Research

환경 감종훈 교수팀, 인간의 활동, 가뭄 앞에서는 양날의 검

[감종훈 교수, 봄철 극심한 가뭄에 대한 인간 활동의 상충되는 영향 분석] 지구-환경과학자들은 인간의 사회 · 경제적 활동이 증가함에 따라 온실가스 배출량이 늘어 가뭄과 홍수와 같은 기상 이변이 더욱 빈번하게 발생할 것으로 예측한다. 그런데, POSTECH 연구팀이 인위적인 온실가스가 오히려 가뭄을 완화할 수 있다는 연구를 발표하며, 인간 활동이 자연에 미치는 영향을 분석하는 새로운 관점을 제시했다. 환경공학부 감종훈 교수는 기후 모델 시뮬레이션을 통해 중앙 안데스 산맥 지역에서 극심한 농업 피해를 일으켰던 2022년 봄철 가뭄과 인간의 활동으로 인한 에어로졸과 온실가스의 상충하는 영향을 분석했다. 이번 연구는 대기과학 · 기상학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘미국기상학회회보(Bulletin of the American Meteorological Society)’에 최근 게재됐다. 오랫동안 비가 오지 않아 강수량이 부족한 경우 가뭄이 발생하고, 기상학적 가뭄을 시작으로 토양의 수분이 부족해지는 농업적 가뭄이 발생한다. 더 심해지면 하천의 유량이 줄어드는 수문학적 가뭄으로 이어지며, 가뭄이 사회와 경제에 큰 악영향을 미칠 때 이를 ‘사회경제적 가뭄’이라고 부른다. 특히, 농업에 대한 의존도가 높은 사회나 국가에서는 사회경제적 가뭄으로 인한 영향이 심각하다. 2022년 세계적으로 극심한 봄철 가뭄이 발생했을 때, 농업이 주요 산업인 남아메리카 중앙 안데스 산맥 지역(페루 남부, 볼리비아 서부, 칠레 북부 등)이 다른 지역에 비해 경제적인 피해가 매우 컸다. 하지만 당시, 이를 연구할 인력과 재정이 부족해 2022년 발생한 가뭄의 원인에 대한 정확한 분석이 제한적이었다. 감종훈 교수는 이번 연구에서 11개의 서로 다른 기후 모델을 사용해 1951년 이후 가장 가뭄이 극심했던 2022년 당시 중앙 안데스 지역을 덮친 봄철 가뭄과 인간 활동의 영향을 분석했다. 기후모델 실험 결과, 사람들의 사회 · 경제적 활동으로 인하여 대기 중에 인위적인 에어로졸(aerosol)이 증가하고, 이 에어로졸이 대기 화학적 조성에 영향을 미쳐 중앙 안데스 지역 봄철 가뭄을 악화시켰다. 반면, 인간의 활동으로 인해 증가한 온실가스는 오히려 해당 지역의 강수량을 늘려 봄철 극심한 가뭄을 완화하고, 가뭄 발생 확률을 낮췄다. 인간 활동으로 인한 에어로졸과 온실가스가 대기의 화학적 조성과 강수 생성 메커니즘에 상반된 영향을 미친 것이다. 이번 연구는 남아프리카와 이란 지역에서 온실가스가 가뭄의 주요 원인이라는 기존 연구 결과를 뒤엎었으며, 인간의 사회 · 경제 활동에 대한 심층적인 연구의 필요성을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다. 감종훈 교수는 “저개발국과 개발도상국은 기후 위기로 인한 극한 기후 피해가 상대적으로 크지만, 이에 대한 선제적인 대응은 어려운 상황”이라며, “이러한 국가들을 위한 연구와 함께 인간의 활동이 자연에 미치는 영향을 심층적으로 분석해 세계를 위협하는 기후 위기에 대처하겠다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1175/BAMS-D-23-0241.1 에어로졸광학깊이 (Aeorosol Optical Depth) 태양 복사가 상층 대기에서 지표면까지 도달하는 동안 대기 중에 존재하는 여러 성분들에 의해 감쇄되는 효과를 나타내는 척도다.

