Research

화학 박문정 교수팀, ‘30분’ 만에 리튬-황 전지용 양극재 합성...높은 효율 갖는 유연 배터리 눈앞으로

[황 입자를 이용한 고에너지의 유연한 리튬-황 전지 개발] 요즘 접히는 휴대폰은 인기가 높다. 이와 같은 지능형 유연 장치나 전기 자동차의 인기가 높아짐에 따라 오랜 시간 높은 에너지를 저장하고, 빨리 충전되는 배터리에 대한 수요가 계속 증가하고 있다. 현재의 리튬 이온 배터리 기술로는 이러한 수요를 맞출 수 없어 차세대 배터리 개발이 요구된다. 최근 POSTECH 연구팀이 정유 처리의 부산물로 여겨졌던 황을 이용해 30분 만에 리튬-황 전지 양극재를 합성하는 데 성공했다. 화학과 박문정 교수·통합과정 강한얼 씨 연구팀이 고에너지 밀도, 고속 충전, 그리고 기계적 유연성을 부여할 수 있는 혁신적인 리튬-황((Li-S) 전지를 개발했다. 이 연구는 추가적인 용매나 개시제, 계면활성제, 입체 안정화제를 사용하지 않고 30분 이내의 빠른 반응시간을 통해 계층적으로 정렬된 형태의 역가황*1 고분자 입자를 합성한 첫 번째 사례이다. 이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano energy)’에 지난 8월 25일 온라인 속보로 게재됐다. 현재 사용되는 고독성 전이 금속계 양극 재료와는 달리, 황은 값이 싸고 풍부하며, 독성이 적다는 점 때문에 주목받고 있는 물질이다. 특히, 리튬-황 배터리는 높은 이론적 에너지 밀도(2,600Wh kg)로, 높은 용량(1672mAh g-1)을 저장할 수 있어 차세대 배터리로서 가능성을 보여준다. 하지만, 황은 근본적으로 낮은 전기전도도를 가지기 때문에, 활성 물질의 완전한 활용을 방해하여 충방전 속도를 늦추고, 전해질에 용해도가 높아 전지의 수명을 떨어뜨리는 단점이 있다. 연구팀은 기존의 황 전극과 달리 황의 함침 공정(melt-diffusion process)을 사용하지 않고, 황과 비닐포스폰산(Vinylphosphonic acid, VPA)의 역가황 반응을 이용한 공중합을 통해 30분 만에 황 기반 고분자 입자를 합성했다. 이때 황 입자는 미세 상분리된 α-황과 낮은 밀도의 황 동소체 기반의 황-VPA 네트워크(SVPA) 로 구성되어 있다. 짧은 반응시간에 균일한 미세 입자를 형성할 수 있었던 열쇠는 황 라디칼과 VPA의 자가 촉매 반응 때문이며, VPA가 부착된 긴 황 사슬이 반응 초기에 형성되어 계면활성제 없이도 SVPA의 구형 형태를 안정화를 이루는 것으로 나타났다. 흥미롭게도 SVPA 입자 표면에 사람의 피부와 같은 주름과 기공이 자발적으로 형성되어, 양극 내 전해질 침투를 쉽게 하고 동시에 전극 표면에 가해지는 기계적 응력을 완화시켜 줄 수 있음을 입증했다. 이를 통해 연구팀은 간단한 합성법을 바탕으로 활물질 자체에 다공성 구조를 도입해 전해질의 침투를 쉽게 하고, 낮은 부피팽창을 갖는 황 동소체를 이용해 전극의 기계적 무결성을 높일 수 있음을 확인했다. 또한 활물질*2 표면에 풍부하게 존재하는 포스폰산 관능기를 통해 효과적으로 리튬폴리설파이드의 용출을 막을 수 있어 우수한 리튬-황 전지 특성을 달성할 수 있었다. 뿐만 아니라, 활물질자체가 가교된 고분자라는 이점으로 우수한 탄성을 가짐으로써 유연 전극으로서의 활용 가능성을 확인했다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “이 연구에서는 포스폰산 그룹이 풍부한 역가황 고분자를 저비용-친환경적인 방법으로 합성해 유연한 리튬-황 전지를 개발했다”며 “상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 리튬폴리설파이드 용출문제를 화학적으로 억제하였고, 유연한 특성을 부가하기 어려운 황 양극에 이러한 새로운 특성을 부여함으로써 웨어러블 디바이스 전지 등으로 그 활용 가능성을 높였다는 점에서 주목할 만하다”고 기대감을 밝혔다. 한편, 이 연구는 연구재단 중견연구자지원사업(이공분야), 미래소재디스커버리사업, 혼성계면 화학구조 연구센터-이공분야의 지원으로 수행됐다. 1. 역가황 반응 불포화 결합이 있는 고무 분자에 소량의 황을 첨가하여 가교 고분자를 합성하는 가황반응과 반대로 과량의 황에 소량의 불포화 결합이 있는 분자를 첨가하여 황이 풍부한 가교 고분자를 만드는 합성법. 2. 활물질 양극 혹은 음극에서 전지의 전극 반응에 관여하는 물질로 전지의 전압을 결정한다.

