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기계·화공 노준석 교수팀, 손가락만 한 라이다 장치 나온다

[나노 광학 기반 초소형 라이다 (LiDAR) 기술 세계적 학술지에 소개] POSTECH 연구팀이 개발한 나노광학 기반 라이다 기술이 나노과학 및 공학 분야의 최고 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 초청 논문으로 소개됐다. 이번 논문에서는 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 박사후연구원 김인기 박사, 화학공학과 통합과정 장재혁 씨 연구팀이 프랑스 국립과학연구소(CNRS-CRHEA)와 함께 메타물질 기반의 초소형 나노 광학 연구를 통해 개발한 라이다 장치와 광학 라이다 기술을 집중적으로 조명했다. 또한, 연구팀이 수행하고 있는 상변화 물질 기반 빔 스캐닝 기법, 점구름 생성 장치를 이용해 빔 스캐닝이 필요 없는 플래시 타입의 라이다, 광원-소자 집적 기술 및 대량생산 기술과 같은 핵심 나노 광학 기술도 소개하고 있다. 특히, 연구팀이 개발한 초정밀 라이다 장치는 자율주행 자동차뿐만 아니라 지능형 로봇이나 드론, 3차원 파노라마 카메라, CCTV 및 증강현실 플랫폼에도 확장할 수 있다고 설명했다. 라이다 기술은 레이저 빔을 물체에 조사한 뒤 다시 돌아오는 시간을 측정해 사물의 깊이 정보를 측정하는 기술이다. 특히, 라이다 센서는 자율주행 자동차, 지능형 로봇 및 무인항공기 분야와 같은 기계산업에서부터 최근에는 아이폰에 탑재되어 3차원 얼굴인식이나 결제를 위한 보완 시스템에 적용되는 등 미래형 디스플레이 분야에서 주목받고 있다. 현재 자율주행 자동차 지붕에 달린 고사양의 기계식 라이다의 크기는 성인 주먹 두 개를 포개 놓은 부피 정도이며, 가격은 수천만 원에 달한다. 뿐만 아니라 막대한 전력이 소모되는 충전 과정, 그로 인한 발열 문제 등 아직 해결해야 할 문제가 많다. 연구팀은 이에 대한 대안으로 나노 광학 기술 기반의 초소형 라이다 기술을 제시했다. 라이다의 기본 측정 원리에서부터 최신 초고속·초정밀 나노 광학 측정 기법 방법, 메타표면, 솔리톤빗, 광도파로 등과 같은 나노 광학 소자 등 다양한 방면에서 나노 광학 기술이 어떻게 라이다 센서 기술을 혁신할 수 있을지를 설명하고 있다. 노준석 교수는 “현재 연구팀은 실제로 메타표면 장치 기반의 초소형 복합 라이다 기술을 개발하기 위해 여러 후속 연구를 진행하고 있다”며 “이 연구가 성공적으로 진행된다면, 손가락 한 마디 정도 크기를 갖는 초고속·초정밀 라이다 장치를 값싸게 구현할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구, 글로벌프론티어, RLRC지역선도연구센터, 미래소재디스커버리, ERC선도연구센터, 세종과학펠로우십, 교육부와 한국연구재단의 박사과정 연구장려금 그리고 (주)SL, LG이노텍의 지원을 받아서 수행됐다.

기계 진현규 교수-신소재 최시영 교수 공동연구팀, ‘스핀 제벡’ 소자로 열에서 전기 만든다

[고효율 스핀 제백 열전소자 구현 방향 제시] 지열이나 폐열, 체열, 태양열 등 다양한 형태의 열에너지를 회수해 탄소의 발생 없이 전기에너지로 변환하는 열전기술이 차세대 에너지 변환 기술로 주목받고 있다. 이러한 열전기술의 핵심에는, 고체물질로만 구성되어 있어 소음, 진동, 오염물질의 배출이 없이 에너지 변환을 가능케 하는 열전소자가 있다. POSTECH 연구팀은 ‘스핀 제벡 효과*1’를 이용해 기존 열전소자 대비 공정과 구조가 획기적으로 단순하면서도 우수한 에너지 변환 효율을 보이는 차세대 열전소자를 구현하기 위한 방향을 제시했다. 기계공학과 진현규 교수, 통합과정 김민영 씨 연구팀이 신소재공학과 최시영 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 ‘스핀 제벡’ 열전소자를 구성하는 자성물질의 내부와 표면의 특성을 동시에 최적화하여 고효율 열전소자를 설계하는 데 성공했다. 이는 그동안 기초연구에 머물러 있던 스핀 제벡 효과를 활용하여 차세대 열전소자 구현 가능성을 보인 최초의 연구로, 최근 에너지 분야 국제학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스 (Energy and Environmental Science)' 온라인판에 게재됐다. 기존 열전소자는 고체물질에 온도차가 주어졌을 때 온도차와 평행한 방향으로 전류가 생성되는 열전효과인 제백 효과에 의존하고 있는데, 이렇듯 열과 전류가 평행한 특성으로 인해 소자 구조가 복잡해지고 공정이 까다로운 한계를 보였다(그림 1). 연구팀은 가해진 온도차에 수직인 방향으로 전류가 생성되는 열전효과를 활용하면 소자 구조를 훨씬 단순하게 만들 수 있다는 발상의 전환을 통해, 니켈 페라이트(NFO)-백금(Pt) 이중층 스핀 제벡 열전소자를 구현했다(그림 2). 해당 소자의 높이 방향으로 온도차가 주어지면, NFO 자성물질 내에서 생성된 스핀전류가 NFO와 Pt 사이의 계면으로 전달된 후 Pt로 주입되고, 이후 Pt 내부에서 전기전류로 변환되게 되는데, 이때 발생한 전기전류는 가해진 온도차와 수직인 방향으로 흐르게 된다. 이러한 스핀 제벡 효과를 이용하면 기존 열전소자에 비해 단순하고 대면적화에 용이한 소자구조 구현이 가능하게 된다(그림 1). 스핀 제백 열전소자의 활용을 위해서는 구조뿐만 아니라 효율 측면에서도 획기적인 향상이 필요한데, 연구팀은 간단한 열처리를 통해 NFO-Pt 열전소자의 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 고안했다. 1200℃ 이상의 고온에서 일정시간 가열한 뒤, 좀 더 높은 온도에서 다시 일정시간 가열한 후 냉각시키는 열처리 기법을 통해 NFO 물질 내부에 독특한 미세구조를 형성할 수 있음을 주사투과전자현미경 관찰을 통해 발견했다. 또한, 연구팀은 동일한 열처리 기법이 NFO와 Pt사이 계면의 품질 또한 크게 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 최종적으로 이러한 두 가지 효과가 소자의 열전효율을 크게 향상시킬 수 있음을 보였다. 연구를 주도한 진현규 교수는 “본 연구에서는 스핀 제벡 효과를 이용해 기존 대비 훨씬 단순한 구조를 가지는 차세대 열전소자를 구현하는 원리를 설명하고, 간단한 열처리 기법을 통해 해당 소자의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하고 있다”고 설명했다. 또, “향후 고효율 열전소자 개발로 이어진다면, 궁극적으로 에너지 문제와 기후 문제를 경감시키는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다. 한편, 해당 연구는 한국연구재단 신진연구지원 사업, 전략형국제공동연구사업, 하이브리드 인터페이스기반 미래소재연구 사업, 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 스핀 제벡 효과(spin-Seebeck effect) 자성물질 내부에서 온도 불균형으로 인해 스핀 전류가 발생하고 전기 전류로 변환되는 현상. 전기절연체를 이용해 열에너지로부터 전기에너지를 발생시킬 수 있는 효과이다.

