Research

불소 날개를 단 플라스틱 반도체, 빨라지고 강해졌다.

신문처럼 접어지는 태블릿, 몸에 착용하는 모바일 헬스 진단기 등 휘어지고 늘어나는 유연한 전자기기가 최근 각광 받는 가운데, 이런 차세대 전자기기에 필요한 전자 재료에 대한 연구도 한창이다. 그 중, 플라스틱 반도체는 특히 가볍고 유연하며 만드는 공정도 간단해 실리콘 반도체를 대체할 재료로 크게 주목을 받고 있다. 그러나 핵심 소재의 하나인 n형 반도체 재료의 전하이동 속도나 안정성이 떨어져 아직 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다. * 사진설명: 조길원 교수, 강보석 박사, 김윤희 교수(경상대), 김란 박사(경상대) (좌로부터) 화학공학과 조길원 교수·강보석 박사, 경상대학교 화학과 김윤희 교수·김란 박사로 이루어진 공동연구팀이 불소를 이용해 전자이동도와 안정성을 크게 높인 ‘n형 플라스틱 반도체’ 개발에 성공하며 플렉서블 전자소자의 상용화에 대한 기대감을 높였다. 전자소재로 쓰이는 플라스틱 반도체는 많은 양의 전류를 빠르게 흘려보낼 수 있는 높은 전하이동도는 물론, 반도체 공정과정의 화학약품 및 고열처리, 전자소재로서의 발열 환경을 견딜 수 있는 안정성이 필수적이다. 연구팀은 기존에 개발 된 고분자의 곁가지에 불소 원자를 도입, 새로운 플라스틱 반도체 물질을 만들어내며 이러한 문제를 해결했다. 연구팀은 유기불소화합물들이 화학 약품과 열에 대한 안정성이 높고, 전자의 흐름이 원활한 결정구조를 띈다는 점에 착안했다. 불소가 도입된 고분자의 곁가지가 불소 간의 인력으로 인해 스스로 결정을 이루며 고분자의 주사슬1이 강하게 정렬되어 전자이동도가 크게 높아진다는 설명이다. 연구팀이 불소화를 통해 개발한 신규 고분자는 기존 재료에 비해 열·환경 안정성과 전하이동도가 월등히 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 특히, 전자이동도는 지금까지 개발된 n형 플라스틱 반도체 중 세계에서 가장 높은 수준인 것으로 알려졌다. 이러한 성과를 인정받아 공동연구팀의 이번 연구는 화학분야의 세계적 권위지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)의 표지논문으로 게재되는 동시에 주목할 만한 ‘주요 논문’으로도 선정됐다. 논문 교신저자인 POSTECH 조길원 교수는 “새로 개발된 n형 플라스틱 반도체는 높은 전자이동도를 나타내 향후 플렉서블 디스플레이뿐만 아니라, 유기 태양전지나 스마트 생·화학센서 등 유기반도체가 사용되는 다양한 분야에서 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또, 논문 공동교신저자인 경상대 김윤희 교수는 "이번 n형 플라스틱 반도체 개발에 사용한 불소화 곁가지를 다양한 고분자 재료에 도입하여 우수한 유기반도체 재료 개발을 이어나갈 것"이라고 말했다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업 '나노기반 소프트일렉트로닉스연구단'과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

