Research

친환경소재 홍지현 교수팀, “산소를 잡아라!” 리튬이온배터리 수명 늘린 비결

[홍지현 교수팀, 산소 방출 억제를 통한 망간계 양극재의 장수명 구현] 친환경소재대학원 배터리공학과 홍지현 교수, 임국현 박사 연구팀은 차세대 리튬이온배터리(Lithum-ion-battery, LIB) 양극재로 주목받고 있는 ‘리튬과잉층상구조소재(LLO)*1’의 내구성을 향상시키는 전략을 개발해 배터리 수명을 늘리는 데 성공했다. 이 연구는 에너지 분야 학술지인 ‘에너지 & 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 게재됐다. 리튬이온배터리는 전기자동차와 에너지 저장 시스템(ESS) 등 여러 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있다. LLO는 니켈 기반 양극 소재에서 니켈과 코발트 함량을 줄이고, 리튬과 망간의 함량을 높여 기존 대비 20% 더 높은 에너지 밀도*2를 제공한다. 또한, 코발트와 니켈의 사용을 줄여 경제적이면서도 지속 가능한 대안으로 떠오르고 있지만, 배터리의 충·방전 과정에서 용량 감소와 전압 저하로 인해 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 이와 관련하여 최근 여러 연구를 통해 배터리 충·방전 시 LLO 양극재의 결정 구조 변화*3가 배터리 성능 저하를 유발한다는 것이 밝혀졌지만 결정 구조 변화의 정확한 원인은 아직 규명되지 않았다. 그리고, LLO의 구조적 안정성을 높이기 위한 기존 방법들은 이러한 문제를 근본적으로 해결하지 못해 상용화에 어려움이 많았다. 연구팀은 LLO의 구조 불안정성이 배터리 충·방전 과정에서 방출되는 산소와 관련이 있다는 사실에 주목했다. 연구팀은 양극과 전해질 사이의 계면의 화학 안정성을 강화하면 산소의 방출을 막을 수 있다는 가설을 세우고, 이 가설을 바탕으로 전해질의 조성을 개선함으로써 양극-전해질 계면 안전성을 높이고, 이를 통해 산소의 방출량을 크게 줄이는 데 성공했다. 기존 전해질을 사용하는 경우, 배터리가 300회 정도 충전과 방전을 반복하면 에너지 보존율이 37.1%에 불과하지만, 계면 안정성을 높인 연구팀의 전해질을 사용한 결과, 700회 충·방전 후에도 에너지 보존율이 84.3%로 크게 향상됐다. 또한, 연구팀은 LLO의 표면에서 일어나는 미세한 구조 변화가 소재 전체의 구조에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 배터리 양극의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있었으며, 전해질 분해 등 배터리 내부에서 발생할 수 있는 불필요한 반응들도 크게 줄일 수 있었다. 홍지현 교수는 “방사광가속기를 활용해 양극재 입자 표면과 내부의 화학적 · 구조적 차이를 분석함으로써 양극 표면의 안정성이 소재 전체 구조와 배터리 성능에 큰 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다”라며, “이 연구가 차세대 양극재 개발 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”라고 말했다. 한편, 이번 연구는 2024년도 재원으로 산업통상자원부 한국산업기술진흥원과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1039/D4EE02329C 1. 리튬과잉층상구조소재(LLO, Li-/Mn-rich Layered Oxides) 리튬배터리 양극 소재 중 하나로 상용화된 기존 층상구조 양극소재의 전이금속 일부가 리튬으로 치환됐다. 가장 널리 사용되고 있는 니켈 기반 삼원계 층상구조 소재와 달리 전이금속의 55% 이상이 망간으로 구성되어 있다. 2. 에너지 밀도 에너지 소재가 발현할 수 있는 무게당 에너지값으로서, [용량 x 전압]으로 구할 수 있다. 즉 전압 또는 에너지저장용량을 높이면 에너지 밀도 향상이 가능하다. 3. 결정 구조 변화 충·방전 과정에서 산소 방출, 전이금속 이동 등 다양한 비가역적인 변화에 의해 규칙적인 원자 배열이 바뀌면서 새로운 형태의 상으로 전이가 되는 현상을 의미함. LLO 같은 층상구조 소재의 경우 락솔트 또는 스피넬 상 전이가 일어날 수 있음.

