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환경 감종훈 교수팀, 수질오염 민원, 코로나가 줄였다

[감종훈 교수 연구팀, AI 활용 불만 신고서 감정변화 분석 성공] 흔히 사람의 감정은 글에 묻어난다고 한다. 글을 읽으면 그 사람의 ‘감정’을 추측해볼 수 있다. 기분이 좋을 때 쓴 글에서는 장미꽃 향기가 나는 것 같지만 속상하거나 화가 난 상황에서 작성한 글을 보면 가시가 돋아나 있는 듯하다. 딥러닝을 통해 방대한 양의 정보를 학습한 인공지능이라면 사람이 적은 ‘글’을 통해 그 사람의 태도나 감정을 보다 더 정확하게 파악할 수 있지 않을까? 환경공학부 감종훈 교수, 박사과정 안치 리우(Anqi Liu) 씨 연구팀은 수질오염 불만 신고서의 인공지능 분석을 통해 이상기후나 코로나19 팬데믹이 사람들의 정서에 미치는 영향을 분석했다. 이 연구는 ‘스프링거 네이처(Springer Nature)’에서 발행하는 환경 분야 학술지인 ‘npj 클린 워터(npj Clean Water)’지에 게재됐다. 연구팀은 글에 담긴 사람들의 감정과 태도를 분석하기 위해 ‘텍스트 마이닝(text mining)’과 ‘자연어 처리(Natural Language Processing)’ 기술을 활용했다. ’텍스트 마이닝’은 비정형의 텍스트 데이터로부터 유용한 정보를 추출하는 기술을 말하며, ‘자연어 처리’는 컴퓨터가 사람의 언어를 이해하고 분석할 수 있는 기술이다. 이 기술들을 활용하여 연구팀은 미국 앨라배마(Alabama)주에 접수된 수질오염 신고서를 분석했다. 앨라배마주는 온라인 플랫폼을 통해 수질오염에 대한 주민들의 의견을 청취하는 ‘시민참여형 감시시스템’을 운영하고 있는 곳으로, 2012년부터 2021년까지 접수된 신고는 약 10,000여 건에 달한다. 연구팀은 먼저 코로나 이전, 이상기후가 발생했을 당시 접수된 신고서를 분석했다. 그 결과, 2017년 앨라배마주에 가뭄 발생 기간동안 부정적인 민원이 평소보다 35퍼센트 증가했음을 확인했다. 또, 2019년 홍수가 발생한 시기에는 부정적인 민원이 전체 기간 대비 약 25퍼센트 더 많이 접수되었다. 실제로 물 부족 현상이 일어나거나 수질이 오염된 시기와 인공지능 분석을 통해 부정적인 민원이 증가한 것으로 나타난 시기가 일치한 것이다. 이어, 연구팀은 코로나19 팬데믹 동안 사람들이 작성한 신고서도 분석했다. 또, 해당 신고서와 전체 기간 중 무작위로 추출한 표본을 비교했다. 그 결과, 팬데믹 동안 접수된 민원의 수는 전체 기간 대비 현저하게 적었으며, 부정적인 민원의 비율도 30퍼센트 더 적었다. 이러한 경향은 2021년까지 지속됐다. 인공지능을 활용한 분석 결과는 당시 팬데믹과 같은 사회적 상황 변화로 인한 사람들의 심리적 변화와 일치한다. 2020년에는 모든 야외 활동이 제한될 정도로 ‘코로나19 감염 확산 예방’이 사회적으로 가장 중요한 문제였다. 사람들은 대부분 본인 건강 상태에 집중해 자연스럽게 ‘수질오염’ 같은 환경문제에 대한 관심이 줄어들었다. 팬데믹이 수질오염에 대한 민원을 접수할 당시 사람들의 감정과 태도를 변화시켰고, 이러한 심리적 변화를 인공지능이 분석한 것이다. 인공지능 기술로 사람들의 감정과 태도를 분석한다는 것은 4차 산업혁명 이전에는 상상할 수 없던 일이다. 이번 연구를 이끈 감종훈 교수는 “인공지능 기술의 진화로 이상기후나 팬데믹 발생 시 사람들의 정서를 빠르게 파악할 수 있고, 환경과 관련된 정부 정책과 기업 운영계획을 수립할 때 이를 활용할 수 있는 스마트 시대가 도래할 것이다”라고 말했다. 또, “앞으로도 빅데이터와 인공지능 기술, 환경 과학의 융합적 연구를 통해 4차 산업혁명 이전에 제시되지 않았던 새로운 사회 및 환경문제 해결 방안들이 제시될 것“이라는 의견을 전했다. 한편, 이 연구는 교육부와 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21 사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

물리 박경덕 교수팀, 빛의 ‘길’이 보여준 해답의 ‘길’

