Research

신소재 김용태 교수팀, 높은 스펙의 고순도 양극재, 과연 필요한가?

[김용태 교수 연구팀, 이차전지 단가를 낮출 수 있는 획기적인 대안 제시] 이차전지 셀 메이커들(LG엔솔, 삼성SDI, SK온 등)은 양극재 소재 업체에 일정한 품질의 제품을 납품할 것을 요구하면서 매우 높은 수준의 고순도 스펙을 제시해 왔다. 사실 양극재 순도 스펙은 기업비밀로 부쳐져 왔으나, 실제 이러한 높은 스펙이 필요한지에 대한 검토는 적극적으로 이루어지지 않았다. 이러한 상황에서 양극재 소재 업체에서는 셀 메이커의 요구에 부응하기 위해 원료 메탈의 불순물 제거 공정에 막대한 비용을 지불해 왔으며, 이는 고스란히 배터리 단가 상승의 원인이 되었다. 신소재공학과 김용태 교수 연구팀은 같은 학교 친환경소재대학원 · 신소재공학과 박규영 교수 및 RIST(포항산업과학연구원) 정우철 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 셀 메이커들이 설정해 놓은 양극재의 순도 스펙이 지나치게 높게 설정되어 있음을 확인하였으며, 리튬 정제 과정의 간소화를 통해 배터리 단가를 극적으로 낮출 수 있다는 연구결과를 발표했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 연구팀은 이번 연구에서 리튬 원료의 순도가 이차전지 양극재의 생산과 성능에 미치는 영향을 확인했다. 일반적으로 리튬 원료 내에 있는 불순물은 이차전지의 성능을 떨어뜨린다고 알려져, 최소 99.5% 이상 순도를 가지는 리튬 원료 생산을 목표로 한다. 그런데, 연구팀은 리튬 원료 내 약 1%의 마그네슘(Mg) 불순물이 오히려 공정 효율을 높이며, 이차전지 수명까지도 증가시킨다는 사실을 밝혔다. 실험 결과 불순물이 완벽하게 정제되지 않은 저순도 리튬은 이차전지 생산 비용과 이산화탄소 배출을 최대 각각 19.4%와 9.0% 낮출 수 있음을 확인하였다. 이번 연구를 이끈 김용태 교수는 “이차전지 셀 메이커들은 현재의 양극재 스펙이 과다한 것은 아닌지 재검토할 필요가 있다”며, “고정관념을 깨면 중국의 저가공세에 대응할 수 있는 새로운 무기를 확보할 수 있다”는 기대를 전했다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44812-3

신소재/반도체 최시영 교수팀, “AI로 결함을 깊이(deep) 파헤치다” 딥 러닝(deep learning) 기반 2차원 소재 분석

[POSTECH · 연세대 공동 연구팀, 소재 점 결함 분석을 위한 딥 러닝 기술 개발] 최근 신소재공학과 및 반도체공학과 최시영 교수 · 신소재공학과 통합과정 양동환 씨, 연세대 정밀의학과 및 보건대학원 양세정 교수 · 의공학과 통합과정 추유성 씨 공동 연구팀은 딥 러닝(deep learning)을 적용해 소재 점 결함 분석 전 공정 자동화를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’에 게재됐다. 스마트폰 반도체 소자에서 발생하는 결함을 정확하게 식별하고 분석한다면 제조 과정에서 발생하는 결함을 최소화해 완제품 성능을 향상할 수 있다. 또한, 결함이 생성·제어된 소재의 신물성 응용은, 장기적으로 더 우수한 제품을 개발할 수 있어 결함 생성과 제어는 소재 분야 연구에서 매우 중요하다. 소재 결정 구조 내에 원자가 하나 비어있거나 추가되는 0차원 결함을 ‘점 결함’이라고 하는데, 이는 소재의 고차원 결함 연구로 나아가기 위한 필수 선행 연구 대상이다. 원자 수준 점 결함을 관찰하기 위해 피코미터(10-12 m) 단위의 공간 분해능을 가진 구면 수차보정 주사투과전자현미경*1을 사용한다. 그러나, 이 현미경으로 촬영한 하나의 이미지에는 적게는 수백 개부터 많게는 수천 개까지의 원자가 포함되어 있어, 정확한 점 결함 종류와 개수 파악에 많은 시간과 노력이 필요했다. 연구팀은 반데르발스*2 반도체 소재(2H-MoTe2*3)의 원자 구조 이미지에서, 소재의 기본 반복 단위인 유닛 셀(unit cell)을 매우 정교하게 검출하는 딥 러닝 모델을 개발했다. 이 모델은 유닛 셀 인식 단계를 세분화해 인식 정확도를 높였으며, 연구팀은 인식된 유닛 셀마다 종류에 따른 다양한 점 결함 유형을 분류하도록 모델을 학습시켰다. 실험 결과, 연구팀의 딥 러닝 모델은 총 3,037개 유닛 셀 분류 실험에서 99.9%의 점 결함 분류 정확도를 보였다. 이는 최근까지 문헌이나 논문으로 학계에 보고된 점 결함 분류 성능보다 높은 수준이다. 최시영 교수는 “이번 연구가 다양한 소재의 원자 결함 분석 및 원자 구조 분석 데이터베이스 구축 연구에 큰 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터, 기초과학연구원, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 지원으로 수행되었다. DOI: https://doi.org/10.1039/D3MH01500A 1. 구면 수차보정 주사투과전자현미경 Spherical aberration-corrected scanning transmission electron microscopy 2. 반데르발스(Van der Waals) 중성 분자 사이에서 근거리에만 작용하는 약한 인력이다. 3. 2H-MoTe2 몰리브덴 디텔루라이드화합물 반도체를 말한다.