물리 신희득 교수팀, 에너지 차이 보존 광신호 전송 ‘세계 최초’ 관측

[POSTECH-한양대 공동연구팀, 비-허미션 물리현상 연구 위한 효율적인 실험 플랫폼 제공] 광(光) 손실과 광 증폭을 나노 포토닉스 기술을 이용하여 정밀하게 조절하면 비-허미션(non-Hermitian)*1 현상이라는 새로운 물리적 현상을 관측할 수 있고 이를 통해 차세대 광신호 제어기술의 잠재력을 지니고 있다. 하지만, 광 손실과 증폭을 정밀하게 조절하며 실험하기에는 어려움이 있다. 최근 물리학과 신희득 교수 연구팀과 한양대 물리학과 윤재웅 교수 연구팀은 비-허미션 광학 연구에 손쉽게 할 수 있는 접근 방식을 제안하고, 이를 이용해 광 주파수 영역에서 에너지 차이 보존을 세계 최초로 관측했다. 허미션 헤밀토니안(Hermitian Hamiltonian) 연산자는 물리계의 에너지 손실이 없는 경우를 가정하고 양자 물리학의 기본 작동원리로 오랜 기간 사용됐다. 하지만 실험적으로 모든 물리계는 에너지 손실을 주고 있고, 물리연구에서는 이 손실을 단순한 불완전성으로만 취급하며 손실로 잃어버린 에너지는 증폭으로 보상해주었다. 하지만 최근에 태동한 비-허미션 물리학 영역은 손실과 증폭에 ‘불완전한 계와 수정’ 외의 새로운 역할을 부여하여 기본 작동원리를 확장하고, 허미션 헤밀토니안 물리계와 다른 물리적 현상을 보여줌으로써 차세대 신호 및 에너지 제어기술로 주목을 받고 있다. 비-허미션 물리계 중, 시공간-교환 반대칭(anti-parity-time symmetry)*2 계는 균형 잡힌 손실과 증폭으로 구성되고, 이 계에 에너지가 손실과 증폭을 겪으며 진행할 때 위상변위, 에너지 차이 보존, 결맞음 세기 진동과 같은 흥미로운 물리현상을 볼 수 있다. 하지만 광학 영역에서 완벽하게 균형 잡힌 손실과 증폭은 현실적으로 제작하기 어려움이 있어 에너지 차이 보존과 결맞음 광세기 진동과 같은 현상은 관측된 바 없다. 연구팀은 광통신 분야에서 널리 사용되고 있는 광섬유를 이용하여 비선형 4-광자 결합 현상을 기반으로 하는 시공간-교환 반대칭 물리계를 구축했다. 광섬유를 이용함으로써 에너지 손실이 거의 없이 상호작용 길이가 매우 긴 실험 장치를 간결한 구성으로 구현할 수 있었다. 이로써 그동안 나노 공정의 어려움으로 접근이 힘들었던 비-허미션 물리학 분야에 새로운 실험연구 방향을 제시했다. 연구팀은 제안한 방법을 이용하여 시공간-교환 반대칭 현상 중 위상변위 뿐만 아니라 긴 광섬유 덕분에 광 세기의 결맞음 진동을 광학 영역에서 최초로 관측했다. 또한, 광섬유의 저손실과 비선형 현상을 이용하여 비-허미션 계에서 중요한 보존량인 에너지-차이 보존 물리계를 광학 영역에서 처음으로 관측했다. 신희득 교수는 “비-허미션 물리현상 연구에 대한 효율적인 실험 플랫폼을 제공했다”며 “더 높은 차원의 비-허미션 연구에 대한 기여와 소재 개발 및 양자정보학 등 학제 간 연구에도 중요한 발판이 될 것”이라 의미를 밝혔다. 한편, 이 연구결과는 미국물리학회지 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’ 8월 17일자에 소개됐다. 1. 비-허미션(non-Hermitian) 현상 Hermitian이 아닌 양자역학적인 Hamiltonian에 대한 연구. 총 에너지가 보존되지 않는다. 2. 시공간-교환 반대칭 비-허미션 현상 중 하나로 에너지 차이 보존, 결맞음 세기 진동이 생긴다.

