Research

이태우 교수팀, 산업부산물 이용한 그래핀 합성법 및 전자소자 활용 발표

제철과정에 나오는 폐자원이 “꿈의 소재” 그래핀으로 하나의 제철소에서 연간 발생하는 45만톤의 부산물, 콜 타르 피치(coal tar pitch)를 센 강도와 높은 열전도성으로 ‘꿈의 소재’로 각광을 받고 있는 그래핀으로 합성, 전자소자를 만들 수 있는 방법이 개발됐다. 1톤에 수십만원에 불과한 자원을 이용해 고부가가치 물질로 합성할 수 있는 이 기술은 부산물을 이용한 새로운 시장 개척은 물론 친환경적인 기술로도 반향을 얻을 것으로 기대된다. 신소재공학과 이태우 교수팀은 제철시 발생하는 콜 타르 피치를 원료로 전자소자 기판 위에 그래핀을 직접 합성할 수 있는 공정을 개발, 네이처가 발간하는 과학저널 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’를 통해 발표했다. 이 기술은 대면적의 그래핀을 전자소자 기판 위에 원하는 곳에만 형성하는 기술로 대면적 대량생산에도 최적화되어 있을 뿐 아니라, 철강제품 제조공정에서 발생하는 부산물들을 이용하기 때문에 친환경적이고 경제적이다. 그래핀 합성법 중 가장 널리 사용되는 화학 기상 증착법은 폭발성 기체를 사용할 뿐 아니라 그래핀을 대량 생산하기에는 공정이 복잡하며 전사 공정 과정에서 그래핀이 손상되거나 품질이 저하되는 단점이 있다. 연구팀은 이를 개선할 방법을 연구하던 중 고체 상태로 안정성이 높아 폭발의 위험이 없으면서도 저렴한 콜타르 피치를 그래핀을 합성하기 위한 탄소 원료로 주목하게 됐다. 이미 콜타르 피치를 이용한 다른 탄소물질 합성은 진행되고 있는 상태지만, 이를 이용한 그래핀 박막 제조는 아직까지 성공한 사례가 없었다. 연구팀은 용액공정을 통하여 콜타르 피치의 박막을 형성하고, 패턴화된 그래핀을 직접 전자 소자 기판에 합성한 전자소자를 구현하는데 성공했다. 콜타르 피치는 통상 1톤당 약 40만원 정도에 거래되며, 4인치 기판 위에 그래핀을 합성하기 위해 필요한 콜타르 피치의 양은 고작 1g도 되지 않는다. 이는 현재 같은 크기의 그래핀이 시중에서 10만원 이상에 판매되는 점을 감안하면 엄청난 고부가가치 창출을 기대할 수 있다. 연구팀은 또, 저가로 대량생산의 가능성은 물론, 전자 소자 공정이 진행되는 가운데 품질 저하 없이 그래핀 합성이 가능한 새로운 개념의 공정도 동시에 제시했다. 특히 이 기술은 그래핀 관련 나노 전자공학 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보한 국내 기술과 결합될 경우 큰 시너지 효과가 있을 것으로 전망된다. 연구를 주도한 POSTECH 이태우 교수는 “폭발성 기체 원료 대신 저렴한 고체 산업 폐자원을 재활용해 만들어내는 이 기술은 전사과정이 없이 바로 전자소자에 대면적의 그래핀을 형성시킬 수 있는 간편한 공정으로 산업계의 주목을 받을 것”이라며 “정부에서 2020년까지 약 800억원을 투입, 2025년까지 20조원을 창출하는 산업으로 성장시키겠다는 그래핀 산업에 기여할 중요한 원천기술 중 하나가 될 것”이라고 설명했다. 한편 이 연구는 미래창조과학부가 추진 중인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’과 포스코의 지원으로 수행됐다.

