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아주대 조성범 교수 공동 연구팀이 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용해 금속 할로겐화물 신소재를 탐색·설계하는 기술을 개발했다. 이에 태양전지나 디스플레이 소재 등 금속 할로겐화물 기반 어플리케이션 설계에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.아주대·한양대·한국세라믹기술원 공동 연구팀 제일원리 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 기반으로 한 금속 할로겐화물 신소재 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘할로겐화물 페로브스카이트 유도체에 대한 고속 스크리닝 및 Cs3LuCl6의 합리적 설계 (High-Throughput Screening on Halide Perovskite Derivatives and Rational Design of Cs3LuCl6)’라는 논문으로 에너지 분야 권위지 <ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)> 8월호에 게재됐다. 조성범 아주대 교수(첨단신소재공학과)와 한양대 임원빈 교수(신소재공학부), 한국세라믹기술원 고현석 박사가 함께 참여했다.실험적인 합성을 통해 미지의 화학 공간을 탐색하는 것은 고체 물질 분야의 연구에서 필수적이다. 그러나 미지의 화학 공간을 탐색하는 것은 상당히 시간과 노력을 요구하는 작업으로, 특히 소재군이 복잡한 구조적 특징을 가지면 그 어려움이 더 크다. 우수한 광전자 특성을 지니고 있어 태양전지나 디스플레이의 소재로 주목받고 있는 금속 할로겐화물 금속 할로겐화물 역시 그러한 소재군 중 하나다. 이 소재는 페로브스카이트 및 그 유도체로 만들어질 수 있으며, 이러한 소재는 빛과 잘 상호작용할 수 있는 밴드 특성 때문에, 태양전지와 LED(Light emitting diode) 등의 광전자소자 분야에서 주목받고 있다.금속 할로겐화물 페로브스카이트의 경우 일반적으로 심플한 ABX3 조성을 가진다. 이러한 페로브스카이트에 구조적 결함 혹은 왜곡이 발생하면 유도체가 형성되며, 그 유도체들의 조성은 A2BX4, A2BX6, A3BX6, A3B2X9 등으로 다양하다. 조성에 따라 형성될 수 있는 결정 구조가 달라지며, 활용 방안 역시 각기 다양하다.아주대 공동 연구팀은 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용하여 합성될 수 있는 금속 할로겐화물들을 예측함으로써 페로브스카이트 유도체들에 대한 비밀을 밝혀냈다. 또 이를 통해 새로운 소재를 설계하고 실험적으로 검증함으로써 미지의 화학 공간을 탐색하는 기술을 개발했다.연구팀은 정밀한 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 계산 방법론을 통해 금속 할로겐화물 유도체 탐색 가능성에 대해 검증하였으며, 이후 소재 데이터베이스 기반으로 학습된 인공지능 모델을 활용하여 약 2000개의 구조에 대한 물성을 신속하게 예측하였다. 연구팀은 이러한 예측들을 기반으로 기존에 알려지지 않았던 새로운 금속 할로겐화물들을 발견할 수 있었다.또한 공동 연구팀 중 임원빈 교수가 이끄는 한양대학교 연구팀은 이번에 새롭게 발견된 금속 할로겐화물 중, Cs3LuCl6를 실험적으로 합성했다. 임 교수팀은 기존 LED에 쓰이고 있는 납 할로겐화물 페로브스카이트보다 열적 안정성이 우수한 백색 LED를 성공적으로 구현하는 데 성공했다.조성범 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 이전에 알려지지 않았던 금속 할로겐화물 페로브스카이트 유도체들의 화학 공간 정보를 제시, 소재 선정에 있어 새로운 척도를 제공할 수 있게 됐다”며 “앞으로 고신뢰성 LED를 포함한 디스플레이 등 금속 할로겐화물 기반 어플리케이션 설계에 새로운 가능성을 제시할 것으로 전망한다”라고 말했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 삼성미래육성재단의 지원을 통해 수행됐다. 사진 왼쪽부터 조성범 아주대 교수, 임원빈 한양대 교수, 고현석 한국세라믹연구원 박사* 위 그림 설명 : 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용한 금속 할로겐화물 신소재 설계 기술 개발의 과정을 나타낸 그림. 이전에 알려지지 않았던 새로운 화학 공간 정보를 제시함으로써, LED를 비롯한 디스플레이 분야의 어플리케이션 설계에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