제정호 교수팀, 기억과 신경질환 관련된 구리이온 정량 분석 성공

구리는 뇌신경이나 간, 생식기에 필요한, 우리 몸에 필수적인 물질이기도 하지만, 반대로 이 구리의 양이 변하면 치매로 불리는 알츠하이머나 난치병인 파킨슨, 혹은 루게릭병과 같이 심각한 퇴행성 신경질환을 일으키는 ‘두 얼굴’을 가진 물질이다. 그러나 세포 속에서 유지되어야 하는 구리의 양에 대해서는 아직까지 정확하게 알려지지 않았다. 신소재공학과 제정호 교수 ‧ 통합과정 이준호씨, 융합생명공학부 김경태 교수 팀이 살아있는 뉴런세포와 빛으로 교감하며 구리이온의 정확한 양을 측정하는 ‘세포내시경’ 기술을 최초로 개발, 재료분야 권위지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지를 통해 발표했다. 연구팀은 지금까지 정량적인 분석이 어려웠던 광학기술의 한계를 뛰어넘는 대뇌피질과 해마 뉴런에 들어 있는 구리이온을 정량적으로 측정하는데 성공했다. 특히 이 기술은 알츠하이머와 같은 퇴행성 신경질환의 조기진단은 물론 지금까지 뇌에서 우리의 기억이 만들어지는 미스터리를 풀어낼 것으로 학계의 기대를 모으고 있다. 구리이온은 신경계를 조절하는 물질로서, 알츠하이머와 같은 퇴행성 신경질환을 조기에 진단할 수 있으려면 우리 신경세포(뉴런) 속에 얼마나 분포되어 있으며 어느 수준이 적정한지를 파악할 수 있어야 한다. 그러나 기존 측정방식은 구리 이온을 별도로 측정하지 못하거나, 그 분석내용이 부정확하게 나오는 등 세포 속의 금속이온을 정량분석하기 어렵고, 방법에 따라 냉각된 세포에만 사용할 수 있거나, 독성이 세포에 들어갈 수 있다는 단점을 가지고 있었다. 연구팀은 구리이온과 반응하여 빛의 형광을 변화시키는 나노선 탐침을 개발, 빛으로 세포와 미세한 광학신호를 직접 주고받도록 해 세포에 형광인자를 주입할 필요가 없고, 빛이 산란되거나 흡수되는 현상을 최소화해 뉴런 세포 속 구리이온의 정량분석을 하는데 성공했다. 이처럼 살아있는 세포 속에서 구리 2가 이온만을 정량적으로 측정해낸 것은 제 교수팀이 최초다. 이 연구는 퇴행성 신경질환의 조기진단이나 치료에 응용될 수 있음은 물론, 생체정보의 모니터링이나 나노크기의 바이오센서로 적용할 수 있을 것으로 전망된다. 특히 구리이온은 뇌에서의 기억형성에도 관여하는 것으로 알려진 만큼 정확하게 어떠한 역할을 하는지에 대한 궁금증도 풀릴 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구성과는 한국산업기술진흥원의 KIAT 사업과 교육부와 한국연구재단의 BK21 플러스 사업의 지원을 받아 수행됐다.

‘극한환경로봇 연구실’ 유선철 교수팀, 해저탐사․건설 새 길 개척

‘벌크 업’ 한 수중 드론으로 국내 최초 3D 해저 지형도 제작 최근 소형 드론(무인항공기)을 이용해 하늘에서 내려다보는 듯 한 항공촬영 이미지가 다양하게 쓰이고 있다. 특히, 화산 폭발과 산불 등 사람이 접근하기 힘든 재해현장 및 험한 지형을 파악하는 데 중요한 역할을 한다. 그렇다면 산소부족과 거친 해류, 수압 등을 견뎌야 하는 바다 속은 어떨까. 지금까지는 초음파의 반사를 이용하거나 수중 로봇을 투입해 촬영해왔지만, 3차원 지형을 구현하기에는 정밀하지 못했다. 창의IT융합공학과 유선철 교수․조현우 연구교수․석박사 통합과정 표주현씨가 바다 속에서도 수 밀리미터(mm)단위의 정밀한 위치 이동이 가능한 수중 촬영로봇 “Cyclops(싸이클롭)”을 개발하여, 국내 최초로 3차원 해저 지형도 및 실사 모형 제작에 성공했다. 로봇을 이용하여 촬영된 기존의 수중 영상은 높은 해상도를 구현하거나 로봇의 이동에 따른 영상 간의 변화를 최소화하는 일이 어려워 2차원 수준의 이미지에 머물렀다. 2차원 데이터로는 수중 지형을 필요만큼 정확하게 파악할 수 없어 이를 개선하기 위한 다각도의 연구가 이루어 졌으나 실제 3차원 지형을 구현할 정도의 고해상도의 이미지는 얻지 못하였다. 알고리즘 개발을 통해 수중 로봇을 정밀하게 제어할 수 있는 방안 또한 중점적으로 연구 되어 왔으나 다양한 변수가 존재하는 해양환경에서 실질적인 효과를 거두기는 어려웠다. 유 교수팀은 정밀한 위치 제어 성능에 초점을 맞춰 ‘벌크 업’한 로봇을 설계․제작함으로써 이러한 문제를 해결했다. 기존의 수중로봇과는 달리 드론처럼 전후좌우상하 어느 방향으로도 직진 이동이 가능하도록 각 방향에 전용 추진기를 장착하여 사전에 설정된 촬영 지점에 정확하면서도 효율적으로 도달할 수 있도록 했다. 유 교수팀이 개발한 싸이클롭은 수중에서 가상의 격자 위에 놓인 수백 개의 촬영 지표들을 따라 이동하며 사진 촬영을 자동으로 수행해, 육상에서 지형 계측을 위해 촬영된 이미지와 견줄 만한 고화질의 수중 지형 데이터를 얻었다. 유 교수팀은 얻어진 데이터를 3차원 수중 지형도로 제작, 최근 각광받는 3차원(3D) 프린터를 이용해 수중 지형을 정확한 비율로 축소한 실사 모형을 구현했다. 이번 연구 성과로 다양한 해저탐사와 지형계측의 새로운 가능성이 열릴 것으로 전망된다. 수 센티미터(cm)의 변화도 알아볼 수 있을 만큼 정밀한 데이터를 얻을 수 있어 지질․생물학 관점의 주기적 해저 환경 변화 조사에 활용하면, 어업에 심각한 손실을 입히는 백화현상*1이나 지각변동 등도 예측 가능하다. 특히, 광범위한 지역을 포괄적으로 파악할 수 있는 해저 초음파 영상조사와 함께 사용하면 상호보완적인 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 이 데이터는 또, 화질이 우수할 뿐만 아니라 정확한 3차원 좌표 데이터를 기반으로 하고 있어, 해저터널과 같은 인프라 건설 및 군사 목적을 위한 해저 지형 조사에 효과적일 것으로 전망하고 있다. 연구를 주도한 유 교수는 “싸이클롭을 통해 촬영된 영상은 항공기나 드론으로 지상을 촬영하는 작업을 수중에서 했다고 볼 수 있다”며, “3D 프린터 출력을 통한 실사 지형도를 직관적으로 활용할 수 있어 수중 환경 정보를 필요로 하는 많은 분야에 큰 도움이 될 것“이라고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 2016년 해양수산부의 재원으로 한국해양과학기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다. 1. 백화현상(whitening event) 산호처럼 생긴 석회질 성분의 홍조류가 바다 속에 퍼져 바다 밑바닥을 하얗게 만드는 현상. 백화 현상이 일어나면 생물이 살 수 없어 일명 ‘바다의 사막화 현상’이라고도 한다.

