Research

기계 김석 교수팀, 놀라운 암기력으로 만든 맞춤형 스탬프

[POSTECH · 美 UIUC, 형상 기억 고분자로 표면 형태나 구조에 상관없이 전사 성공] 형상 기억 고분자(이하 SMP, Shape Memory Polymer)는 마치 사진을 찍듯이 물질의 형태를 기억하고, 그 기억을 재현하는 독특한 소재다. 이 소재는 온도에 민감하여 온도 변화에 따라 물체의 형태를 임시로 변형시키고, 다시 특정 온도 이상 가열되는 경우 형태가 자동으로 복원된다. 최근 SMP의 뛰어난 기억 능력으로 전사(transfer) 공정의 정밀도와 효율을 높인 흥미로운 연구가 발표됐다. 기계공학과 김석 교수 · 통합과정 김준형 씨, 미국 일리노이대 어배너-섐페인 캠퍼스(UIUC) 기계공학과 손창희 박사 연구팀은 SMP를 사용해 표면의 형태나 구조에 상관없이 물질을 마이크로미터(μm) 규모에서 전사하는 데 성공했다. 이 연구는 우수성을 인정받아 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 테크놀로지스(Advanced Materials Technologies)’ 뒷표지(back cover) 논문으로 선정됐다. 전사 공정은 디스플레이나 반도체 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 이 공정에는 물질이나 패턴을 옮기기 위한 접착제인 스탬프(stamp)가 필요한데, 스탬프는 물질을 부착했다가 목표 지점에서 다시 분리하기 위한 선택적인 접착성을 가진다. 하지만 마이크로미터 규모에서 스탬프 접착력을 미세하게 제어하는 것은 매우 까다로운 일이며, 공정 효율을 높이기 위해서는 이를 극복해야 한다. 연구팀은 온도에 따라 물체 형태를 기억했다가 다시 복원하는 SMP로 스탬프를 만들었다. 전사 물질 표면이 평평하지 않고, 거칠거나 3차원 구조를 가진 경우에도 각 특성을 기억해 접착면을 자유롭게 변형할 수 있는 스탬프를 개발한 것이다. 또, 열을 다시 가하는 경우 스탬프가 뾰족한 모양을 유지하도록 설계해 목표 지점에서 스탬프와 물질 간 접촉면적을 줄임으로써 쉽게 분리되도록 했다. 실험 결과, 연구팀이 개발한 스탬프는 다양한 열역학적 부하 조건에서 높은 접착력(약 2MPa)과 접착 가역성(>1000:1)을 보였다. 연구팀은 이 스탬프를 사용해 표면이 거칠고, 구 모양의 입체 구조를 가진 물질(15μm 크기)을 정확하게 전사하는 데 성공했다. 김석 교수는 “이번 연구는 차세대 디스플레이라 불리는 마이크로 LED와 3차원 반도체 패키징 등 분야에서 여러 물질을 옮기는 전사 공정의 효율을 높이는 데 도움이 될 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, PIM인공지능 반도체 핵심기술개발사업, 기초연구실사업의 지원으로 수행되었다.

