Research

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 유체로 빛의 초점 바꾸고 광 무선 통신 미래 열다

[노준석 교수팀, 유체 주입형 메타렌즈 통한 재구성 가능 지능형 표면 구현] 기계공학과·화학공학과·전기전자공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김재경 씨 연구팀은 유체 주입형 메타렌즈를 이용해 광 신호를 효율적으로 조절하고, 데이터를 선택적으로 전송할 수 있는 혁신적인 광 무선 통신 플랫폼을 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. ‘재구성 가능한 지능현 표면’이란 외부의 자극에 따라 형태와 기능을 자유롭게 변화시키는 표면을 의미한다. 이 기술은 주로 라디오 주파수(RF)를 효과적으로 제어하는 데 많이 활용되고 있는데, 광학 분야에서는 초점 거리와 빛의 굴절을 실시간으로 조정하기 어렵다는 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 노준석 교수 연구팀은 실리콘 기반 메타렌즈에 다양한 굴절률을 가진 유체(액체 또는 기체)를 주입한 ‘재구성 가능한 지능형 표면’ 기술을 개발했다. 이 기술은 1550nm(나노미터) 파장의 근적외선 영역에서 유체의 굴절률과 입사광의 편광을 활용해 초점 거리를 자유롭게 조정할 수 있어 기존에는 어려웠던 광 신호의 정밀 조절과 자기 조정 위치 설정이 가능하다. 연구팀은 공기, PMMA(투명 플라스틱), AZ-GXR(포토레지스트) 등 다양한 유체를 사용해 각 굴절률에 따른 초점 거리 변화를 실험을 통해 확인했다. 또한, 6단계의 초점 거리 변화를 검증하고, 0.4-0.5mm(밀리미터) 정도로 정밀한 초점 조정에도 성공했다. 특히, 연구팀이 개발한 기술은 카메라 센서 등에 사용되는 반도체 기술인 CMOS*1 기술과도 호환되기 때문에 광 신호 처리, 무선 통신 시스템에 효과적으로 적용될 수 있다. 노준석 교수는 "광 영역에서 재구성 가능한 지능형 표면을 구현하여 광 신호 조절과 선택적 데이터 전송에 성공한 것은 큰 의미가 있다“라며, ”이 기술은 적외선 이미징과 다중 채널 광 무선 통신 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것"이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 과제, 포스텍-삼성전자 반도체 인력 양성 사업, 과학기술정보통신부/한국연구재단/정보통신기획평가원 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202406690 1. CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor의 약자로, 상보형 금속 산화막 반도체를 의미한다. 주로 반도체 소자를 만들 때 사용되는 기술 중 하나다.