불소 날개를 단 플라스틱 반도체, 빨라지고 강해졌다.

POSTECH-경상대 공동연구팀, 플렉서블 전자소자 상업화 앞당길 듯 * 사진설명: 조길원 교수, 강보석 박사, 김윤희 교수(경상대), 김란 박사(경상대) (좌로부터) 신문처럼 접어지는 태블릿, 몸에 착용하는 모바일 헬스 진단기 등 휘어지고 늘어나는 유연한 전자기기가 최근 각광 받는 가운데, 이런 차세대 전자기기에 필요한 전자 재료에 대한 연구도 한창이다. 그 중, 플라스틱 반도체는 특히 가볍고 유연하며 만드는 공정도 간단해 실리콘 반도체를 대체할 재료로 크게 주목을 받고 있다. 그러나 핵심 소재의 하나인 n형 반도체 재료의 전하이동 속도나 안정성이 떨어져 아직 상용화 단계에는 이르지 못하고 있다. 화학공학과 조길원 교수·강보석 박사, 경상대학교 화학과 김윤희 교수·김란 박사로 이루어진 공동연구팀이 불소를 이용해 전자이동도와 안정성을 크게 높인 ‘n형 플라스틱 반도체’ 개발에 성공하며 플렉서블 전자소자의 상용화에 대한 기대감을 높였다. 전자소재로 쓰이는 플라스틱 반도체는 많은 양의 전류를 빠르게 흘려보낼 수 있는 높은 전하이동도는 물론, 반도체 공정과정의 화학약품 및 고열처리, 전자소재로서의 발열 환경을 견딜 수 있는 안정성이 필수적이다. 연구팀은 기존에 개발 된 고분자의 곁가지에 불소 원자를 도입, 새로운 플라스틱 반도체 물질을 만들어내며 이러한 문제를 해결했다. 연구팀은 유기불소화합물들이 화학 약품과 열에 대한 안정성이 높고, 전자의 흐름이 원활한 결정구조를 띈다는 점에 착안했다. 불소가 도입된 고분자의 곁가지가 불소 간의 인력으로 인해 스스로 결정을 이루며 고분자의 주사슬1이 강하게 정렬되어 전자이동도가 크게 높아진다는 설명이다. 연구팀이 불소화를 통해 개발한 신규 고분자는 기존 재료에 비해 열·환경 안정성과 전하이동도가 월등히 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 특히, 전자이동도는 지금까지 개발된 n형 플라스틱 반도체 중 세계에서 가장 높은 수준인 것으로 알려졌다. 이러한 성과를 인정받아 공동연구팀의 이번 연구는 화학분야의 세계적 권위지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 최신호의 표지논문으로 게재되는 동시에 주목할 만한 ‘주요 논문’으로도 선정됐다. 논문 교신저자인 POSTECH 조길원 교수는 “새로 개발된 n형 플라스틱 반도체는 높은 전자이동도를 나타내 향후 플렉서블 디스플레이뿐만 아니라, 유기 태양전지나 스마트 생·화학센서 등 유기반도체가 사용되는 다양한 분야에서 상당한 파급효과를 미칠 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또, 논문 공동교신저자인 경상대 김윤희 교수는 "이번 n형 플라스틱 반도체 개발에 사용한 불소화 곁가지를 다양한 고분자 재료에 도입하여 우수한 유기반도체 재료 개발을 이어나갈 것"이라고 말했다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업 '나노기반 소프트일렉트로닉스연구단'과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

