Research

화공 김진곤 교수팀, 고무처럼 죽죽 늘어나는 에너지 저장 소자, 레이저 기술로 완성하다

[POSTECH · 한국생산기술연구원, 레이저 기술로 신축성 에너지 저장 소자 개발] 화학공학과 김진곤 교수 · 김건우 박사, 한국생산기술연구원(KITECH) 양찬우 박사 · 박성주 석사 공동 연구팀은 신축성이 우수한 소형 에너지 저장 소자를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 전자 공학 분야 세계적인 학술지인 ‘npj 플렉시블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)’에 게재됐다. 폴더블 (foldable)과 롤러블 (rollable)을 넘어, 이제 스트레쳐블 (stretchable) IT 기기를 사용하는 시대가 오고 있어 부피가 작으면서 신축성을 가진 에너지 저장 소자의 개발은 불가피하다. 이러한 목적으로 마이크로 슈퍼커패시터*1 (micro supercapacitor, 이하 MSC)가 이러한 전자 기기를 구동하는 에너지 공급원으로 각광 받고 있다. 그러나, 현재까지는 MSC 집전체에 고체 금속인 금(Au)을 사용해야 하기 때문에 변형이 아주 제한되어 있다. 한편, 매우 높은 전도성을 가지면서 액체의 특성으로 인해 변형이 용이한 갈륨-인듐 합금 액체 금속 (EGaIn)을 MSC 집전체로 이용할 수 있지만, EGaIn의 액체 특성으로 인하여 정밀한 집전체 패턴 제작이 매우 어려운 한계점이 있다. 본 연구팀은 레이저의 강한 에너지를 이용하여 EGaIn을 손쉽고 정밀하게 패턴화 하여 MSC의 집전체로 성공적으로 적용하였다. 이렇게 제작된 MSC는 1,000번 이상 자유자재로 늘이고 줄여도 에너지 저장 성능이 변하지 않았다. 또한, 이 소자는 비틀거나 접거나 구겨도 안정적인 에너지 공급이 가능하다는 것을 보여주었다. 김진곤 교수는 “레이저 기술은 정밀한 작업이 가능하면서 공정 속도도 매우 빨라 신축성이 우수한 에너지 저장 소자를 개발하고 상용화에 할 수 있을 것으로 판단한다”고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 창의후속연구사업, 한국생산기술연구원의 제품생산 유연성 확보를 위한 뿌리공정기술 개발사업의 지원으로 진행되었다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-024-00306-2 1. 마이크로 슈퍼커패시터(micro supercapacitor) 전기를 저장한 후 필요시 순간적으로 고출력 전기를 내보내는 장치로 작은 부피에서도 안정적으로 에너지를 저장 · 방출할 수 있다.

화학 황승준 교수팀, 4전자 산화환원 활성 가능한 친환경 촉매 개발

화학과 황승준 교수 연구팀이 주족원소*1인 인(P)을 기반으로 한 촉매*2의 리간드*3 협동 반응성을 통해 4전자 산화환원 촉매 시스템을 구현했다고 밝혔다. 화학반응에서의 가용 전자 수는 반응 메커니즘과 생성물을 좌우하는 중요한 요소이다. 전자 수가 많을수록 화합물을 만들기에 유용한데, 여기에는 반응을 매개할 수 있는 촉매가 꼭 필요하다. 현재 널리 이용되고 있는 전이금속*4 기반 촉매는 지각 내 매장량이 적고 독성이 있어, 양적으로 풍부한 원소를 기반으로 한 친환경적이면서도 안전한 촉매 개발이 필요한 실정이다. 연구팀은 전이금속 대신 매장량이 많고 친환경적인 주족원소 인(P)을 활용, ‘기하구조 변형’과 ‘인-리간드 산화환원 협동과정’ 등 두 가지 핵심 전략을 사용해 4전자 산화환원 반응*5을 구현했다. 기존 연구에 따르면 주족원소 화합물의 경우 기하구조를 평면 형태로 바꾸면 원자간 상호작용 변화로 인해 전이금속과 유사한 반응성을 나타낼 수 있음이 밝혀진 바 있다. 이에 연구팀은 먼저 기존의 2전자 산화환원 반응성인 화합물의 기하구조를 평면화해 반응성을 높였다. 여기에 전자를 저장할 수 있는 산화환원 활성 리간드를 도입해 전자적 교류가 가능한 형태의 촉매를 설계함으로써, 추가적인 2전자를 리간드로부터 받아와 총 4전자 산화환원 반응을 구현해 낼 수 있었다. 연구팀 설명에 따르면 현재까지 균일계 촉매*6 시스템에서 단일 원소 중심의 4전자 산화환원 반응은 보고된 바가 거의 없다. 따라서 본 연구에서 구현한 4전자 산화환원 반응성에 대한 새로운 접근법은 기존에 정체되어 있던 주족원소 촉매에서의 다전자 산화환원 반응 연구에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다. 연구를 주도한 황승준 교수는 “산소의 4전자 환원 반응은 연료전지의 핵심 반응으로, 에너지 변환 촉매로의 활용 가능성도 기대할 수 있다”며, “후속 연구를 통해 구체적인 구조분석을 진행할 계획”이라고 말했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구(우수신진)사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지 (JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 4월10일 온라인 게재되었다. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c01748 1. 주족원소 주기율표에서 수소를 제외하고 s-구역에 속하는 1족, 2족 원소들과 p-구역에 속하는 13~18족의 원소. 지구와 태양계를 포함한 우주에서 가장 풍부하게 존재함. 2. 촉매 자신은 변하지 않으면서 화학반응 속도를 더 빠르거나 느리게 조절하는 물질. 3. 리간드 화합물의 중심금속 이온의 주위에 결합하고 있는 분자나 이온. 4. 전이금속 주기율표의 3족에서 12족까지 위치한 원소들. 촉매로 많이 사용되는 철, 구리, 금, 은, 백금, 니켈, 망간, 코발트, 아연, 카드뮴 등이 해당됨. 5. 산화환원 반응 어떤 물질은 전자를 받아들이고 동시에 어떤 물질은 전자를 잃게 되는 현상으로 전자의 이동을 설명하는 반응 6. 균일계 촉매 촉매가 반응물과 같은 상으로 존재하는 촉매(보통 액체).

