Research

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, 스테로이드 약물 효과, 이제 생생하게 본다

[POSTECH · 美 FDA, 스테로이드 계열 약물의 혈관 수축 기전 시각화 기술 개발] 최근 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, IT융합공학과 통합과정 김동규 씨 연구팀은 미국 식품의약국(FDA)과 공동 연구를 통해 스테로이드 계열 약물이 피부 혈관에 미치는 수축 변화를 광음향 현미경 기술로 시각화하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘포토어쿠스틱스(Photoacoustics)’에 게재됐다. 스테로이드 계열 약물은 피부염, 알레르기, 자가면역질환 등 다양한 피부 질환 치료에 널리 사용된다. 특히, 국소 코르티코스테로이드(corticosteroid)는 염증을 줄이고 붉은 기운을 완화하는 데 효과적이지만 구체적인 메커니즘을 파악하기는 어려웠다. 색도계(chromameter)로 피부 표면의 색 변화를 측정하여 약물의 효과를 간접적으로 평가하는 기존 방법도 혈관 수축 등 내부 변화를 직접 관찰하기에는 한계가 있었다. 이번 연구에서 POSTECH · 미국 FDA 공동 연구팀은 소리와 빛을 결합한 광음향 현미경(이하 PAM*1) 기술로 피부 속 혈관 변화를 실시간 3D 영상으로 구현하는 데 성공했다. 이 기술은 X선 등 이온화 방사선이나 추가 약물 없이도 안전하게 관찰할 수 있어 인체에 부담을 주지 않으면서도 정밀한 분석이 가능하다. 연구팀은 PAM 기술을 이용하여 네 가지 국소 코르티코스테로이드의 혈관 수축 능력을 정량적으로 비교 · 분석하고, 피부 깊이에 따른 혈관 수축 매커니즘을 3D 영상으로 규명하는 데 성공했다. 분석 결과, 미국 건선 재단(National Psoriasis Foundation)의 국소 코르티코스테로이드 역가 분류 체계*2와 일치했으며, 이는 PAM 기술의 신뢰성과 유용성을 보여주는 결과다. 김철홍 교수는 “새로운 비침습적(인체에 물리적 손상 또는 침투 없이) 약물 평가 방법을 제시한 이번 연구는 임상 연구와 생물학적 동등성 평가에 큰 도움이 될 것“이라며, ”FDA와의 협력을 통해 피부질환 치료제의 부작용 연구에도 PAM 기술의 활용 가능성을 확인했다“라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 교육부와 과학기술정보통신부, 의료기기개발펀드사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2024.100658 1. PAM Photoacoustic Microscopy 2. 역가 분류 체계 약물의 효능 강도를 등급으로 나눈 체계를 의미한다.

화학/배터리공학 박수진 교수팀, 늘어나는 배터리, 웨어러블 기기의 한계를 넘다

[POSTECH·한국에너지기술연구원·충남대, 신축성 · 고에너지밀도 동시 구현한 리튬 전지 개발] 최근 POSTECH 화학과 · 배터리공학과 박수진 교수 연구팀이 한국에너지기술연구원, 충남대 연구진과의 연구를 통해 신축성과 높은 에너지 밀도를 모두 충족하는 배터리 기술을 개발했다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에너지 저장 재료(Energy Storage Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 스마트워치나 건강 모니터링 센서 등 웨어러블(wearable) 기기는 이미 우리의 일상 속에서 중요한 역할을 하고 있다. 점점 기기의 성능과 편의성이 향상되면서, 다양한 기계적 변형(접기, 늘리기 등)을 견딜 수 있는 차세대 웨어러블 기기에 대한 수요가 급증하고 있다. 그러나 기존의 신축성 배터리는 에너지 밀도가 낮고 공정이 복잡해 실용화에 한계가 있었다. 또한, 이러한 배터리에 사용되는 리튬(Li) 금속 음극은 높은 에너지 밀도를 자랑하지만 사용 중 불안정성 문제로 실제 적용에 어려움이 있었다. 국내 공동 연구팀은 리튬 금속 배터리의 신축성(늘어나는 성질)과 높은 에너지 밀도(저장 능력)를 동시에 구현하기 위해 은 나노입자(AgNPs)를 활용하여 ‘리튬 친화적이면서도 신축성이 있는 은 나노입자 매트릭스(SLiM*1)‘이라는 전극 구조를 개발했다. 이 구조는 탄력이 있는 섬유 형태로 은 나노입자들이 전극의 표면과 내부에 고르게 퍼져 있어 리튬 음극의 안정성을 높여준다. 특히, 은 나노입자들은 배터리가 늘어나거나 접히는 상황 등 전극이 변형되는 상황에서도 전기가 통하는 연결망(전도성 네트워크)가 끊어지지 않게 유지하여 우수한 성능이 유지됐다. 실험 결과, 연구진의 리튬 금속 전지는 다양한 형태로 변형되더라도 성능 저하없이 장기간 안정적인 충방전이 가능했다. 이번 연구는 웨어러블 기기 같은 차세대 전자기기에 적합한 배터리 설계의 새로운 가능성을 열었다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구를 이끈 박수진 교수는 “다양한 형태로 변형이 가능한 리튬 금속 배터리의 가능성을 입증했으며, 미래의 첨단 기술 발전에 중요한 역하을 할 것”이라는 기대를 전했다. 이어, ”이 기술은 이차전지 상용화를 앞당기고, 신체 부착형 기기 발전에도 기여할 것“이라는 말을 덧붙였다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103850 1. SLiM Stretchable Lithiophilic Ag-incorporated Matrix