제정호 교수팀, 기억과 신경질환 관련된 구리이온 정량 분석 성공

살아있는 뉴런과 빛으로 ‘교감’하는 세포내시경 개발 구리는 뇌신경이나 간, 생식기에 필요한, 우리 몸에 필수적인 물질이기도 하지만, 반대로 이 구리의 양이 변하면 치매로 불리는 알츠하이머나 난치병인 파킨슨, 혹은 루게릭병과 같이 심각한 퇴행성 신경질환을 일으키는 ‘두 얼굴’을 가진 물질이다. 그러나 세포 속에서 유지되어야 하는 구리의 양에 대해서는 아직까지 정확하게 알려지지 않았다. 신소재공학과 제정호 교수 ‧ 통합과정 이준호씨, 융합생명공학부 김경태 교수 팀이 살아있는 뉴런세포와 빛으로 교감하며 구리이온의 정확한 양을 측정하는 ‘세포내시경’ 기술을 최초로 개발, 재료분야 권위지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지를 통해 발표했다. 연구팀은 지금까지 정량적인 분석이 어려웠던 광학기술의 한계를 뛰어넘는 대뇌피질과 해마 뉴런에 들어 있는 구리이온을 정량적으로 측정하는데 성공했다. 특히 이 기술은 알츠하이머와 같은 퇴행성 신경질환의 조기진단은 물론 지금까지 뇌에서 우리의 기억이 만들어지는 미스터리를 풀어낼 것으로 학계의 기대를 모으고 있다. 구리이온은 신경계를 조절하는 물질로서, 알츠하이머와 같은 퇴행성 신경질환을 조기에 진단할 수 있으려면 우리 신경세포(뉴런) 속에 얼마나 분포되어 있으며 어느 수준이 적정한지를 파악할 수 있어야 한다. 그러나 기존 측정방식은 구리 이온을 별도로 측정하지 못하거나, 그 분석내용이 부정확하게 나오는 등 세포 속의 금속이온을 정량분석하기 어렵고, 방법에 따라 냉각된 세포에만 사용할 수 있거나, 독성이 세포에 들어갈 수 있다는 단점을 가지고 있었다. 연구팀은 구리이온과 반응하여 빛의 형광을 변화시키는 나노선 탐침을 개발, 빛으로 세포와 미세한 광학신호를 직접 주고받도록 해 세포에 형광인자를 주입할 필요가 없고, 빛이 산란되거나 흡수되는 현상을 최소화해 뉴런 세포 속 구리이온의 정량분석을 하는데 성공했다. 이처럼 살아있는 세포 속에서 구리 2가 이온만을 정량적으로 측정해낸 것은 제 교수팀이 최초다. 이 연구는 퇴행성 신경질환의 조기진단이나 치료에 응용될 수 있음은 물론, 생체정보의 모니터링이나 나노크기의 바이오센서로 적용할 수 있을 것으로 전망된다. 특히 구리이온은 뇌에서의 기억형성에도 관여하는 것으로 알려진 만큼 정확하게 어떠한 역할을 하는지에 대한 궁금증도 풀릴 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구성과는 한국산업기술진흥원의 KIAT 사업과 교육부와 한국연구재단의 BK21 플러스 사업의 지원을 받아 수행됐다.

