수소 경제의 필수적 공정인 물 분해, 속 빈 나노코일로 쉽게 가능 (Prof. Kim’s group has developed a hollow nanocoil composite that can facilitate water decomposition, an essential process for the hydrogen economy)

 

▲ 고려대 김영근 교수

고려대학교(총장 정진택) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 서울대 공과대학 재료공학부 남기태 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 물 분해 촉매 효율을 높일 수 있는 중공 나노코일 복합체를 개발했다.

연구결과는 나노기술 분야 국제학술지스몰(Small)’ 표지 논문으로 선정됐으며, 9 24일자로 온라인 게재됐다.

물 전기분해 반응은 전기를 이용해 청정에너지인 수소와 산소를 생성하는 친환경 에너지 전환 반응으로, 다가오고 있는 수소 경제에서 필수적인 공정으로 평가받고 있다. 자연계의 대표적인 물 분해 반응인 광합성에서는 망간과 칼슘을 기반으로 한 클러스터를 이용해 물 산화 반응을 진행하며, 이러한 망간-칼슘 클러스터에서 영감을 받아 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 망간 기반 전기촉매가 개발됐다. 그러나, 여전히 높은 과전압으로 인해 성능 향상의 새로운 돌파구를 찾기 위한 연구가 꾸준히 진행돼왔다.

연구팀은 물 분자가 접촉하는 전기화학 촉매의 활성 자리(active site)를 극대화할 수 있도록 3차원 구조에서 가장 넓은 표면적을 가질 수 있는 나선 모양의 나노코일 형태에 집중했다. 연구진은 전기도금법으로 나노코일 형태를 합성한 후, 전기화학적 경로차와 물질 확산 속도 차이를 이용하여 단일 및 다성분 3d 전이금속 기반 무기질 중공 나노코일들을 합성했다. 그 중 망간 기반 중공 나노코일에 산화 망간 나노입자를 부착시켜 기존에 보고된 망간 기반 촉매에 비해 표면적 및 활성 자리 수를 크게 증가시킨 나노복합체를 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 "나선형 코일 구조에 나노입자들이 달라붙어 있는 새로운 나노구조는 간단한 방법만으로 전기촉매 성능을 효율적으로 증가시켜 기존과 다른 새로운 촉매 설계 방법론을 제시했다. 이외에도 중공 나노코일 구조체의 넓은 표면적과 활성자리 제어가 필요한 에너지·환경 및 바이오 분야로의 응용이 가능하다"고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

▲ 중공 나노코일의 합성과정물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용한 중공 나노코일 합성 모식도 (a) 깨끗한 표면을 가진 단일 성분 CrPO4 중공 나노코일 (b) 거친 표면을 가진 다성분 MnOxP0.21 중공 나노코일
▲ 망간 기반 중공 나노코일 복합체의 물 전기분해 촉매 특성(a) 망간 기반 중공 나노코일 복합체 형성 모식도 (b) 중성 pH 전해질에서의 물 전기분해 촉매 효율을 보여주는 순환 전류 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 촉매 효율이 증가했음을 보여준다. (c) 전기화학적 활성 표면적 (Electrochemical active surface area; ECSA) 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 기울기가 상승하여 활성 표면적이 증가했음을 보여준다. (자료=고려대)

 

출처: 에너지경제신문, 2021.09.29, https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20210929010004609

Inorganic Hollow Nanocoils Fabricated by Controlled Interfacial Reaction and Their Electrocatalytic Properties
Small 17, 2103575 (2021)
[DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202103575]

The fabrication of 3D hollow nanostructures not only allows the tactical provision of specific physicochemical properties but also broadens the application scope of such materials in various fields. The synthesis of 3D hollow nanocoils (HNCs), however, is limited by the lack of an appropriate template or synthesis method, thereby restricting the wide-scale application of HNCs. Herein, a strategy for preparing HNCs by harnessing a single sacrificial template to modulate the interfacial reaction at a solid–liquid interface that allows the shape-regulated transition is studied. Furthermore, the triggering of the Kirkendall effect in 3D HNCs is demonstrated. Depending on the final state of the transition metal ions reduced during the electrochemical preparation of HNCs, the surface states of the binding anions and the composition of the HNCs can be tuned. In a single-component CrPO4 HNC with a clean surface, the Kirkendall effect of the coil shape is analyzed at various points throughout the reaction. The rough-surface multicomponent MnOxP0.21 HNCs are complexed with ligand-modified BF4-Mn3O4 nanoparticles. The fabricated nanocomposite exhibits an overpotential decrease of 25 mV at neutral pH compared to pure BF4-Mn3O4 nanoparticles because of the increased active surface area.

