1. 연구소 소개
에너지 변환 소프트 소재 연구소는 중앙대학교 부설 연구소로서, 화학신소재공학부 전임교원을 주 축으로 2010년 11월 1일 설립되었다. 다양한 전문분 야를 가진 연구진들이 소프트 물질(soft materials)에 연구 역량을 집중하고 있으며, 기반 나노과학기술의 융합을 통하여 차세대 에너지소재, 유기전자소재, 기능성 나노복합소재 등의 분야를 이해하고 핵심 응 용 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 화 학신소재공학부 뿐만 아니라, 기계공학부 및 융합공 학부의 전임교원들이 참여하여 다양한 융복합 연구 를 진행하고 있다. 이를 통해 에너지 소재 및 연성 소 재 분야에 특성화된 세계적인 수준의 선도 연구소로
발전시키고자 노력하고 있다. 이를 바탕으로 우리 나라의 미래 산업을 책임질 에너지, 정보/전자, 바이 오, 소재, 환경 등의 분야에서 핵심 기반기술을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 연구소 활동
우리 연구소는 유무기재료 및 저차원 소재 합성, 소재 물성 연구, 박막 공정, 전자 및 에너지 소자 개 발 분야 전문가들이 주축이 되어 팀 단위 분업 연구 와 연계 융합 연구를 동시에 진행하고 있다. 연구진 구성은 에너지 소재 및 소프트 소재 연구의 틀 안에 서 특성화 및 전문화가 가능하도록 최적화되어 있으 며, 앞으로도 특성화된 연구소의 연구성과 도출 및
중앙대학교 에너지 변환 소프트 소재 연구소
(Institute of Energy Converting Soft Materials in Chung-Ang University)
박광용, 김선주*
중앙대학교 에너지 변환 소프트 소재 연구소 {kypark, *fskim}@cau.ac.kr
그림 1. 다기능단 3차원 복합구조 유기분자의 설계 및 합성.
연 구 실 소 개
지속성을 유지할 것으로 기대된다. 연구소 설립 이 후, 지속적인 공동 연구과제 제안 및 집단 연구사업 수주, 공동연구 수행, 인프라 확충을 진행하여 연구 력 증진에 힘쓰고 있다. 또한 에너지 및 소프트 소재 와 관련한 각종 국내외 심포지움과 초청세미나를 개 최하여 연구소 내부는 물론이고 외부 학계 연구진과 도 활발한 교류의 기회를 마련하고 있다. 우수한 실 적의 박사후 연구원 및 연구교수를 적극 채용하여 신진 연구자를 양성하고 창의적인 연구 과제를 수행 할 계획이다.
3. 주요 연구분야 및 최신 연구성과
우리 연구소에서는 신규 유기소재 설계/합성/분 석, 유무기 복합소재 기반 전자/에너지소자 개발, 나 노입자/나노구조 합성 및 응용, 소자 제작을 위한 고 효율 공정 개발, 나노박막 플랫폼 제작 및 응용 연구 를 진행하고 있다.
1) 신규 유기소재 디자인/합성 연구 및 특성 분석 우리 연구소의 박광용 교수 연구진은 새로운 유기 합성 기법을 연구해왔으며, 특히 전이금속 촉매를 사 용한 탄소-탄소 결합반응과 방향족 화합물들의 조합 합성 분야에서는 독창적인 합성법을 개발하여 발표 한 바 있다. 이 연구들을 통해 개발하거나 습득한 다 양한 탄소-탄소 결합반응들을 응용하여, 새로운 구 조의 단분자 및 고분자 유기반도체 화합물들을 디자 인하여 합성하고 있다. 특히 OLED 디스플레이에 적 용될 수 있는 안정성이 우수한 발광재료와 정공수송 재료를 개발하는 연구를 계속해왔으며, 최근에는 기 존의 평면적인 유기반도체 화합물들에 비해 열안정 성이 뛰어난 3차원 구조의 새로운 단분자 유기반도체 소재 개발에 주력하고 있다 (그림 1). 이 신소재들은 입체구조로 인한 무정형 특성과 유기물과 금속 간의 하이브리드 특성으로 인하여 기존의 소재들과는 확
연히 다른 물리적 특성을 보일 것으로 기대되고 있으 며, 우수한 전하이동도를 유지하면서도 열적안정성 이 뛰어나다는 것이 실험을 통해 확인되고 있다. 이 러한 3차원 구조분자 설계와 조합합성을 바탕으로 신 약 개발 연구 또한 동시에 진행하고 있다.
