Research

‘리튬-황 전지’ 개발 "2차 전지 성능저하 난제 풀었다"

용량 4배 크고 가격 1/5 불과...전기차 등에 상용화 박차 기존 리튬이온 전지의 단점으로 지적되어 온 저장 용량과 생산 단가의 한계를 극복한 차세대 배터리 상용화에 한발 더 다가섰다. 화학과 박문정 교수, 통합과정 김훈 씨 연구팀은 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지를 통해 기존 리튬이온 전지에 비해 용량이 4배 이상 크고, 가격은 1/5 수준에 불과하며, 충전 시간도 10분 이내로 줄인 고성능 리튬-황 전지*1 제작 기술을 발표했다. 이번에 박 교수팀이 개발한 전지는 차세대 2차전지의 가장 큰 문제점 중 하나인 충‧방전 시 용량이 줄어드는 문제를 해결하고, 제작 단가까지 낮춰 대용량 에너지원으로서 리튬-황 전지의 상용화 가능성을 크게 앞당겼다는데 의미가 있다. 최근 전기자동차나 전력저장장치 등에 사용하기 위해 대용량 2차 전지의 필요성이 대두됨에 따라, 전 세계적으로 차세대 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 리튬-황 전지는 기존 리튬이온 전지에 비해 가격은 낮고 에너지 밀도는 높아 국내외 많은 과학자들 사이에서 차세대 배터리 소재로 주목을 받아 왔다. 다만, 충전 및 방전 횟수가 짧고, 황이 유기 전해액에 녹아내려 저장 용량이 급격히 줄어드는 문제점이 있었다. 이에, 연구팀은 리튬이온이 나노채널을 통해 빠르게 이동하는 특성을 활용, 충전 속도를 10분 이내로 확 줄이면서도, 전지 수명도 오랫동안 안정된 상태를 유지하는 새 유기·황고분자 양극재료를 개발했다. 또한 유기나노구조체를 합성하고 가황반응을 통해 황을 공유결합으로 고정시켜 용량 감소 문제를 해결했다. 뿐만 아니라 석유 정제공정에서 폐기되는 황 부산물을 활용할 수 있어 제조 단가도 기존 전지의 1/5 수준에 불과하며, 수십~수백 그램(g)으로 손쉽게 합성할 수 있어 대량 생산이 수월하다. 박문정 교수는 “개발된 리튬-황 전지는 무인기와 전기자동차, 재생에너지 저장장치 등에 필요한 차세대 고성능 이차전지의 실현을 앞당길 수 있는 기술”이라며 “향후 3차원적 채널구조에 따른 리튬-황 전지 특성을 규명하고, 상용화를 앞당기는데 최선을 다할 것”이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 미래부 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일 에너지 연구단)의 지원을 받아 진행됐다. 1. 리튬-황 전지 황을 양극 활물질로 이용해 용량이 크고 안전성이 확보된 전지를 개발하는 2차 전지 기술 중 하나다. 싼 값에 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있어 중대형 2차 전지의 새로운 시장을 형성할 것으로 기대된다. 특히, 미래 전기 자동차 산업뿐만 아니라 기존의 리튬 이온 전지를 대체해 휴대용 전자 등 에너지 저장 분야에 폭넓게 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

