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박병남 연구실
홍익대학교 신소재공학전공 박병남 교수
계면공학
전하수송
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박병남 연구실

홍익대학교 신소재공학전공 박병남 교수

박병남 연구실은 에너지 저장 및 전자소자 구현을 위한 재료·계면 제어 연구를 수행합니다. AC-EPD로 Li-ion 전극의 미세구조와 전극–전해질 계면 전기장을 제어하여 pseudocapacitive charge storage와 고율 성능을 평가하고, 고유전성 산화물층으로 부반응을 억제하는 전략을 적용합니다. 또한 SBLC 처리로 MAPbI3의 2D/3D 페로브스카이트 계면을 형성하여 결함 패시베이션과 이온 이동 억제를 통해 게이트 전계에 의한 양극성 수송을 구현합니다. 펜타센 기반 OFET에서는 C60 SAM 및 LSPR 조건을 활용해 전하전달과 광기억 동작을 분석하며, ZnO의 표면 국소 광게이팅을 통해 열전 파워팩터 제어 가능성도 함께 검토합니다.

계면공학전하수송전기장게이팅전기영동증착(EPD)페로브스카이트 2D/3D 계면
대표 연구 분야
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EPD 기반 계면-지배형 리튬·아연 전지 의사축전 및 SEI/반응 억제 메커니즘 연구 thumbnail
EPD 기반 계면-지배형 리튬·아연 전지 의사축전 및 SEI/반응 억제 메커니즘 연구
Interfacial, pseudocapacitive charge storage and SEI suppression mechanisms in EPD-enabled Li/Zn bat
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연구 성과 추이
표시된 성과는 수집된 데이터 기준으로 산출되며, 일부 차이가 있을 수 있습니다.
주요 논문
5
논문 전체보기
1
Article
|
·
인용수 1
·
2025
High-Dielectric Ultrathin BaTiO3 Anode via Electrophoretic Deposition: A Platform for Pseudocapacitive Li Storage and Interface Stabilization
Ji‐Yeon Lee, Jiwon Shin, Minsu Heo, Chanyoung Yoo, Mincheol Chang, Jedo Kim, Hyun‐Sik Kim, Byoungnam Park
IF 5.5 (2025)
ACS Applied Energy Materials
우리는 교류 전기영동 증착(AC-EPD)을 통해 제작된 초박막 티탄산바륨(바륨 티타네이트, BaTiO3; BTO) 애노드를 개발하였으며, 이는 리튬이온전지(LIBs)를 위한 계면 감수성 플랫폼을 가능하게 한다. 도전성 첨가제나 바인더를 전혀 사용하지 않은 무첨가 설계는 BTO의 고유한 전기화학적 거동을 직접적으로 탐침할 수 있게 한다. 높은 유전율로 인해 BTO는 전극–전해질 계면에서 균일한 내부 전기장을 형성하여 국소적인 전기장 요동을 효과적으로 억제하고, 부반응을 유발하는 기생 반응을 최소화한다. 이러한 계면 안정화 효과는 장기 성능을 위해 계면 반응성을 제어하는 것이 특히 중요한 리튬 금속 시스템에서 더욱 유리하다. BTO는 안정적인 계면층으로서의 역할을 넘어, b 값이 0.83인 상당한 의사축전(pseudocapacitive) 형태의 전하 저장과 높은 리튬 이온 확산성(1.3 × 10–8 cm2 s–1)을 보이며, 이는 BTO가 리튬 이온 저장 매체이자 리튬 이온이 투과 가능한 패시베이션 층으로서 이중 기능을 수행함을 시사한다. 초박막 BTO 애노드는 전류 밀도 1 A g–1에서 우수한 고율 성능을 나타낸다. 이러한 결과는 BTO가 차세대 LIBs에서 에너지 저장과 계면 안정성 향상을 모두 가능하게 하는 다기능성 소재임을 확립한다.
https://doi.org/10.1021/acsaem.5c01550