기계·화공 노준석 교수팀, 메타물질 전용 초고속 오픈소스 시뮬레이션 ‘MAXIM’ 무료 배포

[메타물질 설계에 최적화된 초고속 시뮬레이션 프로그램 개발·온라인 무료 배포] POSTECH 연구팀이 빛을 자유자재로 조절해 모습을 숨기거나 정보를 암호화하고, 입체 동영상을 광속으로 전달할 수 있는 물질인 ‘메타물질’을 설계할 수 있는 최적화된 시뮬레이션 프로그램을 개발, 무료로 배포했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 윤관호 박사(현 서울과학기술대학교 생산시스템 및 설계공학과 조교수) 연구팀이 메타물질 설계에 최적화된 시뮬레이션 프로그램을 개발 및 온라인을 통해 무료로 배포했다. 가격이 비싸고 계산 안정성이 낮은 기존의 상용 전자기파 시뮬레이션 소프트웨어의 한계를 극복하는 연구성과로, 수리물리 및 컴퓨터공학 분야 세계적인 학술지 컴퓨터 피직스 커뮤니케이션즈(Computer Physics Communications) 온라인판에 소프트웨어 패키지와 함께 소개됐다. 메타물질이란 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공원자로 이루어진 새로운 물질로 기존의 물질이 제공하지 못하는 음굴절 및 초고굴절 등 다양한 광 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 이런 특성 때문에 메타물질을 이용해 초박막 평면렌즈, 고해상도 홀로그램, 투명망토와 같은 이전에 없던 새로운 광학 기기를 구현하기 위한 연구가 전 세계적인 관심을 받고 있다. 사람의 눈에 보이는 가시광선에서 작동하는 메타물질의 경우 1마이크로미터 이하 수백 나노미터 크기의 구조체(이하 ‘나노구조체’)의 규칙적인 배열을 통해 제작된다. 이런 메타물질을 설계하기 위해서는 원하는 광특성에 대응하는 개별 나노구조체의 형상을 계산해야 하지만, 이에 대한 수학적인 해가 아직 밝혀지지 않았기 때문에 메타물질 연구 분야에서는 이에 대한 근사적인 해를 구할 수 있는 수치해석 프로그램을 사용하여 메타물질을 설계하고 있다. 이제까지 메타물질 설계에는 주로 FDTD(Finite-Difference Time-Domain method)에 기반한 상용 전자기파 시뮬레이션 프로그램이 사용되고 있으며, 이는 메타물질뿐만 아니라 여러 가지 전자기 관련 시뮬레이션에 광범위하게 사용할 수 있는 범용 프로그램이다. 그러나 FDTD 기반의 프로그램을 메타물질 설계에 사용할 경우 계산 시간이 오래 걸리고 계산 안정성이 낮아 결과의 신뢰도가 떨어지며 메타물질 설계를 위해서는 복잡한 후처리 계산이 요구된다는 한계가 있다. 또한 이러한 프로그램은 상용 소프트웨어로써 가격(라이선스 비용)이 비싸기 때문에 재정적인 여유가 없는 연구자는 사용이 어렵다. 이에 연구팀은 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)를 통해 메타물질 설계에 최적화된 오픈소스 전자기 시뮬레이션 프로그램 'MAXIM'을 개발했다. RCWA는 주기적으로 배열된 나노구조체의 광특성 계산에 특화된 계산 방법으로써 계산 속도가 빠르고 계산 안정성이 높기 때문에 기존 FDTD 프로그램(Lumerical)의 한계를 극복할 수 있다. 또한 MAXIM은 메타물질 설계에 필요한 결과 값을 자동으로 계산하여 제공하기 때문에 복잡한 후처리 계산 없이 메타물질 설계에 필요한 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 여러 가지 메타물질의 광특성을 MAXIM과 상용 FDTD 프로그램으로 계산하여 비교했다. 그 결과 일반적인 메타물질에 대한 두 프로그램의 계산 결과 차이는 1% 이내로, MAXIM을 통한 계산 결과의 높은 신뢰도를 검증했다. 뿐만 아니라, 연구팀은 메타물질 연구를 위해 이를 온라인상에 무료로 배포해 누구나 이용할 수 있도록 공유했다. MAXIM은 윈도우 상에서 일반적인 프로그램과 같이 아이콘을 더블클릭함으로써 실행할 수 있고 시뮬레이션 환경을 한눈에 관찰할 수 있는 직관적인 GUI를 가지고 있기 때문에 누구든 쉽게 사용이 가능하다. 노준석 교수는 "MAXIM은 오픈소스 소프트웨어임에도 불구하고 상용 소프트웨어에 상응하는 수준의 GUI와 계산 정확성을 제공하기 때문에 프로그래밍에 대한 지식이 없는 일반인도 쉽게 사용이 가능하여 접근성이 매우 높다"고 소개했다. 또한, "MAXIM은 파이썬으로 제작되어 LGPL(Lesser General Public License) 라이센스를 통해 무료로 배포되기 때문에 재정적인 어려움이 있는 연구자들도 자유롭게 사용할 수 있어 메타물질 분야의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다"고 말했다. 현재 개발되어 배포된 MAXIM은 메타물질 연구에는 바로 활용될 수 있으며, 연구팀은 앞으로도 MAXIM에서 계산 가능한 경계조건을 다양화하고 인공지능 기반의 최적화 및 병렬계산 등 최신 알고리즘을 적용하여 메타물질뿐만 아니라 광범위한 전자기 시뮬레이션이 가능한 범용 전자기 시뮬레이션 프로그램으로 개발해 나갈 계획이다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, RLRC 지역선도연구센터 사업, 교육부BK21 Four(4단계 두뇌한국21) 사업의 지원을 받아서 수행됐다.

