Research

화공/융합 차형준 교수팀, 멈추지 않는 내부 출혈, 홍합 단백질과 세포외기질 복합소재에서 답을 찾다

[POSTECH 연구팀, 접착단백질과 세포외기질 성분으로 내부출혈 지혈 및 조직회복 유도 지혈제 개발] 수술 중 가장 치명적인 상황 중 하나는 멈추지 않는 출혈이다. 특히 간이나 비장 같은 내부 장기에서 피가 계속 흐르면 지혈이 어렵고, 환자의 생명이 위태로워진다. 그런데 최근 POSTECH 연구팀이 바닷속 홍합의 강력한 접착력과 생체조직 성분에서 영감을 받아, 내부 장기 출혈을 신속히 막을 수 있는 ‘지혈 스펀지’를 개발했다. 현재 널리 쓰이는 의료용 지혈제는 출혈 부위에 잘 달라붙지 않거나, 체내에서 분해되지 않아 합병증을 유발하는 경우가 많다. 연구팀은 홍합의 접착단백질에 돼지의 간조직에서 추출한 ‘탈세포화된 세포외기질(Decellularized Extracellular Matrix, 이하 dECM)’을 결합해, 생체 흡수성과 조직 접착성을 동시에 갖춘 복합 지혈 스펀지를 만들어냈다. 이 스펀지는 출혈 부위에 닿으면 즉시 부풀어 혈액을 흡수하고, 강력한 접착력으로 조직에 단단히 붙어 지혈 효과를 높인다. 그리고, 지혈이 끝난 후에는 체내에서 완전히 분해·흡수되며, 노출된 dECM이 상처 회복을 촉진한다. dECM은 체내 고유의 지혈 기전을 활성화해 빠른 혈액 응고와 조직 재생을 돕는 역할을 한다. 항응고제를 투여한 동물 간 출혈 모델에 개발한 스펀지를 사용한 결과, 출혈이 발생한 장기 조직 표면에 강하게 고정되어 효과적인 지혈 효과를 보였다. 그로 인해 출혈 시간이 크게 줄었고, 혈액 손실도 현저히 감소했다. 임상에 사용하고 있는 기존 지혈제 대비 염증과 조직 손상도 적었으며, 초기 상처 안정화가 더욱 효과적으로 나타났다. 이번 연구는 기존 의료용 지혈제가 가진 ‘조직 접착력 부족’ 문제를 극복했을 뿐만 아니라 출혈 부위에 단단히 달라붙어 지혈과 초기 상처 회복을 동시에 돕고, 체내에서 안전하게 분해되는 지혈제를 개발했다는 점에서 의미가 크다. 연구를 이끈 POSTECH 차형준 교수는 “연구팀이 개발한 복합 지혈 스펀지는 지금까지 지혈이 어려웠던 내부 장기 출혈에도 신속하고 안전하게 출혈을 막을 수 있다”라며, “추가 수술로 인한 환자의 부담을 줄이고, 회복 과정을 빠르게 돕는 데 기여할 것”이라고 밝혔다. 한편, 화학공학과·융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 차혜교 석사, 기계공학과·IT융합공학과·생명과학과·융합대학원 장진아 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 생체재료 분야 권위지인 ‘어드밴스드 헬스케어 머터리얼즈(Advanced Healthcare Materials)’ 온라인판에 최근 게재되었으며, 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adhm.202502994

