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우리 학교 공동 연구팀이 신체 내 근육 조직의 손상을 감지할 수 있는 근적외선 이미지 센싱 소자를 개발했다. 이에 고감도·고효율의 센서가 필요한 의료진단용 이미징 장치에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀은 교류광전효과를 이용하여 검출률이 높고 응답 시간 또한 빠른 근적외선 이미지 센싱 소자를 개발했다. 관련 내용은 ‘광대역 교류 광전효과: 고성능 감지와 신체 통증 이미징 활용(Broadband alternating current photovoltaic effect: An application for high-performance sensing and imaging body aches)’이라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <나노 에너지(Nano Energy), IF=16.602> 8월29일자 온라인판에 게재됐다. 우리 학교 박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과), 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.광을 전기 신호로 전환하는 광전효과 기반의 광 센서는 대표적으로 태양전지 기술을 통해 널리 쓰이고 있다. 광 센서는 신재생 에너지 활용과 스마트폰, 사물인터넷(IoT), 광통신 등에서 필수적인 부품이다. 특히 의료 분야에서 다른 진단 방식에 비해 간편하게 진단 및 상시 모니터링을 할 수 있어 광 센서를 활용한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 의료 분야 중에서도 특히 광 센싱 기반으로 신체 내부의 근조직 손상을 이미징 방식으로 진단할 수 있는 기술 개발에 산업계·학계의 관심이 높다. 대표적으로 고도 화상 진단에 광 센싱 기술이 활용되고 있다. 이에 의료용 광 진단 분야에서 근적외선 활용에 대한 관심이 높다. 근적외선을 활용하면 낮은 광 손상과 깊은 조직 침투가 가능해 인체 내부 조직의 이미징에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 이를 위해서는 미세한 근적외선 신호의 변화를 감지할 수 있는 고성능의 광 센서 개발이 필수적이다. 센서를 휴대할 수 있는 의료 진단 기기에 실제 적용하기 위해서는 높은 에너지 효율 또한 요구된다. 지금까지 근적외선 활용 광 센서에는 화합물 반도체 소자가 적용되어 왔다. 그러나 갈륨비소를 비롯한 화합물 반도체 소자는 가격이 매우 비싸고 근적외선 영역에서 검출 감도가 낮은 데다 성능이 떨어지는 한계를 보여왔다. 특히 의료 진단용으로 활용이 가능한 정도로 인체 내부 조직 손상을 감지, 이미지화할 수 있는 높은 감도를 구현하지는 못했다. 이에 아주대 연구팀은 근적외선 활용이 가능한 광 센서 소자를 개발하기 위해 고품질 이산화티타늄 산화물(TiO2) 나노 필름을 실리콘(Si) 기판 위에 적층하고 그 계면 특성을 제어하는 기술을 확보했다. 이와 동시에 은나노선을 이용하여 광학 응답성을 극대화하는 광 검출 소자 구조를 개발했다. 이를 통해 기존보다 훨씬 높은 스위칭 비율(≈1E4)과 높은 검출률(≈1E11 Jones), 빠른 응답 시간 (~ 120 μs)의 고성능 광 검출 소자를 구현하는 데 성공했다. 기존에 상용화된 근적외선 검출 소자에 비해 모든 면에서 훨씬 우수한 성능이다. 연구팀은 광 센서에 교류 광전류를 이용했는데, 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 입사광을 이용하여 광 소자에서 전력을 스스로 생산하므로 외부 전원을 필요로 하지 않는다. 연구팀이 개발한 광 센서는 태양전지에서 활용되는 직류 광 전류에 비해 약 3만9000배 높은 광전류를 발생시켜 의료용에 적합한 고감도 광 센싱이 가능하다. 연구팀은 전도성 및 정전기 원자 현미경을 이용하여 이번에 발견한 광 센서의 작동 원리를 규명해냈다. 교류 광 입사로 인해 반도체 내부에 생성된 광 전하들이 위치별로 불균형적으로 생성되고, 이로 인한 ‘준 페르미 레벨 분할 및 재정렬’에 따르는 물리적 현상이 빠른 응답성과 높은 검출률의 특성을 유발함을 증명해 낸 것.서형탁 교수는 “이번에 개발한 소자를 이용하여 스캔 이미징 방식으로 손가락 근조직의 내부 변화를 이미지화하는 데 성공했다”며 “이 소자를 이용하면 초고속으로 신체 통증을 감지하고 통증 부위를 이미징하는 것이 가능하다”고 설명했다.서 교수는 이어 “근육뿐 아니라 다양한 신체 내부 조직의 변화 진단에 적용할 수 있을 것으로 기대하며, 특히 소아 대상 진단에 활용성이 높을 것”이라고 덧붙였다.이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며 특허 출원이 진행 중이다.