화학 김기문 교수팀, 초고속 전자를 갖는 유기반도체 개발

[POSTECH · IBS 공동 연구팀, 전도성 이차원 고분자 내 초고속 전자 관측 성공] 화학과 김기문 교수 · 심지훈 교수 · 이연상 박사, 물리학과 김준성 교수(기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계연구단) 공동 연구팀은 그래핀(graphene) 수준의 전자 이동속도를 갖는 전도성 이차원 고분자를 개발했다. 이 연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘켐(Chem)’ 온라인판에 최근 게재됐다. ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀은 실리콘에 비해 전자 이동속도가 140배 빠르고, 강철보다 강도가 200배 높지만, 반도체로 사용할 수 없다. 반도체 재료는 전류를 통제하고 조절하기 위해 밴드갭(band gap)*1이 필요한데, 그래핀은 밴드갭을 가지고 있지 않기 때문이다. 그래핀처럼 뛰어난 물성을 가지며 동시에 밴드갭을 확보하기 위해 다양한 연구들이 활발하게 진행되고 있고, 우수한 물성을 갖는 전도성 고분자 개발도 그 중 하나로 주목받고 있다. 뛰어난 물성을 확보하기 위해, 그래핀의 화학구조와 동일한 방향성 고리화합물 구조(fused aromatic backbone)를 갖는 전도성 고분자가 연구되고 있지만, 합성 과정 도중 중간체 간 적층 현상이 발생해 고분자가 제대로 성장하지 못하는 문제가 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 그래핀과 화학적으로 구조가 유사한 트리아자코로넨(triazacoronene)을 사용하고, 그 옆에 부피가 큰 펜던트(pendant) 작용기를 도입했다. 이 작용기는 입체장애(steric hindrance)를 통해 층간 적층을 막아주는 역할을 한다. 연구팀은 이 펜던트 작용기의 도입을 통해 판상형 구조를 가진 트리아자코로넨 단량체의 중합 과정에서 이차원 고분자 중간체 간 적층을 억제하고, 중간체의 용해도를 증가시켜 중합도가 크고 결함(defect)이 적은 이차원 고분자를 합성하는 데 성공했다. 실험 결과, 연구팀이 합성한 고분자는 3,200 cm2V-1s-1라는 매우 빠른 전자 이동속도를 보였으며, 이는 기존 전도성 이차원 고분자에 비해 약 100배 이상 빠른 속도다. 또, 연구팀은 P형 도핑*2을 한 전도성 이차원 고분자에서 소량의 전자가 정공과 공존함을 확인했다. 일반적으로 P형 도핑으로 다수의 정공이 도입된 경우에는 소량의 전자가 존재했더라도 전자와 정공은 다니는 길이 서로 분리되어 있지 않기 때문에 재결합 되어 관측할 수 없었다. 그런데, 이들의 이동 경로를 분자 수준에서 제어해 처음으로 전자와 정공을 동시에 관찰한 것이다. 김기문 교수는 “유기반도체가 갖고 있던 고질적인 문제인 느린 전자 이동속도를 개선하고, 전자 · 정공의 전하 이동 경로를 분자 수준에서 제어하는 데 성공했다”며, “배터리나 촉매 등 다양한 산업에서 소재의 성능을 높이는 데 이번 연구가 활용될 수 있을 것”이라며 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 기초과학연구원, 막스 플랑크 한국 포스텍 연구소의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.12.007 1. 밴드갭(band gap) 전자 에너지 준위에 대한 차이를 말한다. 밴드 갭이 큰 물질은 전기가 잘 통하지 않는 전기 절연체이며, 작은 물질은 전기를 잘 통하는 전도체로 사용된다. 중간 크기의 밴드 갭을 가진 물질은 반도체로 분류된다. 2. P형 도핑 반도체 재료에 미세 불순물을 도입해 정공을 삽입하는 과정이다.

