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- SAINT 강보석 교수-포스텍 공동연구팀, 자유자재로 늘리고 접고 비틀어도 끄떡없는 반도체 기술 개발
- 성균관대-포스텍 공동연구팀, 자유자재로 늘리고 접고 비틀어도 끄떡없는 반도체 기술 개발 - 고신축성·고성능 반도체 고분자 유기반도체 기술 개발 ▲ SAINT 강보석 교수 자유자재로 늘리거나 접고 비틀어도 끄떡없는 스트레처블(stretchable) 전자소자의 개발을 위해서는 변형된 상태에서도 전기 성능이 떨어지지 않는 신축성 반도체 소재의 개발이 필수적이다. 그러나 전자소자를 늘리는 경우 단순히 구부리거나 돌돌 마는 경우와 비교해서 전자소자를 구성하는 반도체층에 10배 이상의 물리적 스트레스를 가하게 되어 심각한 전기 및 기계적 파괴를 일으킨다. 지금까지 유기 반도체 소재의 신축성 확보와 동시에 늘려진 상태에서 전기적 성능을 우수하게 유지하기 위한 연구는 꾸준히 진행됐으나, 신축성과 전하 이동 성능 측면에서 아직 초보적인 수준에 머물러 있다. 나노과학기술학과 강보석 교수와 POSTECH 화학공학과 조길원 교수 공동 연구팀은 신축성과 전기적 성능의 안정성을 동시에 향상할 수 있는 새로운 신축성 고분자 반도체 소재 기술 개발에 성공했다. 기존 고분자 반도체 소재는 늘렸을 때 서로 얽혀있던 고분자 사슬들이 비가역적으로 미끄러져 고분자 사슬 사이에 틈이 생기는데, 이에 따라 소재의 파괴가 일어나고 전기적 성능이 저하된다. 연구팀은 새로운 광가교제를 사용해 고분자 사슬 사이에 가교 그물 구조를 형성함으로써 고분자 사슬이 인장으로 인해 비가역적으로 미끄러지는 현상을 억제했다. 개발된 광가교제는 유연한 사슬 형태로 설계되었으며 분자의 양 끝에 아자이드* 반응기를 지니고 있어 자외선을 쪼이면 고분자 반도체와 가교 반응을 일으켜 그물 구조를 형성해 반도체 고분자 소재의 신축성을 증가시킨다. * 아자이드(Azide): 화학식에 N3−를 가지고 있는 등전자성의 선형 음이온. 하이드라조산(HN3)의 짝염기이며, 높은 반응성으로 인하여 주로 차량용 에어백의 추진제로 사용된다. 연구팀이 개발한 신축성 고분자 반도체 소재는 기존 반도체 소재 대비 인장 강도, 파괴 시의 연신율*, 반복 인장 안정성 등의 기계적 특성이 크게 향상됐다. 특히, 가교된 반도체 박막은 80% 늘린 상태에서도 전기적 특성을 최대 96% 보존하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 새로운 광가교 소재 기술은 패터닝 기술을 이용해 대면적 신축성 유기 반도체 패턴을 제작할 수 있어 차세대 신축성 전자소자 제작에 유용하게 활용될 것으로 기대된다. * 파괴 연신율(Fracture strain): 박막이 기계적 변형으로 인하여 찢어지는 그 순간의 인장 변형률 연구팀은 “고분자 유기 반도체 박막에 아자이드 광가교제를 도입하여 고분자 사슬 간의 상호 작용을 강화하는 가교 그물 구조를 형성함으로써 박막의 기계적 변형에 의한 큰 변형을 견디면서도 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있었다.”며 “고분자 반도체 소재의 신축성을 개선하는 간단한 방법을 제공할 뿐만 아니라 패터닝 기술에 접목하기 쉬워 향후 높은 산업적 효용을 지니고 있다.”고 말했다. 한편, 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 국제협력 네트워크 전략강화사업으로 수행한 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 상위 5% 이내 권위지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)지 표지논문으로 게재됐다. 출처: 성균관대학교 홈페이지 성대뉴스 읽기 https://www.skku.edu/skku/campus/skk_comm/news.do?mode=view&articleNo=105807
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- 작성일 2023-05-10
- 조회수 1667
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- SAINT 전일 교수 연구팀, 빛 증폭시키는 나노입자 신규물질 합성 및 페로브스카이트 소자 적용 보고