화학 장영태 교수팀, 백혈구 속 ‘호중구’ 골라서 염색한다

[살아 있는 세포 선별 통한 호중구 선택적 형광 프로브 개발] 백혈구는 식균 작용을 하여 우리 몸을 방어해 주는 일을 한다. 그래서 우리 몸을 지켜주는 군대라고도 하는데, 백혈구 중에서 가장 많은 비율(55~70%)을 차지하는 것이 호중구다. 이 호중구가 세균이나 곰팡이들과 맞서 싸우는 역할을 맡기 때문에 호중구가 부족하면 면역력에 이상이 생긴다. 호중구는 혈액을 따라 순환하다가 감염 또는 염증이 발생한 조직으로 이동하는데, POSTECH 연구팀이 살아 있는 호중구를 구별하는 방법을 내놓았다. 화학과 장영태 교수(기초과학연구원 복잡계 자기조립 연구단 부단장), 융합대학원 이순혁씨, 기초과학연구원 민 가오(Min Gao)씨 연구팀은 울산대학교병원과 공동연구를 통해 대사 활성 호중구*1를 구별하고, 이에 반응하여 선택적으로 표적하여 형광 신호를 내는 첫 번째 형광 프로브 “NeutropG”를 개발했다. 이번 연구는 우수성을 인정받아 종합화학 분야의 세계적 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 지난달 19일 게재됐다. 형광 프로브란 특정한 이온이나 물질을 인지하였을 때, 빛 신호를 통해 인지 여부를 나타내는 광 감응제이다. 인간의 살아 있는 호중구를 구별해 내는 것은 임상진단뿐만 아니라 감염 또는 염증 치료법을 찾는 데 있어 중요하다. 과립구 중에서 살아 있는 호중구의 구별을 위한 저분자 기반 프로브는 아직까지 개발되지 않았다. 한편, 특정 세포를 식별하기 위해서 항체를 활용하는데, 세포 투과율이 낮은 항체는 세포 내부의 생체표지자(biomarker, 바이오마커)를 확인하는데 제약이 있다. 바이오마커를 확인하기 위해서는 세포 고정·투과 과정이 필요한데, 전처리 과정을 거치면 ‘살아 있는 상태’와 차이가 있다. 이러한 차이는 살아 있는 세포를 연구할 때, 항체의 선택에 제약이 생긴다. 연구팀은 항체가 지닌 제약과 한계를 극복하기 위해서 상대적으로 세포 투과율이 높은 저분자 기반 형광 화합물로 대체하고자 했다. 이번에 개발된 NeutropG는 지질 방울 생합성(lipid droplet biosynthesis)*2을 통해서 호중구에 선택적으로 표지되며, 이는 ACSL(Long-chain acyl-CoA synthetases)*3과 DGAT(Diglyceride acyltransferase)*4라는 효소 유전자 발현율의 차이에서 비롯됐음을 확인했다. 이들 효소의 작용에 의해 NeutropG가 지질 방울의 구성 성분인 트리아실글리세롤(triacylglycerol: TAG)로 변화되는 것을 확인했으며, 이는 기존의 결합지향(Holding Oriented Live-cell Distinction: HOLD) 혹은 수송지향(Gating Oriented Live-cell Distinction: GOLD)과는 전혀 다른 새로운 대사지향 세포식별(Metabolism Oriented Live-cell Distinction: MOLD)이라는 독특한 메커니즘을 활용한 것이다. 또한, 호중구의 식세포 작용을 관찰하는 데 활용됐고, 이를 통해 장시간 안정적으로 염색할 수 있을 뿐만 아니라 세포의 기능에 큰 영향을 미치지 않음을 입증했다. 이번 연구를 통해 NeutropG가 건강한 호중구를 선택적으로 염색하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 신선한 혈액 표본 내에서 호중구 수치를 정확하게 정량화했다. 이처럼 높은 호중구 선택성은 임상진단으로 확장할 가능성을 보였다. 연구를 주도한 장영태 교수는 “NeutropG는 전혈 내에서 살아 있는 호중구를 선택적으로 구분하는 최초의 사례이다”며, “특히 대사 특이적인 메커니즘은 건강한 호중구를 선택적으로 식별할 수 있다는 강점을 지니고 있다”고 말했다. 이 연구는 기초과학연구원 운영지원 사업의 일환으로 수행됐다. 1. 호중구(또는 중성구) 골수 내의 조혈 줄기세포에 의해 형성되며, 선천 면역의 주요한 역할을 담당하고 있는 대표적인 과립구 세포이다. 호중구는 대부분 포유류의 백혈구 중에서 가장 높은 비율(55~70%)을 차지하고 있다. 2. 지질 방울 생합성(lipid droplet biosynthesis) 세포 내 지질 저장기관인 지질 방울(lipid droplet)을 만드는 과정을 의미하며, 소포체(ER, endoplasmic reticulum)에서 일어나는 것으로 알려져 있다. 3. ACSL(Long-chain acyl-CoA synthetases) 긴 사슬 지방산에 CoA(Coenzyme A)를 표지해주어 활성상태인 아실코에이(Acyl-CoA)로 만들어주는 효소이다. 4. DGAT(Diglyceride acyltransferase) 디아실글리세롤(diacylglycerol)과 아실코에이(Acyl-CoA)를 반응시켜 중성지방인 트리아실글리세롤(triacylglycerol)을 만들어주는 효소이다.

철강 홍대근 교수-임창희 교수 공동연구팀, ‘쇳물’도 이제 AI에 맡겨요!