[박경덕 교수팀, 광도파로로 극성반도체입자 능동 제어 성공] 영화 ‘브루스 올마이티’의 주인공 ‘브루스’는 우연한 기회로 신을 만나 무엇이든 마음대로 할 수 있는 능력을 갖게 된다. 브루스가 다시 인간으로 돌아오며 영화는 끝이 나지만 브루스는 아주 잠시 모든 것들을 제어할 수 있는 달콤한 꿈을 꾼 것이다. 이처럼 만사는 개인의 뜻대로 이루어지지 않는다. 빛의 세계에서는 더욱 그렇다. 그럼에도 불구하고 POSTECH 연구팀은 획기적인 광통신 개발의 핵심 요소가 될 수 있는 ‘극성반도체입자(trion)’를 제어하는 데 성공했다. 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 이형우 씨 연구팀은 나노 플라즈모닉 광도파로*1(plasmonic waveguide)를 이용하여 고순도의 극성반도체입자를 생성하고, 입자가 생성되는 위치를 제어하는 데 성공했다. 반도체 물질에 빛을 쏴주면 ‘엑시톤(Exciton)’이 생성된다. 엑시톤은 전자와 양공*2이 결합된 입자로서, 전기적으로는 중성인 상태다. 엑시톤에 전자 하나가 더 결합되면 ‘극성반도체입자’가 된다. 두 입자 모두 차세대 광통신 소자와 태양 전지에 활용되지만 극성반도체입자는 전기장으로 제어가 가능하고 쉽게 결합이 풀려 실질적인 소자 응용에 더 이점이 있다. 연구팀은 극성반도체입자를 생성하기 위해 폭이 약 200 나노미터(10-9m)인 ‘나노 플라즈모닉 광도파로’를 사용했다. 플라즈모닉 광도파로는 빛을 자유전자의 공명 현상인 ‘플라즈몬(plasmon)’ 형태로 바꾸어 파장보다 작은 공간에 강하게 가둔 뒤 원하는 곳으로 이동시키는 구조이다. 광도파로 위에 이차원 반도체물질을 전사하면 광도파로의 홈을 따라 이차원 반도체가 늘어지게 되는데, 이 때 빛을 쏘아주면 반도체 내에 생성된 엑시톤은 깔때기에 물을 부은 것처럼 광도파로 중심에 모이게 된다. 이와 동시에, 광도파로의 플라즈몬은 높은 에너지를 갖고 있어 광도파로의 금속에 있는 전자를 반도체로 이동시키고, 이때 이동한 많은 양의 전자가 엑시톤과 함께 광도파로 중심으로 모이게 되어 결합하여 극성반도체입자가 생성되는 것이다. 또, 연구팀은 적응광학과 나노광학을 결합한 공간 빛 제어 기술을 이용하여 극성반도체입자가 생성되는 위치를 제어하는 데 성공했다. 이 기술을 이용하여 플라즈모닉 광도파로 내 원하는 위치에 플라즈몬을 만들고, 극성반도체입자가 생성되는 위치 역시 제어할 수 있었다. 이번 연구는 ‘전기’가 아닌 ‘빛’에 의해 진행되었다는 점에서 큰 의의가 있다. 빛이 이동하는 길을 통해 광학 소자 개발에 대한 해답을 찾은 것이다. 또, 엑시톤과 극성반도체입자 같은 입자를 연구하는 ‘엑시토닉스’와 플라즈몬을 탐구하는 ‘플라즈모닉스’ 등 다양한 분야를 결합했다는 점도 주목할만하다. 통상 우리는 한계에 부딪힐 때 한 분야 안에서 문제를 해결하려고 하는데, 연구팀은 여러 분야의 융합을 통해 이를 해결했기 때문이다. 연구팀의 성과는 극성반도체입자 기반 광학 소자를 효율적으로 제어하고, 고효율의 에너지 광변환 소자를 개발하는 데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 논문의 제 1 저자인 이형우 씨는 “극성반도체입자를 나노공간에서 생성 및 제어하는 새로운 물리적 개념을 정립한 이 연구를 바탕으로, 반도체입자 기반 원거리 정보통신 연구를 구상하고 있다”고 말했다. 한편, 연구에 사용된 플라즈모닉 광도파로 제작에는 삼성전자 주혁 부사장팀, 샘플 사전분석은 전북대 이홍석 교수팀과 안상민 교수팀, 시료의 제작에는 성균관대 김기강 교수팀이 참여했으며, 물리학과 통합과정 구연정, 강민구, 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행하였다. 연구결과는 국제학술지 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 4월 12일자로 출판됐으며, 연구수행은 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다. 1. 광도파로 빛의 전반사 성질을 이용하여 머리카락보다 훨씬 얇은 구조물 내에서 빛이 한쪽 방향으로 흐르게 하는 길 혹은 터널을 의미한다. 2. 양공 전자들이 모여있는 데서 몇 개가 빠져서 생긴 구멍을 의미한다.

