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우리 학교 김종현 교수가 포함된 국내 연구진이 신개념의 도핑 공정 개발에 성공했다. 전자재료로 널리 활용되고 있는 유기 반도체 물질인 공액 고분자의 광학적·전기적 성능을 획기적으로 개선할 수 있어, 앞으로 차세대 전자기기 및 에너지 소재로 활용될 것으로 기대된다.김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)는 김봉기 건국대 교수(유기나노시스템공학과) 연구팀과 함께 새로운 개념의 도핑 공정을 개발해 관련 내용이 담긴 논문이 <어드밴스드 펑셔날 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 10월15일자 표지 논문으로 선정되었다고 밝혔다.논문 제목은 ‘공액고분자 박막의 전영역 도핑이 가능한 하이브리드 도핑: 공액고분자의 광전기적 성능 및 열전성능 최적화를 위한 새로운 도핑전략(Exploring Wholly Doped Conjugated Polymer Films Based on Hybrid Doping: Strategic Approach for Optimizing Electrical Conductivity and Related Thermoelectric Properties)’이다.김종현 교수가 교신저자로 참여했고, 아주대 대학원 분자과학기술학과 윤상은 학생(석박사 통합과정, 사진 오른쪽)이 제1저자로 함께 했다. 우리 학교 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)도 연구에 참여했다.유기 반도체 물질인 공액 고분자는 용액 공정이 가능해 공정 비용을 절감할 수 있고, 유연하고도 가벼운 휴대용 전자 소자로 활용될 수 있어 주목받고 있는 차세대 소재다. 유기 반도체를 널리 활용하기 위해 다양한 연구들이 진행 중이며, 그 중 전기 전도도 개선과 관련해서는 도핑(Doping) 공정을 통한 시도가 가장 활발하다. 그러나 전기 전도도를 확보하기 위한 방안에 있어, 복잡하고 친환경적이지 못한 도핑 공정과 도핑 후 박막의 대기 불안정성 등의 문제가 한계로 지적되어 왔다.지금까지의 관련 연구는 전기 전도도 향상을 위해 신규 고분자 물질과 도판트 소재 개발에 주로 초점이 맞춰져 왔다. 이에 반해 고분자 박막의 도핑 영역을 확장하려는 연구는 거의 전무, 그동안 고분자 박막의 일부분만 도핑이 가능한 수준에 머물러 왔다. 이에 공동 연구팀은 기존에 잘 알려진 범용 공액 고분자를 사용하되, 박막의 전체 영역에 도핑이 가능한 신개념의 도핑 공정 개발에 착수했다.도핑은 도판트 분자가 고분자 박막 내부로 침투하면서 이뤄지는데, 공동 연구팀은 고분자 박막 내부의 결정성 영역과 비결정성 영역 모두에 도판트 분자가 확산될 수 있는 하이브리드 도핑 공정을 설계했다. 이를 통해 일부 영역에의 도핑에만 의존해오던 기존 공정 대비 40배 이상 증진된 전기 전도도와 87% 이상의 가시광 투과도를 나타냄을 확인했다. 뿐만 아니라 산소에 대한 저항성 개선효과로 대기안정성이 획기적으로 개선되는 등 우수한 광전기적 특성을 보였다.김종현 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 도핑 공정은 방법이 매우 간단하면서도 전기 전도도와 광 투과도 면에서 성능이 우수하다”며 “이 공정을 활용해 제작하는 전도성 투명 고분자 필름이 차세대 전자기기의 유연하고 신축성 있는 투명전극 및 열전변환소재로 응용될 수 있으며, 이는 기존의 고가 투명전극 및 에너지 소재들을 대체할 수 있을 것”이라고 전망했다.이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터)의 지원을 받아 수행되었다.
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- 작성일2020-09-21
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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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