• 결함이 풍부한 α-Co(OH) 2 층 위에 초축전지 전극으로서 Ag가 자발적으로 증착되었다. • Ag 증착은 Co의 d 궤도에 존재하는 전자를 작용시켜 축전 능력과 속도 성능을 향상시켰다. • α-Co(OH) 2 Ag90@CP600은 1 A g −1에서 801 F g −1의 비정전용량을 나타내었고, 100 A g −1에서 57 %의 속도 성능을 보였다. • α-Co(OH) 2 Ag90@CP600과 AgNP@HWGN로 조립한 ASC 장치는 1.8 V에 도달하였으며 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 유지하였다. 본 연구는 결함이 풍부한 α-Co(OH) 2 층에 Ag 이온의 자발적 증착을 유도하는 α-Co(OH) 2와 Ag 사이의 표준 산화환원 전위 차이를 활용하여, 우수한 속도 성능과 안정성을 갖는 초축전지 전극 재료의 신속하고 편리한 제조를 가능하게 한다. Ag 나노클러스터의 증착은 반응 시간을 조절하여 제어한다. 밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, Ag 증착은 Co d-오비탈의 전자와 상호작용하여 축전 성능과 음이온 수송 속도(R transfer)를 향상시키는 것으로 나타났다. 탄소지(CP)600 위의 α-Co(OH) 2 Ag90@CP600은 1 A g −1에서 비정전용량 801 F g −1, 100 A g −1에서 57 %의 비정전용량 유지/속도 능력을 보이며, 100 A g −1에서 10,000회의 충·방전 사이클 후에도 85.7 %의 용량 유지율을 유지한다. 비대칭 초축전지(ASC)에서 양극(cathode)으로 α-Co(OH) 2 Ag90@CP600을 사용하고, 은 나노입자를 고도로 수중분산 가능한 그래핀 나노시트(AgNP@HWGN)에 통합한 양극(anode)과 페어링하였다. ASC 장치는 전력 밀도 900 W kg −1 (1.8 V)에서 전력 밀도에 해당하는 에너지 밀도 35.1 Wh kg −1을 달성하였고, 20 A g −1 조건에서 10,000 사이클 동안 우수한 사이클 안정성을 보였다. 이 접근은 고성능 전극 재료 개발을 위한 효과적인 경로를 제공함으로써, 유망한 초축전지 전극 재료로서 α-Co(OH) 2 Ag90@CP600의 잠재력을 부각한다.

전반적인 물 분해를 발전시키기 위해서는 비용 효율적이고 내구성이 우수하며 전기촉매 활성이 매우 높은 양기능성(bifunctional) 전기촉매의 개발이 중요하다. DFT 결과를 바탕으로 단일 단계 전극증착(one-step electrodeposition) 전략을 설계하여, Fe와 P가 공도핑된 NiCo 면심입방체(face-centered cubic, fcc)/조밀육방구조(hexagonal close-packed, hcp) 이중상(dual-phase) 합금(Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF)을 합성하였으며, 이 촉매는 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER) 모두에서 예외적으로 우수한 촉매 활성을 보여준다. fcc와 hcp 상 사이의 이종접면과 Fe, P 도핑은 효율적인 전하 전달과 풍부한 활성 자리를 가능하게 한다. DFT 결과는 Fe 및 P 도핑이 물 흡착을 최적화하고 Ni/Co d-밴드 중심(d-band center)을 조절하며 HER 장벽을 낮춘다는 것을 보여준다. 또한 도핑원은 우선적 산화 사이트로 작용하여 CoNi의 과도한 산화를 억제함으로써 OER 활성을 향상시킨다. 1 M KOH에서의 전기화학적 시험은 10 mA cm −2에서 HER 41 mV, OER 289 mV의 낮은 과전위를 나타내었고, 10 및 100 mA cm −2에서 각각 1.53 V 및 1.65 V의 전압으로 전체 물 분해(overall water splitting)를 달성하였다. 촉매는 50 mA cm −2 조건에서 135 h 동안 안정성을 유지함이 주목할 만하다. 향상된 성능은 Fe와 P 도핑 및 상계(phase boundary) 공학이 상호 시너지로 작용하여 전자 구성을 조절하고 전하 전달을 가속시키기 때문으로 판단된다. 본 연구는 실용적인 물 전기분해 응용을 위한 효율적인 전기촉매를 설계하는 유망한 접근법을 제공한다. DFT 결과에 따르면, Fe, P 이중 도핑을 설계하고 분석하면 Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF에서 HER/OER이 향상되어 우수한 전체 물 분해 성능과 안정성을 나타낸다. • Ni 1 Co 2 @NiF의 fcc/hcp 이종접면은 DFT 결과에 따라 설계되었다. • Fe, P 도핑은 이중상 이종접면을 보존하면서 Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF를 형성한다. • Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF는 물 분해를 위한 양기능성과 내구성을 나타낸다. • HER/OER 동역학을 향상시키는 Fe, P 도핑 메커니즘은 DFT 결과에 의해 규명되었다.