화공 전상민 교수팀, 당신의 한숨이 사람과 자연을 살린다면

[전상민 교수팀, 수분으로 구동되는 세계 최고 수준의 에너지 하베스팅 기술 개발] 힘들거나 어려운 상황을 마주했을 때 사람들은 무의식적으로 한숨을 내쉬는데, 이는 신체적 · 심리적 스트레스를 해소하기 위한 자연스러운 현상이다. 그런데, 이 한숨으로 사람과 자연을 지킬 수 있다는 POSTECH팀의 흥미로운 연구가 최근 발표돼 학계의 주목을 모으고 있다. 화학공학과 전상민 교수 · 통합과정 송민재 · 김대웅 씨 연구팀은 이온의 출입에 따라 전기적 환원반응을 나타내는 금속-유기 골격체*1를 사용해 수분 구동 발전기의 전력과 전류밀도를 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 에너지 환경 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 최근 게재됐다. 태양광이나 풍력 등 청정 에너지원으로 전기를 생산하는 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 탄소 배출을 줄이고, 에너지 효율성과 지속 가능성을 높이는 친환경 기술이다. 공기 또는 사람의 날숨에 포함된 수분으로 전기를 생산하는 수분 구동 발전기(moisture-induced power generators)도 그중 하나다. 이 발전기는 수분을 흡수해 이온을 이동시키고, 전기화학적 반응을 일으켜 전기를 생산한다. 그런데, 수분 구동 발전기에 사용되는 기존 소자의 전력 출력값이 낮아 실제 사람들이 필요한 만큼 충분한 전력을 생산하기 어려웠다. 전극을 바꾸는 방식으로 전력 출력값을 높이려는 기존 연구들과 달리 연구팀은 활성 물질에 주목했다. 활성 물질은 수분을 흡수해 이온이 쉽게 이동할 수 있는 환경을 만들고, 전기화학 반응을 촉진해 전력 생산 효율을 높이는 물질로 수분 구동 발전기용 활성 물질은 현재까지 연구된 사례가 그리 많지 않다. 연구팀은 철(Fe)과 시안화물 이온(CN-)이 결합한 금속-유기 골격체인 베를린 그린(Berlin green)이라는 물질을 활성 물질로 사용해 수분 구동 발전기용 이중층(BGC/NC)*2 소자를 만들었다. 이 이중층 기반의 수분 구동 발전기가 수분을 흡수하자 NC층에 있는 나트륨 이온이 떨어져 나와 BGC층으로 이동했으며, 이때 전자가 이동하면서 전기가 생성됐다. 그리고, 이와 동시에 베를린 그린에 나트륨 이온이 삽입돼 베를린 그린이 프러시안 블루(Prussian Blue)로 환원되면서 전기를 추가로 생산했다. 실험 결과, 연구팀의 발전기는 1.2V의 전압과 2.8mA/cm2의 전류밀도를 보였다. 이는 기존에 비해 각각 2배, 10배 향상된 수치이며, 축전기나 정류기 없이 조명 램프와 전자계산기를 작동할 수 있는 수준이다. 또한, 연구팀의 발전기가 보여준 전류밀도는 지금까지 학계에 보고된 것 중 최고 수준이다. 특히, 연구팀이 사용한 베를린 그린은 청바지를 만들 때 많이 사용하는 색소인 프러시안 블루가 산화된 물질로 제작 비용이 비교적 저렴하며, 상온과 상압에서 전기화학적 반응을 일으킬 수 있다는 것도 큰 장점이다. 전상민 교수는 “이번 연구 성과를 바탕으로 중환자나 산업 근로자 건강 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 마스크(vital sign monitoring mask)를 현재 개발 중”이라며, “앞으로도 사람과 환경을 모두 지키는 에너지 하베스팅 연구를 계속 이어가겠다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1039/D4EE00777H 1. 금속-유기 골격체(metal-organic framework) 물질에서 주성분인 순물질이 차지하는 비율이 높은 마이크로미터(μm) 이하 두께의 얇은 막. 2. 이중층(BGC/NC) BGC 복합층(베를린 그린+graphene oxide+cellulose nanofiber)과 NC 복합층(NaCl+cellulose nanofiber)을 쌓아서 이룬 이중층이다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 대면적 3차원 메타물질, 광학 센싱에 혁신 불러올까

