀은 이를 이용해 적외선 영역의 광학 응답성을 극대화하는 광 검출 원리를 규명하고, 광센서 구조를 개발하는 데 성공했다. 연구팀은 금 프로브팁을 이용해 960 마이크로미터 직경 범위에 순차적으로 수 마이크로 뉴턴 크기의 미세압력을 가해, 급격한 밴드갭 에너지 감소를 유도했다. 이를 통해 적외선 파장의 빛에 대해 실리콘 반도체만으로도 높은 민감도와 검출률 및 응답도를 갖춘 우수한 소자를 얻을 수 있었다. 이는 기존에 상용화된 적외선 검출 소자에 비해 월등한 성능이다. 특히 연구팀은 광센서에 교류 광전류를 이용, 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 적외선 입사광 흡수를 통해 외부의 전원 공급 없이 광전효과 기반의 자가전력으로 소자를 구동했다. 연구팀이 개발한 소자의 검출 속도는 100마이크로 초(0.1 msec)로 고속 검출이 가능하며, 원자 현미경을 이용해 동일한 변전효과 기반 적외선 검출을 30나노미터 크기에서도 구현할 수 있음을 확인했다.서형탁 교수는 “센서와 집적회로 반도체 소재로 널리 활용되는 범용 실리콘(Si) 소재를 이용하여 기존에 불가능했던 적외선 검출을 초고감도로 달성하였다는 것에 중요한 학문적·기술적 의의가 있다”며 “이 방식을 응용하면 고속·고감도 적외선 검출 소자를 기존의 실리콘 집적회로에 통합하는 것이 가능해지고 저비용·고성능 사물 인터넷(IoT) 센서로 적용할 수 있다”고 설명했다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. * 이미지 제공 = WILEY-VCH
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- 작성일2021-10-14
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아주대 김종현·권오필 교수 연구진이 유기 반도체 기반의 고성능 가스센서 개발에 성공했다. 유기 반도체 소재의 전기적·광학적 가스 감지 성능을 획기적으로 개선할 수 있어 차세대 고감도 유해가스 센서로 활용할 수 있을 전망이다. 김종현·권오필 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 울산과학기술원 에너지화학공학과 연구팀과 함께 유기 반도체 기반의 고성능 암모니아 검출 가스센서 개발에 성공했다고 밝혔다. 관련 연구는 ‘안정성 라디칼 음이온 발생 메카니즘을 이용한 라일렌 유기반도체 기반의 고감도 암모니아 가스센서 개발 (Strategic Approach for Enhancing Sensitivity of Ammonia Gas Detection: Molecular Design Rule and Morphology Optimization for Stable Radical Anion Formation of Rylene Diimide Semiconductors)’이라는 제목으로 소재 분야 국제 학술지인 <어드밴스드 펑셔날 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.808)> 7월27일자 온라인판에 게재되었다. 이번 연구에는 아주대 김종현(사진 왼쪽)·권오필 교수(사진 오른쪽)와 UNIST 곽상규 교수가 교신저자로, 아주대 대학원 분자과학기술학과의 오병민, 박성하 학생이 제1저자로 함께 했다. 암모니아(NH3) 가스는 휘발성 유기화합물의 한 종류로서 특정 농도 이상을 장시간 흡입할 경우 두통, 구토, 기침 및 호흡곤란 증상을 일으키는 등 인체 위험성이 매우 높은 유해물이다. 이에 암모니아 가스 검출을 위한 다양한 연구들이 진행되어왔으며, 그 중에서도 반도체 소재의 저항변화를 통한 정밀 검출기술 개발이 활발히 이루어져 왔다. 그러나 기존에 사용하던 무기 반도체 소재는 센서 제작을 위한 소자 제작과정이 복잡하고 비용이 많이 소요된다는 문제가, 유기 반도체 소재는 검출력과 검출선택성에서 한계가 지적되어 왔다. 연구팀은 암모니아 가스와 선택적으로 ‘안정성 라디칼 음이온’을 형성할 수 있는 특성의 라일렌(rylene) 기반 유기 반도체 소재에 주목했다. 라일렌 구조의 유기 반도체 소재가 암모니아 가스에 노출될 경우, 분자간 전하이동 반응을 통해 안정성 라디칼 음이온이 형성되는 현상과 함께 전류값 증폭 및 광흡수 변화가 나타남을 발견한 것. 연구팀은 이를 이용해 암모니아 가스를 200ppb(10억분의 1을 나타내는 단위) 수준의 극미량까지 감지하며 동시에 암모니아 가스로부터 1700%의 전류 증폭 성능을 보이는 고성능의 가스센서 개발에 성공했다. 또한, 연구팀은 암모니아 가스 분자와 라일렌 유기 반도체 분자 간에 발생하는 효율적인 전하이동반응 원리를 양자 계산으로 증명하여 센서의 원리와 소재 설계 원리도 함께 제안했다. 