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- 에너지과학과 김정용 교수 연구팀, 발광 반도체의 엑시톤 충돌∙소멸 현상을 억제하는 메커니즘 개발
- 에너지과학과 김정용 교수 연구팀, 발광 반도체의 엑시톤 충돌∙소멸 현상을 억제하는 메커니즘 개발 “LED의 고휘도 양자효율 감소 문제 해결책 제시” [사진] 김정용 교수 성균관대학교(총장 신동렬) 에너지과학과 김정용 교수 연구팀(제1저자 이용준 연구원)이 엑시톤 간 상호작용을 억제하여 발광 반도체의 고휘도 양자효율을 획기적으로 향상한 연구 결과를 발표하였다. LED와 같은 반도체 발광소자는 광여기하거나 전기적으로 주입된 전자(-)와 정공(+)들이 만나 엑시톤을 이루고, 이 엑시톤들이 다시 광자로 변하면서 빛을 발하는 원리로 작동한다. 다만 높은 밝기를 얻기 위해 엑시톤의 밀도를 증가시키면, 엑시톤이 광자로 변하기 전에 서로 충돌해 소멸되어(엑시톤이 갖는 에너지는 열로 소비됨) 고휘도에서의 LED 양자효율이 급격히 줄어드는 전형적인 문제가 있다. 엑시톤이 광자로 변하기 위해선 보통 수 나노(10억분의 1)초의 시간이 걸리는데 이보다 먼저 충돌하면서 소멸되기에 엑시톤의 평균수명도 밀도가 높아짐에 따라 10배 이하로 급격히 줄어든다고 알려져 있다. 연구진은 양자가둠 효과가 큰 2차원반도체에서 이러한 문제가 더욱 심화되는데 착안하여, 엑시톤들이 무작위가 아닌 전기장에 의한 상호 인력에 의하여 충돌이 가속된다고 가정했다. 전기장 차폐성질이 있는 금속 박막을 2차원반도체에 근접시키고 고휘도에서 양자효율을 측정한 결과 금속박막이 없을 때보다 최고 16배 증가시킬 수 있었다. 2차원반도체와 금속박막 사이 간격을 최소 7나노미터로 줄인 결과 엑시톤 농도가 10000배 늘어나도 본래의 엑시톤 평균 수명인 나노초 이하로 거의 줄어들지 않는 것으로 측정되었다. 2차원반도체와 인접 금속판과의 간격 변화에 따른 엑시톤 간 충돌 확률을 양자역학 기반으로 계산한 결과가 실험 결과와 완벽히 일치하여 연구진이 세운 가설의 효용성이 확인되었다. 김정용 교수는 “엑시톤 간 상호작용을 제어하는 방식으로 반도체의 비발광 엑시톤 충돌현상을 줄일 수 있다는 것을 최초로 증명하고, 반도체 LED의 고휘도 양자효율 저하 문제의 해결책을 제시하였다는데 의미가 있다”고 덧붙였다. 본 연구결과는 삼성미래기술육성사업 지원으로 이루어졌으며, 미국 미네소타 대학의 토니 로우 교수, 서강대학교 장준익 교수 등 여러 전문가 그룹과 수년간 함께한 공동연구의 성과로서, 과학전문 잡지인 네이쳐커뮤니케이션즈에 12월 7일(화) 게재되었다. ※ 논문 : “Boosting quantum yields of two-dimensional semiconductors via proximal metal plates”, Nature Communications, Dec. 7th, 2021
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- 작성일 2021-12-08
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- 성균융합원 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀, 고휘도 양자점 발광소자 구현