[POSTECH · 서울대 · 한밭대, 3차원 메타물질 성능 높일 새로운 방법 제시] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 양영환 · 김홍윤 씨, 서울대 기계공학과 최만수 교수 · 허창녕 씨, 한밭대 창의융합학과 정우익 교수 연구팀은 3D 에어로졸(aerosol) 나노 프린팅으로 빛의 편광과 진행 방향을 센싱하는 메타물질 기술을 개발했다. 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다. 빛을 자유자재로 조절하는 메타물질 렌즈나 홀로그램 등 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 특히, 금속의 3차원 구조를 활용한 3차원 메타물질은 일종의 안테나처럼 빛을 수집하거나 방출하며 빛과 물질 간 상호작용을 극대화해 기존 광학 기기의 한계를 넘어설 혁신적인 기술로 알려져 있다. 현재 설계와 제조가 비교적 간단한 2차원 금속 구조 중심으로 연구가 많이 진행되고 있지만, 2차원 구조는 고정된 평면 내에서만 작용하기 때문에 메타표면이 가지는 광학적 특성을 다양화 · 최적화하는 데 한계가 있다. 2차원을 넘어 3차원으로 금속 나노구조를 만들면 빛이 반응할 수 있는 다양한 메커니즘을 하나의 나노구조로 구현할 수 있다. 이러한 3차원 금속 나노구조는 다양한 광 특성을 하나의 메타물질에 집약하여 다기능성 광센서를 제작하는 데 도움이 된다. 이번 연구에서 연구팀은 전기장을 제어하여 공기 중에 떠 있는 금속 나노 에어로졸로 원하는 형태의 3차원 나노구조물을 병렬 방식으로 대량 생산하는 ‘3D 에어로졸 나노 프린팅 기술’을 사용했다. 연구팀은 이 기술로 일반적인 온도와 압력 조건에서 금속 나노 에어로졸을 정밀하게 배치하고, 조립해 ‘파이(π)’ 형태를 가진 3D 금속 나노구조를 만드는 데 성공했다. 실험 결과, 연구팀의 3차원 금속 나노구조는 ‘국소 표면 플라즈몬 공명’과 ‘연속체 내 준결합 상태’라고 정의되는 두 가지의 독특한 광학적 현상을 동시에 보였다. ‘국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)’은 금속구조물 표면에서 자유전자가 빛과 상호작용해 자유전자의 진동이 특정 빛의 전자기파와 공명 현상을 보이는 것이며, ‘연속체 내 준속박 상태(Quasi-Bound States in the Continuum, q-BIC)’는 빛이 수직으로 입사하는 등, 잘 정의된 상태에서는 빛이 구조체와 반응을 적게 하지만, 특정한 조건(빛을 기울여서 입사)에서는 특이한 모양의 에너지 공간(energy mode)이 형성되어 그 안에서 빛이 구조체에 속박된 상태로 보이는 상태다. 이들은 공명 상태를 유지하면서도 센서의 민감도를 높여 고성능 광 센싱을 가능하게 하는데, 두 가지 요소가 각각 연구된 경우는 많았지만 이처럼 한 구조에서 이중적인 광학적 특성이 나타난 연구는 없었다. 이어, 연구팀은 파이형 금속 나노구조와 기존 푸리에 변환 적외선 분광기*1를 결합해 빛의 편광과 입사 각도를 동시에 감지해 정확하게 빛의 분포를 분석하는 ‘Numerical Aperture-Detective Polarimetry(개구수 감지 편광 측정기)' 기술도 구현하는 데 성공했다. 빛을 효율적으로 수집해 빛의 편광과 진행 방향을 상세하게 파악하고, 기존 연구보다 더 정확한 분석 결과를 얻을 수 있게 된 것이다. 노준석 교수는 "이번 연구는 광학 필터링, 초민감형 바이오 센싱, 환경 모니터링 등 여러 분야의 연구에 큰 도움이 될 것“이라는 기대를 전했다. 또, 양영환 씨는 ”기술 상용화를 위해 연구를 계속 확장해 나가며 더욱 정밀하고 빠른 광학적 분석이 가능한 시스템을 구현하겠다“는 포부를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 POSCO(포스코) 홀딩스 N.EX.T Impact 사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12024 1. 푸리에 변환 적외선 분광기 적외선 분광법의 한 종류로, 물질이 빛을 흡수하고 방출할 때 발생하는 적외선 영역의 스펙트럼을 측정하는 장비다.

기계/생명/IT융합/융합 장진아 교수팀, 두 기술의 시너지, 바이오프린팅 분야 혁신 이끌다

[장진아 교수팀, 인공 심장 모델 최초로 좌심실 비틀림 재현 성공] 1 더하기 1은 때로는 2를 초과해 3이나 그 이상의 결과를 만들어낸다. 개인의 힘으로는 달성하기 어려운 목표를 팀이 이룬 사례처럼 단순한 계산으로 보이지 않는 시너지가 있기 때문이다. 최근 POSTECH 연구팀이 이처럼 두 기술의 시너지로 생명과학 분야에서 큰 성과를 내 주목을 모으고 있다. 기계공학과 · 생명과학과 · IT융합공학과 · 융합대학원 장진아 교수, 바이오프린팅 인공장기 응용기술센터 황동규 박사 연구팀은 바이오프린팅과 조직 조립(tissue assembly) 기술을 결합해 복잡한 좌심실 근육의 섬유 구조를 정확하게 재현한 모델을 제작했다. 이번 연구는 최근 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. 심장은 두 개의 심방과 심실로 이루어져 있다. 좌심실은 심장 근육의 섬유가 복잡한 구조로 배열되어 특정한 방식으로 비틀리면서 수축하고 이완하는데, 그 덕분에 영양분과 산소가 풍부한 혈액을 머리끝부터 발끝까지 보낼 수 있다. 하지만, 이처럼 복잡한 구조는 인공 조직과 장기를 만드는 바이오프린팅 분야의 난제 중 하나다. 지금까지 수많은 인공 심장 모델이 제작되었지만, 현재의 기술 수준으로는 복잡한 좌심실 심근의 섬유를 정교하게 재현하는 데 한계가 있었다. 장진아 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 새로운 접근법을 제시했다. 연구팀이 제시한 방법은 바로 바이오프린팅 기술에 조직 조립 기술을 결합한 바이오프린팅 보조 조직 조립(Bioprinting-Assisted Tissue Assembly, BATA)이다. 연구팀은 먼저 바이오프린팅 기술로 심장의 고유한 기능과 구조를 가진 심장 조직(Engineered Heart Tissue, EHT) 모듈을 만들었다. 이 모듈은 심장 모델의 기본 단위로 각 모듈은 고유한 수축력과 전기 신호 패턴을 가지며, 이 모듈을 다양한 방향으로 배치하면 복잡한 심근 섬유의 방향성을 재현할 수 있다. 이 모듈을 바탕으로 연구팀은 조직 조립 기술을 사용해 3개의 층과 세 종류의 심근 방향을 갖는 챔버(Chamber) 형태의 인공 심장 모델(MoCha*1)을 만들었다. 심장의 복잡한 구조를 모사한 연구팀의 모델은 정렬된 각 방향으로 수축 운동을 하며, 인공 심장 모델 최초로 심장 내 좌심실 비틀림(left ventricular twist)을 재현했다. 그동안 제작하기 어려웠던 좌심실 심장 근육 섬유 모델을 두 기술의 시너지로 정교하게 만드는 데 성공한 것이다. 연구를 이끈 장진아 교수는 “심장 질환 치료나 신약 개발 연구에서 실제 심근 섬유를 정확하게 재현한 이 모델이 유용한 플랫폼이 될 것이다”라며, “두 개의 심방과 심실로 구성된 심장 전체 또는 멀티 오간 시스템(multi-organ system) 등 제작에도 이 기술이 활용될 수 있을 것”이라는 기대를 전했다. 이번 연구는 보건복지부 범부처재생의료기술개발사업과 한국연구재단의 글로벌 박사양성사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202400364 1. MoCha myocardial fiber orientations within a chamber-like structure/span>

