Research

신소재/친환경소재 김형섭 교수팀, 극저온에서 더 강해지는 금속, 그 비밀은?

[POSTECH 연구진, 체심입방구조(BCC) 역할 규명... 차세대 극한 환경용 금속 설계 기대] 액체 질소에 담긴 꽃이 산산조각 나는 실험을 본 적이 있을 것이다. 대부분의 물질은 온도가 내려갈수록 쉽게 깨지고, 더 취약해진다. 하지만, 일부 금속 합금은 반대로 더 강해지는 현상을 보이는데, 최근 POSTECH 연구팀이 그 원리를 밝혀냈다. 우주선과 심해 잠수정 등 극한 환경에서 사용되는 장비에는 극저온에서도 견딜 수 있는 특수 금속이 필요하다. 여러 금속 원소를 혼합해 만든 '다원소 합금'은 온도가 낮아질수록 오히려 더 단단해지는 특성이 있는데, 이는 특정한 원자 배열인 ‘면심입방구조(이하 FCC)*1 ‘에 의한 것으로 알려져 있다. POSTECH 연구팀은 일본 J-PARC(양성자 가속기 연구소)와의 연구를 통해 새로운 사실을 발견했다. ’실시간 중성자 회절*2 ‘ 기술을 이용해 금속 합금 내부를 정밀하게 분석한 결과, 알루미늄(Al)과 코발트(Co), 니켈(Ni), 바나듐(V)으로 구성된 합금에서 FCC뿐만 아니라 ’체심입방구조(이하 BCC)*3 ‘도 극저온에서의 강도 향상에 큰 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. FCC는 온도가 낮아질수록 원자 배열이 변화하면서 강도가 높아지는 반면, BCC는 ’미끄러짐을 방해하는 힘(Peierls-Nabarro barrier)*4 ‘을 통해 금속의 강도를 높인다. 연구팀은 BCC의 미끄러짐 저항이 온도에 특히 민감하게 반응하며, 이 온도 민감성이 극저온에서 더 효과적으로 작용해 금속이 강해지는 원리를 규명했다. 지금까지는 극저온에서 FCC의 변형이 더욱 뚜렷하게 관찰되어 FCC가 주된 역할을 한다고 여겨졌으나, 이번 연구를 통해 BCC의 온도 의존성이 훨씬 더 크다는 사실이 밝혀진 것이다. 김형섭 교수는 “이번 연구는 심해 탐사 장비와 같은 극한 환경에서 사용될 차세대 금속 소재 개발 연구에 중요한 방향성을 제시했다”라며, “특히, 최근 주목받고 있는 화성 탐사와 달 기지 건설과 같은 우주 산업과 알래스카에 신설할 천연가스 파이프라인의 기초가 될 것”이라고 전했다. 또, “온도에 민감한 BCC 비율을 조절하면 다양한 온도에서 최적의 성능을 내는 맞춤형 합금 설계가 가능할 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 POSTECH 신소재공학과 · 친환경소재대학원 김형섭 교수, 통합과정 구강희 씨, 친환경소재대학원 허윤욱 · 조중욱 교수팀이 일본 J-PARC 스테파누스 하르조(Stefanus Harjo) · 우공(Wu Gong) 박사 연구팀과 함께 수행했으며, 연구 결과는 금속 소재 공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지인 ’Journal of Materials Science and Technology‘ 저널에 게재됐다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 김형섭 교수와 함께 연구를 주도한 포항공과대학교 통합과정 구강희 씨는 한국연구재단에서 추진하는 학문후속세대 펠로우십의 지원을 받아 연구를 수행하였다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.057 1. FCC(face-centered cubic): 정육면체의 꼭짓점과 각 면의 중심에 원자가 배치된 구조를 말한다. 2. 실시간 중성자 회절(Real-time Neutron Diffraction): 중성자 빔을 이용해 물질 내부 원자 배열과 구조 변화를 실시간으로 분석하는 기법이다. 3. BCC(body-centered cubic): 정육면체의 꼭짓점과 중심에 원자가 배치된 구조를 말한다. 4. Peierls-Nabarro barrier(페이얼스-나바로 장벽): 결함이 없는 결정 격자 내에서 격자 저항을 극복하고 전위 이동에 필요한 응력으로, 재료에 따라 정의되는 본질적인 값이다.

