부유촉매 화학기상증착(floating-catalyst chemical vapor deposition, FCCVD) 방법으로 제조된 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)는 오늘날 가장 유망한 나노소재들 가운데 하나로, 학계와 산업 분야 모두로부터 큰 관심을 받고 있다. 이러한 CNT는 결합제가 필요 없고 결함이 적은 구조로 인해 우수한 전기전도도, 광학적 특성, 기계적 내구성을 보이며, FCCVD 방법은 연속적이고 대량생산 가능한 합성을 가능하게 한다. 방법론적 FCCVD 변형 중 aerosol CVD'는 거대규모의 CNT 네트워크로 구성된 자립형 박막을 생산한다는 점에서 두드러지며, 이는 성능과 실용성 면에서 우수하다. 본 총설은 aerosol CVD 반응기 합성 조건과 그 결과로 나타나는 CNT의 특성 간의 복잡한 상호관계를 해설한다. 합성 과정의 모든 단계를 연결하는 통합적 접근법을 종합적인 지침으로 제안한다. 본 총설에서는 CNT의 구조적 매개변수(길이와 직경)와 그에 따른 박막 특성(전도도, 광학적 및 기계적 특성) 간의 상관관계를 분석하여 CNT 박막 합성을 최적화하기 위한 포괄적 틀을 구축한다. 또한 본 분석은 aerosol CVD 합성 CNT에 특화된 특성분석 방법론을 포함하며, 이들의 특성이 에너지 소자부터 광전자공학(opt oelectronics)에 이르기까지 다양한 분야에서의 응용에 어떻게 영향을 미치는지를 평가한다. 본 총설은 이 분야의 현재 과제와 전망을 다루며 결론을 제시한다.

지속되는 글로벌 에너지 위기는 저전력 전자기기의 수요를 증대시켰으며, 인간 뇌의 병렬 처리와 에너지 효율을 바탕으로 한 뉴로모픽 컴퓨팅에 대한 관심을 촉발하고 있다. 단일 소자 안에서 휘발성 및 비휘발성 거동을 모두 통합하는 재구성 가능 멤리스터는, 기존 컴퓨팅 아키텍처를 제한하는 폰 노이만 병목(von Neumann bottleneck)을 해결하면서 메모리 내 컴퓨팅(in-memory computing)을 위한 강력한 해결책을 제공한다. 이러한 다재다능한 소자들은 멤리스터의 높은 집적도, 낮은 전력 소모, 그리고 적응성을 결합하여 뇌와 유사한 기능을 모방하기 위한 기존의 상보성 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 기술에 대한 우수한 대안으로 자리매김한다. 잠재력에도 불구하고, 재구성 가능 멤리스터에 관한 연구는 여전히 드물며 종종 Mott 절연체와 같은 특정 재료에 국한되어, 그 고유한 재구성 가능성을 충분히 다루지 못하는 경우가 많다. 본 총설은 특히 재구성 가능 멤리스터에 초점을 맞추어, 이중 모드 동작, 다양한 물리적 메커니즘, 구조 설계, 재료 특성, 스위칭 거동, 그리고 뉴로모픽 응용을 검토한다. 또한 멤리스터 기반 신경망에서의 저전력 소모 솔루션과 관련된 최근의 발전을 조명하고, 재구성 가능 멤리스터를 독립형 소자 또는 인공 신경 시스템 내에 배치하는 데 있어의 과제를 비판적으로 평가한다. 본 총설은 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅에서 재구성 가능 멤리스터의 향후 개발 및 구현을 안내하기 위한 심층적인 기술적 통찰과 정량적 벤치마크를 제공한다.

저자들은 이해상충이 없음을 선언합니다.