생명 이윤태 교수팀, 패혈증을 이겨내는 힘, 가장자리 B림프구에서 찾다

[이윤태 교수팀, B림프구 형성 메커니즘 및 패혈증 사이의 상관관계 규명] 생명과학과 이윤태 교수, 통합과정 박종석 씨 연구팀은 패혈증을 유발하는 중요한 세포인 '가장자리 B림프구'의 형성 메커니즘을 밝혀내며, 패혈증 치료에 새로운 가능성을 제시했다. 이 연구는 과학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. ‘가장자리 B림프구’는 체내 면역 시스템에서 중요한 역할을 하는 세포로 몸속 혈액을 걸러내는 비장이라는 기관 내에 있다. 이 세포는 혈액을 통해 들어오는 병원균 등 외부 물질에 신속하게 반응하며 몸의 첫 번째 방어선인 선천 면역에 관여하며, 항체를 만들어 공격하는 후천 면역에도 참여한다. 하지만 가장자리 B림프구가 지나치게 활성화되는 경우 패혈증을 비롯한 심각한 질환을 일으킬 수 있다. 가장자리 B림프구가 형성되려면 Notch*1 수용체를 통해 신호를 내부로 전달해야 하는데, 이 수용체의 활동을 조절하는 인자에 대해서는 아직 알려진 바가 많지 않았다. 이번 연구에서 이윤태 교수님 연구팀은 Notch 신호전달 경로가 ‘CIC(Capicua)’와 ‘ATXN1L(Ataxin1-Like)’라는 단백질 복합체에 의해 조절된다는 사실을 밝혀냈다. 특히, ‘ETV4’라는 인자가 CIC-ATXN1L 복합체의 유전적 결함으로 인해 과도하게 발현되고, 그 결과 Notch1과 Notch2 유전자 발현이 억제된다는 것을 확인했다. 또한, 연구팀은 생쥐 모델 실험을 통해 CIC-ATXN1L 전사복합체에 결함이 생기면 결과적으로 가장자리 B림프구 수가 줄어들고 제대로 자라지 못해 패혈증에 대한 저항성을 높인다는 결과도 얻었다. 가장자리 B림프구는 염증성 사이토카인인 ‘IL-6’을 분비하는데, 이 물질이 과도하게 분비되면 장기에서 염증 반응이 촉진되어 패혈증을 유발할 수 있기 때문이다. 이윤태 교수는 “이번 연구는 패혈증 치료를 위한 새로운 약물 개발 가능성을 제시하며, CIC-ATXN1L 복합체와 ETV4 전사인자가 치료의 중요한 타깃이 될 수 있음을 시사한다”라며 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단, 한국기초과학지원연구원, BK21 4단계 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54803-z 1. Notch 세포 간 신호 전달을 담당하는 중요한 단백질로, 세포가 서로 소통할 수 있도록 돕는다.

전자 최수석 교수팀, 스트레쳐블 기술 신축성의 비밀, 색으로 풀어내다

[POSTECH 연구팀, 세계 최초 서펜타인 구조 시각화로 스트레쳐블 기술 상용화 앞당겨] POSTECH, '서펜타인' 구조 실시간 분석 및 시각화 기술 개발 전자전기공학과 최수석 교수 연구팀(박사과정 한상현, 신준혁, 박지윤, 석사과정 양학준, 남승민 박사)이 스트레쳐블(stretchable) 기술의 핵심인 ‘서펜타인(Serpentine)’ 구조의 변형 과정을 실시간으로 분석하고 이를 색 변화로 시각화하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 12월호 온라인판에 게재됐으며, Inside Back Cover로 선정됐다. 스트레쳐블 기술: 자유형태 변형으로 차세대 전자기술의 혁신 유연(flexible)하고 형태 변형이 가능한(deformable) 전자 기술은 디스플레이 중심의 벤더블(bendable), 폴더블(foldable), 롤러블(rollable), 슬라이더블(slidable) 기술에서 나아가 자유로운 형태 변형이 가능한 스트레쳐블 기술로 발전하고 있다. 스트레쳐블 기술은 디스플레이와 센서, 반도체뿐 아니라 전자 피부, 생체 모방형 로봇, 스마트 의류 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 이 기술은 크게 고무와 같이 늘어나는 소재 기술 개발과 기존의 반도체 및 디스플레이, 전극, 센서 기술과 호환 가능한 구조 설계 방식으로 나뉜다. 특히, 구조 스트레쳐블 기술에서는 신축성이 없는 기존 전자소자들을 신축성과 함께 서로 연결하는 구불구불한 모양의 서펜타인 (Serpentine) 연결구조의 설계와 최적화가 신축성을 제공하는 핵심 기술로써, 다양한 구조적 특성과 스트레칭 모든 과정에서의 변형을 이해하는 것이 기술 개발에 필수적이다. 서펜타인 구조의 실시간 변형의 시각화 기술 그러나, 기존 스트레쳐블 기술은 서펜타인 구조가 끊어지는 등 물리적 손상이 발생한 후에야 변형 상태를 확인할 수 있었다. 이로 인해 설계와 분석이 이론적 시뮬레이션에 의존하거나 이전 스트레칭 과정이나 실시간 관찰은 제한적이었다. POSTECH 연구팀은 빛의 길이에 해당하는 수백 나노미터길이의 구조에서 나타나는 구조색(Structural Color) 변화를 기반으로 서펜타인 구조의 변형을 실시간 분석하는 기술을 개발했다. 연구팀은 구조색 특성을 가지면서도 스트레칭 과정에서 색 변화가 나타나는 메카노크로믹(Mechanochromic) 특성을 가지는 신축성 소재인 *키랄 액정 엘라스토머(Chiral LC Elastomer, CLCE)*를 사용했다. 이를 통해 서펜타인 구조의 미세한 변형 과정을 실시간으로 관찰하고 색 변화로 정확하고 정밀하게 시각화할 수 있게 됐다. 또한, 연구팀은 색으로 시각화된 서펜타인의 스트레칭 특성을 이론적 유한요소 해석 방법과 정합된 설계적 적용 검증을 확인하였다. 기술적·산업적 의의 이번 연구는 기존의 복잡한 나노 공정을 거치지 않고도, 기존의 실험적 스트레칭과정에서 이해 할 수 없었던 서펜타인 구조의 세밀한 변형을 실시간으로 분석할 수 있는 혁신적인 기술을 제시했다. 이는, 다양한 스트레칭 환경에서 서펜타인 구조를 최적화할 수 있는 설계 지침을 제공함으로써 스트레쳐블 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀을 이끈 최수석 교수는 “이번 연구를 통해 스트레쳐블 기술의 핵심인 연결 구조를 정확히 평가하고 설계할 수 있는 길이 열렸다”며, 향후 “디스플레이, 반도체, 센서, 전자 피부, 스마트 의류, 소프트 로봇 등 다양한 응용 분야에서 기술 확대와 상용화가 기대된다”고 전했다. 연구 지원 및 사사 본 연구는 삼성미래기술육성재단과 산업기술평가원의 스트레쳐블 디스플레이 개발 사업 및 실증 사업의 지원으로 수행되었다. DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202408346 [video width="1382" height="774" mp4="https://www.postech.ac.kr/wp-content/uploads/2024/12/연구_영상자료_1.mp4"][/video] [video width="1382" height="774" mp4="https://www.postech.ac.kr/wp-content/uploads/2024/12/연구_영상자료_2.mp4"][/video]