- SAINT 전일 교수 연구팀, 빛 증폭시키는 나노입자 신규물질 합성 및 페로브스카이트 소자 적용 보고 - Wiley EcoMat 저널, Korea TOP 3 University 특별호 게재 - 불순물로 여겨지던 나노 입자를 페로브스카이트 광전 소자에 세계 최초 적용 나노공학과 전일 교수와 한지예 박사는 탄소나노튜브(CNT) 합성과정에서 발생하는 불순물 즉, 캡슐화된 금속 나노입자(Carbon-Encapsulated Metal Nanoparticles, M@C NPs)를 재활용하여 페로브스카이트* 태양전지에 세계 최초로 적용하였다. 이를 통해 버려지는 물질을 에너지 소자의 광학적 특성을 증대하는 소재로 가치를 높였다. * 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있음 [그림 1] 업사이클링 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지 [그림 2] 탄소나노튜브 성장과정에서 생성된 캡슐화된 금속 나노입자(M@C NP)의 TEM 이미지 및 EDS 분석 결과 CNT를 합성하기 위해서는 필수적으로 촉매 역할을 하는 금속물질이 필요한데, 촉매는 CNT 성장에 도움을 주기도 하지만 합성과정에서 촉매 입자 또한 CNT의 주성분인 탄소로 둘러싸이게 된다. 그 결과, 캡슐화된 금속 나노입자(M@C NP)가 생성되며, 이는 탄소나노튜브의 순도(Purity)에 영향을 끼치기 때문에 일반적으로는 불순물인 M@C NPs을 분리 추출하여 버리거나 생성을 최소화시키기 위해 노력해 왔다. 본 연구팀은 버려지는 이 M@C NPs를 광전소자에 세계 최초로 적용하여 기존 금속물질 적용으로 인해 발생했던 페로브스카이트의 결함 형성 및 이온 이동(Ion migration)으로 인한 소자의 안정성 저하 문제를 해결하였다. [그림 3] FeC@C NPs 층의 유무 및 위치에 따른 페로브스카이트 결정질 변화를 보여주는 SEM 결과 페로브스카이트 태양전지 (Perovskite Solar Cells, PSCs)의 효율을 높이기 위해 나노 입자(Nano Particles)를 활용하여 광학적 특성을 증대하는 연구가 활발히 이루어져왔다. 하지만 금속 나노 입자가 페로브스카이트와 직접적으로 접촉할 경우 결정 형성에 영향을 줄 뿐만 아니라 결함 형성 및 이온 이동(Ion migration)으로 인해 소자의 안정성이 저하되는 문제를 야기한다. 하지만 본 연구에 사용된 FeC@C NPs는 FexC1-x(Iron Carbide) 입자들이 탄소로 둘러싸여 캡슐화되어 있는 입자이기 때문에 종래기술의 문제인 페로브스카이트와의 접촉으로 인해 발생했던 문제점들을 모두 해결할 수 있다. [그림 4] a-b) 시간 경과에 따른 DLS 분석 결과, c) 시간에 따른 나노 입자의 크기 변화 TEM 결과 또한, 나노입자들은 시간이 지날수록 응집하는 성질을 가지고 있다. 본 연구에 사용한 M@C NPs 입자들이 모여있을 경우, 탄소와 탄소 사이에 π-π Interaction으로 인해 일정한 간격(Gap)이 발생하며, 이때 발생하는 간격을 이용하여 광학적 효과(플라즈모닉스 효과, Plasmonic effect)를 추가적으로 활용할 수 있다. 더불어 FeC@C NPs의 응집체의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어 활용 가치가 매우 높다. [그림 5] FeC@C NPs을 적용한 PSC의 결과; FeC@C NPs의 위치에 따른 각 태양광 파라미터를 비교한 그래프 전일 교수는 "생각의 전환을 통해 불순물로만 여겨졌던 물질을 광전소자의 광학적 특성을 증대시키는 중요한 소재로 탈바꿈" 하였다며 "금속을 다른 금속으로 대체할 수 있기에 향후 광학 특성을 극대화가 필요한 다양한 소자에 맞춤 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전과 환경문제 개선에도 도움을 줄 것"이라고 연구 의의를 밝혔다. 전일 교수 연구팀의 이번 연구는 한국과학기술정보통신부(MSIT)의 한국연구재단(NRF-2021R1C1C1009200, NRF-2021M3H4A6A01045764) 및 교육부, 한국연구재단(NRF)이 지원하는 BK21 FOUR(대학원혁신)의 지원과. 핀란드 아카데미(ANCED project)의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀의 이번 연구성과는 Wiley사 신생저널인 EcoMat(IF: 12.213)의 대한민국 탑3 대학교 특집호*에 3월 21일(화) 게재되었다. * 2022년 THE세계대학랭킹 기준 ※ 논문명: Upcycled synthesis and extraction of carbon-encapsulated iron carbide nanoparticles for gap Plasmon applications in perovskite solar cells ※ DOI: https://doi.org/10.1002/eom2.12342 ※출처: 성균관대학교 홈페이지 성대뉴스 https://www.skku.edu/skku/campus/skk_comm/news.do?mode=view&articleNo=105182
