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환경 감종훈 교수팀, 무인 보트를 이용한 저수지 물 건강 상태 진단

[POSTECH 감종훈 교수팀, 무인 보트로 수심과 수질 이중 모니터링 성공] 얼마 전 아프리카에 사는 코끼리 100여 마리가 마실 물이 부족해 집단 폐사했다. 유엔환경계획(UNEP)은 2025년 약 25억 명이 물이 부족해 고통을 겪을 것이라고 경고한다. 기후 위기로 인간과 동물을 위한 물이 점점 사라지고 있는 지금, 이와 같은 참사를 막으려면 수질과 수량을 통합적으로 관리해야 한다. 이를 위해 최근 무인 기기를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. POSTECH(포항공과대학교) 환경공학부 감종훈 교수·박사과정 이광훈 씨 연구팀은 무인 보트를 활용한 첨단 기술로 저수지 수심과 저수지 표층 질산염(NO₃⁻) 농도를 동시에 측정하는 데 성공했다. 이번 연구는 수자원 환경 분야 국제 학술지인 ‘수자원 연구 (Water Resources Research)’지(誌)에 게재됐다. 수심과 질산염 농도는 사용 가능한 물의 양과 수질을 모니터링 하는 데 사용되는 지표다. 대기와 토양 영양분이 축적된 질산염은 여러 경로로 하천에 유입되는데, 지나치게 많아지는 경우 수생 생태계와 생물 다양성을 위협할 수 있다. 또, 수질은 강수량과 물 사용량 등의 영향도 받으며, 수온이 상승하는 경우 용존 산소량이 줄어 수질이 떨어진다. 수자원을 통합적으로 관리하려면 질산염 농도와 수심을 동시에 측정해야 한다. 그런데, 이 둘은 측정 시기와 장소에 따라 편차가 크고, 기존에는 한 지점에서만 수심을 측정하는 경우가 많아 저수지에 저장된 물의 총량에 대한 산정값 정확도를 보장할 수 없다. 최근에는 무인 장치 또는 기기를 활용해 이를 보완하고 있지만, 질산염 농도와 수심을 동시에 측정하기는 어려웠다. 연구팀은 무인 보트를 이용해 질산염 농도와 수심을 함께 측정하는 데 성공했다. 2021년부터 1년 동안 전기화학 센서가 장착된 보트를 통해 경상북도 포항시에 있는 저수지(달전지)의 질산염 농도와 수심을 동시에 측정한 것이다. 총 30회에 걸쳐 측정한 결과, 질산염의 양은 계절에 따라 1톤에서 최대 4톤까지 증가했으며, 강한 강우 이후에는 물이 급격하게 불어나 그 양이 기존 관측 방식과 비교했을 때, 최대 17% 적게 계산됐다. 측정 시기나 특정 기상에 따라 수질이 과대 · 과소 평가될 수 있음을 확인한 것이다. 또, 연구팀은 무인 보트를 통해 얻은 데이터로 달전지에 축적된 질산염 총량을 보여주는 고해상도 지도 제작에도 성공했다. 이번 연구는 측정 기간이 1년으로 길지 않고, 포항이라는 지역에 한정된다는 한계가 있지만 질산염 농도와 수심을 동시에 측정할 수 있는 기술을 독자적으로 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다. 연구를 이끈 감종훈 교수는 “수자원 환경 연구에서 무인 로봇 기술의 잠재력과 한계를 동시에 확인했다”며, “무인항공기 등 첨단 기술을 활용해 예측 정확도를 높이고 물을 효율적으로 관리하는 차세대 한국형 수자원 관리 시스템에 대한 청사진이 될 것이다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 집단연구사업과 해양-육상-대기 탄소순환시스템 연구사업의 지원으로 진행됐다. <(좌) 무인 보트를 활용한 달전지 수심과 질산염 농도 관측 모습 (우) 보트를 통해 얻은 데이터로 제작한 고해상도 질산염 총량 지도 (2021년 11월 26일)>

