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- 에너지과학과 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명
- 에너지과학과 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 - 리튬 이온 배터리의 용량 열화 현상에 대한 메커니즘 규명 - 안정적인 차세대 고용량 양극재 개발 방향성 제시 - 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 표지 논문으로 선정 ▲ (왼쪽부터) 에너지과학과 윤원섭 교수, 김민지 박사과정생, 이원태 연구교수 에너지과학과 윤원섭 교수(성균에너지과학기술원 차세대배터리 연구소장) 연구팀이 고온 환경에서 리튬 이온 배터리 셀 구동 시 발생하는 용량 감소의 원인을 충/방전에 따라 양극소재 내에서 구분할 수 있음을 최초로 규명하였다. 전기차 시장 커져가는 가운데 고에너지 밀도의 고함량 니켈 층상구조 산화물 양극소재의 완전 셀(Full-cell)* 내 우수한 용량 유지 성능에 대한 필요성이 요구되고 있다. 특히, 고온 조건에서의 배터리 내 다양한 열화 현상들이 더욱 가속화 하면서 상온과 비교했을 때 고온에서는 더욱 급격한 용량 감소를 보인다. 따라서 외부 구동 온도에 따른 배터리 용량 저하 메커니즘에 대한 이해와 향후 고온 조건에서 안정적인 용량 발현을 위한 양극재 개발이 중요하게 대두되고 있다. * 완전 셀(Full-cell): 양극과 음극이 동시에 전기화학 반응에 참여하는 완전한 전지의 형태로서 실제 전지의 특성 규명에 유리함 이에 윤원섭 교수 연구팀은 고니켈 함량의 층상구조 양극소재와 흑연재를 활용한 완전 셀 시스템을 구성하고 고온 45℃에서 1,000 사이클의 장기 열화를 진행했다. 이후 재생(refresh) 과정에서 양극재의 용량과 구조가 일부 회복되는 현상을 관찰함으로써 완전 셀 내 전체 용량 감소에는 음극재에서 소모되는 리튬양에 따른 pesudo-deterioration(유사-열화)가 일부 혼합되어 있음을 확인하였다. * 재생: 열화로 인해 소모된 셀 내부 가용 리튬 소스를 리튬 메탈과 새로운 전해질로 재조립하여 회복시켜 주는 과정 ▲ 파우치 full-cell 내 양극소재의 재생 과정에 대한 모식도와 NCA 양극소재의 고온 1000사이클 열화 및 재생 후 충방전 상태의 격자구조 변화 정도 비교 방사광가속기 X-선 회절 분석을 중심으로 하여 재생 전후와 초기 방전 깊이별 양극재의 격자상수를 가용 리튬(Li)의 정도에 따라 비교한 결과, 방전 후에도 일부 남아있는 양극소재 내의 리튬(Li) 손실 정도를 방전 열화(Discharge fading)로 규명했다. 이러한 손실은 방전 끝단에서 일부 회복되었지만, 충전 끝단에서의 충전 열화(Charge fading)는 상대적으로 회복 정도가 낮다는 것을 발견했다. 특히, 이 연구에서는 외부 고온 환경에서의 장기 사이클 동안 두 가지 혼합 형태의 혼합 열화(Mixed fading)로 용량 감소가 심화하며 이는 복합적인 양극재 열화의 원인에 따른 것으로 밝혔다. ▲ 완전 셀(Full-cell) 시스템 내 NCA 양극 소재의 충전 및 방전 열화의 개요도 연구팀은 본 연구가 리튬이온배터리의 고온에서의 용량 열화 메커니즘의 이해에 대한 새로운 연구방향을 제시하고 있다고 언급했다. 더 나아가 그동안 명확히 규명되지 못한 배터리 열화 메커니즘에 대한 학술적 이해를 증진시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 아울러 미래에 더 신뢰성 높은 에너지 저장장치를 개발하는 데 도움이 될 것으로 예상한다고 덧붙였다. 특히 소형 전지에서부터 전기 자동차와 같은 고에너지 저장장치까지 다양한 디바이스의 활용을 위해 고온에서의 배터리 성능 저하 메커니즘을 심층적으로 이해하는 데 도움이 될 것으로 강조했다. 윤 교수는 “양극재의 니켈 함량을 증진하는 흐름에서 각 양극 소재가 사용되는 디바이스들의 특성을 고려한 소재 개발의 전략적 방향성을 제시하였다”며 “학술적 관점뿐 아니라 산업적인 면에서도 중요한 역할을 할 것으로 예상된다”고 말했다. 덧붙여 “신뢰성 있는 배터리 기술 발전은 산업 분야 및 경제적 측면에서 큰 파급효과를 가져올 것”이라고 설명했다. 에너지과학과 윤원섭 교수와 김민지 연구원, 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 소재과학 분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 지난 11월 5일 표지 논문(front cover)으로 선정되었다. ○ 관련 언론보도 - 성균관대 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 <팝콘뉴스, 2023.11.21.> - 성균관대 윤원섭 교수, 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 <핀포인트뉴스, 2023.11.21.> - 성균관대 윤원섭 교수 고온 환경에서 리튬 이온 배터리의 수명 저하 원인 규명 <베리타스알파, 2023.11.21.>
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- 작성일 2023-11-21