홍석봉 교수팀, 설계를 통한 제올라이트 합성 “또” 성공

세상에서 가장 복잡한 구조 가진 ‘이산화탄소 흡착제’ 합성 칼슘 이온과 마그네슘 이온을 다량으로 포함한 센물(硬水)을 단물(軟水)로 만드는 역할을 하던 다공성 물질 제올라이트는 촉매나 분리제로 널리 활용된다. 특히 최근에는 이산화탄소를 흡착하는데 월등한 성능을 가지고 있으면서도, 수백번 흡착을 반복해도 기능이 떨어지지 않아 그 활용가능성이 기대되고 있다. 하지만, 이 제올라이트의 구조는 거의 밝혀지지 않아 필요에 따라 구조를 바꿔 합성하는 일은 어려운 일로 알려져 왔다. 환경공학부 홍석봉 교수, 신지호 박사, 연구원 서승완 · 민정기 · 조중연씨 팀은 이러한 제올라이트를 이론적으로 예측하고, 합리적으로 설계해 지금까지 알려진 제올라이트 구조 중 가장 복잡한 구조를 가진 제올라이트를 합성하는데 성공했다. 화학분야의 세계적 권위지 안게반테 케미(Angewandte Chemie)지를 통해 발표된 이 성과는 상위 5% 이내의 중요도를 갖는 ‘주요 논문’으로도 선정됐다. 촉매나 이온교환제 등으로 널리 활용되고 있는 제올라이트는 300만 종 이상의 서로 다른 구조가 존재하지만, 그 중에서도 고작 230여 종만이 구조가 밝혀진 상태다. 그래서 이 제올라이트의 기하학적 구조나 조성에 따른 특성을 활용하기는 어려웠고, 활용을 위해 특정 구조로 이루어진 제올라이트를 만드는 일 역시 쉽지 않았다. 230여 종의 구조 역시 처음부터 설계해 만들어진 것이 아니라, 어쩌다 보니 만들어진 ‘시행착오접근(Trial and error)’으로 만들어졌기 때문이다. 홍 교수팀은 일정한 규칙성을 가지고 구조확장을하는 RHO 제올라이트 군을 바탕으로 컴퓨터 모델링을 이용해 더욱 확장된 가상의 구조들을 예측하고 설계했다. 그리고, 이 제올라이트를 합성하기 위해 구조유도물질을 선택적으로 조절하는 한편, 실리카와 알루미나, 물 함량을 조절하는 합성방법을 이용해 새로운 제올라이트 2종 합성에 성공했다. 연구팀은 이 제올라이트에 각각 PST-26(PoSTech no. 26)과 PST-28이란 이름을 붙였다. 이들 제올라이트는 지금까지 알려진 제올라이트 중 가장 큰 단위격자 부피(422,655 Å3와 614,912 Å3)를 가졌으며, 결정학적으로도 가장 복잡한 구조임을 밝혀냈다. 지금까지 가장 큰 구조를 가지는 제올라이트는 같은 연구팀이 지난해 네이처(Nature)지를 통해 발표해 학계의 주목을 끈 PST-25였다. 연구를 주도한 홍석봉 교수는 “이번 연구성과는 기존에 단순히 우연으로만 이루어지던 제올라이트 합성방식에서 벗어나, 특정구조를 예측하고 설계를 통해 원하는 구조의 제올라이트 합성이 실제로 가능하다는 사실을 성공적으로 증명했다는 점에서 높은 평가를 받고 있다”고 의의를 밝혔다.

