다아라 매거진 _ 2017.06

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[Technical News] 태양전지, 면적 증가해도 페로브스카이트 성능 ‘그대로'

페로브스카이트 태양전지는 쉬운 제작이 가능함은 물론, 태양광에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 효율이 높다는 장점에 전 세계에서 연구개발이 이어지고 있다. 많은 태양광에너지를 얻기 위해서는 태양전지를 크게 만들어야 하지만 페로브스카이트 태양전지는 크기가 커질수록 효율이 급격하게 감소하는 문제가 있었다. 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구), 신산업창조프로젝트사업, 기후변화대응기술개발사업, 국가 간 협력기반조성사업으로 연구를 수행한 이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀은 큰 효율 저하 없이 기존 1cm2의 소면적 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 제작하는데 성공했다. 기존 대면적의 페로브스카이트 태양전지는 소자 면적이 커짐에 따라 효율이 급격하게 감소한다는 문제가 있었다. 페로브스카이트 필름 형성 시 전체 면적을 덮지 못하고, 곳곳에 발생하는 매우 작은 직경의 구멍인 핀홀 등이 생겨나는 결함 때문이다. 이러한 결함은 페로브스카이트 전구체 용액이 유기전하수

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[Technical News] 코팅 공정 산업 걸림돌 ‘커피링 현상’ 해결

바이오·의료분야, 자동차 도장, 전자소자 인쇄는 무엇보다 정밀한 코팅이 중요하다. 하지만 코팅 과정에서 코팅액이 증발하면서 코팅액에 섞여있는 미세 입자가 외곽 쪽으로만 몰리고 중심부에는 입자가 존재하지 않게 되는 커피링 현상은 코팅의 품질을 떨어뜨려 관련 산업 종사자들의 골칫덩이로 여겨지고 있었다. 이에 미래창조과학부 기초연구지원사업(집단연구), 원천기술개발사업(바이오·의료기술개발사업)의 지원으로 연구를 수행한 고려대 신세현 교수 연구팀이 계면활성제 특성을 가진 폴리머 용액을 이용해 미세입자를 물질 표면에 고르게 코팅할 수 있는 미세입자 코팅 기술을 개발했다. 우연히 모든 입자가 외곽선에 몰리는 커피링 효과를 경험하게 되며 관심을 갖게 됐다는 연구팀은 이러한 현상이 코팅 공정산업 전반에 난제로 작용하고 있다는 점을 접하고 본격적으로 기술개발에 착수하게 됐다고 전했다. 연구책임자인 신세현 교수는 “연구자의 학문적 배경은 기계공학이지만 이번 연구는 표면장력 관련 전문적

[Contribution]배터리 분석, 정밀 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 핵심 부품

배터리로 구동되는 시스템이 점차 보편화되고 있다. 이에 따라 사전에 배터리 결함을 파악, 교체하는 작업의 중요성도 커지고 있다. 휴대전화에 사용되는 개별 배터리는 물론 신재생 에너지를 저장하기 위한 배터리 뱅크까지 어떠한 배터리든 배터리 결함은 시스템 가동 중단으로 이어질 수 있다. 이럴 때 배터리의 건전 상태를 확인할 수 있는 배터리 분석 시스템에는 정밀 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 핵심 부품으로 사용된다. ADC의 속도, 분해능, 지연시간과 같은 주요 사양에 따라 배터리 건전 상태를 보다 정확하게 분석할 수 있으며, 배터리 분석에 있어서 ADC의 성능이 얼마나 중요한지 랜들(Randles)의 납축전지 모델에서 확인할 수 있다. R1은 능동 전해 저항이고, R2는 전하 전달 저항이고, C는 이중층 용량이다. 이들이 결합돼 납축전지의 개략적 등가 회로를 이루고 있다. 이들 세 소자를 측정하고 기대 값과 공지 값을 비교함으로써 배터리 건전성에 대한 근사치