2021년도 스핀트로닉스 회의 (2021 Spintronics Conference with Dr. Samardak)

2021년 11월 2일 고려대학교에서 Far Eastern Federal University의 Samardak 박사와의 스핀트로닉스 세미나를 진행했다.

Our laboratory memebers held a meeting with Dr. Samardak of Far Eastern Federal University (FEFU).

 

고려대 김영근 교수팀, 고려대-삼성전자 우수논문상 수상 (Prof. Kim's group received the best paper award)

고려대학교 김영근 교수팀의 대학원생 김태현이 고려대-삼성전자 우수논문상을 수상하였다.

Graduate student Mr. T. H. Kim received the Korea University-Samsung electronics best paper award.

Journal Paper
김태현(Mr. T. H. Kim): Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-type interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in heavy metal/ferromagnet heterostructures

고려대 김영근 교수팀, 2021년 한국자기학회 하계학술대회 우수 포스터 발표상 수상 (Prof. Kim's group received the best poster award)

대학원생 김태현, 윤석인, 이정규, 고한석이 2021년 7월 21~23일 온라인으로 진행된 한국자기학회 하계학술대회에 참석하였다. 이번 학술대회에서 대학원생 김태현은 우수 포스터 발표상을 수상하였다.

Graduate students Mr. T. H. Kim, Mr. S. I. Yoon, Mr. J. K. Lee, Mr. H. S. Ko attended the 2021 Korean Magnetics Society Summer Conference held online from July 21 to 23, 2021. Mr. T. H. Kim received the 'Best Poster Award'.

  • 김태현(Mr. T. H. Kim): Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-type interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in heavy metal/ferromagnet heterostructures
  • 윤석인(Mr. S. I. Yoon): A Spin-Orbit Torque efficiency in W/CoFeB heterostructures with W-Nb alloys insertion layers
  • 이정규(Mr. J. K. Lee): Analysis of magnetic and crystallographic properties of Mn-Ga thin films
  • 고한석(Mr. H. S. Ko): Effect of Underlayer, CoFeB Composition and Annealing Temperature on Perpendicular 
    Magnetic Anisotropy of CoFeB

김영근 교수, 2021년도 고려대 석탑연구상 수상 (Prof. Kim received the Korea University Granite Tower Research Award)

석탑연구상은 전년도 연구업적 중 상위 3%를 차지한 교원에게 수여하는 상으로, 매년 고려대 개교기념일(5 5) 행사에서 관련 시상식을 진행한다.

특히 김 교수는 2005 석탑강의상, 2016석탑기술상에 이어 이번 석탑연구상 수상으로 고려대 3대 상을 모두 수상한 쾌거를 이루었다.

https://eng.korea.ac.kr/eng/community/review.do?mode=view&articleNo=266373&article.offset=0&articleLimit=10&totalNoticeYn=N&totalBoardNo=

Korea University The Granite Tower Research Award is given to professors who took the top 3% research achievements in the previous year. In addition, a related awards ceremony is held every year on May 5, Korea University Anniversary Day.

In particular, Professor Kim achieved the career grand slam by winning all three awards, the Granite Tower Lecture Award in 2005, the Granite Tower Technology Award in 2016, and receiving the Granite Tower Research Award in 2021.

고려대, 차세대 메모리(MRAM)의 숨겨진 물리 현상 규명 (Prof. Kim’s group reported a spin-orbit coupling phenomenon that can affect the function of MRAM)

▲ 고려대 김영근 교수(왼쪽)와 김태현 박사과정 (사진=고려대)

고려대학교(총장 정진택) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 차세대 자기메모리(MRAM) 개발과 구동 원리를 이해하는데 필수적인 비대칭 교환결합력을 측정하고 그 원인을 밝혀냈다. 비대칭 교환결합력이란 비자성 박막과 자성 박막의 접합구조에서 나타나는 스핀 현상이다.

자기메모리(MRAM)는 다층의 자성 박막을 이용하여 정보를 저장하고 처리하는 메모리 소자로서 전원을 꺼도 정보를 기억하는 비휘발성 특성이 있으며, 최근 스핀전달토크(spin transfer torque, STT) 기록 방식의 MRAM이 상용화되었다. 차세대 MRAM 경우, 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)를 이용하는 방식이 동작 속도와 에너지 효율 측면에서 유리할 것으로 기대되어 세계 곳곳에서 경쟁적으로 개발하고 있다.

