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박태호 교수팀, ‘사다리’로 효율 높인 염료감응형 태양전지 제작 성공

페인트를 바르듯 유리창에 염료를 바르는 것만으로도 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 개념의 태양전지로 주목받아온 염료감응형 태양전지는 따로 충전하지 않아도 스스로 전기를 만들어 움직이는 스마트워치 등에 활용될 것으로 전망되고 있다. 하지만, 실제로는 전자 전달이나 염료 재생성 면에서 아직 상용화 단계에 이르지는 못한 이 기술을 POSTECH 연구팀이 전자 전달을 느리게 하는 장벽을 넘는 ‘사다리’를 이용해 상용화를 크게 앞당겼다. POSTECH 화학공학과 박태호 교수․박사과정 임종철․통합과정 김태환 씨팀은 염료감응형 태양전지의 단점으로 지적됐던 전자 재결합과 염료 재생성을 동시에 해결, 효율을 크게 높인 기술을 발표했다. 에너지분야 국제 권위지인 ‘에너지․환경과학(Energy & Environmental Science)’지 12월호 표지논문으로 소개된 이 기술은 휘어지는 기판에도 적용할 수 있어 플렉서블(flexible) 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 염료감응형 태양전지는 다른 태양전지와 달리 설비가 간편하고, 그 응용방법도 다양해 특히 경쟁적으로 연구되는 분야지만, 태양전지가 만들어낸 전자가 원치 않는 반응으로 사라져버리는 ‘재결합 반응’과 염료가 전자를 만들어낸 다음 새로운 전자를 만들기 위해 재생돼야 하지만 빨리 재생되지 않는, 낮은 ‘재생성 반응’ 때문에 상용화되기 어렵다는 지적을 받아왔다. 연구팀은 이중결합을 가진 새로운 물질(3,4,5-tris-butenyloxy benzoic acid (TD))을 이용해 염료감응형 태양전지의 효율을 높이기 위해서 생성된 전자가 에너지 장벽을 넘어 전극으로 잘 이동할 수 있도록 하는 ‘사다리’역할을 하도록 하는 한편, 물질의 특성을 이용, 전해질로 사용되는 요오드 이온의 산화를 활성화시키면서 염료가 빠르게 재생, 환원 되도록 하는 기술을 내놨다. 지금까지 대부분의 기술들이 전자가 전극으로 이동하도록 하는 기술에만 치중해 염료의 재생성 속도는 해결하지 못한 반면, 박 교수팀이 내놓은 기술은 전자가 무사히 전극으로 이동하도록 하면서도 빠르게 염료가 재생되도록 하는 ‘일석이조’의 효과를 가지고 있다. 이 기술은 염료감응형 태양전지의 상용화를 크게 앞당긴 한편으로, 현상의 원리를 밝히는 과정에서 나노단위의 염료나 전극의 계면에서 나타나는 전자의 이동현상을 규명해내 다양한 광전자 연구분야에도 응용될 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박태호 교수는 “투명/플렉서블 고효율 태양전지는 염료감응형 태양전지를 이용해 실생활에 쓰이는 유리소재와 전자기기에 응용해 무궁무진하게 활용할 수 있으며 특히 소형화가 가능해 주목을 모으는 기술”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다.

