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국내 연구진이 물리학계에서 오랫동안 풀리지 않았던 문제인 마찰전기 대전열의 메커니즘에 대해 이론과 실험을 통해 규명하는 데 성공했다. 이에 마찰전기를 이용한 초소형 IoT 기기, 생체 삽입형 소자와 같은 응용 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대된다. 아주대 조성범 교수(첨단신소재공학과, 위 사진 왼쪽) 연구팀은 마찰전기 대전열이 시시각각 다르게 변화하는 메커니즘을 이론과 실험을 통해 규명해냈다고 밝혔다.이번 연구 성과는 물리학 분야 저명 학술지 <피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)> 10월20일 자에 게재됐다. 논문 제목은 ‘마찰전기의 불확실성과 재현 불가성에 대한 기계 화학적 메커니즘 연구(Uncertainty and Irreproducibility of Triboelectricity Based on Interface Mechanochemistry)’다. 조성범 아주대 교수와 정창규 전북대 교수(위 사진 오른쪽)가 교신저자로, 현재 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 마리퀴리 펠로우로 재직 중인 줄리오 파티(Giulio Fatti) 박사가 제1저자로 참여했다. 마찰전기는 두 물체가 접촉할 때, 한 물체는 양전하로 다른 한 물체는 음전하로 전기를 띄게 되는(대전, 帶電) 현상이다. 이 현상은 이미 기원전 2500년 전에 발견되었고, 스웨터를 벗을 때 생기는 정전기나 금속으로 된 문고리를 잡을 때 생겨나는 정전기와 같이 우리 실생활에서도 쉽게 목격할 수 있다. 마찰전기는 또한 특정한 물체 사이에서만 생겨나는 것이 아니라, 모든 물질 사이의 접촉에서 생겨난다. 심지어 액체와 고체, 기체와 기체에서도 관측된다. 번개에 축적되는 전하 역시 구름에 있는 물 분자 사이의 접촉에 의한 마찰전기다. 하지만 마찰전기에 대한 과학적 원리는 아직도 미지의 영역으로 남아있다. 약 500년 전부터 과학자들은 어떤 물질은 조금 더 양전하로, 또 다른 물질은 조금 더 음전하로 각각 대전되는 경향을 발견하고, 여러 가지 물질들을 순차적으로 정리하여 ‘마찰전기 대전열’이라고 이름 붙였다. 그러나 아직도 마찰전기 대전열이 어떤 원리로 결정되는지는 완벽하게 밝혀지지 않았다. 심지어 마찰전기 대전열에서 하나의 위치가 아닌 여러 위치에 동시에 존재하는, 불확실하며 재현이 잘 되지 않는 이상한 물질들이 존재하고 있다. 이러한 문제는 마찰전기 대전열에 대한 연구가 시작된 이래 계속 난제로 남아있었다. 최근 글로벌 학계와 산업계에서는 일상 생활에서 흔하게 발생하나 활용하기 어려웠던 작은 움직임을 전기 에너지로 쓰기 위해 에너지 하베스팅(energy harvesting technology) 기술에 많은 관심을 가져왔다. 그러나 마찰전기의 과학적 원리에 대한 불확실성과 디바이스 활용을 위한 신뢰성 문제가 발목을 잡아 왔다. 아주대 공동 연구팀은 이러한 난제를 규명하기 위해 양자역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 마찰전기 기반 전자소자를 제작, 전자와 이온의 흐름에 대해 연구했다. 연구팀은 대부분의 물질들에서 전자들이 한 물질로 옮겨갔다가 돌아오지 못하면서(갇힌 전하 이론) 마찰전기가 발생하게 되는 것을 발견했고, 이런 현상이 마찰전기 대전열의 경향성과 잘 맞는 것을 확인하였다. 그러나 대전열에서 이상 현상을 보이는 물질의 경우에는 두 물체가 접촉할 때 전자뿐 아니라 물질에 붙은 이온도 함께 이동하며 전자가 돌아오거나 경로가 굉장히 달라질 수 있고, 전하가 갇히는 지의 여부도 달라지는 것을 확인했다. 특히 두 물질이 접촉할 때마다 이온의 분포가 바뀌기 때문에 마찰전기의 대전 경향성이 매번 달라질 수밖에 없다는 것을 확인했고, 이에 여러 물질을 바꾸고 동일한 실험을 여러 번 반복하는 통계적인 방법까지 활용해 증명했다. 조성범 교수는 “이번 연구는 마찰전기에 대한 오랜 난제를 규명한 연구로, 학술적인 진보에서 더 나아가 마찰전기를 이용한 여러 응용 소자들이 가지고 있는 신뢰성의 문제를 해결할 수 있을 것으로 본다”며 “그동안 신뢰성의 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있던 초소형 IoT 기기와 생채 삽입형 소자 같은 마찰전기 에너지 수확 소자의 전원공급을 가능하게 해줄 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 이공기초 우수신진연구사업의 지원을 통해 수행됐다. 공동 연구팀은 마찰시 이온이 전달되며 밴드 사이의 장벽이 달라지고, 이는 갇힌 전하의 양에 큰 영향을 미치는 것을 확인했다.
