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- 작성일2023-06-12
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서형탁 아주대 교수팀이 산화물 반도체 기반의 초고속·고감도 광대역 광학 검출 소자를 개발했다. 이에 고성능의 광센서가 필요한 자율주행차, 우주 및 군사 시설, 의료 분야 및 신재생 에너지 분야에 널리 활용될 수 있을 전망이다.서형탁 아주대 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽)는 반도체 결정 구조의 이완으로 발생하는 변전효과와 초광전자 효과 초광전자(Pyrophotronic)에 의해 우수한 성능을 가지는 이산화티타늄 기반 적외선 광센서를 개발했다고 밝혔다. 관련 연구 내용은 '초고속 야간 투시 모니터링을 위한 중심 대칭 이종접합에서의 밀리미터 범위의 변전-초광전자 효과(Millimetre-range Induced Flexo-Pyrophotronic Effect in Centrosymmetric Heterojunction for Ultrafast Night-Photomonitoring)'라는 제목으로 지난 2월 재료·소재 분야 최상위권 저널인 <어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924)> 온라인판에 실렸다. 이 논문은 해당 저널 이슈의 권두 표지 논문(Frontispiece Cover)으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자, 사진 왼쪽)가 함께했다.빛을 전기 신호로 전환하는 광전효과를 기반으로 하는 광센서는 신재생 에너지와 정보통신, 사물 인터넷, 광통신 등의 분야에서 필수적으로 사용되는 부품이다. 그중에서도 적외선 광 검출은 ▲자율주행 차량의 전방 센서 ▲의료 분야의 열화상 측정 ▲야간 투시를 비롯한 우주·군사 시설 ▲물체 이동 감지 센서 ▲태양전지 등에 활용된다. 이처럼 광전효과 기반 광센서는 최근 부상하는 신산업 분야와 밀접하게 연관되어 있어, 미래 핵심 기술로 주목받고 있다. 최근 운용을 시작한 미 항공우주국(NASA)의 최첨단 우주 관측 장비 제임스 망원경(JWST)도 초고감도 적외선 카메라를 이용하여 우주 공간의 근적외선과 중적외선을 관측하고 있다. 이에 전 세계적으로 대학, 연구기관, 기업 등에서 활발히 연구하고 있는 분야다. 특히 미국 조지아공과대학, 듀크대학 등에서 선도적 연구를 내놓으며 해당 분야에서 두각을 나타내고 있다. 적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 여러 가지가 있으나, 적외선 직접 흡수에 의해 발생한 광전효과를 이용하는 방식이 가장 높은 감도를 보인다. 그러나 이런 광전효과 방식의 적외선 센서를 제조하기 위해서는 광 흡수 반도체의 밴드갭이 적외선 광에너지 보다 낮아야 한다. 이에 지금까지 주로 게르마늄이나 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 이러한 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고, 적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다, 성능이 떨어지는 한계를 보인다. 아주대 연구팀은 기존에 적외선 감지 소재로 활용하지 못했던 산화물 소재를 주목했다. 이산화티타늄(TiO2)과 전극으로 구성된 쇼트키 다이오드를 구성하고 금 프로브팁을 이용해 순차적으로 수 마이크로 뉴턴 크기의 미세압력을 가해, 국소적인 변전효과를 유도한 것. 산화물 소재에 국소적인 변전효과를 적용하게 되면 중심대칭 소재에서 국소 분극현상이 나타나는데, 이 현상이 산화물과 금속이 접합된 이종접합층의 계면 접합 전위차를 변경시키게 된다. 