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- 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀, 리튬 이온 배터리 양극소재로서 카페인의 가능성에 대한 연구 최초 보고
- 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀, 리튬 이온 배터리 양극소재로서 카페인의 가능성에 대한 연구 최초 보고 - "하루를 충전하는 카페인, 이제는 에너지 저장소재로" - 카페인의 리튬 이온 배터리 양극소재로서 가능성에 대한 연구 최초 보고 - 소재과학분야 세계적 학술지 Energy Storage Materials 표지 논문 선정 ▲ 이원태 연구교수(왼쪽)과 윤원섭 교수(오른쪽) 에너지과학과 윤원섭 교수와 이원태 연구교수가 리튬이온 이차전지의 핵심 요소 중 하나인 양극소재에 카페인 분자를 활용함으로써 배터리의 높은 에너지와 빠른 충전 속도를 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다. 최근 기후변화에 대한 경각심과 환경에 대한 관심이 날로 높아지며 친환경 에너지 생산 및 저장 시스템의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 현재 리튬이온 배터리는 전이 금속 기반 무기 화합물이 주를 이루며, 전기차 시장의 성장에 따라 그 사용량이 더욱 확대되고 있어 유한적·국부적 금속 매장량으로 인해 비용 문제와 지속 가능성에 대한 우려가 커지고 있다. 이에 대한 대안으로 H(수소), C(탄소), N(질소), O(산소), S(황)과 같이 자연계에 풍부하게 존재하는 원소로 구성되어 있는 유기계 에너지 저장 소재가 떠오르고 있다. 카페인(1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione)은 현대 사회에서 가장 많이 소비하는 향정신성 약물로서 xanthine alkaloid 유도체다. 주로 우리가 마시는 커피에 들어있으며 각성효과를 낸다. 연구원들은 이러한 카페인을 최적화된 전극 설계를 통해 에너지 저장소재로서의 가능성을 검토하고 반응 메커니즘을 조사하였다. 연구팀은 카페인이 총 2mole의 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있으며, 100회 충·방전 이후에도 200mAh/g 이상의 고(高)용량을 나타냈다고 밝혔다. 또한 고속 충전 시 6분만에 50% 정도의 용량을 충전할 수 있는 특성을 보여주었다. ▲카페인 분자의 에너지 저장 메커니즘 및 halogenation을 통한 새로운 반응 site 활성화 전략 본 연구는 리튬이온전지 전극소재로서 카페인의 에너지 저장 반응메커니즘을 최초로 규명한 것에 의의가 있다. 이원태 연구교수는 “반응 메커니즘 분석의 목적으로 설계된 프로토타입의 전극 설계로 실제 상용화 수준의 전극 설계를 위해서는 해결해야 할 과제들이 많이 남아 있다”고 덧붙였다. 윤원섭 교수는 "이차전지 시장에서 주를 이루고 있는 소재들은 고(高)함량 니켈 기반 층상구조 소재와 같이 전이금속 기반 무기화합물인데 한정된 매장량으로 인해 머지않아 높은 비용 및 지속 가능성에 대한 우려와 같은 문제를 야기할 것"이라며 "이에 대한 대안으로 자연계에 무한히 존재하는 원소들로 이루어진 유기계 전극재료의 개발은 지속가능한 개발 측면에서 매우 매력적인 전략이 될 것"이라고 전했다. 윤원섭 교수와 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 2023년 2월 소재과학 분야의 세계적인 학술지인 Energy Storage Materials(IF=20.831, Materials Science 분야 상위 2.54%, Q1)에 게재되었으며 단독 전면표지로 선정되었다.