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- 작성일2023-11-02
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한국·스위스 공동 연구팀이 새로운 유기 결정 설계 기술을 활용해 광대역의 티-레이(T-ray) 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 기술을 활용하면 눈에 보이지 않는 영역의 물질 특성을 분석할 수 있어 의료와 반도체·제조 공정의 품질검사 등에 적용이 가능할 전망이다.권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 기존의 비선형광학 결정 설계의 난제를 극복하기 위해 양이온과 음이온의 부피를 조절하는 새로운 결정 설계 기술을 적용, 신규 유기 티-레이 광원을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 10월22일자 온라인판에 게재됐다. 논문 제목은 ‘반데르발스 부피 조절을 통한 고성능 유기 비선형광학 및 테라헤르츠 결정의 설계(Design of High-Performance Organic Nonlinear Optical and Terahertz Crystals by Controlling the van der Waals Volume)’다.이번 연구에는 아주대 신봉림(대학원 분자과학기술학과 석사 졸업), 박유진(대학원 분자과학기술학과 석사과정 재학) 학생이 스위스 취리히응용과학대학(ZHAW, Zurich University of Applied Sciences)의 우로스 푹(Uros Puc) 박사와 공동 제1저자로 참여했고, 권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 모이짜 야즈빈섹(Mojca Jazbinsek) ZHAW 박사가 공동 교신저자로 함께 했다.‘꿈의 전자파’로 불리는 티-레이는 빛과 전파 영역 사이인 테라헤르츠파(terahertz wave, THz) 영역의 주파수다. 티-레이는 인간의 눈으로는 확인할 수 없는 물체 내부를 투과할 수 있고, 특히 단단한 물질 만을 투과하는 X-레이와 달리 액체 종류까지 식별 가능하다. 또 가시광선이 미칠 수 없는 높은 투과도를 지니면서도, 반도체와 금속 같은 전도성 있는 물질을 감지할 수 있다. 티-레이는 제품이나 재료의 원형을 그대로 보존하는 비파괴 방식으로, 더 많은 물질을 쉽고 세밀하게 분석할 수 있기에 과학계와 산업계의 주목을 받아왔다. 더불어 X-레이와는 달리 인체에 무해하기 때문에 암 진단이나 뇌 수술 같은 의료 분야와 바이오 공학을 비롯해 제조 공정의 품질 검사, 보안, 재료, 환경 등의 분야에서 다양하게 응용할 수 있다. 그러나 기존에 활용되어 온 티-레이 광원은 좁은 대역에서 낮은 효율로 테라헤르츠파를 방출, 볼 수 있는 범위에 한계가 있었다. 이에 광대역의 광원을 얻기 위해서는 고가의 대형 레이저 시스템을 필요로 한다.아주대 공동 연구팀은 고출력·고감도로 테라헤르츠파를 활용할 수 있도록 높은 비선형광학(非線型光學, nonlinear optics) 특성을 가질 수 있는 유기 결정 소재 설계 기술을 연구해왔다. 연구팀은 이온성 유기 결정에서 양이온 분자와 음이온 분자가 반드시 공존해야 한다는 점에 착안하여, 양이온과 음이온 분자의 부피가 특정 비율일 때 높은 비선형광학 특성을 나타낼 것이라는 아이디어를 제시했다. 연구팀은 다양한 부피를 가지는 음이온을 도입하여 양이온과 음이온 분자 부피의 상관관계를 밝혔으며, 이를 통해 새로운 고효율의 비선형광학 유기 결정을 개발하는 데 성공했다. 더불어 신규 이온성 결정이 높은 비선형과학 특성을 바탕으로, 소형의 저가 레이저 시스템을 이용해 광대역의 티-레이를 방출함을 확인했다. 