화공 박태호 교수팀, 지구를 지키는 ‘페로브스카이트’ 태양전지

[POSTECH·한국화학연구원·충남대 공동연구팀, 고성능 및 고안정성 페로브스카이트 태양 전지를 위한 첨가제 개발 성공] 지난해 여름, 기록적인 폭우로 서울을 포함한 수도권 지방에 이른바 ‘물폭탄’이 집중됐고, 파키스탄은 폭우로 인해 국토의 약 3분의 1가량이 침수됐다. 미국 뉴욕주에서는 작년 12월, 눈폭풍이 강타하여 1미터가 넘는 눈이 내리기도 했다. 이처럼 지구 전역에서 기상이변이 속출하고 있다. 지난해는 기후 관측이 시작된 1850년 이후 다섯 번째로 뜨거운 해였다고 한다. (유럽연합 진행위원회 산하 기후변화 감시기구 발표) 기상이변의 가장 큰 원인은 바로 환경오염이다. 생활 속 유해 물질과 공장에서 내뿜는 대기오염 물질이 지구를 병들게 하고 있다. 탄소나 유해 물질 발생량을 줄이고, 지구와 인간이 공생하기 위해서는 친환경 재생에너지가 필요하다. 화학공학과 박태호 교수 · 통합과정 김도현 · 최현태 · 정우택 씨, 한국화학연구원 전남중 박사, 충남대 응용화학공학과 송슬기 교수 공동연구팀은 페로브스카이트 필름 처리를 위한 새로운 첨가제를 개발하여 에너지 전환 효율이 높으면서도 안정적인 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는 데 성공했다. 이번 연구는 에너지, 환경 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 게재됐다. 페로브스카이트*1 태양 전지(Perovskite Solar Cell, 이하 PSC)는 페로브스카이트를 활용하여 태양의 에너지를 활용하는 전지다. PSC는 가공이 쉽고, 공정비용이 저렴해 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 수분에 취약하고, 페로브스카이트 표면에 있는 결함이 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)을 저해한다. PSC의 안정성과 효율성을 높이기 위해서는 페로브스카이트 필름 표면에 생기는 결함을 제거해야 한다. 지금은 첨가제를 용매에 녹여 페로브스카이트 필름 표면에 도포하는 방식으로 처리하는데, 용매가 쉽게 증발하여 첨가제가 고체로 변하기 때문에 필름 표면의 결함을 제대로 제거할 수 없었다. 연구팀은 ‘알킬암모늄 포르메이트(Alkylammonium formates, 이하 AAFos)’이라는 첨가제를 새롭게 합성하여 표면 처리 과정에 사용했다. AAFos는 AAFos 내 양이온과 유사 할로겐화물*2 음이온 사이의 결합이 약해 상대적으로 낮은 온도에서 액체로 존재할 수 있는데, 연구팀은 이 첨가제의 ‘고체-액체 상변화’에 주목한 것이다. AAFos는 용매 사용 여부와 상관없이 짧은 열처리 과정을 통해 고체에서 액체로 변화하여 필름 표면의 결함을 제거하고, 이후 상온에서 다시 고체로 변한다. 또, AAFos의 유사 할로겐화물 음이온은 할로겐 결함과의 친화력이 높아 표면에 있는 결함을 효과적으로 처리할 수 있고, 양이온의 긴 알킬 사슬은 페로브스카이트 층으로의 수분 침투를 막아 수분 안정성을 향상시킬 수 있다. 또, 연구팀은 AAFos를 사용하면 PSC의 전력 변환 효율이 상승한다는 것도 실험을 통해 확인했다. PSC 단일면적에서 약 25퍼센트의 높은 전력 변환 효율을 보였으며, 동일 소자에서 세계 최고의 충진율*3인 80.77퍼센트를 달성했다. 면적이 넓은 PSC 모듈(23.75제곱센티미터)에서 20.82퍼센트의 효율을 기록했는데, 면적이 클수록 효율과 충진율이 낮아지는 기존 태양 전지의 한계를 극복한 것이다. 태양 전지로 대표되는 재생에너지 개발은 이제 선택사항이 아닌 의무일 것이다. 이번 연구를 통해 페로브스카이트 태양 전지가 차세대 태양 전지로서의 입지를 굳히고, 넓은 면적에서도 널리 활용될 것으로 기대된다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 1. 페로브스카이트(Perovskite) 러시아의 광물학자 페로브스키(L. A. Perovski)가 우랄산맥에서 최초로 발견한 광물로, 유기물(A), 무기물(B), 할로겐화물(X)이 결합하여 ABX3 화학식으로 표현되는 모든 화합물을 일컫는다. 2. 할로겐화물 반응성이 매우 큰 할로겐 원소와 다른 원소가 결합한 물질이다. 3. 충진율(Fill Factor) 개방전압과 단락 전류의 곱에 대한 출력의 비로, 전지의 효율에 직접적인 영향을 미치는 중요한 파라미터이다.

