Research

화학/친환경소재 박수진 교수팀, 불타지 않는 배터리, 수계 리튬이온배터리의 한계를 넘다

[POSTECH·서울대, 전해질 설계 및 계면 최적화로 고전압과 장기 수명 동시 구현] 전기차는 친환경 모빌리티의 핵심 기술로 주목받지만, 리튬이온배터리의 화재 위험성은 여전히 큰 문제로 남아 있다. 그런데 POSTECH·서울대 공동 연구팀이 ‘물을 가두어’ 친환경적이면서 안전한 배터리의 내구성과 고전압 구동을 동시에 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 화학과·친환경소재대학원 박수진 교수, 화학과 통합과정 정인수 씨, 박사과정 김성호 씨 연구팀은 서울대 재료공학부 한정우 교수 연구팀, 통합과정 김영비 씨가 공동으로 진행했으며, 최근 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 리튬이온배터리는 스마트폰, 전기차 등 현대인의 일상에서 필수적인 기술이지만 현재 상용화된 배터리는 가연성 유기 전해질을 사용해 화재 위험성이 크다. 이를 해결하기 위해 ‘물‘을 기반으로 한 리튬이온배터리가 대안으로 연구되고 있는데, 물의 화학적 특성으로 인해 실용화에 제약이 있었다. 특히, 물이 전기화학적으로 안정하게 존재할 수 있는 전압 범위인 전위창(ESW*1)이 좁아 배터리의 성능이 제한되며, 물 분자의 높은 반응성 때문에 배터리 수명이 짧아지는 문제가 있었다. 연구팀의 핵심 전략은 물의 반응성을 억제하는 ’용매화(solvation)’ 설계다. 이번 연구에서 사용한 아세트아미드(Acetamide)는 유기 화합물 일종으로, 높은 극성과 수소 결합을 형성할 수 있다. 연구팀은 이 아세트아미드를 활용하여 삼원계 공융 전해질(세 가지 성분이 녹아 하나의 균일한 액체를 유지하는 혼합물)을 만들었다. 그리고, 이를 통해 물 분자를 리튬 이온의 1차 용매화층 안에 가두어 자유로운 물 분자(free water)의 양을 줄이고, 물 분자 간 수소 결합 네트워크를 깨뜨리는 방식으로 배터리의 전위창을 1.23V(볼트)에서 3.1V 이상으로 확장했다. 여기에 추가로 연구팀은 배터리의 작동 전압의 범위를 더욱 넓혀 수소 발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER)을 유도하여 리튬 플루오라이드(LiF) 기반 고체 전해질 계면(Solid electrolyte interphase, 이하 SEI)을 형성했다. 이 계면은 전자의 터널링 효과(tunneling effect*2)를 감소시켜 전자의 이동을 막아 물 분해를 효과적으로 억제해 장기적인 배터리 성능을 크게 향상시켰다. 그 결과, 이번 연구에서 연구팀이 개발한 전해질과 SEI 최적화 기술을 적용한 LMO/LTO(Lithium Manganese Oxide/Lithium Titanium Oxide) 셀에서 방전 용량이 152mAh/g(밀리암페어아워 퍼 그램)를 기록했으며, 충·방전을 1,000회 반복한 후에도 76%의 용량을 유지하는 등 뛰어난 장기 안정성을 보였다. 특히, 기존의 배터리와 달리 별도의 코팅 물질이나 첨가제 없이도 계면 안정성을 극대화해 상용화 가능성이 높다는 점이 주목할 만하다. 연구를 주도한 박수진 교수는 “이번 연구는 친환경적이고 안전한 리튬이온배터리 기술을 앞당기는 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”라며, 불에 타지 않는 안전한 전해질을 적용한 수계 리튬이온배터리는 전기차, 에너지 저장 시스템 등 높은 안정성이 요구되는 분야에서 큰 역할을 할 수 있을 것“이라고 강조했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202412652 1. ESW(Electrochemical stabiltiy window): 물질이 전기화학적으로 안정하게 존재할 수 있는 전압 범위를 말한다. 2. 전자의 터널링 효과(Electron tunneling effect): 전자는 양자화되어 있기 때문에 물리적인 장벽을 넘을 수 없는 에너지를 가졌을 때도 확률적으로 그 밖으로 뚫고 나갈 수 있는 현상을 말한다.