정완균 교수팀, 손쉬운 미세유체 제어기술 개발

손톱만한 칩 위의 작은 실험실, 로봇공학을 만나 더욱 ‘스마트’해졌다 기계공학과 정완균 교수․박사과정 허영진씨․석사과정 강준수씨가 로봇공학을 이용해 전문가가 아니라도 손쉽게 미세유체를 조절 할 수 있는 정밀 유량1 제어 기술을 개발했다. 향후 암 진단, 세포반응 분석 등에 쓰이는 초소형 바이오칩 개발에 응용이 가능할 것으로 기대된다. 손톱만한 크기의 칩 위에 놓인 작은 실험실이란 뜻의 ‘랩온어칩(Lab-on-a-chip)’. 피 한 방울과 같은 극소량의 샘플로 빠르고 쉽게 질병 여부를 판별하는 등 실험실에서 이루어지는 여러 가지 복잡한 실험이 가능한 최첨단 초정밀 실험기기이다. 이를 위해선, 극히 적은 양의 유체시료를 여러 채널로 나누어 보내거나 섞고, 그 흐름을 멈추는 등 원하는 대로 제어하기 위한 ‘미세유체 제어기술’이 핵심적이다. 소형 칩 등에 사용되는 미세유체 제어 기술에는 지금까지 주로 비례-적분-미분 (Proportional-Integral-Derivative, PID) 제어기’가 사용돼 왔다. 시스템 상의 원하는 값을 일정하게 얻기 위해 제어기가 오차 값을 계산, 보완해주는 방식으로 일종의 ‘튜닝’을 거치는데, 마이크로미터 수준의 아주 작은 시스템에서는 사소한 요인으로도 오차가 빈번히 발생 한다. 따라서 사용자가 제어기를 사용해 많은 오차를 정밀하게 조절해야 할 뿐더러 그 과정이 까다로워 숙련된 전문가가 아니면 어려움을 겪었다. 특히, 여러 채널의 흐름을 동시에 제어하는 등 더욱 고도화 된 기능을 요하는 시스템에는 적용이 어려운 것이 문제점으로 지적되어 왔다. 로봇공학을 전문적으로 다루는 정 교수 연구팀은 이러한 문제를 제어공학의 관점으로 새롭게 접근하여 해결책을 제시했다. 미세유체가 전류처럼 흐른다는 점에 착안, 오차 값 보완 및 유체의 흐름을 자동으로 제어 할 수 있는 알고리즘을 설계했다. 일종의 인공지능을 탑재한 셈이다. 그러자 사용자가 굳이 어려운 제어 과정을 거치지 않아도 되며, 자동화를 통해 오히려 안정성과 정밀도가 향상되는 결과를 얻었다. 또, 다수의 채널에 대해서도 동시에 독립적인 제어가 가능해 향후 ‘랩온어칩’ 장치에서 다양한 방식으로 활용될 수 있는 새로운 가능성을 열었다. 특히, 이 기술을 사용하면 기존의 생명과학 연구실에서 수행하던 세포배양 및 세포반응 분석 등도 초소형 세포칩 내에서 가능해질 것으로 전망된다. 물리적, 화학적 자극에 따른 세포의 반응도 더욱 세분화 된 수준에서 분석 가능 할 것으로 기대를 모으고 있다. 연구를 주도한 정완균 교수와 허영진씨는 “제어공학 관점에서 미세유체역학과 이를 이용한 바이오 연구에 기여하고자 이 연구를 시작 했다”며 “다양한 분야의 기반 기술이 총집합한 융합기술의 플랫폼인 ‘랩온어칩’의 발전에 큰 도움이 될 것이라 믿는다”고 의의를 밝혔다. 세계적인 학술지 ‘네이처’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'지에 최근 게재된 이 기술은 유체 흐름의 속도와 농도 등을 간단하면서도 세밀하게 조절 할 수 있어, 미세유체 시스템의 고도화에 꼭 필요한 연구로 향후 바이오칩 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단의 선도연구센터지원 사업(ERC)의 지원을 받아 수행됐다. 1. 유량(flow rates) 단위 시간당 흐르는 유체의 중량 또는 용량

POSTECH-美 시카고대 공동연구팀, SH2도메인의 세포막 지질 결합에 관한 연구

세포막 구성하는 ‘세포막 지질(脂質)’은 면역기능 움직이는 ‘보이지 않는 손’ 세포를 둘러싸고 있는 세포막의 주요성분인 지질은 최근 들어 몸 속 단백질의 결합을 조절할 수 있다는 사실이 밝혀지며 새롭게 주목을 모으고 있다. POSTECH과 미국 시카고대 공동연구팀이 이러한 세포막 지질과 생체 현상을 조절하는 단백질 속 SH2 도메인*1과의 새로운 상호작용을 밝혀내 주목을 모으고 있다. 융합생명공학과 김유미 교수․ 석사 박미정씨․통합과정 정다정 씨, 미국 시카고대 조원화 교수․렌 쉥(Ren Sheng) 씨 공동연구팀은 SH2 도메인의 세포막 지질 결합에 대한 연구를 몰레큘러 셀(Molecular Cell) 4월 7일자를 통해 발표한다. SH2 도메인은 암 발생, 면역 기능에 관련된 생체현상을 조절하는 단백질에서 자주 발견되며, 특히 신약 개발에 필요한 표적물질로서 그 기능에 대한 연구가 활발하게 진행되어 오고 있다. 특히 이 도메인을 통해 단백질이 서로 결합하는 현상은 세포의 정상적인 활동과 밀접하게 연관되어 있다. 연구팀은 세포막 지질이 단백질간의 결합을 조절할 수도 있다는 사실에 근거해 바로 이 SH2 도메인이 세포막 지질과 결합할 수 있는지 여부를 확인했다. 사람이 가진 총 121 종류의 SH2 도메인 중 76개를 살펴본 결과 거의 모든 SH2 도메인이 세포막 지질과 특이한 상호결합을 하고 있으며, SH2 도메인과 세포막지질의 상호작용이 대부분의 단백질 기능을 조절한다는 사실을 연구팀은 최초로 밝혀냈다. 특히 백혈구의 일종으로 세포성 면역에 관여하며 면역과 알레르기와 관련있는 T림프구의 신호전달 과정에서 세포막 지질과 SH2 도메인의 역할이 중요하며 이 과정에서 제대로 지질과 도메인이 결합되지 않은 경우 면역작용에 문제가 발생한다는 사실을 처음으로 제시해내 주목을 모았다. 연구를 주도한 김유미 교수는 “SH2 도메인은 암 생성을 유도하는 단백질이 가지고 있는 물질로, 이 단백질과 세포막 지질의 결합을 억제하는 물질을 개발할 수 있다면 새로운 암치료제로도 각광을 받을 수 있을 것”이라고 전망을 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 일반연구자 지원사업과 교육부의 WCU(World Class University) 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 공동 1저자 중 하나인 정다정씨는 지난 해 이 연구로 대학면역학회에서 우수 논문상(포스터)을 수상하기도 했다. 1. 도메인(domain) 단백질, 특히 분자량이 큰 구상단백질의 구성단위를 의미함.

