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우리 학교 소프트웨어학과 조현석 교수팀이 미국 필라델피아에서 열린 인공지능 분야 국제학술대회 ‘AAAI 2025’에서 논문을 발표했다. 지난 2월25일부터 3월4일까지 개최된 '전미인공지능학회(AAAI, Association for the Advancement of Artificial Intelligence)‘는 ▲데이터 마이닝 ▲응용 모델 ▲기계학습 ▲컴퓨터 비전 등 인공지능 관련 연구를 다루는 세계적인 학회다. 이번 학술대회에는 전 세계의 관련 연구자들과 NEC, 바이두, 듀오링고, 앤트그룹(알리페이) 등 세계 AI 기업들이 참가했다. 우리 학교 조현석 교수(소프트웨어학과·인공지능융합학과) 연구팀은 이번 학회에서 '미분 가능한 카디널리티 제약 조건을 만족시키는 부분 인덱스 지수 추정(DCC: Differentiable Cardinality Constraints for Partial Index Tracking)'이라는 논문을 발표했다. 해당 연구에는 우리 학교 소프트웨어학과·인공지능융합학과 조현석 교수(사진 왼쪽)와 인공지능학과 석사과정 조우연 학생(사진 오른쪽)이 참여했다. 이 논문은 투자 포트폴리오 운영에서 널리 활용되는 S&P 500 지수 등과 같은 인덱스 지수 추정에서, 실거래 수수료를 줄이기 위해 몇 개의 주식들로만(카디널리티 제약 조건)으로 이를 추정하는 문제에 대한 내용을 담고 있다. 연구팀은 기존의 지수 추정 문제를 미분 가능한 형태로 근사화, 특정 조건에서 근사화한 해가 원래의 해를 만족시킬 수 있음을 수학적으로 증명하고, 실제 금융 데이터에서 활용가능한 미분가능한 부분 인덱스 추정 기술을 제안했다.연구팀은 기존의 포트폴리오 문제에서 널리 활용되는 지수 추정 문제 중 부분 지수 추정 문제에 대한 기술을 제안했다. 지수 추정 문제는 모든 종목을 활용하는 전체 지수 추종 문제와 일부 종목들만을 선별하는 부분 지수 추종 문제가 있으며, 실제 금융 도메인에서는 거래 수수료의 한계로 인해 부분 지수 추종 문제가 더 많이 사용된다. 연구팀은 기존에 제안되었던 부분 지수 추정모델들이 카디널리티 제약 조건을 적용한 기존 모델들의 미분 불가능성으로 인해 휴리스틱한 방법론들만을 적용할 수밖에 없었던 한계를 지적했다. 또한 이러한 한계로 인해 NP-hard 수준으로 문제의 복잡도가 증가하고, 해석 불가능함을 가진다는 것을 밝혀냈다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 미분 불가능한 기존의 부분 지수 추종 문제를 미분 가능한 형태의 근사 추정 모델로 수정하고, 이러한 근사 모델이 특정 조건을 만족할 때 오차가 없는 해를 가질 수 있다는 것을 수학적으로 증명했다. 또 수학적으로 증명한 모델을 실제 금융 데이터를 바탕으로 실험을 진행, 기존에 제안한 모델 대비 추정 오류가 더 적으면서도 해석가능한 형태의 모델임을 보여 그 우수성을 입증했다. 이번 연구는 ▲아주대 인공지능융합혁신대학원 사업 ▲사람중심 인공지능 핵심원천기술개발 사업 ▲나노 및 소재기술개발사업 소재 글로벌 영커넥트 사업의 지원을 받아 수행됐다.인공지능학과 석사과정 조우연 학생의 학회 발표 모습
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- 작성일2025-03-28
