Research

화공 이효민·노준석 교수팀, 소중한 개인정보, 광감응성 고분자의 화학적 · 구조적 프로그래밍으로 지킨다!

[이효민 · 노준석 교수팀, 습도에 따라 색상과 이미지 바꾸는 디스플레이 기술 개발] 화학공학과 이효민 교수 · 노준석 교수, 윤종선 박사, 통합과정 정충환 씨 연구팀이 광(光) 반응성 고분자를 활용해 습도에 반응하는 다중 이미지 디스플레이 기술 개발에 성공했다. 이번 연구는 과학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 구조색(structural color)은 물질의 구조와 빛 사이의 상호작용을 통해 생성되는 색을 말한다. 나비의 날개에서 빛이 반사될 때 다양한 색상이 나타나는 것이 그 대표적인 예다. 일반적인 염료나 안료와 달리 구조색은 열과 화학물질에 강하며 에너지 효율과 내구성이 뛰어나면서 독성이 없어 차세대 친환경 디스플레이로서 학계와 산업의 주목을 받고 있다. 그러나, 구조색 기술 개발의 큰 걸림돌은 정보를 표현하는 데 제약이 있다는 것이다. 특정한 구조색을 나타내는 구조가 물질의 표면이나 내부에 형성되면, 이 구조가 변하지 않는 한, 설계된 색상과 이미지를 바꿀 수 없기 때문이다. 최근 습도와 같은 주변 환경의 자극을 이용하여 색상을 조정하려는 연구가 진행되고 있으나, 색상을 바꾸는 것은 가능하더라도 여러 이미지를 표현하기는 어려웠다. 이효민 · 노준석 교수 공동 연구팀은 ‘카르복시메틸 셀룰로오스(이하 CMC*1)’에 아자이드 그룹(azide group*2)을 도입함으로써 기존 구조색 기술의 한계를 극복했다. 아자이드 그룹은 자외선 노출 시 교차결합을 유도하여 CMC로 이루어진 하이드로겔 박막을 원하는 영역에 원하는 두께로 패터닝할 수 있도록 할 뿐만 아니라 습도에 따른 팽창 · 수축 정도를 조절해 다양한 색상을 표현할 수 있게 한다. 연구팀은 디스플레이를 구성하는 마이크로미터 규모의 각 픽셀의 화학적 팽윤 특성과 기하학적 두께를 동시에 제어함으로써 각 습도 조건에 따라 다중 이미지를 표현할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 예를 들어, 습도가 85%일 때는 A 사이트로 연결되는 QR코드가 활성화되고, 습도가 더 증가해 95%에 도달하면 A가 아니라 B 사이트로 이어지는 QR코드로 바뀌도록 설계할 수 있다. 특정한 조건에서만 정보를 선택적으로 공개함으로써 보안성을 높일 수 있게 된 것이다. 이효민 교수는 “팽윤 특성과 광학적 특성을 접목하여 지금까지 볼 수 없었던 습도 감응 디스플레이 기술을 개발했다“라며 이번 연구의 의의를 전했다. 또한, 노준석 교수는 “연구팀의 기술은 정보 보호 및 안전한 데이터 전송이 필요한 다양한 분야에서 큰 도움이 될 것“이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원, 포스코, 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50876-y 1. CMC Carboxymethyl cellulose 2. 아자이드 그룹(azide group) 화학에서 중요한 기능성 그룹 중 하나로, 세 개의 질소 원자가 선형으로 배열된 구조(-N₃)를 가진다.

