Research

김동표 교수팀, 유독성 물질 누출 없는 밀봉화학반응 시스템 개발

세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션 연구결과 발표 유독물질 안전 사용 시스템 개발로 고부가가치 화학물 생산 안전성·효율성 높여 인체에 닿으면 발암 및 사망에 이를 수 있는 위험성이 매우 높은 유독성 화학물질. 이 물질 생산 과정에서 유독성 물질 노출을 완전히 차단시켜 안전성과 효율성을 높인 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 리더연구자지원사업 (창의적 연구)의 지원을 받은 김동표 교수 연구팀(포항공대)이 모든 액체에 젖지 않는 양쪽 초소수성1 특수 분리기를 장착한 밀봉화학 반응시스템을 개발하여 유독물질의 생산부터 분해․배출 등 일련의 전 과정에서 유출가능성을 완전 차단한 안전화학 공정을 수행할 수 있게 되었다고 밝혔다. 최근 대학연구실, 화학공장 및 산업현장에서 고위험 유독성 화학약품 관련 안전사고가 빈번히 발생하여 유독성 물질의 안전성을 높일 수 있는 새로운 방안이 시급하다. 이에 김동표 교수 연구팀은 어떤 액체에도 젖지 않는 양쪽 초소수성 나노와이어 특수 분리기2를 개발하여 고위험 화학물질을 생산하고 분리·정제하여 응용한 다음 잔유물질의 분해 배출까지의 일련의 전 과정을 미세한 파이프 라인을 따라 수행하는 밀봉화학반응 시스템3을 개발했다. 휘발성이 높은 유독혼합물을 분리·정제할 때 외부노출이 완전 차단된 일괄공정 방식이 이상적이나, 기존의 분리방식은 노출 위험성이 크다. 가령 발암성 클로로메틸메틸에테르(CMME)4는 휘발성이 크기 때문에 취급 시 외부 누출사고 발생 가능성이 높다. 연구팀은 불안정한 기존의 이러한 증류 분리방식으로 인해 생기는 문제점을 극복하기 위해 실리콘 나노와이어5의 초소수성을 이용한 특수 분리기를 개발하여 유독성 기체물질을 효과적으로 분리하였다. 그 결과, 원료주입에 의한 유독성 물질의 생산부터, 분리, 응용 및 분해에 이르는 전 과정을 밀봉된 파이프 라인에서 수행함으로써 외부노출 가능성을 완전 차단하였다. 뿐만 아니라 공정과정 내 효율성도 높아지면서 공정시간을 단축했다. 2차 전지용 멤브레인6의 성능은 음이온 교환 수지의 클로로메틸화7 정도에 의해 크게 좌우되는데 기존 공정에 비해 밀봉화학반응 시스템에서는 공정시간은 1/4 수준으로 단축하고 클로로메틸화 수율은 약 12% 향상시켰다. 또한 각종 의약품 및 천연물 합성 시에도 안전하고 높은 효율을 나타냈다. 김동표 교수는 “이번 연구는 산업적으로는 유용하지만 생산 및 취급 시 안전사고가 빈번한 맹독성 중간 화학원료를 안전하면서도 높은 효율로 생산할 수 있는 환경친화적 신화학공장 모델 확립 가능성을 보여 주었으며, 산업체에서 연소혼합물 내 휘발성 물질을 분리 응용하는데 있어서도 지속가능형 그린 화학공정 및 시스템으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다. 세계적 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 2월 26일자에 게재되었다. [용어 설명] 1. 양쪽 초소수성 : 물과 기름 등 대부분의 액체에 젖지 않는 표면 특성을 의미함. 2. 양쪽 초소수성 나노와이어 특수 분리기 : 양쪽 초소수성 나노와이어는 기체는 통과시키고, 액체에는 젖지 않는 과학적 현상에 착안하여 새롭게 고안된 기체-액체 특수 분리기 3. 밀봉화학반응시스템 : 맹독성 화학물질의 생산부터 잔존물 분해배출까지 일련의 전 과정을 밀폐된 미세 파이프라인에서 연속 수행할 수 있는 안전화학 반응장치로서, 유독물질의 외부 유출가능성을 완전 차단한 화학공정에 적용하였음 4. 클로로메틸메틸에테르 : 의약품 및 천연물질의 합성 혹은 2차전지 멤브레인용 음이온교환 고분자를 제조할 때 사용해야 하는 발암성 유독화합물질 5. 실리콘 나노와이어 : 반도체 실리콘 표면을 화학적으로 부식시켜 제조한 머리카락의 약 1,000분의 1 굵기의 나노침(선) 평판 구조체 6. 2차 전지용 멤브레인 : 양극과 음극간의 접촉을 차단하는 나노기공을 가진 분리막으로 이온만을 선택 통과시켜 전지기능 수행케 하는 필터 7. 클로로메틸화 : 전지용 음이온교환 전해질 분리막을 제조하기 위한 할로겐화 처리법으로서 클로로메틸화법이 가장 일반적으로 사용 * 본 보도자료는 한국연구재단에서 작성 되었습니다.

