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기계공학과 한승용 교수 연구팀이 유연 생체이식형 센서의 신뢰성 높이고 수명을 예측할 수 있는 새로운 구조를 개발하는 데 성공했다.지난 4월27일 한승용 교수(기계공학과·대학원 융합의과학과, 사진 제일 왼쪽)는 성균관대학교 연구팀과 함께 생체에의 유체 침투를 위해 사용되는 새로운 기능성 봉지화 구조를 개발했다고 밝혔다. 관련 연구는 ‘유체 침투를 무선으로 즉시 감지할 수 있는 기능성 봉지화 구조 개발(Functional Encapsulation Structure for Wireless and Immediate Monitoring of the Fluid Penetration)’ 이라는 제목의 논문으로 재료공학분야 국제 학술지 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 저널(Advanced Functional Materials Journal, IF=18.808, JCR 상위 4.341 %)> 4월23일자에 게재되었다. 이번 연구에는 우리 학교 대학원 기계공학과 석사과정의 임다슬 학생(사진 가운데)과 박사과정의 홍인식 학생(사진 제일 오른쪽)이 제1저자로 참여했고, 성균관대학교 전자전기공학부의 원상민 교수팀도 연구에 함께 했다. 생체이식형 유연 장치의 신뢰성을 높이고 장기간 사용하기 위해서는 뛰어난 성능을 가진 봉지 층이 필수적이다. 생체이식형 유연 장치에서 봉지 층은 체액을 차단시켜주는 중요한 역할을 한다. 봉지 층의 결함으로 전자 장치 내로 체액이 침투하게 되면, 체내 누전에 의한 감전 사고가 발생하거나 측정 데이터의 신뢰도가 떨어지는 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 아주대-성균관대 공동 연구팀은 장치 내로 침투하는 체액을 실시간 모니터링할 수 있는 봉지 층을 연구했다. 마그네슘 박막이 체액과 반응하여 녹을 때 높은 전기적 저항 변화가 발생할 수 있도록, 두께가 감소함에 따라 물질의 비저항이 증가하는 표면 산란 효과를 이용한 것. 연구팀은 수십 나노미터의 마그네슘 박막을 고분자 층에 삽입하여 기능성 봉지 층을 제작하였으며, 침투하는 체액의 양을 정량적으로 측정함으로써 소자의 작동 수명 예측과 봉지 층 내부의 핀홀(pin-hole)을 감지하는 기능을 선보였다. 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 기능성 봉지화 층을 통해 ▲신경 인터페이스 ▲심장 박동기를 비롯한 임상 연구 등 다양한 생체 이식형 장치 응용분야에 적용하여, 장치의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.연구에 참여한 임다슬 학생은 "학부 3학년부터 기계공학을 복수전공 하였고, 더 깊이 있는 공부를 위해 대학원에 진학하게 되었다"며 "전공에 대한 두터운 지식이 필요해 연구를 진행하는데 어려움도 있었지만, 교수님들과 동료 학생들이 많이 도와준 덕분에 좋은 성과를 얻을 수 있었다"고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 환경부가 추진하는 우수신진연구, 환경보건 디지털 조사 기반 구축 기술개발사업의 지원으로 수행되었다.생체이식형 센서의 수명 예측 봉지화 구조(왼쪽), 봉지화 구조의 생적합성 실험(오른쪽)
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- 작성일2022-10-17
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- 작성일2022-10-13
