아주대학교 일반대학원 교육학과

Ajou Graduate School of Education

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미래 사회를 선도하는 교육연구전문가의 양성

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지속적 전문성 함양, 교육 문제에 대한 독창적 연구개발 역량 강화

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물리 안영환 교수 연구팀, 신개념 스텔스 물질 개발

우리 학교 안영환 교수(물리학과∙대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 그래핀 산화물의 유전상수 조작을 통해 신개념의 스텔스 물질을 개발하는데 성공했다. 연구 내용은 <산화 그래핀을 이용한 테라헤르츠파 엡실론-근사-제로 플랫폼(Graphene Oxides as Epsilon-Near-Zero Platforms Operating in Terahertz Frequency Range)>이라는 제목으로, 광학 분야 저명 학술지인 <레이져 & 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)> 11월호 온라인판에 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 중점연구소 사업(자율형)의 지원으로 수행됐다. 우리 학교 에너지시스템학과 박사과정의 전승원 학생, 기초과학연구소의 임종혁 박사, 물리학과의 박지용∙이순일 교수가 공동저자로 참여했다. 연구팀의 이번 개발은 그래핀 산화물의 독특한 특성에 기인한다. 열처리 과정을 거치면, 그래핀 산화 물질은 특정 주파수 영역에서 엡실론-근접-제로(Epsilon-near-zero; ENZ) 특성을 나타낸다. 엡실론-근접-제로 물질은 유전율(엡실론)이 0에 근접하는 인공 물질로, 얇은 박막에 전자파의 강한 집속이 가능해 다양한 첨단 광소자의 구현이 가능하다. ENZ 박막은 전자파의 효과적인 흡수를 가능하게 하여, 반사파를 크게 줄이는 '초흡수체' 제작에 기여한다. 이에 미래의 스텔스 기술 분야에 응용될 수 있다. 스텔스 기술은 육안, 레이더와 음향 등으로부터의 탐지를 어렵게 하는 은폐 기술을 말하며, 전투기와 함정, 전차와 장갑차뿐 아니라 병사의 전투복에까지 활용되고 있다. 스텔스 분야의 응용 외에도, 전통적인 회절 한계를 넘어선 초고해상도 테라헤르츠파(T-레이) 이미징 기술에 적용이 가능해, 의료 진단 및 보안 스캐닝 분야에서 더 세밀한 이미지를 제공할 수 있게 됐다. 특히, ENZ 플랫폼과 메타패턴의 결합을 통해 낮은 굴절률을 가진 미생물을 감지하는 데에도 유용함을 확인했다. 다양한 유해물질 감지 센서의 정확도와 민감도를 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 안영환 교수는 “기존 ENZ 박막이 복잡한 금속패턴을 필요로 하는 반면, 이번에 개발된 물질은 자체적으로 ENZ 특성을 보인다는 점에서 매우 독창적인 연구성과”라며 “ENZ 박막을 원하는 표면에 갖다 붙이거나 다른 광구조와 결합된 하이브리드 소자를 제조하는 등, 기존에 불가능했던 다양한 응용분야가 창출될 것”이라고 전망했다. * 위 그림설명 - (위)산화 그래핀의 유전상수 조작을 통해 엡실론-근접-제로(ENZ) 물질을 제조하는 원리와 (아래)비행체 모형에 대한 ENZ 박막의 스텔스 구현 실험결과

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기계공학과 연구팀, 구겨도 주름 스스로 펼 수 있는 차세대 전자 장치 개발

