내열계수 저항(temperature coefficient of resistance, TCR)에 대한 것이다. 이러한 중적외선(mid-IR) 광응답성의 근본 기작은 자외선 광전자 분광법(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 특성화를 통해 규명된 바와 같이, PtS 박막의 밴드갭 내 상태(midgap states)가 매개하는 중력(bolometric) 효과에 의해 구동되는 캐리어 여기(carrier excitations)에 기인한다. 또한 기계적 변형에 불변인 광응답성을 활용하여, 변조된 조명 및 게이팅 조건 하에서 이방향(biaxial)으로 늘어날 수 있는 PtS/PI 포토트랜지스터를 시연한다. 본 연구는 특이한 기능과 구성으로 이루어진 차세대 포토전자 소자를 위한 초박막 반도체의 기회를 제공할 것으로 기대된다.

자유 지지(freestanding) 형태의 단결정 칼코게나이드 박막은 유연 위상변화 메모리(PCM)와 같은 고급 전자소자에서 매우 필요하다. 그러나 이들 박막은 성장 및 박리(delamination) 문제로 인해 대규모(스케일러블) 제조가 어렵다. 본 연구에서는 단결정 게르마늄 텔루라이드(GeTe) 막의 웨이퍼 스케일 에피택셜 성장과, 유연 기판에 대한 결정론적 통합을 가능하게 하는 실행 가능한 전략을 보고한다. GeTe 박막은 텔루화(tellurization) 반응을 통해 Ge 웨이퍼 위에서 에피택셜하게 성장되며, 이 과정에서 GeTe/Ge 계면을 따라 구속된(confined) 전위(dislocation)가 형성된다. 이후, 성장된 박막은 응력-집중 전위를 활용하는 변형률(스트레인) 공학 기반 박리(spalling) 방법에 의해, 웨이퍼 스케일 구조적 무결성을 보존한 채로 웨이퍼로부터 박리해 낸다. 또한 이러한 웨이퍼 에피택시와 박리 접근법의 범용성은 게르마늄 셀레나이드(GeSe)와 같은 다른 칼코게나이드 막의 제조로까지 확장된다. 이들 물질은 자유 지지 형태에서도 위상변화에 의해 구동되는 전기적 스위칭 특성을 나타내며, 유연 PCM 기술에 있어 전례 없는 기회를 열어준다.

본 연구는 체적 전환을 통해 전기적 성질을 향상시킨 열반응성 스마트 하이드로겔을 제시한다. 이러한 진전은 중합 과정에서 다중스케일 액체금속 입자(LMPs)를 PNIPAM 하이드로겔에 통합함으로써 구현되었으며, 그로 인해 하이드로겔은 탈팽윤 상태에서 입자 고유의 탄성과 전기전도성을 활용할 수 있다. 기존의 전도성 첨가제와 달리 LMPs는 PNIPAM 하이드로겔에 매우 일관된 체적 전환 비율을 부여하여 전기적 스위칭을 현저히 향상시킨다. 이는 중합 중 LMPs의 핵생성 효과가 최소화되고, 압축 시 폴리머 하이드로겔 내부의 공극(vacancies)과 유사하게 액체와 같은 거동을 보이기 때문으로 설명된다. PNIPAM/LMP 하이드로겔은 6.1자릿수(orders of magnitude)에 이르는 전례 없는 전기적 스위칭을 보이며, 가장 높은 수준의 전기적 스위칭을 나타낸다. 일부 LMPs가 병합되고 팽윤된 상태에서 전도성이 증가하는 현상이 발생하더라도, 반복적인 팽윤/탈팽윤 사이클 이후에도 하이드로겔은 4.5자릿수 이상의 전기적 스위칭을 일관되게 유지하며, 이는 현재까지도 가장 높은 기록이다. 포괄적인 측정 결과, 이 하이드로겔은 견고한 기계적 성질, 조직과 유사한 압축 탄성률, 생체적합성 및 자가치유 능력을 갖는 것으로 확인되었다. 이러한 특성들로 인해 PNIPAM/LMP 하이드로겔은 장기간 이식 가능한 바이오전자소자를 위한 이상적인 후보가 되며, 역동적인 인체 조직과의 기계적 불일치를 해결하는 방안을 제공한다.