환경 이형주 교수팀, 대기오염 추적의 새로운 장을 열다

[POSTECH 이형주 교수팀, 국내 환경위성 GEMS 활용 이산화질소 농도 예측 모델 개발] 환경공학부 이형주 교수, 통합과정 김나래·신민영 씨 연구팀은 세계 최초의 가스상 대기오염 물질 추적 정지궤도위성 자료를 활용해 이산화질소(NO₂)의 시간대별 농도 변화를 예측할 수 있는 새로운 모델링 기법을 제시했다. 이번 연구는 환경 분야 국제 학술지인 ‘환경 연구(Environmental Research)’에 최근 게재됐다. 이산화질소는 자동차 배기가스, 산업 시설, 난방 보일러 등에서 배출되는 대표적인 대기오염 물질이다. 이 물질은 호흡기 질환을 유발하는 등 인체에 직접적인 해를 끼칠 뿐만 아니라 오존과 같은 2차 오염 물질을 생성하는 주요 원인이기도 하다. 이러한 이유로 현재 환경부에서도 이를 규제하고 있지만 기존 위성들은 하루에 한 번만 자료를 제공하는 극궤도 위성이기 때문에 시간과 지역에 따른 농도의 변화를 추적하는 데 한계가 있었다. 이형주 교수 연구팀은 국립환경과학원 환경위성센터에서 제공하는 ‘GEMS’ 위성 자료를 활용해 이산화질소 농도를 시간대별로 예측하고, 이를 통해 대기오염 정보를 정확하게 분석하는 데 성공했다. GEMS는 2020년 발사된 국내 환경위성으로 세계 최초로 준실시간으로 가스상 대기오염 물질을 추적하는 정지궤도 위성이다. 이번 연구의 가장 큰 의의는 GEMS로 수집한 자료를 활용해 시간대별로 달라지는 고농도 지역을 확인하고, 이를 바탕으로 국민들의 시간대별 이산화질소 노출 수준을 훨씬 정확하게 평가했다는 것이다. 특히, 기존에 대기오염 측정소가 없는 지역에서도 위성 기반의 준실시간 대기오염 정보를 제공해 해당 지역 주민의 대기오염 노출 수준을 줄이고, 지역 맞춤형 대책 마련의 가능성을 열었다. 예를 들어, 대도시의 교통 · 공장 밀집 지역에서 발생하는 고농도 대기오염 문제를 효과적으로 파악하고, 이를 통해 주민 건강을 보호할 맞춤형 방안을 수립할 수 있다. 연구를 이끈 이형주 교수는 “위성 빅데이터와 대기오염 모델링 기술을 결합하여 신뢰성이 높은 대기오염 농도 자료를 확보함으로써 이산화질소 배출원을 정확히 추적하고, 효과적인 저감 대책 수립에 크게 기여할 것”이라며, “이번 연구가 인공위성 원격탐사 분야에서 중요한 이정표가 되기를 바란다”라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 환경부 재원으로 국립환경과학원의 지원과 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.119633