장윤석 교수팀, 태아의 환경오염물질 노출경로 규명

태아에게 환경호르몬 전달하는 주범은 ‘제대혈’ 임산부 체내에 쌓인 중금속이나 환경호르몬은 태아에게 그대로 전달된다. 태아에게 환경호르몬이 전달되면 태아의 지능 발달 저하는 물론 자폐증이나 심장질환과 같은 질병에도 영향을 미치게 된다. 이런 중금속이나 환경호르몬을 태아에게 전달하는 ‘주범’은 태반과 탯줄에 있는 혈액, ‘제대혈’이라는 연구결과가 발표됐다. 또, 수은, 납과 같은 중금속, 난연제 규제물질인 브롬화 다이페닐에테르의 경우 태반이 가진 장벽효과가 거의 나타나지 않는 것으로 조사됐다. POSTECH(포항공과대학교) 환경공학부 장윤석 교수팀은 경북대학교 병원과 공동으로 산모와 태아의 독성 환경오염물질의 노출과정과 체내 분포를 밝혀냈다. 미국화학회가 발행하는 환경과학분야 권위지 ‘환경과학기술(Environmental Science and Technology)’지를 통해 발표된 이 성과는 환경호르몬에 속하는 여러 잔류성유기오염물질(POPs)*1과 중금속을 동시에 분석, 오염물질간의 분포차이를 밝혀내는 것은 물론, 오염물질이 태반을 통과해 태아에게 전해지는 메커니즘을 제시하고 있다. 특히 이번 연구에서는 치명적 독성을 가진 브롬화다이옥신과 다염화나프탈렌이 처음으로 제대혈에서 검출돼 놀라움을 주고 있다. 연구팀은 산모와 태아로부터 채취한 혈액과 태반조직, 산모의 소변에서 납, 카드뮴, 수은과 같은 중금속류와 염화다이옥신, 브롬화다이옥신, 다염화나프탈렌, 다염화바이페닐과 같은 다이옥신 유사물질, 브롬화난연제*2인 브롬화 다이페닐에테르 등의 오염물질을 동시에 분석했다. 그 결과, 모든 오염물질은 산모의 혈액에서 태반을 통해 이동, 제대혈에서 검출됐으며, 대부분의 오염물질은 태반이 가진 장벽효과로 인해 태아에게 노출되는 양이 줄어들지만 수은과 브롬화다이페닐에테르는 산모의 혈액보다 제대혈에서 오히려 더 높은 농도로 검출됐다. 이와 함께 혈액 속에 극미량만이 검출되는 다이옥신과 비슷한 물질인 브롬화다이옥신과 다염화나프탈렌도 태반을 통해 제대혈로 이동한다는 사실이 밝혀졌다. 이번 연구결과는 다양한 오염물질들이 산모와 태아에 분포되어 있는 차이를 밝혀냄으로써 오염물질이 태반 내에서 이동하는 메커니즘 연구에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 POSTECH 장윤석 교수는 “산모에게 축적된 환경오염물질이 태아에게 그대로 전달된다는 것은 환경호르몬이나 중금속에 노출되면 다음 세대까지 영향을 미친다는 의미”라며 “환경오염물질 배출은 물론 이에 대한 성인들의 무방비한 노출을 줄일 수 있는 노력이 필요하다”고 밝혔다. 장 교수는 또, “좀 더 많은 인체시료 확보를 위한 노력과 더불어 태아의 중금속이나 환경호르몬 노출을 줄일 수 있도록 오염물질과 세포의 상호작용에 대한 연구를 후속연구로 수행할 계획”이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 환경부 생활공감 환경보건기술개발사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 1. 잔류성유기오염물질 (Persistent Organic Pollutants) 잔류성, 생물 농축성, 장거리 이동성을 가진 독성물질로 다이옥신, 폴리염화비페닐, 디디티(DDT, 살충제) 등 스톡홀름협약 규제대상인 23개 물질의 총칭. 2. 브롬화난연제 전기, 전자제품, 건축자재, 플라스틱 등의 발화를 방지하거나 지연시키기 위해 쓰이는 화학물질로 독성과 호르몬교란 작용이 있고 스톡홀름협약 대상 물질임