김종현 교수는 “이번 연구에서 제안한 유기 반도체 소재는 합성 공정이 매우 간단하고 극미량의 암모니아 가스로도 라디칼 음이온 형성반응을 통해 증폭된 전류신호를 얻을 수 있다”며 “이를 통해 기존 가스 센서에서 지적되어 온 높은 제작비용 및 검출력 한계와 관련된 문제점들을 해결할 수 있었다”고 밝혔다. 이어, “개발된 소재를 이용하면 가격경쟁력을 갖춘 고감도의 암모니아 가스센서 개발이 가능할 것”이라고 전망했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터), 기초연구사업(중견연구자지원사업), 국제화기반조성사업 및 선도연구센터(결정기능화 공정기술 센터)의 지원을 받아 수행되었다.<라일렌 유도체를 이용한 안정성 라디칼 음이온 형성원리와 이를 이용한 고감도 암모니아 가스센서 성능><어드밴스드 펑서날 머터리얼즈 7월27일자 온라인판>
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- 작성일2021-09-17
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아주대학교 공동 연구팀이 도시가스나 천연가스의 주요 구성 성분인 메탄을 사용해 수소와 탄소를 생산할 수 있는 촉매 반응 기술을 개발해냈다. 이에 친환경·저비용의 수소 연료와 고순도·고부가가치의 탄소를 동시에 대량 생산할 수 있는 첨단 에너지 기술로 활용될 수 있을 전망이다.서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)와 김유권 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과) 공동 연구팀은 액상합금촉매와 지르코니아 입자가 주입된 수직 기포 반응기를 이용하여 메탄 직접 전환 수소 기체·고체 탄소 생산 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘지르코니아 입자와 융용 액상 합금을 이용한 기포 컬럼 반응기를 통한 메탄으로 부터의 이산화탄소 무배출 수소 생산 효율 증대(Enhanced Efficiency in CO2-free Hydrogen Production from Methane in a Molten Liquid Alloy Bubble Column Reactor with Zirconia Beads)’라는 논문으로 화학공학 분야 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=13.273> 7월7일자 온라인판에 게재됐다. 공동 제1저자로 아주대 대학원 박사과정의 이영재 학생과 노용규 박사가 참여했고 박사과정 김진아 학생, 샨카라 칼라뉴르(Shankara Kalanur) 교수도 함께 했다. 수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 대표적 청정 연료원으로, 최근 차세대 에너지 연료원으로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 넓혀가고 있다. 연료로서의 수소를 대량 생산하기 위해서는 화석 연료를 개질(reforming)하는 방식이 주로 사용되고 있는데, 이 과정에서 수소 생산 중량의 9배가 넘는 이산화탄소(CO2)도 같이 배출된다. 이러한 이유로 대표적 온실가스인 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 전기나 태양광을 이용하는 광·전기 화학적 물 분해 기술에 대한 연구가 최근 활발히 이루어져 왔다. 그러나 생산 단가가 기존의 화석 연료 개질 방식에 비해 5~6배 이상 높고, 대량 생산이 어렵다는 점에서 한계를 보여왔다. 이에 완전한 청정연료로서의 수소 에너지를 이용해 ‘수소 경제’를 달성하기 위해서는 저렴하되 이산화탄소는 배출하지 않는 대량 수소 생산 기술의 개발이 시급하다. 아주대 연구팀은 도시가스와 천연가스의 주성분인 메탄가스(CH4)를 주목했다. 메탄가스를 고체 촉매를 사용해 1000℃ 이상의 고온에서 열분해하면, 기체 형태의 수소와 고체 형태의 탄소를 생성물로 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 생산한 고체 탄소의 경우, 비활성화 문제가 있어 상용화가 어렵다는 한계를 보여왔다. 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이면서 궁극적으로 표면에서의 메탄가스 화학 반응을 막고, 이로 인해 반응 활성이 급격히 사라져버리기 때문. 이러한 한계점을 극복하고자 최근 학계에서는 녹는점이 낮은 액상합금촉매(녹는점이 낮은 주석 등의 저융점 금속과 촉매 활성이 높은 고융점 니켈 등의 금속을 혼합한 액상의 금속촉매)를 이용하는 방법이 주목을 받아왔다. 