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- 작성일 2023-05-08
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- 남정석 박사과정생 SAINT 대표로 President’s List 총장상 수상
- 지난 2022년 12월 26일에 열린 President’s List 총장상 수여식에서 남정석 학생(박사 과정, 전일 교수 연구실)이 SAINT 대표로 수상하였습니다. 남정석 학생은 박사과정 2년차인 당시 주저자 논문 6편(Adv. Energy Mater, Adv. Funct. Mater 등), 총 12편의 논문을 게재하였으며 현재 더욱 많은 실적을 내고 있습니다. 진심으로 축하 드리며 앞으로도 SAINT 나노공학과에 좋은 소식이 많이 들려오길 기원합니다.
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- 작성일 2023-04-04
- 조회수 1897
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- SAINT 전일 교수 공동연구팀, 액체형 신규고분자 활용 고성능 페로브스카이트 태양전지 보고
- SAINT 전일 교수 공동연구팀, 액체형 신규고분자 활용 고성능 페로브스카이트 태양전지 보고 - 부산대와 공동연구로 Advanced Energy Materials에 22일 논문 게재 - 액체형 고분자로 고성능 태양전지 제작하고 고효율 인증서 확보 ▲ (왼쪽부터) 전일 교수, 김규선 박사, 한지예 박사, 이상수 박사과정생 성균나노과학기술원(SAINT) 전일 교수 연구팀은 부산대 도정윤 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 액체형 고분자를 합성하여 페로브스카이트* 태양전지의 첨가제로 적용하였다. 이를 통해 높은 광전효율뿐만 아니라 단락 전류 밀도(JSC)와 필 팩터(FF)가 대폭 증가하였음을 밝혀냈다. (그림 1) * 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있음 [그림1] 액체형 디티오카보네이터계 고분자를 첨가제로 사용한 성능 페로브스카이트 태양전지 개발 지금까지 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells, PSCs)의 고성능화를 위해 다양한 고분자 재료가 개발되어 왔다. 일반적인 고분자 첨가제는 극성 용매에 불용성을 가지고 있어, 안티 솔벤트(anti-solvent)에 용해시키는 등의 제한적인 방법을 사용해 왔다. 극성용매에 용해가 가능한 친수성 고분자 재료들의 경우, 일반적으로 유리전이 온도(Tg)가 상온이상으로 80~100도씨 사이에 대부분 형성되어 있어 어닐링(annealing) 프로세스에서 고분자의 변형이 일어나 페로브스카이트 층 내 결정화와 같은 다양한 문제를 야기할 수 있다. [그림2] a) 액체형 디티오카보네이트계 고분자의 합성경로 b) 고분자의DSC 커브 c) 페로브스카이트 전구체 첨가 계략도 전일 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 액체형의 디티오카보네이트계(dithiocarbonate) 고분자를 리빙(living) 양이온 개환중합을 통해 합성하였다. 이 물질은 낮은 Tg 및 1에 근접한 PDI 기반의 단분산성(monodispersity)*의 특징을 가지며, 응집없이 페로브스카이트 전구체와 뛰어난 혼화성을 가지기 때문에 첨가량을 자유롭게 조절할 수 있어 다양한 방법으로 활용가치가 매우 높다. * 단분산성(monodispersity): (콜로이드 시스템의) 유사한 크기의 입자를 가지는 것 합성된 액체형의 디티오카보네이트계 고분자는 페로브스카이트 전구체에 다른 용매없이 첨가할 수 있어 정확한 첨가량을 확인할 수 있으며, 기존의 페로브스카이트 필름보다 안정적으로 제작할 수 있다. 