장윤석 교수팀, 태아의 환경오염물질 노출경로 규명

임산부 체내에 쌓인 중금속이나 환경호르몬은 태아에게 그대로 전달된다. 태아에게 환경호르몬이 전달되면 태아의 지능 발달 저하는 물론 자폐증이나 심장질환과 같은 질병에도 영향을 미치게 된다. 이런 중금속이나 환경호르몬을 태아에게 전달하는 ‘주범’은 태반과 탯줄에 있는 혈액, ‘제대혈’이라는 연구결과가 발표됐다. 또, 수은, 납과 같은 중금속, 난연제 규제물질인 브롬화 다이페닐에테르의 경우 태반이 가진 장벽효과가 거의 나타나지 않는 것으로 조사됐다. 환경공학부 장윤석 교수팀은 경북대학교 병원과 공동으로 산모와 태아의 독성 환경오염물질의 노출과정과 체내 분포를 밝혀냈다. 미국화학회가 발행하는 환경과학분야 권위지 ‘환경과학기술(Environmental Science and Technology)’지를 통해 발표된 이 성과는 환경호르몬에 속하는 여러 잔류성유기오염물질(POPs)*1과 중금속을 동시에 분석, 오염물질간의 분포차이를 밝혀내는 것은 물론, 오염물질이 태반을 통과해 태아에게 전해지는 메커니즘을 제시하고 있다. 특히 이번 연구에서는 치명적 독성을 가진 브롬화다이옥신과 다염화나프탈렌이 처음으로 제대혈에서 검출돼 놀라움을 주고 있다. 연구팀은 산모와 태아로부터 채취한 혈액과 태반조직, 산모의 소변에서 납, 카드뮴, 수은과 같은 중금속류와 염화다이옥신, 브롬화다이옥신, 다염화나프탈렌, 다염화바이페닐과 같은 다이옥신 유사물질, 브롬화난연제*2인 브롬화 다이페닐에테르 등의 오염물질을 동시에 분석했다. 그 결과, 모든 오염물질은 산모의 혈액에서 태반을 통해 이동, 제대혈에서 검출됐으며, 대부분의 오염물질은 태반이 가진 장벽효과로 인해 태아에게 노출되는 양이 줄어들지만 수은과 브롬화다이페닐에테르는 산모의 혈액보다 제대혈에서 오히려 더 높은 농도로 검출됐다. 이와 함께 혈액 속에 극미량만이 검출되는 다이옥신과 비슷한 물질인 브롬화다이옥신과 다염화나프탈렌도 태반을 통해 제대혈로 이동한다는 사실이 밝혀졌다. 이번 연구결과는 다양한 오염물질들이 산모와 태아에 분포되어 있는 차이를 밝혀냄으로써 오염물질이 태반 내에서 이동하는 메커니즘 연구에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 연구를 주도한 장윤석 교수는 “산모에게 축적된 환경오염물질이 태아에게 그대로 전달된다는 것은 환경호르몬이나 중금속에 노출되면 다음 세대까지 영향을 미친다는 의미”라며 “환경오염물질 배출은 물론 이에 대한 성인들의 무방비한 노출을 줄일 수 있는 노력이 필요하다”고 밝혔다. 장 교수는 또, “좀 더 많은 인체시료 확보를 위한 노력과 더불어 태아의 중금속이나 환경호르몬 노출을 줄일 수 있도록 오염물질과 세포의 상호작용에 대한 연구를 후속연구로 수행할 계획”이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 환경부 생활공감 환경보건기술개발사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 1. 잔류성유기오염물질 (Persistent Organic Pollutants) 잔류성, 생물 농축성, 장거리 이동성을 가진 독성물질로 다이옥신, 폴리염화비페닐, 디디티(DDT, 살충제) 등 스톡홀름협약 규제대상인 23개 물질의 총칭. 2. 브롬화난연제 전기, 전자제품, 건축자재, 플라스틱 등의 발화를 방지하거나 지연시키기 위해 쓰이는 화학물질로 독성과 호르몬교란 작용이 있고 스톡홀름협약 대상 물질임

POSTECH, 버려지는 공장 폐열로 전기 만드는 친환경 기술개발 나선다

정부 다부처 공동기획사업 선정...5년간 100억원 투입 POSTECH(포항공과대학교)이 각종 공장에서 발생하는 폐열을 회수해 전기를 만들어내는 친환경 기술 ‘산업용 폐열회수 열전발전*1’ 시스템 개발을 위해 정부와 함께 나선다. 정부는 최근 정부과천청사에서 이석준 미래창조과학부 1차관 주재로 '다부처공동기술협력특별위원회'를 열어 POSTECH 창의IT융합공학과 백창기 교수․RIST 강덕홍 교수 공동연구팀의 ‘산업용 폐열 회수 열전발전 시스템’ 등 다부처 공동기획 연구 대상사업 9건을 확정, 발표했다. POSTECH은 이번 사업 선정으로 미래부, 산업부, 환경부 등에서 2015년부터 2019년까지 매년 20억 원씩, 5년간 총 100억 원을 지원받게 된다. 이번에 연구팀이 제안한 사업은 폐열원의 회수 효율을 높일 수 있는 ‘실리콘 열전모듈’을 활용한 열전발전 시스템 개발로, 특히 이 기술은 산업용 용광로, 가열로 등 에너지 재활용은 물론 자립화가 필요한 공정에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. POSTECH 백창기 교수는 “소재개발 중심으로 이루어졌던 기존 연구들과 달리, 이번 프로젝트에서는 고효율 열전발전 모듈, 발전시스템, 전력 변환장치 등 관련 원천 기술을 통합하는 시스템을 개발할 계획”이라고 밝혔다. 한편, 다부처 공동기획 연구사업은 정부 정책현안과 밀접한 분야에서 부처별 협업이 필요한 사업 과제를 발굴하기 위해 마련된 것으로 3개 부처 이상이 참여한다. 1. 열전발전 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술. 고온부분과 저온부분 사이의 온도차에 의해 발생하는 열이 이동하려고 하는 에너지를 전기에너지로 변환(발전)하는 것이다. 신재생 에너지 후보 기술 중 하나인 열전발전은 특히 산업 배·폐열을 회수해 전기를 생산함으로써 에너지 소비효율을 높일 수 있을 뿐 아니라 태양열, 지열, 도시배열, 해양 온도차 등 자연에너지원으로도 전기를 얻을 수 있어 신재생 에너지원으로서 주목받고 있다.

