Research

기계·화공 노준석 교수팀, “창문 하나 바꿨을 뿐인데···” 투명성, 에너지 효율 동시에 잡는다

[POSTECH-고려대 공동연구팀, 태양 빛에 투명한 복사 냉각 소재 개발] 2016년 발효된 파리협정 이후 121개 국가가 '2050 탄소중립 목표 기후동맹'에 가입하는 등 전 세계가 화석연료 소비 줄이기에 나섰다. 우리 정부 역시 작년 12월 7일 '2050 탄소중립 추진전략'을 발표하면서 '탄소중립(Carbon Zero)'을 선언하면서 신·재생에너지로 전환이 화두가 되고 있다. 최근 POSTECH‧고려대 공동연구팀이 태양 빛을 반사하거나 투과시켜 에너지 소비를 줄일 수 있는 복사 냉각 소재를 개발했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·통합과정 김민경씨·이다솔 박사 연구팀과 고려대 신소재공학과 이헌 교수·손수민씨 연구팀과 공동연구를 통해 가시광 빛을 투과하고, 근적외선 빛을 반사하는 동시에 대기가 투명한 구간인 파장 8~13마이크로미터(μm) 구간에서는 열을 방사하는 투명 복사 냉각 소재를 개발했다. 이 연구는 광학 분야 국제 과학 저널인 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 최신호 표지논문(front cover)으로 선정됐다. 물체가 태양으로부터 에너지를 적게 받고, 복사열을 방출함으로써 온도를 낮출 수 있는 기술을 복사 냉각 기술이라고 한다. 지금까지 개발된 복사 냉각 소재는 태양광의 모든 빛을 투과하는 투명 방사 소재이거나 태양광의 모든 빛을 반사하는 불투명 소재로 제한돼 있었다. 이처럼 소재의 투명성은 복사 냉각을 실생활에 응용을 위한 중요한 특성이지만, 투명한 시스템에서 투과한 빛은 내부에 갇혀 오히려 온도를 올리는 주요 요인이 된다. 공동연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 투명 복사 냉각 소재 개발에 주목했다. 연구팀은 빛의 특성을 이용해 가시광은 투과하면서, 근적외선은 반사하고, 중적외선은 방사할 수 있는 소재를 제시했다. 이번에 개발된 투명 복사 냉각 소재는 근적외선의 빛을 선택적으로 반사시켜 투명성과 복사냉각 특성을 모두 가진다. 야외 옥상에서 실험한 결과, 흡수율이 높은 챔버의 내부 온도를 14.4°C 낮추고, 페인트를 발랐을 때도 소재 자체의 온도를 10.1°C 낮추는 것으로 나타났다. 노준석 교수는 “이번에 개발된 복사 냉각 소재는 투명성을 유지해야 하는 건물이나 전망대의 창문 또는 놀이기구나 탈 것의 창문으로 활용할 수 있다”고 말했다. 또한, “이 소재에 페인트를 발랐을 때도 냉각 효과를 유지하기 때문에 다양한 색을 연출할 수도 있다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 미래소재디스커버리사업, 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, RLRC 선도연구센터사업, 교육부와 한국연구재단의 글로벌박사장학생사업, 포스코 그린사이언스사업, POSTECH PIURI 펠로우십 사업의 지원으로 수행됐다.

