Research

전자 최수석 교수팀, “춤추고 노래하는 벤더블(Bendable) OLED” 스피커 품은 형태 변형 디스플레이 탄생

[POSTECH 최수석 교수팀, 형태 변형과 스피커 기능 갖춘 혁신적 OLED 디스플레이 기술 개발] 전자전기공학과 최수석 교수 연구팀(전자전기공학과 박사과정 박지윤·신준혁·홍인표·한상현, 남승민 박사)이 자유롭게 형태를 바꾸면서 동시에 스피커 역할도 할 수 있는 스마트폰형 OLED 패널 기술을 최초로 개발했다. 이번 연구 결과는 스프링거 네이처(Springer Nature) 출판사의 국제저널 ‘npj 플렉서블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)’ 3월 온라인판에 게재됐다. 디스플레이 산업에서 벤더플(bendable), 폴더블(foldable), 롤러블(rollable), 스트레처블(stretchable) 등 기술 경쟁이 점점 치열해지고 있다. 이처럼 화면을 접거나 휘어지게 하는 등 유연한 디스플레이는 ‘힌지(경첩)’와 같은 기계 장치가 필요한데, 그로 인해 기기가 두꺼워지고 무거워지는 단점이 있다. 또한, 디스플레이 사용에 반드시 필요한 별도의 스피커의 기능을 추가할 경우 더욱 두꺼워지는 문제를 가지고 있었다. 예를 들어, 화면을 구부릴 수 있는 ‘벤더블’ 디스플레이는 화면 곡률을 조절하여 이미지 왜곡을 줄이고 몰입감을 높일수 있는 기술로 최근 많은 관심을 받고 있으며, 제품의 가격도 높은 편이다. 최근 모바일 월드 콘그래스 MWC 2024 등에서도 이러한 벤더블 OLED를 스피커등에 감은 OLED나 게임용 모니터등에 벤더블 기능을 추가하여 벤더블 OLED 형태 변형을 이용고자 하는 노력들이 이루어 지고 있다. 그러나, 기존 벤더블 디스플레이 방식은 물리적인 기계 부속장치를 부착하여 당기는 힘으로 형태를 변형시키는 방식이기 때문에 외부 장치가 필요해 전반적으로 얇은 OLED 디스플레를 사용함에도 불구하고, 전체적인 사용자가 사용하는 디스플레이의 사용 부피는 커지고, 유연성은 떨어졌다. 또한, 디스플레이의 형태가 변형되는 모습도 단순한 오목형 “U” 구조 벤딩으로 형태변화가 가능한 폼팩터의 변화도 단순하였다. 또한, 사용자의 몰입감을 위한 스피커가 추가하는 경우 기기가 더욱 크고 두꺼워져 스마트폰 같은 소형 기기에 적용하는 데 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 특수한 '압전 고분자 액추에이터'라는 초박형 필름을 적용하여 OLED본연의 얇고 유연한 특성을 유지하면서도 디스플레이의 형태를 다양한 형태로 변화시키고 또 다이나믹하게 움직이게 하는 기술을 개발했다. 이 필름을 스마트폰용 OLED 패널에 부착하면 전기 신호만으로도 화면 형태를 기존 단순한 오목 “U” 모양을 넘어 볼록하거나 ,S-Shape 등과 같은 변화와 마치 춤을 추는 것 같은 다양한 모양들 간 다이나믹한 OLED 변형할 수 있다. 더욱 놀라운 점은 같은 필름에 저주파와 고주파 전기 신호를 보내면 OLED의 다양한 벤더블 형태 변형과 함께 진동이 별도의 스피커 없이도 OLED 디스플레이 자체가 소리를 낼 수 있게 된 것이다. 연구팀은 실제 스마트폰용 OLED 패널에 이 기술을 적용해 성공적으로 작동함을 확인했다. 특히, 디스플레이는 단순한 U자 형태뿐만 아니라 S자 형태 등 다양한 형태로 자유롭게 변형되고, OLED의 얇고 가벼운 장점을 그대로 유지하면서도 형태 변형과 소리 출력이 동시에 가능했다. 최수석 교수는 "외부 장치 없이 디스플레이의 형태를 자유롭게 변형하면서 동시에 스피커 기능까지 구현한 연구는 이번이 처음"라며, "기존 벤더블 디스플레이의 구조적 한계를 극복함으로써 차세대 디스플레이, 자동차 디스플레이, 소프트 로봇 등 다양한 분야로의 확장과 상용화에 기여할 것"이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 기술혁신사업과 LG Display-POSTECH 인큐베이션 협력 프로젝트, 한국연구재단 BK21 FOUR 프로그램 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00396-6