한세광 교수팀, 광음향영상 및 광열치료용 광음향소재 멜라노이딘 개발

향 좋은 커피 만드는 멜라노이딘의 ‘빛나는’ 변신 * 사진설명: 한세광 교수, 김철홍 교수, 이민영 박사(좌로부터) 커피를 로스팅할 때 나는 맛있는 향의 원인이 되는 화합물 ‘멜라노이딘’을, 광음향을 이용한 의료 영상 촬영, 항암치료, 지방흡입과 같은 성형수술에 활용하는 기술이 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀에 의해 개발됐다. 신소재공학과 한세광 교수 연구팀은 창의IT융합공학과 김철홍 교수․삼성종합기술원 이민영 박사 연구팀과 공동연구를 통해 생분해성 광음향*1소재 멜라노이딘을 합성, 광음향영상*2과 광열치료*3 기술을 개발, 나노 분야 세계적 권위지 ACS Nano지 온라인판을 통해 발표했다. 아미노산과 당의 메일라드(Maillard) 반응으로 만들어지는 멜라노이딘은 흔히 식품 가공이나 저장과정에서 생겨나는 물질로 항산화작용이나 암 예방 물질로도 잘 알려져 있다. 연구팀은 이 물질에 빛을 쐬면 음파가 생성되는 광음향 특성이 나타나는 것을 최초로 발견했으며, 이 물질을 이용해 암전이와 관계된 림프절과 내장기관의 의료영상을 촬영했다. 이와 함께 멜라노이딘이 빛을 받으면 열을 내는 광열특성을 가지고 있다는 점을 응용, 동물실험을 통해 상대적으로 열에 약한 항암조직을 괴사시키고, 빛으로 지방조직만을 녹여내는 데에도 성공했다. 인체에 무해한 생체고분자인 멜라노이딘을 이용해 광음향 영상을 촬영할 경우, 멜라노이딘 자체가 생분해되어 몸 밖으로 배출되기 때문에 X선 영상촬영이나 MRI와 같이 조영제를 이용하는 의료영상촬영의 부작용을 해소할 수 있을 것으로 학계는 기대하고 있다. 또, 이 기술은 항암 광열 치료뿐만 아니라 지방조직을 절개 없이 제거하여 그에 따른 부작용도 줄일 수 있어 최근 활발하게 시술되는 지방흡입술에도 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 연구를 주도한 한세광 교수는 “이번 연구는 멜라노이딘을 투여 후 빛을 이용해 의료영상 촬영이나 광열치료에 효과적으로 적용할 수 있다는 가능성을 확인한 첫 사례로 앞으로 새로운 포토메디슨*4 기술의 상용화에 적극 나설 계획”이라고 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 한세광 교수팀은 다양한 나노의약용 생체재료 개발 관련 연구를 활발하게 진행하고 있다. 특히 최근에는 실용화 연구로 2015 대한민국 발명특허대전에서 대통령상을 수상한 바 있다. 1. 광음향 (photoacoustic) 번개가 치면 천둥소리가 들려오는 현상과 동일한 광음향은 물질이 빛을 흡수하면 광에너지가 열로 변하는 단계에서 기체에 음파가 발생하는 현상 2. 광음향 영상 (photoacoustic imaging) 빛을 받으면 열이 발생되는 광음향소재를 조영제로 이용하여 부작용 없이 생체조직을 의료영상 촬영하는 기술이다. 3. 광열치료 (photothermal therapy) 빛을 받으면 열이 발생되는 광열소재를 이용하여 상대적으로 열에 약한 암세포들을 선택적으로 태워 괴사시키거나 지방세포를 태워 성형수술용 지방흡입을 용이하게 하는 기술이다. 4. 포토메디슨 (photomedicine) 광음향소재, 광열소재, 광동력학소재 등을 체내에 투여한 다음 빛을 조사하여 항암치료, 성형수술, 피부과 시술 등에 적용하는 최첨단 광의약이다.

임현석 교수팀, 암 유발 상호작용 저해하는 물질 개발

암 세포 ‘킬러’ 약물 개발 이제는 우리에게 익숙한 질병이 되어버린 암(癌). 이 질병은 우리 몸 속 단백질들의 비정상적인 상호작용이 원인이 되어 발병하는 것으로 알려져 있다. 최근에는 암을 유발하는 발암물질들을 직접 공격하는 항암제들이 끊임없이 개발되고 있는데, 연구팀은 비정상적인 단백질 상호작용을 직접 조절함으로써 암세포의 자살을 유도하는 ‘킬러’ 약물을 개발하는데 성공했다. 첨단재료과학부․화학과 임현석 교수팀은 대구경북 첨단의료산업진흥재단 신약개발지원센터와의 공동연구를 통해 암유발단백질인 Skp2 단백질의 상호작용을 방해해 암세포를 효과적으로 사멸시키는 표적 항암제 후보물질을 개발해 화학분야 세계적 권위지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie)를 통해 발표했다. Skp2 단백질은 암세포에서 과다하게 나타나며, 비정상적인 단백질 상호작용을 통해 암세포가 몸속에서 생존할 수 있도록 하는 암유발인자로 잘 알려져 있다. 이러한 Skp2 단백질의 비정상적인 단백질 상호작용을 조절하는 물질은 효과적인 항암제가 될 수 있지만, 단백질의 상호작용을 조절하는 물질을 발굴하는 일은 큰 난제로 여겨지고 있다. 연구팀은 우선 단백질 상호작용에 효과적인 거대고리*1형 골격을 갖는 물질을 개발하고 이를 바탕으로 16만개에 이르는 화합물 라이브러리를 만들었다. 그리고 이들 화합물들을 대상으로 초고속 검색을 진행하여 암을 유발하는 Skp2와 p300 단백질 간 상호작용을 저해하는 물질을 찾아내는데 성공했다. 실험결과, 이 물질은 암세포의 성장은 효과적으로 억제하지만, 정상세포에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 조사됐다. 이 연구결과를 통해 Skp2와 p300 단백질의 상호작용의 조절이 항암제 표적이 될 수 있다는 사실을 처음으로 밝혔으며, 연구팀은 이를 통해 새로운 개념의 표적 항암제 개발이 가능할 것으로 기대한다고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 ‘첨단의료복합단지 연구개발지원사업’의 지원 아래 수행됐다. [용어설명] 1. 거대고리(macrocyclic): 12개 이상의 원자로 이루어진 원형의 구조를 말한다.