환경 홍석봉 교수팀, 세계 촉매시장 판도 바꿀 제올라이트 촉매 합성 성공

[새로운 석유 접촉분해용 제올라이트 촉매 발견] POSTECH 연구팀이 정유·석유화학 산업에 새로운 전환점을 제공할 것으로 기대되는 제올라이트 원천소재를 찾아냈다. 연구결과는 7월 2일 세계 최고의 과학저널 ‘사이언스(Science)’ 온라인판에 게재됐다. 환경공학부 홍석봉 교수팀은 자체 개발한 합성전략인 ‘다중무기 양이온 방법’과 ‘전하밀도 비대칭 방법’을 이용, 3차원의 큰 세공(12-ring)*1을 가진 PST-32(POSTECH no. 32)와 SBS/SBT 공생구조*2의 PST-2 제올라이트를 합성했다. 홍 교수팀은 포항가속기연구소에서 측정한 분말 X-선 회절 데이터와 전자현미경 분석을 통해 이 두 제올라이트의 구조를 규명했다. 골격이 알루미늄과 실리콘으로 이루어진 제올라이트는 내부에 분자 크기(2 나노미터 이하)의 균일한 극미 세공을 포함하고 있는 나노다공성 결정으로, 독특한 형상 선택성 때문에 현대 화학산업에서 촉매 및 분리제로 널리 사용되고 있다. 특히, 둥지형(Cage-based)의 큰 세공(12-ring) 구조를 갖고 있는 제올라이트 Y는 원유로부터 수많은 종류의 화학제품을 생산하는 정유·석유화학 공정에 없어서는 안 될 핵심 촉매이다. 현재 전 세계 원유 생산량의 약 40%가 바로 제올라이트 Y 계열 촉매에 의해 가솔린과 같이 우리의 일상생활에 필수적인 제품으로 만들어지고 있다. 홍 교수팀이 새롭게 개발한 PST-32와 PST-2는 제올라이트 Y와 구조적으로 유사하나 다른 모양과 크기의 둥지들로 이루어져 있으며 열적 안정성도 우수하다. 또한, 이들 제올라이트는 연료로서 가치가 줄고 있는 경유를 분해, 기초화학 원료인 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 반응에서 제올라이트 Y보다 더 높은 촉매 활성을 나타내는 것으로 확인됐다. 이 연구에는 이화준 박사 그리고 한국화학연구원 석유화학 촉매연구센터 신지호 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 홍석봉 교수는 “제올라이트 Y 계열 촉매가 전 세계 촉매 시장의 10%(>100억 미국 달러)를 차지하고 있는 사실을 고려할 때, 사이언스가 PST-32와 PST-2의 학술적인 의미 외에도 기존 정유·석유화학 촉매 시장의 판도를 바꿀 수 있는 게임 체인저로 평가한 것 같다”며 “이번 연구가 국내 화학관련 소부장산업의 경쟁력 향상에 도움이 되길 기대한다”고 소감을 밝혔다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기초연구사업(리더연구자지원)으로 수행됐다. 1. 세공 제올라이트 세공의 크기는 세공 입구의 산소 원자 개수에서 그 크기를 가늠할 수 있음. 일반적으로 산소 원자가 8개, 10개, 12개의 고리로 구성된 세공은 3~4.5/4.5~6/6~8 Å의 크기를 가지며, 이들을 각각 작은 세공(Small-pore)/중간세공(Medium-pore)/큰 세공(Large-pore) 제올라이트로 분류함 2. 공생구조(Intergrowth) 물리적 혼합물이 아닌 제올라이트 결정 내에서 하나 이상의 구조가 동시에 존재하는 물질

전자 김철홍 교수팀, 갑상선 암, 이제 인공지능으로 진단한다

