일반적인 활성 물질이 없이도, 우수한 안정성을 보이며(8,000회의 굽힘 사이클 후 정전용량 유지율 91.2%), 본 연구는 높은 이온 전도성과 향상된 에너지 저장 능력을 위해 HT의 고유한 기능을 활용하는 다목적 HT_RPE를 강조한다. 이는 차세대 유연 에너지 저장 장치를 위한 유망한 경로를 제공한다.

웨이퍼 포토리소그래피에서 사용하는 스텝 앤드 스캔 방식은 높은 해상도에도 불구하고 소요 시간이 길다는 단점이 있다. 단계 시간에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 스테이지 성능, 광(빛) 세기, 스캔 속도 및 기타 변수가 있다. 스캔 속도는 장비가 공정 도스(dose) 요구 조건을 충족할 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다. 따라서 공정 시간을 최소화하는 범위 내에서 최적 스캔 속도를 결정할 필요가 있다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 최적화 문제를 정식화하고, 단순 가속도 기반 스텝 운동 모델을 사용하여 웨이퍼 노광 시간의 해석적(analytical) 형태를 제시한다. 예시를 통해 스캔 속도 해를 도출할 수 있음을 보여주며, 또한 웨이퍼 노광 시간을 줄이는 관점에서 다른 스캔 속도 후보들과의 성능 비교를 제공한다.

최근 균열이 없는 GaN-on-Si 성장 기술은 고성능 전력 반도체 소자의 수요가 증가함에 따라 점점 더 중요해지고 있다. 본 논문에서는 성장 조건과 두께를 변화시켜, Si (111) 기판 위의 AlGaN/GaN HEMT용 버퍼 구조인 AlN 핵생성 층 및 step-graded AlGaN 층을 실험적으로 최적화하였다. 이는 균열이 없는 GaN-on-Si 에피택셜 성장을 달성하는 데 매우 중요하다. 또한 버퍼 트래핑 효과를 감소시키기 위해 AlGaN 백 배리어를 삽입하였고, 그 결과 캐리어 구속이 향상되며 전류 분산이 억제되었다. 먼저, AlN 핵생성 층은 285 nm의 두께로 최적화되었으며, SEM 이미지로 확인했을 때 가장 매끄러운 표면을 제공하였다. AlN 핵생성 층 위에, 최하부 층부터 최상부 층으로 Al 조성을 증가시키는 방식으로 4개의 step-graded AlGaN 층을 연속적으로 성장시켰는데, 이는 최하부는 AlN에 가깝게, 최상부는 GaN에 가깝게 하여 에피택셜 층에서의 응력과 변형을 점진적으로 감소시키기 위함이다. 또한 두꺼운 step-graded AlGaN 버퍼 층이 더 나은 결정 품질과 표면 형상, 그리고 더 낮은 버퍼 누설 전류에 적합하다는 점이 예상대로 검증되었다. 이러한 최적화된 버퍼 구조 위에 AlGaN 백 배리어를 도입하였고, Si (111) 기판 위의 AlGaN/GaN HEMT 소자 특성에서 백 배리어의 효과가 전이 특성, 출력 특성 및 펄스 I-V 특성과 같은 항목에서 명확히 관찰되었다.

) 정상 동작 장치의 경우 4.1%, 정상 차단 장치의 경우 12.8%로 각각 나타났다. 또한 in situ SiN 패시베이션 층을 적용함으로써 분해 특성이 크게 개선되었으며, 이는 in situ SiN 패시베이션 층이 표면 트래핑(surface-trapping) 효과를 현저히 억제할 뿐 아니라 GaN 기반 전력 소자에서 오프 상태 누설 전류를 감소시킬 수 있음을 시사한다.

일반적인 활성 물질이 없이도, 우수한 안정성을 보이며(8,000회의 굽힘 사이클 후 정전용량 유지율 91.2%), 본 연구는 높은 이온 전도성과 향상된 에너지 저장 능력을 위해 HT의 고유한 기능을 활용하는 다목적 HT_RPE를 강조한다. 이는 차세대 유연 에너지 저장 장치를 위한 유망한 경로를 제공한다.