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, 얇고 가벼운 미래, 메타렌즈 어레이의 디스플레이 혁명

[POSTECH 연구팀, 초박형 메타렌즈 어레이로 공중 디스플레이 구현] 최근 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 연구팀은 ‘메타렌즈 어레이(array)’를 활용해 대면적 디스플레이를 구현하고, 기존 공정의 한계를 성공적으로 극복했다. 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 '레이저 앤 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)'에 게재됐다. 스마트폰을 비롯한 현대 전자기기는 계속해서 얇고 가벼워지는 추세지만, 기존 광학 렌즈의 크기와 무게가 이러한 발전을 제한하는 요소로 작용해 왔다. 이를 해결하기 위해 나노미터 규모의 인공 구조체를 활용한 '메타표면' 광학 기술이 주목받고 있고, 이 기술을 기반으로 한 초박형 ‘메타렌즈’는 차세대 디스플레이 기술의 핵심 솔루션으로 부상하고 있다. 최근 메타렌즈의 적용처가 점점 다양해지면서 천체망원경과 대형 디스플레이 등 넓은 면적에 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그런데, 적용 면적이 넓어질수록 렌즈의 직경도 커지기 때문에 전자빔(e-beam)을 이용해 큰 렌즈에 패턴을 하나하나 새기는 공정은 시간과 비용이 많이 든다. ‘포토마스크’로 기판 곳곳에 패턴을 찍어내는 ‘포토리소그래피(photography)’ 공정이 대안으로 떠오르고 있지만 작은 패턴들을 정확하게 이어 붙이는 '스티칭(stitching)‘ 공정이 추가로 필요했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 발상을 전환했다. 작은 패턴들을 이어 붙여 하나의 큰 렌즈를 만드는 대신 여러 개의 작은 메타렌즈를 배열하여 마치 하나의 대면적 렌즈처럼 작동하도록 하는 '메타렌즈 어레이‘ 방식을 고안했다. 연구팀은 이 방식을 적용해 단 5mm 크기의 단일 패턴만으로 8인치 크기의 반도체 기판 위에 메타렌즈 어레이를 제작하고, 4인치 크기의 '플로팅(floating) 디스플레이'를 성공적으로 구현했다. 이 방식은 스티칭 과정에서 발생할 수 있는 오차를 원천적으로 방지할 수 있을 뿐만 아니라 기존 공정에 비해 공정 단가를 낮추고, 비용과 효율성을 크게 개선했다. 또한, 기존 대면적 단일 렌즈보다 더 짧은 초점거리를 제공했다. 쉽게 말해, 같은 성능을 내면서도 전체 시스템 크기를 더 줄일 수 있어 휴대성과 효율성을 중시하는 산업에서 새로운 혁신을 이끌어낼 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “메타렌즈 어레이를 활용하면, 더 얇고 가벼운 디스플레이 기기를 제작할 수 있어 AR과 VR, 홀로그램 디스플레이 등 차세대 디스플레이 기술에 큰 장점을 제공할 수 있다”라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 삼성리서치, 과기정통부/한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, 산자부/산기평 알키미스트사업, 과기정통부 대통령과학장학금 등의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202401425

