Research

신소재 정운룡 교수-화학 박수진 교수 공동연구팀, 늘어나는 배터리, 늘어나는 회로와 만나다

[늘어나는 배터리로 작동되는 독립형 전자 장치 개발] <스파이더맨>, <토르>, <카멜리칸> 등 마블 영화에서 눈길을 끄는 것은 뭐니 뭐니 해도 주인공의 화려한 액션이다. 조금 면밀히 살펴보면, 이런 화려한 액션은 역시 ‘옷빨’이다. 몸에 딱 붙어서 힘을 강화하거나 전기를 발생시키기도 하고, 총알을 막아내기도 한다. 그렇다면 특별한 기능을 가진 전자기기가 영화 속 히어로의 특별한 옷처럼 접었다 폈다, 늘어났다 줄어들었다 할 수 있을까? 신소재공학과 정운룡 교수, 통합과정 공민식씨 연구팀과 화학과 박수진 교수, 송우진 박사(현.충남대학교 유기재료공학과 교수) 연구팀이 늘어나는 배터리를 바탕으로 늘어나는(스트레쳐블) 전자기기의 플랫폼을 제작하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 최근 소개됐다. 늘어났다 줄어들었다 하는 성질을 가진 연신성 전자 소자는 웨어러블 기기나 신체 이식형 의료 기기의 핵심 기술이다. 하지만, 연신성 소자에서 유연성이 있는 배터리와 형태를 변형할 수 있는 연신성 인쇄 회로 기판(SPCB)을 결합한 전자 장치는 아직까지 실현되지 않았다. 연구팀은 고무줄처럼 늘어나는 배터리가 들어가는 스트레쳐블 전자 장치를 제안했다. 연신성 배터리를 기판으로 사용하고 그 위에 회로를 인쇄한 다음, 비아 홀*1을 통해 연결했다. 제작된 연신성 인쇄 회로 기판(SPCB)을 물속에서 125% 변형을 가해 LED의 작동을 시연한 결과 극심한 물리적 변형에도 안정적인 전기적 성능을 유지했으며, 방수 기능도 확인됐다. 이번 연구는 과거에는 외부의 크고 딱딱한 전원 장치들을 분리해 연결했던 회로와 배터리를 모두 얇은 필름 형태로 제작하고 통합할 수 있음을 증명했다. 또, 잡아당기면 늘어나는 유연성을 가진 회로와 배터리를 제작하는 것을 넘어, 이를 통합한 전자 장치를 실현해 ‘스파이더맨’의 옷처럼 입는 전자장치의 가능성도 선보였다. 한편, 이번 연구는 원천기술개발사업, 글로벌프런티어사업, 이공분야기초연구사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 1. 비아 홀(via hall) 인쇄 회로판에서 외부 회로와 내부 또는 앞면과 뒷면의 회로를 연결하는 통로

POSTECH 경북씨그랜트센터, 똑똑한 물질로 바다의 여인 지킨다

[첨단 IT 기술 활용 스마트 해녀 안전 시스템 개발] POSTECH이 경북지역 해녀 문화를 보전하고, 물질 안전사고를 예방하기 위해 첨단 IT 기술을 접목한 스마트 해녀 안전시스템을 개발해 보급에 나섰다. 경북 동해안에 사는 해녀는 1,500여 명으로 제주를 제외하고 가장 많다. 하지만 60대 후반이 넘는 고령자가 대부분이며, 해마다 장시간 물질이나 무리한 조업으로 심정지, 낙상, 익수사고 등이 잇따라 발생하고 있어 물질 안전사고 예방에 대한 대책이 필요하다. POSTECH 경북씨그랜트센터(센터장 유선철)는 사라져가는 해녀 문화를 보존하고, 바닷속에서 돌발적으로 발생하는 여러 위험한 상황으로부터 해녀를 보호하기 위해 해녀 안전시스템인 ‘스마트 테왁(조업 중 이용하는 부력재 어구로, 휴식을 취하거나 채취한 해산물 등을 보관하는 용도로 사용)’과 해녀용 ‘스마트 워치’를 개발했다. 스마트 테왁과 스마트 워치는 모두 구룡포 해녀 협회의 도움을 받아 현장 테스트를 진행하고 있다. 스마트 테왁은 내부에 설치된 수중카메라와 인공지능을 활용해 해녀의 잠수 습관이나 사고가 많은 잠수지역을 모니터링하고 위급상황 시 외부에 경보를 보내는 시스템이다. 해녀용 스마트 워치는 잠수 시간이나 조업 위치, 수심, 수온 등을 파악해 사용자에게 진동으로 정보를 알려 주는 헬스케어 시스템이다. 구룡포 해녀 성정희 씨는 “잊혀 가는 해녀에 관심을 가져줘서 감사하다”며, “이제 첨단IT기술로 정보를 파악할 수 있어 바닷 속에서도 안심할 수 있다”라고 말했다. 경북씨그랜트센터 유선철 센터장은 “첨단IT기술을 활용함으로써 경북지역 해녀의 물질 안전사고방지에 큰 도움이 될 것으로 기대된다”며 “안전한 조업 환경을 조성함으로써 해녀 문화 보존에도 실질적으로 도움을 줄 수 있도록 지속적으로 노력하겠다”라고 말했다. 한편, 경북씨그랜트 사업은 지역대학을 중심으로 지역별 해양현안을 발굴해 연구수행, 전문인력 양성, 연구 결과의 대민활동을 수행하는 해양수산기술지역특성화 사업으로 해양수산과학기술진흥원과 경상북도의 지원을 받아 수행하고 있다.