POSTECH 안용주·김철홍 교수팀, 뇌줄중, 빛과 소리로 실시간 모니터링하다

[POSTECH, 혁신적 광음향 기술로 뇌졸중 초기 혈관 변화 관찰 성공] 매년 수백만 명이 뇌졸중으로 사망한다. 뇌혈관이 막히는 순간부터 시작되는 시간과의 싸움에서 승리하기 위해 POSTECH 연구팀이 빛과 소리를 결합한 첨단 기술로 새로운 돌파구를 열었다. 뇌졸중은 전 세계적으로 두 번째로 흔한 사망 원인이다. 특히 허혈성 뇌졸중은 뇌에 혈액을 공급하는 혈관이 막혀 발생하는데, 치료가 늦어지면 뇌 조직 손상이 가속화되어 회복이 거의 불가능해진다. CT나 MRI 같은 기존 기술들은 초기 혈관 변화를 실시간으로 포착하는 데 한계가 있었고, 동물 모델 연구는 관찰 범위와 효율성 측면에서 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 POSTECH 연구팀은 빛과 초음파(소리)를 결합한 ‘광음향 컴퓨터 단층 촬영(이하 PACT*1 )’ 기술을 개발했다. 연구팀은 선형과 회전 스캔을 결합한 복합 스캔 방식을 적용해 여러 각도에서 얻은 이미지를 하나로 합성했다. 이는 마치 여러 방향에서 사진을 찍어 입체적으로 재구성하는 것과 같은 원리다. 이 기술을 이용해 연구팀은 허혈성 뇌졸중 초기 단계에서 소동물 뇌혈관 변화를 비침습적으로 실시간 모니터링하며, 넓은 영역의 혈관 변화를 정밀하게 분석하는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 근적외선 영역 다파장 광음향 이미징을 활용해 헤모글로빈을 비침습적으로 관찰하고, 혈관별 산소포화도를 실시간으로 측정하는 알고리즘도 개발했다. 이를 통해 허혈성 병변뿐만 아니라 측부 혈류와 신생 혈관의 변화까지 정밀하게 모니터링할 수 있게 되었다. 이는 기존의 병리조직 검사와 비교해 신뢰성을 입증한 결과로, 연구팀이 새로 개발한 PACT 시스템이 뇌졸중 후 혈관 회복 과정을 효과적으로 추적할 수 있음을 보여주었다. POSTECH 연구팀은 “이번 연구의 가장 큰 성과는 조영제 없이도 혈류 변화를 정밀하게 관찰할 수 있게 된 것”이라며, “뇌졸중 치료 연구뿐만 아니라 다양한 신경·혈관 질환 연구에도 새로운 실험적 접근법을 제공할 것”이라고 전했다. 이번 연구는 POSTECH IT융합공학과 · 융합대학원 안용주 교수, 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, IT융합공학과 통합과정 김지웅 씨, 융합대학원 통합과정 권주영 씨, 인공지능연구원 박사후연구원 최성욱 씨(現 미국 스탠포드대 박사), IT융합공학과 통합과정 전현서 씨, 기계공학과 통합과정 성민식 씨 연구팀과 중국과학원(Chinese Academy of Sciences) Chengbo Liu씨, Rongkang Gao씨 연구팀이 수행했으며, 과학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 BK21 FOUR 사업, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원 주관 ICAN 프로그램, 한국의료기기산업협회 의료기기산업 육성사업 지원, 보건복지부 재원으로 한국보건산업진흥원이 지원하는 보건의료 기술연구개발사업, 글로컬 대학 30 프로젝트, 현대자동차 정몽구 재단의 재정적 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202409361 1. 광음향 컴퓨터 단층 촬영(PACT) : 레이저 빛과 초음파를 결합하여 조직의 구조와 기능을 고해상도로 비침습적으로 실시간 관찰하는 이미징 기술이다.

