Research

화공 손재성 교수, “열전 성능 4배 ↑” 70년 숙제 드디어 풀었다

[POSTECH, 3D 구조와 열 환경을 함께 고려한 세계 최초 ‘열전 설계 원리’ 제시] 공장 굴뚝에서 나오는 뜨거운 열기, 자동차 배기구의 열, 심지어 몸에서 나는 체열까지 전기로 바꿀 수 있다면 어떨까? 최근 국내 연구진이 이런 가능성을 크게 앞당길 새로운 설계 원리를 제시했다. 최근 화학공학과 손재성 교수·양성은 박사 연구팀이 한국전기연구원 류병기 박사와 함께, 3차원(3D) 구조와 열 경계조건을 동시에 고려한 ‘열전 소자 설계 원리’를 세계 최초로 제안하고, 실제 제작된 소자에 적용해 성능을 검증했다. 이번 연구는 영국 왕립화학회(RSC)가 발행하는 국제 학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 게재됐다. 열전 효과란 간단히 말해 '열'을 '전기'로, '전기'를 다시 '열'로 바꾸는 현상이다. 이미 자동차 폐열 회수, 우주 탐사선 전력 공급 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 차세대 재생에너지 기술로 떠오르고 있다. 하지만 기존 이론은 70여 년 전 제시된 1차원 구조에 머물러 있어 훨씬 복잡하고 다양한 3D 구조와 환경에서 작동하는 실제 소자를 설명하거나 최적화하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 70년간 풀리지 않던 이 숙제를 풀기 위해 열전 소자가 놓일 수 있는 여덟 가지 실제 환경을 이론적으로 정리했다. 예를 들어 ‘온도를 고정한 경우’, ‘열의 흐름만 고정한 경우’, ‘공기, 물 같은 매체와 접촉하는 경우’ 등이다. 또한, 연구팀은 'G 인자(Geometric factor)'라는 새로운 설계 지표를 도입했다. 이는 단순히 소자 모양을 보는 것이 아니라 모양이 달라질 때 내부 전기저항과 열전도율이 어떻게 바뀌는지를 함께 반영한다. 마치 건축에서 구조 설계도를 미리 검토하듯, 목표에 따라 ‘최대 출력’이나 ‘최대 효율’을 내는 최적의 모양을 이론적으로 찾아낼 수 있게 된 것이다. 이를 바탕으로 연구팀은 (Bi,Sb)₂Te₃라는 대표적인 열전 재료를 이용해 다양한 단면의 소자를 제작했다. 그 결과, 기존의 단순한 원통형 구조와 비교했을 때 출력은 최대 422%, 효율은 최대 466% 향상되었고, 사용되는 재료는 오히려 67%까지 절감하는 성과를 거뒀다. 무엇보다 중요한 것은 이론으로 계산한 값과 실제 실험 결과가 거의 정확히 일치했다는 점이다. 이는 연구팀이 개발한 설계 원리가 현실적인 조건에서도 신뢰할 수 있다는 것을 증명하는 결과다. 연구를 이끈 손재성 교수는 “이번 연구는 지난 70여 년간 공백으로 남아 있던 3D 열전 소재의 설계 이론을 처음으로 제시했다”라며, “자동차 배기가스나 산업 현장의 폐열 회수, 웨어러블 기기용 전력원 설계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 중견연구자지원사업과 나노·소재기술개발사업(국가전략기술소재)의 지원을 통해 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1039/D5EE03225C