화공 이상민 교수팀, 인류를 위협하던 바이러스, 인류의 미래를 열다

[이상민 교수·2024 노벨화학상 수상자 David Baker 교수 공동 연구 ‘Nature’ 게재] [바이러스 모방한 나노입자 AI 설계 연구 통해 유전자 치료 기술 개발의 전환점 제시] 화학공학과 이상민 교수는 올해 노벨화학상 수상자인 미국 워싱턴대(University of Washington) 데이비드 베이커(David Baker) 교수와 공동으로 AI(인공지능)를 활용하여 바이러스의 복잡하고 정교한 구조를 모방한 새로운 치료 플랫폼을 개발했다. 이번 연구는 과학 분야 세계 최고 학술지인 ‘Nature’(네이처)‘에 현지 시각으로 18일 게재됐다. 바이러스는 둥근 공 모양의 단백질 껍질 안에 유전자를 담아 스스로 복제하는 독특한 구조를 가진다. 주로 숙주세포에 침투해 질병을 일으키지만 최근에는 이 복잡하고 정교한 구조를 모방한 인공 단백질 연구가 활발하다. 이렇게 개발된 ‘나노케이지(nanocage)’는 마치 바이러스가 숙주를 찾아 공격하듯 표적 세포에 치료용 유전자를 효과적으로 전달하는 역할을 한다. 그러나 기존 나노케이지는 크기가 작아 그 안에 담을 수 있는 유전자의 양이 한정적이었고, 구조가 단순해 실제 바이러스 단백질처럼 여러 기능을 구현하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 AI 기반 전산 설계 기법을 도입했다. 바이러스는 대부분 대칭적인 구조로 되어 있지만, 미세하게 어긋난 부분이 있다. 연구팀은 이러한 구조적 특징을 AI 기술로 설계함으로써 정사면체, 정육면체, 정십이면체 등 다양한 형태의 나노케이지를 세계 최초로 제작했다. 이 새로운 나노구조들은 네 종류의 인공 단백질로 구성되며, 여섯 종류의 독특한 단백질-단백질 결합계면을 포함하는 정교한 구조를 형성한다. 특히, 직경이 최대 75nm에 이르는 정십이면체 구조는 기존 유전자 전달체(AAV*1)보다 세 배 더 크기 때문에 훨씬 더 많은 유전자를 담을 수 있다는 점에서 주목할 만하다. 전자현미경 분석 결과, 연구팀이 AI로 설계한 나노케이지들은 예상대로 정확한 대칭구조를 이루었으며, 기능성 단백질을 활용한 실험에서도 연구팀은 유전자가 나노케이지가 표적 세포까지 성공적으로 전달됨을 확인했다. 이상민 교수는 “AI의 발전으로 인류가 원하는 인공 단백질을 설계하고 조립하는 시대가 열렸다”라며 “이번 연구가 유전자 치료제는 물론, 차세대 백신 등 다양한 의·생명 분야의 혁신적인 발전에 기여하기를 바란다”라는 말을 전했다. 한편, 이상민 교수는 2021년 2월부터 2년 9개월 동안 데이비드 베이커 교수 연구실에서 박사후연구원으로 재직하다 올해 1월 POSTECH에 부임했다. 이상민 교수와 데이비드 베이커 교수가 협력한 이 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구사업, 나노소재기술개발사업, 글로벌 기초연구실 사업과 미국 Howard Hughes Medial Institute(HHMI)의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07814-1 1. AAV Adeno-Associated Virus 2. de novo protein 컴퓨터로 설계한, 자연계에는 존재하지 않는 새로운 단백질을 말한다.