- 성균융합원 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀, 고휘도 양자점 발광소자 구현 - 성균관대-서울대학교 공동연구, Advanced Materials 논문 발표 - AR/VR, 옥외용 디스플레이, 조명, 광 치료 등 양자점 발광소자의 새로운 응용 가능성 제시 [사진] 임재훈 교수, 김병재 석박통합과정(왼쪽부터) 양자점 발광소자(Quantum dot-based light-emitting diodes, QLEDs)는 수 나노미터 수준의 반도체 나노입자인 양자점을 발광층으로 사용하고 전하의 직접주입을 통해 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 자발광 소자이다. 해당 기술은 높은 에너지 효율과 더불어 순수한 색을 만들어낼 수 있어 차세대 디스플레이 후보 기술로 주목받고 있으며, 이를 다른 광 기술 분야에 적용하기 위한 연구도 활발히 진행 중이다. 현재까지 구현된 양자점 발광소자는 그 활용처가 TV, 노트북, 핸드폰 등 중·저휘도(수백~수천 nit 수준) 디스플레이에 국한되어 있다. AR/VR 장치나 옥외 디스플레이, 나아가 조명이나 광 치료 기기 등 다양한 분야에 QLED가 사용되기 위해서는 수만 nit 이상의 고휘도 조건이 요구되는데, 지금까지의 QLED 소자는 고휘도에서 작동하지 않거나, 매우 낮은 소자 효율과 안정성을 보였다. [연구 그림] 고휘도를 달성하기 위해서는 QLED를 높은 전류에서 구동해야 한다. 그러나 높은 전류에 의한 줄 열(Joule heat) 발생으로 소자의 열화가 가속화되고, 다중 여기자(Multi-exciton) 생성에 따른 비발광 오제(Auger) 재결합 증가로 양자점의 발광 효율이 저하돼, 고휘도의 QLED를 제작하기 어려웠다. 이에 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀(제1저자 김병재 석박통합과정)은 서울대학교 전기전자공학부 곽정훈 교수 연구진과의 공동연구를 통해 이상의 문제를 해결할 수 있는 소재 및 소자 설계가 가능함을 밝혔다. 연구팀은 양자점을 구성하고 있는 쉘의 구조를 정교하게 조절해 고전류에서 발생하는 비발광 오제재결합을 효과적으로 억제함으로써, 높은 전류에서도 발광 효율을 유지할 수 있는 소재를 개발했다. 또한 열 전도도가 높은 실리콘 기판을 사용해 줄 열에 의한 소자의 열화를 억제했고, 광 추출 효율을 높이는 전면발광구조를 최적화해 휘도를 증가시켰다. 마지막으로 발광층 내부 양자점의 개수를 조절함으로써 발광 효율이 낮은 다중 여기자 형성을 최소화했다. 소재부터 소자까지 다각적 접근을 통해 제작된 QLED는 최대휘도 330만 nit(광출력 50mW), 전류효율75.6cd/A를 나타냈고, 초기 휘도 100nit에서의 예상 반감수명은 무려 1억 2500만시간(약 1만 4269년)에 달한다. 이는 지금까지 발표된 QLED 가운데 최고 휘도, 효율, 수명이다. 이번 연구결과는 QLED 디스플레이의 실용화 연구에 이바지함과 동시에 높은 휘도가 요구되는 AR/VR 장치나 옥외용 디스플레이에도 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한 자발광 QLED의 활용 범위를 디스플레이뿐만 아니라 조명, 레이저, 광 치료 등으로 넓혀 다양한 광 관련 산업에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이상의 결과는 소재·나노기술·과학 분야의 최고 권위 저널 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 학술지에 10월 27일자로 온라인 공개되었으며, 연구재단 신진연구자사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행되었다.