배터리/화공 조창신 교수·화공 이상민 교수 공동 연구팀, 300여 년 만에 '네모 탈출'한 프러시안 블루의 변신

[POSTECH 연구진, 물 대신 글리세롤로 팔면체 만들어 하이브리드 커패시터 성능 껑충↑] 늘 네모난 모습만 고집하던 ‘프러시안 블루(Prussian Blue)’가 300여 년 만에 팔면체로 변신했다. POSTECH(포항공과대학교) 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 화학공학과 이상민 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨 연구팀은 물 대신 특별한 용매를 사용해 그동안 불가능했던 새로운 모양의 프러시안 블루 합성에 성공했다. 이번 연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 1700년경 우연히 합성된 ‘프러시안 블루’는 속이 비어 있는 3차원 구조를 가져 이온이 쉽게 드나든다. 이런 특성 덕분에 나트륨 이온전지 전극 소재를 비롯해 방사성 세슘 제거, 환경 정화, 촉매 등 다양한 분야에서 쓰이고 있다. 하지만 지금까지는 큰 한계가 있었다. 물에서 합성하면 반응이 너무 빨라 입자 성장 속도를 조절하기가 어렵고, 결과는 늘 네모난 정육면체(큐빅) 모양뿐이었다. 이렇게 모양을 바꾸지 못하면 프러시안 블루의 특정 결정면에서만 나타나는 고유한 성질을 발견하거나 새로운 응용으로 확장하기가 쉽지 않다. POSTECH 연구팀은 해답을 ‘용매’에서 찾았다. 물 대신 점성이 높은 글리세롤을 쓰면 결정 성장 속도를 늦출 수 있다는 점에 주목한 것이다. 연구 결과, 글리세롤 환경에서는 작은 정육면체 먼저 생겨나고, 이들이 녹았다 다시 자라나는 과정을 반복하면서 팔면체(Octahedron) 모양으로 자가 조립되는 현상이 나타났다. 마치 작은 네모난 블록들이 차곡차곡 모여 스스로 여덟 면을 가진 보석 같은 형태로 변신한 셈이다. 이렇게 합성한 팔면체 프러시안 블루를 나트륨 이온 커패시터 전극 소재로 적용한 결과는 놀라웠다. 정육면체 구조보다 표면적이 넓어 전극 반응성이 크게 향상됐고, 장기간 충·방전을 시험에서도 안정적인 성능을 유지했다. 단순히 모양만 바꿨을 뿐인데 성능이 확연히 좋아진 것이다. 이번 연구에는 독일 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich) 카스텐 코르테(Carsten Korte) 박사도 참여해 물질 결정 구조 분석을 도왔다. 이번 연구는 특정 용매가 프러시안 블루 결정의 성장 방향과 속도를 바꿀 수 있다는 사실을 세계 최초로 밝혔다는 점에서 의미가 크다. 또한, 연구팀은 글리세롤 외에도 다른 유기 용매를 활용하면 지금까지 상상하지 못한, 새로운 형태의 결정도 자유롭게 설계할 수 있을 것으로 기대한다. 조창신 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 모양의 프러시안 블루를 만든 데 그치지 않고, 성장 과정을 직접 관찰하고 제어할 수 있는 원리를 밝혀낸 것에 의미가 있다”라며 “다양한 형태를 자유롭게 설계할 길이 열린 만큼, 에너지 저장 장치부터 환경 정화까지 응용 범위가 크게 넓어질 것”이라고 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업, 한국산업기술진흥원 배터리특성화대학원, 한국연구재단 글로벌기초연구실 과제의 지원을 받아 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202508095

친환경소재/신소재 김형섭 교수·기계 김동식·이안나 교수 공동 연구팀, 3D 프린터가 만든 미니 우주 엔진, 소형 위성 시대 열까

[POSTECH 연구진, 금속 3D 프린팅으로 소형 위성용 초정밀 추력기 개발 성공] 최근 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 기계공학과 김동식·이안나 교수 연구팀이 금속 3D 프린팅 기술을 활용하여 기존 방식의 한계를 뛰어넘는 우주 탐사용 고정밀 마이크로추력기를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 엔지니어링 분야 국제 학술지인 ‘Virtual and Physical Prototyping’ 온라인판에 최근 게재됐다. 최근 우주에 점점 더 많은 소형 위성이 올라가고 있다. 이들은 지구의 날씨를 관측하고, 전 세계 통신을 연결하며, 기후 변화를 감시하는 중요한 역할을 한다. 우주에서 위성이 제대로 움직이려면 자동차 엔진처럼 ‘추진 장치’가 필요한데, 문제는 소형 위성에 들어갈 추진 장치는 손가락 크기만큼 작으면서도, 우주의 극한 환경을 견뎌야 한다는 점이다. 지금까지는 실리콘을 깎아 만들거나, 초소형 기계 부품들을 조립하는 'MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)' 기술을 사용했지만, 성능과 내구성에 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 ‘금속 3D 프린팅(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)’ 기술을 활용했다. ‘금속 3D 프린팅’은 레이저로 금속 가루를 녹이며 층층이 쌓아 원하는 모양을 만드는 기술이다. 이 기술을 이용하면 기존 방식으로는 불가능했던 매우 얇고 복잡한 구조도 정밀하게 제작할 수 있다. 연구팀이 만든 마이크로추력기는 아주 작지만 놀라운 성능을 보였다. 연소가 일어나는 챔버(chamber) 벽 두께는 0.5 mm에 불과하다. 이는 동전 두께보다도 얇은 수준이며, 연료가 분사되는 구멍은 약 180 마이크로미터(µm, 10-6m) 수준인데, 이렇게 정교하게 제작된 추력기는 실제 우주 환경과 비슷한 700도의 고온에서 1분 동안 진행된 연소 실험에서도 구조적 손상 없이 안정적으로 작동했다. 추진 효율도 매우 높았다. 특성 속도 효율은 84.3%, 비추력 효율은 91.7%를 기록했다. 이번 연구는 우주 탐사에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 훨씬 작고 가벼우면서 성능이 뛰어난 추력기를 저렴하게 만들면, 더 많은 소형 위성을 우주에 보낼 수 있고 이는 곧 더 정확한 일기예보와 지구 관측, 더 빠른 통신이 가능해진다는 의미다. 화성이나 소행성 같은 먼 우주 탐사에도 활용할 수 있다. 김형섭 교수는 “이번 연구는 금속 3D 프린팅을 활용해 소형 우주 추진기를 가볍고 정밀하게 만든 최초 사례”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 또한, “특히 학생들이 주도적으로 연구를 이끌어 탁월한 성과를 낸 점에서도 큰 의미가 있다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(MSIP), 한국연구재단(NRF), 방위사업청, 산업통상자원부, 한국기초과학연구원 연구사업과 글로컬대학 30 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2533944