차형준 교수팀, 홍합접착단백질로 골형성 유도 바인더 활용 기술 개발

아무리 센 파도가 쳐도 홍합이 바위에 끄덕없이 붙어 있을 수 있는 비결은 그만큼 강한 접착력을 가진 단백질이다. 이 단백질을 상처를 꿰매지 않고 피부나 몸 속 장기를 붙이는 생체접착제나 지혈제 등에 활용하는 연구가 계속되는 가운데, POSTECH과 고려대 안암병원 공동연구진에 의해 임플란트 등에 활용할 수 있는 ‘기능성 골 이식재 본드’가 개발됐다. POSTECH 화학공학과 차형준 교수․고려대 안암병원 치과 전상호 교수 연구팀은 홍합접착단백질을 이용해 뼈의 재생에 많이 이용되는 이종골 이식재가 이식된 부위에서 움직이지 않게 하고 뼈세포나 주변의 다양한 성장인자들이 이식재에 잘 붙도록 해 새롭게 뼈가 빨리 형성되도록 하는 ‘기능성 골형성 유도 바인더’를 개발했다. 이종골 이식재는 소나 돼지와 같은 동물의 뼛가루로 만들어지며, 임플란트 수술시 치아를 지지하는 뼈인 ‘치조골’이 부족할 경우 이를 보강하는 용도로 쓰인다. 하지만, 지금까지는 이러한 이식재의 이탈을 막고 뼈 형성 세포의 유도를 위하여 ‘본드’ 역할을 하는 바인더 대신, ‘차단막’을 사용해왔지만 2차 수술을 하게 될 경우에 문제가 됨은 물론, 강도나 제형 면에서 문제점들이 제기되어 왔다. 특히 임플란트에 사용할 경우, 입 속에 수분이 많이 존재하기 때문에 점도가 높은 고분자 물질로 바인더를 만들어도 그 효과가 충분히 검증되지 않았다. 연구팀은 강한 접착력은 물론 수중에서도 그 접착력을 유지하는 장점을 가진 홍합접착단백질에 주목, 이를 이용한 바인더를 개발해 동물실험에 응용했다. 그리고 이 바인더가 이종골 이식재를 이식된 부위에서 움직이지 않도록 할 뿐 아니라, 뼈의 형성도 크게 돕는다는 사실을 확인했다. 물론, 과거에는 홍합접착단백질은 극히 소량생산만 가능하다는 한계가 있었지만, 차형준 교수팀이 분자생명공학기술을 이용해 이미 대량생산에 대한 길을 열어뒀다는 점도 연구의 큰 밑바탕이 됐다 . 연구를 주도한 POSTECH 차형준 교수는 “이번 연구는 홍합접착단백질의 골이식재 바인더로서의 성공적인 활용가능성을 실제 동물실험을 통해 처음으로 확인한 연구”라며 “현재 치과재료 전문기업인 (주)푸르고에 기술이전이 완료된 상태이며 실용화 연구가 진행 중”이라고 밝혔다. 고려대 전상호 교수는 “홍합접착단백질과 함께 줄기세포와 성장인자를 뼈의 수복에 활용하는 연구를 후속연구로 진행하고 있으며 치조골 부족으로 임플란트가 어렵거나 안면에 심한 골결손을 가진 환자의 치료에도 활용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편, 본 연구는 해양수산부가 추진하고 한국해양과학기술진흥원이 관리하는 해양생명공학사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 바이오소재 분야의 권위지 ‘Journal of Materials Chemistry B’ 의 표지논문으로 선정됐다.