권오필 아주대 교수는 “이번에 제시한 새로운 유기 결정 설계 기술은 최근 여러 한계에 부딪혀 온 티레이 광원 설계 기술 개발에 새로운 물꼬가 될 것”이라며 “티레이 유기 결정의 설계 규칙을 확인했다는 점에서 우연에 의한 새로운 유기 결정의 발견이 아닌, 특정 응용 기술에 최적화된 티레이 유기 결정의 설계가 가능할 것으로 기대한다”라고 말했다. 권 교수는 “연구팀의 새로운 유기 결정 설계 기술은 테라헤르츠파뿐 아니라 다른 가시광이나 적외선 빛의 주파수, 위상 등을 바꿀 수도 있다”며 “레이저와 같은 다양한 주파수 변환 장치나 초고속 광통신 소자 등에 적용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다. * 위 사진 설명 - 아주대·ZHAW 연구팀이 개발한 새로운 티-레이(T-ray) 소재 설계 기술에 대한 설명. 왼쪽 아래 보라색 물질이 공동 연구팀에 개발한 고효율의 비선형광학 유기 결정이다. 이 결정은 이온성 퀴놀리니윰으로 구성되어 있으며, 화면 속 결정의 실제 길이는 소자에 적합한 5mm 정도다.
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- 작성일2023-10-26
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아주대와 한국전자통신연구원(ETRI) 대경권연구센터 연구팀이 ‘2022 국제의료영상처리학회(MICCAI)’에서 개최한 경진대회 중 하나인 ‘엔도스코픽 비전 챌린지(ENDOSCOPIC VISION Challenge)에서 2위를 차지했다. 해당 연구 내용은 올 10월 국제 저명 학술지에 게재됐다.해당 성과의 주인공은 한국전자통신연구원에 위촉 연구원으로 파견된 우리 학교 대학원 분자과학기술학과 박사과정의 장용은∙권민주 학생(지도교수: 의과대학 생리학교실/대학원 분자과학기술학과 이광 교수)과 한국전자통신연구원의 김광주 선임 연구원이다. 공동 연구팀은 지난해 9월 ‘2022 국제의료영상처리학회(MICCAI)’의 일환으로 열린 경진대회 ‘엔도스코픽 비전 챌린지(ENDOSCOPIC VISION Challenge)의 SurgT-a challenge for tissue tracking in surgery 부문에서 2위에 올랐다. 대회 후원은 Intuitive surgical, NVIDIA가 맡았다. 싱가포르에서 진행된 이번 경진대회에는 미국 빅테크 기업 NVIDIA, 캐나다 토론토대, 영국 킹스칼리지, 런던대, 벨기에 루벤가톨릭대, 싱가포르의 싱가포르국립대(NUS) 등 세계 유수의 연구원·기업팀이 참여해 열띤 경쟁을 펼쳤다. 이번 경진대회에서는 외과수술 영상 내 조직의 일부 영역을 추적하는 알고리즘을 개발하는 과제가 주어졌다. 단, 학습용 영상 데이터에는 정답이 없고 검증용 영상 데이터에는 정답이 있는 자가학습 방법(self-supervised learning)을 이용해야 하는 것이 관건이었다. 외과수술 영상 내 조직의 일부 영역을 특정할 특징 추출 작업은 매우 어려운 과제다. 대회 1위는 일본의 AI 수술 관련 기업 Jmees가, 3위는 캐나다의 토론토대 연구팀이 각각 수상했다. 아주대∙한국전자통신연구원 연구팀은 비지도학습 방법(unsupervised learning)을 활용한 추적 알고리즘인 UDT(Unsupervised Deep Tracking) 모델을 응용하여 외과수술 영상 내 일부 조직의 특정 영역에 대해 스스로 정답을 만들어 학습하는 데 주력했다. 연구팀은 이번에 발표한 기술이 앞으로 문제를 스스로 인지해 가설을 만들고 검증하여 인공지능 기술로 확장하는데 기여할 것으로 기대된다고 밝혔다. 나아가 최소한의 데이터만으로도 스스로 학습하여 발전하는 인공지능 시스템 개발에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 보고 있다.공동 연구팀의 연구 내용은 의학 및 생물학 이미지 분석 분야의 저명 학술지인 <메디컬 이미지 애널러시스(Medical Image Analysis, IF: 13. 8)> 올 10월자에 게재됐다. * 위 사진 설명 - 아주대 대학원 분자과학기술학과 장용은, 권민준, ETRI 김광주 선임연구원, 아주대 이광 교수* 아래 사진 설명 - 외과 수술 영상을 활용한 조직 내 일부 영역 추적 기술 예시
