Research

물리 임지순 교수팀, 이산화탄소와 유해가스 골라 먹는 다공성 물질 개발

[OSTECH 연구팀, 저밀도 기둥구조의 유·무기 하이브리드 화합물] POSTECH 연구팀이 이산화탄소와 각종 유해가스를 효과적으로 포집할 수 있는 다공성 유·무기 하이브리드 화합물 합성에 성공했다. 물리학과 임지순 교수와 화학공학과 조길원, 박석환 교수 연구팀이 개발한 이 물질(SPOIC, Sparsely Pillared Organic-Inorganic Hybrid Compound)은 유·무기 하이브리드 화합물로 많은 초미세 구멍을 지녀 넓은 표면적을 가지고 있으며 구성성분들이 인체에 무해할 뿐 아니라 가격이 저렴하고 제조공정이 안전, 단순하며 친환경적이라는 장점을 가지고 있다. 이 물질은 층상구조를 가진 수산화알루미늄의 층간에 유기물 분자를 넓은 간격으로 삽입시켜 최대한의 층간 공간을 확보하는 형태이다. 층간의 빈 공간에 들어간 분자가 내부표면과 결합하여 안정되게 흡착 혹은 포집된다. 이산화탄소와 메탄 등 온실가스, 수소, 각종 유해물질과 발암물질(벤젠, 톨루엔, 벤조피렌 등), 미세먼지 원인물질(아산화질소 등), 중금속, 방사성물질들의 흡착, 저장, 혹은 제거 성능이 탁월할 뿐만 아니라 응용목적에 따라 추가적으로 작용기를 부착시킬 수 있는 일종의 플랫폼 물질로도 활용할 수 있다. 연구팀 리더인 임지순 교수는 최근 본 물질의 발명을 계기로 이산화탄소를 포집, 제거하는 국제경연대회 ‘엑스프라이즈 탄소 제거(XPRIZE Carbon Removal)' 에 출전했다. 이 대회는 테슬라 창업자 일론 머스크가 엑스프라이즈재단(XPRIZE Foundation)에 상금으로 1억 달러를 기증해 성사됐으며, 임지순 교수가 이끄는 팀이 경쟁 자격 인증을 취득함으로써 이 대회에 참여했다. 이러한 내용은 최근 공중파 TV매체를 통해서도 소개된 바있다. 이 물질은 한국, 일본에 이어 최근에 미국에도 특허 등록을 마쳤다. 임지순 교수는 “발명된 물질은 이산화탄소 및 각종 유해물질을 포집하는 데 널리 사용될 것으로 기대된다”고 말했다.

화학 최창혁 교수팀, 연료전지 백금 촉매의 수명연장 실마리 찾아

[최창혁 교수팀, 백금 부식 완화를 통한 연료전지 내구성 향상 전략 제시] 백금은 견고하고 아름다운 백색의 금속으로, 부식이 잘되지 않아 장신구에 널리 사용되는 최고의 귀금속이다. 그러나, 이러한 장신구로서의 사용은 전체의 30%에 불과하며, 대부분은 다양한 산업에 걸쳐 화학 촉매로서 주로 활용된다. 특히, 백금은 수소경제 사회의 핵심으로 여겨지는 연료전지의 주요 촉매로 활용되는데, 화학적으로 안정하다는 일반적인 상식과는 달리 연료전지 운전 중 부식되어 결국 이의 수명을 단축시키는 것으로 잘 알려져 있다. 최근 화학과 최창혁 교수 연구팀은 수소차 연료전지의 내구성을 악화시키는 백금의 화학적 부식 현상을 설명함과 동시에 연료전지의 수명을 늘릴 수 있는 실마리를 찾았다. 연료전지는 연료(수소 등)와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로, 온실가스 배출없이 높은 에너지 변환 효율(75% 내외)을 가져 탄소중립정책 실현을 핵심 기술로 주목받고 있다. 연료전지는 반응성이 뛰어난 백금 촉매의 사용이 필수적이나, 백금은 반응 환경에서 부식될 수 있어 연료전지의 수명을 단축시킨다. 연료전지의 내구성 향상을 위해서 백금 부식의 원인을 규명하고, 이를 해결하기 위해 백금 부식 과정에 대한 정확한 이해가 필요하다. 연구팀은 고도화된 전기화학 분광분석법을 통해 밀리초 수준의 순간적인 전압교란*1이 백금의 부식을 유발하며, 귀금속인 백금이 화학적으로 녹아나갈 수 있음을 밝혔다. 이와 같은 현상은 순수 백금 촉매뿐만 아니라, 상용 연료전지에 활용되는 고성능 연료전지 촉매인 백금-니켈, 백금-코발트 촉매에서도 일어날 수 있는 일반적인 현상임을 확인하였다. 연구를 이끈 최창혁 교수는 “짧은 전압교란을 통해, 연료전지 핵심 부품인 백금 촉매의 화학적 부식과정을 면밀히 관찰할 수 있었을 뿐만 아니라, 수소연료전지 자동차의 보급을 위한 백금 촉매의 부식을 방지하기 위한 다양한 전략 등을 제시할 수 있었다”고 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 추진하는 '미래소재디스커버리', '집단연구지원' 사업의 지원으로 수행되었으며, 미국화학회가 발간하는 국제학술지 ‘JACS Au’에 게재되었다. 1. 전압교란 연료전지의 전압이 특정 외부변인(연료부족, 연료전지 시동/정지/급가속 등)에 의하여 비정상적으로 높아지는 현상