부유촉매 화학기상증착(floating-catalyst chemical vapor deposition, FCCVD) 방법으로 제조된 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)는 오늘날 가장 유망한 나노소재들 가운데 하나로, 학계와 산업 분야 모두로부터 큰 관심을 받고 있다. 이러한 CNT는 결합제가 필요 없고 결함이 적은 구조로 인해 우수한 전기전도도, 광학적 특성, 기계적 내구성을 보이며, FCCVD 방법은 연속적이고 대량생산 가능한 합성을 가능하게 한다. 방법론적 FCCVD 변형 중 aerosol CVD'는 거대규모의 CNT 네트워크로 구성된 자립형 박막을 생산한다는 점에서 두드러지며, 이는 성능과 실용성 면에서 우수하다. 본 총설은 aerosol CVD 반응기 합성 조건과 그 결과로 나타나는 CNT의 특성 간의 복잡한 상호관계를 해설한다. 합성 과정의 모든 단계를 연결하는 통합적 접근법을 종합적인 지침으로 제안한다. 본 총설에서는 CNT의 구조적 매개변수(길이와 직경)와 그에 따른 박막 특성(전도도, 광학적 및 기계적 특성) 간의 상관관계를 분석하여 CNT 박막 합성을 최적화하기 위한 포괄적 틀을 구축한다. 또한 본 분석은 aerosol CVD 합성 CNT에 특화된 특성분석 방법론을 포함하며, 이들의 특성이 에너지 소자부터 광전자공학(opt oelectronics)에 이르기까지 다양한 분야에서의 응용에 어떻게 영향을 미치는지를 평가한다. 본 총설은 이 분야의 현재 과제와 전망을 다루며 결론을 제시한다.

지속되는 글로벌 에너지 위기는 저전력 전자기기의 수요를 증대시켰으며, 인간 뇌의 병렬 처리와 에너지 효율을 바탕으로 한 뉴로모픽 컴퓨팅에 대한 관심을 촉발하고 있다. 단일 소자 안에서 휘발성 및 비휘발성 거동을 모두 통합하는 재구성 가능 멤리스터는, 기존 컴퓨팅 아키텍처를 제한하는 폰 노이만 병목(von Neumann bottleneck)을 해결하면서 메모리 내 컴퓨팅(in-memory computing)을 위한 강력한 해결책을 제공한다. 이러한 다재다능한 소자들은 멤리스터의 높은 집적도, 낮은 전력 소모, 그리고 적응성을 결합하여 뇌와 유사한 기능을 모방하기 위한 기존의 상보성 금속-산화물-반도체(complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 기술에 대한 우수한 대안으로 자리매김한다. 잠재력에도 불구하고, 재구성 가능 멤리스터에 관한 연구는 여전히 드물며 종종 Mott 절연체와 같은 특정 재료에 국한되어, 그 고유한 재구성 가능성을 충분히 다루지 못하는 경우가 많다. 본 총설은 특히 재구성 가능 멤리스터에 초점을 맞추어, 이중 모드 동작, 다양한 물리적 메커니즘, 구조 설계, 재료 특성, 스위칭 거동, 그리고 뉴로모픽 응용을 검토한다. 또한 멤리스터 기반 신경망에서의 저전력 소모 솔루션과 관련된 최근의 발전을 조명하고, 재구성 가능 멤리스터를 독립형 소자 또는 인공 신경 시스템 내에 배치하는 데 있어의 과제를 비판적으로 평가한다. 본 총설은 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅에서 재구성 가능 멤리스터의 향후 개발 및 구현을 안내하기 위한 심층적인 기술적 통찰과 정량적 벤치마크를 제공한다.

저자들은 이해상충이 없음을 선언합니다.