스핀전달토크의 구동속도와 스위칭 전류밀도는 비대칭 교환결합력의 크기와 방향에 따라 크게 영향을 받는 것으로 알려져, 비대칭 교환결합력이 발생하는 원리를 이해하는 것이 중요하다. 그러나 스핀궤도토크의 경우, 비대칭 교환결합력의 크기와 방향이 스위칭에 미치는 영향이 거의 알려진 바 없어 추가적인 연구가 필요하다.

스핀-궤도 상호작용이 강한 금속층과 자성층 사이에 수 나노미터 두께의 초박막 산화물 계면층을 넣어주면 두께에 따라 비대칭 교환결합력의 세기가 진동하는 현상을 발견했다. 이는 초박막 산화물의 반도체적 특성 변화에 의한 것임을 확인하였으며, 산화물 계면층의 밴드갭 에너지에 따른 비대칭 교환결합력의 변화를 이론적으로 규명했다. 이에 따라 계면 산화층의 두께에 따른 비대칭 교환결합력의 세기를 측정하고 이론적으로 규명하여 스핀-궤도결합 원리 규명에 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 원천기술개발사업(미래소재디스커버리사업) 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다.

▲ 산화마그네슘 두께에 따른 자기이방성과 비대칭 교환결합력의 변화두께를 달리한 산화마그네슘 층을 비자성층/강자성층 사이에 넣은 경우, (a) 수직 방향, (b) 수평 방향으로의 자기이방성과 (c) 산화마그네슘 두께에 따른 비대칭 교환결합력.
▲ 산화 마그네슘 두께에 따른 스핀 특성 모식도(a)중금속(HM)과 강자성(FM) 사이 산화마그네슘의 두께에 따른 스핀의 정렬 방향을 나타내는 모식도, (b)이론적으로 계산한 MgO 두께에 따른 비대칭 교환결합력으로 실험 결과와 합치하는 결과, (c)계산할 때 사용하는 상수에 따라 위상이 변화될 수 있음을 나타내는 이론 계산 결과, (d)산화마그네슘보다 더 작은 밴드갭을 갖는 금속 층을 활용했을 때 비대칭 교환결합력 이론 계산 결과 (이미지=고려대)

출처: 에너지경제신문, 2021.06.02, https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20210602010000438

Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida-type interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction in heavy metal/ferromagnet heterostructures
Nature Communications 12, 3280 (2021)
[DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-23586-y]

The manipulation of magnetization with interfacial modification using various spin-orbit coupling phenomena has been recently revisited due to its scientific and technological potential for next-generation memory devices. Herein, we experimentally and theoretically demonstrate the interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction characteristics penetrating through a MgO dielectric layer inserted between the Pt and CoFeSiB. The inserted MgO layer seems to function as a chiral exchange interaction mediator of the interfacial Dzyaloshinskii–Moriya interaction from the heavy metal atoms to ferromagnet ones. The potential physical mechanism of the anti-symmetric exchange is based on the tunneling-like behavior of conduction electrons through the semi-conductor-like ultrathin MgO. Such behavior can be correlated with the oscillations of the indirect exchange coupling of the Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida type. From the theoretical demonstration, we could provide approximate estimation and show qualitative trends peculiar to the system under investigation.

 

 

2021년도 춘계 대한금속재료학회 (2021 Spring Conference of the Korean Institute of Metals and Materials)

대학원생 고민준, 구명석, 박현수, 김승현이 2021428~30일 강원도 웰리힐리파크에서 개최된 대한금속재료학회 춘계학술대회에 참석하였다. 김영근 교수는 이번 학술대회 공동조직위원장이었다. 이번 학술대회에서 김승현, 고민준, 박현수는 각각 재료조직사진상 우수상, 학생 구두발표 우수상, 학생 포스터발표 우수상을 수상하였다.

Graduate students, Mr. M. J. Ko, Mr. T. M. Koo, Mr. H. S. Park, and Mr. S. H. Kim attended the conference held in Welli Hilli Park, Gangwon-do, Korea on April 28~ 30, 2021. Prof. Kim was the Conference Co-Chair. S. H. Kim, M. J. Ko, H. S. Park received the Best Material Structure Image Award, the Best Oral Presentation Award, and the Best Poster Presentation Award, respectively.