우리 학교 기계공학과 한승용∙강대식∙고제성 교수 연구팀이 구김과 펼침을 반복해도 주름이 잡히지 않는 새로운 디스플레이 장치를 개발했다. 형상기억폴리머 소재를 활용한 것으로, 연구팀은 번데기 안에 날개를 구긴 상태로 존재하는 나비에서 영감을 얻었다. 아주대 기계공학과 연구팀은 이번 연구 성과를 ‘형상 변형에 기반한 구겨져도 복구가능한 전자장치(Crumple-Recoverable Electronics based on Plastic to Elastic Deformation Transitions)’라는 제목의 논문으로 12월6일자 <네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)>에 발표했다. 기계공학과 자연모사실험실의 한승용 교수, 강대식 교수, 고제성 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 우리 학교 노연욱 박사와 이승곤 석사졸업생(현 삼성전자)은 공동 제1저자로 함께 했다. 기계공학과 연구팀은 형상기억폴리머 소재를 활용해 자유롭게 형태를 변형할 수 있으면서, 접힌 부분의 구겨진 구름을 스스로 펼 수 있는 전자 장치를 개발했다. 형상기억폴리머는 폴리우레탄 계열의 폴리머로써 변형을 해도 유리전이온도 이상에서 본래 형상으로 돌아가는 스마트 소재다. 최근 접을 수 있는 ‘폴더블 디스플레이’ 기반 전자 장치에 대한 관심이 높다. 그러나 반복해서 접고 펴는 과정에서 발생하는 주름이 장치의 성능을 저하시키거나, 화면 왜곡과 같은 문제를 야기한다. 이에 앞선 연구들에서 유연한 재료를 이용해 주름 문제를 해결하려 시도했지만, 이러한 재료의 경우 높은 마찰력, 형태 유지의 어려움, 낮은 내구성 등으로 인해 실제 적용에 한계가 많았다. 아주대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 나비 날개의 메커니즘에 착안, 부드러움과 딱딱함을 약 700배까지 조절할 수 있는 형상기억폴리머를 활용해 전자장치를 제작했다. 이 장치는 엘라스토머(고무와 같은 특성을 가진 폴리머 재료로 큰 변형을 겪어도 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 높은 탄성을 지님)층을 결합해, 회복 불가능한 소성 변형을 방지하는 완충 기능을 갖추고 있다. 소성 변형이란 ‘주름’과 같이 물질이 접힘으로 인해 원래의 형상으로 돌아오지 못할 정도로 변형된 상태를 말한다. 이번에 개발한 전자 장치는 작은 알약에 압축해 보관할 수 있을 정도의 크기로, 단단한 강성을 유지하지만 꺼내서 열을 가하면 형상기억폴리머의 강성이 순간적으로 낮아져 주름이 사라진다. 그리고 이 과정에서 전극이 재연결되어, 구겨지기 전과 같은 터치 패널 기능을 수행할 수 있다. 한승용 교수는 “나비는 우화가 시작되기 전, 날개 크기에 비해 협소한 번데기 안에 날개를 구긴 상태로 존재한다”며 “나비는 이 주름을 무리 없이 완벽하게 펼쳐내는데, 이는 체액이 마르면서 주름이 펴지고, 날개의 강성이 증가하는 고유한 메커니즘 덕분”이라고 설명했다. 연구팀은 나비의 우화 과정에서 영감을 얻었는데, 우화란 번데기에서 허물을 벗고 나비가 되는 과정을 말한다. 연구팀의 전자 복합체는 구겨졌을 때 강성이 급격히 낮아져 주름을 펼 수 있고, 사용 중에는 강성이 높아져 사용자의 편의성을 확보할 수 있는 구조다. 한 교수는 이어 “이번 연구 성과로 전자 장치의 휴대성이 크게 높아지고, 장기적으로는 전자 폐기물 감소에 기여할 수 있다”며 “앞으로 폴리머 기반 발광층(PLED)과 결합되어, 새로운 사용자 맞춤형 디스플레이로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구 및 중견연구 지원사업으로 수행됐다. 나비의 우화 과정에서 영감을 받아 제작된 아주대 연구팀의 전자 장치 알약에 압축 보관했다가 펴도 문제 없이 사용 가능한 터치패널 * 위 사진 설명 - 아주대 기계공학과 연구팀. 왼쪽부터 한승용 교수, 강대식 교수, 고제성 교수, 노연욱 박사, 이승곤 석사졸업생 # 관련 기사 보기 - 한국경제(12.7.) "나비 날개서 힌트, 구겼다 펴도 멀쩡한 터치패널 개발했죠"

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김상욱 교수팀, 양자점 기반 친환경 광검출 소자 개발