전자·IT융합·기계·융합 김철홍 교수팀, 기존 병리학을 뛰어넘는 비표지 조직학, AI와 만나다

[김철홍 교수팀, 비표지 광음향 조직학 이용해 가상 염색·분할·분류가능 딥러닝 모델 개발] 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수 연구팀과 가톨릭대 의과대학 서울성모병원 정찬권 교수 공동 연구팀은 인간 간암 조직검사를 위한 비표지 광(光) 음향 조직 영상 분석 인공지능(AI) 시스템을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 광학 · 광자학 분야 국제 학술지인 ‘라이트: 사이언스 앤 어플리케이션(Light: Science and Application)’에 지난 2일 게재됐다. 조직검사는 질병을 진단하고, 적절한 치료 계획을 수립하는 데 매우 중요하다. 그런데, 떼어낸 조직을 현미경으로 관찰하려면 염색 등의 과정이 필요한데, 이때 추가적인 인력과 비용이 투입되며 화학약품을 사용함으로써 환경오염을 유발한다. 이처럼 번거로운 작업을 줄이기 위해 ‘Photoacoustic Histology(광음향 조직 영상*1) 이하 PAH)’ 기술이 등장했다. PAH는 빛(레이저)을 쏘아 생체분자가 만드는 소리(초음파) 신호를 감지하여 이미지를 생성하는 기술로, 염색과 라벨링 작업이 필요하지 않다. 그러나, 이 방식은 병리학자들에게 익숙하지 않아 해석과 진단이 어렵고, 검사 정확도도 비교적 낮은 편이었다. 이번 연구에서 연구팀은 PAH에 최첨단 인공지능 기술을 결합해 △가상 염색 △분할 △분류 단계를 수행하여 인간 조직 영상을 분석하는 딥러닝 모델을 개발했다. 먼저, ‘가상 염색 단계’에서는 세포핵과 세포질 등이 포함된 흑백 비표지 영상을 마치 염색된 것처럼 변환한다. 이 단계에서 연구팀은 조직 구조를 잘 유지하면서 실제 염색 작업을 진행한 샘플과 유사한 이미지를 생성하도록 설계했으며, 설명 가능한 딥러닝 방법을 사용하여 염색 결과의 신뢰성을 높였다. 이후, ‘분할’ 단계에서는 비표지 영상과 가상 염색 정보를 사용하여 세포 면적과 수, 세포 간 거리 등 해당 샘플의 특징을 세부적으로 분할한다. 그리고, 마지막 ‘분류’ 단계에서는 비표지 영상과 가상 염색 영상, 분할 정보를 모두 사용해 샘플 조직의 암 여부를 분류하는 것이다. 이어, 연구팀은 사람의 간암조직에서 얻은 PAH에 연구팀이 개발한 딥러닝 모델을 적용했다. 그 결과, ‘가상 염색’, ‘분할’, ‘분류’가 상호연결된 연구팀의 AI 모델은 암성 간세포와 비암성 간세포를 98%의 높은 정확도로 분석했다. 특히, 병리학자 3명의 평가에서도 연구팀이 개발한 모델의 민감도는 100%에 달하며 실제 임상 현장에서의 적용 가능성도 입증했다. 연구를 이끈 김철홍 교수는 “PAH와 AI의 결합으로 조직검사에 소요되는 시간을 줄이고, 신뢰성을 높였다“라며, ”환자의 정확한 질병 진단과 효과적인 치료 계획 수립에 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다“라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 교육부와 과학기술정보통신부, 의료기기개발펀드사업, POSTECH 인공지능대학원사업, POSTECH-가톨릭대 공동연구지원사업의 지원으로 POSTECH 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과 박사과정 윤치호 씨, IT융합공학과 박사과정 박은우 씨, 박사후연구원 Sampa Misra(삼파 미스라) 씨, 가톨릭대 의과대학 서울성모병원 병리과 정찬권 교수 공동 연구팀에 의해 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01554-7 1. 광음향 조직영상(Photoacoustic Histology) 광음향 효과를 이용하여 조직의 이미지를 얻는 기술로, 레이저 빛을 조직에 조사하여 발생한 음향 신호를 통해 조직의 구조와 특성을 분석하는 방법이다. 이 기술은 특히 비표지 상태에서 조직의 다양한 정보를 제공할 수 있어 병리학적 진단에 유용하다.

생명 김종민 교수팀, 생명과학의 레고, 맞춤형 센서 기술 이끌다

[김종민 교수팀, 레고처럼 미생물 유전자 발현 조절하는 새로운 플랫폼 개발] 생명과학과 김종민 교수, 생명과학과 통합과정 김정원 · 서민채 · 임예린 씨 연구팀은 박테리아의 유전자 발현을 자유자재로 조절할 수 있는 RNA 기반의 센서 플랫폼을 개발했다. 이번 연구는 과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 최근 몸속에 있는 유익한 미생물의 수를 늘려 비만을 관리하는 방법이 대중과 미디어의 관심을 받고 있다. 인체에 유익한 미생물인 프로바이오틱스(probiotics)는 사람이 섭취한 음식물을 분해해 영양소를 흡수하고, 비타민B, K와 같은 영양소를 생성한다. 또한, 면역 체계를 조절하고, 염증을 줄이는 데도 매우 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀지면서 이를 센서나 유전자 편집 등 첨단 기술과 결합한 ‘스마트 프로바이오틱스’가 헬스 케어의 새로운 분야로 떠오르고 있다. ‘스마트 프로바이오틱스’ 기술의 핵심은 ‘센서’에 있다. 생물학적 시스템은 정밀한 상호작용과 복잡한 네트워크로 운영되기 때문에, 장내 환경의 변화를 실시간으로 감지하고, 미생물 활동을 조절하는 것이 중요하다. 그러나, 생체 적합성과 정확성, 민감도 등 요인으로 인해 센서에 사용할 수 있는 부품의 종류가 제한적이라 기술 개발에 어려움이 많다. 이 문제를 해결하기 위해, 김종민 교수 연구팀은 압타머(Aptamer)를 기반으로 한 ‘START 플랫폼’*1 기술을 개발했다. 압타머는 특정한 분자와 강하게 결합하는 핵산(DNA 또는 RNA) 조각으로 선택적인 결합이 필요한 센서에 매우 적합하다. 압타머가 분자와 결합하면 RNA의 일부가 접히거나 풀리는 등 구조적인 변화가 일어나는데, 연구팀은 이를 이용해 생체 내 상호작용을 모방하고, 다양한 분자를 감지해 레고 블록처럼 간단하게 유전자 발현을 조절하는 플랫폼을 개발했다. 이를 바탕으로 연구팀은 테오필린(Theophylline)과 테트라사이클린(Tetracycline) 등 약물과 항생제, 그리고 박테리아에서 생성된 특정 단백질(MS2)을 감지하는 센서를 성공적으로 구현했다. 이 센서들은 타겟을 정확하게 인식하고, 반응하는 특이성(Specificity)뿐만 아니라 여러 센서를 함께 사용할 때 서로 간섭하지 않고, 독립적으로 작동하는 직교성(Orthogonality)이 뛰어나 복잡한 유전자 회로와 결합된 논리 회로에서도 다양한 종류의 생물학적 신호를 모니터링하고 조절하는 데 어려움이 없었다. 연구팀이 개발한 기술은 기존과 비교했을 때, 단순히 각각의 물질을 감지하는 것을 넘어 센서의 민감도나 반응 세기 등을 자유롭게 조절할 수 있다는 점에서 공학적 활용 가능성이 무궁무진하다. 그리고 특히, 자연계에 존재하지 않았던 생체 센서 부품을 손쉽게 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다. 김종민 교수는 ”이번 연구를 통해 합성 바이오센서 개발과 미생물 유전자 회로 구축에 새로운 관점을 제시했다“라며, ”스마트 프로바이오틱스와 대사 공학을 포함한 미생물 엔지니어링 기술의 활용을 위해 후속 연구를 이어가겠다“라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원금, 교육부의 한국기초과학지원연구원사업과 산학협력선도대학3.0사업, 한국보건산업진흥원의 한국보건기술R&D사업, 경상북도 · 포항시의 푸드테크R&D센터 육성 및 지원사업, POSTECH 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202402029 1. START(Synthetic Trans-Acting Riboswitch with Triggering RNA) 특정 리간드(분자)에 대한 반응성을 높이고 유전자 발현을 효과적으로 조절하기 위해 합성한 플랫폼