환경 감종훈 교수팀, “15년마다 대홍수·가뭄 온다”…AI가 내다본 위기

[POSTECH, 인공지능 모델로 파키스탄 미래 하천 전망 데이터 보정 기술 개발] 지구온난화가 가속화되면서 전 세계적으로 홍수와 가뭄 같은 극한 기상 재해가 더 빈번하고 심각하게 발생하고 있다. 특히 만년설이 녹아내리는 고산지대는 가장 직접적으로 기후 변화 영향을 받는 지역이다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 감종훈 교수팀이 국제 공동연구를 통해 지금까지 경험하지 못한 '초대형 홍수'와 '극심한 가뭄'이 앞으로 주기적으로 발생할 수 있다는 충격적인 전망을 내놨다. 연구팀이 주목한 지역은 ‘파키스탄’이다. 인더스강을 비롯한 주요 하천이 국가의 생명줄 역할을 하지만 기후변화로 인한 강수량, 적설량이 크게 변동하면서 수자원 관리가 점점 더 어려워지고 있다. 특히, 파키스탄은 기후변화에 취약한 글로벌 사우스(Global South)*1 국가로 선진국에 비해 경제적·기술적 인프라가 부족하여 기후 위기에 대응하는 연구가 미흡했다. 감 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 AI를 활용했다. 기존 기후모델은 파키스탄 같은 고산지대의 특성을 충분히 반영하지 못해, 좁은 골짜기나 가파른 산맥 등 복잡한 지형의 변화를 과소평가하거나 강수량을 과대 추정하는 문제가 있었다. 연구팀은 과거 하천 유량 데이터를 실제 관측값과 비교하며 여러 AI 모델을 학습시키고 동시에 적용해 과거 발생한 이상 기후 현상들의 예측 정확도를 크게 높였다. AI 모델이 보정한 데이터는 기존 모델보다 신뢰성이 훨씬 높았다. 분석 결과, 인더스강 상류에서는 약 15년마다 과거에 경험하지 못한 대홍수와 극심한 가뭄이 반복될 수 있으며, 주변 하천은 그 주기가 약 11년으로 더 짧을 것으로 나타났다. 이는 앞으로 파키스탄 정부가 일괄적인 물 관리 정책에서 벗어나, 각 하천 유역의 특성에 맞춘 맞춤형 대응 전략을 마련해야 함을 시사한다. 이번 연구는 기후 위기 시대에 과학 기술이 수행해야 할 역할을 분명하게 보여준다. 극한 홍수와 가뭄을 예측하고 대비하는 기술은 결국 인류의 생명과 삶의 터전을 지키는 일과 직결되기 때문이다. 감종훈 교수는 “이번에 개발한 AI 기술은 기후모델의 불확실성을 크게 줄여줄 것”이라며, “파키스탄뿐만 아니라 기후변화에 특히 취약하고 관측데이터가 부족한 다른 고산지대나 물 부족 국가에서도 신뢰할 수 있는 기후 데이터를 생산하는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다. 한편, 환경공학부 감종훈 교수, 박사과정 라자 하산(Raza, Hassan) 씨 연구팀이 중국 쑨얀센대(Sun Yan-sen University) 왕다강 교수팀이 함께 진행한 이번 연구는 대기과학 분야 국제 학술지인 ‘Environmental Research Letters’에 게재됐으며, 한국연구재단 개인기초연구사업과 BK21 FOUR Program 지원으로 수행됐다. 라자 하산은 Global Korean Scholarship의 지원을 받았다. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/adf130 1. Global South: 기후변화에 기여도가 낮지만, 기후변화로 인한 위험성에 상대적으로 많이 노출된 국가를 말한다.