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우리 학교 황종국 교수팀이 차세대 보급형 배터리용 음극재를 개발하는 데 성공했다. 스마트폰부터 전기차까지 널리 활용되고 있는 리튬 이온 배터리의 핵심인 ‘리튬’의 가격 변동성과 수급 불안정성을 극복할 수 있는 계기가 될 전망이다. 황종국 아주대 교수(화학공학과, 위 사진)와 임은호 동국대 교수(화공생물공학과) 공동 연구팀은 메조다공 배향을 정밀하게 조절해 높은 출력과 긴 수명을 갖는 하드카본 음극재 개발에 성공했다고 밝혔다. 해당 연구 내용은 ‘나노 채널 배향을 통한 내부 접근성 조정으로 고속 칼륨 이온 저장이 가능한 메조다공성 탄소 구체(Tuning Internal Accessibility via Nanochannel Orientation of Mesoporous Carbon Spheres for High-Rate Potassium-Ion Storage in Hybrid Supercapacitors)’라는 제목으로 국제 저명 학술지 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)> 1월호 표지 논문(Front Cover)으로 게재됐다.아주대 황종국·동국대 임은호 교수가 공동 교신저자로 참여했고, 박종윤 아주대 석박사 통합과정생(에너지시스템학과)이 제1저자로 함께 했다. 대표적 이차전지인 리튬 이온 배터리(Lithium-ion Battery)는 스마트폰, 노트북 같은 소형 전자기기부터 전기차와 대규모 에너지 저장 장치까지 다양한 분야에서 필수적인 에너지 저장 장치로 자리 잡고 있다. 이 같은 배터리 산업의 성장에 따라 핵심 소재인 리튬(Lithium)의 수요가 급증하면서, 리튬의 가격 변동성과 수급 불안정성 또한 심화되고 있다. 게다가 리튬의 매장지가 호주, 중국, 남미 등 특정 지역에 집중되어 있어 ‘하얀 석유’로 불리며 전략적 안보 자산으로 부각되고 있다.이에 산업계와 학계에서는 리튬을 대체할 다른 배터리에 대한 연구를 활발히 진행하고 있으며, 나트륨 이온 배터리(Na-Ion battery)나 칼륨 이온 배터리(Potassium-ion battery) 등이 대체재로 떠오르고 있다. 특히 칼륨은 지구상에 풍부하게 존재하며, 리튬과 유사한 전기화학적 특성을 가지고 있다. 또한 가격이 저렴하고 채굴이 비교적 용이해 원료 수급이 안정적이다. 이러한 장점 덕분에 칼륨 이온 배터리는 지속 가능한 배터리 기술의 유망한 대안으로 평가받고 있다.그러나 칼륨 이온(K⁺)의 크기(1.38 Å)는 리튬 이온(Li⁺, 0.76 Å)보다 약 1.8배 크기 때문에 칼륨 이온의 삽입(Insertion)과 탈리(Extraction)과정은 리튬 이온에 비해 약 6배 더 큰 부피 변화를 초래한다. 그 결과, 기존 리튬 이온 배터리에서 음극재로 사용되는 흑연을 똑같이 활용하는 경우 배터리의 수명과 안정성이 크게 저하되는 문제가 발생한다. 이에 흑연보다 저렴하면서도 높은 구조적 안정성과 오랜 수명을 갖춘 고체 형태의 탄소 하드카본(Hard Carbon)이 칼륨 이온 배터리의 음극재로 주목받고 있다. 그러나 하드카본은 제한적인 출력 특성과 낮은 이온 저장 용량이라는 태생적 한계를 가진다는 점이 문제로 남아 있다.때문에 학계와 산업계에서 하드카본의 성능 향상을 위해 다공구조를 도입하는 방법이 널리 활용되어 왔다. 다공구조를 도입함으로써 이온 확산 경로가 개선되고 반응속도가 증가하며, 이온 저장 활성점의 농도가 향상되어 칼륨 이온의 저장 용량을 증가시킬 수 있다고 보고되어 온 것. 그러나 하드카본 음극재의 성능과 다공성 구조 간의 관계는 아직 명확히 규명되지 않았으며, 특히 나노 단위의 미세한 기공인 메조다공 하드카본 구조의 역할에 대한 통일된 이론은 부족한 상황이다. 기존 연구에서는 다공 구조뿐만 아니라 배터리 성능에 영향을 미치는 다양한 요인이 동시에 변화하여, 메조다공 구조가 음극재의 성능에 미치는 정확한 영향을 규명하는 데 어려움이 있었다. 때문에 이러한 연구의 공백을 해소하고 메조다공 구조의 역할을 명확히 밝히는 것은 중요한 연구 과제로 남아 있었다. 이에 아주대 공동 연구팀은 서로 다른 두 개 이상의 고분자를 물리적으로 혼합한 다성분계 고분자 블렌드의 자기조립(Self-assembly) 현상을 활용해 채널 타입 메조다공의 배향만이 선택적으로 조절된 2종의 모델 하드카본을 합성하고, 메조다공을 통한 칼륨 이온의 저장 및 이동 방식에 미치는 영향을 체계적으로 분석했다. 