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팔라듐 나노와이어를 이용한 고민감도 고신뢰성 무선 수소 가스센서 개발
우리 대학 전기및전자공학부 윤준보 교수와 부산대학교 의생명융합공학부 서민호 조교수(KAIST 박사 졸업) 연구팀이 넓은 범위의 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고 민감도 센서 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. (제1 저자: KAIST 조민승 박사과정)
연구팀은 팔라듐 금속을 3차원 나노구조로 설계함으로써 나타날 수 있는 `팔라듐 상전이(phase-transition)* 억제 효과'를 통해 0~4% 농도의 수소가스를 높은 선형성으로 감지하는 무선 가스 센서 기술을 개발했다.
*상전이(phase transition): 화학, 열역학 및 기타 관련 분야에서 일반적으로 물질의 기본 상태(결정성, 고체, 액체, 기체) 사이의 변화를 뜻한다.
우리 대학 전기및전자공학부 조민승 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ACS 나노(ACS nano) 온라인판에 지난달 27일 게재됐으며, 그 우수성을 인정받아 추가 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Wireless and Linear Hydrogen Detection up to 4% with High Sensitivity through Phase-Transition-Inhibited Pd Nanowires)
(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01783)
수소가스는 에너지 효율성이 높고 연소 시 물을 생성하는 친환경적인 이점으로 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 무색, 무취의 수소가스는 4% 이상의 농도에서 낮은 발화에너지로 폭발하는 위험성이 크기 때문에 주의 깊은 사용과 관리가 필요하다.
다양한 방식의 수소가스 감지 기술 중, 팔라듐(palladium, Pd) 금속 소재 기반의 기술은 수소가 팔라듐 내부 격자 사이에 해리되어 팔라듐 하이드라이드(PdHx)를 형성하면서 저항이 바뀌는 간단한 원리로 동작할 뿐만 아니라, 상온에서도 수소가스를 선택적으로 감지할 수 있고, 반응 시 부산물이 없어 습도 안정성도 매우 우수하다는 장점이 있다.
하지만, 팔라듐은 상온에서 2% 이상의 수소가스에 노출되게 되면, 상 변이가 일어나면서 1) 센서로서의 농도 범위가 제한*되고, 2) 반응 속도가 지연*되며, 3) 내구성이 저해*되는 등 다양한 문제를 발생시켜, 최소 4%까지의 농도를 감지해야 하는 수소가스의 기초 요구 조건을 만족시키지 못하는 실정이다.
*1) 농도 범위 제한: 상 변이와 함께 팔라듐 내부에 수소가 포화되어 저항 변화가 더 이상 일어나지 않고 이로 인해 수소가스 감지 범위 특성이 저해되는 현상
*2) 반응 속도 지연: 상 변이에 의한 시간 소요로 느린 저항 변화를 보임
*3) 내구성 저해: PdHx는 상 변이하면서 10%가 넘는 부피 팽창이 발생하는데, 이때, 기계적인 스트레스로 인해 Pd의 파단이 일어남
이에, 연구팀은 나노미터 두께로 얇고 납작한 3차원 나노구조를 팔라듐에 도입함으로써 4%까지의 수소가스를 정확하게 측정할 수 있는 무선 팔라듐 수소가스 감지 기술을 세계 최초로 개발했다.
팔라듐이 얇고 납작한 3차원 나노구조로 기판에 형성되게 되면, 팔라듐이 수소가스에 노출돼도 쉽게 부피 팽창을 일으킬 수 없게 되고 내부에 높은 응력이 발생하게 된다. 이러한 응력은 팔라듐의 상전이 활성화 에너지를 높이게 되는데, 연구진은 이 현상을 이용해 4% 이상의 높은 수소가스 농도에도 상전이 없이 안정적으로 수소가스를 감지하는 팔라듐 나노구조를 개발할 수 있었다.
실제 연구진은, 15 나노미터 (nm) 두께와 160 나노미터 (nm) 폭으로 팔라듐 나노구조를 설계·제작했고, 이를 기반으로 제작된 센서 소자는 0.1~4%의 수소가스를 98.9%의 선형성(linearity)으로 감지하는 성능을 성공적으로 보였다. 특히, 연구팀은 개발한 소자에 BLE(Bluetooth low energy) 기술과 3D 프린팅 기술, 안드로이드 앱 개발을 통해 무선으로 수소가스를 감지하는 센서 시스템 기술도 시연했는데, 이 기술은 센서와 20 미터(m) 떨어진 상황에서도 스마트폰이나 PC로 수소가스 누출을 안정적으로 감지할 수 있게 한다.