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우리 대학 연구진이 초박막 형태의 유기 광반응 센싱 소자와 뇌모방 인공 시냅스 소자를 초박막 기판 위에 결합해 손가락 동작 인식이 가능한 전자피부를 개발하는 데 성공했다.아주대 전자공학과·지능형반도체공학과 박성준 교수 연구팀은 고려대 KU-KIST융합대학원·융합에너지공학과 왕건욱 교수 연구팀과 공동으로 높은 정확도와 내구성, 안정성을 갖는 전자피부를 개발했다고 밝혔다. 1마이크론(머리카락 두께의 1/100) 수준의 초박막 기판 위에 구현된 이 전자피부는 반복적인 기계적 변형에도 안정적으로 피부 표면에 밀착이 가능하다. 이번 연구는 ‘피부 적합 전자소자를 활용한 실시간 손가락 동작 인식(Real-time finger motion recognition using skin-conformable electronics)’이라는 논문으로 유연 전자 소자 분야 저명 저널인 <네이쳐 일렉트로닉스(Nature Electronics)>에 8월 온라인 게재됐다. 우리 학교 석박사 통합과정의 이인호 학생(지능형반도체공학과)과 고려대 KU-KIST 융합대학원 석박통합과정 조해인 학생, 고려대 장진곤 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 사물 인터넷(IoT)과 첨단 센싱 및 인공 지능 기술의 결합으로, 인체의 자연스러운 움직임을 실시간으로 파악하고 인지하며 해석하는 일이 가능해졌다. 이러한 기술은 메타버스를 비롯한 가상 현실과 생체 신호 진단 등의 영역에 적용되고 있다. 인체의 움직임 중에서도 특히 손가락 동작에 대한 해석이 학계의 관심을 받아왔다. 손가락은 신체를 활용한 움직임 중 가장 표현의 자유도가 높고 직관적인 비언어적인 표현을 전달할 수 있어서다. 그러나 기존의 방식은 크고 고정된 센싱 장비가 필요하거나 신호 인식 처리를 위한 알고리즘이 복잡해 일상적인 적용이 어렵다는 한계가 있었다. 공동 연구팀이 개발한 전자피부 형태의 모션인식 플랫폼은 초박막의 저전력 고효율 신호처리에 특화된 인공 시냅스 어레이 소자와 고효율 유기 포토다이오드를 결합한 방식으로 제작됐다. 이에 손가락 움직임을 광신호에서 전기적 신호로 변환하고, 신호 패턴의 학습을 통해 높은 정확도로 이를 인지한다. 박성준 교수는 “이번에 개발한 전자피부는 반복적 기계적 변형이 발생해도 안정적으로 피부 표면에 밀착할 수 있다”며 “새 플랫폼을 통해 최대 95%에 해당하는 인식 정확도를 확인, 실용화 가능성을 확인했다”고 설명했다. 왼쪽부터 이인호(아주대, 공동 제1저자), 박성준 교수(아주대, 공동 교신저자), 조해인(고려대, 제1저자), 장진곤 연구교수(고려대, 공동 제1저자), 왕건욱 교수(고려대, 공동 교신저자)* 위 사진 설명 : (a)유기 광반응 소자–인공 시냅스 소자를 활용한 손가락 동작 인식 플랫폼의 빛이 있는 3차원 공간에서의 인식 과정 모식도 (b)손가락 피부 표면에 부착된 초박형 인공 시냅스 어레이 소자 장치 실제 사진 (c) 모형 손가락 위에 부착된 초박형 인공 시냅스 어레이 소자 LTP/LTD 특성
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우리 학교 연구진이 차세대 소재 중 하나로 주목받아온 페로브스카이트 산화물 이종구조에서 전도성을 제어할 수 있는 새로운 방안을 발견했다. 이에 웨어러블 기기나 신개념 디스플레이 등의 차세대 반도체로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이형우 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)팀은 페로브스카이트 산화물 이종구조에서 빛과 물을 활용해 전도성을 가역적으로 제어할 수 있는 새로운 방안을 제시했다고 밝혔다. 