물리 김범준 교수팀, 양자 세계서 제4의 상 ‘네마틱’ 최초 관측

[IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단, 고온 초전도체 후보물질서 새로운 물질상 발견] [반세기 넘도록 이론으로만 예측돼 온 상태 양자 간섭 신호 포착 … Nature誌 게재] 스마트폰 화면 등에 쓰이는 액정(Liquid Crystal)은 액체도 아니고, 고체도 아닌 ‘뜨거운 아이스아메리카노’와 같은 상태다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단 김범준 부연구단장(포스텍 물리학과 교수) 연구팀은 양자 물질에서 액정과 유사한 물질 상을 세계 최초로 관측했다. 대부분 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상으로 존재한다. 액정을 포함한 제4의 상인 ‘네마틱’은 액체와 고체의 성질을 동시에 갖는다. 액체처럼 자유롭게 움직이지만, 고체처럼 분자의 배열이 규칙적이다. 네마틱 상이 양자역학적인 스핀1) 계에서도 존재할 것이라는 이론적 예측은 반세기 전부터 있었지만, 실제 물질에서 확인한 건 이번이 처음이다. 자석은 스핀이 한 방향으로 정렬된 고체 상태다. 자석에서 스핀은 자석의 N극과 S극이라는 두 개의 극으로 이뤄진 자기 쌍극자를 형성한다. 반면, 스핀 네마틱은 자성은 없지만 네 개의 극으로 이뤄진 사극자가 정렬되어 있는 상태다. 기존 개발된 중성자 산란 등 대부분의 실험 도구는 쌍극자에만 민감하게 설계되어 스핀 네마틱을 검출하기 어려웠다. 이 한계를 돌파하기 위해 연구진은 사극자의 존재를 빛(X선)을 이용해 직접 확인할 수 있는 새로운 장비를 설계했다. 우선, 연구진은 미국 아르곤연구소와 협업하여 공명 비탄성 X선 산란 장비(RIXS)를 4년여에 걸쳐 개발했다. 이후 포항가속기연구소 등 가속기 빔라인에 개발한 분광기를 구축하여 실험을 진행했다. 이후 연구진은 유력 고온 초전도체 후보물질로 꼽히는 이리듐 산화물(Sr2IrO4)에 X선을 조사하며 스핀의 거동을 관찰했다. 이리듐 산화물은 230K(-43.15℃) 이하의 저온에서는 쌍극자와 사극자가 공존했지만, 260K(-13.15℃)의 온도까지는 쌍극자가 사라져도 사극자가 남아있었다. 230~260K의 온도 범위에서 스핀 네마틱 상태로 존재한다는 의미다. 스핀 네마틱 상의 발견은 물리학자들의 숙원 과제인 스핀 액체 탐색에 도움이 될 수 있다. 공동 저자인 조길영 포스텍 물리학과 교수는 “양자컴퓨터 등 양자 정보 기술에 활용하기 위해 학계에서는 지난 수십 년간 스핀 액체를 찾으려는 노력을 지속해왔다”며 “스핀 네마틱은 스핀 액체와 공통적인 물리적 성질을 가지기 때문에 스핀 액체 탐색의 핵심 단서가 된다”고 설명했다. 더 나아가 이번 연구는 이리듐 산화물에서 고온 초전도 상이 존재할 가능성을 제시했다는 의미도 있다. 이론적으로 스핀 네마틱 상도 스핀 액체처럼 스핀 양자 얽힘을 통해 고온 초전도 현상을 나타낼 수 있기 때문이다. 연구진은 후속 연구에서 이리듐 산화물의 전자 농도를 변화시켜가며 고온 초전도 현상이 나타나는지 조사해 볼 계획이다. 김범준 부연구단장은 “RIXS는 양자 간섭을 통해 스핀 상호작용에 대한 정보를 얻을 수 있어서 엑스선 과학 분야에서 지난 10년 간 가장 주목받은 기술 중 하나”라며 “이번 연구는 국내 방사광 X선 실험 인프라 및 활용 능력이 세계적인 수준에 도달했기 때문에 가능했다”고 말했다. 연구 결과는 12월 14일(한국시간) 최고 권위의 국제학술지 네이처(Nature, IF 64.8) 온라인판에 실렸다. [그림1] 사각격자 이리듐 산화물에서 쌍극자와 사극자 질서 사각격자 이리듐 산화물 Sr2IrO4는 저온에서 자기 쌍극자 질서를 가짐은 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 저온(오른쪽)에서 이 쌍극자(화살표)가 사극자(도넛) 질서와 공존하며, 자기 전이온도 230 K 위에서 쌍극자가 사라져도 사극자가 여전히 임계온도 263 K까지 남아있다는 사실을 밝혀냈다. 쌍극자 없이 사극자가 존재하면 스핀 네마틱이라고 할 수 있다. 사극자의 스핀 확률 밀도함수는 도넛 모양이 된다. [그림2] 사각격자에서의 자기구조 사각격자 위에서 스핀들은 단순한 자기구조(Classical AF) 뿐만 아니라, 양자효과를 통해 단일항 중첩상태(Resonant Valence Bond; RVB) 및 양자 요동 자기구조(Quantum AF) 등의 다양한 상태를 가질 수 있다. 이 중 스핀 쌍극자와 사극자가 공존하는 상태(Canted AF + Quadrupoles)를 직접 관측해 낸 것은 본 연구가 최초다. 1. 스핀 전자의 각운동량. 전자의 운동을 태양 주위를 도는 지구에 비유할 때, 스핀은 자전에 해당한다.