화공/친환경소재 김원배 교수팀, 리튬-황 배터리, 차세대 친환경 배터리로 거듭날까

[POSTECH · 부경대, ‘리튬 폴리설파이드’ 전환 문제, Ni-Co 촉매 메커니즘으로 해결] 화학공학과 · 친환경소재대학원 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 지준혁 씨, 박민선 씨 연구팀은 니켈-코발트(Ni-Co) 황화물 촉매에 질소 도핑된 탄소나노튜브를 결합해 리튬-황(Li-S) 배터리의 안정성과 충전 · 방전 속도를 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 소재, 화학, 나노 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’의 앞표지(Front Cover) 논문으로 지난 27일 게재됐다. 리튬이온 배터리는 친환경 전기차의 핵심 기술로 주목받고 있지만, 높은 가격이 대중화의 걸림돌로 작용하고 있다. 이와 달리 리튬-황 배터리는 저렴하고 풍부한 황을 사용해 제조 비용이 상대적으로 낮고, 이론적으로는 리튬이온 배터리보다 5배 이상 높은 에너지 밀도를 가져 차세대 배터리로 떠오르고 있다. 그러나, 리튬-황 배터리가 상용화되기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 그중 하나는 리튬 폴리설파이드(LiPS)의 ‘용출 현상(Shuttle effect)’이다. 배터리를 충 · 방전하는 과정에서 리튬 폴리설파이드라는 중간 물질이 생성되는데, 이 물질은 전해액에 녹아 양극과 음극 사이를 이동하며 불필요한 화학 반응을 일으키고, 그로 인해 배터리 효율과 수명, 용량이 줄어드는 문제가 있었다. 연구팀은 리튬 폴리설파이드의 용출 현상을 억제하기 위해 니켈과 코발트가 포함된 황화물 촉매의 메커니즘을 규명했다. 실험 결과, 코발트 황화물만 사용할 때는 폴리설파이드에 대한 흡착력이 너무 강해 촉매 효율이 낮았고, 니켈이 일부 포함된 니켈-코발트 황화물 촉매를 사용하는 경우 흡착력 조절이 가능해 촉매의 효율이 높아졌고, 배터리의 성능도 개선됐다. 기존에도 이처럼 금속을 포함한 촉매 연구가 활발히 진행되었지만 각 금속의 역할이 명확하게 밝혀진 바가 없었는데, 이번 연구를 통해 니켈과 코발트의 특성, 그리고 이 둘을 포함한 촉매의 메커니즘을 밝히는 데 성공한 것이다. 이를 바탕으로 연구팀은 니켈-코발트 황화물 촉매에 질소 도핑된 다공성 탄소나노튜브를 결합해 새로운 복합 전기 촉매를 개발했다. 다공성 탄소 나노튜브는 표면의 구멍을 통해 리튬 폴리설파이드를 물리적으로 포획할 수 있으며, 도핑된 질소는 화학 반응을 이용해 폴리설파이드의 자유로운 이동을 막을 수 있다. 또한, 부경대 서민호 교수 연구팀과 범밀도함수 이론(Density functional theory)을 사용해 니켈-코발트 황화물 촉매 표면에서 폴리설파이드의 반응성이 향상되는 원리를 규명하는 데 성공했다. 분자 내 원자의 상태밀도(Density of States)와 흡착 에너지를 계산하여 니켈-코발트 황화물은 황과 황 사이의 결합 길이와 세기가 적절해 안정성과 용량 모두 높일 수 있음을 밝혀낸 것이다. 김원배 교수는 “고성능 리튬-황 배터리 기술 개발은 차세대 이차전지 원천기술 확보 경쟁에 있어 매우 중요한 사안”이라며, “연구팀이 제안한 촉매는 리튬-황 배터리뿐 아니라 전기화학적 전환 반응을 위한 황화물 촉매 개발에 대한 통찰력을 제공할 수 있을 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터, 중견연구, 산업통상자원부 황화물전고체 개발 사업, BK21 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202402389