기계 조동우·장진아 교수팀, 약물 독성 미리 알아보는 인공신장 개발

[조동우·장진아 교수팀, 동축 세포 프린팅 기반 인간 사구체 모델 개발] 신장은 체내 대사 과정에서 생긴 노폐물 등 생체에 유독하고 불필요한 물질을 소변으로 배설함으로써 우리 몸의 항상성을 유지하는 기관이다. 하지만, 약물에 대한 독성을 가장 먼저 일으키는 기관이기도 한데, POSTECH 연구팀이 약물 반응을 미리 관찰할 수 있는 ‘인공신장’을 개발했다. 기계공학과 조동우 교수·장진아 교수 연구팀이 단일화된 가공 기법으로 사구체 혈관세포와 지족세포 층과 사구체기적막 층 등을 포함하는 사구체 미세혈관 칩을 제작했다. 이번 연구 성과는 세계적 권위를 가진 학술지, '바이오패브리케이션(Biofabrication)'에 게재됐다. 네프론은 신장을 구성하는 기능적·구조적 기본 단위이다. 네프론은 실타래처럼 동그랗게 뭉쳐진 작은 모세혈관 덩어리인 사구체로 둘러싸여 있는데, 사구체 주머니와 함께 신소체를 형성하며, 혈액 속의 노폐물을 걸러낸다. 많은 약물을 투약했을 때, 체내에서 가장 먼저 독성을 일으키는 부분이 바로 신장 네프론이다. 그로 인해 환자에게 투약 전에 미리 특정 약물 농도나 조합이 해당 환자에게 얼마만큼의 독성을 일으킬지 확인하기 위한 인공장기 개발이 시도되고 있다. 하지만, 사구체는 혈관내피세포뿐만 아니라 선택적으로 배출될 단백질을 조절하는 부분인데, 이 역할은 지족세포와 기저막 단백질 등의 여러 상호작용으로 되는 것이며 매우 미세 단위에서 일어나기 때문에 모사하기가 어렵다. 연구팀은 단일화된 가공 기법으로 사구체 혈관세포와 지족세포 층, 사구체기적막 층 등을 포함하는 사구체 미세혈관 칩을 제작하는 데 성공했다. 관류가 가능한 이 칩은 사구체 혈관내피층, 지족세포 외피층의 공배양이 가능하고, 사구체 세포의 성숙된 기능성 마커와 두 층간의 상호작용으로 체외 사구체 모사에 중요한 단백질이 생성되는 것 또한 확인했다. 또한, 칩에서 선택적 여과 기능을 측정함으로써 사구체 장벽의 대표적인 여과 기능을 확인했다. 한편, 연구팀은 사구체 미세혈관 칩을 통해 아드리아마이신과 고혈당 등에 따른 손상에 대해 반응도 평가했다. 조동우 교수는 “약물 스크리닝 산업과 임상에서 신독성 평가 테스팅에 무한한 잠재력을 가지고 있는 신장 사구체 단위를 모사하는 데 성공했다”며, “사구체 질환 모델링에 적용함으로써 약물 독성을 미리 확인하고, 개인 맞춤 치료법에도 적용될 수 있을 것”이라고 말했다. 한편, 이 연구는 범부처재생의료기술개발사업, 알키미스트사업의 지원으로 수행됐다.