기계 조동우 교수팀, 구불구불한 인공뇌혈관으로 몸 밖에서 뇌전이암 발병 기전 연구한다

[POSTECH·부산대·中 베이징이공대 연구팀, 3D 바이오 프린팅 기술로 뇌혈관 곡률에 따른 순환 종양 세포 거동 변화 분석 플랫폼 개발] 하늘에서 내려본 강은 구불구불하다. 구불구불 흐르는 강을 따라 흘러간 모래 알갱이들은 유속이 느린 곳에 쌓이게 된다. 이와 유사하게, 구불구불한 혈관이 전이암 발생을 유도할 수 있다는 연구가 발표돼 학계의 주목을 받고 있다. 기계공학과 조동우 교수 · 통합과정 박원빈 씨, 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수 · 통합과정 이재성 씨, 중국 베이징이공대 가오그(Ge Gao) 교수 연구팀은 3D 바이오프린팅 기술로 체외에서 복잡한 뇌혈관 구조를 재현하고, 혈관의 굽은 정도가 뇌 내 순환 종양 세포 이동에 미치는 영향을 밝혀냈다. 이 연구는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐으며, 학술지 내 생물공학 및 방법론(Biotechnology and methods) 부문에서 편집자 하이라이트(Editors’ Highlight) 논문으로 선정됐다. 뇌전이암은 예후가 좋지 않고, 치료가 까다로워 말기 암으로 간주한다. 이 암은 보통 다른 조직에서 분리된 암세포가 뇌의 깊숙한 곳까지 뻗어 있는 복잡하게 얽힌 혈관을 타고 이동해 발병한다. 발병 기전을 연구하기 위해 다양한 체외 모델이 개발되고 있지만, 뇌혈관 내 생리학적 인자와 해부학적 구조에 따른 혈류역학적 특성이 전이암 발달에 미치는 영향을 분석하는 데 어려움이 많았다. 연구팀은 뇌혈관 제작에 특화된 바이오 잉크를 개발했다. 기존 잉크는 3D 프린팅된 모델이 완전히 굳기 전까지 구조를 유지하기 어려워 복잡한 뇌혈관 모사에 한계가 있었다. 연구팀은 뇌에서 유래한 탈세포화 세포외기질(이하 BdECM, Brain-derived decellularized extracellular matrix)과 해조류에서 추출한 알긴산(alginate)을 혼합해 하이브리드(hybrid) BdECM을 만들었다. 하이브리드 BdECM은 콜라젠을 포함한 단백질 약 2,000여 종을 함유하고 있으며, 프린팅된 직후 빠르게 안정화되어 기존보다 복잡한 뇌혈관 구조를 정교하게 인쇄할 수 있다. 연구팀은 이 기술로 뇌혈관 내피세포층, 주위 세포층, 별아교세포/신경세포층을 포함한 다중 세포층으로 구성된 기능성 뇌혈관을 다양한 곡률로 제작했다. 이를 바탕으로 뇌혈관 구조에 따른 순환 종양 세포의 거동 변화를 분석한 결과, 혈관이 굽어진 각도가 클수록 더 많은 암세포가 혈관 내벽에 부착됨을 확인했다. 또, 연구팀은 암세포와 뇌혈관 조직 사이의 상호작용에 따른 전이암 발달 기전을 분자 수준에서도 관찰했다. 이어, 연구팀은 뇌혈관 모델을 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션 분석도 진행했다. 혈관이 굽은 각도가 혈류 유속, 혈관 전단 응력 변화 등에 미치는 영향을 비교해 뇌혈관 곡률과 암전이 간 관계를 생체역학적으로도 확인한 것이다. 이번 연구를 이끈 조동우 교수는 “바이오 프린팅된 뇌혈관 모델에서 뇌혈관 곡률에 따른 암전이 양상을 분자적 · 역학적 수준에서 관찰함으로써 질병 발생 기전을 연구할 수 있었다”며, “뇌전이암 치료를 위한 신약 개발 연구에도 이 기술을 응용할 수 있을 것으로 전망한다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 산업기술알키미스트프로젝트, 범부처 재생의료기술개발사업, 한국연구재단 우수신진연구, 기초의과학연구센터사업 지원으로 수행됐다.