연구팀은 기존 연구에서 수 나노미터(nm) 스케일의 국소효과로 알려져 있었던 변전효과가 중심대칭을 지니는 산화물과 금속의 이종접합에 대해서는 훨씬 많은 수 밀리미터까지 영향을 미칠 수 있음을 밝혀냄으로써 광센서 소자에 적용할 수 있게 됐다. 이를 통해 자외선, 가시광선뿐 아니라 적외선 파장의 빛에 대해서도 기존의 상용 센서를 능가하는 높은 민감도와 속도, 검출률을 보이는 광센서 구조를 개발하는 데 성공했다. 개발된 센서는 적외선(365nm)부터 중적외선(1720nm)까지 광대역의 광검출이 가능하다. 더불어 자가전력으로 동작하여 별도의 전원이 필요 없고, 초당 천만 비트 이상 수준의 초고속 감지가 가능하다. 아주대 연구팀은 새로운 소자를 이용, 야간에서 720km/hr의 속도로 이동하는 물체를 근적외선 감지 방식으로 식별할 수 있음을 개념 실험을 통해 증명했다.서형탁 교수는 "그동안 구현이 불가능했던 적외선 검출을 새로운 방식을 통해 고속·고감도·고효율로 가능하게 했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다"며 "이 방식을 응용하면 기존에 나와 있는 저가형 범용 소재를 이용해 우수한 성능의 광센서를 구현할 수 있어 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물 인터넷, 광통신 등에서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 전했다. 아주대 연구팀은 이번 연구 성과를 기반으로 후속 연구를 진행, 실제 상용화가 가능하도록 높은 기술적 파급효과를 가진 소자화 기술을 추가로 개발하겠다는 목표다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 PIM인공지능반도체핵심기술개발사업과 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. <어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 2월16일자에 권두표지논문으로 게재된 아주대 연구팀의 연구 관련 이미지
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아주대 연구진이 자가 치유·복구가 가능하며 높은 화학적 안정성과 변형성을 가진 생체 피부 유사 복합 소재 센서를 개발하는 데 성공했다. 이 소재는 웨어러블 전자기기와 소프트 로봇, 모니터링 센서, 인공 피부 등에 널리 활용할 수 있어 높은 기술적 파급력을 가지고 있다. 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 복합 폴리머 소재를 이용하여 상온에서 빠르게 자가 치유가 가능하며 변형성·내구성·투명도가 높은 인공피부 신소재 센서를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 "웨어러블 전자기기에 적합한 피부 모사 자가 치유 및 스트레처블 기판(A Skin-like Self-healing and stretchable substrate for wearable electronics)"이라는 논문으로 화공·소재 분야의 저명 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=16.744)> 1월호에 게재됐다. 아주대 대학원 박사과정의 야스민 루바야(Rubaya Yeasmin) 학생과 한승익 학생이 공동 제1저자로 이름을 올렸다. 아주대 르따이 유이(Le Thai Duy) 연구교수(첨단신소재공학과)·안병민 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)도 함께 참여했다. 인간의 피부는 손상을 빠르게 감지, 손상이 악화되는 것을 막고 가능한 빨리 손상을 복구하는 자가 치유 능력을 가지고 있다. 이에 학계에서는 인간 피부를 비롯한 생물학적 시스템의 자연 치유 메커니즘에서 영감을 얻어, 자가 치유 및 복구가 가능한 재료에 대해 활발히 연구를 진행하고 있다. 