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- 작성일 2023-02-22
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- 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀, 단 한 겹의 반도체 껍질로 양자점 발광효율 100% 수준 달성
- 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀, 단 한 겹의 반도체 껍질로 양자점 발광효율 100% 수준 달성 - 차세대 디스플레이 및 태양광·바이오센서 등 다양한 응용 기대 차세대 디스플레이 소재로 주목받는 양자점* 발광체의 핵을 단 한 겹의 반도체 껍질로 균일하게 둘러싸서 100%에 가까운 발광효율을 구현하는 원리가 우리 대학 연구진에 의해 확인되었다. * 양자점 : 수 나노미터(머리카락 두께의 약 1/10,000 수준) 크기의 반도체 나노결정으로 크기에 따라 발광 색상이 변하는 특성을 지니고 있어 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있음. 에너지과학과 임재훈 교수(제1저자 최영호 대학원생) 연구팀은 핵/껍질 구조*의 양자점 발광체 합성 시 껍질이 표면으로부터 성장하는 원리를 규명하고, 약 0.3 나노미터(nm) 두께의 껍질을 성장시켜 97.3%의 발광효율을 달성했다고 밝혔다. * 핵/껍질 구조 : 핵 표면을 다른 물질로 덮은 구조. 달걀 노른자가 흰자 중간에 있는 형태와 유사함. 핵/껍질 구조의 양자점 발광체는 이론상 한 겹(약 0.3 nm)의 껍질만으로도 100%의 발광 효율을 낼 수 있지만, 실제로는 껍질이 불균일하게 성장하기 때문에 수 나노미터 두께로 여러 겹 둘러싸야 가까스로 70-80%의 발광 효율을 얻을 수 있다. 이처럼 낮은 효율은 핵과 껍질 사이의 결함 또는 핵이 완전히 덮이지 못했기 때문으로 추측되지만, 용액 내 반응의 복잡성으로 아직까지 문제의 원인이 정확히 밝혀지지 않았다. 임 교수 연구팀은 양자점의 리간드*가 껍질 전구체**와 반응해 껍질 원자들이 표면에 흡착되고 이들이 비정질 분자층 상태를 거쳐 결정질 껍질로 변화하는 전 과정을 분자 수준에서 밝혀냈다. * 리간드 : 나노입자의 표면에 결합한 분자로써 입자 간의 응집을 방지하고 용액 내 분산성을 부여함. ** 전구체 : 양자점 핵 및 껍질 구성원자를 포함하고 있는 반응 원재료. 대개 금속 이온과 유기화합물이 결합한 형태로 이루어짐. 또한 분자층이 껍질로 변화하기 위해서는 고온의 열처리가 필요한데, 이 과정에서 껍질 전구체가 핵 표면을 산화시켜 껍질이 완전히 핵 표면을 덮는 것을 저해한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 이상의 발견을 바탕으로 껍질 성장 과정을 정밀히 제어할 수 있는 ‘표면개시성장법’을 고안하고, 약 0.3 nm 두께의 초균일 껍질을 핵 표면에 성장시켜 이론적 한계치에 근접한 97.3%의 발광 효율을 구현하는데 성공했다. 초균일 껍질로 고효율, 고안정성을 갖는 양자점 발광체는 증강/가상현실, 웨어러블 등 차세대 디스플레이뿐만 아니라 태양광, 바이오센서 등 다양한 분야에 응용이 가능할 전망이다. 임재훈 교수는 "이번 연구는 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나인 디스플레이 분야에서 차세대 양자점 디스플레이 실현에 기여할 수 있으리라 기대된다"라며 "앞으로 차세대 전계발광소자 기반 양자점 디스플레이로 구현하기 위한 양자점 대량 양산, 소자 구조 설계, 패터닝 공정 전반에 걸친 연구 개발이 필요하다"고 덧붙였다. 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 미래소재디스커버리사업, 기초연구실의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난달 3일 게재되었으며, 해당 저널의 '무기 및 물리화학' 및 '소재 과학과 화학' 분야에서 편집자가 선정한 주목할 상위 50개의 논문 중 하나로 소개되었다. ○ 관련 언론보도 - 차세대 디스플레이 ‘양자점 발광체’ 효율 극대화할 기술 나왔다(조선비즈, 2월 16일) - 임재훈 교수·최영호 연구원 "퀀텀닷 발광 효율 높였다"(한국경제, 2월 16일) - 韓 연구진, ‘양자점’ 디스플레이 발광효율 97% 달성(헤럴드경제, 2월 16일) - 양자점 발광 효율 100% 구현 초균일 반도체 껍질 개발(동아사이언스, 2월 16일)
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- 작성일 2023-02-17
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- 2022 SKKU-Fellowship 교수 13명 선정