최경만 교수팀, 소형 고체 산화물 연료전지 개발

간단한 조작만으로 하늘에 띄우는 소형 무인항공기 “드론”은 항공촬영에서부터 재난현장 수색, 택배까지 다양한 분야에 활용되며 신성장 분야로 주목을 모으고 있다. 하지만, 드론의 가장 큰 단점은 배터리 용량이 적어 1시간이 채 되지 않는 짧은 비행시간이었다. 이러한 드론의 문제점을 해결할 수 있는 ‘연료전지’가 POSTECH 연구팀을 통해 개발됐다. * 사진 설명: 최경만 교수, 김건중 씨 (좌로부터) 신소재공학과 최경만 교수․통합과정 김건중씨 팀은 스마트폰, 노트북, 드론이나 초소형 기기에 리튬 배터리를 대체할 수 있을 소형 고체산화물 연료전지를 개발, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 3월호를 통해 발표했다. 이번 성과는 소형 연료전지 뿐만 아니라, 자동차에 적용할 수 있는 대용량 연료전지로도 활용가능하다는 점에서 앞으로의 가능성을 더 높게 평가받고 있다. 고체산화물 연료전지는 3세대 연료전지로도 불리며, 고체산화물을 전해질로 사용해 다른 연료전지들에 비해 구조가 간단하고 전해질의 손실이나 부식의 문제가 없어 활발하게 연구되고 있는 연료전지 중 하나다. 이 연료전지는 공기 중의 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동해 음극의 수소와 반응하여 전류를 발생하는데, 통상 소형 산화물 연료전지에는 실리콘을 지지체로 사용해왔다. 그러나 이 방법은 전해질과의 열팽창 차이 등으로 인해 급격한 열화현상을 보이거나 내구성이 떨어져 실제 활용하기엔 어렵다는 문제가 있었다. 연구팀은 열이나 기계적 충격에 강하고 산화나 환원 반응에 안정성이 높은 스테인리스를 다공성 지지체로 만들고, 여기에 열용량을 최소화한 박막을 코팅해 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 기술을 세계 처음으로 개발했다. 물론, 여기에 활용되는 기판은 테이프캐스팅-압착-동시소결 방식을 이용해 대형화는 물론 상용화에도 대응할 수 있도록 했다. 이 연료전지는 550도에서 ~560 mW cm-2의 높은 출력밀도를 보여 고속 구동과 고 성능을 동시에 필요로 하는 스마트폰이나 노트북, 드론과 같은 이동용 전자기기에 적합할 뿐 아니라, 가격도 저렴하고 차세대 자동차용 전원으로 활용할 수 있는 대형 연료전지로도 개발이 가능할 것으로 연구팀은 전망했다. 이 연료전지를 이용하면 1시간 이상 하늘을 날 수 있는 드론은 물론, 1주일에 한 번만 충전해도 충분히 활용할 수 있는 스마트폰도 나올 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자과제의 지원으로 수행됐다.

