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신소재공학과 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진을 위한 태양광 물분해 광전극과 저항변화메모리의 기술융합

신소재공학과 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진을 위한 태양광 물분해 광전극과 저항변화메모리의 기술융합 - 뛰어난 내구성과 높은 수소변환 효율 동시에 달성 - 이론값 대비 80%에 도달하는 광전극 소자 개발 - 에너지 분야의 세계적 학술지 Advanced Energy Materials 9월호 표지논문 선정 [그림] 조형균 교수, 김동수 연구원(왼쪽부터) 성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학과 조형균 교수 연구팀(제 1저자 김동수 연구원)이 수소에너지를 생성하는 광전극의 상용화를 위해 차세대 메모리로 주목 받고 있는 저항변화메모리소자(ReRAM)의 전도성 필라멘트 기술을 광전극에 도입하는데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 누구도 시도하지 않은 전도성 필라멘트의 기술력을 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 상용화의 가능성을 확인하고, 무한한 청정에너지인 태양광과 물을 기반으로 그린수소를 생성할 수 있는 광전극의 효율을 이론값 대비 80% 수준까지 달성했다. 친환경 수소에너지는 태양광에너지를 흡수하여 물을 그린수소로 변환함으로써 얻을 수 있다. 이때 광전극은 태양광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하여 광전류를 형성한다. 하지만, 기존의 광전극은 의도하지 않은 자발적 광부식이 발생하여 장시간 안정성을 보장할 수 없었다. 이를 해결하기 위해 내식성이 뛰어난 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 표면보호층 적층기술이 연구되었으나, 표면보호층의 낮은 전도성 때문에 극심한 광전류의 손실이 야기된다. 결과적으로 광전극의 장시간 안정성과 수소변환 효율이 상충관계(trade-off)를 가지게 되어 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 이에 조형균 교수 연구팀은 저항변화메모리 소자에서 반도체의 전도성을 인위적으로 제어할 수 있는 전도성 필라멘트 기술력을 광전극에 적용하였다. 산화구리(Cu2O) 기반의 광전기화학셀에 필라멘트 기술 도입은 세계 최초 시도이며, 연구진은 전도성 필라멘트의 메커니즘까지 규명하였다. 광전극 내부에 산소공공(Oxygen vacancy)으로 구성된 필라멘트를 전기화학적방법으로 형성하여 이산화티타늄(TiO2)의 전도성을 증가시키며 광전류를 11.9mA/cm2(산화구리 광음극 world record, 이론값 대비 약 80%) 까지 달성하였고 약 100시간 이상의 장시간 안정성까지 동시에 보장하였다. 또한 수소 변환 촉매인 백금(Pt)을 전도성 필라멘트 영역에 광전기화학증착방법을 통해 선택적으로 성장시키는 기술도 효율 향상에 큰 기여를 하였다. 조형균 교수는 “본 연구는 태양광과 물을 통해 무한한 그린수소의 시대를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 메모리 반도체에 사용되어온 기술을 수소 생산에 적용한 창의적인 아이디어로 융합연구의 좋은 본보기가 된 결과이다”고 말했다. 본 연구에서는 산화구리 기반의 광전극에 전기화학적방법으로 영구적인 전도성 필라멘트를 인위적으로 형성하여 기존의 광전극과 비교하여 광전류를 10배 이상 증가시켰다. 대면적화, 고효율, 저비용을 가능케 하는 전기화학증착 방법을 기반으로 구성된 광전기화학셀은 시간당 188μmol/cm2의 그린수소를 생성하였으며, 광전극에서 생성된 전하가 인위적 필라멘트를 통하여 가속전달 되는 전도성 메커니즘을 새롭게 규명하였다. 본 연구는 국가연구과제 "광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리분야(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지를 장식했다. ※ 논문명 : Towards simultaneous achievement of outstanding durability and photoelectrochemical reaction in Cu2O photocathodesviaelectrochemicallydesignedresistiveswitching