[Technical News]리튬이온 전지 성능, 균일한 구멍(공극)이 결정한다

한국연구재단(이사장 조무제)은 “3차원 다공성구조 설계를 이용해 리튬이온 전지의 양극(+극)으로 손쉽게 오갈 수 있게 만들어 리튬이온 전지 사용시간을 향상시키거나 전기 저장 용량을 크게 늘릴 수 있는 가능성을 열었다”고 밝혔다. 김동철 교수(서강대) 연구팀은 전지의 양극(+극)을 구성하는 금속재료를 작은 구멍(공극)을 갖는 다공성 구조로 설계할 때 이들 구멍(공극)의 분포가 리튬이온 전지의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다. 연구 결과, 다공성 구조로 양극재를 설계할 때 리튬이온 전지의 성능인 비용량이 크게 향상될 수 있었다. 또한 고출력 사용 조건에서의 비용량 손실은 다공성 구조의 양극재의 경우 기존의 단순 구형의 양극재를 사용했을 경우 대비 최대 98%까지 줄어들 수 있는 것으로 나타났다. 이와 함께 다공성 구조 설계에 있어 공극이 균일하게 분포하지 않으면 오히려 전지 성능 향상에 악영향을 끼칠 수 있음을 밝혔다. 공극이

[Technical News]인간처럼 학습하고 판단하는‘뇌’를 닮은 전자회로 개발

사람의 인지능력을 모방한 인공두뇌시스템이 개발됐다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 “인간의 뇌를 모방해 학습하고 판단하는 인지능력을 가진 인공두뇌시스템을 개발했다”고 밝혔다. 최성진 교수(국민대), 김성호 교수(세종대) 공동 연구팀은 탄소나노튜브를 기반으로 뇌의 신경세포처럼 작동하는 신경세포모방소자를 개발했다. 기존의 컴퓨터가 정보를 0과 1의 디지털 방식으로밖에 인식할 수 없었던 것과 달리 신경세포모방소자는 신경세포의 전기적 특성을 모사해 사람의 뇌처럼 아날로그 방식으로 정보를 처리하고 학습할 수 있도록 개발됐다. 연구팀은 개발된 신경세포모방소자에 인간 두뇌에서 시각 정보 처리를 담당하는 신경망의 학습 알고리즘을 적용해, 사람의 실제 필기체를 어떻게 인식하는지 시뮬레이션을 통해 살펴봤다. 그 결과, 완성된 인공두뇌시스템은 수만 번의 반복 학습을 통해 사람의 다양하고 서로 다른 필기체 이미지를 기억하고 구별할 수 있었다. 이는 기존의 컴퓨터가 소프트웨어로 이미지를

[Technical News]스스로 선택·학습하는 초저전력 인공지능 시냅스 소자 최초 개발

한국연구재단(이사장 조무제)은 “인간의 ‘뇌’처럼 스스로 선택해 학습할 수 있는 인공지능(AI) 시냅스 소자를 최초로 개발했다”고 밝혔다. 현재 사용되는 인공지능 하드웨어는 부피가 크고, 에너지 소모가 많다. 박배호 교수(건국대) 연구팀은 강유전체, 분극, 전환과 금속 이온 이동을 이용해 인공지능을 인간의 뇌와 비슷한 크기로 만들 수 있고, 에너지 소모가 아주 적은 시냅스 소자를 개발했다. 이 소자의 두께는 기존에 비해 1/2~1/20의 크기로 매우 얇다. 에너지 소비량도 매우 적다. 또한 고집적 소자이다. 나노미터 두께의 작은 크기 소자이어서 동일한 면적에 들어가는 소자를 고밀도로 쌓을 수 있다. 기능도 인간의 뇌를 닮았다. 단순 학습·기억에 머물렀던 기존의 연구와 달리 스스로 선택적으로 학습·기억을 할 수 있다. 이 성과는 강유전체 분극과 금속 이온 이동 기반의 소자를 개별적으로 연구한 기존 연구과 달리 양자를 동시에 결합해 연구를 진행했다. 그 결과, 원활