화공 용기중 교수팀, 리튬 전해질의 혁신, 그린 암모니아 시대를 열다

[POSTECH · KIAST, 친환경 국소 고농도 전해질 기반 그린 암모니아 생산 기술 개발] 화학공학과 용기중 교수, 통합과정 윤혜주 · 임채은 씨 연구팀은 KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 서동화 교수 연구팀, POSTECH 윤용주 교수 연구팀과의 연구를 통해 특정 부분에서 고농도처럼 작용하는 특별한 전해질을 기반으로 그린 암모니아를 생산하는 기술을 개발했다. 이 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 암모니아는 비료와 화학 공정에 필수적인 물질이다. 최근에는 수소 에너지를 저장 및 운송하는 매개체로서 탄소 배출을 줄일 고부가가치 물질로도 주목받고 있다. 하지만 암모니아를 생산하는 기존의 ‘하버-보쉬(Haber-Bosch)’ 공정은 400~500℃의 고온과 200bar의 고압환경이 필요하고, 그로 인해서 세계 에너지 소비의 약 2%를 차지하며, 매년 6억 톤에 달하는 이산화탄소를 배출해 환경에 큰 부담을 주고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 리튬 기반 질소 환원 반응(이하 Li-NRR)*1을 활용한 전기화학적 암모니아 생산 연구가 활발하지만 리튬의 소모량이 많고, 효율이 낮은 한계를 안고 있다. 이를 극복하려면 반응이 일어나는 ‘고체 전해질 계면(이하 SEI*2)’의 성질을 개선해 반응물의 선택성과 안정성을 높여야 한다. 이에 POSTECH·KAIST 연구팀은 SEI 성질을 개선하기 위해 전해질의 ‘용매화 구조’에 주목했다. ‘용매화 구조’란 용매의 분자가 용질(이온 또는 분자)을 둘러싸는 배열이나 구조를 뜻한다. 연구팀은 Li-NRR 반응 용매로 사용되는 테트라하이드로퓨란(THF)에 테트라플루오로에틸 테트라플루오로프로필 에테르(TTE)를 혼합해 저농도에서도 고농도와 유사한 용매화 구조를 만드는 국소 고농도 전해질(LHCE*3)를 개발했다. 전해질의 전체 농도는 낮지만 이처럼 첨가제를 더해 일부 구역에서는 고농도 전해질처럼 작용하도록 설계한 것이다. 이 전해질은 기존의 저농도 전해질보다 질소 용해도가 높고, 물질 전달 속도가 빨라 암모니아 생산에 필요한 전기 에너지의 효율을 나타내는 패러데이 효율*4이 2배 이상 향상됐다. 또, 리튬 염이 많은 고농도 전해질과 비교했을 때도 에너지 소비와 비용을 줄이면서 경제성과 생산성에서 뛰어난 결과를 보였다. 특히, 연구팀이 개발한 전해질을 사용하면 SEI 무기 성분 비율이 증가해 SEI의 안정성과 반응 효율이 향상됐으며, 연구팀은 이를 통해 12시간 동안 안정적으로 암모니아를 생산하는데 성공했다. 연구를 이끈 용기중 교수는 ”높은 반응 효율과 안정성 등 고농도 전해질의 장점을 유지하면서 리튬 염 사용량을 줄여 비용을 절감했다는 점에서 큰 의미가 있다“라며 연구의 의의를 전했다. 또한, KAIST 서동화 교수는 “배터리 연구에서 사용되는 국소 고농도 전해질을 암모니아 생산에 적용하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 특정 물질이 용매화에 참여하지 않는 현상을 확인할 수 있었다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 해외우수 연구기관 협력 허브 구축 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202408280 1. 리튬 기반 질소 환원 반응(Li-NRR) 물질에서 주성분인 순물질이 차지하는 비율이 높은 마이크로미터(μm) 이하 두께의 얇은 막. 2. 고체 전해질 계면(Solid electrolyte interphase) 전극 고체 표면 막으로서 Li-NRR 반응에서 전해질 요소의 반응물로 이루어져 있다. 3. 국소 고농도 전해질(LHCE) Localized High-Concentration Electrolyte 3. 패러데이 효율(Faradaic efficiency) 전기화학 반응시 가해준 일정 전하량 대비 실제 생성물의 생성 효율을 말한다.

