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- 에너지과학과 이영희 교수, 4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성에 성공
- 에너지과학과 이영희 교수, 4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성에 성공 [그림1] 구리-실리콘 합금 기판을 통한 다층 그래핀 성장 모식도 에너지과학과 이영희 교수(IBS 나노구조물리연구단장)가 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진과 함께 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다. 4층짜리 균일한 그래핀은 최초일 뿐만 아니라, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 대면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 것으로 기대된다. 고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다. 이 때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고 900 oC 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다. [그림2] 4층 짜리 그래핀의 전자현미경 사진 이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다. 공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다,”고 설명했다. 이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다. 이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기이며, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다. 이영희 교수는 “이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법이며, 기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”며 이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다고 의의를 밝혔다. [그림3] 실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 예정이다. 이번 연구성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=31.538) 誌 에 7월 28일 0시(한국 시간)에 게재되었다.
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- 작성일 2020-07-29
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- 박은일‧한진영 교수 연구팀, 소셜 미디어로 정신질환 조기 진단 및 대응 연구 방향 제시
- 박은일‧한진영 교수 연구팀, 소셜 미디어로 정신질환 조기 진단 및 대응 연구 방향 제시 - Scientific Reports 7월호 논문 게재 - 접근성이 쉬운 소셜 미디어를 이용한 딥러닝 기반 인공지능 모델 구현 [그림1] 박은일 교수, 한진영 교수 박은일‧한진영 교수 연구팀(김지나 석사과정‧이지언 석박통합과정)은 ‘소셜 미디어를 통한 정신질환 예측 딥러닝 모델’이라는 주제로 Scientific Reports 7월호에 논문을 게재했다고 밝혔다. 연구팀은 본 연구를 통해 정신질환 조기 진단 및 대응을 위한 딥러닝 기반 인공지능 모델을 소개하고 향후 연구 방향을 제시했다. 연구팀은 소셜미디어 사용자들이 자신의 감정을 공유하기 위해 작성한 게시글을 바탕으로 여러 정신질환을 파악하는 딥러닝 모델을 개발했다. 개발된 인공지능 모델은 게시글을 작성한 사용자가 어떠한 정신질환 (예: 우울증, 불안, 조울증, 정신분열증 등)과 관련이 있는지 파악하는 데 획기적인 결과를 보였다. 연구팀은 초대형 소셜 미디어 플랫폼인 레딧(Reddit)에 게시된 633,385개의 게시글을 사용하였으며, 합성곱 신경망을 기반으로 한 딥러닝 분류 모델을 활용하였다. 자폐 범주성 장애의 경우에는 96% 이상, 기타 정신질환의 경우에도 최저 75% 이상의 확률로 예측할 수 있었다. [그림 2] 합성곱 신경망 기반 분류 모델 구조 수집한 게시글을 대표적인 어휘 임베딩 기법인 Word2vec을 이용하여 말뭉치의 단어를 벡터로 표현하였으며, 합성곱 신경망을 활용하여 정신질환 분류 모델을 설계하였다. 연구팀은 “일상 정신질환이 최근 새로운 사회적 문제로 대두되고 있다”며 “사용자가 사용하는 소셜 미디어 데이터를 활용해 정신질환을 조기에 예측하고 치료하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 연구 의의를 밝혔다. 해당 연구는 최근 정보화시대의 빅데이터 활용에 대한 윤리적 논쟁을 고려하여 IRB 승인절차를 통해 엄격한 관리 하에 수행되었다. 연구팀은 이번 연구를 기반으로 향후 한글 텍스트를 활용한 정신질환 잠재 가능성 예측 딥러닝 모델 개발을 진행할 예정이다. ※ 논문명: A deep learning model for detecting mental illness from user content on social media ※ 논문 출처 : https://www.nature.com/articles/s41598-020-68764-y
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- 작성일 2020-07-28
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- 에너지과학과 이영희 교수, 2020년 봄 한국물리학회 성봉물리학상 수상
- 에너지과학과 이영희 교수, 2020년 봄 한국물리학회 성봉물리학상 수상 에너지과학과 이영희 교수가 2020년 봄 한국물리학회에서 성봉물리학상 수상자로 선정되었으며, 7.13(월)~7.15(수)에 개최된 제96회 정기총회에서 수상하였다. 성봉물리학상은 한국물리학회 회원으로 다년간 연구업적이 탁월하여 물리학 발전에 지대한 공적이 있을 뿐 아니라, 물리학 전문분야에서 지도적인 역할을 하여 한국물리학계의 발전을 위해 현저한 공적이 있는 개인에게 수상한다. 이영희 교수는 CNT와 2차원 반데르발스 나노구조 물질에 관한 깊이 있는 연구결과를 기반으로 새로운 2차원 이종 나노구조물질 성장과 신기능 물성에 관한 연구를 활발하게 수행하였으며, 이로 인해 나노구조 물질 분야의 새로운 지평을 개척한 점을 인정받아 수상하게 되었다.