POSTECH, 홍합접착단백질이 “골이식재 붙이는 본드”로

차형준 교수팀, 홍합접착단백질로 골형성 유도 바인더 활용 기술 개발 아무리 센 파도가 쳐도 홍합이 바위에 끄덕없이 붙어 있을 수 있는 비결은 그만큼 강한 접착력을 가진 단백질이다. 이 단백질을 상처를 꿰매지 않고 피부나 몸 속 장기를 붙이는 생체접착제나 지혈제 등에 활용하는 연구가 계속되는 가운데, POSTECH(포항공과대학교)과 고려대 안암병원 공동연구진에 의해 임플란트 등에 활용할 수 있는 ‘기능성 골 이식재 본드’가 개발됐다. POSTECH 화학공학과 차형준 교수․고려대 안암병원 치과 전상호 교수 연구팀은 홍합접착단백질을 이용해 뼈의 재생에 많이 이용되는 이종골 이식재가 이식된 부위에서 움직이지 않게 하고 뼈세포나 주변의 다양한 성장인자들이 이식재에 잘 붙도록 해 새롭게 뼈가 빨리 형성되도록 하는 ‘기능성 골형성 유도 바인더’를 개발했다. 이종골 이식재는 소나 돼지와 같은 동물의 뼛가루로 만들어지며, 임플란트 수술시 치아를 지지하는 뼈인 ‘치조골’이 부족할 경우 이를 보강하는 용도로 쓰인다. 하지만, 지금까지는 이러한 이식재의 이탈을 막고 뼈 형성 세포의 유도를 위하여 ‘본드’ 역할을 하는 바인더 대신, ‘차단막’을 사용해왔지만 2차 수술을 하게 될 경우에 문제가 됨은 물론, 강도나 제형 면에서 문제점들이 제기되어 왔다. 특히 임플란트에 사용할 경우, 입 속에 수분이 많이 존재하기 때문에 점도가 높은 고분자 물질로 바인더를 만들어도 그 효과가 충분히 검증되지 않았다. 연구팀은 강한 접착력은 물론 수중에서도 그 접착력을 유지하는 장점을 가진 홍합접착단백질에 주목, 이를 이용한 바인더를 개발해 동물실험에 응용했다. 그리고 이 바인더가 이종골 이식재를 이식된 부위에서 움직이지 않도록 할 뿐 아니라, 뼈의 형성도 크게 돕는다는 사실을 확인했다. 물론, 과거에는 홍합접착단백질은 극히 소량생산만 가능하다는 한계가 있었지만, 차형준 교수팀이 분자생명공학기술을 이용해 이미 대량생산에 대한 길을 열어뒀다는 점도 연구의 큰 밑바탕이 됐다 . 연구를 주도한 POSTECH 차형준 교수는 “이번 연구는 홍합접착단백질의 골이식재 바인더로서의 성공적인 활용가능성을 실제 동물실험을 통해 처음으로 확인한 연구”라며 “현재 치과재료 전문기업인 (주)푸르고에 기술이전이 완료된 상태이며 실용화 연구가 진행 중”이라고 밝혔다. 고려대 전상호 교수는 “홍합접착단백질과 함께 줄기세포와 성장인자를 뼈의 수복에 활용하는 연구를 후속연구로 진행하고 있으며 치조골 부족으로 임플란트가 어렵거나 안면에 심한 골결손을 가진 환자의 치료에도 활용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편, 본 연구는 해양수산부가 추진하고 한국해양과학기술진흥원이 관리하는 해양생명공학사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 바이오소재 분야의 권위지 ‘Journal of Materials Chemistry B’ 의 표지논문으로 선정됐다.

“나노선으로 인쇄용 유기태양전지 효율 향상의 ‘길’ 열려”

POSTECH 조길원 교수팀, 반도체 고분자 나노선을 이용하여 고성능 유기태양전지 개발에 성공 종이처럼 가볍고 유연한 차세대 에너지소자로서 주목받고 있는 ‘유기태양전지’의 효율을 고분자 반도체 잉크의 인쇄공정을 통해 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이 개발됐다. 포스텍 화학공학과 조길원 교수(58), 이재원 박사(32), 조새벽 박사(27) 연구팀은 유기태양전지용 반도체 고분자가 코팅과정에서 나노선 형태로 자기조립 되는 현상을 규명하고, 이를 응용하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 재료분야의 세계적 권위지 Advanced Materials 최신호(10월 22일자) 표지논문으로 발표된 이 연구성과는 특히 유기태양전지용 반도체 고분자의 분자간 상호작용을 간단한 인쇄 공정으로 조절하여 결정화도가 높은 고분자 나노선을 만들어 학계의 주목을 받았다. 유기태양전지에 사용되는 반도체 고분자는 인쇄공정을 쉽게 하기 위해 곁가지를 붙이는 것이 필수적이었다. 연구팀은 빛 흡수를 낮추는 이러한 곁가지를 사용하는 대신 다양한 혼합용매를 사용하여 분자간의 상호작용을 효과적으로 조절하였다. 특히 인쇄공정 중 용매의 증발 과정을 제어하면 반도체 고분자가 나노선 형태가 된다는 것을 발견했다. 이러한 반도체 고분자 나노선은 광활성층 내에서 빛에 의해 생성된 전류의 ‘고속도로’ 역할을 하여 전류의 손실을 최소화 하며, 이를 통해 기존 태양전지에 비해 광전류의 생성을 2.5배 이상, 효율을 60% 이상 증가시킬 수 있었다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구성과는 유기태양전지용 반도체 고분자가 인쇄되는 과정에서 나노선으로 만들어지는 원리를 처음으로 규명한 것”이라며 “이 연구를 바탕으로 고효율, 저비용의 인쇄용 플렉시블 유기태양전지의 개발에 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업 “나노기반 소프트일렉트로닉스연구단”의 지원으로 수행되었으며 포항가속기연구소의 분석도움을 받았다.