환경/수학 민승기 교수팀, 지구온난화가 한반도 상륙 태풍 위력 키웠다

[민승기 교수팀, 3km 초고해상도 기후모델로 태풍 극한 강수 팽창 밝혀내] 작년, 36명의 사상자를 낸 태풍 힌남노는 기상청 관측 이래 아열대성 해양이 아닌 북위 25도 이상에서 발생한 첫 번째 슈퍼 태풍으로 유명하다. 또, 올해 충북 오송에서는 예상치 못한 집중 호우로 순식간에 하천이 범람하며 많은 사망자가 발생했다. 지구가 뜨거워지면서 이처럼 유례없는 태풍과 집중 호우 등 이상기후가 이어지고 있다. 지구온난화로 인한 기상 이변을 정확히 예측하지 못한다면 피해를 막을 수 없다. 환경공학부 민승기 교수 · 이민규 박사 연구팀은 초고해상도 기후모델로 지구온난화가 한반도 상륙 태풍에 미치는 영향을 처음으로 정량 분석하는 데 성공했다. 이번 연구는 환경 분야 국제 학술지인 ‘네이처 파트너 저널 기후와 대기과학(npj Climate and Atmospheric Science)’에 최근 게재됐다. 지구온난화로 예전보다 강력한 태풍이 세력을 유지하며 한반도에 상륙하는 사례가 늘고 있다. 태풍을 정확하게 예측하고, 피해를 줄이려면 온난화의 영향을 파악해야 하며, 이를 위해서는 초고해상도 기후모델을 활용한 시뮬레이션이 필요하다. 그러나, 우리나라에 영향을 주는 태풍 관련 원인 규명 연구는 매우 드물며, 특히 태풍과 함께 발생하는 극한 강수*1에 대한 연구는 거의 전무하다. 연구팀은 지구온난화가 태풍의 강도와 극한 강수에 미치는 영향을 분석하기 위해 3km 초고해상도 기후모델 시뮬레이션 실험을 설계했다. 2011년부터 2020년까지 한반도에 상륙한 태풍 중 강도가 매우 강한*2 태풍 4개를 선정한 다음 현재 조건과 온난화 영향이 제거된 조건에서 각각 시뮬레이션을 진행하고, 그 결과를 비교했다. 현재 조건은 온실가스 증가로 산업혁명 이전에 비해 지구 표면온도가 1도 정도 상승한 상태로, 온난화에 따른 북서태평양 해수면 온도 반응 불확실성을 고려하기 위해 CMIP6*3 다중기후모델에 나타난 다양한 해수면 온도 패턴을 이용했다. 그 결과, 인간 활동으로 인한 지구온난화 영향이 반영되었을 때 태풍 강도가 전반적으로 강해지고 강수도 증가했다. 연구팀은 온난화의 영향이 태풍 평균 강도보다 최대 강도에서 두드러짐을 확인했으며, 이는 앞으로 강력한 슈퍼 태풍이 더 자주 발생할 수 있음을 의미한다. 또한, 태풍으로 인한 극한 강수 발생영역도 온난화로 인해 16~37% 정도 더 넓어졌다. 이러한 극한 강수의 팽창은 온난화로 인해 태풍 중심의 상승기류가 강해지고, 해수면 온도가 상승하면서 대기 중에 있는 수증기량이 증가했기 때문이다. 민승기 교수는 “초고해상도 기후모델로 지구온난화가 최근 한반도에 상륙한 태풍 위력을 강화했음을 처음으로 입증했다”라며, “앞으로 지속될 지구온난화의 정도에 따라 태풍이 더욱 강해지고 더 넓은 지역에 걸쳐 극한 강수를 일으킬 수 있어 보다 강화된 분야별 대비책 마련이 필요하다”고 강조했다. 한편 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 기상청 기후 및 기후변화 감시 · 예측정보 응용 기술개발 사업의 지원으로 진행됐다. 1. 극한 강수 6시간 동안 150 mm를 초과한 강수가 내리는 상황을 말한다. 2. 강도가 매우 강한 일생최대강도 60 m/s, 한반도 인접 순간최대풍속 35 m/s를 초과한 경우다. 3. CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6) 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)에서 사용한 결합모델 상호비교 프로젝트 6단계를 말한다.