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- 이영희 IBS 나노구조물리 연구단장, '사이언스'지 논평 게재
- "전자 넘어선 '스핀 시대' 10년 내 도래할 것"
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- 작성일 2023-11-15
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- 성균에너지과학기술원 김기재 교수, 제3회 배터리 산업의 날 대통령 표창 수상
- 성균에너지과학기술원 김기재 교수, 제3회 배터리 산업의 날 대통령 표창 수상 성균에너지과학기술원 김기재 교수가 지난 11월 1일(수) 서울 송파구 롯데호텔월드에서 열린 ‘제3회 배터리 산업의 날' 기념식에서 대통령 표창을 수상하였다. ‘배터리 산업의 날'은 산업통상자원부 주관으로 올 한 해 동안의 국내 배터리 산업의 성과를 기념하는 행사로, 우리 대학 김기재 교수는 한국(K) 배터리 산업 발전 및 이차전지 기술 개발에 기여한 공로를 인정받아 금번 수상의 영예를 안게 되었다. 김 교수는 하이브리드 자동차에 적용할 수 있는 대형 이차전지 양산 라인 구축, 초고속 충방전이 가능한 분리막 코팅 소재 개발 등을 통해 K-배터리 첨단화에 기여하고 있다. 김기재 교수는 "수상에 감사드리며 이 표창은 산업발전을 위한 그간의 노고에 대한 결과이며, 본교 연구성과의 우수성을 알리는 계기"라고 소감을 밝혔다. ○ 관련 언론보도 - 김기재 세스맷 대표, K배터리 기여 '대통령 표창' <한국경제, 2023.11.02.> - "견고한 배터리 생태계 조성"…SK온 지동섭 대표 '은탑산업훈장' <연합뉴스, 2023.11.01.> - 권영수 배터리협회장 "K-배터리 한 번 더 도약할 시기 올 것" <뉴스1, 2023.11.01.>
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- 작성일 2023-11-08
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- ‘조직 재생 필러’로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다
- ‘조직 재생 필러’로 빠른 로봇 재활 가능성 열었다 - IBS 뇌과학 이미징 연구단, 손상된 근육‧신경 재생 돕는 주사형 조직 보형물 개발 - 심각한 근육‧신경 손상으로 걷지 못하던 쥐, 3일 만에 보행 … Nature 誌 게재 ▲ 왼쪽부터 신미경 교수, 손동희 교수, 진수빈 연구원, 최희원 연구원 근육이나 신경 손상 초기에 빠른 재생을 돕는 새로운 조직 보형물 소재가 개발됐다. IBS 뇌과학이미징연구단의 신미경 교수(글로벌바이오메디컬공학과)와 손동희 교수(전자전기공학부) 연구팀은 손상된 조직의 기능을 대체하는 주사 주입형 바이오 신소재를 개발했다. 더 나아가 이 소재를 기반으로 근육과 신경이 심하게 손상되어 걷지 못하던 동물모델에 적용해 빠른 조직 재생 및 재활 효과를 확인했다. 심각한 근육 손상 초기에 적절한 치료를 받지 못하면 만성적으로 근육이 기능적으로 결손되고, 이로 인한 장애가 유발될 수 있다. 근력 감소로 인한 환자 삶의 질 저하를 막으려면 근육의 정상적 회복을 촉진하는 동시에 움직임의 즉각적 회복을 돕는 재활 치료가 필요하다. 손상된 신경‧근육 회복에 있어 보행 보조 로봇 등 웨어러블 장치와 체내 이식형 소자가 통합된 ‘폐회로 보행 재활 기술’이 각광 받는다. 하지만 체외 장치와 체내 조직을 연결하기 위한 소자들의 크기가 커서 복잡하고 작은 손상된 조직 영역에 이식하기 어려웠다. 또한, 딱딱한 소자가 부드러운 조직에 지속적인 마찰을 일으켜 염증이 유발된다는 것도 문제였다. 즉, 기존 기술로는 단시간에 환자의 보행 재활을 기대하기는 어려웠다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 생체조직처럼 부드러우면서도 조직에 잘 접착되고, 전기 저항이 작아 근육과 신경의 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 새로운 소재 개발에 착수했다. 우선 연구진은 피부 미용용 필러로 쓰이는 히알루로산 소재를 기반으로 조직처럼 부드러운 하이드로젤 소재를 만들었다. 여기에 금 나노입자를 투입해 전기 저항을 낮췄다. 또한, 기계적 안정성을 높이기 위해 분자들이 자유롭게 재배열하게 제조하여 필러처럼 주사로 국소적 손상 부위에 주입할 수 있도록 했다. 연구진은 손상된 근육과 신경에 제작한 보형물을 주사로 주입했을 때, 좁고 거친 손상 조직 표면에 보형물이 밀착 접촉됨을 확인했다. 나아가 보형물은 조직 손상 부위를 채워 건강한 조직에서 발생하는 전기생리학적 신호를 성공적으로 전달했다. 보형물 자체를 전극으로 사용하여 조직에 전기 자극을 가하거나, 조직으로부터 발생하는 신호를 계측할 수 있음을 확인한 것이다. 이어 연구진은 동물실험을 통해 빠른 근육 재생 및 재활 효과도 확인했다. 경골전방근육이 심하게 손상된 설치류 모델의 조직 손상 부위에 제작한 보형물을 주사하고, 말초신경에 전기 자극을 가할 수 있도록 인터페이싱 소자를 이식했다. 우선, 전도성 하이드로젤을 조직 손상 부위에 채우는 것만으로도 조직 재생이 개선됐다. 신경 전기 자극을 주었을 때 발생하는 근전도 신호를 계측하여 보행 보조 로봇을 작동, 소동물의 보행을 성공적으로 보조할 수 있었다. 