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, 습도 따라 달라지는 영상 모드, 경계선에서 밝기정보로 한 번에 변환!

[POSTECH·고려대 공동 연구진, 저비용 환경응답형 광학 시스템 구현] 최근 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과의 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김예슬 씨 연구팀은 고려대(세종) 전자 및 정보공학과 트레본 베드로(Trevon Badloe) 교수팀과 함께 습도에 따라 스스로 특성을 바꾸는 새로운 광학 기술을 개발했다. 현미경이나 의료용 내시경 등 다양한 분야에서 복잡하고 비싼 기존 장치를 대체할 것으로 기대를 모으고 있는 이 연구는 재료, 광학 분야 국제 학술지인 ‘Laser & Photonics Reviews‘ 온라인판에 게재됐다. 빛을 활용한 고급 영상 기술에서는 보통 두 가지 모드가 많이 쓰인다. 하나는 ’엣지 검출(edge detection)‘ 모드로, 사물 윤곽이나 경계선을 또렷하게 보여준다. 다른 하나는 ’밝은 영상(bright-field)‘ 모드로, 전체 구조를 고르게 밝게 보여준다. 두 모드 간 전환이 자유로워진다면 영상 분석이 훨씬 쉬워지겠지만, 지금까지는 ’메타표면(metasurface)‘이나 ’공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)‘ 같은 값비싼 장치나 복잡한 제작 과정이 필요했다. 연구팀은 여기에 ’습도‘라는 간단한 자연 현상을 접목했다. 이번 연구에 사용된 재료는 친수성 고분자인 ’폴리비닐알코올(이하 PVA, Polyvinyl Alcohol)‘ 필름이다. 이 필름은 상대습도에 따라 필름 두께와 굴절률이 변하는 특성이 있는데, 연구팀은 이를 이용해 빛의 흐름을 제어했다. 연구팀이 주목한 현상은 ’빛의 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect of Light, SHEL)‘다. 이는 빛이 물질 표면에서 반사되거나 굴절될 때, 편광(빛의 진동 방향)에 따라 아주 미세하게 다른 경로로 나뉘는 현상이다. 연구팀은 습도에 따라 PVA 필름의 두께와 굴절률이 바뀌면, 이 스핀 홀 효과도 달라진다는 점에 착안했다. 습도가 낮을 때는 빛이 ‘소용돌이(위상 도넛)’ 모양으로 퍼져 엣지 검출 모드가 구현된다. 그러다 습도가 높아지면(40%→60%) 필름이 물을 머금어 두께가 약간 늘어나고(20nm 정도), 빛의 굴절률이 1.52에서 1.50로 줄어들면서 소용돌이가 풀리고 ‘가우시안 빔(밝게 퍼지는 빛, Gaussian beam)’ 형태로 바뀌어 밝은 영상 모드가 나타난다. 이 변화는 단 0.1초 이내에 일어나 실시간 전환이 가능하다. 연구팀은 이 시스템을 해상도 타겟(정밀한 패턴을 새긴 시편)과 실제 생물 조직에 적용했다. 그 결과, 습도를 40%로 유지했을 때는 물체의 테두리만 뚜렷하게 보였고, 습도를 60%로 높이자 화면 전체가 균일하게 밝아졌다. 이를 플라나리아와 소장 조직 절편에도 적용해보니, 필요할 때는 경계선을 강조하고, 필요할 때는 내부 구조까지 자세히 관찰할 수 있음이 확인되었다. 노준석 교수는 “저비용, 간단한 구조, 빠른 반응성이 이 기술의 장점”이라며, “현미경, 휴대용 센서, 의료 내시경 등 장비에서 부품 수와 무게를 크게 줄일 수 있어 작고 가벼운 의료 및 과학 장비 개발에 기여할 것”이라고 전했다. 김예슬 씨는 “습도라는 환경과 빛의 물리 현상을 결합해, 저비용으로 활용할 수 있는 광학 플랫폼의 가능성을 보여주었다”라고 이번 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 연구과제(RS-2024-00356928), 교육부 대통령과학장학금 등의 재정 지원으로 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202500581