생명 장지원 교수, 인간 만능줄기세포 분화의 핵심 기전 규명

[POSTECH-UCSB 공동연구팀, 인간 만능줄기세포의 역분화 막는 분자 장벽 ‘ZBTB12’ 발견] 인간 만능줄기세포는 분화를 통해 다양한 체세포를 만들어낸다. 만능줄기세포의 분화 과정을 이해하는 것은 생명 활동의 기초원리를 밝히는 것뿐만 아니라 질병의 치료법을 찾는 데도 매우 중요하다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 미국 연구팀과 손잡고 만능줄기세포 분화의 핵심 기전을 밝혔다. 생명과학과 장지원 교수·오유정 씨 연구팀이 미국 캘리포니아주립대 산타바바라 캠퍼스(University of California, Santa Barbara) 연구팀과 공동연구를 통해 전사 개시 사이트 (transcription start site) 매핑을 통해 진화적으로 보존된 BTB 도메인 가진 징크 핑거 단백질 ’ZBTB12‘를 발견하고, 이 단백질이 인간 만능줄기세포(hPSC)의 역분화를 막는 분자 장벽으로 작용한다는 것을 확인했다. 이 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 배아 발달 과정에서 줄기세포는 원시 상태(덜 분화한 상태)에서 발달이 진행된 상태(더 분화한 상태)로 오로지 한 방향(one-way traffic)으로 변화하게 되며, 이를 세포 분화(cellular differentiation)라고 부른다. 하지만 “왜” 이런 현상이 일어나지에 대한 근본적인 의문은 풀리지 않았다. 또한, 이 과정에서 줄기세포의 분화를 유도하는 신호전달물질과 유전자에 대한 연구는 많이 진행됐지만, 줄기세포의 분화를 조절하는 근본적인 기전에 대해서는 아직 잘 알려지지 않았다. 한편, 역분화는 세포가 분화 과정을 거슬러 올라가는 현상으로, 조직 재생이나 암과 같은 질병에서 관찰된다. 레트로트랜스포존은 인간 유전체의 40% 이상을 차지하고 있는데, 최근 연구에서 레트로트랜스포존은 건강한 조직에서는 침묵하지만, 암에서는 억제되지 않고 발현이 증가하는 것으로 나타났다. 이같이 레트로트랜스포존의 세포 내 기능, 역분화의 기전에 관한 연구는 다양한 질병의 발병 원인을 밝히는 데 필수적이다. 연구팀은 인간 만능줄기세포의 분화 과정에서 지금까지 보고되지 않은 ‘ZBTB12’라는 전사인자를 발견했다. 또한, 단일 세포 RNA 시퀀싱(Single cell RNA sequencing)을 통해 ZBTB12가 역분화를 막는다는 것을 밝혔다. ZBTB12가 결핍된 인간 만능줄기세포의 경우, 더 원시적인 줄기세포로 역분화해버림으로써 분화되지 않는 것을 확인했다. 이를 통해 ZBTB12 유전자가 줄기세포 분화에 필수적인 인자임을 확인했다. 이를 바탕으로 연구팀은 ZBTB12 전사인자가 HERVH(human endogenous retrovirus H)라는 인간·영장류에만 존재하는 레트로트랜스포존의 발현을 억제하는 핵심적인 역할을 한다고 밝혔다. 또한, ZBTB12가 레트로트랜스포존 억제를 통해 줄기세포 역분화를 막는 분자 장벽으로 작용한다고 보고했다. 장지원 교수는 “지금까지 비밀에 싸여있던 줄기세포의 역분화를 막는 분자 장벽을 발견함으로써 줄기세포 분화의 핵심 기전을 밝혔다”라며, “노화와 암 등 다양한 질병의 원인과 치료법을 찾는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 바이오의료기술개발사업, 개인연구사업 우수신진, 개인연구사업 기본연구, 집단연구 기초연구실 사업의 지원으로 수행됐다.

