Research

환경 민승기 교수팀, 인도 몬순이 한반도 ‘가을 태풍’ 유도해

[“지구온난화로 인도몬순 강해지면...한반도로 향하는 태풍 더 늘어날 것”] 인도몬순 변동성이 동아시아 대기의 흐름을 바꿔 한반도 가을 태풍에 영향을 끼친다는 과학적 근거가 처음으로 제시됐다. 환경공학부 민승기 교수, 박사과정 성민규 씨 연구팀은 울산과학기술원(UNIST), 공주대학교, 국립기상과학원, 영국기상청과의 공동연구를 통해 기록적으로 많은 태풍이 한반도에 영향을 주었던 2019년 9월의 동아시아 대기순환 패턴을 분석했다. 그 결과 인도 북서부의 비정상적인 대류활동이 북서태평양의 가을철 태풍 진로를 결정하는 중요한 인자임을 확인했다. 이 연구는 ‘미국기상학회보(Bulletin of the American Meteorological Society)’지 1월호에 소개됐다. 2019년 9월은 1904년 관측 이래 가장 많은 3개의 태풍이 연달아 한반도에 영향을 주어 막대한 피해를 입혔다. 연구팀은 동중국해 지역에 형성된 극단적인 남서풍(지향류)이 태풍을 한반도 방향으로 진행시킨 것을 파악하고, 기후모델 시뮬레이션 자료를 이용하여 이러한 이례적인 대기순환이 나타날 가능성과 그 원인을 조사했다. 그 결과 인도 북서지역에서 발생한 매우 강한 대류활동이 대류권 상층에 거대한 파동(로스비파)를 활성화시켜 한반도와 일본에 걸쳐 강한 고기압성 순환을 만들었기 때문임을 밝혀냈다. 최근 한반도의 ‘잦아지는 가을 태풍’의 원인에 대한 다양한 추측이 있었지만 특정 사례에 대하여 관측과 모델 자료를 정량적으로 비교한 연구는 이번이 처음이다. 연구팀은 최신 CMIP6 다중모델 자료와 영국기상청의 대량 앙상블 시뮬레이션 자료를 확보하고, 이를 바탕으로 한반도로 태풍을 유도하는 대기순환 패턴이 외부적 요인(인간활동으로 인한 지구온난화)과 내부적 요인(인도 몬순 강화)에 따라 어떻게 반응하는지를 확률적으로 비교했다. 해양 온난화를 통한 점진적인 지구온난화의 영향은 뚜렷하지 않은 반면, 인도 북서지역의 강한 대류활동이 한반도의 가을철 태풍에 매우 중요한 영향을 끼침을 확인했다. 몬순 대류가 평소보다 강할 경우, 2019년 9월과 같은 극한 사례가 발생할 확률이 1.5~3배 이상 증가하는 것으로 나타났다. 민승기 교수는 “가을 태풍은 강한 위력으로 우리나라에 막대한 피해를 주는데 이에 대한 예측성을 높이기 위해서는 인도 몬순을 보다 주의 깊게 감시할 필요가 있다”면서 “앞으로 지구온난화가 지속되면 인도 몬순이 강해지고 그에 따라 한반도로 향하는 가을 태풍이 늘어날 수 있어 대비가 필요하다”고 말했다. 한편, 이 연구는 기상·지진See-At기술개발연구 사업, 한국연구재단 선도연구센터지원사업(비가역적 기후변화 연구센터)의 지원으로 수행됐다.