연구팀 관계자는 "이번 결과는 2% 이상 고농도에서 측정이 어려웠던 기존 팔라듐 기반 수소가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있다ˮ고 말했다. 특히, "이번 센서 기술이 향후 수소가스를 이용한 청정에너지 시대에 안전관리를 위해서 활발히 활용될 수 있을 것ˮ이라고 기대했다.
한편 이번 연구는 2022년도 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업, 선도연구센터지원사업과 기본연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.06.28 조회수 7333 -
핫전자(뜨거운 전자) 이용, 온실가스 저감원리 규명
우리 연구진이 금속-산화물 계면에서의 촉매 화학 반응 과정에 대한 메커니즘을 직접 밝히고, *핫전자(뜨거운 전자)가 촉매 선택도를 향상시키는 데 결정적인 요소임을 실시간 핫전자 검출을 통해 입증했다.
☞ 핫전자(Hot electron): 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수와 같은 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때, 화학 에너지의 순간적인 전환과정에서 에너지가 올라간(물질의 자유전자보다 약 100배 높은) 상태의 전자를 말한다. 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용되는 매개체로도 사용된다.
우리 대학 화학과 박정영 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장), 신소재공학과 정연식 교수, 생명화학공학과 정유성 교수 공동연구팀이 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기틀을 마련했다고 8일 밝혔다.
현재 에너지 사용량 절감과 친환경 화학 공정 개발이라는 글로벌 도전 과제를 해결하기 위해 새로운 고효율 촉매 소재 개발은 필수적이다. 친환경 화학을 위한 불균일 촉매의 궁극적인 목표는 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 가진 재료를 설계하는 것이다.
많은 화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화는 에너지 변환 및 화학 합성에서 중요한 변환 과정이며, 특히 메탄올의 부분 산화를 통해 생성되는 메틸 포르메이트는 포름알데히드 및 포름산과 같은 귀중한 화학 물질의 화학연료로 사용되는 고부가 가치 생성물이다. 따라서 지구온난화 문제의 핵심인 이산화탄소의 저감과 고부가 가치 화학연료 생성의 향상을 위해서는 열역학적인 장벽을 뛰어넘어 높은 선택도를 가지는 우수한 성능의 촉매 개발이 필요하다.
공동연구팀은 이를 해결하는 방안으로, 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합시켜 `금속 나노선-산화물 계면'이 정밀하게 제어되는 신개념의 촉매를 개발했고, 더 나아가 금속 나노선-산화물 계면 기반의 `핫전자 촉매소자'를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다. 연구진은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소의 생성이 현저히 감소하는 점을 관찰했으며, 이 높은 선택도는 촉매 표면에 형성된 계면에서의 증폭된 핫전자의 생성과 연관이 있음을 규명했다.
또한 연구진은 계면에서의 증가된 촉매 성능을 실험뿐 아니라 이론적으로도 입증했다. 연구진은 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 증명했다.
연구를 주도한 화학과 박정영 교수는 "핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다ˮ며 "촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념은 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 이용될 수 있고 지구온난화의 주원인인 온실가스의 저감 등의 응용성을 가질 거라고 예상된다ˮ고 말했다.
나노선과 산화물의 접합 연구를 주도한 신소재공학과 정연식 교수는 "기존의 촉매 소자 시스템에서는 기술적으로 어려웠던 금속-산화물 계면에서의 핫전자 검출을 아주 정밀한 나노선 프린팅 기술로 인해 가능하게 만든 연구며, 이 기술은 향후 다양한 차세대 하이브리드 촉매 개발에 활용할 수 있으리라 기대된다ˮ고 말했다.
이론적인 계산으로 계면과 촉매 선택도 간 관계 입증을 주도한 생명화학공학과 정유성 교수 역시 "촉매 화학 반응에서의 선택도를 높이기 위해 금속-산화물 계면이 중요한 역할을 할 수 있음을 실험적 관찰과 이론적인 양자 계산을 통해 증명한 연구로, 불균일 촉매를 이용한 화학 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 언급했다.