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우리 학교 김종현 교수 공동 연구팀이 고분자의 전기 전도도를 극대화할 수 있는 새로운 개념의 혼합용매 도핑 공정을 개발했다. 이 기술을 통해 도핑된 고분자 소재는 웨어러블 전자기기나 자가발전 독립전원 등에 적용되는 차세대 전자 및 에너지 소재로 활용될 전망이다. 김종현 교수(아주대 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 위 사진 왼쪽) 연구팀은 새로운 고분자 소재와 혼합용매 도핑 공정을 이용해 세계 최고 수준의 고성능 열전에너지 변환 소자를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘공액 고분자의 전기 전도도와 열전 변환 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 도핑 효율 최적화 공정(Enhancing dopant diffusion for ultrahigh electrical conductivity and efficient thermoelectric conversion in conjugated polymers)’이라는 제목으로 에너지 분야 국제 학술지 <줄(Joule)> 10월18일 자에 게재됐다. <줄(Joule, IF:39.8, JCR 상위 0.9%)>은 생명과학 분야 저명 학술지 <셀(Cell)>을 펴내는 미국 셀 출판사(Cell press)의 저널이다. 이번 연구에는 곽상규 고려대 교수(화공생명공학과), 김봉기 건국대 교수(화학공학부), 최현호 경상국립대 교수(나노·신소재공학부 고분자공학전공) 연구팀이 함께 참여했다. 아주대 윤상은 학생(분자과학기술학과 석박사 통합과정, 위 사진 오른쪽), 건국대 강영권 박사(화학공학부), 경상국립대 임재민 학생(나노신소재융합공학과 박사과정), 울산과학기술원 이지윤 박사(에너지화학공학과)는 공동 제1저자로 참여했다. 아주대 연구팀에서는 도핑 공정 개발을 맡아 진행했고 건국대, 경상국립대, 고려대 연구팀에서는 각각 ▲소재 합성 ▲전기적 분석 ▲시뮬레이션 연구를 담당했다. 아주대 서형탁 교수(첨단신소재공학과), 서울대 강기훈 교수(재료공학부), 한국외대 김태경 교수(전자물리학과) 연구팀도 함께 참여했다. 광에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지는 오랜 시간의 연구로 상용화되어 있다. 최근에는 더 나아가 일상 속 버려지는 열에너지를 전기에너지로 변환해 스마트폰과 사물 인터넷 등에 활용하는 열-전 에너지 변환 기술에 관심이 집중되고 있다. 일례로 사람의 몸에서 나오는 열에너지를 전기에너지로 활용하기 위해, 입고 다니는 옷에 도핑된 소재를 접목하면 별다른 장치 없이도 이동 중에 스마트폰을 비롯한 전자기기의 충전이 가능하다. 인체나 옷에 붙여서 활용할 수 있는 유연하고 신축성 있는 웨어러블 기기에도 적용될 수 있다. 그러나 기존에 활용되고 있는 무기물 열-전 에너지 변환 소재의 경우 에너지 변환 효율은 높지만, 소재의 독성과 딱딱한 물성 그리고 공정의 복잡성 등으로 인해 응용 분야가 제한적이라는 한계를 보여왔다. 이에 고분자를 비롯한 유기물을 이용한 유기 열전 소재와 소자 개발을 위해 많은 연구자들이 노력하고 있다. 특히 최근에는 열에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 ‘열-전 에너지 변환 소재’로써 공액 고분자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 공액 고분자는 전기가 흐를 수 있는 고분자 소재로, 기존의 무기물 반도체 및 금속 전극 등을 대체할 차세대 핵심 소재로 주목받고 있다. 