화학 박수진 교수팀, 공기 중에서 조립 가능한 배터리 개발

- POSTECH-울산과학대, 대기 중에 불순물 포획하는 다기능성 분리막 개발 - 드라이 룸 없이 공정비 절감하는 배터리 제조 환경 가능성 열어 2020년 노벨 화학상의 영예는 리튬이온 이차전지를 개발한 인물들에게 돌아갔다. 리튬이온 이차전지는 소형 IT기기에서 전기자동차에 이르기까지 전기 기기의 필수 에너지 원천이 됐다. 최근 미국의 대표 자동차 기업인 테슬라에서는 혁신적인 생산 체계구축과 배터리 원가 절감의 필요성을 역설했다. 그만큼 전기자동차에서 배터리의 가격이 크게 차지하고 있고, 전기차 대중화를 위해 원가 절감은 반드시 필요하다. 화학과 박수진 교수, 박사과정 손혜빈씨 연구팀은 울산과학대학교 유승민 교수와 공동연구를 통해 공기 중에서 파우치 배터리를 조립했을 때에도, 배터리가 안정적으로 구동하게 하는 다기능성 분리막(multi-functional separator)을 개발하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 국제학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)' 온라인판에 최근 소개됐다. 배터리 내부의 전해액*1은 물과 반응해 변질되기 쉬우므로 리튬이온 배터리를 제조할 때는 1% 이하의 습도 환경을 만들어주는 드라이 룸(dry room)*2에서 제조한다. 하지만 드라이 룸을 유지하는 데는 상당한 비용이 소요된다. 이런 문제를 해결하기 위해 전해질에 첨가제를 투입해 수분 혹은 불산 같은 불순물을 억제하는 연구가 진행됐지만, 첨가제가 충·방전 중에 추가적인 역반응을 만들 수 있다는 단점이 있다. 실제 배터리가 높은 온도(50℃ 이상)에서 작동할 경우, 미량의 수분으로도 배터리의 성능 열화가 더 빠르게 일어난다. 그러므로 투입한 물질의 전기화학적 역반응 없이 배터리 내의 수분을 포획할 수 있는 재료가 필요하다. 이에 연구팀은 불순물을 포획할 수 있는 기능성 물질을 분리막 표면에 도입해 열적 안정성을 높이고, 배터리 성능을 향상시켰다. 제작된 다기능성 분리막은 우수한 내열성(140℃ 온도 조건에서 30분 저장 후 10% 내의 수축률, 일반 분리막: 50% 수축)을 보였고, 추가로 55℃ 고온에서 전기화학적 성능 향상(100회 충·방전 이후 초기 용량의 79% 유지)을 보였다. 또한, 불순물이 많이 존재하는 환경의 전해질에서 기능성 물질의 효과를 확인했다. 합성된 기능성 세라믹 표면의 실레인 화합물이 수분을 포획해 세라믹 구조를 잘 유지했지만, 일반적인 세라믹 물질은 산성화된 전해액으로 인해 부식된 것을 확인할 수 있었다. 더욱이, 이번 연구를 통해 드라이 룸이 아닌 대기 중에서 제작된 다기능성 분리막이 기존보다 뛰어난 수명 특성을 보이는 등 단순한 분리막의 역할을 넘어서 안정적인 성능을 제공하는 것을 확인했다. 그간 다양한 접근으로 배터리 분리막을 연구해온 박수진 교수는 “이번에 개발된 다기능성 분리막은 높은 안정성과 고에너지밀도에서 뛰어난 전기화학적 성능을 보인다”며 “배터리를 드라이 룸이 아닌 대기 중에 제조하는 것은 세계 최초로, 배터리 원가 절감에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 ‘방사선 고부가 신소재개발사업’ 과제의 지원으로 수행됐다. 1. 전해액 리튬 염과 염을 해리시켜주는 액체를 포함하는 물질을 통칭하며, 전기화학적 전류를 인가해줄 때 양극과 음극 사이에서 리튬 이온 이동을 시켜줌. 2. 드라이 룸(dry room) 실내 공기 조건이 노점 온도(dew point) -10℃ 이하의 제조실