우리 대학 화학과 이시우 박사가 제1 저자로 참여하고 기초과학연구원(IBS) 및 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 종합 과학분야의 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 4일 字 게재됐다. (논문명 : Controlling hot electron flux and catalytic selectivity with nanoscale metal-oxide interfaces)
2021.01.11 조회수 62263 -
서민호 박사, 윤준보 교수, 완벽 정렬된 나노와이어 옮기는 기술 개발
〈 서 민 호 박사, 윤 준 보 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 서민호 박사, 윤준보 교수 연구팀이 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발을 대면적의 유연 기판에 옮기는 데 성공했다.
이 나노와이어 전사(transfer) 기술은 기존 화학 반응 기반의 나노와이어 제작 기술이 갖고 있던 낮은 응용성과 생산성을 높였다는 의의를 갖는다.
서민호 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 나노 과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 5월 24일자에 게재됐다. (논문명 : Material-Independent Nano-Transfer onto a Flexible Substrate Using Mechanical-Interlocking Structure, 기계식 연동 구조를 활용하는 재료 선택폭 넓은 나노와이어 전사 방법)
대표적 나노 물질인 나노와이어는 작고 가볍다는 구조적 장점과 우수한 물리적, 화학적 특성 덕분에 소형 및 유연 전자 소자에 사용될 수 있다.
기존 나노와이어 전자 소자 제작은 화학적 합성법으로 제조된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 무작위로 뿌리는 방식을 활용했다. 이로 인해 같은 방법을 사용해도 제작된 전자 소자들의 특성이 매우 다르다는 불균일성 문제가 있었다.
이러한 문제 때문에 화학적 표면 처리를 이용한 나노와이어 전사 공정이 개발돼 유연 기판 위 정렬된 나노와이어를 균일하게 제작하는 방법이 개발되기도 했다. 그러나 이 기술은 화학적인 접촉력의 조절이 가능한 일부 나노와이어만 제작 가능하기 때문에 사용 범위가 극히 제한적이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기계식 접촉력 조절 원리를 활용하는 새로운 나노와이어 전사 기술을 개발했다.
이 기술은 전사의 모체(master mold)가 되는 나노그레이팅 기판(nanograting substrate)에 나노희생 층(nanosacrificial layer)과 나노와이어를 순차적으로 형성한 후, 나노희생 층을 건식 식각 공정을 통해 구조적으로 약하게 만든다.
나노희생 층은 나노와이어와 모체를 매우 약하게 연결하고 있기 때문에 이후 유연 기판이 되는 재료를 이용하면 마치 테이프를 이용해 바닥의 먼지를 떼어내듯 나노와이어를 쉽게 모체에서 유연 기판으로 옮길 수 있다.이 기술은 일반적인 물리적 증착법을 기반으로 제작되고 재료 의존성이 낮기 때문에 손쉽게 나노와이어를 유연 기판에 제작할 수 있다.
연구팀은 개발한 기술을 이용해 금, 백금, 구리 등 다양한 금속 나노와이어와 결정화된 금속 산화물을 유연 기판 위에 완벽하게 정렬해 제작했다.
또한 이를 유연 히터와 가스 센서 소자에 응용함으로써 실제 생활에 사용될 수 있는 안정적인 응용 소자를 구현할 수 있음을 증명했다.
서민호 박사는 “우수한 물성의 다양한 금속, 반도체 나노와이어를 웨이퍼 수준으로 완벽 정렬해 유연 기판에 옮기고 이를 소자 제작에 응용했다”며 “다양한 나노와이어 재료의 유연 기판 위 제작을 위한 플랫폼 기술로 고성능 유연 전자 소자의 안정적 개발에 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노종합기술원 오픈 이노베이션 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 연구팀의 기술로 제작된 금 단면
2018.05.29 조회수 10403 -
윤준보 교수, 700℃로 열처리된 나노와이어 옮기는 기술 개발
우리 대학 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 고온에 열처리된 나노와이어 다발 물질을 유연 기판에 옮기는 기술과 이를 이용한 고성능의 유연 에너지 수확 소자를 개발했다.
서민호 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 1월 30일자 온라인 판에 게재됐다.
대표적인 나노물질인 나노와이어(nanowire)는 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 1차원 구조에 기반한 우수한 물리, 화학적 특성과 높은 응용성 덕분에 과학 및 공학적으로 중요하게 사용되고 있다.
특히 완벽하게 정렬된 배열, 평균보다 긴 길이 등 특수한 구조를 갖는 나노와이어는 그 성능이 더욱 우수한 것으로 밝혀졌다. 따라서 나노와이어들을 손쉽게 제작 및 분석하고 이를 통한 고성능의 응용 소자를 구현하려는 연구가 활발히 진행 중이다.