기계·화공·전자 노준석 교수팀, 자외선 메타홀로그램, 보안의 새 시대 열까

[노준석 교수팀, 고굴절률 나노 복합체로 스핀 다중화 자외선 메타홀로그램 구현] 최근 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 강현정 · 김홍윤 씨 연구팀이 지르코늄 이산화물(ZrO2) 입자가 포함된 수지를 사용한 나노 임프린트 리소그래피(이하 NIL)*1 공정을 통해 스핀 다중화 자외선 메타홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다. 메타홀로그램은 빛을 제어하여 3차원 이미지를 생성하는 기술로, 관찰하는 각도나 빛의 조건에 따라 다양한 이미지를 구현할 수 있다. 특히, 자외선을 활용한 자외선 메타홀로그램은 특정 조건에서만 보이도록 설계할 수 있어 보안 스티커와 인증서를 이용한 위조 방지 등 광학 보안 분야에서 떠오르고 있는 기술이다. 그런데, 자외선은 가시광선보다 파장이 더 짧아 자외선 메타홀로그램을 제작하려면 메타표면을 이루는 나노 구조를 더 작게 만들어야 한다. 이를 위해서는 고해상도의 나노 패터닝 기술이 필요하며, 자외선은 가시광선에 비해 에너지 수준도 높아 이를 견딜 수 있는 내구성이 강한 소재를 사용해야 한다. 기존 원자층 증착*2과 전자빔 리소그래피*3 등 공정들은 패터닝 영역이 작고, 비용이 많이 들며, 공정 과정도 복잡해 자외선 메타홀로그램을 위한 메타표면 대량 생산에 한계가 있다. 반면, NIL는 몰드를 사용하여 원하는 패턴을 도장처럼 빠르게 찍어내는 공정으로 비용이 저렴해 대량 생산에 적합한 기술로 주목받고 있지만 공정 재료인 레진(resin)의 굴절률이 낮아 메타표면의 변환 효율이 떨어진다는 문제가 있었다. 노준석 교수팀은 NIL 공정의 비용적 효율성을 유지하면서도 높은 메타표면 변환 효율을 달성하기 위해 이번 연구에서 지르코늄 이산화물을 사용했다. 연구팀은 지르코늄 이산화물 나노입자가 포함된 수지로 NIL 재료 굴절률을 1.8(320nm 파장)로 높여 선명한 자외선 메타홀로그램 이미지를 생성하는 데 성공했다. 실험 결과, 연구팀이 개발한 공정으로 구현한 자외선 메타홀로그램은 약 60nm의 높은 해상도를 나타냈다. 또한, 기존 고굴절률 나노 복합체를 사용한 자외선 메타홀로그램의 종횡비가 8~10 정도였던 데 비해, 연구팀의 기술은 그 한계를 극복하고 종횡비를 최대 16까지 달성했다. 특히, 빛의 편광*4 상태에 따라 좌편광에서는 56.23%, 우편광에서는 57.28%의 변환 효율을 보였으며, 이는 하나의 이미지를 구현하는 기존 메타홀로그램의 효율을 거의 유지하면서 서로 다른 두 개의 이미지를 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다. 아울러, 연구팀은 지르코늄 이산화물 입자 농도와 용매 종류가 패턴 전사도에 미치는 영향을 체계적으로 분석해, 자외선 메타표면 제조 공정을 최적화하는 데도 성공했다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “기존 공정의 한계를 극복하고, 스핀 다중화 메타표면의 응용 분야를 확장했다”라며, “정보 보호 산업뿐만 아니라 다양한 분야에서 상업화 가능성이 매우 높을 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수연구-중견연구 · 글로벌 융합 연구 · 미래 디스플레이 전략 연구실 · 미래 융합 파이오니어 · 미래 연구실 · 지역혁신 선도 연구 센터사업 · 국가 간 협력 기반 조성, 정보통신기획평가원 실감 콘텐츠 핵심 기술, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트 및 교육부 박사과정생 연구장려금, 대통령 과학장학금, 아산재단 의생명과학장학금의 지원으로 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06280 1. 나노 임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography) 나노 패턴이 새겨진 몰드를 사용해, 표면에 직접 그 패턴을 찍어내는 공정이다. 2. 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 두 가지 이상의 화학 반응물(전구체)을 순차적으로 표면에 공급하여, 원자층 단위로 박막을 형성합니다. 3. 전자빔 리소그래피(Electron Beam Lithography, EBL) 전자빔을 사용해 원하는 패턴을 형성하는 고해상도 패턴 제작 기술입니다. 4. 빛의 편광 빛이 진동하는 방향이 일정한 패턴을 가지는 것을 말한다. ‘좌편광’은 반시계 방향으로 회전하는 편광 상태를, ‘우편광’은 시계 방향으로 회전하는 편광 상태를 말한다.