화학 박문정 교수팀, 꿈(夢)에서만 존재하던 ‘배관공의 악몽(夢)’ 구조, 꿈(夢)이 아닌 현실이 되다

[박문정 교수팀, 고분자 사슬 말단 치환으로 BCP 연구 난제 해결] [이론으로만 가능했던 고분자 구조를 실제로 제작해 학계의 큰 주목 받아] ‘배관공의 악몽’ 구조는 모든 출구가 안으로 모여있는 것처럼 보여 배관공에게는 악몽이지만 학자들은 기존 물질과 다른 새로운 특성을 가질 것으로 기대한다. 하지만 구현하기 어려워 불가능의 영역으로 여겨졌는데, 최근 POSTECH 연구팀이 아무도 신경 쓰지 않던 아주 작은 끄트머리에서 실마리를 찾아 꿈을 현실로 만들었다. 세계 최상위 국제 학술지 중 하나인 ‘사이언스(Science)’는 이 연구를 게재함과 동시에 기사로도 소개해 학계에서 많은 관심을 받고 있다. 화학과 박문정 교수 · 통합과정 이호준 씨 연구팀은 상상 속에만 존재하던 블록공중합체(이하 BCP, block copolymers) 나노 구조체를 세계 최초로 구현했다. 이 연구는 ‘사이언스(Science)’에 지난 5일 게재됐다. BCP는 한 단량체의 블록이 다른 단량체의 블록과 연결되어 만들어진 고분자다. BCP는 자체 조립이 가능해 다양한 특성을 가진 나노미터(nm) 구조체를 형성할 수 있어 반도체와 의료 등 여러 분야에서 널리 활용되고 있다. 최근 BCP 구조에 따른 광학적, 기계적 특성을 비교하는 연구가 활발하게 진행되고 있지만 구조가 복잡해질수록 열역학적 안정성이 떨어져 제작에 어려움이 많았다. 그 중 ‘배관공의 악몽’ 구조는 고분자 사슬 말단이 모두 중앙에 모여 특이하면서도 매우 복잡해 실제로 구현된 사례는 없지만 독특한 채널구조로 인해, 다른 나노 구조체와 차별화된 광학적 · 기계적 특성을 가질 것으로 추측하고 있다. 연구팀은 이번 연구에서 뜻밖의 시도로 ‘불가능’을 ‘가능’으로 만들었다. 대부분의 연구가 BCP를 구성하는 고분자 메인 사슬에 집중했던 반면, 연구팀은 고분자 사슬에서 단 1%도 되지 않는 말단부에 주목했다. 사슬 말단부에 서로 다른 분자를 각각 연결한 이중 말단 BCP(di-end-functionalized BCP)를 제작했다. 그 결과, BCP 사슬 내 말단부가 서로를 강하게 끌어당겨 고분자 꼬리들이 모두 내부로 모여들었고, 연구팀은 세계 최초로 ‘배관공의 악몽’ 구조를 실제로 구현했다. 그뿐 아니라 자이로이드(gyroid), 다이아몬드(diamond) 등 그동안 미스터리로 남아있던 다양한 BCP 구조를 제작하는 데도 성공했다. 상상과 이론에서만 존재하던 BCP 구조들을 현실에서 선보이는 데 성공한 것이다. 특히, 이번 연구는 BCP 고분자 조성과 메인 사슬의 화학적 성질 등을 다양하게 조절했음에도 말단부의 강한 인력이 존재하는 경우 복잡한 구조가 안정적으로 구현된다는 결론을 도출했다는 점에서 큰 의의가 있다. 이는 이번 연구가 추후 다양한 복합구조 고분자 나노 구조체 개발 연구에 적용될 수 있는 보편성과 범용성을 가졌음을 의미한다. BCP 분야 연구자인 영국 셰필드대(University of Sheffield) 화공생물공학전공 알리신 네도마(Alisyn J. Nedoma) 교수는 사이언스 논평을 통해 “새로운 BCP 나노 구조체 설계를 위한 기반을 제공했다”며, “원하는 특성의 나노 구조체를 보다 효율적으로 만들어 공정 비용을 절감할 수 있을 것”이라고 이 연구를 평가했다. 연구를 이끈 박문정 교수는 “이번 연구를 통해 고분자 BCP에서 맞춤형 네트워크 구조를 개발하는 방법을 확립했다”며, “나노 기술 응용 분야에서 다양한 특성을 가진 고분자 BCP 개발 플랫폼이 될 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 중견연구자 지원사업, 미래소재디스커버리 사업, 선도연구센터지원사업지원으로 수행됐다. DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0483

신소재 김종규 교수팀, 수소 생산의 경제성과 효율성을 동시에!

[김종규 교수팀, 수전해 가속시키는 3차원 나노 구조 니켈 촉매 개발] 수전해(water eletrolysis) 공정은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템이다. 환경오염 물질 배출 없이 미래 에너지원인 수소 연료를 생산할 수 있는 친환경 기술이지만 수소 생산 효율이 낮고, 생산 비용이 높다는 점이 한계로 지적되어 왔다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 이 두 가지 문제를 한 번에 해결한 연구를 발표해 주목을 모으고 있다. 신소재공학과 김종규 교수 · 통합과정 김재림 씨 연구팀은 김용태 교수 · 정상문 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 경사각 증착법과 니켈(Ni)로 기존 촉매의 한계를 극복하고, 경제적이면서 효율 높은 수전해 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 앞 속표지 논문(Inside front cover)으로 게재됐다. 수전해 공정에서는 백금과 같은 귀금속을 촉매로 사용해 수소를 대량 생산하려면 생산비용이 지나치게 높아진다. 또, 기존 박막 형상의 촉매를 사용하는 경우 생성된 수소 기포 중 일부가 제대로 분리되지 않고, 촉매의 활성 부위를 막거나 반응물의 이동을 방해하여 공정 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 경사각 증착법과 니켈을 선택했다. 증착 과정에서 기판을 기울이거나 회전시켜 물질의 다양한 나노 구조를 만드는 이 방법은 공정이 간단하고 저렴한 편이다. 또, 니켈은 지구상에 풍부하면서도 비교적 수소 발생 효율이 높은 비귀금속 촉매 물질 중 하나다. 연구팀은 경사각 증착법을 이용하여 수직 방향의 미세한 나노 막대 돌기 구조를 가진 니켈을 합성했다. 단순히 촉매 표면적을 넓히기 위해 나노 구조를 형성했던 기존과 달리 수소가 달라붙기 어려운 수직 방향의 나노 막대를 형성한 것이다. 실험 결과, 수전해 과정에서 발생한 수소 기포는 촉매에 달라붙지 않고 빠르게 분리되었고, 수전해 과정을 통해 안정적으로 수소를 생산했다. 효과적인 공극 채널을 갖는 연구팀의 다공성의 3차원 나노 막대 니켈 촉매 전극은 동일한 양의 니켈을 기존 박막 구조로 사용했을 때보다 수소 생산 효율이 55배가량 향상되었다. 연구를 이끈 김종규 교수는 ”그린 수소(green hydrogen)를 생산하는 수전해 공정의 효율을 높여 수소경제와 탄소중립사회에 가까워졌다”며, “수전해뿐 아니라 이산화탄소 환원이나 광 에너지 변환 시스템 등 표면 반응이 중요한 다양한 재생에너지 분야에서도 이번 연구가 큰 도움이 될 것”이라고 전했다. 한편, 이 연구는 수소에너지혁신기술개발사업, 국가간협력기반조성사업, 방사선이용미래혁신기반기술연구, 미래소재디스커버리사업 지원으로 진행됐다.