김선주 교수 연구팀은 기능성 고분자 및 복합체 내에서의 전하와 준입자 이동에 대한 연구를 진행하 고 있다. 특히 유기소재의 광학적 특성, 전하 이동 특 성, 열전달 특성을 연구하며, 이를 바탕으로 고성능 n형 고분자 반도체, 고분자 전도체 및 유기 투명전 극, 저온 열전소재, n형 박막 전자 소자 및 에너지 소 자를 개발한다. 이를 위해 유기소재의 구조-물성-공 정-복합구조-소자성능 관계 규명을 위한 연구를 수 행하며, 새로운 구조와 조합을 제시하고 신규 응용 분야를 개척하기 위한 노력을 다하고 있다. 최근 연 구에서는 분자설계를 통해 고분자가 갖는 전자이동 및 트랩 현상을 제어하였으며, 전자 트랩을 갖는 n형 고분자 반도체를 활성층으로 하는 유기 트랜지스터 구조로부터 추가적인 공정 없이 비휘발성 메모리 소 자를 구현할 수 있는 가능성을 연구하고 보고했다.
2) 유기, 무기, 유무기 복합 에너지 소재/소자 개발 김주헌 교수 연구실에서는 유무기 복합 열전소 재를 개발하고 있다. 친환경 에너지 변환 소자의 한 종류인 열전 분야에서 유/무기 복합소재를 기반 으로 하는 고 효율의 열전 소재를 개발하여 원천기 술 확보 및 실용화를 목표로 하고 있다. 현재까지의 연구는 잘 알려진 무기물질인 비스무스텔루라이드 (Bi2Te3)를 기반으로 이루어졌지만,[Dalton Trans.
44, 11755 (2015)] 이러한 무기물질은 높은 제조원가, 환경오염, 가공의 어려움이라는 문제점 때문에 폭넓 게 응용되는데 한계가 있다. 이에 유기물 기반의 전 도성 고분자를 기반으로 높은 제벡 계수를 가지는 무기물을 복합화하여 높은 성능을 달성할 수 있는 유/무기 복합 열전소재 개발을 목표로 집중적으로
연구하고 있다. 전도성 고분자로는 높은 전기전도도 를 가지면서 유연성 또한 탁월한 물질인 PEDOT:PSS 의 적용에 집중하고 있으며, 본질적으로 낮은 제벡 계수를 커버하기 위한 연구가 진행 중이다(그림 2) [Chem. Eng. J. 297, 66 (2016)]. 셀레늄화주석(SnSe)은 상온에서 높은 제벡 계수와 낮은 열전도도를 동시에 가지고 있는 유망한 물질로 최근에 벌크 형태의 열 전 특성을 보고하였다. 하지만 나노입자로 제작할 경우에 높은 제벡 계수를 유지하면서도 벌크 물질에 비해 감소된 열전도도 또한 달성할 수 있는 것으로 확인되었다[ACS Nano 10, 5730 (2016)]. 본 연구 그룹 에서는 셀레늄화주석 기반 나노 입자를 PEDOT:PSS 고분자에 분산시킨 고효율 열전 복합체 제작 및 추 가적인 특성 향상에 박차를 가하고 있다.
우리 연구소에서는 또한 그래핀과 MoS2, WS2, TaS2
와 같은 2차원(2D) transition metal dichalcogenide(TMD) 소재에 대한 연구도 진행하고 있다. 김수영 교수 연 구실에서는 그래핀과 TMD를 이용하여 유기발광다
이오드(OLED)와 유기태양전지(OPV)의 성능을 향 상시키는 연구를 진행하고 있다 (그림 3). 최근 TMD nanosheet 물질을 초음파를 통해 exfoliation하여 두 께 3.1~4.3 nm, 크기 100 nm 이상으로 제작하고, 이 를 OLED의 정공주입층(HIL)으로 적용하는 연구 를 진행하고 있다. UVO 처리를 통해 4.4~4.9 eV서 4.9~5.1 eV로 일함수(work function)를 증가시킬 수 있으며, Luminance efficiency 을 5.74~9.04 cdA-1에서 12.01~12.66 cdA-1 로 증가시켰다. 또한 TMD material 을 사용함으로써 수명 개선 효과를 확인하였다[Adv.
