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에너지·AI·미래산업에 집중하다

UNIST는 에너지 전환, AI, 미래산업이라는
대한민국의 핵심 과제에 연구 역량을 집중합니다.

  • 에너지 전환
  • 이차전지 · 수소 · 탄소중립
  • Ai 기반 산업 혁신
  • 반도체 · 소재 · 양자
EDUCATION INNOVATION

교육혁신프로그램

EDUCATION
INNOVATION

이론을 배우는 것을 넘어 직접
연구하며 성장하다

UNIST의 학부생부터 대학원생까지 연구의
보조가 아닌 주체로 성장하는 경험을 제공합니다.

  • 학부생 연구참여
  • 국제학회·논문참여
  • 소수정예 밀착 연구지도
industry collaboration

산학협력

industry
collaboration

연구에서 산업까지, 현장과 가장
가까운 UNIST

대한민국 최대 산업도시 울산에 위치한
UNIST는 연구 성과가 기업과 산업 현장으로
가장 빠르게 연결되는 구조를 갖추고 있습니다.

  • 기술사업화·창업지원
  • 울산 산업단지
  • 대기업 · 공기업과의 공동연구
Research support

연구지원

Research
support

젊은 UNIST, 연구에 최적화된
유연한 캠퍼스

UNIST는 가장 늦게 출범한 과기원으로,
관행에 얽매이지 않는 유연한 연구·교육 시스템을
갖추고 있습니다.

  • 빠른 신흥 분야 대흥
  • 단일 캠퍼스 기반
  • 생활.연구 일체형 구조
  • 개방형 연구 공간

Research Impact

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변하지 않는다던 촉매, 반응 중 모양 바뀐다.. "촉매 입자 올려진 결정면이 모양 좌우"

브리태니커 백과사전은 촉매를 ‘반응 속도를 높이지만 그 과정에서 소모되지 않는 물질’로 정의한다. 하지만 소모되지 않는 촉매 입자라도 반응 중에 그 모양은 바뀔 수 있는데, 이 모양 변화와 촉매 성능이 귀금속 촉매 입자가 올려진 지지체의 단면에 따라 바뀐다는 사실을 국내 연구진이 밝혀냈다. 귀금속 촉매 입자를 적게 쓰면서도 고성능을 내는 촉매 설계에 도움이 될 것으로 기대된다. UNIST 에너지화학공학과 안광진 교수팀과 서울대학교 재료공학부 한정우 교수팀은 백금을 올려놓는 지지체의 결정면(facet)이 반응 전후 백금 입자의 형태를 좌우해 촉매 성능을 높인다는 사실을 규명했다고 7일 밝혔다. 백금(Pt) 촉매는 배기가스 정화부터 수소 연료전지까지 다양한 화학반응에 쓰이는 물질이다. 나노미터 크기로 잘게 만든 백금 입자를 이산화티타늄 같은 지지체 위에 올린 형태로 쓴다. 이번 연구에 따르면, 일산화탄소를 이산화탄소로 바꾸는 데 필요한 활성화에너지는 백금을 이산화티타늄의 (101) 결정면에 올렸을 때보다 (001) 결정면에 올렸을 때 더 낮았다.결정면은 결정성 물질에서 특정 방향으로 드러난 표면을 말한다. 사과를 자르는 방향에 따라 단면에 보이는 씨와 과육의 모양이 다르듯, 결정성 물질도 표면이 드러난 방향에 따라 원자 배열이 달라진다. 연구팀은 이처럼 결정면마다 다른 원자 배열이 백금 입자의 초기 모양뿐만 아니라, 반응 중 구조가 바뀌는 방향까지 좌우해 활성화에너지 차이를 만드는 것으로 분석했다. 활성화에너지가 낮을수록 반응이 더 쉽게 일어난다. 실제 분석 결과, 이산화티타늄의 (001) 결정면에서는 백금이 물방울처럼 넓게 퍼진 반구 형태로 붙었다. 일산화탄소와 반응이 시작되면서 백금 입자의 표면이 거칠어지고 모양이 일부 변한 뒤에도 이산화티타늄과 넓게 맞닿은 구조는 유지됐다. 이 덕분에 첫 반응을 거친 뒤에는 일산화탄소를 이산화탄소로 바꾸는 데 필요한 활성화에너지가 처음보다 22.7~25.6% 더 낮아졌다. 반면 (101) 결정면에서는 백금이 공처럼 뭉친 입체 형태로 붙어 지지체와 맞닿는 부분이 좁았고, 반응 시작된 뒤에는 원자 배열이 더 정돈된 각진 입체 형태로 재배열됐다. 반복해서 반응시켜도 활성화에너지는 거의 달라지지 않았다. 연구팀은 전자현미경과 X선 흡수분광법으로 반응 전후 백금 입자의 모양과 주변 원자와의 결합 상태를 비교하고, 반응물이 생성물로 바뀌는 과정과 지지체 표면의 산소가 반응에 쓰였다가 다시 채워지는 과정을 상압 X선 광전자분광법과 같은 실시간 분광 분석으로 추적해 이를 밝혀냈다. 시뮬레이션 계산에서도 (001) 결정면 위의 백금이 지지체와 넓게 맞닿는 구조로 안정되면서 반응에 필요한 에너지 장벽이 낮아지는 것으로 나타났다. 안광진 교수는 “촉매는 반응 중 자신은 변하지 않으면서, 반응은 활성화 시켜주는 물질로 알려져 있지만, 정확히는 소모되지 않을 뿐 작동 중에는 형태와 구조가 달라질 수 있다”며 “ 정교하게 설계한 모델 나노 촉매와 첨단 분석법을 통해 이러한 변화를 추적함으로써, 반응 중 촉매가 어떻게 달라질지까지 고려해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다”고 설명했다. 안 교수는 “백금은 에너지·화학산업에 필수적이지만 값비싼 귀금속 촉매”라며 “이번 연구에서 얻은 설계 원리는 적은 양의 백금으로도 반응성과 내구성을 높여 경제성을 확보하는 촉매 제조 기술에 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 한국화학연구원 윤신명 박사가 공동 교신저자로, UNIST 김지훈 박사, 서울대학교 김윤경 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 과학기술정보통신부‧한국연구재단 (무탄소에너지를 활용한 e-SAF 생산 핵심기술 및 AI 기반 공정 시스템 개발)의 연구비 지원을 받아 이뤄졌으며, 세계적인 국제학술지 네이처커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 8일 자로 온라인 게재되었다.