물리 김범준·김기석 교수팀, 양자 컴퓨팅 혁신의 열쇠 ‘나선성 메커니즘’, 마침내 밝혀지다

[김범준·김기석 교수팀, 칼코젠 화합물 나선성 전하 밀도파 메커니즘 세계 최초 규명] 물리학과 김범준 교수, 통합과정 김광래·김현우·하승혁 씨 연구팀은 김기석 교수, 복진모 연구원 연구팀과의 공동 연구를 통해 전이금속 칼코겐화합물에서 ’나선성 전하 밀도파*1(Chiral Charge Density Wave, CDW)‘ 현상을 관측하고, 그 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 이번 연구는 물리학계 권위 학술지 ‘네이처 피직스(Nature physics)‘ 온라인판에 최근 게재됐다. 나선성(Chirality)은 물체가 자기 거울상과 대칭되지 않고 구별되는 현상이다. 이는 전자 등의 입자 배치와 상호작용에 영향을 미치며, 양자 컴퓨팅의 속도를 획기적으로 높일 수 있어 스마트폰과 컴퓨터, 자동차 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌 것으로 기대된다. 그러나, 아원자*2 수준부터 생명체에 이르기까지 자연계에서 널리 존재하는 나선성의 형성 원리는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 이번 연구는 타이타늄(Ti)과 셀레늄(Se)으로 이루어진 1T-TiSe₂(원티-타이타늄 셀레늄 투)라는 전이금속 칼코겐화합물(TMDs*3)에서 나타나는 ’전하 밀도파‘와 ’격자 변형‘의 상호작용을 규명하려는 시도에서 시작됐다. 이 두 현상은 전자의 움직임과 원자 진동, 그리고 구조 변화에 대한 중요한 정보를 제공한다. 연구팀은 자체 개발한 라만 분광 장비와 미국 아르곤연구소와 함께 수행한 빛의 비탄성 산란 실험*4을 통해 물질 내 원자들의 진동을 추적하고, 나선성 구조가 형성되는 과정을 세밀하게 분석했다. 연구에 따르면, 전자가 재배치되면서 전하 밀도파가 발생할 때 원자들은 새로운 위치로 이동하여 결정 구조가 변화하게 된다. 이 원자들의 움직임은 특정 형태의 진동이 고정되는 현상으로, 다양한 원자 진동을 관측함으로써 미세한 구조 변화를 포착할 수 있다. 이 과정에서 연구팀은 기존에 알려진 것과 달리 원자 진동을 지배하는 대칭성과 전하 밀도의 대칭성이 근본적으로 다르다는 사실을 발견했다. 그동안 ’전하 밀도파‘와 ’격자 변형‘이 동일한 대칭성을 가진다고 알려졌지만, 실제로는 이 두 현상이 서로 영향을 주고받으면서도 각기 다른 대칭성을 따랐다. 그리고, 이 대칭성의 불일치를 해결하기 위한 원자들의 추가 진동으로 인해 구조적 변화가 일어나며, 그 결과 모든 대칭성이 깨져 ’나선성 구조‘가 형성됐다. 두 현상 간 대칭성의 차이가 나선성 구조 발현 메커니즘의 핵심이었던 것이다. 연구를 이끈 김범준 교수는 “1976년 1T-TiSe₂의 결정 구조가 처음 보고된 이후, 이 물질에서 나선성이 발현된 최초의 실험적 증거를 찾았다”라며, “이번 연구는 향후 양자 물질 설계에 중요한 기반이 될 것”이라고 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 기초과학연구원, 재단법인 삼성미래기술육성재단 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02668-w 1. 전하 밀도파 전자가 결정 구조와는 다른 새로운 주기의 변형을 일으키며 발생하는 파동 형태의 전하 밀도를 말한다. 2. 아원자 원자보다 더 작은 입자로 소립자나 원자핵, 양성자, 전자 등이 있다. 3. 전이금속 칼코겐화합물(TMDs) 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 타이타늄(Ti) 등 주기율표에서 3주기 이상에 위치한 전이금속과 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등 주기율표 16족 칼코겐 원소가 결합한 화합물을 말한다. 4. 빛의 비탄성 산란 실험 비탄성 산란 실험이란, 빛을 물질에 쏘아 빛의 에너지 변화로부터 원자와 전자의 운동 방식을 파악하는 실험으로, 물질 내의 미세한 구조와 상호작용을 분석할 수 있다.