전자·IT융합·기계·융합 김철홍 교수팀, 초음파의 한계, 초고속 촬영으로 깨다

[POSTECH 연구팀, 세계 최초 조영제 없이 신장 혈관의 복잡한 구조 촬영 성공] 최근 총알이 유리를 통과하는 찰나 같은, 눈으로 볼 수 없는 순간을 담은 초고속 영상 콘텐츠들이 사람들의 흥미를 끌고 있다. 그렇다면 진료에 사용하는 초음파를 초고속 영상으로 구현하면 어떨까? POSTECH 연구팀은 단 1초 만에 1,000장의 사진을 찍는 초고속 초음파로 신장 질환의 미제를 풀었다. 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, 기계공학과 · IT융합공학과 장진아 교수, IT융합공학과 · 융합대학원 안용주 교수, IT융합공학과 통합과정 오동현 · 이동현 씨, 전자전기공학과 통합과정 허진석 씨, 융합대학원 석사과정 권주영 씨, 미래 IT 융합연구원 박사후연구원 용의중 씨 연구팀은 초고속 초음파 촬영으로 신장의 3차원 미세혈관 구조를 촬영하는 데 성공했다. 이 기술은 조영제 없이도 혈관의 복잡한 구조를 촬영할 수 있어 주목받고 있다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 뒤 속표지 논문(inside back cover)으로 게재되었다. 신장은 혈액에 있는 노폐물과 불필요한 물질을 걸러 배출한다. 고혈압과 당뇨 등 질환으로 여과 기능이 저하되는 상태를 ‘신부전증’이라고 하는데, 중증에 접어들면 회복이 불가능해 평생 인공 혈액 투석이나 신장 이식 등의 방법에 의존해야 한다. 신장 내 혈액 순환은 여과 기능에 직결되기 때문에 미세혈관 영상은 신부전증 예방과 회복 여부 판단에 중요한 지표가 될 수 있다. 현대 의료영상 수단을 대표하는 CT(컴퓨터 단층 촬영)와 MRI(자기 공명 영상)는 해상도와 민감도 한계로 세밀한 혈관 구조를 표현할 수 없다. 또한, 조영제는 신장 질환자에게 치명적인 부작용을 일으킬 위험이 있어 사용이 제한된다. 반면, 태아를 관찰할 때 활용할 정도로 안전한 초음파 촬영은 초음파 도플러(doppler)*1 효과를 통해 조영제를 사용하지 않고 혈류 유속과 방향을 실시간으로 측정한다. 그러나, 현재 촬영 속도로는 혈류 민감도에 한계가 있어 미세혈관을 정확하게 관찰하기 어려웠다. 연구팀은 초당 1,000프레임을 찍는 초고속 촬영으로 미세혈류 민감도를 향상시켰다. 이는 기존 초음파 영상보다 100배 이상 빠른 속도다. 이 기술로 연구팀은 세계 최초로 조영제 없이 신동맥과 신정맥, 피질부에 있는 167 μm(마이크로미터) 두께의 소엽동맥 · 정맥 3차원 혈관망 전체를 촬영하는 데 성공했다. 그리고, 신부전증을 유도한 동물 모델의 신장 혈관 변화를 지속적으로 관찰하며 혈류역학 · 혈관 형상학적 지표로 다변수 분석을 진행했다. 그 결과, 급성 신부전증에서는 급격한 신장 혈류 감소 현상이 잘 드러난 반면, 당뇨성 신부전증의 경우 신장의 만성적인 혈관 퇴화와 함께 혈관의 뒤틀림이 일어남을 밝혀냈다. 김철홍 교수는 “이 시스템으로 신부전증을 유발하는 질환의 병리학적 생리를 이해하고, 신장 이식 전후 혈관 변화를 관찰할 수 있다”며, “소화기계와 순환계, 뇌 신경계 등 다양한 장기의 혈액 순환과 기능 저하 연구에 사용될 수 있는 잠재력이 풍부하다”고 전했다. 한편 이 연구는 한국연구재단 대학중점연구소사업과 브릿지융합연구개발사업, 중견 연구사업, 범부처 전주기 의료기기 연구 개발사업, 범부처 재생의료 기술개발사업, BK21 FOUR 프로젝트의 지원으로 진행됐다. 1. 도플러(doppler) 관찰자 기준 피사체의 움직임으로, 관측자가 측정하는 음향 또는 빛의 파장에 변화가 일어나는 현상을 도플러 효과라고 한다.

