Research

신소재 김용태 교수팀, 수전해조 열화, ‘희생금속’으로 막는다

[김용태 교수팀, 부하변동시의 수전해조 역전류로부터 열화를 방지하는 간단하면서도 효과적인 시스템 개발] “야구는 유일하게 희생을 덕목으로 하는 스포츠”라는 말이 있다. 희생번트, 희생플라이와 같이 다른 스포츠와 달리 경기 중 자신을 죽이고 타인을 살리는 전략이 있기 때문이다. 이처럼, 금속의 부식을 막기 위해서도 ‘희생’이 필요하다. 부식을 막기 위한 금속보다 쉽게 산화되는 금속, 즉 ‘희생금속’을 사용해 부식시키는 것이다. 가로등 기둥이나 가전제품의 금속판 등에 사용되는 아연도금이 대표적인 사례로, 이미 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 고전적인 기술이다. 이를 이용해 청정수소를 얻을 수 있는 수전해조의 고질적 문제를 해결할 수 있는 기술이 제안돼 눈길을 끌고 있다. 신소재공학과 김용태 교수, 석사과정 김윤아, 정상문 박사팀은 알칼리 수전해 셀에 전력 공급이 중단될 경우 생기는 역전류로부터 환원극이 열화되는 메커니즘을 밝히고, 이를 방지할 수 있는 새로운 해결책을 제시했다. 수전해조는 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술로, 알칼리 수전해와 고분자 전해질막 수전해로 나뉜다. 그중 알칼리 수전해 기술은 대규모 공장에서 활용할 수 있어 장점이 많고, 2020년에는 전 세계에서 가동되는 장치 중 알칼리 수전해 기술이 60% 이상을 차지하는 것으로 조사되기도 했다. 문제는 이 장치에 전원공급이 중단될 경우 장치 내에서 역전류가 발생하면서 구성품이 열화된다는 점이었다. 지금까지 이 열화현상에 대한 메커니즘이나 해결책도 알려진 바가 없었다. 김용태 교수팀은 신재생에너지의 부하변동에 의해 알칼리 수전해조에 전원이 차단되어 역전류가 발생할 때, 니켈(Ni) 환원극(음극) 촉매가 산화되면서 성능이 열화된다는 메커니즘을 밝혀내는 한편, 금속의 반응성 차이를 이용, 금속의 부식을 막는 음극방식법(Cathodic Protection)을 이용한 해결책도 함께 제시했다. 음극방식법은 이미 오래전부터 다양한 분야에서 활용되고 있는 기술로, 연구팀은 니켈 음극 촉매에 니켈보다 훨씬 산화가 잘되는 납(Pb), 아연(Zn), 주석(Sn), 알루미늄(Al)을 희생금속으로 삼아, 이 희생금속을 연결했다. 그 결과, 촉매가 역전류조건에서도 계속해 우수한 촉매 활성 상태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다고 연구팀은 전했다. 특히 이 기술은 고전적인 전기화학 기법으로 알려진 음극방식법을 활용해 간단하고 참신한 해결책으로 학계의 주목을 모았다. 한편 이 연구성과는 미국화학회가 발간하는 국제학술지 ‘JACS Au’를 통해 발표됐으며, 그 우수성을 인정받아 ‘JACS Au’의 Front cover image로 선정되었다. 한국연구재단의 수소에너지혁신기술개발사업과 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.