화공 김진곤 교수팀, ‘열 X 플라즈마’ 콜라보가 열어준 유연한 에너지 저장 소자 구현

[POSTECH · 성균관대 · 서울시립대 연구팀, 메조 다공성 금속 산화물 저온 합성 성공] 웨어러블 (wearable) 혹은 플렉서블 (flexible) 전자 기기는 이제 우리 일상 어디서나 찾아볼 수 있게 되었다. 이들의 기기들은 벤딩이나 폴더블 같은 기계적 변형에도 작동할 수 있지만, 이를 뒷받침하기 위한 고용량의 에너지 저장 소재를 유연한 기판에 적용하는 것은 항상 어려움이 있었다. 최근 화학공학과 김진곤 교수 · 김건우 박사, 성균관대 기계공학과 김태성 교수 · 나노과학기술학과 통합과정 석현호 씨, 서울시립대 화학공학과 문홍철 교수 연구팀은 열과 플라즈마(plasma)*1를 사용해 메조 다공성 금속 산화물을 유연한 기판에 합성하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. 메조(meso)*2 다공성 금속 산화물은 2~50나노미터(nm) 크기의 구멍을 가진 금속 산화물로, 표면적이 매우 커 이온이나 전자 등 물질을 전달하는 데 유리해 고성능 에너지 저장과 변환, 촉매, 반도체, 센서 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 하지만, 메조 다공성 금속 산화물을 웨어러블 및 플렉서블 기기처럼 잘 휘어지거나 구부러지는 제품에 활용하려면 유연한 플라스틱 기판을 사용해야 한다. 그런데, 플라스틱은 일반적으로 온도에 매우 민감해 고온(350°C 이상)이 필요한 메조 다공성 금속 산화물 합성 공정에 사용할 수 없는 문제가 있었다. 연구팀은 플라즈마를 이용하여 얻은 에너지를 활용하여 150~200°C의 저온에서도 메조 다공성 금속 산화물을 합성하는데 성공했다. 대표적인 고성능 에너지 저장 소재 중 하나인 바나듐 옥사이드(V2O5)를 포함해 여러 메조 다공성 금속 산화물(V6O13, TiO2, Nb2O5, WO3 등)을 유연한 플라스틱 기판에 합성하였다. 이렇게 제조된 메조 다공성 금속 산화물은 수천 번 구부려도 우수한 에너지 저장 성능을 유지함을 확인했다. 연구를 이끈 김진곤 교수는 “다양한 메조 다공성 금속 산화물을 플라스틱 기판에 사용될 수 있는 새로운 저온 합성법을 개발했다”며, “이번 연구를 바탕으로 웨어러블 또는 플렉서블 기기의 에너지 저장 소재, 차세대 센서 등 다양한 애플리케이션에서 혁신을 가져올 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 창의후속연구사업, 과학기술분야 기초 연구사업, 나노 및 소재기술개발 사업(나노커넥트) 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202311809 1. 플라즈마(plasma) 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다. 2. 메조(meso) 나노미터(nm)와 마이크로미터(um) 사이의 규모를 말한다.