2026.09.23

  • 결정면
  • 단면
  • 백금촉매
  • 비균질성촉매
  • 에너지화학공학과
  • 활성화에너지

이기종 로봇의 서로 다른 ‘눈’ 을 하나로..거리 추정 연합학습 기술 개발

다른 로봇이 경험한 지형이나 조명 조건에서 얻은 학습 결과를 활용해 로봇이 낯선 환경에서도 거리를 더 정확하게 가늠할 수 있게 하는 기술이 새롭게 개발됐다. UNIST 인공지능대학원 주경돈 교수팀은 로봇의 눈 역할을 하는 단안 깊이 추정 AI 모델을 학습시키는 새로운 연합학습 기술인 ‘페뎁스(FeDepth)’를 개발했다고 3일 밝혔다. 로봇에 깊이 추정 AI 모델을 적용하면 복잡한 센서 없이 카메라로 들어온 정보만으로도 거리를 가늠할 수 있게 된다. 이 같은 AI 모델이 낯선 환경에서도 정확한 판단을 내리기 위해서는 방대한 데이터를 학습시키는 게 중요한데, 연합학습이라는 학습 기법을 이용하면 각 로봇의 카메라가 수집한 데이터를 한 군데로 모으지 않고도 다른 로봇이 직접 현장을 누비며 쌓은 경험을 그대로 전수받은 것 같은 효과를 낼 수 있다. 데이터를 보내는 데 드는 시간과 통신 비용을 대폭 줄이면서도 원본 영상이 외부로 나가지 않아 개인정보까지 보호하게 된다. 페뎁스는 이 연합학습에서 발생하는 데이터 이질성을 줄여낸 기술이다. 숲을 가로질러 비행하는 드론과 실내를 바퀴로 굴러가는 서빙 로봇은 카메라의 시야각과 주변 환경 데이터의 성격이 완전히 다른데, 일반적인 연합학습은 이런 차이를 고려하지 않고 모든 로봇의 학습 결과를 하나로 평균 내 성능이 떨어졌다. 반면 페뎁스는 촬영 영상의 특성이 비슷한 로봇끼리 그룹으로 묶어 학습 결과를 따로 합치돼, 각 로봇을 하나의 그룹에만 고정하지 않는 ‘소프트 클러스터링(soft clustering)’을 적용했다. 예를 들어 숲을 촬영한 드론은 같은 숲을 누빈 사족 보행로봇과 한 그룹에, 도심을 촬영한 드론과는 또 다른 그룹에 동시에 들어갈 수 있는 것이다. 이렇게 여러 그룹에 겹쳐 넣으면 지나치게 다른 데이터가 한꺼번에 섞이는 것을 막으면서도 여러 로봇이 공유하는 특성은 빠짐없이 학습에 활용할 수 있다. 실험 결과, 페뎁스로 세 종류의 깊이 추정 AI 모델을 학습시켰을 때 일반적인 연합학습을 거친 경우보다 거리 추정의 상대 오차를 약 17~32% 줄였다. 페뎁스의 여러 그룹에 겹쳐 넣는 방식만 따로 검증한 실험에서도 각 로봇을 하나의 그룹에만 넣는 기존 군집 연합학습 방식보다 상대 오차가 0.264에서 0.249로 약 6% 감소했다. 이번 연구는 인공지능대학원 이강현 연구원과 이인하 연구원이 제1저자로 참여했으며, 윤성환 교수팀과 함께 했다. 연구팀은 “페뎁스는 원본 영상을 공유하지 않고도 로봇의 종류와 촬영 환경에 따라 달라지는 데이터 특성을 반영해 효과적으로 공동 학습할 수 있게 설계된 기술”이라며 “자율주행, 물류·배송, 서비스 로봇, 재난 구조, 산림 감시 등에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이번 연구 결과는 컴퓨터 비전 분야 최고 권위 국제학술대회 중 하나인 ‘유럽 컴퓨터 비전 학술대회(European Conference on Computer Vision, ECCV) 2026’에 채택됐다. 올해 학회는 오는 9월 8일부터 12일까지 스웨덴 말뫼에서 열린다. 연구 수행은 2026년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원(IITP)이 추진하는 ‘AI Bots 협업 플랫폼 및 자기조직 인공지능 기술개발’, ‘인공지능대학원지원(울산과학기술원)’, ‘AI스타펠로우십지원사업’과 한국연구재단(NRF)이 추진하는 ‘이기종 에이전트 간 적응가능한 3차원 공간인지를 위한 동적 비전 센서 중심의 지능형 융합 센서팩’ 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

2026.09.23

  • 깊이추정AI
  • 드론
  • 서빙로봇
  • 연합학습
  • 이기종로봇
  • 인공지능대학원
  • 자율주행차

“낮엔 햇빛, 밤엔 실내조명으로” .. 종일 충전해 쓰는 ‘올데이 광충전 배터리’ 개발

낮에는 햇빛용, 밤에는 실내조명용으로 조합을 바꿔 온종일 충전해 쓸 수 있는 모듈형 광충전 배터리가 나왔다. 실내외 장소에 구애받지 않고 빛으로 배터리를 충전해 쓰는 분산형 전원 시대가 앞당겨질 것으로 기대된다. UNIST 화학과 권태혁 교수팀은 영국 케임브리지대학교 마이클 드 볼더 교수팀과 함께 낮과 밤용으로 조합을 바꿔 쓸 수 있는 모듈형 광충전 배터리 구조를 개발했다고 2일 밝혔다. 광충전 배터리는 태양전지로 만든 전기가 곧장 배터리로 들어가 충전되는 장치다. 전기를 만드는 장치와 전기를 저장하는 배터리가 하나의 장치안에 있는 셈이다. 외부 전력선 없이 주변 빛으로 스스로 충전할 수 있어, 전선을 연결하기 어렵거나 배터리를 자주 교체하기 힘든 사물인터넷 기기와 무선 센서용 독립 전원으로 주목받는 기술이다. 연구팀이 개발한 모듈형 광충전 배터리는 배터리 모듈은 그대로 두고 태양전지 모듈만 빛의 세기에 맞춰 바꿔 쓸 수 있다. 낮에는 햇빛용 모듈을, 밤에는 약한 빛을 받아도 높은 전압을 내는 실내조명용 모듈을 연결하는 식이다. 배터리에는 대용량 소재인 고체 리튬인산철(LFP) 양극과 리튬금속 음극을 적용했다. 실험 결과, 햇빛용 모듈을 적용한 리튬금속 배터리는 표준 태양광 조건에서 10분 만에 70%까지 충전됐으며 방전 에너지밀도는 327.8mWh/g을 기록했다. 실내조명용 모듈도 사무실 밝기인 1,000럭스에서 빛만으로 충전한 뒤 전기를 내보냈다. 배터리를 사용하면서 빛을 비추자 빛이 없을 때보다 사용할 수 있는 용량도 늘었다. 이 같은 성능은 배터리의 저장량뿐만 아니라 충전에 필요한 전압까지 맞출 수 있는 구조 설계 덕분이다. 배터리를 물탱크에 비유하면 저장 용량은 탱크의 크기, 충전 전압은 물을 밀어 넣는 수압과 같아서 저장 용량이 큰 배터리도 태양전지에 오는 전기의 전압이 맞지 않으면 충전이 되지 않는다. 개발된 모듈형 광충전 배터리는 연결 위치만 바꿔 배터리에 충전에 필요한 만큼 태양전지 전압을 높일 수 있는 구조다. 리튬인산철 양극이 들어 있는 광충전 배터리 칸 1개 옆에 전압을 보태는 태양전지 칸 4개를 직렬로 붙여, 1칸·3칸·5칸의 전압을 골라 쓰는 방식이다. 높은 전압이 필요한 리튬금속 배터리를 충전할 때는 5칸을 모두 연결했다. 제1저자인 UNIST 화학과 김병만 박사는 “태양전지 칸 수와 소재를 바꿀 수 있는 모듈 설계로 배터리 소재마다 다른 충전 전압에 맞춰 충분한 광충전 추진력을 확보했다”며 “현재 배터리 산업에서 쓰이는 다양한 소재에도 적용할 수 있어 향후 광충전 배터리 개발의 설계 전략으로 활용될 것”이라고 말했다. 권태혁 교수는 "이번 연구로 실내외 빛 조건에 맞춰 배터리를 안정적으로 충전할 수 있는 구조를 확보해 광충전 이차전지 상용화의 큰 문턱을 넘었다"며 "전력선 연결이나 주기적인 배터리 교체가 까다로운 사물인터넷(IoT) 기기의 유지보수 비용 문제를 해결할 수 있는 기술이 될 것"이라고 기대했다. 이번 연구는 에너지 저장 분야의 권위 학술지인 에너지 스토레지 머터리얼즈( Energy Storage Materials) 8월호에 출판됐다. 연구 진행은 ㈜한국전력공사(KEPCO)와 영국 연구혁신기구(UK Research and Innovation)의 지원으로 이뤄졌다.