이 내용은 ‘LaAlO3/SrTiO3 이종구조 내 2차원 전자가스의 가역적 광 변환(Reversible Photo-modulation of Two-dimensional Electron gas in LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures)’이라는 논문으로 국제 학술지 <나노 레터스(Nano Letters)> 7월호에 온라인 게재됐다. 아주대 이형우 교수가 교신저자로 연구를 주도했고, 성균관대 엄기태 연구교수와 세종대 김성규 교수가 연구에 함께 참여했다.그동안 차세대 소재로 주목받아 온 페로브스카이트 산화물 이종구조(LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO))는 여러 흥미로운 물리적 특성을 가지고 있어, 이를 응용소자로 활용하기 위한 연구가 활발히 수행되어 왔다. 그러나 안정적인 전도성 제어가 어렵다는 점이 한계로 여겨져 왔다. 그런데 최근 페로브스카이트 이종구조의 경계면에 형성되는 2차원의 전자가스(2DEG)를 일반적인 전기장이 아닌 빛을 이용해 제어할 수 있음이 밝혀졌다. 빛에 의해 증가된 전도도가 빛이 꺼진 후에도 오랜 시간 유지된다는 점에서, 지속적 광전도성(persistent photoconductivity, PPC) 의 특성이 매우 강하다는 사실도 보고됐다. 이러한 특성은 빛으로 프로그래밍이 가능한 광반응성 메모리(일반적인 전기 신호가 아닌 빛을 이용해 정보의 저장을 실행할 수 있는 메모리) 소자에 활용이 가능하나, 한번 증가된 전도성을 빠르게 되돌릴 수 있는 방법이 없어 실제 응용소자 개발의 난관으로 여겨져 왔다. 아주대 연구팀은 단결정 페로브스카이트 산화물 이종구조 내 전자가스의 전도도를 UV 빛(자외선)을 이용해 점진적으로 증가시키고, 더 나아가 표면처리를 통해 변화된 전도도를 원상복귀 시킬 수 있음을 입증해 내는 데 성공했다. UV 노출 시간에 따라 전자가스의 지속적 광전도성 레벨이 단계적으로 증가하고, 이종구조 중 란타늄 알루미네이트(LaAlO3) 표면이 물에 노출될 경우 전도도는 처음의 값으로 복원됐다. 이에 페로브스카이트 산화물 이종구조의 전도성을 가역적으로 제어할 수 있는 방안을 찾은 것. 연구팀은 실험을 통해 란타늄 알루미네이트(LaAlO3) 표면이 물에 노출될 경우, 표면에 붙어있던 수소 이온이 제거되고, 이는 경계면의 산소 공공(Oxygen vacancy) 결함의 이온상태에 변화를 유도한다는 점을 확인했다. 이러한 과정을 통해 지속적 광전도성 현상이 제거됨을 이론적·실험적으로 입증해 낸 것이다. 이형우 교수는 “이번 연구에서 제안한 페로브스카이트 산화물 이종구조의 가역적 제어 기술은 완전히 새로운 패러다임을 요구하는 차세대 반도체의 개발에 활용될 수 있을 것”이라며 “해당 물질이 투명하고 얇다는 특성을 가지고 있어, 이러한 특성을 기반으로 한 웨어러블 기기나 스마트 윈도우 등 차세대 디스플레이에의 적용이 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구와 기초연구실지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.실제 UV 빛 아래에서 전도도를 측정 중인 모습UV 빛과 표면 처리를 통한 2차원 전자가스(2DEG)의 가역적 광 변조 연구. (왼쪽) 빛과 물을 이용해 전도도의 가역적 제어가 가능한 LAO/STO 이종구조의 모식도. 이러한 2DEG의 거동은 비휘발성 광메모리 또는 멤리스터 등의 응용소자 개발에 활용될 수 있다. (오른쪽) 2DEG 전도도가 UV 빛 노출 시간에 따라 점진적으로 증가하고 표면 물 처리에 의해 초기화 됨을 보여주는 실험 결과. 이 결과는 UV 빛과 물을 이용해 2DEG의 전도성을 가역적으로 제어할 수 있음을 직접적으로 보여준다.* 제일 위 사진 : 이번 연구에 참여한 이형우 교수 공둥 연구팀. 왼쪽부터 엄기태 성균관대 연구교수, 양경모 아주대 학생(석사과정), 이형우 아주대 교수(연구 책임), 김영민 아주대 학생(석사과정), 김도엽 아주대 학생(석사과정), 전재영 아주대 학생(석사), 이민경 아주대 학생(박사)