- 2022 SKKU-Fellowship 교수 13명 선정 우리 대학은 '2022 SKKU-Fellowship' 교수로 유학대학 신정근 교수, 문과대학 안대회 교수, 경제대학 린슈친 교수, 정보통신대학 김병성 교수, 소프트웨어융합대학 우사이먼성일 교수, 공과대학 박호석 교수, 공과대학 장암 교수, 공과대학 김선국 교수, 생명공학대학 권대혁 교수, 의과대학 박웅양 교수, 의과대학 임호영 교수, 성균나노과학기술원 이진욱 교수, 성균융합원 신현정 교수를 선정했다. SKKU-Fellowship 제도는 우리대학이 2004년부터 수여하는 최고의 영예로, 학문 분야별 연구력수준이 세계적 표준에 안착하였거나 접근 가능성이 높은 최우수교수를 선정하여 파격적인 연구지원과 명예를 부여하는 제도이다. 특히, 2022 SKKU-Fellowship은 "인류와 미래사회를 위한 담대한 도전 Inspiring Future, Grand Challenge" 라는 대학운영방침에 기반하여 우수 전문학술저서 뿐만 아니라 저명 국제컨퍼런스, 최상위 저널과 논문, 산학협력 모델 구축(교육, 기술이전 등), 창업 등 다양한 부문에서 성과를 이룩한 교원을 대상자를 선정하였다. 시상식은 지난 2월 6일(월) 진행되었던 전체교수회의 ‘최우수 Faculty 시상식’에서 실시되었고 세대를 초월하는 Fellowship의 가치 전수를 위해 전년도 수상자인 정현석 교수가 2022 SKKU Fellowship 교수 13명 명단을 발표하였다. 대표 수상소감을 밝힌 문과대학 안대회 교수는 "인문고전정신의 정수인 저서 관련 교내에 본인 외에도 우수한 교수님들이 많으신데 대표자로 선정된 것 관련되어서 책임감이 느껴진다"며 "15년 동안 본인의 전공 관련 저서 및 등재지 등을 꾸준히 발간하면서 노력해왔는데 앞으로도 그 성과가 이어나갈 수 있도록 노력하겠다"고 소감을 밝혔다. 최우수 저널 및 논문 부문에 선정된 공과대학 장암 교수는 "Fellowship 수상이 영광이다. 개인의 성과보다는 소속 연구실 그리고 이 자리에 같이 참여해준 대학원생, 연구원생들과 함께한 성과라서 더 의미가 있다"며 "향후에도 수처리분야의 세계적 전문연구실로 발전해나가겠다"고 포부를 밝혔다. 창업 부문에 선정된 의과대학 박웅양 교수는 "우리 대학이 논문 등 학술 성과도 우수하지만 산학협력, 특히 창업 분야에서도 명성이 높은 대학이 될 수 있도록 많은 교수님들의 창업 도전 그리고 학교의 많은 관심과 지원을 요청드린다"고 말했다. 향후에도 우리 대학은 획일화된 평가에서 벗어나 교원의 다양한 성과와 가치를 발굴하여 인류사회에 공헌하는 초일류 대학으로 발전해나갈 예정이다.
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- 작성일 2023-02-14
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- 에너지과학과 장우성 원우, BK21 우수 참여인력 교육부 장관 표창 수상
- 에너지과학과 장우성 원우, BK21 우수 참여인력 교육부 장관 표창 수상 에너지과학과 BK21 신재생에너지 통합시스템 혁신인재양성 교육연구단(연구단장 윤원섭 교수)의 참여대학원생과 신진연구인력으로 참여했던 장우성 원우가 ‘2022년 4단계 BK21사업 우수 참여인력’으로 부총리 겸 교육부 장관 표창을 수상했다. 이번 표창은 4단계 BK21 사업의 교육연구단(팀) 참여대학원생 및 신진연구인력 중 탁월한 성과를 창출한 인재들을 발굴하고 성장을 지원하기 위해 선정되었으며, 표창 규모는 참여대학원생 및 신진연구인력 포함 총 24명이다. 참여대학원생인 장우성 학생은 2017년 3월부터 2022년 12월까지 BK21 사업에 연구원으로 참여하여 에너지 소재의 결정 구조 및 화학 상태를 원자단위에서 규명하는 주사투과전자현미경 분석기술을 개발하고 이를 바탕으로 초미세 반도체 및 촉매 소재 내 원자 구조와 상 안정 메커니즘들을 규명하였다. Science를 포함한 총 19편의 SCI급 논문 게재, 학회 및 교내 총장상 수상 4건, 특허 출원 2건 및 등록 2건 등 학계와 산업분야 모두에서 연구자로서의 능력을 인정받아 이번 표창 수상자로 선정되었다. 장우성 학생은 “지도교수님이신 김영민 교수님의 훌륭한 지도와 연구실 동료들의 따뜻한 지원이 있어 표창을 받을 수 있었다.”며 “앞으로 더욱 연구에 정진하여 학문 발전을 위해 노력하겠다.”고 수상소감을 밝혔다. 한편, 신재생에너지 통합시스템 혁신인재양성 교육연구단은 지난 2020년 9월 4단계 BK21 사업의 신사업분야 중 에너지신사업/신재생에너지 분야에 선정되었으며 2027년까지 신재생에너지 분야의 패러다임 변화를 주도하고 선제적인 솔루션 제시를 통해 신재생에너지 통합시스템 산업에서 중추적 역할을 수행할 ‘패스파인더’ 혁신인재 양성을 목표로 사업을 진행한다.