POSTECH, ‘사다리’로 효율 높인 염료감응형 태양전지 제작 성공

화공 박태호 교수팀, 전자전달․염료재생성 우수한 염료감응형 태양전지 개발 페인트를 바르듯 유리창에 염료를 바르는 것만으로도 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 개념의 태양전지로 주목받아온 염료감응형 태양전지는 따로 충전하지 않아도 스스로 전기를 만들어 움직이는 스마트워치 등에 활용될 것으로 전망되고 있다. 하지만, 실제로는 전자 전달이나 염료 재생성 면에서 아직 상용화 단계에 이르지는 못한 이 기술을 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 전자 전달을 느리게 하는 장벽을 넘는 ‘사다리’를 이용해 상용화를 크게 앞당겼다. POSTECH 화학공학과 박태호 교수․박사과정 임종철․통합과정 김태환 씨팀은 염료감응형 태양전지의 단점으로 지적됐던 전자 재결합과 염료 재생성을 동시에 해결, 효율을 크게 높인 기술을 발표했다. 에너지분야 국제 권위지인 ‘에너지․환경과학(Energy & Environmental Science)’지 12월호 표지논문으로 소개된 이 기술은 휘어지는 기판에도 적용할 수 있어 플렉서블(flexible) 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 염료감응형 태양전지는 다른 태양전지와 달리 설비가 간편하고, 그 응용방법도 다양해 특히 경쟁적으로 연구되는 분야지만, 태양전지가 만들어낸 전자가 원치 않는 반응으로 사라져버리는 ‘재결합 반응’과 염료가 전자를 만들어낸 다음 새로운 전자를 만들기 위해 재생돼야 하지만 빨리 재생되지 않는, 낮은 ‘재생성 반응’ 때문에 상용화되기 어렵다는 지적을 받아왔다. 연구팀은 이중결합을 가진 새로운 물질(3,4,5-tris-butenyloxy benzoic acid (TD))을 이용해 염료감응형 태양전지의 효율을 높이기 위해서 생성된 전자가 에너지 장벽을 넘어 전극으로 잘 이동할 수 있도록 하는 ‘사다리’역할을 하도록 하는 한편, 물질의 특성을 이용, 전해질로 사용되는 요오드 이온의 산화를 활성화시키면서 염료가 빠르게 재생, 환원 되도록 하는 기술을 내놨다. 지금까지 대부분의 기술들이 전자가 전극으로 이동하도록 하는 기술에만 치중해 염료의 재생성 속도는 해결하지 못한 반면, 박 교수팀이 내놓은 기술은 전자가 무사히 전극으로 이동하도록 하면서도 빠르게 염료가 재생되도록 하는 ‘일석이조’의 효과를 가지고 있다. 이 기술은 염료감응형 태양전지의 상용화를 크게 앞당긴 한편으로, 현상의 원리를 밝히는 과정에서 나노단위의 염료나 전극의 계면에서 나타나는 전자의 이동현상을 규명해내 다양한 광전자 연구분야에도 응용될 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박태호 교수는 “투명/플렉서블 고효율 태양전지는 염료감응형 태양전지를 이용해 실생활에 쓰이는 유리소재와 전자기기에 응용해 무궁무진하게 활용할 수 있으며 특히 소형화가 가능해 주목을 모으는 기술”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다.