기계·융합 김기훈 교수팀, 손목 회전 가능한 로봇, 환자에게 새 삶을 주다

[김기훈 교수팀, 손목 회전 모듈을 도입해 의수의 사용성과 효율성 향상] 최근 국내 한 기업이 국가유공자 50명에게 로봇 의수와 의족 등을 선물해 큰 주목을 받았다. 로봇 보조기구는 선천적으로 몸이 불편하거나 불의의 사고로 신체에 이상이 생긴 사람들의 일상 활동을 지원한다. 그러나 로봇 보조기구로 자연스러운 동작을 완벽하게 구현하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아있다. 기계공학과 · 융합대학원 김기훈 교수, 기계공학과 최서영 연구원 연구팀은 로봇 의수에 손목 회전 모듈을 도입해 신체에 무리를 주지 않고, 자연스러운 움직임을 구현하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘신경공학 및 재활 저널’(Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation)’에 게재됐다. 의수는 손 일부가 부분적으로 절단된 사람들의 ‘새로운 손’이다. 하지만 기존 의수의 경우 손상된 부위를 대체하는 목적으로 만들어져 의수와 이어지는 손목을 움직이는 데 제한이 있었다. 그로 인해 환자는 손목을 자유롭게 움직일 수 없고, 이에 대한 보상 행동 패턴을 반복하며 팔과 상반신을 과도하게 사용했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 교통사고로 엄지와 검지를 잃은 환자용 의수를 새로 개발했다. 이 의수는 뇌에서 근육으로 보내는 신호를 센서로 감지해 움직이는데, 기존과 달리 손목 회전 모듈을 도입해 환자가 손목을 자유롭게 움직일 수 있다. 이어 연구팀은 새로 개발한 의수와 기존 의수, 그리고 정상인의 팔과 상반신 근육 움직임을 비교 분석했다. 근전도 신호*1와 모션 캡처 시스템으로 팔과 상반신 근육 활동을 측정한 결과, 손을 뻗어 물건을 잡는 동작에서 정상인과 기존 의수의 경우 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 또, 기존 의수 사용 시 어깨와 상반신 움직임이 정상인 대비 약 260% 더 높게 나타났는데, 이는 의수를 사용할 때 손목 회전이 부자연스러워 팔과 상반신을 무리하게 사용하고 있음을 의미한다. 반면, 연구팀이 개발한 의수를 사용한 경우, 상반신 움직임이 정상 수준으로 돌아왔으며, 효율적이고 자연스러운 움직임이 가능했다. 근골격계에 2차 손상을 주지 않고, 자유로운 움직임이 가능해진 것이다. 연구팀의 의수는 손 기능 평가에서도 기존 의수 대비 기능이 30% 이상 향상됨을 보였다. 이번 연구를 이끈 김기훈 교수는 “로봇 보조기구를 만들 때 단순히 특정 신체 부위를 대체하는 것이 아니라, 이와 연결된 부위도 고려한 통합적인 접근이 필요하다”며, “로봇 의수를 안전하고 오래 사용하며 사용자가 잃어버렸던 삶을 되찾기를 기대한다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 STEAM 사업(미래유망융합기술파이오니어): 다수 사용자간 운동-감각 초연결 메타버스 구현을 위한 바이오닉 신경 인터페이스 기술 지원으로 진행됐다. 1. 근전도 신호 신체의 움직임에 따라 근육 표면으로부터 근섬유를 따라 일어나는 전기적 신호로 팔과 상반신의 움직임을 측정하는 데 사용됐다.