용융된 액상합금 내부로 메탄가스를 주입해 수소가스를 발생시키고 동시에 액상 촉매 표면에 탄소층이 밀도 차이로 부유, 반응도 지속시키고 고체 탄소도 얻는 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’이다.공동 연구팀은 ‘용융촉매 메탄 직접 전환 기술’을 기반으로 한 새로운 방식을 개발해냈다. 액상 촉매를 이용한 메탄 분해 반응에서 메탄가스가 액상 촉매 내부에서 체류하는 시간과 메탄가스의 버블 사이즈를 감소시킴으로써 메탄가스와 액상 촉매 경계의 표면적을 극대화하는 것이 반응 효율 향상에 중요한 인자임을 규명하기 위해 기존과 다른 방식을 도입한 것. 연구팀은 반응기 내부 액상 촉매에 추가적으로 지르코니아 지르코니아(지르코늄과 산소의 화합물(ZrO2). 녹는점이 높고 잘 부식되지 않으며 상온에서는 흰색 결정으로 나타남) 입자를 혼입해 메탄 버블 크기를 최소화하고 가스 유로를 복잡하게 해 기체 체류 시간을 증가시키는 방식의 새로운 반응기 구조를 개발하는 데 성공했다. 새로운 반응기 구조를 도입한 결과, 연구팀은 높은 수소 전환율과 뛰어난 반응 내구성을 확인할 수 있었다. 기존의 온도(1000℃ 이상) 보다 낮은 985℃의 약 37% 메탄에서 수소 전환율을 달성했고, 150시간 이상의 장시간 생산에도 촉매의 활성이 오히려 증가한 것. 일반적으로 1000℃ 이하의 메탄 열분해 반응에서는 반응기 재질에 따른 비용이나 열에너지 비용을 줄일 수 있는 이점이 있지만 전환율이 급격히 저하된다는 문제점이 있었는데, 아주대 연구팀은 이를 극복하고 저온에서 최고 수준의 전환율과 연속 반응 기록을 달성해냈다. 연구팀이 새로운 방법으로 얻은 탄소는 고순도·고부가가치의 탄소 형태(나노 튜브 및 섬유 가닥)를 보였다. 이러한 고순도·고부가가치의 탄소는 배터리 혹은 연료전지 소재로 활용될 수 있다. 수소의 친환경적 대량 생산뿐 아니라, 활용성이 넓은 탄소 소재까지 생산할 수 있는 가능성을 제시한 것.서형탁 교수는 “이산화탄소 배출 규제 강화 움직임에 따라 기존 화석연료 기반의 수소 생산 방식의 경우 비용 상승이 불가피하다”며 “환경친화적이며 비용이 적게 드는 새로운 수소 대량 생산의 길을 열었다는 점에서 이번 연구에 의미가 있다”고 진단했다.서 교수는 이어 “특히 수소와 동시에 얻을 수 있는 탄소를 고순도·고부가가치 형태로 연속적으로 얻게 되면 탁월한 경제성을 확보할 수 있다는 점에서, 앞으로 실용화를 목표로 연구를 이어갈 예정”이라고 말했다. 한편 이번 연구는 산업자원통상자원부·한국산업기술평가관리원 주관 산업기술알키미스트프로젝트와 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 C1가스리파이너리사업지원으로 수행됐다. 용융 액상 합금 촉매를 이용한 메탄 직접 분해에 의한 수소 및 탄소 생산 개념도: 메탄을 액상합금촉매와 지르코니아가 혼입되어 있는 반응기에 주입하고 열을 가하면 고순도 수소가 액상 촉매 내부에서 형성되고 동시에 탄소 파이버가 만들어진다. 탄소 파이버는 밀도가 가장 낮기 때문에 표면에 부유하므로 촉매 반응성에는 이상이 없고 장시간 연속 수소 및 탄소 생산이 가능하다. *맨위 사진 설명 : 사진 왼쪽부터 서형탁 교수, 이영재 박사과정 학생, 김진아 박사과정 학생, 김유권 교수
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- 작성일2021-08-18
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- 작성일2021-07-30
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아주대 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 터치로 전기를 생산하는 전자 피부를 구현해냈다. 이에 인체의 피부나 소프트 로봇에 부착해 움직임으로부터 전기 에너지를 생산하거나 감각기관으로 활용할 수 있는 차세대 바이오 전자 소자로 활용될 수 있을 것으로 보인다.우리 학교 김성환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣은 전자문신을 개발, 이를 마찰전기 수확 소자로 동작시키는 데 성공했다고 밝혔다. 실크 단백질은 누에고치에서 나온 생체친화적 소재다. 