화학 박선아 교수팀, 출력과 에너지, 한 구조체 안에 담다

[박선아 교수팀, 분자 단위 기공 개질로 빠르고 가역적인 산화환원 활성 유도] 화학과 박선아 교수 연구팀은 차세대 고성능 에너지 저장 장치인 슈퍼커패시터(Supercapacitor)의 성능을 크게 향상할 수 있는 전극 소재를 개발했다. 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of American Chemical Society)’에 최근 게재됐다. 전기차, 재생에너지 저장 시스템, 고속 충전 전자기기 등 첨단 기술의 수요가 점점 증가하면서 슈퍼커패시터와 같은 고성능 에너지 저장 기술이 각광받고 있다. 이에 전 세계 연구진은 높은 에너지 밀도와 출력 특성을 동시에 갖춘 전극 소재를 개발 중에 있으며, 그중에서 특히 이차원 전기전도성 금속-유기 구조체(Metal-Organic Framework, 이하 MOF*1)가 또다른 슈퍼커패시터 전극 소재로 주목받고 있다. 전기전도성 MOF는 고유의 다공성 구조로 인한 넓은 표면적과 더불어 우수한 전기전도도를 지닌다. 또한, 구초제 내 산화-환원 활성을 가지는 자리가 있어 이온의 흡탈착뿐 아니라 빠른 산화-환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 유사커패시터*2의 전극 활물질로 떠오르고 있다. 그러나, 효율적인 에너지 저장을 위해서는 전해질 이온이 활성 부위까지 빠르게 도달할 수 있어야 한다. 박선아 교수 연구팀은 ‘펜던트(pendant) 도입’이라는 새로운 접근법을 이용해 슈퍼커패시터의 성능을 향상했다. 화학에서 펜던트는 주요한 구조물에 결합하여 특정 성질이나 기능을 부여하는 그룹을 말한다. 연구팀은 MOF에 극성을 띠는 아민기(amine)기를 도입해 기공 내부의 친수성을 높여 전해질이 MOF 내부로 더 쉽게 이동하도록 유도했다. 이렇게 개선된 구조는 산화-환원 활성자리로의 전해질 이온 접근을 용이하게 하여 빠른 산화-환원 반응을 유도해 에너지 저장 효율을 획기적으로 높였다. 연구팀은 전기화학 및 X-선 실험을 통해 펜던트가 추가적인 산화-환원 활성을 가져 높아진 정전용량에 기여했음을 확인했다. 실험 결과, 펜던트 아민기가 없는 MOF(Cu3(HHTP)2)는 232±15F/g(패럿 퍼 그램)*3의 정전용량을 기록한 반면, 펜던트 아민기를 추가한 MOF(Cu3(HHTATP)2)는 약 47% 증가한 340±15 F/g의 정전용량을 나타냈다. 또, 이 MOF를 전극 활물질로 활용한 슈퍼커패시터 디바이스 성능 평가에서 7,000번의 충·방전 후에도 약 90% 이상의 성능을 유지하며 높은 안정성을 입증했다. 박선아 교수는 “큰 구조적 변화 없이 분자 단위에서 기공의 극성을 조절해 기공 환경과 전기화학적 특성 간의 상관관계를 규명함으로써, 차세대 전극 소재 개발에 있어 새로운 접근법이 될 수 있을 것”이라며 이번 연구의 의의를 강조했다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c11372 1. Metal–Organic Framework(MOF) 금속 이온과 유기 분자가 서로 연결되어 만들어진 다공성 물질이다. 2. 유사커패시터(Pseudocapacitor) 슈퍼커패시터의 한 종류로 물리적인 전하 분리 현상에 더불어 전극/전해질 계면에서 빠르고 가역적인 전기화학적 산화환원 반응을 통해 에너지를 저장하는 장치다. 3. F/g 패럿 퍼 그램 (Farads per gram)**의 약어로, 전극 소재의 정전용량을 나타내는 단위다. 정전용량은 전극이 저장할 수 있는 전하의 양을 나타내며, 1 패럿은 1 볼트(V)의 전압에서 1 쿨롱(C)의 전하를 저장할 수 있는 능력을 의미한다.

