고효율 페로브스카이트 태양전지 위한 광전 디바이스 개발

반도체 공정 폐수에는 질소, 인, 불소 등 유해 물질이 고농도로 포함되어 기존 처리 방식들은 경제성이나 효율성 측면에서 한계가 있었습니다. 본 기술은 바덴포 공정과 그래핀 산화물 기반 세라믹 나노 멤브레인 여과를 통합하여 이러한 문제를 해결합니다. 그래핀 산화물 코팅 나노 멤브레인은 미세 기공과 강한 음전하로 암모늄, 불소 이온 등 1가 이온성 물질을 효과적으로 제거합니다. 이를 통해 별도의 약품이나 탄소원 주입 없이 경제적이면서도 효율적인 질소 및 불소 제거가 가능하며, 폐수 처리 시스템의 성능과 비용 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

기존 암리논 합성법은 복잡한 다단계 공정, 고온 반응 조건, 위험한 수소 가스 사용 등으로 인해 심각한 합병증을 유발할 수 있는 한계가 있었습니다. 본 기술은 위치선택적 스즈키 커플링 반응을 활용하여 암리논 유도체를 안전하고 효율적으로 제조하는 방법을 제안합니다. 화학식 1 화합물과 피리디닐 보론산의 스즈키 커플링 반응 후, 중간 생성물을 화학식 2 화합물과 반응시키는 방식으로, 종래 대비 축소된 합성 단계와 온화한 산처리 조건으로 탈보호기 반응을 수행합니다. 이를 통해 위험한 수소 가스 없이 고수율(60% 이상)로 암리논 유도체를 얻을 수 있으며, 급성 심부전 치료제 개발 및 생산의 안전성과 효율성을 크게 향상할 수 있습니다.

유방암은 조기 진단이 환자 생존율에 결정적인 영향을 미치지만, 기존 진단법은 초기 병변 검출에 한계가 있었습니다. 본 기술은 혈액 내 알파-1 산성 당단백질(AGP)의 N-당화 변화가 초기 유방암의 핵심 바이오마커임을 규명하였습니다. 렉틴을 활용하여 AGP의 푸코실화, 만노실화, 시알릴화 등 N-당화 수준을 정밀하게 검출하며, 특히 유방암 1기 환자의 혈청에서 이 당화 수준이 현저히 감소함을 확인했습니다. 이를 통해 양성 유방종이나 다른 병기의 유방암과 명확히 구별하여 초기 유방암을 높은 민감도와 특이도로 진단할 수 있습니다. 이 기술은 유방암 조기 진단의 정확도를 획기적으로 높여, 환자의 치료 성공률 향상과 사망률 감소에 크게 기여할 것입니다. 진단 키트 및 정보 제공 방법으로 개발되어 상용화가 기대됩니다.

주사 투여로 인한 환자 고통과 인슐린의 낮은 점막 투과 문제는 당뇨 치료의 큰 과제였습니다. 본 기술은 변이체 TCTP-PTD를 인슐린과 혼합하여 비침습적 점막 전달을 가능하게 합니다. 특정 TCTP-PTD 펩타이드 서열(서열번호 3, 8, 13)이 인슐린의 점막 투과율을 크게 높이며, 이는 비강 투여 시에도 피하주사와 유사한 혈당 강하 효과를 보였습니다. 점막 손상 없이 안전하게 인슐린 생체이용률을 향상시켜 환자의 치료 편의성과 삶의 질을 높일 수 있습니다.

기존 하나의 웨어러블 기기가 가진 운동 자세 교정의 한계를 극복하기 위해, 복수의 웨어러블 기기를 신체 여러 부위에 부착하여 움직임 정보를 통합적으로 수집하는 기술입니다. BLE 통신을 통해 실시간으로 가속도와 각도 데이터를 수신하고, 이를 사전에 저장된 올바른 자세 정보와 비교 분석하여 사용자의 운동 자세를 정밀하게 판단합니다. 이 시스템은 줄넘기, 스쿼트, 런지 등 다양한 운동에 대한 정확한 자세 교정 피드백을 제공하여, 운동 효과를 극대화하고 부상 위험을 줄이는 데 기여합니다. 또한 다중 사용자의 동시 모니터링도 가능하여 스마트 피트니스 경험을 향상시킵니다.

기존 리튬 이차전지의 흑연 음극재는 용량 한계와 실리콘 음극재의 큰 충방전 부피 변화 문제를 가지고 있습니다. 본 기술은 실리카 함유 콜로이드에 산화그래핀을 첨가하여 분말화한 뒤, 마그네시오써믹 반응으로 실리카를 실리콘으로, 산화그래핀을 그래핀으로 동시에 환원시켜 실리콘-그래핀 복합 나노물질을 제조합니다. 이 방법은 자연에 풍부한 실리카를 원료로 사용하여 경제적이며, 제조된 나노물질은 부피 변화를 최소화하고 높은 전기 전도도, 용량, 안정성을 갖는 전극을 형성할 수 있습니다. 리튬 이온 전지 및 다양한 차세대 전지의 고성능 음극재로 활용되어 배터리 성능 향상에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