반도체 성질을 가지고 있을 뿐 아니라 용액공정이 가능해 공정 비용의 절감이 가능하고, 높은 유연성과 신축성을 가지고 있어서다. 그러나 낮은 전기 전도도와 에너지 변환 효율 문제, 취약한 안전성 등의 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 공액 고분자를 활용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해서는 분자 도핑을 이용해 고분자의 전기 전도도를 높여야 한다. 그러나 역설적으로 전기 전도도의 증가는 열전 변환 성능의 주요 지표인 제벡계수를 떨어뜨리게 된다. 반대로 전기 전도도를 상대적으로 낮추면, 열-전 변환 출력 성능의 지표인 파워 팩터가 감소하게 된다. 이처럼 상충되는 물성에 의한 생산출력의 제한 그리고 대기 불안정성 등의 문제가 유기 열전 소자의 고성능화를 어렵게 하는 요소다. 이에 공동 연구팀은 고분자 소재 및 도핑 공정을 동시에 개발하는 데에서 문제 해결의 실마리를 찾아 여러 한계를 동시에 극복할 수 있는 방안을 찾고자 했다. 초고성능 유기 열전 소자의 개발을 위해 공정 개발과 소재 합성, 분석과 시뮬레이션 분야의 전문가들이 머리를 맞대어 4년여 연구에 몰두해 온 것. 기존의 열전 변환 성능 향상과 관련한 연구들은 소재와 도핑 공정을 각각 독립적으로 연구해 왔다. 분자 도핑은 도판트 분자가 고분자 박막 내부로 침투하면서 이뤄지는데, 공동 연구팀은 도판트가 효과적으로 침투할 수 있는 공액 고분자를 설계 및 합성했다. 연구팀은 침투된 도판트를 공액 고분자 주사슬 근처로 유도, 사슬의 결정성을 증진 시킬 수 있는 새로운 혼합용매 도핑 공정 역시 개발했다. 공동 연구팀은 새로운 도핑 기술을 고분자에 적용하여 세계 최고 수준의 전기 전도도(>2100 S/cm)와 열-전 변환 파워팩터(>260 uW/mK2)를 동시에 구현하는 데 성공했다. 이는 기존의 단독 용매 기반 도핑 공정으로 처리된 고분자의 전기 전도도와 파워팩터 대비 각각 4배, 5배 증가한 수치다. 또 해당 기술로 도핑된 고분자는 1000시간 이상의 획기적인 대기 안정성을 보여, 내구성 또한 우수하다.연구팀은 또한 이번에 발견한 혼합 용매 도핑 공정을 이미 개발되었거나 상용화된 p형과 n형 공액 고분자들에 적용, 전기 전도도와 열-전 변환 성능이 획기적으로 향상됨을 확인했다. 더불어 새로운 공정이 이미 상용화된 p형과 n형 도판트에서도 모두 작동함을 확인했다.김종현 교수는 “우리 몸의 체온과 공장의 여러 공정 및 자동차 엔진에서 발생하는 열 등 열-전 변환 소자가 활용할 수 있는 열원의 범위는 매우 다양하다”며 “이러한 열원을 활용하면 크고 작은 전기 에너지를 얻을 수 있다”라고 설명했다.김 교수는 이어 “이번에 개발한 혼합 용매 도핑 공정은 방법이 매우 간단하면서도 고분자의 전기 전도도와 열전 에너지 변환 출력, 안정성 등을 동시에 최적화할 수 있는 혁신적 기술”이라며 “이미 상용화된 다양한 p형 및 n형 고분자들과 도판트들에 대해서도 범용성을 가짐을 검증했기에, 웨어러블 기기의 전극 소재 등 고출력 유기 열전 소자의 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다. 이번 연구에서 개발한 혼합 용매 도핑 공정 기술이 모식도(위)와 해당 기술로 도핑된 공액 고분자 소재의 우수한 전기 전도도 및 열-전 변환 특성을 보여주는 데이터(아래)
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- 작성일2023-10-23
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