화공 용기중 교수팀, 수소에너지 만드는 ‘버블’ 마음대로 조절 가능해져

[지능형 버블 모션 조작 표면 기술 개발] 수소에너지를 얻기 위해서는 물을 산소와 수소로 분해해야 한다. 이때 물속 기포의 움직임에 따라 물분해 반응이 다르게 일어나는데, POSTECH 연구팀이 기포의 움직임을 자유자재로 조절하는 기술을 내놓았다. 화학공학과 용기중 교수・통합과정 한기덕 씨 연구팀은 수소에너지를 만드는 물분해 과정에서 물방울 기포의 움직임을 조절하는 새로운 표면처리 기술을 개발했다. 이번에 개발된 기술은 기포의 이동을 수평, 수직으로 조절할 수 있으며, 제한된 영역만 움직이던 기포의 움직임을 극복할 수 있다. 물속에서 물방울 기포의 움직임을 조정하는 것은 물분해 수소 생산, 기체 분리, 열전달, 물질 전달, 광 유체 등 다양한 응용 분야에서 중요한 기술이다. 지금까지 수중 기포의 움직임을 제어하기 위해 비대칭 표면처리 기술과 같은 다양한 방법이 개발됐지만, 이러한 표면처리 방법은 기포 면적이 넓은 쪽에서 좁은 방향으로 이동한다거나, 좁은 영역에서만 움직이는 필연적인 한계를 가지고 있다. 이런 한계를 극복하기 위해 연구팀은 자기력에 의해서 반응하는 마이크로 와이어를 이용했다. 즉, 자성을 갖는 마이크로 와이어를 표면에 성장시키고, 윤활유로 코팅하여 표면을 제작했다. 이렇게 성장한 마이크로 와이어는 가해지는 자기장에 따라서 표면에 수직 방향으로 직립해서 세우거나 수평 방향으로 눕힐 수 있는 것을 확인했다. 와이어가 직립하는 경우 높은 표면 접착력을 보이는 반면, 표면에 눕는 경우 낮은 접착력을 나타낸다. 연구팀은 이렇게 마이크로 와이어의 형상을 자기력으로 조절함으로써 접착력을 조절하여, 물방울을 표면에서 양방향 방향으로 이동시키는 데 성공했다. 또한, 기포를 부력과 반대 방향으로 이동시키는 것도 가능함을 확인했다. 나아가 연구팀은 이러한 특성을 이용해서 수중 화학반응을 유도하는 마이크로 반응기를 개발하고, 광학 레이저 셔터로의 응용 또한 시연했다. 용기중 교수는 “수중에서 물방울의 움직임을 자유롭게 조절하는 새로운 지능형 버블 모션 조작 표면 기술”이라며, “물방울을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있고, 부력과 반대 방향으로 기포 이동이 가능하기 때문에 물분해를 통한 수소에너지 생산에 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한편, 국제 학술지 어드밴스트 펑서널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)에 최근 소개된 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업 중견연구과제 지원 연구의 일환으로 수행됐다.