화학 박수진 교수팀, 주행거리 10배 이상 늘리는 배터리 나온다

[POSTECH-서강대 공동연구팀, 층상 전하 고분자를 통한 안정한 고용량 음극활물질 개발] 2022년 전 세계 전기차 매출이 누적 1조 달러(약 1,283조 원)를 돌파했다. 국내 판매량도 10.8만 대를 넘어서는 등 전기차 시장이 폭발적으로 성장하고 있다. 그에 따라 주행거리를 늘리는 고용량 배터리에 대한 요구도 증가하고 있다. 최근 POSTECH과 서강대학교 공동연구팀이 지금보다 10배 이상의 용량을 내는 실리콘 음극활물질을 개발했다. 화학과 박수진 교수·신소재공학과 김연수 교수 연구팀이 서강대 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀과 공동연구를 통해 층상 전하 고분자를 사용, 기존 음극활물질인 흑연을 대체하여 흑연보다 10배 이상의 용량을 내는 안정적인 고용량 음극활물질 개발했다. 이 연구성과는 재료공학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 표지논문으로 게재됐다. 실리콘과 같은 고용량 음극활물질은 상용화 음극소재인 흑연에 비해 10배 이상의 용량을 낼 수 있어 고에너지밀도 리튬 이차전지로 가기 위해 꼭 필요한 요소다. 하지만, 고용량 음극활물질의 경우, 리튬과 반응할 때 수반되는 부피팽창이 전지 성능과 안정성을 위협한다. 이를 해결하기 위해, 부피팽창을 잘 잡아줄 수 있는 고분자 바인더 연구가 많이 진행되고 있다. 지금까지 고용량 음극활물질의 바인더 연구는 화학적 가교와 수소결합에만 집중돼 있었다. 화학적 가교는 공유결합으로 바인더끼리 결합하기 때문에 단단하지만 한번 끊어지면 다시 회복될 수 없는 치명적인 단점을 가지고 있다. 한편, 수소결합은 전기음성도 차이에 따른 가역적인 분자 간의 이차결합으로 잘 알려졌지만 세기(10-65 kJ/mol)가 약하다는 단점이 존재한다. 이번에 공동연구팀이 개발한 전하 기반 고분자는 수소결합뿐만 아니라 양전하와 음전하 사이의 인력, 즉, 쿨롱의 힘을 이용하는 차별성을 가지고 있다. 쿨롱의 힘 (250 kJ/mol)은 수소결합에 비해서 굉장히 강한 이차결합이지만 가역적이기 때문에 부피팽창을 쉽게 억제할 수 있다. 고용량 음극활물질의 표면은 대부분 음전하를 띄고 있고 그 위를 양전하를 띄는 고분자가 덮고 양전하를 띄는 고분자 위를 음전하를 띄는 고분자가 덮는 층상 구조(Layering charged polymers)를 구성한다. 또한, 전극 내 리튬이온의 이동을 쉽게 하고, 물성을 조절하는 폴리에틸렌글리콜을 도입해 두꺼운 고용량 전극도 만들어서 리튬이차전지의 에너지밀도를 극대화했다. 박수진 교수는 “이 연구는 고용량 음극활물질의 도입으로 리튬이차전지의 에너지밀도를 크게 증가시킬 수 있고 그에 따라, 전기차의 주행거리도 늘릴 수 있을 것으로 예상된다”며, “실리콘 음극활물질로 10배 이상 기어진 주행거리도 가능할 것으로로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 나노 및 소재 기술개발사업, 미래기술연구실 사업의 지원으로 수행됐다.