화공 김영기 교수팀, 가스 분자 골라내는 액정 센서, 새집증후군 잡는다

[POSTECH·서울대·군산대, 액정을 기반으로 특정 유해가스만 골라내는 ‘스마트 감지 기술’ 선보여] 매일 우리가 숨 쉬는 공기 속에는 보이지 않는 다양한 가스가 섞여 있다. 이 중에는 새집증후군을 일으키는 화학물질처럼 건강한 해로운 물질도 있어 주의가 필요하다. 이에 최근 화학공학과 김영기 교수 연구팀이 서울대, 군산대 연구진과 함께 유해 가스만을 정확히 찾아내는 신기술을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 게재됐다. 연구팀이 개발한 센서의 핵심은 '액정(Liquid Crystal)'이다. 액정은 고체처럼 분자가 규칙적으로 배열되면서도 액체처럼 흐르는 성질을 가진 물질로 주변 환경에 따라 빛을 반사하거나 통과시키는 방식이 달라진다. 이 특성을 활용하면 특정 가스가 존재할 때 시각적으로 변화를 감지할 수 있지만 기존 액정 센서는 여러 가스가 섞인 상황에서 특정 가스를 선별적으로 감지하기 어려웠다. 마치 시끄러운 콘서트장에서 친구의 목소리만 정확히 듣기 어려운 것처럼 말이다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 액정에 '유기 이온 물질(Organic Ionic Plastic Crystals)'을 더했다. 이 물질은 전하를 띠는 분자로 구성되어 있는데, 연구팀은 물질 구조를 정밀하게 설계해 특정 가스에 선택적으로 반응하도록 만들었다. 실험 결과는 놀라웠다. 센서는 새집증후군의 주요 원인인 아세트산(Acetic acid)에만 반응하고 다른 가스에는 영향을 받지 않는 것으로 확인됐다. 특히, 이 센서는 공기 중 2ppm(백만분의 2) 수준의 극미량 아세트산도 감지할 만큼 높은 민감도를 보였다. 또한, 연구팀의 센서는 구조적으로 매우 유사한 가스도 구별할 수 있음을 증명했다. 아세트산(CH₃-COOH)과 프로피온산(CH₃CH2-COOH)은 구조가 거의 똑같지만, 이 센서는 두 가스를 명확히 구별했다. 연구팀은 실험뿐만 아니라 컴퓨터 시뮬레이션으로 센서 작동 원리도 규명했다. 액정과 유기 이온 물질 간 상호작용을 이론적으로 분석하고, 두 물질 간 에너지 관계를 밝혀냈다. 이를 통해 유기 이온 물질의 구조를 조정하면 센서의 감도를 예측하고 최적화할 수 있음을 입증했다. 김영기 교수는 “이번 연구는 액정 센서의 가장 큰 한계였던 선택성을 획기적으로 개선 한 성과”라며, “공기 질 관리뿐만 아니라 반도체 및 화학 공정, 환경 모니터링 시스템에서 특정 가스의 유출을 실시간으로 감지하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 연구의 의미를 강조했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한우물파기기초연구와 미래융합파이오니어 사업, 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202410079

화공 김진곤 교수팀, 이산화탄소 잡아먹는 촉매, 더 강력해졌다

[POSTECH·서울대, 온실가스를 유용한 자원으로 전환하는 차세대 고효율 촉매 개발] 기후변화는 이제 영화 속 이야기가 아니다. 갈수록 심해지는 폭염과 슈퍼 태풍 등 이상기후 현상들은 지구가 보내는 경고 신호다. 그 주범으로 온실가스, 특히 이산화탄소가 지목되면서 이를 줄이기 위한 노력이 이어지고 있는 가운데, 국내 연구진이 이산화탄소를 더 오래, 많이 '잡아먹는' 획기적인 촉매 기술을 개발했다. 화학공학과 김진곤 교수 연구팀이 서울대 한정우 교수 연구팀과 협력하여 이산화탄소를 산업에 유용한 일산화탄소로 바꾸는 촉매 성능과 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 이 연구는 영국왕립화학회에서 발간하는 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’의 표지 논문으로 게재됐다. ‘단원자 촉매’는 금속 원자를 개별적으로 탄소 지지체 표면에 배치해 촉매 효율을 극대화하는 기술이다. 마치 넓은 들판 위에 가로등들이 정교하게 배치된 것처럼, 촉매 활성 부위를 최대한 활용할 수 있다. 특히, 이산화탄소 전환 반응에서는 금속 활용도와 반응 선택성을 높일 수 있지만 탄소 지지체의 어떤 특성이 실제로 촉매 성능에 영향을 미치는지 명확히 밝혀진 바가 없었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 탄소 지지체 핵심 요소인 ‘다공성’과 ‘전자전도성’이 이산화탄소 전환 반응에 미치는 영향을 정밀하게 분석했다. 다양한 형태의 질소 도핑된 다공성 탄소 지지체를 설계한 다음, 니켈(Ni) 단원자 촉매를 고정해 성능을 비교하는 방식으로 연구를 진행했다. 실험 결과, 낮은 전압(-0.5 ~ -0.7 V_RHE*1 )에서는 전자전도성이 높은 지지체가 이산화탄소를 일산화탄소로 변환시키는 선택성을 높이는 데 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 반면, 높은 전압에서는 다공성 구조가 촉매의 성능을 결정하는 핵심 요소로 작용했다. 또한, 넓은 전압 범위에서 90% 이상의 높은 전환 효율을 보였으며, 10시간 이상 작동한 후에도 우수한 내구성을 입증했다. 특히, 연구팀이 개발한 최적의 촉매는 질소가 포함된 다공성 그래핀 기반 탄소 지지체를 활용해, 기존의 2D 그래핀이나 질소가 없는 다공성 탄소 지지체 대비 뛰어난 이산화탄소 전환 성능을 보였다. 김진곤 교수는 “탄소중립 사회로 나아가기 위해 필요한 단원자 촉매 성능을 좌우하는 핵심 요소를 규명했다”라며, “이번 연구는 이산화탄소 저감뿐만 아니라 수소 생산을 위한 수전해 반응, 연료전지 산소 환원 반응 같은 다양한 에너지 전환·저장 기술에 응용될 것으로 기대한다”라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 창의후속연구사업, 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원으로 진행되었다. DOI: https://doi.org/10.1039/D4TA08536A 1. RHE(Reversible Hydrogen Electrode): 가역 수소 전극의 약자로, 전기화학 실험에서 기준 전극)으로 사용되는 단위이다.