기계 조동우 교수팀, 당뇨 피부질환, 직접 겪지 않고 눈으로 본다

[3D 세포 프린팅 기반 당뇨성 인공 피부 개발] 인체의 표면을 덮고 있는 피부는 몸에서 가장 크고 넓은 기관이다. 뿐만 아니라 장기나 생리 활동의 변화를 가장 먼저 보여주는 기관이기도 하다. 특히, 당뇨병 환자가 피부질환이나 피부 감염을 앓는 것은 매우 흔한 일이다. POSTECH 연구팀이 당뇨 환자의 피부질환을 살펴볼 수 있는 3D 인공 피부를 만드는 데 성공했다. 기계공학과 조동우 교수, 부산대 의생명융합공학부 김병수 교수, POSTECH 기계공학과 안민준씨 연구팀은 제2형 당뇨병의 병태(病態) 생리학적 특징을 표현하기 위해 3D 세포 프린팅을 통해 당뇨병이 있는 체외 인간 피부 모델을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구의 성과는 생체재료분야에서 세계적인 국제학술지 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’에 최근 게재됐다. 3D 세포 프린팅 기술로 인공 피부를 만들기 위한 연구는 계속되고 있지만, 실제 피부의 병리학적 과정을 보여주는 질병이 있는 인공 피부는 아직 실현되지 못하고 있다. 연구팀은 실제 피부에서 발견되는 표피와 피부 세포 간 상호작용에서 영감을 받아 정상 각질 세포가 당뇨 환자 유래 섬유아세포*1로 이루어진 진피층과 상호 작용할 때 당뇨성 표피로 분화될 것이라는 가설을 세웠다. 이를 증명하기 위해 각 세포를 사용하여 3D 프린팅 기술 기반의 피부 창상이 구현된 당뇨성 인공 피부를 제작하였다. 이 당뇨성 인공 피부에서 당뇨병 피부의 대표적인 특징인 느린 재상피화(再上皮化)*2가 관찰됐다. 또, 혈관이 포함된 당뇨 지방층을 추가했을 때, 당뇨병에서 흔히 관찰할 수 있는 인슐린 저항성, 지방 세포 비대증, 염증 반응, 혈관 기능 장애가 확인됐다. 연구팀은 “3D 세포 프린팅으로 다양한 원인으로 인한 피부질환을 직접 겪지 않아도 체외에서 관찰할 수 있게 됐다”며 “피부질환을 관찰하기 위해 지금까지 활용했던 동물실험을 대체할 수 있는 방안이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 또한 “새로운 약물 개발을 위한 질병 모델로 응용 가능성이 입증된 것”이라고 연구의 의미를 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 창의적 연구 사업 및 나노원천기술개발사업 지원으로 수행됐다. 1. 섬유아세포(fibroblast) 섬유세포. 섬유성 결합조직의 중요한 성분을 이루는 세포. 2. 재상피화(再上皮化) 벗어진 살갗 표면이 다시 증식하는 일.

화학 박수진 교수팀, 질산리튬 보호막으로 폭발 없는 배터리 만든다

[계면활성제 역할 하는 다기능성 박막 제조를 통한 차세대 전지 개발] 세계적인 탄소배출 규제강화 움직임에 따라 전기차 수요가 늘어나고 있다. BMW, 폭스바겐, 테슬라, 볼보, GM 등 글로벌 완성차업체들도 연이어 전기차 생산을 높인다고 발표했다. 그러나 배터리 폭발로 인한 화재 사고 등 불안 요소는 여전히 남아 있다. 최근 화학과 박수진 교수, 이정인 박사, 통합과정 조성진씨 연구팀이 기존 사용되는 배터리 제조 시스템을 변화시키지 않고도, 쉬운 제조 방법으로 리튬 금속 보호막을 제조하는 데 성공했다. 게다가, 통상적으로 사용되는 카보네이트 계열 전해질에서도 높은 에너지 밀도를 안정적으로 구현할 수 있는 리튬 금속 배터리를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이 연구 결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)' 온라인판에 최근 소개됐다. 리튬 금속은 높은 에너지 밀도를 구현해 낼 수 있는 배터리 음극 물질이다. 그러나, 리튬 금속은 높은 반응성으로 인해 카보네이트 계열 전해질에서 불안정한 반응을 일으키고, 결국 배터리의 안정성을 크게 저하시키는 고질적인 단점을 가지고 있다. 연구팀은 이온화된 질산리튬이 정전기적 인력으로 결합된 마이셀*1 형태의 블록 공중합체(poly(styrene-block-2-vinylpyridine)) 보호막 제조를 통해 카보네이트 계열 전해질에서도 높은 안정성과 성능을 나타내는 리튬 금속 배터리를 구현했다. 마이셀 보호막은 리튬 금속과 전해질과의 직접적인 접촉을 막아주면서 이온 전도성이 높은 고체 전해질 계면을 형성시키며, 초기 전착*2되는 리튬의 모형을 안정적으로 유도했다. 게다가, 일반적인 카보네이트 계열 전해질을 사용하더라도 높은 온도에서 100 사이클이 넘는 안정적인 효율을 유지하는 것으로 나타났다. 또한, 얇은 두께의 리튬 음극 (40μm)과 높은 면적 용량(4.0 mAh cm−2) 그리고 높은 전류밀도(4.0 mA cm−2)를 이용한 가혹 조건에서 실시한 평가에서 300 사이클이 넘도록 장시간 수명 안정성을 보였을 뿐만 아니라 파우치 형태의 평가에서도 유사한 성능을 보였다. 박수진 교수는 “리튬 금속 음극은 높은 에너지 밀도를 구현해 차세대 음극 물질로 각광 받는 물질인데, 안정성이 너무 좋지 않아 상용화에 어려움이 있었다”며, “일반적으로 리튬 음극 배터리는 카보네이트 계열 전해질에서는 상대적으로 안정성이 좋지 않은데 이번 연구에서 이런 문제를 해결했다”고 말했다. 또한, “파우치 셀 제작과 같이 대면적화에도 적합하며, 고온에서도 안정적으로 구동되는 리튬 금속 배터리 시스템 실현이 기대된다”고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 과학기술분야 기초연구사업 개인연구사업 ‘대통령 POST-Doc. 펠로우십사업’, 과학기술정보통신부 연구사업 ‘기후변화대응기술개발사업’의 지원으로 수행됐다. 1. 마이셀(micelle) 고분자 물질과 같은 비결정 물질을 구성하고 있는 미소결정 입자. 2. 전착(電着, electrodeposition) 용액 중에 전극판을 배치하여 직류 전압을 가하여 물질을 전극면에 부착시키는 것. 도금의 일종.