자기조립현상이란, 분자나 나노입자가 스스로 규칙적인 구조를 형성하는 과정을 말한다.연구진이 개발한 음극재 소재. 개방형 메조다공성 구형탄소의 TEM 이미지와 입자의 기공 형태를 나타내는 그림 개략도(왼쪽). 폐쇄형 메조다공성 구형탄소의 TEM 이미지와 입자의 기공 형태를 나타내는 그림 개략도(오른쪽)연구팀은 채널 타입 기공의 끝이 외부로 열린 개방형 메조다공성 하드카본과, 탄소벽 내부로 닫힌 폐쇄형 메조다공성 하드카본을 제조했다. 그리고 이 소재를 칼륨 이온 배터리의 음극재로 적용한 결과, 개방형 메조다공성 하드카본을 활용한 음극재가 폐쇄형 메조다공성 하드카본에 비해 약 30% 향상된 용량 및 출력 성능을 보임을 확인했다. 또한, 개방형 메조다공성 하드카본 음극재는 2만회의 충·방전 과정 이후에도 86%의 용량 유지율을 기록하며, 뛰어난 수명과 안정성을 입증했다. 연구팀은 메조다공 구조가 칼륨 이온 저장 활성점에 대한 접근성을 향상시켜 칼륨 이온 흡착 용량을 증가시키고, 칼륨 이온의 확산거리를 단축해 출력 특성을 개선함으로써 급속 충·방전 조건에서도 용량 감소 현상을 효과적으로 완화할 수 있음을 규명했다.황종국 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 그동안 미지의 영역으로 남겨져 있던 하드카본 음극재의 구조와 성능 간의 연관성을 독립적으로 분석할 수 있는 기틀을 마련했다”라며 “이번 성과는 칼륨 이온 배터리는 물론 나트륨 이온 배터리 같은 차세대 에너지 저장 소재 개발에도 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 전했다. 이어 “차세대 배터리에 활용될 고성능의 하드카본을 개발하기 위해서는 다공 구조가 음극재 성능에 미치는 영향을 명확히 이해하고, 이를 바탕으로 최적의 설계 원칙을 정립하는 것이 필수적”이라며 “이번 연구가 산업계의 하드카본 성능 최적화와 차세대 보급형 에너지 저장 기술의 발전에 중요한 역할을 할 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 한국전력공사의 지원을 받아 수행됐다.아주대 공동 연구팀의 연구 내용이 실린 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)> 표지. 개방형 메조다공성 구형탄소(오른쪽)에서 이온의 이동성이 폐쇄형 메조다공성 구형탄소(왼쪽)에 비해 크게 향상된 모습을 보여준다. 이와 같은 이온 이동성의 증가는 칼륨 이온 배터리 음극재의 고출력·장수명 성능을 획기적으로 향상시키는데 기여한다(이미지 제공 Wiley-VCH)
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- 작성일2025-03-21
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- 작성일2025-02-27
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우리 학교 기계공학과 연구진이 반복적으로 구기거나 접었다 펴도 끄떡없는 전개형 전자장치를 개발했다. 짓밟히고 구겨져도 살아남는 강한 생명력의 식물 질경이에서 영감을 받은 것으로, 그동안 전개형 전자장치의 한계로 여겨져 왔던 전도성과 내구성 문제의 해결에 기여할 수 있을 전망이다. 기계공학과 자연모사실험실 연구진은 고강도 섬유 케블라(Kevlar)를 활용해 전도성을 일정하게 유지하면서도 강한 내구성과 뛰어난 인장강도를 갖춘 전개형 전자장치 소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘구김과 장력에 대한 내피로성이 강화된 전개형 전자장치(Deployable Electronics with Enhanced Fatigue Resistance for Crumpling and Tension)’라는 제목으로 글로벌 저널 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)>에 1월 온라인 게재됐다. 