신소재/IT융합 정성준 교수팀, 진공 속 한 방울의 과학, 디스플레이의 미래를 그리다

[POSTECH · 삼성디스플레이, 진공도에 따른 고분자 액적 건조 거동 메커니즘 규명] 신소재공학과 정성준 교수, 김성주 박사 연구팀은 삼성디스플레이 강동진 박사와의 공동 연구를 통해 진공에서의 고분자 액적(방울) 증발 메커니즘 규명에 성공했다. 이 연구는 차세대 고품질 디스플레이 생산을 위한 발판을 마련했다는 평가를 받으며 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 스마트폰, 컴퓨터, 태블릿 등 전자기기 핵심 부품인 디스플레이 산업 경쟁이 날로 치열해지고 있다. 최근에는 고분자를 용액 상태로 만든 다음 건조시켜 박막 형태의 디스플레이를 생산하는 ‘고분자 용액 공정’이 비용 절감과 대형화에 유리해 주목을 받고 있다. 공기 중의 불순물을 최소하하고, 고품질의 얇은 디스플레이를 빠르게 생산하려면 진공 상태에서 이 공정을 진행해야 하는데, 이에 대한 학문적 연구는 전무한 상황이다. POSTECH 연구팀은 고속 카메라 촬영 기술을 이용해 진공 정도가 액적 건조에 미치는 영향을 분석했다. 그 결과, 일반적인 대기압 조건에서는 보지 못한 새로운 액적 증발 패턴이 나타났다. 액적은 ‘일정한 접촉 반경(Constant Contact Radius, CCR)’을 유지하며 건조되는 단계, 둥근 모양을 유지한 채 점점 크기가 줄어드는 ‘일정한 접촉각(Constant Contact Angle, CCA)’, 도토리처럼 윗부분이 뾰족해지며 크기가 작아지는 ‘증가하는 접촉각(Constant Contact Angle, ICA), 테이프가 붙었다가 떨어지듯 액적의 테두리가 이동하는 ‘스틱 앤 슬립(Stick & Slip)’ 모드 등 네 가지 뚜렷한 건조 단계를 보였다. 이를 바탕으로 연구팀은 방울 주변의 압력 변화가 액적 내부 분자 확산과 표면 장력에 영향을 미쳐 박막 균일성까지 결정짓는다는 사실을 밝혀냈다. 또한, 가장 균일한 박막을 생산하기 위한 최적의 진공 조건을 찾아내어 매우 빠른 속도로 정밀하게 박막을 제어하는 데 성공했다. 이는 진공 정도를 조절해 디스플레이의 생산시간을 획기적으로 단축시키고, 품질은 높일 수 있음을 확인한 것이다. 이번 연구를 이끈 정성준 교수는 “잉크젯 프린팅 같은 용액 공정의 산업 활용 가능성을 확장하는 중요한 진전“이라며 ”진공 상태에서의 액적 증발 메커니즘을 이해함으로써 디스플레이 제조 공정 효율성을 높이고 품질을 개선할 수 있기를 바란다“는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부 디스플레이 혁신 공정 플랫폼 구축 기술 개발사업, 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202408790

화학/융합 김원종 교수팀, 트로이 목마, 암세포 안에 항체 공장 짓다

[POSTECH, 종양 내에서 항체 생산하고 폭발적으로 방출하는 항암 치료법 개발] ‘트로이의 목마’는 적진 한가운데로 은밀하게 침투해 내부에서 적을 무너뜨리는 전략으로 유명하다. POSTECH 연구팀이 이와 같은 전략을 활용해 종양 내에 ‘항체 공장’을 짓고, 이를 통해 암을 치료하는 혁신적인 방법을 찾았다. ‘면역관문(Immune Checkpoints)’은 T세포(면역세포)가 정상적인 세포와 암세포를 구별할 수 있도록 돕는 단백질이다. 하지만 암세포가 이를 악용해 T세포의 공격을 회피하기도 한다. 따라서 암세포의 방어 메커니즘을 차단하고, T세포가 암세포를 효과적으로 공격하도록 유도해야 하는데, 이것이 바로 ‘면역관문 억제 치료’다. 이 치료법은 최근 흑색종과 폐암 등 다양한 암에서 효과를 보였지만 일부 암에서는 T세포가 종양에 침투하지 못하거나 종양 주변의 환경이 면역세포를 억제해 치료 효과가 제한되는 문제가 있었다. 화학과·융합대학원 김원종 교수 연구팀은 이와 같은 한계를 극복하기 위해 종양 내부에서 항체를 직접 생산하고 방출하는 ‘CAPRN(Controlled Antibody Production and Releasing Nanoparticle)‘이라는 나노입자 플랫폼을 개발했다. CAPRN은 종양이 위치한 약산성 환경에서 활성화되도록 설계된 나노입자다. 이 입자는 종양 세포에 항체를 생성할 수 있는 유전자를 전달해 종양 세포가 스스로 항체를 생산하게 만든다. 즉, 종양 자체를 면역 반응을 촉진하는 ’항체 공장‘으로 탈바꿈시켜 암세포와의 싸움을 종양 내부에서 시작하게 하는 것이다. 여기에 더해 CAPRN 안에는 광감응제가 포함되어 있어 특정 파장 빛에 반응해 활성산소를 생성하며 종양 세포를 사멸시킨다. 이 과정에서 종양 세포의 내부에 축적된 항체가 방출되고, 이 항체는 주변의 T세포를 자극해 면역 반응을 더욱 강화한다. ’항체 생산과 방출‘, ’활성산소를 통한 종양 제거‘라는 이중 메커니즘을 통해 면역 반응을 폭발적으로 증폭시키며 치료 효과를 극대화하는 것이다. 동물 실험 결과, CAPRN은 흑색종 모델에서 원발성 종양뿐 아니라 양측성 종양 모델에서도 강한 종양 억제 효과를 보였다. 특히, 종양의 자체적인 항체 생산과 방출이 효과적으로 이루어짐에 따라 기존의 외부 항체 주입 방식보다 훨씬 높은 항암 효과를 나타내며, 암 치료의 새로운 패러다임을 제시할 가능성을 입증했다. 이번 연구를 이끈 김원종 교수는 “정상세포보다 활성이 높은 종양세포내에서 항체를 고효율로 선택적으로 생산하고 방출한다는 방식은 매우 혁신적”이라며, “유전자와 항체 치료를 융합한 연구팀의 CAPRN이 암 치료 패러다임에 획기적인 변화를 가져올 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 세계적인 재료 과학 저널인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업, 미래유망융합기술 파이오니어사업, 선도연구센터사업, 산업통상자원부의 ITECH R&D사업, 교육부 글로컬대학30의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202417735

