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화학 류순민 교수-심지훈 교수 공동연구팀, 분자 한 층 두께 테트라센 결정 최초 구현

[2차원 테트라센 결정...태양 전지 광흡수층으로 활용 가능] 흑연과 다이아몬드는 '탄소(C)'라는 물질로 이루어져 있다. 흑연으로부터 탄소 원자 한 층의 두께를 분리해낸 것이 바로 그래핀이다. 이렇게 같은 원자로 이뤄져 있더라도 그 수와 배열 상태에 따라 전혀 다른 물질로 구분된다. 최근 POSTECH 연구팀이 최초로 2차원 물질 사이에 샌드위치된 단일층 분자 결정을 구현했다. 화학과 류순민 교수·통합과정 구성현씨 연구팀은 화학과 심지훈 교수 연구팀, 일본 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science)와의 공동연구를 통해 약한 반데르발스 결합(van der Waals)을 하고 있는 테트라센(tetracene) 결정을 단일층으로 구현하여 광학적 물성을 보고했다. 이는 2차원 분자 결정 분야에서 첫 사례이다. 이 결과는 나노분야의 세계적 영향력을 지닌 학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 최근 게재됐다. 2004년 맨체스터대학 안드레 가임(Andre Geim) 연구팀이 기계적 박리법을 통해 흑연으로부터 탄소 원자 한 층의 두께를 가지는 그래핀을 분리한 이후 이차원 물질에 대한 연구는 폭발적으로 증가해왔지만, 이는 화학적 결합을 하는 무기 결정에 치우쳐서 발전해왔다. 테트라센과 같은 분자 결정은 약한 반데르발스 결합으로 구성되어 있기 때문에 이들을 분자 한 층 수준으로 만드는 것이 상당히 어려울뿐더러, 대기 조건에서 상당히 불안정하다. 연구팀은 그래핀이나 육방정 질화붕소(hBN)과 같은 2차원 무기 결정을 기판으로 사용해 단일층 테트라센 결정을 만드는 것에 성공했다. 또한, 여기에 건식 전사법을 이용해 hBN을 덮어 열과 빛에 대한 안정성을 크게 향상시켰다. 수십 마이크로 미터 크기의 단일층 테트라센 결정의 2차원 형태를 얻어내기 위해 원자 힘 현미경(AFM, atomic force microscope) 및 광역 발광 이미징(wide-field photoluminescence imaging) 방법이 도입됐다. 시료의 전자 구조를 알아내기 위한 편광 분리된 광학적 흡수, 방출 스펙트럼은 현미경이 결합된 마이크로 분광 장치로부터 얻었다. 연구팀은 2차원 테트라센 결정의 흡수와 방출 스펙트럼을 입사광의 편광에 따라 얻은 결과, 특정 각도에서 흡수와 방출이 최대가 되는 것을 발견했다. 이는 물질이 결정성을 가지고 있다는 것과 테트라센 결정의 배향을 흡수와 방출을 통해 실험적으로 결정할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 3차원 결정보다 크게 증가된 다비도프 분열(Davydov splitting)은 2차원 결정의 고유한 물성을 나타내는 지표가 된다는 사실을 확인했다. 이번 연구에서는 2차원 테트라센 결정을 육방정 질화붕소나 그래핀 사이에 가둠으로써 물질의 구조를 보존하고 광(光)안정성을 크게 향상시켰다. 결정의 광역 광발광 이미징 기법과 광학 2차 조화파를 이용해 수십 마이크로 크기의 테트라센 필름이 단결정화 됐고, 질화붕소 기판 위에 성장할 때 특정한 배향을 선호한다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 제일원리 계산을 통해 적층 구조에 대한 이론적 타당성을 확보했다. 이처럼 같은 유기 결정의 두께가 물성을 능동적으로 변조할 수 있다는 것이 확인됨으로써, 유기 결정을 이용한 OLED, 유기 광전 변환 공학 등으로 폭넓게 응용될 것으로 기대된다. 류순민 교수는 “테트라센 결정에서 일어나는 엑시톤의 비선형적인 증식이 태양 전지 효율의 열역학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 친환경적인 연구로 각광받고 있다”며 “2차원 테트라센 결정은 태양 전지의 광흡수층을 이루는 주요 물질로 사용될 수 있고, 저차원 분자 결정의 구조와 물성 연구의 시발점이 될 것이다”라고 말했다.