기계 조동우 교수팀, 조그마한 칩 위에 펼쳐진 당뇨의 세계

[POSTECH·가톨릭대학교 은평성모병원 공동연구팀, 당뇨 치료제 및 합병증 연구를 위한 다중 장기 칩 개발] 당뇨는 말 그대로 ‘소변에 포도당이 많이 배출되는 질환’으로 췌장에서 분비되는 혈당 조절 호르몬 ‘인슐린’의 이상으로 발생한다. 당뇨는 그 자체로도 위험하지만 다양한 합병증을 유발하기 때문에 더 무서운 질병이다. 당뇨는 크게 1형 당뇨와 2형 당뇨로 나눌 수 있다. 1형 당뇨는 인슐린을 분비하는 세포에 이상이 생겨 인슐린이 분비되지 않는 상태이며, 2형 당뇨는 식습관, 운동 부족 등 잘못된 생활 습관으로 인해 인슐린의 분비가 감소하는 상태이다. 대한당뇨병연합에 의하면 2021년 기준 국내 당뇨병 인구는 약 470만 명이며, 이 중 90퍼센트 이상이 2형 당뇨 환자인 것으로 나타났다. 세계보건기구(WHO)와 국제당뇨연맹은 2025년 당뇨 인구가 3억 명에 육박할 것으로 예상한다. 당뇨는 우리나라뿐 아니라 전 세계적인 문제이며, 여러 나라에서 당뇨 치료제 개발을 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 기계공학과 조동우 교수 · 박주영 박사 · 통합과정 김정주 씨, 가톨릭대학교 은평성모병원 안과 원재연 교수님 공동연구팀은 최근 3D 세포 프린팅을 활용한 다중 장기 칩을 제작하여 2형 당뇨의 병리 환경을 거의 동일하게 재현하는 데 성공했다. 이번 연구는 재료와 소재 분야에서 영향력 있는 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)’에 게재됐다. 연구팀은 당뇨와 그 합병증에 대한 메커니즘을 재현하기 위해 먼저 2형 당뇨와 밀접한 관련이 있는 췌장과 지방, 간 각각의 바이오잉크*1를 개발했다. 바이오잉크에 각 장기 유래 세포를 담아 3D 세포 프린팅 기술로 당뇨의 병리학적 특성을 재현하는데 가장 적합한 배열을 가진 다중 장기 칩을 만들었다. 연구팀은 이 칩을 이용하여 여러 지방 조직과 2형 당뇨와의 연관성을 실험했다. 그 결과, 내장지방에서 유래한 바이오잉크를 사용했을 때 2형 당뇨와 내장지방의 연관성이 가장 명확하게 드러남을 확인했다. 피하지방보다는 내장지방이 당뇨병과 더 밀접한 연관성이 있다는 것이다. 또, 칩에 망막 구획을 추가했을 때, 망막 세포의 기능 저하가 발생하였다. 이는 해당 칩이 당뇨 합병증 연구에도 응용할 수 있다는 것을 보여준 것이다. 연구팀이 개발한 칩을 이용하면 현재 개발 중인 당뇨 치료제의 효과도 검증할 수 있다. 실제 임상실험 중인 당뇨 치료제의 효능이 다중 장기 칩 위에서도 동일하게 나타났는데, 이는 머지않아 칩을 이용한 연구가 동물실험과 임상실험을 대체할 수 있음을 보여준 것이다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 신진연구자지원사업의 지원 지원으로 수행됐다. 1. 바이오잉크(Bio-ink) 바이오프린팅의 원료이자 바이오프린터로 분사하는 재료

물리 박경덕 교수팀, 데이터, 이제는 빛의 속도로 처리한다!