기계/생명/IT융합/융합 장진아 교수 연구팀, 3D 바이오프린팅으로 만든 위암 모델, 환자 맞춤형 항암치료의 새 시대 열까

[POSTECH · 美 잭슨랩, 위암 환자 약물 반응성 평가 및 예측하는 체외 플랫폼 개발] 기계공학과·생명과학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수 연구팀이 미국 잭슨랩 유전체의학연구소(The Jackson Laboratory for Genomic Medicine) 찰스 리(Charles Lee) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 암 환자의 약물 반응을 정확하게 예측할 수 있는 3D 위암 모델 개발에 성공했다. 이번 연구는 환자 조직의 특성을 유지하면서 각 환자에 따른 약물 반응을 평가하고, 예측할 가능성을 제시하며, 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. 암 치료의 가장 큰 난제는 ‘종양의 이질성’이다. 마치 동일한 레시피로 요리해도 맛이 다르게 나오는 것처럼 같은 암이라도 환자마다 종양의 특성이 달라 약물에 대해 전혀 다른 반응을 보인다. 현재까지는 암 조직을 동물 모델에 이식하여 약물 반응을 관찰하는 PDX*1 모델이나 암세포 유전자를 분석해 약물의 효과를 예측하는 방법이 주로 사용됐다. 하지만 이 방법들은 시간과 비용이 많이 들고, 모든 환자에게 적용하기에는 한계가 있었다. POSTECH·잭슨랩 유전체의학연구소 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 3D 바이오프린팅 기술을 이용했다. 연구팀은 환자의 위암 조직 조각, 위에서 유래한 탈세포화 세포외기질(ECM)*2 하이드로젤로 바이오잉크를 만들어 암세포와 주변 조직(간질세포) 사이의 상호작용을 재현했다. 또, 여기에 위 섬유아세포*3 를 함께 배양해 종양을 둘러싼 미세환경을 더욱 정교하게 구현했다. 연구팀의 3D 위암 모델은 환자 고유의 위 조직 특성을 유지하면서 기존 PDX 모델에 비해 암의 발생과 성장, 약물 반응 관련 유전자 발현 패턴이 실제 환자와 유사했으며, 항암제 효과 및 예후 예측 실험에서 높은 정확성을 보였다. 특히, 이 모델은 조직을 채취한 후 2주 이내에 신속한 평가가 가능하다는 장점이 있다. 장진아 교수는 ”이번 연구는 환자 맞춤형 치료법 개발은 물론 새로운 항암제와 병합요법의 효과를 검증하는 전임상 플랫폼으로도 활용될 수 있다는 점에서 의미가 크다“라고 전했다. 찰스 리 교수는 “이 모델은 암세포와 간질세포 간 상호작용을 정밀하게 재현해 약물 반응 정확성을 높이고, 효과가 없는 환자에 대한 불필요한 약물 사용을 줄이는 데 기여할 것”이라는 말을 덧붙였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 STEAM연구사업 미래유망융합기술파이오니어, 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202411769 1. PDX(Patient-derived xenograft): 암 연구에서 자주 사용되는 모델로 환자에게서 채취한 암 조직을 면역력이 결핍된 쥐에게 이식하여 암의 성장과 약물 반응을 연구하는 방법이다. 2. 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM): 세포 외부에 존재하는 복잡한 구조물로, 세포들이 조직을 형성하고 기능을 수행할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 합니다. 3. 섬유아세포(Fibroblast): 결합 조직에서 중요한 역할을 하는 세포다. 주로 콜라겐, 엘라스틴, 그리고 다른 세포외기질(ECM) 구성 요소를 생성하여 조직의 구조와 강도를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