탄소섬유/금속 나노입자 하이브리드 구조는 에너지 저장, 고성능 복합재, 생의학적 도구 등 다양한 분야에서 널리 연구되는 재료 조합이다. 다목적 탄소섬유/금 나노입자 구조는 지속가능성 문제를 해결하기 위해 친환경적이고 에너지 효율적인 제작 공정을 사용하여 준비하였다. 먼저, 셀룰로오스 섬유를 친환경 리오셀(lyocell) 공정으로 제조하였다. 본 연구는 고함량의 셀룰로오스, 엄격한 펄프 용해 조건, 개질 방사 및 열 연신 공정을 통해 리오셀 섬유의 높은 기계적 강도를 확보하였다. 이어서, 리오셀 섬유를 5% 인장 하에서 안정화하고 탄화하여 탄소섬유로 전환하였으며, 그 결과 높은 기계적 강도와 영률(Young’s modulus)을 얻었다. 마지막으로, 금 나노입자를 리오셀 기반 탄소섬유 표면에 전기화학적으로 증착하였다. 탄소섬유/금 나노입자 시스템의 전기화학적 특성은 나노구조화된 금 입자들의 높은 표면적에 의해 현저하게 향상되었다. 무독성 재료 선택에서 비롯된 향상된 전기화학적 특성과 생체적합성은, 대표적인 전기화학 바이오센서인 도파민(dopamine) 검출을 위한 탄소섬유/금 나노입자를 가능하게 하였다. 검출 결과는 하이브리드 구조가 도파민 감지에 대해 높은 감도와 선택성을 제공함을 보여주었다. 전반적으로, 이러한 제작 전략은 친환경적이며 지속가능한 발전 요구를 충족하기 위한 수많은 응용 기회를 열어준다.

Zn과 S의 기화물을 온도만을 통해 고체화하여, 서로 다른 형태의 나노구조로 고정화함을 입증하였다. 우리가 아는 한, 이는 제자리(in situ) 온도 제어에 의해 먼저 기상-액상-고상(vapor-liquid-solid) 메커니즘으로 나노와이어를 성장시키고, 이어서 기상-고상(vapor-solid) 성장 메커니즘으로 나노입자를 성장시켜, 이질적인 나노구조를 합성한 최초의 시연이다. 얻어진 계층적으로 조립된 ZnS 나노구조는 다양한 TEM 기술로 특성화되었으며, 결정 성장 메커니즘을 검증하였다. 마지막으로 전자 단층촬영(electron tomography)과 3D 프린팅을 통해 나노 스케일 구조를 센티미터 스케일까지 시각화할 수 있었다. 무작위로 제조된 나노소재로부터의 3D 프린팅은 현재까지는 드물게 수행되었다. 협력 연구는 보다 진보되고 정교한 나노구조를 제작할 수 있는 더 나은 기회를 제공할 수 있다.