Func. Mater. 25, 4512 (2015)].
또한 CVD 방식을 이용하여 TMD를 합성하고, 이 를 정공수송층(HTL)으로 이용하여 OLED와 OPV 의 성능을 개선하는 방법도 개발했다. 다결정구 조의 MeS2 layer는 전구체로 (NH4)MoS2와 (NH4) WS4 를 사용하여, chemical deposition method로 합 성하였다. UVO3 처리를 통해 MeS2 의 불순물을 제 거할 수 있으며, 일함수를 증가시킬 수 있다. MeS2
그림 2. 셀레늄화주석의 결정 구조와 셀레늄화주석과 PEDOT:PSS 복합체의 제작 및 열전 성능.
연 구 실 소 개
를 HTL로 사용하였을 때 OLED 소자의 Luminance efficiency는 10.82 cdA-1이며, OPV 소자의 power conversion efficiency 는 3.08 %를 나타냈다. 이는 기 존 PEDOT:PSS를 사용하였을 때에 비하여 95%의 성 능을 나타낸 것이며, 수명도 기존의 6배로 증가한 것 을 확인했다[ACS Nano 9, 4146 (2015)].
3) 유무기 나노입자 및 나노구조의 합성과 에너지/
바이오 응용
우리 연구소에서는 다양한 유무기 나노입자 및 나노구조를 설계, 합성, 분석, 응용개발을 진행하고 있다. 박주현 교수 연구실에서는 기능성 화장품 제 형, 형광 및 근적외선 이미징, 광열치료, 연료전지 와 광촉매 등 주로 수용액 기반의 응용분야에 적용 하기 위한 고분자나노소재 개발을 목표하고 있다(그 림 4). 분자들 간의 소수성 및 친수성 상호작용을 제 어하는 원리를 기반으로 폴리사카라이드, 전도성고 분자 등의 고분자소재를 자기조립하여 고분자나노 소재를 개발하고 있다. 본 연구진은 극성 머리와 소 수성 알킬꼬리로 구성된 인지질 분자가 소수성 전 도성고분자와 박막을 형성할 때 소수성알킬사슬 사
이의 밀접한 패킹과 인지질의 극성 머리 부분과 나 머지 소수성 부분 사이의 물리화학적 특성의 상이 함 때문에 나노모폴로지를 형성하며 상분리된 필름 을 형성할 수 있고, 극성 영역에 물분자를 침투시켜 필름을 분쇄하면 전도성고분자 나노입자가 물에 분 산된 형태로 제조될 수 있음을 확인하였다. 수용액 과의 접촉 계면과 전도성고분자 사이에 밀접한 알킬 사슬층이 존재하는 전도성고분자나노소재는 수용액 내의 활성라디칼과의 접촉이 제한되어 전도성고분 자의 광안정성, 광활성, 광열효과 등을 증대시킬 수 있었다. 또한 나노소재 표면에 일차 아민 또는 카르 복실산 등의 기능기를 소재 제조단계에서 이미 도입 할 수 있으므로 나노소재 표면에서 생체특이적 리간 드의 부착 및 제2의 합성 등의 추가적인 공정을 용이 하게 진행할 수 있는 이점이 있다. 현재 본 연구진은 이러한 상분리필름 분쇄에 기반한 신규 고분자나노 소재 제조 기술을 확대 적용하여 금속 또는 금속산 화물 나노입자와의 하이브리드 나노입자, 비정형전 도성고분자의 나노와이어, 저분자량 유기반도체 나 노막대, 다기능성 코어-쉘 구조 등을 제조하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다. 또한 인지질을 폴리
그림 3. (위) Ultrasonication method로 박리된 TMD nanosheet를 도입한 OLED. (아래) CVD method로 합성된 TMD layer를 도입한 유
기광전소자의 비교.
사카라이드에 일부 부착하여 소수성으로 개질된 폴 리사카라이드를 합성하고 역에멀젼법에 의해 표면 에 소수성 알킬사슬로 구성된 폴리사카라이드 하이 드로겔 나노입자 제조, 폴리사카라이드 분자간 인력 을 제어하여 폴리사카라이드 나노와이어 또는 3차원 망상구조를 제조하여 다기능성 화장품 제형으로 적 용하는 연구를 진행하고 있다.