더 나아가, 신경 자극을 따로 주지 않아도 전도성 하이드로젤의 조직 간 신호 전달 효과를 이용하면 로봇 보조를 통한 소동물의 보행 재활 훈련이 가능하다는 점도 확인했다. 조직이 손상되어 잘 걷지 못하던 실험 쥐는 단 3일 만에 로봇 보조를 통한 정상적 보행이 가능하게 되었다. 신미경 교수는 “신경근 회복을 위해 재활 훈련이 요구되는 심각한 근육 손상에 손쉽게 적용할 수 있는 주사 가능한 전기 전도성 연조직 보형물을 구현했다”며 “근육과 말초신경 뿐만 아니라 뇌, 심장 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 조직 재생용 신물질로 활용 가능할 것”이라고 말했다. 손동희 교수는 “우리 연구진이 제시한 새로운 바이오 전자소자 플랫폼은 재활 치료가 어려운 신경근계 환자들의 재활 여건을 크게 개선할 수 있을 것”이라며 “전기생리학적 신호 계측 및 자극 성능을 활용하면 향후 인체 내 다양한 장기의 정밀 진단 및 치료까지 확대될 수 있다”고 말했다. 연구진은 다양한 손상 조직에 전도성 하이드로젤을 주사하여 회복 가능성을 확인하는 한편, 임상 수준에서 최소침습적인 재활 시술로 이어지기 위한 후속 연구를 진행 중이다. 연구 결과는 11월 2일 세계 최고 권위의 국제학술지 네이처(Nature, IF 64.8)에 게재되었다. ○ 관련 언론보도 - 근육 조직 재생하는 필러 주사 나왔다 <조선비즈, 2023.11.02.> - '손상 근육·신경 재생 필러'로 빠른 재활 가능성 열었다 <연합뉴스, 2023.11.02.> - 조직 손상돼 못 걷던 쥐, 3일 만에 걸었다…국내 연구진, 재생 돕는 새 보형물 개발 <헤럴드경제, 2023.11.02.> - IBS, 근육·신경 재생 돕는 '조직 재생 필러' 개발 <전자신문, 2023.11.02.> - 미용 필러 소재로 근육·신경 손상 환자 재활 돕는다 <이데일리, 2023.11.02.> - 미용 필러 소재로 신경 손상환자 재활 돕는다 <한국경제, 2023.11.02.>
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- 작성일 2023-11-02
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- 신미경-손동희 공동연구팀, 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서 개발
- 신미경-손동희 공동연구팀, 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서 개발 - 어드밴스드 머티리얼즈 9월 28일 논문 게재 - 차세대 전자피부 및 웨어러블 인간-기계-가상현실 인터페이스 분야 혁신 기대 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 연구팀(김수민 석박통합과정생)은 전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(장재표 석박통합과정생)과의 공동연구를 통해 피부에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서를 개발하였고, 이를 기반으로 인체의 움직임을 감지해내 로봇 및 가상현실상의 아바타를 조종하였다. 착용 시 이물감을 최소화 하며 인체의 움직임을 모니터링 하기 위해 부드러운 기계적 물성을 갖는 전도성 하이드로젤을 이용한 다양한 형태의 변형 센서들이 개발되어왔다. 그러나, 하이드로젤에 전도성을 부여하기 위해 섞는 금속 물질이나, 탄소물질 및 전도성 고분자와 같은 경우, 생체 친화도가 낮기 때문에 장시간 사용 시 피부 염증이나 간지러움을 유발할 수 있다. 뿐만 아니라, 대부분의 전도성 물질은 조직접착력이 낮기 때문에 웨어러블 센서로서 피부 위에 밀착시키기 어려우며, 이로 인해 인체의 정교한 움직임을 모니터링 하기 위한 개선 전략이 필요하다. 이에 연구진은 바질 씨앗의 구조를 모사하여, 조직 접착성 및 전도성을 모두 갖는 마이크로 크기의 하이드로젤을 개발하였다. 바질 씨앗의 구조는 중심부에 씨앗이 있고 천연고분자 하이드로젤로 구성된 껍데기를 가지고 있다. 해당 하이드로젤 껍데기가 씨앗끼리 응집력을 높이는 역할을 하며, 다량의 수분을 머금을 수 있다. 본 연구팀은 이러한 구조를 모사하여, 중심부에 히알루론산 하이드로젤을, 껍데기에 조직접착성을 갖는 폴리카테콜아민을 도입하여, 자가 도핑이 가능한 전도성 마이크로 하이드로젤을 개발하였다. 해당 하이드로젤은 높은 응집력 및 조직접착력을 갖고 있어 피부 위 3D 프린팅이 가능하고, 폴리카테콜아민 껍데기는 수분환경에서 자가 도핑을 통해 이온전도성을 나타내었다(그림 1). 이러한 특성들을 기반으로 인체의 움직임을 감지할 수 있는 변형 센서로서 사용가능함을 확인하였다. 연구팀은 하이드로젤의 기계적 물성과 조직과의 접착을 더욱 강화하기 위해서 도파민 또는 노르에피네프린과 같은 카테콜아민 물질의 고분자화 코팅을 통한 조직 접착성 쉘을 도입하였다. 하이드로젤 입자 표면의 카테콜아민 코팅 층은 다중 수소 결합 및 pi-pi 적층과 같은 비공유 결합을 통한 가역적인 입자 대 입자 상호 작용을 가능하게 하여 기계적 특성 및 조직 접착력을 모두 증가시켰다(그림 2). 코팅된 하이드로젤 입자는 좁은 바늘을 통과할 수 있는 우수한 주사가능성을 보였고, 박리 없이 피부 조직위에 별 모양 및 곡선 구조와 같은 다용도 패턴으로 직접 인쇄될 수 있다. 