신소재 한세광 교수팀, 녹내장 안압 진단 및 치료 스마트 콘택트렌즈

[한세광 교수팀, 녹내장 환자 안압 모니터링 및 조절에 대한 새로운 패러다임 제시] 녹내장은 안구 내 안압 조절에 문제가 생겨서 높아진 안압에 의해 시신경의 기능에 이상이 생기고 이로 인해 주변 시야부터 좁아지다가 악화되어 심할 경우 시력을 잃게 되는 대표적인 안질환이다. 따라서, 녹내장 환자들은 평생 안압을 관리해야 되는데 녹내장 환자의 안압을 자동으로 모니터링하여 조절할 수 있다면 삶의 질이 크게 개선될 수 있다. 최근 녹내장의 안압 측정과 안약 투여를 관리해주는 안압 센서와 약물전달시스템이 통합된 무선구동 '스마트 콘택트렌즈' 기술이 POSTECH 연구팀에 의해 개발됐다. 신소재공학과 한세광 교수, 김태연 박사 연구팀은 녹내장의 안압 진단 센서 및 안압 조절용 유연성 약물전달시스템이 장착된 무선 구동 테라노스틱 (theranostic)*1 스마트 콘택트렌즈를 개발했다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communication)’지에 최근 게재됐다. 지금까지 녹내장의 안압을 모니터링하기 위한 안압 센서는 미국 FDA 승인을 받아 상용화된 사례가 있지만, 안압 수준에 반응하여 적절한 약물 치료를 병행할 수 있는 기술은 전세계적으로 개발된 바가 없다. 이번에 연구팀이 개발한 스마트 콘택트렌즈는 금 할로우 (hollow) 나노와이어 기반 고민감도 안압 센서, 유연성 (flexible) 약물전달시스템, 무선 전력-통신 시스템뿐만 아니라 녹내장의 안압 모니터링·제어를 위한 집적 회로 칩이 정밀하게 통합되어 있다. 특히, 금 할로우 나노와이어 기반 안압 센서는 높은 민감도, 화학적 안정성과 생체 적합성을 보여준다. 게다가, 유연성 약물전달시스템은 안압 조절을 위한 티몰롤(timolol)*2의 맞춤 약물 전달에 사용될 수 있다. 연구팀은 이번에 개발된 테라노스틱 스마트 콘택트렌즈를 녹내장이 유발되어 안압이 높아진 토끼 실험을 통해 검증했다. 본 실험에서 스마트 콘택트렌즈를 통해 안압 상태를 실시간으로 파악하고, 안압의 상태에 따라 적절한 약물을 방출하여 안압 조절이 가능함을 확인했다. 본 연구에서 개발된 스마트 콘텍트렌즈 기술은 녹내장 환자의 안압을 진단하여 치료 효과를 극대화시키고, 부작용을 최소화시킬 수 있는 미래지향적 개인 맞춤형 시스템으로 새로운 패러다임의 녹내장 치료시스템 구현에 활용될 수 있다. 또한, 이러한 피드백시스템은 스마트 콘택트렌즈뿐만 아니라 다양한 웨어러블 헬스케어 디바이스에 적용될 수 있다. 연구를 주도한 한세광 교수는 “이번에 개발된 녹내장 안압 진단 및 치료용 테라노스틱 스마트 콘택트렌즈를 조기 상용화하여 녹내장 환자의 편의성 제고에 크게 기여하게 되기를 희망한다”고 말했다. 이 연구는 범부처 의료기기 사업, 질병중심 연구 사업, BRIDGE 융합연구개발사업, 중견연구자 지원 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 테라노스틱(theranostic) 진단 (diagnostic) 및 치료 (therapy)의 합성어로써 진단과 치료가 동시에 가능 2. 티몰롤(timolol) 녹내장을 비롯한 고안압증을 치료하기 위해 사용되는 약물

POSTECH-건국대, ‘각막궤양’ 각막 이식 없이 빛으로 꽉 채워 치료한다

[POSTECH 조동우, 장진아‧건국대 김준영 교수팀, 각막재건 위한 세포외기질 기반 점착성 실란트 개발] 콘택트렌즈는 우리나라 인구의 약 10%(5~600만명, 대한안과학회 통계)가 사용하는 대중적인 시력 교정기구다. 콘택트렌즈 사용자가 흔히 저지르는 실수가 바로 렌즈를 낀 상태에서 잠을 자는 행위인데, 이는 눈 각막 상피의 저항력을 약화시켜 감염을 일으키고, 정도가 심해지면 각막의 일부가 움푹 파이는 각막 궤양으로 악화될 수 있다. 이런 각막궤양은 심각한 경우 각막 이식으로 치료하기도 하는데, 국내 연구진이 패인 각막에 채워 넣고 빛을 쬐기만 해도 각막이 복구되는 새로운 점착성 실란트를 개발했다. 기계공학과 조동우 교수‧김현지 박사, IT융합공학과 장진아 교수, 건국대 수의과대학 김준영 교수‧장제환 씨 팀은 각막 재건을 위한 세포외기질 기반의 점착성 실란트(sealant)를 개발하는데 성공했다. 이 기술은 점착성 실란트 적용 이후 가시광으로 3분 쬐는 것만으로도 잃어버린 조직을 재건할 수 있고, 기존에 개발된 접착제와 달리 흉터없이 주변 조직과 잘 융화된다는 장점을 지니고 있다. 점착성 실란트는 외과 수술시 봉합이나 상처 치료에 활용될 가능성이 높은 치료제지만, 주변 조직과 물성이 일치하지 않아 생체 내에서 융화되지 못하거나 접착 형성을 마음대로 조절할 수 없다는 한계가 있어 아직까지 조직을 재건하는 시술로는 활용되지 않고 있다. 연구팀은 세포와 조직 사이의 공간을 채움으로써 세포를 보호하고 지지해주는 역할을 하는 세포외기질을 여기에 응용하기로 했다. 세포외기질은 조직 구성과 발달을 담당하는 생체분자들을 포함하고 있어, 조직 재건에 도움을 줄 수 있다고 판단했다. 이 전제를 바탕으로, 각막에서 유래한 세포외기질을 이용해 각막 재건에 활용할 수 있는 새로운 조직 실란트 ‘젤코드(GelCodE)’를 개발했다. 동물을 이용한 실험 결과, 이 젤코드를 패인 환부에 채워 넣고 빛(가시광)을 3분간 쬐면, 패인 환부가 돌아오는 것은 물론 투명한 각막 조직도 원래대로 재건할 수 있는 것을 확인하였다. 기존에도 이식과 봉합 단계 없이 환부를 수복할 수 있는 조직 접착제는 있었지만, 이처럼 흉터 없이 완벽한 조직 재건과 주변 조직과의 융화를 이루지는 못했다. 조동우 교수는 “이번에 개발된 젤코드는 봉합 단계는 물론 흉터 없이 각막 궤양을 치료할 수 있는 기술로, 보다 간단한 시술에 적용할 수 있고 마취 및 봉합 없는 시술이 가능할 뿐만 아니라 각막 이식에 따른 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다”며 “조직 재건과 임상 적용 용이성을 중시하는 재생의학에서도 중요한 발전을 이루었다는 평가를 받고 있다”고 설명했다.