전자 양현종 교수팀, ‘AI 전자현미경’이라면 초보자도 척척!

[딥러닝 기반 인공지능 전자현미경 개발] 인간의 지적 욕망은 현미경의 개발로 더 작은 것, 미세한 것 심지어 살아 움직이는 것까지 들여다볼 수 있게 됐다. 여기에 한 발 더 나가 인간의 눈(휴먼 비전) 한계를 넘어서 기계의 눈(머신 비전)을 장착한 인공지능 현미경이 나왔다. 초보자가 활용해도 전문가 수준의 분석 결과를 얻을 수 있다. 전자전기공학과 양현종 교수, UNIST 석박통합과정 장종규씨(지도교수 양현종) 연구팀이 주식회사 이고비드, 주식회사 코셈과 함께 최초로 인공지능으로 제어하는 전자현미경을 개발했다. 이 연구 성과는 세계 최대 현미경 분야 학회 ‘마이크로스코피 앤 마이크로애널리시스(Microscopy and Microanalysis)’에 2019년, 2020년 연속으로 발표됐고, 세계적 권위를 자랑하는 국제로봇학술대회인 'IROS 2020(IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2020)에서도 발표됐다. 전자현미경은 광학현미경에 비해 훨씬 더 높은 배율과 다양한 정보를 제공하는 장점이 있다. 하지만, 전자빔, 시료의 특성, 진공의 이해 등 다양한 지식이 필요해 숙련되지 않은 초보자는 좋은 영상을 얻기가 쉽지 않다. 이 때문에 산업 현장 특히, 생산이나 품질을 담당 분야에서는 전자현미경 사용을 위해 장시간의 특별교육을 하거나 전문가를 채용해야 하는 현실이다. 연구팀은 이러한 전자현미경 사용의 어려움을 해결하기 위해 ‘인공지능’을 이용했다. 딥러닝을 기반으로 한 전자현미경은 시료의 이미지 품질을 10단계로 평가해 주는 ‘스코어링(scoring) 머신’과 이를 기반으로 전자현미경의 제어 변수를 자동으로 조절하는 ‘컨트롤(control) 머신’으로 구성됐다. 스코어링 머신과 컨트롤 머신은 각각 지도학습과 강화학습을 통해 학습시킨다. 학습된 머신은 이고비드, 코셈이 공동 개발한 소프트웨어를 통해 전자현미경을 제어한다. 지금까지 시료의 이미지를 분석하는 데에 인공지능이 사용됐다면, 이번 연구는 인공지능을 이용해서 전자현미경을 자동으로 조절할 수 있게 됐다. 이는 학습 이론을 적용해 전자현미경 자체를 전문가가 조작하는 것처럼 제어하는 기술로는 최초의 사례이다. 연구를 주도한 양현종 교수는 “전자현미경을 이용해 고화질 시료 이미지를 얻기 위해서는 다양한 제어 변수를 전문적인 수준으로 조절해야 하는 어려움이 있다”며, “이번에 개발된 딥러닝 기술을 적용할 경우, 전자현미경의 조작이 쉬워져 산업현장이나 교육현장에서 누구나 쉽게 전자현미경을 사용할 수 있을 것으로 기대된다” 고 말했다. 한편, 이 연구는 한국산업기술평가관리원(KEIT) 산업기술혁신사업 지원으로 수행됐다. 또한, 주식회사 코셈은 공동개발한 인공지능 제어 전자현미경의 세계 최초 상용화를 목적으로 추가적인 개발을 진행하고 있다.