친환경소재/신소재 김형섭 교수팀, 고온 합금의 게임체인저, 새로운 전략의 탄생

[김형섭 교수팀, 계층 구조 통해 우수한 기계적 물성 지닌 산업용 금속 소재 개발] 친환경소재학과·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 다양한 규모의 헤테로(hetero) 계층 구조를 개발해 우수한 기계적 물성과 경제성, 경량화를 동시에 달성할 수 있는 합금 설계 전략을 제시했다. 이번 연구는 금속 분야 국제 학술지인 ‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia)’에 최근 게재됐다. 건축, 기계, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서는 여러 금속이 합쳐진 합금이 사용된다. 고온에 주로 사용되는 합금의 경우 고온에서 뛰어난 기계적 특성과 안정성을 제공할 니켈(Ni)과 코발트(Co)를 사용하면 좋은 성능을 낼 수 있지만 가격이 비싸고 무게가 증가하는 문제가 동시에 발생해 산업적 활용이 제한되는 문제가 있었다. 고온 환경에서의 뛰어난 성능에도 불구하고 비용과 무게 문제로 인해 광범위한 적용이 어려운 것이다. 연구팀은 철(Fe) 기반 합금을 통해 가격 경제성과 경량화를 달성하는 동시에, 계층적 헤테로 구조를 도입해 고온에서 기계적 물성을 유지하는 방법을 개발했다. 이 헤테로 구조는 서로 다른 미세구조가 함께 존재해 서로 보완하는 효과로 인해 더욱 강해지는 방식이다. 연구팀은 마이크로미터(㎛), 나노미터(nm), 서브 나노미터 등 다양한 규모에서 단계적으로 헤테로 구조를 구성하여 합금의 기계적 특성을 크게 향상하는 데 성공했다. 연구팀의 만든 합금은 기존 고온 소재에 비해 절반 이하의 비용으로 경량화를 이루었으며, 순수한 철보다도 가볍다. 또한, 이 합금은 고온 및 상온에서 기계적 물성을 기존의 고온 상용 재료와 유사한 수준으로 유지하며 가격과 무게, 고온 물성의 뛰어난 조화를 이루어냈다. 연구를 주도한 김형섭 교수는 “산업 활용에 최적화된 합금 설계를 통해 차세대 고성능 소재 개발의 새로운 방향성을 제시했다“라며, ”향후 자동차, 배터리팩, 우주 산업 등 다양한 산업에 활용될 것을 기대한다“고 밝혔다. 한편, 이 연구는 포스코, 한국연구재단 중견연구사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120397

생명/융합 임신혁 교수팀, 새로운 암 치료 전략 제시: 조절T 세포에서 GLUT3를 표적으로 항종양 면역 강화

[POSTEH 임신혁 연구팀, 항암 면역 증강 위한 신규 타겟 물질 발굴 및 작동 기작 규명] 생명과학과 · 융합대학원 임신혁 교수(이뮤노바이옴 대표), 바이오미래기술혁신연구센터 아밋 샤르마(Amit Sharma) 박사 연구팀은 중국 상하이텍 디파얀 루드라(Dipayan Rudra) 교수팀 등과의 공동 연구를 통해 암세포 주변 면역조절 T 세포의 활성을 무력화할 수 있는 신규 물질(GLU3)을 발굴했다. 이 연구는 면역 분야 국제 학술지인 ‘세포 및 분자 면역학지(Cellular and Molecular Immunology)'에 게재됐다. 면역조절 기능을 가진 T 세포(이하 Treg)는 자가항원 및 음식물 등에 대한 과도한 면역 반응을 억제하여 우리 몸의 면역 관용을 유지하는 이로운 역할을 하지만, 암세포 주변에서는 오히려 암세포가 다른 면역세포에게 공격당하지 않도록 보호하는 역할을 하기도 한다. 특히 종양 침윤 조절 T 세포(이하 TIL-Treg)는 암세포를 공격하는 다른 면역 세포의 활동을 억제하여 암이 면역 공격을 피할 수 있도록 한다. 특히 암 주변의 TIL-Treg를 불활성화 시키는 전략은 항암제 개발에 매우 중요한 신약 개발 타겟으로 대두되고 있다. 최근 암 치료에서 이러한 Treg를 표적으로 삼고 이들을 불활성화 시켜 항종양 면역 반응을 회복하려는 연구가 활발하지만, Treg를 몸 전체에서 불활성화하는 것은 심각한 자가면역 반응과 염증을 유발할 위험이 있다. 따라서 학계는 Treg의 면역 억제 기능을 암세포 주변에서 선택적으로 억제해 암 특이적 면역 증강을 유도하는 연구에 집중하고 있다. 임신혁 교수 연구팀은 Treg가 암세포 주변에서 독특한 대사적 특성을 가질 가능성에 착안해, TIL-Treg의 포도당 대사 경로를 면밀히 분석했다. 그 결과, 연구팀은 TIL-Treg는 GLUT1이 아닌 GLUT3을 사용해 포도당을 흡수한다는 사실을 발견했다. GLUT3는 뉴런에서 주로 발견되는 포도당 운반체로 알려져 왔으나, 연구팀은 암세포를 둘러싼 주변 환경에 존재하는 GLUT3이 TIL-Treg의 면역 억제 능력과 관련이 있다는 것을 입증했다. GLUT3을 선택적으로 제거한 쥐 모델에서 Treg의 면역 억제 기능이 사라지고, 다른 면역 세포들의 활동이 증가함으로써 종양 성장도 크게 억제됐다. 또한, GLUT3의 포도당 흡수가 단백질 수정 대사 경로(O-GlcNAcylation)를 활성화해 TIL-Treg의 종양 특이적 특성을 유지하도록 돕는다는 사실도 확인했으며, 고려대 의대 곽정면 교수 연구팀과 종양 환자에서 유래한 시료를 활용한 실험에서도 같은 결과를 얻었다. 이 연구는 GLUT3을 타겟으로 하는 약물이 Treg 활성을 선택적으로 억제하고, 암세포에 대한 면역 반응을 강화할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 정상세포의 손상 없이 암세포 주변의 Treg만 불활성화해 부작용을 최소화하면서 효과적인 항종양 면역 반응을 강화할 수 있는 치료법 개발의 기초를 마련한 것이다. 논문 제1저자인 아밋 샤르마 박사는 암세포 주변 Treg의 활성에 관여하는 GLUT3 의 역할을 강조했다. 그는 "암세포 주변의 Treg가 제한된 조건에서 살아남기 위해 특정 포도당 수송 경로를 활성화하는 것은 흥미로운 발견“이라며, ”GLUT3 기반 치료법이 앞으로 항종양 면역을 강화할 것” 이라고 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 우수중견연구 및 혁신연구센터 지원사업 (Innovation Research Center)을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41423-024-01229-8