신소재 오승수 교수팀, 압타머는 사람을 살리고, 이온 보호막은 압타머를 살리고

[오승수 교수팀, 다양한 압타머 응용 연구 위한 새로운 방법 제시] 압타머(aptamer)는 바이러스나 단백질, 이온, 소분자 등 다양한 표적 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산*1이다. 열과 화학적으로 안정하고, 3차원 결합을 통해 특정 효소나 표적 단백질을 억제할 수 있어 신약 개발 분야에서 항체를 대체할 물질로 주목받고 있다. 또, 대장암 등 조기 발견이 어려운 질병의 바이오마커*2에만 결합해 빠른 진단을 돕지만, 이러한 유용성에도 불구하고 여러 효소에 의해 쉽게 분해된다는 치명적인 문제점이 있었다. 신소재공학과 오승수 교수 · 강병화 박사 · 박소연 박사 연구팀은 이온성 액체로 기능성 핵산 연구의 본질적인 문제를 해결하며 다양한 응용 연구를 위한 새로운 방법을 제시했다. 이번 연구는 핵산 분야 국제 학술지인 ‘핵산 연구(Nucleic Acids Research)’지(誌)에 게재됐다. 생물의 유전 정보를 저장·전달할 뿐 아니라 압타머처럼 표적 분자를 검출하거나 생화학 반응을 촉진하는 등 다재다능한 핵산을 기능성 핵산이라 한다. 그런데 이 핵산은 가수분해효소*3에 의해 분해되어 이를 응용하려는 연구에 어려움이 많았다. 초저온 냉동 보관법이나 핵산의 화학적 변형 등 기존 방법으로는 다양한 종류의 효소를 억제할 수 없으며, 그 과정에서 핵산의 유용한 기능이 심하게 훼손되기도 했다. 먼저, 연구팀은 ‘물을 사용해야 한다’는 고정관념에서 벗어났다. 기능성 핵산은 물에서 다양한 기능과 역할을 하는데, 핵산을 분해하는 효소 역시 물에서 기능한다. 결국, 물은 핵산의 ‘집’이면서 동시에 ‘무덤’인 것이다. 연구팀은 물이 아닌 인산이수소콜린(choline dihydrogen phosphate) 기반의 이온성 액체에서도 핵산이 여러 기능을 유지할 수 있음을 세계 최초로 검증했다. 우리 몸에도 존재하는 이 이온성 액체는 생체적합성이 매우 우수하며, 액체 내 콜린 양이온은 핵산의 음전하를 감싸 물과의 접촉을 효과적으로 차단해 가수분해를 원천적으로 막는다. 실험 결과, 이 액체는 효소 종류에 상관없이 핵산이 분해될 수 없는 환경을 만들어 핵산 반감기를 최대 650만 배 늘렸으며, 서로 다른 가수분해효소 7개가 혼합된 극한의 환경에서도 핵산은 전혀 분해되지 않고 그 기능을 유지했다. 또, 연구팀은 이를 바탕으로 압타머 기반 바이오 분자 진단을 생물학적 용액 내에서 처음으로 구현했다. 타액(침)에는 수많은 핵산가수분해효소가 섞여 있어 지금껏 타액에 있는 바이오마커 검출을 위해 기능성 핵산을 활용하는 것은 불가능했다. 연구팀은 이 타액 샘플에 이온성 액체를 첨가하는 간단한 과정을 통해 압타머를 보호함으로써 이를 기반으로 한 간편한 분자 진단을 가능하게 만든 것이다. 오승수 교수는 “알려지지 않았거나 오염된 샘플과 체액 내에서도 핵산이 손상되지 않고, 기능을 유지함으로써 핵산의 무한한 응용 가능성을 입증했다”고 이번 연구의 의의를 설명했다. 또, 강병화 박사는 “이번 연구가 핵산뿐 아니라 가수분해에 취약한 다른 분자 활용 연구에도 큰 도움이 되길 바란다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부, 한국산업기술평가관리원, 방위사업청과 산업통상자원부의 민군기술협력사업, 한국기초과학지원연구원, 두뇌한국21사업의 지원으로 진행됐다. 1. 핵산(Nucleic acids) 뉴클레오타이드(nucleotides)라는 단위체로 구성된 중합체다. DNA와 RNA 두 가지 유형이 있다. 2. 바이오마커(bio-marker) 단백질이나 DNA, RNA, 대사 물질 등을 이용해 생명체의 정상 또는 병리적인 상태, 약물에 대한 반응 정도 등을 객관적으로 측정할 수 있는 지표다. 3. 가수분해효소 물을 사용해 화학 결합을 분해하는 반응을 촉매하는 효소다.