물리 박경덕 교수팀, 전염병 바이러스, 분자지문 찾아가며 실시간 검출한다

[POSTECH·UNIST, 기존 한계 넘는 광대역 초고감도 능동형 나노분광센서 원천기술 개발] 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 문태영 · 주희태 씨 연구팀은 잘 휘어지는 연성물질을 이용하여 빈틈제어가 자유자재로 가능한 ‘광대역 나노빈틈 금 분광센서‘를 개발하였다. 개발된 기술을 이용하면 전염병 바이러스 등 온갖 종류의 물질들을 단 하나의 나노분광센서만으로 분자지문을 찾아가며 빠르게 검사할 수 있다. 코로나와 같은 팬데믹 전염병의 충격은 향후 또다시 찾아올 잠재적인 바이러스 발생에 대비한 빠르고 정확한 분석 기술의 필요성을 강조하게 했다. 금 나노구조를 이용한 라만분광법*1은 ’분자지문‘이라 불리는 분자의 고유한 진동을 빛을 이용해 고감도로 측정하는 방식으로 물질의 내부 구조와 화학적 정보를 속속들이 제공한다. 따라서, 바이러스 양성 여부를 판단하는 목적으로 중요한 역할을 할 수 있다. 하지만, 기존의 고감도 라만분광센서들은 하나의 소자로 한 종류의 바이러스만을 검출하기 때문에, 임상 적용을 고려할 때 생산성, 검출속도, 비용 측면에서 한계가 있다. 연구팀은 분자 하나가 겨우 들어갈 수 있는 수준의 금 나노빈틈을 수 밀리미터 길이의 1차원 구조로 제작하여 대면적 고감도 라만분광센싱이 가능하게 하고, 잘 휘어지는 연성물질을 금 나노빈틈 분광센서의 기판으로 접합시키는 연구에 성공하였다. 이 기술을 통해 기존 나노빈틈을 바이러스가 들어갈 수 있는 수준의 너비로 늘리고, 바이러스를 비롯해 검출하는 물질의 크기와 종류에 따라 빈틈의 너비를 자유자재로 조절할 수 있게 하여, 단 하나의 센서로 원하는 물질을 맞춤형으로 검출할 수 있는 광대역 능동형 나노분광센서 원천기술 개발에 성공했다. 더 나아가 제임스웹 망원경과 같은 우주광학 분야에 사용되는 적응광학 기술을 변형 적용하여 센서의 민감도와 제어성을 극대화시켰다. 추가적으로, 제작에 성공한 1차원 구조를 2차원 분광센서로 확장하는 개념적 모델을 정립하였는데, 이 경우 라만분광 신호를 약 수십억 배 증폭시킬 수 있음을 이론적으로 확인하였다. 즉, 바이러스 양성 여부를 확인하는데 며칠이 걸리던 검사속도를 불과 몇 초만에 실시간으로 확인하는 것이 가능해진다는 뜻이다. 현재 특허출원이 된 연구팀의 성과는 COVID19처럼 예상치 못한 전염병이 발생할 경우, 고감도 실시간 검사를 통해 빠르게 대응하여 무차별적인 확산을 방지하는 목적으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 출판된 논문의 제1저자인 문태영 씨는 "분자부터 바이러스까지 다양한 물질의 고유 성질을 규명하는 기초과학 연구뿐만 아니라, 앞으로 발생할 수 있는 다양한 신종 바이러스들을 맞춤형 단일센서를 통해 신속하게 탐지할 수 있는 실용적으로 중요한 연구"라며 이번 성과의 의미를 설명했다. 한편, 본 연구는 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 김대식 교수 연구팀, UNIST 화학과 및 기초과학연구원 다차원탄소재료연구단 부단장인 서영덕 교수 연구팀이 공동으로 수행했으며, POSTECH 물리학과의 구연정, 강민구, 이형우 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 이번 연구는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00289 1. 라만 분광법(Raman spectroscopy) 바이러스와 같은 바이오 물질에 빛을 쏘았을 때, 일부 빛 에너지가 해당 물질의 고유한 분자 진동 에너지만큼 변환되는 원리를 활용하는 분광학적 기술로 이 변환 과정에서 발생하는 빛 에너지 차이, 즉 라만분광 신호를 분석함으로써 물질을 식별할 수 있다.