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- 작성일 2023-02-13
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- 성균에너지과학기술원, 제10회 성균국제솔라포럼 개최
- 성균에너지과학기술원, 제10회 성균국제솔라포럼 개최 - 12개국, 약 30여 명의 세계적 석학 초청 강연 및 토론 - 연인원 약 300명 참석, 국내외 관련 기업 및 연구소 후원 및 등록 - 11월 7일(월)부터 3일간 600주년기념관서 개최 성균에너지과학기술원은 미래대체에너지로 부상되고 있는 페로브스카이트 소재를 이용한 고효율 태양전지, 발광소자, 및 반도체소자를 주제로 오는 11월 7일(월)부터 9일(수)까지 3일간 제10회 성균국제솔라포럼(SISF)을 개최한다. 이번 포럼은 '할라이드 페로브스카이트의 향후 10년, 에너지과학과 화학, 물리, 그리고 소재과학'을 부제로 열린다. 글로벌 팬데믹으로 인해 3년 만에 개최되는 이번 포럼은 지난 2011년 첫 개최 이래 올해 10회를 맞이하였다. 성균국제솔라포럼(SISF)은 현재까지 차세대 태양전지 관련 연구를 주도하는 세계적 학자 및 기술자들을 집결하여, 그해의 연구성과를 나누는 명실상부 한국을 대표하는 세계적 포럼으로 자리잡았다. 페로브스카이트 태양전지 분야는 우리나라 연구자들이 주도하고 있다. 성균국제솔라포럼 조직위원장인 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장)는 고체형 페로브스카이트 태양전지를 세계 최초로 개발하여 지금의 고효율 페로브스카이트 태양전지 분야의 최고 전문가이자 선구자이다. 고체형 페로브스카이트 태양전지는 기존 태양전지용 소재를 대체할 뿐 아니라 다양한 첨단기술 분야에서 응용 가능한 물질로 박남규 교수는 노벨상 후보로도 거론되고 있다. 이번 성균국제솔라포럼에는 관련 분야의 국내 전문가는 물론 세계적 석학들이 상당수 참가한다. 세계적 석학인 마이클 그라첼 스위스 로잔연방공과대학 교수 및 성균에너지과학기술원 석좌교수, 미국화학회 에너지레터 편집장이기도 한 노트르담대학 프라샨트 까맛 교수, 스웨덴 웁살라 대학 vice-Chancellor인 안더스 하게펠트 교수, 차세대 태양광소자 전문가인 동경대 히로시 세가와 교수 등 12개국에서 약 30여 명의 국내외 석학들이 초청연사로 참가한다. 태양전지의 기술의 혁신을 구현하면서 향후 10년간의 획기적 기술 발전 및 기초 과학으로부터 상용화까지의 연구기술개발에 대한 폭넓은 토론이 기대된다.