화공 정대성 교수팀, 와이파이보다 100배 빨리 데이터 전송하는 전등 나온다

[POSTECH·아주대·인하대 연구팀, RGB 파장을 혼합해 가시광 무선 통신 맞춤형 광원 개발] 라이파이(Li-fi)는 가시광(빛)을 사용해 데이터를 전송하는 통신 기술이다. 전파를 사용하는 와이파이(Wi-fi)보다 속도가 100배 이상 빠르며, 대역폭이 높아 많은 정보를 동시에 전달할 수 있다. 또, 빛이 도달하는 영역에만 데이터를 보내기 때문에 보안도 좋은 편이며, 무엇보다 LED 등 이미 설치된 실내 조명을 활용하면 별도 인프라도 필요하지 않다. 하지만 실제 조명에 가시광 통신 시스템을 적용했을 때, 데이터 전송의 안정성과 정확성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 그런데 최근 화학공학과 정대성 교수 · 김도완 연구원, 아주대 지능형반도체공학과 지동우 교수 · 박형준 씨, 인하대 신소재공학과 이정환 교수 공동 연구팀은 새로운 광원으로 빛의 간섭을 줄여 실내 조명을 활용한 무선 통신에 성공했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다. 동일한 파장이 만나면 진폭이 합쳐지거나 상쇄되는 간섭이 일어나는데, LED는 단일 색상 광원으로 가시광 통신 기술에 적용했을 때 이러한 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 기존 광원을 대체할 새로운 광원을 개발했다. 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue) OLED(유기발광다이오드)를 혼합해 일반 조명처럼 백색광으로 보이지만 서로 간섭되는 영역이 적은 광원을 만든 것이다. 또, 연구팀은 OLED가 각 파장의 색상을 더욱 선명하게 표현할 수 있도록 캐비티(cavity)*1 구조를 도입하고, 빛을 흡수하는 OPD(유기포토다이드)에는 파브리-페로(Fabry-Perot)*2 구조를 적용해 특정 파장의 빛만 잘 받아들일 수 있도록 했다. 그 결과, 연구팀이 만든 혼합 백색광은 기존 광원에 비해 BER(Bit Error Rate)이 매우 낮았다. 전송된 총 비트(bit) 수에 대한 오류 발생 비율을 나타내는 BER은 디지털 신호 품질을 측정하는 지표로 이는 광원 간 간섭 현상이 효과적으로 억제되어 정보를 정확하게 전달했음을 보여주는 결과다. 연구를 이끈 정대성 교수는 “기존 광원과 달리 세 종류의 파장이 혼합된 광원으로 간섭현상을 막아 데이터 전송에 있어 안정성과 정확성을 높였다”며, “기존 조명 시스템을 활용한 미래 무선 통신 기술로서 여러 산업 분야에 큰 도움이 되길 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 캐비티(cavity) 두 반사 표면 사이 구조적인 공간을 말한다. OLED 주변에서 빛이 특정 파장에서 강화되고, 특정 방향으로 방출되도록 유도한다. 2. 파브리-페로(Fabry-Perot) 다중간섭현상을 발생시켜 특정한 파장만 투과시키고, 다른 파장들은 반사함으로써 원하는 데이터만 선별하게 된다.

IT융합/기계/전자/융합 박성민 교수팀, 정전기가 생체 이식 기기 ‘수명’ 바꾼다

[POSTECH·연세대 연구팀, 안전하면서도 오래 가는 고효율 생체 이식형 기기 개발] 과학과 의학의 융합을 통한 의료 기술 혁신은 환자들의 삶의 질을 향상시켰다. 특히, 심장이나 뇌 등 몸속에 이식하는 전자기기는 생리 신호를 실시간으로 측정하고 조절해 파킨슨병 등 난치병에 대한 새로운 해결책으로 떠오르고 있다. 그러나 기술적인 한계로 한 번 이식한 전자기기를 영구적으로 사용하기는 어려웠다. 최근 IT융합공학과 · 기계공학과 · 전자전기공학과 · 융합대학원 박성민 교수 · 통합과정 이지호 씨, 연세대 신소재공학과 김상우 교수, 성균관대 김영준 박사 · 통합과정 황준하 씨 공동 연구팀은 아주 약한 초음파로도 작동하는 정전기 소재를 개발해 영구적인 생체 이식 전자기기 시대에 문을 열었다. 이 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials(어드밴스드 머티리얼즈)’에 개재됐다. 몸에 기기를 이식한 환자는 배터리를 주기적으로 교체하는 수술을 받아야 한다. 이 과정에서 합병증이 발생할 위험이 많으며, 환자에게도 경제적 · 신체적 부담을 준다. 최근 무선으로 작동이 가능한 이식형 의료기기 연구가 진행되고 있지만 안전한 에너지원과 기기를 보호할 적합한 재료를 찾는 게 쉽지 않았다. 현재 생체적합성이 높고 장기간 사용이 가능한 티타늄(Ti) 금속을 사용하고 있는데, 전파가 이 금속을 통과하지 못해 무선 전력 전송을 위한 안테나가 별도로 필요하다. 그로 인해 기기의 크기가 매우 커져 환자에게 큰 부담을 주고 있다. 공동 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전파 대신 진단과 치료 등 다양한 의료 분야에서 이미 안전성이 검증된 초음파를 선택했다. 그리고, 고유전성*1 고분자(P(VDF-TrFE))와 고유전성 세라믹 소재인 티탄산칼슘구리(CCTO, CaCu3Ti4O12) 복합체를 사용해 약한 초음파에도 반응하는 정전기 소재를 개발했다. 이 소재는 물질 층 간 마찰을 통해 정전기를 발생시켜 이를 통해 유효한 전기 에너지를 생산하며, 출력 임피던스*2가 매우 낮아 생산된 전기를 효율적으로 전달할 수 있다. 이를 바탕으로 연구팀은 배터리 없이 초음파 기반 에너지 전송을 통해 작동하는 체내 이식형 신경 자극 시스템을 제작하고, 실험을 통해 검증했다. 동물 모델 실험 결과, 인체에 부담이 거의 없는 일반 영상용 초음파 수준(500 mW/cm2)으로도 체내에 이식된 기기를 작동시켰으며, 신경 자극을 통해 과민성 방광 장애로 인한 배뇨 활동 이상 증상을 완화하는 데도 성공했다. 박성민 교수는 “인체에 무해한 초음파 기반 에너지 전송 기술로 이식형 의료기기 분야 난제를 해결했다”며, “이번 연구는 첨단 소재 기술을 의료기기에 도입한 케이스로 이식형 기기를 기반으로 한 난치성 질환 치료 등 차세대 의료산업 도래를 촉진할 것으로 기대한다” 말을 전했다. 또, 김상우 교수는 “생체적합성이 매우 우수한 소재를 기반으로 제작된 소자는 기계적 화학적 안정성이 높아 장기 치료가 필요한 다양한 질병 치료에 용이하다”며 “장기 안정성이 확보된 비(非) 배터리형 초소형 소자는 인체 삽입형 의료기기 시장에 새로운 혁신을 불러올 것으로 기대한다” 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 리더연구, 미래유망 융합기술 파이오니어사업, 바이오·의료기술개발사업 및 연세 월드클래스 펠로우 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 1. 고유전성 일정한 전압이나 전류가 가해지면 내부에서 전하를 축적하고, 외부 전압이 사라지면 축적된 전하를 방출하는 특성을 말한다. 2. 출력 임피던스(Output Impedance) 출력 단자에서 나오는 전류나 전압 변화에 대한 장애물을 나타내는 개념이다. 이것은 특히 전력 공급원이나 신호 발생기와 같은 장치의 출력 특성을 설명한다.