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- 작성일 2021-11-29
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- 이현구 회장 '중봉(中峰)뇌과학연구기금' 전달식 개최
- 이현구 회장 '중봉(中峰)뇌과학연구기금' 전달식 개최 이현구 회장[경영학과68, 라까사웍스(주)]은 11월24일(수) 우리대학의 뇌과학 분야 연구발전을 위해 「중봉(中峰)뇌과학연구기금」 10억 원을 쾌척하였다. 기금전달식에는 이현구 회장을 비롯하여 라까사그룹의 이형우 총괄대표, 이지우 대표, 기동현 대표, 이주희 팀장이 참석하였으며, 학교에서는 신동렬 총장, 박선규 (자)부총장, 남재도 성균융합원장, 김성기 IBS연구단장, 심원목 교수, 서민아 교수를 비롯한 BME학과 이준열, 우충완, 홍석준, 박천권 교수가 참석하여 자리를 빛내주었다. 신동렬 총장은 환영사에서 ‘우리대학이 2030년까지 30개 학과를 글로벌 20위권으로 도약시키겠다는 야심찬 VISION2030 미래발전계획을 선포한데 맞추어, 이현구 회장님께서 VISION2030 4대 전략분야인 바이오와 뇌과학 연구에 이렇게 통 큰 기부를 해주셔서 큰 힘이 된다고 말하고, 회장님의 뜻대로 뇌과학 분야 다원적융복합 R&BD생태계를 세계 탑티어 수준으로 높이도록 노력하겠다’고 말했다. 이현구 회장은 기념사에서 ‘뇌과학 분야는 인류가 아직 풀지 못한 무궁무진한 연구분야와 연구성과가 있을 것으로 기대된다. 치열한 삶속에서 차곡차곡 쌓아 온 부를 나누고 그 나눔으로 함께 성장하는 모습을 지켜보는 것이 삶의 큰 즐거움이며, 뇌과학이미징 연구환경에 작은 도움이 되고자 기부하게 되었다’고 말하고, 보다 좋은 환경에서 연구성과가 도출되어 기부자의 보람으로 이어지기를 기원한다고 말했다. 김성기 IBS연구단장은 감사말씀에서 ‘이현구 회장님의 큰 뜻과 정신에 따라 연구기금을 소중하게 사용하여 中峰이라는 회장님의 호처럼 성균관대학교의 뇌과학이 대한민국 뇌과학 분야의 中峰으로서, 세계적으로 성장할 수 있도록 노력하겠다’고 말했다. 심원목 교수는 발표자료를 통해 ‘이현구 회장 연구기금 Fellowship Wall’ 구축 계획과, 뇌과학 분야 5년 이내 대한민국 Top 1, 10년 이내 Global Top 10 진입의 미래포부를 밝혔다. 이현구 회장은 지금까지 약15여종의 기금에 기부총액 약28억 원에 이르며 이번에 기부한 「중봉(中峰)뇌과학연구기금」 10억원을 더하면 총 38억 원이 된다. 전달식 후 뇌과학이미징연구단 투어와 오찬이 진행되었다.
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- 작성일 2021-11-25
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- 생명물리학과 안선주 교수, 국가표준 60주년 기념식에서 근정포장 수상
- 생명물리학과 안선주 교수, 국가표준 60주년 기념식에서 근정포장 수상 생명물리학과 안선주 교수가 산업통상자원부 국가기술표준원이 국가표준 미래비전을 선포하고 유공자와 우수기업을 포상하는 ‘국가표준 60주년 기념식’에서 근정포장을 수상했다. 본 행사는 11월 22일(월) 조선호텔에게 개최되었다. 안선주 교수는 코로나19 감염병의 대응기법을 체계화하여 국제표준으로 발전시켜 K방역의 위상을 높인 공로를 인정받았다. 안선주 교수는 국제표준화기구인 ISO에서 최초로 팬데믹 전담 워킹그룹 설립을 추진하고, 회원국의 지지를 얻어 설립 완료했다. 또한 산업통상자원부 스마트헬스 국가표준코디네이터로 국내 및 국제 의료 표준화에 기여했다. 나아가 K-방역모델의 국제표준화항목 초안을 도출해 이 후보 항목 중 14개가 K-방역모델 국제표준화 항목으로 포함되어 우리나라 방역모델의 성공적인 국제표준화의 기틀을 마련하고, ISO/TC 304(보건경영)내에 팬데믹 대응 표준개발을 전담하는 신규작업반4(팬데믹 준비 및 대응)를 설립하고 자동차 이동형, 도보 이동형 선별진료소, 생활치료센터, 자가진단앱 등의 국제표준화를 추진한 바 있다.
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- 작성일 2021-11-25
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- 나노물리구조연구단장 이영희 교수, 한국인 최초 중국과학원 최고 과학자 임명
- 나노물리구조연구단장 이영희 교수가 한국인 최초로 중국과학원 최고 과학자로 임명되었다.
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- 작성일 2021-11-22
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- 에너지과학과 임재훈 교수, QLED의 발광성능 향상시키는 연구 결과 발표
- 에너지과학과 임재훈 교수가 QLED의 발광성능 향상시키는 연구 결과를 발표했다.