신소재/융합 한세광 교수팀, 방광암, 이제는 자가추진 나노모터로 치료한다

[POSTECH·서울의대·IBS·IBEC, 방광 내 요소 활용한 방광암 면역치료 나노모터 개발] 자율주행 자동차는 기술 혁신의 상징으로 인식되고 있는데 눈에 보이지 않을 정도로 아주 작은 나노 입자가 체내에서 스스로 움직이며 치료제를 필요한 곳에 전달할 수 있다면 어떨까? 최근 신소재공학과 한세광 교수팀이 이를 현실로 구현하고, 방광암 치료의 새로운 가능성을 제시했다. 한세광 교수, 최현식 박사 연구팀은 서울대병원 정승환 교수팀, IBS(기초과학연구원) 혈관 연구단 고규영 단장(KAIST 의과학대학원 특훈교수), 스페인 IBEC(카탈로니아생물공학연구소)와의 공동 연구를 통해 방광 내 환경을 이용해 스스로 추진력을 얻고, 치료제를 필요한 곳에 정확하게 전달하는 스마트 자가추진 나노모터를 개발했다. 이번 연구는 국제 융합연구 대표적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 게재됐다. 방광암은 재발률이 높아 전 세계적으로 많은 환자에게 큰 고통을 주는 질병이다. 또한, 방광암을 치료하기 위해 약물을 방광에 직접 주입하더라도 반복적인 배뇨와 방광벽의 점막층이 약물의 흡수를 방해해 치료 효과가 제한적이었다. 이번 연구에서 한세광 교수 연구팀은 방광 내에 풍부한 요소(urea)를 활용하는 새로운 방법을 개발했다. 연구팀은 ‘요소 분해효소(urease)’를 나노입자에 결합해 방광 내 요소를 암모니아와 이산화탄소로 분해할 때 발생되는 기체를 이용하여 나노입자 약물전달체에 추진력을 제공하도록 했다. 이를 통해 약물을 실은 아주 작은 나노모터가 빠르게 방광벽에 도달하여 효과적으로 약물을 전달하는 신개념 방광암 치료 시스템으로 구현했다. 연구팀의 나노모터는 STING*1 작용제를 탑재하여 방광벽의 수지상세포 내 STING 경로를 활성화하고, 이를 통해 암세포를 공격하는 면역 반응을 촉진했다. 그 결과, 방광암 세포 증식을 94.2% 억제했으며, 기존 치료제보다 암 부위에 11배 더 많은 세포독성 T림프구(암세포 공격 면역세포)를 유도했다. 또한, 현재 의료현장에서 방광암 환자에게 사용되고 있는 면역치료제(BCG)와 비교했을 때, STING 탑재 나노모터가 보다 더 우수한 치료 효과를 나타냈으며, PD-1억제제*2(Pembrolizumab)와 병행해 투여할 경우 방광함 치료 효과가 극대화되는 시너지 효과가 나타나는 것도 확인했다. 이번 연구를 주도한 한세광 교수는 “연구팀의 나노모터 기술을 활용하면 약물이 방광벽에 빠르고 정확하게 전달되어 면역치료의 성공률을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라며, “이 기술은 방광암뿐만 아니라 다른 난치성 질환에도 적용될 수 있는 약물전달 플랫폼 기술이다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업, 혁신연구센터사업(B-IRC), 교육부의 학문후속세대지원사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54293-z 1. STING Stimulator of Interferon Genes, 수지상세포 내에 존재하는 선천성 면역에 관여하는 인터페론 유전자 자극제를 말한다. 2. PD-1 억제제 ‘Programmed Death-1‘이라는 면역 억제 단백질로, 암세포는 이 단백질을 이용해 면역 체계의 공격을 피한다. Pembrolizumab과 같은 PD-1 억제제는 이를 차단해 면역 세포가 암세포를 인식하고 제거할 수 있게 만든다.

