섬유 전극의 에너지 성능을 향상시키는 ‘섬유 에너지 전극’은 전극 구성요소 간 상호작용에 대한 이해와 설계를 필요로 한다. 논문 2300330에서 Yoon Jang Chung, Yongmin Ko, Jinhan Cho 및 동료 연구자들은 섬유 전극의 최근 발전을 제시한다. 이 커버 이미지는 여러 접근법 중 하나인 리간드 교환 반응에 의해 제조된 섬유 전극을 보여준다.

생물연료전지(BFC)는 생화학적 에너지를 전기로 전환하는 친환경적 경로를 제공한다. 그러나 생물연료전지의 성능은 효소의 불충분한 고정화뿐 아니라 효소 전극 내에서의 제한된 전자전달로 인해 저해된다. 환원·산화 매개체(RM)를 효소 층에 통합하면 전자전달이 향상되어 BFC 성능을 개선하는 것으로 보고되었으나, 지난 10년간의 발전은 정체기에 접어들었다. 본 연구에서는 전자전달이 강화된 RM 층을 활용하는 새로운 전략을 통해 실현된 주요한 돌파구를 제시한다. 이웃한 RM 사이에 공유결합으로 연결된 금속 나노입자는 전자전달을 전반적으로(ubiquitously) 촉진한다. 전자전달 특성은 RM 층 자체 내에서뿐 아니라 포도당 산화효소(GOx)/호스트 전극 및 GOx/GOx 계면에서도 향상된다. 이는 효소성 양극에서 현저한 성능 향상으로 이어진다. 혁신적인 양극과 Pt 기반 음극을 결합한 하이브리드 BFC는 높은 출력(각각 10 및 300 mmol L−1 포도당에서 2.3 및 8.5 mW cm−2)과 우수한 운전 안정성(각각 10일 및 1개월 후 약 80% 및 47%의 출력 유지율)의 인상적인 조합을 보이며, 지금까지 보고된 모든 BFC보다 유의미한 수준으로 우수함을 입증한다.

현대적 동적 랜덤 액세스 메모리 셀에 부합하는 수준까지 누설 전류를 성공적으로 억제하면서도 벌크 유전율 137의 높은 값을 유지한다. 이러한 결과는 향후 반도체 소자를 위한 ALD 박막에서 결정 방위(orientation) 공학을 활용할 수 있는 가능성을 명확히 보여준다.

고전도성 부직(纖維)형 섬유 전극의 개발은 고성능 에너지 저장 장치를 포함한 다양한 스마트 웨어러블 전자기기의 발전에 있어 결정적으로 중요하다. 이를 달성하기 위해서는 유연성과 다공성을 유지하면서 절연성 섬유를 도전성 대응체로 전환하는 것이 필수적이다. 또한 섬유 도전성 물질에 전기화학적으로 활성인 구성요소를 통합하면, 특정 응용에 적합하도록 맞춤형 섬유 에너지 전극을 구현할 수 있다. 따라서 섬유 도전성 물질은 단순히 도전체로서의 역할에 더해, 에너지 활성 구성요소를 위한 에너지 저장소로도 기능하며, 전자 전달을 위한 용이한 네트워크를 제공한다. 그러나 대부분의 기존 방법으로 제조된 섬유 도전성 물질은 낮은 전도도, 차단(blockage), 취성(brittleness)과 같은 과제에 직면한다. 이러한 문제를 극복하기 위한 한 접근법은 개별 구성요소와 섬유 간의 계면 상호작용을 활용하는 것이다. 이러한 합리적 설계를 바탕으로 한 전도성 나노입자 조립 및 전극증착(electrodeposition)은 높은 전도도, 유연성, 그리고 큰 표면적을 갖는 섬유 도전성 물질을 초래한다. 이어지는 활성 구성요소의 유도된 조립은 고성능 섬유 에너지 전극을 만든다. 본 관점(perspective)은 계면 상호작용 기반 조립이 섬유 도전성 물질 및 섬유 에너지 전극의 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는지를 설명한다. 또한 슈퍼커패시터 및 리튬-이온 배터리 응용을 위한 해당 분야의 다양한 도전성 물질 제조 접근법과 최근의 발전을 탐색한다.