우리 학교 김상욱 교수팀이 단파 적외선 영역에서 광학 성능을 나타내는 새로운 친환경 양자점을 제조하고, 광검출 소자에 이를 적용하는 데 성공했다. 이에 기존의 소재를 대체하여 자율주행이나 무인 이동체 등 산업·군사·천문 관측용 탐지 장치에 활용 가능한 원천소재가 될 수 있을 것으로 기대된다. 김상욱 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과) 연구팀은 InSb 양자점을 염소 이온 표면 처리해 광학 성능을 극대화하고, 이를 소자에 적용하기 위해 무기 리간드 치환 기술과 접목, 높은 성능의 포토다이오드 타입 광검출기 제작에 성공했다고 밝혔다. 관련 논문은 ‘표면 산화를 억제한 1500nm SWIR 광검출기용 콜로이드 InSb 양자점(Colloidal InSb quantum dots for 1500 nm SWIR photodetector with antioxidation of surface)’이라는 제목으로 재료공학 분야의 저명 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)> 12월 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 김종현 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 이행근 한국화학연구원 박사가 함께 참여했다. 단파 적외선은 근적외선 영역보다 긴 파장대의 범위로 파장이 길어 투과성이 좋으며, 특히 가시광·근적외선 영역보다 태양광이나 수분에 의한 간섭이 매우 적다는 장점을 가지고 있다. 이에 단파 적외선은 자율주행이나 무인 이동체 등에서 주변 환경을 인식하기 위한 목적으로 사용되며, 흐리고 안개 낀 날이나 어두운 밤에도 활용이 가능하다. 그러나 단파 적외선의 효율적 감응을 위한 소자의 성능과 가격 등의 측면에서는 한계를 보여 왔다. 기존 단파 적외선 감응 소자의 경우 규소(Si)나 인듐 갈륨 비소(InGaAs)를 기반으로 하나, 이 경우 1100nm 이상의 긴 파장 영역 대에서는 감도가 크게 떨어진다. 두 종류 이상 물질의 주기적 층을 쌓은 초격자 반도체의 경우, 제작 단가가 매우 비싸고 상온에서의 감지 성능이 떨어지는 단점이 있다. 이에 상대적으로 저비용이며 비냉각형 소재인 양자점(Quantum Dot)이 하나의 해결 방안으로서 학계 및 산업계의 관심을 받아왔다. 양자점은 2023 노벨화학상의 영광을 차지한 반도체 나노입자 소재로, 수 나노미터(nm) 크기의 물질이 형태나 조성에 따라 가시광에서 적외선 영역까지 파장 조절이 매우 용이하여 다양한 광소자로 연구되고 있다. 특히 황화납(PbS)이나 황화셀레늄(PbSe), 텔루르화 수은(HgTe) 같은 양자점 기반 소재를 이용한 단파 적외선 감응 소자들이 학계에서 최근 연구되어 왔다. 그러나 이런 양자점의 경우 납과 수은 같은 유독성 중금속을 사용한다는 점에서 산업계에서 널리 적용하기에는 어려움이 존재한다. 이에 아주대 공동 연구팀은 납(Pb)이나 수은(Hg)을 사용하지 않는 InSb 양자점을 주목했다. InSb 양자점은 유해 중금속을 사용하지 않는 양자점으로 알려져 있으나, 표면 산화에 매우 취약해 그 성능을 나타내기가 매우 까다롭다는 단점이 있다. 이에 연구팀은 합성 단계에서 염소 이온을 첨가해 양자점 표면 산화를 최대한 억제, InSb 양자점의 광학 성능을 극대화하고, 무기리간드 치환 기술을 접목해 안정적으로 소자에 적용 가능한 형태로 가공했다. 연구팀은 이렇게 만든 고밀도의 양자점 필름을 ITO 기판에 코팅해 포토다이오드 타입의 광 검출 소자에 적용했다. 그 결과 상온의 1370nm와 1520nm 영역에서 각각 11.2%, 6.3%의 외부 양자효율을 달성, 별도의 냉각 장치 없이도 높은 성능이 나타남을 확인했다. 연구팀은 더불어 합성된 InSb 양자점의 단파 적외선 흡광 성능뿐 아니라 발광 또한 확인, 이를 통해 새로운 광원으로서의 가능성 또한 발견했다. 단파 적외선 발광의 경우 가시광이나 근적외선보다 인체 조직에서의 투과성이 매우 높기에 바이오 이미징에서 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있으며, 수분이나 햇빛 등 외부 환경에 의한 간섭이 적어 사물인터넷(IoT) 분야 등에서 응용이 가능할 것으로 보인다. 김상욱 교수는 “이번에 개발한 InSb 양자점 제조기술은 납과 수은 같은 유독성 중금속을 활용하지 않은 친환경 기술로, 가격 경쟁력과 효율도 높아 단파 적외선 감응에 사용할 수 있는 산업계의 가장 현실적 대안”이라며 “앞으로 지속적인 추가 연구를 통해 자율주행 등 미래 기술에 응용할 수 있기를 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, KIURI 및 기초연구사업 등의 지원을 받아 이루어졌고, 국내 특허 출원이 완료됐다. * 위 그림 설명 a) 염소 이온에 의하여 양자점의 표면을 보호해 산화를 방지 b) 양자점 성장 온도에 따라 흡광 영역 조절 가능 c) 상기 양자점 소재를 이용한 광검출기의 모식도와 외부 양자효율 스펙트럼(주황색 : 1370nm, 적색 : 1520nm)