[박경덕 교수팀, 세계에서 가장 작고 가장 빠른 나노 엑시톤 트랜지스터 개발] 영화 <앤트맨>에서 주인공은 어떻게 작은 몸에서 강력한 에너지를 낼 수 있을까? 앤트맨의 슈트에는 작은 신호도 크게 증폭하여 처리하는 ‘트랜지스터’가 달려 있다. 이때, 기존 방식대로 전기 신호를 증폭하는 트랜지스터를 이용하면 열 에너지가 손실되고, 신호전달 속도가 제한되어 성능이 떨어지게 된다. 한계를 극복하여 작고 가벼우면서도 열 손실 없는 고성능 슈트를 제작할 수 있을까? 물리학과 박경덕 교수 · 통합과정 구연정 씨, 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀은 이종접합반도체에 존재하는 층내엑시톤과, 층간엑시톤을 활용하여 기존 트랜지스터의 한계를 극복한 ‘나노 엑시톤 트랜지스터’를 개발하는데 성공했다. 반도체 물질이 빛을 내게 하는 ‘엑시톤’은 전기적으로 중성인 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 발광소자나 양자 정보통신 광원 개발의 핵심이 된다. 서로 다른 반도체 물질을 두 층으로 쌓아 만든 이종접합반도체 내에는 두 가지 종류의 엑시톤이 존재하는데, 하나는 수평 방향성을 가진 층내엑시톤이고 다른 하나는 수직 방향성을 가진 층간엑시톤이다. 두 엑시톤이 방출하는 광신호는 서로 다른 빛과 지속 시간 그리고 결맞음 시간을 갖고 있다. 그래서 두 광신호를 각각 독립적으로 제어할 수 있다면 2비트 엑시톤 트랜지스터를 실현할 수 있다. 하지만, 빛의 회절한계와 더불어 이종접합반도체물질의 불균질성과 층간엑시톤의 낮은 발광효율 때문에 층내엑시톤과 층간엑시톤을 나노 공간에서 제어하기 어려웠다. 연구팀은 선행 연구를 통해 반도체 물질을 나노 탐침으로 눌러 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있다. 이번에는 엑시톤을 직접 건드리지 않고 탐침에 비추는 빛의 편광에 따라 엑시톤 밀도와 발광효율을 원격 제어하는 데 세계 최초로 성공한 것이다. 나노 광공진기와 공간광변조기를 결합한 위 방식의 최대 장점은 반도체 물질의 물리적 손상을 최소화하며 가역적으로 엑시톤을 제어할 수 있다는 것이다. 뿐만 아니라 ‘빛’을 이용한 나노 엑시톤 트랜지스터를 이용하면 방대한 양의 정보를 빛의 속도로 처리하면서도 열 에너지 손실을 줄일 수 있다. 어느새 우리의 삶 속으로 들어온 인공지능은 방대한 양의 데이터를 학습한 후 사용자가 원하는 답을 제시한다. 인공지능을 활용하는 분야가 많아질수록 더 많은 정보를 수집하고 처리할 수 있어야 한다. 이번 연구는 데이터 폭증 시대에 새로운 데이터 처리 전략을 제시할 것으로 기대된다. 논문의 제1저자인 구연정 씨는 “나노 엑시톤 트랜지스터는 인공지능(AI) 기술에 의해 생성된 데이터 부담을 줄여줄 수 있는 광학 컴퓨터 실현을 위한 핵심 구성 요소가 될 것으로 기대된다.”고 말했다. 나노 분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재된 이 연구는 삼성미래기술육성재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

화공 김원배 교수팀, 버려지는 글리세롤... 화려한 부활을 꿈꾼다

[POSTECH·한국화학연구원·한국재료연구원·부경대학교 공동연구팀, 폐글리세롤로부터 고부가가치 화합물을 생성하는 전기화학적 촉매 개발 성공] ‘ESG란 ’환경(Environment)’, ‘사회(Social)’, ‘지배구조(Governance)’의 영문 첫 글자로 기업의 친환경 경영 및 사회적 책임 등을 의미한다. 이 세 가지는 기업이나 조직의 지속 가능한 성장을 위해 필요한 핵심 요소로, 기업의 가치를 평가하는 새로운 척도로 떠오르고 있다. 세계 여러 국가에서 ‘탄소중립’을 선언한 상황이며, 우리나라도 2020년 ‘2050 탄소중립 비전’을 선포하며 환경과 함께 살아가기 위한 움직임에 동참하고 있다. 바이오디젤은 식물성 기름과 동물성 지방으로부터 생성되는 친환경 연료 중 하나이다. 바이오디젤이 생산되는 과정에서 ‘글리세롤’이라는 부산물이 함께 생성되는데, 보통 바이오디젤 생산량의 약 10퍼센트에 해당하는 양만큼 생성된다. 이에 따라 최근 친환경 연료 생산이 급증하면서 폐기처리되는 글리세롤 활용에 대한 연구가 활발해지고 있다. 화학공학과 김원배 교수 · 통합과정 박민선 씨, 한국화학연구원 김형주 박사 · 오이슬 씨, 한국재료연구원 최승목 박사, 부경대 서민호 교수 공동연구팀은 버려지는 글리세롤을 활용하여 고부가가치 화학 원료를 생산할 수 있는 ‘코발트-구리산화물 촉매’를 개발하고, 그 원리를 규명했다. 이번 연구 내용은 소재, 화학, 나노 분야에서 권위있는 ‘어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)’에 게재됐다. 이번 실험에서 연구팀은 글리세롤을 산화할 때 새롭게 개발한 촉매를 사용했다. 그 결과, 화장품 제조에 사용되는 글리콜산이나 가죽 산업 원료로 사용되는 포름산 등 상대적으로 가치가 높은 화합물들이 생성되는 것을 확인했다. 이에 반해, 일반적으로 글리세롤을 산화할 때 사용되는 금이나 백금 등 귀금속류 촉매는 가격대가 매우 높고, 고부가가치 화학물질을 생산하는 데 한계가 있다. 또, 연구팀은 ‘코발트-구리산화물 촉매’를 사용했을 때 고부가가치 화합물이 생성되는 이유를 밀도범함수 이론(Density functional theory, DFT)*1을 통해 증명했다. 글리세롤로부터 글리콜산과 포름산이 만들어지기 위해서는 탄소와 탄소 간 결합이 끊어져야 한다. 분자 내 원자들의 상태밀도를 분석한 결과, 코발트-구리산화물의 표면에서는 탄소와 탄소 간 결합 세기가 약하기 때문에 글리세롤로부터 고부가 화학제품인 글리콜산과 포름산이 생성될 수 있었다. 이번 연구를 이끈 김원배 교수는 “이 연구가 글리세롤뿐 아니라 다양한 바이오매스 부산물들의 고부가가치 화합물 전환 반응을 위한 비귀금속 전기화학촉매 개발 기반이 될 것으로 기대하고 있다.”고 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 선도연구센터지원사업, 나노소재기술개발사업 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 밀도범함수이론 물질, 분자 내부의 전자의 거동과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나다. 이를 통해 소재의 구조와 성질 등을 예측할 수 있다.