풀러렌 기반 n형 전하 수집(charge-collecting) 소재는 고성능 페로브스카이트 태양전지에 대한 해결책으로 부상해 왔다. 그러나 풀러렌 종(species)의 극성 용매와의 비혼화성(immiscibility) 때문에 풀러렌 소재의 페로브스카이트 태양전지 적용은 소자 구조 측면에서 제한적이며, 소자 시스템에는 소량의 풀러렌 첨가제만 도입되어 왔다. 이를 극복하기 위해, 트리에틸렌글리콜 모노메틸 에터 사슬이 부착된 풀러렌 유도체를 합성하고 이를 정상형(normal-type) 페로브스카이트 태양전지에 적용하였다. 새로 합성된 풀러렌은 극성 용매에서 우수한 용해성을 보인다. 상용화 가능한(full miscible) 풀러렌을 페로브스카이트 소자에 도입하고 유리한 수직 그라디언트를 유도하기 위한 새로운 접근법을 제안한다. 전자 수송층(electron-transporting layer) 위에 오버코트(overcoat)를 형성한 뒤 수 분간 대기하면, 풀러렌 유도체가 풀러렌 도핑된 페로브스카이트 활성 필름 속으로 점진적으로 침투한다. 직접 혼합, 오버코팅 및 대기(waiting) 기술을 결합하여 페로브스카이트 태양전지를 제작함으로써, 현저하게 높은 소자 효율 23.34%를 달성하였다. 높은 성능은 수직 그라디언트를 갖는 풀러렌 첨가제가 페로브스카이트의 결함 자리(defect sites)를 효과적으로 패시베이션(passivation)하고, 오버코트가 전하 전달(charge transfer)을 향상시키는 데 기인한다. 소자 성능은 국립 연구소(national laboratory)에서 인증되었으며, 이는 풀러렌 첨가제를 사용한 페로브스카이트 태양전지 중 최고 효율이다.

페로브스카이트 태양전지(PSCs)는 유망한 광전지 기술로서 빠르게 발전해 단일 접합에서 27%를, 탠덤 구성에서는 34%를 초과하는 인증 효율을 달성하였다. 그러나 용액 기반 제조의 과제들—용매의 독성, 계면층(interlayer) 손상, 그리고 대면적에서의 저조한 균일성—으로 인해 상용화가 저해되고 있다. 본 리뷰는 진공 기반의 건식 공정을 확장 가능한 대안으로서 고찰하며, 진공 공정을 통해 유기발광다이오드(OLEDs)가 성공적으로 상용화된 사례와의 유사성을 짚는다. 우리는 유기-무기-혼성 유기양이온으로 분류되는 페로브스카이트 흡수층의 건식 제조, 유기·무기·혼성 변형으로 구분되는 정공 및 전자 수송층으로 분류되는 전하 수송층, 그리고 완전 건식 공정된 PSCs를 체계적으로 분석한다. 핵심 틀에는 전구체 증발성 기준, 실시간(in situ) 조성비(stoichiometry) 제어, 그리고 균일한 필름과 안정적인 적층 구조를 위한 하층 템플릿 기반 결정화(sublayer-templated crystallization)가 포함된다. 방대한 조사 표들은 건식 공정 방법론과 그에 따른 성능을 기준으로 광전지 분야를 정리한다. 본 연구는 OLEDs의 다층 정밀도와 패터닝(patterning) 전문성을 활용함으로써 건식 공정 PSCs가 향상된 재현성, 환경 안전성, 그리고 산업적 실현 가능성을 제공할 수 있으며, 현재의 병목 현상을 극복하고 광범위한 보급을 위한 전환점에 위치할 수 있음을 결론짓는다.

이 포괄적 리뷰는 고도화된 현장 진단(point-of-care testing)을 위한 측면 흐름 검사(lateral flow assays, LFAs)에 형광 나노다이아몬드(FNDs)를 통합하는 방안을 탐구하며, 이들이 신속 진단을 혁신할 잠재력을 지님을 강조한다. FND는 독특한 양자 특성을 바탕으로 기존의 형광 표지에 비해 우수한 광안정성, 생체적합성, 그리고 스핀 의존성 형광을 제공한다. 본 리뷰는 합성 방법으로부터 적용에 이르기까지 FND의 개발 과정을 추적하고, 자기(magnetic) 변조가 LFAs에서의 성능을 어떻게 향상시키는지에 초점을 둔다. 주요 주제에는 향상된 민감도와 특이성을 위한 FND 합성의 최적화, 후처리 공정, 표면 기능화가 포함된다. 잠금-증폭기(lock-in amplifiers)와 자기장 생성기(magnetic field generators)와 같은 고도화된 검출 시스템의 통합은 검사 능력을 추가로 향상시키기 위한 수단으로 논의된다. SARS-CoV-2 변이, 뎅기 바이러스 혈청형, 그리고 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)과 같은 병원체를 검출하는 FND 기반 LFAs의 사례 연구는 이 기술의 다양성과 글로벌 보건 과제에 미치는 영향을 보여준다. 이어서, 본 리뷰는 이 기술을 널리 접근 가능한 장치로 전환하는 데 남아 있는 과제들을 다룬다. 마지막으로, 검사 설계를 단순화하고, 비용 효율적인 합성 방법을 개발하며, 사용하기 쉬운 휴대형 검출 시스템을 구축하는 것을 포함하는 향후 연구 방향을 제시하면서, 차세대 현장 진단을 위한 초고감도·배경 없는 신속 진단을 가능하게 하는 FND의 변혁적 역할을 강조한다.