신소재 김종규 교수팀, “불가능을 가능으로” 물리학 법칙도 뚫은 POSTECH의 나노 혁명

[POSTECH 김종규·최시영 교수팀, 세계 최초 AA 구조 질화붕소 합성으로 나노 기술 새 역사 써] 스마트폰은 매년 더 얇고 가벼워지면서도 성능은 오히려 향상되고 있다. 이러한 발전을 지속하기 위해서는 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 혁신이 필요하다. 최근 POSTECH 연구팀은 과학계에서 ‘불가능’하다고 여겨졌던 원자 배열을 실현하며, 차세대 전자기기와 양자 기술을 위한 신소재 합성에 성공했다. 2차원 물질은 원자 한 층으로 이루어진 극도로 얇은 소재로, 두께가 종이 한 장보다도 1만 배 이상 얇다. 이 층들은 레고 블록처럼 다양한 방식으로 조립할 수 있는데 쌓이는 방식과 순서, 각도에 따라 전기적·광학적 특성이 크게 달라진다. 이러한 2차원 물질 중 ‘육방정계 질화붕소(이하 h-BN*1 )’는 전자 소자의 절연체나 광학 소자에 널리 쓰이는 중요한 소재로 쉽게 말해서 전자기기의 ‘절연 테이프’ 역할을 한다. 그런데 이 h-BN은 지금까지 <AA' 구조>(붕소와 질소가 교차 정렬된 형태)로만 적층이 가능하다고 알려져 있었다. 여러 층이 정확하게 겹치는 <AA 구조>(붕소 위에 붕소, 질소 위에 질소가 쌓이는 형태)는 같은 극을 가진 자석끼리 서로 밀어내듯 열역학적으로 매우 불안정해 유지될 수 없다고 여겨졌기 때문이다. POSTECH 연구팀은 이 ‘불가능’을 ‘가능’으로 바꾸었다. 그 핵심은 2인치 크기의 단결정 질화갈륨(GaN) 웨이퍼를 기판으로 사용하는 것이다. 기존 연구들은 주로 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 금속이나 사파이어 기판을 사용했으나, 연구팀은 질화갈륨 표면의 계단 구조를 ‘성장 가이드’로 활용해 h-BN이 일정한 방향으로 정렬되도록 유도하며 <AA 구조> 구현에 성공했다. 더욱 놀라운 점은 연구팀이 전자를 소량 도입하는 ‘도핑(doping)’ 기술을 통해 불안정하다고 여겨졌던 이 구조가 오히려 더 안정적이라는 사실을 밝혀냈다는 것이다. 이는 h-BN뿐만 아니라 2차원 반도체 물질의 적층에도 적용되어 양자 기술이나 차세대 초소형 전자기기 개발 연구에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 김종규 교수는 “대외부총장으로서 대학 행정과 연구를 병행하는 것은 결코 쉬운 일이 아니었지만, 이번 연구가 단순한 과학적 발견을 넘어 2차원 소재 산업화의 중요한 전환점을 마련할 것”이라며 연구자로서의 자부심과 함께 이번 성과의 의미를 강조했다. 문석호 박사는 "전하 도핑과 기판 계면 설계를 통해 원자층 적층 구조를 제어할 수 있다는 점을 실험과 이론으로 입증한 연구"라며, 연구의 중요성을 덧붙였다. 이번 연구는 신소재공학과 김종규 교수, 최시영 교수, 문석호 박사 연구팀, 프랑스 몽펠리에대 기욤 카사부아(Guillaume Cassabois) 교수 연구팀이 공동으로 수행했으며, 재료과학 분야 국제 권위지인 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 현지 시간으로 지난 19일 게재됐다. 한편, 이 연구는 교육부 글로벌박사펠로우십사업, 기초과학연구역량강화사업 (소재이미징 해석연구센터), 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노및 소재기술개발사업, 산업자원부 전자부품산업기술개발사업, 삼성전자 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02173-2 1. h-BN: hexagonal boron nitride