화학 이인수 교수팀, 정확하고 빠르게 도와주는 촉매, 빛으로 탄생했다

[이인수 교수팀, 다공성 유기층을 나노 입자에 증착한 금속 촉매 개발] 연못의 잔잔한 물결이 돌에 닿아 파도가 일어나듯 빛이 금속 입자를 만나면 입자 표면에 작은 물결이 생기는데, 이를 플라즈모닉(plasmonic)*1 현상이라고 한다. 이 물결은 금속 입자를 활성화하고, 화학 반응을 미세하게 제어할 수 있는데, 빛의 마법 같은 이 현상으로 금속 촉매 효율과 선택성을 동시에 높인 연구가 발표돼 주목을 끌고 있다. 최근 화학과 이인수 교수 · Amit Kumar(아밋 쿠마르) 연구교수 · 박사과정 Anubhab Acharya(아눕합 아차르야) 씨 연구팀은 빛으로 다공성 유기층을 금속 촉매에 증착해 효율성과 선택성 모두 높였다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지에 게재됐다. 금속 촉매는 화합물 합성과 수소 생산, 연료전지 등 여러 분야에서 광범위하게 활용된다. 촉매 표면에는 화학 반응이 잘 일어나는 활성 부위가 있는데, 반응 중 생성된 중간체나 부산물이 의도치 않게 이를 막는 경우가 많다. 그로 인해 반응에 참여하는 분자의 흡 · 탈착 조절이 어려워 촉매 활성과 효율이 떨어졌다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘빛’을 이용한 전략을 세웠다. 금속의 전자와 빛의 상호작용인 플라즈모닉 현상을 이용하면 전자 활성도를 높일 수 있다. 연구팀은 먼저 플라즈모닉 특성을 가진 금(Au) 나노 입자 표면의 전자를 빛으로 활성화했다. 그리고, 수 나노미터(nm) 두께를 지니는 팔라듐(Pd) 촉매 박막과 다공성 유기층(이하 pCOL, porous Covalent Organic OverLayer) 박막을 연속적으로 표면에 증착했다. pCOL의 다공성 구조는 촉매 표면에 불순물이 흡착되는 것을 막고, 반응에 필요한 분자들이 쉽게 흡 · 탈착할 수 있는 환경을 만들었다. 연구팀은 pCOL이 증착된 금속 촉매로 반응 효율과 선택성 모두 높이는 데 성공했으며, 이 촉매는 여러 번 반복해서 사용한 후에도 우수한 성능을 유지했다. 또, 연구팀은 이 촉매를 활용해 삼중결합이 있는 알킨(alkyne)에 수소를 첨가하는 기존 수소화(hydrogenation) 공정의 한계도 극복했다. 기존에는 반응 선택성을 제어하기 어려워 알킨이 수소와 과도하게 많이 결합했는데, pCOL이 증착된 촉매로 알킨과 결합하는 수소의 양을 효율적으로 조절할 수 있게 된 것이다. 이인수 교수는 ”촉매의 효율과 반응 선택성은 서로 상충되는 특성인데, 이번 연구를 통해 이 둘을 동시에 향상시켰다“며, ”금속과 유기물이 결합된 첨단 하이브리드 나노 촉매가 미세 화학 합성과 광(光)촉매, 에너지 저장 등 여러 분야에서 큰 성과를 낼 수 있을 것“이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행됐다. 1. 플라즈모닉(plasmonic) 금속 입자의 전자들이 빛의 전기장과 상호작용하여 나타나는 현상이다. 플라즈모닉 특성을 가진 금속 나노 입자는 특정 파장에서 높은 전자 활성화를 보여준다.