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, 바늘’ 대신 빛과 초음파로 갑상선암 진단한다

[POSTECH·가톨릭대·성균관대 연구진, 갑상선암 진단 광초음파 영상 시스템 개발] 갑상선에 혹이 발견되면 대부분 바늘로 찌르는 조직검사를 받아야 하는데, 그 부담이 크게 줄어들 전망이다. 최근 국내 연구진이 빛과 초음파를 결합해 이러한 조직검사 없이 갑상선암을 더 정확하게 판별하는 새로운 영상 시스템을 개발했다. 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과 통합과정 안준호 씨 연구팀, 가톨릭대 서울성모병원 임동준, 이재경 교수팀, 성균관대 박별리 교수팀이 함께 진행한 이번 연구는 국제 학술지 중 하나인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다. 일반적으로 갑상선암 진단은 초음파 검사를 먼저 시행한 뒤, 악성이 의심되는 결절(혹)에 발견되면 바늘을 이용해 조직을 채취하는 방식으로 진행된다. 그러나 초음파만으로는 양성과 악성을 구별하는 정확도가 낮아서 실제로는 암이 아닌 결절도 불필요하게 조직검사를 받는 경우가 많다. 그 결과 환자는 신체적·심리적 부담을, 의료진은 진단 정확성에 대한 고민을 떠안게 된다. 김철홍 교수 연구팀은 POSTECH-가톨릭대 의생명공학연구원(이하 포가연구원)의 지원으로 ‘광초음파 영상(photoacoustic imaging, PAI)’ 기술을 개발해 왔다. 악성 결절은 대사 활동이 활발해 산소 포화도가 낮은데, 이 점에 착안해 레이저(빛)를 쬐었을 때 적혈구가 내는 미세한 초음파 신호로 혈액 산소포화도를 측정하고, 이를 통해 양성 또는 악성 여부를 판별하는 방식이다. 그러나 이 방법만으로는 갑상선암의 다양한 유형을 판별하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 갑상선 유두암 환자 45명, 여포성 종양 환자 32명, 양성 결절 환자 29명 등 총 106명의 데이터를 활용했다. 이들의 광초음파 영상에서 산소포화도, 분포의 비대칭도(왜도), 스펙트럼 기울기 등 다양한 매개변수를 추출하고, 이를 머신러닝(AI) 기법으로 분석해 새로운 진단 체계인 ‘ATA-Photoacoustic(ATAP)’ 점수를 고안했다. 연구 결과, 악성 결절을 찾아내는 민감도는 97%로 매우 높게 유지됐다. 동시에 양성 결절을 불필요한 검사 대상에서 제외하는 특이도는 38%로, 기존의 초음파 진단(17%)보다 두 배 이상 향상됐다. 이는 불필요한 검사를 줄여 환자의 부담을 줄이고, 의료비 절감 효과까지 기대할 수 있음을 보여준다. 김철홍 교수는 “포가연구원의 융합연구 지원으로 진행된 이번 연구는 광초음파와 초음파를 결합해 기존에는 진단이 어려웠던 여포성 종양까지 포함해 악성을 구분했다는 점에서 의미가 크다”라고 전했다. 서울성모병원 임동준 교수는 “초음파만으로는 양성과 여포성 종양을 구분하기가 어려워서 조직검사를 권하는 경우가 많았는데, 이번 연구가 불필요한 검사를 줄이고 진단의 안전성을 높이는 데 기여할 것”이라고 전했다. 또한, 성균관대 박별리 교수는 “후속 연구를 통해 기술의 완성도를 높이고 대규모 임상 검증을 이어가 실제 의료 현장에서 활용할 수 있는 의료기기로 발전시키겠다”라고 포부를 밝혔다. 한편, 이 연구는 교육부·한국교육재단 대학중점연구소사업, 과학기술정보통신부 재원으로 지원된 뇌과학선도융합기술개발사업과 범부처전주기의료기기연구개발 사업, BK21FOUR 프로젝트, POSTECH-가톨릭대협력사업인 글로벌융합연구지원 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ady6173

생명 고아라 교수팀, 구강세균의 장 정착이 파킨슨병을 유도한다?

[POSTECH·성균관대 의대, 구강세균이 장에서 만든 대사산물이 뇌까지 침투하는 발병 경로 규명] 매일 양치질을 깨끗이 해야 하는 이유가 하나 더 생겼다. 국내 연구진이 입 속에 사는 세균이 장에 정착할 경우, 뇌의 신경세포에 영향을 줘서 파킨슨병을 유발할 수 있다는 충격적인 연구 결과를 내놓았다. 최근 생명과학과 고아라 교수, 박사과정 박현지 씨, 성균관대 의대 이연종 교수, 박사과정 천지원 씨 공동 연구팀이 서울대 의대 김한준 교수 연구팀과 구강세균이 장에서 만든 대사산물이 파킨슨병을 유발하는 메커니즘을 밝혀냈다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 지난 5일 게재됐다. 파킨슨병(Parkinson’s disease)은 손발이 떨리고 몸동작이 느려지는 대표적인 뇌 질환이다. 전 세계적으로 65세 이상 인구의 1~2%가 앓고 있는 흔한 병이기도 하다. 그동안 파킨슨병 환자의 장에 있는 세균들이 건강한 사람과는 다르다는 사실은 알려져 있었지만, 정확하게 어떤 세균이 문제를 일으키는지, 그리고 그 세균이 만든 어떤 물질이 뇌까지 가서 병을 일으키는지는 수수께끼였다. 연구팀은 파킨슨병 환자 장내 미생물을 분석한 결과, 충치를 유발하는 구강세균 중 하나인 ‘스트렙토코커스 뮤탄스(Streptococcus mutans)’가 비정상적으로 많다는 사실을 확인했다. 이 세균이 생산하는 효소인 ‘우로카네이터 환원효소(Urocanate reductase, 이하 UrdA)’와 ‘이미다졸 프로피오네이트(Imidazole Propionate, 이하 ImP))’이라는 효소 대사산물 역시 다량으로 발견됐다. 이 물질은 실제 파킨슨병 환자 혈액에서 그 농도가 높게 나타났다. 이어, 실험용 동물 모델 장에 스트렙토코커스 뮤탄스를 정착시키거나, UrdA를 발현하도록 조작한 대장균을 주입한 결과, 동물 모델 혈액과 뇌 조직에서 ImP 농도가 크게 증가했다. 이는 장에서 만들어진 ImP가 혈액을 타고 뇌까지 이동해 축적될 수 있음을 보여준다. 이 과정에서 파킨슨병의 주요 증상들도 나타났다. 도파민 신경세포 파괴, 신경 염증, 운동 기능 저하 등이 확인됐으며, 파킨슨병의 대표적 병리 단백질인 ‘알파 시누클레인(α-synuclein)’ 응집도 촉진돼 병의 진행이 더 빨라졌다. 이는 특정 장내 미생물이 생산한 대사체가 파킨슨병의 루이소체 뇌병리 발달에 위험 인자로 작용할 수 있음을 보여준다. 루이소체가 파킨슨병의 핵심 병리임을 고려할 때, 본 연구진이 규명한 이미다졸 프로피오네이트 대사 경로는 분자 진단을 통한 파킨슨병 조기 예방과 예방 치료제 개발의 유망한 타겟으로서 중요한 가치를 지닌다. 또한, 연구팀은 이러한 병리 과정이 세포 내 신호 단백질인 mTORC1*1 활성에 의존하며, mTORC1 억제제를 투여할 경우, 이 같은 현상들이 억제된다는 사실도 확인했다. 이번 연구는 구강세균과 장내 미생물 및 대사체에 의해 교란되는 뇌 병리 분자기작을 표적으로 한 파킨슨병 치료제 개발 가능성을 열어, 향후 새로운 치료 전략으로 이어질 것으로 기대된다. 고아라 교수는 “구강–장–뇌를 연결하는 새로운 파킨슨병 발병 경로를 밝혀냈다”라며 “이번 연구는 장내 미생물을 표적으로 한 새로운 치료제 개발의 가능성을 보여준다는 점에서도 의미가 크다”라고 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성센터, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 마이크로바이옴 핵심연구지원센터, 그리고 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63473-4 1. mTORC1(mammalian Target of Rapamycin Complex 1): 세포 내에서 성장과 대사를 조절하는 핵심적인 단백질 복합체이다.