기계 김동성 교수팀, 끊임없이 움직이는 심장에 딱 붙는 심근경색 치료 패치 개발

[심장기능 향상 위한 인간유래 중간엽 줄기세포시트 이식 및 활성화 성공] 심근경색(myocardial infarction)은 심장 근육에 혈액을 공급하는 관상동맥이 협착 또는 폐색되어 심장 조직이 괴사되는 허혈성 질환으로써, 혈류 차단의 시간적인 경과에 따라 심근의 비가역적 손상이 증가하게 된다. 세포증식이 불가능한 심근세포의 특성상 손실된 심장조직은 자연적으로 재생될 수 없다. 최근에는 이 손상된 심장 조직을 재생시키기 위해 줄기세포를 손상부위에 이식하여 재생을 돕는 연구가 주목받고 있다. 하지만, 심장은 굴곡이 많고, 끊임없이 움직이는 장기라 이식된 세포의 생착률이 낮고, 세포 재생에 필요한 시간 동안 심장 위에 정착하지도 못한다는 점의 문제가 제기되고 있다. 기계공학과 김동성 교수‧최이현 박사, 가톨릭대 의대 박훈준 교수‧김혁 박사, 홍콩시티대 반기원 교수 공동연구팀은 온도감응성 나노섬유 막(membrane)을 기반으로 만든 인간 유래 중간엽 줄기세포 시트를 심장에 이식, 체내에서 활성화시키는데 성공했다고 밝혔다. 특히, 이 연구에서는 기존의 혈관에서 새로운 혈관이 형성되는 혈관신생(angiogenesis)을 향상시키기 위해 혈관내피시트를 줄기세포 시트와 함께 이식하며 심장기능을 향상시켜 학계의 주목을 모았다. ‘만능세포’로도 불리는 줄기세포는 아직 분화되지 않은 세포로, 반복적으로 분열하며 다른 세포로 발달한다. 그래서 손상된 세포에 이 줄기세포를 이식하면, 새로운 조직이 재생된다는 원리를 이용, 여러 난치병 치료로 응용되고 있다. 세포 시트(cell sheet) 공학은 여기에서 한 발 더 나아가 줄기세포만으로 만들어진 시트를 손상 부위에 이식해 조직 재생을 시도하는 기술이다. 심근경색의 경우 패치를 이용해 치료하고자 하는 시도가 이루어지고 있지만, 심장의 형태나 움직임 때문에 패치가 잘 붙지 못한다는 어려움이 있었다. 공동연구팀은 온도감응성 나노섬유 막 위에 만든 인간유래 중간엽 줄기세포 시트를 바로 이 패치로 사용하기로 했다. 세포외기질(extracellular matrix)이 풍부한 줄기세포 시트는 부착력이 강해서 체내 위치에 많은 양의 세포를 효과적으로 안착시킬 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 이 시트와 함께 혈관내피세포시트를 같이 이식했다. 그 결과, 혈관내피성장인자(vascular endothelial growth factor), 안지오포이에틴-1(angiopoietin-1), 인슐린유사성장인자-1(insulin-like growth factor-1) 등이 이식된 위치에서 장시간 대량으로 분비되어, 시트 이식 후 심장 내 혈관신생이 촉진되었음을 확인, 심장의 수축력 회복은 물론 경색 후 리모델링(remodeling)을 완화시키는데 성공했다. 이 기술은 그간 심장패치의 난제 중 하나였던 부착률과 생착률을 높이는 것은 물론, 심근경색 치료를 위한 심장기능을 향상해 새로운 개념의 심장패치를 제안한 것으로 평가받고 있다. 생재료분야의 권위지 중 하나인 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’지를 통해 발표된 이 연구는 한국연구재단과 홍콩 퉁 바이오메디컬 사이언스센터 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH, 열로 증착하는 “착한 반도체” 개발