코로나19 팬데믹은 전통적인 예방 조치의 한계를 드러내었고, 바이러스 전파를 통제하는 데 있어 안면 마스크의 필수적 역할을 강조하였다. 다양한 재료를 활용한 보다 효과적이며 재사용 가능한 안면 마스크가 개발되었다. 본 연구에서는 수직 정렬 탄소나노튜브(VACNTs)를 효과적인 안면 마스크 필터로 사용하며, 특히 향후 코로나19 팬데믹을 대비하여 SARS‐CoV‐2 바이러스 감염을 예방하는 것을 목표로 한다. 본 연구는 안면 마스크의 여섯 가지 핵심 측면, 즉 소수성, 산업적 실현 가능성, 통기성, 고열(열충격) 기반 항바이러스 효과, 독성, 재사용성을 평가한다. VACNT 단독은 접촉각 175.53°로 초소수성을 나타내며, 방적부직포 폴리프로필렌(spun‐bonded polypropylene)에서의 대면적 영역에서는 평균 142.7°를 보였다. VACNT는 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로 처리되어 접착제의 필요성을 제거한다. 정렬된 튜브로 인해 VACNT 필터는 기존에 보고된 CNT 및 통상적인 필터에 비해 탁월한 통기성과 수분 환기 특성을 나타낸다. 또한 햇빛 하에서 VACNT 필터의 고열(열충격) 테스트를 수행한 결과, 냉환경에서도 HCoV 229E 바이러스의 최대 99.8%가 변성되는 것이 확인되었다. VACNT의 안전성은 조직병리학적 평가와 피하 이식 시험을 통해 입증되었으며, 호흡기 및 피부 염증에 대한 우려를 해소한다. VACNT 마스크는 수분을 효율적으로 전달하고 햇빛 아래에서 신속하게 초기의 건조 상태로 복귀하며, 10000회의 굽힘 사이클 이후에도 물성을 유지한다. 더불어 VACNT 필터가 호흡 센서로 기능하여 습윤 상태를 신호하고 재사용을 용이하게 하는 독특한 능력과 함께, 줄( Joule ) 가열 효과도 함께 평가한다.

페로브스카이트 태양전지(PSCs)에 첨가제를 전략적으로 도입하는 접근은, 최소한의 재료 투입과 손쉬운 공정을 활용하면서 전력변환효율(PCE)을 향상시키는 핵심 전략으로 부상해 왔다. 본 연구는 자연적으로 풍부하고, 비용 효율적이며, 환경친화적인 첨가제—설탕 및 그 카라멜화 유도체—의 PSC 적용에 대해 심층적으로 조사하였으며, 자연 물질을 첨가제로 사용한 보고된 PSC들 중에서 25.26%(공인 25.07%)의 기록적인 PCE를 달성하였다. 또한 제작된 소자들은 연속광 조사 1000 h 후에도 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 등 탁월한 장기 안정성을 보였다. 정제 및 재결정화된 자당은 강한 수소 결합으로 인해 효과가 없는 반면, 카라멜화 자당은 매우 효과적인 첨가제로 확인되었는데, 카라멜화 자당의 이당류는 220 °C에서 열분해되어 H—를 생성하며, 200 °C 미만에서 처리된 경우에 주로 형성되는 카라멜란, 카라멜린, 카라멜렌에 비해 우수한 성능을 나타냈다. 광전지 성능의 향상은 첨가제에 포함된 하이드록실, 카복실, 카보닐 기능기의 비례적 차이에 기인하며, 카보닐 기능기가 PSC 성능을 증진하는 데 지배적으로 유리한 역할을 하는 반면 하이드록실기는 그와 반대로 작용함이 관찰되었다.