Materials science
Dielectric
Electrophoretic deposition
Anode
Interface (matter)
Deposition (geology)
Chemical engineering
Nanotechnology
Optoelectronics
Composite material
2
Article
|
·
인용수 3
·
2024
Carrier Depletion-Induced Suppression of Solid Electrolyte Interphase and Conversion Reaction in Zn1–xMgxO Nanocrystal Solid Solution Li-Ion Batteries
Young‐Jun Kim, Byoungnam Park
IF 5.5 (2024)
ACS Applied Nano Materials
본 연구에서는 리튬이온 배터리의 사이클링 동안 합금화/탈합금화 반응을 수반하는 전환 반응이 뒤따르는 고체-전해질 계면(solid-electrolyte interphase, SEI) 형성에 대한 전하 운반체 고갈의 영향을 조사하였다. 본 연구에서는 아노드로 Zn1–xMgxO 나노결정 고체용액을 사용하였으며, x가 0.05에서 0.15 범위에서 변화하는 구간에 초점을 맞추었다. 그 결과 x = 0.15에서 전기 전도도의 유의한 감소가 관찰되었고, 이는 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET) 이동도 및 전하 운반체 농도의 뚜렷한 감소와 함께 나타났다. 이에 따라 초기 방전 과정에서 SEI 형성과 전환 반응 모두가 억제되었으며, 그 결과 ZnO(x = 0)보다 현저히 낮은 비정전용량이 나타났다. 본 연구의 결과는 Zn0.85Mg0.15O 시료가 ZnO 및 Zn0.95Mg0.05O에 비해 포획(trapping)에 의해 표면 전하 운반체가 강하게 고갈됨을 보여주었다. 이는 자외선(UV) 유도(FET) 및 광발광(photoluminescence, PL) 측정으로 입증하였다. 리튬이온 합금화, ZnO 환원 및 SEI 형성 과정은 함정(trap) 유도 표면 전하 고갈의 영향을 받기 때문에, 이러한 함정을 제어하면 리튬이온 배터리의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 이러한 발전은 전기자동차 및 그리드 저장 시스템과 같은 고수요 응용 분야에서 특히 중요하다.
https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00791
Nanocrystal
Electrolyte
Ion
Materials science
Solid solution
Interphase
Inorganic chemistry
Analytical Chemistry (journal)
Chemical engineering
Chemistry
3
Article
|
·
인용수 6
·
2024
Ambipolar Charge Carrier Transport Properties at the S-Benzyl-l-cysteine-Induced 2D/3D Halide Perovskite Interface
Tae-Won Kim, Byoungnam Park
IF 7 (2024)
Chemistry of Materials
SBLC(S-benzyl-l-cysteine, SBLC)를 MAPbI3 페로브스카이트 필름 형성 동안 첨가하여 2D/3D 페로브스카이트 필름을 제조하고, 필드 효과 트랜지스터를 통해 전자 전도에 대한 SBLC의 영향을 조사하였다. SBLC를 첨가한 경우 상부 표면에서 더 큰 결정립 크기가 관찰되었으며, 게이트 전기장에 의해 조절되는 전자 전도가 활성화되었다. 이러한 필드 효과 조절은 SBLC 분자 스페이서가 3D MAPbI3 페로브스카이트 벌크에 유도하는 2D 페로브스카이트 표면층의 존재에 기인하며, 이는 계면에서 국소화된 상태의 패시베이션과 MAPbI3 페로브스카이트 필름 내 이온 이동의 억제를 통해 이루어진다. 