최근에는 물리, 화학적으로 우수한 나노와이어를 유연 기판에 제작하고 고성능 웨어러블 센서 등의 유연 전자소자에 응용하는 연구가 각광을 받고 있다.
그러나 기존 기술은 화학적 합성법으로 제조된 나노와이어를 용액에 섞어 유연 기판에 도포하는 무작위 분포 방식을 활용했기 때문에, 나노와이어의 구조적 장점을 활용하는 고성능 소자의 구현에는 어려움이 있다.
최첨단 나노 공정법과 내열성을 갖는 유연 물질을 이용하기도 하지만 이는 경제적으로 비효율적이고 700℃ 이상의 초고온에서 안정적인 재료를 제작하기에는 부적합해 사용 범위가 제한적이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 대면적으로 제작된 실리콘 나노그레이팅(nano-grating) 기판과 나노희생 층(nano-sacrificial layer) 공정을 결합하는 새로운 나노 옮기기(nano-transfer) 기술을 개발했다.
이 기술은 옮기기의 틀(mold)이 되는 나노그레이팅 기판과 나노와이어 사이에 존재하던 나노희생 층이 열처리 이후 나노와이어를 유연 기판으로 옮길 때 희생 층이 없어진다.
이를 통해서 초고온에서 물성 확보가 된 나노와이어를 정렬된 형태로 유연 기판에 안정적으로 제작할 수 있다.
연구팀은 개발된 기술을 이용해 700℃ 이상부터 물성이 확보되는 티탄산바륨 나노와이어를 유연 기판 위에 완벽하게 정렬해 제작했다.
또한 이를 웨어러블 에너지 수확에 응용해 기존에 보고된 일반적인 티탄산바륨 나노와이어 기반 에너지 수확 소자의 특성을 뛰어넘는 높은 전기적 에너지를 얻었다.
이 기술은 반도체식 공정인 물리기상 증착법을 기반으로 제작하기 때문에 세라믹, 반도체 등 다양한 물질을 나노와이어의 유연 기판 위 제작에 활용 가능하다.
유연 트랜지스터, 열전소자 등 다양한 고성능 유연 전자소자 제작에 활발히 이용 가능할 것으로 기대된다.
서민호 박사과정은 “물성이 향상된 나노와이어 물질을 유연 기판 위에 옮기고 이를 이용한 소자 수준의 성능 향상을 선보였다”며 “다양한 나노와이어 물질의 유연 기판 위 제작 및 고성능 웨어러블 전자 소자의 구현에 기반이 될 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 도약연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1.티탄산바륨( BaTiO₃) 나노와이어를 이용한 전사의 광학적, 물질적, 단면 전자현미경 결과
그림2. 개발된 새로운 나노와이어 전사 공정 과정과 나노희생층 식각 원리의 모식도
그림3. 에너지 수확소자의 모식도와 검지에 부착된 소자의 에너지 수확 실험 광학사진
2017.02.23 조회수 15332 -
빛으로 수리되는 전기회로 세계최초 개발
# 휘어지는 전자기기가 나오면서 금속 재질의 전기회로는 균열로 인한 불량이 발생할 가능성이 점점 높아지고 있다. 미세하면서도 구조가 복잡해 수리보다는 키트 단위로 부품을 교환하거나 고칠 수 없어 아예 못쓰게 되는 경우도 많다.
# 아이언맨과 같은 인간형 로봇이나 웨어러블 컴퓨터에 사용되는 금속전선은 지속적인 움직임으로 인해 끊어질 수 있기 때문에 상용화에 앞서 반드시 해결해야할 과제다.
우리 학교 생명화학공학과 박정기·김희탁 교수는 성균관대학교 성균나노과학기술원(SAINT) 이승우 교수와 공동으로 끊어진 전기회로에 레이저를 쪼여주면 단락된 부분이 원래 상태로 다시 붙어 전기가 통하게 되는 ‘빛을 이용한 자기회복 전기회로’를 세계최초로 개발했다.
개발된 회로는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 발표용 레이저포인터를 2분 정도 조사하는 것만으로도 끊어진 부위를 처음처럼 완벽하게 수리할 수 있다. 휘고 접고 비틀어도 잘 작동되는 연성기판을 사용하기 때문에 플렉시블 전자기기나 웨어러블 컴퓨터는 물론 움직임 많은 인간형 로봇의 전선으로 적용해 단락 시 곧바로 수리할 수 있다.