질소 오염물질 유입에 따른 북태평양 수질 및 생태계 교란 원인 규명

- 인간 활동으로 배출된 질소 오염물질에 대양이 심각하게 노출된 증거 제공 – 국내 연구진이 화석연료 사용, 산업 활동과 같은 인간 활동으로 만들어진 질소 오염물질이 대기를 통해 북태평양 전 해역에 유입되고 있음을 규명해냈다. 포항공대 환경공학부 이기택 교수 연구팀이 스위스 취리히 연방공대, 미국 하와이주립대, 미국 해양대기청, 한국해양과학기술원과 함께 미래창조과학부가 추진하는 글로벌연구실사업과 해양수산부 사업 등의 지원으로 수행한 이번 연구결과는 그 중요성을 인정받아 국제학술지 사이언스(Science)지 11월 28일자(현지시간)에 게재되었다. (논문제목: Increasing anthropogenic nitrogen in the North Pacific Ocean) 연구팀은 북태평양에서 측정된 질산염* 농도 정밀조사 자료와 전대양 모델결과를 분석하여 동북아의 경제성장과 일치하는 1970년대 이후부터 질산염이 급격히 증가함을 밝혀내고, 그 주원인이 대기를 통한 질소 오염물질의 유입임을 밝혀낸 것이다. 이는 해양으로 유입된 질소 오염물질이 연안뿐만 아니라 대양까지 빠른 시간 내에 광범위하게 영향을 미치고 있음을 보여주는 직접적인 증거라는 설명이다. 화석연료 및 비료사용으로 인한 질소오염물질의 지속적 유입은 해양생태계의 토대가 되는 영양염** 균형을 파괴, 해양 생태계의 일차생산자인 식물플랑크톤***종 조성에 영향을 주어 예상치 못한 생태계 교란을 일으킬 수 있다는 것이다. 아시아 국가의 빠른 경제성장 등으로 질소 오염물질의 대기배출이 증가하고 있어 해양 질소유입도 더욱 증가하고, 이에 따른 해양 생태계의 질적 변화가 예측된다는 것이 연구진의 설명이다. 이번 연구결과는 질소 오염물질 유입에 따른 해양 생태계의 변화를 주의 깊게 살펴 볼 필요가 있음을 시사하는 것으로 질소오염물질이 향후 심각한 교란 및 파괴를 야기한다면 질소 배출량을 설정하는 계기 마련 등의 환경정책 수립의 과학적 근거자료로 기여할 것으로 기대된다. 이기택 교수는 “본 연구는 동북아의 인구증가와 산업화로 인해 발생한 대기 오염물질이 예상을 뛰어넘는 속도로 광범위하게 북태평양에 영향을 주고 있음을 밝힌 것으로서 심각한 해양생태계 교란이 발생할 수도 있음을 시사하며, 향후 전지구적인 문제로 관심을 가질 필요가 있다”고 밝혔다. [용어설명] * 질산염:영양염의 하나로 식물 플랑크톤이 주요하게 이용하는 질소의 형태 ** 영양염:식물플랑크톤이나 해조류의 골격물질을 구성하며 그 유기물질 합성에 제약요인이 되는 규산염, 인산염, 질산염, 아질산염 등의 총칭 *** 식물플랑크톤:수중에서 부유생활을 하는 광합성 식물로 현미경으로 볼 수 있는 작은 크기의 해양생태계 먹이망 최하위에 속하는 일차 생산자