또한 카테콜아민이 코팅된 하이드로젤은 코팅되기 전 상태와 유사한 자가 치유 특성을 유지하여 접착 코팅층을 가진 입자가 입자 간 가역적 상호 작용을 통해 결합 및 분리될 수 있음을 확인하였다(그림 2). 폴리카테콜아민이 코팅된 하이드로젤 입자 구조체는 입자간의 비공유 결합에 의해 응집력이 증가할 수 있는데, 본 연구에서는 폴리도파민에 비해 하나의 추가적인 하이드록실기를 갖는 폴리노르에피네프린이 수중환경에서 더 강한 응집력을 보이는 것을 확인하였다. 또한 두꺼운 코팅층은 하이드로젤 표면의 거칠기를 증가시켜 응집력이 다소 약해지는 것을 확인하였다(그림 3). 특히, 본 연구에서는 하이드로젤의 코팅제로서 폴리카테콜아민이 자가 도핑 된다는 것을 발견하였고, 이는 히알루론산 하이드로젤을 웨어러블 센서로서 사용할 수 있게 하는 핵심 성능이다. 또한, 얇은 두께의 코팅층이 더 높은 전도성을 보였으며, 세포 생존율과 통기성을 평가에서 생물학적 안전성이 우수함을 확인하였다(그림 4). 본 연구에서 개발된 폴리노르에피네프린이 코팅된 하이드로젤 마이크로 입자를 피부에 직접 프린팅하여 인간-기계 인터페이스에 성공적으로 적용할 수 있었다. 하이드로젤 입자의 변형 감지 능력은 500번 이상 반복되는 변형에도 유지되었다. 또한, 피부 위에 직접 인쇄 가능한 하이드로젤 센서는 손가락의 움직임에 의한 변형을 감지할 수 있고 맥박으로 인한 피부의 미세한 변형도 측정하였으며, 인간-로봇 상호작용에 적용하여 착용자의 움직임을 감지해 로봇 팔을 제어하는 데 성공하였다(그림 5). 궁극적으로 해당 하이드로젤 센서는 인간-가상현실 상호작용에 적용하여 사용자의 움직임을 가상 세계의 아바타가 모방할 수 있도록 하는데 이용가능하였다(그림 6). 사용자와 적용 부위에 따라 다양한 디자인으로 직접 인쇄 가능하고 전도성과 조직접착성을 가져 인간-기계 상호작용 분야에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다. 기존의 전도성 하이드로젤을 이용한 변형센서는 피부에 부착하기 위한 추가적인 접착제가 필요하거나, 제한된 형태로 이용해야 하는 등의 어려움이 있었다. 하지만 본 연구에서 개발된 조직 접착성 코팅제의 자가도핑기반 전도성 하이드로젤 입자는 피부에 바로 밀착되게 프린팅 될 뿐 아니라 안정적으로 인체의 움직임을 감지할 수 있어, 새로운 형태의 웨어러블 센서를 위한 바이오 신소재 제작 방식을 제시할 뿐 아니라, 관련 응용 분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. 신미경 교수는 “본 연구는 기존에 조직공학 분야에서만 다수 이용되었던 하이드로젤 마이크로 입자의 낮은 응집력에 대한 한계를 극복하여, 우수한 조직접착력, 이온전도성을 갖는 바이오 신소재를 개발했다는 점에 그 의의가 있으며, 이후, 체내 조직 인터페이싱 등 바이오 전자 및 의료기술 분야에서도 활용 가능할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 손동희 교수는 “본 연구에서 개발된 조직 접착성 및 전도성 하이드로젤 입자는 다양한 인체 부위에 즉각적으로 프린팅이 가능하여, 차세대 웨어러블 및 임플랜터블 전자약 소재로서의 활용 가능성이 높다”고 말했다. 연구팀의 이번 연구결과는 재료과학(Material science) 분야 최상위급 국제 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4, JCR 2.2%)에 9월 28일자 온라인 게재되었다. 본 연구는 과학기술정보통신부‧보건복지부 범부처 재생의료기술개발사업(23B0102L1), 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(No. 2020R1C1C1005567, RS-2023-00208262), 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 과학기술정보통신부‧한국연구재단 전자약 기술개발사업(No. 2022M3E5E9018583)의 지원을 받아 수행되었다. ※ 논문명: Injection-on-skin granular adhesive for interactive human-machine interface ※ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202307070
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- 작성일 2023-10-18
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- 꼭꼭 숨은 ‘다크 엑시톤’ 활용하는 차세대 반도체 나온다