기계 이상준 교수팀, 선박의 새로운 친환경 갑옷, 생태계를 지켜라

[이상준 교수팀, 실리콘 기반 지속 가능한 방오 · 방빙 · 저마찰 표면 기술 개발] 최근 기계공학과 이상준 교수, 통합과정 박규도 씨 연구팀은 실리콘 기반의 새로운 표면 코팅 기술을 개발해 해양 생물 부착 및 결빙 방지, 마찰 감소 성능을 장기간 지속적으로 유지하는 데 성공했다. 이번 연구는 코팅 과학 분야 저명 국제 학술지인 ‘응용 표면 과학(Applied Surface Science)’와 ‘유기 코팅의 발전(Progress in Organic Coatings)’에 게재됐다. 선박에 부착된 따개비나 조류와 같은 해양 생물은 선박의 표면 마찰을 증가시켜 연료 소비를 최대 40%까지 늘리고, 그로 인해 경제적 손실을 초래한다. 이를 방지하기 위해 독성 물질을 방출하는 방오 도료가 사용되고 있으나, 이는 해양 생태계를 교란시킨다는 우려를 낳고 있다. 최근 국제해사기구(IMO)가 해양 환경 보호와 탄소 배출 저감을 위한 새로운 규제를 발표함에 따라, 조선업계는 해양 생물 부착에 따른 선박의 마찰 저항을 줄이면서도 생태계를 해치지 않는 친환경 도료 개발에 주력하고 있다. 이번 연구에서 POSTECH 이상준 교수 연구팀은 긴 사슬을 가진 자유 고분자가 얽힌 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지에 저점도 오일을 함침시킨 LEP(long-chain entangled PDMS) 젤 기술을 개발했다. LEP 젤을 표면에 코팅하자 물이나 기름이 묻지 않고 미끄러졌으며, 해양 생물이나 오염물질의 부착이 억제되었다. 또한, 개발한 LEP 젤은 고속/고압의 수중 환경(11m/s 및 1.2bar)에서도 우수한 미끄럼 성능을 유지했으며, 자가 재보충(self-replenishment) 특성을 가진 오일층 덕분에 그 효과가 장기간 지속됐다. 이 LEP 젤은 강한 표면 오염을 일으키는 홍조류인 피떡말이 자생하는 환경에서 37주 이상 표면을 깨끗하게 유지했다. 또한, 해양 파울링이 극심한 여름철 인천 바다에서 2개월간 수행한 실증 시험에서, LEP 젤 표면에는 해양 생물이 전혀 붙지 않았고, 미생물들이 형성하는 바이오 필름(Biofilm)도 생기지 않았다. 이처럼 독성물질을 방출하지 않으면서 뛰어난 방오 성능을 보인 것은 매우 이례적이다. 이밖에 LEP 젤은 겨울철 얼음과 서리를 방지하는 데도 효과적이었다. 표면에 형성된 오일층 덕분에 얼음이 표면에 거의 붙지 않았으며, 영하의 환경에서 약한 바람만으로도 서리가 전혀 형성되지 않았다. 이는 선박뿐만 아니라 냉각탑, 열교환기, 풍력 터빈이나 항공기 날개 등 겨울철에 결빙이 발생하는 다양한 환경에서 LEP 젤이 매우 유용한 솔루션이 될 수 있음을 나타낸다. 연구를 이끈 이상준 교수는 “LEP 젤은 기존 방오 도료들보다 친환경적이면서도 훨씬 우수한 방오 및 저마찰 성능을 자랑한다“라며, ”이 기술은 선박과 해양 구조물에 유용할 뿐만 아니라 우수한 방오 및 저마찰 성능이 요구되는 다양한 산업 분야에 널리 활용할 수 있을 것“이라며 큰 기대감을 나타냈다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 자연모사혁신기술 개발사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161478 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161478