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, 초고속 광음향 소동물 전신 촬영술의 새로운 패러다임

[김철홍 교수팀, 전신 생체역학 모니터링 위한 고속 회전 스캐닝 PACT 시스템 개발] 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, 인공지능연구원 최성욱 연구원(現 미국 스탠포드대 박사), 전자전기공학과 양 징게(Yang Jinge) 연구원(現 미국 칼텍 박사) 연구팀이 빠른 속도로 생체를 촬영하는 연속 회전 스캐닝 방식의 광음향 단층촬영(이하 PACT) 시스템을 개발했다. 이 연구는 광학 분야 국제 학술지 중 하나인 '레이저 & 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)' 온라인판에 최근 게재됐다. 생명체의 복잡한 생물학적 과정과 질병 진행 상황을 이해하기 위해 생체 전체 동역학을 추적하는 것이 중요하다는 인식이 확산되고 있다. 현재 소동물 모델에 적용되는 다양한 영상 기술(X-선 CT, MRI, PET, 광학 영상 등)은 각기 장단점이 있어 연구자들은 생체 조직의 구조적, 기능적, 분자적 측면을 관찰할 수 있는 PACT에 주목하고 있다. PACT 시스템은 광학과 초음파 촬영 기술의 장점을 결합해 기존 영상 기술의 한계를 극복할 수 있는 유망한 대안으로 평가받고 있지만, 전신 촬영에 수 분이 걸리고 해상도가 낮으며, 신체의 한쪽 면만 관찰할 수 있는 등 제한이 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하고, 소동물 몸통에서 여러 생물학적 매개변수를 빠르게 관찰할 수 있는 PACT 시스템을 개발했다. 이 시스템은 반구형의 초음파 트랜스듀서(transducer) 배열을 고속으로 회전시켜, 기존의 단계별 스캔보다 훨씬 빠른 속도로 여러 데이터를 동시에 수집할 수 있다. 이 기술로 연구팀은 단 9초 만에 쥐 모델의 360° 해부학 이미지를 얻었으며, 전체 몸통 스캔에는 54초가 걸렸고, 공간 해상도는 약 212마이크로미터(µm)에 달했다. 이 시스템을 이용해 연구팀은 전체 신체 구조를 이미지화할 뿐만 아니라 살아 있는 동물의 약물 동태와 헤모글로빈 산소 포화도 변화를 모니터링하는 데도 성공했다. 특히 넓은 조직의 산소 포화도를 관찰할 수 있어 복잡한 생물학적 시스템에서 산소 운반과 분포를 이해하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다. 김철홍 교수는 "기존 영상 기술과 유사한 성능을 제공하면서도 분자 및 기능적 정보를 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다"라며 이번 연구의 의의를 전했다. 또, 최성욱 박사는 "이 시스템이 전임상 연구 분야에서 생물학적 시스템의 빠른 동역학과 산소 동역학 등에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 것"이라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 교육부의 대학중점연구소사업, 과학기술정보통신부의 중견연구사업과 브릿지융합연구개발사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업, BK21의 지원을 받아 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202400672