[AI 활용 출강자동화 시스템 개발] 용광로 쇳물의 온도는 1600℃~1700℃에 이른다. 그래서 제철 과정은 절대적 주의가 필요한 작업이다. 더군다나 출강은 용광로에서 불순물 제거 작업을 거친 쇳물을 이송 용기에 담는 공정인데, 베테랑의 숙련도와 집중력에 따라 조업의 품질에 절대적인 영향을 미친다. 이 위험천만한 고난도의 작업을 인공지능이 대신하면 어떨까? 철강∙에너지소재대학원 홍대근 교수와 임창희 교수 공동연구팀은 인공지능(AI)을 활용한 출강 자동화 시스템을 개발했다. 이 시스템은 현재 포스코 광양제철소 2제강 2전로에 적용, 스마트팩토리 혁신을 앞당기고 있다. 컵 안에 있는 불순물을 제거하기 위해 컵을 천천히 기울여 불순물만 걸러내듯이, 출강은 전로 안에 떠 있는 슬래그(Slag, 불순물)를 천천히 걸러내는 작업이다. 지금까지 출강 방식은 작업자가 고온, 고열의 작업 환경에서 육안으로 확인하면서 이 작업을 매일 수십 차례 수동으로 작업해야 했다. 그렇다 보니 작업자의 숙련도에 따라 제품 성분이나 미세한 품질의 편차가 발생하고, 데이터를 정량화하기 어려움이 있었다. 또한, 고열 작업 특성상 안전사고에 노출될 수밖에 없었다. 연구팀은 전로 출강자동화를 위해 포스코 기술연구원, 광양제철소 제강부와 협업하여 영상분석 연구를 수행했다. CCTV를 통해 실시간으로 수집되는 다트(Dart, 내화물) 투입 영상과 SDS(Slag Detection System) 영상을 이용해 딥러닝 기반 다트 투입 적중 여부 자동 판정 기술을 각각 개발했다. 먼저, 작업을 단계별로 세분화하고 조건별 데이터를 수집, 표준화한 다음 출강 패턴을 도출했다. 이렇게 도출된 출강 패턴을 토대로 딥러닝을 통해 합금철 및 슬래그 유출 방지를 위한 다트 투입 시점을 판단하고, 출강 종료까지 공정이 자동으로 이루어져 작업자 간 편차를 줄일 수 있게 됐다. 또한, AI 영상인식 기술을 통해 출강 과정을 직접 눈으로 확인하지 않고도 고온 작업으로 인한 위험을 감지할 수 있게 됐다. 홍대근 교수는 “AI를 활용한 출강 자동화 시스템은 작업 효율 향상과 품질 안정화를 달성한 것은 물론 작업자 안전을 크게 향상시킬 수 있다”며 “출강 자동화 알고리즘을 더욱 고도화해 모든 위험에 대비할 수 있도록 하겠다”고 말했다. 이번 연구는 철강·에너지소재대학원과 포스코기술연구원, 광양 제강부, 포스코 ICT, 파이벡스이 협력하여 이뤄낸 산학연 우수 연구성과로, 외부 기술에 의존하지 않고 출강 자동화를 달성했다는 점에서 주목을 받고 있다. 한편, 포스코에서는 이번에 개발한 전로 출강 자동화 기술을 확대 적용하기로 결정했다. 그로 인해 POSTECH 철강∙에너지소재대학원 공동연구팀에서는 개발한 영상 기반 슬래그 다트 투입 적중 여부 자동 판정 기술을 파이벡스에 기술이전 하는 것을 추진하고 있다.

신소재 손준우 교수팀, 선택적 금속 석출 통해 투명 디스플레이 시대 앞당긴다

[주석 금속 선택적 용출 이용한 페로브스카이트 구조 주석 산화물의 전기전도도 향상] 아무것도 보이지 않는 허공에 손을 뻗으면 원하는 정보가 튀어나오고, 자동차 앞 유리에 내비게이션이 실행되는 모습을 영화나 공상과학이 아니라 현실에서 만날 수 있는 날이 다가오고 있다. 차세대 투명 디스플레이 실현을 위해서는 투명 산화물 반도체 내에서 전기가 흐를 수 있도록 빠르게 전자를 생성하는 간단한 공정이 필요한데, POSTECH 연구팀이 그 방법을 찾았다. 신소재공학과 손준우 교수, 통합과정 윤다섭씨 연구팀은 페로브스카이트 격자구조 내에서 주석 금속을 ‘선택적으로 석출’하는 방법을 이용하여, 산소가 결핍된 페로브스카이트 주석 산화물 박막의 전기전도도를 획기적으로 향상할 새로운 전략을 제시했다. 이 연구성과는 최근 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다. 페로브스카이트 결정 구조의 주석 산화물(BaSnO3)은 유리처럼 투명하면서도 금속처럼 상온에서의 높은 전기전도도와 전자이동도 때문에 차세대 투명 전자 소자나 자동차용 전력 반도체 소자로 응용할 수 있는 신소재로 여겨지고 있다. 이렇게 다양한 전자 소자 응용을 위해서는 주석 산화물 신소재 내에 도핑이라는 과정을 통해서 전자를 형성하고 이를 통해서 효율적으로 전기를 통하게 하는 과정이 필요하다. 반도체 내에서 전기를 통하게 하는 가장 손쉬운 방법은 고온에서 환원 열처리를 하는 방법이 있다. 환원 열처리를 통해서 격자 내 산소 결핍을 형성하고 이를 이용해 전자를 생성하는 방법인데, 이 방법은 전자 농도를 일관되게 제어하지 못하여 전기전도도를 극대화하지 못했다. 연구팀은 페로브스카이트 주석 산화물 박막의 환원 열처리 후 전기전도도를 극대화할 수 있도록 양이온 반응물의 조성비를 인위적으로 제어했고, 고온 환원 공정 후에 전자 농도를 관찰했다. 그 결과, 주석(Sn)이 과주입된 BaSnO3 박막에서 전자 농도가 높이 증가하는 것을 확인했다. 또한, 란타늄(La)을 추가적으로 도핑한 박막에서는 6000 Scm-1의 높은 전기전도도를 보이는 투명 산화물 반도체의 특성을 달성했다. 추가적인 분석을 통해서, 고온 환원 열처리 과정 중 격자 내에서 분리·석출된 백색주석(β-Sn) 나노 입자가 BaSnO3의 추가적인 전자 농도 증가에 큰 역할을 할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 선택적인 금속 석출 현상을 이용함으로써 페로브스카이트 산화물 반도체 내에서 투명도를 저해하지 않으면서도 전기전도도를 증가시키는 새로운 방법을 보였다. 이렇게 개발된 전자 도핑 원리는 주석 산화물 반도체의 기능을 크게 개선함으로써 차세대 투명 반도체 소자, UV 검출기 소자, 자동차용 전력 반도체 소자로 응용될 수 있다. 연구를 주도한 손준우 교수는 “이 연구는 페로브스카이트 주석 산화물의 정확한 조성 제어 후 간단한 고온 열처리로 투명도를 유지한 채 전기전도도를 극대화할 수 있음을 보였다”며 “이 소재 원천기술을 이용할 경우, 차세대 투명 반도체 소자나 전력 반도체 소자의 전기전도도를 극대화할 수 있는 새로운 전략이 될 것이다”고 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구실, 중견연구사업 및 삼성전자 DS 전략산학과제의 지원으로 수행됐다.