최근 얇고 휘어지는 고집적회로를 내장한 전자기기 개발이 활발해짐에 따라 전기회로에 구부림 등 외부 자극으로 인해 내부 전기회로가 손상될 수 있다. 고밀도 회로가 적용된 탓에 고장 난 부분만 수리하기가 어려워 주로 모듈단위로 바꿔야하기 때문에 비싼 수리비용과 자원낭비 문제가 대두되고 있다.
연구팀은 조사되는 빛의 편광 방향과 나란하게 움직이는 아조고분자를 휘어지는 성질이 있는 연성필름에 코팅했다. 그 위에 전기전도도가 우수하며 손쉽게 합성이 가능한 은나노와이어(은으로 이루어진 나노사이즈 막대기)를 도포해 휘어지는 전기회로를 완성했다.
완성된 자기회복 전기회로를 테스트해보기 위해 연구팀은 회로에 인위적으로 균열을 만들어 단락시켰다. 회로가 끊어진 부분에 500mw/cm2(단위면적당 발광 에너지) 세기의 레이저 빛을 조사하자 아조고분자가 편광방향과 나란하게 움직였다. 이와 동시에 도포된 은나노와이어가 아조고분자와 같이 움직여 끊어진 부분이 다시 접착돼 단락된 전기전도도가 회복됐다.
박정기 KAIST 교수는 “플렉시블 전자기기의 전기회로 단락문제를 해결해 전자기기 사용수명을 연장시킬 수 있는 가능성을 제시했다”며 “영화 속 아이언맨도 탐낼만한 차세대 신기술”이라고 말했다.
이승우 성균관대학교 교수는 “기존 자기회복 전기회로 기술의 단점이었던 고온을 사용하거나 해로운 용매를 사용하는 것과 같은 복잡한 회복과정이 없다”며 “주변에서 쉽게 구할 수 있는 레이저를 쏘아주면 끊어진 전기전도도가 회복되는 전기회로를 세계 최초로 개발했다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
한국연구재단이 추진하는 일반연구자사업의 지원을 받아 KAIST와 성균관대학교 교수진의 지도아래 KAIST 강홍석 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 재료 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 9월 16일자로 실렸다.
1. 아조고분자 필름에 크랙을 인위적으로 발생시킨 후 빛을 조사해 크랙을 회복시키는 이미지. 조사한 빛은 크랙과 수직한 편광을 갖는 빛이다. 2분의 조사시간만으로도 크랙을 완전히 회복시킨다.
2. 끊어진 전기회로가 다시 접합되는 과정
①아조고분자 필름 위에 은나노와이어를 도포한 후 인위적으로 크랙을 발생시켜 전기전도도 단락을 일으킨다. ②빛을 조사하여 아조고분자의 이동을 유도한다. ③그 효과로 인해 도포된 은나노와이어를 끌고 이동시켜서 다시 은나노와이어 접착을 유도한다. ④단락된 전기전도도가 회복된다. (회복과정으로 인해 'K‘ 모양으로 배열된 전구에 빛이 다시 들어오는 것을 보여줌)
3. 은나노와이어가 도포된 아조고분자 필름의 연성특성 파악. 구부림, 꼬임 등에도 모두 전기전도도를 유지한다. 자기회복 과정을 거친 후에도 전기전도도 특성을 유지한다.
4. 제작한 자기 회복 필름의 웨어러블 기기 적용 가능성 파악. 장난감 손에 아래와 같이 회로를 연결한 후 반복적 구부림을 통해 전기전도도 단락을 시킨 다음 빛을 조사해 전기전도도를 회복할 수 있다.
2014.10.15 조회수 16580 -
빛의 속도로 빠른 단방향 광전달 소자 개발
우리 학교 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 반도체 나노와이어를 이용해 빛을 한쪽 방향으로만 선택적으로 전달할 수 있는 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 광자 다이오드 구조는 직경이 수백 나노미터에 길이가 수 마이크로미터 정도로 크기가 매우 작아 고집적회로에 사용할 수 있으며 입사광의 편광방향에도 덜 민감해 효과적으로 활용가능하다.
집적회로에서 전자의 흐름을 제어하는 다이오드를 전자 대신 빛을 이용해 구동하는 방식으로 만들면 정보를 초고속으로 처리하고, 전송 손실이 작아지기 때문에 에너지 소비를 줄일 수 있어 꼭 필요한 미래기술이다.