기계·화공·전자 노준석 교수팀, 빛을 완벽히 제어하다, 결정 변화 통한 메타렌즈 혁신

[POSTECH · 고려대, 온도 변화에 따른 졸-겔 이산화 티타늄 결정 변화 이용해 고효율 메타렌즈 개발] 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과 노준석 교수 연구팀이 고려대 신소재공학과 이헌 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고효율 메타렌즈를 위한 새로운 개념의 이산화 티타늄(TiO2) 소재를 개발했다. 이 연구는 최근 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. 메타렌즈(metalens)는 나노미터(10-9m) 크기의 구조체로 빛을 정밀하게 제어하는 차세대 광학 소자로 통신, 의료 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 메타렌즈를 제작하는 공정 중 하나인 ‘나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography)‘는 스탬프를 찍듯이 나노 패턴을 복제하는 기술로 빠르고 경제적으로 메타렌즈를 제작할 수 있어 산업적으로 매우 유망한 기술로 평가받고 있다. 하지만, 기존에 보편적으로 사용되던 재료인 레진(resin)은 굴절률이 낮아 고효율의 메타렌즈를 만드는 데 한계가 있었다. 이에 비해 이산화 티타늄은 굴절률이 훨씬 높아, 메타렌즈의 성능을 개선할 수 있는 재료로 떠오르고 있지만 고체 상태의 이산화 티타늄을 그대로 적용하기는 어려웠다. POSTECH · 고려대 연구팀은 이번 연구에서 ’졸-겔(Sol-Gel)‘ 합성법을 사용했다. 졸-겔 공정은 액체 상태의 물질을 고체로 변환하는 기술로, 연구팀은 이를 통해 기존 고수율 공정이 어려웠던 이산화 티타늄을 잉크 형태로 만들어 나노임프린트 리소그래피 공정에 적용할 수 있도록 했다. 이 잉크는 그 자체로 1.6~1.7의 굴절률을 가지지만, 높은 온도에서 가열할수록 결정형태가 달라지고, 굴절률이 변화했다. 400℃로 가열하자 비정질(amorphous) 상태로 굴절률이 2.3~2.5로 증가했고, 600℃에서는 아나타제(anatase) 결정상으로 바뀌면서 굴절률도 2.5~2.7로 높아졌다. 가열 온도가 800℃에 도달하자 잉크는 루타일(rutile) 결정상으로 변화하며 굴절률이 2.8~3.0 정도로 상승했다. 연구팀은 새로 개발한 잉크를 나노임프린트 리소그래피 공정에 적용해 기존의 성능 한계를 뛰어넘는 메타렌즈를 제작하는 데 성공했다. 특히, 연구팀은 잉크가 열을 받으면 수축하는 특성을 활용해 공정에서 발생할 수 있는 문제를 해결했다. 도장을 찍듯 구조체를 찍어내는 나노임프린트 리소그래피 공정은 몰드(스탬프)와 레진이 잘 떨어지지 않거나 전사력이 약한 문제가 있었는데, 연구팀이 개발한 잉크는 열을 가하면 수축하는 특성이 있어 이러한 문제를 극복하고 반복적으로 정확한 패턴을 저렴한 비용으로 만들 수 있었다. 또한, 재료의 열 수축으로 인한 변형을 정밀하게 분석해 연구팀은 몰드 설계를 최적화하고, 공정 오차를 최소화했다. 그 결과, 연구팀은 직경 1cm의 메타렌즈를 웨이퍼(wafer)*1 규모로 제작했으며, 이 메타렌즈는 이론적으로 100%에 가까운 효율을, 실험적으로는 70% 이상의 효율을 보였다. 노준석 교수는 “기존에 주로 사용하던 비정질 이산화 티타늄의 아나타제 상과 루타일 결정상을 가진 메타표면을 세계 최초로 구현함으로써 메타렌즈 연구에서 재료와 굴절률의 한계를 극복했다”라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 STEAM연구사업(글로벌융합연구지원)과 대통령과학장학금, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 프로젝트의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202405378 1. 웨이퍼(wafer) 반도체 칩이나 전자 소자를 만드는 얇고 원형의 기판을 의미한다. 이 기판의 크기는 보통 200mm 또는 300mm 직경이 일반적이다. 따라서 "웨이퍼 규모로 제작"이라는 표현은 메타렌즈를 작은 실험적 크기에서 벗어나 산업적인 대량 생산이 가능한 크기로 제작했다는 의미입니다.