전자/반도체 정윤영 교수팀, 집에서도 OK! 웨어러블 센서로 실시간 뇌 건강 진단

[POSTECH·스위스 공동 연구팀, AI 결합한 피부 부착형 센서로 일상 속 정밀 모니터링 실현] 세계보건기구(WHO)에 따르면 '중풍'으로도 불리는 뇌졸중은 전 세계 사망원인 2위에 해당하는 치명적인 질환이다. 치료 후에도 심각한 후유증과 높은 재발률로 환자들은 일상생활에 큰 어려움을 겪는다. POSTECH · 스위스 재활센터 공동 연구팀이 뇌졸중 후유증 관리의 새로운 해결책을 찾았다. 전자전기공학과 정윤영 교수, 박사과정 송용훈 씨, 윤인열 연구원(現 삼성전자) 연구팀은 스위스 루체른 연구소(Lake Lucerne Institute, LLUI), 세레네오 연구센터(cereneo Center for Interdisciplinary Research, CEFIR)와의 공동 연구를 통해 뇌졸중 후유증을 실시간 모니터링하고 정량적으로 평가할 수 있는 피부 부착형 센서 시스템을 개발했다. 이번 연구는 디지털 헬스케어 분야의 저명 국제 학술지인 ‘npj 디지털 메디슨(npj Digital Medicine)’에 최근 게재됐다. 뇌졸중은 뇌혈관이 막히거나 터지면서 발생하는 심각한 질환으로, 생명을 위협할 뿐 아니라 음식물을 제대로 삼키지 못하는 ‘연하곤란*1 ’이나 발음이 불분명해지는 ‘구음장애*2 ’ 등의 후유증을 남긴다. 기존 뇌졸중 후유증 평가는 병원에서 의료진이 직접 검사하는 방식으로 이는 환자의 일상 속 변화를 지속적으로 추적하기 어려운 한계가 있다. 연구팀이 개발한 ‘유연 피부 부착형 목 진동 센서(Soft Skin-Attachable Throat Vibration Sensor, STVS)’는 목 피부에 밀착되어 주변 소음의 영향을 전혀 받지 않고, 말하기, 삼키기, 기침 등의 뇌졸중 후유증과 관련된 신호를 일상 생활에서 정밀하게 감지한다. 특히, ‘구불구불한(serpentine) 구조’를 적용해 센서가 피부에 자연스럽게 밀착되어 움직임에 대응할 수 있는 유연성과 내구성, 부착성을 극대화했다. 그 덕분에 걷거나 뛰는 등의 활동 중에서도 센서가 안정적으로 부착되어 지속적인 데이터 측정이 가능하다. 실험 결과, 이 센서는 기존 웨어러블 센서에 비해 ‘신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR)*3 ’가 3배 이상 향상되는 등 수집하는 데이터의 감도를 크게 높일 수 있었다. 또한, 연구팀은 인공지능(AI) 기반의 ‘앙상블(ensemble) 분류 모델’을 개발하여 센서에서 수집된 데이터가 자동으로 분석되도록 했다. 삼키기, 기침, 말하기, 헛기침 등의 뇌졸중과 관련된 여러 동작들이 전문 의료진의 도움 없이 정확하게 측정, 구별되고 이를 바탕으로 수준 높은 의료 평가를 진행할 수 있게 된 것이다. 실제 임상 환경에서의 효과도 검증됐다. 스위스 뇌졸중 재활센터에서 한국어, 영어, 프랑스어, 독일어, 스페인어의 다섯 가지 언어를 사용하는 여러 참가자들을 대상으로 한 실험에서 96% 이상의 높은 활동 분류 정확도를 보였으며, 일상적인 움직임 속에서도 안정적인 성능을 유지해 실생활 적용 가능성을 입증했다. 정윤영 교수는 “웨어러블 센서와 AI 기술의 융합으로 뇌졸중 후유증을 일상에서 모니터링할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다”라며, “다양한 언어와 환경에서도 높은 정확도와 안정성을 입증한 이 기술은 향후 여러 신경계 질환의 진단과 맞춤형 치료에도 크게 기여할 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 한국연구재단의 시스템반도체융합전문인력육성사업과 BRIDGE 연구사업, 정보통신기획평가원의 인공지능대학원 사업, BK21 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41746-024-01417-w 1. 연하곤란 : 음식물이나 액체를 삼키기 어려운 상태로, 신경근 기능 이상이나 근육 약화로 인해 발생한다. 2. 구음장애 : 발음을 정확히 하지 못하는 상태로, 신경 손상이나 근육 조절 이상으로 인해 발생한다. 3. 신호 대 잡음비 : 원하는 신호와 잡음의 비율로, 값이 높을수록 신호가 더 선명하게 감지됨을 나타낸다.

화공/배터리공학 김원배 교수팀, “커피 한 잔 마시는 사이 완충“ 전기차 급속 충전 시대 열릴까

[POSTECH, 불소화 탄소 계면층 기술로 고속 충전·고용량 배터리 음극재 개발] 긴 충전 시간 때문에 전기차 구매를 주저한 적이 있는가? 그런데 만약, 커피 한 잔 마시는 사이에 충전이 다 된다면 어떨까? POSTECH 연구팀이 개발한 새로운 음극재 기술이 바로 그 해답이 될지도 모른다. 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수와 화학공학과 강송규 박사 연구팀은 ‘망간(Mn)-철(Fe) 산화물’ 음극재에 고극성의 불소화 계면층을 도입하여 고용량과 안정성을 갖춘 혁신적인 음극 소재를 개발했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 재료공학 분야 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 앞표지(Front Cover) 논문으로 최근 게재됐다. 전기차 시장이 급성장하면서 높은 용량과 안정성을 갖춘 배터리를 위해 ‘강자성 전환 음극재’가 주목받고 있다. 이 음극재는 배터리 충·방전 과정에서 금속 산화물이 나노 크기의 강자성 금속으로 변환되며 일반 음극재에 비해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 이론 용량을 뛰어넘는 고에너지밀도 배터리를 구현할 잠재력이 있지만 강자성 전환 음극재는 비가역적 용량 손실, 불안정한 계면 형성, 낮은 전도도 등의 여러 한계를 안고 있다. 김원배 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 갈바닉 치환 반응*1 을 이용해 망간(Mn)-철(Fe) 이종 산화물을 합성한 후 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF*2 )로 용액상 코팅을 진행하고, 탄화 과정*3 을 통해 고극성의 ‘불소화 탄소 계면층’을 만들었다. 이 소재는 불소의 강한 전기적 특성을 이용해 표면 극성을 높이고, 이를 통해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 또한, 강자성 전환 반응에서 발생하는 ‘스핀-분극화된 커패시턴스(spin-polarized capacitance)*4 ’를 극대화해 소재의 이론 용량을 초과하는 높은 용량을 구현한다. 그뿐 아니라 플루오린화 리튬(LiF)이 풍부한 고체 전해질 계면(SEI)을 실시간으로 형성해 전극 내 이온과 전자 전달을 촉진하고 내구성을 강화하며, 부피 변화로 인한 응력도 효과적으로 완화했다. 그 결과, 약 3분 이내의 급속 충전 조건에서도 상용화 음극재 대비 최소 140% 이상 향상된 성능을 보였으며, 300번의 급속 충·방전 사이클 후에도 92% 이상의 용량 유지율을 기록하며 안정성도 확보하는 데 성공했다. 이번 연구를 이끈 김원배 교수는 “고극성 계면 제어 기술을 통해 고에너지밀도 음극재의 한계를 극복하고, 새로운 접근법을 제시했다”라며, “이번 연구는 전기차의 주행거리, 내구성, 충전 속도를 모두 향상시킬 중요한 기술적 기반이 될 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 선도연구센터(ERC), 중견연구자지원사업 및 첨단산업특성화대학원지원(배터리) 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202408986 1. 갈바닉 치환 반응(galvanic replacement reaction): 고체 금속이 다른 금속 이온과 접촉할 때, 전자가 이동하여 한 금속이 다른 금속 이온으로 대체되는 반응이다. 2. PVDF: Polyvinylidene Fluorid 3. 탄화 과정: 유기 물질이나 고분자를 열처리하여 그 구조에서 수소와 산소를 제거하고, 주로 탄소로 구성된 고체 형태의 물질로 변환하는 과정이다. 4. 스핀-분극화된 커패시턴스(spin-polarized capacitance): 전극의 전자 구조가 리튬 이온 저장 능력에 영향을 미치는 방식을 의미합니다. 이 현상은 전자의 스핀 상태가 전극의 전기적 특성과 상호작용하여 전하 저장 능력을 증가시키는 역할을 한다.