송승우 박사팀, 압전자석의 강유전성 발현원인 규명

새로운 상온 다강체 ‘가능성’ 열었다 강유전체는 외부의 전기장이 없어도 마치 건전지처럼 스스로 전기적 분극을 유지할 수 있는 물질로, 쉽게는 가스레인지의 착화기(압전성)에서부터 전원이 없어도 정보가 사라지지 않는 차세대 메모리로 알려진 F램 등에 활용된다. 이러한 강유전체는 강유전 분극이 바뀌는 성질을 바탕으로 다양한 전자 소자에 응용되고 있다. 따라서 강유전체 연구에 있어 강유전 분극을 바꾸는 강유전 전환 현상에 대한 규명은 필수적이다. 첨단재료과학부 송승우 박사(지도교수 장현명)팀은 네이처가 발간하는 NPG 아시아 머터리얼스(NPG Asia Materials)지를 통해 다강체이자, 압전자석으로도 알려진 GaFeO3 박막에서 상온에서도 생겨나는 강유전성의 원인을 밝혀내는 한편, 이 박막을 통해 상온에서도 충분히 활용할 만한 큰 분극량을 처음으로 측정하는데 성공했다고 발표했다. 다강체는 강유전성과 함께 자성을 동시에 가지는 독특한 성질을 가진 희귀한 물질로 강유전체로서의 특성과 자기적 특성을 동시에 가지고 있어 차세대 메모리 소자로의 응용이 기대되는 물질이다. 특히 GaFeO3 란 물질은 지금까지의 연구결과를 살펴보면 이론적으로 예측된 분극량에 비해 50배나 적은 분극량이 관찰되어 왔는데, 연구팀은 우선 더욱 강한 전기장에도 견딜 수 있도록 훨씬 높은 결정성을 가지는 박막을 합성했다. 그리고, 이 박막에 기존 연구에서 가한 것보다 훨씬 큰 전기장을 가해 이론적으로 예측되어 온 분극량을 측정하는데 성공했다. 이후 범함수 밀도론을 이용한 계산을 통해 실제로 강유전성을 나타내기 위해서는 기존의 보고되었던 실험에서 가한 전기장보다 훨씬 큰 전기장을 가해주어야 한다는 사실을 밝혀냈다. 이 연구는 전기적으로 조절 가능한 마이크로파 소자는 물론 비휘발성 자기메모리 개발에 응용할 수 있으며, 스핀트로닉스(spintronics) 중에서도 전기적 저항을 크게 조절할 수 있는 자기저항 센서를 개발하는데 활용될 것으로 전망된다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자․일반연구자 지원사업 및 BK21 PLUS 첨단 기능성 신물질 시스템 기초연구의 지원을 받아 수행됐다

황동수 교수 연구팀, 멍게에서 시린이 치료소재 개발 성공

해양수산부(장관 김영석)는 시린이 증상을 효과적으로 개선할 수 있는 치료소재를 멍게의 생명현상에서 착안해서 개발했다고 밝혔다. 멍게는 염분과 조류 등에 둘러싸인 거친 바다 속에서도 수 시간 내에 상처를 회복할 수 있다. 이는 물속에서도 멍게의 상처 난 조직을 잘 붙일 수 있는 접착물질 때문이다. 해양수산부의 ‘해양섬유복합소재 및 바이오플라스틱 소재기술개발’ 연구사업에 참여하고 있는 황동수 교수팀(POSTECH)은 이 같은 멍게의 상처회복 메커니즘을 활용해서 보다 안전하고 저렴한 시린이 치료소재를 개발해냈다. 시린이 증상을 치료하는 방법으로는 칼륨 이온이 포함된 치약을 사용하여 일시적으로 시린 증상을 느끼지 못하게 하는 방법과 노출된 치아 하단부를 코팅하여 외부자극에 노출되지 않도록 하는 레진 도포법 등이 있다. 그러나 치약은 통증완화 효과가 일시적이고 다수의 환자에게 동일한 효과를 내지 못하는 문제가 있다. 또한 레진 도포법은 칫솔질이나 음식 섭취과정에서 코팅이 벗겨지는 경우가 발생하는 등 안전성에 대한 우려가 있다. 이번에 개발된 치료소재는 멍게의 혈액에서 추출한 갈산(gallic acid)을 이용하여 기존 소재보다 생체 안전성이 높고, 보다 빠른 시간에 치료가 가능하며, 가격경쟁력이 우수하다. 황동수 교수팀과 서울대 치과대학(안진수 교수)의 실험 결과, 단 5분 만에 치아 코팅효과가 나타났다. 단순 코팅효과뿐만 아니라, 본 치료소재가 타액의 칼슘성분과 결합하여 골(骨)성분을 생성하여 손상된 치아를 건강하게 만드는 치아복원 효과도 확인하였다. 이번 연구성과는 저명 국제학술지(Advanced Healthcare Materials)에 게재됐다. 올해 치과용 재료 벤처기업 ㈜베리콤과 기술이전 계약을 체결하여 치과용 치료소재로 개발‧시판할 예정이다. 시린이 치료용 치약으로도 개발하기 위해 치약제조업체와의 기술이전도 협의 중에 있다. 국내 시린이 관련 시장은 연간 710억원 규모로 급속한 고령화와 웰빙에 대한 관심 증가에 따라 시린이 치료제 및 관련 제품에 대한 수요는 빠르게 증가하고 있다. 그러나 현재 국내 시판되고 있는 시린이 치료제품들은 전량 해외에서 수입되어 고가로 판매되고 있는 실정이어서 국내 연구진의 이번 성과가 더욱 의미 있다고 할 수 있다. 이상진 해양수산부 해양수산생명자원과장은 “이번에 개발된 시린이 치료제는 치료효과와 인체안전성에서 기존제품보다 우수할 뿐만 아니라 저렴한 생산단가로 국민의 치료비 부담을 덜어줄 수 있는 좋은 성과이다.”라면서, “해양수산부는 앞으로도 풍부한 해양생명자원을 활용하여 국민생활에 도움이 되는 소재를 개발할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 밝혔다. * 본 보도자료는 해양수산부에서 작성 및 배포 되었습니다.