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- 작성일 2020-07-21
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- 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀, 화학적 불안정성을 해소한 혁신적 전자화물 에너지 소재 개발 성공
- 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀, 화학적 불안정성을 해소한 혁신적 전자화물 에너지 소재 개발 성공 - 안정화 메커니즘 확립으로 전자화물 촉매 등 응용 연구 분야 활성화 기대 [그림1] 에너지과학과 김성웅 교수, 강세황 연구원 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀(제1저자 강세황 연구원)은 차세대 재료로 주목받고 있는 ‘전자화물’의 안정화 메커니즘을 규명하고, 반영구적 촉매 반응에 세계 최초로 성공했다고 밝혔다. 전자화물은 전자가 원소들 사이의 독립적 공간에 음이온의 형태로 존재하는 물질을 말한다. 전자화물의 격자간 음이온 전자는 소재 물성을 직접 결정하는 주요 요인으로, 전자, 촉매, 자성 소재 등 다양한 분야에서 기존 소재의 한계를 넘어선 응용 소재로 기대되고 있다. 하지만 대부분의 전자화물은 격자간 음이온 전자의 강한 화학적 반응성으로 인해 공기 중에서 쉽게 산화되기 때문에 소재 실용화에 어려움을 겪어왔다. 공기 중에서 화학적으로 안정한 전자화물도 물과 알코올 등의 환경에서는 쉽게 분해되는 등 우수한 전자 전달 특성을 유지하며 안정적으로 실용화된 전자화물을 개발한 사례는 없었다. 이에 연구진은 전자화물의 화학적 불안정성 한계를 극복하여 물과 산 등 강한 산화성 환경에서도 반영구적으로 안정한 2차원 전자화물 소재(Hf2S)를 성공적으로 합성하고 그 안정화 원리를 규명했으며, 이를 이용한 반영구적 수소 발생 전기촉매 반응에 성공했다. 나아가 연구진은 얇은 자기부동태막이 형성된 전자화물이 물, 산 용액 등 산화성 환경에서 화학적으로 매우 안정한 것을 확인했다. 동시에 격자간 음이온 전자가 강한 전자 전달 능력을 유지하여 수소 발생 촉매로서 활용 가능한 것을 확인했다. [그림2] 안정화된 2차원 전자화물의 촉매 특성 발현 모식도. X선 회절 분석법과 전자현미경 관찰을 통해 합성된 Hf2S 전자화물의 안정성과 안정화 메커니즘을 규명하였다. 안정한 Hf2S 전자화물로 촉매 반응을 일으켜 Hf2S 전자화물이 전기 촉매로서 반영구적으로 사용될 수 있음을 밝혀내었다. 층간의 빈 공간에 위치한 격자간 음이온 전자가 표면의 자기부동태막을 통과하여 전기촉매 특성이 발현된다. 수 주간의 반응 시에도 전기촉매 특성이 감소하지 않는다. 특히 이번에 개발된 전자화물 촉매는 내구성이 매우 뛰어나 촉매 특성이 전혀 감소하지 않는 것으로 기존의 낮은 내구성과 고가 소재인 귀금속 촉매를 대체하는 새로운 에너지 소재로서 수소경제 활성화에 기여할 것으로 예상된다. 이번 연구는 학술적으로 전자화물 물질군의 안정화 원리를 명확하게 밝혀내고, 기존 2차원 전자화물 연구 및 상용화의 가장 큰 걸림돌이었던 불안정성 문제의 돌파구를 마련하여 전자화물 응용 물성 연구의 기틀을 마련했다는 점에서 큰 의의가 있다. 또한 본 연구가 제시하는 원리를 이용해 기존 전자화물 소재 연구의 한계를 극복하고 전자화물 분야 기초 연구 및 응용 연구 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 미래소재디스커버리사업 및 기초과학연구원의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 과학기술 분야 세계적 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)에 6.6(토) 게재되었다.