기계 김준원 교수-화공 차형준 교수 공동연구팀, 뇌동맥류, 새로운 방법으로 치료한다

[구조 강화된 광가교성 생체친화 소재를 미세섬유 형태로 활용한 신개념 뇌동맥류 치료법 개발] 뇌동맥류는 뇌혈관 벽에 이상이 생겨 비정상적으로 부풀어 오르는 병이다. 뇌 속 혈관이 터지게 되면 약 30%가 그 자리에서 죽기도 해 ‘머릿속의 시한폭탄’이라고 불린다. 최근 POSTECH 연구팀이 혈관 내에서 동맥류를 새로운 방법으로 채워서 시한폭탄을 해체할 수 있는 치료법을 내놓았다. POSTECH 공동연구팀(기계공학과 김준원 교수와 임종경 박사, 화학공학과 차형준 교수와 통합과정 최근호씨)이 코일 색전술의 단점을 극복하기 위해, 구조적으로 안정해 인체에서 분해되지 않는 생체친화적인 새로운 색전술용 소재를 개발했다. 또한, 해당 물질을 혈관 내 환경에서 미세섬유 형태로 안정적인 형성 및 제어가 가능한 신개념 뇌동맥류 치료법(치료기기)을 제시했다. 이 연구성과는 재료과학 분야의 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 4월 8일 자 뒤표지(Back cover)에 게재됐다. 최근 건강검진의 보편화로 뇌동맥류의 조기 발견이 증가하고 있으며, 현재의 치료 방법은 해당 부위가 터지기 전에 백금 코일로 동맥류를 메워서 내부 혈류의 방향과 압력을 낮추는 코일 색전술*1이다. 하지만, 코일 색전술은 수술 한 번에 동맥류 크기에 따라 다수의 백금 코일(개당 약 60만 원)이 사용되어 경제적인 부담이 크다. 뿐만 아니라 미세 스프링 구조의 코일 특성 때문에 수술할 때 동맥류가 터지거나 동맥류 내부가 완전하게 메워지지 않는 문제가 생길 수 있다. 또한, 수술 후에는 불완전한 채움도의 영향으로 코일의 재압축이 발생하여 해당 코일이 환부에서 이탈할 수 있는 다양한 문제가 여전히 존재한다. 온도, pH, 빛 등 다양한 자극에 반응하는 하이드로젤*2은 부드러운 기계적 특성을 갖기 때문에 동맥류를 높은 비율로 채울 수 있는 색전 물질로 큰 주목을 받아왔다. 그중에서 광(光)가교성 하이드로젤은 시공간적 제어가 쉬워 색전술에 가장 적합하다고 여겨지지만, 실제 활용에는 제한적이다. 게다가 개발되고 있는 동맥류 색전술용 소재들은 생리활성 기능이 없고 생체친화적이지 않은 합성물질 기반의 고농도 하이드로젤을 사용하기 때문에 체내에서 독성이 있거나 심한 팽윤이 발생하여 동맥류 파열 가능성을 높이는 문제가 있어 실제 상용화가 된 것은 지금까지는 없다. 또한, 기존의 수술 방법으로는 구불구불한 기하학적 구조와 높은 흡광도를 갖는 혈관 내 환경에서 빛을 이용하여 하이드로젤을 생산 및 제어하는 것이 불가능하여 임상에는 적용할 수 없었다. 화학공학과 차형준 교수 연구팀은 새로운 동맥류 색전술용 소재로서 이중가교(double crosslinking)가 가능한 해조류 유래의 알지네이트(alginate) 기반의 하이드로젤을 처음으로 제안했다. 이 새로운 색전 소재는 인체에 무해한 가시광선 조사에 의한 빠른 공유 가교와 혈액에 존재하는 칼슘이온을 사용한 이온 가교의 시너지 효과를 활용하는 자연 유래 생체물질로서 매우 우수한 생체적합성(biocompatability)을 지닌다. 또한, 인체에는 분해효소가 없기 때문에 분해되지 않고, 이중가교 덕분에 하이드로젤이 팽창하는 현상 없이 우수한 구조적인 안정성(stability)을 가진다. 이를 통해 안전하고 효과적으로 동맥류를 채우고 파열을 방지할 수 있다. 또한, 조영물질 탑지가 가능해 방사선 불투과성 조영 효과를 지녀 CT나 MRI를 통해 적용된 색전 소재를 장기간 지속해서 확인할 수 있는 장점도 있다. 또한, 기계공학과 김준원 교수 연구팀은 광섬유가 통합된 미세유체 장치를 개발했다. 이 장치는 구불구불한 기하학적 구조와 높은 흡광도를 포함하는 극한의 혈관 내 환경에서 광경화성 하이드로젤을 미세섬유의 형태로 안정적으로 생산, 제어할 수 있는 신개념 수술기기이다. 미세유체 장치에서 생산·제어된 이중가교 알지네이트 하이드로젤 미세섬유는 동맥류를 안전하고 균일하게 채울 수 있다. 이때, 미세섬유는 서로 얽혀 덩어리를 형성하여 동맥류로 들어가는 유체의 흐름을 차단하고, 수술 후 맥동 환경에서도 해리되는 것 없이 구조적인 형태와 기계적 강도를 유지하여 동맥류 내부 압력의 재상승 혹은 파열을 최소화할 수 있다. 차형준 교수는 “이번 연구는 자연 유래 생체물질을 기반으로 안정적으로 인체에서 장기간 유지될 수 있는 생체친화적이고 부작용이 없을 것으로 기대되는 새로운 색전술용 소재를 세계 최초로 개발한 것이다”라고 연구 의의를 말하며 “향후 기술이전을 통해 상용화를 타진할 예정이다”라고 기술실용화 포부를 밝혔다. 한편, 김준원 교수는 “이번 연구는 광가교성 하이드로젤 소재를 혈관 내에서 미세섬유화해 동맥류 치료에 활용할 수 있는 방법을 세계 최초로 개발했다”며 의미를 밝혔고, “우리가 개발한 방법은 뇌동맥류뿐만 아니라 색전이 필요한 많은 혈관질환에 다양한 광가교성 하이드로젤 소재를 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한, “이번 연구에서 개발된 신개념 색전술 방법은 연구팀에서 기 개발한 지지유체를 활용한 새로운 딥코팅 기술*3과 3D 혈관 복제품 제작기술*4에 의해 구현된 ‘Advanced Dynamic Angio Model (ADAM) simulator’라는 플랫폼을 활용하여 성능을 검증했다. ADAM simulator는 실제 환자의 수술 환경과 매우 유사한 가상환경을 제공하는 시스템으로 다양한 혈관질환 모의수술에 활용이 가능하다”라고 덧붙였다. 이 연구는 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 연구중심병원 육성 R&D 사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 지원하는 중견연구 사업, 나노·미래소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 색전술(embolization) 하나 이상의 혈관 또는 비정상적인 혈관을 차단하는 최소 침습적 치료. 카테터(i.e. 미세도관) 색전술 절차에서는 색전 물질을 카테터를 통해 혈관에 넣어 해당 부위로의 혈류의 유입을 방지함 2. 하이드로젤(hydrogel) 수용성 고분자가 물리적 혹은 화학적인 결합으로 3D 가교를 형성하고 있는 망상 구조 3. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1901485 4. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003395