신소재 강병우 교수팀, 전기차 6분이면 90% 충전할 수 있다

[입자 크기 줄이지 않고 부피당 고에너지 밀도와 고출력 특성을 구현할 수 있는 이차전지 양극 소재 비밀 밝혀] 최근 테슬라(Tesla)를 필두로 하여 세계적으로 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기차는 기존 내연기관 자동차와 달리, 이차전지의 동력만으로 자동차를 움직이기 때문에 배터리의 성능이 곧 자동차의 성능이 될 수 있다. 하지만 느린 충전 시간과 낮은 출력은 여전히 전기차가 넘어야 할 장벽이다. POSTECH 연구팀이 더 빨리 충전되고 오래 가는 전기차 배터리 소재를 개발했다. 신소재공학과 강병우 교수, 통합과정 김민경 씨 연구팀은 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀과 함께 이차전지 전극 물질에서 충·방전할 때, 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충·방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘에너지 엔 인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 최근호에 게재됐다. 지금까지 이차전지에서 빠른 충·방전을 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 이용돼왔다. 하지만 입자 크기를 줄이게 되면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다. 연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도, 충·방전 상변이 과정*1에 중간상을 형성시키면 고에너지 밀도의 손실 없이도 빠른 충·방전을 통해 고출력을 낼 수 있을 뿐 아니라 오래 가는 이차전지를 개발할 수 있다는 것을 확인했다. 충·방전 시 새로운 상(相)이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 상 분리 물질(Phase separating materials)의 경우, 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 되어 두 상의 계면에서 구조적 결함들이 많이 생긴다. 이러한 구조적 결함들은 입자 내에서 새로운 상의 빠른 성장, 즉 빠른 충·방전을 방해한다. 연구팀이 개발한 합성법을 이용하면, 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 완충(Structural Buffer) 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다. 또, 이 완충작용을 하는 중간상이 입자 내의 새로운 상의 생성과 성장을 도와 입자 내의 리튬의 삽입·탈리 속도를 향상시킬 수 있으며, 뿐만 아니라 중간상의 형성을 통해서 전극 내의 수많은 입자들이 충·방전할 때 균일한 전기 화학 반응(homogeneous electrochemical reaction)을 일으켜 전지의 충·방전 속도를 획기적으로 증가할 수 있음을 확인했다. 이 결과 연구팀이 합성한 이차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되고, 18초 내에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발의 기대감을 높였다. 교신 저자인 강병우 교수는 “기존 접근법은 빠르게 충‧방전할 수 있도록 입자의 크기를 줄여 항상 에너지 밀도의 저하가 문제로 지적됐다”며 “이번 연구 성과를 통해 빠른 충·방전, 높은 에너지 밀도, 오랜 성능 유지 시간 등을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 방사선기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 상변이 과정 전극 물질 중 상 전이 물질에서 일어나는 현상으로 충·방전 시 리튬이 삽입·탈리 되면서 물질의 기존 상이 새로운 상으로 변하는 과정을 말함.