화학 장영태 교수팀, 뇌세포만 ‘쏙’ 골라 환하게 밝히는 형광물질, 10년 만에 수수께끼 풀렸다

[POSTECH·한국뇌연구원, 뇌 신경세포 선택적 염색 메커니즘 규명...뇌질환 연구와 진단 길 열어] ‘신경세포’만 정확하게 찾아 형광으로 염색하는 ‘NeuO(뉴오, Neuronal selective fluorescent probe)’의 비밀이 드디어 풀렸다. POSTECH(포항공과대학교) 화학과 장영태 교수, 한국뇌연구원 신경회로 연구그룹 김범수 박사 연구팀이 신경세포에 대한 ‘NeuO’의 선택적 염색 메커니즘을 규명했다. 이 연구는 국제 화학 권위지인 ‘앙케반테 케미(Angewandte Chemie)’에 게재됐다. NeuO는 쥐부터 원숭이, 사람에 이르기까지 여러 동물의 살아있는 신경세포만을 염색하는 독특한 형광물질이다. 2015년 처음 개발된 이 분자는 이미 상업적으로 판매되며 세계 연구자들이 널리 활용하고 있다. 그러나, NeuO가 어떻게 뇌 속 신경세포만 골라 형광을 내는지 그 원리는 오랫동안 수수께끼로 남아 있었고, 그로 인해 NeuO 응용에도 한계가 있었다. 이 비밀을 밝히기 위해 연구팀은 네 가지의 가설을 세웠다. ▲NeuO가 신경세포 단백질과 직접 결합한다는 가설 ▲세포막의 특정 통로를 통하여 신경세포에서만 안으로 들어올 수 있다는 가설 ▲NeuO는 모든 세포에 들어갈 수 있으나, 비신경세포에서는 능동적으로 제거된다는 가설 ▲신경세포 안에서만 특정 효소에 의해 구조적 변형을 겪는다는 가설 등이다. 가설을 하나씩 검증한 결과, NeuO의 선택적 염색 메커니즘은 네 번째 가설로 설명됐다. 연구팀은 NeuO 오직 신경세포 내부에서 ‘PAK6(Serine/threonine-protein kinase PAK6, 단백질 인산화 효소)’ 효소에 의해 특수한 화학적 변화를 겪는다는 사실을 밝혀냈다. ‘인산화(Phosphorylation)’라고 불리는 이 화학반응은 단백질이나 분자에 인산기가 결합하는 과정이다. NeuO는 이 인산화 과정을 거치면서 형광이 더 강해지고, 세포 밖으로 빠져나가지 않고 신경세포의 내부에 머물게 된다. 즉, NeuO가 신경세포 속 특정 효소와 만나 ‘빛을 내는 분자’로 변환되어 세포 안에 축적되면서 형광성이 높아지는 것이다. 연구를 이끈 장영태 교수와 김범수 박사는 “이번 연구는 10년간 풀리지 않는 수수께끼였던 NeuO의 선택적 염색 메커니즘을 밝혀냈다는 학문적인 성과를 넘어 살아있는 뇌 속 신경세포를 세포 특이적 효소 활성에 기반해 더욱 정밀하게 추적·연구할 수 있는 길을 열었다”라며, “알츠하이머병, 파킨슨병 같은 퇴행성 뇌 질환 진단에 활용할 신경세포 염색법 개발에도 큰 도움이 될 것”이라고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업, 한국뇌연구원 기관고유사업, 교육부 지구위기 대응 글로컬대학 30 사업, 2024 POSTECH 국제공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202511160