기계·화공 노준석 교수·화공 김영기 교수 공동연구팀, 가스누출 잡는 웨어러블 센서 나온다

[즉각적인 홀로그램 알람 신호를 보여주는 웨어러블 가스센서 개발] 공장 유독가스 유출, 보일러 일산화탄소 유출 또는 맨홀 청소 도중 유독가스 질식사와 같은 가스 사고로 인한 인명피해는 지속적으로 발생하고 있다. 유독가스나 생화학 물질을 빠르게 탐지할 수 있는 센서를 개발하는 것은 공중 보건, 환경 모니터링, 군사 분야에서도 여전히 매우 중요한 이슈이다. 최근 POSTECH 연구팀에서 가스 탐지 정보를 신속하게 사용자에게 알려줄 수 있으면서도 가격은 저렴한 초소형 웨어러블 홀로그램 센서를 개발했다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·통합과정 김인기씨 연구팀과 화학공학과 김영기 교수·통합과정 김원식씨 연구팀이 공동연구를 통해 메타표면과 가스 반응형 액정 기술을 접목해 외부로부터 유해가스가 유입되면 즉각적인 홀로그램 형태의 시각 알람을 눈앞에 띄울 수 있는 센서를 개발했다. 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7일 자에 게재됐다. 석유화학 공장 등 위험 환경 작업자에게 있어 가스센서는 생명과도 직결된다. 그러나 현장에서 상용 가스센서 보급률이 높지 않은데, 이는 상용 가스센서가 복잡한 기계와 전자장치로 이루어져 있어 비용이 높다는 것이 가장 큰 이유다. 뿐만 아니라 상용 가스센서는 사용법이 복잡하며, 휴대성이 떨어지고, 반응속도가 느리다는 한계가 지적되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 빛을 굴절률을 제어해 보이는 물체를 사라지게 하는 ‘투명망토’를 구현할 수 있는 미래 광학소자로 잘 알려진 메타표면에 주목했다. 특히, 메타표면은 빛을 자유자재로 제어해 양방향 홀로그램이나 3D 영상 이미지를 전송하는 데도 활용된다. 연구팀은 메타표면을 활용해 외부에서 가스가 유입되면, 센서 소자 내부 액정 층에서 액정 분자 배열이 바뀌고 이를 통해 변화되는 편광 빛을 활용해 단 몇 초 만에 알람 형태의 홀로그램 이미지를 공간상에 띄울 수 있는 가스센서를 개발했다. 더욱이 연구팀이 개발한 가스센서는 기존의 상용 가스센서와 달리 외부의 복잡한 기계나 전자 장치의 도움이 전혀 필요치 않다. 특히, 연구팀은 복통, 두통, 현기증, 백혈병까지 유발할 수 있는 독성 물질로 알려진 이소프로필알콜을 테스트 휘발 가스로 사용했다. 이번에 개발한 센서는 200ppm 정도 극미량의 가스도 감지할 수 있는 것으로 확인됐다. 일상에서 사용하는 보드마커를 가스원으로 사용한 실제 실험에서 마커를 센서에 가져다 댄 순간 즉각적으로 홀로그램 경고 알람이 눈앞에 뜨는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 연구팀은 플렉서블·웨어러블 형태의 가스센서를 구현하기 위해 나노복합재 단일 프린팅 공정을 개발했다. 기존의 딱딱한 기판 위에서 가공되던 메타표면 구조를 곡면이나 유연 기판에서 한 번의 프린팅만으로 빠르게 생산할 수 있도록 설계하고 이를 실험으로 입증했다. 이 공정을 통해 제작된 플렉서블 센서는 보안경에 스티커처럼 부착하면, 가스센서와 마찬가지로 가스를 탐지, 홀로그램 알람을 띄울 수 있다. 이는 현재 애플, 삼성, 구글, 페이스북 등에서 활발히 개발 중인 안경 형태의 AR 디스플레이 시스템과도 연동이 가능할 것으로 기대된다. 여기에서 한발 더 나아가 주변에 노출된 가스 또는 생화학 물질의 종류와 농도까지 홀로그램 알람으로 띄울 수 있는 고성능 환경 센서를 개발 중이며, 다양한 홀로그램 이미지를 인코딩할 수 있는 광학 설계 기법도 연구하고 있다. 이런 연구가 성공적으로 개발된다면, 생화학 물질이나 가스 누출로 인한 사고를 줄이는 데에 활용할 수 있다. 노준석 교수는 “이번에 개발한 초소형 웨어러블 형태의 가스센서는 기존의 청각이나 단순 불빛 알람 신호보다 더욱 직관적인 홀로그램 형태의 시각 알람을 제공한다”며, “주변 청각적, 시각적 잡음이 많고, 급박하게 돌아가는 작업 환경에서 더욱 효과를 발휘할 것으로 기대된다”고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 글로벌프론티어, RLRC 지역선도연구센터, 미래소재디스커버리, 세종펠로우십 사업의 지원으로 수행됐다.