생명/융합 조윤제 교수팀, 난청 이겨내는 희망의 시작을 알리다

[POSTECH·경희대·美USC·英Oxford, 청각 기능 관련 단백질 GPR156 구조 규명] 생명과학과 조윤제 교수 연구팀이 경희대 응용화학과 김광표 교수 연구팀, 미국 서던 캘리포니아대(USC) 브셰볼로드 카트리치(Vsevolod Katritch) 교수 연구팀, 영국 옥스포드대(University of Oxford) 캐롤 로빈슨(Carol V. Robinson) 교수와의 공동 연구를 통해 청각과 관련된 특정 수용체 단백질 구조와 메커니즘을 밝히는 데 성공했다. 이 연구는 구조 생물학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 구조&분자 생물학(Nature Structural&Molecular Biology)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 귀의 안쪽에는 소리를 감지하는 달팽이관과 평형감각을 담당하는 전정기관이 있고, 이곳의 세포들은 ‘GPR156’이라는 수용체 단백질(GPCR*1)을 갖고 있다. 이 단백질이 활성화되면 세포 내 G단백질과 결합해 신호를 전달하는데, GPR156은 다른 수용체와 달리 특별한 자극이 없어도 항상 높은 활성을 유지하며, 청각과 평형 기능 유지에 큰 역할을 하고 있다. 선천적으로 청각 장애가 있는 환자들을 치료하기 위해서는 이 단백질의 구조와 작용 메커니즘을 알아야 한다. 이번 연구에서 연구팀은 초저온전자현미경(Cryo-EM) 분석법을 사용해 GPR156과 GPR156-G단백질 결합 복합체를 고해상도로 관찰하고, 수용체를 활성화하는 작용제 없이도 GPR156이 높은 활성을 유지할 수 있는 원인을 찾는 데 성공했다. 연구팀은 GPR156이 세포막에 풍부한 인지질과 결합해 활성화됨을 확인했으며, 세포질에 있는 G단백질과의 상호작용을 통해 자체적으로 구조를 변형해 높은 활성을 유지한다는 사실도 밝혀냈다. 특히, 기존에 알려진 GPCR들과는 달리 GPR156은 세포막을 통과하는 7번째 힐릭스(helix) 말단 부분의 구조를 유연하게 바꾸며 G단백질과의 결합을 유도했고, 이를 통해 신호를 활성화함으로써 소리를 감지하는 데 도움을 주었다. 그동안 베일에 가려져 있던 GPR156의 구조와 활성 메커니즘을 드디어 밝혀낸 것이다. 조윤제 교수는 “선천적으로 난청과 균형 감각 기능에 장애가 있는 환자들이 많다”며, “이들을 위한 획기적인 치료법과 약물 개발에 이번 연구가 큰 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41594-024-01224-7 1. GPCR(G-protein coupled receptor) 체내에서 가장 중요한 수용체 단백질 중 하나로 세포 외부에서 분비하는 작용제와 결합하면 활성화되며, G-단백질과 결합해 신호를 세포 내부로 전달한다. GPR156은 GPCR의 한 종류다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 온라인 보안 미래, AI와 메타표면이 지킨다