POSTECH, 초고속 금속 나노선 전극 인쇄 기술 개발

POSTECH, 초고속 금속 나노선 전극 인쇄 기술 개발 이태우 교수팀, 어드밴스드머터리얼스 통해 발표 스마트시계 등 다양한 휴대용 웨어러블(wearable) 기기 속에 들어가는 전자소자는 크기는 작으면서도 기능을 원활하게 구동할 수 있어야 한다. 이 같은 초소형․고집적 소자의 전극을 빠르게 정렬해 인쇄할 수 있는 기술이 국내 연구진을 통해 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학부 이태우 교수․박사과정 이영준씨 연구팀은 재료분야 권위지 ‘어드밴스드머터리얼스(Advanced Materials)’지를 통해 금속 나노선 전극을 빠르게 대면적의 소자에 인쇄하는 기술을 발표했다. 이 기술은 해당 저널의 속표지 논문과 일반인에게도 초록이 공개되는 최우선 논문으로도 선정, 학계로부터의 높은 관심을 증명했다. 소자의 나노크기의 전극을 제작하는 대표적인 방법으로는 포토리소그라피(photolithography)와 전자빔리소그라피(electron beamlithography) 등의 방법이 있지만 이들 기술은 공정이 복잡하고 공정단가가 높다는 단점이 있었다. 또한 기존에 발표된 바 있는 금속 전극 및 배선을 인쇄하는 공정 역시 눈에 보이지 않는 수준의 1 마이크로미터 이하의 금속선을 구현하기에는 기술적인 한계를 가지고 있었다. 연구팀은 독자적인 기술인 전기장을 이용, 나노선을 기판 위에 직접 정렬시키는 E-나노선 인쇄(E-nanowire printing)기술을 활용해 눈에 보이지 않는 수백나노미터의 선폭을 가졌으면서도 일반 금속과 비슷한 전기적 특성을 나타내는 구리 나노선 전극을 대면적으로 정렬된 상태로 균일하게 인쇄하는데 성공했다. 이와 함께 유기트랜지스터의 전극으로 이용해 소자를 만드는데도 성공해 향후 전자소자 전극으로의 적용 가능성을 입증하기도 했다. 연구팀은 이 기술을 통해 대면적으로 정렬된 금속나노선을 더욱 빠르게 구현해냈을 뿐 아니라, 비용도 크게 낮춰 기존의 방법을 대체할 수 있는 새로운 기술을 제시했다는 평가를 받았다. 이 연구는 디스플레이, 메모리, 태양전지는 물론 터치스크린패널 등 다양한 투명 전자소자와 고집적 회로에 활용될 수 있으며, 특히 다양한 광전자소자와 인쇄 나노전자 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고 있는 국내의 다른 기술과 결합되면 특히 우리나라의 소프트 일렉트로닉스 분야 발전에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 뿐만 아니라, 기존 디스플레이 패널 등의 대면적 전자소자 제작 공정상 발생하는 금속 배선의 결함(defect)을 효과적으로 보수(repair)할 수 있는 기술로도 응용할 수 있어 기존 전자산업에서의 수율을 크게 향상할 수 있을 것으로도 기대된다. 연구를 주도한 이태우 교수는 “기존의 나노 전극 제조방식에 비해 시간과 비용을 현저히 줄였을 뿐 아니라 공법도 간결화해 향후 금속 나노전극을 이용한 고집적 전자소자의 상용화를 앞당길 것”이라며 “특히 2020년 50조원 규모로 성장할 것으로 예측되고 있는 웨어러블(wearable) 컴퓨터, 섬유 전자소자, 플렉시블(flexible) 디스플레이 구현을 위한 원천기술로도 사용될 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다. 그림 1. (상) 구리 나노선 프린팅 공정 모식도, (하, 좌) 구리 나노선 단면의 전자 현미경 사진, (하, 우) 균일하게 정렬된 구리 나노선의 전자 현미경 사진. 그림 2. 구리 나노선을 소스/드레인 전극으로 사용한 전계 효과 트랜지스터 모식도.