웨이퍼 포토리소그래피에서 사용하는 스텝 앤드 스캔 방식은 높은 해상도에도 불구하고 소요 시간이 길다는 단점이 있다. 단계 시간에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 스테이지 성능, 광(빛) 세기, 스캔 속도 및 기타 변수가 있다. 스캔 속도는 장비가 공정 도스(dose) 요구 조건을 충족할 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다. 따라서 공정 시간을 최소화하는 범위 내에서 최적 스캔 속도를 결정할 필요가 있다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 최적화 문제를 정식화하고, 단순 가속도 기반 스텝 운동 모델을 사용하여 웨이퍼 노광 시간의 해석적(analytical) 형태를 제시한다. 예시를 통해 스캔 속도 해를 도출할 수 있음을 보여주며, 또한 웨이퍼 노광 시간을 줄이는 관점에서 다른 스캔 속도 후보들과의 성능 비교를 제공한다.

최근 균열이 없는 GaN-on-Si 성장 기술은 고성능 전력 반도체 소자의 수요가 증가함에 따라 점점 더 중요해지고 있다. 본 논문에서는 성장 조건과 두께를 변화시켜, Si (111) 기판 위의 AlGaN/GaN HEMT용 버퍼 구조인 AlN 핵생성 층 및 step-graded AlGaN 층을 실험적으로 최적화하였다. 이는 균열이 없는 GaN-on-Si 에피택셜 성장을 달성하는 데 매우 중요하다. 또한 버퍼 트래핑 효과를 감소시키기 위해 AlGaN 백 배리어를 삽입하였고, 그 결과 캐리어 구속이 향상되며 전류 분산이 억제되었다. 먼저, AlN 핵생성 층은 285 nm의 두께로 최적화되었으며, SEM 이미지로 확인했을 때 가장 매끄러운 표면을 제공하였다. AlN 핵생성 층 위에, 최하부 층부터 최상부 층으로 Al 조성을 증가시키는 방식으로 4개의 step-graded AlGaN 층을 연속적으로 성장시켰는데, 이는 최하부는 AlN에 가깝게, 최상부는 GaN에 가깝게 하여 에피택셜 층에서의 응력과 변형을 점진적으로 감소시키기 위함이다. 또한 두꺼운 step-graded AlGaN 버퍼 층이 더 나은 결정 품질과 표면 형상, 그리고 더 낮은 버퍼 누설 전류에 적합하다는 점이 예상대로 검증되었다. 이러한 최적화된 버퍼 구조 위에 AlGaN 백 배리어를 도입하였고, Si (111) 기판 위의 AlGaN/GaN HEMT 소자 특성에서 백 배리어의 효과가 전이 특성, 출력 특성 및 펄스 I-V 특성과 같은 항목에서 명확히 관찰되었다.

) 정상 동작 장치의 경우 4.1%, 정상 차단 장치의 경우 12.8%로 각각 나타났다. 또한 in situ SiN 패시베이션 층을 적용함으로써 분해 특성이 크게 개선되었으며, 이는 in situ SiN 패시베이션 층이 표면 트래핑(surface-trapping) 효과를 현저히 억제할 뿐 아니라 GaN 기반 전력 소자에서 오프 상태 누설 전류를 감소시킬 수 있음을 시사한다.

SiC 기판 위의 고결정성 AlN 버퍼 층 위에 에피택셜 성장한 고성능 AlGaN/GaN 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)를 보고한다. 이 소자는 고효율 X-밴드 국방 및 위성 응용을 위한 전력 증폭기를 목표로 한다. AlN 버퍼는 우수한 결정성을 보이며, (002) X선 회절의 반치폭(full width at half maximum)이 165 arcsec이고, 5 μm 간격에서 버퍼 누설이 1 × 10^-9 A/mm 미만으로 유지된다. 제작된 소자는 150 nm T자형 게이트를 가지며, 첨두 트랜스컨덕턴스 465 mS/mm를 달성하고, 펄스 I-V 측정에 기인한 낮은 전류 콜랩스 비율 7.3%로 안정적인 동작을 나타낸다. 10 GHz에서 28 V 드레인 바이어스 하의 대신호 로드 풀(load-pull) 측정을 통해 전력부가효율(PAE) 64.2%, 전력 이득 21.3 dB, 출력 전력 밀도 6.27 W/mm를 얻었다. 이러한 결과는 최첨단 소자들과 비교(벤치마킹)했을 때, 실용적인 승압 조건에서 동작하는 차세대 X-밴드 전력 증폭기 응용에 대해 본 아키텍처의 적합성을 보여준다.