화학 박문정 교수, ‘배관공의 악몽’, 스마트폰 사용자에게는 꿈의 기술!

[POSTECH 박문정 교수팀, ‘Science’ 게재 연구로 리튬 배터리 성능 높일 고체 전해질 개발] 스마트폰 배터리를 더 오래, 더욱 안전하게 사용할 수 있다면 얼마나 편리할까? POSTECH 박문정 교수 연구팀이 이러한 미래를 실현할 혁신적인 연구 성과를 발표해 학계와 사회의 주목을 받고 있다. 특히, 이번 연구는 지난해 ‘Science(사이언스)’에 연구팀이 보고한 ‘배관공의 악몽(plumber’s nightmare)’ 구조로 리튬 이온 배터리 성능을 극대화할 방법을 제시한 연구라 더욱 의미가 깊다. 리튬 이온 배터리는 스마트폰을 비롯한 다양한 현대 기술에서 사용되고 있다. 전해질은 배터리의 핵심 부품 중 하나지만 액체 상태의 기존 전해질은 누액이나 폭발의 위험성이 있다. 고체 전해질이 그 대안으로 떠오르고 있으나 전해질의 ‘기계적 강도’와 ‘이온 전도도’ 간 균형을 맞추는 데 한계가 있었다. 화학과 박문정 교수, 김지훈 박사, 박사과정 이호준 씨 연구팀은 이온 전도도를 높이기 위해 수 몰(M)농도 이상의 리튬염을 사용하던 기존의 전해질 제작 방식과 달리 리튬염을 10분의 1 이하 수준으로 극소량만 추가해 배터리의 이온 전도도와 기계적 물성을 동시에 크게 향상하는 혁신적인 방법을 제시했다. 이러한 접근의 핵심은 PS-b-PEO*1 블록 공중합체*2에 아주 적은 양의 리튬염을 추가해 PEO 사슬 말단 하이드록시 그룹(-OH)에 선택적으로 위치하게 한 것으로 연구팀은 이를 통해 기존 고분자 전해질 시스템에서는 관찰된 적 없었던 정교한 ‘배관공의 악몽’ 구조를 형성하는 데 성공했다. ‘배관공의 악몽’ 구조는 마치 배관의 출구들이 내부로 모여 있는 것처럼 고분자 사슬 모든 말단이 안쪽으로 얽혀 있는 형태를 말한다. 이 구조는 고분자 사슬이 형성한 여섯 개 채널이 서로 모두 연결되어 있으며, 리튬 이온이 고분자의 채널 중심부에 있는 하이드록시 그룹에 국부적으로 존재하게 되면서 안정적인 이온 통로를 제공한다. 그 결과, 전해질의 단단하고 견고한 구조를 유지하면서 이온이 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 환경을 만들어냈다. 실험 결과, ‘배관공의 악몽’ 구조로 인해 이온의 이동 경로와 고분자 배열 구조 사이의 상호작용이 극대화되어 기존 층상 구조보다 이온 전도 효율이 60배 이상 향상됐다. 리튬 이온이 독립적인 경로를 따라 이동하게 됨으로써 고분자 사슬의 느린 움직임에 영향을 받지 않기 때문이다. 또, 그로 인해 이온이 이동하기 위해 넘어야 하는 ‘에너지 장벽’이 열 배 이상 감소해 기존 무기물 전해질의 에너지 장벽 수준과 유사해졌다. 기계적 강도와 이온 전도도 간 상충 문제를 해결하면서 저온에서도 안정적인 이온 전도성을 유지할 수 있게 된 것이다. 박문정 교수는 “블록 공중합체를 활용해 리튬 이온을 고분자 말단 특정 위치로 집중시키는 방식으로 고효율 이온 전도 메커니즘을 정립했다”라며, “이번 연구가 차세대 전고체 배터리 개발에 전환점이 되기를 바란다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 중견연구사업과 SRC 집단연구지원 사업, 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13442 1. PS-b-PEO(Polystyrene-b-poly(ethylene oxide)) 이온 비친화성 블록인 폴리스타이렌(PS)과 이온 치환성 블록인 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 고분자 사슬이 공중합된 형태의 고분자다. 2. 블록 공중합체 서로 다른 두 종류 이상의 단위체가 화학적으로 결합되어 구성된 고분자 물질이다.