[머신러닝 기반 갑상선 결절 다중 매개변수 광음향 분석] 갑상선에 혹이 생기는 것을 갑상선 결절이라고 하고, 전체 갑상선 결절의 5~10%는 갑성선 암으로 진단된다. 갑상선 암은 치료 예후가 좋아 생존률도 높고, 재발도 적기 때문에 조기진단과 조기 치료가 특히 중요하다. 최근 국내 연구팀이 광음향 및 초음파와 인공지능 기술을 결합해 비침습 검사로 갑상선 결절과 암을 구분하는 방법을 제안했다. 전자전기공학과‧IT융합공학과‧기계공학과 김철홍 교수·박별리 박사 연구팀은 가톨릭대 서울성모병원 임동준 교수‧하정훈 교수 연구팀, 부산대 김지수 교수와 공동연구를 통해 실제 갑상선 악성 결절 환자와 양성 결절 환자로부터 광음향 영상을 획득, 인공지능으로 분석했다. 이번 연구는 세계적 권위지 ‘캔서 리서치(Cancer Research)’에 게재됐다. 현재 갑상선 결절 환자에 대한 진단은 초음파 영상을 이용한 미세 바늘 흡입 생검(FNAB, fine-needle aspiration biopsy)을 이용하여 수행된다. 그러나 FNAB의 약 20%가 정확하지 않다는 보고가 있으며, 그로 인해 불필요한 검사가 반복되는 문제가 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 빛을 이용해 초음파 신호를 얻는 광음향 영상법이 적용됐다. 빛(레이저)을 환자의 갑상선 결절에 쬐게 되면 갑상선과 결절 부위에서 초음파 신호가 발생한다. 이 신호를 획득해 처리하면 갑상선과 갑상선 결절의 광음향 영상을 얻을 수 있다. 이때, 여러 색의 빛을 이용하여 광음향 신호를 획득하면, 갑상선 및 갑상선 결절의 산소포화도 정보를 얻을 수 있다. 연구팀은 악성 결절의 산소포화도가 정상 결절의 산소포화도보다 낮다는 점에 착안해 갑상선 악성 결절 환자(23명)와 정상(양성) 결절 환자(29명)를 광음향 초음파로 촬영, 영상을 획득하고 분석했다. 다양한 색의 빛을 이용해 환자의 갑상선 결절에서 광음향 영상을 얻고 이를 통해 산소포화도 등의 정보를 계산했다. 이것을 머신러닝 기법으로 분석하여 갑상선 결절이 악성인지 양성인지를 성공적으로 자동 분류했다. 1차 분류 결과에서는 악성을 악성으로 분류하는 민감도가 78%, 양성을 양성으로 분류하는 특이도가 93%를 보였다. 2차로 머신러닝 기법으로 얻어진 광음향 분석 결과와 병원에서 사용되는 초음파 영상 기반의 초기 검진 결과를 결합했다. 여기서도 83%의 민감도와 93%의 특이도로 악성 갑상선 결절을 구분해 낼 수 있음을 확인했다. 한 발 더 나가 3차 분석에서 민감도를 100%로 유지할 때, 특이도는 55%가 나오는 결과를 얻었다. 이는 기존 초음파를 이용한 갑상선 결절 초기 검사의 특이도인 17.3%보다 (민감도는 98%) 약 3배 높은 수치였다. 결과적으로 악성이 아닌 양성 결절을 양성 결절이라고 제대로 진단할 확률이 3배 이상 높아졌으며, 이는 과잉 진단 및 불필요한 생검과 반복검사를 획기적으로 줄여, 과도한 의료비용을 낮출 수 있음을 보여준다. 김철홍 교수는 “이 연구는 최초로 갑상선 결절에 대한 광음향 영상 획득해 머신러닝 기법을 적용한 악성 결절 분류라는 점에서 가치를 지닌다”며 “또한, 이 연구결과를 볼 때, 갑상선 환자에 대한 초기 검사에서 불필요한 생검을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라, 이 기술은 유방암 등 다양한 다른 암에도 적용될 수 있다”고 말했다. 서울성모병원 임동준 교수는 “광음향 영상을 기반으로 한 초음파기기는 최근 건강검진이나 진료 중에 발견되는 많은 갑상선 결절에서 조직검사 횟수를 줄이고 효과적으로 갑상선암을 진단하는 데 큰 도움이 될 것이다”며, “추가적 임상연구를 통해 많은 갑상선 결절 환자에게 쉽게 적용될 수 있는 의료기기로 개발할 수 있다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단, 교육부 대학중점연구소지원사업 의료기기혁신센터(MDIC), 과학기술정보통신부 인공지능대학원지원, BK21 FOUR 프로젝트의 지원으로 수행됐다.