기계 진현규 교수팀, '산소 구멍' 늘려 친환경 발전 효율 91% 높였다

[진현규 교수팀, 산소 빈자리 조절해 공장 폐열·자동차 엔진열 전기로 바꾼다] 최근 기계공학과 진현규 교수, 김민영 박사 연구팀은 신소재공학과 이동화·최시영 교수, 미국 오하이오 주립대 조셉 헤레만스(Joseph P. Heremans) 교수와 함께 산소의 ‘빈자리’라는 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술의 성능을 획기적으로 높였다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 표지 논문으로 게재되었다. 매일 우리 주변에서는 엄청난 양의 열이 그냥 사라지고 있다. 공장 굴뚝에서 뿜어져 나오는 뜨거운 증기, 자동차를 운전할 때 엔진에서 나오는 열, 심지어 스마트폰이나 컴퓨터를 사용할 때도 열이 발생해 공기 중으로 날아간다. 이 열을 다시 전기로 바꿀 수 있다면 에너지 낭비와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있다. 이런 배경에서 과학자들이 주목하고 있는 기술이 바로 온도 차이를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 '열전 기술'이다. 특히 '횡방향 열전 기술'은 열이 흐르는 방향과 수직으로 전류를 만드는데, 이 방식은 구조가 단순하고 효율이 높아 미래 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 주로 소재 자체의 특성에만 의존해 실제 산업에서 쓸 수 있는 재료의 종류가 제한적이라는 한계가 있었다. 연구팀이 주목한 것은 바로 산소의 '빈자리'였다. 빈자리란 원래 있어야 할 산소 원자가 빠져서 생긴 아주 작은 공간을 말한다. 언뜻 보기에는 재료의 결함처럼 보이지만, 연구팀은 이 빈자리의 개수를 정밀하게 조절하면 오히려 성능을 크게 높일 수 있다는 점을 발견했다. 실제로 산소 빈자리 양을 다르게 조절해 세 가지 종류의 시료를 만들어 실험을 한 결과, 산소 빈자리가 가장 많은 시료에서 열전 성능이 무려 91%나 향상되는 놀라운 결과를 얻었다. 이 현상이 일어나는 이유는 두 가지로 설명된다. 먼저, 산소 빈자리가 많아지면 재료 안에서 전하(전기를 띠는 작은 입자)가 온도 차가 있는 방향으로 더 활발히 움직일 수 있다. 그로 인해 전기를 만들 때 중요한 ‘엔트로피 기반 이동’이 강화돼 전체적인 효율이 높아진다. 또한, 산소 빈자리가 재료의 결정 구조를 미세하게 비틀면서, 곧게 흐르던 전하의 일부가 옆으로 방향을 틀게 된다. 이는 마치 자동차 바퀴에 옆으로 토크가 걸려 진행 방향이 틀어지는 것과 같은 원리로, 온도 차와 수직인 횡방향 열전 효율을 크게 높인다. 이번 연구의 가장 큰 의미는 복잡하고 비싼 신소재를 개발하지 않고, 기존 재료 내 결함만 조절해 성능을 대폭 향상했다는 점이다. 연구를 이끈 진현규 교수는 “이 전략은 다양한 열전 소재에 폭넓게 적용할 수 있어 더 효율적이고 실용적인 에너지 회수 기술 개발에 크게 기여할 것”이라고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업, 나노 및 소재기술개발사업, 컴퓨팅활용고도화사업, 교육부 기초과학연구역량강화사업 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202502892

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, “순식간에 변신!” 전기 한 방으로 바뀌는 다기능 메타렌즈, 초소형 기기의 판을 바꾸다

[POSTECH·美노스웨스턴대·고려대, 전기 신호로 순식간에 모드 전환하는 메타렌즈 개발] POSTECH·미국 노스웨스턴대·고려대 연구팀이 전기신호 하나로 기능이 완전히 바뀌는 다기능 메타렌즈를 개발했다. 머리카락보다 얇은 이 렌즈 하나로 고화질 촬영부터 3D 측정까지 구현한 이번 연구는 학계의 주목을 받으며, 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인판에 게재됐다. 현재 VR·AR 기기가 무겁고 부피가 큰 이유는 여러 개의 복잡한 렌즈와 센서가 필요하기 때문이다. 카메라의 ‘카툭튀’를 줄여줄 기술로 주목받는 ‘메타렌즈’ 역시 한 번 만들어지면 기능이 고정되기 때문에 다중 렌즈를 사용해야 했다. 연구팀이 이번에 만든 렌즈의 핵심은 ‘액정(Liquid Crystal, LC)’이다. 연구팀은 TV 화면에 쓰이는 액정을 ‘수소화 비정질 실리콘(a-Si:H) 메타원자’ 층 위에 덧씌워 전압만 가해도 순식간에 성격이 바뀌는 메타렌즈를 제작했다. 스마트폰으로 카메라 모드를 바꾸듯 렌즈 자체의 물리적 특성을 전기로 조절하는 셈이다. 심지어 이 과정은 1,000분의 1초 만에 일어난다. 그 비밀은 빛의 '회전'에 있다. 연구팀이 만든 렌즈로 들어온 빛은 두 방향으로 회전(좌원평광·우원평광)하며 각각 다른 이미지를 만들고, 그 회전 각도 차이(최대 180도)로 물체 거리를 정밀 계산한다. 덕분에 별도 센서 없이 머리카락 굵기 절반 수준(±110마이크로미터)까지 3D 측정이 가능하다. 이 기술이 상용화되면 무거운 VR·AR 헤드셋이 일반 안경 수준으로 가벼워질 수 있다. 그뿐 아니라 연구팀이 개발한 전기 조절형 렌즈는 초고속 현미경, 실시간 홀로그래피, 자율주행차 센서, 의료 진단 장비 등 다양한 분야에서 차세대 3D 센싱 플랫폼으로 활용될 수 있을 전망이다. 노준석 교수는 “이번 연구로 3D 현미경부터 AR·VR 기기까지 모든 광학 장비가 혁신적으로 소형화되어 상용화되기를 바란다”라고 전했다. 논문1저자인 김예슬 씨는 “빛의 회전 특성을 이용해 별도의 레이저나 적외선 등을 쏘지 않고도 3D 정보를 얻는 ‘패시브 3D 이미징’이 가능해졌다”라며 연구의 의의를 전했다. 한편, 이 연구는 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김예슬 씨, 화학공학과 통합과정 이지해 씨 연구팀이 고려대 트레본 배들로(Trevon Badloe) 교수팀, 미국 노스웨스턴대(Northwestern University) 하오 장(Hao F. Zhang) 교수, 청 쑨(Cheng Sun) 교수 연구팀이 공동으로 진행했으며, POSCO-POSTECH-RIST 융합연구센터 프로그램, 과학기술정보통신부·한국연구재단 글로벌융합연구지원사업 과제의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01831