화공 차형준 교수팀, 내구성 우수한 단백질 하이드로젤 개발

‘말미잘’ 실크단백질로 줄기세포 키우는 강한 ‘지지체’ 만든다 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)’지를 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.

이준식‧장호영 동문, 4세대 가속기 이용 “성과” 사이언스 통해 발표

물질이 전기 저항이 0이 되고 내부 자기장을 밀쳐내는 ‘초전도 현상’은 그 특성을 이용해 MRI(자기공명현상) 촬영에 활용되고, 에너지원이나 자기부상열차에 활용할 수 있을 것으로 기대되며 많은 관심을 모으고 있는 현상이다. 하지만 초전도현상은 물질의 온도가 영하 240℃ 이하로 아주 낮은 상태에서 일어나는 것이 일반적이었고, 너무 낮은 온도 때문에 일반 상용화에 있어서 상당한 제한이 있었다. 지난 80년대에 들어서야 처음으로 발견된 것이 영하 200℃ 이상에서도 초전도현상을 보이는 ‘고온초전도체’다. 이 응용분야가 무궁무진한 ‘고온초전도체’의 미스터리를 풀 수 있을 삼차원(3D) 형태의 전자 정렬모습이 POSTECH 출신 동문들이 주도한 연구팀을 통해 관측됐다. 미국 스탠포드대 SLAC 국립가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 이준식 박사(물리, 지도교수 이기봉)가 이끄는 연구팀은 4세대가속기인 LCLS (Linac Coherent Light Source)에서 X선을 이용, 활발한 연구가 진행되고 있는 고온초전도체 물질 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)의 전자가 정렬한 모습을 촬영하여, 기존에 이차원 평면형태(2D)으로만 알려져있던 ‘전하밀도파(charge density wave)’*1가 강한 자기장 하에서 삼차원 입체형태(3D)로도 존재함을 밝혀내는데 성공, 그 연구 결과를 세계적 과학학술지 사이언스(Science)를 통해 발표했다. 이 결과는 기존 실험들에서 보이던 데이터 불일치를 바로잡는 한편 향후 다양한 조건 하에서의 초전도체 물질 속 전자의 움직임을 전체적으로 보여줄 수 있도록 하는 결과로서, 고온초전도체가 발견된 지 30여년 동안 밝혀지지 않은 초전도 현상의 원리를 밝혀내는데 큰 기여를 할 수 있는 중요한 결과로 평가받고 있다. 연구팀이 이용한 것은 현재 포항에도 구축되고 있는 4세대 방사광가속기의 차세대 X선 광원인 X선 자유전자 레이저다. 아직까지 미국 SLAC와 일본 이화학연구소 SACLA만이 가동하고 있는, 지구상에서 가장 밝은 X선으로 원자와 분자수준의 관찰을 펨토초의 시간분해능을 통해 가능하도록 한다. 고온초전도체의 연구가 각광을 받고 있는 것은 초전도체를 응용한 다양한 산업적 효과 때문이다. 초전도체가 산업에 응용되기 위해서는 사용 냉매의 가격을 고려할 때 그 현상이 일어나는 온도가 높아져야만 한다. 초전도체가 응용된 기술 중 가장 잘 알려진 MRI의 경우 초전도상태를 유지하기 위해 액체 헬륨을 이용하기 때문에 비용이 올라가지만, 고온초전도체를 이용하게 된다면 그보다 저렴한 액체질소를 냉매로 이용할 수 있게 된다. 이외에도 핵융합 반응을 이용한 에너지원, 서울-부산을 40분만에 주파하는 자기부상 열차 등도 초전도체가 산업에 응용됐을 때 가능한 기술들이다. 하지만 이 모든 것들은 고온초전도체의 성질이 물리적으로 충분히 연구되고 현재보다 더 높은 온도에서 초전도 특성이 유지되어야 가능하다. 교신저자로서 이 실험을 주도한 이준식 박사는 “이번 결과는 전혀 예상치 못한 결과로 우리 실험팀이 촬영한 고온초전도체의 전하밀도파의 입체적 특성은 지금까지 아무도 본 적 없다”며 “이번 연구성과는 고온초전도체의 물리적 이해에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 공동 1저자인 장호영 박사(물리, 지도교수 박재훈)는 “YBCO라는 물질은 아주 복잡해서 그 초전도체에 관한 어떤 결론에 이르려면 더 많은 실험이 필요하다”며 “실험을 거듭해가며 새로운 발견을 계속해나갈 것”이라고 덧붙였다. 연구팀은 앞으로도 고온초전도체에 대한 물성 연구를 진행할 계획이며 이러한 연구결과를 토대로 보다 높은 온도에서 초전도현상을 일으키는 새로운 초전도체의 설계에 기여하는 것을 목표를 둘 것이라고 밝혔다. [용어설명] 1. 전하밀도파 (charge density wave) 일반적으로 많은 물리현상에서 보이는 것으로, 특히 고온초전도체의 경우 초전도체가 영하 100℃ 이하의 온도로 냉각되면 특이한 전자파동이 물결치기 시작하며, 이 파동은 호수표면을 가로질러가는 파동을 닮아있다. 초전도현상이 일어나기 전에 일관적으로 이 파동이 일어나고 있어 고온초전도체에 관련되어 있을 것으로 추측되고 있다.