화학 이인수 교수팀, 분자들의 내비게이션, 화학 반응의 길을 안내하다

[POSTECH 이인수 교수팀, 원하는 화학 물질 정확하게 만드는 ‘똑똑한 촉매’ 개발] 우리가 낯선 도시에서 내비게이션 없이 운전하면 길을 잃기 쉬운 것처럼, 화학 반응에서도 분자들이 ‘길을 잃을’ 수 있다. 그런데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) 화학과 이인수 교수, Amit Kumar(아밋 쿠마) 연구교수, 박사과정 Sampathkumar Jeevanandham(삼파스쿠마르 지바난담) 씨 연구팀이 분자들을 정확한 경로로 안내하는 ‘분자 내비게이션’ 시스템 개발에 성공했다. 이번 연구는 저명한 과학 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 지난 2월호에 추가 표지(Supplementary Cover) 논문으로 게재됐다. 공장에서 물건을 만들 때 다양한 화학 반응이 일어난다. 그런데, 이때 분자들이 촉매에 무작위로 붙으면서 엉뚱한 방향으로 반응이 진행되면 원치 않는 물질이 만들어지기도 한다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자, 2D 실리카(silica) 나노 반응기 내에 구리(Cu)와 백금(Pt) 금속 나노결정을 포함하는 2D 하이브리드 촉매를 제조하고, 이를 활용하여 '리간드-다공성 쉘 협력 효과(Ligand-Porous Shell Cooperativity)‘라는 개념을 적용한 선택적 화학 반응을 구현했다. 이 촉매는 자동차의 내비게이션처럼 분자들에게 정확한 경로를 안내한다. ‘유기 리간드’는 반응에 참여하는 분자들에게 방향을 제시하는 역할을 하며, ‘실리카 쉘(shell)’은 물리적인 차선을 만들어 분자가 특정 경로로 이동하도록 제한한다. 이 '분자 내비게이션' 시스템은 의약품과 플라스틱, 화장품 등의 제조에 필수적인 화학 반응들에서 놀라운 정확도를 보였다. 알카인(alkyne)과 불포화 에스터(esther), 알데하이드(aldehyde), 니트로아렌(nitroarene)의 수소화(수소를 첨가하는) 반응에서 분자들은 내비게이션의 안내에 따라 원하는 목적지에 정확히 도달했다. 또한, 연구팀이 개발한 촉매는 효율성뿐만 아니라 지속가능성까지 갖췄다. 기존 촉매들은 여러 번 사용하면 성능이 떨어지는 경우가 많지만, 연구팀의 촉매는 반복적으로 사용해도 성능을 유지했으며, 비정질 실리카와 같은 저비용 재료로도 촉매를 대량 생산할 수 있다는 것도 큰 장점이다. 이인수 교수는 "이번 연구를 통해 촉매 설계의 효율성, 다목적성, 지속 가능성을 모두 아우르는 차세대 촉매 기술의 새로운 방향을 제시했다"라며, "플라스틱, 의약품, 화장품, 전자 소재 등 다양한 산업에서 고부가가치 화합물을 생산할 때 불필요한 부반응을 줄이고, 환경 오염도 줄일 수 있을 것"이라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13927

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, “쓱-” 테이프 한 장으로 메타표면 공정 난제 해결