[노준석 · 김영기 교수팀, 색과 모양 바꾸는 능동형 메타홀로그램 구현] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 소순애 박사(現 고려대 교수) · 통합과정 김주훈 씨, 화학공학과 김영기 교수 · 통합과정 임준형 씨 연구팀은 인공지능(AI)을 기반으로 한 메타표면 기술과 층상 꼬임형 액정을 결합해 10가지 색의 10개의 홀로그램을 생성하고, 스위칭하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. 디지털 기술이 보편화되면서 현대 사회에서 온라인 개인 정보 보호 문제가 더욱 중요해지고 있다. 암호화 시스템은 이러한 온라인 프라이버시의 핵심으로 인터넷 통신의 안정성을 확보하는 데 매우 중요하다. 최근에는 빛을 자유롭게 제어하는 메타표면 기술과 홀로그램을 결합한 메타홀로그램이 이 분야에서 큰 주목을 받고 있지만 단일 메타표면에 담을 수 있는 정보량에 제한이 있었다. 이를 해결하기 위해 먼저 연구팀은 인공지능 기술을 기반으로 한 역설계 기법을 사용해 메타표면이 420 ~ 720 nm(나노미터) 사이의 10개 파장에서 각각 서로 다른 색과 모양을 가지는 홀로그램을 구현하도록 인코딩했다. 또, 메타표면이 각 파장에 따른 정보를 갖고 있어도 정확한 파장의 빛이 없다면 설계된 홀로그램을 구현할 수 없어 연구팀은 층상 꼬임형 액정 기반 파장 변조기를 사용했다. 층상 꼬임형 액정은 전기장과 온도 등 외부 자극에 따라 내부의 층상 구조 간격을 자유롭게 조절해 특정 파장의 빛(대역폭 < 30 nm)을 정확하게 반사할 수 있으며 넓은 파장 영역(400 ~ 720 nm) 내에서 조절할 수 있다. 연구팀은 메타표면 기술에 이 장비를 결합해 서로 다른 색과 모양의 독립적인 홀로그램 10개를 구현하고, 스위칭하는 데 성공했다. 또한, 이를 바탕으로 특정 전기장과 온도 정보가 모두 충족되어야 암호화된 홀로그램이 구현되는 광학 보안 시스템 제작에도 성공했다. 노준석 교수와 김영기 교수는 “전기장 및 온도 이외의 다양한 외부 자극(자기장, 특정 파장의 빛, 전기장 주파수 등) 조건을 추가 활용한다면 고도화된 광학 암호 플랫폼 구축도 가능하다”며, “그뿐 아니라 다색(full color) 또는 영상 홀로그램 구현도 가능해 차세대 디스플레이 분야의 핵심 기술이 될 것”이라고 이번 연구의 의의를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 미래유망융합기술 파이오니아 사업, 산업통산자원부와 한국산업기술기획평가원 알키미스트사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202311785

화학 김기문 교수팀, "세포 내에서는 어떤 대화가?“ 소기관 간 소통을 이끄는 단백질 분석 연구

[POSTECH · 대구가톨릭대 · 서울대, 특정 시간과 장소에서 활동하는 단백질 식별 기술 개발] 우리 몸은 복잡한 세포들의 네트워크로 이루어져 있으며, 이 세포들 간의 원활한 소통은 건강 유지에 필수적이다. 마치 사회에서 정보의 잘못된 전달이 오해와 갈등을 일으키듯, 세포 내 소기관들 간의 소통 또한 정확해야 하며, 이 과정에서의 오류는 심각한 질병을 초래할 수 있다. 우리가 ‘언어’로 대화를 하는 것처럼, 세포 내의 소기관들은 ‘단백질’을 통해 서로 대화를 나누는데, 최근 이러한 소기관 간 대화를 매개하는 새로운 단백질 식별법이 발표돼 주목을 받고 있다. 화학과 김기문 교수 · 분자과학교육연구단 이아라 박사, 첨단재료과학부 성기현 박사, 대구가톨릭대 의과대학 박경민 교수, 서울대 화학과 이현우 교수 · 생명과학부 김종서 교수 공동연구팀은 세포 간 커뮤니케이션에 관여하는 특정 단백질을 분리하고, 분석하는 전략(Ortho ID)을 개발해 학계에 보고했다. 이번 연구는 국제적으로 저명한 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 연구팀은 세포에서 발전소 역할을 하는 미토콘드리아(mitochondria)와 물질을 저장하고 운송하는 소포체 사이의 접점 지역에 주목했다. 이 접점은 지질과 칼슘 등 다양한 물질 교환이 일어나는 곳으로 이곳에서 소통을 매개하는 단백질의 변성은 퇴행성 신경 질환으로 이어질 수 있다. 따라서 퇴행성 신경 질환의 정확한 발생 메커니즘과 이에 대한 효과적인 치료법을 찾기 위해서는 막 접점에서 소통을 매개하는 단백질을 찾아야 한다. 학계는 비타민 종류인 비오틴(Biotin)과 자연 유래 단백질인 스트렙타비딘(Streptavidin) 간 강력한 상호작용을 이용해 특정 단백질을 표지하고 분석하고 있지만 단일 시스템으로는 두 세포 소기관 사이를 자유롭게 이동하는 단백질을 찾는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이번 연구에서 자연에서 유래한 결합 쌍인 비오틴-스트렙타비딘 시스템 외에, 이와 유사하게 강력한 결합력을 가진 인공 결합쌍인 아다만탄(Adamantane)- 쿠커비투릴(Cucurbituril) 시스템을 추가로 사용했다. 하나의 결합 쌍을 이용한 기존 연구와 달리 상호간섭 없는 두 결합 쌍을 사용해 두 소기관이 만나는 지점에 있는 단백질 표지 · 분석 능력을 혁신적으로 높인 것이다. 실험 결과, 비오틴과 아다만탄을 세포 내부를 자유롭게 이동하는 단백질에 빠르고 정확하게 표지하는 데 성공했으며, 이들의 결합 쌍인 스트렙타비딘과 쿠커비투릴로 표적 단백질을 효과적으로 분리했다. 이를 바탕으로 연구팀은 미토콘드리아-소포체 접촉 기작 관련 단백질을 식별하고, 그 역할을 규명했으며, 손상된 미토콘드리아가 자체적으로 분해되는 과정인 자가포식 작용(미토파지)과 같은 복잡한 세포 기작에 따라 막 접점에서 역동적으로 움직이는 단백질 후보군을 찾아내는 데도 성공했다. 이번 연구를 이끈 김기문 교수는 “이 기술은 세포 내 다른 소기관 간의 소통 탐구에도 적용할 수 있는 방법론을 제시했다”며, “기존 연구의 기술적 한계를 극복함으로써 복잡한 세포 소기관 상호작용을 더욱 세밀하게 이해할 수 있을 것”이라는 기대를 전했다. 또, 대구가톨릭대 의과대학 박경민 교수는 “퇴행성 신경 질환을 비롯해 다양한 질병의 원인을 규명하고, 새로운 치료법 개발에 기여할 수 있는 유용한 연구 수단이 될 것”이라며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 기초과학연구원의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46034-z