기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀, 인공지능이 깬 메타표면의 한계

[노준석 교수팀, 메타홀로그램 세계 최대 정보량 구현] [단일 메타표면에서 다색 홀로그램 최대 9개까지, 단색 홀로그램 최대 18개 이미지 인코딩 성공] ‘역설계’란 데이터 학습을 통해 기존에 존재하지 않던 물질이나 방법을 찾을 수 있도록 설계를 새롭게 디자인하는 것이다. 최근 공개된 Chat GPT(챗 지피티)는 인공지능을 통해 방대한 양의 데이터를 수집하고 학습하여 사용자에게 필요한 정보를 도출하여 제공해준다. 이러한 인공지능을 활용한다면 사람의 계산으로 풀 수 없었던 한계점들을 풀어낼 수 있지 않을까? 기계공학과 · 화학공학과 노준석 교수 · 인공지능대학원 트레본 배드로(Trevon Badloe) 박사 · 기계공학과 통합과정 김주훈 씨 · 고려대학교 전자·기계융합공학과 소순애 교수 연구팀은 인공지능 기반 역설계 방법을 통하여 기존 메타표면 정보량의 한계를 깨고, 세계 최대 정보량의 메타홀로그램을 구현하는 데 성공했다. 이 연구는 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’지에 게재됐다. 기존 단일 메타표면은 최대 정보량이 2~3개 정도로 다양한 홀로그램을 입력하여 3D 홀로그램이나 다색 홀로그램을 구현하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 역설계 방법을 기반으로 단일 메타표면에서 입력할 수 있는 정보량을 다색 홀로그램에서는 최대 9개로, 단색 홀로그램에서는 최대 18개로 늘렸다. 그 결과, 각각의 면에서 빛의 삼원색 각 파장에 독립적인 홀로그램 이미지 인코딩으로 흑백이 아닌 다양한 색상의 이미지를 평면에 따라 깊이감 있게 구현했다. 또, 거리에 따라 이미지 인코딩을 다르게 하여 세계 최초로 3차원 정보를 포함하는 3차원 비행기 홀로그램을 띄울 수 있었다. 이제 메타표면은 간단한 홀로그램 이미지를 구현하는 것에서 한 단계 더 나아가 복잡하고 다양한 홀로그램을 구현할 수 있게 되었다. 생생한 장면을 완벽하게 재현할 수 있는 메타홀로그램 기술은 차세대 디스플레이 기술로 각광받고 있다. 이번 연구를 통해 메타홀로그램이 3차원 디스플레이 등 보다 다양한 곳에서 사용될 수 있는 가능성을 보였다는 점에서 큰 의의가 있다. 한편, 이 연구는 포스코, 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 미래유망융합기술파이오니아, 전략형 나노소재기술개발, 미래연구실, 중견연구자지원, RLRC지역혁신선도연구센터, 글로벌 프론티어, 세종과학펠로십 사업의 지원으로 수행됐다.