4) 미세유체 공정 개발
장석태 교수 연구진은 마이크로리터(기존 코팅 방법 대비 만분의 일 수준) 수준의 소량의 그래핀 용 액을 이용하여 대면적의 균일한 그래핀 필름을 코팅 하는 새로운 기술(MDD 코팅법)을 개발하였다(그림 5). 지금까지의 그래핀 산화물을 이용한 필름 코팅 법은 그래핀 산화물의 엉김현상으로 균일한 필름 형 성이 어려웠고, 코팅을 위해 많은 양의 그래핀 용액 이 필요하거나, 원하는 기판에 전사하는 과정이 필 요한 단점이 있었다. 본 연구진은 전사과정 없이 다 양한 기판(유리, 실리콘, PET, PDMS 등)에 직접 코 팅 가능하고, 그래핀 용액의 농도, 코팅 횟수, 코팅 속도 등의 간단한 공정변수를 조절하여 나노미터 수
준으로 두께 조절이 가능한 코팅기술을 개발하였으 며, 상기 용액공정을 통해 카본나노튜브, 은 나노와 이어(Ag nanowire) 및 구리 나노와이어(Cu nanowire) 의 효과적인 네트워크 구조를 통한 고효율의 투명 전극을 제작하는 연구를 진행하였다. [Journal of Materials Chemistry(2012) 22, 3606; Carbon(2014) 77, 964; Small(2015) 11, 4576; Langmuir(2016) 32, 366]
상기 용액공정을 통해 균일하게 코팅된 대면적 그래핀 투명필름의 표면에너지 조절을 통해 고해상 도의 마이크로 패턴을 간편하게 구현할 수 있는 새 로운 그래핀 패터닝 방법도 개발하였다. 플라즈마 처리로 그래핀 필름의 표면에너지 조절을 통해 그래 핀과 pre-patterned elastomeric molds사이의 접착력 (work of adhesion)을 증대시켜 기판에 직접 고해상도 의 그래핀 마이크로 패턴을 손쉽게 구현할 수 있는 새로운 패터닝 방법이다. 이 기술은 다양한 기판위 에 패턴 모양의 제한 없이 그래핀 마이크로 구조를 대면적으로 형성할 수 있는 방법으로, 본 기술로 패 턴된 그래핀 전극을 이용하여 투명하고 유연한 유기 박막트랜지스터(OFETs)를 구현하는데 성공하였다.
또한, 그래핀 마이크로 패턴 구조를 웨이퍼 스케일
그림 4. 유무기 나노입자 합성 및 응용.
연 구 실 소 개
로 hydrophobic surface에 구현할 수 있는 기술을 개 발하였다. 대면적의 그래핀 필름을 유리기판에 구현 한 후, 이를 HMDS 처리된 4-inch 웨이퍼에 전사한 후, 표면에너지 조절을 통한 마이크로패터닝을 구현 하여, 대면적의 그래핀 전극 arrays를 구현하였으며, 이를 이용하여 high performance p-type, n-type 유기 박막트랜지스터(OFETs)와 투명하고 유연한 inverters 를 제작하였다. 또한, 한국과학기술연구원(KIST) 바 이오마이크로시스템연구단 황교선 박사팀과 공동 연구를 통해 대면적 그래핀 마이크로패턴을 이용 한 혈액 내 존재하는 극미량의 베타아밀로이드 단 백질을 검출하여 알츠하이머 치매를 간단하고 빠르 게 진단할 수 있는 그래핀 바이오 센서 제작에 성공 하였다[Advanced Materials(2013) 25, 894; Small(2013)
9, 2817; ACS Applied Materials & Interfaces(2014) 6, 9664; Scientific Reports(2016) 6, 31276].
또한 장석태 교수와 정대성 교수 연구진은 공동 연구를 통해 고해상도 reduced graphene oxide(rGO) 마이크로패턴을 floating gate로 사용하고, 전도성 고 분자 PDPPDBTE를 semiconductor layer로 사용한 유기 비휘발성 메모리 소자를 개발하였다(그림 6).
고해상도의 rGO 마이크로패턴의 효과적인 charge trapping으로 우수한 성능의 메모리 소자를 제작하였 으며, 특히, rGO 마이크로패턴의 line width가 감소 함에 따라 written/erased state의 retention time이 기 존의 rGO 필름 형태의 소자보다 50배 이상 증가하는 것을 확인하였다. [ACS Applied Materials & Interfaces (2014) 6, 9524] 본 연구진이 개발한 마이크로리터 스
그림 5. MDD 코팅법과 이를 이용한 대면적 패터닝 응용.