물리 박경덕 교수팀, ‘빛+물질’ 야누스(Janus) 입자, 광디스플레이 산업 성능한계 극복할까?

[박경덕 교수팀, 빛-물질 혼종입자인 폴라리톤 상온 전기적 제어 성공] 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 이형우 씨 연구팀이 새로운 초분해능 분광기술을 개발하여 빛-물질 혼종 입자인 폴라리톤을 상온에서 전기적으로 제어하는 데 세계 최초로 성공했다. 폴라리톤은 빛 입자인 광자의 특성과 고체 물질의 특성을 동시에 가지는 ’반 빛-반 물질‘의 혼종 입자이다. 이 입자는 기존 광자 혹은 고체 물질과는 완전히 다른 특수한 성질을 가지므로, 광 디스플레이 산업의 성능한계를 극복할 수 있는 혁신적인 차세대 소재로 주목받는다. 하지만, 현재 기술로는 상온에 존재하는 폴라리톤을 단일 입자 수준에서 전기적으로 제어하는 것이 불가능하기 때문에 상용화의 한계에 부딪혀 있다. 연구팀은 ’전기장 탐침증강 강한결합 분광법‘이라는 새로운 방식의 초고분해능 전기제어 광측정 기술을 개발하여 상온에 존재하는 단일 폴라리톤 입자의 성능을 능동적으로 제어할 수 있었다. 이 기술은 박경덕 교수팀이 기존에 발명한 초고분해능 현미경 기술에 초정밀 전기제어 기술을 융합한 새로운 개념의 측정 기법이다. 이 새로운 장비를 통해 강합결합이라 불리는 특수한 물리적 상태를 가지는 폴라리톤을 상온에서 안정적으로 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 전기를 이용해 폴라리톤 입자가 발생시키는 빛의 색깔과 밝기를 자유자재로 바꿀 수 있다. 만약 QLED 텔레비전의 핵심 소재인 양자점 대신 폴라리톤 입자를 사용한다면, 빨강-초록-파랑의 빛을 각각 발생시키는 세 종류의 양자점을 사용할 필요 없이 하나의 폴라리톤 입자로 모든 색깔의 빛을 훨씬 더 높은 밝기로 낼 수 있으며, 이 특성을 기존 전자제품처럼 전기적으로 간단하게 제어할 수 있다. 학술적인 측면에서는, 폴라리톤 입자 발견 이후 아직까지 미궁으로 남아있던 강한결합 영역에서의 양자 구속 스타크 효과*1를 이론적으로 정립하고 실험적으로 규명하는 데 성공했다. 연구팀의 성과는 폴라리톤 기반 다양한 광전자 소자와 광학 부품을 개발하는 차세대 연구의 발판이 되는 과학적 발명을 했다는 데 큰 의미가 있다. 특히, 매우 밝은 초소형 야외 디스플레이 등 광 디스플레이 산업 전반에서 혁신적인 제품들을 개발하는 데 필요한 핵심 원천 기술이므로 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 논문의 제1저자인 이형우 씨는 “차세대 광센서, 광통신, 양자 광소자 등 여러 분야의 발전을 이끌 수 있는 중요한 발명”이라며 이번 연구의 의미를 설명했다. 한편, 연구에 사용된 양자점 제작에는 성균관대 정소희 교수팀과 임재훈 교수팀, 이론 모델 정립은 미해군 연구소의 알렉산더 이프로스 교수, 데이터 분석에는 콜로라도 대학교 마커스 라쉬케 교수팀과 메릴랜드 대학교 메튜 팰튼 교수팀이 참여했으며, POSTECH 물리학과의 구연정, 배진혁, 강민구, 문태영, 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 이번 연구는 물리학 분야 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 최근 게재됐으며, 연구수행은 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.133001 1. 양자 구속 스타크 효과(Quantum Confined Stark Effect) 양자 역학의 영향을 받는 나노구조물에서 나타나는 현상으로써, 외부 전기장의 영향으로 나노구조물 내에 존재하는 전하의 위치나 에너지가 변하는 것을 설명할 수 있다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 레고처럼 조립하는 메타물질로 환경 지킬까