- 꼭꼭 숨은 ‘다크 엑시톤’ 활용하는 차세대 반도체 나온다 - IBS 나노구조물리 연구단, 적층 소자에서 ‘다크 엑시톤’ 최초 감지 - 빛 세기와 반비례하는 다크 엑시톤 … 반도체 응용 가능성 확인 전자 대신 준입자* ‘엑시톤’을 활용하는 차세대 반도체가 나올 전망이다. 나노구조물리연구단 이영희 연구단장 연구팀은 윤석준 미국 오크리지국립연구소 팰로우, 독일 필립스-마르버그 대학 에르민 말릭 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 서로 다른 반도체 소재를 적층한 소자에서 ‘다크 엑시톤(어두운 엑시톤)’을 최초로 감지했다. * 준입자: 입자가 아니지만, 입자처럼 행동하는 객체를 말한다. 반도체 소재는 전자가 존재할 수 있는 두 개의 밴드를 갖는데 전자가 차 있는 아래쪽 밴드를 ‘가전자대’, 전자가 비어있는 위쪽 밴드를 ‘전도대’라 부른다. 외부 에너지를 받게 되면 가전자대에 있는 전자는 전도대로 들뜨게 되고, 전자가 사라진 빈자리를 정공이라 한다. 정공은 전도대로 올라간 전자와 쌍을 이뤄 엑시톤이라는 준입자를 형성한다. 엑시톤은 ‘밝은 엑시톤’과 ‘다크 엑시톤’ 두 가지로 나눠지는데 밝은 엑시톤 경우, 빛에 흡수되어 쉽게 감지되는 특성으로 인해 양자점 디스플레이(QLED) 등에 이미 활용되고 있다. 반면, 다크 엑시톤은 밝은 엑시톤에 비해 수명이 더 길고 안정적이어서 반도체로 사용하기 유리하다는 장점이 있지만, 빛에 흡수가 거의 없어 감지가 어렵다. 그래서 지금까지 단일 소재에서의 작동 원리만 규명됐을 뿐 실제 반도체 소자 환경과 유사한 여러 소재 적층의 이종접합소자에서는 어떻게 발현되는지 정확히 밝혀진 바가 없었다. 이에 연구진은 우선, 한 장의 전이금속이황화화합물(Transition Metal Dichacogenides: TMD) 위에 다른 종류의 TMD를 쌓은 TMD 이종접합소자로 레이저 빛을 조사하며 엑시톤의 거동을 확인했다. 그 결과, TMD 소재를 쌓는 순서에 따라 다크 엑시톤이 발현되기도 하고 사라지기도 하는 현상을 발견할 수 있었고, 특히 상부 TMD 물질 경우에는 쌓는 순서와 관계없이 항상 다크 엑시톤이 발현됨을 확인할 수 있었다. 더 나아가, 가해준 빛의 세기가 감소할 때 다크 엑시톤이 밝아짐을 밝혀내어 빛의 세기에 따른 다크 엑시톤 세기를 조절할 수 있게 되었다. 이를 통해 에너지 혹은 색깔을 구분하는 ‘에너지 필터’와 빛의 세기를 조절하는 ‘파워 필터’에 다크 엑시톤을 활용하여 광대역 태양전지 효율을 개선할 가능성도 열게 되었다. 연구를 주도한 이영희 단장은 “이종접합 물질에서 처음으로 다크 엑시톤을 발견함에 따라, 차세대에 기대하는 파워 및 에너지 필터 기능을 가진 차세대 광반도체 응용을 기대한다”라고 말했다. 연구 결과는 9월 8일 저명 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications, IF 17.694)’에 게재됐다. ※ 논문명: Sequential order dependent dark-exciton modulation in bi-layered TMD heterostructure ※ 저자: Riya Sebait, Roberto Rosati, Seok Joon Yun, Krishna P Dhakal, Samuel Brem, Chandan Biswas, Alexander Puretzky, Ermin Malic, Young Hee Lee
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- 작성일 2023-10-12
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- 앞으로의 600년을 그리는 미래정책대학원, 첫 신입생을 뽑다
- 앞으로의 600년을 그리는 미래정책대학원, 첫 신입생을 뽑다 금년 3월 신설된 미래정책대학원에서 첫 입학생이 될 석사과정생을 모집한다. 입학생 전원은 이규용 미래정책대학원 장학금 혜택을 받아 재정 걱정 없이 석사 과정을 수학하게 된다. 입학 후 본인의 희망에 따라 정치학·경제학·행정학·사회학·법학 분야 중 선택하여 전공 학위를 수여하게 된다. 세밀한 전문성을 기반으로 하되, 융합적 사고역량과 실질적 문제해결 능력을 함양하여 복잡다기한 사회현상을 정합성있게 접근하는 연구를 추구한다. 미래정책대학원은 하버드 대학교 케네디 스쿨과 같이 다원적·통합적 연구를 통해 미래사회를 이끌어 갈 사회과학 분야 인재를 육성하는 것이 목표인 셈이다. 과학기술의 발전과 함께 사회과학 분야 인재에 대한 수요도 점차 늘어나고 있지만 입시와 취업 시장에서의 이공계 선호 현상으로 인해 오히려 이들에 대한 체계적인 육성은 이전에 비해 위축되고 있는 것이 현실이다. 이를 안타깝게 여긴 이규용 동문이 미래세대 육성의 선두주자가 되었으면 하는 큰 뜻을 전달하며 탄생한 것이 바로 미래정책대학원이다. 탄탄한 전임교수진의 전공이론 강의에 매 학기마다 국내외 석학·중진 교수들의 옴니버스 강좌를 가미하여 학생들에게 최고 수준의 강의를 경험하게 하고, 해당 분야 전문가의 실용적 강의를 매트릭스 방식으로 구성하여 각자의 전공을 강화하되, 폭넓은 학문세계로 이끌어 가게 된다. 기술적 발전이 가져온 사회적 현상을 정확하고 효과적으로 검토 분석할 수 있는 교과를 가미하여, 복합적인 미래사회를 견인할 우수 인재 산실의 대표로 자리할 것이다. 명문의 귀환, 즉 14세기부터 국가발전을 견인해 온 인재의 산실, 대한민국 발전의 주축 인재를 많이 배출했던 헤리티지를 미래정책대학원이 되살리는 셈이다. 재학 중 경험하게 될 해외 연수프로그램은 선진국 학문세계를 생생하게 체험케 하고, 해외 저명 대학 박사과정 진학시 지원되는 유학장학금은 미래의 선도적 인재로 도약하는 구름판이 될 것이다. 한편, 미래정책대학원은 지난달 21일 오후 서울 인터콘티넨탈 호텔 코엑스에서 연찬회를 성황리에 개최했다. 미래정책대학원 설립 기금을 기부한 (주)나자인 이규용 회장과 강연자로 초청된 이진우 포스텍 명예교수 및 박재완 본교 이사장을 비롯하여, 성재호 원장을 위시한 총13명의 미래정책대학원 소속 전임교원(권예소라, 김인욱, 양준석, 박형준, 정일환, 김광수, 김영세, 김준성, 문병걸, 이해나, 정종현, 이황희)이 참석하여 자리를 빛냈다. 이날 연찬회에서는 미래정책대학원의 역할과 발전 방향에 대한 다양하고 진솔한 의견이 오갔다. 성재호 미래정책대학원장은 "미래정책대학원은 대한민국의 미래를 준비하고 발전시키는 역할을 더욱 강화해 나가는 길에 한 발짝 더 나아갈 것으로 기대된다"며 "정치·경제·사회 분야 인재 배출을 통해 공동체 발전(co-evolution)에 기여하고, 성균관의 헤리티지를 계승하는 명문(blue brick university)으로 거듭나겠다"고 강조했다. 미래정책대학원 원서접수는 오는 27일부터 10월 12일까지다. ○ 문의: 02-740-1643