우리는 열(thermal) 원자층 증착(TALD)만을 사용하여 저열 예산(≤300 °C) 내에서, 그리고 증착 후 열처리 없이 제작한 인듐–갈륨–아연 산화물(IGZO) 박막 트랜지스터(TFT)를 보고한다. IGZO TALD 슈퍼-사이클의 Ga2O3 서브-사이클에 통합된 목표 O3 과잉 주입(O3 overdose) 단계는 국소 산소 화학 퍼텐셜을 상승시키고, 서브-사이클 간 환원-산화(redox) 반응 및 결함(공석, vacancy) 형성을 억제하는 데 도움을 준다. 구조 및 화학 분석 결과, 매끄러운 완전 비정질 Al2O3/IGZO 적층과 급격한 계면이 확인되며, 산소 공석 신호가 감소하였다. 한편 양이온(cation) 상태는 안정적으로 유지되었다. 이러한 적층으로부터 제작된 표준 TFT는 66.4–70 mV/dec의 거의 이상적인 문턱 전압 하방 기울기(subthreshold swing, SS) 값을 포함하여, 3 V 이내의 동작 창, μFE = 23.6–25.6 cm2/Vs 범위의 전계 효과 이동도, 0 V에 근접한 문턱전압(VTH), 그리고 무시할 만한 히스테리시스를 보이는 등 우수한 소자 성능을 나타냈다. 양의 바이어스 온도 스트레스 하에서 ΔVTH는 25–85 °C 전 구간에서 작게 유지되어 소자의 양호한 신뢰성을 시사한다. 선행의 ALD 기반 산화물 TFT와의 포괄적 비교를 통해, 저온 공정, 거의 이상적인 SS, 그리고 스트레스 하에서의 작은 드리프트의 조합이 성능–안정성 트레이드오프에서 유리한 범위에 본 소자를 위치시키는 것으로 나타났다. 여기서 제시한 O3 과잉 주입 개념은 TALD에서 다성분(multi-cation) 산화물의 산소 공석을 제어하기 위한 일반화 가능한 조절 레버를 제공하며, BEOL 및 단일체(monolithic) 3D 적층 통합과 자연스럽게 호환된다.

리튬(Li) 금속을 양극으로 직접 사용하는 것은 초고에너지 밀도의 차세대 배터리로 이어질 유망한 경로를 제공한다. 그러나 실제 구현은 제어되지 않은 Li 수지상(dendrite) 성장과 불안정한 고체전해질 계면(interphase)으로 인해 발생하는 안전성 및 안정성 문제에 의해 심각하게 제한되어 있다. 이러한 과제를 극복하기 위해 인공 계면의 구축, 집전체 또는 분리막의 친리튬(lithiophilic) 표면 개질, 3D 다공성 집전체의 제작 등 다양한 전략이 개발되어 왔다. 이러한 접근법은 주로 Li 이온 농도 분극을 완화하고 계면 에너지 분포를 균질화함으로써 수지상 증착을 억제하도록 설계된다. 그러나 기존의 방법들은 종종 친리튬 재료의 슬러리 코팅에 의존하여 비활성 바인더와 두꺼운 층을 도입하는 경우가 많다. 이에 비해 계면 상호작용에 의해 구동되는 층별(layer-by-layer, LbL) 조립은 최근 강력한 대안으로 부상하였으며, 박막의 조성과 구조를 분자 수준에서 제어할 수 있게 한다. 이 전략은 전자 전도도, 전기화학적 안정성, 에너지 밀도를 동시에 향상시키는 초박막의 바인더 무첨가 코팅 형성을 가능하게 한다. 본 관점 논문은 고성능 Li 금속 양극의 제작에 관한 최근 진전들을 검토하고, 계면 상호작용 매개 LbL 조립이 수지상 없는 내구성 있는 Li 금속 양극과 계면 및 사이클 안정성이 우수한 고에너지 밀도 배터리를 구현하기 위한 전환적 접근법으로 기능할 수 있음을 보여준다.

섬유 전극의 에너지 성능을 향상시키는 ‘섬유 에너지 전극’은 전극 구성요소 간 상호작용에 대한 이해와 설계를 필요로 한다. 논문 2300330에서 Yoon Jang Chung, Yongmin Ko, Jinhan Cho 및 동료 연구자들은 섬유 전극의 최근 발전을 제시한다. 이 커버 이미지는 여러 접근법 중 하나인 리간드 교환 반응에 의해 제조된 섬유 전극을 보여준다.

생물연료전지(BFC)는 생화학적 에너지를 전기로 전환하는 친환경적 경로를 제공한다. 그러나 생물연료전지의 성능은 효소의 불충분한 고정화뿐 아니라 효소 전극 내에서의 제한된 전자전달로 인해 저해된다. 환원·산화 매개체(RM)를 효소 층에 통합하면 전자전달이 향상되어 BFC 성능을 개선하는 것으로 보고되었으나, 지난 10년간의 발전은 정체기에 접어들었다. 본 연구에서는 전자전달이 강화된 RM 층을 활용하는 새로운 전략을 통해 실현된 주요한 돌파구를 제시한다. 이웃한 RM 사이에 공유결합으로 연결된 금속 나노입자는 전자전달을 전반적으로(ubiquitously) 촉진한다. 전자전달 특성은 RM 층 자체 내에서뿐 아니라 포도당 산화효소(GOx)/호스트 전극 및 GOx/GOx 계면에서도 향상된다. 이는 효소성 양극에서 현저한 성능 향상으로 이어진다. 혁신적인 양극과 Pt 기반 음극을 결합한 하이브리드 BFC는 높은 출력(각각 10 및 300 mmol L−1 포도당에서 2.3 및 8.5 mW cm−2)과 우수한 운전 안정성(각각 10일 및 1개월 후 약 80% 및 47%의 출력 유지율)의 인상적인 조합을 보이며, 지금까지 보고된 모든 BFC보다 유의미한 수준으로 우수함을 입증한다.

현대적 동적 랜덤 액세스 메모리 셀에 부합하는 수준까지 누설 전류를 성공적으로 억제하면서도 벌크 유전율 137의 높은 값을 유지한다. 이러한 결과는 향후 반도체 소자를 위한 ALD 박막에서 결정 방위(orientation) 공학을 활용할 수 있는 가능성을 명확히 보여준다.