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- 작성일 2020-06-08
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- 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀, 더 안전하고 오래가는 전기 자동차 및 전자기기를 위한 리튬이온 배터리 안전성 향상 새로운 길 제시
- 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀, 더 안전하고 오래가는 전기 자동차 및 전자기기를 위한 리튬이온 배터리 안전성 향상 새로운 길 제시 - 수십 년간 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성 원인 규명 - 세계적 학술지‘Advanced Science’논문 게재 및 저널 커버 선정 [그림] 외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀 (제1저자 이은강 연구원)은 더 안전하고 오래가는 전기 자동차 및 전자기기를 위해 필수적인 리튬이온 배터리 안전성 향상에 새로운 길을 제시했다고 밝혔다. 고성능 차세대 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온 배터리의 양극소재로 고함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있다. 하지만 니켈계 층상구조 양극소재의 고유한 열적불안정성 때문에 상용화에 어려움이 많았다. 이에 연구팀은 가열 중에 변화하는 고함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 진행하였으며, 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명하였다. 나아가 연구팀은 고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘을 규명하고, 고함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자(Key-factor)를 제시하였다. 본 연구는 리튬이온 배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고성능 전기 자동차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온 배터리의 안전성 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이은강 연구원은 “더 안전하고 오래가는 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온 배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다”고 연구 의미를 설명했다. 본 연구결과는 소재과학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Science’에 4월 24일(금) 온라인 게재되었으며, 5월 15일(금) 저널의 커버로 선정되었다. ※ 논문명: Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902413
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- 작성일 2020-06-08
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- 에너지과학과 오상호 교수 연구팀, 실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명
- 에너지과학과 오상호 교수 연구팀, 실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명 - 이론으로만 예측되어온 전위 생성 과정 실험 관찰 최초 성공 [그림1] 오상호 교수, 이수빈 박사 나노스케일에서 재료의 변형 및 파괴 거동은 재료공학, 기계공학 분야에서 오랜 기간 연구되어온 주제로서, 최근 환경변화를 감지하는 압력 센서 및 반도체 소자 등 저차원 나노재료의 다양한 응용연구에 힘입어 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 재료에 영구적인 변형을 일으키는 전위*의 생성과 움직임은 재료의 기계적 물성을 결정짓는 매우 중요한 인자이다. ※ 전위 : 결정 구조를 가지는 재료 내부에 존재하는 결함 구조 중 하나. 전위의 움직임을 통해 재료의 변형이 전달되며, 이것들이 축적되면 실제로 우리가 직접 관찰할 수 있는 변형이 발생한다. 나노재료에서 전위에 의한 소성변형이 어떻게 시작하는지에 대한 연구는 지난 2~30년간 활발히 진행되었다. 원자 시뮬레이션에 의하면 소성변형은 수 나노미터 크기의 매우 작은 전위루프에 의해 시작된다고 알려졌다. 하지만 최초의 전위가 어떻게 생성되어 움직이는지, 재료의 강도‧강화 메커니즘에 어떻게 영향을 주는지에 관한 실험적 관찰은 거의 전무했다. 에너지과학과 오상호 교수 연구팀은 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이수빈 박사 연구팀과 공동으로 재료의 내부를 백만 배 이상까지 확대할 수 있는 투과전자현미경을 활용하여 나노미터 수준에서 재료가 변형되는 순간을 포착했다. 연구팀은 실시간 투과전자현미경 실험을 이용하여 금 나노선을 나노인덴테이션(Nanoindentation) 방법으로 변형함과 동시에 전위의 생성에 의한 초기 소성변형 과정을 직접 관찰하는 데 성공했다. 연구팀은 초당 25프레임의 고속 카메라를 활용하여 수 나노미터의 작은 전위루프들이 수십 분의 1초에 생성되는 것을 관찰하였다. 전위루프는 작은 전위선의 생성으로 시작되고, 이후 다른 슬립면으로 이동하는 교차슬립(Cross slip)을 거쳐 형성되는 것으로 밝혀졌다. [그림2] 소성변형이 시작되는 순간 형성되는 전위루프의 투과전자현미경 관찰 및 원자 시뮬레이션 결과. 금 나노선의 실시간 투과전자현미경 나노인덴테이션 변형실험으로부터 초기 소성변형 과정에서 형성되는 전위루프의 생성 과정을 관찰한 실험 결과 및 원자 시뮬레이션 결과. 연구팀은 접촉면에 따라 전위선의 생성과 교차슬립이 경쟁적으로 작용하여 다른 변형 메커니즘으로 발현되는 것을 확인하였다. 작은 접촉면에 힘을 받으면 작은 크기의 전위루프가 빠르게 형성되는 반면, 접촉면적이 크면 전위루프 생성에 더 많은 에너지가 필요하여 교차슬립이 더욱 활발하게 일어나 나선형 전위가 형성됨을 관찰하였다. 본 연구는 재료 변형 거동을 근본적으로 이해하는 데 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상되며, 반도체, 센서, 에너지하베스팅 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.880)에 5월 12일(화) 게재됐다.