• 결함이 풍부한 α-Co(OH) 2 층 위에 초축전지 전극으로서 Ag가 자발적으로 증착되었다. • Ag 증착은 Co의 d 궤도에 존재하는 전자를 작용시켜 축전 능력과 속도 성능을 향상시켰다. • α-Co(OH) 2 Ag90@CP600은 1 A g −1에서 801 F g −1의 비정전용량을 나타내었고, 100 A g −1에서 57 %의 속도 성능을 보였다. • α-Co(OH) 2 Ag90@CP600과 AgNP@HWGN로 조립한 ASC 장치는 1.8 V에 도달하였으며 높은 에너지 밀도 및 출력 밀도를 유지하였다. 본 연구는 결함이 풍부한 α-Co(OH) 2 층에 Ag 이온의 자발적 증착을 유도하는 α-Co(OH) 2와 Ag 사이의 표준 산화환원 전위 차이를 활용하여, 우수한 속도 성능과 안정성을 갖는 초축전지 전극 재료의 신속하고 편리한 제조를 가능하게 한다. Ag 나노클러스터의 증착은 반응 시간을 조절하여 제어한다. 밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, Ag 증착은 Co d-오비탈의 전자와 상호작용하여 축전 성능과 음이온 수송 속도(R transfer)를 향상시키는 것으로 나타났다. 탄소지(CP)600 위의 α-Co(OH) 2 Ag90@CP600은 1 A g −1에서 비정전용량 801 F g −1, 100 A g −1에서 57 %의 비정전용량 유지/속도 능력을 보이며, 100 A g −1에서 10,000회의 충·방전 사이클 후에도 85.7 %의 용량 유지율을 유지한다. 비대칭 초축전지(ASC)에서 양극(cathode)으로 α-Co(OH) 2 Ag90@CP600을 사용하고, 은 나노입자를 고도로 수중분산 가능한 그래핀 나노시트(AgNP@HWGN)에 통합한 양극(anode)과 페어링하였다. ASC 장치는 전력 밀도 900 W kg −1 (1.8 V)에서 전력 밀도에 해당하는 에너지 밀도 35.1 Wh kg −1을 달성하였고, 20 A g −1 조건에서 10,000 사이클 동안 우수한 사이클 안정성을 보였다. 이 접근은 고성능 전극 재료 개발을 위한 효과적인 경로를 제공함으로써, 유망한 초축전지 전극 재료로서 α-Co(OH) 2 Ag90@CP600의 잠재력을 부각한다.

전반적인 물 분해를 발전시키기 위해서는 비용 효율적이고 내구성이 우수하며 전기촉매 활성이 매우 높은 양기능성(bifunctional) 전기촉매의 개발이 중요하다. DFT 결과를 바탕으로 단일 단계 전극증착(one-step electrodeposition) 전략을 설계하여, Fe와 P가 공도핑된 NiCo 면심입방체(face-centered cubic, fcc)/조밀육방구조(hexagonal close-packed, hcp) 이중상(dual-phase) 합금(Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF)을 합성하였으며, 이 촉매는 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER) 모두에서 예외적으로 우수한 촉매 활성을 보여준다. fcc와 hcp 상 사이의 이종접면과 Fe, P 도핑은 효율적인 전하 전달과 풍부한 활성 자리를 가능하게 한다. DFT 결과는 Fe 및 P 도핑이 물 흡착을 최적화하고 Ni/Co d-밴드 중심(d-band center)을 조절하며 HER 장벽을 낮춘다는 것을 보여준다. 또한 도핑원은 우선적 산화 사이트로 작용하여 CoNi의 과도한 산화를 억제함으로써 OER 활성을 향상시킨다. 1 M KOH에서의 전기화학적 시험은 10 mA cm −2에서 HER 41 mV, OER 289 mV의 낮은 과전위를 나타내었고, 10 및 100 mA cm −2에서 각각 1.53 V 및 1.65 V의 전압으로 전체 물 분해(overall water splitting)를 달성하였다. 촉매는 50 mA cm −2 조건에서 135 h 동안 안정성을 유지함이 주목할 만하다. 향상된 성능은 Fe와 P 도핑 및 상계(phase boundary) 공학이 상호 시너지로 작용하여 전자 구성을 조절하고 전하 전달을 가속시키기 때문으로 판단된다. 본 연구는 실용적인 물 전기분해 응용을 위한 효율적인 전기촉매를 설계하는 유망한 접근법을 제공한다. DFT 결과에 따르면, Fe, P 이중 도핑을 설계하고 분석하면 Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF에서 HER/OER이 향상되어 우수한 전체 물 분해 성능과 안정성을 나타낸다. • Ni 1 Co 2 @NiF의 fcc/hcp 이종접면은 DFT 결과에 따라 설계되었다. • Fe, P 도핑은 이중상 이종접면을 보존하면서 Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF를 형성한다. • Fe–Ni 1 Co 2 P@NiF는 물 분해를 위한 양기능성과 내구성을 나타낸다. • HER/OER 동역학을 향상시키는 Fe, P 도핑 메커니즘은 DFT 결과에 의해 규명되었다.