기계·화공 노준석 교수팀, ‘빛’ 제어해 ‘철통 보안’ 달성한다

[후방 위상 일치형 제2차 조화파] 빛을 자유자재로 조절하는 것은 인류의 고차원적 지적 활동이다. 인간은 광기술 연구를 통해 정보를 원하는 방향으로 보내는 기술인 와이파이 통신을 실현하였고, 광학 라이다 기술을 활용하여 가까운 미래에는 자율형 자동차의 등장을 예고하고 있다. POSTECH 연구팀이 빛의 위상정보와 세기를 자유자재로 조절할 수 있는 초박막 메타표면 구조체를 개발해 차세대 광소자 개발에 한 걸음 다가섰다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수 (교신저자) 연구팀은 프랑스국립과학연구원(Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) 패트리스 게네벳(Patrice Genevet) 박사 (교신저자) 연구팀과 함께 고해상도 전자빔 리소그래피*1를 활용해 적층형 메타표면을 제작하고 저출력 레이저에서도 강한 비선형 효과*2를 유도하는 데 성공했다. 이번 연구의 성과는 물리분야 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 2021년 1월 22일 게재됐다. 빛을 원하는 형태로 제어하기 위해서는 렌즈나 돋보기처럼 빛의 세기와 방향을 제어할 수 있는 적절한 매질의 설계해야 한다. 메타표면은 빛의 위상을 조절해 파면(파동)을 원하는 모양으로 형성할 수 있어 홀로그램 및 박막 두께의 렌즈를 구현할 수 있다. 하지만, 기존 메타표면의 경우 주파수를 변경하기 위해서는 고출력 레이저와 재료의 고유 특성에 의존하는 비선형 효과를 이용해야만 했다. 고출력 레이저는 높은 에너지 사용량과 상당한 발열량 및 자연계에 존재하는 재료의 비선형 특성의 한계로 인해 실생활에서 활용되는 광소자를 구현하기에는 한계가 있었다. 연구팀은 지금까지 연구되어왔던 단일층 메타표면과 다르게 여러 층의 메타표면이 겹층을 이루는 ‘적층형 메타표면’을 만들었다. 10nm의 해상도로 구조체의 크기를 조절할 수 있는 전자빔 리소그래피를 이용해 2차 조화파의 주파수를 미세하게 조절할 수 있도록 했다. 이렇게 제작된 적층형 메타표면은 각 층에서 서로 간섭효과를 통해 비선형 현상을 증대시켰고, 증대된 제2차 조화파의 크기는 층수의 제곱에 비례했다. 즉, 3층 구조는 9배 강한 2차 조화파를 발생시켰고, 5층 구조는 25배 강한 제2차 조화파를 보였다. 또한, 구조체의 크기 및 모양이 편광에 따라 다양한 제2차 조화파의 주파수를 유도해낸다는 특징이 보였다. 나노 구조체의 크기를 미세하게 조절할 수 있는 전자빔 리소그래피 기술은 적층형 메타표면에서 나오는 제2차 조화파의 주파수 영역을 변화시킬 수 있다. 이를 이용해 특정 주파수에만 정보를 보여주는 메타표면을 만든다면, 광학 보안기술로써 활용 가치가 높다. 또한 편광에 따라서 다른 광 특성을 보여주기 때문에, 주파수와 편광을 열쇠로 사용할 수 있는 광학 보안 소자로 응용될 수 있다. 특히, 저출력 레이저에서도 제2차 조화파 주파수를 발생시키는 적층형 메타표면을 활용한 보안기술은 배터리의 크기를 줄일 수 있어 초소형 보안장치로도 개발될 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 교신저자 노준석 교수는 “전자빔 리소그래피의 적층(overlay) 방식을 이용하여 나노 단위의 적층형 3차원 메타표면을 오차 없이 정교하게 구현하는 것은 세계 최고 수준의 나노 공정 기술이 적용된 것”라며 “이번에 제안된 적층형 메타표면이 편광에 따라 다른 비선형 효과를 보여준다는 점을 활용하면, 편광에 따라 다른 정보를 보여주는 보안기술에 적용할 수 있다”고 말했다. 한편, 이 연구는 포항 나노융합기술원의 전자빔리소그래피를 이용했으며, 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR), 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, RLRC선도연구센터사업의 지원으로 수행됐다. 1. 전자빔 리소그래피 전자빔을 강한 전압을 통해 집속 시켜서 나노미터 수준의 패턴을 가공할 수 있는 나노공정 기술 2. 비선형 효과 입력값과 출력값이 비례관계에 있지 않은 성질. 광학에서 큰 비선형성을 확보할 경우, 빛의 속도로 동작하는 인공 신경망이나 초고속 통신용 광 스위치 등의 광소자를 구현할 수 있다.

POSTECH-에이비엘바이오, 4-1BB 이중항체가 종양 성장 막는다

[4-1BB 이중항체 연구결과, SCI급 학술지 ‘Science Advances’ 등재] 생명과학과 이승우 교수, 박사과정 유기훈씨, 에이비엘바이오 공동연구팀은 이중항체 플랫폼 ‘Grabody-T’를 도입한 4-1BB 이중항체는 종양미세환경(tumor microenvironment) 내에서만 T세포를 특이적으로 활성화해 종양성장을 억제한다는 연구결과를 국제학술지 사이언스 어드밴스(Science Advances)지를 통해 발표했다. 공동연구팀은 설치류 대상 동물실험에서 4-1BB 이중항체가 종양에 선택적으로 축적되는 것을 확인했다. 이렇게 축적된 4-1BB 이중항체는 조직 내 T세포 중 암 공격력이 뛰어난 최종 분화 CD8 T세포(terminally differentiated CD8 T cell)의 활성화를 유도해 항암 면역 반응을 끌어올리는 것으로 나타났다. 4-1BB 단독항체 투여시 발생하는 간 독성 등 면역관련 부작용 문제 역시 극복했다. 또한 4-1BB 이중항체는 대표적인 면역관문억제제인 PD-1 항체와 병용투여시 항암효과가 월등히 높아지는 것으로 나타났다. 이승우 교수는 “줄기세포 유사 CD8 T세포 (stem-like CD8 T cell)에 작용하는 PD-1 항체와 최종 분화 CD8 T 세포의 활성화를 유도하는 4-1BB 이중항체가 상이한 작용기전으로 T세포를 활성화함으로써 항암면역치료의 시너지 효과가 극대화됨을 이번 논문을 통해 입증했다”며, “이번 연구는 바이오 기업과 과학기술정보통신부(키우리-바이오분자집게기술연구단 및 BK21 사업)의 지원으로 얻어진 결과로, K바이오의 발전을 위한 바람직한 산학관 협력 사례라고 생각한다”고 말했다. 에이비엘바이오 이상훈 대표는 “에이비엘바이오는 기존 면역항암제의 한계를 극복한 자사 4-1BB 기술을 다양한 면역항암제 파이프라인에 적용해 개발중이다. 연구결과가 세계적 학술지에 소개됨으로써 회사 기술력을 높게 평가받은 만큼 국내외 관련 업계의 많은 관심이 예상된다”고 말했다.

