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Research Highlights
- 화공 김진곤·신소재 정운룡 교수팀, “정전기를 붙잡아라”... 트랩으로 센서 한계 돌파
- [Deep trap으로 정전기 센서 성능 지속 성공]
추운 겨울, 누구나 한 번쯤 옷을 입다가 찌릿한 느낌 때문에 깜짝 놀란 적이 있을 것이다. 피부와 옷이 닿을 때 전하가 이동하면서 순간적으로 정전기가 발생한다. 이 마찰 전기는 별도의 외부 전력이 필요하지 않아 전자 피부나 의료용 센서 등 여러 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 다만, 정전기를 감지하는 센서에 충전된 전기가 오래 지속되지 않는다는 문제가 있었다.
화학공학과 김진곤 교수 · 장준호 박사, 신소재공학과 정운룡 교수 · 박사과정 조우성 씨 공동 연구팀은 전하의 이동을 막아 정전기 소자 센서 성능을 오래 유지하는 방법을 찾았다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 최근 게재됐다.
정전기 소자는 서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 운동에너지를 전기적 신호로 변환한다. 이 소자를 사용한 센서는 차세대 전력 공급원으로 기대를 모으고 있으며, 연구팀은 이전 연구에서 하나의 전극으로 여러 움직임을 감지하는 정전기 센서를 개발했다. 하지만 센서에 충전된 마찰 전기가 시간이 지나면서 점점 약해져 반복적인 접촉과 충전 과정이 필요했다.
정전기 센서에 충전된 전기를 오래 유지하려면 센서 표면의 전하 이동을 줄여야 한다. 반도체 소자에서 전하가 움직일 수 없도록 가둬두는 공간을 ‘깊은 함정(이하 Deep trap)’이라고 하는데, 연구팀은 소자 재료인 열가소성 분자에 자외선을 쏘아 사슬 구조를 만들고, ‘Deep trap’을 형성했다. 전하의 이동을 제한할 수 있는 ‘함정’을 만드는 데 성공한 것이다.
또, 연구팀은 센서에 직류 전압(DC) 1,000 V(볼트)를 가하면 정전기 지속 시간이 향상된다는 사실도 실험으로 확인했다. 연구팀의 정전기 센서는 30여 분 동안 전기를 유지하며 우수한 성능을 보였으며, 이 결과는 지속 시간이 1분 이하였던 기존 정전기 센서에 비해 약 30배 정도 향상된 수치다.
김진곤 교수는 “이번 연구를 통...
2023-12-01
- 물리 송창용 교수팀, 하나보다는 둘, 데이터도 이제는 팀 케미스트리
- [송창용 교수팀, 다중 촬영법으로 나노 입자 3차원 기공 구조 촬영 성공]
최근 막을 내린 한국시리즈 결과가 말해주듯 팀 스포츠에서는 개인의 뛰어난 역량보다 팀워크(teamwork)가 중요하다. 책 <팀 케미스트리(Team Chemistry)> 저자인 조앤 라이언은 팀워크를 ‘팀 전력을 끌어올리는 보이지 않는 능력’이라고 말한다. 최근 POSTECH 연구팀은 데이터들의 팀 케미스트리를 통해 기존 연구의 한계를 극복했다.
물리학과 송창용 교수 · 통합과정 이성윤 · 조도형 박사, 신소재공학과 송승찬 씨 연구팀은 다중거리 촬영법으로 다공성 입자의 3차원 기공(구멍) 구조를 선명하게 촬영하는 데 성공했다. 이번 연구는 소재 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.
메조 다공성(mesoporous) 나노 입자는 표면에 2~50 나노미터 크기의 다양한 기공을 갖고 있다. 이 입자는 표면적이 매우 커 기체나 액체, 중금속을 흡착하는 데 매우 유리하며, 다양한 기능성 소재를 구현하는 플랫폼으로서 주목받고 있다. 입자의 3차원 기공 구조는 소재 성능을 결정하는 핵심 요소로 기능성 소재를 설계하기 위해서는 그 구조를 정확하게 촬영하고, 면밀하게 분석해야 한다.