임근배 교수팀, 손바닥만한 칩 속 DNA ‘감별사’ 개발

기계 임근배 교수팀, 마이크로 칩 내 입자에 작용하는 수력학‧전기적 힘에 관한 핵심원리 정량적 분석 * 사진설명: 임근배 교수, 전형국 씨, 김영규 씨(좌로부터) ‘칩 속의 실험실’이란 의미의 ‘랩온어칩(Lab on a chip)’은 피 한방울 만으로도 다양한 질병을 바로 진단해낼 수 있어 편리하고 효율이 높은 첨단 기술로 알려져 있다. 하지만, 작은 칩 속에서 자동으로 피 속의 단백질, DNA를 빠르게 분리하고, 정확하게 진단해야 하기 때문에 바이오칩 연구 중에서도 가장 어려운 연구로 꼽힌다. POSTECH 기계공학과 임근배 교수, 통합과정 전형국‧학부 김영규씨 팀은 이러한 랩온어칩에 가장 중요한 기술 중 하나인 입자 연속 분리 기술을 새롭게 개발, 이 분야 권위지인 네이쳐 자매지 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)를 통해 발표했다. 연구팀은 마이크로 칩 내에 들어온 입자에 작용하는 수력학적‧전기적 힘에 관한 핵심원리를 밝힘과 동시에 수십 마이크로미터(㎛)에서 수 나노미터(nm) 크기에 이르기까지 다양한 크기의 입자들을 분리하는 데에도 성공했다. 특히 이 분리 기술은 장치 속 전극이 아니라 외부의 전극을 이용해 훨씬 간단한 방법으로 우수한 분리효율을 보여 활용 가능성을 기대케 한다. 마이크로 칩 속에서 입자를 분리하는 대표적인 기술은 전기영동*1력을 이용한 것으로 주로 장치 내의 전극을 이용하는데, 이 기술은 분리 과정에서 기포가 발생해 정확한 분리를 할 수 없다는 단점이 있었다. 임 교수팀은 압력 구동 유동*2과 전기장을 동시에 칩에 일으키며 입자들의 움직임을 조절하고 원하는 대로 분리하는 한편, 이에 따른 유체 저항력과 전기영동력을 분석했다. 그 결과 외부의 전극을 이용해 기존의 칩보다 훨씬 간단하면서 값싼 장치 제작이 가능하고, 기포 문제 역시 일으키지 않는 새로운 입자 분리기술을 개발했다. 이 기술은 세포 크기부터 세포 크기의 1/1000 보다 작은 크기의 입자까지 다양한 입자들을 분리해낼 수 있어 생화학 분석 장치나 검출 장치에 활용할 수 있을 뿐 아니라, 분리 장치의 구조가 작고 간단해 단백질이나 DNA와 같은 생체분자 분리에도 활용될 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 1. 전기영동 전극 사이의 전기장 속에서 용액 속의 전하를 가진 입자들이 반대 전하의 전극을 향해 이동하는 화학 현상 2. 압력 구동 유동 압력 차이에 의해 액체 또는 기체 상태의 물질이 흘러 움직이는 현상