[POSTECH · 성균관대 공동 연구팀, 탈부착 가능한 조립형 탄성 메타물질 개발] 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 일상생활에서 사용하지 않거나 버려지는 에너지로 전기를 만드는 친환경 기술이다. 태양광과 풍력뿐 아니라 자동차 엔진이나 기차가 지나갈 때 발생하는 진동으로도 전기를 생산하는데, 최근 레고처럼 조립이 가능한 메타물질로 에너지 하베스팅 효율을 높인 흥미로운 연구가 발표됐다. 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이건 씨, 성균관대 신소재공학부 김미소 교수 공동 연구팀은 구조체를 자유롭게 탈부착해 실생활에 응용할 수 있는 조립형 · 다기능 탄성 메타물질 기술을 개발했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다. 메타물질은 빛, 진동, 소리와 같은 파동 에너지의 비자연적 제어를 위해 파장 간의 관계를 이용해 인공적으로 설계된 구조체이다. 에너지 하베스팅에 이를 활용하면 압전 소자에서 탄성파를 모아 전기 생산 효율을 높일 수 있다. 하지만, 메타물질을 구성하는 빔(기둥)에 대한 이론적 분석의 한계로 현재로서는 단일 주파수에서만 작동하고, 특정 목적에만 사용할 수 있어 실제 구조물에 적용하기는 어려웠다. 연구팀은 이번 연구에서 기존 ‘오일러-베느루이(Euler–Bernoulli) 빔 이론’ 대신 ‘티모센코-에렌페스트(Timoshenko–Ehrenfest) 빔 이론’으로 이러한 한계를 극복했다. 이 이론은 기존 이론과 달리 빔의 전단 변형과 회전 관성 영향 등 탄성체 주요 특성을 고려한 이론으로 탄성 메타물질 연구에 이를 적용한 것은 이번이 처음이다. 연구팀은 ‘티모센코-에렌페스트 빔 이론’으로 탄성파 위상 변조를 위한 탄성 메타물질 해석과 모델링에 성공했으며, 여러 구조체를 탈부착할 수 있는 조립형 탄성 메타물질을 제작했다. 이 메타물질은 용도에 따라 표면을 재구성할 수 있어 하나의 기판으로도 비자연적 음굴절과 파동 집중, 경로 지정형 파동 전파, 파동 전반사 등 여러 파동 현상을 광대역 주파수에서 제어할 수 있다. 특히, 연구팀의 조립형 탄성 메타물질은 파동 에너지를 효과적으로 모으는 능력이 우수해 탄성파 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 압전 소자의 전기 출력값을 최대 8배 높여 고성능 압전 에너지 수확 장치로서의 성능도 입증했다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “다목적 및 광대역 주파수에서 작동하도록 설계된 조립형 탄성 메타물질이 버려지는 에너지를 수확해 환경을 지키는 에너지 하베스팅 분야를 비롯해 구조 안전성 검사와 무선 센싱, 사물 인터넷 등 다양한 분야에서 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 POSCO(포스코) N.EX.T Impact 사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 미래유망융합기술파이오니어사업, 미래연구실사업, RLRC지역선도선도연구센터사업 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202400090