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- 작성일 2020-05-18
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- 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀, 음이온 역할을 하는 전자를 이용한 새로운 자석 소재 개발 성공
- 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀, 음이온 역할을 하는 전자를 이용한 새로운 자석 소재 개발 성공 - 새로운 원리를 갖는 자성 소재 개발 및 활성화 기대 [그림1] 김성웅 교수, 이승용 연구원, 황재열 교수 자석은 일상에서 매우 중요한 소재로, 하드디스크 및 전기 모터 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 일반적으로 자석 소재는 고가의 희토류 원소를 주요 구성요소로 한 합금 형태로 이루어져 있으나, 희토류 원소에 대한 가격 부담 및 안정적인 원료 공급에 대한 문제로 인해서 새로운 자석 소재에 대한 필요성이 대두되고 있다. 현재까지 자석 소재에 필수 구성요소로 여겨졌던 희토류 원소를 사용하지 않거나 그 사용량을 현저히 감소시킨 새로운 자석 소재의 개발을 위한 하나의 가능성으로, 격자간 음이온 전자로 이루어진 ‘전자화물’에 대한 연구가 주목받아왔다. 격자간 음이온 전자가 독립적으로 소재 내부의 빈 공간에 존재할 경우 강자성 특성을 발현할 수 있다는 이론적인 예측은 보고되었으나, 이러한 아이디어를 활용하여 새로운 자성 소재의 합성에 성공한 예는 없었다. 에너지과학과 김성웅 교수 연구팀은 강자성 특성을 가진 전자화물 자석 소재를 세계 최초로 합성하고 그 원리 규명에 성공하였다. 김성웅 교수 연구팀은 2차원 층상구조의 층간의 빈 공간에 독립적으로 위치하면서 고유의 자기 모멘트(magnetic moment)를 갖는 격자간 음이온 전자의 존재를 세계 최초로 규명하였다. 또한 이러한 전자들이 층간에서 주변 양이온과 강한 상호작용(exchange interaction)을 통하여 강자성 특성이 발현되는 2차원 전자화물 자석 소재(Gd2C)를 개발하는 데 성공하였다. 특히, 2차원 전자화물 자석 소재(Gd2C)는 희토류 원소(Gd)만으로 이루어진 기존 자석보다 더 강한 자기 모멘트를 가지고 있어, 전자화물 소재를 응용하면 희토류 원소를 줄이면서도 동일한 자기 특성을 갖는 새로운 자석 소재 개발이 가능하다는 것을 보여준다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다. [그림2] 2차원 자성 전자화물 개념도. 층간의 빈 공간에 위치한 격자간 음이온 전자가 고유의 자기 모멘트를 갖고 주위의 원자들과 상호교환 작용을 하여 강자성 특성을 나타냄. 이번 연구는 기존의 희토류 원소가 자성을 발현한다는 일반적인 원리와는 다르게, 격자간 음이온 전자가 고유의 자기 모멘트를 가지면서 주변 원자와 상호작용을 통해 자성특성을 발현한다는 새로운 자성 구현 원리를 제시한다는 점에서도 의미가 크다. 또한 이론적으로만 제시된 자석 전자화물 소재 연구의 한계를 극복하고 처음으로 강자성체 특성을 갖는 전자화물 합성에 성공한 연구 결과로 자성체 전자화물 분야에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다. 본 연구가 제시하는 전자화물 소재에서의 새로운 자성특성 발현 원리를 이용한다면, 자석 소재 합성에 필요한 고가의 희토류 원소 사용을 줄이고 더 나아가 저가 원소로 이루어진 전자화물의 자석 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.878)에 3월 23일 게재됐다.