화학 장영태 교수팀, 퀴리부인의 집념으로 발견한 ‘형광불사조’

[POSTECH 연구팀, 세포 내 단백질의 비밀 밝히는 초광안정적인 유기형광분자(PF555) 개발] POSTECH 연구팀이 8톤의 광석에서 0.1그램의 라듐을 분리해 노벨상을 받은 마리 퀴리와 같은 집념으로 2년간의 연구 끝에 초광안정인 유기형광분자를 정제하는 데 성공하며, 기존 형광물질의 한계를 극복했다. '단일분자 이미징(single molecule imaging)'은 형광 표지(marker)를 이용해 단백질의 움직임을 단일 분자에서 정밀하게 관찰하는 기술로, 세포생물학, 생화학, 분자생물학, 신약개발 연구 분야에서 널리 활용되고 있다. 그러나 표지를 위한 기존 유기형광분자는 광안정성이 낮아 연구에 제약이 있었다. 빛에 노출되면 쉽게 분해되거나 형광 특성을 잃는 '광표백(photobleaching)' 현상으로 인해 장시간 관찰이 필요한 세포 내 단백질 움직임이나 복잡한 생체 반응을 완전히 추적하기 어려웠기 때문이다. 류성호 교수팀은 단일분자 이미징 중 우연히 광청변화(photoblueing)*1 현상을 통해 ‘초광안정적인’ 형광분자가 생성되는 것을 확인했다. 그리고, 장영태 교수팀과의 협력을 통해 질량분석 및 핵자기공명분석으로 이 분자의 구조를 밝혀내고, ‘Phoenix Fluor 555(이하 PF555)’로 명명했다. PF555는 기존 형광물질보다 광안정성이 뛰어나 개별 단백질(단일 분자 수준)뿐만 아니라 여러 단백질(대량 수준, bulk)을 동시에 관찰할 때도 효과적으로 사용될 수 있으며, 산소의 농도에 영향을 받지 않고, 긴 광표백 수명*2 을 유지했다. 연구팀은 PF555를 활용해 기존에는 불가능했던 단백질의 세포내이입과 다른 단백질과의 상호작용과정을 정밀하게 분석했다. ‘상피세포 성장인자 수용체 단백질(이하 EGFR*3 )’은 세포 성장과 분화에 중요한 역할을 하는데 연구팀은 이 단백질이 세포막 CCS*4 구조에 갇혀있는 상태뿐만 아니라 주변을 탐색하는 상태도 존재함을 발견했다. 이는 EGFR이 CCS 주변을 돌아다니며 외부 신호를 감지하거나 다른 분자와의 상호작용을 조율할 가능성을 시사한다. 또한, PF555의 우수한 광안정성 덕분에 연구팀은 기존 형광물질로는 추적하기 어려웠던 EGFR의 세포내이입과 재활용 전 과정을 명확하게 구분하여 관찰하는 데도 성공했다. 류성호 교수는 “PF555는 이전에 보고된 적 없는 초광안정적인 유기형광분자로, 시간적 제약 때문에 관찰이 어려웠던 생명현상을 가능하게 할 것”이라는 말을 전했다. 장영태 교수도 “PF555의 놀라운 안정성이 유기형광분자 연구의 새로운 기준이 될 것”이라며, 신약 개발, 질병 진단, 세포 이미지 분석 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 강조했다. 한편, 이번 연구는 생명과학과 류성호 교수, 김도현 박사, 홍 민 트리엣(Hong Minh Triet) 박사 연구팀과 화학과 장영태 교수, 융합대학원 이순혁 박사 연구팀이 공동으로 진행했다. 최근 생화학 연구 분야 세계적 학술지인 ‘네이처 메소드(Nature Methods)’ 온라인판에 게재됐으며, 한국연구재단과 기초과학연구원, 글로컬 사업의 지원으로 수행됐다. https://doi.org/10.1038/s41592-024-02584-0 1. 광청변화(photoblueing): 형광 염료가 빛에 의해 분해되거나 구조 변화로 인해 방출 스펙트럼이 청색 쪽으로 이동하는 현상을 말한다. 2. 광표백 수명(photobleaching lifetime): 형광 물질이 빛에 노출되어 비가역적으로 소멸되기까지의 지속 시간을 의미한다. 3. EGFR: epidermal growth factor receptor 4. CCS(clathrin-coated structures): 세포 내에서 클라트린 단백질로 덮인 막의 구조로, 주로 소포 수송 과정에서 관찰된다.