특히 미국 하버드대학과 메사추세츠공과대학(MIT)에서 관련 연구를 활발히 수행하고 있다. 이러한 새로운 유형의 재료 플랫폼은 상온에서의 신속한 자가 치유 능력뿐 아니라 신축성을 갖춰야 하기에, 이를 통합 구현할 소재가 필요하다. 생체친화적인데다 화학적 안정성과 투명성까지를 필요로 하고, 이러한 고난도 특성을 지닌 소재는 큰 파급력을 가진다. 아주대 연구팀은 기존에 알려진 두 가지 폴리머 폴리머를 활용해 새로운 중합 기술을 적용, 복합 신소재를 개발하는 데 성공했다. 연구팀이 활용한 폴리머는 폴리보론실로제인(PBS)과 에코플렉스(Ecoflex)라는 물질이다. 폴리보론실로제인(PBS)은 소재에 안정성을 부여하고, 에코플렉스(Ecoflex)는 소재가 잘 늘어날 수 있도록 고인장의 유연성을 부여하기 위해 활용했다. 이 두 가지는 물질은 모두 생체친화적이며 인체 유해 성분이 전무하다. 연구진은 이 두 가지 소재를 효과적으로 활용하기 위해 화학적 교차 결합 기술을 구상하여 기판으로 활용할 수 있는 최적의 중합 소재를 합성하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 이 복합 소재를 활용하면, 졸-겔 공정으로 간단한 용액 합성과 2단계 저온 열처리를 통해 재연성 높은 합성을 할 수 있고 기판의 크기 조절 또한 쉬워 대량 생산이 가능하다.아주대 연구팀이 개발한 이번 소재의 가장 중요한 특징은 손상 치유 능력과 높은 신축성을 갖춰 인체 피부와 유사한 특성을 구현해냈다는 점이다. 연구팀은 이 소재가 재료 손상 후에 자동으로 치유되어 손상 30초 이내에 상온에서 기계적 특성의 100%를 회복할 수 있음을 확인했다. 이 소재는 신축성이 높아 잘 찢어지지 않기 때문에 원래 길이의 500%까지 늘릴 수 있다.또한 변형이 잘 되는 소재의 약점으로 여겨지던 산성·염기성 용액에 대한 화학적 내구성이 뛰어날 뿐 아니라, 100℃ 이상의 온도에서도 안정한 열적 내구성까지 갖추고 있다. 가시광에 90% 이상의 투과를 보이는 특성 또한 가지고 있어, 투명하고 유연한 디스플레이에도 적용할 수 있다. 연구팀은 새로 개발한 소재를 인체 부착형 웨어러블 스트레인 센서, 습도 감지 센서, 가스 감지 센서에 적용했다. 개발된 소재는 뛰어난 절연성을 가지고 있어, 전극과 유전체를 삽입하여 터치 센서를 구현할 수 있다. 또한 부착성이 높아 접착이 쉽기 때문에 손에 부착하여 터치 동작 감지가 가능하다. 변형·파손되어도 스스로 복원할 수 있기에 활용의 폭도 매우 넓다. 이러한 특성을 바탕으로 의료 분야에서의 원격 재활치료 진단, 산업 현장에서의 작업자 부착용 유해 가스 감지 장치 등에 적용이 가능해 원격 사물인터넷 센서 모니터링에 활용될 것으로 기대된다.서형탁 교수는 "이번에 개발한 소재는 생체 피부와 유사한 소재가 필요로 하는 자가치유성과 고변형성, 광투명성, 수분투습성, 화학적·열적 내구성 등 거의 모든 필요 조건을 갖추고 있다"며 "인체에 부착하는 재활치료·모니터링용 웨어러블 센서뿐 아니라 신축성이 필요한 사물인터넷 센서와 소프트 로봇, 가스와 습도 등을 감지하는 산업 장치 등에 적용이 가능할 것"이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 해외우수신진인력지원사업, 기초연구지원사업, BK21 Four사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구에 참여한 아주대 연구진. 왼쪽부터 공동 제1저자 야스민 루바야(Rubaya Yeasmin) 박사과정생과 한승익 박사과정생# 위 사진 설명 : 아주대 연구팀이 개발한 생체 피부 유사 복합 소재. 생체친화적인데다 원하는 모양으로 변형이 가능하고, 잘 늘어나는 데다 자가 치유 능력과 높은 투명성을 가지고 있다. 이에 인체 부착형 센서와, 습도 및 가스 감지용 센서 등에 활용될 수 있을 전망이다.