포스텍-하버드 공동연구팀, 빛을 이용한 스마트 광의약 개발

피부에 바른 후 빛을 쪼여 백신 및 피부접합 효과 유도 신소재공학과 한세광 교수, 김혜민 연구원이 하버드 의과대학 윤석현 교수, 김기수 연구원과 국제 공동연구를 통해 빛을 이용한 피부투과 백신 및 피부접합 광의약*1 기술을 개발했다. 연구팀은 생체고분자 히알루론산*2의 높은 피부투과도에 주목, 히알루론산-백신 접합체를 피부에 발라 조직 내에 백신을 전달한 후 빛을 쪼이는 방법으로 면역 효과를 극대화하는데 성공했다. 백신을 주사하는 대신 피부에 발라 흡수시키는 이 기술은 백신 투여 시의 감염 위험은 낮추고 환자의 편의성을 높인 것으로 평가된다. 또, 상처 부위에 생체적합성 광감응 염료를 바른 후 생체고분자 도파관으로 빛을 쪼여 피부 조직 내 콜라겐이 서로 결합하는 가교반응을 일으킴으로써 피부를 원래대로 접합 및 복원하는 기술도 함께 개발해 학계의 주목을 받았다. 특히, 이번 연구에서 사용된 광도파관*3은 체내에서 분해되기 때문에 별도의 제거과정이 필요하지 않다는 장점이 있다. 이번 연구 결과는 재료 분야의 국제 저명 학술지인 Advanced Functional Materials와 세계적 종합학술지 Nature Communications ‘주목할 만한 논문(Featured Article)’로 온라인 판에 각각 게재됐다. 한 교수는 “앞으로도 하버드 의대와의 지속적인 공동연구를 통해 다양한 광의약 기술을 개발하는데 전력을 다할 것”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업과 중견연구자 지원사업을 통해 수행되었다. 1. 광의약 (photomedicine) 레이저 등 빛을 이용한 치료 기술을 의약소재에 접목하여 피부질환 치료, 항암치료, 성형수술, 피부과 시술 등에 적용하는 최첨단 의약 분야이다. 2. 히알루론산 (hyaluronic acid) 피부, 근골격계, 관절, 안구 등에 존재하는 생체고분자로써 피부 및 점막 점착성, 점탄성, 생체적합성 등이 우수하여 관절염 치료제, 안과 수술 보조제, 성형 수술용 필러, 약물전달 및 조직공학 재료 등으로 활용되고 있다. 3. 광 도파관 (optical waveguide) 빛을 투명한 매질 내에 가두어 원하는 방향으로 전파시키는 것을 말한다. 대표적인 것으로 광섬유가 있다.

조길원 교수팀, 非풀러렌계 유기반도체 신소재 개발

풀러렌 대체할 ‘유기태양전지’ 반도체 신물질 개발 * 사진설명: 조길원 교수, 랜비더(Ranbir) 박사, 이재원 박사(좌로부터) 값싼 유기염료를 이용, 식물이 광합성을 하듯 태양에서 전기를 만들어내며, 종이처럼 가볍고 구부릴 수 있는 차세대 에너지 소자 ‘유기태양전지’는 상용화하기엔 아직 갈 길이 멀다. 특히 공을 닮은 물질 ‘풀러렌’을 이용한 태양전지는 단가도 높을 뿐 아니라, 공기노출에 쉽게 변질되는 등 이상적인 태양전지 제작을 위해서는 단점이 많았다. POSTECH 화학공학과 조길원 교수, 이재원 박사, 랜비어(Ranbir) 박사 연구팀은 풀러렌 유도체를 대체할 수 있는 새로운 유기반도체 단분자 물질을 개발, 이를 이용한 유기태양전지를 만드는데 성공했다. 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 최신호 표지논문으로 발표된 이 성과는 특히 이 분자가 가진 3차원 입체구조가 빛흡수율이나 전하이동도를 높여 유기태양전지의 성능을 향상시키고 특히 인쇄공정에 최적화되어 있어 대량생산 가능성도 높여 학계의 주목을 받았다. 풀러렌은 전도성이 높아 지금까지는 풀러렌을 이용한 유기태양전지가 널리 이용되어 왔지만, 공 모양의 입체구조를 가진 풀러렌은 생산단가가 높을 뿐 아니라 산화안정성이 떨어지는 등 상용화에는 걸림돌이 되는 단점을 많이 가지고 있었다. 연구팀은 풀러렌에 비해 값이 싼 페릴렌다이이미드(Perylenediimide)를 활용한 3차원 분자구조체 제작에 성공, 이를 이용해 유기태양전지에 들어가는 반도체를 만들었다. 이 구조체는 풀러렌에 비해 생산비용이 훨씬 저렴하고, 산화안정성도 훨씬 높은 것으로 확인됐다. 또한 이 유기반도체의 3차원 입체구조가 전하이동도를 크게 향상시키고, 기존 풀러렌 유도체에 비해 자외선영역에서의 빛흡수도 높여 광전류가 증가한다는 것을 발견하였다. 더욱이 이 단분자는 용매에도 잘 녹아 큰 면적의 유기태양전지를 제조할 때 쓰이는 인쇄공정에도 적합할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구성과는 우수한 태양전지로 응용할 수 있는 새로운 유기반도체 단분자의 분자설계 기준을 제시한 것”이라며 “이 단분자는 인쇄공정이 가능해 고효율, 저비용 유기태양전지 상용화에 기여할 것으로 전망된다”고 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 소프트일렉트로닉스연구단의 지원으로 수행됐다.