차형준 교수팀, 홍합 접착 메커니즘 이용한 접착성 단백질 나노입자 개발

POSTECH, 홍합 접착 메커니즘 이용한 접착성 단백질 나노입자 개발 차형준 교수팀, pH 반응성 화장품, 약물전달체에 응용 파도가 치는 바위에서도 붙어 있을 수 있는 강한 접착력을 가진 홍합접착단백질의 메커니즘을 이용해 특정 pH에서 물질을 방출하는 단백질 나노입자가 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀에 의해 개발됐다. POSTECH 화학공학과 차형준 교수팀은 홍합의 접착 메커니즘 중 하나인 금속-카테콜*1 결합을 활용, 약물전달체로 응용할 수 있는 새로운 접착성 단백질 나노입자를 개발하는데 성공했다. 화학 분야의 세계적 권위지인 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 표지논문으로 선정된 이 성과는 홍합접착 단백질 자체에 주목했던 이전과는 달리 홍합접착에 중요한 메커니즘을 새로운 기술로 응용할 수 있다는 것을 밝힌 첫 사례다. 금속-카테콜 결합은 홍합이 바위에 붙어 있도록 하는 메커니즘에 중요한 역할을 하는 화학적 결합으로, 특히 결합력과 자가복원성이 강해 생체접착제나 의료용 소재 개발의 모티브로 활용되어왔다. 차 교수팀은 금속-카테콜 결합이 금속 분자 주변의 pH 변화에 따라 그 형태가 달라진다는 특징을 이용, 환경자극에 반응해 특정 pH 이하에서만 물질을 밖으로 내보낼 수 있는 나노입자를 만들어냈다. 또한, 이 입자는 그 자체로도 접착력을 가지고 있어 생체조직 표면에서 효과적으로 접착될 수 있다는 사실도 추가로 확인됐다. 이 입자는 생체조직 표면에 접착된 다음 세포 내에 들어가 효과적으로 약물을 전달할 수 있는 pH 반응성 약물전달 제재로 의료분야나 화장품 산업에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “이번 연구는 홍합접착 핵심메커니즘에서 착안한 화학결합을 약물전달체 등 새로운 분야에 응용할 수 있음을 알려주는 기반기술”이라며 “이를 이용한 국소적 약물전달 접착성 물질로 암치료에 응용하는 동물실험을 추진 중”라고 밝혔다. 한편, 이 연구는 해양수산부가 추진하는 해양수산생명공학기술개발사업의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱 소재 기술개발’의 지원을 받아 수행됐다. 1. 카테콜 물에 녹지만 산화되기 쉬우며 알코올, 에테르에 녹는 무색 결정.