기계/화공/전자 노준석 교수팀, 메타물질, AI와 만나 창의적 혁신 일으킬까

[노준석 교수팀, AI를 활용한 메타 광학 플랫폼 차세대 연구 트렌드 출판] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이석호 · 박채리 씨 연구팀이 최근 메타(meta) 광학 연구와 인공지능(AI)을 결합한 차세대 연구 트렌드를 담은 논문을 발표했다. 이 논문은 국제 학술지인 ‘커런트 오피니언 인 솔리드 스테이트 앤 머티리얼즈 사이언스(Current Opinion in Solid State and Materials Science)’에 게재됐다. 메타 렌즈는 기존 렌즈 두께를 1만분의 1 정도로 줄이면서도 빛의 특성을 제어할 수 있어 광학 분야에서 혁신을 일으키고 있다. 최근 학계는 AI를 인풋(input)과 아웃풋(output) 데이터 간 관계를 찾는 연결(mapping) 도구로 활용하고 있는데, 연구팀은 이번 논문을 통해 AI 기반 메타광학 연구의 세 가지 주요 트렌드를 소개한다. 기존 연구에서는 메타물질을 기반으로 기기를 개발하기 위한 시뮬레이션에 오랜 시간이 필요했다. 그런데, AI 기술을 적용하면서 컴퓨터에 입력한 데이터에 따른 광학적 특성을 빠르게 예측해 시간과 에너지를 효과적으로 줄이는 데 성공했다. 또, 광학적 특성에 대한 데이터를 AI에 입력하면 연구진이 원하는 특성을 가진 광학 기기를 역설계하는 것도 가능해졌다. 또, 광 신경망 분야에서는 메타물질을 이용해 정보를 빛으로 변환함으로써 빛의 속도로 AI를 구현하는 광컴퓨터 기술이 떠오르고 있다. 특히, 연구팀은 기존 연구와 달리 광 신경망을 정보를 압축 · 추상화하는 ‘인코더(Encoder)’와 정보를 해석하는 ‘디코더(Decoder)’로 분류함으로써 AI와 미래 메타 광학 연구를 연결하는 새로운 관점을 제시한다. 그리고, 연구팀은 메타물질을 기반으로 한 메타 센서도 차세대 연구 트렌드 중 하나로 언급했다. 메타 센서는 측정된 정보를 빛의 형태로 인코딩하고, 동시에 증폭하는 장치로 이를 AI와 결합하면 정보를 매우 정밀하고 빠르게 분석할 수 있다. 이러한 메타 센서는 환자를 진단 · 치료하거나 환경 모니터링, 보안 등 다양한 분야에서 세밀하게 정보를 감지하고 분석하는 데 큰 잠재력을 가진다. 노준석 교수는 “이번 논문을 통해 최신 연구부터 개선 과제, 미래 연구 트렌드에 이르기까지 메타광학 연구의 과거, 현재, 미래를 제시했다”며, “AI와 메타물질의 근본적인 특성을 활용해 더 창의적이고 혁신적인 연구가 이어지길 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역혁신선도연구센터사업, 나노커넥트사업, 산업통산자원부와 한국산업기술기획평가원의 알키미스트사업, 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 과제 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adj0785