전자·IT융합·기계·융합 김철홍 교수팀, 세계 최초의 투명 초음파 내시경, 암 진단의 새 지평 열까

[POSTECH·세브란스 연세암병원, 투명 초음파 트랜스듀서 기반 고성능 광음향 내시경 개발] 최근 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과·IT융합공학과·융합대학원 김형함 교수, IT융합공학과 김재우 박사, 기계공학과 통합과정 허다솜 씨 연구팀은 연세대학교 세브란스 연세암병원 김희만 교수와의 연구를 통해 투명 초음파 트랜스듀서를 기반으로 한 고성능 광음향 내시경을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 최근 게제됐다. 내시경 초음파는 소화기내과에서 암 진단에 널리 활용되는데, 연조직의 대조도가 낮고 조직의 구조적 정보만 제공해 민감도가 떨어지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 광음향 기술을 내시경 초음파에 결합하는 방식으로 조직 혈관 정보를 추가로 제공해 암의 조기 진단율을 높이려는 연구가 많이 있었지만 초소형 프로브 내에서 고품질의 광음향과 초음파 영상을 동시에 확보하기 어려웠다. 고해상도의 영상을 얻으려면 빛과 초음파가 같은 방향으로 정렬되어야 하는데 기존에는 이를 맞추는 데 한계가 있었기 때문이다. 결국, 초음파 트랜스듀서에 구멍을 뚫어 빛의 경로를 확보하거나 광학계를 기울여 두 경로를 맞춰야 하는데, 이 경우 초음파나 광음향 영상 중 한쪽의 품질을 포기해야 했다. 이번 연구에서 연구팀은 고해상도의 초음파와 광음향 영상을 동시에 구현할 수 있는 초소형(1mm2수준) 투명 초음파 트랜스듀서를 개발했다. 이를 위해 유전율이 높고 소형화에 적합한 압전물질(PMN-PT)을 사용했으며 트랜스듀서는 인듐 주석 산화물 전극, 우레탄 흡음층 등 투명한 재료로 만들어져 빛의 경로를 확보하면서 트랜스듀서 형태를 유지할 수 있어 고해상도의 초음파, 광음향 영상을 제공한다. 연구팀이 이 초소형 프로브 내에서 광학계와 음향학계를 결합하고, 두 경로를 일치시키는 데 성공한 것이다. 연구팀은 이 기술을 평가하기 위해 상용 내시경 채널에 삽입하고, 돼지의 식도를 촬영했다. 그 결과, 식도 점막부터 근육층까지 모든 층을 선명하게 시각화하는 데 성공했으며, 초음파 성능은 상용화된 내시경과 비슷할 정도로 성능이 뛰어났다. 또한, 긴 거리에서도 고해상도 광음향 이미지를 얻을 수 있어 광음향-초음파 내시경의 높은 임상 적용 가능성을 입증했다. 김철홍 교수는 “기존 광음향-초음파의 한계를 극복하고, 진단 정확도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다”라는 말을 전했다. 또한, 연세암병원 김희만 교수는 “투명 초음파 트랜스듀서 기반의 광음향-초음파 내시경 기술과 성공적인 실험 결과는 혁신적인 진단 의료기기 개발과 국산화의 중요한 첫걸음이 될 것”이라고 전했다. 한편, 이번 연구는 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업, 과학기술정보통신부의 재원으로 지원된 한국연구재단-BRIDGE융합연구개발사업, 과학기술정보통신부 , 산업통상자원부 , 보건복지부 , 식품의약품안전처의 재원으로 지원된 범부처전주기의료기기연구개발사업, BK21 FOUR 사업, 과학기술정보통신부가 지원하는 딥사이언스 창업 활성화 지원 사업 등 으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adq9960