화공 용기중 교수팀, 수소 경제를 위한 그린 암모니아 생산, 황이 보여준 새로운 가능성

[용기중 교수팀, 친환경 · 고효율 암모니아 생산 공정 시대 열어] 겨울이 제철인 홍어의 톡 쏘는 맛과 향은 삭히는 과정에서 생기는 암모니아(NH3) 때문이다. 호불호가 갈리는 맛의 세계와 달리 산업계에서는 암모니아가 없어서는 안 될 존재다. 암모니아는 비료나 나일론 등의 기초 원료로 사용되며, 수소 함량과 에너지 밀도가 높아 친환경 수소 에너지 기술 분야에서 수소를 저장하고 운반하는 전달체로 주목받고 있다. 화학공학과 용기중 교수 · 통합과정 임채은 씨, 서울대 화학부 황윤정 교수, 충남대 에너지과학기술대학원 신혜영 교수 연구팀은 황(S)으로 수소 전달체인 암모니아 생산 반응 효율을 높였다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 최근 게재됐다. 현재 암모니아를 만드는 방법은 하버-보시(Haber-Bosch) 공정이 유일하다. 그러나 이 공정은 고온(400~500℃)과 고압(200~300atm) 환경이 필요하기 때문에 세계 에너지 소모량 약 2%를 차지할 정도로 에너지 소모가 크며, 연간 이산화탄소 약 6억 톤을 배출해 환경에 큰 부담을 주고 있다. 최근 리튬(Li)을 사용한 질소 환원 반응(Li-NRR)이 대안으로 떠오르고 있다. 대기 중 풍부한 질소 기체(N2)는 질소 2개가 삼중결합으로 붙어있어 반응성이 큰 리튬을 전극에 도금하면 강한 결합을 끊고 암모니아를 생산할 수 있다. 이 방법은 온실가스를 배출하지 않아 기존 공정보다 친환경적이지만 안정성과 생산 효율이 비교적 낮았다. 효율을 높이려면 전지 전극에 리튬을 균일하게 증착해야 하고, 전극을 구성하는 고체 전해질 계면(이하 SEI)*1의 안정성을 높여야 한다. 연구팀은 이번 연구에서 황을 사용했다. 일반적으로 황은 여러 촉매 반응에서 피독현상*2을 일으키지만, 극소량 사용하는 경우 반응 활성을 높인다. 황이 포함된 황화디메틸(Dimethyl sulfide)을 첨가하자 황산리튬(Li2SO4)과 황화리튬(Li2S) 분자가 형성되며 리튬 이온 이동이 원활해졌다. 그로 인해 리튬이 전지 전극에 균일하게 증착되었고, SEI 형태가 조밀하고 얇은 필름 구조에서 그물 구조로 바뀌었다. 이 구조는 이온 전도도를 높여 리튬이 더 균일하게 증착될 수 있도록 했다. 또, 황은 SEI 전해질 분해와 열화현상을 막아 공정의 안정성을 높였다. 실험 결과 황을 첨가한 연구팀의 셀은 20시간 이상 사용한 후에도 기존 전지보다 2배 이상 높은 에너지 효율을 보였다. 이번 연구를 이끈 용기중 교수는 “암모니아를 보다 효율적으로 생산하는 이 연구가 친환경 수소 기술을 선점하는 데 큰 도움이 되기를 바란다”는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 해외우수연구기관 협력 허브 구축사업의 지원으로 진행됐다. 1. 고체 전해질 계면(solid-electrolyte interface) 전극 표면 고체 막을 말한다. 2. 피독현상(poisoning) 촉매 활성과 선택성이 현저하게 손상되는 현상이다.