환경 이형주 교수팀, 기후 변화가 키운 보이지 않는 적, 오존의 역습

[POSTECH, 기후 변화에 따른 기상 조건의 변화가 오존 농도 추세에 미친 영향 규명] 최근 환경공학부 이형주 교수, 통합과정 신민영 씨 연구팀이 오존 농도와 초과 일수에 기상 조건 변화가 미치는 영향을 분석하여 기후 변화가 오존 대기오염에 미치는 영향을 명확히 밝혀냈다. 이 연구는 환경 및 화학 분야 국제 학술지인 ‘케모스피어(Chemosphere)’에 게재됐다. 오존(O₃)은 대기 중에서 눈에 보이지 않는 가스이지만, 호흡기와 심혈관 건강을 위협하는 대표적인 오염물질이다. 주로 차량 배기가스와 공장에서 배출된 오염물질이 햇빛과 반응해 생성되며 국내 오존 농도는 수십 년 꾸준히 증가해왔다. 하지만 단순히 배출량 증가만으로는 이 현상을 설명할 수 없다. 오존 농도는 기온, 습도, 바람 속도 등 기상 조건의 영향을 크게 받기 때문이다. POSTECH 연구팀은 ‘기상 조건 변화가 오존 농도에 미치는 영향’을 분석하기 위한 실험을 설계했다. 2001년부터 2019년까지 서울 25개 구에서 수집된 20여 년간의 데이터를 분석한 결과 기온 상승 등 기상 조건의 변화로 인해 평균적인 오존 농도가 1.6ppb(ppb, 10억분의 1) 증가한 것으로 나타났다. 또한, 기상 조건 변화는 오존 초과 일수의 발생 패턴에도 변화를 불러왔다. 초과 일수의 첫 발생일은 평균적으로 매년 2.7일 빨라졌다. 마지막 발생일은 2.3일 늦어지면서 초과 일수 발생 기간이 89일 늘어났으며, 초과 일수의 발생 확률은 3.8년 더 빨리 증가했다. 일반적으로 오존의 농도는 무더운 여름철에 주로 문제가 된다고 알려져 있으나, 연구에 따르면 봄과 가을에도 오존 농도가 크게 증가할 수 있으며 이는 일상적인 건강 관리에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이형주 교수는 “지금까지 오존 대기오염은 여름철 문제로 인식됐으나 봄과 가을에도 오존 대기오염의 위험이 존재하며, 기후 변화로 대기질 관리가 더 어려워질 것”이라며 “오존 농도 증가를 가속하는 기후 변화에 대응하기 위해 선제적인 대기질 관리 대책이 필요하다”라고 강조했다. 한편, 이 연구는 환경부 재원으로 국립환경과학원의 지원과 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143687

