아주대학교 약과학연구소

Research Institute of Pharmaceutical Sciences and Technology(RIPST)

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물리 이형우 교수팀, 고효율 태양전지·광센서 활용 가능 新 벌크 광기전 설계법 개발

아주대학교 물리학과 이형우 교수팀이 벌크 광기전의 계면 전하 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 새로운 설계 방법을 개발했다. 이 기술은 앞으로 차세대 고효율 박막 태양전지와 광센서·광전자 등의 성능 개선에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이형우 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)는 플렉소전기(Flexoelectric) 효과를 이용해 계면 전하 손실(interfacial carrier loss)을 억제함으로써 BaTiO₃(BTO) 박막의 벌크 광기전(Bulk Photovoltaic, BPV) 효율을 개선했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘플렉소전기 효과를 이용한 BaTiO₃ 박막 벌크 광기전 소자의 계면전하 손실 억제(Flexoelectric Suppression of Interfacial Carrier Loss in BaTiO₃ Thin-Film Bulk Photovoltaic Systems)’라는 제목으로 <어드밴스드 사이언스(ADVANCED SCIENCE)> 7월호에 게재됐다. 이형우 교수가 교신저자로 참여했고, 우리 학교 대학원 에너지시스템학과의 장민우 학생(양자정보 에너지과학 전공)이 제1저자로 연구에 참여했다. 한국과학기술원(KAIST) 양용수 교수도 공동 연구자로 함께 했다. '벌크 광기전(BPV) 효과'는 물질이 빛을 받으면 별도의 소자 구조 제작 없이도 내부 포텐셜 차로 인해 스스로 전류가 생성되는 현상이다. 이에 기존 PN 접합 기반 광소자의 한계를 극복할 가능성이 있어, 고효율 태양전지나 광센서 개발을 목적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 기존의 벌크 광기전(BPV) 연구는 광흡수율을 높이거나 강유전체 소재의 자발 분극을 향상시켜 더 큰 광전류(Photocurrent)를 생성하는 데 집중해 왔다. 하지만, 실제 벌크 광기전(BPV) 소자에서는 빛에 의해 생성된 광여기 전하가 전극으로 이동하는 과정에서 계면 결함에 의해 재결합되어 상당 부분 손실되는 문제가 항상 존재했다. 이러한 계면 손실은 박막소자의 광전류를 제한하는 큰 원인 중 하나이지만, 이를 직접 억제할 수 있는 방법은 상대적으로 연구가 부족했다. (a) 일반 벌크 광기전(BPV) 물질에서는 광전류가 형성되어도 계면에서 상당량 전하가 트랩핑되어 실제 광전류의 크기가 매우 적어진다. (b) 반면 변형률 구배를 유도하여 광기전 물질 내부 포텐셜을 제어하면 계면 부근에서의 광전류 손실을 크게 줄일 수 있다. 이에 연구팀은 BTO/SrRuO₃/SrTiO₃(BTO/SRO/STO) 이종구조를 제작하고, 박막 표면에 미세한 기계적 하중을 가해 플렉소전기 효과를 체계적으로 유도했다. 이처럼 외부에서 가해진 힘에 의해 형성된 박막의 미세한 찌그러짐, 다시 말해 변형률 구배(strain gradient)는 추가적인 내부 전기장을 형성하고, 이 내부 전기장이 금속(BTO) 계면 부근에서 광여기 전자의 이동을 가속해 전하가 계면에 머무르는 시간을 감소시킨다. 그 결과 계면 결함에서 발생하는 재결합 확률이 크게 감소, 생성된 전하가 보다 효율적으로 전극으로 수집될 수 있다. 이번 연구에서 연구팀은 기계적 하중이 증가할수록 광전류가 증가하는 것을 확인했으며, 약 50nm 두께의 BTO 박막에서 기계적 하중만으로 최대 약 35배(3557%) 광전류를 향상시킬 수 있음을 입증했다. 더불어 연구팀은 이러한 변형률 구배에 따른 광전류 향상 메커니즘을 설명하기 위해 플렉소전기 분극과 전기적 스크리닝, 전하 이동을 모두 고려한 자가일관(Self-consistent) 전기장 모델을 구축했다. 계산 결과, 실험에서 관찰된 광전류 증가와 최적 박막 두께를 성공적으로 재현했으며, 변형률 전달 길이(strain penetration length), Debye 스크리닝 길이, 플렉소 전기 계수와 같은 구조적·전기적 물성이 계면 전하 추출 효율을 결정하는 핵심 인자임을 규명했다. 이를 통해 플렉소전기 효과가 단순히 광전류를 생성하는 역할을 넘어, 계면 전기장을 재구성해 전하 손실을 근본적으로 줄일 수 있음을 이론적으로 제시할 수 있었다. 이형우 교수는 “이번 연구는 계면 전하 손실을 능종적으로 제어하는 새로운 설계 전략을 제안했다는 점에서 의미가 있다”라며 “기계적 변형만으로 광전류를 크게 향상시킬 수 있음을 입증해 기존 강유전체 광전소자의 성능 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법을 제시한 것”이라고 설명했다. 이어 “이번에 제안한 플렉소전기 기반 계면 제어 기술은 차세대 고효율 박막 태양전지뿐만 아니라 광센서, 광전자 소자 및 다양한 산화물 기반 에너지 변환 소자의 성능 향상에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단의 G-LAMP 사업, 중견연구, 기초연구실지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.