첨단원자력 김동언 교수팀, 초고속 이미징 기술 한계를 극복하고, 새로운 지평을 열다

[POSTECH·MPK·우한연구소, 단일 주기 펄스로 전자 홀로그램 패턴 추출 및 조작 성공] 생물체를 이루는 세포나 분자 간 상호작용 메커니즘을 밝히거나 신소재를 개발하기 위해 물질의 구조 분석하는 연구는 원자 규모에서 진행된다. 이때, 미세한 변화를 거의 실시간으로 관찰할 수 있는 초고속 이미징 기술이 필수적인데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) 김동언 교수팀이 기존 초고속 이미징 기술의 한계를 극복하고, 새로운 이정표를 제시했다. 첨단원자력공학부 김동언 교수(前 POSTECH 물리학 교수 · 막스플랑크 한국 · 포스텍연구소 아토초과학기술연구소 소장)는 중국과학원 소속 우한 물리수학연구소 라이(Lai) 교수팀과의 공동 연구를 통해 단일 주기 펄스로 광전자 홀로그램 패턴을 추출하고 조작하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 저명 학술지인 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’ 5월호에 게재됐다. ‘강한 전자기장 광전자 홀로그래피(strong-field photoelectron holography, 이하 SFPEH)’는 초고속 원자 · 분자 구조 이미징 기법 중 하나로 강한 전자기장에 의해 입자에서 방출된 광전자를 이용해 입자 구조를 홀로그램으로 구현한다. 기존 전자나 X선 회절에 비해 시간적 · 공간적 해상도가 뛰어나 훨씬 더 세밀하고 정확한 정보를 제공한다. 그러나 지금까지 SFPEH는 다주기 전자기장(multicycle field)을 사용해 주기 간 간섭 현상으로 데이터 해석과 연구 결과의 신뢰성이 떨어졌다. 이러한 간섭 문제를 해결하려면 주기 간 간섭현상이 없는 단일 주기 레이저 펄스를 사용해야 한다. 그러나, 단일 주기 펄스를 생성하고, 이를 정밀하게 유지하는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제다. 김동언 교수는 이번 연구에서 최첨단 레이저 기술과 초고속 연구 시스템을 바탕으로 단일 주기 전자기장을 이용해 광전자 홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 캐리어-봉투 위상(Carrier-Envelope Phase, CEP)*1이 안정화된 단일 주기에 가까운 레이저 펄스를 생성하여 활용함으로써, 그동안 홀로그램을 흐릿하게 만들었던 주기 간 간섭 효과를 줄이고, 기존보다 더 명확하고, 선명하게 구현했다. 기본 패턴으로 알려진 ‘거미 다리’와 ‘물고기 뼈’ 형태를 각각 따로 명확하게 관찰하고 조작하는 데 성공했다. 이 두 패턴은 각각 전자의 움직임과 분자 구조에 대한 정보를 포함하고 있다. 또한, 연구팀은 ‘시간 의존 슈뢰딩거 방정식 시뮬레이션*2’을 통해 실험 결과를 이론적으로 분석하고 검증했다. 그리고, 이를 통해 홀로그램에 대한 구이 위상(Gouy phase) 효과*3와 분자 구조 분석에도 성공하며, 홀로그램 패턴에서 표적 분자의 핵 사이의 거리와 위치를 정확하게 측정하는 새로운 가능성을 제시했다. 김동언 교수는 “이러한 패턴을 직접적으로 관찰한 것은 이번 연구가 처음”이라며, “여러 측정이 필요한 이전 방법보다 오히려 간단하지만, 이 새로운 접근 방식으로 아토초 단위(아토초는10억분의10억분의1초)로 전자의 행동을 제어할 수 있다”고 했다. 또한, “다른 기술과 결합해 화학과 생물학, 재료 과학 등 다양한 분야 연구에서 분자 역학을 연구하고 반응을 제어하는 데 큰 도움이 되기를 바란다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01457-7 1. 캐리어-봉투 위상(Carrier-Envelope Phase, CEP) 레이저 펄스의 전자기파 캐리어와 그 봉투(envelope) 간의 상대적 위상을 정확하게 제어하는 기술이다. 이 안정화가 이루어지면, 펄스내 전기장의 형태가 매우 일정하게 유지된다. 2. 시간 의존 슈뢰딩거 방정식 시뮬레이션(Time-Dependent Schrödinger Equation, TDSE) 양자 역학에서 시간에 따른 파동함수의 변화를 설명하는 방정식이다. 일반적인 슈뢰딩거 방정식이 정적인 상태에서의 파동함수를 다루는 반면, TDSE는 시간에 따라 파동함수가 어떻게 변화하는지를 설명한다. 3. 구이 위상(Gouy phase) 효과 광학 현상 중 하나로, 광선이 초점을 통과할 때 위상이 변하는 현상이다.