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- 작성일 2023-09-21
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- 성능 저하 유발하는 잔여물 없이 차세대 반도체 만든다
- 성능 저하 유발하는 잔여물 없이 차세대 반도체 만든다 - IBS 나노구조물리연구단, 고집적 차세대 반도체 상용화 발판 마련 - 지지체 바꾼 청정 공정 제안 … Nature Nanotechnology 誌 게재 ▲ (왼쪽부터) 이영희 교수(교신저자), Chandan Biswas 연구위원(공동 교신저자), Ashok Mondal 학생연구원(제1저자) 고집적 차세대 반도체 상용화 발판이 마련됐다. 나노구조물리연구단 이영희 연구단장 연구팀은 윤미나 미국 오크리지국립연구소 그룹리더 연구팀과의 공동 연구를 통해 성능 저하를 유발하는 잔여물 없이 차세대 반도체 소자를 제작할 수 있는 새로운 공정을 개발했다. 성능을 한층 높인 차세대 반도체를 구현하기 위해서는 우수한 성능을 가진 전계효과트랜지스터(FET, Field Effect Transistor) 소자 개발이 필수적이다. 실리콘을 대체할 이상적인 FET 소재로는 물리·전기적 특성은 물론 반도체 특성까지 지닌 전이금속디칼코게나이드(TMD, Transition Metal Dichalcognide)가 각광받고 있다. 하지만 10여 년에 걸친 집중적인 연구에도 불구하고, 공정 과정에서 사용되는 잔류물이 소자에 남아 성능을 저해한다는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 이차원 반도체소자 공정에서는 반도체 물질 전사를 위해 전통적으로 절연체인 폴리메타크릴산메틸(PMMA, Polymethyl Methacrylate)를 지지체로 사용해왔다. 그러나 TMD 반도체 물질 위에 PMMA 잔류물질이 남아 소자 성능을 저하시키는 것이 골칫거리였다. 학계에서는 다양한 유기물질을 사용하여 PMMA를 대체할 지지체를 찾아왔지만, 여전히 잔류물로 인한 전자적, 역학적 손실을 피하기는 어려웠다. 공동 연구진은 PMMA 대신 폴리프로필렌 카보네이트(PPC, Polypropylene Carbonate) 지지체를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있음을 규명했다. 우선 연구진은 고집적이 가능한 수㎝ 크기 이황화몰리브덴(MoS2) 기반 이차원 반도체 물질을 합성하고, PPC를 지지체로 사용하여 반도체 물질을 전사했다. 이렇게 제작된 단일층 MoS2 소자에는 지지체인 PPC가 0.08% 미만으로 극소량만 남아 성능 저하가 거의 없었다. 더 나아가, 기존 공정의 또 다른 문제였던 단일층 반도체 소자의 쭈그러짐 문제도 해결했다. 연구진은 PPC와 이황화몰리브덴 사이의 흡착에너지가 작아 PPC가 반도체 표면 위에서 쉽게 떨어지기 때문에 잔류물이 거의 없다고 설명했다. 연구진이 제작한 MoS2 FET 소자는 양자 한계에 근접한 78Ω-µm의 작은 옴접촉저항*과 1011 이하의 큰 전류 온/오프 비*, 1.4mA/µm 이하의 최대전류* 값을 나타내는 등 지금까지 개발된 어떤 소자보다 뛰어난 성능을 보였다. * 옴접촉저항: 전압차이에 따라 저항이 선형적으로 변함 ** 전류 온/오프(on/off) 비: 최대전류와 최소전류의 비 *** 최대전류(on-current 전류): 전압에 따라 전류가 변하고 최대전압일 때 발생하는 최대전류 연구를 주도한 이영희 단장은 “우리가 제안한 청정 이차원 소자 제조 공정은 대면적 TMD 소재를 고성능 전자기기 소자로서 응용하기 위한 이상적인 플랫폼”이라며 “PPC 지지체를 이용한 이차원 반도체 소재 전사 기술을 향후 다양한 이차원 소자 집적에 폭넓게 활용될 것으로 전망된다”고 말했다. 연구 결과는 9월 5일(한국시간) 저명 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.3)’에 게재됐다. ▲ 잔류물 없는 대면적 단일층 MoS2-FET 제조 ※ 논문명: Low Ohmic contact resistance and high on/off ratio in transition metal dichalcogenides field-effect transistors via residue-free transfer ※ 저자: Ashok Mondal, Chandan Biswas, Sehwan Park, Wujoon Cha, Seoung-Hun Kang, Mina Yoon, Soo Ho Choi, Ki Kang Kim, and Young Hee Lee.