POSTECH, 온도계 보듯 ‘간단한’ 심근경색 진단기술 개발

화공 전상민 교수팀, 나노입자․모세관이용한 진단기술 개발 “화제” 한국인의 대표적인 사망원인으로 손꼽히는 심근경색은 2시간 이내에 치료하지 않으면 심장마비로 사망할 수 있을 뿐 아니라, 사망하지 않아도 뇌손상 등 심각한 후유증을 얻을 수 있어 특히 신속한 대처가 필요한 대표적인 응급질환이다. 이러한 심근경색을 가정에서 사용하는 온도계처럼 간단하게 검진할 수 있는 기술이 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀을 통해 발표됐다. POSTECH 화학공학과 전상민 교수․박사과정 이상희 씨 연구팀은 미국화학회(ACS)가 발간하는 권위지, 애널리티컬 케미스트리(Analytical Chemistry)지를 통해 백금나노입자와 모세관을 이용해 심근경색 여부를 알 수 있는 단백질, 트로포닌Ⅰ(Troponin I)을 5분 만에 검출해 눈으로 바로 확인할 수 있도록 하는 기술을 발표했다. 미국화학회가 발표하는 저널들의 논문 중 주요 연구결과로도 선정되어 학계의 관심을 모으고 있는 이 기술은 특히 긴급한 진단을 필요로 하는 응급실은 물론, 의료설비가 충분치 않은 도서․벽지나 제3세계 국가에서도 활용할 수 있는 ‘적정기술(Appropriate Technology)’로도 주목을 받고 있다. 심근경색으로 인해 심장 근육이 썩어버리면 근육 속에 들어 있는 효소나 단백질이 혈액 속으로 흘러나온다. 그 중에서도 트로포닌Ⅰ는 다른 장기에는 없는 단백질로, 혈액 속에서 이 단백질을 발견할 경우 심근경색 진단을 내리게 된다. 하지만, 이런 단백질의 측정은 시간을 상당부분 소요할 뿐 아니라 고가의 분석장비를 필요로 했다. 연구팀은 체온을 재기위해 가정에서도 흔히 사용하는 알코올 온도계의 원리에 주목했다. 이 온도계는 맨 아래 부분에 붉은 색소를 넣은 알코올이 채워져 있고 그 위에 좁은 모세관이 연결되어 있는데 온도가 증가하면 열을 얻은 알코올의 부피가 늘어나 유리관 위로 올라가 온도를 표시하게 된다. 이 원리처럼 모세관 속 잉크방울이 심근경색을 알리는 단백질의 농도만큼 유리관 위로 올라가며 심근경색 여부를 진단할 수 있는 것이다. 연구팀은 과산화수소가 백금나노입자와 만나면 산소를 만들면서 부피가 증가하여 유리병 속의 압력이 높아지는 원리를 이용했다. 심근경색을 검출할 수 있는 단백질 트로포닌Ⅰ을 검출할 수 있는 특수 나노입자를 이용, 이를 혈액과 혼합해 유리병에 넣고 잉크가 담긴 모세관이 달린 뚜껑을 닫으면 과산화수소가 나노입자에 의해 분해돼 온도계의 온도가 올라가듯이 잉크방울이 위로 올라가게 된다. 잉크방울의 높이는 온도계와 마찬가지로 단백질의 농도에 따라 달라져 트로포닌Ⅰ 농도를 눈으로 바로 확인할 수 있다. 이 방법을 이용하면 5분간의 반응으로 0.1ng/mL의 아주 낮은 농도의 트로포닌Ⅰ도 눈으로 쉽게 확인할 수 있다. 이 기술은 백금나노입자를 활용해 색 변화를 확인해 검출해내는 기존 기술에 비교해도 그 정확성이 높을 뿐 아니라, 심근경색만을 정확하게 검출해내는 특성을 가지고 있다. 또한, 나노입자에 붙이는 항체만 바꾸면 암은 물론 바이러스, 식중독균 등의 진단이나 검출에 이용할 수 있다는 점도 그 넓은 활용도를 기대할 수 있다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