화공 정대성 교수팀, 자유롭게 색 재현하는 OPD 광센서 나온다

[화학적 도핑 이용한 광다이오드의 자유로운 색 조절] 포토다이오드는 빛의 에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서이다. 유기 포토다이오드는 응답속도가 빠르고, 색 대응 파장대의 조절이 가능해 컬러필터 없이 색을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 지금까지 보고된 색 조절 기술들은 대부분 포토다이오드를 두껍게 만들어 광 왜곡을 일으키기 때문에 작고 얇은 화면을 선호하는 요즘 기술 추세에는 맞지 않는다. POSTECH 연구팀은 이런 수요에 맞춰 정확하고 간편한 접합 기술로 박막형 유기 포토다이오드를 구현해냈다. 화학공학과 정대성 교수, 강민균 씨 연구팀에서 화학적 도핑을 통한 유기 포토다이오드(이하 OPD)의 정확하고 간편한 접합 공학 기술을 선보였다. 영국왕립화학회(Royal Society of chemistry, RSC)가 발행하는 재료 분야 국제 학술지 '머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)'에 최근 게재됐다. 포토다이오드는 반도체의 PN 접합부에 광 검출 기능을 추가한 것으로 빛이 다이오드에 닿으면 전자와 양(陽)의 전하 정공이 생겨 전류가 흐르고, 전압은 빛이 세질수록 커진다. 연구팀은 활성층의 전체 두께가 아닌 공핍 영역*1 너비(폭)만 제어하여 색 선택성을 가지는 박막형 OPD를 구현했다. 전자 당김 특성이 강한 유기 소재를 반도체에 도핑시킴으로써 광 전하가 분리될 수 있는 영역을 정교하게 변경할 수 있도록 했다. 유기 포토다이오드는 얇고, 색 대응 파장대의 조절이 가능해 실리콘 포토다이오드를 대체하고 있다. 하지만, 유기 포토다이오드의 두께를 얇게 유지하면서도 색 대응 파장대를 동시에 조절 가능하다는 것을 확인한 사례는 이제껏 없었다. 이 연구는 포토다이오드의 색 대응 파장대를 자유자재로 조절할 수 있음을 확인한 최초의 사례로, 박막형 컬러필터 프리 광센서를 구현했다는 점에서 의미가 크다. 연구를 주도한 정대성 교수는 “화학적 도핑을 이용해 특정 파장에만 반응하는 포토다이오드를 개발함으로써 불필요한 파장에 의한 신호생성을 원천적으로 막는 광센서를 구현했다”며 “기존의 좁은 대역에서의 빛 감지 전략과 달리 자유롭게 빛의 파장대를 조절할 수 있는 것”이 차별점이라고 설명했다. 한편, 정대성 교수팀의 이번 연구는 2018년 7월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 지원을 받고 있다. 1. 공핍영역(Depletion Region) PN접합의 결과로 전자와 정공이 결합하여 캐리어가 소멸하고 부동 전하만 남은 영역. 다이오드형 반도체 방사 검출기에서는 이 공핍 영역이 그 소자의 고감도 영역이 된다.

기계·화공 노준석 교수-화공 김진곤 교수 공동연구팀, 햇살이 뜨거워도 온도 떨어지는 단열재 나왔다

[POSTECH-고려대 공동연구팀, 에너지 소비 없는 주간 복사 냉각 소재 개발] 바야흐로 가을이 깊어지고 있다. 아침저녁으로 일교차가 크게 나타나는데 이것은 지표면의 복사 냉각에 의한 기온역전 현상 때문이다. 낮 동안 태양으로부터 열을 받아 기온은 올라가며, 해가 진 밤 동안에는 지표면의 온도가 내려가게 된다. 최근 POSTECH‧고려대 공동연구팀이 낮 동안에도 주변 대기보다 낮은 온도를 나타내는 복사 냉각 현상을 간단한 방법으로 구현해냈다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·박사과정 이다솔 씨 연구팀과 화학공학과 김진곤 교수·통합과정 고명철씨 연구팀은 고려대 신소재공학과 이헌 교수 연구팀과 공동연구를 통해 실리카가 코팅된 다공성 양극 산화 알루미늄을 이용해 에너지 소비가 필요 없는 주간 복사 냉각 기술을 선보였다. 이 연구는 에너지 분야 국제 과학 저널인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 최신 온라인판에 발표됐다. 환경 오염, 화석 연료 사용 제한 등 에너지 소비에 대한 관심이 높아지면서 에너지 소비 없이 온도를 낮추려는 시도가 계속되고 있다. 빌딩 온도를 낮추기 위해 창문이나 벽면에 태양 빛을 반사하거나 원적외선 빛을 흡수·방사함으로써 에너지를 방출하는 구조물을 설치하는 예도 가 바로 복사 냉각 기술이다. 이처럼 복사 냉각 기술이란 ‘물체가 태양으로부터 에너지를 적게 받고, 복사열을 방출함으로써 온도를 낮출 수 있는 기술’이다. 기존의 냉방 시스템과는 다르게 전기 등의 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 장점이 있음에도, 복사 냉각 기술은 아직까지는 넓은 면적에 적용하는 데 어려움이 있다. 이를 극복하기 위한 연구들이 세계적으로 활발하게 진행되고 있으나 상용화에 어려움을 겪고 있다. 공동연구팀은 아주 간단한 방법을 찾았다. 다공성 양극 산화 알루미늄에 얇은 실리카*1 박막을 코팅하는 것만으로 태양광이 직접적으로 내리쬐는 환경에서도 주변 대기보다 낮은 온도를 나타내는 냉각 효과가 있음을 확인했다. 실험을 통해 최적화된 구조체가 태양 스펙트럼 영역에서는 86%의 반사율*2을, 대기창 영역(8-13μm)에서 96%의 높은 방사율*3을 가질 수 있음을 검증했다. 또한, 센티미터 크기로 제작된 복사 냉각 소재는 태양이 내리쬐는 낮 동안 최대 6.1℃의 냉각 효율을 보였다. 노준석 교수는 “이번에 개발된 복사 냉각 소재는 아주 간단한 방법으로 제작할 수있다”며 “이제까지 문제가 됐던 면적에 대한 한계를 극복할 수 있어 냉난방 시스템에 적용한다면 환경문제를 해결에 도움이 될 것”이라고 기술에 대한 전망을 밝혔다. 한편, 이 연구는 포스코 그린사이언스 프로그램, 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리, 중견연구, 글로벌프론티어, 지역혁신선도연구센터, 리더연구, 교육부 글로벌박사펠로우십 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 실리카(silica, silicon dioxide) 지각 중에 가장 많이 존재하는 성분으로, 거의 모든 토사 암석 속에 다른 성분과 결합한 규산염 광물로 존재한다. 2. 반사율(reflectivity) 반사광의 에너지와 입사광의 에너지의 비율. 빛을 포함한 여러 종류의 복사파가 물체의 표면에서 어느 정도 반사되는지를 나타내며, 이는 물질의 종류와 표면의 상태에 따라 달라진다. 3. 방사율(emissivity) 열복사 시 한 물체의 표면에서 에너지 방출의 효율성을 의미. 물체의 종류와 두께, 표면 상태, 온도 및 열방사의 파장에 의존한다.