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전자공학과 박성준 교수 연구팀이 자외선/오존 환경 속에서도 매우 짧은 시간 내에 금속산화물 IGZO 반도체 기반의 박막 트랜지스터 소자의 성능을 향상하고 특성을 조절하는 공정 개발에 성공했다고 밝혔다. 연구 내용은 '용액공정 IGZO 산화물 박막 트랜지스터의 자외선/오존 처리에 따른 효과적인 문턱전압 조절과 영향(Influence of UV/Ozone Treatment on Threshold Voltage Modulation in Sol-Gel IGZO Thin-Film Transistors)'이라는 제목으로 국제 학술지 <어드밴스드 머터리얼스 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)> 프론트 커버 논문으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 전자공학과 석사과정 김원식 학생과 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 이원준 박사가 공동 제1저자로, 아주대 전자공학과 석사과정 곽태현·백석현 학생, 한국화학연구원(KRICT) 이승훈 박사가 공동저자로 참여했다. 박막 트랜지스터 전자 소자의 전기적 매개변수 중 '문턱 전압(혹은 임계 전압)'은 전자 소자의 점멸에 필요한 전압을 나타내는 중요한 수치이다. 제조된 금속산화물 반도체 소자를 장기간 구동하면 전기적 스트레스로 형성되는 비정상적 음의 문턱 전압으로 인해 전기적 성능의 저하, 전기적인 불안정성의 원인이 된다. 따라서 문턱 전압을 다시 양의 방향으로 이동시켜 전자 소자의 전반적인 성능을 최대한 유지하면서 0V에 가까운 수치로 회복시킬 수 있는 기술이 반드시 필요하다. 이러한 비정상적 음의 문턱 전압 형성 및 이동 현상을 해결하기 위해 그동안 고온에서의 어닐링, 원소 도핑, 다중 적층층 형성 등의 방법이 사용됐다. 그러나 이러한 방법들은 1시간 이상의 긴 공정시간, 도핑으로 인한 IGZO 채널과 전극 사이의 추가 저항 발생, 표면 전하 특성 변화로 인해 복잡한 추가 공정이 필요한 단점이 존재한다. 이에 박성준 교수 연구팀은 IGZO 박막 트랜지스터의 반도체 채널층을 자외선/오존 환경에서 3분 가량의 단시간 노출에 의해 문턱전압이 0V에 가깝게 회복하는 현상에 주목했다. IGZO 금속산화물 반도체는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)으로 구성된 비정질 반도체 물질로, 용액공정을 통해 대면적 및 대량생산에 용이하며 우수한 전자이동도와 내구성, 고투명도를 지니고 있다. 이에 차세대 투명 디스플레이, 뉴로모픽 및 유해 바이오 물질 검출 센서 개발 등의 연구에 활용되고 있으며, 우수한 기계적 내구성을 활용해 피부나 특정 조직에 부착이 가능한 유해 바이오 물질 검출 센서 응용 연구도 활발히 진행되고 있다. 연구팀은 자외선 광에너지로 인해 대기 중의 오존과 활성 산호 이온종들이 IGZO 금속산화물 박말 표면과 반응해 산소 결함이 감소하는 한편, 공핍 모드(Depletion Mode) 상태였던 박막 트랜지스터 소자를 향상 모드(Enhancement Mode)로 바꾸며 문턱 전압을 이동시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 매우 짧은 공정 처리 시간으로 0V 근처로 이동 및 조절할 수 있는 고효율·고속 문턱 전압 조절 공정을 개발했다. 이번 연구 성과에 따르면 최소 1시간 이상의 고열·고압처리 혹은 복잡한 과정의 추가 공정이 필요했던 기존 방법들 대비 훨씬 간단하게 금속산화물 박막 전자 소자의 전기적 특성을 조절할 수 있다. 또한 선택적인 자외선/오존 처리가 가능해 문턱 전압 수치 차이를 적극적으로 이용한 인버터 등 다양한 전자 소자 개발에도 응용이 가능하다. 박성준 교수는 "이번 연구는 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 소자들을 매우 빠른 공정 속도로 처리하는 후처리 공정법으로, IGZO 산화물반도체 이외에도 다양한 금속산화물 전자재료의 전기적 특성을 매우 효과적으로 조절할 수 있는 잠재력을 지니고 있다"며 "또한 자외선 광에너지를 선택적으로 조사할 수 있어 인버터 및 각종 연산 회로 소자의 전기적 특성의 자유로운 조절 기술로도 응용할 수 있다"고 전했다. 한편 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 기본과제, 기초연구실, 대학 ICT연구센터지원사업의 지원으로 수행되었다.*사진 설명(위): 왼쪽부터 박성준 교수, 김원식 석사과정, GIST 이원준 박사(아래) Advanced Materials Interfaces 커버