화학 박수진 교수팀, 전고체 전지 기술의 새로운 돌파구, “아래부터 찬찬히” 리튬의 성능을 높이다

[POSTECH · 포스코홀딩스 미래기술연구원 공동 연구팀, 새로운 리튬 전착 전략으로 전고체 전지 성능과 내구성 향상] 최근 화학과 박수진 교수, 첨단재료과학부 통합과정 이상엽 씨, 화학과 조성진 박사 · 석사과정 최현빈 씨, 포스코홀딩스 미래기술연구원 김진홍 박사, 배홍열 박사 공동 연구팀은 하면 전착*1(bottom electrodeposition)이라는 새로운 전략으로 전고체 전지(All-Solid-State battery)의 성능과 내구성을 높이는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’에 게재됐다. 전기 자동차와 에너지 저장 시설 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 이차 전지는 일반적으로 액체 전해질을 기반으로 한다. 그런데 가연성인 액체 전해질은 화재 발생의 위험이 있어 액체가 아닌 고체 전해질과 리튬(Li) 금속을 사용해 상대적으로 안전한 전고체 전지 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전고체 전지는 음극에 도금된 리튬과 전자의 이동을 활용하여 전기를 생산한다. 전지가 충 · 방전될 때 리튬 금속은 전자를 잃고 이온이 되었다가 다시 전자를 얻어 금속 형태로 전착되는데, 이 과정에서 리튬이 무분별하게 전착되는 경우, 사용할 수 있는 리튬이 빨리 고갈되어 전지의 성능과 내구성이 현저하게 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 포스코홀딩스 미래기술연구원과의 공동 연구를 바탕으로 기능성 바인더(PVA-g-PAA*2) 기반 전고체 전지용 음극 보호층을 만들었다. 이 층은 리튬을 전달하는 특성이 우수해 무분별한 전착을 막고, 음극 표면 하단부터 리튬이 균일하게 전착되는 ‘하면 전착’을 유도했다. 연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 사용한 분석에서도 리튬 이온이 안정적으로 전착 · 탈리*3됨을 확인했다. 그 결과, 불필요하게 소모되는 리튬이 현저하게 줄어들었으며, 연구팀의 전고체 전지는 10마이크로미터(μm) 이하의 얇은 리튬 금속만으로도 오랜 시간 동안 안정적인 전기화학적 성능을 보였다. 이번 연구를 이끈 박수진 교수는 “하면 전착이라는 새로운 전략을 바탕으로 장기간 활용할 수 있는 전고체 전지 시스템을 개발했다”며, “후속 연구를 통해 전지 수명을 더욱 효과적으로 늘리고, 에너지 밀도를 높일 수 있는 새로운 방향성을 제시하겠다”는 포부를 밝혔다. 포스코 홀딩스는 이번 공동연구성과 등을 기반으로 차세대 이차전지의 핵심소재인 리튬 금속 음극의 상용화를 추진할 계획이다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스, 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202311652 1. 전착(electrodeposition) 전해질에 전류를 통과시켜 전해질에 잠긴 전극에 금속을 증착하는 공정이다. 2. PVA-g-PAA poly(vinyl alcohol)-grafting-poly(acrylic acid) 3. 탈리 벗어나 따로 떨어진다는 의미로 리튬 금속이 전자를 잃고 리튬 이온이 되는 현상을 말한다.