신소재 오승수 교수팀, 원하는 대로 척척... DNA·단백질도 3D 프린팅하는 시대

[오승수 교수팀, 세계 최초 3차원 나노 해상도 프린팅 핵심 기술 개발] 3D 프린터는 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 3D 프린터로 건축물을 만들기도 하고, 인공장기를 만들기도 한다. 그러나 미세 영역으로 들어가는 경우, 생체 고분자(DNA, 단백질, 효소)들은 각각 고유한 구조와 성질을 갖고 있어 이를 인위적으로 제어하기 어렵다. 과연 미세 영역에서도 3D 프린팅을 통해 자유자재로 원하는 크기와 모양을 갖는 생체 고분자를 구현해낼 수 있을까? 신소재공학과 오승수 교수 · 제정호 명예교수 · 용문중 박사 · 통합과정 양운 · 강병화씨 연구팀은 다양한 생체 고분자에 광범위하게 적용할 수 있고, 고분자의 형태와 기능의 변형 없이 자유롭게 제어할 수 있는 ‘3차원 고정밀 나노 프린팅’ 기술을 개발했다. 이 연구는 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’지에 게재됐다. 연구팀은 생체 고분자가 들어있는 용액을 순차적으로 억류, 증발, 응고시키는 과정을 통하여 온전한 형태와 기능을 유지한 3차원 프린팅을 구현하는 데 성공했다. 이 기술을 통해 원하는 3D 미세 패턴을 형성할 수 있으며, 형성된 나노 패턴은 구조적 · 기능적 손상 없이 다양한 용매에서 생물학적 기능을 수행할 수 있다. 또한, 첨가제를 전혀 사용하지 않고도 순도 100퍼센트의 생체 고분자 패턴 제작이 가능하다. 이번 연구를 통해 ‘분자 수준의 미세 영역에서 나타나는 용액의 증발과 응고 현상이 생체 고분자 유형과 관계없이 발생한다’는 원리를 이용하여 다양한 영역에서 적용 가능한 기술이 개발되었다. 생체 고분자 용액에서 나타나는 기본적 증발과 응고 현상에만 기반하기 때문에, 프린팅 과정에서 생체 고분자의 손상이나 변형이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 이 기술은 미세한 생체 조직을 분석하고, 모방할 수 있는 물질을 개발하는 데 활용이 가능하여 생체 환경에서 제 기능을 할 수 있는 인공 세포 조직, 바이오 칩 제조 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 해당 기술을 기반으로 실제 의학 연구와 약물 개발 분야에 활용될 수 있는 차세대 세포 모방 디바이스 프린팅 기술로 발전시켜 나갈 계획이다. 연구를 주도한 오승수 교수는 “기능과 구조적으로 100퍼센트 활성화된 생체 고분자의 초미세 3D 프린팅의 가능성을 세계 최초로 증명한 결과라는 점에서 중요한 의미가 있다”고 강조하였다. 또, 제정호 명예교수는 “생체 활성 고분자뿐 아니라, 양자점(Quantum dot), 탄소 나노 튜브 등을 포함한 각종 복합 재료를 적용하여 더 다양하고 광학적 · 전기적 특성을 가진 소재의 프린팅으로 확장시킬 수 있다는 점에서 잠재력이 큰 기술”이라고 평가했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이공분야기초연구사업 전략과제, 집단연구사업 기초연구실, 개인연구사업 기본연구, STEAM 연구사업, 글로벌박사양성사업, BK21 FOUR 지원사업의 지원으로 수행됐다.

물리 박경덕 교수팀, 뜨거운 침 한 방으로 트랜스포머 반도체입자 만든다

[박경덕 교수팀, 이종접합 2차원반도체의 준입자를 능동제어하는 나노현미경 개발] 영화 <스파이더맨>의 슈트처럼 얇고 부드러우면서도 다양한 전기적‧광학적 기능을 갖춘 웨어러블 기기는 어떻게 만들 수 있을까? 이를 위해서는 기존 성능 한계를 훨씬 넘어서는 새로운 소재를 구현하는 것은 물론, 이 소재의 물리적 특성을 정밀하게 제어하는 원천기술을 확보해야 한다. 전이금속칼코겐화합물(이하 TMD)을 그래핀처럼 단일층으로 분리하면, 고성능 반도체특성을 갖춘 2차원 박막물질로 바뀐다. 특히 서로 다른 TMD 두 층을 쌓을 때, TMD 종류와 적층 방식을 달리하면 저마다 다양한 특성을 발현시킬 수 있다. 그런 이유로 이종접합 2차원 반도체는 미래 전자산업의 차세대 핵심 소재로 전세계 산업계와 학계에서 주목을 받고 있지만 이 물질 내 준입자의 물리적 특성을 정밀하게 제어하기 어려워 상용화에 어려움을 겪고 있다. 물리학과 박경덕 교수, 통합과정 구연정 ‧ 이형우 씨와 러시아 ITMO대 바실리 크랍초프(Vasily Kravtsov) 교수 공동 연구팀은 2차원 물질의 준입자를 좁은 공간에서 능동적으로 제어할 수 있는 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다. 이를 이용해 TMD 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 층간엑시톤*1과 층간트라이온*2 등의 반도체입자를 약 20nm 수준에서 제어하는데 성공했다. 이종접합물질의 층간엑시톤은 일반적인 엑시톤과 같이 반도체 특성의 광발광 현상을 일으킨다. 전기적으로 중성인 준입자 상태에서 빛과 물질 간 전환이 자유로워 발열이 적은 차세대 반도체 소자로 응용할 수 있는 것은 물론, 기존 엑시톤에 비해 결맞음시간(coherence time)이 매우 길어 양자정보통신 광원으로도 활용될 수 있다. 하지만, 층간엑시톤은 상온에서 발광효율이 매우 낮고 발광에너지의 변조가 어렵다는 과제를 안고 있다. 선행연구에서 엑시톤 나노공간제어 원천기술을 제시한 바 있는 박경덕 교수팀은, 기가파스칼(GPa) 수준 압력과 근접장 세기로 조절가능한 다기능 탐침증강 나노현미경을 개발했다. 이 현미경은 층간엑시톤의 발광효율을 약 9,000배 증가시키고 발광에너지(빛의 색깔)의 능동적인 변조를 가능하게 했다. 여기에 탐침기반 핫 전자(hot electron)*3 주입 기술을 더해 층간엑시톤과 층간트라이온 사이의 준입자 변환을 자유자재로 제어하는데 세계 최초로 성공할 수 있었다. 이번 성과의 최대 장점은 상온 상압 조건에서 물성을 능동적으로 제어하는 것은 물론, 빛의 파장보다 훨씬 짧은 약 20nm의 공간분해능으로 반도체입자의 광학적 특성을 실시간으로 분석할 수 있다는 것이다. 이 논문의 제1저자인 구연정 씨는 “이번에 개발한 나노현미경은 이종접합물질에서 새롭게 발현하는 물리적 현상을 층간엑시톤과 같은 반도체입자 개별 단위에서 규명할 수 있어, 앞으로 어떤 물리적 발견이 있을지가 더욱 기대된다”고 말했다. 차세대 물질로 활발하게 연구가 이루어지고 있는 이종접합 2차원 반도체의 다양한 응용 가능성을 연 것으로 평가받는 이 결과는 계측장비 개발의 기초연구를 통해 이루어졌다는 점에서 더욱 학계의 주목을 모았다. 또, 이 기술은 고휘도 초박막 웨어러블 광전자소자 등의 개발에 활용될 것으로 기대되며, 특히 미국과 일본, 중국 등에서 반도체 장비의 시장 선점을 위해 기술 장벽을 구축하고 있는 현시점에서는 더욱 의미가 있다. 광학분야 국제학술지 ‘라이트: 과학과 응용(Light: Science & Applications)’에 최근 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다. 1. 층간엑시톤(interlayer exciton) 이중층 절연체나 반도체 내에서 전자(電子)와 양공(陽孔)이 결합해 만든 준입자. 이중층 반도체 물질의 광발광 현상을 일으킨다. 2. 층간트라이온(interlayer trion) 층간엑시톤에 전자나 정공이 정전기력에 의해 더 붙은, 전하를 띠는 준입자. 반도체의 도핑 밀도에 영향을 받는다. 3. 핫 전자(hot electron) 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수를 통해 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때 에너지가 100배 정도 높게 올라간 전자를 의미한다.