2021-09-15

전자전기컴퓨터공학과 손동희, 박진홍 교수 공동연구팀, 신축성 인공신경 기반의 센서 및 디스플레이 통합 시스템 개발

전자전기컴퓨터공학과 손동희, 박진홍 교수 공동연구팀, 신축성 인공신경 기반의 센서 및 디스플레이 통합 시스템 개발 - SKKU-IBS-SNU 공동연구, 어드밴스드 머터리얼즈 9.12(일) 논문 게재 - 센서 입력부와 작동 출력부 및 뉴로모픽 구성 요소를 모두 통합한 시스템 개발 - 차세대 지능형 웨어러블 시스템 개발 연구 혁신 기대 기존의 신축성 전자소자는 동적 환경에서도 탁월한 전기적․기계적 신뢰성으로 인해 스마트 인공피부에 사용할 수 있는 모듈로 널리 알려져 왔다. 그 결과 촉각, 열, 습도와 같은 다양한 외부 자극을 모니터링하고 처리된 정보를 감각 신경에 전달할 수 있는 감각(센서) 지능(뉴로모픽) 시스템(sensory intelligent system)이 많은 분야에 응용되고 있다. 하지만 각 센서 입력부와 작동 출력부를 뉴로모픽 구성 요소와 함께 통합하여 하나의 시스템으로 만드는 것은 여전히 어려운 문제다. [그림1] 박진홍 교수, 손동희 교수, 윤지용 연구원(왼쪽부터) 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀(제1저자 윤지용 박사과정)은 전자전기컴퓨터공학과 박진홍 교수 연구팀, 서울대학교 곽정훈 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 인공 기계적 감각 수용체, 인공 시냅스 및 인공 표피 광학 액추에이터로 이루어진 생체 기능 모방 신축성 감각-뉴로모픽 시스템(Stretchable sensory-neuromorphic system)을 개발했다. 연구팀이 개발한 시스템은 각각 정전용량식 압력 센서, 차세대 비휘발성 저항 변화 메모리인 RRAM 및 양자점 발광 다이오드로 구성되었다. 또한 효과적인 응력 분산이 가능한 rigid-island 구조를 통해 피부 변형 범위 (약 25%의 변형률)에서도 안정적으로 실시간 촉각 감지, 패턴 학습․추론, 피드백 발광 시각화가 가능하다. 연구팀은 전극이 기하학적으로 접히거나 펴지는 효과(물결 모양 디자인)를 이용한 기존 rigid-island 구조 대신 용매의 증발 속도를 제어하여 160%의 높은 신축성 및 18,550S/cm의 높은 전도도를 갖는 소결 없이(sinter-free) 인쇄 가능한 본질적으로 신축성 있는 전극을 이용한 rigid-island 구조를 사용했다. 고안된 디자인을 통해 열에 민감한 신축성 전자 소자의 열 열화를 방지하면서도 기존의 물결 모양 디자인을 이용한 신축성 소자 대비 면적밀도와 구조적 안정성을 모두 개선하였다. 나아가 연구팀은 피부 변형 범위에서도 훈련 및 추론을 할 수 있는 인공신경망(Artificial Neural Network)을 통해 다양한 패턴의 자극을 정확하게 인식해낼 수 있었다. 손동희 교수는 “스마트 인공피부 분야의 한계였던 하나의 시스템으로의 통합을 혁신적으로 개선시킬 수 있는 새로운 패러다임의 생체 기능 모방 신축성 감각-뉴로모픽 시스템을 개발한 것으로, 개인 맞춤형 생체 신호 모니터링으로 치료 및 재활에 크게 기여할 수 있다”며 “향후 빅데이터․인공신경망 기반의 차세대 지능형 웨어러블 시스템을 개발 및 구현하는 데 아주 중요한 초석이 될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업(신진연구 No. 2020R1C1C1005567), 과학기술정보통신부-정보통신기획평가원 정보통신․방송 기술개발사업(No.2020-0-00261), ICT명품인재양성사업(IITP-2020-0-01821), SMC-SKKU 미래융합연구 과제의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 권위 있는 국제 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials, IF: 30.849)에 9.12(일) 게재되었다. * 논문명 : A bioinspired stretchable sensory-neuromorphic system

2021-09-14

에너지과학과 신현정‧화학공학과 박남규 교수 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 안정화 기술 개발

에너지과학과 신현정‧화학공학과 박남규 교수 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 안정화 기술 개발 - 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화 가능성 앞당길 것으로 기대 [그림] 박남규 교수, 신현정 교수, 서성록 박사(왼쪽부터) 성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 신현정 교수(제1저자 서성록 박사)와 화학공학과 박남규 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 고효율 및 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다. 연구진은 비정질 이산화 티타늄 박막의 페로브스카이트 태양전지 적용에 대한 새로운 활용법을 연구하여, 기존 태양전지의 효율증가와 안정성을 약 3배 이상 향상시킬 수 있는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 안정화 기술을 개발한 것이다. 이로써 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 앞당길 것으로 기대를 모으고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 빛, 수분, 열 등의 다양한 환경요인에 의해 열화가 촉진되며, 태양전지의 안정성이란 이러한 요인들에 저항해 초기의 성질을 유지하는 능력을 뜻한다. 연구진은 페로브스카이트 소재 자체뿐만 아니라 소자를 이루는 다양한 구성층(전하수송층 및 전극)의 안정성 도모를 통해 태양전지의 열화를 막는 연구를 추진했다. 페로브스카이트 태양전지의 유기 정공수송층(Spiro-OMeTAD)은 고효율 특성을 위한 필수적인 구성층이지만, Li 첨가제 및 상부 전극물질의 확산문제로 인해 소자의 장기수명을 저하시키는 주요인이다. 이에 연구팀은 이러한 물질 확산에 의한 열화를 방지하는 방법으로 원자층 증착법을 이용한 Spiro-OMeTAD/TiO2 복합층을 고안했다. 원자층 증착법은 조밀한 막질을 균일하고 정밀하게 성장시킬 수 있는 박막형성법으로 Spiro-OMeTAD와 전극 사이에 위치할 경우 우수한 확산방지막으로 활용될 수 있으나, 이 경우 홀수송이 가능한 p형반도체만이 가능하다는 기술적 한계가 있었다. TiO2 박막은 근본적으로 n형 반도체의 성질이 있지만, 원자층 증착법을 활용해 비정질 TiO2 박막을 형성했을 때 고밀도의 트랩준위형성으로 홀을 수송할 수 있는 충분한 채널이 형성됨을 확인하였고, 연구팀은 이를 홀수송이 가능하며 동시에 이온 확산을 방지하는 복합기능성 박막으로 활용하였다. [연구 그림] 페로브스카이트 태양전지 효율 특성 평가 곡선 (전류밀도 vs. 개방전압) 본 연구에서 제작한 페로브스카이트 태양전지는 기존 소자 대비 실제 작동환경(1sun, AM 1.5G illumination with maximum power point tracking)에서 약 3배 이상 향상된 안정성을 보여주었다. 페로브스카이트 태양전지의 수명 문제를 극복할 실마리가 될 이번 성과는 과학정보기술통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 ACS Energy Letters(IF = 23.101), JCR 상위 3.58%(12/335, 재료과학/융복합분야)에 8.27(금) 게재되었다.

2021-09-09