첨단원자력/환경 엄우용 교수팀, 위험한 원전 폐수 속 삼중수소, 한 겹의 그래핀으로 안전하게 차단한다

[POSTECH, 액체상 수소 동위원소 분리 기술 개발 방사성 폐수에서 삼중수소 잡는다] 첨단원자력공학부·환경공학부 엄우용 교수 연구팀이 방사성 폐수 속 위험한 삼중수소를 액체 상태에서 분리할 수 있는 그래핀 기술을 개발했다. 이번 연구는 후쿠시마 원전 오염수 등 전 세계 방사성 폐수 문제의 새로운 해결책으로 주목을 모으며, 미국 화학회(ACS)에서 발간하는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 온라인판에 게재됐다. 삼중수소는 원자력 발전소에서 생성되는 방사성 수소로, 대부분 물 분자 형태로 존재한다. 인체에 유입되면 내부에서 방사선을 방출할 수 있어 철저한 관리가 필요하지만 지금까지는 삼중수소를 기체 상태에서만 분리할 수 있을 뿐, 액체 상의 삼중수소 제거는 큰 과제로 남아 있었다. 연구팀은 ‘그래핀(graphene)’에 주목했다. 원자 한 겹 두께의 그래핀은 양성자만을 통과시키고, 삼중수소를 포함한 다른 방사성핵종은 차단하는 특수한 분리 능력이 있다. 이번 연구에서 연구팀은 고분자 전해질 막인 ‘나피온(Nafion)’의 수용액 상에서의 치수 안정성을 강화하기 위해 ‘테플론(PTFE)’을 기반 멤브레인에 나피온을 합침시킨 후, 그 위에 그래핀을 전사하여 최종 분리막을 완성했다. 그 결과, 전기장을 가해주었을 때 가벼운 수소 이온(H⁺)은 막을 빠르게 통과하지만, 무거운 중수소(²H)와 삼중수소(³H)는 막을 통과하지 못하고 농축되는 현상이 나타났다. 상대적으로 더 무거운 수소 동위원소는 이동 시 더 큰 에너지 장벽을 느껴 이동이 억제됨을 입증한 것이다. 이때 그래핀을 통한 수소와 중수소 간 분리 효율을 나타내는 분리계수는 6에 달했고, 농도 차이에 의한 확산 실험에서도 삼중수소가 양성자보다 멤브레인을 통해 3.1배 느리게 이동하는 것으로 나타났다. 이 기술의 가장 큰 장점은 원전 폐수처럼 상온 액체 상태에서도 높은 수준의 분리가 가능하다는 것이다. 특히, 기존 상용화된 기술인 극저온 증류 및 촉매 교환방식은 매우 낮은 분리계수를 나타내므로 높은 공정비용이 필요했으나, 이제는 고분자 전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE)’ 공정에 해당 멤브레인을 적용하여 물 상태 그대로 상온에서 삼중수소를 걸러낼 수 있다. 이를 적용하면 후쿠시마 오염수 등 글로벌 원자력 발전소 방사성 폐수를 효과적이고, 무엇보다 안전하게 처리할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 이끈 엄우용 교수는 “이번 기술은 원자력과 핵융합 산업의 방사성 폐수 문제 해결 및 삼중수소 활용에 큰 도움이 될 것”이라며 연구의 의의를 전했다. 제1저자인 김효주 씨는 “그래핀이 수소 동위원소 분리에 전기 이동과 확산 조건에서 각각 어떻게 다르게 영향을 미치는지 규명했다”라며 “이차원 물질을 활용한 동위원소 분리 기술 발전의 중요한 밑거름이 될 것”이라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 지역원자력산업 기반 에너지기술공유대학 사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.5c08414