기존 할라이드 페로브스카이트 박막의 불안정성과 유리 기판을 이용한 단결정 제작의 긴 공정 시간 및 유연 소자 적용 한계가 문제점으로 지적되어 왔습니다. 본 기술은 유연기판 위에 페로브스카이트 전구체 용액을 도포하고 폴리머 커버로 덮은 뒤, 진공 오븐에서 열처리하여 단결정을 성장시키는 방법을 제안합니다. 이 공정을 통해 단결정 성장 시간을 1~10시간으로 단축하고, 폴리머 커버를 사용하여 유연기판과의 접착력을 향상시킵니다. 제작된 0.5~20μm 두께의 페로브스카이트 단결정은 구부러지거나 균열이 발생해도 높은 광반응성과 소자 안정성을 유지하며, 유연 전자 소자 및 고집적 소자 응용에 크게 기여할 수 있습니다.

기존 태양전지는 높은 제조 비용과 낮은 효율 문제가 있으며, 특히 페로브스카이트 태양전지의 전자 수송층은 낮은 결정성으로 전자-정공 재결합이 빈번하여 고효율 달성에 어려움이 있었습니다. 본 기술은 단결정 기판 위에 에피택시 성장된 음극층과 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스를 제안합니다. 펄스 레이저 증착법을 활용하여 음극층과 전자 수송층의 불순물 함량을 정밀하게 조절함으로써, 단결정 기판과의 격자 정합을 이루고 전자-정공 재결합 현상을 최소화합니다. 이를 통해 태양전지 등 광전 디바이스의 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 특히 페로브스카이트 태양전지의 성능을 극대화할 수 있습니다. 본 기술은 고효율, 저비용 차세대 태양전지 개발에 기여할 것입니다.

기존 태양전지는 희소 원소 사용으로 인한 높은 비용과 효율 한계에 직면해 있습니다. 본 기술은 이를 극복하고자 희소 원소를 대체하는 CZTSe 기반 복합 박막을 개발했습니다. Ge 및/또는 Si을 활용한 전면 밴드갭 그레이딩과 S를 활용한 후면 밴드갭 그레이딩을 적용하여 태양전지 광흡수층의 밴드갭을 최적화합니다. Cu2ZnSnSe4 박막 위에 Ge 및/또는 Si 함유층을 증착 후 열처리하여 Cu2Zn(Sn1-x,Mx)Se4 박막을 형성하며, 필요시 하부에 S 함유 박막을 추가하여 이중/삼중 밴드갭 기울기를 구현합니다. 이 복합 박막은 태양전지의 개방전압을 높이고 전자-정공 재결합을 줄이며, 전자 이동도를 향상시켜 기존 대비 33% 이상의 효율 향상을 이끌어냅니다. 최종적으로 15% 이상의 고효율 태양전지 상용화에 기여합니다.

기존 태양전지의 파장별 광 흡수 한계를 극복하기 위해, CIGS 나노 입자를 포함하는 탠덤형 화합물 반도체 태양전지 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 복수의 태양전지층 내 광 흡수층에 서로 다른 Ga 함량과 크기를 가진 CIGS 나노 입자를 적용하여 다양한 밴드갭을 구현합니다. 펄스 레이저 어블레이션, 화학적 기상 증착 등 다양한 방식으로 형성되는 CIGS 나노 입자는 조성 및 형성 온도 조절을 통해 반투명 특성과 전기적 특성을 최적화합니다. 이를 통해 여러 파장의 태양광을 효율적으로 흡수하여 기존보다 훨씬 높은 광전 변환 효율과 안정성을 제공합니다.

기존 전자 디바이스의 소형화 및 효율 한계를 극복하기 위해 강유전체와 2차원 반도체 물질을 결합한 저항 스위칭 소자가 개발되었습니다. 이 기술은 강유전체 층의 분극 현상과 2차원 반도체 층의 전자-정공 분리 현상을 결합하여, 분극-의존 계면 커플링 효과를 통해 저항 스위칭 현상을 유도합니다. 특히 PbTiO3 박막과 MoS2 또는 WSe2 같은 2D 반도체 시트를 통합함으로써 전기적 성능과 광전 효율을 크게 향상시킵니다. 이는 외부 전압 인가 부담을 줄이고 효율 안정성을 높여, 광-감응 멤리스터, 광전자공학 저항 스위칭 메모리, 비-PN 접합 태양 전지 등 차세대 소형 광전 디바이스 및 고성능 메모리 개발에 새로운 가능성을 제시합니다.

기존 페로브스카이트 물질은 용액에 취약하여 정밀한 대면적 미세 패턴 형성에 어려움이 있었습니다. 본 기술은 소수성 층 위에 포토 리소그래피로 패턴화된 친수성 층을 형성하고, 그 위에 페로브스카이트 물질을 선택적으로 증착하여 이 문제를 해결합니다. 특수하게 제어된 무기 산화물 층과 rf-스퍼터링, 메탈 마스크를 활용하여 10 µm 내지 200 µm의 미세 선폭을 갖는 대면적 패턴을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 태양전지, 광 검출기, LED 등 다양한 페로브스카이트 광전 디바이스의 안정성과 성능을 획기적으로 개선하며 상업화 가능성을 높입니다.