이태우 교수팀, 금속 나노선 프린팅 이용, 고집적 멤리스터 어레이 제작

무어의 법칙 이어갈 멤리스터 어레이*1 제작 기술 개발 가까운 미래에 한계에 다다를 것으로 예상되는 무어의 법칙은 동일한 크기의 칩에 저장할 수 있는 데이터의 양이 18개월마다 2배씩 늘어난다는, 반도체의 집적도에 관한 법칙이다. 데이터의 양이 2배로 늘어난다는 의미는 반도체에 2배로 정교한 회로를 그려 넣는 기술이 필요하다는 의미로, 이미 예상보다 빠르게 발전하고 있는 지금에 와서는 이를 위한 기술이 비용이나 공정 면에서 상용화하기 어렵다는 문제점으로 이어지고 있다. 신소재공학과 이태우 교수, 연구교수 Wentao Xu, 박사과정 이영준씨는 나노와이어(nanowire, 나노선) 정렬 프린팅 공정을 이용해 고집적 메모리소자인 멤리스터(memristor)*2 어레이를 제작하는데 성공했다. 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지 인사이드 커버 논문으로 게재된 이 기술은 공정 속도가 빠르고 생산비용이 저렴할 뿐 아니라, 눈에 보이지 않는 미세한 나노선을 이용해 투명 전자소자나 웨어러블 기기 소자의 상용화에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 나노선은 원하는 방향과 위치에 맞게 조절하는 것이 어려워 실제로 큰 면적과 고집적도를 가진 전자소자로 구현하기 힘들다는 단점이 있었다. 연구팀은 전기장을 이용, 금속 나노선을 기판 위에 직접 정렬시키는 기술을 메모리 소자 어레이 제작에 응용했다. 이 기술로 크로스바(cross-bar) 모양으로 두 번의 교차 정렬로 프린팅된 금속나노선을 이용해 3층의 금속-산화물-금속 커패시터 구조를 만드는 아주 빠르고 간단한 공정으로 고집적 메모리 어레이를 구현해냈다. 나노구조체의 패턴형태나 간격을 자유롭게 조절할 수 있어 소자의 특성이나 집적도도 쉽게 제어할 수 있으며, 이런 방식을 이용하여 초정밀의 나노 프린터를 만들게 되면 궁극적으로 아주 작은 크기의 메모리 소자 제작도 가능해져 곧 한계에 다다를 것으로 예상되는 무어의 법칙도 이어갈 수 있을 것으로 기대된다. 또 곡선형태의 나노구조체를 제작해 신축성과 유연성을 가진 멤리스터 소작 제작도 가능해 섬유나 웨어러블 형태의 메모리 어레이 제작도 가능해진다. 연구를 주도한 이태우 교수는 “기존의 멤리스터 제조 방법에 비해 시간과 비용이 크게 줄어들었을 뿐 아니라 공법도 간단해져 프린팅 기술을 이용한 고집적 메모리 소자의 응용성을 높일수 있을 것”이라며 “특히 이번 성과는 입는(wearable) 컴퓨터, 섬유 전자소자, 플렉서블(flexible) 전자소자 등을 위한 원천기술로 응용될 것”이라고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부가 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업(뉴로모픽 반도체 소자응용 기술 연구단)과 글로벌프론티어 사업(나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단)의 지원으로 수행됐다. 1. 어레이(array) 구조나 기능면에서 공통적으로 사용되는 장치나 패널을 복수로 조합한 것. 2. 멤리스터(memristor) 메모리와 레지스터의 합성어로 이전 상태를 모두 기억하는 메모리 소자. 전원공급이 끊어져도 직전에 통과한 전류의 방향과 양을 기억하기 때문에 전원이 다시 공급되면 기존 상태가 그대로 복원된다.