기계·화공 노준석 교수팀, 위·변조 완벽 차단하는 디스플레이 나왔다

[편광 광학 암호화 가능한 나노 구조체 개발] 명품 가방, 유가 증권, 신분증 등에 부착되는 위변조 방지 장치들에도 불구하고 위조품은 날로 늘어가고 있다. 전통적인 위변조 방지 기술을 넘어 쉽게 위조할 수 없고, 다양한 정보를 담을 수 있는 차세대 위변조 방지 기술이 요구되고 있다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 정충환씨, 기계공학과 통합과정 양영환씨 연구팀은 나노 구조체를 이용하여 빛의 편광에 따라서 풀 컬러 이미지를 암호화할 수 있는 가변형 디스플레이 소자를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘나노포토닉스(Nanophotonics)’에 최근 게재됐다. 연구팀이 새롭게 개발한 디바이스는 메타 표면이라고 불리는 머리카락보다 약 천 배 가까이 얇은 두께의 미세 구조로 제작됐다. 메타 표면 내부에 있는 주기적인 배열된 미세 구조체들을 통해 다양한 색상을 표현할 수 있는 것으로 알려져 있는데, 이번에 제작된 미세 구조체들은 매우 작은 픽셀 크기이기 때문에 높은 해상도(약 40,000dpi)와 넓은 시야각을 가지는 동시에 얇은 두께로 제작돼 스티커 형태로도 제작할 수 있다. 또한, 다양한 색상 발현에 집중했던 기존 연구들과 다르게, 이번 연구에서는 들어온 빛의 편광에 따라서 ‘켜짐(ON)’ 상태와 ‘꺼짐(OFF)’ 상태를 조절할 수 있다. 새로 개발된 디바이스는 ‘켜짐’ 상태에서는 풀 컬러 이미지를 보여주고, ‘꺼짐’ 상태에서는 어떠한 이미지도 보여주지 않는다. 뿐만 아니라 이 디바이스는 (하나의 이미지를 끄고 켤 수 있을 뿐 아니라) 서로 다른 이미지를 전환하는 것도 가능하다. 구체적으로 살펴보자면, 연속된 3개의 나노 구조체를 배치함으로써 기존 연구보다 높은 색 재현율을 구현할 수 있다. 총 125종류의 구조체를 적절하게 구성하여 풀 컬러 그림을 암호화했고, 편광에 따라서 완벽하게 꺼지는 것을 실험을 통해 입증했다. 이런 특징을 활용한다면, 차세대 위변조 방지 장치로 실생활에서 활용할 수 있다. 예를 들어 그냥 보면 단순한 컬러 이미지이지만 특수한 필터를 사용할 경우 제조 번호가 보이도록 디자인된 보안 라벨로 제작할 수 있다. 또한, 초고해상도 특성을 이용해 고용량의 데이터 보안 알고리즘을 삽입한다면 전통적인 라벨 방식을 벗어나 새로운 보안 장치로 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 제1저자인 정충환씨는 “이번에 개발된 디바이스는 수천 배의 배율을 갖는 전자현미경을 이용하지 않으면 구조를 파악할 수 없고, 나노미터 규모의 생산 설비가 있어야 하므로 실질적으로 위조가 불가능하다”고 말했다. 연구를 주도한 교신저자 노준석 교수는 “입사광의 편광 성분에 따라서 풀 컬러 이미지를 끄고 켤 수 있는 초고해상도 소자형 디스플레이”라며 “이러한 디스플레이는 여러 이미지를 동시에 저장할 수 있으며, 광학적 암호화 기술에 응용될 수 있다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다.