[POSTECH 노준석 교수팀, 간단한 ‘테이프’ 기술로 메타표면 상용화 앞당길 방법 찾아] 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박유진 씨 연구팀이 차세대 디스플레이의 핵심 기술인 메타표면 상용화를 앞당길 신기술을 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 속표지(Inside front cover) 논문으로 현지시간으로 13일 게재됐다. 메타표면은 나노미터(머리카락 두께 약 10만분의 1) 규모의 인공 구조체를 이용해 빛을 자유롭게 제어하는 기술로, 증강현실(AR)·가상현실(VR), 고성능 광학 센서 같은 다양한 산업 분야에서 핵심적으로 활용되고 있다. 이러한 메타표면을 저비용으로 대량 생산하는 것은 여전히 해결해야 할 난제였다. 최근 고굴절률의 나노 입자가 포함된 경화성 레진으로 도장 찍듯 패턴을 형성하는 'PER-NIL*1 (입자 혼합형 레진 임프린트)' 공정이 주목받고 있다. 그러나, 이 공정에는 치명적인 문제가 있었다. 패턴 형성 후 기판에 남는 고굴절 잔막이 빛을 산란시켜 메타표면의 효율을 떨어뜨리는 것이다. 그런데 POSTECH 연구팀은 '테이프'라는 단순한 방법으로 이를 해결했다. 첨단 화학 공정인 플라즈마 에칭이나 스핀 코팅으로도 풀지 못했던 문제를 의외의 방식으로 풀어낸 것이다. 연구팀이 개발한 ‘테이프 보조 PER-NIL(Tape-assisted PER-NIL)’ 기법의 핵심은 잔막을 선택적으로 떼어낼 수 있게 테이프 접착력을 최적화하는 것이다. 다양한 접착력을 가진 테이프를 활용한 실험 끝에, 나노 구조체는 그대로 유지하면서도 잔막만 효과적으로 떼어내는 최적의 조건을 찾았다. 전자현미경(SEM)과 에너지 분광 분석(EDS)에서도 이 공정이 잔막 제거에 탁월환 효과가 있음을 확인했다. 특히 '구조색 메타표면'의 경우, 이 기술을 통해 더욱 선명한 색상을 구현할 수 있다. 기존에는 잔막이 빛과 공진을 일으켜 색이 탁해지는 문제가 있지만, 잔막을 완전히 제거함으로써 단일 반사 피크를 구현하고, 더욱 깨끗한 색을 표현할 수 있게 됐다. 또한, 홀로그램 같은 3D 이미지를 만드는 메타홀로그램 기술에도 이 방법을 적용하면, 잔막으로 인한 빛의 산란과 투과율 저하 문제를 해결해 훨씬 선명한 이미지와 영상을 얻을 수 있다. 이 기술의 가장 큰 장점은 공정 단순화와 대량 생산 가능성이다. 기존의 복잡한 화학적 처리 없이 간단한 테이프 접착만으로 고효율 메타표면 제작할 수 있어, 대량 생산에 적합한 ‘롤투롤(Roll-to-Roll)’ 방식의 공정에도 적용할 수 있다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “이번 연구는 잔막이 없는 고굴절의 메타표면을 복제한 최초의 사례로, 이를 통해 메타표면 기술이 실생활에 더욱 가까워질 것으로 기대된다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과기정통부/한국연구재단 중견연구자지원 사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 교육부 석사과정연구장려금 등의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202409371 1. PER-NIL(Particle-Embedded Resin Nanoimprint Lithography, 입자 혼합형 레진 임프린트): 고굴절률 나노 입자를 포함한 경화성 레진을 사용하여 나노 패턴을 형성하는 나노임프린트 리소그래피 기술이다.