[화공 노용영 교수팀, 나노단위 칼코젠 반도체 친환경 공정 개발] 스마트폰, 컴퓨터는 물론, 자동차에도 들어가는 반도체는 이제 우리 삶에서 떼려야 뗄 수 없는 필수적인 존재가 됐다. 문제는 반도체의 기능이 향상되고, 더 많은 반도체를 만들어내려 할수록 환경비용이 늘어난다는 점이다. 반도체 제조 과정에 불가피하게 발생하는 온실가스와 폐기물은 심각한 환경문제로 거론되고 있으며, 기후위기에 직면한 지금, 학계와 산업계는 이를 개선하고자 노력을 이어가고 있다. 화학공학과 노용영 교수‧아오 리우(Ao Liu) 박사 팀은 간단한 열증착 공정으로 황화비스무트(Bi2S3)로 고성능 N형 반도체와 텔루륨(Te) 고성능 P형 반도체를 만드는데 성공했다. 특히 현재 대면적 8세대 OLED (2200 × 2500 mm)를 제조하는 열증착 공정을 이용하여 대면적으로도 만들 수 있고, 제조단가가 싸면서도 간단하고 친환경적인 공정이라는 점에서 OLED 디스플레이의 구동회로 및 다양한 반도체회로에 활용될 것으로 주목을 모은다. 현재 OLED 디스플레이의 구동회로로 사용되는 저온 다결정 실리콘과 산화물 반도체가 결합된 LTPO 구동회로(LTPO, Low Temperature Poly-crystalline silicon and Oxide)는 낮은 소비전력으로 인해서 모바일 기기의 배터리 수명 연장에 강점이 있지만, 제조공정이 복잡하고 제조비용이 높은 단점이 있다. 특히 ESG경영에 대한 요구가 높아지는 최근에는 높은 에너지소비가 요구되는 이러한 반도체 제조공정의 약점을 개선하기 위하여, 보다 단순하고 친환경적인 반도체 제조공정을 개발하려는 연구가 이어져 왔다. 노용영 교수팀은 그래핀과 비슷한 2차원 물질 ‘전이금속칼코젠’을 활용하기로 했다. 칼코젠은 주기율표 상 16족에 해당하는 원소 중 산소를 제외한 황, 셀레늄, 텔레늄을 의미하는데 여기에 전이금속을 더해 만든 화합물은 반도체와 도체 상태를 모두 가진다. 연구팀은 그중에서도 황화비스무트(Bi2S3)를 이용하되, 기존에 알려졌던 용액공정이 아니라, 물질을 고진공 상태에서 열에 의해서 승화시켜 발생한 증기를 기판에 부착시키는 열 증착 방식을 사용해 반도체 박막을 제작했다. 특히 간단한 열처리를 통해서 전하량을 조절, 도핑없이도 반도체와 도체를 자유롭게 제조할 수 있는 공정은 이번 연구의 핵심 원천성으로 평가받고 있다. 연구팀은 이를 기반으로 고성능 N형 박막트랜지스터를 구현하는 한편, 동일한 방식으로 텔루륨(Te) 고성능 P형 반도체를 만드는 데도 성공했다. 또, 이 방식은 OLED 디스플레이 발광소자를 제조하는 표준방식으로, OLED 디스플레이 제조공정에 이 트랜지스터와 전자회로 제조를 추가하면, 한 번의 공정으로 OLED 디스플레이를 제조할 수 있다. 이 방식으로는 비싼 가격이 단점으로 꼽히는 OLED 디스플레이 제조단가를 획기적으로 낮추는데도 기여할 것으로 기대된다. 물론 새로운 장비를 마련할 필요 없이 기존에 사용하고 있는 OLED용 열증착 장비를 활용할 수 있어 공정에 필요한 예산과 제조비용을 줄일 수 있다는 점 역시 중요한 포인트다. 연구를 주도한 노용영 교수는 “이번에 사용한 황화비스무트 및 텔루륨은 간단한 열처리만으로도 전도체에서 반도체로 전이되는 아주 매력적인 소재”라며 “이번 연구에서는 여기에 활용되는 값비싼 MOCVD등의 공정 대신 간단한 열증착 공정으로 웨이퍼 단위의 N형 및 P형 트랜지스터와 이를 결합한 상보형 인버터회로를 구현한 것”이라고 연구를 설명했다. 그는 또, “향후 이 결과는 칼코젠 반도체 소자를 활용한 다양한 연구 및 상용화로 이어질 것으로 기대된다”며 “이 기술을 바탕으로 메모리소자, 뉴로모픽 디바이스로 연구를 확대하고 있다”고 계획을 밝혔다. 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’지를 통해 발표된 이 연구는 한국연구재단과 삼성디스플레이의 연구지원을 통해 수행됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 수분 머금으면 변하는 요술 디스플레이, 도장 찍듯이 찍는다