기계공학과 한승용·강대식·고제성 교수가 공동 교신저자로 참여했고, 홍인식·노연욱 박사와 조중광 석사과정생이 공동 제1저자로 함께 했다. ‘전개형 전자장치’란 공간 활용도를 극대화하기 위해 평소에는 작게 구기거나 접어서 보관하다가 필요할 때 펼쳐 사용할 수 있는 기기로, 최근 스마트폰을 비롯한 디스플레이와 첨단 바이오·우주 산업 등에서 활용되며 관심이 높아지고 있다. 그러나 접히거나 구겨지는 부분에서의 전도성(傳導性)을 일정하게 유지하기 어렵다는 점과, 반복적으로 접었다 펴면서 발생하는 기계적 피로와 구조 변형 등 내구성이 여전히 문제로 남아 있다. 특히 유연성과 인장강도(Tensile Strength) 상충의 구조적·전기적 특성이 해결하기 어려운 도전 과제로 남아 있다. 소재의 유연성이 좋으면서도 소재를 잡아당기는 힘에 잘 견딜 수 있도록 만들기가 어렵기 때문이다. 아주대 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 강한 생명력으로 잘 알려진 식물 질경이(Plantago asiatica)의 잎맥 구조에서 영감을 얻었다. 질경이는 밟히고 넘어져도 살아나고, 쉽게 상처를 입지 않는 여러해살이풀이다. 질경이 잎맥은 강성(剛性)이 매우 높고 질긴 특성을 가지고 있다. 아주대 연구팀은 이러한 질경이의 형태와 특성에서 영감을 얻어, 고강도 섬유 케블라(Kevlar)를 새로운 전자복합소재에 적용했다. 연구팀은 고강도의 케블라(Kevlar) 섬유를 내장하기 위해 중립면 이론(Neutral Plane Theory)과 변형공학(eformation Engineering)을 기반으로 전자복합소재를 설계했다. 연구진은 이렇게 개발한 새로운 소재가 75만 회 이상의 반복적 구김 및 접힘과 자신의 무게 대비 6667배 이상의 하중을 견뎌내며 기계적·전기적 안정성을 유지함을 확인했다. 기존에 알려진 소재들과 비교할 때 15배 이상의 접힘 내성과 2배 이상의 인장강도를 보인 것이다.또한 연구팀은 새로운 소재의 구겨지거나 접히는 면에서의 전도성도 일정하게 유지됨을 확인했다. 기존 전개형 전자장치의 경우, 구김이나 접힘이 생기는 부분에서 전도성이 일정하게 유지되지 않는다는 한계가 있었다. 전도성이 일정하게 유지되면, 센서나 디스플레이 등의 용도로 보다 폭넓게 활용할 수 있다. 연구팀은 새로 개발한 소재의 성능을 확인하기 위해 이 소재를 풍선 타입의 센서 내장 전개형 그리퍼(Gripper)에 적용해, 반복적 접힘과 펴짐에도 불구하고 온도와 압력, 근접도 등의 데이터를 처음 수준과 동일하게 측정하는 센서를 구현했다. 또한 고강도의 케블라(Kevlar) 섬유 삽입을 통해 강화된 소재가 높은 인장강도를 보이며, 이러한 특성이 물체를 안정적으로 잡는데 기여함을 확인했다. (왼쪽) 강성이 높은 질경이의 잎맥 구조에서 착안해 개발한 고내구성 전자장치의 개략도. (오른쪽) 연구팀이 개발한 새로운 소재의 특성을 보여주는 일러스트 이미지로, 밟히고 눌려도 본연의 기능인 전도성이 유지됨(LED 불빛 유지)을 보여준다.이번 연구를 주도한 한승용 교수는 “짓밟히고 구겨져도 다시 일어나는 질경이에서 영감을 얻어 새로운 소재를 개발할 수 있었다”며 “이번 성과가 접는 전자장치와 같이 공간 활용도가 높은 전개형 전자장치의 내구성 문제를 해결하는 데 중요한 기여를 할 것”이라고 설명했다.