화학/첨단재료과학부 황승준 교수팀, 지구온난화 막는 신비의 광물 제올라이트

[황승준 교수팀, 제올라이트(Cu-ZSM-5) 모방한 탄화수소 활성화 촉매 개발] 화학과 · 첨단재료과학부 황승준 교수 연구팀은 중요 에너지원이자 강력한 온실가스 중 하나인 메탄가스(methane)를 유용한 화합물인 메탄올(methanol)로 전환하는 ‘제올라이트(zeolite)’를 모방한 탄소-수소 활성화 촉매 시스템을 개발했다. 이번 연구는 새로운 형태의 촉매 개발을 통해서 친환경 에너지 산업을 위한 촉매 개발의 기틀을 마련했다는 평가를 받으며, 세계 최고 권위 화학 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’에 게재됐다. 천연가스의 주요 성분인 메탄가스는 중요한 에너지원이지만 기체 형태로 존재하기 때문에 운송과 저장이 어려워 활용에 제약이 있다. 또한, 대기 중으로 방출되면 이산화탄소보다 25배 강력한 온실효과를 일으키기 때문에 대부분 연소시켜 이산화탄소로 전환하여 배출하고 있는 실정이다. 따라서 메탄가스를 메탄올로 전환하면 에너지 효율을 높일 수 있고, 온실가스 배출을 줄이는 데도 기여할 수 있다. 그러나 메탄 분자의 강력한 탄소-수소 결합을 끊는 것은 여전히 어려운 과제로, 이를 위한 효과적인 촉매 개발이 큰 도전으로 남아 있다. POSTECH 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 자연에서 쉽게 발견되는 광물인 ‘제올라이트(zeolite)’에 주목했다. 제올라이트는 메탄을 메탄올로 산화하는 반응을 촉진한다고 알려졌지만 광물에 포함된 알루미늄(Al) 등의 원소들이 어떻게 반응에 영향을 미치는지는 그동안 명확하게 밝혀지지 않았다. 이번 연구를 통해 연구팀은 구리(Cu)와 알루미늄을 결합한 새로운 형태의 촉매를 개발했다. 이 촉매는 ‘다중 금속 복합체’로, 두 금속의 결합을 통해 반응 효율을 크게 개선할 수 있는 플랫폼이다. 이 플랫폼을 이용해 실험 결과, 알루미늄이 포함된 경우 기존 대비 활성화 가능한 탄화수소의 결합 세기는 11kcal/mol 증가하였고, 반응속도 또한 14배 증가하여 반응 효율이 크게 향상했다. 특히, 알루미늄이 포함된 촉매는 87kcal/mol의 결합 해리 에너지*1를 가진 탄소-수소 결합을 활성화하여 기존의 구리 옥소 복합체 촉매 중 가장 뛰어난 성능을 보였다. 또한, 연구팀은 알루미늄이 구리와 상호작용하며 촉매 전자 밀도를 변화시키고 이를 통해 반응을 더 원활하게 만든다는 사실을 발견했다. 이 전자 밀도 변화는 탄소-수소 결합 활성화 반응에서 에너지 장벽을 낮춰 반응속도를 가속하는 역할을 했다. 이번 연구는 그동안 밝혀지지 않았던 알루미늄 금속의 촉매 작용 메커니즘을 밝혀냈다는 점에서 큰 의미가 있다. 황승준 교수는 “이번 연구를 통해 제올라이트 기반의 촉매 설계를 위한 중요한 단서를 제공했다”라며, “다양한 불균일계 촉매*2에 대한 이해를 높일 뿐만 아니라, 새로운 촉매 개발 및 에너지 효율 향상에 기여할 것으로 기대된다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성미래기술 육성재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: http://doi.org/10.1021/jacs.4c11614 1. 결합 해리 에너지 하나의 화학 결합이 균형 분해를 하여 끊어지는데 필요한 에너지다. 2. 불균일계 촉매 촉매와 반응물이 서로 다른 상태에 있는 촉매를 의미합니다. 보통 촉매는 고체 상태이고, 반응물은 기체나 액체 상태로 존재하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 고체 촉매가 기체나 액체 반응물과 반응하여 화학 변화를 일으키는 방식입니다.

화학 박선아 교수팀, 나노클러스터로 '빛의 시간'을 늘리다

[POSTECH, 구조에 따른 발광 특성 변화 구현한 새로운 나노소재 기반 구조체 개발] 화학과 박선아 교수팀은 화학과 류순민 교수, 심지훈 교수와의 공동 연구를 통해 새로운 나노클러스터(nanocluster)*1 기반 구조체를 성공적으로 합성하고, 그 구조에 따라 발광 특성이 달라지는 원리를 규명했다. 이 연구는 나노 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다. 나노클러스터는 원자 수준에서 정밀하게 설계된 작은 입자로 그 크기와 구조, 조성을 조절해 가시광선에서 근적외선까지 다양한 영역의 발광 특성을 조정할 수 있다. 특히 근적외선에서 발광하는 나노클러스터는 생체 적합성, 광안정성이 뛰어나고, 높은 용액 가공성으로 인해 바이오 이미징, 센서, 광전자 소자 등의 분야에 응용될 가능성이 크다. 하지만 근적외선 영역에서 발광 특성을 가지는 나노클러스터는 일반적으로 양자 수율(quantum yield)*2이 낮으며, 나노클러스터의 무작위한 배열로 인해 거리, 위치 정보를 정확히 측정하기 어려워 발광 특성 분석에 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해, POSTECH 연구팀은 나노클러스터의 보호 리간드(protective ligand)에 있는 카르복실산(carboxylic acid)과 전이 금속 간 상호 작용을 이용하여 육각형(Au25−Zn-Hex)과 막대형(Au25−Zn-Rod)의 서로 다른 나노클러스터 배열을 가진 두 가지 형태의 구조체를 성공적으로 합성했다. 연구팀은 성공적으로 합성된 두 물질의 구조를 단결정 X-선 회절(single crystal X-ray diffraction) 실험을 통해 원자 수준에서 정확히 규명했으며, 이를 바탕으로 서로 다른 구조에서 나타나는 상호작용의 차이가 발광 특성에 미치는 영향을 비교했다. 그 결과, 막대형 구조는 더 밀도 높은 수소 결합 및 S···π 상호작용*3으로 인해 육각형 구조보다 발광 성능이 6배 뛰어났으며, 빛을 내는 시간도 27배 더 길었다. 또한, 연구팀은 밀도 범함수 이론 계산을 통해 막대형 구조에서 나노클러스터 간 거리가 짧아짐에 따라 상호작용이 강화되고, 그에 따라 엑시톤(exciton)*4 비편재화로 인해 더 효율적인 발광이 나타남을 증명했다. 이번 연구는 나노클러스터의 발광 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 길을 열었으며, 이를 통해 차세대 발광 소자 및 센서 관련 응용 분야에서도 중요한 진전을 이룰 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 이끈 박선아 교수는 “이번 연구는 나노클러스터의 정확한 구조 기반 광학 특성 분석에 대한 어려움을 극복한 성과”라며, ”다른 나노클러스터에도 적용할 수 있어, 물리적 특성과 잠재적 응용 분야를 더 깊이 이해하는 데 기여할 것“이라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국 연구재단 선도연구센터 및 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10096 1. 나노클러스터(NC) 2nm(나노미터) 이하의 크기를 가진 물질로, 분리된 전자 구조를 가진다. 2. 양자수율(QY) 흡수된 광자 수에 대한 방출된 광자 수의 비율을 의미한다. 3. S···π 상호작용 황(S) 원자와 π(파이) 결합을 가진 분자 사이의 상호작용을 말한다. 4. 엑시톤(Exciton) 절연체 또는 반도체 내에서 전자와 양공이 결합하여 만든 준입자다.