화공 김진곤·신소재 정운룡 교수팀, “정전기를 붙잡아라”... 트랩으로 센서 한계 돌파

[Deep trap으로 정전기 센서 성능 지속 성공] 추운 겨울, 누구나 한 번쯤 옷을 입다가 찌릿한 느낌 때문에 깜짝 놀란 적이 있을 것이다. 피부와 옷이 닿을 때 전하가 이동하면서 순간적으로 정전기가 발생한다. 이 마찰 전기는 별도의 외부 전력이 필요하지 않아 전자 피부나 의료용 센서 등 여러 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 다만, 정전기를 감지하는 센서에 충전된 전기가 오래 지속되지 않는다는 문제가 있었다. 화학공학과 김진곤 교수 · 장준호 박사, 신소재공학과 정운룡 교수 · 박사과정 조우성 씨 공동 연구팀은 전하의 이동을 막아 정전기 소자 센서 성능을 오래 유지하는 방법을 찾았다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 최근 게재됐다. 정전기 소자는 서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 운동에너지를 전기적 신호로 변환한다. 이 소자를 사용한 센서는 차세대 전력 공급원으로 기대를 모으고 있으며, 연구팀은 이전 연구에서 하나의 전극으로 여러 움직임을 감지하는 정전기 센서를 개발했다. 하지만 센서에 충전된 마찰 전기가 시간이 지나면서 점점 약해져 반복적인 접촉과 충전 과정이 필요했다. 정전기 센서에 충전된 전기를 오래 유지하려면 센서 표면의 전하 이동을 줄여야 한다. 반도체 소자에서 전하가 움직일 수 없도록 가둬두는 공간을 ‘깊은 함정(이하 Deep trap)’이라고 하는데, 연구팀은 소자 재료인 열가소성 분자에 자외선을 쏘아 사슬 구조를 만들고, ‘Deep trap’을 형성했다. 전하의 이동을 제한할 수 있는 ‘함정’을 만드는 데 성공한 것이다. 또, 연구팀은 센서에 직류 전압(DC) 1,000 V(볼트)를 가하면 정전기 지속 시간이 향상된다는 사실도 실험으로 확인했다. 연구팀의 정전기 센서는 30여 분 동안 전기를 유지하며 우수한 성능을 보였으며, 이 결과는 지속 시간이 1분 이하였던 기존 정전기 센서에 비해 약 30배 정도 향상된 수치다. 김진곤 교수는 “이번 연구를 통해 오랜 시간 성능을 유지하기 어렵다는 정전기 센서의 한계를 극복했다”며, “잠재력이 많은 이 센서가 앞으로 다양한 산업 분야에서 광범위하게 활용되기를 바란다”는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 창의후속연구사업과 중견연구자지원 사업의 지원으로 진행됐다.

물리 송창용 교수팀, 하나보다는 둘, 데이터도 이제는 팀 케미스트리

[송창용 교수팀, 다중 촬영법으로 나노 입자 3차원 기공 구조 촬영 성공] 최근 막을 내린 한국시리즈 결과가 말해주듯 팀 스포츠에서는 개인의 뛰어난 역량보다 팀워크(teamwork)가 중요하다. 책 <팀 케미스트리(Team Chemistry)> 저자인 조앤 라이언은 팀워크를 ‘팀 전력을 끌어올리는 보이지 않는 능력’이라고 말한다. 최근 POSTECH 연구팀은 데이터들의 팀 케미스트리를 통해 기존 연구의 한계를 극복했다. 물리학과 송창용 교수 · 통합과정 이성윤 · 조도형 박사, 신소재공학과 송승찬 씨 연구팀은 다중거리 촬영법으로 다공성 입자의 3차원 기공(구멍) 구조를 선명하게 촬영하는 데 성공했다. 이번 연구는 소재 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다. 메조 다공성(mesoporous) 나노 입자는 표면에 2~50 나노미터 크기의 다양한 기공을 갖고 있다. 이 입자는 표면적이 매우 커 기체나 액체, 중금속을 흡착하는 데 매우 유리하며, 다양한 기능성 소재를 구현하는 플랫폼으로서 주목받고 있다. 입자의 3차원 기공 구조는 소재 성능을 결정하는 핵심 요소로 기능성 소재를 설계하기 위해서는 그 구조를 정확하게 촬영하고, 면밀하게 분석해야 한다. 그런데, 기존 방법으로는 다공성 나노 입자의 3차원 구조를 선명하게 촬영하기 어렵다. 일반적인 X선 촬영은 해상도가 높은 이미지를 얻기 어려우며, 빛 대신 전자를 사용하는 투과전자현미경은 두께가 얇은 시료에 특화되어 있어 두꺼운 시료를 촬영하는 데 적합하지 않다. 연구팀은 X선 회절 패턴 촬영법의 해상도를 높이는 데 집중했다. 3차원 구조를 선명하게 촬영하기 위해 연구팀은 측정 거리를 다르게 하여 X선 회절 데이터를 두 번 수집했다. 짧은 거리에서 수집한 데이터는 물체의 세부적인 구조에 대한 정보를 포함하고 있으며, 먼 거리에서 수집한 데이터는 물체의 형태에 대한 정보가 담겨 있다. 한 번의 촬영으로 수집된 정보가 제한적이었던 기존 촬영법과 달리 여러 X선 회절 패턴을 수집한 후, 알고리즘을 통해 3차원 기공 구조로 재구성했다. 연구팀은 이 기법으로 메조 다공성 이산화규소(SiO2) 입자의 3차원 기공 구조를 13 나노미터 해상도로 촬영하는 데 성공했다. 기공 구조를 고해상도로 분석하고, 이를 바탕으로 우수한 기능성 소재 개발을 위한 설계가 가능해진 것이다. 연구를 이끈 송창용 교수는 “고해상도 이미지는 다공성 입자 구조와 기능 간 상관관계를 파악하는 데 반드시 필요한 정보”며, “이번 연구를 바탕으로 다양한 성능을 가진 기능성 소재 개발이 가능할 것이다”라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, 국제화기반조성사업, 나노및소재기술 개발사업 지원으로 수행됐다.