화공 조길원 교수팀, ‘도미노의 힘’으로 만들어낸 지속 가능한 전기

[POSTECH · 울산대 · 광운대, 불소 탄성체 기반 고효율 마찰 전기 나노 발전기 개발] 화학공학과 조길원 교수, 이시영 박사 연구팀이 울산대 나노에너지화학과 이승구 교수, 광운대 화학공학과 이기원 교수(POSTECH 화학공학과 동문) 연구팀과의 공동 연구를 통해 불소 탄성체를 사용한 도미노 구조로 고효율 ‘마찰 전기 나노 발전기(Triboelectric nanogenerator, 이하 TENG)’를 개발하는 데 성공했다. 마찰 전기(Triboelectricity)는 두 물체가 접촉하고 분리될 때 전자가 이동하면서 발생하는 전기 현상으로 이를 기반으로 한 TENG는 사람의 움직임, 바람, 진동 등 일상생활 속 다양한 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 특히, 발전 소자의 크기가 아주 작고, 유연한 소재로 제작이 가능해 전자 피부와 헬스케어, 환경 모니터링 등 분야에서 차세대 휴대용 전원으로 주목받고 있으나, 에너지 변환 효율과 접촉 면적, 변형성 등에서 여전히 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘도미노’의 원리에 주목했다. 도미노가 작은 힘으로도 쓰러지는 것처럼, 연구팀은 외부에서 가해지는 미세한 힘이나 압력에 의해 쉽게 변형가능한 마이크로(micro) 규모의 도미노 구조를 TENG에 접목하였다. 또, 연구팀은 실리콘 탄성체와 불소가 포함된 고분자 탄성체를 혼합하여 TENG 소자를 제작했다. 이 소자는 물에 닿았을 때 물방울이 표면에 달라붙지 않고 도미노 구조를 따라 쉽게 굴러가기 때문에 하나의 물방울로도 효율적으로 전기를 생산할 수 있다. 그뿐 아니라, 오염 물질도 표면에 잘 붙지 않아 깨끗한 상태를 오랫동안 유지할 수 있는 자가 세정 특성이 있다. 연구팀은 이러한 기술을 바탕으로 바람과 빗방울로부터 전기를 만들어 낼 수 있는 ‘인공 나뭇잎’과, 손목 흔들기와 손 씻기 등의 간단한 동작으로 전기를 생산하는 웨어러블 ‘손목 밴드’를 제작하는 데 성공했다. 특히, 제작된 TENG는 최대 약 1,300V의 높은 전압 혹은 최대 9.8 W/m2의 출력 밀도로 마찰 전기를 생성하며, 뛰어난 에너지 변환 효율을 보였다. 조길원 교수는 “연구팀이 만든 TENG는 물이나 바람을 활용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있어, 비바람이 잦은 지역에서 태양 전지를 대체할 수 있는 가능성이 크다”라며, “이 기술을 웨어러블 기기에 적용하면 충전이 필요 없는 웨어러블 전자 기기의 시대를 열 수 있을 것”이라는 기대를 전했다. 이번 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판 앞표지(front cover) 논문으로 최근 게재되었다. 한편, 이 연구는 과학기술 정보통신부, 교육부, 광운대학교 교내연구과제 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202316288