2026.09.22

  • 광충전배터리
  • 실내조명
  • 올데이광충전
  • 태양전지
  • 화학과

“위성영상 속 단풍·낙엽에 안 속는다”.. 계절 보정 산불 피해 분석 기술 개발

산불 피해 정도를 파악할 때는 현장을 일일이 조사하기 어려워 주로 산불 전후에 촬영된 인공위성 영상을 활용한다. 하지만 촬영 계절이 다르면 계절에 따른 초목의 변화까지 산불 피해로 잘못 판단할 수 있는데, 국내 연구진이 이 계절 변화의 영향을 보정해 서로 다른 시기에 촬영된 위성사진으로도 산불 피해 정도를 정확하게 분석할 수 있는 기술을 내놨다. UNIST 지구환경도시건설공학과 임정호 교수팀은 인공위성 영상에서 계절에 따른 식생 변화 영향을 걸러내고, 산불로 인한 변화 신호를 보다 정확하게 추출하는 새로운 산불 피해 강도 분석 기법인 ASAP(Advanced burn Severity Analysis with Phenology-detrended indices)을 개발했다고 1일 밝혔다. 산불 피해 강도는 산불로 인해 숲과 초지가 얼마나 크게 변했는지를 보여주는 지표다. 피해가 심한 지역을 가려내 복구 우선순위를 정하고 산불 이후 산림 관리 계획을 세우려면 이를 빠르고 정확하게 파악하는 것이 중요하다. 인공위성 영상을 이용한 산불 피해 강도 분석법은 넓은 피해 지역을 한꺼번에 살펴볼 수 있지만, 분석에 적합한 영상을 구하기가 까다롭다. 영상에 낀 구름이 적어야 할 뿐 아니라 산불 전후 영상의 촬영 계절도 맞아야 하기 때문이다. 계절이 다른 영상을 비교하게 되면 단풍과 낙엽과 같은 변화까지 산불 피해로 판단할 수 있다. 개발된 기술은 식생지수를 보정해 계절에 따른 자연스러운 변화의 영향을 줄이고 산불 피해를 보다 정확하게 파악할 수 있다. 식생지수는 식물 잎의 무성함이나 수분 상태에 따라 빛을 반사하는 정도가 달라지는 원리를 이용해 식생 상태를 나타낸 값으로, 산불뿐 아니라 계절 변화에도 영향을 받는다. 먼저 산불 주변의 타지 않은 지역에서 계절에 따라 식생지수가 어떻게 달라지는지를 식생 종류별로 분석한 뒤 그 변화량을 산불 전 식생지수에 반영하는 식이다. 예를 들어 주변의 타지 않은 낙엽수림이 여름에서 가을로 바뀌며 식생지수가 0.2 낮아지는 것으로 나타났다면 산불 전 식생지수가 0.8인 지역은 산불이 없었더라도 가을에는 0.6이 됐을 것으로 보정하고 이 값에서 실제 산불 후 식생지수를 빼 산불 피해 강도를 계산하게 된다. 또 산불 발생 위치를 바탕으로 분석 지역을 자동으로 설정하고 구름이나 식물이 없는 지역을 제외하도록 설계돼, 사람이 일일이 분석 범위를 정하고 쓸 수 있는 영상 범위를 추려내지 않아도 된다. 실제로 이 기술을 적용하면 계절이 비슷한 영상을 사용했을 때와 유사한 정확도로 산불 피해 강도를 산출할 수 있었다. 미국에서 발생한 12건의 산불에 대해 산불 피해 강도 분석 성능을 검증한 결과, 계절이 다른 영상을 사용했음에도 실제 현장 조사 결과와의 상관계수가 0.72로 높게 나왔다. 계절이 비슷한 영상을 사용했을 때 상관계수가 0.73으로 나와 거의 차이가 없었다. 또 산불 피해 범위도 계절 차이의 영향을 줄여 보다 정확하게 구분할 수 있는 것으로 나타났다. 2025년 1월 LA 산불 5건을 분석해 본 결과, 계절 차이 때문에 불에 타지 않은 지역을 피해 지역으로 잘못 판단하는 오류를 줄이고 실제 산불 피해 범위를 더 정확하게 구분할 수 있었다. 이번 연구는 성태준 연구원과 양세영 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 임정호 교수는 “적절한 전후 영상을 선택하는 데 많은 제약이 있었던 기존 기술과 달리 영상 선택의 유연성을 높이고 자동화된 산불 피해 분석의 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다”며 “대형 산불 발생 시 신속한 피해 평가와 복구 전략 수립은 물론, 위성 기반 산불 모니터링과 재난 대응 기술 고도화에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 산림청과 교육부의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘리모트 센싱 오브 인바이론먼트(Remote Sensing of Environment)’ 9월호에 게재됐다.