기계 김동성 교수팀, 생산 효율 높인 체외 세포 배양 플랫폼 제작 공정 개발

[나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩의 혁신적인 제작 공정 제시] 미세유체 칩은 액체가 흐르는 직경이 매우 작은 유로(流路)이다. 미세유체 칩 기술은 생체적합성이 높아 체외 조직이나 장기 모델을 만드는 데 필요한 세포를 배양하는 플랫폼으로 주목받고 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩을 제작하는 획기적인 공정법을 내놓았다. 기계공학과 김동성 교수, 석사과정 류준열씨, 통합과정 윤재승씨 연구팀은 생체 기저막을 모사한 나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩의 생산효율을 안정적이고 획기적으로 높일 수 있는 공정을 개발했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회 매크로 레터스(ACS Macro Letters)’ 7월 12일자 표지논문(Supplementary cover)으로 선정됐다. 나노섬유 멤브레인은 수십~수백 나노미터 직경의 나노섬유로 이루어진 얇은 반투과성 막으로, 물질 투과가 가능한 다공성 구조와 높은 비표면적 특성을 가진 소재로 환경, 에너지 분야에서 고효율 필터로 활용됐다. 최근에는 생체의 세포외기질(Extracellular matrix, ECM)과 유사한 나노섬유 구조를 활용하는 재생 의료 분야 뿐 아니라, 나노섬유 멤브레인을 미세유체 칩에 결합하여 체내 조직의 복잡하고 정교한 물리·화학·구조적 환경을 체외에서 구현할 수 있는 세포배양 플랫폼 개발이 각광받고 있다. 하지만 나노섬유 멤브레인이 가지는 약한 기계적 강성과 복잡한 표면 구조로 인하여 나노섬유 멤브레인을 미세유체 칩에 결합하는 것은 매우 어렵고 정교한 공정을 수반한다. 또한, 나노섬유 멤브레인을 만드는데 주로 활용되는 전기방사 공정 과정에서 미세유체 칩 제작 재료인 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 적용할 경우, 그 재료적 특성으로 인해 전기방사의 효율을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 나노섬유로 인해 거칠어진 표면으로 인해 미세유체 칩의 결합을 어렵게 한다. 연구팀은 나노섬유 멤브레인이 결합된 PDMS 미세유체 칩에 기능층(SNUP)을 적용하는 간편한 제작 공정을 소개했다. SNUP는 은-나노와이어(AgNWs)가 내장된 경화되지 않은 PDMS 접착층으로, PDMS 미세유체 칩으로의 전기장 집중을 향상시켜 전기방사 효율을 높이고, 결합되는 칩의 표면을 매끄럽게 만들어 견고한 결합을 가능케 하는 기능을 한다. 이렇게 SNUP이 적용된 미세유체 칩은 기존 제작 공정에 비해 약 4배 이상 향상된 생산 효율을 보였다. 이렇게 제작된 미세유체 칩을 이용해 인간 피부각질 세포(epithelial keratinocyte HaCaT cell)를 실제 배양해본 결과, HaCaT 세포가 7일 동안 95% 이상의 생존율을 보였다. 김동성 교수는 “은-나노와이어와 PDMS로 이루어진 기능층을 활용해 간단한 공정으로도 견고한 나노섬유 멤브레인이 결합된 미세유체 칩을 구현하는 혁신적인 방법이다”며, “체내 조직의 나노 구조와 미세유동 환경을 구현할 수 있는 초정밀 체외 세포 배양 플랫폼을 대량생산할 수 있는 기반 기술이 될 수 있다”고 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업 및 나노·원천기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구이다.