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 뜨거운 태양 막고, 시원함은 지켜내는 똑똑한 방충망

[POSTECH · 고려대 연구팀, 복사냉각 원리 기반 차세대 투명 냉각 필름 개발] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 고병수 동문 · 기계공학과 통합과정 노재범 씨 연구팀은 고려대 신소재공학과 이헌 교수, 통합과정 채동우 씨 연구팀과의 공동 연구를 통해 방충망처럼 구멍이 뚫린 구조체를 사용해 태양열을 조절해 내부 온도를 낮추는 투명한 복사냉각 필름을 개발했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다. 물체는 태양빛을 받으면 일반적으로 온도가 올라가지만, 별도의 전력이 없어도 스스로 열을 방출해 온도를 낮추는 기술이 있다. 이를 ‘복사냉각’이라고 한다. 최근에는 이 기술을 유리처럼 투명한 필름에 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있지만 태양열이 함께 투과되면서 냉각 효과가 충분하지 않은 한계가 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 POSTECH·고려대 공동 연구팀은 구멍 뚫린 은(Ag)으로 된 기판, 브래그 미러(Bragg mirror)와 함께 PDMS(Polydimethylsiloxane) 코팅을 결합하여 복사냉각 성능과 투명도를 동시에 갖춘 필름을 개발하는 데 성공했다. 브래그 미러는 태양열을 많이 흡수하는 근적외선의 빛을 반사하도록 다층 박막 구조로 설계된 거울이다. 또한, 연구팀은 은 기판에 마이크로미터(㎛) 규모의 구멍을 뚫어 방충망처럼 구조를 설계함으로써 일부 빛이 통과하게 하여 시야를 확보했다. 그리고, 대기창*1 영역에서 원적외선을 방출하기 위해 높은 흡수율을 가진 실리콘 기반의 PDMS 코팅을 사용했다. 구멍 뚫린 은 기판과 브래그 미러, PDMS 코팅층을 겹겹이 쌓아 만든 필름은 뛰어난 냉각 성능과 시야 확보가 동시에 가능했으며, 이 필름을 적용한 유리는 PDMS 코팅 유리보다 22.1°C 더 낮은 온도를 유지했다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “이 기술은 대량생산이 가능해 실제 산업에 적용할 수 있으며, 건축과 환경 분야에서 큰 잠재력을 지니고 있다”라며, “무엇보다 열을 효과적으로 방출해 에너지 소비를 줄일 수 있어, 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술로서 큰 의미가 있다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코 홀딩스 N.EX.T IMPACT 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 과학기술정보통신부/한국연구재단 선도형 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202410613 1. 대기창(atmospheric window) 특정 파장의 전자기파, 특히 적외선이 대기 중에서 거의 흡수되지 않고 자유롭게 통과할 수 있는 영역 2. Psun 복사냉각기로 전달되는 태양에너지 3. PDMS/OBR-PDMS/OBR-WR-PDMS PDMS 코팅된 유리 시편, (optimized bragg mirror with PDMS coating, and the full structure comprising optimized bragg mirror, window screen reflector, and PDMS coating)

친환경소재/신소재 김형섭 교수팀, 금속의 강도와 연성 사이의 딜레마, 드디어 풀었다!