기계 조동우 교수-창의IT 장진아 교수팀, 인공동맥혈관으로 몸 밖에서 동맥경화 본다

[인-배스(In-bath) 동축 세포 프린팅 기법 이용한 생체 외 죽상동맥경화증 모델 개발] 오래된 수도관에 녹이 슬거나 이물질이 침착하면 지름이 좁아지거나 막혀 수도관이 터져버린다. 인체의 혈관도 이와 같은데, 죽상동맥경화증은 혈관의 가장 안쪽 막에 콜레스테롤 침착해 혈관 내피세포의 증식이 일어 혈관이 좁아지거나 막히는 질환이다. 이런 혈관을 관찰하기 위해서는 CT, MRI 등 정밀검사가 필요한데, 최근 POSTECH 연구팀이 생체 밖에서 죽상동맥경화증을 관찰할 수 있는 인공동맥혈관 모델을 만들었다. 기계공학과 조동우 교수, 창의IT융합공학과 장진아 교수, 가오그(高戈) 박사, 통합과정 박원빈씨, 김병수 박사 연구팀이 인-배스 동축 세포 프린팅(In-bath coaxial cell printing) 기술을 이용해 여러 세포층으로 구성된 기능성 동맥혈관을 다양한 형태로 제작하는 데 성공했다. 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다. 죽상동맥경화증은 대표적인 심혈관 질환으로, 주로 혈관이 좁아지거나 구부러진 동맥 영역에서의 이상지질혈증으로 인한 염증반응에 의해 발생한다. 죽상동맥경화증을 관찰하기 위해 다양한 체외 모델이 연구됐지만, 여러 층의 세포가 공존하거나 작은 부위에서 난류를 생성하는 등 죽상동맥경화증의 실제 미세환경을 체외에서 재구성하는 것은 여전히 어려운 일이다. 혈관, 특히 큰 동맥은 단순히 속이 빈 튜브가 아니라 혈관 내피 세포, 근육층 및 결합 조직을 지닌 복잡한 조직이다. 특히, 혈관의 다양한 해부학적 구조에 따른 혈류의 역학적 특성 변화와 그로 인한 질병 발생에 대한 영향을 규명하는 것은 더욱더 어려웠다. 지금까지 바이오프린팅 기법은 압출식 프린터의 노즐 끝에서 나오는 재료를 공기 중에 놓인 편평한 바닥에 차곡차곡 쌓이면서 3D 구조체를 구성했다. 그런데, 연구팀은 한 단계 더 나가 노즐 끝에서 나오는 재료가 바이오잉크 배스 안에 프린팅되게 만들어 기존의 기법보다 구조적으로 더욱 안정된 3중층의 혈관을 만들 수 있는 인-배스 동축 세포 프린팅 기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술을 이용해 혈관내피층, 근육층, 섬유아세포층을 포함한 3층의 세포층으로 구성된 기능성 동맥 혈관을, 다양한 기하학적 형태로 제작했다. 또한, 혈관의 구조적 특이성에 따른 혈류의 역학적 변화를 확인하고, 협착형 및 곡형 혈관에서 형성된 혈액 난류가 내피세포 기능장애를 유발함을 증명했다. 제1저자인 가오그 박사는 “다층의 세포층으로 구성된 체외 동맥 혈관을 직선형, 협착형, 곡형 등 다양한 형태로 직접 프린팅(direct printing)할 수 있는 새로운 인-배스 동축 세포 프린팅 기법을 개발, 죽상동맥경화증 발병 기전 연구에 적용했다”고 설명했다. 또, 연구팀은 이렇게 만들어진 인공동맥혈관에 혈관질환 치료 약물인 아토르바스타틴(Atorbastatin)을 처리해 내피세포의 활성화, 백혈구의 화학 주성과 식세포 작용, 콜레스테롤 변이 등에 관련된 유전자 발현을 확인해 약물 실험 플랫폼으로서의 효용성도 입증했다. 연구를 주도한 조동우 교수는 “인-배스 동축 세포 프린팅 기술을 통해 구축된 생체 외 죽상동맥경화증 모델은 혈관의 구조적 특이성에 따른 혈류의 역학적 변화 및 화학적, 물리적 자극에 의한 혈관 활성화 양상을 확인할 수 있다”며 “죽상동맥경화증 병태생리를 규명하고, 효과적인 약물 및 치료법을 모색하는 유망한 플랫폼이 될 것”이라고 기대감을 보였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 창의적 연구사업, 산업통상자원부 기술혁신사업, 한국연구재단 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