[노준석 교수팀, 습도 따라 홀로그램 이미지 밝기·색깔 바뀌는 디스플레이 개발] [“한 번만 찍으면 끝…홀로그램 이미지 무제한 프린팅할 수 있어”] 수분을 머금으면 홀로그램 이미지가 변하는 ‘요술 디스플레이’가 나왔다. 홀로그램 이미지를 도장 찍듯이 무제한으로 찍어낼 수 있어 디스플레이의 상용화 가능성을 한층 앞당겼다는 평가를 받는다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 고병수·양영환·김재경 씨·박사과정 트레본 베드로(Trevon Badloe) 씨 연구팀은 습도에 따라 홀로그램 이미지의 밝기 또는 색깔이 바뀌는 신개념 수분 감응형 디스플레이를 개발했다. 먼저, 연구팀은 폴리비닐 알코올(PVA) 소재를 사용해 밝기를 조절할 수 있는 홀로그램 이미지를 구현하는 데 성공했다. 유연한 성질이 있어 물풀이나 슬라임에 주로 사용되는 PVA는 습도가 높아질수록 팽창하는 독특한 특징이 있다. 낮은 습도에서 선명히 보이던 홀로그램 이미지는 습도가 높아질수록 점차 흐려졌다. 나아가, 연구팀은 홀로그램 이미지의 색깔을 자유자재로 조절할 수 있는 디스플레이를 별도로 개발했다. 습도가 낮을 때 푸른색을 띠던 홀로그램 이미지는 습도가 증가할수록 붉은색으로 바뀌었다. 습도를 미세하게 조절하면 두 가지 색깔뿐만 아니라 RGB 색상을 모두 표현할 수 있다. 특히 이번 연구에서는 나노임프린트 공정을 이용하여 단번에 홀로그램 이미지를 인쇄하는 데 성공해 눈길을 끈다. 유연한 기판에서도 이미지를 선명하게 표현할 수 있다는 게 특징이다. 이뿐만 아니라, 픽셀 한 개의 크기가 700나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m)로 상용화된 디스플레이보다 작아 초소형 디스플레이를 실현할 수 있는 핵심 기술로 여겨진다. 이번 결과는 위스키를 비롯한 식품이나 지폐, 여권 등의 진품 여부를 판별하는 보안 라벨에 적용될 수 있는 성과로 주목받고 있고, 광학 기반의 미래 보안 기술의 실제 제품 적용을 위하여 한국조폐공사와 지속적인 협력을 하고 있다. 향후 열, 산성도(pH), 미세먼지 오염도 등과 같이 외부 자극에 반응하는 하이드로젤 고분자 기반의 디스플레이 개발에도 응용이 기대된다. 한편, 홀로그램 이미지의 밝기를 조절한 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’, 색깔을 조절한 연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 각각 게재됐다. 이 연구는 삼성미래기술육성사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 미래유망융합기술파이오니어사업 및 포스코 산학연융합연구소사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