녹색광을 조사하면 정공 수송이 활성화되어, SBLC 유도 MAPbI3 2D/3D 필름에서 양방성(ambipolar) 수송이 나타났고, 이는 SBLC 처리로 인해 정공 트랩의 상태 밀도가 감소하였음을 설명한다. 녹색광 조사는 2D/3D MAPbI3 페로브스카이트 필름의 표면 2D 층이 필드 효과 유도 전하 수송에 미치는 영향을 최대화하여, 표면에서의 이온성 거동이 억제됨으로써 2D/3D 구성에서 양방성 전자 수송이 가능해졌다. 본 연구는 유기 분자 스페이서가 3D 벌크 층의 전기적 특성에 미치는 전자적 및 구조적 영향을 부각하며, 2D/3D 페로브스카이트 계면 형성을 통해 3D 벌크 표면을 패시베이션함으로써 3D 벌크에서의 결함 유래 전자적·구조적 불안정성을 극복할 수 있음을 시사한다.
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02061
Ambipolar diffusion
Perovskite (structure)
Materials science
Passivation
Field-effect transistor
Halide
Chemical physics
Charge carrier
Layer (electronics)
Optoelectronics
최신 정부 과제
10
과제 전체보기
1
2020년 2월-2025년 2월
|89,550,000
상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
▶ 현대 전자 소자는 나노스케일로 소형/집적화 됨에 따라 계면에서의 전하 이동/전달 및 유전성질이 구동 및 성능을 결정한다고 해도 과언이 아니다. 계면에서의 에너지적/구조적 성질과 형성된 계면에서의 전하의 이동 및 전달 그리고 계면 물질과의 반응(유전성질)에 대한 제어는 해당 소자의 효율과 성능을 결정하는 핵심요소가 된다. ▶ 본 연구는 박막과 박막 사이의...
계면
전하 이동
상분리
초격자
스피노달
게이팅
트랜지스터
전하 전달
2
주관|
2020년 2월-2025년 2월
|99,500,000
상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
● 유/무기 lead halide 페로브스카이트는 AMX3(A: organic ammonium cation, M: Pb or Sn, and X: halide anion)로 결정화되는 물질로 현재 에너지/디스플레이/센싱등 여러 소자에 폭발적으로 응용되는 물질이다 [1]. 특히 MAPbI3는 light harvester로 photovoltaic 물질에 매우 성공적으로 삽입되어 20%가 넘는 광전효율을 선보이고 있다. 흡수계수, 확산거리, 전하 이동도면에서 고효율 광전소자로의 응용을 가능케 하는 성질을 가지고 있으며 phase transition을 통한 구조 변화등 다양하게 응용 가능한 물성을 가지고 있다. ● 전이금속 산화물은 대표적인 전자세라믹스 물질로서 나노 구조의 형태로 에너지/디스플레이/이미징/센싱 소자들에 삽입되는 핵심 재료이다 [2]. ● 무기 양자점 (quantum dot)은 양자점 제한효과를 통한 사이즈에 따른 광학적/전기적 성질의 튜닝을 통해 각종 전자소자에 각광받고 있는 소재이다 [3]. ● 수년 동안 용액공정, 진공증착을 통해 벌크 활물질의 물성을 제어하기 위한 여러 최적화 공정들이 개발되어져 왔고 적층을 통해 다양한 소자들이 만들어져왔다. 그러나 용액공정 (solution process)을 중심으로 솔벤트 (solvent) 엔지니어링을 통한 물성 개선은 “Trial and Error”식의 접근에서 크게 벗어나지 않아왔다. ● 구동의 핵심인 벌크와 벌크사이의 계면을 제어하기보다는 적층 물질들의 최적화된 조합 혹은 또 다른 계면을 만들어 변수를 증가시키는 성능 최적화에만 집중되어져 왔다. 본 연구의 목표는 나노 클러스터들의 체계적인 용매/용질 활동도 계수 제어를 통해 벌크-계면에서의 구조적 상분리 (phase separation) 및 초격자 (super lattice)를 형성시키고 Non-equilibrium 기반“Compositional Partitioning”을 통해 연속적인 벌크-계면 동시 제어를 구현하는 것이다 [연구추진전략 참조]. 더불어 연구재단 신진-기본 과제들을 통해 축적된 AC 기반 Field Modulated Electro-Thermal Gating을 통해 계면의 전하 거동 및 유전성질을 측정-튜닝하는 피드백 시스템을 확립하는 것을 목표로 한다