화학 임현석 교수팀, 신약 개발의 '미션 임파서블', DNA 바코드로 풀다

[POSTECH, 단 한 번의 실험으로 수천만 개 분자 중 딱 맞는 약물 찾는 기술 개발] 최근 화학과 임현석 교수 연구팀이 마트에서 바코드로 상품을 구분하듯, 수천만 개의 분자 후보에 각각 다른 'DNA 바코드'를 붙여 신약 개발의 ‘미션 임파서블’을 해결했다. 이번 연구는 세계적인 화학 분야 권위지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ International Edition에 게재됐다. ‘자물쇠에 꼭 맞는 열쇠를 찾는 것만큼 어려운 일’. 신약 개발 과정을 설명할 때 과학자들이 쓰는 비유다. 몸속에 있는 수많은 단백질 중에서 질병을 일으키는 특정 단백질만 무력화하는 약물을 찾아야 하기 때문이다. 특히, 단백질들은 서로 모양이 비슷해 엉뚱한 단백질에 달라붙으면 부작용이 나타날 수도 있다. POSTECH 연구팀은 'DNA-바코드 화합물 라이브러리(DNA-encoded library)*1 ‘와 '클릭 화학(in situ click chemistry)*2 ’을 결합해 특정 단백질만 정확히 겨냥하는 기술을 개발했다. 이 기술의 핵심은 간단하다. 분자 수천만 개에 고유의 'DNA 바코드'를 붙여 구분할 수 있는 시스템을 만든 것이다. 그리고, 여기에 분자들이 스스로 가장 잘 맞는 파트너를 찾아 결합하는 '클릭 화학'을 결합했다. 이렇게 하면 단 한 번의 실험만으로 수천만 종의 후보 중에서 특정 단백질에 딱 맞는 약물을 찾아낼 수 있다. 기존에는 수백 번, 수천 번 실험을 반복해야 했던 것을 한 번에 해결한 셈이다. 이를 바탕으로 연구팀은 비만과 당뇨 등 대사성 질환뿐 아니라 여러 암의 원인 단백질로 알려진 'PTP1B(Protein Tyrosine Phosphatase 1B)’을 정확히 억제하는 후보 물질을 찾아내는 데 성공했다. 이 단백질은 구조가 유사한 다른 단백질과 구별하기 어려워 그동안 선택적으로 억제하기가 매우 까다로웠다. 연구팀이 찾아낸 신약 후보 물질은 정상 세포에는 거의 영향을 주지 않으면서, PTP1B가 과다하게 존재하는 암세포에서만 강력한 항암 효과를 나타냈다. 논문1저자인 화학과 박사과정 김민경 씨는 “이번에 개발한 기술은 단 한 번의 스크리닝만으로 특정 단백질에 대해 높은 선택성과 강력한 활성을 지닌 신약 후보를 발굴할 수 있다는 점에서 의미가 크다”라며, “맞춤형 치료제 개발은 물론, 정밀 진단 도구 설계에도 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 바이오의료기술개발사업의 유전자암호화라이브러리 코어뱅크구축사업(사업단장: 한국화학연구원 허정녕 박사)과 이공학학술연구기반구축사업의 지원을 받아 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202511606 1. DNA-바코드 화합물 라이브러리(DNA-encoded library) 기술: 수만에서 수억 개에 달하는 화합물에 각각 DNA 바코드를 붙여, 한 번에 엄청난 숫자의 화합물을 동시에 스크리닝하는 기술이다. 어떤 화합물이 단백질과 결합했는지는 DNA 바코드를 PCR 증폭과 서열 분석으로 확인할 수 있어, 신약 후보 발굴 속도를 획기적으로 단축할 수 있다. 2. 클릭화학(in situ click chemistry): 단백질이 마치 주형(template)처럼 작용하여, 두 개의 작은 조각(화합물)이 단백질 표면에서 가장 잘 맞는 위치로 끌려가 하나로 붙는 기술이다. 이름 그대로 마우스를 '클릭'하듯 반응이 딱 맞아 떨어져 결합이 일어나기 때문에, 표적 단백질에 꼭 맞는 강력한 후보 물질을 효과적으로 발굴할 수 있다.