POSTECH-국제공동연구팀, 식물성플랑크톤과 북극온난화 관계 연구 발표

CO2 흡수? 온난화 증폭제? 식물성플랑크톤의 ‘두 얼굴’ POSTECH-국제공동연구팀, 식물성플랑크톤과 북극온난화 관계 연구 발표 동물성 플랑크톤의 먹이로서, 해양 생태계 유지에 중요한 위치를 차지하고 있는 식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 성장하기 때문에 대기 중의 이산화탄소를 흡수하는 역할로도 많은 관심을 모으고 있다. 그러나 이런 식물성 플랑크톤이 지구온난화 현상으로 해빙(海氷)이 녹을 경우 북극 온난화를 가중시키는 ‘증폭제’로 돌변한다는 연구결과가 발표됐다. POSTECH(포항공과대학교) 환경공학부 국종성교수, 독일 막스플랑크 기상학연구소, 한국해양과학기술원 공동연구팀은 지구온난화로 인해 식물성플랑크톤이 북극온난화에 미치는 영향에 대한 연구 결과를 미국 국립과학원회보(PNAS) 20일 온라인판을 통해 발표했다(현지시간). PNAS의 ‘이 주의 논문(This Week in PNAS)’로 선정된 이 연구성과는 그간 해양생태계의 기반 역할이자 CO2 흡수를 통해 지구온난화 문제 해결에 도움을 줄 것으로 예상됐던 식물성플랑크톤이 오히려 북극의 온난화를 증폭시킨다는 결과를 제시해 학계의 비상한 관심을 모으고 있다. 북극의 해빙은 여름에 녹았다 겨울에 다시 얼어붙는다. 얼음은 태양복사에너지를 반사하지만, 얼음이 녹은 부분의 바닷물은 이 에너지를 흡수해 수온이 올라간다. 일단 한 번 해빙이 녹으면 태양빛을 반사하는 양은 줄어들고 바닷물이 따뜻해지면서 얼음이 더 빠르게 녹는다. 해빙은 특히 지구 전체의 기상과 기후 등에서 중요한 역할을 하고 있어 녹는 속도가 정상적인 범주를 벗어나게 되면 기상과 기후가 급격하게 변하게 된다. 식물성 플랑크톤 속 엽록소는 태양복사에너지와 해양표면층의 열을 흡수하는 역할을 하는데, 온난화로 인해 해빙이 녹을 경우 태양 복사에너지가 해양 속으로 들어가 식물 플랑크톤의 성장시기가 늘어난다. 이렇게 늘어난 식물성 플랑크톤은 열을 더욱 많이 흡수함으로써 다시 해양 표면층의 수온을 높이게 된다. 연구팀은 수치모형 실험을 통해 식물성 플랑크톤의 역할이 북극 온난화를 20%까지 증폭시킨다는 것이 연구팀의 결론이다. 특히, 현재 대부분의 기후 모형이 최근의 급격한 해빙 감소 및 북극 온난화 경향을 과소 평가하고 있으나, 이 연구에서는 식물성 플랑크톤의 효과를 고려해야만 최근의 급격한 북극 기후변화를 설득력있게 설명할 수 있다는 점을 제시해 눈길을 모으고 있다. 연구를 주도한 POSTECH 국종성 교수는 “이번 연구성과를 통해 식물성 플랑크톤의 존재가 향후 북극 기후 변화 연구에 있어서 중요한 요인”이라며 “북극과 지구 기후의 밀접한 연관성을 감안할 때 이런 북극해의 생태학적 변화가 기후 변화 예측 연구에 반드시 포함되어야 한다”고 설명했다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원과제의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH-KAIST 연구팀, 유해 유기용매 감지 플렉시블 센서 제조 기술 개발

스마트폰으로 온 메시지나 이메일을 간편하게 읽게 해주고, 걸음 수를 체크해 운동량을 체크해주는 등 다양한 기능으로 인기를 모으고 있는 ‘스마트와치(smart watch)’. 이런 웨어러블 스마트기기에 새집증후군의 원인이 되는 물질이나 물속의 오염물질을 바로 감지해 위험을 알려주는 기능을 탑재할 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH 화학공학과 오준학 교수․박사과정 이무열씨, KAIST 생명화학공학과 김범준 교수팀은 유해한 유기용매를 감지할 수 있는 플렉시블(flexible) 센서 제조 기술을 발표했다. 재료과학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지가 이 결과를 표지논문으로 소개하면서 학계의 관심도 모으고 있는 이 기술은 그간 화학․생물학에 이용되는 센서의 안정성과 정확성을 모두 획기적으로 개선시켰다. 최근 대기오염이나 발암성 물질 노출로 인한 질병이 급증하고, 후쿠시마 원전 사고나 구미공장 불산 누출 사고처럼 유해물질이 배출되는 사고가 이어지면서 일반인들이 손쉽게 환경오염 정도를 확인할 수 있는 기기에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 실제로 이러한 관심을 반영하듯 최근 공개된 구글의 조립형 스마트폰인 ‘아라폰’에는 사용자가 대기오염 정도를 직접 확인할 수 있는 부품도 포함된 것으로 알려져 있다. 연구팀이 공개한 것은 여기서 한 발 더 나아가 공기 중, 물 속, 심지어 유기용매 속에 유해물질이 있는지 바로 확인해볼 수 있는 ‘웨어러블’ 스마트 모니터링 기기에 활용할 수 있는 유기반도체를 이용한 화학센서 제조 기술이다. 유기반도체를 이용한 화학센서는 유연성이 좋고 가벼워 차세대 웨어러블 전자소자로서 경쟁적으로 연구되어온 분야다. 특히 유기재료는 센서로 만들 경우 필요한 종류에 따라 손쉽게 설계할 수 있는 장점이 있어 여러 종류의 유해물질 감지에도 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만 기존의 센서는 특히 유기 반도체 층의 용매에 대한 안정성이 부족해 그 응용분야가 한정적인 것이 단점으로 지적됐다. 연구팀은 기존 유기반도체 소재로 사용되어온 물질 P3HT에 아지드(azide)기(基)라는 가교(cross-linking)*1가 가능한 분자구조를 도입, 센서의 측정안정성을 크게 높였다. 이와 함께 반도체 표면에 특정 물질을 선택적으로 모을 수 있는 컨테이너 분자로 구성되도록 해 센서의 감응도와 선택도를 10배 이상 향상시켰다. 또, 연구팀은 이렇게 만들어진 센서를 이용, ‘새집증후군’의 주범으로 알려진 톨루엔, 인체 내에 흡수되면 치명적인 영향을 미치는 메탄올 등을 정확하게 검출하는데 성공했다. 여기에 이 센서는 기존의 설비로도 충분히 제조가 가능하다는 점에서 실용화 가능성도 크게 엿보인다. 특히 단기간만 사용할 수 있는 웨어러블 검출기로는 가까운 시일 내에도 개발이 가능할 것으로 전망된다. 또한, 이 센서는 스마트와치와 같은 웨어러블 모니터링용 스마트기기 개발에는 물론 화학물질 누출 여부를 지속적으로 확인해야 하는 공장이나 연구소에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 POSTECH 오준학 교수는 “이번 연구는 유기 반도체 기반 센서 실용화의 난제로 꼽히던 소자 안정성과 신뢰성을 향상시켰을 뿐 아니라 높은 감도와 선택도를 모두 구현할 수 있는 방법을 제시했다는 평가를 받고 있다”며 “유기 전자소자의 실질적 응용 범위를 더욱 넓힌 연구”라고 의의를 밝혔다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단” 및 “중견연구자지원사업”의 지원으로 수행됐다. 1. 가교 (Cross-linking) 선상 고분자 사슬에서 몇 가지 특정 원자 간에 화학 결합을 형성하는 것. 가교에 의해 해당 고분자는 3차원 그물모양 구조를 이룬다.