그러나 기존에 비대칭메타물질이나 광결정구조 등을 이용한 기존의 광자 다이오드 방식은 크기가 커서 고집적회로에 적용하기 어렵다. 또 입사광의 편광방향과 입사 각도에 민감해 제한된 환경에서만 사용할 수 있었다.
연구팀은 수 마이크로미터 이하의 질화물반도체 나노와이어를 이용해 양 방향으로 빛이 나오는 강도가 크게 다른 높은 효율의 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 반도체 나노와이어는 길이 방향으로 큰 에너지 차이를 보이는데 이는 나노와이어에 형성된 양자 우물의 두께와 양자우물 층의 인듐 함량을 길이 방향으로 연속적으로 제어했기 때문이라고 연구팀은 전했다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “길이 방향으로 나타나는 에너지의 큰 차이는 비대칭적으로 빛의 진행을 일으켜 광자 다이오드로서 작동하게 되는 것”이라며 “집적회로에서 전자 대신에 광자를 활용하면 정보의 전달속도가 빛의 속도에 근접할 정도로 빨라질 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 9월10일자 표지논문으로 게재됐다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수의 지도를 받아 고석민(제1저자)·공수현(제2저자) 박사과정 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원 사업과 KAIST EEWS 연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
반도체 나노와이어로 만든 광자 다이오드가 광집적회로에 적용된 가상의 모습
2014.09.22 조회수 12118 -
오래가는 리튬황 이차전지 개발
- 리튬이온전지 보다 에너지밀도가 5배 이상 높은‘리튬황 전지’개발 -
우리 학교 신소재공학과 김도경 교수는 EEWS 최장욱 교수와 공동으로 현재 상용화중인 리튬이온 배터리의 수명 및 에너지 밀도를 크게 뛰어넘는 리튬황 전지를 개발했다.
연구결과는 나노소재 분야 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3일자 표지논문(frontispiece)으로 실렸다.
개발된 리튬황 전지는 △단위 무게당 에너지 밀도가 최대 2100Wh/kg로 상용화 중인 리튬이온전지(최대 387Wh/kg)의 5.4배에 달하고 △기존에 개발된 리튬황 전지가 갖는 충·방전에 따른 급격한 용량감소 문제를 해결해 수 백 번 충·방전이 가능하다.
김 교수 연구팀은 나노 전극 재료합성기술을 활용, 두께 75nm(나노미터) 길이 15㎛(마이크로미터)의 황 나노와이어를 수직으로 정렬해 전극 재료를 제작했다.
제작된 황 나노와이어 정렬 구조는 1차원 구조체로 빠른 전자의 이동이 가능해 전극의 전도도를 극대화시켰다.
이와 함께 황 나노와이어 표면에 균일하게 탄소를 코팅함으로써 황과 전해액의 직접적인 접촉을 막아 충·방전 중 황이 녹아나는 것을 방지, 리튬황 전지가 갖는 수명저하 문제를 해결했다.
기존에 개발된 리튬황 전지용 전극은 초기에 높은 용량을 보임에도 불구하고 충·방전을 반복함에 따라 지속적인 용량감소를 보였다.그러나 개발된 전극은 빠른 방전속도(3분마다 1회 충·방전 조건)에서 300회의 충·방전 후에도 초기 용량의 99.2%를 유지했고 1000회의 충·방전 후에도 70%이상 용량을 나타냈다.
따라서 이차전지에서 가장 중요한 특성인 수명, 에너지 밀도 등에서 기존의 어떠한 전극보다 성능이 우수한 세계 최고 수준으로 평가받고 있다.
김도경 교수는 “개발된 리튬황 전지는 무인기, 전기자동차 및 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “대표적인 차세대 이차전지인 리튬황 전지의 오랜 난제인 수명저하의 해결방안을 찾아 세계 최고 수준의 성능을 구현해 내 이 분야에서 우리나라가 기술 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
한편, 연구팀은 관련 기술에 대해 국내 특허 1편과 PCT 국제 특허 1편의 출원을 완료했다.