기계 임근배 교수팀, 물속 붕소 제거, 스펀지 하나면 충분해

[ POSTECH, 국소적 pH조절 기술을 활용한 친환경 재생형 붕소 제거 흡착제 개발] 기계공학과 임근배 교수, 박사과정 최운재 씨, 이민수 박사 연구팀은 나노채널 기반의 국소 pH 조절 기술을 이용해 혁신적인 붕소 제거 시스템을 개발했다. 이번 연구는 환경과학 · 공학 분야 국제 학술지인 ‘유해물질 저널(Journal of Hazardous Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 붕소는 농업과 산업, 반도체 제조 등 여러 분야에서 필수적인 원소로 사용된다. 그러나 과도한 붕소가 물에 포함될 경우 인체와 환경에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 세계보건기구(WHO)는 음용수 내 붕소 허용치를 2.4mg/L로 규정했으며, 한국과 미국, 일본 등 주요 국가들은 이를 1.0mg/L 이하로 더욱 강화했다. 특히 물속 붕소는 대부분 전기적으로 중성인 ‘붕산(Boric acid)’ 형태로 존재해 전기적 인력을 이용하는 기존의 흡착제를 사용하는 데 어려움이 있었고, 해수의 담수화에 널리 사용되고 있는 ‘역삼투 처리’ 기술로도 붕소를 완전히 제거하는 데 한계가 있었다. 연구팀이 개발한 ‘멀티스케일 다공성 스펀지(MP-AES)’는 나노미터 규모의 채널을 통해 붕소를 효과적으로 제거할 수 있다. 이 스펀지는 특수 흡착 소재가 코팅되어 있어 채널 내부에서 산도(pH)를 국소적으로 조절해 물속의 중성 붕산을 음전하를 띤 붕산염으로 바꾸고 이를 효과적으로 흡착한다. 또한, 이 마이크로미터 크기의 기공을 가진 친수성 스펀지는 물이 빠르게 확산할 수 있도록 설계되어 별도의 장비 없이도 물에 담그기만 하면 빠르게 붕소를 흡착해 제거한다. 특히, NMDG*1를 흡착물질로 사용한 기존 방식은 붕소 제거 성능이 우수하지만 재생 과정에서 많은 화학약품이 필요하고, 흡착된 붕소를 떼어내는 데 어려움이 많았다. 이에 비해 POSTECH 연구팀의 스펀지 시스템은 ‘포스트잇’처럼 간단히 붙이고 떼어내어 다시 사용할 수 있으며, 재생과정에서도 소량의 염기성 용액만 필요해 화학약품 사용량도 크게 줄였다. 임근배 교수는 “이번 연구를 통해 재사용이 쉽고, 운영비용도 낮출 수 있는 흡착 시스템을 구현했다”라며, “음용수 정제는 물론 농업용수 관리와 반도체 공정 초순수 생산 등 분야에서 실질적 도움을 줄 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136784 1. NMDG N-methyl-D-glucamine

화공 전상민 교수팀, 자연의 숨결을 모아 바닷물을 식수로!

[전상민 교수팀, 친환경 회전형 3D 태양열 증발기로 더 깨끗한 물을 더 쉽게] 지구의 70%가 물로 덮여 있지만 정작 마실 수 있는 물은 극히 일부에 불과하다. 바닷물은 짜고, 지하수는 한정적이며, 바닷물을 식수로 바꾸는 담수화 시설은 큰 에너지가 필요하기 때문이다. 그런데, POSTECH 연구팀이 ‘햇빛’과 ‘바람’으로 바닷물을 식수로 바꾸는 혁신적 기술을 발표해 화제를 모으고 있다. 전 세계적으로 물 부족 문제가 심각해지고 있으며, 기후 변화로 인하여 그 위기는 더욱 가속화되고 있다. 이를 해결하기 위해 바닷물을 식수로 바꾸는 ‘해수담수화’ 기술이 개발되고 있다. 최근 주목 받고 있는 태양열을 활용한 해수담수화 기술은 친환경에너지를 활용해 역삼투압 기반 기존 기술의 경제적인 대안이 될 수 있다. 하지만 이 방식은 수증기가 증발기 표면에 쌓여 태양광 흡수를 방해하고 증발을 억제하는 문제가 있었다. 이번 연구에서 화학공학과 전상민 교수, 최지훈 박사 연구팀은 ‘태양열’과 ‘바람’을 활용해 바닷물로 깨끗한 물을 만들 수 있는 ‘회전형 3D 태양열 증발기(rotating 3D Solar Steam Generator, rSSG)’를 개발했다. 이 증발기는 광열소재인 폴리피롤(polypyrrole)을 원통형 멜라민 폼(melamine foam) 위에 직접 중합(in-situ polymerization)하는 방식으로 제작됐으며, 증발기 자체 회전을 통해 주변 공기의 흐름을 유도해, 태양열 외에 추가적으로 자연에너지를 흡수하고 수증기의 축적을 방지하여 증발을 촉진하는 역할을 한다. 실험 결과, 이 시스템은 회전하지 않는 기존 고정형 3D 시스템에 비해 증발 속도가 17% 증가했으며, 담수 생산량이 76% 증가했다. 특히, 회전을 유지하는 데 필요한 에너지는 담수 생산 증가에 필요한 에너지의 21%에 불과했다. 적은 에너지로도 훨씬 더 많은 깨끗한 물을 얻을 수 있게 된 것이다. 전상민 교수는 “‘회전형 3D 태양열 증발기’는 에너지를 최소한으로 사용하면서도 효과적으로 바닷물을 담수로 전환함으로써 탄소중립 달성에 기여할 수 있는 친환경 기술”이라며, “WHO(세계보건기구) 기준을 충족하는 식수를 생산할 뿐 아니라 해수담수화 과정에서 발생하는 농축수 제거와 바닷물 속 유용한 미네랄 회수에도 응용될 가능성이 크다”라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 지역혁신 선도연구센터 과제 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159372