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한·프 수교 140주년 기념, 제1회 프랑스어 수학페스티벌 개최

- 초중고 학생 대상, 과학영재교육원·불어권협력센터 공동 개최 아주대학교가 ‘제1회 프랑스어 수학페스티벌’을 개최했다. 한국과 프랑스의 수교 140주년을 기념해 프랑스어와 수학 그리고 두 나라의 문화를 융합한 새로운 교육 프로그램이다. 지난 달 25일 우리 학교 캠퍼스에서 열린 이번 행사는 아주대 산하 과학영재교육원(원장 고호경)과 불어권협력센터(센터장 손정훈)가 공동 개최했다. 초·중등부와 고등부 학생 약 150여명이 참가했다. 초·중등부 학생들은 우리 학교 졸업생인 노민주 시원스쿨 대표강사(불문 14)의 지도로, 프랑스어로 숫자와 주요 수학 용어 등을 익혔다. 이후 3~4명씩 팀을 이루어 퀴즈 대결에 참여했다. 프랑스 전역을 달리는 세계적 사이클 대회인 ‘투르 드 프랑스(Tour de France)'를 주제로 한 협동 방탈출형 수학 퀴즈가 출제됐다. 고등부 학생들은 프랑스어로 출제된 수학 경시대회에 참가해 수학적 사고력과 외국어 활용 능력을 함께 겨뤘다. 우수한 성적을 거둔 학생들에게는 아주대 총장상이 수여됐고 부상으로는 프랑스 브랜드의 상품이 주어졌다. 경연 이후에는 ▲주한 프랑스대사관 문화과 담당관인 클레망스 드떠르(Clémence Dethoor)의 축사와 ▲박형주 아주대 석좌교수(전 아주대 총장)의 특별강연 <세상을 바꾼 프랑스 수학자들>이 이어졌다. 박 교수는 세계 수학의 발전을 이끌어 온 프랑스 수학자들을 소개하며, 프랑스 수학 교육의 전통과 위상, 그리고 수학이 국경과 언어를 초월한 보편적 언어임을 학생들의 눈높이에 맞추어 이야기했다. 이번 행사에 함께 자리한 주한 프랑스대사관의 클레망스 드떠르 담당관은 "이번 행사는 한국 학생들이 프랑스의 수학과 문화를 함께 이해할 수 있는 뜻깊은 자리였다"라며 "앞으로도 이러한 기회를 통해 한국과 프랑스가 서로에 대한 이해를 넓혀갈 수 있기를 바란다"라고 말했다. 아주대는 1971년 한국과 프랑스가 교육사업을 통한 기술·문화 교류를 위해 체결한 ‘한·불 기술 초급대학 설립에 관한 협정’을 기반으로 1973년 설립됐다. 이에 개교 초기, 프랑스에서 파견된 원어민 교수와의 집중 프랑스어 수업이 이루어졌고 프랑스에서 제공한 실험 실습 장비로 공학 교육이 진행됐다. 전임 교원과 학생들의 프랑스 파견도 활발했다. 이러한 기반하에 학교는 지난 1983년 한불기술협력센터를 설립했고, 2009년 이를 불어권협력지원센터로 확대 개편해 현재의 불어권협력센터로 운영하고 있다. 불어권협력센터는 불어권 국가의 언어·문화에 대한 다양한 행사 기획·개최와 더불어 우리 대학 산하의 과학영재교육원과의 협력도 이어갈 예정이다. 이번 행사에 참가한 초등생과 중학생을 대상으로 기본 프랑스어를 지도하는 노민주 동문 팀을 이루어 수학 퀴즈를 풀고 있는 참가 학생들 * "아세아의 솔본느"를 꿈꾸며 2023 여름호 아주인사이트 개교 50주년 특집- 아주대학교 '그땐 그랬지'