화공 차형준 교수팀, 내구성 우수한 단백질 하이드로젤 개발

지구 표면의 71%를 차지하는 바다에는 아직까지도 밝혀지지 않은 생명체들이 많아 그 응용가능성이 무한하게 여겨지고 있다. 그 가운데에서도 살짝 건드리기만 해도 늘어났다 줄어들면서 길이가 5~10배까지 차이가 나는 ‘스타렛 말미잘(Starlet Sea Anemone)’의 유전자를 재설계해 만든 실크 단백질로 생체에 적합한 단백질 하이드로젤이 처음으로 개발됐다. 이 하이드로젤은 생체분자를 나르는 이동체, 조직공학 및 의공학에서 줄기세포를 몸속에서 배양시키기 위해 필요한 지지체 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 화학공학과 차형준 교수팀은 스타렛 말미잘 속에 실크와 유사한 성질의 단백질을 모사한 말미잘 유래 실크유사단백질을 이용, 생체적용이 가능한 바이오소재로 개발하는데 성공했다. 바이오소재 분야 권위지인 ‘바이오매크로몰리큘(Biomacromolecule)’을 통해 발표된 이 하이드로젤은 동물의 심장이나 근육에 비해 10배 높은 단단한 성질(강성)을 가지고 있어 바이오소재로서 활용가능성이 높아 주목을 모으고 있다. 오랜 세월 섬유로 활발하게 활용되어온 실크 단백질은 알레르기나 염증반응을 일으키지 않을 뿐 아니라 신축성과 강도가 뛰어나 조직공학이나 의공학, 수술용 봉합사, 약물전달물질의 소재로서 새롭게 각광을 받고 있다. 하지만 누에에서 나오는 실크는 상대적으로 강도가 약해 사용하기에는 제약이 있고, 거미의 실크는 강도가 뛰어나지만 서로 잡아먹는 거미의 특성 때문에 양식이 불가능하다. 또한 하이드로젤 역시 세포의 포집과 생육에 유리해 생체조직이나 장기를 이식할 때 재생하는 세포의 성장을 조절하는 ‘지지체’로 각광을 받고 있다. 특히 단백질로 만든 하이드로젤은 생체 친화적인 소재지만 몸속에서의 물리적 충격에 쉽게 부스러져 사용하기 어려웠다. 연구팀은 하이드로젤을 만들기 위하여 말미잘 실크유사단백질 속에 있는 다량의 타이로신(tyrosine) 잔기를 청색광을 이용해 다이타이로신(dityrosine)으로 유도했다. 이 다이타이로신은 성게의 가시, 곤충의 인대와 같이 단단한 구조물에서도 찾아볼 수 있는 구조로, 단백질의 안정성과 유연함을 가지도록 하는 구조다. 이렇게 개발된 단백질 하이드로젤은 실크로서의 장점인 신축성과 생체친화성을 그대로 가지면서도 우수한 내구성을 가지고 있어 지지체 뿐만 아니라 세포를 모으는 패치, 생체분자를 모아 나르는 이동체 등 다양한 조직공학 및 의공학 분야에서 활용될 수 있다. 연구를 주도해온 차형준 교수는 “이번 연구는 말미잘의 수축과 이완을 관찰해 해양생물이 가진 독특한 반복서열을 가진 단백질을 적용한 연구”라며 “쉽게 부서지는 기존의 단백질 하이드로젤 지지체의 단점을 극복했을 뿐 아니라 새로운 원천소재와 기술을 확보해 바이오 소재의 범위를 한층 넓힌 성과로 평가받고 있다”고 밝혔다. 한편, 이 연구는 해양수산부가 추진하는 해양수산생명공학기술사업의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’의 지원을 받아 수행됐다.