[POSTECH · 공주대, 새로운 형태의 헤테로 구조 통한 금속 재료 연구 난제 해결] 친환경소재학과 · 신소재공학과 김형섭 교수 연구팀은 공주대 신소재공학부 · 첨단분말소재부품센터 문종언 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 새로운 형태의 ‘헤테로(hetero)’ 구조로 금속 재료의 강도와 연성 간 트레이드 오프(trade-off) 딜레마를 해결했다. 이 연구는 금속 분야 최고 권위 국제 학술지인 ‘악타 머티리얼리아(Acta Materialia)’에 최근 게재됐다. 금속 재료는 일반적으로 강도를 높이면 연성이 떨어지는 딜레마가 존재한다. 이를 극복하기 위해 서로 다른 물성을 가진 구조를 결합한 헤테로 구조 연구가 활발히 진행되고 있지만 기존의 헤테로 구조에서는 구조 간 경계에서 발생하는 응력 집중으로 인해 소재가 쉽게 손상되는 문제가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 상변태, 즉 특정 조건에서 금속 성질이 바뀌는 현상과 헤테로 구조 간 관계에 주목했다. 연구팀은 금속이 변형될 때 이러한 상변태가 표면에서 내부로 점진적으로 확산하도록 설계해 기존과는 달리 역동적으로 변화하는 헤테로 구조를 개발했다. 그 결과, 금속 계면에서 강도를 높여주는 추가적인 강화 효과를 얻는 동시에 변형 과정에서 응력 집중 발생으로 인한 데미지 현상을 줄여 금속이 손상되지 않도록 했다. 이 새로운 구조는 항복 강도*1가 기존 대비 138%가 증가했으며, 연성도 일부 개선된 결과를 나타냈다. 금속 재료 연구의 난제로 꼽히던 강도-연성 딜레마를 극복할 가능성을 보여준 것이다. 김형섭 교수는 “이번 연구는 기존에 없던 새로운 헤테로 구조 설계 방안을 제시한 것으로, 합금 설계에 새로운 패러다임을 열었다“라며, ”이 설계가 앞으로 다양한 구조 재료에 활용될 수 있을 것“이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 기본연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120060 1. 항복 강도 소성 변형이 발생하지 않고 재료에 가할 수 있는 최대 응력

화공 이효민 교수팀, 표면장력 제어로 숨겨진 정보 드러난다!

[이효민 교수팀, 다단계 습윤 패턴 활용한 새로운 광학 암호화 기술 개발] 화학공학과 이효민 교수 · 통합과정 류민 씨 연구팀이 표면의 ‘습윤 패턴’을 기반으로 혁신적인 광학 암호화 기술을 개발했다. 이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 디지털 정보 보안이 중요해지면서 별도의 복잡한 장치 없이 빠르고 효율적으로 암호를 해독할 수 있는 광학 암호화 기술이 주목받고 있다. 그중 ‘습윤 패턴’ 기술은 표면의 습윤성을 조절하여 액체가 닿았을 때의 표면장력에 따라 정보가 나타내도록 설계하는 방식이다. 그러나, 기존의 습윤 패턴은 정보를 보이거나 숨기는 수준에 그쳐 정보량이 제한되고, 보안성이 낮다는 한계가 있었다. 이효민 교수팀은 ‘티올-엔 클릭 반응(Thiol-ene click reaction)*1’을 활용해 고분자 표면에 다양한 기능성 작용기를 정밀하게 부착하고, 다단계 습윤 패턴을 형성해 정보 보안을 한층 강화한 새로운 기술을 개발했다. ‘티올-엔 클릭 반응’은 티올(-SH)과 엔(C=C) 분자가 선택적으로 결합하는 반응으로 높은 효율성 덕분에 ‘클릭’ 반응이라고 불린다. 연구팀은 이 반응을 이용하여 비닐 메타크릴레이트(VMA)와 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA) 기반 고분자에 여러 작용기를 붙여 습윤도를 정밀하게 제어하고, 특정 용액에 따라 정보를 단계적으로 나타내는 시스템을 구현했다. 이 기술은 습윤 패턴이라는 물리적 변화를 사용하기 때문에 외부 전력 공급이 필요 없어 무동력 디스플레이나, 휴대용 기기, 고급 암호화 장치 등에 매우 유용하며, 친환경적인 해독용 용액을 사용해 실용성도 갖췄다. 또한, 연구팀은 습윤 패턴 이외에도 pH에 반응하거나 형광을 발하는 기능을 결합해 기존 기술보다 한층 더 강화된 보안성을 확보했다. 연구를 이끈 이효민 교수는 “습윤 패턴 기술은 위조방지 및 무동력 디스플레이, 센서 등 분야에서의 잠재력이 크다“라며 연구의 의의를 전했다. 또한, 제1저자인 류민 씨는 “티올-엔 클릭 반응을 기반으로 한 기술은 공정이 간단해 실용성과 확장 가능성이 매우 크다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부(중견과제, 혁신연구센터)의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202414242 1. 티올-엔 클릭 반응(Thiol-ene click reaction) 두 가지 분자, 티올(-SH)과 엔(C=C)이라는 구조를 갖는 분자가 서로 결합하는 매우 간단하고 효율적인 화학 반응. 높은 선택성과 빠른 반응 속도의 특성 덕분에 "클릭" 반응이라 불린다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 콘택트렌즈로 구현한 홀로그램, 차세대 AR 기술 가능성 열다