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- 작성일 2021-10-20
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- 나노구조물리연구단 이효영 교수 연구팀, 그린 수소 생산 위한 고성능 촉매 개발
- 나노구조물리연구단 이효영 교수 연구팀이 그린 수소 생산 위한 고성능 촉매를 개발했다.
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- 작성일 2021-10-15
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- 양자생명물리과학원 조한상 교수 연구팀, 자동차의 초미세먼지가 뇌의 면역체계를 붕괴시키고 뇌손상을 유발한다는 사실 최초로 밝혀내
- 양자생명물리과학원 조한상 교수 연구팀, 자동차의 초미세먼지가 뇌의 면역체계를 붕괴시키고 뇌손상을 유발한다는 사실 최초로 밝혀내 - 향후 초미세먼지에 의한 뇌질환 병기진행 메커니즘에 초석이 될 예정 - 재료과학분야 세계적 학술지 ‘Advanced Science' 10월호 게재 예정 성균관대학교(총장 신동렬)는 양자생명물리과학원(IQB) 조한상 교수 연구팀(공동저자 강유정 연구교수)이 노스케롤리나주립대학교 기계공학과 Charles Y. Lee 교수 연구팀과 공동으로 자동차 엔진에서 나오는 초미세먼지가 뇌의 면역체계를 붕괴시키고 뇌손상을 유발한다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 대기 중의 초미세먼지(직경 2.5μm 이하)는 호흡기 질환뿐만 아니라 인지기능과 정신건강에 악영향을 미치는 물질로서 매우 중요한 사망위험요인으로 분류되고 있다. 특히 초미세먼지 표면에는 높은 농도의 중금속이 함유되어 있어 1급 발암 물질로 여겨지고 있으며, 장시간 노출되면 기관지와 폐 깊숙한 곳에 쌓여 호흡기 질환을 유도한다. 또한 뇌까지 침투한 초미세먼지는 뇌기능 손상과 치매를 비롯한 뇌질환 발병에 유의적 영향을 미친다는 연구결과가 최근 발표되고 있다. 연구팀은 3차원 미세유체요소 플랫폼에 인간 신경 줄기세포와 면역세포를 3차원 배양하여, 초미세먼지의 뇌혈관 침투와 침투한 초미세먼지에 의해 유도되는 뇌신경염증반응에 의한 신경세포 손상 모델을 구현했다. 특히 초미세먼지에 의해 파괴된 면역체계가 뇌건강 및 뇌기능에 미치는 영향 그리고 그에 관한 세부기전을 명시했다. 본 연구를 통해 초미세먼지가 혈액을 통해 뇌로 가는 물질을 걸러주는 거름망 역할을 하는 뇌혈관 장벽을 허물면서 뇌조직으로의 침투성이 증가하는 것을 확인하였다. 침투한 초미세먼지는 뇌면역의 항상성 조절에 핵심적인 역할을 하는 성상세포와 미세교아세포를 교란하여 과한 염증반응과 더불어 신경세포 시냅스를 감소시키고 치매유도물질로 알려진 타우(tau) 단백질의 축적을 유도한다. 조한상 교수는 “이번 연구결과는 초미세먼지에 의해 유도된 신경염증에 의한 심각한 뇌손상의 발견”이라며 “특히 성상세포와 미세아교세포의 직접적인 관여를 볼 때, 향후 미세먼지에 의한 조기사망 위험을 낮추는 치료법 개발에 활용될 수 있을 것이다”라고 설명했다. 이번 연구결과는 화학분야 세계적 학술지인 Advanced Science(IF=17, featured on a frontispiece) 10월호에 게재 예정이며, 과학기술정보통신부가 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었다. [붙임] 그림 (a) 초미세먼지에 의해 유도된 (i) 뇌혈관 손상과 (ii) 뇌신경염증을 도식화한 그림(좌)과 이를 구현한 미세유체 시스템 기반의 인간뇌 3D 생체조직칩 모식도(우). 그림 (b) 잘 알려진 형광면역측정법 (Immunofluorescence Assay)를 활용해 건강한 뇌오건칩(Tri-Con)과 초미세먼지에 의해 손상된 뇌오건칩(Tri-PMB)에서의 뇌세포의 시냅스 감소와(상위 그림) 치매유도물질로 알려진 타우(Tau) 축적을 확인.