화공/융합 차형준 교수팀, 홍합의 강력한 수중 접착력, 단백질 간의 분자조립에서 그 비밀을 찾다

[POSTECH 연구팀, 홍합 접착단백질 상호작용 규명 통해 혁신적 접착 기술 개발 가능성 제시] POSTECH 연구팀이 수중에서 강력한 접착력을 자랑하는 홍합의 복잡한 메커니즘을 모방하는 데 한 걸음 더 다가섰다. 이번 연구는 의료용 생체 접착제를 비롯한 다양한 산업 소개 개발에 큰 변화를 불러올 것으로 기대된다. 우리 몸속 환경은 바닷속 수중 환경과 유사해 홍합 같은 해양 생물을 모티브로 한 의료용 소재 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 홍합이 거센 파도 속에서도 바위나 선박 밑바닥에 단단히 붙어있을 수 있는 이유는 다양한 족사단백질(foot protein) 덕분이다. 홍합의 접착력은 여러 족사단백질이 복잡하게 상호작용하여 형성되지만 기존 연구들은 주로 특정한 아미노산이나 단일 단백질에 집중해 이 복잡한 매커니즘을 완벽하게 재현하기 어려웠다. POSTECH 화학공학과·융합대학원 차형준 교수, 화학공학과 통합과정 윤태희 씨 연구팀은 ‘fp-4(4형 족사단백질)’라는 접착 단백질이 콜라겐성 다발과 단백질성 접착 플락(plaque)을 연결해 접착구조 형성에 중요한 역할을 한다는 점에 주목했다. 연구팀은 음전하를 띤 fp-4의 일부 영역이 전기적 상호작용과 수소결합을 통해 양이온성 단백질과 응집체(aggregate)를 형성하며, 금속 이온이 이 구조를 안정화시킨다는 사실을 밝혀냈다. 특히, 이 단백질은 유동성을 유지할 수 있도록 바닷물에 닿기 전까지는 응집체를 형성하지 않으며, 바닷물에 노출되면 응집체를 형성하며 강력한 접착구조를 형성하게 된다. 이는 접착 과정에서 상변화(phase transition)가 일어났기 때문이다. 또한, 연구팀은 ‘표면 힘 측정기(Surface forces apparatus)’를 사용해 주변 환경 변화에 따라 변하는 fp-4 음이온성 영역과 양이온성 족사 단백질 간 상호인력을 정량적으로 측정하는 데 성공했다. 그뿐 아니라 연구팀은 fp-4의 음이온성 영역이 바닷속 칼슘 이온과 결합하여 응집체를 형성하며, 칼슘 이온 농도에 따라 응집 정도가 달라지고, 바닷물에 존재하는 철과 바나듐 등 금속 이온이 접착 메커니즘에서 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 차형준 교수는 “이번 연구는 홍합 단백질 기반의 접착 메커니즘을 한층 발전시켜 기존보다 강력하고 효율적인 접착력을 제공할 수 있는 가능성을 열었다”라며, “이 연구 결과는 의료용 접착제나 다양한 산업 분야의 소재 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대된다”라고 전했다. 한편, POSTECH 연구팀의 이번 성과는 최근 고분자 화학 분야 세계 권위지인 ‘바이오매크로몰레큘즈(Biomacromolecules)’에 최근 게재됐으며, 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 기초연구사업(중견)인 ‘부착성 생물의 수중 접착 기작에의 이해: 음성 요소를 통한 상변화 연구’의 일환으로 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.4c01506