화학 이인수 교수팀, 뚜껑 열었다 닫았다 하며 세포 기능 조절하는 나노 구조체 합성

- 화학-효소 구획된 실리카 나노 반응기 설계 - 살아있는 세포 내부 인공 촉매 세포 기관으로...세포 기능 조절 가능 코로나19 백신 접종이 속도를 내면서 일상으로의 복귀도 기대가 높아지고 있지만 희귀 혈전증 같은 예기치 못한 부작용 때문에 두려움 또한 커지고 있다. 생명 활동은 체내의 물질이나 에너지가 이동하면서 유지되는데, 특정 효소나 보조 인자를 수용하기 위한 세포 기관이나 세포의 핵심 구조가 존재해 화학반응이 조절된다. 세포를 모방한 인공 소기관과 같은 합성 촉매의 활성과 효소의 특성을 모두 갖는 나노 반응기는 약물과 같은 병원체에 대해 신체에 반응을 보일 수 있는 자연의 거울상 이성질체 생체 활성 분자를 선택적으로 합성하는 플랫폼을 생성할 수 있다. 그러나 지금까지 이런 플랫폼을 위한 합성 촉매와 효소의 기능을 동시에 갖는 나노 반응기는 보고된 적이 없다. 최근 POSTECH 연구팀이 세포 내에서 인공 소기관과 같이 작용하면서 하나의 거울상 이성질체를 선택적으로 합성할 수 있는 화학-효소 나노 구조체를 합성했다. 화학과 이인수 교수, 아미트 쿠마(Amit Kumar) 연구교수, 박사과정 김선옥 씨 연구팀이 세포 안에서 거울상 이성질체의 선택적 합성을 수행하기 위한 인공 소기관과 같은 실리카 나노 반응 구조체(SiJAR)를 설계하는 데 성공했다. 이 연구성과는 화학 분야 권위 학술지인 앙게반테케미(Angew. Chem. Int. Ed.) 표지 논문(Front Cover)으로도 선정돼 21일 온라인에 게재됐다. 세포 내 응용을 위한 나노 구조체를 설계하는데 있어 우선 고려해야할 점은 비활성화로부터 효소를 보호하는 것과 함께 촉매 나노 결정의 반응 표면을 안정적으로 공동 국소화하고 유지하는 것이다. 지금까지 촉매 나노결정이나 효소 또는 둘 모두를 수용하는 자연 유래 중공(中空, 속이 빈) 나노 구조체의 촉매 작용은 실험적으로만 입증됐을 뿐 생체에 적용되지 못했다. 미세 다공성의 밀폐된 나노 구조체의 경우, 외부의 촉매 나노결정이나 단백질과 같은 대형 생체 분자를 내부로의 수용을 제한해 공동 국소화가 어렵기 때문이다. 연구팀은 시공간적으로 제어되는 열 변환 화학을 이용해 반응기 일부분의 화학적 조성을 변경하여 화학적 반응이 가능한 금속 규산염 뚜껑이 있는 둥근 항아리 모양의 SiJARs를 합성했다. SiJAR의 분할된 구성으로 인해, 갈바닉 반응으로 뚜껑 부분에 다양한 귀금속 촉매(Pt, Pd, Ru)들이 선택적으로 치환될 수 있다. 이후, 온화한 산성 조건 또는 세포 내 환경에서 뚜껑이 열리게 되고, 뚜껑의 잔류 금속 촉매를 내부로 이동시키면서 뚜껑 부분은 넓은 통로를 형성한다. 이러한 열린 구조는 대형 효소를 수용하여 캡슐화를 더욱 용이하게 한다. 이번 연구를 통해 만들어진 나노 반응기는 생체 적합성이 높은 실리카로 이루어져 있고, 촉매 나노결정이나 대형 생체 분자를 개방형 실리카 반응기 안에 보호함으로써 효소-금속 협력 전이 상태 안정화를 통해 높은 거울상 선택성으로 비대칭 알돌반응*1을 수행했다. 또한, 살아있는 세포 내부에서도 안정적으로 반응을 수행하여 인공 촉매 세포 기관으로서도 기능하는 것으로 확인됐다. 이러한 정교한 고체상 변환 전략을 통해 맞춤화가 가능한 하이브리드 화학 효소 나노 반응기는 세포 내 소기관과 유사한 구조 및 기능을 갖으며, 실제 세포 내에서 국소적으로 활성을 보이는 치료제나 이미징 프로브를 합성하는 것과 같은 자연 촉매 작용을 위한 플랫폼을 만들어 선진 바이오 이미징, 치료에 쓰일 수 있다. 연구를 주도한 이인수 교수는 “고유한 나노 공간 한정 반응(NCCR)*2)“을 이용한 연구결과로 세포의 기능을 인공적으로 조절하는 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다. 1. 비대칭 알돌반응 비대칭 알돌반응은 알돌반응에서 하나의 거울상 이성질체로의 선택적 합성을 하는 반응을 말한다. 왼손과 오른손처럼 좌우가 서로 뒤집혀 대칭을 이루는 것처럼 분자식은 같지만 구조가 다른 화합물을 거울상 이성질체라고 하며, 두 거울상 이성질체 중 한가지만을 선택적으로 합성하는 것이 비대칭 반응이다. 만들어지는 두 거울상 이성질체의 양의 차이가 클수록 거울상 선택성이 높다고 한다. 알돌반응은 두 개의 카보닐화합물 (산소-탄소 이중결합을 갖는 물질)이 결합하여 새로운 탄소-탄소 결합을 만드는 반응 중의 하나이며, 반응 결과물로 두 가지 거울상 이성질체가 만들어질 때 반응 과정에서 중간체 구조의 안정성과 입체 장애(분자 내 서로 접근 해 존재하는 원자단 사이의 반발력 때문에 불안정해짐)에 의해 최종 생성물의 거울상 이성질체가 결정된다. 2. 나노 공간 한정 반응(NCCR) 수십 나노미터 크기의 제한된 공간 내에서 나노입자 및 주변의 화학반응(고체상·용액상·인접한 표면)을 연구