신소재/반도체 이장식 교수팀, 차세대 메모리 기술 돌파구 마련하다!

[이장식 교수팀, 하프니아 기반 강유전체 메모리 소자 효율성 극대화] 신소재공학과 · 반도체공학과 이장식 교수 연구팀은 하프니아 기반 강유전체(Ferroelectric)*1 물질과 새로운 금속-강유전체 소자 구조를 이용해 강유전체 메모리 소자 정보 저장 능력을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 7일 게재되었다. 전자기기와 인공지능(AI)의 발전으로 데이터 생산과 처리량이 기하급수적으로 증가하면서 데이터 저장 기술의 중요성이 날로 커지고 있다. 현재 대용량 데이터를 저장하기 위해 가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 낸드 플래시 메모리*2다. 이 메모리는 평면이 아닌 3차원 구조로 셀을 구성해 동일한 면적에 더 많은 데이터를 저장할 수 있지만, 전하 트랩을 이용해 데이터를 저장하기 때문에 작동 전압이 높고, 속도가 느리다는 단점이 있다. 최근 하프니아 기반 강유전체 메모리가 차세대 메모리로 주목받고 있다. 하프니아는 하프늄(Hafnium)을 주성분으로 하는 산화물로, 이 물질을 활용한 강유전체 메모리는 낮은 전압에서도 작동 가능하며, 속도도 빠르다. 그러나 하프니아 기반 메모리 소자는 외부에서 전압을 가해도 강유전체 물질에 전압 전달이 원활하지 않아, 데이터 저장에 필요한 메모리 윈도우(전압 구간)를 충분히 확보하기 어려운 문제가 있었다. 이장식 교수 연구팀은 신소재와 새로운 소자 구조로 이를 해결했다. 연구팀은 하프니아 기반 메모리 소자에 사용되는 강유전체에 알루미늄을 도핑해 우수한 성능의 강유전체 박막을 만들었다. 또한, 소자를 구성하는 금속과 강유전체 물질이 단순하게 배열된 기존 MFS(금속-강유전체-채널) 구조 대신, 두 물질이 두 번 반복되는 MFMFS(금속-강유전체-금속-강유전체-채널) 구조로 소자를 만들었다. 연구팀의 소자는 금속과 금속, 금속과 채널 간 강유전체 층들의 두께와 면적비 등을 요소로 캐패시턴스*3를 조절해 각 층에 걸리는 전압을 효과적으로 제어하는 데 성공했다. 이를 통해 강유전체 물질에 전압이 효과적으로 전달되도록 하여 소자의 성능을 높이고, 에너지 소모를 줄일 수 있었다. 기존 하프니아 기반 강유전체 소자의 메모리 윈도우가 약 2V(볼트)였던 반면, 연구팀의 소자는 10V 이상의 메모리 윈도우를 기록하며, QLC*4를 구현할 수 있었다. 또한, 100만 번 이상의 동작 후에도 높은 안정성을 보였으며, 구동 전압은 낸드 플래시 메모리(18V)보다 낮은 10V 이하로 동작할 수 있음을 보여주었다. 정보를 유지하는 성능에서도 연구팀의 메모리 소자는 안정적인 특성을 보였다. 특히, 낸드 플래시 메모리는 원하는 데이터를 입력 · 저장하기 위해 전압을 지속적으로 높이는 방식을 사용해 프로그램 시간이 오래 걸리고, 복잡한 회로가 필요하지만, 연구팀의 소자는 강유전체 분극 스위칭을 제어해 한 번의 전압 인가로 원하는 데이터를 빠르게 입력하고, 저장할 수 있다. 이장식 교수는 “기존 메모리 소자의 한계를 돌파할 기술적 기반을 마련하고, 하프니아 기반 강유전체 메모리의 새로운 연구 방향을 제시했다“며 ”후속 연구를 통해 저전력 · 고속 · 대용량 메모리 소자를 개발 데이터 센터와 인공 지능 분야의 전력 문제 해결에도 기여하겠다“라는 포부를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와(한국연구재단)의 차세대지능형반도체 기술개발사업과 삼성전자 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn1345 1. 강유전체(Ferroelectric) 외부의 전기장 없이 스스로 분극을 가지는 재료로서 외부 전기장에 의해 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질이다. 2. 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory) 데이터를 전하(전기적 신호)의 형태로 저장하는 방식으로 높은 저장 밀도, 비휘발성, 저장 장치의 소형화 등 장점이 있다. 3. 캐패시턴스(capacitance) 전기용량을 의미하며, 두 도체 사이에 전하를 저장하는 능력을 나타낸다. 4. QLC Quadruple level cell로 단위 트랜지스터 당 16개 (4 비트, 4 bits)의 정보를 저장할 수 있는 기술이다.