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에너지 정책 분야 지산학 협력 협의체 개소

아주대학교 에너지 정책 분야 지산학 협력 협의체가 개소 행사를 개최했다. 이는 학교가 추진 중인 <경기도 지역성장 인재양성체계(ANCHOR) 사업>의 일환으로 지역-산업체-대학 간의 교류와 소통을 위해 운영되고 있다. 아주대 사회과학대학·사회과학연구소·미래안전정책연구소는 지난 6일 우리 학교에서 ‘아고라 폴라리스 랩(AGORA POLARIS LAB)’ 개소 행사를 열었다고 밝혔다. 우리 학교 김서용 사회과학대학학장을 비롯한 연구진과 호주 퀸즐랜드대학의 정재훈 교수, 탄소중립교육원의 박희원 대표가 함께 자리했다. 경기도 탄소중립지원센터·수원시 탄소중립지원센터·화성시연구원 탄소중립지원센터·용인시정연구원 탄소중립지원센터와 용인특례시의회·수지환경교육센터·이음환경교육연구소 등에서도 관계자들이 참석했다. 이 협의체는 앞으로 탄소중립과 기후 위기, 에너지 전환 등과 관련해 산업계와 지역 사회가 직면한 복합적 정책 문제를 함께 해결해 나가기 위한 협력 플랫폼의 역할을 수행하게 된다. 이날 행사에서는 ‘아고라 폴라리스 랩(AGORA POLARIS LAB)’의 설립 목적과 향후 운영 방향을 공유하고, 탄소중립과 지역 혁신을 위한 대학의 역할 및 지산학 협력 확대 방안을 논의했다. 특히 ▲지역의 복합적 정책 문제를 체계적으로 진단하는 방법 ▲지역 혁신 의제의 발굴과 우선순위 설정 ▲대학과 정책연구기관 간 공동 연구 및 정책 자문 ▲미래 산업과 사회문제에 대응하기 위한 정책 분석·평가 협력 방안 등이 주요 의제로 다뤄졌다. 앞으로도 한국과학기술기획평가원(KISTEP)을 비롯한 정책연구기관과의 학·연 협력 네트워크를 확대하고, ▲지역 혁신 정책 연구 ▲정책 데이터 분석 ▲공동 세미나 ▲연구 인력 교류 및 지산학 공동 과제 기획 등으로 협력 범위를 발전시켜 나갈 계획이다. 김서용 사회과학대학 학장은 “이번 ‘아고라 폴라리스 랩’ 개소는 대학의 연구 역량과 지역 현장의 경험을 연결해 탄소중립과 지역 혁신의 실질적인 해법을 모색하는 지산학 협력의 출발점”이라며 “앞으로 국내외 대학과 탄소중립지원센터, 정책연구기관, 지방정부, 지방의회 및 시민사회와의 협력을 바탕으로 지역 사회가 체감할 수 있는 성과를 만들어 내겠다”라고 밝혔다. 아주대는 <경기도 지역성장 인재양성체계(ANCHOR) 사업>에 참여하면서 대학의 인프라를 활용한 지자체-기업-대학 협업에 적극 나서고 있다. 이 사업은 5년 동안 매년 40억원씩 총 200억원의 사업비가 지원되는 대규모 정부지원 사업이다. ANCHOR 사업의 일환으로 아주대는 지산학 협력 혁신센터 ‘아고라(AGORA) 센터’를 운영 중이다. 아고라(AGORA, Ajou Gyeonggi Open Research Alliance) 센터는 지산학 협력을 위한 소통 조직으로, 관련 산업체와 지자체 등의 관계자가 함께 참여한다. 아주대 아고라 센터 내에는 ▲바이오헬스 ▲신재생에너지 ▲첨단모빌리티 ▲AI빅데이터 ▲바이오헬스케어의 주요 분야 별로 아고라 랩(Lab) 9개가 활동하고 있다.