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- 작성일2022-08-29
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김상욱 교수팀이 기상증착법을 이용한 고밀도 박막제조기술을 개발하는 데 성공했다. 이에 컬러 디스플레이 구현을 위해 현재 널리 쓰이고 있는 잉크젯 기법 이용 필름 제조를 대체하는 신기술로 활용될 수 있을 전망이다.김상욱 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진)는 초음파와 기상증착법을 접목해 고밀도 양자점 필름을 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 논문은 ‘기상증착법으로 제조된 초박막 페로브스카이트/금속산화물로 완벽한 컬러 변환과 발광효율 개선(Highly thin film with aerosol-deposited perovskite quantum dot/metal oxide composite for perfect color conversion and luminance enhancement)’이라는 제목으로 화학공학 공정 분야의 저명 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)> 3월23일자 온라인판에 게재됐다. 김성훈 동의대 교수(아주대 대학원 분자과학기술학과 졸업), 박종욱 경희대 교수, 오종민 광운대 교수가 연구에 함께 참여했다. 컬러 디스플레이를 구현하기 위해서는 적색, 녹색, 청색의 3색상이 필요하다. 그리고 청색 OLED 물질과 컬러 변환 기술을 이용해 청색을 녹색 혹은 적색으로 바꾸는 방법이 흔히 사용되고 있다. 컬러 변환을 위한 재료로는 양자점이 사용되는데, 이 양자점은 필름 형태로 코팅되어야 한다. 현재는 코팅을 위해 잉크젯 방법이 널리 쓰이고 있으나, 청색 빛샘현상이 없는 완벽한 색 변환을 위해 필름의 두께를 키우거나, 추가적인 컬러 필터를 사용해야 하는 문제점이 있어 그 해결 방안에 대한 학계와 산업계의 관심이 높았다. 이에 공동 연구팀은 초음파와 기상증착법(Aerosol Deposition)을 접목시켜 새로운 방안을 연구 개발했다. 기상증착법은 기판 표면에 고체 소재 필름을 코팅하는 방법으로 반도체와 태양전지 등의 제조 공정에 널리 사용된다. 연구팀은 개발한 새 방식으로 고밀도의 양자점 필름 제조에 성공할 수 있었을 뿐 아니라 3μm 두께(잉크젯 방법으로 제조된 두께의 25%)의 필름에서도 청색을 완벽히 녹색과 적색으로 변환해냈다. 또 효율 향상을 위해 저가의 실리카 나노입자를 혼용하여 녹색의 경우 7,353cd/m2의 높은 효율을 달성함을 확인했다. 연구팀이 개발한 고밀도 박막은 다양한 소재에 코팅이 가능하여 유연한 소재의 기판(flexible substrate)에도 사용할 수 있다. 뿐만 아니라 미세 패턴 제조에 흔히 사용되는 마스크(Mask)가 없는 공정도 적용 가능해, 13μm 두께의 선폭 제조가 가능하다. 김상욱 교수는 “현재 컬러 디스플레이 구현을 위해 가장 널리 사용되고 있는 기법은 ‘잉크젯 기법’을 이용한 필름 제조 방식”이라며 “이번에 연구팀이 개발한 새로운 방식이 이를 대체할 획기적 기법으로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이어 “여러 대학들과의 공동 연구를 통해 시너지 효과를 극대화할 수 있었으며, 앞으로도 후속 연구를 이어갈 예정”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 기초연구사업의 지원을 받아 이루어졌다.a) 적색, 녹색 발광체와 백색 무기물이 노즐을 통해 분사되어 b) 다층박막 형성, c)d) 는 적색, 녹색 발광체 사진: 10 nm 나노입자. 우측 그림은 실제 소자 그림이며 우측 아래는 RGB 컬러가 함께 나온 것을 찍은 스펙트럼임
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- 작성일2022-08-29
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