한 교수는 이어 “구겨서 휴대할 수 있는 TV와 같은 디스플레이 분야나 인체 삽입형 바이오 센서, 우주항공산업 등 여러 분야에 쓰이는 전개형 구조물의 전도성을 안정적으로 유지하는 기반 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구지원과 나노·소재기술개발사업, 그리고 한국연구재단의 중견연구지원을 받아 수행됐다.아주대 기계공학과의 자연모사실험실(Multiscale Bio-inspired Technology Lab)은 자연계의 여러 생물에서 모티브를 얻어 공학적으로 구현하는 창의적 연구를 이어가고 있다. ▲거미 다리의 감지 기능을 모사한 의료용 센서 ▲소금쟁이를 비롯한 수면 생물의 움직임에서 착안한 수면 도약 로봇 ▲번데기 안의 나비 날개에서 영감을 얻은 스스로 주름을 펼 수 있는 디스플레이 장치 등이 자연모사실험실의 연구 성과다. 4번의 중복 접힘과 50N 이상의 인장력을 동시에 견디는 전자복합소재로서의 특성을 보여주는 그림. 아주대 연구팀이 새로 개발한 전자복합소재는 75만번 이상의 반복적 접힘과 펼침에서도 성능 유지 결과를 얻었고, 50N 이상의 인장력을 발휘한다. 이는 기존 선행연구 대비 15배 이상의 접힘 내성과, 2배 이상 향상된 인장강도를 의미한다* 위 사진 - 위 왼쪽부터 한승용 교수, 강대식 교수, 고제성 교수. 아래 왼쪽부터 홍인식 박사, 노연욱 박사, 조중광 석사과정생
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- 작성일2025-02-26
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우리 학교 화학과 연구팀이 참여한 국제 연구팀이 차세대 배터리인 리튬산소배터리의 효율과 안정성 문제를 해결할 새로운 산화-환원 매개체를 개발했다. 배터리의 성능 저하를 효과적으로 억제함으로써 수명 연장 및 성능 개선에 기여할 수 있을 것으로 보인다. 해당 연구는 ‘리튬산소배터리에서 활성 산소종에 대한 내성을 갖는 산화-환원 매개체(Reactive Oxygen Species Resistive Redox Mediator in Lithium–Oxygen Batteries)’라는 제목으로 화학 분야 국제 학술지인 <어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)>에 1월 온라인 게재됐다. 아주대 서성은 교수(화학과)와 울산과학기술원(UNIST) 곽원진 교수, 미국 오벌린 칼리지(Oberlin College) 슈밍 첸(Shuming Chen) 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 아주대 대학원 에너지시스템학과 황지원 학생은 공동 제1저자(석사과정)로, 아주대 차세대에너지과학연구소 최명수 연구원·대학원 에너지시스템학과 최하은 학생(석박사 통합과정)은 공동저자로 함께 했다.현재 상용화되어 널리 쓰이고 있는 리튬이온배터리는 스마트폰과 태블릿, 노트북, 웨어러블 디바이스 뿐 아니라 전기차나 하이브리드차에 활용되고 있다. 하지만 발화 및 폭발과 같은 안정성이나 에너지 용량의 한계 때문에 차세대 배터리 개발에 대한 관심이 높다. ▲전고체 리튬이차배터리 ▲리튬황배터리 그리고 ▲리튬산소배터리가 최근 활발히 연구되고 있는 차세대 배터리다.리튬산소배터리(Lithium–Oxygen Batteries)는 리튬공기배터리(Lithium–Air Battery)로도 불리는 차세대 배터리로 음극재로 리튬을, 양극재로 공기를 이용한다. 기존에 널리 이용되어온 리튬이온배터리와 작동 구조가 비슷하지만, 무게가 가볍고 10배 이상 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 충전 후 더 오랜 시간 사용이 가능하다. 또한 양극재로 산소를 사용하기 때문에, 외부 공기를 통해 산소를 계속 보충할 수 있는 장점이 있다.