환경 이형주 교수팀, 기후변화 시대, 가뭄·산불 복합 재해가 초미세먼지에 미치는 영향 규명

[POSTECH, 가뭄 기간 초미세먼지 농도 변화에 미치는 산불의 기여도 분석] 맑은 하늘이 갑자기 뿌옇게 변할 때, 우리는 보통 자동차 매연이나 공장 굴뚝을 떠올린다. 하지만 여기에는 눈에 잘 띄지 않는 또 다른 범인이 있다. 바로 가뭄과 산불이다. POSTECH(포항공과대학교) 환경공학부 이형주 교수, 통합과정 신민영 · 김나래 씨 연구팀은 미국 캘리포니아주를 대상으로 15년간의 데이터를 활용해 가뭄과 산불이 복합적으로 초미세먼지에 어떤 영향을 미치는지 분석한 결과를 발표했다. 이 연구는 환경 분야 국제 학술지인 ‘Environment International’ 온라인판에 실렸다. ‘초미세먼지(이하 PM2.5)’는 지름이 2.5마이크로미터(µm) 이하인 미세한 입자로 숨을 쉴 때 폐 깊숙이 침투해 호흡기와 심혈관 질환을 일으키고 심하면 사망에까지 이를 수 있어 전 세계적으로 엄격하게 관리하고 있다. 연구팀이 미국 캘리포니아주에 주목한 이유는 이 지역의 특수한 기후 때문이다. 건조한 날씨로 가뭄이 잦고, 그로 인해 대형 산불이 빈번히 발생한다. 하지만 이 지역과 관련해 지금까지 가뭄과 산불이 복합적으로 대기질에 어떤 영향을 주는지를 장기간·대규모로 분석한 연구는 거의 없었다. 연구팀은 2006년부터 2020년까지 15년간의 대기질 관측 자료와 컴퓨터 모델링 데이터를 활용했다. 가뭄 정도를 ‘경미’, ‘중간’, ‘심각’, ‘극심’ 네 단계로 구분한 뒤, 단계별 PM2.5 농도 변화를 분석했다. 그 결과, 가뭄이 심해질수록(가뭄지수 SPEI 한 단계당) PM2.5 농도가 평균 1.5㎍/㎥씩 증가했다. 특히, 가뭄이 심할수록 산불 발생 위험도 커져 가뭄이 한 단계 심해질 때마다 산불 발생 확률은 약 90% 높아졌다. 극심한 가뭄 상황에서 산불이 복합적으로 발생하면 PM2.5 농도가 평소보다 평균 9.5㎍/㎥까지 높아졌다. 산불의 영향을 별도로 분석한 결과도 눈에 띈다. 가뭄으로 인한 초미세먼지 증가는 대부분 산불 때문이었다. 실제로 가뭄 단계가 심해져도 산불이 발생하지 않으면 초미세먼지 농도 변화가 거의 나타나지 않았다. 이번 연구는 기후변화 시대에 중요한 경고를 던진다. 앞으로 지구온난화로 가뭄과 산불이 더 잦아지고 강해질 것으로 예상되며, 한국도 예외가 아니다. 최근 국내 일부 지역에서 극심한 가뭄과 대형 산불 사례가 늘고 있어, 깨끗한 공기를 지키기 위해서는 기존의 배출원 관리를 넘어 산불 관리와 예방까지 포함하는 종합적 대책이 필요하다. 이형주 교수는 “이번 연구는 가뭄·산불·대기오염 사이의 복합적 관계를 장기간 자료로 정량적으로 확인한 것”이라며, “한국도 주기적으로 가뭄을 겪고 있고, 최근 대형 산불 사례가 늘고 있는 만큼 이번 결과가 주는 시사점이 크다”라고 전했다. 이어 “앞으로는 산불 예방과 관리가 대기질 개선과 건강 보호에 핵심적인 역할을 하게 될 것”이라고 강조했다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envint.2025.109678