효율적이며 지속가능한 에너지 저장에 대한 수요가 증가함에 따라 향상된 슈퍼커패시터의 필요성이 강조된다. 슈퍼커패시터는 높은 파워 밀도, 긴 수명, 빠른 충·방전 속도를 특징으로 하는 반면, 낮은 에너지 밀도로 인해 더 광범위한 적용이 제한된다. 본 연구는 섬유형(nanocale) 나노스케일 전기화학 셀 구조를 활용하여 고성능 슈퍼커패시터를 개발하기 위한 새로운 전략을 제시한다. 액정(리퀴드 크리스탈) 습식 방사(wet-spinning)를 사용하여 전기전도성이 우수한 탄소나노튜브(CNT) 복합 섬유를 폴리아닐린(PANI)인 활성 물질과 함께 제조하였다. PANI는 Ullmann형 C–N 결합을 통해 CNT에 그라프트(graft)되어, 향상된 화학적 안정성과 낮은 계면 저항을 제공함으로써 우수한 전기화학적 성능을 나타내었다. 이러한 구조는 섬유 전반에 걸쳐 PANI의 분포가 균일하도록 하여 나노스케일 전기화학 셀의 형성을 가능하게 한다. 그 결과, 섬유 내부에 존재하는 PANI를 포함하여 대부분의 PANI가 전기화학 반응에 참여할 수 있다. 따라서 복합 섬유는 비(特定)정전용량 1714 F g⁻¹ (1 A g⁻¹에서), 에너지 밀도 820 mW h cm⁻³ (418 W h kg⁻¹), 파워 밀도 1150 W cm⁻³ (587 kW kg⁻¹)를 보였다. 또한 이 장치는 우수한 안정성도 나타내었으며, 100,000회의 충·방전 사이클 후 초기 정전용량의 거의 100%를 유지하고, 10,000회 이상의 기계적 변형을 견뎠다. 본 접근법은 내구성 있는 나노셀 기반 고성능 슈퍼커패시터를 위한 새로운 방법을 제공함으로써 지속가능한 에너지 저장 기술의 발전에 기여한다.