이정수 교수팀, ㈜아이엠헬스케어와 조류독감‧말라리아 진단센서 응용 나선다

‘심근경색’ 찾는 그물센서 개발 흔히 심장마비로 알려진 ‘심근경색’은 2시간 이내 치료하지 않으면 심장세포가 썩기 시작해 사망에 이르는, 특히 신속한 진단과 치료가 필요한 응급질환이다. 우리나라 3대 사망원인 중 하나이자, 돌연사의 큰 원인으로도 손꼽힌다. 전자전기공학과 이정수 교수, 미래IT융합연구원 김기현 박사팀은 NASA 연구팀과 함께 3차원 나노 그물망 구조를 이용해 심근경색 여부를 진단하는 단백질 트로포닌 Ⅰ(Troponin Ⅰ)을 검출할 수 있는 진단센서를 개발, 전기화학 분야 권위지인 바이오센서스 & 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)지를 통해 발표했다. 기존 검출방법 대비 20배나 향상시킨 이 센서는 벌집모양 구조를 가지고 있어 기존의 나노선 구조를 이용하는 센서에 비해 신호변환능력*1이 우수하고, 넓은 표면적을 가지고 있어 센서의 검출한계를 극대화시켰다는 점은 물론 심근경색만을 정확하게 검출해내는 정밀함에서 학계와 산업계의 주목을 모으고 있다. 심근경색을 일으켜 심장근육의 괴사가 일어나면, 근육 속에 들어 있는 트로포닌 Ⅰ 단백질이 혈액 속으로 흘러나오며, 이 단백질을 검출해 심근경색 진단을 하게 된다. 또, 심근경색을 일으킨 직후에는 극미량만이 나오고, 응급 치료가 필요한 질병인 만큼 극미량의 트로포닌 Ⅰ 검출이 가능한 진단기술이 중요했다. 연구팀은 지난 해 발표되며 학계의 비상한 관심을 모았던 Y자가 반복되는 벌집모양의 3차원의 그물망구조를 FET(전계효과트랜지스터) 바이오센서에 응용, 트로포닌 Ⅰ 검출 실험을 실시했다. 그 결과, 10분 만에 5 pg/mL 농도의 트로포닌 Ⅰ을 검출하는데 성공했으며, 이는 심근경색만을 정확하게 검출해내는 특이성(specificity)를 가지면서 기존 진단법의 20배 이상 정밀도를 향상시킨 결과라고 연구팀은 밝혔다. 연구를 주도한 POSTECH 이정수 교수는 “이 기술은 질병 진단은 물론 유해물질 검출 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다”며 “앞으로 국방, 의료, 환경 감시 등의 분야에도 이용할 수 있는 고감도 센서 제품을 개발하는데 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이 연구에서 가장 눈에 띄는 점은 우리나라가 갖춘 우수한 반도체 제작 설비를 활용할 수 있어 제작 단가가 낮고 대량생산이 가능해 바로 상용화에 나설 수 있다는 점이다. 또, 연구팀은 이 연구를 바탕으로 ㈜아이엠헬스케어와 조류독감, 말라리아 진단센서 공동개발을 진행하고 있다. ㈜아이엠헬스케어 측은 이 기술을 바탕으로 질병진단시장에서 상용화를 맡아 전세계 시장 대상의 마케팅을 진행하는 한편 그 응용분야도 넓혀나갈 방침이다. 한편, 이번 연구성과는 국방과학연구소 연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 신호변환능력(transduction) 생체물질 및 화학물질의 특정 정보(농도 등)를 정량화가 가능한 전기적 신호로 변환해 주는 능력