신소재 강병우 교수팀, “꿈의 전지” 산화물 전고체전지, ‘리시콘(LiSICON)’구조로 해법 찾는다

[강병우 교수팀, 전고체전지 이온 전도도 개선 방안 제시] 대기환경 보호와 에너지 절감의 효과로, 이미 올해 전세계적으로 1천만대 이상 판매될 것으로 알려진 전기차의 가장 큰 단점은 바로 배터리의 안전성이다. 이미 최근 5년간 우리나라에서 보고된 전기차 화재 건수는 69건으로 매년 증가 추이를 보이고 있다. 이 화재의 주 원인 중 하나는 리튬이온 배터리에 들어가는 액체 전해질이다. 가연성과 발화성이 높은 전해질 때문에 항상 폭발의 위험성을 안고 있는 셈이다. 그 대응책으로 등장한 것이 바로 ‘전고체전지’다. 2차 전지에 들어있는 액체 전해질과 분리막을 없애고 고체 전해질로 대체한 배터리다. 발화물질이 들어있는 전해질이 없어 폭발이나 화재의 위험성도 낮고, 무엇보다 고에너지 밀도를 구현할 수 있다는 것이 큰 장점으로 꼽힌다. 문제는 여기에 들어가는 고체전해질 물질에 아직 여러 단점이 존재한다는 것이다. 특히, 고온 열처리 과정에서 전해질과 리튬 저장 물질인 양극재와의 반응에 의해서 성능이 저하되는 단점은 산화물 전고체전지 상용화의 치명적인 단점으로 꼽혔다. 신소재공학과 강병우 교수팀은 최근 ‘리시콘(Li Super Ionic CONductor, LiSICON)'형 산화물 고체전해질의 우수성을 확인하고 이를 이용한 전고체전지를 개발, ‘저널 오브 머터리얼 스케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’를 통해 발표했다. 리시콘형 고체전해질은 공기 중에서 안정적일 뿐 아니라, 주 구성물이 실리콘(Si)과 인(P)으로 구성되어 있어 고가의 금속을 포함한 다른 산화물 고체전해질에 비해 가격적으로 장점을 가지고 있으며 다른 산화물 전해질에 비해서 가벼워 고에너지 용량을 구현할 수 있다. 연구팀은 현재 주로 사용되는 고(高) 니켈(High-Ni) 양극재와 리시콘형 고체전해질이 고온에서 열처리를 하더라도 서로 화학 반응하여 성능이 저하되지 않고 양극재와 전해질과 연속적인 접촉을 이루어서 상온에서도 효율적으로 충전과 방전이 이루어진다는 것을 확인했다. 또한, 리시콘형 고체전해질은 다른 산화물 고체 전해질과 달리 차세대 고용량 음극재로 각광받는 리튬 금속을 안정적으로 사용할 수 있다는 것을 확인했다. 따라서, 리시콘형 산화물 전고체 전지는 고용량을 가지는 고(高) 니켈 양극재와 리튬 금속을 이용해서 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 가능성을 보여주었다. 연구를 주도한 강병우 교수는 “이 리시콘형 고체전해질은 액체 전해질이 없이도 상온에서 안정적으로 구동할 수 있고, 지금까지 단점으로 꼽혔던 차세대 산화물 전고체전지 핵심재료로서 많은 장점을 가지고 있다”며 “다만, 리시콘형 고체전해질은 이온 전도도가 낮기 때문에 이 부분을 개선하는 연구를 계속 진행할 것”이라고 계획을 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견연구지원사업과 기초연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.