기계/화공 노준석 교수팀, 메타렌즈, 이제는 자외선 영역까지 확장되나

[노준석 교수팀, 자외선 영역에서 사용할 수 있는 메타렌즈 대량 생산 성공] 자외선(Ultraviolet rays)은 소독과 살균, 치료 등 의료나 보건 분야뿐 아니라 반도체 산업에서 미세한 회로나 패턴을 만들 때도 사용된다. 최근 POSTECH 연구팀은 이러한 자외선의 광학적 특성을 제어하는 메타렌즈 제작 공정을 개발해 여러 산업에서 혁신을 이끌어낼 것으로 주목을 모으고 있다. 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 김주훈 · 김예슬 씨, 고려대 신소재공학부 이헌 교수 · 김원중 씨 공동 연구팀은 자외선 영역에서 사용할 수 있는 대면적 메타렌즈를 대량으로 생산하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘머티리얼즈 투데이(Materials today)’에 게재됐다. 메타렌즈(metalens)는 나노미터 크기의 패턴이나 구조물을 렌즈 표면에 가공하여 빛의 특성을 제어한다. 기존 렌즈 두께를 1만 배 줄일 수 있어 체내 삽입하는 의료 기기나 웨어러블(werable) 기기 분야에서도 잠재력이 무궁무진해 이를 큰 면적으로 대량 생산해 상용화하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그런데, 자외선 영역의 빛은 에너지 준위가 높아 대부분의 물질에 흡수되며, 파장이 짧아 같은 면적이더라도 더 많은 구조체가 필요하다. 또, 가시광선이나 적외선과 달리 자외선 영역에서 투명한 소재가 많지 않아 그동안 자외선용 대면적 메타렌즈를 생산하는 데 어려움이 많았다. 또, 나노 공정 기술의 한계로 현재까지 학계에 보고된 자외선용 메타렌즈는 대부분 500μm(마이크로미터) 이하다. 연구팀은 이전 연구에서 RIST(포항산업과학연구원) 전교선 박사팀과의 협업을 통해 가시광선용 메타렌즈를 대량으로 생산하는 데 성공해 ‘Nature Materials(네이처 머티리얼즈)’에, 그리고 적외선용 메타렌즈를 대량으로 생산하여 ‘Laser and Photonics Reviews(레이저 앤 포토닉스 리뷰)’에 최근 논문을 게재했다. 이번 연구에서는 자외선 영역에서 투명한 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 물질에 이 공정을 결합함으로써 연구팀은 1cm(센티미터) 크기의 메타렌즈를 웨이퍼 단위로 대량 생산하는 데 성공했다. 해당 공정은 도장을 찍듯 패턴을 새기는 나노 임프린트 공정을 이용해 기존보다 2만 배 더 큰 수백 개의 메타렌즈를 빠르고 저렴하게 생산할 수 있다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “탁월한 광(光) 조절 능력을 가진 메타렌즈를 자외선 영역에서 대면적으로 구현한 연구는 처음”이라며, “추후 연구를 통해 반도체 검사장비 등의 산업 기술에도 적용할 수 있도록 개선해 나가겠다”는 포부를 전했다. 한편, 이 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact Project, 과학기술정보통신부 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역선도선도연구센터사업, 나노소재기술개발사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.01.010

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, 소재의 한계를 극복한 투명 초음파 기기, 이미징(imaging) 기술에 혁신 가져올까

[김철홍 교수팀, 초고감도 · 광대역 투명 초음파 트랜스듀서 개발] ‘초음파-광음향 시스템’은 체내 조직이나 장기의 구조를 관찰하는 데 적합한 초음파와 세포 기능 분석에 유리한 광음향(Photoacoustic)을 융합한 시스템이다. 이 시스템은 의료 현장에서 생리 · 조직학적 정보를 다각도로 얻을 수 있어 더욱 정확하고 안전한 치료를 환자에게 제공할 수 있다. 하지만 실제 이 시스템을 적용하기 위해서는 해결해야 할 과제가 아직 많다. 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과 조성희 교수, IT융합공학과 통합과정 김민수 씨 연구팀은 기존 초음파-광음향 시스템이 갖고 있던 문제를 해결하고, 우수한 성능의 투명 초음파 트랜스듀서*1(이하 TUT)를 개발했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 트랜스듀서(transducer)는 한 형태의 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 장치로 초음파 트랜스듀서는 초음파 정보를 수신해 이를 전기 신호로 바꾼다. 기존 초음파-광음향 시스템의 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 불투명한 소재로 제작되고, 그로 인해 광파와 초음파 간 경로 간섭이 발생해 성능이 낮았다. 이를 해결하기 위해 투명한 소재를 적용한 TUT 연구가 활발하게 진행되고 있지만 현재 기술 수준으로는 트랜스듀서의 모든 층을 투명하게 만들기는 어려웠다. 연구팀은 이번 연구를 통해 이산화규소(SiO2)-에폭시 합성물 기반 투명 소재를 개발하고, 이를 TUT에 적용했다. 연구팀의 TUT는 높은 광학 투명도(80% 이상)를 보였으며, 기존의 불투명한 초음파 트랜스듀서와 동일한 대역폭(중심주파수에서 ±30%)을 나타냈다. 또, 이 TUT를 적용한 초음파-광음향 시스템은 초음파와 광 음파 영상에서 각각 깊이 대 해상도 비가 각각 500과 370을 초과했다. 이는 기존 초음파 단일 시스템과 유사하고, 또 기존 광 음향 단일 시스템 대비 3~6배에 달하는 수준이다. 특히, 기존 광 음향 연구에서 깊이 대 해상도 비율은 200이 한계라는 인식이 컸는데, 이번 연구에서 이를 깨고, 370을 달성한 것이다. 또, 연구팀이 만든 TUT를 적용한 현미경은 살아있는 동물과 사람을 대상으로 한 실험에서도 조직의 구조와 기능적 복합 영상을 쉽게 구현했다. 김철홍 교수는 “광 자극을 사용해 세포를 조작하거나, 레이저 수술로 종양을 제거하며 잔류 조직을 초음파로 검사하는 등 다양한 의료기기에 적용할 수 있을 것“이라며, ”이외에도 모바일과 로봇 등 초음파와 광센서를 사용하는 많은 분야에서 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다“는 기대를 전했다. 한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 세종과학펠로우쉽, 범부처 전주기 의료기기 개발사업, BK21, BRIDGE 융합연구개발사업, 대학중점 연구소 지원사업의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45273-4 1. 투명 초음파 트랜스듀서 Transparent ultrasound transducers