2026.09.22

  • 낙엽
  • 단풍
  • 산불
  • 산불피해
  • 식생지수
  • 위성
  • 인공위성
  • 지구환경도시건설공학과

“전문 용어 막힘없이 타다닥”..AI가 타자 리듬도 보고 맞춤형 답변 내놓는다!

질문의 의미뿐만 아니라 질문 속 전문용어를 얼마나 빠르고 일정한 리듬으로 치는지로 사용자의 전문 지식 수준을 가늠해 생성형 인공지능이 맞춤형 답변을 내놓도록 하는 기술이 나왔다. UNIST 컴퓨터공학과 공태식 교수팀은 질문 내용뿐만 아니라 질문 속 전문용어를 타이핑할 때 나타나는 행동을 분석해 맞춤형 답변을 내놓는 개인화 AI 기술인 ‘ExPerT’를 개발했다고 30일 밝혔다. 챗봇 등이 사용자의 수준에 맞춘 답변을 내놓기 위해서 기존에는 사용자가 설정해 놓은 프로필, 과거 대화 등 비교적 고정된 사용자 정보를 주로 활용해 왔다. 하지만 이 같은 방식은 컴퓨터 전문가라도 회계 지식은 없을 수 있고, 같은 분야에서도 질문 주제에 따라 지식 수준이 달라질 수 있다는 점이 간과될 수 있다. 연구팀이 개발한 기술은 실시간 질문별로 사용자의 전문성을 파악하며 질문의 의미 정보뿐만 아니라 타이핑 과정에서 나타나는 행동 정보까지 함께 분석해 사용자 맞춤형 정보를 제공할 수 있다. 똑같이 전문 용어를 쓰더라도 키를 누르고 떼기까지 걸린 시간과, 다음 키로 넘어가는 간격, 백스페이스 사용 횟수 등이 전문가와 비전문가 간에 차이가 있다는 사실에서 착안한 기술이다. 개별 질문에 쓰인 표현과 전문 용어 등의 의미 정보와 타이핑 행동 정보를 챗GPT와 같은 생성형 AI 모델에 입력해 사용자의 전문성을 5단계로 추정하게 한 뒤, 이후 추정 결과와 원래 질문을 생성형 AI 모델에 다시 전달해 답변의 눈높이를 조절하도록 하는 방식이다. 화학·컴퓨터과학·경영 분야 참가자 40명이 입력한 질문 1,270개를 이용해 ExPerT의 성능을 검증해 본 결과, 의미 정보만 분석했을 때는 AI가 추정한 전문성 수준이 참가자가 직접 평가한 수준과 평균 0.488단계 차이가 났지만, 타이핑 행동 정보까지 함께 분석하자 그 차이가 0.398단계로 줄었다. 타이핑 정보를 더해 전문성 추정 오차를 18.4% 줄인 것이다. 또 질문마다 전문성을 새로 파악하는 ExPerT의 방식은 기존 개인화 기술과 비교해도 높은 성능을 보였다. 지금까지 나눈 대화에서 사용자의 성향과 배경을 추출하는 기존 기술은 사용자가 직접 평가한 전문성 수준과 평균 1.162단계 차이가 났지만, 연구진이 제시한 개별 질문의 의미를 분석하는 방식은 그 차이를 0.488단계로 줄였다. 이번 연구는 인공지능대학원 박예지 연구원이 제1저자로 참여했다. 공태식 교수는 “기존 개인화 AI가 고정된 프로필이나 이전 대화 기록에만 의존해 실시간 맥락을 반영하지 못했던 한계를 극복하고자 했다”며 “의료·법률·금융처럼 전문 지식 격차가 큰 분야의 전문 챗봇은 물론, 사용자별 이해도 파악이 중요한 에듀테크나 B2B 고객 지원 시스템 등 다양한 영역에서 사용자의 실시간 눈높이에 최적화된 개인화 AI 인터페이스를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 결과는 자연어처리 분야 국제학술대회인 ACL(Association for Computational Linguistics) 2026에 전체 투고 논문 중 상위 4%에 해당하는 구두 발표 논문으로 채택됐으며, 상위 2%에 주어지는 ‘SAC 하이라이트 어워드’를 수상했다. ACL은 지난 7월 2일부터 7일까지 미국 샌디에이고에서 개최됐다. 이번 연구의 데이터 세트와 코드는 오픈 소스 공유 사이트인 깃허브(https://github.com/UbiquitousAILab/ExPerT)에 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부·정보통신기획평가원(IITP)의 인공지능대학원지원사업, AI 스타 펠로우십, 생성AI 선도인재양성사업과 한국연구재단(NRF), 첨단 GPU 활용 지원사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다. (끝).

2026.09.16

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태양광 수소 생산 성능 높일 유기 반도체 광전극 개발