화학 장영태 교수팀, 암 진행 돕는 ‘얄미운’ 대식세포만 골라 염색한다

[장영태 교수팀, 수송 지향 세포 식별을 통한 M2 대식세포 형광 프로브 개발] M1, M2는 대표적인 대식세포(大食細胞)로 세균 등을 잡아 소화해 면역정보를 림프구에 전달하는 역할을 하는데, 서로 반대의 성격을 가진다. M1은 세균을 집어삼키는 역할을 하기 때문에 암을 공격하지만, M2는 활성된 면역반응을 가라앉히는 역할을 하기 때문에 암 진행을 돕는 것이다. 그때문에 최근에는 M2를 M1으로 바꾸는 것이 암 치료의 새로운 접근법으로 주목받고 있다. 현재까지는 M1, M2를 살아있는 상태로 구분하는 것이 불가능했지만, POSTECH 연구팀이 처음으로 M2를 선택적으로 염색할 수 있는 프로브를 개발했다. 화학과 장영태 교수, IT 융합공학과 강남영 연구교수, 화학과 권화영 연구교수, 통합과정 조희원‧이순혁 씨로 이뤄진 연구팀은 새로운 메커니즘을 가진 최초의 M2 선택 프로브 “CDg18”을 개발했다. 이 연구성과는 화학분야 최고 권위 학술지 중 하나인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 게재됐다. 형광 프로브란 특정한 이온이나 물질을 인지하였을 때, 빛 신호를 통해 인지 여부를 나타내는 광 감응제이다. 인간의 살아 있는 세포를 구별해 내는 것은 임상 진단뿐만 아니라 감염 또는 염증 치료법을 찾는 데 있어 중요하다. 대식세포는 환경 자극에 반응해 성격을 바꿔 가장 가소성이 높은 면역세포다. 광범위하게 대식세포는 M1/M2 패러다임에 따라 두 개의 다른 하위 집합으로 분류되며, 이는 완전히 상반된 표현형을 보인다. M1 대식세포가 박테리아와 종양과 같은 침입자를 공격하는 반면, M2는 항염증 세포이며 종양 면역을 돕는 것으로 보인다. 종양 관련 대식세포는 종양 미세 환경을 형성하고 유지하는 주요 구성요소로서 M2 세포의 전형적인 예이다. 집중적인 관심에도 불구하고, M2 대식세포를 실시간으로 모니터링하는 데는 어려움이 있었다. 연구팀은 M2 선호 지방산 수송체를 통한 살아있는 세포 구별의 새로운 메커니즘을 가진 최초의 M2 선택 프로브 CDg18를 개발했다. 또한, CDg18의 잠재력을 입증하기 위해, 레스베라트롤 아날로그 HS-1793을 재프로그래밍 이펙터로 사용하여 M1을 향한 M2의 점진적인 표현형 변화를 시각화했다. 그 결과, M1 프로브 CDr17과 함께, 감소하는 M2 문자와 떠오르는 M1 마커는 대식세포 재프로그래밍 중에 다색 변화를 통해 실시간으로 동시에 모니터링할 수 있었다. 연구를 주도한 장영태 교수는 “이번 연구에서 개발한 M2(그리고 이전에 개발한 M1) 프로브를 이용하면 암 조직의 M1, M2 분포 상황과 그 변화를 관찰할 수 있다”며, “지금까지 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술이다”고 말했다. 한편, 이 연구는 기초과학연구원, 과학기술정보통신부, 교육부, 현대차정몽구재단의 지원으로 수행됐다.