신소재 이장식 교수팀, 플래시 메모리 한계 넘는 ‘강유전체 메모리’ 나왔다

[강유전체 낸드 플래시 메모리 개발] 초지능·초연결 4차 산업혁명 시대를 맞아 고집적·고성능 메모리의 중요성이 더욱 커지고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 낸드 플래시는 전하 트랩 현상을 이용하여 정보를 저장하기 때문에 높은 전압에서 동작하는 데다 속도가 느리고 반복적인 동작에 취약하다는 문제가 있다. 최근 POSTECH 연구팀에서 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서도 성능은 훨씬 우수한 강유전체 메모리를 구현했다. 신소재공학과 이장식 교수, 통합과정 김민규씨, 김익재씨 연구팀은 하프니아*1 기반 강유전체와 산화물 반도체를 이용하여 강유전체 메모리*2를 구현하는 방법을 제시했다. 또한, 새로운 방식으로 구현된 강유전체 메모리는 기존 플래시 메모리나 페로브스카이트 기반 강유전체 메모리보다 훨씬 우수한 메모리 특성을 보였으며, 수직 구조의 소자 제작을 통해 고집적 3차원 메모리에 적용될 수 있음을 확인했다. 지금까지 차세대 강유전체 메모리는 강유전 물질의 분극 현상을 활용해 정보를 저장하기 때문에 플래시 메모리에 비해 낮은 작동 전압에서 빠르게 동작 가능하다는 점에서 주목받아 왔다. 하지만 높은 열처리 온도, 불안정한 동작 특성, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제 등이 상용화의 발목을 잡았다. 연구팀은 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 활용해 이런 한계를 돌파했다. 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하고, 산화물 반도체를 채널 물질로 사용해 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현했다. 그 결과, 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서 수백 배 이상 빠른 동작 속도, 1억 번의 반복적인 동작에도 안정적인 특성을 보이는 것을 확인했다. 특히, 강유전체 물질과 산화물 반도체를 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식으로 적층하여 3차원 소자 제작에 적합한 공정 기술을 확보했다. 또한, 기존 플래시 메모리 소자 제작보다 훨씬 간단한 공정으로 400°C 이하에서 고성능 소자 제작이 가능함을 제시했다. 관련 내용들은 국내 특허 출원이 완료되었고, 해외 특허 출원을 준비하고 있다. 연구를 주도한 이장식 교수는 “이번 연구 결과는 기존 3차원 낸드 플래시 메모리의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 고집적·고성능 메모리를 구현하기 위한 기반 기술을 확보하고, 그 가능성을 직접 확인했다는 데 큰 의미가 있다”며 “이러한 기술은 고성능, 고집적 메모리 소자뿐만 아니라 향후 자율주행자동차, 인공지능 등에 필수적인 초저전력·초고속 고집적 유니버설 메모리와 인메모리 컴퓨팅에 적용할 수 있다”고 덧붙였다. 한편, 국제학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 1월 14일자에 게재된 이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 하프니아(Hafnia) 하프늄(Hafnium) 산화물 2. 강유전체 메모리(Ferroelectric memory, 强誘電體 memory) 강유전체 물질의 분극 현상을 이용하여 만든 비휘발성 메모리. 플래시 메모리보다 빠른 속도로 읽기나 쓰기를 할 수 있다.

화공 한정우 교수팀, 이중구조 페로브스카이트 ‘탄소 중립’ 앞당긴다

[POSTECH–UNIST-성균관대 공동연구팀, 산소 공공 형성 메커니즘 규명] 지구 온난화와 환경문제, 자원고갈로 인해 탈탄소화를 위한 움직임이 세계 곳곳에서 벌어지고 있다. 우리나라 정부에서도 작년 '2050 탄소 중립'을 선언했다. 온실가스 배출량과 흡수량을 합해 0으로 만들어 순 배출을 없애겠다는 것이다. 친환경 에너지와 수소 에너지로의 전환은 탄소 중립을 위한 필수요건으로 주목받고 있다. 이런 가운데 국내 연구진이 고체산화물 연료전지의 산소 이온의 이동 원리를 규명해 친환경 에너지 개발에 대한 기대가 높아지고 있다. 화학공학과 한정우 교수·박사과정 김경학씨 연구팀은 UNIST 정후영, 김건태 교수 연구팀과 성균관대 김영민 교수 연구팀과 공동연구를 통해 이중층 페로브스카이트 소재에서의 1차원 산소 공공 형성 과정을 관측하고, 그 메커니즘을 밝혔다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다. 고체산화물 연료전지는 유해가스를 배출하지 않으면서도 화학적 에너지를 전기적 에너지로 효율적으로 변환시키는 친환경 에너지원이다. 주 장치는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 공기극(cathode)과 연료극(anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온이 생성되고, 그 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물과 전기를 생성한다. 따라서 고체산화물 연료전지 작동 원리상 산소 이온의 이동에 대한 이해는 고성능의 전극 물질 설계에 중요하다. 이중층 페로브스카이트는 이중 층으로 이루어진 독특한 구조적 특성의 산소 공공 통로를 가지고 있어 물질 내에서 산소 이온의 이동 속도가 빠르다. 이러한 특성때문에 고체산화물 연료전지용 전극이나 전해질 소재로 연구가 이뤄지고 있는데, 지금까지는 간접적인 실험을 통해 산소 공공 통로를 관찰하는데 머물렀다. 이에 공동연구팀은 원자 수준의 분해능을 가지는 투과전자현미경*1을 이용해 산소 공공 통로를 직접 관찰했다. 또한, 슈퍼컴퓨터를 활용해 계산화학적 기법*2으로 1차원 산소 공공 통로가 생기는 원인을 열역학적으로 분석하고, 원자의 재배열 메커니즘을 규명했다. 공동연구팀은 투과전자현미경에서 전자빔이 시편을 투과하기 때문에 UNIST 이온집속빔을 활용해 20나노미터(nm) 정도 두께의 시편을 만들어, 원자크기 수준의 고배율 이미지를 관찰했다. 그 결과, 이중층 페로브스카이트에서 원소 번호가 낮은 산소뿐만 아니라 원소 번호가 높은 원소를 동시에 관찰할 수 있는 최적의 검출기 각도를 찾았다. 이로 인해 하나의 이미지에서 여러 원소를 동시에 구별할 수 있어 산소 공공 통로를 확실하게 관찰할 수 있었으며, 관찰된 산소 공공 통로는 제일원리 계산을 통해 예측된 구조와도 일치하는 것을 확인했다. 제1저자인 김경학씨는 “지금까지 실험적 관측의 한계로 실시간으로 산소 이온의 이동을 직접 관찰하지 못했지만, 이번 연구는 투과전자현미경과 제일원리 계산을 통하여 산소 공공 통로의 직접적인 관측과 형성 메커니즘을 원자단위에서 규명했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 연구를 주도한 한정우 교수는 “산소 이온의 이동 메커니즘을 밝힌 이번 연구는 연료전지용 전극 및 전해질 소재 분석에 대한 핵심 연구방법론으로 배터리, 연료전지, 화학 촉매 개발에 널리 응용될 수 있다”며, “탄소 중립의 패러다임 전환을 위해서는 고체산화물 연료전지용 소재 개발이 필수적인데, 연료전지의 핵심 구동 조건인 산소 이온 이동에 대한 이해를 통해 연료전지의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다. 1. 투과전자현미경(Transmission electron microscope, TEM) 전자현미경의 한 형태로, 얇은 시료에 전자를 통과시켜 확대된 상을 얻는 장치이다. 광학 현미경이 가시광선을 활용하는 것과 달리 전자의 물질파는 파장이 가시광선의 파장보다 훨씬 짧아 더 작은 원자단위에서의 소재 관측이 가능하다. 2. 계산화학적 기법 제일원리 계산으로, 어떤 실험적 혹은 경험적 사실에 기반한 파라미터 사용 없이 양자역학의 가장 기본원리를 사용하여 소재의 물리적 화학적 특성을 분석하는 이론 연구방법론이다.