이준식‧장호영 동문, 4세대 가속기 이용 “성과” 사이언스 통해 발표

세상에서 가장 밝은 X-ray로 고온초전도체 ‘미스터리’ 다가가 * 사진설명: 장호영 박사, 이준식 박사(좌로부터) 물질이 전기 저항이 0이 되고 내부 자기장을 밀쳐내는 ‘초전도 현상’은 그 특성을 이용해 MRI(자기공명현상) 촬영에 활용되고, 에너지원이나 자기부상열차에 활용할 수 있을 것으로 기대되며 많은 관심을 모으고 있는 현상이다. 하지만 초전도현상은 물질의 온도가 영하 240℃ 이하로 아주 낮은 상태에서 일어나는 것이 일반적이었고, 너무 낮은 온도 때문에 일반 상용화에 있어서 상당한 제한이 있었다. 지난 80년대에 들어서야 처음으로 발견된 것이 영하 200℃ 이상에서도 초전도현상을 보이는 ‘고온초전도체’다. 이 응용분야가 무궁무진한 ‘고온초전도체’의 미스터리를 풀 수 있을 삼차원(3D) 형태의 전자 정렬모습이 POSTECH 출신 동문들이 주도한 연구팀을 통해 관측됐다. 미국 스탠포드대 SLAC 국립가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 이준식 박사(물리, 지도교수 이기봉)가 이끄는 연구팀은 4세대가속기인 LCLS (Linac Coherent Light Source)에서 X선을 이용, 활발한 연구가 진행되고 있는 고온초전도체 물질 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)의 전자가 정렬한 모습을 촬영하여, 기존에 이차원 평면형태(2D)으로만 알려져있던 ‘전하밀도파(charge density wave)’*1가 강한 자기장 하에서 삼차원 입체형태(3D)로도 존재함을 밝혀내는데 성공, 그 연구 결과를 세계적 과학학술지 사이언스(Science)를 통해 발표했다. 이 결과는 기존 실험들에서 보이던 데이터 불일치를 바로잡는 한편 향후 다양한 조건 하에서의 초전도체 물질 속 전자의 움직임을 전체적으로 보여줄 수 있도록 하는 결과로서, 고온초전도체가 발견된 지 30여년 동안 밝혀지지 않은 초전도 현상의 원리를 밝혀내는데 큰 기여를 할 수 있는 중요한 결과로 평가받고 있다. 연구팀이 이용한 것은 현재 포항에도 구축되고 있는 4세대 방사광가속기의 차세대 X선 광원인 X선 자유전자 레이저다. 아직까지 미국 SLAC와 일본 이화학연구소 SACLA만이 가동하고 있는, 지구상에서 가장 밝은 X선으로 원자와 분자수준의 관찰을 펨토초의 시간분해능을 통해 가능하도록 한다. 고온초전도체의 연구가 각광을 받고 있는 것은 초전도체를 응용한 다양한 산업적 효과 때문이다. 초전도체가 산업에 응용되기 위해서는 사용 냉매의 가격을 고려할 때 그 현상이 일어나는 온도가 높아져야만 한다. 초전도체가 응용된 기술 중 가장 잘 알려진 MRI의 경우 초전도상태를 유지하기 위해 액체 헬륨을 이용하기 때문에 비용이 올라가지만, 고온초전도체를 이용하게 된다면 그보다 저렴한 액체질소를 냉매로 이용할 수 있게 된다. 이외에도 핵융합 반응을 이용한 에너지원, 서울-부산을 40분만에 주파하는 자기부상 열차 등도 초전도체가 산업에 응용됐을 때 가능한 기술들이다. 하지만 이 모든 것들은 고온초전도체의 성질이 물리적으로 충분히 연구되고 현재보다 더 높은 온도에서 초전도 특성이 유지되어야 가능하다. 교신저자로서 이 실험을 주도한 이준식 박사는 “이번 결과는 전혀 예상치 못한 결과로 우리 실험팀이 촬영한 고온초전도체의 전하밀도파의 입체적 특성은 지금까지 아무도 본 적 없다”며 “이번 연구성과는 고온초전도체의 물리적 이해에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 공동 1저자인 장호영 박사(물리, 지도교수 박재훈)는 “YBCO라는 물질은 아주 복잡해서 그 초전도체에 관한 어떤 결론에 이르려면 더 많은 실험이 필요하다”며 “실험을 거듭해가며 새로운 발견을 계속해나갈 것”이라고 덧붙였다. 연구팀은 앞으로도 고온초전도체에 대한 물성 연구를 진행할 계획이며 이러한 연구결과를 토대로 보다 높은 온도에서 초전도현상을 일으키는 새로운 초전도체의 설계에 기여하는 것을 목표를 둘 것이라고 밝혔다. 1. 전하밀도파 (charge density wave) 일반적으로 많은 물리현상에서 보이는 것으로, 특히 고온초전도체의 경우 초전도체가 영하 100℃ 이하의 온도로 냉각되면 특이한 전자파동이 물결치기 시작하며, 이 파동은 호수표면을 가로질러가는 파동을 닮아있다. 초전도현상이 일어나기 전에 일관적으로 이 파동이 일어나고 있어 고온초전도체에 관련되어 있을 것으로 추측되고 있다.