기계‧IT융합 장진아 교수팀, 약물 독성 관찰하는 ‘체외 3D 인공 심장’ 프린팅 성공

[POSTECH-美 조지아텍 공동연구팀, 약물 심독성 모니터링 위한 조직-센서 플랫폼 바이오하이브리드 3차원 프린팅] 심독성이란 항생제 등 치료를 위해 사용한 약물이 심장에 독으로 작용해 심장 기능에 이상을 일으키는 상태를 말한다. 주로 좌심실의 수축 능력을 저하시키고 심하면 심부전을 일으키기도 한다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)과 미국 조지아공과대학교(Georgia Institute of Technology, 이하 조지아텍) 연구진이 약물의 독성을 미리 관찰해 볼 수 있는 인공 심장을 프린팅하는 데 성공했다. 기계공학과‧IT융합공학과 장진아 교수, IT융합공학과 통합과정 용의중 씨, 시스템생명공학부 통합과정 김동환 씨, 기계공학과 정완균 교수, 김기훈 교수, 신소재공학과 정운룡 교수 연구팀이 미국 조지아텍 여운홍 교수‧김호중박사 연구팀과 공동연구를 통해 바이오하이브리드 3D 프린팅 기술로 약물의 심독성을 체외에서 관찰할 수 있는 인공 심장 모델을 프린팅했다. 심장에 작용하는 약물의 심독성을 무선, 실시간, 지속적으로 모니터링할 수 있도록 하는 이 연구 결과는 재료공학 분야 권위지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 최근호에 속표지 논문(Inside back cover)으로 게재됐다. 약물 심독성은 약물 개발 초기 단계에서 주요 장애요인으로 여겨진다. 전임상 단계에서 심독성을 평가하는 체외 플랫폼은 다양하지만, 대부분의 심장 모델은 생리학적 관련성이 부족해 약물의 심독성을 제대로 예측하기는 어렵다. 최근 심장의 생리적 수축을 모사할 수 있는 3차원 인공 심장 조직(engineered heart tissue, EHT)이라는 심장 모델이 등장하면서, 많은 연구자가 이를 심근 수축 기능과 약리학적 효과를 연구하는 데에 활용하고 있다. 하지만, 아직까지 체외에서 약물의 급성·만성 효과를 지속해서 관찰하기 위한 적절한 플랫폼은 없는 실정이다. 공동연구팀은 지금까지의 인공 심장 모델과 달리 ‘바이오하이브리드 3D 프린팅(biohybrid 3D printing)’ 방법을 도입했다. 두 개의 기둥 구조체를 스트레인 게이지 센서(bipillar-grafted strain gauge sensor, BPSG sensor)가 내장된 기판에 접목시키고, 이어 EHT를 센서에 통합시켜 조직-센서 플랫폼(tissue-sensor platform)을 제작했다. 이렇게 제작된 플랫폼과 무선 다중 채널 전자 시스템을 이용하여 EHT 수축력을 지속적으로 모니터링하고, 약물의 급성·만성 심독성을 평가하는데 성공했다. 지금까지 체외 심장 모델의 수축력 모니터링 시스템의 경우, 높은 시간 해상도로 대량의 이미지 기반 데이터를 장시간 연속적으로 처리하는 데에는 한계가 있었지만, 이번에 개발된 조직-센서 플랫폼은 상대적으로 적은 양의 전기 판독 데이터로 수축력을 정량적으로 측정할 수 있어 장기간 연속 모니터링이 가능해졌다. 장진아 교수는 “이번에 개발한 바이오하이브리드 3D 프린팅 기술이 효과적인 약물 개발 과정을 위한 차세대 조직-센서 플랫폼을 제작할 수 있는 잠재적인 제조 방법이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부-정보통신기획평가원(IITP)의 글로벌핵심인재 양성지원사업, 과학기술정보통신부-복지부 범부처재생의료기술개발사업, 산업부-한국산업기술평가관리원(KEIT)의 산업기술알키미스트프로젝트, 미국 국립과학재단(NSF)의 지원으로 수행됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 빛의 스핀홀 효과:기초 원리부터 최신 응용까지

[노준석 교수팀, 광학 경계면에서 일어나는 ‘광스핀홀 효과에 대한 총정리’ 국제학술지에 보고] ‘빛’은 우리가 물체를 인식하게 할 수 있게 하는 존재이며, 빛을 정교하게 다루는 기술들은 디스플레이 산업을 비롯해 다양한 분야에서 활발하게 이루어지고 있다. 그중에서도 물체의 경계면에서 빛의 거동을 해석하는 분야는 미래 다양한 광학 응용소자를 개발하는 데 필수적이다. 최근 기계공학과·화학공학과 노준석 교수 연구팀이 경계면 반사 조건에 따른 광스핀홀 효과에 대한 총평논문을 광학 분야 국제 저널인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser and Photonics Reviews)’에 보고했다. 광스핀홀 효과는 빛이 경계면에서 굴절이나 반사를 할 때 평면에 수직인 방향으로 이동하는 현상을 말하며, 최근 다양한 구조체에서 나타나는 광스핀홀 효과가 활발하게 연구되고 있다. 이번 총평논문에서는 광스핀홀 효과 기반의 이론적·수학적 기술, 정밀 측정 방법, 최근 응용 분야를 포함하여, 최근 발전하고 있는 메타표면·메타물질과 더불어 스핀홀 이동의 효율향상, 가변적 스핀홀 효과 구현, 편광 의존성 제거 등 다양한 연구 분야를 소개하고 있다. 또한, 빛을 미세하게 조절하기 위해서는 물질의 경계면에서 빛의 거동을 자세하게 묘사했다. 특히, 기술의 발달로 다양한 모양의 구조체를 설계 제작할 수 있게 됨으로써, 빛의 거동을 수학적으로 기술하고 실험적으로 증명해야 하는 기법들을 정리했다. 이번 논문은 숙련된 연구자뿐만 아니라 광스핀홀 효과를 처음 접하는 초심자도 이해할 수 있도록 적은 것이 특징이며, 광스핀홀 효과를 일으키기 위한 경계면 설계 방법론 및 측정 방법론을 포함하고 있다. 노준석 교수는 “최근 나노 수준에서의 빛을 미세하고 정교하게 조절하는 기술이 활발하게 연구되고 있는 것을 고려할 때, 이번 총평논문은 지금껏 이루어졌던 다양한 광스핀홀 효과를 정리하여 앞으로 알려지지 않은 광학 경계면 사이의 관련된 더 많은 연구가 이루어질 수 있는 디딤돌이 될 것”이라고 말했다. 한편, 이 연구는 포스코 산학연 융합연구소 사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업 , 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행됐다.