신소재 이종람 교수팀, ‘공장 굴뚝’이 광합성 연료 된다

[이산화탄소 연로로 전환하는 고효율 광전극 제작] 산업화의 상징이었던 ‘공장 굴뚝’은 이제 환경오염과 미세먼지를 떠올리게 하는 상징이 됐다. 산업현장에서 발생하는 오염 물질을 에너지로 바꿀 수 있다면 어떨까? 현대사회의 필수적인 산업활동으로 발생하는 이산화탄소를 원료로 광합성을 하는 기술이 주목받고 있다. 최근 POSTECH이 미국 미시간대학교와 손잡고 부식성 가스를 고부가가치의 화합물로 바꾸는 이산화탄소 환원용 광(光)전극을 선보였다. 신소재공학과 이종람 교수, 동완재 박사 연구팀이 미국 미시간대학교 제티안 미(Zetian Mi) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 갈륨질화물(GaN) 반도체와 황화구리(CuS)로 이루어진 광전극이 부식가스로 알려진 황화수소가 포함된 이산화탄소를 화학공업 연료인 포름산으로 변환한다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이를 통해서 청정에너지인 빛과 물을 이용해서 이산화탄소 가스를 연료로 전환하는 고효율 광전극을 제작하는 데 성공했다. 이 연구성과는 화학 분야에서 권위 있는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 게재됐다. 이산화탄소가 용해된 물에 햇볕을 쫴 에너지 연료를 만들 수 있는 ‘인공광합성 기술’이 새로운 에너지 전환 기술로 주목받고 있다. 하지만, 이산화탄소 환원에 사용되는 촉매 소재는 불순물에 의해서 쉽게 상태가 변하는 등 손상되는 문제가 있다. 그래서 산업현장에서 배출된 이산화탄소 가스를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이산화탄소를 정화하는 공정이 필요하다. 이때 사용하는 것이 광전극이다. 이산화탄소 환원 광전극의 효율과 수명을 동시에 개선하는 일은 그리 간단하지 않다. 광전극으로 많이 사용되는 실리콘 반도체는 수용액에서 쉽게 산화되기 때문에 부식성 가스가 포함된 이산화탄소 환원 반응의 안정성이 떨어진다. 또한, 높은 촉매 성능을 구현하기 위해서 사용되는 금속 촉매들도 반응 도중에 쉽게 녹슬어 이산화탄소 환원 반응의 효율이 낮아진다. 이산화탄소를 연료로 전환하는 기술의 상용화를 위해서는 무엇보다 높은 안정성을 갖는 반도체 광전극과 촉매 개발이 시급하다. 연구팀은 GaN 나노선이 성장된 실리콘 기판과 CuS 나노입자 촉매로 이루어진 광전극이 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 효율을 대폭 향상하고 장시간 동작 가능하다는 것을 보였다. 지금까지 알려진 광전극들은 고순도 이산화탄소에서만 높은 선택성을 보이지만, 이번에 개발된 광전극은 고순도가스뿐만 아니라 부식성 가스가 포함된 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 효율을 대폭 향상하는 특성을 확인했다. 이러한 광전극은 산업현장에서 배출되는 이산화탄소를 정화하지 않고 바로 연료로 전환할 수 있고, 촉매 소재의 교체 주기가 길기 때문에, 기존 이산화탄소 환원 공정보다 간단하며 비용을 절감할 수 있다. 이종람 교수 연구팀은 “이 연구는 빛, 물, 그리고 공장에서 배출되는 이산화탄소 가스를 화학 연료로 전환해서 고부가가치를 창출할 수 있다는 것을 보여준다”며, “환경문제는 물론 에너지 고갈 문제를 해결하고, 탄소 중립시대를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 창의도전연구기반지원사업, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행됐다.

