장지현 교수

탄소 중립 실현을 위한 그린 수소 생산 기술이 요구되는 가운데, 광양극 소재로 널리 사용되는 헤마타이트(α-Fe2O3)는 낮은 전도성과 표면 전하 재결합 문제로 인해 광전기화학 물분해 효율이 제한되는 한계를 가지고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 게르마늄(Ge) 및 인(P) 도핑 기술을 적용하여 헤마타이트 광양극의 전하 전달 특성을 개선하고, 실록산 변성 유기 반도체(PSi) 중간층을 도입하여 정공 추출 속도를 높이는 방법론을 구축했습니다. 여기에 산소 결핍 페로브스카이트 조촉매를 결합하여 표면 반응 속도를 가속화하는 전략을 함께 적용했습니다. 이 기술은 태양광 기반 그린 수소 생산 시스템과 인공 나뭇잎 기술의 상업화에 적용될 수 있는 핵심 원천기술로 활용되고 있습니다. NiFe(OH)x/PSi/Ge-PH 시스템을 구축한 결과 광전류 밀도가 기존 대비 1.8배 향상된 4.57 mA cm⁻²를 기록했으며, 65시간 이상의 장기 안정성을 확보하여 실용화 가능성을 입증했습니다.

초미세 반도체 회로 제조를 위한 극자외선(EUV) 리소그래피 공정에서는 고감도와 고해상도, 높은 식각 선택성을 동시에 갖춘 포토레지스트 소재가 요구됩니다. 기존 유기 기반 포토레지스트는 초미세 패턴 형성 시 식각 선택성과 감도 확보에 한계를 보여, 이를 극복하기 위한 신규 소재 개발이 필요한 상황입니다. 이를 해결하기 위해 실리콘 고분자에 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 아연(Zn) 등 금속 산화물을 함유시킨 금속-무기물 하이브리드 EUV/BEUV 포토레지스트 잉크를 개발하여 미세 패턴 구현이 가능하도록 소재 설계를 진행했습니다. 금속 산화물 도입을 통해 노광 흡수율과 식각 내성을 동시에 향상시키는 방식으로 소재 조성을 최적화했습니다. 이 기술은 차세대 반도체 미세 패터닝 공정과 11nm 이하 초미세 회로 제조 분야에 적용됩니다. 관련 연구 사례를 통해 10nm급 패터닝 해상도를 구현했으며, 공정 안정성을 개선하기 위한 구체적인 전략을 제시하여 반도체 공정 적용 가능성을 입증했습니다.

슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 높이면서도 고출력 특성을 유지하기 위해서는 넓은 비표면적을 가진 3차원 그래핀 구조체 기반 전극 소재가 필요합니다. 이를 위해 저온(300°C) 촉매 환원법을 활용하여 탄소 배출 없이 고품질 그래핀을 대량 생산하는 공정 기술을 구축했으며, 바이메탈 니켈-망간(Ni-Mn) 복합체를 활용한 전극 제조 기술을 함께 개발했습니다. 저온 환원 공정을 통해 그래핀 결함을 최소화하고 전기 전도도를 크게 향상시키는 방식으로 소재 품질을 개선했습니다. 이 기술은 플렉서블 슈퍼커패시터 및 에너지 저장 장치용 전극 소재 분야에 적용되고 있습니다. 실험 결과 고품질 그래핀의 전기 전도도가 기존 대비 246배 향상되었으며, 하이브리드 슈퍼커패시터는 10,000회 충방전 주기 동안 97.8%의 용량 유지율을 달성하여 우수한 내구성을 입증했습니다.