□ 그림설명
그림1. 개발된 리튬황 전지수명특성 그래프, 300회의 충·방전 시에도 초기 용량의 99.2%의 성능을 낸다.(좌측) 1000회 충·방전에도 높은 성능을 유지한다.(우측)
그림2. 탄소 코팅된 황 나노 와이어 정렬 구조(좌측상단 1, 2 프레임), 단일 황 나노와이어(좌측 하단), 황 나노 와이어 정렬 구조 모식도(우측)
2013.12.03 조회수 15596 -
레이저 이용한 초고속 나노물질 생산 공정 개발
- 레이저를 원하는 위치에 쪼여 나노물질 성장 세계 최초 성공 -- “획기적 공정 단축을 통해 나노소자 상용화에 기여할 것” -
우리 학교 기계공학과 여준엽 박사와 고승환 교수 공동연구팀은 집광된 레이저를 이용해 나노물질을 원하는 위치에 초고속으로 만드는 기술을 개발했다.
연구결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)" 7월 9일자 표지논문(frontispiece)에 실렸다.
이번에 개발된 기술을 활용하면 기존에 수 시간에 걸쳐 만들었던 나노와이어를 단 5분 만에 성장시킬 수 있어 소요시간이 약 1/10로 단축됐다. 또 이미 발표된 수많은 나노물질 합성법과는 달리 공정이 매우 단순해 나노소자 대량생산과 상용화 가능성을 제시한 것으로 학계와 산업계는 평가하고 있다.
기존에 나노물질을 합성 및 성장시키기 위해서는 900~1000°C의 높은 온도에서 폭발성 혹은 독성이 있는 위험한 기체를 사용해왔다. 이를 전자 소자나 전자기기로 응용하기 위해서는 합성 후 분리, 집적, 패터닝 등 복잡한 공정을 거쳐야하는 단점이 있었다.
따라서 다단계의 공정과 고비용, 비환경적인 특성 때문에 나노소자의 대량생산과 상용화에 커다란 걸림돌이 되고 있었다.
연구팀은 기판위에 나노물질 전구체(어떤 물질이 되기 전단계의 물질)를 올려놓은 후 집광된 녹색파장 대역의 연속파형 레이저를 조명해 원하는 위치에 나노와이어를 합성하는데 세계 최초로 성공했다.
이 기술을 이용하면 나노물질의 집적 및 패터닝은 물론 단 한 번의 공정으로 기능성 나노소자 제작이 가능하다.
이와 함께 기판의 종류에 상관없이 공정이 가능해 유연한 플라스틱 기판에도 적용 가능하다. 또 3차원 구조물 위에서도 자유롭게 원하는 위치에 단순 레이저 조명만으로도 나노 물질을 합성, 패터닝 할 수 있다.
여준엽 박사는 이번 연구에 대해 “빛에너지를 이용해 나노물질을 합성, 집적, 패턴, 소자제작을 한 번에 가능케 하는 새로운 공정을 세계 최초로 개발했다”며 “향후 기능성 전자 소자 개발에 드는 시간을 기존의 10분의 1도 채 안되는 수준으로 단축할 수 있다”고 말했다.
여 박사는 향후 다양한 나노물질의 조합을 통해 다기능 전자 소자의 개발의 상용화와 대량생산 공정을 개발할 계획이다.
여준엽 박사와 고승환 교수팀이 주도한 이번 연구는 KAIST 기계공학과 성형진 교수, 홍석준 박사과정, 강현욱 박사과정, 미국 UC Berkeley 그리고로폴로스 교수, 이대호 박사가 참여했으며, 한국연구재단 중견도약사업과 지식경제부 협동사업, 글로벌프런티어사업, KAIST EEWS 연구단의 지원을 받았다.
붙임 : 그림설명
그림1. 레이저 조명을 쪼여 원하는 위치에 합성된 나노 물질
그림2. 개발된 공정을 이용해 3차원 구조물 위에 합성된 나노 물질
그림3. 합성된 나노 물질을 통해 제작된 기능성 전자 소자
그림4. 어드밴스트 펑셔널 머티리얼스 프런티스피스 표지 사진
2013.07.17 조회수 18236 -
이제는 세포 내부도 훤히 들여다본다!
- 실제 내시경보다 10만배 작은 나노와이어기반 세포내시경 개발 -
- 세포내 생물학적 현상을 관찰해 질병을 효과적으로 치료할 수 있게 될 것 -
- 연구 우수성 인정받아 네이처 나노테크놀로지 12월호 온라인 판 게재 -
우리 대학 바이오 및 뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 미세한 빛을 주고받을 수 있는 광학 나노와이어를 이용해 세포내에서 나오는 미세한 광학신호를 세계 최초로 검출하는 데 성공했다.
이 기술개발로 사람의 내장 장기를 직접 관찰하는 내시경처럼 세포의 손상 없이 고해상도로 세포 내부를 관찰할 수 있게 됐다. 이에 따라 세포 내에서 일어나는 미세한 생물학적 현상을 연구해 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 기대된다.