환경 조강우 교수팀, “흙 속의 진주를 찾아라” 생활 하수로부터 수소를 생산하는 마법

[조강우 교수팀, 수소 발생 효율 높이는 요소 산화 반응 촉매 개발] 환경공학부 조강우 교수 · 박사과정 김지선 씨 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원)과의 공동 연구를 통해 오염된 생활 하수를 사용해 친환경 에너지인 수소 생산 반응의 효율을 높일 새로운 촉매를 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced functional materials)’에 최근 게재됐다. 화석 연료로 인한 환경 오염 문제가 심각해짐에 따라 수소에 대한 관심이 증가하고 있다. 물을 전기분해 하여 수소를 생산하는 수전해(Water Electrolysis) 기술은 지구상에 풍부한 물을 사용해 지속 가능한 공정이지만, 수소 생산과 동시에 발생하는 산소 발생 반응의 속도가 매우 느려 에너지 전환 효율이 매우 낮았다. 최근 학계에서는 요소 산화 반응을 수소 발생 반응과 결합해 이러한 문제를 해결하고 있다. 소변에 포함된 오염물질인 요소는 산화 과정에서 많은 양의 에너지를 방출해 이를 활용하면 수소 발생 효율을 높일 수 있음은 물론, 화장실 폐수를 정화할 수 있다. 결국, 수소 발생 반응과 폐수 처리 효율을 높이기 위해서는 요소 산화 반응을 효과적으로 촉진할 수 있는 촉매가 필요하다. 연구팀은 요소 산화 반응의 효율을 높이기 위해 니켈(Ni) 금속에 철(Fe)과 옥살산(Oxalate)을 결합한 니켈-철-옥살산(이하 O-NFF) 촉매를 만들었다. 이 촉매는 나노미터 크기의 입자들이 파편 형태로 조합되어 표면적이 매우 크다. 이러한 특성으로 더 많은 반응 물질을 흡착함으로써 요소 산화 반응 속도를 높일 수 있다. 실험 결과, 연구팀의 O-NFF 촉매는 수소 발생에 필요한 전압을 1.47V RHE*1(0.5 A/cm2)로 낮추는 데 성공했으며, 수산화칼륨(1M)과 요소(0.33M)가 혼합된 용액에서도 높은 반응 속도를 보였다. (테펠 기울기(TeFal*1) = 12.1mV/dec) 또, 연구팀은 방사광가속기를 이용한 광전자 · X선 흡수 분광 실험에서도 이 촉매가 요소의 산화 반응을 촉진함을 확인했다. 이번 연구를 이끈 조강우 교수는 “생활 하수도 정화하면서 친환경 에너지원인 수소 생산 효율을 높일 수 있는 촉매를 개발했다”며, “금속과 유기물로 만든 O-NFF 촉매로 산업용 전기분해 수소 생산 효율이 향상되길 바란다”는 말을 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래수소원천기술개발사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202315625 1. RHE(Normal Hydrogen Electrode) 표준 수소 전극을 말한다. RHE는 수소 기체와 액체 수소의 중간 평형상태인 표준 상태에서 전위가 0V로 정의됩니다. 2. 테펠(Tefel) 전기화학적 반응 속도를 나타내며, 값이 높을수록 촉매의 높은 활성을 나타낸다.

