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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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- 작성일2025-02-20
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(우측부터 반시계방향) 서형탁 교수, 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수, 박하영 학생서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 단일 픽셀로 이미지 정보를 다차원으로 처리할 수 있는 초고감도, 초저전력, 지능형 광센서를 개발했다. 이번 연구에는 서형탁 교수 외에 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수(대학원 에너지시스템학과, 제1저자)와 박하영 학생(대학원 에너지시스템학과, 공저자)이 참여했다. 광전효과(빛을 전기 신호로 전환)를 기반으로 하는 광센서는 정보통신, 사물 인터넷, 광통신, 로보틱스 등의 분야에서 사용되는 필수 부품이다. 하지만, 기존의 광센서는 별도의 여과없이 모든 광데이터를 감지해야 해 효율이 떨어졌다. 광센서를 통해 수집된 광데이터를 정보로 저장, 처리하는 이미지센서도 막대한 데이터 저장 용량이 필요했고, 이로 인해 인공지능형 이미지 인식과 판별 기술과의 접목에도 한계가 있었다. 이런 한계를 극복하기 위해 학계와 산업계에서는 이벤트 기반의 인공지능형 광센서가 주목을 받고 있다. 이 센서는 피사체의 물리적 변화를 감지하여 필요한 광 데이터만을 저장하고, 외부의 신호처리 칩 없이 센서 내에서 자체적으로 데이터를 처리할 수 있어 시스템의 용량과 전력 소모는 크게 줄일 수 있다. 또한, 피사체의 움직임 감지 속도는 높여 로보틱스 산업에서 필요로 하는 초저전력 시각 센서의 해결책으로 많은 연구가 전 세계에서 이루어지고 있다. 서 교수팀은 근적외선 영역(940nm(나노미터))의 광신호를 단일 픽셀로 시간과 공간의 정보로 병렬 인식할 수 있는 광센서 소자 구조를 개발했다. 서 교수팀이 개발한 센서는 이벤트 기반의 인공지능형 센서로서 실현 가능성을 보였다는데 의미가 크다. 서 교수팀은 광커패시터(capacity) 방식을 이용했는데, 실리콘과 원자층증착방식으로 만든 6nm(나노미터) 두께의 갈륨산화물 초박막을 접합하여 커패시터 소자 2개가 연결된 단일 픽셀을 구성했다. 이러한 방식은 기존 광전류 발생을 위해 전하가 소자 전체를 가로질러 이동할 필요가 없어 감지 속도가 매우 빠르고 노이즈도 매우 낮아서 기존 광센서로 불가능했던 이벤트 감지도 가능하게 했다. 개발된 광센서는 단일 픽셀에서 4비트 이상의 광데이터를 25펨토줄(펨토줄=1/10의 14제곱 분의 1 줄(Joule))의 전력으로 처리해 기존보다 에너지가 100배나 절감된 성능을 보였다. 광신호 감지속도도 수백나노 초 수준이어서 동일 센서 내에서 굉장히 빠른 피사체의 움직임을 실시간으로 감지하고, 단기 저장이 동시에 가능함을 보였다. 서형탁 교수는 개발된 광센서에 대해 “데이터 저장과 신호처리가 동시에 가능한 새로운 소재를 개발하고, 반도체 호환 공정으로 실현했다는 점에서 학문적·기술적 의의가 있다”며 “개발된 광센서의 성능이 우수해 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물인터넷, 광통신 등에서 활용이 가능하고, 특히 초저전력 인공시각이 필요한 로보틱스 분야에서 활용 가능성이 높다”고 전망했다. 서 교수팀은 이번 성과를 기반으로 상용화 가능성과 파급효과가 높은 기술을 추가로 개발할 계획이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 지능형반도체기술개발사업과 중견 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다. 해당 연구는 ‘센서 내 실시간 시공간 광학 정보 처리를 위한 단일 픽셀 기반 광활성 소자 (Single-Pixel Event Photoactive Device for Real-Time, In-Sensor Spatiotemporal Optical Information Processing)’로 소재·소자 분야 최상위권 저널인 <어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)> 최신호 표지 논문으로 게재됐다.(좌측) <어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)> 최신호 논문 표지, (우측) 연구개요도