기계 조동우 교수팀, 암 치료도 맞춤시대, 인공 암으로 미리 테스트해본다

[인-시투(in situ) 프린팅 기술 이용한 체외 암-혈관 모델 개발] 일반적으로 항암 치료는 종양의 유전체와 분자적 배경에 따라 환자마다 다른 결과를 초래한다. 만약, 환자에게서 채취한 암세포나 줄기세포를 배양해 약물 반응을 사전에 시험해보고, 환자에게 맞는 치료제를 찾는다면 어떨까? POSTECH 연구팀이 3D 바이오 프린팅 기술을 이용해 혈관화된 전이성 암 체외 모델(in vitro model)을 제작하는 데 성공함으로써 개인별 맞춤 암 치료의 길이 열렸다. 기계공학과 조동우 교수·통합과정 조원우씨, 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수, 베이징 이공대학 가오그 교수 연구팀이 3차원 세포 프린팅 기술을 바탕으로 탈세포화 세포외 기질 바이오잉크 배스(Bioink bath) 내에 전이성 흑색종의 특징을 모사하는 암 스페로이드(cancer spheroid)를 바로 프린팅할 수 있는 인-시투(in situ) 세포 프린팅 기법을 개발했다. 또, 이 기술을 이용해 다양한 직경을 가지는 암 스페로이드를 혈관과 함께 제작하는 데 성공했다. 이번 연구의 성과는 국제학술지 '스몰 메소드(Small Methods)'에 지난달 14일에 게재됐으며, 표지논문(Inside Front Cover)으로 선정됐다. 실제 암과 유사한 성질을 가지는 체외 모델을 제작하기 위해서는 암 세포들을 서로 응집된 스페로이드(3차원으로 배양된 세포의 원형집합체) 형태로 배양하는 것이 중요하다. 특히, 암이 진행되는 동안 암의 크기와 혈관으로부터의 위치는 암의 저산소증(hypoxia), 이로 인한 주변 혈관으로부터의 혈관신생(angiogenesis)을 크게 좌우하기 때문에 암의 전이를 보다 정확하게 재현하기 위해서는 이러한 특성들을 모사할 수 있어야 한다. 하지만 제작 기술의 한계로 인해, 이러한 암의 병리학적 특성들을 모사한 체외 모델은 지금까지 보고된 바가 없다. 연구팀은 3차원 암 스페로이드를 손쉽게 제작할 수 있는 세포 프린팅 기술을 개발했다. 크기 조정과 위치 제어가 가능한 3D 암 스페로이드(500–1000µm)를 바이오잉크 내에서 직접 프린팅하는 방법이다. 연구팀은 스페로이드의 크기 조절을 통해 저산소증 영역 형성을 확인하고, 전이 관련 유전자 발현 정도를 비교했다. 또한, 바이오잉크 배스 내에 혈관 내피세포로 구성된 관류(貫流) 가능한 혈관을 암 스페로이드와 함께 프린팅하여 체외 암-혈관 모델을 제작했다. 이렇게 혈관으로부터 다양한 거리에 암 스페로이드를 프린팅함으로써, 혈관과의 거리에 따른 암의 전이 양상의 변화를 관찰할 수 있었다. 또한, 실제 암의 미세환경(tumor microenvironment)에서 발생하는 혈관의 기능 장애와 새로운 혈관 생성뿐만 아니라 염증 현상까지 암과 혈관 사이의 거리 조절을 통해 유발할 수 있음을 확인했다. 조동우 교수는 “이번 연구를 통해 균일한 크기의 암 스페로이드를 빠른 시간에, 원하는 위치에 프린팅 할 수 있게 됐다”며 “실제 혈관의 구조를 모사한 체외 혈관과 함께 암 스페로이드를 프린팅함으로써 암이 혈관으로 전이되는 양상을 보다 정확하게 재현할 수 있었다”고 설명했다. 같은 암이라고 할지라도 환자마다 진행양상이 다르고, 암의 유전자 변이 상태도 다르기 때문에 개인별 맞춤치료가 필요하다. 이번 연구를 통해 추후 다양한 암 환자 유래 세포를 이용한 ‘환자 맞춤형 체외 암-혈관 모델’을 제작할 수 있는 가능성을 확인했다. 앞으로 효과적인 암 치료 방법을 찾을 수 있는 유망한 플랫폼이 될 것으로 기대된다. 이 연구는 한국연구재단 창의적 연구사업, 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

화학 김원종 교수팀, 염증은 ‘콕’ 찍어 캐내고, 약물은 ‘딱’ 맞춰 전달한다

[류머티즘 관절염 복합치료를 위한 일산화질소 포집 및 감응성 약물방출 하이브리드 하이드로젤 개발] 아침이면 관절이 뻣뻣하거나 아프면서 열이 나고 붓는 경험이 있었는가? 손과 손목, 발과 발목처럼 여러 관절 부위에서 발생할 수 있는 만성 염증성 관절 질환인 류머티즘 관절염은 아직까지 발병 원인이 확실히 밝혀지지 않았다. 그만큼 염증을 완전히 제거하는 치료제를 찾기는 어렵다. 이에 POSTECH 연구팀이 염증은 콕 집어 없애고, 약물은 염증 부위에 정확하게 전달하는 치료법을 내놓았다. 화학과 김원종 교수, 통합과정 김태정씨 연구팀은 ㈜옴니아메드와 공동연구를 통해 류머티즘 관절염증이 있는 부위에 주사기로 주입하면 주입과 동시에 염증을 일으키는 일산화질소와 반응하여 국소적으로 부작용 없이 일산화질소를 제거하고, 치료 약물은 전달하는 하이브리드젤을 개발했다. 이 연구성과는 재료 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐으며, 표지(inside front cover) 논문으로도 선정됐다. 류머티즘 관절염을 포함한 다양한 염증 질환에서 과발현된 일산화질소는 통증을 동반한 염증을 일으키고, 염증성 면역세포를 비정상적으로 활성화해 증상을 더욱 악화시킨다. 염증을 없애기 위해서는 과발현된 일산화질소를 선택적으로 포집하는 것이 중요한데, 지금까지 개발된 일산화질소 포집 하이드로젤은 국소 부위에 직접 주사할 수 없거나, 주사가 가능하더라도 다른 부위로 쉽게 빠져나가기 때문에 부작용 없이 일산화질소를 제거하는 데 한계가 있다. 특히, 정상 농도 범위의 일산화질소는 생체 내에서 중요한 역할을 하기 때문에 주사 부위가 아닌 인체의 전신이나 다른 부위에서까지 일산화질소를 제거할 경우 오히려 부작용을 일으킬 수 있다. 연구팀은 염증 부위에 손쉽게 주사할 수 있고, 국소 부위에서 오랫동안 지속하면서도 염증 정도에 따라 항염증제를 선택적으로 조절할 수 있는 하이드로젤 포집체를 설계했다. 먼저, 주사기를 이용해 직접 주입할 수 있도록 액체 형태로 제작하고, 항염증 약물을 담지 할 수 있는 고분자 자가조립체를 가교시켰다. 이렇게 제작된 하이드로젤은 환부에 주입 시 즉시 하이드로젤로 변환하여 표적 부위에 과발현된 일산화질소를 포집하여 제거한다. 또한, 나노미터 사이즈의 자가조립체를 포함한 하이드로젤은 외부의 압력에 의해 붕괴되더라도 자가치유되어 관절 부위의 점성 보충에 도움이 될 수 있다. 연구팀은 세포 및 소동물실험을 통해 하이브리드 하이드로젤이 염증 부위에서 비정상적으로 높은 일산화질소를 포집하고, 이후 가수분해되어 농도에 따라 약물을 전달하는 것을 확인했다. 뿐만 아니라, 항염증제인 덱사메타손을 이 하이드로젤에 담아 류머티즘 관절염 모델에 주사했을 때 염증 증상이 크게 완화됨을 확인했다. 김원종 교수는 “이번에 개발된 하이드로젤은 류마티스 등의 자가면역질환에서 염증반응을 일으키는 주요 물질인 일산화질소가 있으면 이에 반응하여 약물을 방출하고, 일산화질소를 제거하여 질병을 치료하는 획기적인 물질이다”며, “이 하이드로젤 포집 시스템은 다양한 염증성 질환에 간단한 공정으로 적용할 수 있으므로 현재 시판되거나 임상 시험 중인 치료법에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, ICT명품인재양성사업, 기초연구실 사업의 지원 그리고 ㈜옴니아메드와 POSTECH의 산학과제로 수행됐다.