전자 이병훈 교수팀, ‘이미지 센서의 눈’ 그래핀으로 밝히다

[그래핀-실리콘 포토디텍터의 광검출능 향상법] 디지털카메라나 휴대전화기에 내장된 포토센서는 이제 이미지를 인식하는 차원을 넘어 지문인증이나 얼굴인식 등 생체 인식도 가능해졌다. 물체의 이미지를 인식해 ‘이미지 센서의 눈’이라고 불리는 광검출기, 즉 포토디텍터는 그만큼 더 정교하고 안정된 인식능력이 요구된다. 간편한 방법으로 포토디텍터의 광검출 능을 높이는 방법이 개발됐다. 전자전기공학과 반도체 기술 융합센터(CSTC) 이병훈 교수, 유태진 박사 연구팀이 그래핀/p형 실리콘 접합구조를 이용해 고효율 포토디텍터를 제조하는 데 성공했다. 특히, 그래핀을 미리 도핑하는 간단한 방법만으로 검출도와 암전류 특성을 쉽게 개선하는 것이 주목할만한 결과이다. 이번 성과는 국제학술지 '레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)‘ 16일자에 게재됐다. 포토디텍터는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 광검출기이다. 연구팀은 기존의 포토디텍터에 그래핀을 폴리에틸렌이민(PEI) 도핑하고, 쇼트키 장벽 높이를 0.42eV에서 0.68eV로 조절함으로써 크기가 작은 신호를 감지하도록 성능 개선에 주력했다. 이 방법처럼 쇼트키 장벽 높이를 0.26eV 조절했을 때, 포토디텍터의 암전류는 기존과 비교해 3배(980nA에서 219pA로) 감소했다. 뿐만 아니라, 도핑되지 않은 그래핀/p형 실리콘 광검출기와 비교했을 때, 근적외선(850nm)에서 광검출능(Detectivity)이 529% 향상된 결과를 보였다. 이번에 개발된 그래핀-실리콘 이종접합 포토디텍터는 낮은 암전류로 대기전력을 줄여 소모 전력을 줄일 수 있으며, 매우 작은 신호도 감지해 낼 수 있다. 때문에 소형화, 고속화 되어가는 디지털카메라, 이미지 센서, 동작인식센서, 광통신 시스템 등 정밀한 분야에 응용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구를 통해 개발된 기술은 그래핀 광센서 관련 창업기업인 시그마포토닉스에 이전, 상용화도 추진할 계획이다. 이병훈 교수는 “매우 쉬운 화학적 도핑 방법을 이용하여 광센서의 암전류를 획기적으로 저감했다”며 “그래핀 광센서의 상용화를 앞당기고, 자율주행자동차, 이미지 센서, 광통신 등 다양한 산업 분야에 응용 가능한 신기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구는 글로벌프론티어사업 3D 집적 반도체소재 원천기술 및 응용 연구, 창의소재 디스커버리사업 멀티레벨 소재 설계 및 응용 연구, 나노소재 원천기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 그래핀 배리스터 기반 삼진 로직 소자개발 및 집적공정, 아키텍쳐 연구, 창업기업 시그마포토닉스(2018) 사업의 지원으로 수행됐다.

화공 조길원 교수팀, “와인의 눈물” 역이용해 반도체 인쇄 성능 높인다

[POSTECH∙성균관대 공동연구팀, 고성능 유기반도체 단결정 인쇄기술 개발] 와인이 담긴 잔을 흔든 다음 그대로 두면 얇은 막이 형성되어 와인이 눈물같이 밑으로 흘러내리는데 이것을 “와인의 눈물”, 또는 “마랑고니 효과”라고 한다. 이는 물과 알코올처럼 서로 다른 표면장력을 가진 액체들이 만날 때 즉시 혼합이 이뤄지는 것이 아니라 일정 시간이 소요되기 때문에 생겨나는 현상이다. 지금까지 유기반도체 인쇄 공정에서 마랑고니 효과는 인쇄 시간을 지연하고 품질을 떨어뜨리는 것으로 지적됐지만 이것을 역이용하여 빠른 속도로 대면적에 인쇄할 수 있는 기술이 개발됐다. 화학공학과 조길원 교수, 이선백 박사 연구팀은 성균관대학교 나노과학기술학과 강보석 교수와 함께 인쇄전자 소자용 유기반도체 단결정 박막을 코팅하는 대면적 인쇄 공정 기술 개발에 성공했다. 마랑고니 효과란 물방울이 마르면서 액체 속 입자들이 바깥쪽으로 집중되어 진한 얼룩을 남기는 현상을 말하는데, 연구팀은 용매에 마랑고니 흐름의 방향을 제어하는 첨가제를 넣어 박막 코팅을 할 때 유기반도체 분자들이 효과적으로 공급되어 자기 조립될 수 있도록 했다. 이때 유기반도체 결정체의 과포화 상태가 지속되어 연속적인 단결정 박막을 제작할 수 있었다. 연구팀이 개발한 인쇄 공정 기술을 이용해 제작한 유기 박막 트랜지스터는 높은 전하 이동도(20cm2V-1s-1 이상)를 가지는 우수한 전기적 성능을 나타냈다. 또한 인쇄 공정 기술과 기판 패터닝 기술을 접목하여 대면적에 균일한 단결정 패턴을 제작할 수 있어 차세대 디스플레이나 유연전자 소자 제작에 유용할 것으로 기대된다. 조길원 교수는 ”이번 연구로 기존 프린팅 공정에서는 억제해야 할 요소로 여겨진 마랑고니 흐름을 역이용해, 이를 제어함으로써 높은 균일성과 우수한 전기적 특성을 가진 유기반도체 단결정 박막을 빠른 코팅 속도로 제작할 수 있었다“ 또한, ”여기서 더 나아가 롤투롤(Roll to Roll) 공정*1)에 적용할 수 있다는 점에서 높은 산업적 효용을 지니고 있다”고 말했다. 최근 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스’ 표지논문으로 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 우수신진연구사업으로 수행됐다. 1. 롤투롤(Roll to Roll) 공정 유연한 플라스틱 필름이나 금속 박판 등을 기판으로 사용하여 롤을 통과시키며 연속으로 인쇄하는 공정