그런데, 기존 방법으로는 다공성 나노 입자의 3차원 구조를 선명하게 촬영하기 어렵다. 일반적인 X선 촬영은 해상도가 높은 이미지를 얻기 어려우며, 빛 대신 전자를 사용하는 투과전자현미경은 두께가 얇은 시료에 특화되어 있어 두꺼운 시료를 촬영하는 데 적합하지 않다.
연구팀은 X선 회절 패턴 촬영법의 해상도를 높이는 데 집중했다. 3차원 구조를 선명하게 촬영하기 위해 연구팀은 측정 거리를 다르게 하여 X선 회절 데이터를 두 번 수집했다. 짧은 거리에서 수집한 데이터는 물체의 세부적인 구조에 대한 정보를 포함하고 있으며, 먼 거리에서 수집한 데이터는 물체의 형태에 대한 정보가 담겨 있다. 한 번의 촬영으로 수집된 정보가 제한적이었던 기존 촬영법과 달리 여러 X선...
2023-11-28
- IT융합/전자 백창기 교수팀, “시작부터 끝까지 친환경으로!” 포논을 막으면 가능하다
- [POSTECH 연구팀, 반도체 표면 가공 기술로 친환경 열전기술 상용화 앞당겨]
에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 버려지는 에너지(폐열, 태양광, 풍력 등)를 유용한 전기로 바꾸는 친환경 에너지 기술이다. 이 중 열과 전기를 상호변환할 수 있는 기술을 열전기술(Thermoelectric technology)이라고 부른다. 기존 열전 연구 대부분 독성과 희소성이 높은 금속을 주로 사용하고 있다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀은 친환경 물질인 실리콘(Si)을 열전 반도체 소재로 활용하는 기술을 개발해 진정한 의미의 친환경 에너지 기술을 완성했다.
IT융합공학과 · 전자전기공학과 백창기 교수 · 통합과정 유형석 씨, IT융합공학과 · 융합대학원 박주홍 교수, 전기전자공학과 · 반도체공학과 공병돈 교수 공동 연구팀은 기존 반도체 공정을 이용해 친환경 물질을 기반으로 한 고성능 열전 반도체 소재를 만들었다. 이번 연구 결과는 나노 · 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 게재됐다.
현재 열전 반도체 소재로 사용하는 비스무스(Bi), 텔루륨(Te), 납(Pb) 등은 매장량이 적고 독성이 있다. 그래서 이를 대체하기 위해 저렴하면서도 친환경적인 실리콘 기반의 나노와이어(nanowire)가 대안으로 떠오르고 있으나 높은 열전도도로 인해 열 손실이 커 열전 성능이 떨어진다는 한계가 있었다.
연구팀은 반도체 내 포논(phonon)*1의 움직임에 주목했다. 열은 포논이라는 준입자 상태로 이동하는데, 열 손실을 줄이려면 포논의 이동을 막아야 한다. 연구팀은 반도체 물질을 깎는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)*2공정으로 나노선 표면에 물결 무늬 구조를 만들었다. 이 구조는 마치 거울처럼 포논을 튕겨내며 다양한 산란*3을 유도해, 포논의 움직임을 방해한다.
실험 결과, 이 공정으로 표면이 가공된 실리콘 나노와이어는 기존 벌크 실리콘(Bulk silicon)*4 대비 ...
2023-11-27
- 신소재 이병주 교수팀, ‘우수한 제품 만들어주세요’ AI에 입력하면 뚝딱
- [이병주·김형섭 교수 공동 연구팀, 인공지능으로 금속 제품 공정 효율 향상]
생성형 인공지능 챗지피티(Chat GPT)는 사용자가 원하는 대로 글을 써주는 것은 물론, 음악을 작곡하고 미술 작품도 만든다. 마치 식당에서 음식 주문을 하듯이 주문서에 입력한 대로 제품을 뚝딱 만들어내는 것이다. 최근 이 인공지능 기술을 활용해 금속 제품 공정의 효율을 높인 연구가 발표되어 화제를 모으고 있다.