생명 최규하 교수팀, 감수분열 100년의 미스터리, 돌연변이로 풀다

[최규하 교수팀, 유전적 다양성에 숨겨진 복잡한 메커니즘 최초로 밝혀내] ‘엑스맨’과 ‘판타스틱’, ‘더 가디언즈’ 등 개성 넘치는 돌연변이 히어로들이 활약하는 영화는 전 세계 사람들을 열광하게 만든다. 어느새 극장가에서 빠질 수 없는 이러한 돌연변이가 최근 생명과학 분야에서 100여 년 동안 풀리지 않던 미스터리를 해결해 학계의 주목을 모으고 있다. 생명과학과 최규하 교수 · 김재일 박사 · 박사과정 김희진 씨 연구팀이 염색체 수준의 생물학적 패턴이라 불리는 감수분열 과정 중 교차 간섭(crossover interference)의 분자적 메커니즘을 세계 최초로 밝혔다. 이 연구는 생명과학 분야 국제 학술지인 ‘네이처 플랜츠(Nature Plants)’에 지난 20일 게재됐다. 부모나 형제자매와 생김새가 아주 비슷할 때 사람들은 ‘붕어빵’이라는 말을 쓴다. 붕어 모양의 틀로 똑같은 모양의 빵을 찍어내듯 그 생김새가 매우 유사하다는 의미다. 하지만 아무리 비슷하더라도 완전히 똑같을 수는 없다. 그 이유는 동물의 정자 · 난자와 같은 생식세포를 만드는 감수분열 때문인데, 감수분열은 유전체를 똑같이 복제하고, 분열하는 체세포 분열과 달리 교차 과정을 통해 유전적으로 다양한 생식세포를 만든다. 따라서, 감수분열과 교차는 생물 다양성을 이루는 핵심 요소이며, 농작물의 우수한 형질을 골라 재배하는 육종 분야에서도 매우 중요하다. 보통 동물과 식물 종에서 염색체당 교차가 최소 1회부터 최대 3회까지 발생한다. 이러한 교차 수를 자유롭게 조절할 수 있다면 원하는 형질을 가진 농작물을 재배할 수 있지만 ‘교차 간섭 현상’으로 인해 거의 불가능했다. 이 현상은 하나의 교차가 또 다른 교차의 발생 위치와 횟수에 영향을 미치는 현상으로 1916년 초파리 유전학자인 허먼 멀러(Hermann J. Muller)가 처음 발견했다. 이 현상이 처음 발견된 이래로 학자들은 메커니즘을 밝히기 위한 연구를 이어오고 있지만 100년이 넘은 최근에서야 그 비밀이 서서히 밝혀지기 시작했다. 연구팀은 이번 연구에서 형광 종자 대량 이미지 분석 기법을 통해 애기장대 식물에서 교차 빈도를 직접 측정하고, 유전학적 스크린 과정에서 교차 증가 돌연변이체 hcr3(high crossover rate3)를 발견했다. 이 hcr3의 유전체 수준의 교차 증가는 특정 보조 샤페론(co-chaperone), HSP40 단백질을 부호화하는 J3 유전자에 점돌연변이가 원인임을 증명했다. 또, HCR3/J3/HSP40 보조 샤페론과 핵심 샤페론*1(HSP70) 간 네트워크가 교차 촉진인자 단백질(HEI10)의 분해를 조절해 교차 간섭과 위치를 제어한다는 사실을 처음으로 밝혔다. 교차 간섭 · 억제 경로를 찾기 위해 유전학적 기법을 적용해 100년 동안 미궁에 빠져있던 생명과학계의 난제를 해결한 것이다. 최규하 교수는 “이번 연구를 농업 분야에 적용하면 유용한 형질들을 단시간에 축적하고, 육종 연한도 단축할 수 있을 것”이라며, “신품종 육종은 물론 병이나 환경 스트레스 저항성, 생산성, 고부가가치 생산과 같은 유용한 변이 발굴에도 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다“는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업과 중견연구자지원사업, 농촌진흥청의 차세대바이오그린21사업, 서경배과학재단, 삼성미래기술육성재단 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://www.nature.com/articles/s41477-024-01633-y 1. 샤페론(chaperone) 단백질의 구조적 폴딩 또는 언폴딩과 다른 거대분자 구조의 조립 또는 분해를 돕는 단백질이다.