IT융합·기계 장진아 교수팀, 대체 장기 기술, 체내 장기 기능을 모사하여 실제 대(大)체적 크기로 제작하다

[한·뉴질랜드 공동연구팀, 光개시 탈세포화 세포외 기질 바이오잉크 개발] 바이오잉크란 3D 또는 4D 프린팅을 통해 체내 조직이나 장기를 만들 때 사용되는 소재이다. 세포를 보호하여 프린팅 후 세포 생존을 유지할 수 있는 환경을 만드는 것이 바이오 프린팅 기술의 핵심으로 꼽힌다. 최근 한 연구팀이 독성은 줄이고 세포 친화적일 뿐만 아니라 물성을 향상시킨 바이오잉크를 개발해, 대(大)체적의 장기를 제작하는 방안을 제시했다. IT융합공학과·기계공학과 장진아 교수, 기계공학과 김현지 박사, IT융합공학과 강병민 씨 연구팀은 뉴질랜드 오타고대학(University of Otago) 쿤 림(Khoon S. Lim) 교수, 스티븐 쿠이(Steven Cui) 박사 연구팀과 공동으로 임상에 적용할 수 있는 광 개시가 가능한 탈세포화 세포외 기질*1 바이오잉크를 제작하는 데 성공했다. 이 연구성과는 최근 귄위 있는 과학저널인 '어드밴스드 펑서널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐으며, 표지논문(Front cover)으로도 선정됐다. 지금까지 연구된 바이오잉크는 체내 세포외 기질의 특이적 성분 중 일부만을 가질 뿐 세포에 체내와 유사한 환경을 제공하는 데에 한계가 있었다. 뿐만 아니라, 바이오잉크의 프린팅 효율을 높이기 위해서는 UV 광 개시제를 이용하거나, 다른 물질과 섞어야 했다. 하지만, UV 광 개시제는 독성을 가지기도 하지만, 급진적인 화학반응으로 체내 활성 산소를 만들어 세포에 유해한 한계점을 지닌다. 또한, 다른 물질과 섞는 경우, 세포 친화적인 바이오잉크의 비중이 줄어 세포 친화성과 관련한 기대효과도 떨어진다. 연구팀은 가시광선 광 개시가 가능한 세포외 기질 바이오잉크(dERS)를 개발하여, 세포외 기질 내 타이로신이라는 아미노산의 내부 추가 결합을 유도함으로써 접힐 수 있고 비틀 수 있는 유연한 체적 구조체를 제작하는 데 성공했다. 해당 바이오잉크는 기존의 물질들과 달리, 대체적의 구조체를 제작할 수 있음에도 세포의 독성을 줄이고 세포외 기질의 효능을 그대로 가진다는 특징이 있다. 이렇게 제작된 바이오잉크로 각막과 심장을 프린팅했을 때, 실제 구조를 재현할 수 있을 뿐만 아니라 완벽하게 조직 재생능을 가지는 것을 검증했다. 장진아 교수는 "dERS는 봉입된 세포에 대한 조직 특이적 성능을 구축하고 센티미터 규모의 살아있는 체적 구조체를 제작할 수 있다"며 "추가 재료 및 공정 없이 하이드로 겔 기반 구조물을 생산할 수 있기 때문에 조직 공학 및 재생 의학에 적용할 수 있는 새로운 길을 개척할 것으로 기대된다"고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 개인기초지원사업 중견연구, 나노원천기술개발사업, 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트, 한국연구재단 창의·도전 연구 기반 지원, 창의적 연구 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 세포외 기질(extracellular matrix) 세포 밖에 존재하지만, 세포와 밀접하게 연관된 고분자들(콜라겐, 엘라스틴, 당단백질, 성장 인자 등)로 이루어진 삼차원적 망 구조체(network structure)를 말한다.