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- 작성일2020-09-15
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우리 학교 황종국 교수가 참여한 공동 연구팀이 나노 다공성 소재의 형상제어 원천기술을 개발했다. 이에 차세대 이차전지를 비롯한 에너지 저장장치 뿐 아니라 앞으로 에너지, 촉매, 환경, 의학 분야에 활용이 가능할 것으로 기대된다.황종국 교수(화학공학과)가 제1저자로 참여한 공동 연구팀은 관련 성과를 <사이언스> 자매지인 <사이언스 어드밴시스(Science Advances), impact factor 13.116, JCR 4.93%> 8월12일자 온라인판에 발표했다. 한국과학기술원(KAIST)의 김성섭 박사와 이진우 교수가 함께 참여했다. 논문 제목은 "Polymer blend directed anisotropic self-assembly toward mesoporous inorganic bowls and nanosheets"다. 연구팀은 유기물인 고분자 블렌드와 무기물 금속 산화물 전구체를 단순히 혼합하고 열처리하는 것만으로 입자의 형상과 나노구조를 쉽게 제어할 수 있는 합성법을 개발했다. 또 합성한 접시모양의 니오븀 산화물을 차세대 이차전지로 주목받고 있는 포타슘이온전지의 음극재로 사용했을때 최고 수준의 용량과 안전성을 나타냄을 확인했다.기존의 다공성 소재 형상제어는 복잡한 과정이 동반되거나, 고가의 장비를 사용하는 방법에 의존해왔다. 하지만 이는 기공의 나노구조와 입자의 형상을 정밀하고 효율적으로 제어할 수 없으며, 경제성 역시 떨어진다는 단점이 있다. 때문에 기공의 크기, 구조, 입자의 형상 모두를 제어할 수 있으면서도 손쉬운 합성이 가능한 새로운 합성기술 개발이 요구되어 왔다.연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 다성분계 고분자 블렌드의 자기조립 현상에 주목했다. 다성분계 고분자 블렌드는 특정 조건을 만족하면 복잡하고도 정교한 나노구조로 자발적으로 조립된다. 이러한 현상은 고분자 물리학 분야에서는 널리 알려 졌으나, 다른 분야에서의 활용은 미미했다. 황 교수팀은 다성분계 고분자 블렌드의 자기조립 현상과 무지재료화학을 융합할 수 있는 설계 가이드라인을 확립, 이를 이용해 다공소재의 나노구조, 화학조성, 형상을 쉽고 간단히 제어할 수 있는 합성기술을 개발해 냈다. 이 합성법은 ASAP(anisotropically self-assembled particle)로 명명했다.황종국 교수는 “기존 다공성 무기질 소재 합성기술의 문제점을 고분자 블렌드의 자기조립성질을 이용하여 해결할 수 있음을 처음으로 보여줬다는데 이번 연구의 의의가 있다”며 “이는 고분자 물리학과 무기재료화학을 연결하여 새로운 융합연구분야를 창출할 수 있음을 의미한다”고 말했다. 황종국 교수는 나노에너지 소재 전문가로 나노 다공성 소재의 구조와 형상을 제어하는 연구를 수행해왔다. 황 교수는 앞으로 ▲무기질 다공소재의 간단합성공정 개발 연구 ▲차세대 이차전지 전극재의 맞춤형 설계 연구를 집중 수행할 계획이다. * 사진 설명 - ASAP: 다성분계 고분자 블렌드의 자기조립을 이용한 무기질 다공 소재의 합성모식도
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- 작성일2020-09-14
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우리 학교 김종현 교수 연구팀이 호주 연구팀과 공동으로 가축의 질병과 건강을 진단할 수 있는 태양전지 기반 자율전원 웨어러블 모듈의 핵심기술을 개발하는 데 성공했다. 이에 대규모 농가에서 가축의 건강상태를 실시간으로 진단 및 예측할 수 있는 첨단 플랫폼 구축에 활용될 전망이다. 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 소속된 공동 연구팀이 CZTS 기반 저조도 태양전지에 대한 연구결과를 <저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A), 임팩트팩터: 11.301, JCR상위 6.7%> 7월21일자 온라인판에 게재했다고 밝혔다.논문은 “케스테라이트 구조 CZTS(Se) 박막태양전지의 저조도 출력원리에 관한 연구(Investigation of Low Intensity Light Performances of Kesterite CZTSe, CZTSSe, and CZTS Thin Film Solar Cells for Indoor Applications)”다. 