신소재 한세광 교수팀, “일 년에 한 번” 투약만으로 골관절염 완화

[신풍제약과 임상3상 시험 승인 획득] 계단을 오르내릴 때 무릎 통증을 느끼거나, 손가락 마디가 붓고 저린 증상 때문에 고통받는 환자가 늘어나고 있다. 뼈와 뼈 사이에서 완충 작용을 하는 부드러운 연골이 마모되면서 나타나는 퇴행성 관절염의 흔한 증상이다. 이런 골관절염에는 통증을 줄이기 위한 진통제나 소염제, 연골을 강화시키는 스테로이드제가 처방되고 있지만, 그때그때 증상에 대한 임시방편일 뿐 근본적인 치료가 되지 못하고 있다. 최근 POSTECH과 신풍제약이 한 번 주사만으로 일 년 이상 증상을 줄이고 치료까지 하는 골관절염 치료제를 개발, 임상3상 시험 승인을 획득했다. 신소재공학과 한세광 교수 연구팀은 신풍제약과 공동연구를 통해 체내에서 분해속도가 조절되는 골관절염 치료제인 ‘히알루론산 하이드로젤’을 개발했다. 이 치료제는 동물실험과 임상1상 시험 결과, 1년 이상 동안 분해되지 않고 관절에 남아서 골관절염 증상을 크게 개선하는 것으로 나타났다. 유전적 요인, 식습관으로 인한 비만, 관절의 외상, 염증으로 인한 연골 손상이 발생하면서 골관절염 환자는 늘어나고 있다. 그동안 여러 형태의 히알루론산 골관절염 치료제가 개발됐지만, 한 번 투약하면 체내에서 빠르게 분해되어 효과가 지속되지 못한다는 한계가 있었다. 연구팀은 히알루론산이 체내 세포막에 있는 수용체(receptor) 또는 히알루론산 분해효소(hyaluronidase)와 결합할 때 히알루론산의 카복실기(-COOH)가 직접 관여하는 점에 착안했다. 그래서 헥사메틸렌디아민(hexamethylene diamine)을 가교제로 사용해 히알루론산의 카복실기를 가교 결합한 하이드로젤 형태로 만들었다. 이 하이드로젤은 쉽게 분해되지 않고 관절 부위에 남아서 천천히 분해되는데 1년 이상 잔류하는 것으로 나타났다. 특히, 가교제로 사용한 헥사메틸렌디아민은 히알루론산의 카복실기와 정전기적으로 결합할 수 있어서 생체에 적합하며, 안전성이 탁월한 것으로 확인됐다. 이번에 개발된 히알루론산 하이드로젤의 분해속도 조절 기술은 현재 우리나라를 비롯한 미국, 캐나다, 일본 등에 특허 등록이 완료된 상태다. 연구를 주도한 한세광 교수는 “히알루론산은 다양한 의료용 소재 중에 생체적 합성과 안전성이 가장 우수한 생체고분자로서 관절염 치료제, 성형 수술용 필러, 안과 수술용 점증제, 수술 후 유착 방지제, 약물전달시스템, 조직공학, 화장품 원료 등으로 폭넓게 활용될 수 있다”면서 “히알루론산 하이드로젤의 분해속도 조절 기술을 바탕으로 임상3상 시험을 성공적으로 수행해 혁신적인 골관절염 치료제로 상용화할 계획이다”고 밝혔다.

전자 김철홍 교수팀, 방사선 노출 없이 암 전이 진단 돕는 휴대용 광음향 검출기 개발

[투명 초음파 트랜스듀서와 고체 염료 레이저로 구성된 광음향 검출기 개발] 몸이 붓거나 저릴 때 겨드랑이를 치는 행동을 흔히 볼 수 있다. 이는 우리 몸의 이물질을 처리하는 림프절을 자극해 순환을 돕는 행동이다. 유방암이나 흑색종과 같은 암은 이 림프절을 통해 전이되기 때문에 림프절의 상태를 확인하는 것은 암의 진행이나 예후를 아는 데 필요하다. POSTECH 연구팀이 방사선에 노출 없이 암의 림프절 전이 진단을 도울 수 있는 휴대용 광음향 검출기를 개발했다. 전자전기공학과‧IT융합공학과‧기계공학과 김철홍 교수, 박별리 박사, 통합과정 한문규씨, 박정우씨 연구팀이 ㈜원텍과 공동연구를 통해 고체 염료 레이저와 투명 초음파 트랜스듀서(TUT)가 결합된 비방사성 휴대용 광음향 검출기(photoacoustic finder)를 개발했다. 방사성 물질을 사용하는 기존 감마 프로브와 는 달리, 휴대용 광음향 검출기는 방사성 물질이 필요하지 않아, 방사선에 노출될 염려가 없고, 특수 시설이 필요하지 않아 저렴하게 여러 번 이용할 수 있다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘포토어쿠스틱스(Photoacoustics, 시스템 분야 상위 0.78%)’에 게재됐다. 일반적으로 유방암이나 흑색종과 같은 암의 전이 여부를 판단하기 위해 암 주변의 감시 림프절(SLN, Sentinel lymph node)에 대한 생검이 실시된다. SLN은 종양이 림프절로 이동하는 첫 번째 관문이기 때문이다. 그러나, 기존 생검은 방사성 물질을 이용해 SLN을 찾기 때문에, 환자와 의사에게 방사선 피폭의 위험이 있고, 방사선 물질 처리를 위한 특수한 시설이 필요하여 일반 병원에서 진행하기에는 어려움이 많다. 연구팀은 고체 염료 레이저 핸드피스(흔히 피부과에서 피부치료에 사용하는 의료용 레이저)에 동그란 형태의 초점형 투명 초음파 트랜스듀서(전기적 신호를 초음파로 만들거나, 초음파를 받아서 전기신호로 변환해주는 장치)를 동축으로 결합했다. 광음향 신호는 레이저를 색이 있는 부위에 조사하면 발생 되는데, 이 신호를 초음파 트랜스듀서로 감지한다. 기존 초음파 트랜스듀서는 불투명하여 레이저와 동축 결합이 불가능하였다. 하지만, 본 연구팀이 보유한 투명 초음파 트랜스듀서 기술을 이용해 작은 핸드피스 하나에 레이저와 초음파 트랜스듀서를 동축 결합하여 쉽게 광음향 신호를 검출 하도록 한 것이다. 그 결과, 연구팀은 청색 염료를 쥐에 주입 한 후 닭가슴살 아래에 있는 쥐의 겨드랑이 SLN을 광음향 검출기를 이용해 성공적으로 찾아내었다. 또한, 흑색종(악성 피부암)이 피하 주입된 쥐 위에 닭가슴살을 올려두고 광음향 검출기를 이용해 흑색종을 감지해 내어, 색이 있는 악성 종양 검출에도 사용할 수 있음을 확인하였다. 연구를 주도한 김철홍 교수는 ”우리가 개발한 광음향 검출기(PAF) 시스템은 감시 림프절을 검출하는 최초의 휴대용 광음향 감지 도구이다“라며 ”이번 연구성과를 통해 앞으로 방사능 물질을 사용하지 않고도 감시 림프절이나 흑색종을 검출하는 데 있어 큰 도움이 될 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 기초과학연구 및 국제 R&D 프로그램, POSCO 프로젝트, BK21 FOUR 프로젝트의 지원으로 수행됐다.