친환경소재/신소재 김형섭 교수팀, 단단한 금속 유연하게 만든 ‘노른자·흰자 전략‘

[김형섭 교수팀, 단순 주조와 열처리만으로 금속 강도와 연성 잡는 신소재 개발] 금속 세계에서는 '강도'과 '연성(잘 늘어나는 성질)'을 동시에 갖추기 어렵다는 것이 상식이었다. 금속을 단단하게 만들면 부서지기 쉽고, 잘 늘어나도록 만들면 약해지는 등 한쪽이 올라가면 반대로 한쪽이 내려가는 시소와 같은 관계였다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 김형섭 교수팀이 이 상식을 깨뜨렸다. 기존에는 여러 금속을 비슷한 비율로 섞어 만든 '고엔트로피 합금*1'이 주목받아 왔다. 그러나 지금까지의 고엔트로피 합금은 대부분 균일한 구조로 되어 있어, 금속의 강도와 연성을 동시에 높이는 데 한계가 있었다. 큰 결정립은 금속이 잘 늘어나게 해 연신율을 높이고, 작은 결정립은 금속을 단단하게 만들어 강도를 높일 수 있으나, 한 금속 안에서 두 종류의 결정립을 동시에 갖기는 어려웠다. 최근에는 크기가 다른 결정립을 일부러 섞어 만든 비균질 구조가 해결책으로 떠오르고 있다. 그러나 이를 구현하려면 ‘분말야금(powder metallurgy)’ 공정을 거쳐야 한다. 이 기술은 금속 가루를 눌러 성형한 뒤 고온에서 다시 가공하는 방식으로, 뛰어난 성능을 얻을 수는 있으나 과정이 복잡하고 비용이 많이 들어 산업 현장에서 상용화하기에는 어려움이 있었다. POSTECH 연구팀은 니켈(Ni) 기반의 고엔트로피 합금에 뜨거운 상태에서 금속을 눌러 펴는 작업(열간압연)과 정밀 열처리를 적용해 금속 내부에 마치 달걀처럼 ‘코어–셸(core–shell) 구조’를 만들어 냈다. 여기서 ‘코어(core)’는 기존의 큰 결정립으로 달걀노른자에 해당하고, ‘셸(shell)’은 그 둘레를 둘러싼 새로운 작은 결정립으로 달걀흰자와 같다. 이 과정에서 금속의 내부에 형성된 미세한 나노 입자(B2 석출물)가 작은 결정립들의 과도한 성장을 적절히 억제해 구조가 무너지지 않도록 잡아주었다. 이와 함께, 마지막 열처리 단계에서는 결정립 경계에서 이 입자들이 선택적으로 형성되어, 금속에 힘이 가해질 때 쉘은 방패처럼 전위를 막아 강도를 높이고, 코어은 완충재처럼 충격을 흡수해 균열을 완화시킴으로써 재료가 단단하면서도 잘 부서지지 않도록 도와준다. 연구팀이 개발한 합금은 항복강도 1,029MPa(메가파스칼), 인장강도 1,271MPa, 연신율 31.1%라는 놀라운 성능을 기록했다. 쉽게 말해 기존보다 훨씬 더 단단하면서도 30% 이상 늘어날 수 있는 금속을 구현한 것이다. 무엇보다 이 모든 과정을 주조(녹여 틀에 붓는 방식)와 열처리만으로 이뤄냈다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구를 이끈 김형섭 교수는 “이번 연구는 분말야금 공정 없이도 복잡한 코어–셸 구조를 주조와 열처리만으로 구현한 첫 사례”라며, “정밀한 석출물 제어를 통해 구조 안정성과 변형 성능을 동시에 확보함으로써, 극한 환경에서도 사용할 수 있는 새로운 구조재 개발 가능성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 신소재공학과 통합과정 박효진 씨 연구팀이 참여한 이번 연구는 최근 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Journal of Materials Science & Technology’에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업, 현대자동차그룹의 연구 지원을 받았다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.017 1. 고엔트로피 합금(HEA, High-Entropy Alloy): 고엔트로피 합금(HEA)은 기존의 전통적인 합금과 달리, 하나의 주 원소(base element)가 아닌 5개 이상의 원소가 유사한 원자비로 혼합된 합금을 의미한다. 이러한 조성으로 인해 높은 혼합 엔트로피를 가지며, 독특한 미세구조와 우수한 기계적 성질을 나타낸다.