화공 차형준 교수팀, 강력한 홍합접착단백질로 손상된 조직에 혈관 형성한다

- 생체 혈관 형성 과정 모사한 약물전달 접착패치 개발 - 원하는 곳에, 원하는 모양으로 ... 심근경색, 중증 피부손실 재생에도 적용 가능 혈관은 우리 몸에서 각 기관에 영양분과 산소를 공급하는 역할을 한다. 이런 혈관이 심근경색이나 허혈성 중증 질환으로 한번 손상이 되면 다시 복원하기는 어렵다. 혈관 구조를 복원하기 위해서는 다양한 혈관 형성 인자들이 순차적으로 적용되어야 하기 때문이다. 최근 POSTECH 연구팀이 홍합이 만들어 내는 강력하면서도 인체에 무해한 생체접착소재인 홍합접착단백질을 이용해 혈관 형성 인자들을 시공간적으로 효율적으로 전달할 수 있는 접착패치 플랫폼을 개발했다. 화학공학과 차형준 교수, 박태윤 박사 연구팀은 세포배양공정을 통해 대량생산이 가능한 홍합접착단백질을 기반으로 형성할 수 있는 두 가지 제형인 코아서베이트 기반 마이크로입자와 광가교 기반 하이드로젤을 이용하여 약물전달 접착패치를 개발했다. 그리고 효용성 검증을 위해 중증 모델로 랫트(Rat)를 이용한 심근경색 모델과 자가 치유 불가 피부 손상 모델에서 효율적인 신생 혈관 형성을 비롯하여 기능적인 조직재생 효능을 실험적으로 검증했다. 연구팀은 홍합접착단백질과 히알루론산의 정전기적 인력으로 형성되는 코아서베이트 액상체를 만드는 과정에서 혈관 형성 후기에 필요한 혈소판 유래 성장인자(Platelet Derived Growth Factor; PDGF)를 포집하고 순간적으로 가교*1하여 마이크로입자를 제작했다. 또한, PDGF가 포집된 마이크로입자와 혈관 형성 초기에 필요한 혈관 내피세포 성장인자(Vascular Endothelial Growth Factor; VEGF)를 함께 홍합접착단백질 기반 광가교 하이드로젤에 동시에 포집하고, 두 인자들을 쉽고 빠르게 공간적으로 분리하여 탑재했다. 이렇게 만들어진 효율적 신생 혈관 형성 유도 접착패치 플랫폼은 PDGF가 VEGF보다 작은 크기에도 불구하고 시간적으로 1.9배나 늦게 분비되어 전달되는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 이 플랫폼은 광가교가 순간적으로 일어날 수 있도록 해 평평하지 않는 곡면에서도 쉽게 접착될 수 있음을 확인했다. 홍합접착단백질을 꾸준히 연구해 온 차형준 교수는 “대한민국 원천소재인 홍합접착단백질의 제형적 특징을 활용해 혈관 형성 인자들의 시공간적인 전달을 효율적으로 할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다”며, “혈관 형성이 꼭 필요한 실제 심근경색 동물모델과 중증 피부 손상 모델에 적용하여 효과적인 신생 혈관 형성을 넘어서 기능적 회복까지 확인한 것에 커다란 의의가 있다”라고 연구의 의미를 밝혔다. 또한 “이와 관련된 비슷한 환경의 만성 및 허혈성 질환에도 성공적으로 적용할 수 있을 것”이라며 “이 플랫폼은 인체에 무해한 생체적합성 바이오소재를 이용한 것인 만큼 신생 혈관 형성 치료제 시장의 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이다”라며 기대감을 밝혔다. 한편, 홍합접착단백질 기반 광가교 하이드로젤과 코아서베이트 액상체 제형기술은 ㈜네이처글루텍에 기술이전을 완료, 현재 상용화가 추진되고 있다. 이번 연구 결과는 바이오소재 분야 최고 권위지인 ‘바이오머터리얼즈 (Biomaterials)’에 게재됐으며, 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 보건의료기술개발사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 지원하는 나노·미래소재원천기술개발사업의 일환으로 수행됐다. 1. 가교(假橋, Crosslinking) 서로 떨어져 있는 것을 이어 주는 것. 분자를 서로 화학 결합으로 연결 지어, 3차원 그물 모양 구조의 고분자로 만드는 것.