우수 연구 결실에 국내외 대회서 '잇단' 수상

POSTECH 교수와 학생들이 우수한 연구성과로 국내·외에서 잇단 수상소식을 전해오고 있다. - 최윤성 교수, 2015년도 대한수학회상 학술상 수상자에 선정 대한수학회는 지난 10월 23일부터 사흘 동안 연세대학교에서 열린 ‘2015 정기총회 및 가을연구발표회’ 개최에 앞서 2015년도 대학수학회상 학술상 수상자로 최윤성 교수를 선정했다고 밝혔다. 서울대학교를 졸업한 뒤 미국 로체스터대학(University of Rochester)에서 박사학위를 받은 최 교수는 부산대학교를 거쳐 1988년부터 지금까지 POSTECH 수학과에 몸담아 왔다. 대학수학회 정책연구위원회 위원, 세계수학자대회 조직위원회 위원 등을 역임했으며, 2007년부터는 POSTECH 포항수학연구소 소장을 맡고 있다. 2015년부터 대한수학회지 편집위원장으로 활동 중이다. 대한수학회는 그 동안 최 교수가 무한차원 벡터공간에서 정의된 해석함수의 성질과 바나흐 공간의 기하학적 성질, 특히 비숍-펠프스(Bishop-Phelps) 정리와 바나흐 공간의 기하학과 해석함수 분야에서 세운 연구업적 인정, 학술상 수상자로 선정한 것으로 전해졌다. - 노준석 교수 연구팀, 미국 에드몬드 옵틱스 주최 2015년 광고등교육경진대회 은상 수상 기계공학과·화학공학과 노준석 교수 연구팀이 미국 에드몬드 옵틱스(Edmund Optics)사에서 주최한 2015년 광고등교육경진대회에서 은상을 수상했다. 광학과 광학 부품으로 쓰이는 다양한 제품을 제조, 개발 및 판매하는 글로벌 기업인 에드몬드 옵틱스는 매년 광학 분야에서 뛰어난 교육 및 연구 성과를 보이는 학부와 대학원 과정을 선정․시상하며, 올해는 전 세계적으로 800여개가 넘는 팀이 경합을 벌인 것으로 알려졌다. 노준석 교수 연구팀은 가시광선을 이용해 실시간으로 이미징이 가능한 초고해상도 렌즈와 현미경을 개발하여, 기존의 기법으로는 어려웠던 바이러스나 단백질과 같이 살아 있는 생체를 간편하게 관찰하는 연구성과를 인정받아 은상을 수상했다. 이번 수상으로 노준석 교수 연구팀은 미화 7천5백 달러에 해당하는 광학제품을 부상으로 받았다. - 산업경영공학과 유희천 교수 대한산업공학회 백암논문상 수상 대한산업공학회는 연세대에서 열린 2015 추계학술대회 및 정기총회에서 유희천 교수에게 최우수 논문상인 백암논문상을 수여했다고 밝혔다. 생산공학 분야에서 세계적인 업적을 남긴 고 함인영 박사의 기금으로 제정된 이 상은 최근 3년 이내 대한산업공학회지에 게재된 우수논문 중 학술가치와 산업적 응용가치가 가장 높은 논문의 저자에게 주어진다. 유 교수는 지난 2014년 발표한 논문을 통해 제품 개발 시 시장경쟁력 제고를 위한 성능 및 사용성‧친환경성 평가 결과를 종합적으로 고려하는 설계 방안을 제시하는 한편, 소형온풍기에 적용하여 효용성을 평가한 연구 성과로 이 상을 수상했다. 인간-시스템-환경 간의 조화로운 설계를 위한 연구와 사용자의 편의성을 향상 시키는 차별화된 인간공학적 제품 설계에 매진해 온 유 교수는 그간 두뇌 건강 향상을 위한 스마트 하모니 및 합리적인 간 수술 계획 시스템에 도움을 주는 닥터 리버를 상용화시킨 바 있으며, 녹내장 선별 시야 검사기인 아이케어와 언어치료 기능성 게임을 개발하는 연구로 화제를 모아왔다. - 손석수 박사, 제 1회 철강기술 솔루션 및 아이디어 공모전 최우수 수상자에 선정 신소재공학과 박사후 연구원으로 재직 중인 손석수 박사(지도교수 이성학)는 대한금속․재료학회가 올해 처음으로 개최한 ‘제 1회 철강기술 솔루션 및 아이디어 공모전’에서 솔루션 부문 최우수 수상자로 선정됐다. 손석수 박사는 “TRIP+TWIP을 활용한 Ferrite+Austenite 2상조직 경량철강 개발”이라는 주제로 철강재의 강도와 연성을 극대화하는 경제적인 방법을 제시하여 이 상을 받게됐다. 포스코 후원으로 진행 된 이 공모전의 솔루션 부문 최우수 수상자에게는 5천만원의 상금이 주어졌다. - 민성용 박사, 대학원생 최동휘 학생, ‘제 11회 삼성전기 논문대상’ 금상과 동상 수상 신소재공학과 박사후 연구원으로 재직 중인 민성용 박사(지도교수 이태우)와 기계공학과 통합과정 최동휘(지도교수 김동성) 학생이 삼성전기가 주최한 “제 11회 삼성전기 논문대상”에서 각각 금상과 동상을 수상했다. 민 박사는 ‘플렉시블 와이어 전자소자를 위한 저온공정 기반의 코어-쉘 전도성 나노와이어’란 논문으로 높은 평가를 받았으며, 최 씨는 마찰전기를 에너지원으로 변환하는 접촉대전 나노발전기를 저렴하게 제작할 수 있는 공정을 개발하여 기대를 모았다. 삼성전기가 매 년 주최하는 학술논문대회인 논문대상은 올 해 소재기술, 소자공정기술, 무선고주파, 소프트웨어, 기반기술, 생산기술 등 6개 분야에서 약 33개의 대학, 40개 학과 학생이 300여편의 초록을 접수하였으며, 금상, 은상, 동상 등 총 12편의 논문을 선정하여 시상하였다.