이번 연구에는 아주대와 녹색에너지연구원, 전남대, 그리고 호주 뉴사우스웨일즈대학이 참여했다.연구팀은 실내 저조도 환경에서도 널리 활용될 수 있는 CZTS(Se) 기반 태양전지의 원리를 최초로 규명했다. CZTS 박막 기반 태양전지는 저비용의 친환경 광흡수 소재로, 기존 고비용 혹은 중금속 기반의 환경유해성 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받아왔다. CZTS 태양전지는 높은 광량을 가지는 실외 태양광 하에서는 우수한 광전변환효율을 나타내는 것으로 잘 알려져 왔으나, 흐린 날 혹은 실내조명 등 저조도 환경에서의 활용 가능성에 대한 연구는 충분하지 않았다. 이에 공동 연구팀은 전략적으로 저조도 환경에서도 널리 활용될 수 있는 CZTSSe 박막을 제작함으로써, 이 박막이 저조도 환경에서도 사물인터넷(IoT) 센서를 구동할 수 있는 수준으로 전력생산이 가능함을 규명했다. CZTSSe 박막 기반 태양전지가 실내 및 실외에서 사용되는 다양한 사물인터넷(IoT) 센서의 구동용 자율전원소자로 활용될 수 있음을 밝혀낸 것. 돼지열병, 구제역 등 가축 질병의 발생을 예방하고 추가 확산을 막기 위해, 더불어 동물 복지 향상을 위해서는 실내외의 다양한 축산환경에서 가축의 건강상태를 실시간으로 진단 및 예측할 수 있는 효율적 모니터링 시스템이 필요하다. 김종현 교수 연구팀은 그동안 글로벌 산학연 연구그룹을 꾸려 가축 헬스 모니터링 시스템 구축을 위한 여러 연구를 함께 진행해왔다. 이에 아주대(김종현 교수)·전남대(김진혁 교수), 전자부품연구원(김진철 박사, 박노창 박사)·녹색에너지연구원(박종성 박사), ㈜대연씨앤아이 그리고 호주 뉴사우스웨일즈대학(University of New South Wales)·퀸즈랜드대학(University of Queensland) 연구진이 공동 연구에 참여해왔다. 공동 연구팀은 가축의 다양한 생활환경과 넓은 생활반경을 고려해 환경에 제약을 받지 않고 전원을 안정적으로 공급할 수 있는 무선형 독립전원시스템을 개발해왔다. 동시에 가축이 착용할 수 있는 센서를 개발, 가축 건강 진단용 자율전원 웨어러블 센서 모듈을 제작해 호주에서 실증 연구에 돌입했다. 농가에서는 센서를 통해 개별 가축의 상태를 확인할 수 있다.이러한 센서 모듈에 사용되는 무선 자율전원의 핵심은 실내외에서 활용 가능한 태양전지로 공동 연구팀은 앞서 실내외에서 우수한 출력을 내는 페로브스카이트 태양전지를 개발, 저명 학술지 <나노 에너지(Nano Energy)> 2020년 2월호에 발표하기도 했다. 개발된 태양전지의 실질적 응용을 위한 봉지기술에 대해서도 지속적으로 연구를 이어와 관련 성과를 <솔라 에너지 머터리얼즈 앤드 솔라 셀즈(Solar Energy Materials & Solar Cells)> 2018년 12월호에 발표한 바 있다.김종현 교수는 “그동안의 연구를 기반으로 태양전지 기반 무선자율전원형 웨어러블 센서 모듈을 자체 개발, 호주 브리즈번 소재 가축 농장의 소에 착용시켜 실증 연구를 진행하고 있다”며 “호주 다른 지역의 가축 농가에서 대형 규모 실증 연구에도 돌입할 계획”이라고 설명했다.공동 연구팀은 호주 대형 축산농가에서 실질적으로 필요로 하는 기술을 이해하고 이를 개발하기 위해 주기적인 자체 연구 교류회를 개최하고 있다. 호주는 가축산업이 발달한 농업 테크놀로지 분야 선진국으로 가축의 건강 진단을 통한 농가 소득 증대에 관심이 매우 높다. 연구팀은 호주 뉴사우스웨일즈 나로민(Narromine)시와 시장 크레이그 데이비스(Craig Davies)의 추가적인 지원을 받아 실증 연구단지의 확장을 계획하고 있다. 김종현 교수는 “연구팀이 웨어러블 가축 건강 진단 모듈의 최종 제품 개발에 성공할 경우, 호주 농축산업계에서의 상용화 가능성이 매우 높다”며 “실증 연구를 통해 나온 빅데이터 분석기술에 현재 계획 중인 AI 기반 분석 기술을 추가로 도입해, 국가별·가축별 질병·건강진단 플랫폼을 구축해갈 계획”이라고 밝혔다. 관련 연구결과들은 산업통상자원부·한국산업기술진흥원 지원 국제공동기술개발사업 (P0006857)과 과학기술정보통신부·한국연구재단 지원 한-오세아니아 협력기반조성사업(NRF-2018K1A3A1A17081404)을 바탕으로 수행되었다.
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- 작성일2020-08-04
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