환경 이형주 교수팀, 초미세먼지+고령화, 2050년 조기 사망자 11만명 예측

[이형주 교수팀, 한국의 고령화 속도를 고려한 초미세먼지 감축 농도 제시] 지름이 2.5µm(마이크로미터) 이하인 초미세먼지는 호흡기에 악영향을 미치는데, 초미세먼지 농도가 현재 수준을 유지한다면 2050년에는 조기 사망자가 현재보다 3배 이상 많아질 것이라는 POSTECH 연구가 발표됐다. 환경공학부 이형주 교수, 석사과정 김나래 씨 연구팀은 초미세먼지와 고령화 속도를 고려해 2050년 사망자 수를 예측하고, 현재 수준의 건강 부담을 유지하기 위한 초미세먼지 농도를 제시했다. 이 연구는 환경 분야 국제 학술지인 ‘환경 연구 (Environmental Research)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 먼지는 입자의 크기에 따라 총먼지와 미세먼지, 초미세먼지로 나뉘는데, 크기가 가장 작은 초미세먼지는 몸속 깊숙이 침투해 여러 질병을 유발한다. 특히 65세 이상의 고령층이 이에 더 취약하다고 알려져 있으며, 고령화가 급속도로 진행되고 있는 우리나라의 건강 부담이 앞으로 많이 증가할 것으로 학자들은 예측한다. 이형주 교수팀은 먼저, 2019년부터 2021년까지의 초미세먼지 데이터를 사용해 3년간의 초미세먼지 평균 농도를 계산했다. 초미세먼지의 영향을 정확하게 파악하기 위해 팬데믹 영향을 제외하고자 팬데믹 이전과 이후 기간을 포함했다. 2019~2021년 우리나라 평균 초미세먼지 농도는 약 20µg/m³로 이는 환경부의 연간 대기환경기준인 15µg/m³보다 높고, 세계보건기구(WHO) 권고 수준인 5µg/m³를 한참 상회하는 수치다. 또, 연구팀은 인구주택총조사와 장래인구추계 데이터를 통해 2020년 16%에 불과했던 고령층 인구가 2050년에는 40%로 증가할 것이라는 결과를 얻었다. 이를 바탕으로 연구팀은 초미세먼지로 인한 사망자 수를 예측하는 시나리오를 설계했다. 시나리오 분석 결과, 초미세먼지 농도가 최근 3년간의 평균 수준인 20µg/m³로 유지되는 경우, 2050년 사망자는 약 11만 명에 이르며, 이는 2020년 사망자 수인 3만 4천 명의 3배에 해당하는 수치다. 환경부 연간 대기환경기준인 15µg/m³로 초미세먼지 농도를 낮추더라도 2050년 사망자는 약 8만 4천여 명일 것이라는 결과가 나왔다. 그리고, 연구팀은 2050년의 사망자 수가 2020년 수준과 같아지려면 초미세먼지 농도를 6µg/m³까지 줄여야 한다는 결과를 얻었다. 전체 인구수는 감소하지만, 초미세먼지에 취약한 고령층 비율이 급속도로 증가하고 있어 초미세먼지 농도를 현재 정책보다 훨씬 더 많이 줄여야 사망자와 공중 보건 부담을 줄일 수 있다는 것이다. 이형주 교수는 “급격한 고령화로 인해 건강 취약계층이 증가하면서 초미세먼지로 인한 공중 보건에 큰 위협이 되고 있다”라며, ”2050년까지 같은 수준을 유지하려면 초미세먼지 농도를 연간 기준의 약 40% 정도로 감축시켜야 한다“라고 전했다. 또한, ”이러한 감축이 단기간에 이루어지기 어렵지만, 지금보다 훨씬 강화된 미세먼지 대책이 필요하다“라고 강조했다. 한편, 이 연구는 환경부와 국립환경과학원, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.119032