화공 정규열 교수팀, ‘세포공장’ 생산 막는 미생물 간 싸움, ‘가이드’ 유전자 회로로 “화해”시킨다

[정규열 교수팀, 유전자 회로 이용한 생물공정 생산성 제고 기술 개발] 세균, 바이러스, 미세조류는 맨눈으로 보이지 않는 작은 생명체로, 흔히 백신이나 식품의 발효제로 활용된다. 2010년, ‘마이코플라즈마 마이코이즈(Mycoplasma mycoides)’라는 인공 미생물이 개발되면서, 대장균이나 효모 등의 산업 미생물을 의약품이나 석유 대체 화학물질로 만드는 ‘세포공장’으로 활용하는 기술이 주목을 모으고 있다. 하지만, 이 세포공장은 지금까지 하나의 미생물 균주를 사용해야 해 다양한 공정을 개발하기에는 한계가 있었다. 다양한 공정을 도입하기 위해 여러 미생물 균주로 배양을 하면 이 미생물집단들이 사람처럼 서로 경쟁하면서 생산성을 떨어뜨린다. 화학공학과 정규열 교수‧강채원 박사‧임현규 박사, 중앙대 화학과 성재영 교수‧박사과정 원재혁 씨 팀은 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’지 최신호를 통해 여러 미생물 균주를 공배양*1하면서 ‘파퓰레이션 가이더(population guider)’라는 이름의 유전자 회로*2를 도입, 미생물끼리 공생을 유도해 생산성을 높이는 생물공정 기술을 발표했다. 산업 미생물을 ‘세포공장’으로 만들어 화합물로 만들기 위해서는 하나의 미생물 균주를 배양하는 순수배양 기술을 활용하는데, 안정적으로 생산할 수 있는 장점이 있지만, 활용할 수 있는 균주 개발이 어렵다는 단점이 있었다. 여러 특성을 가진 균주의 공생을 활용한 방법을 이용할 수도 있지만, 각자 다른 미생물집단이 경쟁하면서 안정적인 생산을 보장할 수가 없었다. 연구팀은 합성생물학의 주요 기술로 손꼽히는 유전자 회로를 미생물들의 ‘가이드’로 활용했다. 다시마 등 해조류에 들어 있는 알긴산을 활용하는 Vibrio sp. dhg 균주와 대장균 균주를 이용해 페인트나 물감, 섬유와 기저귀에 사용되는 3-하이드록시프로피온산(3-HP)을 만들면서, 대장균에서 이 물질이 합성될 때 3-HP 의 생산성에 반응하여 암피실린*3을 분해하는 ‘파퓰레이션 가이더’라는 이름의 유전자 회로를 넣었다. 이렇게 유전자 회로를 넣은 경우암피실린에 의해 선택적으로 생존이 조절되며 3-HP 생산성이 가장 높아지도록 미생물 간의 협력이 이루어지도록 해 유전자 회로를 넣지 않은 상태보다 4.3배나 더 많이 합성물을 만들어내는 것으로 확인됐다. 연구를 주도한 정규열 교수는 “이 기술은 인공 유전자 회로가 여러 균주를 사용해 화합물을 만들 경우 상호경쟁으로 인해 생산성이 떨어지는 단점을 보완할 수 있다는 것을 처음으로 제안한 것”이라며 “미생물 ‘세포공장’의 생산성과 다양성을 모두 확보할 수 있는 혁신적인 기술로 평가받고 있다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 C1 가스리파이너리 사업과 글로벌 연구실 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 공배양 여러 종류의 이로운 미생물을 섞어 배양하는 것을 의미한다. 2. 유전자 회로 전자회로처럼 세포 안의 바이오 시스템에서 유전자의 발현이 조절될 수 있도록 설계된 회로를 의미한다. 3. 암피실린 합성페니실린으로 항생물질로 사용된다.

화공 김동표 교수팀, 버려지는 나무가 수소로 다시 태어나다

[POSTECH·UNIST 공동연구팀, 폐목재 분해 통한 수소·고부가가치 화합물 생산 공정법 개발] [“물분해 공정 대비 전력 소모 절반 수준…폭발 위험도 X”] ‘골칫덩이’인 버려지는 나무가 수소로 다시 태어났다. 화학공학과 김동표 교수·통합과정 임세준 씨 연구팀은 UNIST 에너지화학공학과 류정기 교수·통합과정 오현명 씨와 공동으로 폐목재를 수소와 고부가가치 화합물로 전환하는 공정법을 개발했다. 이 기술을 활용하면 이산화탄소가 배출되지 않을 뿐만 아니라, 수소와 함께 식품·의약품의 원료로 쓰이는 바닐린(Vanillin)을 얻을 수도 있다. 최근 생산되는 수소 중 상당수는 생산 시 이산화탄소가 함께 만들어지는 ‘그레이 수소(Grey hydrogen)’다. 친환경 에너지원인 수소를 만들기 위해 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 만들게 되는 모순적 상황이 벌어지는 것. 그 대안으로 물분해를 통한 그린 수소(Green hydrogen)*1 생산 공정이 주목을 받았지만, 이 공정은 전력 소모가 커 생산 단가가 높은 데다가 폭발 위험이라는 치명적인 한계가 있었다. 연구팀은 몰리브덴(Mo) 기반의 저렴한 금속 촉매를 활용, 폐목재를 분해해 그린 수소로 만드는 연속 공정법을 개발했다. 촉매에 의해 바닐린이 만들어지고, 그 과정 속에서 비활성화된 촉매를 재활성화하는 공정 중에서 수소를 생성하는 원리다. 이 기술은 물질·열 전달 효율을 극대화하는 미세유체기술*2이 적용돼, 기존 폐목재 분해 공정의 한계였던 공정 시간이 12시간에서 30분으로 대폭 줄었다는 게 특징이다. 또한 연속 분리 공정을 통하여 폐목재 분해 산물로 인해 발생할 수 있는 전극의 오염을 방지할 수 있으며 폐목재가 분해되며 비활성화됐던 촉매가 수소 생산 과정에서 자동으로 재활성화돼 연속 공정이 가능하다는 것도 장점이다. 연구 결과, 이 공정은 물분해 공정 대비 절반 수준의 전력이 소모돼 공정 비용을 크게 줄일 수 있는 것으로 조사됐다. 폭발 위험도 전무하다. 쓸모없는 폐목재를 활용해 적은 비용으로도 빠르게 수소·고부가가치 화합물을 생산할 방법을 제시한 이번 연구는 사회적 가치와 경제적 가치라는 두 마리 토끼를 한 번에 잡은 성과로 주목받는다. 한편, 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(리더연구자지원사업 창의연구)의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 그린 수소 태양광·풍력 등 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 전기 분해해 생산한 수소. 수소와 산소만 생산되기 때문에 오염물질이 전혀 배출되지 않는다. 2. 미세유체기술 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1m) 속 작은 세상에서 움직이는 유체의 특성을 활용한 기술.