계면
전하 이동
상분리
초격자
스피노달
게이팅
트랜지스터
전하 전달
3
주관|
2020년 2월-2025년 2월
|99,500,000
상분리-초격자 기반 메조스코픽 연속적 벌크-계면 나노 구조 복합체 형성 및 전하 거동-유전성질 튜닝-모듈화에 관한 근본-응용 연구
● 유/무기 lead halide 페로브스카이트는 AMX3(A: organic ammonium cation, M: Pb or Sn, and X: halide anion)로 결정화되는 물질로 현재 에너지/디스플레이/센싱등 여러 소자에 폭발적으로 응용되는 물질이다 [1]. 특히 MAPbI3는 light harvester로 photovoltaic 물질에 매우 성공적으로 삽입되어 20%가 넘는 광전효율을 선보이고 있다. 흡수계수, 확산거리, 전하 이동도면에서 고효율 광전소자로의 응용을 가능케 하는 성질을 가지고 있으며 phase transition을 통한 구조 변화등 다양하게 응용 가능한 물성을 가지고 있다. ● 전이금속 산화물은 대표적인 전자세라믹스 물질로서 나노 구조의 형태로 에너지/디스플레이/이미징/센싱 소자들에 삽입되는 핵심 재료이다 [2]. ● 무기 양자점 (quantum dot)은 양자점 제한효과를 통한 사이즈에 따른 광학적/전기적 성질의 튜닝을 통해 각종 전자소자에 각광받고 있는 소재이다 [3]. ● 수년 동안 용액공정, 진공증착을 통해 벌크 활물질의 물성을 제어하기 위한 여러 최적화 공정들이 개발되어져 왔고 적층을 통해 다양한 소자들이 만들어져왔다. 그러나 용액공정 (solution process)을 중심으로 솔벤트 (solvent) 엔지니어링을 통한 물성 개선은 “Trial and Error”식의 접근에서 크게 벗어나지 않아왔다. ● 구동의 핵심인 벌크와 벌크사이의 계면을 제어하기보다는 적층 물질들의 최적화된 조합 혹은 또 다른 계면을 만들어 변수를 증가시키는 성능 최적화에만 집중되어져 왔다. 본 연구의 목표는 나노 클러스터들의 체계적인 용매/용질 활동도 계수 제어를 통해 벌크-계면에서의 구조적 상분리 (phase separation) 및 초격자 (super lattice)를 형성시키고 Non-equilibrium 기반“Compositional Partitioning”을 통해 연속적인 벌크-계면 동시 제어를 구현하는 것이다 [연구추진전략 참조]. 더불어 연구재단 신진-기본 과제들을 통해 축적된 AC 기반 Field Modulated Electro-Thermal Gating을 통해 계면의 전하 거동 및 유전성질을 측정-튜닝하는 피드백 시스템을 확립하는 것을 목표로 한다
계면
전하 이동
상분리
초격자
스피노달
게이팅
트랜지스터
전하 전달
최신 특허
특허 전체보기
상태출원연도과제명출원번호상세정보
등록2021전극/고체 전해질 복합재 및 그 제조 방법1020210184394
등록2021다공성 폴리머 구조체를 이용한 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지1020210032971
등록2021전자 운송층을 통한 유무기 페로브스카이트 박막의 제백계수 개선 방법, 이를 이용한 열전소자 및 그 제조 방법1020210011869
전체 특허

전극/고체 전해질 복합재 및 그 제조 방법

상태
등록
출원연도
2021
출원번호
1020210184394

다공성 폴리머 구조체를 이용한 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지

상태
등록
출원연도
2021
출원번호
1020210032971

전자 운송층을 통한 유무기 페로브스카이트 박막의 제백계수 개선 방법, 이를 이용한 열전소자 및 그 제조 방법

상태
등록
출원연도
2021
출원번호
1020210011869