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본 연구실은 '구형 오비탈 산화물 반도체 다차원 결함 제어 기초 연구실' (책임: 손준우, 참여: 최시영, 김종환, 이상운, 연구비: 연 5억) 이라는 주제로 한국연구재단 기초연구실에 선정되었습니다. 앞으로 산화물 반도체 관련 집단 연구를 수행할 예정입니다.

본 연구실 박윤규 학생이 연구재단에서 지원하는 박사과정생 연구장려금지원사업(장학금: 연 2천만원)에 선정되었습니다. 축하합니다!

– 페로브스카이트 주석 산화물 전극의 용출현상 구현 - 소재 원천기술 확보…에너지 변환 및 저장 효율 개선 기대 최근 전도성 페로브스카이트 산화물 지지대 위에 금속 나노 입자를 형성하여 촉매 특성과 안정성을 동시에 달성하는 이종구조 전극(heterogeneous electrode)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, POSTECH 연구팀은 안정성을 유지한 상태에서 전극의 전도도를 극대화하기 위해서, 주석 산화물 신소재에 깊숙이 박힌 금속 나노 입자를 형성하는 독특한 합성 방식을 제안했다. 신소재공학과 손준우 교수(교신저자), 유상배 박사, 통합과정 윤다섭 씨(공동 제1저자) 연구팀은 높은 전기전도도의 페로브스카이트 주석 산화물 위에 금속 나노 입자의 용출 현상*1을 구현했다. 이 연구성과는 나노·재료분야 전문 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신판에 게재됐다. 페로브스카이트 구조에 손상을 주지 않고 안정적으로 이종구조 전극을 형성하는 많은 방법 중에서 금속 입자를 산화물 내부 격자에 도핑한 후, 후속 열처리를 통해서 표면으로 분리하는 실시간 용출 (in situ exsolution)은 효과적인 방법으로 알려져 있다. 지금까지 개발된 기술은 대부분 LaxSr1-xTiO3(이하 LSTO)와 같은 페로브스카이트 타이타늄 산화물 전극에서 나온 금속 입자(Ni)로 전극을 이용했다. 하지만 LSTO 전도성 산화물의 전자의 이동은 좁은 아령 모양의 Ti 3d 오비탈 간의 이동으로 인해 전기전도도를 높이는데 어려움이 있었다. 연구팀은 기존의 에너지 변환용 전극 소재로는 많은 관심을 받지 않았던 페로브스카이트 주석 산화물(LaxBa1-xSnO3, 이하 LBSO)에 주목했다. LBSO는 기존의 LSTO와는 달리 방향성이 없는 넓은 구형 모양의 Sn 5s 오비탈로 이루어져서 전자가 방해받지 않고 효율적으로 전류를 전도할 수 있는 소재이다. 이 LBSO에 니켈(Ni)을 도핑한 후, 적절한 열처리를 하면 격자구조를 유지한 상태에서 높은 밀도와 작은 크기의 Ni 나노ﾠ입자를 표면에 용출할 수 있게 된다. 이렇게 형성된 Ni 나노 입자는 고온, 연료극 환경에서도 안정적으로 주석 산화물과 강하게 결합돼 있으며, 지금까지 발표된 이종구조 전극 중 가장 높은 전기전도도(~700 Scm-1)를 보였다. 이것은 기존에 보고된 용출 현상 기반 전극의 전기전도보다 10배 이상이 높은 것이다. 이번 연구를 통해 기존 용출 현상 기반 이종구조 전극의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 신소재 기반 전극 구조를 개발할 수 있는 토대가 마련됐다. 이 기술을 활용하면, 고온 고체산화물형(SOFC) 연료 전극에 응용이 가능할 뿐만 아니라 상온 에너지 변환, 저장용 전극에도 응용이 가능할 것으로 기대된다. 교신저자로 연구를 주도한 손준우 교수는 “이번 연구는 열역학적인 원리를 기반으로 전자 수송이 극대화된 산화물 소재에서 금속 입자 표면 용출 현상을 최초로 구현한 연구다”며 “전자 전도 기작이 다른 이와 같은 신소재 이종구조 형성 기술을 이용하면, 기존 전극의 대비 획기적으로 높은 전기전도도 달성이 가능해 현재 사용되고 있는 에너지 변환 소자 전극의 한계를 돌파할 수 있다”며 의의를 설명했다.   한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.

우리 연구실 유상배 박사, 윤다섭 학생의 제1저자 논문("Metal Nanoparticle Exsolution on a Perovskite Stannate Support with High Electrical Conductivity"​)이 Nano Letters 에 게재되었습니다.