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- 작성일 2023-09-05
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- 심혈관계 질환 진단 및 치료를 위한 바이오 전자 스티커 기술 개발
- 심혈관계 질환 진단 및 치료를 위한 바이오 전자 스티커 기술 개발 - 네이처 일렉트로닉스에 9월 2일(토) 논문 게재 - 부드럽고 응력 완화 특성이 뛰어난 혁신적 심장 전자 스티커 패치 개발 ▲ (왼쪽부터) 손동희 교수(교신저자), 신미경 교수(교신저자), 최희원 박사과정생(제1저자), 김예원 박사과정생(제1저자), 김수민 박사과정생(제1저자) 전자전기공학부 손동희 교수와 글로벌바이오메디컬공학과 신미경 교수 공동연구팀은 추가적인 봉합술이 필요없는 부드러운 신축성 심장 접착 전자 패치 기술을 개발하였고, 이를 기반으로 움직이는 동물로부터 장기간 안정적으로 심전도(ECG)를 계측해내 심혈관계 질환을 진단함과 동시에 전기자극으로 치료했다. 심장의 반복적인 수축-이완 운동에도 안정적으로 구동할 수 있는 체내 이식형 전자소자를 만들기 위해 신축성이 우수하고, 부드러운 기계적 특성을 갖는 고분자 소재를 이용한 다양한 전자소자들이 개발되어왔다. 그러나, 신축성과 전도성을 동시에 지니기 위해 고체 상태의 전도성 첨가제를 넣은 고분자 복합소재(composite)는 고분자 본연의 기계적 특성을 잃어버리고 딱딱하게 변성되어, 굴곡지고 부드러운 심장 조직 표면을 압박 없이 감싸기에 어려움이 있다. 이에 따라 장기간 안정적으로 심전도를 기록하는 데에 한계가 있었다. 그뿐만 아니라, 반복적인 심장의 움직임에도 소자를 고정하기 위해 바느질에 기반한 봉합술이 필수적이다. 이에 연구팀은 부드러우면서도 신축성을 갖는 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판층, 뛰어난 심장 접착성을 가지는 하이드로젤층, 내구성이 뛰어난 액체 금속 필러-자가치유 고분자 복합체 전극층으로 구성된 심장 전자 패치를 개발하였다(그림 1). [그림1] 심장조직에 손상을 주지 않으면서 장기간 안정적으로 부착되어 구동 가능한 심장 패치 기술 해당 심장 접착 전자 패치는 반복적인 심장 박동 상황에서도, 바느질을 전혀 하지 않고 심외막에 신속하고 안정적으로 부착이 가능했다. 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판층과 조직 접착성 하이드로젤층의 3차원 결합 구조를 통해 접착성능을 향상했으며, 고분자층의 응력 완화 효과와 더불어 반복된 심장박동에도 접착성능을 유지할 수 있었다. 또한, 패치의 빠르고 균일한 접착능력을 통해 움직이는 심장 표면에서도 패치의 고른 부착이 가능했다(그림 2). [그림2] 네트워크 구조의 자가치유 고분자 기판과 조직 접착 하이드로젤 층의 3차원 구조와 패치의 응력완화 효과를 통한 빠르고 균일한 접착성능 구현 아울러 연구팀은 심근 경색 유발 소동물 모델에서 심근경색 유도 전후의 심장 신호를 획득하고 변화를 관찰하는데 성공하였으며 심근경색 진단이 가능할 정도의 정확한 심장 신호를 획득할 수 있는 패치의 성능을 검증하였다(그림 3). [그림 3] 부드러운 신축성 조직 접착성 심장 패치의 체내 안정성과 부정맥 진단 및 치료 이후 움직이는 동물로부터 한 달 동안 신호의 유실 없이 심전도 계측에 성공했다. 또한, 부정맥 및 급성심근경색을 나타내는 심전도 진단에 성공했으며 전기자극을 통해 효과적으로 심박조율이 가능함을 증명하였다. 이를 통해 해당 패치가 양방향성 심장 패치임을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 개발된 심장 패치를 이용하여 부정맥 유발 소동물 모델에서 심장 신호를 획득하여 부정맥의 단계를 진단하고 전기자극을 통해 치료할 수 있었다(그림 4). [그림 4] 부드러운 신축성 조직 접착성 심장 패치의 체내 안정성과 부정맥 진단 및 치료 또한, 액체 상태를 갖는 금속 입자들의 부드러운 물성을 갖는 전극과 전기방사 방식으로 만든 네트워크 구조 자가치유 고분자 기판층은 심장박동으로 인해 축적된 응력을 완화시킬 수 있는 최적의 솔루션을 제공하였으며 어떠한 조직 손상도 유발하지 않았다. 한편, 본 연구팀은 이러한 양방향성 심장 패치의 우수한 성능이 액체금속 기반 복합체 전극층과 조직접착 하이드로젤 층의 화학적 상호작용으로부터 구현됨을 밝혔다. 기존의 액체 금속 기반 입자들의 표면에 불가피하게 형성되는 산화막은 우수한 전도성을 나타내는데 걸림돌이 되어 왔으나 연구팀이 개발한 패치에서는 접착성 하이드로젤의 작용기와 액체금속 입자의 배위결합에 의해 산화막이 깨질 수 있었으며 이는 안정적인 전기자극 및 신호 계측에 있어 핵심적인 역할을 하고 있었다(그림 5). [그림 5] 부드러운 액체금속 기반 복합체 전극층과 조직접착 하이드로젤의 작용기와의 상호작용을 통해 높은 전기적 안정성 구현 기존의 전자 패치는 심장에 고정이 되지 않아 추가적인 봉합술이 필요하고, 물성이 딱딱하여 반복적인 심장의 움직임에 의해 쉽게 손상되어 오랫동안 사용하기에 어려웠으나 본 연구에서 개발된 심장 접착 전자 패치는 뛰어난 심전도 계측 및 자극성능을 보유하고 있어 새로운 형태의 바이오 전자소자 플랫폼을 제시할 뿐만 아니라 관련 응용 분야 확대를 위한 디딤돌이 될 것으로 기대된다. 