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, “흐린 초음파를 또렷하게” AI가 만든 차세대 영상 기술

[POSTECH·에스포항병원, AI로 초음파 화질 혁신, ‘MICCAI 2025’ 상위 9% 논문 선정] 병원에서 초음파 검사를 받을 때 의사가 흐릿한 화면을 오래 들여다보는 것을 본 적이 있을 것이다. 특히 빠른 속도로 촬영하는 초음파는 화질이 더욱 떨어져 정확한 진단에 어려움이 있었는데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 김철홍 교수 연구팀이 지역 협력 거점 병원인 에스포항병원 박덕호 교수 공동 연구팀과 이를 해결할 기술을 개발했다. 이번 연구는 의료영상 분야 최고 권위 학회인 'MICCAI 2025'에서 상위 9%에만 주어지는 조기 승인 논문으로 선정되었다. ‘초음파’는 방사선 노출 위험이 없고 실시간으로 몸속을 볼 수 있어 안전하고 경제적이다. 하지만 촬영 방식에 따라 장단점이 있다. '집속빔 초음파(FBUS*1)'는 한 점에 소리를 모아 촬영해 화질은 선명한 반면 촬영 속도가 느리고, '평면파 초음파(PWUS*2)'는 소리를 넓게 퍼뜨려 매우 빠르게 촬영할 수 있으나 화질이 떨어지는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 두 단계의 AI 기술을 설계했다. 첫 단계에서는 '디퓨전(diffusion) 모델*3 '을 활용해 흐린 ‘평면파 초음파’ 영상을 ‘집속빔 초음파’ 영상처럼 선명한 영상으로 변환했다. 마치 흐릿한 사진을 고화질로 보정해주는 스마트폰 앱과 같은 원리다. 이어, 두 번째 단계에서는 초음파 기계가 수집한 원시 신호(RF 신호*4) 단계부터 고품질 영상을 재구성하는 딥러닝 모델을 개발했다. 이 모델은 다양한 주파수 정보를 동시에 고려해 세밀한 조직과 혈관 구조까지 또렷하게 살려낸다. 무엇보다 이번 연구는 연구팀이 에스포항병원에서 실제 환자 데이터를 사용해 검증했다는 점에서 의미가 크다. 경동맥과 갑상선, 근골격계(팔·다리 근육과 뼈 주변) 등 부위에서 임상용 초음파 장비를 활용해 고해상도 영상을 안정적으로 얻을 수 있음을 확인했다. 이는 단순히 연구실에서 끝나는 성과가 아니라, 지역 병원과 대학간의 유기적인 팀워크를 바탕으로 환자 곁 의료 현장에서 기술을 바로 적용할 수 있음을 보여주는 사례라 할 수 있다. 김철홍 교수는 “초음파 기계가 만들어 내는 원시 신호 단계에서 곧바로 바로 고화질 영상을 얻을 수 있는 기술”이라며, “초음파 검사의 정확성을 높여 환자 부담을 줄이는 것은 물론, 앞으로 지역 의료 현장부터 대형 병원까지 초음파 촬영 기술의 활용 범위를 크게 넓힐 계기가 될 것”이라고 전했다. 또한, 에스포항병원 박덕호 교수는 “지역 병원과 대학이 협력해 실제 환자 데이터를 기반으로 검증한 만큼, 연구의 의의가 더욱 크다”라고 강조하였다. 한편, 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수 연구팀이 에스포항병원 박덕호 교수 연구팀과 진행한 이번 연구는 교육부 재원의 한국연구재단 기초연구사업(RS-2024-00415450, 2020R1A6A1A03047902), 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 연구과제(2023R1A2C3004880), 과학기술정보통신부 산하 연구성과사업화촉진원(COMPA) 지원사업(No.2710006567), 과학기술정보통신부 재원의 정보통신기획평가원 인공지능대학원사업(POSTECH, No.RS-2019-II191906), BK21 FOUR 사업, Glocal 30 대학 사업 등의 지원을 받았다. DOI: https://papers.miccai.org/miccai-2025/ 1. FBUS(Focused Beam Ultrasound): 초음파 빔을 한 점에 집속해 영상을 얻는 방식으로, 화질은 높지만 속도는 느리다. 2. PWUS(Plane-Wave Ultrasound): 여러개의 평면파를 동시에 방출하여 빠른 속도로 영상을 얻는 방식으로, 속도는 빠르지만 화질은 낮다. 3. 디퓨전(Diffusion)모델: 데이터를 노이즈화·복원하는 과정을 학습해 고품질 영상을 생성하는 딥러닝 기반 생성 모델이다. 4. RF신호(Radio Frequency signal) : 초음파 원시 데이터로, 빔포밍을 거쳐 B-mode 영상으로 변환되며 영상 재구성의 기초가 된다.