신소재 정운룡 교수팀, “스크래치에도 OK, 구부러져도 OK, 고열에도 OK” 혁신적 산화막 기술, 폴더블 기판 시장 판도 바꿀까

[POSTECH · 美 NCSU, 자연산화막 이용한 고효율 금속 산화막 인쇄 공정 ‘Science’지 게재] 2019년 삼성은 세계 최초로 구부러지는 폴더블(foldable) 스마트폰을 출시했으며, 애플도 2026년 출시를 목표로 제품 개발에 박차를 가하고 있지만 화면이 접히거나 구부러지는 과정에서의 성능 저하를 극복할 기술 개발은 여전히 더디다. 접히고, 형태가 변하는 전자기기의 핵심 소재는 망가지지 않고, 고열에 견디는 기판이라고 할 수 있는데, 최근 POSTECH과 미국 노스캐롤라이나 주립대(NCSU) 연구팀이 새로운 솔루션을 ‘Science’지에 보고해 학계의 주목을 모으고 있다. 신소재공학과 정운룡 교수, 공민식 박사 연구팀은 美 NCSU 화학 · 생체 분자 공학부 마이클 디키(Michael Dickey) 교수, 만 호우 봉(Man Hou Vong) 박사과정생 연구팀과의 연구를 통해 액상 금속에서 자연적으로 생기는 산화막을 대면적, 연속적으로 인쇄하는 공정을 구현하고, 이를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 제작했다. 이번 연구는 세계 최고 권위 과학 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 한국 시각으로 16일 게재됐다. 스마트폰이나 태블릿, 노트북 등 우리가 흔히 사용하는 여러 전자기기의 핵심 요소 중 하나는 금속 원소와 산소의 결합으로 형성된 ‘금속 산화물 박막’이다. 이 박막은 특성 제어를 통해 부도체-반도체-도체 간 변환이 가능하고, 투명성과 내구성, 유연성이 뛰어나 웨어러블 · 폴더블 기기에도 사용되고 있으며, 빛이나 화학 물질과의 반응성이 커 광학 센서와 가스 센서에서도 매우 중요하다. 이처럼 유용한 금속 산화물 박막의 응용 분야를 더 넓히려면 고순도의 박막을 고밀도 · 대면적으로 생산할 수 있는 기술이 필요하다. 그러나, 기존의 ‘용액 기반 합성법’은 대면적의 박막을 만들 수는 있으나 이를 고밀도로 형성하는 데 한계가 있다. 또한, ‘화학적 기상 증착(CVD)*1’과 ‘물리적 기상 증착(PVD)*2’은 고순도 박막을 제작할 수 있지만, 사용할 수 있는 전구체가 제한적이고, 공정 속도가 느리다는 문제가 있었다. 이번 연구에서 POSTECH과 NCSU 연구팀은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 공기 중에 노출된 금속 표면에 자연적으로 형성되는 얇은 산화막에 주목했다. 액상 금속은 표면장력이 매우 커 기판 위에 얇게 펴지기보다는 물방울처럼 다시 뭉치는 성질이 있다. 연구팀은 이러한 비젖음성(dewetting)을 활용하면 산화막을 쉽게 분리할 수 있다는 점에 착안해, 균일한 금속 산화막을 연속적으로 인쇄하는 공정을 설계했다. 연구팀은 프린터 헤드(head) 부분에 열을 가하여 금속을 액체 상태로 만들었다. 그리고, 인쇄 과정에서 얇은 금속층이 위/아래 산화막 사이에서 비젖음성으로 프린터 헤드와 함께 밀려나게 함으로써, 금속 잔류물 없이 깨끗한 산화막을 얻는 데 성공했다. 또한, 이 기술을 이용해 비정질의 갈륨(Ga) · 인듐(In) · 알루미늄(Al) 산화막 등 산화막을 다양한 기판(실리콘 웨이퍼, 유리, 고분자, 금속 등)에 인쇄했으며, 갈륨 산화막으로 절연막을 만들거나, 갈륨 산화막 내부에 금 또는 구리를 증착하여 전도성을 부여하는 데도 성공했다. 일반적으로 산화물에 금속을 증착하는 경우 산화물과 금속 간 접착력이 약하지만, 연구팀의 기술로 인쇄된 산화막은 내부로 확산한 금이나 구리 덕분에 접착력이 뛰어났다. 이를 바탕으로, 연구팀은 800℃ 고온에서 안정적이고, 구겨지거나 완전히 접어도 망가지지 않을 정도로 기계적 안정성이 우수한, 나노 두께(<10 nm)의 폴더블 투명 회로를 완벽하게 구현했다. 정운룡 교수는 “비정질 상태의 자연 산화막에 일반적인 연속 프린팅 공정을 적용하고, 이를 통해 스크래치에 강한 나노 두께의 폴더블 투명 전극과 회로를 만든 최초 사례”라며, 이번 연구의 의의를 밝혔다. 공민식 박사는 ”비정질 상태의 자연 금속 산화막은 기계적 · 전기적 성능이 독특해 앞으로 다양한 추가 연구가 기대되고, 여러 분야에 응용될 수 있을 것이다“라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업의 지원으로 수행되었고, 포항 방사광가속기를 이용했다. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adp3299 1. 화학적 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 기판 위에 있는 기체 상태의 재료가 반응을 일으켜 얇은 고체 막을 형성하는 공정으로 높은 온도와 복잡한 화학 반응이 필요하다. 2. 물리적 기상 증착(PVD, Physical Vapor Deposition) 기판 위에 있는 고체 상태의 재료를 증발시켜 기판에 증착시키는 방법이다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 만능 유리창, 기후의 한계를 뛰어넘다

[노준석 교수팀, 마찰 대전과 복사 냉각 기술로 전천후 에너지 소자 개발] 기상청의 예측은 복잡한 과학적 모델과 데이터 분석을 기반으로 이루어지지만, 기후 위기로 인해 예보의 정확성이 낮아지면서 사람들의 불평과 불만이 늘어나고 있다. 그런데, 기상 예측 정확도와 상관없이 모든 기후 조건에서 사용할 수 있는 청정에너지 소자가 개발되어 학계의 주목을 모으고 있다. 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이건, 강현정, 윤주영 씨 연구팀은 마찰 대전*1 발전과 복사 냉각 기술을 결합하여 전천후 에너지 통합 장치를 제작하는 데 성공했다. 이번 연구는 과학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 태양광과 풍력, 수력과 같은 재생에너지는 지구의 자원을 고갈시키지 않는 지속 가능한 자원이다. 그러나 이와 같은 청정에너지는 기후 상황이나 지리적 조건에 따라 생산량이 변동하기 때문에 이를 활용한 에너지 소자들을 일정하게 사용할 수 없다는 문제가 있었다. 노준석 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 마찰 대전 나노 발전 기술과 복사 냉각 기술을 결합한 에너지 통합 장치를 개발했다. ‘마찰 대전’은 서로 다른 두 물질이 접촉 후 분리될 때 전하를 띠게 되는 현상으로, 이 장치는 빗방울과 창문 간 액체-고체 마찰 대전 원리를 이용하여 우천 시 에너지를 수확할 수 있다. 그리고, 이 장치는 자외선과 적외선 영역의 빛은 반사 · 흡수하며 가시광 영역의 빛은 투과하도록 설계되었다. 그 결과, 맑은 날에는 에너지 소비 없이도 물체가 자체적으로 열을 반사하거나 대기 중으로 방출하는 ‘복사 냉각’ 기술로 실내 온도를 낮추고 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 연구팀은 진화 알고리즘을 이용해 이러한 열 방출 및 투명도의 특성을 최적화했다. 연구팀이 개발한 만능 소자는 단일 액적(물방울) 1제곱미터당 248.28W(와트)의 에너지를 수확하는 데 성공했고, 에너지 변환 효율은 2.5%를 기록했으며, 기존 유리와 비교했을 때, 실내 온도를 최대 24.1℃ 낮추는 효과를 보였다. 일반적인 유리처럼 투명하게 보이지만, 기후에 따라 에너지 생성과 실내 냉각이 모두 가능해 다양한 조건에서 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 장치를 개발한 것이다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “기후와 지리적 조건의 제약이 많았던 청정에너지의 생산성 한계를 극복할 대안을 제시했다”라며, “지속 가능한 에너지 소자로서 다양한 산업 분야에서 활용되기를 바란다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T IMPACT 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50872-2 1. 마찰 대전 서로 다른 두 물질이 접촉 후 분리될 때 전하를 띠게 되는 현상을 말한다.