신소재/친환경소재 김용태 교수팀, 알루미늄, 수소 생산의 새로운 영웅이 되다

[POSTECH·서강대, 수전해 촉매 성능 향상 위한 알루미늄 활용법 개발] ‘부식되기 쉬운’ 물질로 여겨졌던 알루미늄(Al)이 이제 청정에너지 수소 생산의 핵심 기술로 자리 잡을 날이 다가왔다. 최근 POSTECH 연구팀이 이 불안정한 금속으로 수소 생산 촉매 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 이 연구는 POSTECH 신소재공학과·친환경소재대학원 김용태 교수, 신소재공학과 정상문 박사·통합과정 이병조 씨 연구팀, 서강대 백서인 교수팀이 수행했으며, 그 우수성을 인정받아 미국화학회(ACS) 발간 학술지인 ‘ACS Catalysis’ 표지논문(front cover)으로 게재됐다. 수소는 화석 연료를 대체할 청정에너지로 각광받고 있으며, 물을 이용해 수소를 대량 생산하는 ‘수전해’가 중요한 기술로 떠오르고 있다. 특히, 알칼리성 용액을 전해질로 사용하는 ‘알칼리 수전해’ 공정은 비용 효율적이고, 대규모 생산에 적합해 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 수전해 공정에서는 두 가지 중요한 반응을 촉진하는 촉매가 필요하다. ‘수소 발생 반응’은 수소 이온(H+)과 전자가 결합하여 수소 기체(H2)를 생성하고, ‘산소 발생 반응’은 수산화이온(OH-)이 전자를 잃고 산소 기체(O2)를 생성하는 과정이다. 그런데, 산소 발생 반응에 주로 사용하는 ‘니켈-철(Ni-Fe)’ 기반의 촉매는 활성과 내구성이 부족해 시스템 상용화에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 ‘알루미늄’을 활용해 문제를 해결했다. 일반적으로 알칼리성 환경에서는 알루미늄이 쉽게 부식된다고 알려져 있지만, 연구팀은 알루미늄이 전극의 표면에서 안정적인 구조를 형성하도록 설계함으로써 이를 극복했다. 그 결과, 알루미늄은 부식 없이 기존 촉매 전자 구조를 효율적으로 조절하며 산소 발생 반응을 촉진하는 역할을 했다. 알칼리 수전해용 셀에서 실험한 결과, 연구팀은 니켈-철-알루미늄(Ni-Fe-Al) 촉매가 기존 촉매 대비 약 50% 향상된 성능을 보이며, 낮은 전압에서도 높은 전류 밀도를 유지하는 것을 확인했다. 또한, 장시간 작동에도 뛰어난 안정성을 유지하는 등 연구팀의 촉매는 대규모 수소 생산 공정 적용 가능성을 입증했다. 연구를 이끈 김용태 교수는 “이번 연구는 기존 촉매 설계의 고정관념을 깨고, 알루미늄을 활용한 혁신적 접근법으로 수소 생산 시스템에 사용되는 촉매의 성능을 획기적으로 개선했다”라며, “이 연구가 수소 경제 시대를 실질적으로 앞당기고, 친환경 에너지 기술의 새로운 이정표가 되기를 기대한다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c04393?ref=PDF

신소재/IT융합 정성준 교수팀, 압력과 온도를 동시에! 로봇 감각 업그레이드

[POSTECH·UNIST, 정밀한 환경 변화 감지가 가능한 차세대 3차원 반도체 센서 개발] 신소재공학과·IT융합공학과 정성준 교수, IT융합공학과 조영민 박사(現 한국화학연구원) 연구팀이 UNIST(울산과학기술원) 고현협 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 압력과 온도를 동시에 감지하는 3차원 반도체 소자 기반의 다기능 센서 어레이를 개발했다. 이번 연구는 과학 분야의 국제 학술지 중 하나인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전자 피부가 실제 사람 피부처럼 정교한 감각 기능을 발휘하려면 압력과 온도를 동시에 독립적으로 측정할 수 있어야 한다. 기존의 반도체 기반 센서는 반도체 소자 특성상 온도변화에 따라 측정된 자극의 값이 달라지는 근본적인 문제가 있었다. 그로 인해 실온이 아닌 환경에서는 압력과 온도를 정확하게 구별해 측정하기 어려웠다. 이번 연구에서 POSTECH과 UNIST 연구팀은 두 개의 반도체 소자를 적층한 3차원 구조로 이를 해결했다. 아래층 소자는 온도의 변화에 따라 전기적 특성이 달라지는 원리를 활용해 온도를 감지하고, 위층에는 압력에 따라 저항이 달라지는 압력 감지 시트를 결합해 압력을 측정하도록 설계했다. 이 복합 구조는 온도와 압력을 동시에 감지할 뿐 아니라, 온도 데이터를 이용해 온도의 영향을 보정함으로써 주변 환경의 온도에 상관없이 정확한 압력 측정을 가능하게 했다. 연구팀은 이를 바탕으로 대면적 3차원 센서 어레이를 구현했으며, 2차원 공간에서 압력과 온도를 동시에, 그리고 정확하게 감지하는 데 성공했다. 특히, 온도변화에 따라 성능이 달라지는 반도체 센서의 근본적 한계를 극복하고, 다양한 온도에서도 가해진 압력을 정확하게 측정하는 뛰어난 성능을 입증했다. 이 기술은 산업적으로도 활용 가능성이 매우 높다. 센서를 로봇팔에 부착하여 물체를 들어 올리는 실험에서 연구팀은 3차원 다기능 센서가 정확히 측정한 물체 온도와 압력을 바탕으로, 일정한 힘을 가해 안정적으로 물건을 들어 올릴 수 있음을 확인했다. 정성준 교수는 “이번 3차원 반도체 기반 센서 연구를 통해 여러 지점에서의 온도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 기술을 증명하였다”라며, “이를 바탕으로 온도와 압력 감지 기능을 갖춘 인공 피부 또는 다양한 온도의 환경에서 정밀한 작업을 수행하는 로봇팔 등의 개발이 가능해질 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.ads4516