신소재공학과 이병주 교수 · 통합과정 왕재민 씨, 친환경소재대학원 · 신소재공학과 김형섭 교수, 신소재공학과 박사과정 정상국 씨 · 통합과정 김은성 씨 공동 연구팀은 우수한 품질의 금속 제품을 생산할 수 있도록 최적의 설계조건을 알려주는 인공지능 모델을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 특집 논문(featured article)으로 선정됐다.
L-PBF(Laser powder bed fusion) 공정은 분말 형태의 금속을 녹였다가 냉각하는 과정을 반복하며 여러 금속층을 쌓아 제품을 생산한다. 이 공정은 재료 선택에 제한이 적다는 장점이 있지만 공정 중 발생하는 기공(구멍)으로 인해 제품에 균열이 생겨 품질이 떨어지는 경우가 많았다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 머신 러닝(machine learning) 기술을 선택했다. 연구팀은 학계에 보고된 선행 연구 데이터를 활용해 다양한 금속 특성과 공정 조건을 인공지능 컴퓨터로 분석했다. 그리고, 제품의 상대 밀도가 98% 이상이 되도록 공정 조건을 설계하는 머신 러닝 기반 방법론을 만들었다.
연구팀이 출력값으로 선택한 상대 밀도는 기공과 반비례하는 지표로 상대 밀도가 높을수록 기공이 적고, 품질이 우수한 제품임을 나타낸다. 또, 연구팀은 데이터의 편향성을 보완하고 결과의 신뢰도를 높이기 위해 시그모이드(sigmoid)*1 함수를 활용하고, SHAP(SHapley Additive exPlanations) 분석*2도 함께 진행했다....
2023-11-27
- 화학 박수진 · 신소재 김연수 교수팀, 양쪽성 이온의 마법, 전지 수명 늘렸다
- [박수진 · 김연수 교수 공동 연구팀, 에너지 저장 시스템 아연 전지 내구성 향상]
뒤뚱뒤뚱 땅 위를 걷는 모습이 매력적인 펭귄은 바다에서도 자유롭게 헤엄칠 수 있다. 육지와 바다 생활이 모두 가능한 펭귄처럼 ‘양쪽성 이온(zwitterion)’ 분자는 양이온성과 음이온성 작용기를 모두 갖고 있어 산성과 염기성 환경에서 안정하다. 최근, 이 양쪽성 이온 분자를 활용해 전지의 수명을 늘린 흥미로운 연구가 있다.
화학과 박수진 교수 · 신소재공학과 김연수 교수 · 한임경 박사 · 융합대학원 첨단재료과학부 통합과정 이상엽 씨 연구팀은 양쪽성 이온 분자로 에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 수계 아연(Zn) 전지의 내구성을 높였다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다.
에너지 저장 시스템은 2차 전지를 사용해 재생에너지를 저장한 후 필요할 때 사용하는 장치다. 보통 배터리로 리튬(Li) 전지를 사용하는데, 유기성 용매를 기반으로 한 이 전지는 가격이 비싸고, 화재와 폭발의 위험이 있다. 최근 물을 전해질로 사용하여 안전하고, 저렴하면서도 풍부한 아연을 기반으로 한 전지가 주목받고 있으나 충 · 방전을 반복하는 경우 내구성이 급격하게 떨어진다는 문제점이 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 양쪽성 이온 분자인 폴리설포베타인 메타크릴레이트(이하 SBMA, poly sulfobetaine methacrylate)를 사용했다. 이 분자에 다양한 양의 황산아연(ZnSO4) 염을 녹여 겔(gel) 형태의 전해질을 만들었다.
그 결과, 양이온성과 음이온성 작용기를 모두 가진 SBMA와 황산아연 이온 (Zn2+, SO42-) 사이에 견고한 결합이 형성되었으며, 전해질의 농도가 증가할수록 균일하게 이온이 분포되며 전지의 안정성이 높아졌다. 황산아연 염을 5 mol/kg 사용했을 때, 아연 전지는 3,600시간 동안 충 · 방전을 반복한 후에도 안정적으로 작동하며 높은 내구성을...
2023-11-24