화공 윤용주 교수팀, ‘거울상 이성질체’ 하나만 선택한다

[카이랄 이성질체 선택 생산 나노촉매 개발] 달달한 음료를 마시며 쓴맛을 느껴본 적이 있는가? 설탕보다 200배의 단맛을 내는 인공감미료 아스파탐의 거울상 이성질체는 완전하게 다른 특성인 쓴맛을 낸다. 이런 성질은 의약품에서 전혀 예측하지 못한 부작용으로 나타나기도 하는데, POSTECH(포항공과대학교. 총장 김무환) 연구팀이 거울상 이성질체를 선택적으로 생산할 수 있는 촉매를 개발해 부작용 없는 약에 대한 기대가 높아졌다. 화학공학과 윤용주 교수, 통합과정 정일준 씨, 송병주 씨, 김정명씨 연구팀이 백금 나노입자의 선택적인 표면 구조 노출을 통해 거울상 이성질체 중 하나를 선택적으로 생산하는 백금 나노촉매를 개발했다. 거울상 이성질체 선택도란 분자의 카이랄성과 관련이 있다. 카이랄성은 원자들의 연결 관계는 똑같지만, 왼손과 오른손처럼 좌우가 서로 뒤집혀 대칭을 이루는 3차원 분자 특성을 가리킨다. 원자 구성과 결합이 같아도 좌우 구조가 대칭을 이루면 거울상 이성질체가 되는데, 인체를 포함한 자연에 존재하는 단백질은 모두 단일 카이랄성을 가지기 때문에 두 거울상 이성질체는 생체 내에서 서로 다른 생리 작용을 나타내는 것으로 알려져 왔다. 실제로 1950년대에 임산부들의 입덧 방지용으로 판매된 탈리도마이드는 의도치 않게 두 거울상 이성질체가 함께 만들어져 기형아 출산이라는 심각한 부작용을 유발했으며, 결핵 치료제 성분인 에탐부톨의 한 거울상 이성질체는 실명을 유발할 수 있다. 전 세계 의약품 중 절반 이상은 카이랄성을 지니는 화합물을 주성분으로 하기 때문에 의약품의 개발 또는 생산 과정에서 거울상 이성질체의 순도는 항상 중요한 기준에 포함된다. 따라서 고순도의 단일 거울상 이성질체를 생산하기 위한 하나의 방법으로 선택적 촉매 반응을 활용한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 연구팀은 그중에서도 반응물 및 생성물과의 분리와 재사용이 쉬워 산업적 활용 측면에서 큰 장점이 있는 불균일계 촉매를 활용한 거울상 이성질체 선택적 촉매 반응을 연구해왔다. 수 나노미터 크기의 백금 나노입자 합성 과정에서 사용된 고분자들을 간단히 열처리함으로써 특정 표면 구조만 노출된 백금 촉매를 제조하는 데에 성공했다. 또한, 노출된 특정 표면 구조와 거울상 이성질체 선택도 간의 관계 분석을 통해, 거울상 이성질체 선택도를 극대화할 수 있는 백금 나노촉매의 표면 구조를 규명했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 높은 거울상 이성질체 선택도를 나타내는 금속 나노촉매의 설계 방향을 제시할 것으로 내다봤다. 더 나아가 이 기술은 단일 거울상 이성질체의 순도를 극대화해 인체에 미치는 부작용을 최소화하는 카이랄 의약품 제조 원천 기술로 활용될 것으로 기대된다. 한편, 미국화학회가 발간하는 촉매 전문 학술지 ‘미국화학회 촉매지(ACS Catalysis)’ 에 발표된 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업과 LG화학의 지원으로 수행됐다.