화공 김영기 교수팀, 이제는 용매도 스마트한 시대, ’머리카락 굵기 10만분의 1‘ 수준으로 반도체 나노입자 성장 정밀제어

[POSTECH, 액정 용매를 이용 균일한 고성능 페로브스카이트 나노입자 대량 합성 기술 개발] 김영기·노용영 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받는 페로브스카이트(perovskite)*1 나노입자를 더 균일하고 효율적으로 합성하는 획기적인 방법을 개발했다. 이번 연구는 기존 합성 방식의 복잡한 문제를 해결하고, 나노입자를 활용한 디스플레이와 태양전지와 같은 다양한 광전자 소자 상용화를 앞당길 중요한 돌파구가 될 것으로 기대된다. 이 연구는 화학공학과 김영기 교수, 노용영 교수, 통합과정 임준형 씨, 한명근 박사(現 삼성전자), 홍지수 박사(現 프린스턴대)가 참여했으며, 나노 기술 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다. 페로브스카이트 나노입자는 ‘양자구속효과(quantum confinement effect)‘*2를 통해 입자 크기와 모양에 따라 빛을 흡수하고 방출하는 특성을 자유자재로 제어할 수 있어 차세대 태양전지, 고효율 디스플레이 분야에서 잠재력이 크다. 하지만 기존 ‘고온주입법(hot-injection)*3’, ‘리간드매개재침전법(ligand-assisted reprecipitation)*4’과 같은 기존 합성법은 높은 합성 온도와 복잡한 실험 조건으로 인하여 균일한 크기와 모양의 입자를 얻는 데 한계가 있었다. 결국 원하는 특성의 입자를 얻으려면 추가 공정을 거쳐야 했으며, 이 과정에서 생산성이 낮아져 산업적 활용이 제한됐다. 연구팀은 ‘액정(liquid crystal)*5’ 용매를 이용해 페로브스카이트 입자의 크기와 모양을 정밀하게 제어하는 합성법을 개발했다. 액정은 용수철처럼 탄성을 가진 유체로, 외부 힘이 가해지면 원래 형태로 돌아가려는 특성이 있다. 연구팀은 이러한 특성에 착안해 기존 ‘리간드매개재침전법’에서 다른 합성 조건은 그대로 유지하고 용매만 액정으로 바꿔 입자 성장을 제어하는 데 성공했다. 입자는 액정 내에서 성장하다가 특성크기*6를 초과하면 액정 탄성력이 작용해 성장이 멈추게 된다. 이를 통해 별도의 정제 과정 없이도 균일한 크기와 형태의 페로브스카이트 나노입자를 대량으로 합성할 수 있음을 입증했다. 또한, 연구팀은 페로브스카이트 나노입자의 표면에 결합하는 리간드(ligand)*7와 액정 분자 사이 상호작용이 표면결함을 줄이는 데 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다. 액정 분자는 긴 막대 형태를 띠고 있어, 그 사이에 리간드가 촘촘하게 배열될 수 있다. 그 결과 나노입자가 형성될 때 표면에 리간드가 더 안정적으로 결합하며, 이는 표면의 결함을 최소화하고 발광 특성을 높이는 데 기여했다. 김영기 교수는 “이번에 연구팀이 개발한 합성법은 기존 합성기술(리간드 치환법, 미세유체 합성법 등)과 높은 호환성을 갖추고 있어 디스플레이, 태양전지, 레이저, 광 검출기 등 여러 광전자 소자 성능을 높일 것”이라고 설명했다. 또, “이 기술을 이용하면 상온에서 균일한 고성능 나노입자를 대량으로 생산할 수 있어 나노입자 기반 광전자 소자의 상용화를 앞당기는 데 도움이 되기를 바란다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 한우물파기 기초연구사업과 미래유망융합기술 파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13217 1. 페로브스카이트(perovskite): 유⋅무기 1가 양이온(A), 무기물 2가 양이온(B), 할로젠 음이온(X)으로 구성된 ABX3 화학구조를 갖는 모든 화합물을 일컫는다. 2 양자구속효과(quantum confinement effect): 나노입자가 exciton의 보어 반지름(Bohr radius)보다 작은 반지름을 가질 때 에너지 레벨이 양자화되어 밴드갭(band gap)이 커지는 현상을 의미한다. 3. 고온주입법(hot-injection): 나노입자를 구성할 수 있는 전구체 용액(precursor solution)들을 높은 온도에서 혼합하여 수많은 나노결정의 핵(seed)을 형성하여 나노입자를 합성하는 방법이다. 4. 리간드매개재침전법(ligand-assisted reprecipitation): 전구체에 대한 용해도가 낮은 비용매에 전구체와 리간드가 혼합된 용액을 넣어서 나노입자를 합성하는 방법이다. 5. 액정(liquid crystal): 액체(liquid)의 유동성과 고체(crystal)의 장거리 분자 정렬도 특성을 동시에 갖는 중간 상(intermediate phase)으로 분자의 장축과 단축 방향으로 물리적 특성이 상이한 이등방성(예. 복굴절, 탄성력, 유전율 이등방성 등) 물질이다. 6. 특성크기(extrapolation length, ξ): 액정의 탄성력(K)과 액정과 외부 입자 사이의 표면에너지(W)에 의해서 정의되는 길이(ξ=K/W)이다. 액정 내에 특성크기 보다 큰 크기의 외부 입자가 존재하면 액정의 탄성력이 발생한다. 7. 리간드(ligand): 착화합물의 중심원자에 결합해 있는 이온 또는 분자로 나노입자 간 응집을 방해하고 나노입자의 형태와 특성을 조절한다.