화학 박문정 교수-첨단재료 손창윤 교수 공동연구팀, ‘데드존’ 없는 전고체 배터리용 고분자 전해질

[POSTECH 공동연구팀, 고분자 전해질의 정전기적 계면 활용한 이온 전도 향상] 전기차의 수요가 늘어나면서 태생적으로 폭발이나 화재의 위험이 있는 리튬이온전지를 대체할 차세대전지인 전고체 전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 전고체 전지의 낮은 이온 전도율은 전기차 대중화의 발목을 잡고 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 이온 전도율을 떨어뜨리는 ‘데드존(dead zone)’ 없는 폴리머 전해질을 개발함으로써 전고체 배터리의 상용화가 눈앞으로 다가왔다. 화학과 박문정 교수·통합과정 민재민씨 연구팀과 첨단재료과학부 손창윤 교수 연구팀이 정전기적 상호작용에 의해 구조를 제어할 수 있는 새로운 고분자 고체 전해질을 개발했다. 이 연구는 기존의 2차원 패턴의 구조에 필연적으로 존재하는 ‘데드존(dead zone)’에서 이온의 이동도가 크게 떨어지는 문제점을 근원적으로 해결한 연구로 주목받고 있다. 이 연구성과는 에너지·화학 분야 권위지 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 게재됐다. 아직까지 에너지 저장장치의 대부분 리튬이온전지이다. 리튬이온전지에서 이온은 액체로 된 전해질에 의해 이동하게 되는데, 조그만 손상에도 이 전해액에 누출되어 화재나 폭발로 이어질 수 있어 불안정하다. 이런 단점을 극복하기 위해 고체상태의 전해질을 사용하는 것이 전고체 전지이다. 특히 고분자 자체의 유연한 특성 때문에, 고분자 전해질 기반 전고체 전지는 충돌에도 안정적이고 인화성이 없어 화재로 이어질 위험이 낮다. 뿐만 아니라 같은 무게와 크기의 리듐이온 배터리와 비교했을 때, 에너지 밀도가 1.5배에서 1.7배가량 높아 더 오래가는 이점이 있다. 전고체 전지는 리튬이온전지와 달리 음극과 양극 사이에 분리막이 없이 전극과 전해질만으로 구성돼있는데, 연구팀은 고분자 전해질 내의 정전기적 힘을 제어함으로써 새로운 나노구조의 전해질을 개발했다. 정교한 합성법을 통해 서로 다른 정전기적 상호작용이 일어나는 이종의 고분자 전해질을 합성하고, 이 전해질의 나노구조를 X선 소각 산란 실험으로 확인했다. 또한, 광범위한 분자 역학(extensive molecular dynamics) 시뮬레이션을 통해 컴퓨터를 기반으로 전해질 내부의 이온분포를 국내 최초로 계산했다. 그 결과, 수 옹스트롱(Å)*1 단위에서 전하분포를 규명하고 실험결과와 일치함을 입증했다. 이 연구는 이종금속에서만 나타났던 특별한 나노구조를 고분자 전해질 소재로부터 관측했다는 것이 독창적이며, 이 나노구조가 형성되는 원인을 실험과 이론적 계산을 통해 체계적으로 규명했다는 점에서 의의가 크다. 또한, 고분자 전해질에서 Å단위에서 전하분포를 제어함으로써 2차원 패턴구조 대비 10배 이상의 높은 전도도를 가지는, 단단한 고체 전해질을 구현할 수 있는 방법을 제시한 첫 사례이다. 특히, 고분자 전해질 합성 분야에서 세계적인 선두그룹을 유지하고 있는 박문정 교수와 AI시대를 맞이하여 그 중요성이 날이 갈수록 부각되고 있는 컴퓨터 계산 전문가인 손창윤 교수와의 만남이 큰 시너지를 냈다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “새로운 나노구조는 기존에 획일적으로 보고되던 2차원적 구조와 비교해 큰 폭의 전도도 향상을 가능케 한다”며, “이번 연구를 기반으로 전고체 전지의 상용화를 앞당기고 안전한 배터리를 개발하는데 기여할 수 있을 것이다”고 기대감을 밝혔다. 한편, 이 연구는 연구재단 중견연구자 사업, 연구재단 미래소재디스커버리 사업, 연구재단 선도연구센터 사업, 신진연구자 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 옹스트롱(Å) 빛의 파장, 원자 사이의 거리를 재는 데 사용하는 길이의 단위. 원자·분자의 크기나 결정의 격자 간격은 1Å 정도이다.