전자‧반도체 정윤영 교수‧신소재‧반도체 김세영 교수팀, OLED TV 핵심 소재로 인공지능 ‘뇌’ 만든다

[POSTECH 공동연구팀, IGZO 소재 이용하여 고성능 인공지능 연산 위한 반도체 신소자 개발] 챗GPT가 교육계는 물론 전 산업계를 흔들고 있다. 챗GPT는 질문과 답변을 통해 논문 작성에서부터 번역, 코딩 작업 등 엄청난 규모의 업무를 수행하는 것으로 알려져 있다. 이런 딥러닝 기반 인공지능에서는 오류를 최소화하기 위해 광범위한 학습이 필요하며, 이 과정에서 메모리와 프로세서 사이에 데이터 이동이 빈번히 일어난다. 그러나 기존 디지털 컴퓨터 시스템의 기본 구조로 이용되어온 폰 노이만 구조(von Neumann architecture)는 정보 저장과 연산이 완전히 분리되어 있어 인공지능 연산에서는 전력 소모가 커지고 계산 시간도 많이 지연되기 때문에, 인공지능에 최적화된 반도체 기술을 확보하기 위해 전 세계에서 경쟁적으로 연구가 진행되고 있다. 전자전기공학과‧반도체공학과 정윤영 교수, 신소재공학과‧반도체공학과 김세영 교수, 전자전기공학과 통합과정 박성민 씨 연구팀은 현재 OLED 디스플레이에서 널리 사용되는 IGZO 반도체 물질을 이용, 성능과 전력 효율 측면에서 매우 뛰어난 고성능 인공지능 반도체 소자를 개발했다. 챗GPT와 같은 인공지능 연산이 효율적으로 이루어지려면 정보 저장을 담당하는 메모리 내에서 연산도 이루어져야 하지만, 기존에 연구되어 온 인공지능 반도체 기술은 인공지능의 정확도를 올리는데 필요한 모든 요구조건을 만족시키는데 한계가 있었다. 정윤영‧김세영 교수 공동연구팀은 인공지능 연산에 필요한 균일성, 내구성, 연산 정확도 뿐만 아니라, 상용화를 고려하여 양산성까지 뛰어난 소재를 모색, IGZO 물질을 활용키로 했다. 이 소재는 인듐, 갈륨, 아연, 산소의 4가지 원자가 일정한 비율로 구성되어 있는 화합물로, 전자 이동도와 누설전류 특성이 우수해 현재 OLED 디스플레이에서 널리 이용되고 있는 물질이다. 연구팀은 이 소재를 이용해 두 개의 트랜지스터가 연결된 새로운 구조의 시냅스 소자를 개발했다. 이 두 개 트랜지스터는 저장 노드(node)를 통해 연결되어 있고, 이 저장 노드의 충‧방전 속도를 정밀하게 조절함으로써 인공지능 반도체에 요구되는 다양한 성능 지표들을 높은 수준으로 충족시켰다. 또한, 거대 인공지능 시스템에 활용하기 위해서는 시냅스 소자의 출력 전류가 작게 조절되어야 하는데, 초박막절연체를 트랜지스터 내부에 도입해 전류를 제어함으로써 대규모 인공지능 연산에 활용할 수 있다는 가능성도 확인했다. 연구팀은 개발된 신소자를 이용해 손글씨 데이터를 학습시킨 후 분류한 결과 98% 이상의 높은 정확도를 확인하여, 향후 고성능 인공지능 시스템에 응용될 수 있음을 검증하였다. 정윤영 교수는 “지금까지 소재 개발에 집중해온 기존 인공지능 반도체 연구 한계를 극복하면서, 이미 양산성이 검증된 소재를 활용했다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “특히 우리나라는 이 IGZO 소재 활용에서 세계 최고의 경쟁력을 가지고 있는 만큼, 향후 우리나라가 인공지능 반도체 분야의 주도권을 확보하는데 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 지난 주 전자 소자 분야 권위지인 ‘어드밴스드 일렉트로닉 머터리얼스(Advanced Electronic Materials)’ 뒷표지논문(inside back cover)으로 발표된 이 성과는 차세대 지능형 반도체 기술개발 사업의 지원으로 수행됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 인공 지능의 복잡한 연산, 빛의 속도로 처리한다