생명/융합 임신혁·김태경 교수팀, 자폐증 치료할 새로운 열쇠, ‘장내 세균’에서 찾았다

[POSTECH·이뮤노바이옴 연구팀, 유전적 요인 넘어 장-면역-뇌 축 연결 고리 밝혀] 생명과학과·융합대학원 임신혁, 김태경 교수, 생명과학과 박철훈(John Chulhoon Park) 박사 연구팀이 자폐 스펙트럼 장애(이하 ASD*1 ) 발병에 관여하는 장내 미생물과 면역 반응 메커니즘을 최초로 규명했다. 장내 환경 조절을 통한 자폐증 치료 가능성에 새로운 길을 연 이번 연구는 최근 국제학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 실렸다. ASD는 사회성, 의사소통, 행동 발달에 영향을 미치는 대표적인 발달장애로, 최근 환자가 전 세계적으로 급증하고 있다. 미국질병관리청(CDC)에 따르면, 2025년 미국에서는 어린이 31명 중 1명이 ASD를 앓을 것으로 추정되며, 한국과 일본 등 동아시아 국가에서도 유사한 유병률이 보고될 가능성이 크다. 그러나 정확한 발병 원인은 아직 밝혀지지 않았고, 근본적인 치료법도 없는 실정이다. 그동안 ASD는 주로 유전적 요인에 의해 발생한다고 알려졌으나, 최근 장내 미생물과 면역 반응이 뇌 기능과 행동에 영향을 준다는 ‘장-뇌 축’ 이론이 주목받고 있다. 사람 몸속에는 인간 세포보다 10배 많은 박테리아가 존재하는데, 임상 연구에 따르면 ASD 환자가 일반인과 다른 장내 미생물 구성을 가진 경우가 많다. 특히 환자의 약 90%는 위장관 질환을 함께 겪어 장내 환경과 증상 간 연관성이 꾸준히 제기되어 왔다. 연구팀은 이번 연구에서 세계 최초로 무균 상태에서 자란 유전자 변형 ASD 동물(쥐) 모델을 제작했다. 분석 결과, 장내 미생물이 전혀 없는 상태에서는 ASD 특유 행동 이상이 나타나지 않았으며, 연구팀은 이를 통해 장내 미생물이 자폐증 증상 발현에 필수적이라는 사실을 입증했다. 또한, 장내 미생물이 뇌 속 면역세포 염증 반응을 촉진하고, 특정 염증성 T세포가 자폐증에 중요한 역할을 하는 것을 밝혀냈다. 이 염증성 면역 경로를 차단하자 신경 염증이 줄고 행동 이상이 완화되어, 장-면역-뇌를 잇는 새로운 메커니즘임을 입증했다. 정밀 분석 결과, 장내 미생물이 신경전달물질인 ‘글루타메이트(glutamate)’와 ‘가바(GABA)’의 균형을 변화시켜 뇌 기능에 영향을 미쳤다. 이 균형은 뇌의 흥분과 억제 신호 조화에 필수적이며, 균형이 깨지면 행동 및 인지 기능 이상이 나타난다. 이를 바탕으로, 연구팀은 프로바이오틱스 후보 유전체를 분석해 대사산물 생성 및 흡수 능력을 예측하는 AI 기반 대사산물 예측 모델을 개발했다. 이를 통해 글루타메이트를 흡수하고 가바를 생성하는 프로바이오틱스 균주인 락토바실러스 루테리 균(L. reuteri IMB015)을 발굴했다. IMB015 투여 결과, 대사 균형이 회복되고 신경 염증이 감소했으며, ASD 관련 행동 이상이 예방되는 효과가 확인됐다. 연구를 이끈 임신혁 교수는 “자폐증을 단순한 유전 질환이 아니라, 장내 미생물 조절을 통해 관리할 수 있는 면역-신경계 질환으로 바라보게 하는 전환점을 마련했다”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 이번 연구는 POSTECH 연구진과 임신혁 교수가 대표로 있는 ㈜이뮤노바이옴 간 긴밀한 산학협력을 통해 이뤄졌다. 이 기업은 난치성 질환이나 자가면역 질환 치료를 위해 박테리아 등 생균 기반 치료제 개발에 집중하고 있다. 연구팀은 향후 임상 독성시험과 임상 연구를 통해 자폐증 증상 개선을 위한 프로바이오틱스 및 생균제 치료제 개발 연구를 이어갈 계획이다. 한편, 이번 연구는 ㈜이뮤노바이옴, 한국연구재단 중견연구(유형2)사업 및 기초과학연구소의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61544-0 1. ASD: Autism Spectrum Disorder, 자폐 스펙트럼 장애의 영문명. 자폐 스펙트럼 장애는 초기 아동기부터 의사소통과 사회적 상호작용에 지속적인 장애를 보이며 행동 패턴, 관심사 및 활동의 범위가 한정되고 반복적인 것이 특징인 신경 발달 장애의 한 범주임.