습도 센서를 위해 다공성 질화규소(실리콘 나이트라이드) 구조를 제작하였다. 다공성 질화규소 구조는 금속 보조 화학 식각(metal-assisted chemical etching) 공정으로 제조하였고, 박막은 원자층 증착(atomic layer deposition) 공정으로 단차를 따라(flexible하게) 증착된 복합성(conformal) 질화규소 박막을 형성하였다. 두께 10 nm의 질화규소 박막을 적용한 최적화된 다공성 센서는 친수성 표면을 보였으며, 다른 센서들과 비교하여 우수한 습도 감응 응답을 나타냈다. 특히 1 kHz에서 습도 감응 응답이 뛰어났고, 각각 13.3초 및 12.4초의 빠른 응답과 회복 시간이 관찰되었다. 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy) 결과를 바탕으로 등가회로 및 습도 감응 메커니즘을 논의하였다. 또한 알칼리 전해질에서 테펠(Tafel) 분석을 통해 질화규소의 화학적 안정성을 특성화하였다. 아울러 센서의 습도 감응 성능을 시멘트에 매립된 조건에서 시험하였다.

저온 Cu–Cu 하이브리드 본딩 응용을 위한 패시베이션 층으로, 결함을 최소화한 균일한 Ag 층을 변위(디스플레이스먼트) 증착(displacement deposition)을 이용하여 개발하였다. 표면에서의 변위 증착 동안 결함을 최소화하는 것은 해당 층의 효과적인 적용을 보장하기 위해 중요하다. 이를 해결하기 위해, 증착 중 전위 변화를 측정하여 Ag 표면의 변화뿐 아니라 결함 형성을 예측할 수 있게 하는 개방회로전위(open circuit potential, OCP) 기반의 전기화학적 모니터링 기법을 도입하였다. 이러한 결과는 주사전자현미경(scanning electron microscopy) 및 원자힘현미경(atomic force microscopy) 분석을 통해 검증되었으며, OCP 모니터링이 도금 결함을 예측하는 효과적인 방법임을 보여주었다. 또한, Ag의 핵생성 및 성장 동역학을 조절하기 위해 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)을 도입함으로써 응집(agglomeration)을 억제하고 증착층의 균일성을 향상시켰다. 최적의 균일성은 100 ppm PVP 농도에서 달성되었으며, 그 결과 두께 4 nm의 Ag 층이 성공적으로 형성되었다. 본딩 실험에서는 Ag 층을 사용하여 1.7 MPa의 압력에서 10분간 140 °C로 Cu–Cu 본딩이 달성되었음을 확인하였다. 더 나아가 170 °C에서의 단면 분석 결과, Ag 층을 포함한 시료는 Ag 층이 없는 시료에 비해 더 큰 본딩 면적과 우수한 계면 품질을 나타냈다.

양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 차세대 휴대용 전원 응용을 위한 가장 유망한 연료전지 유형 중 하나로 평가된다. 스테인리스강 316L은 높은 가공성 및 연성을 지니기 때문에 양극판(bipolar plates, BPP)용 유망한 기판 재료로 널리 알려져 있다. 본 연구에서는 부식 방호 성능을 향상시키기 위해 스테인리스강 316L 위에 금 나노입자(Au)가 장식된 환원 그래핀 옥사이드(Au/rGO)를 코팅하였다. 그래핀 옥사이드는 금 나노입자의 전기화학적 장식 과정 중에 환원되어 환원-그래핀 옥사이드(reduced‐graphene oxide)로 전환된다. 금 나노입자 장식에 따른 결함 치유 효과는 X선 회절, X선/자외선 광전자 분광(X-ray/ultraviolet photoelectron spectroscopy) 및 라만 분광법으로 확인하였다. PEMFC의 음극 조건을 모사하기 위한 전기화학적 분석 결과, Au/rGO는 부식에 대한 향상된 저항 성능을 보였다. 포텐쇼스탯(정전위) 편극 이후 주사 전자현미경과 X선 광전자 분광(X-ray photoelectron spectroscopy)을 통해 Au/rGO 코팅층이 스테인리스강 기판의 부식을 억제함을 확인하였다. Au/rGO 코팅은 2.43 µA/cm2의 부식 전류 밀도와 304 mΩ cm2의 계면 접촉 저항을 나타냈다. 특히, 양극판에서 용출되는 Fe 이온의 양은 0.00612 ppm으로 매우 낮아, Au/rGO 코팅의 금속 이온 용출에 대한 탁월한 차단 성능을 부각한다.