韓․獨 공동연구팀, 철계 초전도체의 비밀 풀 ‘열쇠’ 찾았다

철계 초전도체의 네마틱 상태의 원인 밝혀내 초전도는 일정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 ‘0’이 되는 현상으로, 전력 효율을 높이는데 활용되기도 하지만, KTX와 같은 자기부상 열차나 병원에서 촬영하는 MRI 등 고자기장을 필요로 하는 기술에도 활용된다. 이와 같은 초전도 현상을 일으키는 물질이 발견된 뒤 100여년 간 다양한 물질이 발견됐고, 지난 2009년에는 철(Fe)계 초전도체가 발견되기도 했다. 바로 이 새로운 철계 초전도체 물질에 대한 비밀을 풀 열쇠가 한국과 독일 공동연구팀에 의해 발견됐다. 독일 드레스덴 라이프니츠연구소(IFW-Dresden) 백승호 박사, POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 김준성 교수․통합과정 옥종목씨 연구팀은 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 최신호를 통해 철계 초전도체인FeSe의 독특한 초전도 현상에 관한 연구를 발표했다. 철계 초전도체는 다른 초전도체와는 달리 분자가 자기적으로 정렬된 상태와 네마틱 상태 등 서로 다른 2개의 정렬상태에서 초전도현상을 보인다. 초전도체의 활용을 위해서는 초전도 현상이 언제 일어나는가를 이해하는 것이 특히 중요한데, 네마틱 상태에서 초전도 현상이 일어나는 원인에 대해서는 알려진 바가 없다. 네마틱 상태는 우리가 흔히 사용하는 LCD 등의 액정필름을 300배 확대해 찍으면 눈으로도 볼 수 있는 독특한 현상으로, 액정 속 분자가 불규칙하게 퍼져 있지만 모두 일정한 방향을 향하고 있는 것을 말한다. 연구팀은 핵자기공명(NMR)을 통해 네마틱 상태가 일어나는 온도가 초전도 상태가 나타나는 온도보다 훨씬 높다는 것과 이러한 현상이 철계 초전도체가 오비탈(Orbital)*1의 자유도, 즉 전자의 분포도에 의한 것이라는 사실을 밝혀냈다. 특히 지금까지는 이러한 현상이 주로 전자의 스핀에 의한 것으로 알려져 있었다. 이번 연구는 특히 철계 초전도체에서 네마틱 상태를 일으키는 원인은 물론, 이런 현상이 초전도현상에 어떤 영향을 미치는가에 대한 중요한 단서를 제공했다는 점에서 의의를 가지고 있다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 한국-POSTECH 막스플랑크 연구소, 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다. 1. 오비탈(Orbital) 원자, 분자, 결정 속의 전자나 원자핵 속의 핵자 등의 양자역학적 분포상태를 말한다.

김준성 교수, 韓․獨 공동연구팀, 철계 초전도체의 비밀 풀 ‘열쇠’ 찾았다

철계 초전도체의 네마틱 상태의 원인 밝혀내 초전도는 일정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 ‘0’이 되는 현상으로, 전력 효율을 높이는데 활용되기도 하지만, KTX와 같은 자기부상 열차나 병원에서 촬영하는 MRI 등 고자기장을 필요로 하는 기술에도 활용된다. 이와 같은 초전도 현상을 일으키는 물질이 발견된 뒤 100여년 간 다양한 물질이 발견됐고, 지난 2009년에는 철(Fe)계 초전도체가 발견되기도 했다. 바로 이 새로운 철계 초전도체 물질에 대한 비밀을 풀 열쇠가 한국과 독일 공동연구팀에 의해 발견됐다. 독일 드레스덴 라이프니츠연구소(IFW-Dresden) 백승호 박사, POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 김준성 교수․통합과정 옥종목씨 연구팀은 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 최신호를 통해 철계 초전도체인FeSe의 독특한 초전도 현상에 관한 연구를 발표했다. 철계 초전도체는 다른 초전도체와는 달리 분자가 자기적으로 정렬된 상태와 네마틱 상태 등 서로 다른 2개의 정렬상태에서 초전도현상을 보인다. 초전도체의 활용을 위해서는 초전도 현상이 언제 일어나는가를 이해하는 것이 특히 중요한데, 네마틱 상태에서 초전도 현상이 일어나는 원인에 대해서는 알려진 바가 없다. 네마틱 상태는 우리가 흔히 사용하는 LCD 등의 액정필름을 300배 확대해 찍으면 눈으로도 볼 수 있는 독특한 현상으로, 액정 속 분자가 불규칙하게 퍼져 있지만 모두 일정한 방향을 향하고 있는 것을 말한다. 연구팀은 핵자기공명(NMR)을 통해 네마틱 상태가 일어나는 온도가 초전도 상태가 나타나는 온도보다 훨씬 높다는 것과 이러한 현상이 철계 초전도체가 오비탈(Orbital)*1의 자유도, 즉 전자의 분포도에 의한 것이라는 사실을 밝혀냈다. 특히 지금까지는 이러한 현상이 주로 전자의 스핀에 의한 것으로 알려져 있었다. 이번 연구는 특히 철계 초전도체에서 네마틱 상태를 일으키는 원인은 물론, 이런 현상이 초전도현상에 어떤 영향을 미치는가에 대한 중요한 단서를 제공했다는 점에서 의의를 가지고 있다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 한국-POSTECH 막스플랑크 연구소, 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다. 1. 오비탈(Orbital) 원자, 분자, 결정 속의 전자나 원자핵 속의 핵자 등의 양자역학적 분포상태를 말한다.