태양광 수전해는 햇빛으로 물을 수소와 산소로 분해해 그린 수소를 생산하는 기술이다. 물에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼이면 햇빛을 받은 광전극이 전하 입자를 만들어내 물을 분해하는 화학반응을 일으키는 원리다. 이러한 태양광 수전해의 효율을 높이고 내구성도 뛰어난 유기반도체 광전극이 새롭게 개발됐다. UNIST 신소재공학과 조한희·최문기·송명훈 교수팀은 스위스 로잔연방공과대학교 연구진과 함께 유기반도체 공여체층과 수용체층을 차례로 쌓아 중간에 혼합층을 만드는 기술을 적용해 고성능 광양극(Photoanode)을 개발했다고 26일 밝혔다. 광전극의 일종인 광양극은 햇빛을 받아 물에서 산소를 만든다. 햇빛을 받으면 광양극 안에 양전하 입자인 정공(+)과 음전하 입자인 전자(-)가 생기는데, 정공이 물과 반응해 산소가 나온다. 나머지 전자는 광양극 아래쪽 전극과 도선을 지나 반대쪽 전극으로 전달돼 수소를 만드는 데 쓰이기 때문에 전자와 정공이 이동 과정에서 다시 합쳐지지 않도록 잘 갈라놓고, 정공은 물과 맞닿은 표면으로, 전자는 아래쪽 전극으로 보내는 것이 중요하다. 연구팀이 개발한 광양극은 유사 이중층 구조 덕분에 전자와 정공이 다시 합쳐져 사라지는 재결합 손실이 줄고, 햇빛을 받아 만들어진 더 많은 정공이 산소를 만드는 데 쓰일 수 있다. 유사 이중층 구조는 광양극의 유기반도체 수용체층과 공여체층 사이에 둘이 섞인 혼합층이 형성된 구조다. 유기 반도체 박막을 만들 때 수용체층을 먼저 쌓고 그 위에 공여체층을 올리면, 공여체층을 바르는 과정에서 공여체 용액이 아래 수용체층의 윗부분에 일부 스며들면서, 두 층 사이에 혼합물층이 생기는 ‘유사 이중층’ 구조가 만들어진다. 기존 유기반도체 광양극은 공여체와 수용체 물질을 물리적으로 섞어 하나의 혼합물층으로 만든 ‘벌크 이종접합 구조’가 사용되는데, 이는 전자와 정공을 처음 생성하는 데에는 유리했지만, 전하 이동 통로가 무분별하게 형성돼 전자와 정공이 이동하는 과정에서 다시 합쳐지기 쉬웠다. 반면 유사 이중층 구조는 중간 혼합층에서 전하가 주로 생성되고, 아래쪽 수용체층과 위쪽 공여체층이 각각 전자와 정공을 서로 다른 방향으로 보내 이러한 손실을 줄인다. 수용체와 공여체 물질을 섞는 ‘벌크 이종접합 구조’의 전하 분리 장점과, 두 물질을 위아래로 나눠 쌓는 이중층 구조의 ‘전하 이동’ 장점을 모두 갖춘 셈이다. 이 광양극은 실험에서 1.75mA/㎠의 평균 광전류 밀도를 기록했다. 이는 기존보다 약 22% 향상된 수치다. 광전류 밀도 값이 클수록 광양극에서는 산소가 더 많이 만들어진다. 산소가 생기는 물 산화 반응을 시작하기 위해 외부에서 걸어줘야 하는 전압도 0.35V에서 0.15V로 낮아져, 적은 전기에너지로 작동할 수 있었다. 또 작동 중 광전류 밀도가 0.5mA/㎠까지 떨어지는 데 걸린 시간을 기준으로 비교한 안정성도 기존보다 약 300% 향상됐다. 산화력이 강한 정공이 유기반도체를 손상시키기 쉬운데, 유사 이중층 구조 덕분에 공여체와 수용체가 맞닿는 내부 혼합층에는 손상이 덜 가기 때문이다. 조한희 교수는 “기존처럼 공여체와 수용체를 무작위로 섞은 유기 광전극은 전자와 정공이 이동하는 과정에서 손실이 크고 쉽게 성능이 떨어졌는데, 광양극 박막 안에서 두 물질의 배열을 조절함으로써 성능과 작동 안정성을 함께 높일 수 있었다”며 “낮은 전압에서도 잘 작동하는 특성이 있어 외부 전압 없이 햇빛만으로 수소를 생산하는 장치를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구 결과는 화학공학 분야의 국제 권위 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, CEJ)’에 7월 16일 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원사업 (No. RS-2023-00211341, RS-2025-00559676)과 이노코어(InnoCORE) 사업의 지원을 받아 진행됐다.

2026.09.15

  • 광전극
  • 벌크이종접합유기반도체
  • 신소재공학과
  • 유사이중층
  • 청정수소
  • 태양광수소생산
  • 태양에너지

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Research Impact

star

Modular Photo-Battery Adapts to Sunlight and Indoor Light

Abstract The adoption of autonomous smart devices necessitates new solutions for energy harvesting and storage to power them. Photo-rechargeable batteries, which integrate these functions into a single device, have gained traction as compact and cost-efficient solution for such applications. However, the implications of different system designs and material choices on photo-battery performance remain poorly understood. Here, we first compare the battery performance of solid Li-ion battery cathode materials (eg LiFePO4 and LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) with liquid catholytes (eg polyiodide and Cu2+/+(dmby)2) for photo-battery applications. The results indicate that the closely packed nature of solid-phase active materials allow for higher volumetric energy density and rate performance. Building on these findings, we present a device architecture for an integrated photo-rechargeable lithium metal battery incorporating a LiFePO4 cathode and a dye-sensitized PV-electrode. These compact photo-batteries can self-charge to 70% state of charge within 10 min under 1-sun illumination and also operate under indoor light. Through simultaneous photo-charging and discharging, we demonstrate that the battery output can be significantly enhanced solely by light energy, offering a clear strategy for future photo-battery design. Photo-rechargeable batteries combine light harvesting and energy storage in a single device, making them well suited to autonomous devices that cannot easily be connected to a power source or have their batteries replaced. But their performance depends on how the photovoltaic and battery components are designed to work together. A team, led by Professor Tae-Hyuk Kwon of the Department of Chemistry at UNIST and Professor Michael De Volder of the University of Cambridge has developed a modular photo-rechargeable lithium-metal battery that can be configured for different lighting conditions, including sunlight and indoor light. Rather than starting with a single battery design, the researchers first compared solid lithium-ion cathode materials with liquid catholytes to determine how each affects photo-battery performance. Solid cathodes, including lithium iron phosphate (LFP), delivered higher volumetric energy density and better rate performance, an advantage the researchers attribute to the more closely packed nature of solid active materials. Based on these findings, the team built an integrated photo-battery combining an LFP cathode, a lithium-metal anode, and a dye-sensitized photovoltaic electrode. The modular design allows the photovoltaic units to be arranged to provide the voltage required to charge the battery, while the battery component itself remains unchanged. Under 1-sun illumination, the device reached 70% state of charge within 10 minutes and delivered a discharge energy density of 327.8 mWh g⁻¹. A configuration designed for lower-light conditions also charged and discharged using 1,000-lux indoor light, roughly the illumination level of a well-lit office. The team also tested what happens when the battery receives light while supplying power. Under simultaneous photo-charging and discharging, the device delivered greater output than it did in the dark, showing that incoming light can contribute additional energy during use. The modular structure makes it possible to adjust the charging voltage by changing how the photovoltaic units are connected. In the system demonstrated in the study, the researchers combined the battery unit with four additional photovoltaic units, allowing configurations of one, three, or five units. All five were used when the higher voltage required by the lithium-metal battery was needed. “By changing the number and type of photovoltaic units, we can match the charging voltage required by different battery materials,” said Dr. Byungman Kim of the Department of Chemistry at UNIST, first author of the study. “This modular approach could provide a useful design strategy for photo-rechargeable batteries using a wider range of battery chemistries.” Professor Kwon added, “The ability to charge under both outdoor and indoor light could make photo-rechargeable batteries useful for IoT devices where wired power or frequent battery replacement is impractical.” The findings were published in the August 2026 issue of Energy Storage Materials . The research was supported by Korea Electric Power Corporation (KEPCO) and UK Research and Innovation (UKRI). Journal Reference Byung-Man Kim, Arvind Pujari, Sungtae Kim, et al. , “Design strategy for integrated photo-rechargeable batteries with high energy density,” Energy Storage Mater., (2026).