반도체/전자/반도체대학원 이지원 교수팀, “스마트 시대를 밝히는 눈” 더 빠르고 선명한 영상 시대 열린다

POSTECH·벨기에IMEC·서강대, 페로브스카이트 기반 광소자로 기존 센서 한계 극복 최근 반도체공학과·전자전기공학과·반도체대학원 이지원 교수팀이 벨기에 반도체 연구기관인 IMEC(아이맥), 서강대 김성진 교수 연구팀과 함께 차세대 이미징 기술을 선도할 3D 이미지 센서를 개발했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 게재됐다. 자율주행차, 로봇, AR·VR 기기 등이 원활하게 작동하려면 주변 환경과 사물을 정확하게 인식해야 한다. 이를 가능하게 하는 핵심 기술이 바로 ‘3D 이미지 센서’다. 그러나 기존 실리콘 기반 센서는 여러 개의 센서를 겹쳐 사용해야 해 비용과 시간이 많이 들며, 반응 속도와 해상도에서도 한계를 보여왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 ‘페로브스카이트(Perovskite)’라는 신소재를 활용했다. 이 소재는 빛을 효율적으로 흡수하고 전기를 빠르게 전달하는 특성이 있어 선명한 이미지를 빠르게 구현할 수 있다. 연구팀은 이를 빛을 흡수하는 얇은 필름 형태의 광소자로 활용해 ‘박막 포토다이오드(TFPD*1)’ 기술을 개발하고, 기존 실리콘 센서와 결합해 2D와 3D 이미지를 동시에 처리하는 혁신적인 센서를 구현했다. 특히, 연구팀은 ‘간접 비행시간 측정(i-ToF*2)’ 기술을 도입해 기존 센서보다 훨3 빠르고 정확하게 물체의 깊이 정보를 얻을 수 있도록 했다. 실험 결과, 이 센서는 센서가 빛을 전기 신호로 변환하는 효율을 나타내는 ‘외부 양자 효율(EQE*3)이 매우 높아 더 밝고 선명한 이미지와 영상을 제공하는 것으로 확인됐다. 이번 연구는 실생활에서도 큰 변화를 불러올 것으로 기대된다. 자율주행차는 보행자와 장애물을 더욱 정확하게 감지해 교통사고 위험을 낮출 수 있으며, 로봇은 정밀한 동작이 가능해져 가사와 의료, 산업 현장에서 활용도가 높아질 것이다. 또한, AR·VR 기기의 화질이 개선되어 사람들에게 더 생생하고 몰입감 있는 가상현실 경험을 제공할 것으로 기대된다. 이지원 교수는 “이번 연구는 실리콘 기반 CMOS 이미지 센서 기술과 페로브스카이트 광다이오드의 우수한 광전자 특성을 결합한 첫 사례로, 차세대 이미징 기술의 중요한 진전을 이뤘다”라며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 2023년도 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원 지원사업 ‘민관공동투자반도체고급인력양성사업’의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13136 1. TFPD: Thin-Film Photodiode 2. i-ToF(indirect time of flight) : 방사한 광 신호와 물체에 반사된 신호의 위상 변화(phase shift)를 측정하여 신호가 이동한 시간을 간접적으로 계산하는 거리 측정 기술. 3. EQE(External Quantum Efficiency): 포토다이오드에 조사된 광자의 개수에 대한 생성된 전자의 개수의 비율로 포토다이오드의 효율성을 나타내는 지표.