화공 한지훈 교수팀, AI가 찾은 친환경 태양전지, 독성 없이 효율·비용 동시 잡았다

[POSTECH·서울시립대, AI로 ‘저비용·고효율’ 친환경 페로브스카이트 태양전지 로드맵 개발] 깨끗한 전기를 더 저렴하게 얻으면서 환경까지 지킬 수 있다면 어떨까. 국내 연구진이 AI(인공지능) 기술을 활용하여 이러한 미래를 앞당길 지속가능 태양전지 로드맵을 제시했다. 이번 성과는 친환경 에너지 전환의 새 이정표로 평가받으며, 국제 학술지 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’ 온라인판 표지로 선정됐다. 태양광 발전은 탄소 배출을 줄일 수 있는 대표적인 친환경 기술로 꼽힌다. 특히, ‘차세대 태양전지’로 불리는 페로브스카이트(perovskite)*1 태양전지는 기존 실리콘 태양전지를 뛰어넘는 효율로 주목받고 있다. 하지만 이 전지를 제작할 때 독성이 강한 화학물질을 사용하고, 장기 안정성이 낮아 상용화에 한계가 있었다. 화학공학과 한지훈 교수팀은 서울시립대학교 화학공학과 김민 교수팀과 함께 문제 해결에 도전했다. 연구팀은 기존에 쓰이던 유독성 용매(DMF*2)를 대신해 바이오매스에서 얻은 친환경 용매인 감마-발레로락톤(이하 GVL*3)과 에틸아세테이트(이하 EA*4)를 적용한 새로운 제조 공정을 개발했다. 연구의 핵심은 AI를 기반으로 한 역설계 기술이다. 연구팀은 실험 데이터를 AI에 학습시켜 ‘효율은 높이고, 비용과 탄소 배출은 최소화할 최적 조건’을 도출했다. 이어 AI가 제안한 조건을 실제 실험으로 검증하고, 제조 단가와 환경 영향, 공정 효율을 종합적으로 고려한 지속가능성 평가 모델과 전 세계 보급 시나리오까지 제시했다. 연구팀의 GVL·EA 공정을 적용한 전지는 기존의 페로브스카이트 태양전지보다 제조 비용이 절반으로 줄었으며, 기후변화에 미치는 영향도 80% 이상 감소했다. 또한, 모듈 수명과 재활용 전략을 함께 고려할 경우, 지역별로 실제 상용화가 가능한 손익분기점을 찾아낼 수 있다는 점도 확인했다. 한지훈 교수는 AI가 스스로 공정을 최적화해 기존에는 불가능하다고 여겨졌던 조건을 찾아냈다”라며, “독성이 없는 바이오 용매를 사용해 태양전지를 더 안전하고, 더 싸고, 더 효율적으로 만들 수 있는 길이 열렸다”라고 강조했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 석유대체 친환경 화학기술개발사업, 한국연구재단 신진연구지원사업과 박사과정생 연구장려금지원사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1039/D5GC02249E 1. 페로브스카이트: 특정 결정 구조를 가진 광물에서 이름을 딴 소재로, 저렴한 원료와 간단한 공정으로 태양빛을 전기로 바꾸는 효율이 높아 차세대 태양전지 후보로 주목받고 있다. 2. DMF: dimethylformamide, 독성이 있고 환경에도 해로운 화학물질 용매다. 3. GVL: gamma-valerolactone, 바이오매스로부터 합성될 수 있는 친환경 용매다. 4. EA: Ethyl acetate, 바이오매스로부터 합성될 수 있는 친환경 용매다.

신소재/융합 한세광 교수팀, 손목 위 ‘땀’으로 실시간 혈당 체크한다

[한세광 교수팀, 땀 기반 광학 센서로 혈당·심박수·산소 측정 기술 개발] 피를 뽑지 않고 혈당을 측정할 수 있는 기기가 개발되고 있지만, 정확성과 장기 안정성, 다기능성을 동시에 갖춘 제품은 드물다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과·융합대학원 한세광 교수, 신소재공학과 정선아·김태연 박사 연구팀이 ㈜인핸드플러스(대표 이휘원) 연구팀과 함께 땀 속 혈당 농도를 정확하게 장기간 안정적으로 측정할 수 있고, 더 나아가 산소 농도와 심박수까지 확인할 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구는 바이오센서 분야 국제 학술지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics)’ 온라인판에 게재됐다. 당뇨병을 관리하려면 꾸준한 혈당 측정이 필수다. 하지만 매일 피를 뽑아 혈당을 확인하는 것은 상당한 부담이 된다. 이를 줄이기 위해 피부에 바늘이 달린 패치를 붙여 체액 속 혈당을 측정하는 등, 비침습적 센서 연구가 활발히 진행되고 있지만 2주 정도 사용하면 성능이 떨어지고, 피부 자극과 염증 유발의 문제가 있었다. 이번 연구에서는 ‘땀’을 이용한 비침습적 혈당 측정에 주목했다. 연구팀은 땀의 흐름을 한 방향으로 제어하는 ‘테슬라 밸브(Tesla valve*1 )’ 기반 마이크로 유체 시스템을 개발했다. 그리고 여기에 마이크로 LED 및 광센서(photodetector*1 )로 구성된 광학 모듈과 혈당에 반응하는 광학 하이드로젤을 결합해, 스마트 워치 형태의 혈당 측정 시스템을 완성했다. 땀은 테슬라 밸브를 통해 흐르면서 센서에 닿는다. 센서는 혈당에 따라 형광 신호를 발생시키고, LED와 광센서가 이 신호를 전자 신호로 변환한다. 이렇게 변하는 형광 세기를 통해 실시간으로 혈당 수치를 확인할 수 있다. 연구팀이 개발한 스마트 워치는 땀에 포함된 0.01~1mM(밀리몰) 수준의 혈당도 정확하게 측정했다. 30일 이상 장기 사용에도 민감도가 변하지 않았으며, 실제 혈당 수치와 높은 상관성을 보여 신뢰성을 입증했다. 또한, 연구진은 서로 다른 빛의 파장을 활용해 혈당뿐만 아니라 산소 농도와 심박수까지 동시에 측정할 수 있는 다기능 헬스케어 시스템으로도 활용 가능함을 확인했다. 연구를 이끈 한세광 교수는 “스마트 워치와 결합된 광학 기반 연속 혈당 측정 시스템은 혈당 측정을 더 쉽고 편리하게 만들며, 당뇨 환자들의 불편함을 줄일 수 있을 것”이라며 “이 기술은 당뇨뿐만 아니라 다양한 만성 질환 모니터링에도 적용 가능해 활용 잠재력이 높다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 범부처전주기의료기기연구개발사업, 과학기술정보통신부 브릿지 연구사업, 문화체육관광부 한국콘텐츠진흥사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117925 1. Tesla valve: 유체가 정방향으로 흐를 때는 큰 저항 없이 통과시키지만 역방향으로 흐를 때는 소용돌이를 일으켜 흐름을 방해함으로써 체크 밸브처럼 역류를 방지하는 한 방향 유체 제어 밸브다. 2. Photodetector: 외부 빛 자극에 의해 생성된 전자로부터 신호를 감지하는 광센서다.