2026.09.17

  • Chemistry
  • Department of Chemistry
  • DSPB
  • Energy Storage Materials
  • Ion-Selective Membrane
  • Photo-Rechargeable Batteries
  • Tae-Hyuk Kwon

Satellite Method Improves Wildfire Burn-Severity Assessment Across Seasons

Abstract Change detection-based approaches that use satellite-derived spectral indices (SIs) and their pre- to post-fire differences (dSIs) to quantify burn severity have emerged as powerful alternatives to traditional field-based methods such as the Composite Burn Index (CBI). However, most studies have focused on improving model performance using ideal datasets—those with clearly defined burn areas and cloud-free pre- and post-fire imagery—while overlooking a key limitation: the requirement for phenological consistency between pre- and post-fire imagery. To address this gap, this study presents an Advanced burn Severity Analysis framework using Phenology-detrended indices (ASAP), which produces a refined burn severity index dataset that is robust to seasonal and phenological variability. The ASAP integrates automated delineation of analysis areas based on active fire detections, preparation of pre- and post-fire SI images suitable for vegetation analysis, and a phenology-detrending strategy to align seasonal vegetation conditions between image pairs. The key innovation of the framework is a novel phenology-detrended dSI (pdSI), which uses surrounding unburned areas to seasonally adjust the pre-fire baseline prior to calculating the pre- to post-fire difference, thereby enhancing wildfire-induced signals. Validation using CBI plots and Monitoring Trends in Burn Severity perimeters demonstrates that pdSI consistently matches or outperforms conventional dSIs. These improvements are especially pronounced when pre- and post-fire images are phenologically inconsistent, when phenology-sensitive indices such as differenced normalized difference vegetation index are applied, and in vegetation or climate types with strong seasonal variability, such as deciduous forests and herbaceous areas in temperate climates. Time-series analyzes further show that pdSI mitigates seasonal variability effects, delivering more stable and robust performance compared to conventional dSIs. The proposed framework was also successfully applied to recent large-scale wildfires in the Los Angeles area in 2025, demonstrating its strong applicability and reliability in operational contexts within the wildland–urban interface. Overall, this study provides a simple yet powerful solution to a long-standing challenge in change detection-based burn severity analysis. Satellite imagery is widely used to assess wildfire burn severity, but seasonal changes in vegetation can distort comparisons between pre- and post-fire images. A research team, led by Professor Jungho Im of the Department of Civil, Urban, Earth, and Environmental Engineering at UNIST has developed a framework that corrects for these seasonal differences, allowing a wider range of satellite imagery to be used for post-fire assessment. The framework, called ASAP (Advanced burn Severity Analysis with Phenology-detrended indices), uses nearby unburned vegetation to estimate how seasonal conditions have changed between the pre- and post-fire images. It then adjusts the pre-fire baseline before measuring the change caused by the wildfire. This matters because the spectral indices used to assess vegetation respond to both fire damage and normal seasonal change. If a summer image is compared directly with one taken in autumn, for example, leaf loss or declining vegetation activity may appear as part of the burn signal. ASAP uses comparable unburned areas to account for that background change rather than requiring the two images to be closely matched by season. The resulting phenology-detrended index (pdSI) consistently matched or outperformed conventional difference indices in comparisons with field-based burn-severity measurements. The gains were most apparent when pre- and post-fire images reflected differed seasonal conditions, particularly in vegetation with strong seasonal cycles, such as deciduous forests and herbaceous areas. Across 12 US wildfires, ASAP maintained a correlation of 0.72 with field observations using seasonally mismatched imagery, nearly identical to the 0.73 achieved with imagery from similar seasonal conditions. The framework also automates key parts of the analysis, using active-fire detections to define the area to be assessed and screening imagery for clouds and areas unsuitable for vegetation analysis. This reduces the manual preparation needed before burn severity can be mapped. When applied to five wildfires in the Los Angeles area in January 2025, ASAP reduced the misclassification of unburned areas caused by seasonal vegetation differences and more clearly identified the extent of fire-affected areas. “Conventional satellite-based assessments often depend on finding pre- and post-fire images taken under similar seasonal conditions,” said Professor Im. “By accounting for seasonal vegetation change, we can broaden the range of usable imagery and move toward more consistent, automated burn-severity assessment.” The approach could support faster assessment after large wildfires and provide more timely information for recovery planning and satellite-based disaster monitoring. Taejun Sung and Seyoung Yang served as co-first authors of the study. The research was supported by the Korea Forest Service and the Ministry of Education. The findings were published in the September issue of Remote Sensing of Environment. Journal Reference Taejun Sung, Seyoung Yang, Woohyeok Kim, et al. , “Enhancing satellite-based wildfire monitoring: An advanced framework for burn severity analysis with phenology-detrended indices,” Remote Sens. Environ., (2026).

2026.09.14

  • ASAP
  • Burn Severity
  • Department of Civil Urban Earth and Environmental Engineering
  • Jungho Im
  • Landsat
  • MODIS
  • Phenology
  • Remote Sensing of Environment
  • Satellite
  • UEE
  • Vegetation
  • VIIRS
  • Wildfire Monitoring

AI Personalization Adapts Answers to What Users Know

Abstract Large language models (LLMs) are increasingly used by end users, yet existing personalization methods relying on static profiles or text-only signals fail to capture query-specific expertise variation. We present ExPerT, a query-wise personalization framework that adapts LLM responses to users' query domain expertise by combining semantic and behavioral cues. ExPerT consists of two key components: (i) a semantic-behavioral expertise inference module that jointly interprets query text and keystroke dynamics via in-context LLM prompting, and (ii) an expertise-conditioned response generation that adapts the level of detail, terminology, and conceptual complexity. Our user study with 40 participants and 1270 queries demonstrated that ExPerT reduced expertise inference error by 65.7% compared to the strongest baseline (MAE = 0.398 vs. 1.162) and improved response satisfaction by 17.52% (from 3.71 to 4.36) on a 5-point Likert scale. A person's expertise is rarely the same across every subject. Someone deeply familiar with one field may know little about another, and even within the same field, expertise can vary from topic to topic. Yet, AI systems often personalize responses using relatively fixed information, such as user profiles or previous conversations. Led by Professor Taesik Gong of the Department of Computer Science and Engineering at UNIST, researchers developed ExPerT, an AI personalization framework that adapts large language model (LLM) responses to a user's expertise for each question. It combines what a user asks with patterns in how they type, then adjusts the detail, terminology, and complexity of the response. Existing personalization methods can capture general preferences or background but may miss how much someone knows about a particular topic. ExPerT instead assesses expertise for each query, drawing on both the wording of the question and typing patterns such as keystroke timing, speed, and corrections. These signals are used to estimate expertise on a five-level scale, from novice to expert. Typing behavior provided useful clues. Participants with greater expertise tended to type domain-specific terms faster and with more consistent timing. But neither language nor typing behavior was reliable on its own: an expert may ask a simple question, while someone less familiar with a subject may use technical terms fluently. Combining the two helped ExPerT distinguish between such cases. The team evaluated ExPerT with 40 participants across chemistry, computer science, and business, collecting 1,270 queries along with typing data and self-reported expertise. Adding typing behavior to query semantics reduced the average expertise-estimation error from 0.488 to 0.398 levels, an improvement of 18.4%. Compared with the strongest existing baseline, ExPerT reduced the error by 65.7%, from a mean absolute error of 1.162 to 0.398. Expertise-adapted responses also received higher satisfaction ratings, rising from 3.71 to 4.36 on a five-point scale, an increase of 17.52%. “Existing personalization methods often rely on fixed profiles or previous conversations, making it difficult to reflect how much a user knows about the topic at hand,” said Professor Gong. “By adapting to expertise at the level of each question, ExPerT could support AI systems that communicate more effectively with users of different backgrounds and levels of knowledge.” The approach could be particularly useful in areas where expertise varies widely among users, including education, professional customer support, and specialized services in medicine, law, and finance. Yeji Park, a graduate student in UNIST's Graduate School of Artificial Intelligence and first author of the study, presented the work at ACL 2026 in San Diego. The paper was selected for an oral presentation, placing it among the top 4% of submissions, and received a SAC Highlight Award , given to the top 2%. The dataset and source code are publicly available through theExPerT GitHub repository. The research was supported by the Ministry of Science and ICT (MSIT), the Institute of Information & Communications Technology Planning & Evaluation (IITP), and the National Research Foundation of Korea (NRF), through programs supporting AI research and talent development. Journal Reference Yeji Park, Jiwon Tark, and Taesik Gong, "ExPerT: Personalizing LLM Responses to Users' Domain Expertise via Query-Wise Semantic and Keystroke Behavioral Cues," ACL '26, (2026).