이태우 교수팀, 인광 OLED 효율 수준의 저가 고색순도 페로브스카이트 발광다이오드 발표

21세기 가전시장은 소비전력이 낮고 효율이 높아 조명을 비롯하여 TV, 휴대폰 등 디스플레이에 폭넓게 활용되는 LED(발광다이오드)가 주도하는 ‘LED 시대’다. 보다 저렴하면서도 전력을 적게 소비하는 LED 개발을 위해 다양한 화합물들이 고안되고 있는 가운데, 미래 태양전지 소재로 각광을 받고 있는 유무기 페로브스카이트 소재를 이용한 LED, PeLED의 상용화 기술이 국내 연구진이 주도한 공동연구팀을 통해 발표됐다. 현재 이용 중인 LED에 비해 소재의 가격이 낮은 것은 물론 색순도*1가 높아 감성을 자극할 천연색 이미지 구현이 가능해 산업계의 기대를 높이고 있다. 신소재공학과 이태우 교수팀은 영국 케임브리지대학 R. H. Friend 교수팀, 경희대 임상혁 교수팀, GIST 이창렬, 명노성 박사, KAIST 유승협 교수와 함께 그동안 태양전지 소재로서 경쟁적으로 연구되어온 페로브스카이트 소재를 이용한 발광 다이오드의 발광 효율의 기존 한계를 극복하는 기술을 Science를 통해 발표했다. 인광 OLED나 QD-LED(양자점 발광 다이오드)와 비슷한 수준의 효율을 가진 PeLED(페로브스카이트 LED)를 세계 최초로 구현하는데 성공한 이 성과는 과학 분야 세계 최고의 권위지 Science 4일자를 통해 발표됐으며, 지금까지 낮은 효율로 상용화가 어려운 것으로 알려졌던 PeLED의 본격적인 시대를 연 것으로 평가받고 있다. 이미 다양한 제품으로 제조되어 잘 알려진 OLED는 발광효율은 좋지만 발광체 소재의 가격이 비싸고 색 조절 과정이 복잡한데다 색순도와 전하이동도도 낮다는 단점을 가지고 있어 높은 효율을 가지고 있으면서도 더 우수한 색순도를 구현할 수 있고 저가로 생산할 수 있는 새로운 LED 개발이 필요한 상황이다. 페로브스카이트는 태양전지 소재로서는 최근 3년간 특허 출원 증가율이 연평균 120%에 달할 정도로 많은 관심을 모으고 있지만, LED로서는 발광 세기나 효율이 낮아 페로브스카이트를 이용해 LED를 만들려는 관심은 상대적으로 매우 낮은 편이었다. 이는 페로브스카이트에서 형성된 엑시톤*2의 결합에너지가 낮아 상온에서 전하로 분리되며 쉽게 소멸되는 특성 때문이다. 이러한 특성은, 태양전지로는 유용하게 활용될 수 있지만 LED에서는 발광 효율을 크게 저해하는 한계점으로 작용한다. 하지만 이 소재는 OLED나 QD-LED에 비해 재료가격이 약 1/10 수준인데다 OLED에 비해 훨씬 높은 색순도를 가지고 있어 천연색의 이미지를 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 소재로서의 가능성을 가지고 있다. 연구팀은 균일하지 않은 페로브스카이트 발광층과, 엑시톤 확산거리에 영향을 주는 결정입자(grain)가 큰 점, 박막 속에서 금속성 납 원자가 형성되는 점을 발광효율을 낮추는 요소로 판단했다. 이를 해결하기 위해 “나노결정 고정화”라는 새로운 박막 형성 공정을 개발, 박막을 균일하고 평평하게 하면서 결정입자의 크기는 크게 줄였고, 박막 형성 시 화학양적 조절을 통해 납 원자의 형성도 막아 발광 효율을 낮추는 요소를 없앴다. 이를 통해 연구팀은 PeLED의 발광 효율을 대폭 향상시키는 한편 대면적(2cm X 2cm 픽셀)의 PeLED를 최초로 구현하는데 성공함으로써, 고효율 PeLED의 저가 대량 생산의 가능성을 제시했다. 이렇게 만들어진 PeLED는 반치폭이 ~20nm에 이르는 높은 색순도를 가지고 있으며 물질 합성과정이나 색 조절이 아주 간단하기 때문에 기존에 사용되어온 LED나 QD-LED를 효과적으로 대체하는 차세대 디스플레이로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 POSTECH 이태우 교수는 “이번 연구는 상온에서 쉽게 발광이 소멸되는 현상 때문에 상용화 가능한 수준의 발광 효율을 보이는 소자를 구현하는 것이 어려운 것으로 알려져 그간 주목받지 못했던 PeLED가 상용화된 OLED에 아주 근접한 효율을 처음으로 보여준 결과”라며 “기존 OLED보다 색순도가 우수하기 때문에 앞으로 고색순도 저비용 디스플레이와 조명산업에 큰 영향을 줄 것”이라고 설명했다. 이 교수는 또, “이번 연구로 페로브스카이트 반도체 소재가 태양전지 뿐만 아니라 다른 주요 광전자소자에서도 성능이 우수할 수 있다는 가능성에 대해서 전 세계 연구자들의 큰 관심을 이끌어낼 수 있으며, 우리나라 연구자들이 연구를 주도한 만큼 앞으로 우리나라가 OLED의 다음 세대 디스플레이 및 조명 기술로 각광 받는 PeLED 분야에서 선구자적 역할을 할 수 있을 것”이라고 전망을 밝혔다. 한편, 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터(SRFC-MA1402-07)의 지원을 받아 수행됐다. 1. 색순도 발현된 색이 원색과 얼마나 가까운지를 나타내는 말로, 색순도가 좋을수록 원색에 가깝다. 발광 스펙트럼의 중간 위치에서의 넓이(반치폭)으로 색순도를 평가할 수 있다. 디스플레이에서는 빨강, 녹색, 파랑 삼원색을 사용하여 구현할 수 있는 색의 영역이 정해지기 때문에 색순도가 좋은 삼원색을 사용해야 천연색에 가까운 이미지를 구현할 수 있다. 2. 엑시톤 절연체나 반도체에 있어서 전도대(conduction band)에 여기(勵起)된 전자(電子)와 가전자대(valence band)에 남아 있는 정공이 쿨롱 인력으로 결합하여 1쌍이 되어 있는 중성의 준입자(準粒子)를 형성한 것. 엑시톤은 여기자(勵起子)라고도 한다.