화학 이인수 교수팀, 빛으로 화학반응 조절하는 ‘코어@쉘’ 촉매 개발

[원자두께의 금속 나노박막 코팅으로 광촉매 성능·내구성 ↑] POSTECH 연구팀이 원자두께의 금속박막을 지니는 '코어(core)@쉘(shell)‘ 나노결정을 이용해 플라즈몬 광촉매의 성능을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다. 쉘로 둘러싸인 코어의 구조를 가지는 코어@쉘 나노결정들은, 코어와 쉘을 이루는 서로 다른 물질들의 시너지 효과를 활용하여 촉매, 전자, 디스플레이 분야 등에 응용될 수 있다. 특히, 빛을 받으면 표면이 활성화되는 광학 성질을 지니는 플라즈몬 나노입자(금, 은)로 코어의 표면을 촉매로서 높은 활성을 가지는 금속(백금, 팔라듐, 로듐, 루비듐) 쉘로 코팅한다면, 광에너지를 화학에너지로 변환하는 광-촉매 하이브리드 시스템의 개발을 기대할 수 있다. 효율적인 광-촉매 하이브리드 시스템을 형성하기 위해서는, 플라즈몬 코어에 매우 얇은 금속 쉘을 코팅하는 기술이 필요하다. 하지만 지금까지 알려진 방법을 이용하면 두꺼운 금속 쉘이 형성되거나 코어 물질에 변형·손상을 일으키게 되어서, 코어 물질의 플라즈몬 특성을 크게 감소되는 문제를 지니고 있다. 화학과 이인수 교수 연구팀에서는 속 빈 실리카 나노입자의 내부 공간에 플라즈몬 나노결정을 넣음으로써, 기존의 방법에서 두꺼운 쉘 성장을 일으켰던 요소들을 제거하고, 동시에 플라즈몬 나노입자들이 용액 속에서 개별적으로 분리될 수 있는 나노공간한정 시스템을 만들었다. 여기에 광원을 조사(照射)하여 플라즈몬 나노결정의 표면을 단원자 두께의 매우 얇고 균일한 금속 박막으로 코팅하는 데에 성공했다. 마치 캡슐 안에 들어있는 알약의 표면을 얇은 막으로 코팅하는 것과 유사하게 표현할 수 있다. 이렇게 얇게 코팅된 금속 박막은 코어 물질의 광학적 특성에 영향을 미치지 않았으며, 쉘의 촉매 성능과 코어 물질의 플라즈몬 특성이 효과적으로 결합된 하이브리드 광촉매 물질을 합성할 수 있었다. 특히, 플라즈몬 금 나노막대에 백금 박막을 얇게 코팅시킨 금@백금 하이브리드 나노결정은, 근적외선을 에너지원으로 사용하여 유기분자를 변환하는 광촉매 반응에서 매우 높은 에너지 전환율과 빠른 촉매반응 속도를 나타냈으며, 여러번에 걸쳐 반복된 사용 후에도, 촉매의 활성에는 손실이 없었다. 뿐만 아니라 이 방법을 이용하면, 다른 표면 곡률을 가지는 다양한 플라즈몬 나노입자 표면을 각기 다른 광원을 이용하여 독립적으로 코팅하고 활성화할 수 있어서, 혼합된 촉매물질들 중에서 특정 촉매의 활성을 선택적으로 원격제어하는 것이 가능하다. 연구를 주도한 이인수 교수는 “이번 연구에서 개발한 합성방법으로 다양한 형태의 플라즈몬 나노입자 표면에 촉매활성 금속들을 원자단위로 얇게 코팅할 수 있었다”며 “나노입자의 플라즈몬 특성이 잘 보존된 하이브리드 시스템은 금속 쉘과의 시너지를 통해 지속 가능한 에너지 변환, 생명 공학, 생물 의학 분야 등 다양한 분야에서 고효율 광촉매로 사용될 수 있을 것이다”고 기대감을 밝혔다. 화학과 이인수 교수, 아미트 쿠마(Amit Kumar) 연구교수, 박사과정 아누밥 아차야(Anubhab Acharya)씨 연구팀이 주도하고 POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, UNIST 조윤경 교수, 성균관대 오상호 교수가 공동연구원으로 참여한 이 연구는, 연구팀에서 개발하고 있는 고유한 ’나노공간한정 반응(NCCR)’을 바탕으로 연구된 결과로 세포의 기능을 인공적으로 조절하는 기술로도 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 화학 분야 세계적 권위지인 미국화학회지(J. Am. Chem. Soc.) 통해 발표된 이 연구성과는 다양한 활용 가능성에서 관심을 모아 표지논문으로도 소개됐다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다.

