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전자공학과 박성준 교수 연구팀이 자외선/오존 환경 속에서도 매우 짧은 시간 내에 금속산화물 IGZO 반도체 기반의 박막 트랜지스터 소자의 성능을 향상하고 특성을 조절하는 공정 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구 내용은 '용액공정 IGZO 산화물 박막 트랜지스터의 자외선/오존 처리에 따른 효과적인 문턱전압 조절과 영향(Influence of UV/Ozone Treatment on Threshold Voltage Modulation in Sol-Gel IGZO Thin-Film Transistors)'이라는 제목으로 국제 학술지 <어드밴스드 머터리얼스 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)> 프론트 커버 논문으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 전자공학과 석사과정 김원식 학생과 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 이원준 박사가 공동 제1저자로, 아주대 전자공학과 석사과정 곽태현·백석현 학생, 한국화학연구원(KRICT) 이승훈 박사가 공동저자로 참여했다. 박막 트랜지스터 전자 소자의 전기적 매개변수 중 '문턱 전압(혹은 임계 전압)'은 전자 소자의 점멸에 필요한 전압을 나타내는 중요한 수치이다. 제조된 금속산화물 반도체 소자를 장기간 구동하면 전기적 스트레스로 형성되는 비정상적 음의 문턱 전압으로 인해 전기적 성능의 저하, 전기적인 불안정성의 원인이 된다. 따라서 문턱 전압을 다시 양의 방향으로 이동시켜 전자 소자의 전반적인 성능을 최대한 유지하면서 0V에 가까운 수치로 회복시킬 수 있는 기술이 반드시 필요하다. 이러한 비정상적 음의 문턱 전압 형성 및 이동 현상을 해결하기 위해 그동안 고온에서의 어닐링, 원소 도핑, 다중 적층층 형성 등의 방법이 사용됐다. 그러나 이러한 방법들은 1시간 이상의 긴 공정시간, 도핑으로 인한 IGZO 채널과 전극 사이의 추가 저항 발생, 표면 전하 특성 변화로 인해 복잡한 추가 공정이 필요한 단점이 존재한다. 이에 박성준 교수 연구팀은 IGZO 박막 트랜지스터의 반도체 채널층을 자외선/오존 환경에서 3분 가량의 단시간 노출에 의해 문턱전압이 0V에 가깝게 회복하는 현상에 주목했다. IGZO 금속산화물 반도체는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)으로 구성된 비정질 반도체 물질로, 용액공정을 통해 대면적 및 대량생산에 용이하며 우수한 전자이동도와 내구성, 고투명도를 지니고 있다. 이에 차세대 투명 디스플레이, 뉴로모픽 및 유해 바이오 물질 검출 센서 개발 등의 연구에 활용되고 있으며, 우수한 기계적 내구성을 활용해 피부나 특정 조직에 부착이 가능한 유해 바이오 물질 검출 센서 응용 연구도 활발히 진행되고 있다. 연구팀은 자외선 광에너지로 인해 대기 중의 오존과 활성 산호 이온종들이 IGZO 금속산화물 박말 표면과 반응해 산소 결함이 감소하는 한편, 공핍 모드(Depletion Mode) 상태였던 박막 트랜지스터 소자를 향상 모드(Enhancement Mode)로 바꾸며 문턱 전압을 이동시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 매우 짧은 공정 처리 시간으로 0V 근처로 이동 및 조절할 수 있는 고효율·고속 문턱 전압 조절 공정을 개발했다. 이번 연구 성과에 따르면 최소 1시간 이상의 고열·고압처리 혹은 복잡한 과정의 추가 공정이 필요했던 기존 방법들 대비 훨씬 간단하게 금속산화물 박막 전자 소자의 전기적 특성을 조절할 수 있다. 또한 선택적인 자외선/오존 처리가 가능해 문턱 전압 수치 차이를 적극적으로 이용한 인버터 등 다양한 전자 소자 개발에도 응용이 가능하다. 