화공/융합 이정욱 교수팀, “유전자에도 비밀번호가?“ 네 글자 DNA 단어로 생물자원 지킨다

[POSTECH, 유전자 정보 유출 막고, 개량 생물체 확산 통제하는 혁신 기술 개발] 유전자 데이터를 보호하고 생물학적 자원의 유출을 막는 일은 현대 생명공학에서 중요한 과제다. 개량된 농작물의 유전자 변형이 예상치 못한 방식으로 생태계에 영향을 미치거나, 특정 유전 정보가 악용되어 생물학적 위협이 발생할 가능성이 있기 때문이다. 이에 따라 생명과학 연구에서는 단순한 기술 개발을 넘어, 유전자 정보 보안과 생물학적 안전성을 확보하는 것이 필수가 되고 있다. 화학공학과·융합대학원 이정욱 교수, 최윤남 박사, 김동현 박사 연구팀은 생명공학 데이터를 보다 안전하게 보호할 수 있는 ‘QCODE(Quadruplet COdon DEcoding) 기술을 개발하고, 이를 바이오 분야 국제 학술지인 ‘핵산연구(Nucleic Acids Research)’ 온라인판에 최근 보고했다. 유전자 정보는 DNA와 RNA의 염기 서열로 저장된다. 이들은 A, T, G, C라는 네 염기성 글자를 갖고 있는데, 이 글자들이 세 개씩 짝을 이루어 ‘코돈(codon)’을 만들고, 이러한 코돈들이 모여 단백질을 만든다. 코돈은 단백질이라는 ‘문장’을 구성하고, 생명체의 유전 정보를 담은 일종의 ‘암호 단어’인 셈이다. 연구팀의 QCODE 기술은 이보다 한 단계 더 나아가, 세 글자 코돈이 아닌 네 글자로 이루어진 ‘사중 코돈(quadruplet codon, Q-codon)’을 도입하는 방식이다. 이는 기존의 유전자 해독 체계에서는 볼 수 없는 새로운 방식으로, 자연계에서 존재하지 않는 독자적인 언어 체계를 만들어 낸 것이다. 이 기술의 핵심은 네 글자로 이루어진 코돈을 활용해, 특정 환경에서만 유전자와 단백질이 정상적으로 작동하도록 제한하는 것이다. 다시 말해, 조건을 만족하지 않으면 단백질이 정상 발현되지 않고, 개량된 생물체가 생존할 수도 없다. 특히, 허가받지 못한 사용자가 유전자 서열을 알고 이를 해독하려 해도 잘못된 정보가 나타나도록 설계해 유전자 데이터의 보안성도 높였다. QCODE 기술은 기존의 생물학적 격리(biological containment) 기술보다 한층 발전된 형태로, 유전적 개량을 최소화하면서도 효과적으로 유전자와 개량 생물체의 안전성을 확보할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 연구진은 이 기술이 환경적으로 안전한 유전자 조작 생물체 개발뿐만 아니라, 연구 및 산업용 생물 자원 보호, 유전자 데이터의 무단 접근 방지 등 다양한 분야에서 활용될 것이라 기대하고 있다. 예를 들어, 농업에서는 개량된 작물의 유전자 정보가 의도치 않게 유출되는 것을 방지할 수 있으며, 제약 및 바이오 연구에서도 특정 환경에서만 활성화되는 유전자 조작 미생물을 개발하는 데 활용될 수 있다. 또한, 생물학적 보안이 중요한 국가 기관이나 기업에서도 유전자 데이터 보호를 위한 강력한 도구로 쓰일 수 있다. 이정욱 교수는 “QCODE 기술은 개량된 생물체와 그 유전적 특성, 유전 물질 및 서열 정보까지 다층적으로 보호할 수 있는 최초의 기술”이라며 “기존 생물학적 격리 기술보다 간단한 유전적 개량만으로도 적용할 수 있어 다양한 생명체 및 환경에서 폭넓게 활용될 것”이라고 밝혔다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단의 바이오·의료기술개발사업, 합성생물학핵심기술개발사업, 및 C1 가스리파이너리 밸류업 기술개발사업 등의 지원을 받아 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkae1292