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 최고 권위지 중 하나인 <어드밴스드 에너지 머트리얼즈 (Advanced Energy Materials, Impact Factor 25.245)> 6월11일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘인간-기계 인터페이스를 위한 실크 단백질과 탄소 나노튜브에 기반을 둔 자가 발전, 무지각 전자문신(Self-powered and imperceptible electronic tattoos based on silk protein nanofiber and carbon nanotubes for human-machine interfaces)’이다. 이번 연구에는 제1저자로 우리 대학 나렌다 고굴라(Narendar Gogurla) BK 연구 조교수가, 교신저자로 김성환 교수가 참여했다. 최근 전 세계적으로 인체의 피부에 부착할 수 있는 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 그 중에서도 흔히 발생하는 마찰·정전기 현상을 에너지원으로 삼는 마찰전기 수확 소자는 인체의 평소 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있다는 점에서 더욱 많은 관심을 받고 있다. 마찰전기 수확 소자는 헬스케어 소자의 동작을 위한 에너지원으로, 더 나아가 인체 움직임의 정보를 전달하는 인공 촉각 기관으로 응용할 수 있다. 그러나 높은 에너지 효율을 위해 소자와 궁합이 잘 맞는 소재를 사용해야 한다는 점(예: 머리카락과 플라스틱이 가장 좋은 정전기를 발생시킴)이 인체 피부에 직접 접촉, 전기 에너지를 생산하는 데 있어 걸림돌이 되어 왔다. 더불어 피부의 굴곡에 상관없이 소자가 피부에 부착 되어야 하고, 구성 성분도 인체에 무해한 것으로 구성해야 한다는 점이 마찰전기 수확 소자 관련 연구의 난관으로 여겨져 왔다. 이에 김성환 교수 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.연구진은 먼저 전기방사 방법을 활용하여 인간 머리카락 50분의 1 두께인 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣고, 다시 실크 나노섬유 종이를 덮어 문신 스티커를 완성하였다. 이를 물을 살짝 묻힌 피부에 올려놓기만 하면 전자문신을 형성하는 것이 가능하다. 이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아 손의 지문과 같이 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상 생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈 등으로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다. 피부에 부착한 전자문신은 흥미롭게도 피부 터치에 가장 좋은 효율을 보여주었다. 이는 정전 효율을 위해 라텍스 장갑 등 다른 이물질을 착용하지 않아도 됨을 의미한다. 이렇게 수확된 전기 에너지는 LED나 스탑워치 등 소형 기기를 구동하기에 충분했다. 터치로 전기 신호를 발생시킬 수 있다는 것은 인공 촉각 기관으로도 활용 가능함을 의미한다. 아주대 연구팀은 피부에 픽셀 문신을 구현, 손가락 터치로 그린 글씨가 전기 신호로 전환되어 전달될 수 있음을 성공적으로 보여주었다. 김성환 교수는 “인체 피부에 전자회로를 집적하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다”며 “실크 단백질과 같은 생체 물질 단백질을 활용하면 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 말했다.김 교수는 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 천연 바이오 소재들이 생명체 및 인공 생명체를 위한 전자 소자 구현에 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다”며 “앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 농촌진흥청 주관 농업정책지원기술개발 사업, 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업, BK21 Four 사업과 경기도 주관 지역협력연구센터사업(GRRC)의 지원으로 수행되었다. [그림 설명] (좌)실크 마찰전기 전자문신 개념도. 생체적합한 전자문신으로 피부 터치로 전기 에너지를 모을 수 있다. (우)인공 촉각기관 실험. 피부 위 픽셀을 구현하여 터치로 그린 글씨 정보가 전기 신호로 전달될 수 있음을 보여준다.
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- 작성일2021-07-23
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