화공/융합 차형준 교수팀, 뼈 재생과 접착력, 가시광선으로 동시에 해결하다

[차형준 교수팀, 골 이식재와 접착력의 문제를 해결한 혁신적인 골 재생용 주사형 하이드로젤 개발] 화학공학과 · 융합대학원(의과학전공) 차형준 교수, 화학공학과 윤진영 박사, 통합과정 우현택 씨 연구팀은 무해한 가시광선을 이용해 ‘가교(cross-linking)’와 골 이식재 필요없이 ‘광물화(mineralization)’가 동시에 일어나는 골 재생용 주사형 접착하이드로젤을 개발했다. 이번 연구는 생체재료 분야 최고 국제학술지인 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’에 최근 온라인 게재됐다. 뼈 결손은 외상, 감염, 선천적 결함 등 여러 원인으로 발생하며, 고령화 사회에서 빈도가 점점 증가하고 있다. 이를 치료하기 위해 주로 혈청이나 생체 접착물질을 사용해 골 이식재를 결합시켜 결손 부위에 채우고 있지만 기존의 주사형 하이드로젤은 체내에서 형태를 유지하기 힘들고, 접착력에도 한계가 있었다. 또한, 기존 방식은 골 이식재를 접착물질과 함께 사용하기 때문에 ‘뼈 재생’과 ‘접착력’을 동시에 충족하기 어려웠다. POSTECH 연구팀은 인체에 무해한 가시광선을 이용해 하이드로젤의 주요 성분이 연결되어 단단해지는 ‘가교’와 하이드로젤 내에서 뼈의 주요 성분인 칼슘, 인산 등 미네랄이 형성되는 ‘광물화’가 동시에 일어나는 새로운 시스템을 개발했다. 이미 기존에도 빛을 이용한 연구가 있었지만 골 이식재와 접착물질을 따로 준비한 다음 혼합해야 하고, 주요 성분들이 잘 결합하지 않고 사라지는 등 문제가 있었다. 연구팀이 개발한 골 재생용 주사형 접착하이드로젤 전구체는 미역과 같은 해양 갈조류에서 유래하는 천연 다당류인 알지네이트(alginate)와 RGD 펩타이드*1가 포함된 홍합 접착단백질 기반의 코아서베이트*2와 칼슘 이온, 포스포노디올*3, 광반응제로 이루어져 있다. 이 전구체는 물에 잘 풀리지 않는 코아서베이트 제형 덕분에 주입 후 체내에서 형태와 위치를 잘 유지했다. 또한, 가시광선을 조사하자 가교가 형성됨과 동시에 뼈 이식재 역할을 하는 비정질 인산칼슘이 형성되어 뼈 이식재와 접착물질 없이도 ‘뼈 재생’과 ‘접착력’을 동시에 제공했다. 대퇴골이 결손된 동물 모델로 실험한 결과, 연구팀이 개발한 하이드로젤은 빠르고 정확하게 주입된 후 부착했으며, 뼈 재생에 필요한 성분을 효과적으로 전달하는 데 성공했다. 차형준 교수는 “연구팀이 개발한 골 재생용 주사형 접착하이드로젤 시스템은 기존의 복잡한 뼈 질환 치료법을 대체할 혁신적인 대안으로 뼈 조직 재생 기술 개발에 큰 도움이 될 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 보건복지부의 치의학의료기술연구개발사업과 범부처전주기 의료기기연구개발사업단의 지원을 받아 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122948 1. RGD 펩타이드 아르기닌-글리신-아스파르트산으로 구성된 펩타이드 서열로 세포 부착능력을 높이는 효과가 있다. 2. 코아서베이트(coacervate) 액체-액체 상 분리를 통해 형성된 액상체(liquid body)로 물 속에서도 와해가 되지 않는 특징을 가진다. 3. 포스포노디올 P-[[Bis(2-hydroxyethyl)amino]methyl]phosphonicaci