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- 작성일2023-05-25
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아주대 박은덕 교수 연구팀이 태양광을 이용한 물 분해를 통해 수소를 제조하는 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 실시간 분석이 가능해지면 대표적 녹색 에너지인 수소의 생산 효율을 높여, 이를 더욱 널리 활용할 수 있게 될 전망이다. 박은덕 아주대 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 오른쪽)는 태양광 물 분해를 통해 수소를 제조하는 광전극을 실시간으로 분석할 수 있는 라만 분광기법을 개발했다고 밝혔다. 이 내용은 '반응조건 중 라만 분광법을 이용한 황화몰리브데넘·황화구리인듐 광전극에서의 촉매 활성점 변환 관찰(Monitoring Transformations of Catalytic Active States in Photocathodes Based on MoSx Layers on CuInS2 Using In Operando Raman Spectroscopy)'이라는 논문으로 독일 화학회 발행 국제 학술지 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie)> 2월호에 게재됐다. 박은덕 아주대 교수가 교신저자로, 채상윤 아주대 박사후 연구원(위 사진 왼쪽)과 윤노영 석사과정생(현 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터)이 제1저자로 참여했다. 인간의 활동에 의해 배출되는 온실가스를 최대한 줄여 대기 중 이산화탄소의 농도를 더 이상 높아지지 않게 하는 '탄소중립'은 대체 에너지원의 개발과 수소의 활용을 통해 가능하다. 그 중 수소는 무한한 에너지원인 태양광을 이용, 물을 분해해 제조할 수 있어 전 지구적 관심을 받고 있다. 현재 수소 에너지의 생산에는 태양전지를 이용하여 전기를 만들고 이를 통해 전기화학적으로 물을 분해하는 수전해기술이 적용되고 있다. 산업계와 학계에서 수소 제조를 위한 그린 수소 기술의 상용화에 매진하고 있으나, 아직 원천기술이 부족해 국산화에 어려움이 많다. 더불어 태양광으로부터 바로 물을 분해할 수 있는 광전기화학 반응이 가까운 미래에 실현 가능한 차세대 기술로 대두되고 있어, 관련 원천기술의 확보가 매우 중요한 상황이다. 광전기화학 반응을 이용하면 광촉매 전극에 빛을 주어 물을 수소와 산소를 만들 수 있다. 빛에너지에 의해 생성된 광전자와 광정공이 각각 전해질의 물을 수소와 산소로 분리할 수 있는 것. 그러나 아직은 태양광-수소 전환 효율이 낮아 상업화에 어려움이 있다. 광전기화학전지의 수소 생산 효율을 높이기 위해서는 실제 반응이 진행되는 조건에서 촉매 전극과 전해질 사이의 광전기화학 반응기작을 연구해야 하며, 이를 위한 실시간 분석법이 필요하다.아주대 연구팀은 이상적인 광전기화학적 수소 생산 물질로 고려되는 p-형 반도체인 황화구리인듐(CuInS2)에 n-형 반도체인 황화몰리브데넘(MoSx)을 도입했다. 황화구리인듐 전극 표면에 존재하는 결정결함 등에 따라 전자-정공 쌍이 재결합해 수소 생산 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있기 때문. 이에 전자-정공의 분리를 유도하기 위해 황화몰리브데넘을 도입한 것이다. 그 결과 초기에 제작된 황화몰리브데넘은 수소생산 효율이 매우 낮았지만, 광전기화학 반응이 진행됨에 따라 수소 생성 효율이 26배 이상 대폭 증가함을 알 수 있었다. 이 원인을 밝히기 위해 연구팀은 표면 분석을 반응이 진행되는 도중 실시간 분석이 가능한 라만 분광 장치 라만 분광 장치를 새롭게 구성했다.이를 통해 초기에는 황화몰리브데넘 일부가 이산화몰리브데넘(MoO2)으로 변환되었으나, 반응이 진행될수록 산화몰리브데넘이 용해되어 전극 표면에서 용출되고 무정형의 황화몰리브데넘(MoSx) 형태로 바뀐다는 점을 확인했다. 이로 인해 황화구리인듐(CuInS2)과 황화몰리브데넘(MoSx) 간의 전하 전달이 원활해지고 결과적으로 수소생산 효율이 크게 향상되는 것을 알 수 있었다.박은덕 교수는 "현재 물 분해를 통한 수소 제조를 위해 여러 연구가 진행되고 있으나 수소(기체), 물(액체), 광전극(고체)과 태양광이 공존하는 매우 복잡한 시스템"이라며 "때문에 실제 반응조건에서의 광전극 분석이 쉽지 않았지만, 이번 연구를 통해 실시간으로 실제 광전극 반응의 분석이 가능해졌다"고 말했다. 이어 "이러한 실시간 광전극 분석기술은 수소 제조뿐 아니라 태양광을 이용한 인공 광합성 등의 분야에도 활용될 수 있다"며 "태양광을 직접 이용한 물 분해 수소 제조와 이산화탄소의 화학 전환은 친환경 에너지 활용을 위한 차세대 원천기술"이라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단의 C1 가스 리파이너리 사업 및 기초연구지원사업과 KIST의 지원으로 수행됐다. 왼쪽 그림이 실시간 라만 분광 분석장치 모식도. 오른쪽 그림은 반응중 시간별 라만 스펙트럼 결과
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