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, 빛의 노이즈 잡고 평면 광학의 한계를 넘다

[POSTECH 노준석 교수팀, 극자외선부터 마이크로파까지 전 파장에 적용가능한 다차원 샘플링 이론 발표] 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김석우 씨, 김주훈 씨, 김경태 씨, 정민수 씨 연구팀이 평면 광학 기술의 한계를 극복할 새로운 설계 방법을 발표했다. 이 연구는 기존 메타표면 기술에서 사용되던 샘플링 이론의 한계를 규명하고, 성능을 크게 향상시킬 수 있는 다차원 샘플링 이론을 제시했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 평면 광학 기술은 얇은 평면에 나노/마이크로 수준의 구조체를 패터닝하여 빛을 자유롭게 제어할 수 있는 기술이다. 기존의 광학 기술은 부피가 크고 무거운 렌즈나 거울을 사용하여 빛의 경로를 조정하기 때문에 스마트폰 카메라의 돌출 (‘카툭튀’ 현상)이나 AR/VR 기기의 소형화에 제약이 있었다. 그러나 평면 광학 기술을 활용하면 수백 나노미터 두께로도 빛을 제어할 수 있어 초소형 기능성 광학 디바이스 구현이 가능하다. 평면 광학 기술을 활용한 가장 혁신적인 소자인 메타표면은 수억 개의 나노 구조체 배열을 통해 빛의 위상 분포를 샘플링함으로써 렌즈부터 홀로그램까지 다양한 기능을 수행할 수 있다. 여기서 샘플링이란 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정이다. 예시로 인간의 뇌는 샘플링을 통해 시각정보를 처리한다. 예를 들어 동영상을 시청할 때, 인간의 뇌는 빠르게 여러 장의 장면들을 인식, 즉, 이미지 샘플링을 통해 시각적인 정보를 인식한다. 샘플링은 범용적으로 쓰이는 기술이지만 문제점을 가지고 있다. 만약 너무 느리게 샘플링이 이루어지면 왜곡 현상이 발생할 수 있다. 대표적인 예로 ‘Wagon-wheel 효과’는 영화나 동영상에서 수레바퀴가 실제로는 앞으로 회전하고 있지만, 샘플링 속도 (프레임 속도)가 회전 속도를 충분히 따라가지 못하면 느리게 회전하거나 멈춰 있는 것처럼 보이는 현상이다. 이 에일리어싱(aliasing)*1 이라고 불리우는 신호 왜곡 현상은 메타표면 설계에서도 발생하며, 메타표면의 효율과 정밀도를 저하시키는 심각한 원인이 된다. 기존의 많은 평면광학 연구자들은 ‘나이퀴스트 샘플링 이론*2(Nyquist Sampling Theorem)’을 통해 에일리어싱의 발생을 계산하고 방지해왔다. 하지만, 이번에 연구팀은 나이퀴스트 이론이 평면광학에는 적합하지 않다는 점을 새롭게 발견했다. 기존 나이퀴스트 이론은 샘플링 주파수에 따라 구현 가능한 주파수 한계를 정의하지만, 메타표면에서 발생하는 빛의 왜곡 현상을 정확히 예측하거나 이를 방지하기 위한 조건을 계산하는데 한계가 있었음이 밝혀졌다. 이러한 한계는 메타표면의 복잡한 구조와 빛의 특수성을 고려해야 하는 설계에서 더욱 두드러지게 나타난다. 이에 대해 연구팀은 메타표면의 2차원 구조 형태와 빛이라는 파동의 특수성을 반영한 새로운 샘플링 이론을 개발했다. 연구팀은 이 이론을 통해 메타표면의 격자 구조와 스펙트럼 형상의 기하학적 관계가 메타표면의 광학 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명했다. 더 나아가 2차원 격자를 회전시키거나 회절 소자를 결합하는 방식을 통해 노이즈를 줄이고 빛의 제어 성능을 극대화하는 ‘안티-에일리어싱(Anti-aliasing)*3’ 기술을 제안했다. 연구팀은 이 기술들을 활용해 가시광선부터 자외선 영역까지의 광범위한 파장에 대해 메타표면에서 발생하는 노이즈를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 자외선 대역에서 작동하는 고 개구수*4 메타렌즈와 광시야각 메타홀로그램을 성공적으로 구현했다. 이번 연구는 기존 이론의 한계를 극복하여 메타표면 평가 및 설계 방식에 새로운 지침을 제시하였고, 자외선 대역과 고 개구수 영역에 필요한 높은 해상도의 공정 조건을 획기적으로 완화했다는 것에 의미가 있다. 노준석 교수는 “이번 연구는 높은 샘플링 조건을 요구하는 고 개구수 메타렌즈, 광시야각 메타홀로그램을 포함한 다양한 평면광학 기술의 성능 향상뿐만 아니라, 마이크로파(Microwave) 대역에서부터 극자외선(Extreme Ultraviolet, EUV) 대역에 이르는 광범위한 파장 대역에 적용가능한 범용적 설계 지침을 제시함으로써 메타표면 기술의 새로운 가능성을 열었다”라며, “특히 파장이 짧은 자외선 대역에서의 평면광학 기술은 매우 정밀한 공정을 요구하기 때문에 많이 연구되지 않았으나, 이번에 밝혀진 이론을 이용하면 공정 조건을 매우 완화 할 수 있어 자외선 평면광학 분야의 새로운 지평을 열게 되었다.” 라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코, 삼성전자, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55095-z 1. 에일리어싱(Aliasing) 신호를 샘플링할 때 샘플링 주파수가 신호의 주파수보다 낮아 신호 복원시, 왜곡된 신호가 발생하는 현상이다. 2. 나이퀴스트 샘플링 이론(Nyquist sampling theorem) 신호를 정확히 복원하려면 샘플링 주파수가 신호의 최대 주파수의 두 배 이상이어야 한다는 원칙을 담은 이론이다. 3. 안티-에일리어싱 (Anti-aliasing) 에일리어싱을 제거하는 기술 4. 개구수(Numerical Aperture) 렌즈의 광수집 능력을 나타내는 값으로, 렌즈의 수용각 및 굴절각 또는 회절각에 의해서 결정된다.