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 나노 세계의 깊은 유대, 양자점과 메타표면

[노준석 교수팀, 프린팅 가능 고효율 발광 제어 메타표면 제작] 사람과의 관계에서 함께하는 공간이 가까울수록 관계는 자연스럽게 더 깊어진다. 공통의 추억이 하나둘 늘어가면서 유대감이 형성되고, 이러한 공간 속에서 관계는 점점 단단해진다. 이는 우리 사회뿐만 아니라 공학 세계에서도 마찬가지다. 최근 메타표면 제작 단계에서 양자점(Quantum Dot)을 사용해 둘이 같은 공간에 존재하도록 해 큰 성과를 낸 흥미로운 연구가 발표됐다. 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 정민수 · 고병수 · 김재경 씨, 화학공학과 통합과정 정충환 씨 연구팀은 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography, 이하 NIL) 공정을 이용해 양자점이 포함된 메타표면을 제작하고, 발광 효율을 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano letters(나노 레터스)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 광학 메타표면을 만드는 공정 중 하나인 NIL은 패턴이 새겨진 스탬프를 사용해 나노미터(nm) 규모의 매우 미세한 패턴을 빠르게 전사하는 공정이다. 이 공정은 전자빔 리소그래피나 다른 공정에 비해 저렴한 비용으로 메타표면을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 기존 공정에서는 사용할 수 없는 물질로 구성된 메타표면을 제작할 수 있다는 장점이 존재한다. 최근 메타표면은 양자점의 편광 및 발광 방향을 제어하기 위해 많이 연구되고 있다. 나노 반도체 입자인 양자점은 발광의 효율이 높고, 특정 파장의 빛을 정확하게 방출할 수 있어 디스플레이(QLED)나 양자 컴퓨팅 등 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 하지만, 기존 공정방식으로는 양자점을 메타표면 안에 포함 시킬 수 없었기 때문에 메타표면과 양자점을 각각 제작해 결합하는 방식으로 연구가 진행되어왔고, 양자점의 발광을 제어하는 데 한계가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 NIL 공정 재료인 이산화티타늄(TiO2)에 양자점을 섞은 다음 메타표면을 만들었다. 메타표면과 양자점을 각각 제작한 후 결합하는 기존과 달리 공정 과정에 양자점을 넣어 양자점으로 구성된 메타표면을 제작하였다. 연구팀이 제작한 메타표면은 기존보다 양자점에서 방출된 광자가 메타표면이 가지는 공진모드(resonance mode)*1에 결합하는 비율을 높였다. 따라서 기존에 비해 양자점에서 방출된 특정 방향의 빛을 더 효과적으로 제어할 수 있게 된 것이다. 실험 결과, 방출된 광자가 메타표면의 공진모드에 많이 결합할수록 메타표면의 발광 효율이 높아졌으며, 연구팀의 메타표면은 양자점이 단순하게 코팅되었을 때보다 발광 효율이 최대 25배까지 향상됐다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “발광 제어 메타표면을 사용해 더 선명하고 밝은 디스플레이를 만들고, 정밀하고 민감한 바이오 센싱이 가능해질 것”이라며, “후속 연구를 통해 발광을 더 효과적으로 제어해 나노 광학 센서나 광전자 소자, 양자점 디스플레이 등 분야의 발전을 이끌겠다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 POSCO N.EX.T IMPACT 사업, 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00871 1. 공진 모드(resonance mode) 빛이 특정 공간에 오랜 시간 갇혀 있을 수 있는데 이 때 가지는 전기장 분포 및 고유 주파수를 의미한다.

화공 이효민 교수팀, 인공세포, 진짜에 한 걸음 더 가까워지다

[이효민 교수팀, 연쇄 효소반응 프로그래밍 가능한 인공세포 구조체 개발] 최근 화학공학과 이효민 교수 · 통합과정 서한진 씨 연구팀은 미세유체기술을 활용해 선택적 분자 투과도를 가진 양친매성 고분자 막 기반 인공세포 구조체를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 온라인판에 게재됐다. 세포(Cell)는 생명체의 가장 기본적인 생명 단위로 세포 내 요소들은 고도화된 네트워크를 통해 상호유기적으로 연결되어 있다. 따라서, 세포 안팎에서 일어나는 여러 화학반응을 개별적으로 이해하기는 거의 불가능해 세포의 가장 기본적인 기능과 특징을 재현한 인공세포(Artificial cell) 시스템을 활용한다. 하지만, 현재 기술로는 세포막 등 요소를 포함한 정교한 시스템을 만드는 데 한계가 있으며, 세포 내에서 일어나는 반응들을 시공간적으로 정확하게 재현하기 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 ‘드롭릿(droplet) 기술’이라는 미세 유체 기술을 이용했다. 연구팀은 마이크로미터(10-6m) 규모에서 액체 방울을 정교하게 제조하는 드롭릿 기술을 토대로 양친매성 고분자가 스스로 자기조립 되도록 유도하여 마이크로미터 규모의 폴리머좀(Polymersome)을 합성하는 데 성공했다. 연구팀의 폴리머좀은 고분자의 양친매성 성질을 이용하여 리포좀(Liposome)에 비해 기계적인 안정성이 높은 이중 층 단일 막을 형성했으며, 고분자의 종류를 달리하여 다양한 막 투과도를 가진 폴리머좀을 만드는 데도 성공했다. 이를 바탕으로 연구팀은 막 투과도가 서로 다른 두 종류의 폴리머좀을 합성해 세포 안팎의 여러 생화학적 반응을 재현하는 모델을 만들었다. 연구팀의 모델은 외부에서 주입하는 기질에 따라 다양한 생화학 반응들을 구현해냈다. 이어, 연구팀은 외부에서 주입하는 기질에 따라 코아세르베이트(Coacervate)*1 구조가 형성되거나 분해될 수 있으며, 경쟁적 효소 반응으로 이 구조가 스스로 형성되고 분해되도록 설계하는 데도 성공했다. 기존 시스템보다 효소 반응을 더 정밀하게 시공간적으로 제어함으로써 실제 복잡한 세포 공동체 시스템과 유사한 인공세포 시스템을 만든 것이다. 이효민 교수는 “여러 생화학적 반응을 시공간적으로 조절할 수 있는 다기능성 플랫폼을 만들었다“라며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 또, 서한진 씨는 ”다양한 재료를 활용해 외부 자극에 능동적으로 막 투과도를 조절할 수 있는 인공세포 구조체를 구현하고 싶다“는 포부를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업, 기초연구실 지원사업, 선도연구센터(혁신연구센터) 사업, 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 그리고 산업통상자원부 바이오산업기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202305760 1. 코아세르베이트(Coacervate) 정전기적 인력으로 결합하여 형성되는 농축된 액체 방울을 말한다.