환경 이기택 교수팀, “해양 탄산칼슘 증가하면 탄소흡수력 복원된다”

[POSTECH-美해양대기청...해양 탄산칼슘이 탄소흡수력에 미치는 영향 밝혀] 대기와 맞닿은 해양 표층(euphotic zone)에서 서식하는 미생물(pteropods, foraminifera and coccolithophores)의 탄산칼슘 형성 과정은 해양이 대기 중 이산화탄소를 흡수하는 핵심 메커니즘 중 하나로 작용한다. 그러나 산업혁명 이후 화석연료 사용으로 급격히 증가한 대기 중 이산화탄소가 해양으로 흡수되면서 바다를 산성화시켜왔고, 이는 결국 해양 탄산칼슘을 녹이는 문제를 낳고 있다. 최근 탄산칼슘을 형성하는 미생물의 죽음과 그 탄산칼슘의 용해가 해양의 탄소 흡수력에 미치는 영향을 분석한 연구가 ‘네이처 지구과학회지(Nature Geoscience)’에 소개됐다. 환경공학부 이기택 교수의 탄소순환연구실과 미국 해양대기청 태평양 해양환경연구소의 리처드 필리(Richard A. Feely) 박사 연구팀이 전 지구적 해양 탄소 자료 분석을 통해 수심이 얕은 해양에서 탄산칼슘 입자가 용해됨을 확인했다. 특히, 이 연구는 과거 두 팀이 연구에 참여했던 2004년 사이언스지 논문에서 명확하게 밝히지 못했던 내용에 대한 증거를 확인했다. 탄산칼슘 형성 미생물이 죽으면 탄산칼슘 입자가 밑으로 가라앉으면서 심해 혹은 해양의 바닥에서 용해된다고 알려져 왔다. 그러나 전 세계의 해양 탄소 분석과 수괴의 연령 분석 정보를 토대로 한 이번 연구 결과에 따르면 표층에서 떨어진 탄산칼슘의 약 50%는 심해로 떨어지기 전에 이미 용해된다. 이렇게 1000m 이하의 수심이 얕은 해양에서 많은 양의 탄산칼슘이 용해되면, 용존무기탄소 성분들이 해수의 순환을 통해 비교적 빠른 시간(수십 년) 안에 해양 표층으로 돌아올 수 있다. 탄산칼슘 입자가 심해에서 용해될 때보다 훨씬 빠르게 해양 표층의 무기탄소 성분들의 농도를 회복할 수 있는 것이다. 해양 표층의 무기탄소 성분의 회복은 대기 중 이산화탄소 제거 능력을 상승시켜, 산성화로 인해 낮아졌던 해양의 탄소 흡수력을 예상보다 빠르게 회복시킬 수 있다는 결론이다. 이번 연구 결과에 따르면, 증가한 이산화탄소 농도에 의한 해양 산성화가 해양 미생물들이 형성한 탄산칼슘을 녹이지만, 죽은 미생물의 탄산칼슘 입자가 심해까지 가라앉기 전에 녹여버림으로써 해양 표층의 탄소 제거 능력의 감소를 완화할 수 있게 된다. 해양은 충분히 많이 녹아든 이산화탄소에 의해 산성화되었음에도 탄소를 흡수하는 능력을 스스로 회복시키고 있는 것이다.