최근에는 광학적 회절한계를 극복하는 초고해상도현미경이 개발돼 배양된 세포를 관찰하는 데 사용되고 있다. 그러나 매우 복잡하고 거대한 시스템이 필요해 생체 내 불투명한 부위에 위치한 세포를 실시간 관찰하기에는 역부족이었다.
연구팀은 나노와이어의 지름은 100나노미터(1나노미터는 10억분의 1m)로 세포에 삽입해도 손상되지 않을 만큼 작게 만들고, 재료는 빛이 잘 통과하는 주석산화물로 구성된 반도체를 사용했다.
개발한 나노와이어를 빛의 송수신에 많이 사용되는 광섬유 끝에 연결해 광섬유로부터 나오는 빛이 나노와이어를 통해 세포 내 특정부위에 전달되고, 또한 세포에서 나오는 광학신호를 검출하는 데 성공했다.
이와 함께 연구팀은 나노와이어에 세포가 손상되지 않는 것에 착안해 나노와이어의 끝에 빛에 반응하는 물질을 입히고 이를 세포에 삽입했다. 그런 다음 빛을 전달하면 그 물질이 빛에 반응해 세포내로 침투하는 것을 확인했다. 따라서 약물을 세포 내 특정부위에 효과적으로 전달해 치료목적으로도 이용할 수 있는 가능성을 제시했다.
박지호 교수는 "이번 연구에서는 생체 외에서 배양된 세포에만 적용했지만 곧 이 기술을 생체 내에 위치하는 특정세포를 아주 미세하게 광학적으로 자극하고 조정할 수 있게 될 것“이라며 ”앞으로 생체 내 특성부위의 세포 안에서 일어나는 생물학적 현상을 연구해 질병을 효과적으로 치료하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 "네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)" 12월 18일자 온라인 판에 게재됐다.
한편, 이번 연구는 다학제간 협력을 통해 수행됐으며, KAIST 박지호 교수를 비롯해 생명화학공학과 양승만 교수와 허철준 박사, 고려대학교 생체의공학과 최연호 교수, UC 버클리대 화학과 페이동양(Peidong Yang) 교수와 류슈에 얀(Ruoxue Yan) 박사 및 바이오공학과 루크 리(Luke Lee) 교수가 참여했다.
2012.01.10 조회수 12597 -
숲을 모방한 차세대 태양전지 기술 개발
- 산화아연 나노와이어 이용해 염료감응형 태양전지 효율 3~5배 향상
- 세계적 학술지‘나노 레터스(Nano Letters)’ 1월호 온라인 판 게재
우리나라 태양전지 연구개발 수준이 글로벌 경쟁력을 갖추게 됐다.
우리학교 기계공학과 고승환·성형진 교수팀이 숲을 모방한 산화아연 기능성 나노구조체를 만드는 기술을 개발하고, 이 기술을 염료감응형 태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 세계 최고 수준으로 크게 향상시켰다.
염료감응형 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)는 주로 산화티타늄(TiO2) 나노입자로 이루어진 무질서한 다공성 구조체를 전극 재료로 이용한다. 이 전극에서 생성된 전자가 다공성 구조체를 지나면서 생기는 정공-전자 재결합으로 인해 에너지 손실이 많았다.
연구팀은 자연계에서 무성한 나뭇가지로 나뭇잎이 햇빛을 효과적으로 흡수할 수 있도록 한 구조에 착안해, 산화아연(ZnO) 나노와이어로 합성된 ‘나노 나무’와 그들의 집합체인 ‘나노 숲’을 구현했다.
이 나노구조체를 이용해 광반응으로 생성된 전자의 손실을 크게 줄여 염료감응형 태양전지의 효율을 3~5배 향상시키는 데 성공했다. 또한, 이 구조는 염료감응형 태양전지에서 산화티타늄 나노다공성 구조체의 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성도 세계 최초로 제시했다.
고승환 교수는“이번 신물질과 새로운 기능성 나노구조체 개발에 대한 연구로 태양전지 효율을 극대화해 이 분야에서 세계적 수준을 갖추게 됐다”며, “나노구조체가 광센서 디스플레이등의 다양한 전자기기의 성능향상의 연구에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 창의적 연구 진흥사업과 신진연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학의 세계적 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 1월호 온라인 판에 게재됐다.
2011.01.31 조회수 14617