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- 작성일 2022-11-02
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- 생명물리학과 김인기 교수 연구팀, 360도 볼 수 있는 초소형 라이다 센서 개발
- 생명물리학과 김인기 교수 연구팀, 360도 볼 수 있는 초소형 라이다 센서 개발 - 전후좌우 1만 개의 빛을 뿌려 360도 인식 가능한 센서 기술 개발 - 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 메타표면 기반 라이다 센서 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 생명물리학과 김인기 교수, 포항공대 노준석 교수 생명물리학과 김인기 교수 연구팀이 한 번의 측정으로 360도 전 영역의 물체를 인식할 수 있는 초소형 라이다(LiDAR: Light detection and ranging; 레이저로 사물의 위치를 가늠하는 장치)를 개발했다. 라이다란 레이저 이미징, 감지와 범위의 약어로 물체나 표면에 빛을 쏴서 반사광이 되돌아오는 시간을 측정해 거리를 측정하는 기술이다. 빛 파장과 수신 위치를 변화시키면 지표면과 해저 지형을 입체(3D) 이미지로 표현할 수 있다. 이 기술을 이용한 라이다 센서는 최근 자율주행 차량에 많이 상용된다. 차량에서 쏜 빛으로 도로 위 사물과 차량 주변을 달리는 차량 같은 물체 거리나 정체까지 파악하고 주행 속도와 방향을 판단하는 것을 돕는 눈 역할을 한다. 이런 능력으로 인공지능(AI)과 함께 자율주행 기술 혁명을 주도하는 혁신의 아이콘 기술로 떠올랐다. 하지만 기존의 라이다 기술은 여러 한계가 있다. 수시로 상황이 바뀌는 도로 상황에 빠르게 대응하려면 정면뿐만 아니라 측면과 후방도 함께 살펴야 하지만 현재는 센서가 빙글빙글 도는 회전형 방식이라 전후방을 동시에 감지하지 못했다. 또한 회전형 방식의 라이다는 다양한 기계전자 부품으로 인해 부피가 크고, 외부 충격에도 매우 민감한 문제가 있다. ▲ 사방에 1만개의 점을 뿌리는 메타표면 기반 초소형 라이다 센서 연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초소형 라이더 센서를 제작하는 방법을 알아냈다. 메타표면은 빛 파장보다 작은 패턴을 이용해 만든 2차원 박막 구조를 뜻한다. 또한 보다 적은 물리적 공간을 필요로 하므로 소형 안테나 설계에 적합한 물질로 꼽힌다. 라이다에 적용하면 시야각이 대폭 늘어나고 물체를 입체적으로 인식하게 된다. 연구팀은 메타표면을 구성하는 나노 구조체를 설계하고 배열 주기를 조절하는 센서 시야각을 360도로 확대하는 데 성공했다. 메타표면에서 전 방향으로 쏜 1만 개 이상의 빛(포인트클라우드)이 물체에 닿은 지점을 카메라로 촬영하면 작은 점들로 표현된 물체 형상이 보이는데 이를 바탕으로 물체를 3D로 인식하는 방식이다. ▲ 사물의 깊이 인식 측정 실험 결과. 한 번의 측정으로 사방에 놓여진 물체의 깊이 정보를 인식할 수 있음. 라이다 센서 기술은 애플 아이폰의 얼굴인식 기능인 ‘페이스아이디(Face ID)’에도 사용되고 있다. 아이폰은 포인트 클라우드를 형성하기 위해 생성기(Dot projector)를 사용하지만 점 패턴의 균일도와 시야각이 제한적이고 부피가 크다는 한계가 있었다. 이번 연구는 휴대전화와 가상현실(VR)·증강현실(AR) 안경, 무인 로봇이 주변 환경의 입체 정보를 인식하는 기술을 나노광학 소재로 실현했다는 데 의의가 있다. 나노 인쇄기술을 활용하면 안경처럼 곡면이 있는 물체나 휘는 유연 기판과 같은 표면에도 장착할 수 있어 AR글래스에 적용될 수 있을 것으로 보인다. 본 연구는 김인기 교수가 교신저자로 참여하였으며, 포항공대 노준석 교수 연구팀과 공동 연구로 수행되었다. 연구 결과는 국제학술지인 Nature Communications(IF 17.694)에 10월 10일(월) 온라인 게재되었다. 본 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원과 세종과학펠로우십 사업을 통하여 수행되었다.