신소재 황현상 교수팀, 뉴로모픽 핵심기술 시냅스․뉴런소자 구현

인간의 두뇌 닮은 ‘똑똑한’ 반도체소자 개발 “현관에서 신발을 신으며 나설 채비를 하자 주차장의 자동차가 스스로 시동을 걸고 집 앞부터 목적지까지 데려다준다.” 꿈같은 이야기로 들리지만, 기계에 사람의 두뇌처럼 복잡하고 섬세한 신경망이 있다면 현실에서 충분히 가능한 일이다. 수많은 신경세포가 연결된 인간의 뇌를 모사해 다양한 정보를 동시에 처리하고 기억하게 하는 뉴로모픽*1 기술이 인공지능의 핵심으로 떠오르는 가운데, 국내 연구팀은 간단한 구조로 이런 뇌의 신경망을 구현한 반도체소자 개발에 성공했다. 신소재공학과 황현상 교수 연구팀은 병렬적인 정보 처리와 학습이 가능한 초소형․초절전 뉴로모픽 소자를 개발해 최근 미국에서 열린 반도체소자 분야의 권위 있는 학술회의인 국제전자기기회의(IEEE International Electron Device Meeting, IEEE IEDM)에서 발표했다. 컴퓨터를 비롯한 오늘날의 기계는 수학연산처럼 정형화 된 작업을 빠르고 정확하게 수행하지만, 사람처럼 사물과 환경을 인식하고 돌발 상황에서 정보를 유추해 내는 작업 능률은 크게 뒤떨어진다. 메모리와 프로세서가 분리된 상태로 한 번에 하나의 명령을 빠르게 반복수행하는 디지털 방식을 사용하기 때문인데, 이 방식은 복잡하고 정형화 되지 않은 정보를 한꺼번에 처리하는 동시에 변화에 따른 적절한 대응을 하기에는 무리가 따른다. 이와 달리, 인간의 두뇌는 1000억 개가 넘는 신경세포, 즉 뉴런이 시냅스라는 연결고리를 통해 다른 뉴런과 서로 신호를 주고받으며 동시에 작동해 순식간에 정보를 처리하고 저장하며 되불러온다. 이런 까닭에 두뇌를 닮은 뉴로모픽 시스템이 차세대 기술로 주목을 받고 있지만, 현재 설계 방식으로는 필요한 트랜지스터의 수가 늘어나 반도체 칩의 크기와 전력소모도 크게 증가하기 때문에 시스템 구현이 어려운 문제로 남아있다. 황현상 교수 연구팀은 절연체-금속 전환이 가능한 NbO2 물질로 뉴런 모사 소자를 만들고 그 사이에 시냅스 역할을 위해 전도성 산화물인 PCMO 물질을 배치하는 단순한 구조를 이용하여 해결책을 제시했다. 황 교수팀이 개발한 이 뉴로모픽 소자는 주기적으로 전기 자극이 가해질 때마다 변화하는 값을 기억하고 특정 조건에서만 작동하는 특성을 지녀, 기존의 방법으로는 수 십 개의 트랜지스터가 필요한 일을 단 한 개의 소자로 대신할 수 있다. 또, 나노미터 단위로 크기를 줄여도 이러한 소자의 특성이 유지되어 실제 신경망이 촘촘히 얽혀있는 인간의 두뇌처럼 시냅스와 뉴런의 높은 밀도를 구현할 수 있는 것으로 확인됐다. 이 성과로 에너지 소모가 적고 고집적화가 가능한 뉴로모픽 소자의 원천 기술을 확보한 연구팀은 이를 이용한 패턴인식 기능 등의 추가기술 개발에 나설 계획이다. 이 기술을 이용해 뇌파 신호와 영상․이미지 신호 등을 실시간으로 분석할 수 있게 된다면, 뇌신호를 통한 기기제어와 스마트 로봇, 무인자동차 등에 광범위하게 응용이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 ‘미래융합파이오니어과제’의 지원 아래 수행됐다. 1. 뉴로모픽(Neuromorphic) 미국의 과학자인 Carver Mead가 만든 이 개념은 아날로그 회로를 포함한 Very-Large-Scale Integration (VLSI) 을 사용하여 신경계에 존재하는 신경 생물학적 구조를 모방하는 말을 지칭. 최근에는 Neuromorphic 라는 용어가 아날로그, 디지털 및 mixed-mode 아날로그/디지털 등을 이용하여 신경 시스템의 모델을 구현하는 용어로 이용되고 있다.