컴공·인공지능 황인석 교수팀, AI가 소통의 방아쇠가 되는 ’순간‘을 찾아드립니다

[POSTECH – KAIST - KOREATECH, 일상생활 밀착형 모바일-클라우드 AI 서비스 개발] 우연히 발견한 한 장의 사진은 사진을 찍었던 그 날의 분위기와 기분 그리고 추억까지 떠올리게 한다. 국내 연구팀이 개인의 추억을 소환하는 서비스를 넘어 공동의 추억을 소환하고 일상생활 속에서 세대 간 소통의 방아쇠가 되는 ’순간‘을 찾아주는 AI 서비스를 제안했다. 인간-컴퓨터 상호작용 분야의 세계 최고 수준 컨퍼런스인 ACM CHI 2021 (ACM SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems)'에서 POSTECH 황인석 교수팀과 KAIST, 한국기술교육대학교 공동 연구팀이 세대 간 소통에 긍정적인 변화를 유도하는 모바일 기반 일상생활 밀착형 AI 서비스인 ‘모멘트멜드(MomentMeld)를 소개했다. 교신저자인 컴퓨터공학과·인공지능대학원 황인석 교수는 “세대 간 사회적 교류의 감소는 고령화 사회 속 늘어나는 노년 세대의 삶의 만족도를 떨어뜨리는 부정적인 요소로 작용한다”며 “노년 세대와 자녀 세대 사이의 시대적 차이에도 불구하고 서로 공감하고 소통할 수 있는 단초가 필요하다”고 이번 연구의 배경을 설명했다. 공동 연구팀이 개발한 모멘트멜드는 노년 세대와 자녀 세대가 삶의 절대적인 시간대는 다를지라도 비슷한 맥락을 공유하고 있다는 점을 착안, 우리 일상에서 반복적으로 스쳐 가는 단편적 순간들을 포착해 세대 간 양방향 소통의 단초를 제공해주는 AI 기반 모바일-클라우드 복합 서비스이다. 현재 구글이나 페이스북 등에서 상용화된 ‘1년 전 오늘’과 같은 인공지능 기반 사진 추천 서비스는 개인의 사진첩 중에서 특정 시간, 특정 방문지에서 찍은 과거 사진을 추천해 사용자의 회상을 촉진하는 유형의 서비스이다. 또, ‘앨리스와 당신’과 같이 개인의 사진첩 중에서 특정인과 함께 찍은 사진들을 추천해 둘 사이의 추억을 떠올리게 하는 서비스도 있다. 개인의 사진첩에 한정되는 현존 서비스와는 달리, 모멘트멜드는 둘 이상의 사용자 각각의 사진첩에서 문맥적으로 연결돼있는 사진들을 찾아 추천함으로써, 사용자들 사이의 다른 시간대를 뛰어넘어 새로운 공감대를 발견하고 서로 회상을 촉진한다는 점에서 차별된다. 모멘트멜드는 스마트폰으로 사진을 촬영하는 순간으로부터 일련의 신호처리, 네트워킹, 기계학습 과정을 거쳐 최적의 MSM(Mutually Stimulatory Memento)을 추천해준다. MSM은 시간대는 다르더라도 장소나 표정 등 공통의 맥락을 공유하는 서로 다른 세대의 사진들을 병치함으로써 각 세대가 자연스럽게 자신의 스토리를 이야기하며 연결될 수 있도록 도와준다. 이 서비스는 공동 연구팀에서 설계한 복수의 심층 신경망 모델을 결합한 앙상블 AI 모델 및 모바일-클라우드 환경에서의 복합 런타임에 기반을 두고 있다. 공동 연구팀은 각기 3대(조부모, 부모, 자녀)로 구성된 가족을 대상으로 세대 간 소통의 양적, 질적 변화에 초점을 맞춰 검증을 진행하였다. 여섯 가족에게 8주 동안 모멘트멜드 서비스를 배포한 결과, 세대 간 소통이 양적으로 약 90%, 질적으로는 약 50% 정도 증가한 것을 확인할 수 있었다. 1저자인 KAIST 박사과정 강범수 씨는 “이 서비스의 기술적 실증 및 사용성 평가를 위해 사용자 스터디에 기반한 서비스 디자인, 앤드 투 앤드(end-to-end) 시스템 개발, 실사용자 배포, 장기간에 걸친 실험 등을 포괄적으로 수행했다”고 말했다. 또한, 공동저자인 한국기술교육대 강승우 교수는 “세대 간 공감대를 형성할 수 있는 소통의 단초를 제공해주는 모멘트멜드는 노년층의 사회적 위축이라는 우리 사회의 문제를 해결하고, 소통을 촉진하는 사회적 가치에 기여할 수 있다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업(주관기관: POSTECH)의 ‘실생활 밀착형 인간-AI 상호 액추에이션 프레임워크 및 응용서비스’ 사업, 정보통신기획평가원(IITP) ICT연구센터(ITRC)(주관기관: KAIST) ‘일상-항시적 건강 관리 Earable-IoT 플랫폼’ 사업의 지원으로 수행됐다.