케일 코팅 방법(meniscus-dragging deposition)을 통 해 극소량의 고분자 반도체 용액을 사용하여 균일한 나노박막을 4인치 웨이퍼상에 형성하고, 고분자 반 도체 나노박막에서의 vertical phase separation에 의 한 고성능의 유기박막 트랜지스터 어레이를 구현하 는데 성공하였다. 본 연구를 통해 4인치 웨이퍼에 고분자 반도체 40 μg만을 이용하여 0.28 cm2V-1s-1의 mobility를 가지는 소자를 대면적으로 구현하였고, 이는 기존의 유기박막 트랜지스터 소자 제작 방법에 비해 고가의 고분자 반도체 사용량을 획기적으로 줄 이면서, 특성이 우수한 소자를 대량으로 제작할 수 있는 방법으로 본 연구는 저널의 back cover로 소개 되었다.
5) 나노박막 플랫폼 제작 연구
우리 연구소에서는 에너지, 바이오, 촉매, 환경 응 용을 위한 나노박막 제작 및 특성연구도 진행하고 있다. 홍진기 교수 연구실에서는 다양한 나노 소재 및 고분자 물질을 이용하여 이의 물리적 또는 화학 적 성질의 제어를 바탕으로 나노 두께의 박막을 제 조하고, 이를 에너지, 바이오, 환경 등 다양한 분야 에 적용하는 연구를 진행하고 있다. 여러 연구 소재 중 최근 University of Rome Tor Vergata의 Francesco Ricci 그룹과 공동 연구를 통하여 에너지 변환 소 재로 널리 알려진 2D 탄소 소재인 그래핀을 이용 한 나노 박막을 제조하는 연구에 대해 소개를 하
고자 한다. 본 연구에서는 환원 그래핀, 고분자 및 DNA를 Layer-by-layer self-assembly(LbL) 방법으로 Hexalayer의 다층 구조 나노 박막을 제조하여 DNA 를 효과적으로 박막화 하는 기술을 제시하였다(그 림 7). 또한 환원 그래핀 나노 박막에 의하여 외부 전 기적 자극에 반응하여 DNA의 방출을 제어할 수 있 는 나노플랫폼을 제조하였다[Small, 2016, Electronic Activation of a DNA Nanodevice using a multilayer nanofilm]. 또한 본 연구진은 2D 그래핀 물질의 박막 화 및 구조를 제어하는 기술을 통하여 DNA의 방출 을 제어하는 플랫폼의 개발뿐만 아니라 다양한 나노 소재들을 이용하여 나노 두께로 박막화 하는 기술 및 박막의 구성 및 물성을 제어하는 연구를 진행하 고 있다.
안상현 교수 연구팀은 ultrathin film을 통한 에너 지 및 촉매 응용 방안으로 전기화학적 단원자층 전 착(Electrochemical Atomic Layer Deposition, EALD) 기술을 개발했다(그림 8). 귀금속 단원자층을 수 초 안에 상온, 상압에서 전기화학적으로 형성할 수 있 는 기술로써, 핵심은 높은 환원 과전압을 일정시 간 가하는 pulse deposition에서 수소 흡착에 의한 passivation을 통하여 추가적인 귀금속 이온의 환원을 막아 단원자층을 형성한다. 나아가 반복적인 pulse deposition을 통해 layer-by-layer 형태의 ultrathin film 을 제작할 수 있다. 이러한 방법으로 제작된 ultrathin film은 수전해 및 이산화탄소의 전기화학적 변환 촉
그림 6. 고성능 유기 전자소자 개발.
연 구 실 소 개
그림 7. (위) Drop LbL 공정을 통한 다층나노박막의 제조 기술. (아래) 그래핀 다층나노박막의 표면 구조 분석.
그림 8. 전기화학적 단원자층 전착 기술.
매로서 귀금속의 사용량 감소, 전기화학적 표면적 증가, 물성 제어 등을 통하여 장치의 성능 및 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다[Energy Environ.
Sci. 8 (2015) 3557-3562; ACS Catal. 5 (2015) 2124- 2136.].
4. 연구소 구성원
본 연구소에는 화학신소재공학부 소속 14명, 융 합공학부 소속 2명, 기계공학부 1명 등, 17명의 상임 연구원과 1명의 전임연구원이 소속되어 있다.