기계 김진태 교수팀, 피부로 세상을 보다

[POSTECH · Georgia Tech · Northwestern 연구팀, 피부 밀착형 무선 햅틱 기술로 실시간 감각 피드백 제공, 시각 · 감각 제약 넘어서는 혁신적 경험 실현] 기계공학과 김진태 교수는 미국 조지아 공대(Georgia Tech) 매트 플라빈(Matt Flavin) 교수, 노스웨스턴대(Northwestern) 하경호 박사와 존 라저스(John A Rogers) 교수와 협업해 피부 밀착형 무선 햅틱(haptic)*1 기기를 개발, 환자 치료 및 다양한 산업에 새로운 가능성을 열었다. 이번 연구는 과학 분야 최고 권위지인 ‘Nature(네이처)’에 최근 게재됐다. 사람의 피부에는 다양한 기계적 수용체(mechanoreceptors)가 있어 촉각과 압력, 온도 등 감각을 감지한다. 그동안 의료기기와 웨어러블 기기 등 여러 분야에서 이를 활용하려는 연구가 활발히 진행되었지만 피부 유연성과 개인차(피부 두께, 탄력성 등)를 고려한 시스템 개발은 여전히 큰 도전 과제로 남아 있었다. 이에 연구팀은 피부에 밀착되는 햅틱 장치를 개발하여 피부의 기계적 수용체를 효과적으로 자극하고 적은 에너지로도 여러 감각을 제공하는 시스템을 구현했다. 이 기기는 압력과 진동 등의 자극을 피부에 전달하면서, 다양한 감각을 세밀하게 재현할 수 있다. 특히, 연구팀은 사람 피부의 특성을 고려해 동적(움직이는 상태), 정적(고정된 상태) 자극을 모두 제공하고, 수직 및 수평 방향으로 자극을 전달해 감각을 보다 현실감 있게 느낄 수 있도록 설계했다. 또한, 연구팀은 이 햅틱 기기가 ‘압력’과 ‘팽창’ 두 상태를 안정적으로 오가며 에너지의 소모를 최소화하고, 기기 스스로 변형을 감지해 감각 자극의 정확성을 높일 수 있도록 이중안정성 및 자기 감지 변형 모드를 적용했다. 특히, 이 기기는 시각과 촉각, 또는 그 외의 다른 감각 기능에 어려움을 겪는 사람들에게 실시간으로 정보를 피부를 통해 전달한다는 점에서 큰 의미가 있다. 앞이 보이지 않더라고 스마트폰이나 다른 장치로부터 전달된 3D 환경 정보를 피부로 느끼면서 주변을 인식할 수 있게 된 것이다. 이 기술은 환자 맞춤형 치료, 스마트 웨어러블 기기, 헬스케어 등 산업에서도 큰 잠재력을 갖고 있다. 예를 들어, 환자에게 부착된 기기를 통해 환자의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 필요한 자극을 정확하게 전달함으로써 치료의 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 가상(VR) · 증강(AR) 현실 분야에서는 더욱 직관적이고 몰임감 있는 경험을 제공할 수 있어 유망한 응용 가능성을 제시한다. 김진태 교수는 “2022년 네이처 일렉트로닉스(Nature Elctronics)에 발표된 선행 연구는 잘 휘어지는 유연 소재와 진동 촉각 센서를 융합한 햅틱 장치였다”라며, “이번에는 단순한 진동을 넘어 찢어지는 듯한 느낌 등 다양한 감각을 반영하여 사실감을 더욱 높였다”라며 이번 연구의 의의를 설명했다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08155-9 1. 햅틱(haptic) 접촉 감각 같은 촉각적 상호작용을 통해 사용자가 물리적 감각을 경험하게 하는 기술을 말한다.