섬유 형태의 슈퍼커패시터는 웨어러블 및 휴대용 응용 분야에 대해 가장 견고한 전원 공급원 중 하나로서 활발히 개발되고 있다[1,2]. 우수한 유연성, 경량성, 화학적 안정성 및 양호한 전기전도도를 지닌 섬유 형태 전류집전체의 개발은 매우 중요해졌다. CNT 섬유(CNTF)는 고도로 치밀화되고 정렬된 구조를 갖는 우수한 핵심 구성요소로 주목받고 있다[3]. 새롭게 개발된 최첨단 CNTF는 고강도(100 cN tex-1), 높은 전기전도도(2 MS m-1), 우수한 유연성(50% knot 효율)과 같은 전례 없는 성능을 보이며, 이는 이전 버전의 CNTF에서는 구현할 수 없었던 것이다[4]. 따라서 표면적이 낮고 기능기 수가 적으며 매우 매끈한 표면을 가진 이 최상급 CNTF에 적용할 수 있는 새로운 전략이 개발되어야 한다. 본 발표에서는 고성능 FSSC를 위해 섬유 형태 지지체 위에 하이브리드 3차원 구조를 구성하는 간단하면서도 효율적인 전략을 소개한다[5]. FSSC의 기본 핵심 구성요소로, 고도로 치밀화된 구조와 높은 전기전도도를 갖는 최첨단 액정 방사 CNTF가 활용되었다. 입체적인 하이브리드 3D 구조를 제조하기 위해, 가장 대표적인 2차원 소재인 GO 및/또는 Mxene을 계층적 스캐폴드로서 전기영동 증착을 통해 CNTF에 수직으로 부착하여 추가적인 하이브리드화를 위한 기반을 마련하였다. GO의 증착 직후에 슈도커패시티브(pseudocapacitive) 활성 물질을 즉시 추가 증착하여 GO의 3D 구조를 고정하고 유지하는 것이 중요했는데, 이는 단순하지만 매우 효율적이다. 제조된 Ni-Co 산화물/VG@CNTF(NC/VG@CNTF) 하이브리드 전극은 두드러진 비정전용량(총 전극 중량 기준 1 A g-1에서 1724 F g-1)과 기계적 내구성(5,000회 굽힘 사이클에서 93.1% 정전용량 유지율)을 나타냈다. 특히 비대칭 구성으로 제작된 FCCS는 전례 없이 높은 에너지 및 파워 밀도를 보였으며, 이는 제안한 전략의 우수성을 입증한다(100 kW kg-1의 파워 밀도에서 65 Wh kg-1의 에너지 밀도). 이는 최첨단 CNTF가 다양한 웨어러블 및 유연 응용 분야에 적합한 우수한 후보가 될 수 있음을 보여준다. 감사의 글: 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 기관 프로그램 및 오픈 리서치 프로그램(ORP)과, 한국 정부의 국가연구재단(NRF) 지원금(2019R1A5A8080326)으로 수행되었다. 참고문헌[1] J. He, et al., “Scalable Production of High-Performing Woven Lithium-ion Fibre Batteries”, Nature, 597, 58, 2021.[2] Y. Zhou, C.-H. Wang, W. Lu, L. Dai, “Recent Advances in Fiber-Shaped Supercapacitors and Lithium-Ion, Batteries”, Advanced Materials, 32, 1902779, 2020.[3] N. Behabtu, et al., “Strong, Light, Multifunctional Fibers of Carbon Nanotubes with Ultrahigh Conductivity”, Science, 339, 182, 2013.[4] H. Yu, et al., “Active Material-Free Continuous Carbon Nanotube Fiberswith Unprecedented Enhancement of Physicochemical Properties for Fiber-Type Solid-State Supercapacitors”, Advanced Energy Materials, 14, 2303003, 2024.[5] J.-G. Kim, et al., “3D Architecturing Strategy on the Utmost Carbon Nanotube Fiber for Ultra-High Performance Fiber-Shaped Supercapacitor”, Advanced Functional Materials, 2113057, 2022.