신소재 한세광 교수팀, “신개념 히알루론산 무릎골관절염 치료제 상용화”

[한세광 교수 연구팀, 신풍제약 기술이전 품목 식약처 승인] 신소재공학과 한세광 교수 연구팀이 신풍제약(대표이사 유제만)과 공동연구를 통해 개발한 신개념 히알루론산 하이드로젤 기반 무릎골관절염 치료제 ‘하이알플렉스주’가 식품의약품안전처의 품목허가 승인을 받아 내년 출시를 앞두고 있다. 무릎골관절염은 관절의 기계적 손상이나 퇴행성 변화에 의해 무릎 관절에 통증과 기능 이상이 나타나는 질환으로, 국내뿐만 아니라 세계적으로 고령화에 따라 유병률이 지속적으로 증가하고 있다. 히알루론산은 관절 내 활액 성분으로써 무릎 관절 내에 주사하여 윤활 작용과 충격 흡수, 관절 보호 작용을 통해 환자의 통증을 줄이고 관절 기능을 개선해 질병의 진행을 지연시키기 위한 초기요법제이다. 특히 비약물요법 또는 소염진통제로 증상이 개선되지 않거나 위장장애로 약을 먹기 어려운 환자에게 널리 사용되고 있다. 기존의 비변형 히알루론산 관절강 주사제의 경우 체내에서 빠르게 분해되어 1주일 간격으로 총 3회 또는 5회의 반복 투여가 필요한 단점이 있다. 이러한 잦은 주사와 내원으로 인한 고령 환자들의 불편함과 관절강 내 활막 손상 및 감염 우려를 개선하기 위해, 최근 히알루론산의 가교로 반감기를 늘려 6개월 간격으로 1회 투여하는 1회 요법제 주사제들이 활발히 개발되어 왔다. 한세광 교수 연구팀은 히알루론산이 체내 세포막에 있는 수용체(receptor) 또는 히알루론산 분해효소(hyaluronidase)와 결합할 때 히알루론산의 카르복실기(-COOH)가 직접적으로 관여한다는 점에 착안하여, 히알루론산의 카르복실기를 헥사메틸렌디아민(hexamethylenediamine)으로 가교결합시켜 분해 효소 작용을 억제함으로써 체내 지속성을 향상시키는 신개념 가교기술을 개발했다. 이러한 신규 히알루론산 하이드로젤의 효능 및 안전성은 미국 화학회지인 바이오컨쥬게이트케미스트리(Bioconjugate Chemistry)와 바이오머티리얼즈(Biomaterials) 등에 게재되어 학술적으로 검증된 바 있다. 신풍제약은 POSTECH과 공동으로 출원한 헥사메틸렌디아민 가교결합 히알루론산 하이드로젤 특허를 바탕으로 히알루론산 무릎골관절염 1회 요법제 신약 ‘하이알플렉스주’를 상업화하였다. 헥사메틸렌디아민은 기존에 상용화된 히알루론산 하이드로젤 제품에 널리 사용되고 있는 부탄디올디글리시딜에테르(butanediol diglycidyl ether, BDDE), 디비닐술폰(divinyl sulfone) 등과 같은 가교제에 비해서 유전독성 우려가 없고 안전성 프로파일이 우수하다. 보다 구체적으로, 헥사메틸렌디아민으로 가교결합된 히알루론산 하이드로젤로 실시한 유전자조작생쥐 단기 발암성시험, 기니픽 면역독성 시험을 비롯한 여러 동물 독성시험에서 사람에서의 안전성을 뒷받침하는 비임상 안전성 프로파일이 확인되었다. 또한 ‘하이알플렉스주’는 경증 또는 중증의 무릎골관절염 성인 환자를 대상으로한 국내 3상 임상시험에서 활성대조군인 BDDE로 가교된 히알루론산나트륨 하이드로젤 대비 12주차 통증 개선 유효성에서 비열등함을 입증하였으며, 재투여 후 12주까지 통증 감소량에서 활성대조군 대비 통증이 더 개선되는 경향성을 나타내었다. 신개념 히알루론산 하이드로젤 개발 연구를 주도한 한세광 교수는 “이번에 산학협력연구 결실로 제품화에 성공한 신규 히알루론산 하이드로젤 무릎 골관절염 치료제가 국내 기존 제품과 경쟁하여 신시장 창출에 성공하고 더 나아가 사노피(Sanofi) 등이 주도하고 있는 해외 시장에도 성공적으로 진출하게 되기를 기대한다”라며, “성형수술용 히알루론산 하이드로젤 필러를 포함하여 여러 의료분야에 널리 활용되고 있는 세계시장 규모 14조 원 이상의 다양한 히알루론산 의약품 개발을 적극적으로 추진하겠다”라고 말했다.