기계 안지환 교수팀, ‘반도체+수소’, 에너지 혁명의 비밀코드

[POSTECH·美UC Merced·중앙대, 반도체 공정 기술로 전지 효율과 내구성 높일 소재 개발] 기계공학과 안지환 교수, 김형준 박사 연구팀은 미국 캘리포니아 주립대 머세드캠퍼스(UC Merced) 기계공학과 이민환 교수팀, 중앙대 융합공학부 박해선 교수팀과 협력하여 최신 반도체 공정인 원자층 공정을 활용, 수소 생산의 효율을 높이면서도 고온에서 안정한 연료극 촉매 소재를 개발했다. 이번 연구는 에너지 및 환경공학 국제 학술지인 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)‘ 온라인판에 게재됐다. 청정 에너지 수소(H2)는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않아 환경에 무해하고, 전력 변환 시 에너지 효율도 높다. 특히 그린 수소는 재생에너지를 기반으로 수증기를 전기분해하여 생산되며, 이를 통해 전기 자동차 등 다양한 산업에서 전력을 생산한다. 특히, ’가역 고체 산화물 전지(reversible Solid Oxide Cell, 이하 rSOC)‘는 수소 생산 및 전력 생산이 모두 가능해 차세대 에너지 장치로 큰 기대를 받고 있다. 하지만, rSOC에서 주로 사용되는 ’니켈-이트리아 안정화 지르코니아(Ni-YSZ)‘라는 연료극 소재는 안정성은 뛰어나지만 수분 환경에서 수소 생산 효율을 높이는 데 한계가 있다. 이를 개선하기 위해 금속 촉매를 사용하는 방법도 연구됐으나 높은 비용과 빠른 열화로 인한 성능 저하가 걸림돌이었다. 이번 연구에서 POSTECH · UC Merced · 중앙대 연구팀은 반도체 첨단 공정 중 하나인 ’플라즈마 강화 원자층 증착(이하 PEALD*1)‘으로 새로운 백금 코팅 방법을 개발했다. PEALD는 3차원 구조에 균일하게 나노 코팅을 형성하는 기술로 연구팀은 이를 통해 rSOC 연료극 표면에 극소량(<0.2μg/cm²)의 백금을 나노 입자 형태로 코팅하는데 성공했다. 그 결과, 연구팀은 극소량의 백금 코팅만으로도 rSOC의 수소 및 전력 생산 효율을 크게 향상시켰으며, 추가적으로 700°C 고온에서 100시간 이상 장시간 구동에도 성능 저하 없이 높은 효율을 유지함을 보였다. 나노 촉매는 보통 그 크기가 작고, 표면적이 넓어 효율은 좋지만 내구성이 떨어지는 단점이 있는데, 연구팀이 개발한 촉매 연료극은 고온 구동 환경에서도 장시간 뛰어난 내구성을 보였다. 연구팀은 이러한 결과가 Ni-YSZ 연료극 표면상 촉매 입자의 독특한 안정화 메커니즘을 통한 고밀도 촉매-전극 계면의 지속적인 확보 때문임을 밝혀냈다. 연구를 주도한 안지환 교수는 “반도체 기술과 수소 기술은 전혀 다른 분야처럼 보이지만 이번 연구에서는 두 기술을 융합해 새로운 가능성을 본 것”이라며, “이미 규모의 경제를 실현한 원자층 레벨의 첨단 반도체 공정 기술을 통해 에너지 소자 분야의 효율-내구성 간 딜레마를 효과적으로 해결할 수 있음을 증명한 사례”라고 전하며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 한국에너지기술평가원 신재생에너지기술개발사업, 대학중점연구소지원사업 에너지 환경 연구소 과제의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124740 1. PEALD Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition

생명 김종민 교수팀, 생명체를 새롭게 설계하다: 혁신적인 유전자 기술의 미래

[김종민 교수팀, 인공 유전자 회로 정밀도·집적도 높이는 새로운 기술 개발] 생명과학과 김종민 교수, 생명과학과 통합과정 고현섭·최승도 씨 연구팀은 합성 생물학 분야에서 유전자 회로의 정밀성과 집적도를 획기적으로 높일 ‘합성 번역 공역 장치(Synthetic Translational Coupling Element, 이하 SynTCE)를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 분자생물학과 생화학 분야 국제 학술지인 ‘핵산 연구(Nucleic Acids Research)’ 온라인판에 최근 게재됐다. ‘합성 생물학’은 자연 시스템을 기반으로 생명체에 새로운 기능을 부여하는 연구 분야로, 이를 통해 설계된 생명체는 질병 치료, 플라스틱 분해 미생물, 바이오 연료 생산 등 다양한 영역에서 사용될 수 있다. 특히, 여러 유전자가 모여 하나의 단백질 체계를 생성하는 ‘다중유전자 오페론(polycistronic operon)*1’ 시스템은 제한된 자원으로 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 고도화된 유전자 회로를 정밀하게 설계하려면 바이오 부품 간 간섭*2을 최소화하고, 여러 유전자를 효율적으로 통합하는 집적도를 높여야 하는데, 기존 RNA 기반 번역 조절 부품은 단백질 번역*3 과정에서 간섭을 일으켜 다중 유전자 조절이 어렵고 회로 정밀성이 낮은 한계를 보여왔다. 김 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘번역 공역’이라는 자연적인 유전자 조절 메커니즘에 주목했다. 이 현상은 상위 유전자의 번역이 하위 유전자의 번역 효율에 영향을 주는 시스템으로, 다중 유전자 조절이 필요한 오페론에서 자주 발견된다. 연구팀은 이번 연구를 통해 이를 모방한 ‘SynTCE’를 설계하고, RNA 분자 컴퓨팅 시스템과 성공적으로 통합해 더욱 효율적인 유전자 회로를 구현했다. 연구팀은 SynTCE를 활용해 입력 신호를 하위 유전자로 정확하게 전달하고, 이를 바탕으로 다중 출력 조절 장치와 다중 입력·출력을 처리하는 시스템을 구축하여 유전자 회로의 집적도를 향상했다. 특히, SynTCE는 단백질 번역 과정에서의 간섭을 제거하고 단백질의 N-말단*4을 정밀하게 조절해 단백질을 세포 내 적절한 위치로 이동시키거나 특정 세포를 선택적으로 제거하는 '생물 격리*5' 기술에도 활용될 수 있다. 이 기술은 세포 기능을 정밀하게 제어하고, 원하는 생물학적 작업을 수행하도록 만드는 데 기여할 것으로 기대된다. 김종민 교수는 “이번 연구는 정교하고 정확한 유전자 회로 설계를 가능하게 하는 중요한 진전”이라며, “맞춤형 세포 치료제, 환경 정화 미생물, 바이오 연료 생산 등 다양한 분야에서 활용되기를 바란다”라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 농림수산식품기술기획평가원, 한국연구재단과 경상북도·포항시의 합성생물학 지원금, 한국보건산업진흥원의 한국보건기술R&D사업, 경북 테크노파크 지원사업, 교육부의 4차BK21 지원사업, 한국기초과학지원연구원사업과 산학협력선도대학3.0사업 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkae980 1. 다중유전자 오페론 하나의 조절 요소에 의해 여러 유전자의 발현이 동시에 조절되는 시스템이다. 2. 간섭(interference) 다른 단백질이나 분자가 원하는 대로 작용하지 못하도록 방해하는 현상이다. 3. 번역(translation) 세포 내에서 DNA에서 전사된 RNA를 바탕으로 단백질을 만드는 과정이다. 4. 단백질의 N-말단 단백질 사슬 시작 부분으로 아미노기(-NH2)가 있는 쪽을 말한다. 5. 생물 격리 병원성 미생물, 유해물질이 실험실이나 시설 밖으로 유출되지 않도록 하는 방법 및 절차다.