[노준석 교수팀, 빛의 속도로 연산: 광학적 계산과 신경망을 위한 메타물질 개발] 대화형 인공 지능 서비스 Chat GPT(챗 지피티)의 공개로 인공지능에 대한 세계의 관심이 뜨겁다. 이런 AI 열풍에 순풍이 불었다. POSTECH 연구팀이 빛의 속도로 계산을 수행할 수 있도록 하는 메타물질 기반의 광학 컴퓨터의 가능성을 확인했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수· 인공지능대학원 트레본 베드로(Trevon Badloe) 박사·기계공학과 석박사통합과정 이석호 씨 연구팀이 메타물질을 이용해 미분·적분과 같은 기본 연산의 광학적, 물리적 구현을 소개하고, 메타물질을 이용한 인공 신경망을 확인했다. 이번 연구성과는 광학분야 권위지 ‘어드밴스드 포토닉스(Advanced Photonics)’에 게재됐다. 4차 산업 혁명이 시작되면서 정보의 양의 폭발적으로 증가하고 있으며 그에 맞춰 기존의 전자 컴퓨터를 뛰어넘는 새로운 컴퓨팅 시스템의 필요성이 더욱 커지고 있다. 광 컴퓨팅은 빛의 속도로 계산을 수행할 수 있고, 대규모 병렬화가 가능하며, 연산에 극도로 낮은 에너지 소비만을 필요로 한다는 장점 덕분에 매력적인 대안으로 떠오르고 있다. 지금까지의 전자식 컴퓨터는 전자를 기본 단위로 하여 연산을 진행했다면, 광 컴퓨팅은 빛을 이용해 계산을 수행하기 때문에 빛의 속도로 계산할 수 있다. 연구팀은 메타물질을 이용해 미분과 적분 같은 기본 연산을 빛의 속도로 처리 하고, 인공 신경망 컴퓨팅을 구현했다. 메타물질은 이차원적인 구조 때문에 이미지를 이용한 연산에 강점을 보인다. 예를 들어, ‘윤곽선(edge)’라는 이미지 정보를 처리할 때 기존 시스템에서는 카메라로 이미지를 촬영하고 컴퓨터로 후처리를 통해서 그 정보를 얻을 수 있었다. 하지만 메타표면을 이용하면 메타표면을 지나기만 하면 ‘엣지’의 정보를 바로 얻게 된다. 또한, 이미지를 처리하는 인공 신경망을 구현하면서 인공지능의 복잡한 연산을 빛의 속도로 처리할 수 있게 된다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “이번 연구를 통해 메타물질을 이용한 광학 컴퓨팅의 장점, 극복해야 하는 문제, 미래 방향을 제시하고자 한다”며, “이 연구가 메타물질을 이용한 광학 컴퓨팅 플랫폼 분야를 연구하는 사람들에게 도움이 되기를 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 포스코 산학연 융합연구소 사업 등의 지원으로 수행됐다.