유연하고 자가 구동형 전자 시스템의 개발에는 높은 대전 유지능, 기계적 순응성, 그리고 안정적인 유전 특성을 결합한 트리보전(triboelectric) 재료가 필요하다. 여기서는 액체 금속 입자-환원 그래핀 옥사이드(liquid metal particle-reduced graphene oxide, LMP@rGO) 코어-쉘 구조를 제조하기 위한 산화환원 반응 접근법을 보고하고, 이를 폴리(아크릴산) (poly(acrylic acid), PAA) 하이드로겔에 도입하여 고성능 트리보전 층을 구현한다. LMP의 산화갈륨과 그래핀 옥사이드 간의 자발적 계면 반응은 동시적으로 LMP 표면의 고유 절연 산화층을 제거하면서 rGO의 순응성(conformal) 쉘을 형성하며, 그 결과 향상된 콜로이드 안정성과 2.7 (0.01 wt%), 2.9 (0.005 wt%), 3.2 eV (0.001 wt%)로 조절 가능한 반도체 밴드갭을 얻는다. GO 함량을 증가시키면 보다 완전한 코어-쉘 형성이 촉진되어 더 높은 제타 전위, 더 강한 계면 분극, 그리고 더 높은 전기적 성능으로 이어진다. PAA에 매립한 후, LMP@rGO 구조는 하이드로겔의 특성과 함께 수소결합 네트워크를 형성하여 유전율과 대전 유지능을 모두 향상시키는 한편, 연성 기계적 순응성을 현저히 보존한다. 그 결과 LMP@rGO/PAA 하이드로겔은 향상된 트리보전 출력 특성을 보이며, 2.0 wt/vol% 복합체는 504개 직렬 연결( series-connected ) LED 중 절반 이상을 점등하기에 충분한 전력을 생성한다. 모든 결과는 차세대 웨어러블 및 자가 구동형 전자 시스템을 위한 유망한 트리보전 층 재료로서 LMP@rGO 하이드로겔 복합체의 잠재력을 보여준다.

n형 Ga2O3와 p형 NiO 박막으로 이루어진 이종접합을 저온 공정 조건에서 제작한다. 이 기술은 다양한 기판에서 폭이 넓은 밴드갭 반도체를 이용한 이종접합 응용을 향상시킬 잠재력을 제공한다. Tauc plot으로부터 Ga2O3와 NiO 반도체에 대해 각각 4.67 eV 및 3.62 eV의 광학적 밴드갭 값이 얻어진다. 이종접합에서 자발적으로 형성된 공핍영역은 열적 평형 조건에서 축전기적 특성을 보이는 반면, 저항성 성분은 턴온 전압 범위에서의 전하 수송에 관여한다. 두께가 50 nm인 n-Ga2O3와 이종접합 계면에서의 최대 전기장은 열적 평형 조건에서 두께가 400 nm를 초과하는 n-Ga2O3의 경우보다 5배 높다. 접합 두께가 접합 공핍폭보다 짧아지면, PN 접합 계면에서의 훨씬 더 높은 최대 전기장으로 인해 다이오드는 조기 항복을 겪는다.

내열계수 저항(temperature coefficient of resistance, TCR)에 대한 것이다. 이러한 중적외선(mid-IR) 광응답성의 근본 기작은 자외선 광전자 분광법(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) 특성화를 통해 규명된 바와 같이, PtS 박막의 밴드갭 내 상태(midgap states)가 매개하는 중력(bolometric) 효과에 의해 구동되는 캐리어 여기(carrier excitations)에 기인한다. 또한 기계적 변형에 불변인 광응답성을 활용하여, 변조된 조명 및 게이팅 조건 하에서 이방향(biaxial)으로 늘어날 수 있는 PtS/PI 포토트랜지스터를 시연한다. 본 연구는 특이한 기능과 구성으로 이루어진 차세대 포토전자 소자를 위한 초박막 반도체의 기회를 제공할 것으로 기대된다.

자유 지지(freestanding) 형태의 단결정 칼코게나이드 박막은 유연 위상변화 메모리(PCM)와 같은 고급 전자소자에서 매우 필요하다. 그러나 이들 박막은 성장 및 박리(delamination) 문제로 인해 대규모(스케일러블) 제조가 어렵다. 본 연구에서는 단결정 게르마늄 텔루라이드(GeTe) 막의 웨이퍼 스케일 에피택셜 성장과, 유연 기판에 대한 결정론적 통합을 가능하게 하는 실행 가능한 전략을 보고한다. GeTe 박막은 텔루화(tellurization) 반응을 통해 Ge 웨이퍼 위에서 에피택셜하게 성장되며, 이 과정에서 GeTe/Ge 계면을 따라 구속된(confined) 전위(dislocation)가 형성된다. 이후, 성장된 박막은 응력-집중 전위를 활용하는 변형률(스트레인) 공학 기반 박리(spalling) 방법에 의해, 웨이퍼 스케일 구조적 무결성을 보존한 채로 웨이퍼로부터 박리해 낸다. 또한 이러한 웨이퍼 에피택시와 박리 접근법의 범용성은 게르마늄 셀레나이드(GeSe)와 같은 다른 칼코게나이드 막의 제조로까지 확장된다. 이들 물질은 자유 지지 형태에서도 위상변화에 의해 구동되는 전기적 스위칭 특성을 나타내며, 유연 PCM 기술에 있어 전례 없는 기회를 열어준다.