물리/융합 박경덕 교수팀, 양자물질의 전자 분포, 극한 나노 공간에서 자유자재로 제어한다

[박경덕 교수팀, 초고분해 극초단 펄스 전압조절기 개발, 2차원 반도체의 무작위 전자 확산 난제 극복 성공] 물리학과 · 융합대학원 박경덕 교수 연구팀이 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발했다. 이를 이용해 나노 공간에서 2차원 양자물질의 전자 분포를 자유자재로 조절하고, 이에 따른 전기적 · 광학적 특성 변화를 조사하는 것이 가능해졌다. 전자 분포는 양자소자의 전기적 · 광학적 특성을 결정짓는 중요한 요소로, 양자물질의 전자 분포를 극히 작은 공간에서 정밀하게 제어하는 기술은 차세대 초미세 반도체소자 개발의 초석이 된다. 전자 분포를 조절하여 2차원 반도체의 상전이, 전도도 변화, 반도체입자 형성 및 거동을 제어할 수 있으며, 초전도 특성을 가지는 반도체나 특수한 나노격자 구조를 이용한 메모리 구현이 가능하다. 저차원 양자물질의 전자 분포와 밀도 조절을 위한 대표적인 방법으로 화학적 전하주입법과 정전기적 전하주입법이 있다. 이 중 정전기적 전하주입법은 가역적이고 비파괴적이며, 빠르고 안정적인 전자 분포 조절이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 나노 공간에서의 정전기적 전하주입법은 아직까지 해결되지 못한 어려운 문제다. 반도체 나노 공간에 전기장을 걸더라도 전자의 빠른 확산으로 인해 제어 불가능한 넓은 공간의 전자 분포가 변화하게 된다. 이러한 2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산은 초미세 반도체소자 개발에 있어서 큰 제약이 되고 있다. 따라서 차세대 반도체소자 개발을 위해서 전자 확산 문제를 극복하고 나노 공간에서 반도체의 전자 분포를 조절하는 기술이 필요하다. 연구팀은 원자힘현미경, 전도성 나노광학 안테나 탐침, 초고분해 분광장치, 고속 교류전압 펄스 발생기를 연동 결합한 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발해 나노 공간에서 저차원 양자물질의 전자 분포를 조절하는 장비를 최초로 구현했다. 복잡한 미세 전극 소자가 필요한 기존 방식과 달리 나노광학 안테나 탐침에 고속 교류전압을 걸어 저차원 양자물질의 전자 밀도를 나노 공간에서 자유자재로 조절하는 데 성공한 것이다. 연구팀은 개발한 장비를 이용하여 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층의 전기적 및 광학적 특성을 나노 공간에서 정밀하게 제어했다. 또한, MoS2 단일층의 전기적 특성과 광학적 특성을 정밀하게 동시 측정한 결과, 전자 밀도를 조절함에 따라서 MoS2 나노 공간 내 반도체입자들이 상호 변환되며, 동시에 MoS2 단일층의 광발광 양자수율*1에도 변화가 있는 물리적 현상을 규명했다. 더 나아가 고속 교류전압 펄스 폭에 따른 광발광 세기 측정과 이와 연관된 이론적 모델링을 통해 초고분해 극초단 펄스 전압조절기에 의해 전자 분포 제어가 나노 공간에서 가능함을 검증했다. 논문의 제1저자인 김수정 씨는 ”양자물질의 전자 분포를 자유자재로 제어하는 원천기술의 개발은 차세대 초미세 반도체소자 개발의 토대가 될 것“이라는 기대를 전했다. 또한 논문의 공동 제1저자인 이형우 씨는 “2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산 난제를 극복하고 이의 능동적제어까지 가능해졌기 때문에 전자 밀도의 공간적 변화에 의해 반도체소자에서 발생하는 다양한 물리현상들을 다각적으로 규명할 수 있을 것”이라고 전했다. 한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막 제작은 울산과학기술원(UNIST) 박형렬 교수팀이 참여했으며, POSTECH 물리학과 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행했다. 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 에 최근 게재됐다. DOI: http://doi.org/10.1126/sciadv.adr0492 1. 광발광 양자수율 물질이 흡수한 광자 수 대비 방출하는 광자 수의 비율로, 물질의 광발광 효율을 나타내는 지표이다.