기계/화공 노준석 교수팀, 꿈의 ‘메타 렌즈’, 1,000분의 1 가격으로 상용화 현실이 될까

[노준석 교수팀, 메타 렌즈 기술 상용화 앞당길 획기적인 전략 제시] 메타 렌즈는 빛을 자유롭게 제어하는 나노 인공 구조체로 기존 광학 부품의 크기와 두께를 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 이 기술은 특히 근적외선 영역에서 활용도가 매우 높으며, ‘자율주행차의 눈’이라 불리는 라이다(LiDAR), 초소형 드론, 혈관 탐색기 등 다양한 분야에서 매우 유망하다. 하지만 현재 기술 수준으로는 메타렌즈를 손톱 크기로 제작하는 데도 수천만 원이 필요해 상용화에 어려움이 많았다. 그런데 최근 이를 1,000분의 1로 줄일 수 있는 혁신적인 기술이 발표됐다. 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 문성원 · 김주훈 씨, 고려대 신소재공학부 이헌 교수 · 박찬웅 · 김원재 씨 공동 연구팀은 메타 렌즈 대량 생산과 대면적 제조를 위한 두 가지 혁신적인 방안을 제시했다. 이번 연구는 광학과 응용 물리 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)’에 게재됐다. 포토리소그래피(photolithography)는 빛으로 실리콘 웨이퍼 위에 패턴을 입히는 공정으로 메타 렌즈 제작에 사용되는 공정 중 하나다. 일반적으로 빛의 파장은 해상도에 반비례하기 때문에 파장이 짧을수록 해상도가 높아져 더 정교하고 세밀한 구조물을 만들 수 있다. 연구팀은 이번 연구에서 파장이 짧은 자외선을 이용하는 심자외선 포토리소그래피(Deep-UV photolithography) 공정을 선택했다. 최근 연구팀은 심자외선 포토리소그래피를 통해서 가시광 영역의 메타렌즈 대량생산에 성공하여, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Nature Materials(네이처 머티리얼즈)‘에 논문을 게재한 바가 있다. 하지만 기존의 공정 방법으로는 적외선 영역에서 효율이 낮다는 한계가 있었다. 연구팀은 한계를 극복하기 위해 적외선 영역에서 높은 굴절률의 물질을 개발하고, 기존 대량생산 공정에 접목시켜 직경 1cm의 대면적 적외선 메타 렌즈를 8인치 웨이퍼 단위로 만드는 데 성공했다. 이 렌즈는 빛을 모으는 성능을 나타내는 개구수(NA)가 0.53으로 매우 높았으며, 회절 한계에 근접한 높은 해상도를 보였다. 또, 원통형 구조로 인해 편광에 독립적인 특성을 가져 빛의 진동 방향과 무관하게 우수한 성능을 보였다. 두 번째 전략에서는 몰드(mold)를 사용해 나노 구조체를 찍어낼 수 있는 나노 임프린팅(nano imprinting) 공정을 이용했다. 연구팀은 이번에는 직사각형 나노 구조체 수억 개로 구성된 직경 5mm의 메타 렌즈를 4인치 웨이퍼 단위로 양산하는 데 성공했다. 이 메타 렌즈 역시 개구수가 0.53으로 성능이 매우 우수했으며, 직사각형 구조로 인해 빛의 진동 방향에 따라 효과적으로 작동하는 편광 의존적인 특성을 보였다. 이를 바탕으로 연구팀은 양파 표피와 같은 실제 샘플을 관찰하는 고해상도 이미징 시스템도 구현해 메타렌즈 상용화의 가능성을 확인했다. 이번 연구는 메타 렌즈를 하나씩 생산하던 기존 공정의 한계를 극복하고, 용도에 따라 편광 의존 · 독립적인 광학 기기를 만들고, 특히 메타 렌즈 제작 비용을 최대 1,000배를 줄일 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다. 이번 연구를 이끈 노준석 교수는 “센티미터 크기의 고성능 메타 렌즈를 웨이퍼 단위로 정밀하고 빠르게 대량으로 생산하는 데 성공했다”며, “이번 연구를 바탕으로 메타 렌즈 산업화를 가속화하고 효율적인 광학 기기와 광학 기술 발전이 더욱 촉진되길 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 POSCO 산학연 융합연구소사업, 과학기술정보통신부 미래유망융합기술파이오니아사업, RLRC지역선도선도연구센터사업, 나노소재기술개발사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202300929