그 결과, 범용성 고분자 첨가 방법의 한계를 극복함과 동시에 페로브스카이트 결정 크기 및 결정질 향상을 통해 소자의 효율 또한 증대시켰다. [그림3] a-d) 보고된 고분자 첨가제를 사용한 PSC와 각 태양광 파라미터를 비교한 그래프e) 액체형 디티오카보네이트계 고분자를 첨가한 PSC에 얻은21.96%의 효율성을 증명하는 한국에너지기술연구원(KIER) 인증서 이에 본 연구진은 극성/비극성 용매에 대한 용해성과 무관한 액체형 고분자를 페로브스카이트 흡수층에 단독으로 직접 첨가하여 페로브스카이트 층의 페시베이션(passivation)*과 템플릿(template) 효과를 통해 페로브스카이트 태양전지 고성능화를 실현하였다. 해당 결과는 고분자 첨가제를 사용한 태양전지의 중 가장 높은 효율 및 파라미터 결과를 실현하였고 한국에너지기술연구원(KIER)에서 공인인증을 받았다. * 패시베이션(passivation): 표면의 반응을 막기 위해 용매 등의 처리를 통해 피막을 형성하여 부동태화하는 공정 전일 교수는 “액체형 디티오카보네이트계 고분자는 황을 포함하는 다양한 고분자 합성 및 소자 적용이 가능하고, 페로브스카이트의 결정 성장 및 페시베이션 효과를 극대화하여 페로브스카이트 태양전지의 고성능화에 관한 새로운 재료 합성의 시발점이 될 것” 이라며, “향후 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자 및 디스플레이 분야에서의 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 연구팀의 이번 연구는 한국과학기술정보통신부(MSIT)의 한국연구재단(NRF-2021R1C1C1009200, NRF-2022R1I1A01065316) 지원을 받아 수행하였으며, SAINT-MBraun Application Laboratory에서 제공한 MBraun사의 Glove box를 사용하여 고효율 태양전지를 보고할 수 있었다. 공동연구팀의 이번 연구성과는 세계적 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)에 게재되었다. ※ 논문명 : Liquid-State Dithiocarbonate-based Polymeric Additives with Monodispersity rendering Perovskite Solar Cells with Exceptionally-High Certified Photocurrent and Fill Factor ※ DOI : https://doi.org/10.1002/aenm.202203742 ○ 관련 언론보도 - 성균관대, 고성능 페로브스카이트 태양전지 보고 <내일신문 3월 1일> ○ 게시글 출처 : 성균관대학교 홈페이지, 성균 뉴스 / 작성자: 홍보팀 https://www.skku.edu/skku/campus/skk_comm/news04.do?mode=view&articleNo=104257
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- 작성일 2023-03-27
- 조회수 1861
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- 성균나노과학기술원 유연정 박사과정생, 아산사회복지재단 의생명과학분야 대학원 장학생 선발
- 성균나노과학기술원 유연정 박사과정생, 아산사회복지재단 의생명과학분야 대학원 장학생 선발 성균나노과학기술원 (SAINT) 유연정 박사과정생 (지도교수 임용택 교수)이 2023년 ‘아산사회복지재단 의생명과학분야 대학원 장학생’으로 선발되어, 2월 23일 (목) 아산생명과학연구원에서 장학증서를 수여받았다. 유연정 학우가 받은 의생명과학분야 대학원 장학생은 국내 41명, 해외 22명 등 총 63명으로 졸업 시까지 매년 2,000 ~ 4,000만원을 지원받게 되고, 유연정 학우는 성균나노과학기술원 (SAINT) 나노과학기술학과 박사과정 3학기에 재학 중이며, 장학금액은 연 2,000만원을 지원받을 예정이다. 유연정 학우는 생체친화성 소재를 이용한 항암면역치료제와 감염성 백신을 개발하는 연구를 진행하고 있다. 최근에는 종양미세환경에서 선천성 면역인자를 동력학적으로 조절함으로써, T 세포 활성화를 효과적으로 유도하면서도, 면역 관문 단백질의 발현을 억제할 수 있는 신규 플랫을 개발하여, 2023년 1월, 다학문적 과학 분야 세계적 권위의 학술지인 ‘Nature Nanotechnology’에 제1저자로 논문을 게재한 바 있다. 장학생으로 선정된 유연정 학우는 “아산재단 장학생이 되어 너무 영광스럽고, 앞으로 책임감과 사명감을 갖고 항암면역치료제와 감염성 백신을 개발 연구에 집중하여 의생명과학분야 발전에 기여를 할 수 있는 연구자가 될 것 ”이라고 말했다.