POSTECH 김동성 교수팀, 생체모사 나노섬유 막 제작 기술 개발

“예뻐지기 위해 널 다치게 할 수 없어.”(화장품 브랜드 B 광고문구) 최근 동물실험의 참혹한 장면들이 동물보호단체 등을 통해 공개되며 동물실험에 대한 찬반 여론이 나뉘고 있다. 특히 학계에서도 살아있는 동물의 사용을 가급적 피하도록 하는 방향으로 전환하려 하지만 뚜렷한 대안 역시 없는 상태로 약물 개발을 위한 동물․임상실험은 계속되고 있는 상태다. 지난 4월 11일, 화장품에 대한 ‘동물실험 금지’ 법안 발의가 예정된 가운데, 이러한 동물실험을 대체할 수 있는 원천기술이 같은 날 발표됐다. POSTECH 기계공학과 김동성 교수․박사과정 박상민씨 팀은 생체 내 구조를 모사한 3차원 곡면 위의 나노섬유 멤브레인(membrane)*1을 칩 위에 만드는 원천기술을 개발, 재료과학분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’를 통해 발표했다. 속표지논문(Inside Cover)으로 선정되며 학계의 관심을 그대로 증명한 이 연구성과는 아주 간단한 공정을 통해 생체 적합 고분자로 나노섬유 투과막을 만들 수 있어 동물실험이나 임상실험을 대체할 바이오칩에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 동물실험이나 임상실험은 여전히 비용적인 면은 물론 윤리적인 문제 때문에 논란의 대상이 되고 있다. 이를 대체하기 위해 인체 내 기관을 모사한 바이오칩이 대안으로 떠오르고 있지만, 인체는 기계보다 훨씬 더 복잡한 구조로 이루어져 있어 이에 대한 연구는 아직 미진한 수준이다. 특히 폐, 신장, 피부 등에 있는 기저막*2은 영양 공급과 물질 투과를 담당하는, 나노섬유가 복잡하게 얽힌 투과막으로 되어 있다. 이런 투과막은 기존의 나노기술로 모사해내기에는 한계가 있었다. 또 생체기관은 평면이 아니라 3차원 구조를 가지고 있어 생체와 비슷한 효과를 가진 바이오칩 개발을 위해서는 3차원 곡면 위에 나노섬유 막을 만들 수 있어야 할 필요성이 있었다. 연구팀은 지금까지 나노섬유를 만들어온 전기방사법을 응용했다. 전기방사법은 정전기를 이용해 고분자를 순간적으로 섬유형태로 방사하는 제작방식으로, 전해질 용액을 접지전극*3으로 이용, 이 전해질 용액에 나노섬유가 쌓이도록 했다. 전해질 용액이 가지는 특성 때문에 평면 뿐 아니라, 우리 몸 속 기저막과 같이 복잡한 형태를 가진 3차원 구조의 막도 쉽게 구현할 수 있다고 연구팀은 덧붙였다. 특히 이 기술은 생체 고분자인 콜라겐, 젤라틴이나 백금 등 여러 물질을 응용할 수 있어 동물실험을 대체할 상대적으로 저렴한 바이오칩에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 공정조건만 변화시키면 두께나 투과성도 조절할 수 있어 맞춤형 투과막도 만들 수 있다는 장점을 가지고 있어 나노입자 필터나 센서, 촉매와 배터리 등 폭넓게 응용될 것으로 보인다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “이 기술은 나노섬유 투과막을 3차원 곡면 위에 복잡한 공정 없이 간단하게 구현하는 한편, 그 형태도 3차원으로 끌어올린 원천기술”이라며 “학계로부터 ‘의생명 및 산업용 장치 개발에 새로운 지평을 열 것’이란 평가를 받고 있다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(중견연구자, 선도연구센터)과 첨단융합기술개발사업(생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업)의 지원으로 수행됐다. 1. 멤브레인 특정물질을 선택적으로 투과시키는 수많은 구멍을 가진 막 2. 기저막 상피 조직 아래 표피와 진피의 경계면에 있는 막으로, 나노섬유가 서로 얽혀진 막으로 영양을 공급하는 기지 역할을 한다. 3. 접지전극 전원의 음극이 연결된 전극으로 전기방사중 전하를 가진 나노섬유가 쌓이는 곳