기계·화공 노준석 교수팀, 100nm급 3차원 나노프린팅 기술 개발

[POSTECH-서울대 연구팀 Nature지 발표] 기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀은 서울대학교 최만수 교수팀과 공동으로 100 나노미터 수준의 3차원 나노구조물을 제작할 수 있는 새로운 3차원 나노프린팅 기술을 Nature지에 온라인으로 게재했다. 기존의 3차원 프린팅 기술로는 수십 마이크로미터 크기 이하의 3차원 구조물 제작이 어렵지만, 연구팀이 개발한 3차원 나노프린팅 기술은 기존에 제작 가능한 구조물보다 100배 이상 작은 3차원 나노 구조물을 손쉽게 한번에 수천 개 이상을 대기압 중에서 제작할 수 있는 실용적인 기술이다. 기존 방법과 다르게 폴리머나 잉크를 전혀 사용하지 않고 건식 방법으로 금속 나노에어로졸*1을 발생시킨 후 조립하는 기술이기 때문에 불순물을 최소화시켜 초고순도 구조물을 제작할 수 있다. 4차 산업혁명의 핵심요소 기술이면서 산업 제조 기술의 큰 변화를 일으키고 있는 현존하는 3차원 프린팅 기술의 한계를 뛰어넘어 나노구조물까지 실용적으로 프린팅 할 수 있다는 점에서 산업 제조 기술의 혁신을 일으킬 것으로 기대하고 있다. 3차원 나노프린팅 기술은 높은 민감도의 3차원 나노센서, 집적도를 극대화시킬 수 있는 3차원 나노 전자소자 등의 제작이 가능하여 기존 소자의 성능을 획기적으로 올릴 수 있을 뿐만 아니라 현존하지 않는 새로운 소자의 구현도 가능하다. 예를 들면 자연계에 존재하지 않는 빛(전자기파)의 물성을 인위적으로 실현시키는 메타물질*2의 제작에는 정교한 3차원 나노구조물을 어레이*3로 만드는 것이 필요한 데 연구팀이 발표한 3차원 나노프린팅 기술로 실용적인 실현이 가능하다. 이번에 발표한 논문에서 특정 형태의 3차원 나노금속 구조물 어레이를 제작하여 원하는 인공 자기(磁氣) 물성을 인위적으로 구현시킴으로써 미래 신소재인 메타물질의 실용화를 앞당길 수 있음을 보여주었다. 마이크로미터 크기의 구멍이 정렬되어 있는 비전도성 마스크*4와 실리콘 기판이 위아래로 분리된 상태로 놓여 있는 증착 챔버 안으로 하전된 나노입자*5와 이온을 주입하면, 이온이 먼저 마스크 위에 축적되면서 정전기 렌즈*6를 형성시키게 되고, 이 렌즈를 통하여 뒤따라 도달하는 하전나노입자 에어로졸 제트가 100 나노미터 수준으로 집속*7되는 원리를 새로운 3차원 프린팅 기술에 사용하였다. 나노입자의 부착과 동시에 실리콘 기판을 3차원으로 이송시키면 원하는 형태의 3차원 나노구조물을 한번에 수천개 이상을 제작할 수 있으며, 마스크 구멍을 더 작게 만들면 수십 나노미터 크기의 3차원 나노구조물도 제작할 수 있을 것으로 보고 있다. 연구책임자인 서울대 최만수 교수는 에어로졸 기술을 이용하는 3차원 나노프린팅 기술을 지난 10여 년간 대학원생들과 함께 동고동락하며 개발하여 온 결실을 보게 되어 기쁘고 개발된 3차원 나노프린팅 기술로 말미암아 우리나라 산업 제조 기술의 혁신적 발전이 기대된다고 말했다. 공동 교신저자인 노준석 교수는 본 3차원 나노프린팅 기술은 음의 굴절율, 슈퍼렌즈, 투명망토 기술로 알려진 메타물질 분야의 최대 난제였던 나노미터 수준의 임의 형상 3차원 구조를 만들 수 있는 혁신적인 생산 기술로써 메타물질 분야의 실용화에 한발 다가섰다고 말했다. 이 연구는 POSTECH, 서울대, 그리고 일본 이화학연구소(RIKEN)가 참여하였으며 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프런티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 파동에너지 극한제어 연구단 및 한국연구재단 중견연구자 사업, 지역선도연구센터 사업 등을 통하여 이루어졌다. 1. 에어로졸 공기 중에 부유하고 있는 수 나노미터~수십 마이크로미터 크기의 작은 입자들을 지칭하는 용어. 본 연구에서는 하전된 나노입자와 이온을 사용함. 2. 메타물질 자연계에 존재하지 않는 물성을 가지도록 인위적으로 매우 작은 크기의 입자나 구조물을 주기성을 갖고 배열한 어레이로부터 구현하는 물질로서 단위 구조체의 형상 및 배열에 따라 다른 특성이 나타난다. 3.어레이 일정한 간격에 따라 대상을 규칙적으로 정렬한 것. 본 연구에서는 3차원 나노구조물 수천개가 정렬된 형태를 의미함. 4. 비전도성 마스크 전기적 저항이 커 전류가 흐르지 않는 얇은 막에 수 마이크로미터의 구멍 수천개가 정렬된 형태로 뚫려있는 얇은 막 형태의 물질. 이온이 비전도성 마스크 표면 위에서 전기적 성질을 잃지 않고 축적됨. 5. 하전된 나노입자 나노(nano)는 10^-9 를 의미하는 접두어로서, 1 나노미터는 1미터의 10억분의 1임 (혹은 1 mm의 백만분의 일). 나노입자는 직경이 수 나노미터인 구 모양의 입자를 의미하며, 하전된 나노입자는 나노입자가 전기적으로 중성이 아닌 양(+) 또는 음(-)전하를 띈다는 의미. 6. 정전기 렌즈 비전도성 마스크 표면에 이온이 축적되면서 마스크 구멍마다 평평한 등전위면이 볼록한 형태로 왜곡함. 볼록한 등전위면이 하전된 나노입자들을 구멍 중심으로 집속하는 렌즈 역할을 하기 때문에 정전기 렌즈라고 부름. 즉, 유리로 만든 광학렌즈가 빛을 집속하듯이 본 연구에서 이온 축적으로 형성되는 정전기 렌즈가 하전된 나노입자를 100 nm 수준으로 집속하는 원리임. 따라서 물질렌즈라고 말할 수 있음. 7. 집속 여러 다발들이 한 곳으로 모이는 것. 정전기 렌즈에 의해 하전나노입자 에어로졸 제트 형태로 마스크 구멍 중심으로 모이는 것을 의미.