POSTECH-MPK 연구팀, 초임계 유체의 비평형 상분리 현상 관측

[POSTECH-MPK 연구팀, 초임계 유체 응용 연구 확장 위한 발판 마련] 초임계 유체에서 장시간 지속되는 비평형 상분리 현상이 국내 연구진에 의해 관측됐다. 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 막스플랑크 한국/포스텍연구소(MPK)·물리학과 김동언 교수 공동연구팀이 수 시간 지속되는 초임계 유체*1의 비평형 상분리 현상을 관측했다. 또한, 상분리 경계면에서의 입자 수송 모델을 통하여 장시간 지속되는 상분리 현상을 설명하고, 이 과정에서 나노 입자의 역할을 규명했다. 유체의 온도와 압력이 일정 수준 이상 높아지면 액체와 기체의 경계가 사라지고, 더 이상 상태 변화를 일으키지 않는 단상(single phase)의 초임계 유체로 존재한다는 점은 약 200년간 과학적인 상식으로 받아들여졌다. 하지만 2010년대에 이르러 초임계 유체는 온도와 압력 조건에 따라 액체 또는 기체의 특성을 가질 수도 있다는 연구 결과가 보고되었다. 이후 다양한 실험과 시뮬레이션을 통해 초임계 유체 영역 내에 다수의 상태가 존재함이 지속적으로 확인됐다. 그러나, 동일한 온도와 압력 지점에서 단상이 아닌 다수의 상이 공존하는 상태, 즉 일반적인 액체와 기체가 상분리되어 공존하는 것과 유사한 상태의 가능성에 대해서는 논의된 바가 없었다. 공동연구팀은 반복적인 압축-팽창 방식으로 작동하는 승압 장치를 사용하여 초임계 아르곤 유체를 만드는 과정에서 단열팽창 냉각으로 형성된 다량의 아르곤 액적이 액체의 특성을 유지하며 기체에 가까운 초임계 유체 배경과 공존하는 상태를 구현했다. 이러한 두 개 상이 분리된 채로 공존하는 상태는 장시간 지속되는데, 공동연구팀은 이를 설명하기 위하여 전통적인 증발 모델을 개량한 나노 입자 단위의 물질 수송 모델을 제시했다. 한편, 초임계 유체는 낮은 점성과 높은 용해도 등 특별한 물리, 화학적 성질 덕분에 발전소의 열교환 시스템이나 제약 공정, 반도체 세척, 식료품 가공 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 이번 연구에서 발견한 비평형 초임계 유체에서의 상분리 현상은 열용량, 열전도도, 점성과 같은 물리, 화학적인 특성에 큰 영향을 끼치므로, 산업에 활용되고 있는 초임계 유체 공정에 대하여 중요한 시사점을 갖는다. 또한, 이번 성과는 미개척의 분야라고 할 수 있는 초임계 유체의 비평형 상분리 현상을 최초로 규명하면서 연계 연구를 위한 초석을 마련했다는 점에서 학술적인 의의가 크다. 공동 교신저자로 참여한 윤건수 교수는 “비평형 초임계 유체에 대한 연구는 산업 공정에 대해서 뿐만 아니라 금성이나 목성과 같은 행성 대기, 화산 폭발, 지구 지각 내부에 존재하는 유체 등 자연계에 존재하는 다양한 초임계 유체의 특성을 이해하는데 기여할 것이다”라며, “실험 결과를 넘어서 비평형 상분리 초임계 유체를 이론적으로 해석하기 위한 연구를 수행하는 중”이라고 밝혔다. 이번 연구성과는 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’의 지난 7월 30일에 게재됐으며, 이 연구는 한국연구재단 및 막스플랑크 한국/포스텍연구소의 지원으로 수행됐다. 1. 초임계 유체 임계점 이상의 압력과 온도에 도달한 유체를 말한다. 유체의 종류에 따라 임계점은 다양한데, 이 연구에서 사용된 아르곤의 경우 임계점은 약 섭씨 영하 120도, 50기압이다. 초임계 유체는 낮은 점성과 매우 높은 열 전도율 및 화학적 활성도를 가진 것이 특징이며, 다양한 산업 분야에서 응용되고 있다.