기계·화공 노준석 교수팀, 눈앞에 펼쳐진 평행세계…맞춤형 VR 수업할까

[노준석 교수팀, 단일 구조체에 세 가지 정보 담는 메타 디스플레이 개발…편광 따라 다른 이미지 보여줘] [공정 단순화·초소형 크기 장점…차세대 보안 장치·맞춤형 VR 디스플레이 실현 기대감 ‘쑥’] 캠퍼스 곳곳이 메타버스로 탈바꿈하고 있다. 코로나19 팬데믹 후 POSTECH은 비대면 상태로도 현실과 같은 수준의 실험과 실습을 진행할 수 있는 메타버스 강의 환경을 구축했다. 가상현실(VR)기기를 착용하기만 하면 실험 환경뿐만 아니라, 먼 곳의 원자력발전소도 생생하게 볼 수 있다. 나아가, 교수와 학생이 각기 다른 화면으로 맞춤형 수업을 경험할 수 있다면? 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 김주훈·성준화 씨 연구팀은 단일 구조체에 세 가지 정보를 동시에 저장하는 메타 디스플레이를 개발했다. 메타표면으로 만든 이 디스플레이는 편광*1에 따라 각기 다른 이미지를 보여줘, 사용자에 따라 화면이 다르게 보이는 차세대 보안 장치나 초소형 디스플레이의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 빛을 자유자재로 조절하는 인공물질인 메타표면은 나노 구조체의 주기적인 배열로 이뤄진다. 구조체 하나의 크기가 파장보다 작아, 이 안에 다양하고 많은 정보를 저장하는 것이 과제로 여겨졌다. 더욱이 기존 메타표면은 하나의 구조체에 하나의 정보만을 담을 수 있어, 구조체 모양이나 배열을 달리하는 방식으로 여러 정보를 담아야 했다. 이 경우 복잡한 설계와 공정 과정을 거쳐야 해 번거로운 데다가 추가적인 비용이 들었다. 크기를 줄이는 데 한계가 있었던 것은 물론이다. 연구팀은 근거리장 빛의 세기를 조절하는 말루스 법칙*2과 원거리장 빛의 위상을 조절하는 기하학적위상법칙*3을 결합, 단일 구조체로 세 가지 정보를 저장하는 메타 디스플레이를 제작했다. 이 디스플레이는 구조가 단순해 쉽고 저렴하게 만들 수 있을 뿐만 아니라, 크기가 0.5밀리미터(mm)로 매우 작았다. 연구팀은 메타 디스플레이로 각기 다른 세 개의 로고를 출력하는 데 성공했다. 노준석 교수는 “근거리장·원거리장의 빛을 동시에 조절하지 못했던 기존 메타표면의 한계를 뛰어넘은 성과”라며 “사용자에 따라 다르게 보이는 보안 장치나, 교수와 학생이 각각 다른 화면을 볼 수 있는 맞춤형 가상현실(VR)·증강현실(AR) 디스플레이에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다. 한편, 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재된 이 연구는 포스코 산학연융합연구소 사업, 한국연구재단 미래유망융합기술 파이오니어 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 편광 특정한 방향으로 진동하며 나아가는 빛. 2. 말루스 법칙 두 개의 편광판을 통과한 빛의 세기를 나타낸 법칙으로 두 편광판의 편광축이 이루는 각도와 관련 있다. 이 연구에서는 근거리장 빛의 세기를 조절하는 데 이용되었다. 3. 기하학적위상법칙 방향에 따라 다른 형태의 구조를 지닌 나노 구조체를 공간적으로 다른 회전 방향을 지니도록 하여 빛의 전체 위상을 조절할 수 있다. 이 연구에서는 원거리장 빛의 위상을 조절하는 데 이용되었다.