기계·IT융합·생명·융합 장진아 교수팀, 3D 프린팅으로 만든 인공 혈관, 구멍(기공)으로 더 완벽해지다

[POSTECH · 원광대 공동 연구팀, 내부 기공을 통한 자발적 세포 집합 유도 및 내피 형성] 인공 소구경 혈관1)(이하 SDV)에 대한 높은 임상적 수요로 인해 상용화 제품이 많이 개발된 상태다. 그러나 기존 인공 SDV는 대부분 내피가 없어 혈전2)을 유발한다는 한계가 있으며, 균일한 내피층을 가지면서 충분한 기계적 성질까지 갖춘 인공 SDV를 제작하기는 매우 어려웠다. 최근 POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 · IT융합공학과 · 생명과학과 · 융합대학원 장진아 교수, IT융합공학과 남효영 연구교수, 원광대 기계공학부 이승재 교수, 기계공학과 정훈진 박사 공동 연구팀은 최첨단 드래깅 3D 프린팅 기술을 이용해 기공(구멍)이 있는 SDV를 만들고, 이를 통해 내피를 형성하는 데 성공했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘바이오액티브 머티리얼즈(Bioactive Materials)’에 게재됐다. 연구팀은 추가 재료나 장치 없이 기공이 있는 구조체를 제작하면서 기공 크기까지 자유롭게 제어할 수 있는 드래깅 3D 프린팅 기술(Dragging technique)3)을 개발했다. 이 기술을 이용해 다공성 · 다층 구조를 갖는 인공 SDV를 제작하고, 인간 탯줄 정맥 내피 세포4)(이하 HUVECs)와 인간 대동맥 평활근세포5)(HAoSMCs)를 천연 고분자 바이오잉크(bio-ink)와 혼합해 내부에 주입했다. 그 결과, HUVECs은 기공을 통해 인공 SDV의 가장 안쪽 층으로 이동해 내피를 형성했으며, 이러한 결과는 기공 크기에 따라 달라졌다. 연구팀은 인공 SDV 내피 표면의 최대 97.68 ± 0.4%까지 덮는 데 성공했다. 또, 해당 내피가 혈소판 유착을 방지하는 것까지 확인했다. 추가 공정 없이 기공만으로 스스로 내피를 형성할 수 있는 인공 SDV를 개발한 것이다. 장진아 교수는 “첨단 드래깅 3D 프린팅 기술과 HUVECs이 가진 특성을 이용해 자발적인 세포 조립을 유도하는 SDV(Spontaneous cellular assembly SDV, S-SDV)를 제작한 연구는 이번이 처음”이라며, “안정성과 기계적 특성이 보장되어 이식에도 적합할 뿐 아니라 향후 가지(branch)나 곡선(curve) 등 복잡한 모양의 혈관 구조체에서도 내피를 형성하는 데 유용할 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 보건복지부의 범부처 재생의료기술개발사업, 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT), 한국보건산업진흥원의 보건의료기술 연구개발사업 지원으로 진행됐다. S-SDV 제작 과정과 기공을 통한 HUVECs 의 이동 결과 (초록색) : HUVECs(인간 탯줄 정맥 내피 세포) (빨간색) : HAoSMCs(인간 대동맥 평활근세포) 1. 소구경 혈관(Small Diameter Vascular) 인공 혈관 중 지름의 길이가 5mm 이하인 경우를 소구경 혈관이라고 한다. 2. 혈전 혈관 내에서 혈액 성분이 국소적으로 응고해서 생기는 덩어리를 말한다. 3. 드래깅 기술(Dragging technique) 별도의 회전축이 필요하지 않아 나선형과 지그재그형, 별 모양, Y자형 등 자유롭게 모양을 형성하는 3D 프린팅 기술이다. 4. 인간 탯줄 정맥 내피 세포(HUVECs) Human umbilical vein endothelial cells 5. 인간 대동맥 평활근세포(HAoSMCs) Human Aortic Smooth Muscle Cells

환경 이기택 교수팀, 북극 한파, 이제는 동장군 아닌 ‘축복’

[POSTECH · 부산대 공동 연구팀, 북극 찬 공기가 동해 이산화탄소 흡수량에 미치는 영향 분석] 한파로 인해 전국이 꽁꽁 얼어붙었다. 국립공원 247개소가 출입 통제됐으며, 국내 항공기 14편과 여객선 107척이 결항했다. 한편으로는 이 한파가 반갑기도 하다. 시야를 뿌옇게 가리던 미세먼지가 한파로 인해 현저하게 줄었기 때문이다. 그런데, 이 한파가 미세먼지를 줄일 뿐 아니라 동해가 빨아들이는 이산화탄소량을 늘리는 데도 큰 역할을 한다는 연구가 발표돼 눈길을 끌고 있다. POSTECH(포항공과대학교) 환경공학부 이기택 교수, 부산대 해양학과 이동섭 교수, 김소윤 씨 연구팀은 북극의 찬 대기가 동해의 이산화탄소 흡수량에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 이 연구는 미국 지구물리학회(AGU)가 발간하는 국제 학술지인 ‘지구물리학 연구 회보(Geophysical Research Letters)’에 게재됐다. 연구팀은 1992년, 1999년, 2007년, 2019년에 총 네 차례 관측된 자료를 바탕으로 동해 표층부 · 심층부 순환과 이산화탄소 흡수 능력 간 관계를 분석했다. 첫 번째 구간(1992~1999)에서는 이산화탄소를 연간 2천만 톤 흡수했으며, 두 번째 구간에서(1999~2007)는 그 양이 연간 1천만 톤 이하로 감소했다. 또, 마지막 구간(2007~2019)에서는 이산화탄소 흡수량이 다시 연간 3천만 톤으로 증가했다. 이를 바탕으로 연구팀은 동해안 내부 순환이 북극 한파의 영향을 받는다는 사실을 밝혀냈다. 북극에서 내려온 찬 공기 중 일부는 동해로 유입되는데, 그로 인해 이산화탄소를 많이 머금은 표층수가 무거워져 중층이나 심해로 내려가면서 수직 환기가 발생했다. 결국, 북극에 있던 차가운 공기가 많이 내려올수록 내부 순환이 활발해지고, 동해의 이산화탄소 흡수량이 증가하는 것이다. 이번 연구를 이끈 이기택 교수는 “해양은 거대한 이산화탄소 저장고로서 대기 중 이산화탄소를 줄일 수 있는 안전하고, 지속 가능한 방법”이라며, ”미래 기후 변동에 따라 전 지구적 대양의 탄소 제거 능력을 예측하고, 적절한 활용 방안을 모색해야 한다“는 말을 전했다. 한편, 연구팀은 이전 연구를 통해 바다가 이산화탄소를 흡수하는 메커니즘을 밝혀냈다. 인간 활동으로 인해 발생한 이산화탄소 중 절반은 대기에 머물러 있고, 나머지 절반은 해양과 육지 생태계로 유입되고 있다. 이미 대기보다 40만 배 이상 탄소를 포함하고 있는 해양은 이산화탄소 저장에 있어 잠재력이 무궁무진하다. 이 연구는 한국연구재단 해양-육상-대기 탄소순환 시스템 연구사업, 국립수산과학원 연구용역사업의 지원으로 진행됐다. <북극 공기 남하에 따른 동해 이산화탄소 흡수 변화>