신소재/반도체 최시영 교수팀, “원자 결함으로 2차원 소재 물성을 바꾼다”

[POSTECH · 연세대 공동 연구팀, 결함 엔지니어링 및 통계적 원자 구조 분석 성공] 최근 POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 및 반도체공학과 최시영 교수 · 오동고 프란시스 응곰메 오켈로(Odongo Francis Ngome Okello) 박사 · 통합과정 양동환 씨, 연세대 정밀의학과 및 보건대학원 양세정 교수 · 의공학과 통합과정 추유성 씨 공동 연구팀은 2차원 반도체 소재에 인위적으로 결함을 생성하고, 인공지능 기술을 이용해 주요 결함과 소재 물성 간 관계를 분석하는 데 성공했다. 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS　Nano)’에 게재됐다. 컴퓨터와 통신기기, 자동차 등 운송수단, 의료 기기까지 현대 사회에서 반도체가 사용되지 않는 산업을 찾는 것은 거의 불가능하다. 이처럼 광범위하게 활용되고 있는 반도체 분야에서는 최근 원자층 두께로, 유연하며 전기적 특성 조절이 용이한 2차원 소재의 신 물성 발현을 위한 연구가 활발하다. 기존 소재 성능 한계를 극복하는 것도 중요하지만, 물성 변화에 직접적 영향을 주는 결함을 제어할 방법을 찾는다면 전기적 특성과 반응 속도 모두 우수한 반도체 소자를 만들 수 있다. 최시영 교수팀은 이전 연구를 통해 2차원 반도체 소재(2H-MoTe2*1)의 원자 구조 이미지에서 점 결함*2을 정교하게 분석하는 딥 러닝 모델을 개발하고, 전 공정 자동화를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구에서는 2H-MoTe2 소재에 섭씨 200도 진공 가열과 532nm(나노미터) 파장의 레이저를 조사해 인위적으로 결함을 형성했다. 나아가 결함 형성 원인에 따라 발생하는 점 결함 종류를 원자 구조로 세분화하고, 딥 러닝 기술로 점 결함 유형의 통계적 분석 실험을 설계했다. 연구팀은 섭씨 200도 진공 가열과 레이저 조사 실험 조건을 조절해 소재의 손상(비정질화2*3)을 최소화하는 전략을 찾는 데 성공했으며 피코미터(10-12m) 수준의 높은 분해능을 가진 구면 수차보정 주사투과전자현미경*4으로 발생하는 점 결함 유형을 세분화했다. 2H-MoTe2 소재의 섭씨 200도 진공 가열은, 소재 내 단일 · 이중 Te(텔루륨) 공공 결함과 Te 추가 결함 유형이 나타남을 확인했다. 또한, 2H-MoTe2 소재에 레이저를 조사한 경우, 소재 내 Mo(몰리브데넘) 공공 결함과 Mo 침입형 결함이 생겼으며, 단일 · 이중 Te 공공 결함 위치에 산소가 흡착됨을 원자 구조 분석을 통해 확인했다. 이어 이전 연구에서 개발한 딥 러닝 기술을 바탕으로 섭씨 200도 진공 가열 조건에서는 단일 Te 공공 유형이, 532nm 레이저 조사는 단일 Te 공공 위치의 산소 흡착 유형이 2H-MoTe2 소재 내에 가장 우세하게 형성됨을 통계적으로 규명했다. 2차원 소재 결정 구조 손상을 최소화하면서, 결함 생성 원인에 따른 점 결함 유형을 세분화하고, 물성 변화 주요한 원인을 딥 러닝과 결합하여 원자 단위에서 통계적으로 규명한 연구는 이번이 처음이다. 최시영 교수는 ”기존 2차원 소재 결함 관련 연구는 이론 중심이거나 단편적인 원자 구조를 확인하는 데 그쳤다“며, ”연구팀은 결함 형성 원인에 따른 특정 점 결함 요소 확인하고, 점 결함과 물성 변화의 관계를 원자 단위에서 통계적으로 분석한 통합 연구로서 의미를 지닌다“고 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 한국기초과학지원 연구원 국가연구시설장비진흥센터, 기초과학연구원의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08606 1. 2H-MoTe2 몰리브덴 디텔루라이드화합물 반도체 2. 점 결함 소재 결정 구조 내에 원자가 하나 비어있거나 추가되는 0차원 결함이다. 3. 비정질화 원자(격자)의 장거리 규칙도가 존재하지 않는 상태 4. 구면 수차보정 주사투과전자현미경 Spherical aberration-corrected scanning transmission electron microscopy