[Technical News]은 소재 반도체 스위치 소자, 누설전류 잡았다

차세대 반도체 메모리가 해결해야 할 과제인 누설전류. 사용하지 않아도 자체 소모되는 전류를 줄일 수는 없을까? 한국연구재단은 “은(Ag)을 소재로 나노미터 크기의 반도체 스위치 소자 개발에 성공해 전력소모를 획기적으로 줄일 수 있는 가능성이 제시됐다”고 밝혔다. 이장식 교수(포항공대) 연구팀은 전기화학증착법을 이용해 산화아연(ZnO) 물질에 적정량의 은(Ag)을 첨가함으로써 전류의 흐름을 끊거나 흐르게 할 수 있는 저항값이 10억 배가 높아진 반도체 스위치 소자를 개발했다. 전기화학증착법은 전극간의 전위차를 유도해 금속 또는 산화물을 박막형태로 전도성 기판에 형성하는 용액공정의 일종이다. 현재 메모리 소자는 많은 양의 정보를 저장할 수 있는 집적도를 높이는데 한계가 있다. 차세대 저항변화메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지된다. 하지만 전력 소모가 많고, 저장된 정보를 읽을 때 오류가 나타나기도 한다. ‘은’은 다른 소재에 비해 결정구조를 가진

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[Technical News] 효율 21%·광안성 1천 시간↑ 광전극 태양전지 개발

인류가 사용할 수 있는 무한한 청정에너지 중 하나인 태양에너지는 태양전지를 통해 유용한 에너지원으로 변환할 수 있다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율은 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 가격이 고가라는 문제점이 있다. 낮은 가격으로 제작 가능한 유기 및 염료감응 태양전지와 같은 기존 차세대 태양전지 역시 다수의 연구가 진행됐지만 낮은 효율을 보여 대규모 상용화에 어려움이 따랐다. 그러나 최근, 미래창조과학부(장관 최양희)는 세계 최고의 안정성을 가진 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 핵심 소재 및 제조 기술이 개발됐다고 밝혔다. 2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조가 가능할뿐만 아니라 22% 이상의 높은 광전변환 효율을 보여 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율이 가능한 차세대

[Technical News]다이아몬드 구조의 광결정 제조법 최초 개발

빛의 방향을 제어하기 위해서는 전자를 제어하는 실리콘 반도체 소재와 같은 광결정 소재가 필요하다. 하지만 일정 수준 이상의 광밴드갭을 가지며, 실용화할 수 있는 광결정 소재는 아직 보고되지 않은 상태이다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 이기라 교수(성균관대) 연구팀이 “손실 없이 빛의 흐름을 마음대로 제어할 수 있는 다이아몬드 구조의 광결정을 나노입자들이 스스로 모여 만들어지도록 하는 방법을 최초로 개발했다”고 밝혔다. 연구팀은 서로 짝을 이루는 유전자 정보를 갖는 DNA를 구형 나노입자와 4면체 모양의 나노입자에 각각 붙이고, DNA가 짝을 이뤄 결합하게 했다. 그 결과, 다이아몬드(Diamond) 구조와 파이로클로로 구조가 서로 침투한 구조인 라베스(Laves) 구조를 만들어졌다. 연구팀은 이 구조에서 파이로클로로 구조를 없애면 다이아몬드 구조가 얻어질 수 있다고 설명했다. 특히 연구팀이 개발한 다이아몬드형 광결정 구조는 1990년 다이아몬드 구조가 우수한 광결정

[Technical News]높은 온도에도 빛이 줄지 않는 LED형광체 최초 개발

미래창조과학부(장관 최양희)는 “백색 LED가 작동할 때 발생하는 열에 의해 빛의 세기가 감소하지 않는 신개념 형광체를 개발했다”고 밝혔다. 형광체는 LED의 빛을 받아 색을 변환하는 물질로 백색 LED 구현을 위해 가장 중요한 핵심소재이다. 하지만 대부분의 형광체는 온도가 높아지면 빛의 세기가 감소해 효율이 저하된다. 연구팀은 온도가 증가할 때 능동적으로 상변화를 수행해 고온에도 빛이 줄지 않아 효율 저하가 없는 ‘스마트 자가치유 형광체’를 개발했다. 연구팀은 형광체의 열적 소광 현상에 대해서 고민하던 중 사람의 세포가 스스로 상처를 치유하는 점에서 아이디어를 착안해 상처(열적 소광)를 치료할 수 있는 치유센터(빛으로 전환될 수 있는 광자 또는 전자)가 형광체 내부에 있다면, 형광체의 열적 안정성을 개선할 수 있다고 가정하고 여러 재료들을 탐색했다. 연구팀이 개발한 스마트 자가치유 형광체는 인산염(phosphate) 기반의 나시콘(NASICON) 구조를 가지고

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