기계 김석 교수팀, 미세 액적 조작: 분석부터 실험까지

[POSTECH · 美 UIUC, 특성 표면과 탄성 구조체로 액적 양방향 이동 제어 성공] 액적(droplet) 제어는 바이오, 약물 전달, 물질 합성 등 다양한 분야에 적용 가능한 기술이다. 현재 여러 응용 분야를 고려해 효과적인 액적 제어를 위한 연구들이 진행되고 있다. 액적 제어 플랫폼의 해석과 최적화가 이루어진다면, 약물 전달, 물질 합성, 바이오 분야 등에서 즉각적이고 정확한 발전이 기대된다. POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 김석 교수 · 통합과정 김승범 씨, 미국 일리노이대 어배너-섐페인 캠퍼스(UIUC) 기계공학과 손창희 박사 · 플라시드 페레이라(Placid Ferreira) · 지에 펭(Jie Feng) 씨 공동 연구팀은 외부 자기장으로 랫칫(ratchet) 표면1)을 조절해 액체 방울을 양방향으로 이동시키는 데 성공했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 나노 과학 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 표지 논문으로 최근 게재됐다. 액적은 미세한 크기의 액체 방울이다. 액적의 움직임을 제어할 수 있다면 다양한 산업 분야에서 입자 이동과 배치를 효과적으로 조작할 수 있다. 자성을 띠는 입자를 액적 내부에 삽입하거나 전압을 가하는 등 액적을 움직이는 여러 방법 중 연구팀은 액적을 직접 건드리지 않고, 액적과 맞닿는 기판 표면에 초점을 맞췄다. 랫칫 표면은 나노 기둥 구조체 위에 한쪽으로 기울어진 판을 올려 방울을 이동시킬 때 유용하지만 오직 한 방향으로만 액적이 움직인다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 소수성2) 실리콘에 연자성3) 층을 증착한 상판을 만든 다음, 탄성 구조체 기둥 위에 고정했다. 이 구조체는 외부 자기장을 조절해 강판을 양방향으로 기울임으로써 기존과 달리 두 종류의 랫칫 표면을 형성한다. 실험 결과, 연구팀은 액적을 양방향으로 움직이는 데 성공했다. 또, 히스테리시스4)이론과 양방향 기울기 개념을 반영한 모델을 개발해 랫칫 표면 기울기를 예측하는 데도 성공했다. 외부 자기장으로 인한 랫칫 표면 기울기 변화를 이론적 · 실험적으로 모두 확인한 것이다. 이 연구를 주도한 김석 교수는 “이번 연구는 바이오 센싱(Bio-sensing)이나 물질 합성, 세포 배양 등 여러 분야에 적용할 수 있다”며, “이번 연구가 두 방향을 넘어 여러 방향으로 액적 이동을 제어하는 랫칫 표면 설계 · 최적화 연구에 도움이 되길 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, PIM인공지능 반도체 핵심기술개발사업, 기초연구실사업의 지원으로 수행되었다. 1. 랫칫(ratchet) 표면 미세한 구조물이나 패턴을 이용해 물체가 특정 방향으로만 이동하게 하는 표면이다. 2. 소수성(hydrophobicity) 물과 친화력이 낮아 쉽게 결합하지 않는 성질이다. 3. 연자성(soft magnetism) 외부 자기장을 가해주면 자성을 띠고, 자기장을 제거하면 자성을 잃는 특성이다. 4. 히스테리시스(Hysteresis) 외부 변화에 따라 그 특성이 과거의 상태에 의존하는 현상이다. 자성 물질이 외부 자기장이 변해도 이전 상태를 기억하고 일정 정도의 지연이 발생하는 특성이다.