박성준 교수는 "이번 연구는 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 소자들을 매우 빠른 공정 속도로 처리하는 후처리 공정법으로, IGZO 산화물반도체 이외에도 다양한 금속산화물 전자재료의 전기적 특성을 매우 효과적으로 조절할 수 있는 잠재력을 지니고 있다"며 "또한 자외선 광에너지를 선택적으로 조사할 수 있어 인버터 및 각종 연산 회로 소자의 전기적 특성의 자유로운 조절 기술로도 응용할 수 있다"고 전했다. 한편 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 기본과제, 기초연구실, 대학 ICT연구센터지원사업의 지원으로 수행되었다.*사진 설명(위): 왼쪽부터 박성준 교수, 김원식 석사과정, GIST 이원준 박사(아래) Advanced Materials Interfaces 커버
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김상욱 교수팀이 기상증착법을 이용한 고밀도 박막제조기술을 개발하는 데 성공했다. 이에 컬러 디스플레이 구현을 위해 현재 널리 쓰이고 있는 잉크젯 기법 이용 필름 제조를 대체하는 신기술로 활용될 수 있을 전망이다.김상욱 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진)는 초음파와 기상증착법을 접목해 고밀도 양자점 필름을 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 논문은 ‘기상증착법으로 제조된 초박막 페로브스카이트/금속산화물로 완벽한 컬러 변환과 발광효율 개선(Highly thin film with aerosol-deposited perovskite quantum dot/metal oxide composite for perfect color conversion and luminance enhancement)’이라는 제목으로 화학공학 공정 분야의 저명 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)> 3월23일자 온라인판에 게재됐다. 김성훈 동의대 교수(아주대 대학원 분자과학기술학과 졸업), 박종욱 경희대 교수, 오종민 광운대 교수가 연구에 함께 참여했다. 컬러 디스플레이를 구현하기 위해서는 적색, 녹색, 청색의 3색상이 필요하다. 그리고 청색 OLED 물질과 컬러 변환 기술을 이용해 청색을 녹색 혹은 적색으로 바꾸는 방법이 흔히 사용되고 있다. 컬러 변환을 위한 재료로는 양자점이 사용되는데, 이 양자점은 필름 형태로 코팅되어야 한다. 현재는 코팅을 위해 잉크젯 방법이 널리 쓰이고 있으나, 청색 빛샘현상이 없는 완벽한 색 변환을 위해 필름의 두께를 키우거나, 추가적인 컬러 필터를 사용해야 하는 문제점이 있어 그 해결 방안에 대한 학계와 산업계의 관심이 높았다. 이에 공동 연구팀은 초음파와 기상증착법(Aerosol Deposition)을 접목시켜 새로운 방안을 연구 개발했다. 기상증착법은 기판 표면에 고체 소재 필름을 코팅하는 방법으로 반도체와 태양전지 등의 제조 공정에 널리 사용된다. 연구팀은 개발한 새 방식으로 고밀도의 양자점 필름 제조에 성공할 수 있었을 뿐 아니라 3μm 두께(잉크젯 방법으로 제조된 두께의 25%)의 필름에서도 청색을 완벽히 녹색과 적색으로 변환해냈다. 또 효율 향상을 위해 저가의 실리카 나노입자를 혼용하여 녹색의 경우 7,353cd/m2의 높은 효율을 달성함을 확인했다. 연구팀이 개발한 고밀도 박막은 다양한 소재에 코팅이 가능하여 유연한 소재의 기판(flexible substrate)에도 사용할 수 있다. 뿐만 아니라 미세 패턴 제조에 흔히 사용되는 마스크(Mask)가 없는 공정도 적용 가능해, 13μm 두께의 선폭 제조가 가능하다. 김상욱 교수는 “현재 컬러 디스플레이 구현을 위해 가장 널리 사용되고 있는 기법은 ‘잉크젯 기법’을 이용한 필름 제조 방식”이라며 “이번에 연구팀이 개발한 새로운 방식이 이를 대체할 획기적 기법으로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이어 “여러 대학들과의 공동 연구를 통해 시너지 효과를 극대화할 수 있었으며, 앞으로도 후속 연구를 이어갈 예정”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 기초연구사업의 지원을 받아 이루어졌다.a) 적색, 녹색 발광체와 백색 무기물이 노즐을 통해 분사되어 b) 다층박막 형성, c)d) 는 적색, 녹색 발광체 사진: 10 nm 나노입자. 우측 그림은 실제 소자 그림이며 우측 아래는 RGB 컬러가 함께 나온 것을 찍은 스펙트럼임