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- 작성일2025-02-20
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우리 학교 심태섭 교수팀이 산업현장에서 사용되는 휘발성 유기용매의 유해성을 낮은 비용으로 손쉽게 식별할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 화학공학과 심태섭 교수는 종이기반의 광유체소자(Optofluidic device)를 활용해 휘발성 유기용매(VOCs) 식별소자를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘디지털 컬러 코딩을 이용한 유기물질 구별 감지 광유체 종이 기반 분석장치(Optofluidic paper-based analytical device for discriminative detection of organic substances via digital color coding)’라는 제목으로 네이쳐 퍼블리싱 그룹(Nature publishing group)이 펴내는 국제 학술지 <마이크로시스템즈 & 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)> 1월호에 게재됐다. 아주대 심태섭 교수(화학공학과)와 전남대 정헌호 교수(화공생명공학과)가 공동 교신저자로 참여했고, 아주대 오치영 박사과정생(에너지시스템학과)과 전남대 최진솔 석사(화공생명공학과)가 공동 1저자로 함께 했다. 산업 현장에서 사용되는 벤젠, 포름알데히드, 에틸렌 같은 휘발성 유기용매(Volatile Organic Compounds, VOCs)는 유해성이 높다. 유기용제 사용 시설이나, 도장 시설, 세탁소와 주유소, 각종 운송수단의 배기가스 등에서 배출되는데 끓는 점이 낮아 대기 중으로 쉽게 증발하고, 광화학스모그를 유발하거나 발암성 물질이로 인체에 해를 입힌다. 때문에 관련 산업 종사자∙뿐 아니라 일반인 누구나 쉽게 이를 식별할 수 있는 기술에 대한 요구가 높다.기존의 방식은 가스 및 액체 크로마토그래피 같은 기술로, 굉장히 민감하고 정밀하지만 식별에 걸리는 시간이 길고, 넓은 공간과 고도의 숙련된 기술을 요구해 높은 비용이 수반된다. 또다른 방식인 염료 기반 센서의 경우, 손쉽게 활용이 가능하며 비용 역시 낮지만 타깃 별 설계가 필요하며 장기 안정성 문제가 남아있다. 이에 아주대·전남대 연구팀은 휘발성 유기용매를 경제적이면서도 효율적으로 검출할 수 있는 종이기반 광유체소자를 제작했다. 인간의 후각은 다양하고 복잡한 냄새 물질들을 수많은 후각수용체의 신호를 패턴화해 구별하는데, 이를 모방한 인공 후각 시스템 구축을 위해 연구팀은 고분자 기반 흐름제어 관문(macromolecule-driven flow gate, MDF gate)과 광결정 필름(Photonic crystal film)을 결합하는 방식으로 접근했다. 아주대-전남대 공동 연구팀이 개발한 종이기반 광유체소자 분석 플랫폼고분자 기반 흐름제어 관문(MDF gate)은 종이와 다양한 고분자 소재가 공존하는 구조로 만들어졌다. 이러한 구조는 개별 휘발성 유기용매 마다 고분자와의 친화성이나 용해도 등이 달라 유기용매를 1차적으로 식별하는 관문으로 활용됐다. 이후 관문을 지난 용매는 또다른 고분자 소재 기반의 광결정 필름에 도달하게 된다. 광결정 필름은 내부의 규칙적인 배열에 의한 구조색이 나타나는데, 용매와 맞닿은 광결정 필름 또한 고분자로 이뤄져 있기 때문에 게이트와 마찬가지로 특정한 용매만이 광결정 필름을 팽윤시킨다. 이 때 용매과 광결정 필름 간의 상호작용에 따라 광결정 필름의 광학특성 변화의 차이가 발생하여 2차적으로 용매를 식별할 수 있다. 결과적으로 연구팀은, 사용자는 다양한 고분자 기반 흐름제어 관문(MDF gate)과 연결된 광결정 필름의 색 변화를 통해 특정 유기용매의 존재를 육안으로 식별할 수 있음을 확인했다. 심태섭 교수는 “이 기술은 구조적으로 차이가 적은 유기용매의 식별을 위해 종이기반 소자를 통해 육안으로 식별할 수 있도록 구현한 기술”이라며 “비전문가도 쉽게 활용할 수 있는 저렴한 플랫폼이라는 점에서, 산업 현장과 사회의 안전에 중요한 의미를 가진다”고 말했다.해당 연구는 한국연구재단(NRF)의 기본연구와 우수신진연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
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- 작성일2025-02-13
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