김동성 교수, 마찰전기를 이용한 나노발전기 상용화 원천기술 개발

한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 일상에서 버려지는 마찰전기를 모아 전력으로 재활용하는 나노발전기1 제조에 있어서 복잡한 제작과정을 단순화한 저비용․고효율․고속생산의 대량생산 공정기술을 개발했다고 밝혔다. POSTECH 김동성 교수 연구팀은 얇고 투명하며, 휘어지는 나노발전기의 대량생산 및 상용화 방법에 대한 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업 등을 통해 수행하였으며, 연구결과는 재료분야의 권위있는 학술지인 어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials) 온라인판 10월 15일자에 게재되었다. 최근 전 세계적으로 이목을 끌고 있는 에너지 수확 기술 중 하나인 접촉대전 나노발전기술은 두 개의 서로 다른 물질이 접촉할 때 생성되는 마찰전기와 이에 수반되는 유도전하를 이용한 ‘만지면 전기가 생성되는 발전 기술’이다. 기존의 다른 에너지 수확기술들과 비교했을 때 높은 효율과 유용성 및 뛰어난 접근성과 같은 장점을 가지고 있어 지속가능한 에너지원을 개발하려는 시대적 요구에 맞춘 시스템으로 주목을 받고 있다. 접촉대전 나노발전기술은 2012년 처음 제안된 이후 발전 효율을 효과적으로 증가시키기 위하여 국내외 여러 그룹에서 연구를 활발히 진행하고 있으며, 그 결과 접촉대전 나노발전기 표면 위에 나노 크기의 구조가 발전 효율을 획기적으로 증대시킬 수 있음이 밝혀졌다. 하지만 현재까지 제안된 대부분의 나노구조를 포함한 접촉대전 나노발전기 제작은 진공공정을 포함한 고비용 공정을 필요로 하고, 표면 이송 및 전극 결합 등의 추가적인 후처리를 필수적으로 요하는 단점을 갖고 있어 대량생산에 어려움을 겪고 있다. 이는 접촉대전 나노발전기의 시장성을 저해하는 가장 큰 요소로 현 시점에 접촉대전 나노발전기의 시장성 관련 문제는 반드시 해결해야 할 난관이다. 본 연구팀은 나노임프린팅 기술을 접촉대전 나노발전기 제작에 세계 최초로 도입, 얇고 투명하며 휘어지는 접촉대전 나노발전기의 제작 공정을 원스텝으로 단순화하는 것에 성공하였으며, 낮은 공정비용 및 빠른 생산속도를 통한 대량생산의 가능성을 처음으로 발견하였다. 별도의 후처리 없이 단 한 번의 공정(one-step)을 통해 생산이 가능하기 때문에 대량생산에 적합하며, 이는 시장성을 확보하는 것에 있어 매우 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 본 연구팀에서 제작한 접촉대전 나노발전기는 매우 얇고 투명하며, 휘어지는 장점들을 포함하고 있어 태양전지 기술과의 융합을 통한 ‘다중 에너지 수확기술’과 굴곡진 인체 표면에 쉽게 부착해 일상생활을 하면서 전기를 생산할 수 있는 ‘웨어러블 전력 공급기술’ 등 다양한 분야에 응용이 가능하다. 또한 접촉대전 나노발전기 표면 위의 나노 크기의 구조가 일반 접촉대전 나노발전기 보다 훨씬 높은 발전 효율을 내는 데 큰 역할을 하는 것을 확인하였다. 나노임프린팅 기술은 나노 표면 성형에 있어 사이클 타임이 매우 짧고 대면적 구현이 용이하기 때문에 대면적 접촉대전 나노발전기의 대량생산에 매우 적합하다. 접촉대전 나노발전기의 대량생산이 가능하다는 점은 학술적인 의의뿐만 아니라, 산업적인 파급효과 또한 매우 클 것으로 예상된다. 현재 접촉대전 나노발전기 제작 관련 기술이 매우 빠르게 진화하고 있는 상황에서 대량생산과 관련된 연구는 매우 중요한 사항으로써 새로운 시장 창출에 큰 도움을 줄 것으로 예상된다. 본 연구를 통해 새롭게 제작된 대면적 접촉대전 나노발전기는 얇고 투명하며, 잘 휘어질 수 있는 장점을 지니고 있어 다양한 산업 및 제품에 응용이 가능할 것으로 보인다. 특히, 최근 각광 받고 있는 웨어러블 소형 전자기기, 휘는 디스플레이 및 태양전지 등에 적용이 가능하다는 점은 본 연구 결과의 유용성을 입증한다. * 본 보도자료는 한국연구재단에서 배포 되었습니다. [용어설명] 1. (접촉대전) 나노발전기: 서로 다른 두 가지 물질이 접촉한 후 분리됨에 따라 발생하는 전기 에너지를 수확하는 장치