조동우 교수 연구팀 外, 3D프린터로 함몰된 광대뼈 완벽 재생

- 포스텍-서울성모병원-․티엔알바이오펩 공동 연구 ‘결실’ - 얼굴모양 완벽 복원 성공, 1년 뒤면 실제 뼈 재생 기대 3D프린팅 기술로 만든 특수 인공구조물의 인체 이식을 통해 실제 뼈로 재생되도록 하는 프로젝트가 국내 연구진에 의해 성공리에 수행되었다. 포스텍 기계공학과 조동우 교수 연구팀은 서울 성모병원 성형외과 이종원 교수, 티엔알바이오펩(주) 윤원수 박사와의 공동 연구를 통해 눈을 지탱하고 있는 안면골의 뼈가 심하게 함몰되고 복원 성장이 더딘 환자를 대상으로 실제 정상 부분(환자의 왼쪽 안면)과 일치하는 구조물을 3D프린터로 제작, 인체에 이식하는데 성공했다. 이 보형물의 재료는 몸 안에서 안전하게 분해되고 뼈 재생을 촉진하는 특수 원료로서, 서서히 녹으면서 실제 뼈가 자라며 바뀌게 된다. 조동우 교수 연구팀은 환자 CT 사진을 정밀 분석해 핵심기술인 3D프린터를 이용해 재생용 구조체의 디자인을 맞춤형으로 완벽히 설계하고 재현해 내었다. 또, 인체 이식용 구조물 재료로서의 안전성이 보장되는 제작을 위해 티엔알바이오펩의 도움을 받았다. 이 환자는 서울성모병원에서 수술 후 외형상으로 정상적인 눈 위치를 회복했음은 물론 실생활에 불편함 없이 정상적인 생활이 바로 가능하였다. 앞으로 환자 몸에서 완벽히 재생하는 기간은 1년 정도로 연구진은 예상하고 있다. 3D프린팅을 이용한 인공기관이나 재생용 구조체 제작 연구는 지금까지 여러 나라에서 활발히 진행되어 왔으나, 실제 사람에게 이식한 사례는 단 몇 건에 불과할 뿐이고 이처럼 외모 향상을 위해 섬세한 형상을 요구하는 3D프린터를 이용한 수술은 세계 최초라 할 수 있다. 지난 9월초 진행된 이 수술 프로젝트가 1년여 후 완벽히 성공한 것으로 입증되면, 3D프린트의 의료기술 활용에 있어 핵심 관건인 맞춤형 제작 및 조직 재생을 현실화 하는 전기를 마련하게 되는 셈이다. 즉, 기존 환자의 늑골 채취와 같은 추가적 수술 요구나 수공 가공, 성형 등 전적으로 의사의 감각에 의존하던 치료방식을 탈피, 정교한 형상 복원 뿐만 아니라 손상 부위를 자기 조직으로 재생시키는 맞춤형 의료행위가 가능해지는 것이다. 공동 연구팀은 “환자 상태를 지속적으로 살핀 후 학계에 공식 보고할 예정”이라며, “지금까지 SF영화에서나 보던 상상속의 이야기인 의료용 3D프린트 기술의 상용화와 보편화를 가속화 하며, 국제 경쟁력을 확보할 수 있게 될 것이다”고 말했다. [관련 영상 보기]