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- 작성일 2020-03-26
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- 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀, 상온 강자성반도체를 구현하여 반세기 과학 난제 해결
- 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀, 상온 강자성반도체를 구현하여 반세기 과학 난제 해결 - 바나듐을 치환 도핑한 2차원 이셀레늄화텅스텐 합성 및 상온 강자성 확인 [그림1] 이영희 교수, 윤석준 연구원 묽은 자성반도체는 모태 반도체에 자성불순물을 주입한 물질 군으로, 전하와 스핀을 동시에 제어할 수 있어 초고속, 초저전력 및 초고집적도가 가능한 스핀트로닉스의 핵심 소재로 기대를 받아왔다. 하지만 반세기 동안의 연구에도 불구하고 상온 이하의 낮은 큐리온도(스핀이 강자성 정렬을 띄는 최소온도) 및 물질 내의 조성 불균일 때문에 자성반도체를 활용한 스핀트로닉스의 상용화가 어려워 해결해야 할 과학 난제로 남아있었다. 우리 대학은 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(윤석준, Duong Dinh Loc 연구원, 연구단장 이영희)이 이런 문제를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용하여 바나듐(V)이 도핑된 단분자층 이차원 이셀레늄화텅스텐(이하 V-doped WSe2)을 합성하고 상온 이상의 큐리온도를 띄는 것을 확인했다고 밝혔다. [그림2] 액상 전구체를 활용한 단분자층 V-doped WSe2의 화학기상증착법 도식도 연구팀은 초민감 자기력현미경을 활용하여 단분자층 V-doped WSe2의 자기구역(magnetic domain)을 관측하였으며, 온도 및 자화 방향에 따른 자기구역의 변화를 분석하여 상온 이상의 큐리온도를 가지는 것을 확인하였다. 또한 투과전자현미경을 이용한 원자구조 분석을 통해, 바나듐이 이셀레늄화텅스텐에 고르게 분포하는 것을 확인하여 기존의 문제였던 원소조성 불균일 문제도 해결했다. 또 전자밀도를 바꾸어 강자성모멘트를 제어할 수 있음을 보여주었다. 연구팀이 개발한 상온 묽은 강자성반도체는 웨이퍼크기의 합성이 가능하여 빠른 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 예측된다. 이번 연구를 이끈 이영희 단장은 "과거 반세기동안 과학 난제로 알려진 상온 강자성반도체가 단분자층 수준의 얇은 물질 내에서 존재할 수 있음을 보여주어 스핀전자소자 및 양자컴퓨터 응용에 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대한다”고 밝혔다. [그림 3] 온도 및 자성 탐침의 자화 방향에 따른 단분자층 V-doped WSe2의 자기력 현미경 그림들 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science, IF 15.804)에 3월 11일 게재됐다.
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- 작성일 2020-03-25
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- 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 설명 가능한 뇌영상 인공지능 모델 분석 파이프라인 개발
- 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀, 설명 가능한 뇌영상 인공지능 모델 분석 파이프라인 개발 - 뇌영상 분야에서 인공지능 모델의 설명 가능성 평가 시스템 구축 - 연구자들이 쉽게 따라할 수 있는 구체적인 분석 파이프라인 제시 [그림1] 왼쪽부터, 라다 코호토바(제1저자, 박사과정), 이성우(공동저자, 석사과정), 우충완(교신저자) 인공지능과 기계학습의 인기는 날이 갈수록 높아지고 있다. 뇌인지과학 분야도 예외가 아니며, 최근 인공지능과 기계학습 알고리즘을 뇌영상에 적용하여 병을 진단하고 치료 효과를 예측하는 연구가 인기를 얻고 있다. 심지어 뇌영상을 이용하여 개인의 지능도 측정한다. 하지만 뇌영상 기반 인공지능 모델의 결정을 얼마나 신뢰할 수 있을지는 아직 의문이다. 인공지능은 종종 내부가 보이지 않는 블랙박스로 묘사된다. 인공지능 모델이 왜 그리고 어떻게 작동하는지 정확히 알기 어렵기 때문이다. 하지만 이를 모른다면 우리는 인공지능 모델이 언제 실패할 것인지, 언제 편파적인 결정을 내릴 것인지에 대해서도 알 수 없을 뿐 아니라, 뇌질환과 뇌의 작동 원리를 파악하는 데에도 도움이 되지 않는다. 이처럼 뇌영상 인공지능 모델의 해석과 설명은 매우 중요하지만, 이를 통합적으로 분석하고 평가할 수 있는 접근법은 존재하지 않았다. 