착용형 및 유연한 디바이스의 지속적인 진화는, 다양한 기계적 변형이 발생하는 상황에서도 전력과 에너지 밀도를 유지할 수 있는 내구성 에너지 저장 시스템에 대한 요구를 촉진해 왔다. 다양한 에너지 저장 매체 가운데, 섬유형 고체상 슈퍼커패시터(fiber-type solid-state supercapacitors, FSSCs)는 전통적인 섬유와 유사하게 다양한 구조 형태로 자연스럽게 통합될 수 있는 고유한 능력 덕분에 착용형 에너지 저장에서의 잠재력이 주목받고 있다 [1]. 이러한 맥락에서, 액정(liquid crystalline, LC) 상을 기반으로 한 습식 방사(wet-spinning) 공정으로 제조된 탄소나노튜브 섬유(carbon nanotube fibers, CNTFs)는 뛰어난 전기 전도도, 기계적 견고성 및 타의 추종을 불허하는 유연성을 바탕으로 이상적인 전극 재료로 부상한다 [2]. CNTF의 우수한 물리적 특성은 분명히 매력적이지만, 전기화학적 비활성이라는 점은 FSSC 응용에서 잠재력을 온전히 실현하는 데 있어 지속적인 장애물로 남아 있다. 대부분의 선행 연구는 이를 극복하기 위해 금속 산화물 [3] 및 전도성 고분자 [4]와 같은 활성 물질로 섬유 표면을 변형하여 에너지 저장 자리를 제공하는 방식에 초점을 맞추어 왔다. 이러한 접근은 성공을 거두었음에도 불구하고, 장기 사용 중 활성 물질이 박리되는 문제와, 무엇보다 추가 재료 및 공정이 필요하여 처리 비용이 증가하는 문제가 수반되어 왔다. 본 연구에서는 sp2 탄소 표면의 한계라는 과제를 해결하기 위해, 추가적인 후처리나 활성 물질이 없이도 LC 방사 CNTF의 전기화학적 활성도를 향상시키는 새로운 접근법을 개척하였다. CNT의 후속 LC 상 발달과 전략적 표면 기능화(surfacial functionalization)를 통해, 습식 방사를 위한 전례 없는 고농도 도프(즉, 160 mg/mL)가 구현되었다. 고농도 도프를 활용한 결과, 방사된 직후의 기능화 CNTF(F-CNTF)는 원시 CNTF에 비해 더 정렬되고 치밀하게 포집된 구조를 나타내며, 그에 따라 기계적 및 전기적 특성이 유의하게 향상되었다. 원시 CNTF가 0.5 A/g에서 비정전용량 4.2 F/g을 보인 반면, 물리화학적 특성이 향상된 전기화학적으로 활성화된 F-CNTF는 동일한 충·방전 속도에서 139.4 F/g의 높은 비정전용량을 보였고, 이 모든 과정에서 활성 물질이나 후처리는 전혀 사용되지 않았다. 실용적 적용을 위해, F-CNTF를 사용해 대칭형 FSSC를 섬유(textile)에 통합하고 1.5 V 디지털 시계의 전원으로 사용하였으며, 해당 디지털 시계는 15분 이상 동안 효과적으로 작동하였다. 또한 손목 스트랩에 통합된 F-CNTF FSSC는 접히거나 말리거나 손목에 착용한 상태에서도 전원으로서 효과적으로 기능할 수 있었다. 본 연구는 효율적으로 대량 생산 가능한 섬유형 에너지 저장 전극의 잠재력을 보여줄 뿐 아니라, 기존의 비경제적인 쉬스-코어(sheath-core) 전략에서의 의미 있는 이탈을 제시함으로써 착용형 기술에서 보다 지속가능하고 효율적인 에너지 저장 솔루션으로 나아갈 수 있는 길을 열어준다. [1] A. Fakharuddin, H. Li, F. Di Giacomo, T. Zhang, N. Gasparini, A. Y. Elezzabi, A. Mohanty, A. Ramadoss, J. Ling, A. Soultati, M. Tountas, L. Schmidt-Mende, P. Argitis, R. Jose, M. K. Nazeeruddin, A. R. B. Mohd Yusoff, M. Vasilopoulou, Fiber-Shaped Electronic Devices, Advanced Energy Materials (2021) 11, 2101443 [2] N. Behabtu, C. C. Young, D. E. Tsentalovich, O. Kleinerman, X. Wang, A. W. K. Ma, E. A. Bengio, R. F. Ter Waarbeek, J. J. De Jong, R. E. Hoogerwerf, S. B. Fairchild, J. B. Ferguson, B. Maruyama, J. Kono, Y. Talmon, Y. Cohen, M. J. Otto, M. Pasquali, Strong, Light, MultifunctionalFibers of Carbon Nanotubes with Ultrahigh Conductivity, Science (2013) 339, 182 [3] J.-G. Kim, D.-M. Lee, J. Y. Jung, M. J. Kim, M.-S. Khil, H. S. Jeong, N. D. Kim, Hybrid polyaniline/Liquid Crystalline CNT Fiber Composite for Ultimate Flexible Supercapacitors, ACS Applied Energy Materials (2021) 4, 1130 [4] J.-G. Kim, H. Yu, J. Y. Jung, M. J. Kim, D.-Y. Jeon, H. S. Jeong, N. D. Kim, 3D Architecturing Strategy on the Utmost Carbon Nanotube Fiber for Ultra-High Performance Fiber-Shaped Supercapacitor, Advanced Functional Materials (2022) 32, 2113057