POSTECH 조길원 교수팀, 수평구조 유기태양전지 개발

종이처럼 여러 번 접어도 “끄떡없는” 태양전지 나온다 여성들이 흔히 사용하는 천 소재의 가방에 넣어 언제든 스마트폰 충전을 할 수 있는 태양전지 혹은 실내에 들어오는 햇빛으로 전기를 만들어 내는 벽지가 나온다면 어떨까. POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 단 한 번의 인쇄로 여러 번 접었다 펴도 문제없는 태양전지를 개발하는 데 성공했다. POSTECH 화학공학과 조길원 교수, 김민․박종환 박사 팀은 재료과학 분야 권위지인 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)지를 통해 수평구조로 되어 있어 유연성을 획기적으로 향상시킨 유기태양전지 기술을 발표했다. 이 저널 표지논문으로 발표되며 학계의 관심을 모은 이 결과는 그간 휘어지기는 하지만 여러 차례 구부릴 수는 없었던 유기태양전지의 문제점을 크게 개선했다. 유기태양전지는 실리콘과 같은 딱딱한 무기소재가 아닌 유연한 유기소재를 광활성 물질로 사용하여 인쇄하듯 간단한 공정으로 만들 수 있고, 지지하는 기판을 플라스틱으로 만들 경우 휘거나 구부릴 수 있어 웨어러블 전지나 벽에 부착하는 필름형태의 전지 응용으로 각광받고 있다. 하지만 통상 유기태양전지는 기판-전극-광활성층과 전극이 여러 층으로 겹겹이 쌓인 수직 구조이며, 이러한 수직형 태양전지는 전극끼리 연결시키는 복잡한 공정이 필요하고, 사용하는 기판과 전극 소재가 딱딱하여 접거나 휠 수는 없었다. 연구팀은 아예 구조를 바꾸어 새롭게 수평 형태의 구조를 만들었다. 단 한개의 층을 이용하는 이 태양전지는 수 천회 구부려도 광전효율이 그대로 유지됐다. 또한 햇빛이 광활성층에 직접 도달하는 구조이기 때문에 굳이 빛을 끌어 모으기 위해 투명 기판을 고집할 필요가 없게 된다. 물론 이 수평구조의 유기태양전지는 전극을 미리 패턴했기 때문에 여러 공정이 필요없고 한 번의 코팅으로 완성된다는 것도 큰 장점이다. 이 기술을 이용하면 신문처럼 가볍고 접을 수 있는 새로운 개념의 태양전지 개발은 물론, 복잡한 소자 제작공정도 단순화시킬 수 있어 차세대 태양전지 상용화에도 기여할 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(나노기반소프트일렉트로닉스연구단)의 지원으로 수행됐다.