기계/생명/IT융합/융합 장진아 교수팀, 3D 프린터로 당뇨 치료의 미래를 그리다

[POSTECH, 췌장 기능 재현한 혁신적 플랫폼으로 당뇨병 치료의 판도를 바꾼다] 기계공학과·생명공학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수, 시스템생명공학부 통합과정 김명지 씨 연구팀은 실제 췌장 조직에서 유래한 바이오잉크와 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 당뇨 치료를 위한 혁신적인 플랫폼 개발에 성공했다. 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 당뇨병은 혈당을 조절하는 췌장에 문제가 있을 때 발생하는 대사질환이다. 췌장에는 혈당을 낮추는 인슐린을 분비하는 '췌도세포'가 있는데, 이 세포를 치료 목적으로 만드는 것은 매우 어렵다. 줄기세포를 활용해 췌도세포를 만들 수는 있지만, 이 세포들이 실제 췌장이 있는 환경에서처럼 제대로 기능을 할 수 있도록 재현하는 데 한계가 있었기 때문이다. 췌도세포는 주변의 세포외기질*1 과 혈관세포 간 상호작용을 통해 인슐린 분비를 조절한다. POSTECH 연구팀은 실제 췌장 조직에서 유래한 세포외기질과 기저막 단백질(라미닌, 콜라겐 IV)을 포함한 바이오잉크(Peri-islet niche-like, PINE)를 만들고, 여기에 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 ‘HICA-V(Human islet-like cellular aggregates and vasculature)’ 플랫폼을 제작했다. 이 플랫폼은 줄기세포로 만든 췌도세포와 혈관을 정밀하게 배치해 실제 췌장의 구조를 거의 완벽하게 모사했다. HICA-V 플랫폼에서 배양된 췌도세포는 인슐린과 결합단백질 발현이 증가하며 실제 췌도와 유사한 기능적 특성을 보였다. 또한, 당뇨병과 유사한 환경에서 염증의 유전자 발현이 증가하는 등 생체 내 병리적 반응을 효과적으로 재현했다. 이는 단순히 췌도세포의 성숙도를 높이는 데 그치지 않고, 당뇨병 치료제 개발 및 질환 연구에도 중요한 도구로 활용될 수 있음을 증명한 것이다. 연구를 이끈 장진아 교수는 “이번 연구에서 개발한 맞춤형 췌도세포 플랫폼은 실제 췌장 구조와 기능을 재현하여 인공 췌도세포의 성숙과 기능 향상에 기여할 것”이라며, “이 플랫폼이 당뇨병 연구 및 치료제 개발뿐만 아니라 췌도세포 이식 치료의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 보건복지부 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 범부처 재생의료기술개발사업, 산업통상자원부 산업기술알키미스트사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56665-5 1. 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM): 세포 외부에 존재하는 복잡한 구조물로, 세포들이 조직을 형성하고 기능을 수행할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 합니다.

친환경소재/신소재 박규영 교수팀, 충·방전에도 끄떡없는 배터리! ‘나노 스프링’에서 해답 찾았다

[POSTECH·삼성SDI·美 노스웨스턴대·중앙대, 나노 스프링 코팅으로 배터리 내구성·에너지 밀도 개선] POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀은 삼성SDI, 미국 노스웨스턴대(Northwestern university), 중앙대 연구팀과의 공동 연구를 통해 전기차 배터리의 수명과 에너지 밀도를 획기적으로 높일 기술을 개발했다. 이 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전기차 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 현재 기술에는 한 가지 큰 문제가 있다. 충·방전 과정에서 배터리 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생기고, 시간이 지나면서 성능이 급격히 저하되는 것이다. 이를 방지하기 위해 강도를 높이거나 보강재를 추가하는 방식이 연구되고 있지만, 근본적인 해결책이 되기에는 한계가 있었다. 이번 연구의 핵심은 탄성을 가진 구조를 설계할 수 있는 ‘나노 스프링 코팅’ 기술이다. 연구팀은 배터리 양극재 표면에 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 코팅을 도입해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수해 균열을 방지하고, 전극 수준에서도 두께 변화를 최소화해 전극의 안정성을 높였다. 이를 통해 배터리 내부 균열을 효과적으로 억제하고, 수명과 성능을 동시에 개선하는 데 성공했다. 이 기술을 활용하면 소량(0.5wt%, 중량백분율)의 도전재*1 만으로도 소재의 부피 변화로 인한 저항을 최소화할 수 있어 570Wh/kg*2 (와트시퍼킬로그램) 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있다. 또한, 1,000회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지하며 뛰어난 수명 특성을 보여준다. 특히, 연구팀의 기술은 기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉽다. 이를 통해 전기차 배터리의 에너지 밀도와 수명 한계를 극복하고, 보다 성능이 뛰어난 전기차 개발에 기여할 것으로 기대된다. 박규영 교수는 “이번 연구는 기존과 다른 접근으로 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 변형을 효과적으로 제어했다”라며, “이차전지 산업뿐 아니라 소재의 내구성이 중요한 여러 산업 분야에도 이 기술이 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라며 이번 연구의 의미를 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성SDI, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 기초연구의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c14980# 1. 도전재(Conductive maetial): 활물질로 전자가 전달될 수 있도록 전극에 넣어주는 고 전도성 물질. 일반적으로 탄소 계열 물질이 사용되며, 종류로는, super P, CNT, graphene과 같은 종류들이 있다. 2. Wh/kg(Watt-hour per kilogram, 비 에너지 밀도): 배터리가 1kg당 저장할 수 있는 에너지(Wh)를 나타내는 단위로 배터리의 에너지 밀도를 나타낸다.