화학 이은성 교수팀, 120년 유기 라디칼 역사를 새롭게 쓰다

[생체 내 안정한 첫 유기 라디칼 개발] 라디칼은 화학변화가 일어날 때 분해되지 않고 다른 분자로 이동하는 원자의 무리로, 짝지어지지 않은 홀전자를 가진 원자나 분자를 말한다. 전자가 짝지어지지 않았기에 매우 불안정하여 반응성이 큰 특징이 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 극한 환경에서도 안정적인 유기 라디칼을 개발했다. 특히 이번에 개발된 라디칼은 생체에서도 살아남은 첫 사례다. 화학과 이은성 교수, 김영석 박사로 이루어진 연구팀은 가혹한 환경에서도 살아남는 새로운 유기물 자성소재인 다이카보닐 라디칼을 개발했다. 이 연구성과는 화학 분야 국제 학술지 '미국화학회지(JACS)‘ 게재됐으며, 표지논문으로 채택됐다. 다이카보닐은 탄소와 산소가 이중결합으로 연결된 구조인 카보닐 두 개가 결합한 화합물을 말한다. 연구팀은 이러한 다이카보닐 구조를 질소-헤테로고리 카벤이라 불리는 유기물질과 결합했다. 그 과정에서, 자성을 띤 새로운 유기물질인 다이카보닐 라디칼이 생성되는 것을 관찰했다. 라디칼 물질들은 전자가 쌍을 이루지 않아 자성을 나타내는 특성이 있는데, 이들은 매우 불안정하여 다른 물질들과 쉽게 반응하기 때문에 매우 다루기 어려운 물질이다. 그러나 연구팀이 발견한 다이카보닐 라디칼은 다른 라디칼 물질들과 달리 200℃의 고온 및 산염기 수용액, 산화제, 환원제 등에서 매우 높은 안정성을 보였으며, 특히 세계 최초로 생체 내에서도 안정성을 보여준 유기 라디칼로 앞으로 새로운 응용성이 기대된다. 이은성 교수는 "생체 내 안정한 유기 라디칼이 아직 존재하지 않아서, 노화 및 다양한 질병에 관여한다고 알려진 라디칼들을 활용한 신약 개발이 전무했지만, 이번 연구를 통해 생체 내 안정한 유기 라디칼이 합성됐다“며, ”이 연구를 바탕으로 신약 개발 및 다른 응용성을 찾을 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 또 "특히, 유기 라디칼 기반의 MRI 조영제를 만들게 된다면, 인체에 유해하나 대체재가 없어서 사용하고 있는 가돌리늄 기반의 조영제를 대체하는 데 크게 이바지할 것으로 기대된다"고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단개인연구지원사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다.

기계 이승철 교수-KRISS 공동연구팀, “살려주세요” 산속 조난 위치 소리로 찾는다

- 실시간 음원 위치 추적기술 개발 - 소리 위치‧크기를 실시간으로 파악, 기존보다 10배 이상 정확도 향상 국내 연구진이 소리가 나는 곳의 위치와 크기를 정확하게 시각화할 수 있는 인공지능 기술을 개발했다. 이번 기술은 기존보다 10배 이상 정확하며, 연산시간은 10분의 1 수준이다. 기계공학과 이승철 교수, 이수영 박사과정 연구팀은 한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 장지호 책임연구원 연구팀과 함께 소리의 위치와 크기를 이미지로 변환하는 인공지능 기술을 개발하고 지도처럼 시각화해 쉽게 위치를 파악할 수 있도록 했다. 이를 실생활에 활용하면 ‘산속 조난자 위치’를 소리로 찾을 수 있다. 최근 드론과 같은 무인 항공기 기술은 사람의 개입 없이 정찰·수송·구조 등의 분야에 전천후로 활용되고 있다. 하지만, 무인 항공기 기술을 통한 음원 위치 추적기술은 정밀도가 낮고 주변 소음 환경에 따라 극심한 성능 저하가 불가피하다는 단점이 있다. 공동연구팀이 개발한 음원 위치 추적기술은 기존보다 10배 이상 정확한 정보를 제공하기 때문에 드론 프로펠러 소음이나 다른 배경 소음이 있는 악조건에도 사용할 수 있다. 향후 정찰·수송·구조 등에 이번 기술을 결합하면 다양한 비대면 드론 임무 성공에 기여할 것으로 기대된다. 들리는 소리의 위치를 정확하게 파악하는 이번 기술은 전기 누전·가스 누출 및 누수의 위치를 소리로 탐지할 수 있는 등 국민의 안전을 위한 분야에도 적극 활용이 가능할 것으로 전망된다. 아울러, 층간 소음의 위치를 정확히 파악하는 등 국민의 편의를 위한 분야에도 활용이 가능할 것으로 판단된다. 소리에는 많은 정보가 담겨 있다. 그러나 기존에는 충분한 분해능과 정확도가 확보되지 않아 소리에 포함된 다양한 정보를 충분히 활용할 수 없었다. 소리의 위치를 찾아도 크기까지 예측하기는 어려웠고, 여러 소리가 섞여 있는 경우 위치의 정확도가 현저히 낮았다. 정확도를 높이면 많은 시간이 소요된다는 단점도 있었다. POSTECH-KRISS 공동연구팀은 시간을 단축하면서 정확도를 높일 수 있는 딥러닝 알고리즘을 개발했다. 여러 소리가 섞여 있는 악조건에서도 개별 음원의 위치와 크기를 정밀하게 구분할 수 있다. 공동연구팀은 다양한 음향데이터를 구현하기 위해 56개 스피커를 구 형태로 실험실에 설치했다. 이 가운데 여러 개의 스피커에서 특정 소리를 내면 개발한 알고리즘으로 위치와 크기를 추적해 이를 지도처럼 시각화한다. 기존 방법보다 10배 이상 정확하며, 연산시간을 10분의 1로 크게 단축했다. KRISS 장지호 책임연구원은 “음향과 인공지능 분야에서 각각 전문성을 가진 KRISS와 포스텍이 다학제적 융합연구를 진행한 것이 좋은 성과로 연결됐다”라며, “기술이 상용화되어 기존 시장에 혁신을 가져올 수 있도록 지속적인 연구를 수행할 계획”이라고 포부를 밝혔다. 이번 연구성과는 기계공학 분야의 세계적인 학술지인 메카니컬 시스템 앤 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing, IF: 6.471, JCR Top 3.4%)에 지난 5월 게재됐다.