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- 작성일 2023-02-28
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- SAINT 강보석 교수 연구팀, 고분자 물성 예측 및 최적 공정 탐색 시스템 개발
- “실제 제작하지 않아도 알 수 있다”... SAINT 강보석 교수 연구팀, 고분자 물성 예측 및 최적 공정 탐색 시스템 개발 기존의 소재 탐구 연구는 재료 및 무게 조합 비율 등을 보고 유기 화학 반응의 결과를 예상해 원하는 물성을 갖는 고분자를 합성한다. 하지만 정확한 예측은 불가능하기에, 그동안의 연구는 원하는 생성물을 확인할 때까지 공정을 여러 번 반복되게 된다. 이 때문에 실험 작업은 일반적으로 시간과 비용이 많이 소모된다. 이런 한계를 극복하기 위해 최근에는 인공지능을 활용해 유기 화학 반응의 결과를 예측하는 연구가 학계에 활발히 보고되고 있다. 하지만 예측 정확도를 높이기 위해선 대규모 데이터를 이용하여 인공지능을 학습시켜야 하지만 일반적으로 이에 필요한 충분한 양(천 개 이상)의 고분자의 데이터가 구축 또는 배포돼 있지 않다. 성균나노과학기술원(SAINT) 강보석 교수 연구팀은 과거 연구자들이 축적한 CNT*/ABS** 고분자와 관련된 만 개 이상의 대규모 데이터를 모아, 이를 학습에 활용할 뿐만 아니라 이에 적합한 모델 구조를 설계했다. 그 결과 훈련되지 않은 데이터에서도 인공지능 모델에게 공정 정보를 입력하면 고분자 물성을 매우 우수한 정확도로 예측하였다. 하지만 반대 과정인, 원하는 물성의 고분자를 합성하기 위한 최적의 공정을 탐색하는 과정은 정의역이 여러 개의 치역에 대응되는 문제이기에 인공지능 모델의 학습이 발산되는 문제점이 있다. 따라서 강보석 교수, 고종환 교수 공동연구팀은 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 기존 과정과 결합해 원하는 물성의 고분자를 합성 가능한 최적의 공정을 탐색하는 시스템을 구축했다. * CNT: 탄소 나노튜브를 뜻하며 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체이다. 탄소 나노튜브는 여러 특이한 성질을 가지고 있어서 나노기술, 전기공학, 광학 및 재료공학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰일 수 있다. ** ABS: 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile), 뷰타다이엔(Butadiene), 스타이렌(Styrene)의 약자로 3가지 중 스타이렌이 주원료다. 일반적으로 가공이 쉽고 내충격성이 크고 내열성도 좋은 범용 열가소성 플라스틱이다. 강보석 교수는 "이번 연구로 축적된 많은 양의 데이터를 재사용하여 인공지능을 학습함과 동시에, 효과적인 인공지능 모델 구조를 개발함으로써 높은 예측 정확도를 가진 고분자-인공지능 시스템을 구축할 수 있었다"며 "또한 이 시스템을 활용하면 실험 비용과 시간을 대폭 낮출 수 있어 높은 산업적 효용을 지니고 있다"고 말했다. 이번 논문은 성균관대 인공지능학과 소창록 석사과정이 제1저자로 참여했으며, 전자전기공학부 고종환 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 이번 연구 결과는 재료-인공지능 분야 권위있는 학술지 Advanced Intelligent Systems 2월호의 표지논문으로 선정되었다. 이번 연구는 산업통상자원부와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.
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- 작성일 2023-02-23
- 조회수 1541