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- 작성일 2022-10-21
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- 생명물리학과 안선주 교수 저서, 2022년 세종도서(기술과학분야) 선정
- 생명물리학과 안선주 교수 저서, 2022년 세종도서(기술과학분야) 선정 생명물리학과 안선주 교수의 저서 <표준전쟁> (출판사: 골든타임, 2021)이 2022년 세종도서 학술부문(기술과학분야)에 선정되었다. <표준전쟁>은 표준화의 중요성을 알리고, 치열하게 펼쳐지고 있는 표준전쟁에서 살아남을 다양한 방법을 제시한다. 표준이 없다면 저마다의 기준이 난무하는 복잡하고 불편한 사회가 된다. 이와 달리 공정하고 투명한 규범을 만들어 공유하면 편리하고 예측가능성이 높아진다. 그런 의미에서 표준은 인간의 생명을 보호하고, 자원 낭비를 최소화하며, 안전한 사회를 건설하는 필수 기준이 된다. 국내에서도 국가연구개발사업 등의 성과평가 및 성과관리에 관한 법률에 '표준'이 성과로 포함되면서 표준에 대해 알고 싶어 하는 사람들이 늘고 있다. 하지만 표준 지식 대부분이 암묵지 형태로 존재한다. 이 책은 암묵지에 의존하고 있는 대한민국 표준 지식을 형식지로 바꿔줄 수 있는 자세한 안내서이다. 표준화 방법과 절차를 사례를 들어 설명하고 있어 표준화 지식이 절실히 필요한 사람들의 갈증을 풀기에 충분한 책인 동시에 표준전쟁의 한복판에서 수많은 표준을 개발한 저자의 노하우가 담긴 책이기 때문이다. 특히 안선주 교수는 의료·건강·생명공학 분야에서 국제표준화를 선도하고 있다. 한편 안선주 교수는 2020년에도 <인공지능시대의 보건의료와 표준> (출판사: 청년의사, 2019)로 세종도서 학술부문에 선정된 바 있다.
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- 작성일 2022-10-21
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- 에너지과학과 김성웅 교수 공동 연구팀, 떠 있는 2차원의 순수한 양자 전자상 발견
- 에너지과학과 김성웅 교수 공동 연구팀, 떠 있는 2차원의 순수한 양자 전자상 발견 - 높은 온도에서의 양자 컴퓨팅 개발 연구로 확대 기대 ▲ 왼쪽부터 에너지과학과 김성웅 교수(교신저자), KAIST 물리학과 김용관 교수(교신저자), KAIST 물리학과 김성헌 박사(제1저자) 에너지과학과 김성웅 교수와 KAIST 물리학과 김용관 교수 공동 연구팀은 순수하게 전자만으로 이루어진 2차원 양자 전자상을 발견하였다. 연구팀은 이같은 내용을 과학기술 분야 국제학술지 ‘네이쳐 머티리얼즈’(IF: 47.656)에 발표했다. 자연계에서 전자(electrons)는 원자를 구성하는 요소로 원자핵과 결합한 상태로 존재한다. 따라서 오직 전자만으로 이루어진 순수한 전자상(electron phase)을 이루는 것은 실험적으로 불가능한 것으로 여겨져 왔다. 공동연구팀은 이러한 한계에서 벗어나 전자만으로 이루어진 순수한 양자 전자상(quantum electron phase)을 비어있는 공간에서 떠 있는 2차원 형태로 구현하였다. 연구팀은 미지의 순수 전자상을 실현시키기 위해 물질 내부의 빈 공간에 음이온 형태로 전자가 존재하는 전자화물(electride)이라는 새로운 양자 소재에 주목하였다. 전자화물은 전자가 원자의 최외각 궤도에 위치하지 않고, 규칙적으로 배열된 원자들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하는 신소재로 다양한 분야(촉매 등)로의 응용이 기대되어 왔다. 연구팀은 2차원 전자화물인 가돌리늄 탄소화합물(Gd2C)의 표면 원자층 제거를 통해 내부의 음이온 전자층을 비어있는 공간으로 드러내면 Gd2C 전자화물 원자층으로부터 떨어진 곳에 자유롭게 흐를 수 있는 일종의 액체와 같은 상태로 떠 있는 2차원 전자상을 구현해냈다. 특히 공동연구팀은 떠 있는 전자상의 전자 밀도를 제어해 액체 상태에서 전자가 고정되어 흐르기 어려운 전자 액정 상태로 변화시키는 데 성공했다. 액정 상태란 액체와 고체의 중간 특성을 보이는 상태를 일컫는다. 이는 형성된 2차원 전자상의 상태 변화를 이끌어 낼 수 있음을 보여주는 것으로, 1930년대에 이론적으로 제안된 이후 아직까지 물리학계의 난제로 남아있는 미지의 위그너 격자(Wigner crystal) 구현과 그에 관한 연구가 가능함을 보여주는 결과이다. 위그너 격자란, 원자가 정렬되어 고체 물질을 이루는 것과 같이 순수 전자가 원자핵 없이 규칙적으로 배열된 일종의 전자의 고체 상태를 일컫는다. 