기계/생명/IT융합/융합 장진아 교수팀, 스스로 조립하는 뇌혈관, 알츠하이머 고칠까

[POSTECH·서울대병원, 3D 바이오프린팅 기술로 신경염증 질환 연구 새 플랫폼 개발] 기계공학과·생명공학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수팀, 서울대병원 신경외과학교실 백선하 교수 연구팀이 ‘인간 뇌혈관 장벽(이하 Blood-Brain Barrier, 이하 BBB)’을 정교하게 모사한 3D 모델을 실험실에서 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘바이오머티리얼즈 리서치(Biomaterials Research)’에 최근 게재됐다. ‘신경퇴행성 질환’은 노화로 인하여 뇌와 신경계의 기능이 점차 약화되는 질환으로, 알츠하이머, 파킨슨병, 근위축성 측삭경화증 등이 대표적이다. 이 질환들의 주요 원인 중 하나로 꼽히는 ‘만성 신경염증’은 뇌혈관과 신경세포 사이의 복잡한 상호작용에서 비롯되며, 이를 조절하는 BBB가 핵심 역할을 한다. 하지만 기존 연구용 BBB 모델은 뇌혈관의 복잡한 3D 구조를 구현하지 못해 연구와 신약 개발에 한계를 보여왔다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 돼지의 뇌와 혈관에서 유래한 ‘탈세포화 세포외기질(이하 CBVdECM*1)’을 활용해 뇌혈관에 특화된 바이오잉크를 개발했다. 그리고, 3D 바이오프린팅 기술을 적용하여 사람 BBB의 해부학적 구조과 기능을 정밀하게 재현한 관형 혈관 모델을 구현했다. 이 모델의 가장 큰 특징은 외부의 자극 없이도 세포들이 스스로 이중층 구조를 형성한다는 점이다. CBVdECM 바이오잉크에 ‘뇌 미세혈관 내피세포’와 ‘뇌혈관 주위세포’를 혼합하여 프린팅한 결과 내피세포는 혈관 내벽을, 주위세포는 이를 둘러싸는 층을 형성하며 실제 혈관과 유사한 이중층 구조를 완성했다. 연구팀은 또한 기존의 2D 모델에서 관찰되지 않던 ‘밀착연결 단백질’의 배열과 조직화 과정을 명확히 재현했을 뿐 아니라 염증을 유발하는 물질(TNF-α, IL-1β)을 처리한 후, BBB의 투과성과 염증성 반응 변화를 관찰하는 데도 성공했다. 이를 통해 신경염증의 병리학적 기전을 효과적으로 모사했으며, BBB 손상과 염증이 신경퇴행성 질환에서 어떤 역할을 하는지에 대한 새로운 통찰을 제공했다. 장진아 교수는 ”향후 아교세포, 뉴런, 면역세포와 같은 세포를 추가해 더 정밀한 염증 반증과 투과성 정량화 기술을 개발, 환자 맞춤형 질환 모델을 확장할 예정“이라고 밝혔다. 서울대병원 백선하 교수는 ”이번 연구는 신경염증의 병리학적 기전을 탐구하고 새로운 치료 전략을 수립할 수 있는 중요한 플랫폼을 개발한 것“이라며 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 산업기술알키미스트 사업과 한국연구재단 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://spj.science.org/doi/10.34133/bmr.0115 1. CBVdECM cerebrovascular decellularized extracellular matrix