물리 김준성 교수팀, 위상 자성 반도체의 스핀 물성 원리 규명

[POSTECH · 서울대, 위상 전자상태를 이용한 자성 반도체의 전자기 물성 조절] POSTECH 물리학과(기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단) 김준성 교수 · 서울대 물리학과 김기훈 교수 공동 연구팀은 위상학(topology)*1적으로 특이한 전자상태를 이용해 자성 반도체의 스핀(spin)*2 물성을 조절하는 새로운 원리를 제시했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 최근 게재됐다. ‘위상 자성 반도체’는 위상학적으로 특이한 전자상태, 즉 위상 전자 상태를 가지면서 동시에 자성을 띠는 새로운 반도체 물질이다. 이 반도체는 위상 전자 상태가 없는 기존 자성 반도체와 다른 특이한 전자기적 물성을 나타내 향후 스핀트로닉(spintronic)*3 분야를 이끌 소재로 세계적인 주목받고 있다. 하지만, 위상 자성 반도체 후보 물질이 매우 드물어 이와 관련된 연구가 부족한 상황이다. 김준성 교수 연구팀은 이러한 위상 자성 반도체의 전기적 특성을 조사하는 연구를 이어오고 있다. 2021년, 위성 자성 반도체인 망간 실리콘 텔루라이드 화합물(Mn3Si2Te6)의 전기 저항이 스핀 방향에 따라 최대 10억 배까지 바뀌는 현상을 학계에 보고한 적이 있다. 이번 연구에서는 이 물질에 외부 압력을 걸어 위상 전자 상태를 체계적으로 조절하고 반도체-금속 상전이를 유도하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 반도체-금속 상전이 과정에서 이상홀 효과(anomalous Hall effect)*4가 급격하게 커지는 등 물질의 전기전도 특성이 변화했으며, 동시에 스핀 정렬 방향이 평면 방향에서 수직 방향으로 급격하게 바뀌는 스핀 재정렬 전이가 발생했다. 위상학적인 전자상태의 강한 스핀-궤도 결합*5이 스핀 정렬 상태에 영향을 미쳐 물질의 자성을 변화시킨 것이다. 이처럼 압력을 이용해 자성 반도체의 위상 전자 상태 조절하고, 독특한 스핀 물성 변화를 관측한 것은 이번 연구가 처음이다. 김준성 교수는 “위성 자성 반도체의 위상학적 전자상태와 전자기적 물성 간의 관계를 이해하고, 이를 스핀트로닉 기술에 활용하는 데 이번 연구가 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 우수연구자교류지원사업 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48432-9 1. 위상학(topology) 연속적인 변형에도 고유하게 유지되는 기하학적인 특성을 기술하는 수학의 한 분야로, 최근 고체물질의 전자 파동함수의 특성을 기하학적으로 설명하는 개념으로 확장되었다. ‘위상학적인 전자상태'는 보통의 전자상태와 위상학적으로 구별되는 상태를 의미한다. 2. 스핀(spin) 전자들의 자전에 대응되는 각운동량으로 자석의 자기모멘트의 원인이 된다. 3. 스핀트로닉(spintronic) 전자의 전하대신에 전자 고유의 자기 모멘트인 스핀을 이용하여 정보를 처리하고 저장하는 기술을 말한다. 4. 이상 홀 효과(anomalous Hall effect) 외부 자기장이 없어도 자석 내부의 양자역학적 자기장에 의해 전자의 흐름이 전기장과 수직한 방향으로 편향되는 현상이다. 위상 전자상태가 전기 전도의 기여가 클 때 이러한 효과가 커진다. 5. 스핀-궤도 결합 전자의 스핀과 그 운동 경로가 상호작용하는 것을 의미한다. 6. 페르미 준위 고체 물질 내부의 모든 전자가 가장 낮은 에너지를 갖는 바닥 상태부터 점차 높은 에너지를 갖는 상태로 순차적으로 채워질 때, 마지막에 채워지는 가장 높은 에너지를 의미한다.