이런 한계를 극복하기 위해 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징연구단 우충완 교수 연구팀은 전자전기공학부 문태섭 교수 연구팀, 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌영상 인공지능 모델의 설명가능성을 분석하고 평가할 수 있는 통합 분석 파이프라인을 새롭게 구축하고 연구자들이 쉽게 따라할 수 있도록 구체적인 분석 프로토콜을 개발하였다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 “다양한 분야에서 뇌영상을 이용한 기계학습과 인공지능의 사용이 일반화되고 있어, 뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석과 설명의 필요성이 날로 커지고 있다”며 “향후 설명 가능하고 신뢰할 수 있는 뇌영상 인공지능 모델의 개발, 나아가 뇌질환과 뇌작동 원리에 대한 깊은 이해에 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다. [그림2] 블랙박스라고 알려진 뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석을 모델, 예측 변수, 생물학의 세 가지 수준으로 병렬적으로 접근, 위계적이고 체계적인 새로운 분석 시스템을 구축 및 제안하였다. 연구의 제1저자인 글로벌바이오메디컬공학과 박사과정 라다 코호토바는 “뇌영상 기반 인공지능 모델 해석은 실제로 매우 복잡하며 아직 잘 정립되지 않은 연구 분야이다. 이 연구가 향후 체계적인 뇌영상 인공지능 모델 해석의 기본 토대가 되길 바란다”고 말했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단의 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부의 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원의 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 지원으로 수행되었다. 본 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 프로토콜스(Nature Protocols, IF 11.334)에 3월 18일 게재됐다. ※ 논문에 대한 자세한 내용은 저자의 유튜브 영상 초록을 참고하면 된다. https://youtu.be/kcDfEkoQa7Y
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- 작성일 2020-03-24
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- 에너지과학과 최경민 교수 연구팀, 빛에 의한 초고속 스핀 생성 원리 밝혀내 초고속 자기메모리 개발 청신호
- 에너지과학과 최경민 교수 연구팀, 빛에 의한 초고속 스핀 생성 원리 밝혀내 초고속 자기메모리 개발 청신호 - 빛의 각운동량이 스핀전류로 변환되는 원리 연구 에너지과학과 최경민 교수 연구팀이 고려대 이경진 교수 연구팀, 포항공대 이현우 교수 연구팀과 함께 금속 물질에서 빛에 의한 초고속 스핀 생성 원리를 실험적으로 밝혀냈다. 스핀은 전자가 가지고 있는 양자적 각운동량이다. 스핀을 생성하여 이동시키는 스핀전류는 스핀메모리 소자의 동작에 응용된다. 특히 차세대 메모리 소자로 각광 받고 있는 자기메모리(magnetic random access memory)의 초고속 동작을 위해 필수적인 요소이다. 지금까지 스핀전류 생성은 주로 전기적인 방법에 의해 연구되었다. 빛에 의한 스핀 생성은 반도체 물질에서 가능하다고 알려져 있지만, 반도체와 금속 자성체의 결합이 어려운 점이 한계였다. 금속 물질에서 빛에 의한 스핀전류의 생성이 가능해지면 자기메모리의 피코초(1조 분의 1초) 이하의 초고속 동작이 가능할 것으로 여겨진다. [그림] 원형 편광 빛(빨간색 화살표)이 중금속(HM)에 흡수되어 전자의 스핀(파란색 화살표)를 만들고, 전자의 스핀이 자성체 (FM)에 흡수되어 자기 방향(녹색 화살표)을 움직인다. 연구팀은 플라티늄과 같이 스핀-궤도 결합이 강한 비자성 물질이 원형 편광 빛을 흡수하면 광배열원리(optical orientation)에 의해 빛의 각운동량을 전자의 각운동량으로 전환한다는 것을 실험적으로 밝혔다. 전자의 각운동량은 확산 및 계면 전기장 효과로 인하여 인접한 금속 자성체에 흡수된다. 연구팀은 이러한 빛에 의한 스핀의 생성, 이동 및 흡수의 과정을 결합하여 광학적 스핀-궤도 토크(optical spin-orbit torque)라고 명명하였다. 본 연구는 금속 물질에서 빛에 의한 스핀 생성의 원리를 제공하며 초고속 자기메모리 개발에 필요한 물리적 해석을 제공한다. 또한 테라헤르츠(THz, 1초당 1조 번 진동) 주파수 동작의 스핀 오실레이터 및 스핀 웨이브 소자의 특성 분석을 위한 중요한 방법론을 제시한다. 이 연구는 종합과학 분야 세계적인 저널인 Nature Communications에 3월 20일 온라인 게재되었다. ※ 논문에 대한 자세한 내용은 저자의 홈페이지를 참고하면 된다. : https://sites.google.com/site/gmchoigroup/home
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- 작성일 2020-03-24
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