본 연구는 체적 전환을 통해 전기적 성질을 향상시킨 열반응성 스마트 하이드로겔을 제시한다. 이러한 진전은 중합 과정에서 다중스케일 액체금속 입자(LMPs)를 PNIPAM 하이드로겔에 통합함으로써 구현되었으며, 그로 인해 하이드로겔은 탈팽윤 상태에서 입자 고유의 탄성과 전기전도성을 활용할 수 있다. 기존의 전도성 첨가제와 달리 LMPs는 PNIPAM 하이드로겔에 매우 일관된 체적 전환 비율을 부여하여 전기적 스위칭을 현저히 향상시킨다. 이는 중합 중 LMPs의 핵생성 효과가 최소화되고, 압축 시 폴리머 하이드로겔 내부의 공극(vacancies)과 유사하게 액체와 같은 거동을 보이기 때문으로 설명된다. PNIPAM/LMP 하이드로겔은 6.1자릿수(orders of magnitude)에 이르는 전례 없는 전기적 스위칭을 보이며, 가장 높은 수준의 전기적 스위칭을 나타낸다. 일부 LMPs가 병합되고 팽윤된 상태에서 전도성이 증가하는 현상이 발생하더라도, 반복적인 팽윤/탈팽윤 사이클 이후에도 하이드로겔은 4.5자릿수 이상의 전기적 스위칭을 일관되게 유지하며, 이는 현재까지도 가장 높은 기록이다. 포괄적인 측정 결과, 이 하이드로겔은 견고한 기계적 성질, 조직과 유사한 압축 탄성률, 생체적합성 및 자가치유 능력을 갖는 것으로 확인되었다. 이러한 특성들로 인해 PNIPAM/LMP 하이드로겔은 장기간 이식 가능한 바이오전자소자를 위한 이상적인 후보가 되며, 역동적인 인체 조직과의 기계적 불일치를 해결하는 방안을 제공한다.

탄소섬유/금속 나노입자 하이브리드 구조는 에너지 저장, 고성능 복합재, 생의학적 도구 등 다양한 분야에서 널리 연구되는 재료 조합이다. 다목적 탄소섬유/금 나노입자 구조는 지속가능성 문제를 해결하기 위해 친환경적이고 에너지 효율적인 제작 공정을 사용하여 준비하였다. 먼저, 셀룰로오스 섬유를 친환경 리오셀(lyocell) 공정으로 제조하였다. 본 연구는 고함량의 셀룰로오스, 엄격한 펄프 용해 조건, 개질 방사 및 열 연신 공정을 통해 리오셀 섬유의 높은 기계적 강도를 확보하였다. 이어서, 리오셀 섬유를 5% 인장 하에서 안정화하고 탄화하여 탄소섬유로 전환하였으며, 그 결과 높은 기계적 강도와 영률(Young’s modulus)을 얻었다. 마지막으로, 금 나노입자를 리오셀 기반 탄소섬유 표면에 전기화학적으로 증착하였다. 탄소섬유/금 나노입자 시스템의 전기화학적 특성은 나노구조화된 금 입자들의 높은 표면적에 의해 현저하게 향상되었다. 무독성 재료 선택에서 비롯된 향상된 전기화학적 특성과 생체적합성은, 대표적인 전기화학 바이오센서인 도파민(dopamine) 검출을 위한 탄소섬유/금 나노입자를 가능하게 하였다. 검출 결과는 하이브리드 구조가 도파민 감지에 대해 높은 감도와 선택성을 제공함을 보여주었다. 전반적으로, 이러한 제작 전략은 친환경적이며 지속가능한 발전 요구를 충족하기 위한 수많은 응용 기회를 열어준다.