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- 작성일 2021-10-15
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- 신소재공학부 정현석, 이재찬, 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀, 강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발
- 신소재공학부 정현석, 이재찬, 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀, 강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발 - 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향 제시 기대 [그림1] 신소재공학부 정현석 교수, 이재찬 교수, 에너지과학과 안태규 교수 신소재공학부 정현석 교수(공동 제1저자 Jun Zhu 박사과정), 이재찬 교수(공동 제1저자 박슬용 석박사통합과정), 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀은 할라이드 페로브스카이트 소재에 강산화제 물질을 도입해 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다. 할라이드 페로브스카이트는 높은 광흡수율, 광여기된 전자와 정공의 긴 수명 등 태양전지의 소재로서 뛰어난 특성을 보여준다. 최근 이를 활용한 태양전지는 이미 상업화된 태양전지보다 높은 에너지 변환 효율을 보여 차세대 태양전지 소재로 큰 주목을 받고 있다. 하지만 할라이드 페로브스카이트에 본질적으로 존재하는 할라이드 공공과 같은 결함은 전자의 국부화를 유도해 비방사성 재조합을 유도하는 결함복합체를 형성, 광여기된 전자와 정공의 수명을 급격히 감소시킨다. 이로 인해 할라이드 페로브스카이트의 태양전지 소재로서 뛰어난 특성들이 충분히 활용되지 못했다. 이에 연구진은 강산화제인 이황화 포름아미딘 이온을 첨가하여 페로브스카이트 결함에 국부화된 전자를 제거했다. 이황화 포름아미딘 이온은 강한 산화제로서 다른 물질의 전자들을 빼앗아 산화시키는 성질을 갖고 있으며, 페로브스카이트 내에서도 요오드 공공에 국부화된 전자를 제거했다. [그림2] 그림 1은 일반적인 포름아미드요오드화납(FAPbI3) 내 요오드 공공에 국부화된 전자가 비방사성 재조합 중심역할을 하는 결함 복합체를 만드는 과정의 개략도이며, 그림 2의 개략도에서 보는 것과 같이 포름아미드요오드화납 내 이황화 포름아미딘은 요오드 공공에 전자가 국부화되는 것을 막아 결함복합체의 생성을 효과적으로 억제한다. 본 연구에서는 이황화 포름아미딘 이온이 페로브스카이트 구조에 안정적으로 통합되며 요오드 공공의 국부화된 전자를 빼앗아 비방사성 재조합 중심이 되는 결함복합체의 형성을 효과적으로 억제하는 것을 제일원리계산을 통해 밝혔으며, 이를 바탕으로 제작된 페로브스카이트 소재에서 광여기된 전자와 정공의 수명이 향상되는 것을 실험적으로 입증했다. 또한 이황화 포름아미딘 이온은 페로브스카이트 소재 합성과정 중 전구체들이 중간상을 형성하도록 유도해 제작된 페로브스카이트의 결정성 및 결정립계의 크기를 개선해 소재의 특성과 안정성을 더욱 향상시키는 것을 확인했다. [그림3] 그림 3은 이황화 포름아미딘을 첨가한 페로브스카이트를 활용하여 제작한 태양전지 모듈이며, 그림 4와 같이 대면적의 태양전지 모듈에서 매우 높은 에너지 변환 효율을 보여주고 있다. 연구진은 “이황화 포름아미딘 이온이 첨가된 페로브스카이트를 이용한 태양전지는 단위 셀뿐만 아니라 넓은 면적의 태양전지 모듈에서 20% 이상의 우수한 효율을 나타냈다”며 “본 연구는 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성의 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 전했다. 본 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 에너지&엔바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental science, IF 38.532)에 7.30(금)에 게재되었다. ※ 논문명 : Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules ※ Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules - Energy &Environmental Science (RSC Publishing)
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- 작성일 2021-08-06
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