손동희 교수는 “본 연구에서 개발된 바이오 전자 스티커 패치 기술은 심혈관계 중증 질환의 정밀 진단 및 치료 효과를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대되며 더 나아가 인체 내 다양한 장기에 차세대 전자약으로써 응용될 수 있다”고 말했다. 신미경 교수는 “본 연구는 우리 몸에 혈액을 공급하기 위해 매우 중요한 역할을 하는 심장에 바느질 필요 없이 적용할 수 있는 의료전자소재 및 소자를 구현한 것으로, 인체 조직과 매우 유사한 기계적 물성을 갖도록 구성된 고분자, 액체금속 등의 조합을 통해 얻어낸 것이 의미가 크다. 이는 심장 뿐만 아니라 뇌, 신경, 근육 등 다양한 장기에 적용할 수 있는 바이오 전자 플랫폼으로 활용 가능할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 연구팀은 심장 패치의 면적과 채널 수를 증가시켜 더욱 세밀한 부위별 심장 신호 획득을 통해 심장질환 치료 약물의 작용 기전을 밝혀내려는 후속 연구를 진행하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업, 기초과학연구원, 과학기술정보통신부‧한국연구재단 전자약기술개발사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 전자공학 분야에서 최고의 권위를 갖는 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 34.3, JCR 0.2%)에 9월 1일(금) 게재되었다. ※ 논문명 : Adhesive bioelectronics for sutureless epicardial interfacing ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-023-01023-w ○ 관련 언론보도 - 성균관대 연구팀, 심혈관계 바이오 전자 스티커 개발 <뉴시스, 2023.09.04.> - 성균관대 손동희 교수 공동연구팀, 심장 전자 스티커 패치 개발 <한국대학신문, 2023.09.04.> - 봉합 없이 심장표면에 붙이면 끝…성균관대, 신축성 전자패치 개발 <디지털타임스, 2023.09.03>
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- 작성일 2023-09-05
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- 미래정책대학원(SKK GRAFPS), 교수 연찬회로 힘찬 첫발
- 미래정책대학원(SKK GRAFPS), 교수 연찬회로 힘찬 첫발 - 21일 서울 코엑스에서 연찬회 개최 성균관대학교 미래정책대학원(원장 성재호)은 지난 21일 오후 서울 인터콘티넨탈 호텔 코엑스에서 연찬회를 성황리에 개최했다. 미래정책대학원 설립 기금을 기부한 (주)나자인 이규용 회장과 강연자로 초청된 이진우 포스텍 명예교수 및 박재완 본교 이사장을 비롯, 성재호 원장을 위시한 총13명의 미래정책대학원 소속 전임교원(권예소라, 김인욱, 양준석, 박형준, 정일환, 김광수, 김영세, 김준성, 문병걸, 이해나, 정종현, 이황희)이 참석하여 자리를 빛냈다. 박재완 이사장은 연찬회를 통해 "미래정책연구원은 대한민국의 미래를 준비하고 발전시키는 역할을 해야 한다"며, "교수님들의 노고에 감사를 표하며 이번 연찬회를 통해 미래정책대학원의 발전 방향과 중요성에 대한 인식이 더욱 높아졌으면 한다"고 희망을 피력했다. 이규용 회장은 미래정책대학원 교수님들에게 "미래정책대학원 출범에 동참해 준 교수님들에 깊이 감사하며, 연찬회를 통해 서로 이해의 폭을 넓히고 학문적 교감을 통해 미래세대 육성의 공통 목표를 이뤄주시길 바란다"고 격려했다. 덧붙여 "더 나은 사회를 위해 한뜻으로 힘을 함께 모으면 우리 미래정책대학원이 실용적 미래인재의 산실이 될 것이라 확신한다"며, 학문적 역량과 협력의 중요성을 강조했다. 이어진 순서를 맡은 이진우 명예교수는 '공생주의, 삶을 위한 '공동진화'를 말하다'라는 주제를 가지고 90여분간 참석자들을 대상으로 강연했으며, 이후에는 미래 발전의 토양이 될 근본적 철학을 어떻게 가져가야 할지 함께 고민하는 시간을 가졌다. 성재호 원장은 "연찬회를 통해 교수님들의 학문적 교류와 의견 공유가 이루어져 미래정책대학원의 역할과 기여에 대한 더 나은 이해가 형성된 것으로 보인다"며 "미래정책대학원은 대한민국의 미래를 준비하고 발전시키는 역할을 더욱 강화해 나가는 길에 한 발짝 더 나아갈 것으로 기대된다"고 말했다.
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- 작성일 2023-08-23
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