신소재 정운룡 교수팀, 테이프 같은 도전(導電) 필름 개발...종이처럼 접어 주머니에 넣고 다니는 디스플레이 실현되나?

[고해상도 연신성 회로의 전기적 인터페이스를 위한 연신성 이방성 도전 필름(S-ACF) 개발] 요즘 전자제품이 변신 중이다. 접었다 폈다 할 수 있는 폴더블(Foldable) 휴대전화부터 손목에 착 감기는 롤러블(Rollable) 전자시계, 더 넓은 화면으로 확장되는 익스텐더블(Extendable) 디스플레이와 같이 유연한 전자기기가 생활 속으로 들어왔다. 정말 종이처럼 접어 주머니에 넣고 다니는 디스플레이가 실현될 수 있을까? 그러나 변형이 가능한 소자에는 유연한 부품들이 사용되어야 하는데, 아직 여러 부품을 연결해주는 인터페이스용 소재는 실용화의 핵심이나 기술이 확보되지 못한 상태이다. 최근 POSTECH 연구팀이 유연한 전자 소자들을 연결해주는 변형이 가능한 도전 필름을 개발했다. 신소재공학과 정운룡 교수와 통합과정 황혜진씨, 공민식씨 연구팀은 전자전기공학과 송호진 교수, 화학과 박수진 교수와의 공동연구를 통해 회로 라인의 강성, 유연성 또는 신축성 여부와 관계없이 다른 전극과 물리적, 전기적으로 연결할 수 있는 ‘연신성 이방성 도전 필름(stretchable anisotropic conductive film, S-ACF)’*1)을 개발했다. 이 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다. 늘어나는 디스플레이, 전자피부, 이식형 소자 등 연신성 소자 분야에서 형태 변형이 가능한 회로 기판(Circuit board)을 만드는 것이 기술이다. 형태 변형이 가능한 회로 기판은 배터리와 같은 충전형 에너지 공급 장치를 포함해 배선, 디스플레이, 센서 등 많은 소재 및 부품도 높은 연신성을 요구한다. 특히, 지금까지 고해상도의 회로를 연결하는 방식은 납땜, 와이어본딩, 이방성도전필름, 플립칩본딩 등이 있으나, 연신성 소자에서는 형태가 변하는 상황에서도 안정적으로 물리적, 전기적 특성을 유지해야 하는 과제가 남아있다. 이에 연구팀은 연신성 블록공중합체인 SEBS-g-MA에 금속 입자를 일정 간격으로 배열하고, 기판과의 화학결합을 통해 형태를 바꿀 때도 강한 계면 접착력을 유지하면서 전기적인 연결도 안정적으로 수행해줄 수 있는 연신성 이방성 도전 필름 S-ACF를 제작했다. 특히, SEBS-g-MA에 존재하는 무수말레산(Maleic Anhydride)은 기판 간에 화학결합을 가능하게 하여 저온에서도 강한 결합력을 만들어준다. 제작된 S-ACF를 결합하고자 하는 두 기판 사이의 계면에 배치하고 80℃ 저온 열처리를 약 10분간 해주었을 때, 전기적·물리적 연결이 완전하게 이루어짐을 확인할 수 있었다. 또한, S-ACF는 원하는 부분에 입자가 배열되도록 패터닝(patterning)할 수 있는데, 이는 전기적 연결이 필요 없는 부분의 고분자 접촉면적을 늘려주어 결합력을 높여주고, 금속 입자의 사용을 줄여 경제적이다. 이렇게 제작된 필름은 이전에 사용하던 이방성도전필름에 연신성을 더한 것으로, 고해상도 회로(50μm) 연결이 가능하며, 저온공정이 가능하고, 대면적으로 제작하기 쉽다는 특징이 있다. 정운룡 교수는 “이 필름을 이용하면 미래에 더 복잡한 구조의 소자들도 쉽게 연결해 줄 수 있을 것”이라며, “각각 독립적으로 연구되던 연신성 소자들을 하나의 기판, 하나의 통합된 시스템으로 통합, 제작하는 데에 초석이 될 것으로 기대한다”고 기대감을 밝혔다. 앞으로 연신성 비등방 도전 필름이 테이프의 형태로 제작된다면, 조금씩 떼어내어 누구나 쉽게 연신성 고해상도의 회로를 연결할 수도 있지 않을까? 한편, 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 장기적인 지원(2014-2018)으로 전도성 입자의 배열에 대한 기초 연구가 시작됐으며, 연구 결과물을 바탕으로 창업과 기술이전이 이뤄졌다. 실용화를 위한 추가 연구 개발을 통해 한국산업기술평가관리원 (KEIT)의 소재부품기술개발사업으로 신규 선정되어, 고정밀 비등방 도전 필름의 국산화를 추진하고 있다. 정운룡 교수는 “이 연구는 도전적인 기초 연구 투자가 사업화로 이어진 좋은 사례라 될 수 있기를 기대한다”고 덧붙였다. 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 이방성 도전 필름(Anisotropic Conductive Film) 두께 방향으로는 금속의 전도성을 갖지만 면 방향으로는 부도체의 특성을 갖는 얇은 필름을 뜻함. 복잡한 두 회로를 연결하는 것으로 디스플레이를 포함한 전자소자에 광범위하게 사용됨.