그러나 리튬산소배터리는 충·방전이 반복될수록 방전 과정 중 생성된 과산화리튬(Li2O2)이 공기극의 기공을 막아 실제 반응 가능 면적이 감소하고, 이로 인해 방전 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 충전 과정에서 과산화리튬을 분해하면서 발생하는 높은 과전압으로 인해 충·방전 효율이 낮아지는 것도 상용화를 어렵게 하는 요소로 작용하고 있다. 충·방전의 효율 저하는 리튬산소배터리의 상용화를 위해 해결되어야 할 가장 중요한 과제 중 하나다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스스로 산화·환원하며 과산화리튬을 분해하는 산화-환원 매개체(Redox mediator, RM)를 사용하면 높은 과전압을 낮추고, 리튬과산화물의 효율적 분해를 촉진할 수 있다. 충·방전 과정에서의 부반응을 줄이고 전지의 에너지 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 것. 하지만 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 일중항 산소와 같은 활성 산소종이 생성되며, 이로 인해 기존의 산화-환원 매개체가 분해되기 쉽다. 때문에 현재로서는 일중항 산소의 생성을 억제하면서도, 이에 의한 분해에 견딜 수 있는 산화-환원 매개체를 찾는 것이 매우 어렵다. 이에 공동 연구팀은 밀도범함수이론 계산과 실험적 접근을 결합한 합리적인 분자 설계를 통해, 일중항 산소 생성을 억제하면서 화학적으로 안정적인 두 고리 이합체 구조의 산화-환원 매개체 (7,7′-bi-7-azabicyclo[2.2.1]heptane, BAC)를 개발했다. 설계 과정 초기에 연구팀은 화학분야에서 널리 알려진 브레트 규칙(Bredt’s rule)을 적용했는데, 이는 고리화된 분자 구조 내에서 다리목(bridgehead) 위치에 이중결합이 존재하는 것이 불안정하다는 유기화학적 원칙이다. 연구팀은 한계에 봉착한 공학적 문제 해결방식에서 벗어나 기초과학의 원리를 이해하고 적용하는 것으로부터 시작했다. 이를 통해 분자의 화학적 안정성을 극대화하고, 일중항 산소에 대한 저항성을 높이는 새로운 산화-환원 매개체를 개발할 수 있었다. 서성은 교수는 “차세대 배터리인 리튬산소배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 여러 문제를 해결함으로써, 상용화를 앞당길 수 있는 기틀을 마련한 셈”이라며 “이번에 개발한 활성 산소종에 의한 기능 저하에서 자유로운 물질은 유사한 화학적 환경을 가진 다양한 에너지 저장 시스템 및 촉매 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다. 이어 “이번 성과는 자연과학의 깊은 이해와 그 이론의 실제 적용을 통해, 기초과학 원리가 현대 기술의 문제 해결에 어떻게 직접적으로 기여할 수 있는지를 보여주는 예”라며 “자연과학과 공학이 밀접하게 상호 보완적으로 발전할 수 있음을 시사하는 것”이라고 덧붙였다. 아주대 공동 연구팀이 개발한 산화-환원 매개체인 BAC의 구조 및 일중항 산소와의 높은 자유 에너지 반응 경로를 보여주는 그림. BAC가 리튬산소전지 내에서 일중항 산소에 대한 안정적인 성능을 유지하는 가역 사이클을 보여준다.* 위 사진 - 윗줄 왼쪽부터 아주대 서성은 교수, UNIST 곽원진 교수, 미국 오벌린칼리지 슈밍 첸 교수, 아래 왼쪽부터 아주대 대학원 에너지시스템학과 황지원 학생(석사과정), 아주대 차세대에너지과학연구소 최명수 연구원, 아주대 대학원 에너지시스템학과 최하은 학생(석박사 통합과정). 황지원 학생은 2025년 가을 학기부터 미국 일리노이대학교 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)에서 박사과정을 밟을 예정이다.
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