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알츠하이머병, 파킨슨병, 루게릭병과 같은 퇴행성 질환의 치료를 위한 후보 물질을 연구·개발해온 국내 연구진이 알츠하이머병 치료에 효과를 보이는 화합물을 발굴했다.아주대 최상돈 교수(생명과학과·대학원 분자과학기술학과, 사진)는 인공지능 및 분자역학 시뮬레이션을 통해 수천만 개의 화합물 중 알츠하이머병 치료 기능이 있는 화합물을 발굴하는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘NLRP3 인플라마좀 새로운 소분자 억제제의 알츠하이머병 모델에서의 인지 장애 회복(Novel Small-Molecule Inhibitor of NLRP3 Inflammasome Reverses Cognitive Impairment in an Alzheimer’s Disease Model)’이라는 논문으로 미국화학학회(American Chemical Society)가 발행하는 저널 <ACS 케미컬 뉴로사이언스(ACS Chemical Neuroscience)>에 지난 2월23일 온라인 게재됐다. 이번 연구에는 우리 학교 김욱·김문석 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 ㈜에스앤케이테라퓨틱스 및 환인제약㈜ 공동 연구팀이 참여했다. ㈜에스앤케이테라퓨틱스는 최상돈 교수가 설립한 희귀 면역 질환 치료제 개발사다.연구팀은 염증 반응의 활성화를 담당하는 선천성 면역계의 세포질 다단백질 올리고머 인플라마좀(inflammasome)을 주목했다. 인플라마좀의 활성화와 조립은 염증성 사이토카인 인터루킨-1β(interleukin-1β) 및 인터루킨-18(interleukin-18)의 단백 분해 절단, 성숙 및 분비뿐만 아니라 개스더민-D(gasdermin-D)의 절단을 촉진한다. 이에 인플라마좀 활성화 조절에 장애가 있는 경우 자가면역질환, 대사 및 신경 퇴행성 질환 같은 질병이 발생할 수 있다. 공동 연구팀은 인공지능 및 분자역학 시뮬레이션을 통해 인플라마좀에서 핵심 역할을 담당하고 있는 NLRP3(NACHT, LRR and PYD domains-containing protein 3) 제어 화합물을 발굴해냈다. 이를 퇴행성 신경질환의 대표 사례인 아밀로이드 β 유발 알츠하이머병 동물에 적용해 그 치료 효과를 입증하는 데 성공했다. NLRP3 인플라마좀의 비정상적 활성화는 치매와 비알콜성 지방간염, 제2당뇨, 다발성경화증, 통풍 등 난치성 질병을 유발하는 것으로 알려져 있어, 이러한 질병의 치료를 위해 매우 중요한 잠재적 표적으로 주목받고 있다. 최상돈 교수는 “이번 연구를 통해 발굴된 기전을 우선적으로 알츠하이머병에 적용, 그 효과를 입증해 냈다”며 “알츠하이머병과 질환 발생 기전이 유사한 비알콜성 지방간염, 제2당뇨, 다발성경화증, 통풍 등에도 효과가 있을 것으로 기대한다”고 설명했다.이어 “앞으로 추가 연구를 통해 발굴 물질의 유효성뿐 아니라 독성이 없고, 물성이 좋은지 등 기존 약물보다 우수한 신약으로서의 조건들을 갖추고 있는지를 검증해 나가야 할 것”이라고 덧붙였다.이번 연구는 국가신약개발사업단의 신약기반 확충연구(선도물질)의 후원을 받아 수행되었다. NLRP3 인플라마좀 소분자 억제제의 알츠하이머병 모델에서의 인지 장애 회복 기능 연구에 대한 설명. 연구팀은 인공지능 및 분자역학 시뮬레이션을 통해 염증 반응 활성화를 담당하는 인플라마좀에서 핵심 역할을 담당하는 NLRP3 제어 화합물을 발굴해냈다.
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