화공 용기중 교수팀, 산소 가리는 전해질, 친환경 암모니아 생산 효율 높였다

[POSTECH · 서울대, 입체 효과 기반 전해질(STE)로 암모니아 생산 공정 효율 향상] 화학공학과 용기중 교수, 석사과정 한예빈 씨, 통합과정 임채은 · 김영비 씨 연구팀은 서울대 신소재공학과 한정우 교수 연구팀, POSTECH 화학공학과 전상민 교수팀과의 공동 연구를 통해 용매의 입체 효과를 도입한 전해질 엔지니어링으로 친환경 암모니아 생산 효율을 높였다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 수소는 탄소 배출이 없고, 재생에너지로 생산 가능하며, 효율성과 활용도가 높은 친환경 에너지원이다. 특히, 질소(N) 원자 하나에 세 개의 수소(H) 원자가 결합한 암모니아(NH3)는 에너지 밀도가 높아 효과적인 수소 운반체로 주목을 받고 있다. 그러나 현재 암모니아 생산은 고압·고온 환경이 요구되는 ‘하버-보쉬(Haber-Bosch)’ 공정에 의존하고 있어 막대한 에너지 소비와 환경적 부담이 문제로 지적되고 있다. 이를 해결하기 위해 상온에서 리튬을 매개로 질소에 수소를 결합시키는 ‘질소 환원 반응’ 연구가 진행되고 있으며, 친환경 암모니아 생산의 핵심은 ‘고체 전해질 계면(이하 SEI)’을 제어해 암모니아의 선택성을 높이는 것이다. SEI는 전해질이 분해되면서 환원 전극 표면에 형성되는 막으로 반응물질의 이동과 전도도 등 반응 효율과 선택성에 큰 영향을 미친다. 이번 연구에서 연구팀은 리튬과 용매 사이의 결합을 약화해 리튬의 반응 효율을 높이는 방법을 제시했다. 연구팀은 플루오린(F) 등 음이온이 포함되어 있는 ‘입체 효과 기반 전해질(STE*1)’을 개발해 기존 용매인 테트라하이드로퓨란(THF)의 알파 수소*2를 입체 구조가 큰 메틸기(CH₃)로 치환했다. 그로 인해 리튬과 결합하는 산소가 가려지는 효과가 발생하면서 리튬과 용매 간 결합이 약해졌고, 리튬이 반응에 더 쉽게 참여할 수 있게 되었다. 특히, 이 전해질을 사용했을 때 생성된 SEI는 얇고 고른 형태를 가져 반응물의 전달이 원활해졌고, 실험 결과 선택성을 나타내는 패러데이 효율이 2배, 전기 에너지 효율이 1.5배 향상됐다. 또, 연구팀은 최대 10시간 동안 안정적으로 암모니아를 생산하는 데 성공했으며, 플루오린을 비롯해 여러 음이온을 포함하고 있는 리튬 염 실험에서도 입체 효과를 통해 암모니아 생성 효율이 향상됨을 확인했다. 이번 연구를 이끈 용기중 교수는 ‘’탄소 배출을 효과적으로 줄일 수 있는 그린 암모니아 생산성을 높인 측면에서 의의가 크다“라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 에너지평가기술원의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c02626 1. STE Steric hinderance-derived Electrolyte 2. 알파 수소 작용기에 직접 결합된 탄소와 결합하고 있는 수소.