2026.09.09

  • ACL
  • AI
  • AIGS
  • Behavioral Cues
  • Computational Linguistics
  • CSE
  • Department of Computer Science and Engineering
  • ExPerT
  • Graduate School of Artificial Intelligence
  • In-Context Learning
  • Keystroke Dynamics
  • Large Language Models
  • LLM
  • Query-Wise Personalization
  • SAC Highlight
  • Semantic Cues
  • Taesik Gong

Perovskite Solar Cells Hold Up Under Extreme Temperature Swings

Summary The advent of self-assembled monolayer (SAM)-based hole-selective layers (HSLs) has revolutionized inverted perovskite solar cells (i-PSCs) by enabling record efficiencies, but they are constrained by incomplete surface coverage and interfacial heterogeneity. We devise topology-governed SAMs featuring isomeric linker patterns (LY-ortho [o], LY-meta [m], and LY-para [p]) and uncover the principle that conformational ordering dictates surface coverage and interfacial interaction coupling with perovskite. The topology-optimized LY-m forms a homogeneously dense, stable HSL with superior energy alignment and interfacial passivation. Devices incorporating LY-m achieve a record-high open-circuit voltage of 1.231 V, accompanied by an efficiency of 26.39% (certified 26.37%), while maintaining robust operational stability and scalability. Beyond laboratory metrics, LY-m-based devices withstand −100°C to 100°C thermal cycling with only ∼9% loss, far exceeding the operational limits of state-of-the-art commercial SAMs, while maintaining over 80% of their initial performance at 85°C (T80 ≅ 2,000 h). This work resolves the long-standing role of linker topology and paves the way for extreme-environment-resilient and scalable perovskite photovoltaics. Temperature swings are a major challenge for perovskite solar cells (PSCs), particularly in environments such as space, where materials may repeatedly move between extreme cold and heat. Led by Professors Changduk Yang and Seungjae Shin of the Department of Energy and Chemical Engineering and Professor Myung Hoon Song of the Department of Materials Science and Engineering at UNIST, the team developed perovskite solar cells that withstand such extremes by stabilizing a critical molecular interface. The cells retained about 91% of their initial efficiency after cycling between −100°C and +100°C, with a certified power-conversion efficiency of 26.37%. The key to this advancement is a self-assembled monolayer (SAM), a molecule-thin layer that helps move electrical charges between the electrode and the perovskite absorber. Under severe thermal stress, SAM molecules can shift or cluster, disrupting the interface and degrading performance. The team addressed this problem by changing where the molecular components of the SAM connect. They synthesized three versions with different linker positions and found that LY-m adopted a tilted orientation, allowing its molecules to pack densely and uniformly on the electrode. This arrangement also suppresses the molecular reorganization that can occur under large temperature swings. In thermal-cycling tests, LY-m cells were held alternately at −100°C and +100°C for 30 minutes at each temperature over 16 cycles. They remained operational with only about a 9% loss in efficiency, while cells using a commercial SAM failed under the same conditions. LY-m cells also reached a peak efficiency of 26.39%, with a certified efficiency of 26.37% and an open-circuit voltage of 1.231 V. At 85°C, they maintained more than 80% of their initial performance for approximately 2,000 hours. The approach also performed well at larger scales: a 1 cm² cell achieved 23.25% efficiency, while a 3 × 1 cm² mini-module reached 21.20%. “By changing only the position of the molecular connection, we were able to control how the molecules pack on the electrode,” said Professor Yang. “The resulting interface combines high efficiency with thermal stability, offering a promising route toward perovskite photovoltaics for environments with extreme temperature variations.” The study has been participated by Seunglok Lee and Jeewon Park of the Department of Energy and Chemical Engineering and Jingyu Yang of the Department of Materials Science and Engineering at UNIST, as co-first authors of the study. Published in Joule on August 3, the study has been supported by the Nano & Material Technology Development Program through the National Research Foundation (NRF) of Korea and the InnoCORE program of the Ministry of Science and ICT (MSIT). Journal Reference Seunglok Lee, Jinkyu Yang, Jeewon Park, et al., "Topology-governed self-assembled monolayers enable perovskite solar cells stable at −100°C to +100°C," Joule , (2026).