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아주대와 미국 일리노이주립대 공동 연구팀이 카멜레온의 피부와 같이 다채롭게 변화하는 유연한 디스플레이 기술을 개발하는데 성공했다. 자유자재로 색상을 바꿀 수 있는 데다 유연하며 에너지 효율도 높아 다양한 방식의 대형 디스플레이에 활용될 수 있을 전망이다.하종현 아주대 기계공학과 교수(사진)는 미국 일리노이주립대학교와 공동으로 새로운 디스플레이 패널 기술을 개발했다고 밝혔다. 하종현 교수와 미국 일리노이주립대 샘 터픽 (Sameh Tawfick) 교수 연구팀이 참여했다. 이번 연구는 “모세관 현상을 이용한 다중형태 질감 변형 디스플레이 시스템(Polymorphic display and texture integrated systems controlled by capillarity)”이라는 논문으로 사이언스(Science) 자매지인 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)> 6월호에 게재됐다.현재 널리 사용되고 있는 LED(발광 다이오드, Light Emitting Diode)와 OLED(유기 발광 다이오드, Organic Light Emitting Diodes) 디스플레이는 선명한 색상 표현과 빠른 응답 속도를 통해 고품질의 시청 경험을 제공하지만, 대체로 유연성이 부족하다는 한계를 가지고 있다. 또 대부분의 기존 디스플레이는 강하고 고정된 형태를 가지고 있어, 기기가 유연하게 변형되거나 움직이도록 만드는 것이 어렵다. 때문에 웨어러블 기기나 소프트 로봇과 같이 유연한 디스플레이가 필요한 기술 분야에서 큰 장애로 작용해왔다. 공동 연구팀은 이에 착안해 유연한 고분자(Polymer)로 만들어진 얇고 유연한 판 형태의 구조(지느러미 구조)와 미세 유체를 이용해 물리적 형태를 바꿀 수 있는 새로운 디스플레이를 연구했다. 연구를 통해 지느러미와 같은 핀 구조와 액체 방울 사이에서 생기는 유체-고체 간 상호작용의 역학을 파악해 신개념의 유연한 디스플레이 시스템을 개발하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 새 시스템을 활용하면 핀 구조의 색상과 물성치에 따라 디스플레이가 출력하는 이미지의 색상과 패턴을 바꿀 수 있으며, 기존의 시스템에 비해 현저히 적은 에너지로 사용이 가능하다. 연구팀은 이번에 개발한 디스플레이 시스템이 전력 소모가 현저하게 낮은 LED 보다는 1000배, 별도의 구동 없이도 디스플레이 활용이 가능한 전자 종이 보다는 10배 더 에너지 효율이 높음을 확인했다. 연구팀의 새로운 디스플레이 시스템을 응용하면 옥외 전광판이나 야외 경기장에 사용되는 대형 디스플레이에 적용할 수 있다. 통상 대형 디스플레이는 화면 크기 및 밝기 유지하기 위해 많은 양의 전력을 필요로 한다. 그러나 이번 연구에서 제안한 미세유체 기반의 반사형 디스플레이 패널은 빛을 발생시키는 소자를 사용하지 않기에 전력 소모를 크게 줄일 수 있어, 기존 대비 매우 효율적인 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.이번에 개발된 새로운 시스템은 또한 사람이 볼 수 있는 신호와, 적외선 카메라로만 볼 수 있는 신호를 동시에 보낼 수 있다는 특성을 가진다. 이는 액체의 온도를 조절함으로써 가능하고, 이러한 접근을 통해 광학 신호에 숨겨진 정보를 전달할 수 있게 되어 인코딩 디스플레이 패널에의 활용이 가능하다. 예를 들어, 적외선 카메라로만 볼 수 있는 신호를 사용해 국방 빛 보안 분야에 적용할 수 있고, 광고나 엔터테인먼트 산업에도 응용이 가능하다. 특별한 적외선 카메라를 이용하는 고객들에게만 제공되는 할인 코드나 특별한 메시지를 광고에 녹여낼 수 있는 것.하종현 교수는 “이번에 개발한 기술을 활용하면 같은 화면에서 여러 종류의 정보를 전달하는 것이 가능하다”며 “또한 높은 기계적 유연성을 가지고 있어 곡선형·부드러운 표면의 디스플레이에 적용될 수 있다”고 설명했다.그는 이어 “새롭고 다양한 분야의 디스플레이, 더욱 높은 에너지 효율을 가진 디스플레이의 구현에 기여할 수 있을 것”이라며 “이를 통해 기존 미디어 기술과 다른 패러다임이 적용된 새로운 문화 콘텐츠를 체험할 수 있을 전망”이라고 덧붙였다.아주대 연구팀은 이번 연구의 후속으로 디스플레이 및 픽셀의 소형화와 멀티 픽셀의 액체 공급을 위한 통합 시스템을 활발히 연구하고 있다. 이러한 연구를 통해 더 다양하고 효율적인 디스플레이 기술의 가능성을 열어나가겠다는 포부다. 공동 연구팀이 개발한 소프트 디스플레이를 이루는 단일 픽셀의 메커니즘. 액체를 천천히 배수하면 핀 구조가 왼쪽 방향으로 변형되고, 빠르게 배수하면 오른쪽 방향으로 변형됨
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