신소재 이병주 교수팀, ‘우수한 제품 만들어주세요’ AI에 입력하면 뚝딱

[이병주·김형섭 교수 공동 연구팀, 인공지능으로 금속 제품 공정 효율 향상] 생성형 인공지능 챗지피티(Chat GPT)는 사용자가 원하는 대로 글을 써주는 것은 물론, 음악을 작곡하고 미술 작품도 만든다. 마치 식당에서 음식 주문을 하듯이 주문서에 입력한 대로 제품을 뚝딱 만들어내는 것이다. 최근 이 인공지능 기술을 활용해 금속 제품 공정의 효율을 높인 연구가 발표되어 화제를 모으고 있다. 신소재공학과 이병주 교수 · 통합과정 왕재민 씨, 친환경소재대학원 · 신소재공학과 김형섭 교수, 신소재공학과 박사과정 정상국 씨 · 통합과정 김은성 씨 공동 연구팀은 우수한 품질의 금속 제품을 생산할 수 있도록 최적의 설계조건을 알려주는 인공지능 모델을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 특집 논문(featured article)으로 선정됐다. L-PBF(Laser powder bed fusion) 공정은 분말 형태의 금속을 녹였다가 냉각하는 과정을 반복하며 여러 금속층을 쌓아 제품을 생산한다. 이 공정은 재료 선택에 제한이 적다는 장점이 있지만 공정 중 발생하는 기공(구멍)으로 인해 제품에 균열이 생겨 품질이 떨어지는 경우가 많았다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 머신 러닝(machine learning) 기술을 선택했다. 연구팀은 학계에 보고된 선행 연구 데이터를 활용해 다양한 금속 특성과 공정 조건을 인공지능 컴퓨터로 분석했다. 그리고, 제품의 상대 밀도가 98% 이상이 되도록 공정 조건을 설계하는 머신 러닝 기반 방법론을 만들었다. 연구팀이 출력값으로 선택한 상대 밀도는 기공과 반비례하는 지표로 상대 밀도가 높을수록 기공이 적고, 품질이 우수한 제품임을 나타낸다. 또, 연구팀은 데이터의 편향성을 보완하고 결과의 신뢰도를 높이기 위해 시그모이드(sigmoid)*1 함수를 활용하고, SHAP(SHapley Additive exPlanations) 분석*2도 함께 진행했다. 연구팀은 이 모델로 스테인리스강과 알루미늄 합금 등 여러 합금 분말을 사용한 실험에서 상대 밀도 98% 이상의 제품을 생산하는 데 성공했다. 연구를 통해 개발한 모델을 검증하고, 실용성도 확인한 것이다. 이번 연구는 하나의 재료에 대해서만 최적의 공정 조건을 도출한 기존과 달리 금속 종류에 상관없이 보편적으로 적용할 수 있는 인공지능 모델을 개발했다는 점에서 큰 의의가 있다. 이번 연구를 이끈 이병주 교수는 “선행 연구의 데이터와 전문지식에 기반한 통찰력으로 실용적인 머신러닝 모델을 개발했다”며, “머신러닝 기술에서는 이러한 데이터베이스 구축과 분야별 전문성 확보가 중요하다”고 강조했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 선도연구센터사업과 중견연구과제의 지원으로 진행됐다. 1. 시그모이드(sigmoid) 함수 입력된 데이터를 0과 1 사이의 값으로 출력하는 비선형 함수로 미분가능한 연속성을 가진 함수이다. 인공신경망의 활성화 함수로 사용된다. 2. SHAP(SHapley Additive exPlanations) 분석 각 특성이 예측에 미치는 영향을 평가하고, 이를 통해 모델의 예측을 설명할 수 있습니다.