화공 한정우 교수팀, 수소에너지로 지구 온도 상승 막아라

[수성가스 전환 위한 니켈-페로브스카이트 촉매 개발] 산업혁명 이후 과도한 탄소 사용으로 인해 지구 온난화로 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 나타나고 있다. 지구 평균 온도가 산업화 이전보다 1.5 ℃를 초과하면, 인간을 비롯한 생태계가 생존하기 힘들기 때문에 지구 온도 상승을 1.5 ℃ 이내로 억제해야 한다는 게 전문가들의 주장이다. 이런 가운데 화석연료를 대체할 수 있는 미래 친환경에너지로 수소에너지가 주목받고 있다. 최근 POSTECH 연구팀에서 수소에너지를 경제적이면서 안정적으로 만들 수 있는 금속 나노촉매를 개발했다. 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 황루이씨, 박사과정 임채성씨 연구팀이 페로브스카이트 산화물의 용출(溶出)*1 특성을 이용해 안정성을 오래 유지할 수 있는 금속 나노입자 촉매를 개발했다. 또한, 용출된 니켈 나노입자가 갖는 높은 촉매활성을 밝히기 위해 이론적인(DFT 계산) 메커니즘을 제시하고 이를 실험적으로 증명했다. 이 연구결과는 촉매 분야 세계적 권위지인 ’저널 오브 커탤러시스(Journal of Catalysis)에 최근 게재됐다. 2016년 발효된 파리협정 이후 121개 국가가 '2050 탄소중립 목표 기후동맹'에 가입하는 등 전 세계의 화두가 됐다. 우리 정부 역시 작년 12월 7일 '2050 탄소중립 추진전략'을 발표하면서 '탄소중립(Carbon Zero)'을 선언했다. 탄소중립 추진전략의 핵심은 에너지 주공급원을 화석연료에서 신·재생에너지로 전환하는 것인데, 그중 수소는 장기간, 대용량으로 에너지 저장과 이동이 가능하며 연소 후 물이 생성되는 친환경에너지 자원으로 각광받고 있다. 수소생산 산업 중 수성가스 전환반응은 앞선 반응에서 만들어진 오염물질인 일산화탄소(CO)를 제거하고 추가적인 수소를 생산하는 핵심 반응 단계이다. 하지만, 지금까지 수소 생산 산업에서 사용하고 있는 수성가스 전환반응 상용 촉매는 응집 현상으로 인한 낮은 안정성으로 반응 중간에 쉽게 촉매활성을 잃게 된다는 한계가 있다. 이런 한계를 극복하기 위해서 연구팀은 페로브스카이트 산화물의 용출 특성을 이용해 안정성을 오래 유지할 수 있는 금속 나노입자에 주목했다. 연구팀은 수성가스 전환반응을 촉진하기 위해 니켈 나노입자가 용출된 페로브스카이트 촉매를 개발했다. 이렇게 개발된 촉매는 니켈 금속이, 지지체인 페로브스카이트 산화물 표면에 고정되어 있어 반응 중 고온과 같은 극한 환경에서도 잘 버티며 응집 현상이 억제돼 오랫동안 높은 촉매활성을 유지하는 것을 확인했다. 연구를 주도한 한정우 교수는 “금속 입자가 용출된 페로브스카이트 산화물에서는 처음으로 일산화탄소에서 수소를 생산하는 고온 수성가스 전환반응 촉매로써 새로운 응용에 성공했다”며 “이번 연구 결과가 수소경제 활성화를 위한 대규모 수소 생산 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구는 한국연구재단의 초저에너지 자동차 초저배출 사업단, 중견연구자지원사업, 유용물질 생산을 위한 ‘Carbon to X 기술개발사업’의 지원으로 수행됐다. 1. 용출(溶出) 엑솔루션(exsolution), 금속 혼합물 따위를 특정한 조건에서 가열하여 일부 성분을 분리하는 조작