IT융합 유선철 교수팀 (경북씨그랜트센터), 울릉도 양식장도 24시간 스마트하게 관찰한다

[경북씨그랜트센터, 스마트 양식 시스템 운영 시작] POSTECH이 울릉도 연안 양식장에 스마트 양식 시스템을 시범 설치하고, 운영을 시작했다. POSTECH 경북씨그랜트센터(센터장 유선철)와 한국해양과학기술원(KIOST) 울릉도·독도해양연구기지(대장 김윤배)는 울릉도 양식산업의 첨단화를 위해 ‘스마트 무선 양식 시스템’을 도입했다. 스마트 양식 시스템은 무선 수중카메라를 통해 어류 상황을 스마트폰 등으로 실시간 확인할 수 있는 첨단 시스템으로 POSTECH에서 개발했다. 전원공급이 어려운 해상환경을 극복하기 위해 초고효율 전장 시스템이 탑재됐고, 태양광 충전만으로도 장시간 모니터링이 가능하다. 또한, 특수 수중조명을 이용해 야간에도 어류의 활동성을 확인할 수 있다. 이번 울릉도 시범 사업이 양식의 불모지라 일컫는 울릉도에서 시작하는 만큼 도서 지역에 특화된 맞춤형 기술지원이 축적되면 앞으로 우리나라 수많은 섬에서의 양식 첨단화를 기대할 수 있을 것으로 기대가 크다. 유선철 센터장은 “세계 스마트 양식 기자재와 시스템 시장이 매년 9% 이상 성장하고 있다”며 “첨단 기술 융합을 통해 노후화되어 쇠퇴하고 있는 우리나라 양식업이 새로운 부가가치 창출로 이루어질 수 있도록 노력하겠다”고 말했다. 이 사업은 지역 해양현안을 해결하기 위한 해양수산기술지역특성화 사업으로, 해양수산부와 경상북도의 지원을 받고 있다. 한편, 유선철 센터장은 해양산업 고도화에 기여한 공로로 지난 23일 ‘제3회 문무대왕 해양대상’을 수상했다.

IT융합·기계 장진아 교수팀, 관상동맥 경화증 모사하는 3D 프린팅 폐색기 개발

[돼지 심근경색 모델 제작을 위한 맞춤형 3D 프린팅 폐색기 제작 성공] 인간을 대신해 살아있는 동물에게 약물을 투여하거나 외상을 입혀 그 반응을 조사하는 방법인 동물실험은 생물의 기능 규명에 크게 기여했으나, 개체 간 다양성으로 인해 같은 방법으로 질환 모델을 유도하더라도 그 결과는 다른 경우가 많다. 국내 연구팀이 3D 프린팅을 이용해 관상동맥 경화증을 모사하는 데 성공함으로써 불필요한 동물실험 개체 수를 줄이는 방법을 내놓았다. IT융합공학과·기계공학과 장진아 교수, 통합과정 정승만씨 연구팀이 전남대학교 의과대학 순환기내과 홍영준 교수, 김한별씨 연구팀과 공동으로 돼지 심근경색을 유도하는데 적용할 수 있는 맞춤형 3D 프린팅 폐색기를 제작하는 데 성공했다. 이 연구성과는 최근 바이오가공 분야의 귄위 있는 과학 저널인 '바이오 디자인 앤 메뉴팩터링(Bio-Design and Manufacturing)'에 게재됐다. 전임상실험은 새로운 약이나 의료기기를 사람에게 사용하기 전에 여러 종류의 동물에게 적용해 독성 부작용, 효과 등을 알아보는 것을 말한다. 이때, 실제 효능과 가까운 결과를 얻기 위해서는 재현성 있는 동물을 이용하는 것이 중요하다. 이런 면에서 돼지는 장기구조가 인간과 매우 비슷해 장기를 살펴보기 위한 전임상실험에 많이 이용된다. 심장질환 치료 효능 검증하기 위한 동물실험 중 대표적인 질환인 심근경색 모델은 허혈성 심장질환에 대한 줄기세포 또는 조직 공학 기술의 효과를 평가하는 데 널리 사용된다. 돼지에서 심근경색을 유도하기 위해 여러 가지 방법이 사용되나 대부분 실험자의 숙련도에 따라 효율이 결정되므로 실험 개체 간 차이가 매우 크게 나타나는 문제가 있다. 또한, 기존의 방법들은 관상동맥을 100% 막아버려 돼지의 사망률이 높아 이로 인한 반복 실험 등으로 비용이 급격히 증가한다. 연구팀은 인간의 개입을 최소화하고 정확성을 높이기 위해 3D 프린팅 기술을 도입했다. 돼지 모델에 혈관 조영술을 실시하여 관상동맥의 크기를 확인하고 이를 기반으로 실제 동맥경화로 인해 약 20%가량 좁아진 공극을 갖는 맞춤형 폐색기(occluder)를 개발했다. 이번에 개발된 3D 프린팅 폐색기는 중앙 모공을 통해 연속적인 혈류를 제공할 수 있어 심근경색 유도에 효율적이며, 최대 28일의 높은 생존율(88%)을 나타냈다. 이 방법은 기존의 대표적인 폐쇄 가슴 방법(생존율 50%)과 비교하면 매우 높은 생존율을 가지며, 만성 심부전 등 다른 허혈성 심혈관 질환을 모사할 수 있는 모델로 활용할 수 있다. 연구를 주도한 장진아 교수는 “줄기세포 및 첨단바이오융복합제제의 안전성 및 유효성을 평가하기 위해 신뢰도 높은 대동물 실험이 필수적이다”며 “3D 프린팅 폐색기를 활용하여 실험자들이 더 정확하고 편리한 방법으로 질환동물모델을 구현할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 산업자원통상부와 한국산업기술진흥원(KIAT), POSTECH의 국제공동기술개발사업, 전남대의 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행되었고 ㈜에드믹바이오와 함께 기술이전 및 상용화를 추진 중이다.