이태우 교수팀 OLED 저가 대량생산 길 열어

용액공정 고효율 형광 OLED 개발로 차세대 디스플레이 산업 ‘파란불’ 스스로 빛을 내는 인광 유기발광소자(OLED)는 기존 액정표시장치(LCD)보다 가볍고 얇은 화면에 적은 전력 소모와 선명한 화질, 이리 저리 구부릴 수도 있어 ‘꿈의 디스플레이’라고 불릴 만큼 디스플레이와 조명산업에서 뜨거운 인기를 모으고 있다. 반면, 뛰어난 성능만큼이나 까다로운 공정과 비싼 몸값 탓에 아직 보급률은 LCD 등에 못 미친다. POSTECH 신소재공학과 이태우 교수 연구팀이 기존의 인광 OLED와 비슷한 수준의 발광효율을 지녔지만, 훨씬 간단하고 저렴하게 생산이 가능한, 고효율의 용액공정 지연 형광 유기발광소자(Solution-processed thermally-activated delayed-fluorescence organic light-emitting diodes) 개발에 성공했다. 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'지에 최근 게재된 이 기술은 단순한 공정과 낮은 생산비용에도 기존 18.3%에 그쳤던 발광효율을 24%로 크게 높여, OLED의 시장 점유율 및 저가형 디스플레이 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다. 이와 함께 일반인에게도 레이만스 초록 (Layman's abstract)을 통해 공개되는 최상위 논문으로 평가되기도 했다. 지금까지 OLED는 고가의 희토류 중금속을 포함한 인광1 발광체를 기반으로 진공증착 공정을 통해 제작되었다. 이러한 인광 발광소자는 높은 효율에도 불구하고 가격이 비쌀뿐더러, 진공에서 발광물질을 가열 후 증착 과정을 통해 기체 상태로 기판에 코팅하는 제작과정이 복잡하여 양산화에 어려움을 겪어왔다. 그에 비해 형광2 발광체를 사용, 용액 공정으로 기판 위에 잉크를 바르듯 코팅해 박막을 형성하는 방법은 간편하고 저렴하지만 발광 효율이 낮아 크게 주목받지 못했다. 연구팀은 용액공정 과정에서 발광체의 뭉침현상을 제어할 수 있는 용매를 사용하여 소자 표면에 발광층의 코팅이 매끄럽게 이뤄지도록 하고 박막의 균일도 및 발광 효율을 향상시켰다. 또한, 정공 주입층의 표면 성분 조절을 통해 일함수3를 높여 정공 주입 효율을 향상시켰을 뿐만 아니라 소자 안에서 빛을 내는 역할을 하는 여기자(엑시톤)의 소멸을 최소화했다. 이 기술로 용액 공정을 통한 지연 형광 OLED의 발광효율이 기존의 인광 OLED와 비슷한 수준까지 크게 증가했을 뿐만 아니라, 적색, 청색, 녹색 등 모든 빛을 낼 수 있는 발광소자를 최초로 구현하여 기존의 단점을 모두 보완한 OLED의 새로운 가능성을 열었다. 특히, 디스플레이 및 조명 산업에 직접적으로 사용이 가능하고, 고가의 희토류 중금속이 필요치 않은데다 기존의 공정보다 손쉬운 공정으로도 비슷한 수준의 발광 효율을 지녀, 대량 생산을 통한 저가형 디스플레이 시장의 포문을 열 것으로 기대된다. 후속 연구로 이 기술을 사용해 백색 발광도 구현이 가능해 질 경우, 조명 산업에도 널리 응용될 수 있을 것으로 전망된다. 연구를 주도한 이태우 교수는 “간단한 공법과 형광 발광체 사용으로 생산 비용이 크게 줄어든 반면, 기존의 증착 공정을 통한 인광 소자에 뒤지지 않는 발광효율을 지닌 형광 소자를 구현했다”며 “이번 성과로 용액공정을 통한 저가의 유기발광소자의 제조에 대한 관심이 더욱더 커질 것”이라고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 미래창조과학부 한국과학기술원의 지원으로 수행됐다. 1. 인광(phosphorescence) 물체에 빛을 쬔 후 빛을 제거하여도 장시간 빛을 내는 현상 또는 그 빛. 인광을 발하는 물체를 인광체라 하는데, 천연물로는 황화광물이 있고, 인공물은 알칼리토금속의 황화물에 중금속을 함유시킨 것이 있다. 2. 형광(fluorescence) 물질이 빛의 자극에 의해 발광하는 현상 또는 그 빛. 쪼인 빛을 제거해도 계속 발광하는 것을 인광, 빛을 제거하면 바로 소멸해 버리는 것을 형광으로 구별한다. 인광은 온도가 낮아지면 밝기가 감소하나 형광은 오히려 증가하는 특징이 있다. 3. 일함수(work function) 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지