화학 장영태 교수팀, 암, 이제는 진단과 치료를 ‘동시에’ 할 수 있다

[POSTECH·싱가포르 A*STAR 공동 연구팀, TiY의 종양줄기세포 염색 효과에 이어 치료 효과 입증] ‘암’은 더 이상 불치병이 아니다. 그러나 작년 통계청에서 발표한 2021년 우리나라 사망자의 사망원인 1위는 바로 ‘암’이다. 여전히 우리는 ‘암’과 함께 살아가고 있다. 암에 걸리지 않도록 예방하는 것도 중요하지만 빠른 진단과 신속한 치료가 매우 중요한데, 진단과 치료를 동시에 진행할 수는 없을까? 화학과 장영태 · IT융합공학과 강남영 교수, 싱가포르 A*STAR 공동 연구팀은 TiY(Tumor initiating cell probe Yellow) 형광물질이 종양을 유발하는 세포를 염색하는 ‘동시에’ 종양 세포를 억제하여 암을 치료할 수 있다는 결과를 실험을 통해 입증했다. 이 연구는 치료와 진단 관련 맞춤의학 권위지인 ‘테라노틱스(Theranotics)’에 게재됐다. 연구팀은 이전 연구를 통해 체내에서 종양줄기세포(TIC, Tumor Initiating Cells)만을 찾아 형광펜처럼 염색하는 TiY 형광물질을 개발한 바 있으며, 이번 연구에서는 한 단계 더 나아가 ‘치료’ 차원에서의 TiY의 가능성을 확인한 것이다. 이번 연구에서 연구팀은 TiY 주입량에 따른 종양줄기세포의 변화를 관찰했다. 폐암 환자의 종양에서 채취한 종양줄기세포를 생쥐에 이식하고, TiY의 농도에 따른 염색과 치료 효과를 확인하기 위해 생쥐의 정맥을 통해 주입하는 TiY의 양을 서서히 늘려나갔다. 그 결과, 낮은 농도에서는 TiY가 종양줄기세포를 염색시키는 역할을 하는 반면, 높은 농도에서는 종양줄기세포의 증식을 억제하여 종양줄기세포가 급격히 사멸하는 것으로 나타났다. TiY 분자가 체내 여러 세포 중 종양줄기세포의 골격을 이루는 근육 단백질인 ‘비멘틴(vimentin)’에만 결합하는 메커니즘을 가지고 있기 때문에 이와 같은 선별적 염색과 치료가 가능한 것이다. 현재의 치료 방법으로는 종양이 완전히 사멸하지 않고, 다른 기관으로 전이되거나 재발하는 경우가 있어 ‘진단’과 ‘치료’가 동시에 가능한 TiY가 암 치료에 효과적으로 적용될 것으로 기대된다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단 중견연구과제, 기초과학연구원, 싱가포르 국립의학연구회(NMRC)의 지원으로 수행됐다.