[POSTECH·KAIST·KIMM, 히알루론산 수분 감응형 결합에너지 이용한 메타표면 트랜스퍼 프린팅] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김경태 씨, KAIST(한국과학기술원) 기계공학과 박인규 교수, 고지우 박사, KIMM(한국기계연구원) 정준호 박사 공동 연구팀이 보습력이 우수한 히알루론산(Hyaluronic acid)*1으로 콘텍트렌즈 위에 메타표면을 트랜스퍼 프린팅(transfer printing)*2하는 기술을 개발했다. 이 연구는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. 메타표면은 나노미터(10-9m) 크기의 구조체를 사용해 빛을 제어하는 기술로 증강현실(AR) 분야 디바이스 소형화에 필수적인 기술이다. 그러나, 기존 전자빔 리소그래피(lithography) 등 공정은 비용이 많이 들고, 임프린트(imprint) 공정은 생체에 유해한 물질을 사용한다는 문제가 있었다. 안경처럼 쓰고 벗는 안경형 증강현실에서 나아가 콘텍트렌즈 형태의 초소형 증강현실을 구현하기 위해서는 저비용이면서도 생체 적합한 제작 기술이 필요하다. 노준석, 박인규 교수 공동연구팀은 피부 진피 성분인 히알루론산의 특성을 활용해, 나노구조체를 콘택트렌즈 위에 안정적으로 트랜스퍼 프린팅하는 기술을 고안했다. 히알루론산은 수분 함량에 수축과 팽창을 반복하며 결합에너지가 달라지는데, 이를 이용하여 나노구조체를 집어 올릴 때는 히알루론산을 수축시켜 결합에너지를 높이고, 렌즈에 내려놓을 때는 팽창해 결합에너지를 낮추는 방식으로 효율적인 프린팅을 가능하게 했다. 연구팀의 기술로 만든 메타표면은 동공 크기의 0.25%만 차지하면서도 가상의 홀로그램 이미지를 형성했고, 습윤 환경에서도 구조적 안정성을 유지했다. 실험 결과, 20~90%의 상대습도에서도 그 성능을 유지했다. 연구를 이끈 노준석 교수는 "생체 적합한 히알루론산을 사용해 콘택트렌즈에 메타표면을 성공적으로 프린팅한 이번 연구는 증강현실을 포함한 다양한 산업의 웨어러블 기기에 응용될 가능성이 매우 크다"라며 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부, 삼성미래기술육성센터, 포스코(POSCO), 과학기술정보통신부, 교육부, 한국기계연구원의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202407045 1. 히알루론산(hyaluronic acid) 글루콘산(Glucuronic acid)과 엔-아세틸 글루코사 (N-acetyl glucosamine)의 이당류가 연속해서 붙은 친수성 다당류로서 분자량의 1,000배에 달하는 수분을 머금을 수 있다. 2. 전사 프린팅(Transfer printing) 미세한 패턴이나 구조물을 한 표면에서 다른 표면으로 옮기는 기술이다.