화공/융합 차형준 교수팀, 몸속 엘라스틴 닮은 인공 단백질, 조직 재생 돕는다

[심장 판막·혈관·인대 치료에 활용될 천연 엘라스틴 대체용 차세대 원천생체소재 개발] POSTECH과 인하대 공동 연구팀이 천연 엘라스틴의 한계를 극복할 수 있는 새로운 인공 생체소재를 개발하는 데 성공했다. 우리 몸에는 '엘라스틴(elastin)'이라는 특별한 단백질이 있다. 이 단백질은 마치 고무줄처럼 늘어났다가 다시 원래 모양으로 돌아오는 능력이 있다. 폐가 공기를 들이마시고 내쉴 때, 혈관이 심장박동에 맞춰 늘어났다 줄어들 때, 그리고 웃을 때 피부가 늘어났다가 다시 매끈해질 때 탄력을 유지하는 것도 모두 엘라스틴이 있기 때문이다. 하지만 이렇게 유용한 엘라스틴을 의료용으로 활용하기는 쉽지 않았다. 자연적으로 얻을 수 있는 양이 제한적이고, 정제 과정도 복잡하며, 사람에게 투여하면 면역 반응이 생길 위험도 있다. 이러한 한계를 보완하기 위해 개발된 ‘엘라스틴 유사 폴리펩타이드(이하 ELP*1 )’는 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있지만 천연 엘라스틴의 복잡하고 정교한 기능을 재현하지 못했다. 연구팀은 인간 엘라스틴 원료가 되는 '트로포엘라스틴(tropoelastin)'에서 가장 중요한 부분들만 골라내어 새롭게 조립했다. 마치 레고 블록을 조립하듯, 단백질의 물리적 특성에 큰 영향을 주는 소수성 도메인, 단백질들을 단단히 연결하는 가교 도메인, 세포 간 상호작용을 돕는 도메인을 정교하게 결합했다. 이렇게 재설계되어 완성한 새 단백질을 '엘라스틴 도메인 유래 단백질(이하 EDDP*2)'이라고 이름 지었다. EDDP는 기존 ELP처럼 대량생산이 가능하면서 천연 엘라스틴과 유사한 탄성과 복원력을 갖추었고, 특히 탄성률 등 기계적 특성에서 뛰어난 성능을 보였다. 더 놀라운 것은 EDDP가 세포 표면에 잘 달라붙고, 세포가 성장하도록 신호를 전달한다는 것이다. 기존 ELP에서는 부족했던 세포 간 상호작용 기능을 강화해, 손상된 조직들을 재생하는 과정에서 세포의 생존과 성장을 직접적으로 도왔다. 무엇보다 우리 몸 단백질과 거의 동일한 구조를 가져 부작용 걱정도 적다. 차형준 교수는 “이번에 개발한 원천생체소재인 EDDP는 심장병으로 손상된 혈관이나 심장 판막, 끊어진 인대처럼 탄력이 중요한 조직을 재생하는데 활용될 수 있을 것”이라며 기대를 전했다. 한편, 화학공학과·융합대학원 차형준 교수, 시스템생명공학부 통합과정 조승겸 씨 연구팀과 인하대 생명공학과 양윤정 교수 연구팀이 진행한 이번 연구는 생체재료 분야 세계적 권위지인 '악타 바이오마테리알리아(Acta Biomaterialia)' 온라인판에 게재되었으며, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 해외우수연구기관협력허브구축사업 그리고 포스코홀딩스 창의혁신과제의 연구지원으로 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2025.07.071 1. ELP: elastin-like polypeptide 2. EDDP: elastin domain-derived protein