포스텍 신소재공학과 손준우 교수 연구팀(제1저자: 박윤규 박사과정생, 교신저자: 손준우 교수)이 500도 이상의 고온에서만 합성할 수 있었던 높은 결정성의 루틸 TiO₂를 낮은 온도(50~150도)에서도 만들 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 연구 결과는 16일(영국 현지시간) 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’에 발표됐다. 루틸 TiO₂는 고성능 DRAM, 3D 모노리식(monolithic) 반도체 등 차세대 디바이스용 소재로 주목받고 있는 고유전 물질이다. 유전률이 높아 작은 전압에서도 많은 양의 전하를 저장할 수 있다. 그러나 루틸 TiO₂를 합성하기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하여 전자 디바이스 제작에 어려움이 있었다. 또한, 저온에서는 결정 내부 반복 구조상 산소가 있어야 할 자리에 산소가 없는 산소 결함이 발생하기 쉬워 우수한 성능의 디바이스를 구현할 만큼 균일한 품질을 얻기 어렵다는 문제가 있었다. 미세공정으로 이뤄지는 디바이스 산업에서는 재료의 균일도가 생산수율에 큰 영향을 미친다. 손준우 교수팀이 찾아낸 방법은 비교적 낮은 온도에서도 산소 이온을 충분히 공급할 수 있어 산소 결함이 거의 없는 균일한 품질의 루틸 TiO₂를 얻을 수 있다. 손준우 교수팀은 이를 기반으로 차세대 반도체 소자 개발에 주력할 계획이다. 손준우 교수는 “미래기술육성사업의 지원으로 산화물 이종접합 연구를 진행하던 중 이런 현상을 우연히 발견했다”며, “열 대신 계면에서의 이온 이동을 통해서도 산화물의 결정화가 가능함을 보여준 최초의 연구”라고 말했다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 2017년 9월부터 수행됐다. 한편, 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5천억원을 지원하고 있으며, 지금까지 561개 과제에 7,189억원의 연구비를 집행했다. ▲ 차세대 반도체용 소재의 새로운 합성법을 개발한 포스텍 손준우 교수 연구팀. 왼쪽부터 윤다섭, 박윤규, 손준우 교수, 조민국 기사링크 : [Samsung Newsroom] [Samsung Live Video] [뉴시스] [조선비즈] [한국일보] [국민일보] [매일경제] [디지털타임즈]

이온이 흐르는 소자에 고의로 이온 지름길로 쓸 수 있는 결함을 내 속도를 높이는 기술이 개발됐다. 손준우 포스텍 신소재공학과 교수와 박재성 박사 연구팀은 최시영 교수와 공동연구를 통해 고체기반 전기화학 스위칭 소자의 동작 속도를 조절하는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 전기화학 스위칭 소자는 이온의 산화환원 상태를 조절했을 때 전기 및 광학적, 기계적 특성이 바뀌는 소재다. 소자에 가한 전압에 따라 투과도와 변형률이 바뀌는 성질을 이용해 스마트 윈도우나 구동기 등으로 활용할 수 있다. 이산화바나듐(VO₂) 소재가 대표적으로 쓰인다. 이 소자의 성능은 이온의 이동 속도를 조절해 바꿀 수 있다. 연구팀은 대칭성이 높은 육각 원자 구조를 갖는 산화알루미늄 기판 위에 대칭성이 상대적으로 떨어지는 원자 구조를 갖는 VO₂ 박막을 키웠다. 그 결과 두 소재의 대칭성 차이로 인해 VO₂ 박막에서 나노미터(㎚·10억분의 1m) 간격마다 ‘면결함’이 만들어졌다. 면결함은 VO₂가 산화알루미늄 기판의 결정성에 따라 억지로 구조를 형성하려다 깨지면서 만들어지는 경계면이다. 면결함은 마른 논이 갈라진 것처럼 박막 표면이 이리저리 갈라진 모양으로 나타난다. 수소 이온은 물질의 격자를 타고 움직이는 것보다 이 면결함을 따라 움직이는 것이 훨씬 빠른 것으로 나타났다. 손 교수는 “면결함을 통한 확신 계수와 기체에서 고체 소자로 전달되는 정도를 뜻하는 계면 교환 계수가 모두 수십 배 증가하는 것으로 나타났다”고 말했다. 면결함이 수소 이동을 위한 고속도로 역할을 하는 셈이다. 이렇게 면결함을 추가한 VO₂ 전기화학 트랜지스터를 제작해 분석한 결과 동작이 빨라지는 것으로 나타났다. 손 교수는 “이번 연구는 이온이 소재 격자 내부의 면결함을 타고 흐르는 원리에 대해 근본적인 결과를 제시했다”며 “이번 연구를 통해 얻어진 소재 원천기술은 이온 이동을 활용하는 센서와 액추에이터, 전기변색 스마트 윈도우, 뉴로모픽 소자와 같은 응용 기술의 동작 속도를 높일 것”이라고 말했다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 미래창조과학부 기초연구사업, 글로벌프론티어사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업 지원으로 수행됐다. 연구성과는 지난달 10일 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’에 실렸다. [관련링크] http://dongascience.donga.com/news/view/34957

​우리 연구실 박윤규 학생의 제1저자 논문(Directional ionic transport across the oxide interface enables low-temperature epitaxy of rutile TiO2​)이 Nature Commun.에 게재되었습니다.

우리 연구실 박재성 박사의 제1저자 논문 (Accelerated Hydrogen Diffusion and Surface Exchange by Domain Boundaries in Epitaxial VO2 Thin Film)이 ACS Nano에 publish 되었습니다.