물의 특성 손쉽게 파악하는 초저가 플랫폼 만들었다

* 사진 설명: 김동성 교수, 학사과정 이동현씨, 박사과정 최동휘씨(좌로부터) POSTECH 연구팀이 물이 지나간 자리에 저절로 형성되는 알짜 전하*1를 이용하여 물의 여러 가지 특성에 대해 정밀하게 평가하고, 물속 미세한 기포까지 찾아낼 수 있는 플랫폼을 제작해 학계에 관심을 끌고 있다. 기계공학과 김동성 교수, 박사과정 최동휘씨, 학사과정 이동현씨 연구팀은 물과 같은 액체가 고체 표면 위를 지나갈 때 표면대전현상*2에 의해 알짜 전하가 형성된다는 점에 착안하여, 물의 특성뿐만 아니라 물 속 미세기포의 존재 유무까지 파악할 수 있는 플랫폼을 개발하고, 관련 연구 성과를 네이처 자매지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports) 온라인 판을 통해 최근 발표했다. 특히, 이번 연구 성과는 기계공학과 4학년에 재학 중인 이동현씨가 공동 제1저자로서 김동성 교수와 최동휘씨의 지도를 받아 실험 설계 및 진행, 샘플 제작, 논문 작성 등 연구 전반을 수행하고, 세계적 저널에 논문을 게재하는 성과를 거뒀다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구팀은 생성된 알짜 전하의 크기를 정량적으로 분석한 결과, 물의 여러 가지 특성이 전하의 크기에 상당한 영향을 준다는 사실을 확인했다. 특히 연구팀은 이와 같은 특성들을 동시다발적으로 평가할 수 있다는 점에 주목했다. 즉, 형성된 알짜 전하는 물의 산성도 및 전해질 농도 등의 특성들에 따라 크기가 변하는 것이다. 특히, 이번에 제작된 물 특성 평가 플랫폼은 매우 적은 양의 물도 분석 가능하고, 구현이 매우 간단하며, 정확도가 높기 때문에 저비용, 고효율의 장점을 지니고 있다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 물속에 존재하는 미세기포의 수를 집계할 수 있는 자가발전 구동 미세기포 집계센서까지 개발했다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “이 기술을 응용하면 매우 적은 양의 물을 이용하여 물의 특성을 파악하는 것이 가능하다”며 “특히, 자가발전으로 구동이 가능하다는 점은 실용성이 높아 실질적인 응용 가능성을 보여줬다는 점에서 의미가 남다르다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구)과 선도연구센터육성사업(ERC) 및 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다. [용어설명] 1. 알짜 전하(net charge) 전하는 물체를 구성하는 기본 입자들의 고유한 특성이다. 대부분 전하에는 양전하와 음전하가 같은 양으로 들어 있으므로 전기적 중성을 띠고 있다. 즉 알짜 전하가 없다고 한다. 여기서 전기적인 균형이 깨지면서 대전이 된다고 하는데, 양전하와 음전하가 함께 모여 있으면 밖에서 볼 때는 둘을 더하고 남은 알짜 전하만 있는 것처럼 보인다. 이것을 알짜 전하라고 부른다. 2. 표면대전현상 (表面帶電現象, electrification) 두 가지 상이한 물질이 접촉한 후 분리되며, 각각의 표면에 양전하 또는 음전하가 생성되는 현상, 즉 전기를 띠는 현상. [그림설명] 자발적으로 형성되는 알짜 전하를 통해 구동되는 자가발전 구동 미세기포 계수 센서