신소재 정성준 교수팀, 3D 바이오프린팅, 호흡기 바이러스 연구 이끈다

[POSTECH · 한국화학연구원, 바이오프린팅 기술로 미세구조 재현한 ‘인공 폐’ 모델 제작] 코로나19 팬데믹은 전 세계에서 약 710만 여명의 사망자를 내며, 우리의 삶을 송두리째 흔들었다. 과학자들과 의료진은 바이러스 특성과 감염 경로, 효과적인 치료법을 찾기 위해 밤낮없이 노력했다. 신속한 백신과 치료제 개발의 중요성이 그 어느 때보다 절실해졌으며, 국내에서도 신약 개발 속도를 선진국 수준으로 가속해야 한다는 목소리가 점점 커지고 있다. 그런데 최근 국내 연구진이 호흡기 질환 연구 효율을 획기적으로 높일 플랫폼을 개발해 주목을 모으고 있다. 신소재공학과 정성준 교수, 박사과정 이윤지 씨 연구팀은 한국화학연구원 감염병치료기술연구센터 김미현 책임연구원, 이명규 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 코로나19 바이러스와 같은 호흡기 질환 감염 연구와 약물 테스트를 위한 인공 폐를 만드는 데 성공했다. 이번 연구는 생체 재료 분야 저명 국제 학술지인 ‘바이오머티리얼즈(Biomaterials)’ 온라인판에 게재됐다. 신약을 개발하려면 평균적으로 10~15년의 세월과 1조 원 이상의 비용이 필요하다. 이는 2D 세포배양이나 동물 실험 등 기존 연구 플랫폼이 체내 환경을 정확하게 재현하지 못하기 때문이다. 신약 개발에 필요한 기간과 비용을 줄이고, 성공률을 높이려면 이를 정밀하게 모사할 수 있는 모델이 필요하다. POSTECH · 한국화학연구원 연구팀은 이번 연구에서 3D(3차원) 바이오프린팅 기술을 이용해 ‘3D 인공 폐’를 만들었다. 3D 바이오프린팅은 세포와 생체 재료를 사용해 실제와 유사한 조직과 장기를 만드는 기술로, 재생 의학과 신약 개발 등 여러 분야에서 불필요한 동물 실험을 대체하고 있다. 연구팀이 만든 ‘3D 인공 폐’는 실제 사람의 호흡기처럼 혈관 내피와 세포외기질, 상피층의 3층 구조로 이루어져 있으며, 세포 간 접합과 점액 분비 등 구조 및 기능이 실제 인체의 폐와 매우 유사했다. 이 모델은 상피층에 코로나19 바이러스가 침투하는 첫 관문인 특정 단백질(ACE2, TMPRSS2)을 많이 포함하고 있어 극소량의 바이러스에도 감염 취약성을 보였다. 또한, 기존 2D 세포배양 모델은 감염 후 5일 내로 세포가 파괴되었던 반면, 연구팀의 모델은 21일 동안 감염으로 인한 세포 병변과 장벽 붕괴 현상을 관찰할 수 있을 정도로 지속되었다. 이를 통해 연구팀은 감염 경로와 바이러스 증식, 숙주 면역 반응에 영향을 미치는 유전자 발현의 변화를 발견하는 데 성공했으며, 이는 실제 코로나19 환자 데이터와도 일치함을 확인했다. 또한, 연구팀은 이를 바탕으로 코로나19 치료제(렘데시비르, 몰누피라비르)가 감염된 상피층에 도달하는 경로와 바이러스의 복제를 억제하는 메커니즘도 완벽하게 재현했다. 기존의 2D 세포배양 방식에서는 약물을 상피세포에 직접 투여했으나, 이번 연구에서는 인공 폐 조직을 통해 약물이 조직 장벽을 투과한 뒤 효능이 평가되기 때문에 치료제의 효과와 적정 용량, 잠재적인 부작용을 정확하게 검증할 수 있게 된 것이다. 정성준 교수는 “학계는 10년 내 코로나19와 같은 호흡기 바이러스가 출현할 수 가능성이 높다고 경고하고 있다”라며, “이번 연구는 신약 개발 과정을 획기적으로 줄이는 것은 물론 코로나뿐 아니라 여러 호흡기 질환 치료제 개발에 도움이 될 것이다”라는 말을 전했다. 또한, 한국화학연구원 김미현 책임연구원은 “코로나19와 같은 팬데믹을 대비하기 위해, 3D 세포 · 조직 배양 기술을 이용해 임상 연계성을 고려한 초기 효능평가 시스템을 개선하고, 이를 활용한 인체 감염 바이러스 치료제 개발 연구를 활성화해야 한다”라고 강조했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 보건복지부 보건의료기술 연구개발사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122689