2026.09.08

  • Changduk Yang
  • Department of Materials Science and Engineering
  • ECE
  • ECHE
  • InnoCORE
  • MSE
  • Myoung Hoon Song
  • Perovskite Solar Cells
  • PSCs
  • SAM
  • School of Energy and Chemical Engineering
  • Seung-Jae Shin

AI Model Maps Seismic Responses Across Nuclear Power Plants

A research team, led by Professor Young-Joo Lee of the Department of Civil, Urban, and Environmental Engineering at UNIST and Senior Research Scientist Jaebeom Lee of the Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) has developed a deep-learning model for post-earthquake assessment of nuclear power plants. The model predicts seismic responses across the structure and estimates which locations may require priority inspection. Post-earthquake assessment can be challenging when sensors are installed at only a limited number of locations. Expanding sensor coverage throughout a nuclear power plant is difficult because of cabling, regulatory, and maintenance constraints. Numerical simulations can fill these gaps, but repeated finite element analyzes become computationally expensive when uncertainties in structural properties are taken into account. The researchers developed a deep-learning surrogate model that combines seismic ground motion with structural parameters to predict acceleration responses at 139 locations. This allows responses to be estimated at locations without physical sensors while reducing the computational cost of conventional analysis. The model also accounts for uncertainty in structural properties. Rather than providing only a binary assessment, it calculates the probability that the response at each location will exceed a predefined equipment-level threshold. These probabilities can help engineers prioritize locations for further inspection. Experimental validation showed an average maximum mean absolute percentage error of 1.37%, with R² values above 0.98. The model generates full acceleration time histories across multiple locations, allowing probabilistic responses to be assessed without repeatedly running computationally intensive finite element simulations. The team also developed a method for configuring the AI architecture according to a structure's natural frequencies. The resulting model achieved accuracy comparable to a deep-learning model with more than 200 times as many parameters, while requiring substantially fewer computational resources. The researchers expect the approach could also be adapted to other facilities that require rapid post-earthquake assessment, including semiconductor plants, data centers, and industrial facilities. “For safety applications, accurate prediction alone is not enough; it is also important to understand the uncertainty in those predictions,” the researchers said. “By quantifying that uncertainty, the framework can provide additional information for experts deciding where further inspection is needed.” The research was conducted jointly by the teams of Senior Research Scientist Jaebeom Lee at KRISS, with Jingoo Lee as first author. The work was supported by the National Research Foundation of Korea and KRISS. The findings have been reported in three papers, including a study published in Reliability Engineering & System Safety. The study was conducted jointly by the UNIST and KRISS research teams, with Jingoo Lee as first author. The work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) and KRISS. The findings have been reported in three papers, including a study published in Reliability Engineering & System Safety (IF: 13.7). Journal Reference Jingoo Lee, Seungjun Lee, Young-Joo Lee, and Jaebeom Lee, “Predicting seismic floor response for nuclear power plant structures with time-series uncertainty propagation using attention-enhanced multimodal deep learning,” Reliab. Eng. Syst. Saf., (2026).

2026.09.07

  • Department of Civil Urban Earth and Environmental Engineering
  • Earthquake Engineering
  • Multimodal Deep Learning
  • Nuclear Safety
  • Risk Assessment
  • Seismic Response Prediction
  • Seismic Safety
  • UEE
  • Uncertainty Quantification
  • Young-Joo Lee

Reducing Charge Loss in Organic Photoanodes for Solar Water Splitting

Abstract Organic photoelectrochemical (PEC) cells for solar water splitting typically utilize bulk heterojunction (BHJ) structures to circumvent the intrinsically short exciton diffusion lengths of organic semiconductors. However, stochastic donor/acceptor networks in BHJs often result in disordered interfacial contacts, leading to severe charge recombination. Herein, we report a pseudo-bilayer (PS-Bi) organic photoanode featuring a vertically ordered donor–acceptor configuration established via sequential deposition. Our systematic investigation reveals that this PS-Bi structure promotes selective charge transport and suppresses recombination due to its high domain purity, thereby facilitating efficient charge transfer at the interface. Consequently, the optimized PS-Bi photoanodes deliver an enhanced average photocurrent density (Jph) of 1.75 ± 0.03 mA cm−2 at 1.23 V versus the reversible hydrogen electrode for solar water oxidation, while simultaneously exhibiting a significant cathodic onset shift and extended operational stability compared to their BHJ counterparts (Jph = 1.44 ± 0.07 mA cm−2). This study demonstrates that employing the PS-Bi structure is a promising strategy for achieving high-performance and stable organic PEC systems for sustainable solar fuel production. Producing hydrogen from sunlight depends in part on how efficiently a photoelectrode can separate and move electrical charges. In organic photoelectrodes, however, the conventional practice of mixing semiconductor materials can create disordered pathways that allow those charges to recombine, reducing both performance and stability. A research team, led by Professors Han Hee Cho, Moon Kee Choi, and Myung Hoon Song of the Department of Materials Science and Engineering at UNIST, working with researchers at École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), has developed an organic photoanode with a more ordered internal structure. The new design improved photocurrent by about 22% while extending operational stability. The team created what is known as a pseudo-bilayer (PS-Bi) structure by depositing two organic semiconductor materials in sequence. As the second layer is applied, it partially penetrates the first, forming a mixed region at the interface while preserving more distinct layers above and below. Conventional organic photoelectrodes typically use a bulk heterojunction (BHJ), in which donor and acceptor materials are mixed throughout the film. This arrangement helps generate and separate charges, but its irregular internal pathways can also bring electrons and holes back together before they contribute to the chemical reaction. The PS-Bi combines the advantages of both approaches. Charges are generated and separated in the mixed region, while the more ordered layers guide electrons and holes in different directions. This reduces recombination and allows more of the generated charge to drive water oxidation. In tests, the PS-Bi photoanodes achieved an average photocurrent density of 1.75 mA cm⁻², compared with 1.44 mA cm⁻² for conventional BHJ photoanodes, an increase of about 22%. The voltage required to initiate water oxidation also fell from 0.35 V to 0.15 V, allowing the reaction to begin with less external electrical input. The structural change also improved durability. Based on the time required for photocurrent density to fall to 0.5 mA cm⁻², the pseudo-bilayer photoanodes remained operational substantially longer than their BHJ counterparts. The researchers also found that the two structures degrade differently. In BHJ photoanodes, highly reactive holes can damage the organic semiconductor within the intermixed structure. The more ordered pseudo-bilayer reduces damage within the donor–acceptor region, helping the photoanode maintain its performance for longer. “Conventional organic photoelectrodes mix donor and acceptor materials throughout the film, which can lead to charge losses and faster degradation,” said Professor Cho. “By controlling how the two materials are arranged, we were able to improve both charge transport and operational stability.” He further added, “The lower operating voltage could also help in the development of systems that ultimately produce hydrogen using sunlight without an external electrical bias.” The study was published online in Chemical Engineering Journal on July 16, 2026. The research was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF), funded by the Ministry of Science and ICT (MSIT), and the InnoCORE program. Journal Reference Gyu Won Chae, Seong Rae Kang, Jin Su Park, et al. , “A pseudo-bilayer organic photoanode for solar water oxidation,” Chem. Eng. J., (2026).

2026.09.03

  • Chemical Engineering Journal
  • Department of Materials Science and Engineering
  • Green Hydrogen
  • Han-Hee Cho
  • Moon Kee Choi
  • MSE
  • Myoung Hoon Song
  • Organic Photoelectrochemical Cells
  • Photoanode
  • Pseudo-Bilayer
  • Solar Fuel Production
  • Solar Water Oxidation

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