기존 순수 전자상은 극저온(0.1K 이하)에서 액체 헬륨을 이용하여 연구되어왔으나 이번 결과는 10K에서 고체 전자화물을 이용하여 순수한 양자 전자상을 발견한 것이어서 앞으로 전자만을 자유롭게 활용한 기초 및 응용 연구를 가능하게 할 것으로 기대된다. KAIST 김용관 교수는 “이번 연구는 순수한 전자계에서 전자 특성을 정확히 이해할 수 있는 기틀을 마련하였다”며 “위그너 격자에 대한 연구까지 확장 가능할 것”이라고 말했다. 에너지과학과 김성웅 교수는 “이번 연구로 누구나 쉽게 제조할 수 있는 전자화물 양자 소재의 2차원 양자 전자상을 활용하면 높은 온도에서의 양자 컴퓨팅 개발 연구로도 확대할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단의 미래기술연구실사업 및 대학중점연구소지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다. ※ 논문명: Quantum electron liquid and its possible phase transition ※ 저널: Nature Materials, https://www.nature.com/articles/s41563-022-01353-8 ▲ 전자화물 Gd2C의 결정구조 및 떠 있는 2차원 전자상(부유 전자층)을 보여주는 모식도(왼쪽)와 2차원 부유 전자층(오른쪽 위)과 계면 공간에 존재하는 음이온 전자층(오른쪽 아래)
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- 작성일 2022-10-05
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- 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 통증이 지속될 때 나타나는 뇌 네트워크의 변화 규명
- 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 통증이 지속될 때 나타나는 뇌 네트워크의 변화 규명 - 통증에 따른 뇌 네트워크 변화 패턴 모델링 - 뇌영상을 통한 개인의 통증 진단 및 변화 예측 가능 ▲왼쪽부터 우충완(교신저자), 이재중(제1저자, 박사과정), 이성우(공저자, 박사과정), 이동희(공저자, 석사과정) 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀은 최근 기능자기공명영상(fMRI)을 이용한 실험을 통해 통증을 계속해서 경험할 때 일어나는 뇌기능 네트워크의 변화를 규명하였다. 통증은 보통 유해 자극에 대한 반응에서 기인하지만, 최종적으로 경험하는 통증은 단순한 감각을 넘어서 감정, 기억, 생각, 신념과 같은 다양한 요소의 영향을 받으며, 특히 오래 지속되는 통증에서는 이러한 요소들의 복잡한 상호작용이 증상의 발현 및 악화와 완화에 더 중요해진다. 그러나 이러한 변화가 실제 인간의 뇌에서 어떻게 일어나는지는 현재까지 명확히 알려진 바가 없었다. 성균관대 우충완 교수 연구팀은 통증을 느끼는 동안 나타나는 뇌의 변화를 확인하기 위해 기능자기공명영상(fMRI) 실험을 진행하였다. 통증을 안전하면서도 효과적으로 유발하기 위해 연구팀은 소량의 캡사이신을 혀에 발라 20분가량 지속되는 통증을 유발하였다. 그리고 피험자가 입안에서 통증을 느끼는 동안의 뇌 기능적 네트워크의 변화 패턴을 그래프 이론을 통해 확인하였다. 참가자들이 지속적 통증을 느끼는 동안, 초반에는 통증의 감각 정보 처리와 관련되어 있다고 알려진 체성감각 뇌 네트워크가 다른 뇌 영역들과 광범위하게 연결되는 특징을 보이다가, 시간이 지나면서는 오히려 소뇌 및 다른 뇌 영역들 간의 연결이 증대되었다. 이러한 패턴을 학습한 기계학습 모델은 지속적 통증의 유무를 비교적 정확하게 판별할 수 있었을 뿐만 아니라 통증의 세기 또한 성공적으로 예측하였다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 본 연구에 대해 “통증 경험이 자극에 대한 수동적인 반응이 아니라 뇌의 적극적이고도 역동적인 대처 과정이라는 가설을 지지하는 증거”라며 “향후 만성 통증을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대한다”고 하였다. 제1저자인 이재중 박사과정생은 “이번 연구는 통증은 정적인 현상이 아닌 동적인 변화 과정임을 시사한다”며 “뇌 네트워크 수준의 연구가 통증 이해에 있어서 매우 중요하다는 것을 보여주는 새로운 증거”라고 하였다. 이번 연구는 이라이프(eLife, IF: 8.71)에 9월 29일 게재됐다.
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- 작성일 2022-10-05
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