신소재 김종규 교수-화공 한정우 교수 공동연구팀, 싸고 흔한 니켈로 수소에너지 만든다

[POSTECH 공동연구팀, 친산소성 전이금속이 도핑된 니켈 기반 촉매 시스템 개발] 지구온난화로 인한 환경 문제와 에너지 위기를 해결하기 위해 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 벗어나 친환경적이고 지속가능한 수소에너지로 전환하려는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 값싸고 쉽게 구할 수 있는 니켈을 촉매 전극으로 사용하여 물을 전기분해해 수소 연료를 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 제안해 수소경제 실현에 청신호를 밝혔다. 신소재공학과 김종규 교수·통합과정 김재림 씨 연구팀은 화학공학과 한정우 교수·통합과정 정현정 씨 연구팀과 공동연구를 통해 친산소성 전이금속이 도핑된 고효율 니켈 기반 촉매 시스템을 개발하고, 촉매 흡착 특성과 알칼라인 수소 발생 반응 효율 사이의 상관관계를 밝혔다. 이번 연구의 성과는 우수성을 인정받아 권위 있는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’의 표지 논문(Front Cover Paper)으로 선정됐다. 연료 전지는 산소(O₂)와 수소(H₂)가 물(H₂O)을 생성하는 화학반응을 이용해 전기를 생산하는 친환경적 발전(發電)장치이다. 이때 역반응으로써, 물을 분해하여 수소 연료를 생성하는 수전해 환원은, 고순도의 수소 연료를 대량으로 생산할 수 있는 가장 친환경적이고 지속가능한 방식으로 알려졌다. 하지만, 이 방법은 값비싼 귀금속을 수전해 전극으로 사용해야 하는 등 비용이 높고 생산효율이 낮다는 단점이 있다. 물 전기분해를 통해 생산되는 수소 연료의 단가를 낮추기 위해서는 수소발생 효율을 극대화할 수 있는 고활성·고안정성 전기화학 촉매의 개발이 필요하다. 공동연구팀은 기존 귀금속 전극에 비해 값싸고 풍부한 니켈에 친산소성 이종금속 물질을 결합해 알칼라인 수소 생산 반응에 최적화된 흡착 세기를 갖도록 고효율 촉매 소재를 설계했으며, 비귀금속 물질 조합을 통해 촉매 표면의 흡착 특성을 효과적으로 제어할 수 있음을 밝혔다. 또한, 연구팀은 나노 물질을 기판에 증착(蒸着)시키는 공정에서 기판을 기울이거나 회전시키는 간단한 방법으로 다양한 촉매 물질의 나노 구조를 쉽게 구현할 수 있는 ‘경사각증착법’을 도입했다. 최적의 물질, 최적의 나노 구조 조합을 통해 귀금속 백금 촉매를 대체할 수 있는 고활성·고안정성 비귀금속 ‘3차원 나노 스프링 촉매 전극’을 구현했다. 이렇게 제작된 나노 스프링 어레이 구조는 기존 니켈 박막 촉매와 비교해 과전압을 4배 이상 감소시키는 등 수소 생산 효율을 극대화시킬 수 있음을 확인했다. 연구를 주도한 교신저자 김종규 교수는 “이 연구는 지속 가능한 신재생에너지-수소 연료 전환시스템의 고효율화 및 실용화를 위한 학문적 토대뿐만 아니라 실용화의 단초를 제공한다는 점에서 큰 의미를 지닌다”며, “고성능 이종금속 나노구조 촉매 설계 원리와 개발 방법론을 제시함으로써 수전해 뿐만 아니라 이산화탄소 환원 기술, 광 에너지 변환 시스템, 연료 전지 등에 핵심 개념이 그대로 적용될 수 있으므로 환경 에너지 분야의 원천 기술 확보로 인한 기술의 확장성과 그 파급효과가 클 것으로 기대된다”고 말했다. 공동교신저자인 한정우 교수는 “계산화학을 통해 촉매 흡착 세기를 제어할 수 있는 이종금속을 빠르게 찾아 비귀금속 물질만으로 이루어진 이종금속 촉매 전극을 구현함으로써 물 분해 환원 반응 속도를 획기적으로 증가시켰다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행됐다.