신소재 최시영-물리 이대수 교수 공동연구팀, AI로 세상에 없던 메모리 소자용 재료 만든다

[AI로 원자 구조 변이 제어해 새로운 물리 현상 구현] “땅의 길을 열어준 재료가 고무라면, 하늘길을 열어준 재료는 알루미늄”이라는 말이 있다. 인류사를 바꾼 전환점에는 항상 새로운 소재의 발견이 있었다. 메모리에 적용되는 소재 역시 도핑된 실리콘 소재, 저항변화 소재, 자발적 자화소재, 그리고 자발적 분극소재 등 새로운 재료가 나타나면서 혁신적으로 진화하고 있다. 이런 새로운 재료는 어떻게 만들어질까? POSTECH 연구팀이 인공지능(AI)을 활용해 새로운 메모리 소자에 적용할 수 있는 소재를 만드는 메커니즘을 밝혔다. 신소재공학과의 최시영 교수 연구팀과 물리학과 이대수 교수 연구팀은 공동연구를 통하여 실온에서 분극 현상(결정 내에서 전기 중성이 깨어져서 음전하와 양전하의 위치가 분리되어 전기를 띄는 현상)을 일으켜 전기를 띄는 새로운 물질을 합성하고, 심층 신경망 분석기법을 적용하여 결정구조의 변이를 확인했다. 이 논문은 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 최근호에 게재됐다. 페로브스카이트 구조의 산화물은 산소 팔면체의 회전에 따라 원자구조가 틀어지고, 그 성질이 결정된다. 실제로는 안정적인 평형상태의 산소 팔면체는 몇 개 되지 않아 페로브스카이트 산화물의 특성과 기능이 제한적이 될 수밖에 없다. 연구팀은 절대온도 0K에서도 분극 현상이 나타나지 않는 CaTiO3*1라는 페로브스카이트 산화물에 주목했다. 하지만 전자구조 계산에 의해, 자연적으로는 나타날 수 없는 독특한 산소 팔면체 회전 구조*2를 만들어내면 실온에서 강력한 분극 현상을 일으키는 강유전 현상을 일으킨다. 이에 연구팀은 CaTiO3와 접합하는 계면 구조와 계면 현상을 제어하는 계면공학*3을 적용하여, 강유전 현상을 발현하는 새로운 물질(heteroepitaxial CaTiO3)을 합성하는 데 성공했다. 또한, 심층 신경망 분석기법을 적용해 미세한 산소 팔면체의 회전과 미세한 결정구조의 변이를 살폈고, 다양한 원자구조를 인공지능으로 시뮬레이션하며 데이터베이스화해 인공적으로 제어된 산소 팔면체 구조 확인에 활용했다. 이대수 교수는 “미세한 원자구조의 변이를 제어해 독특한 산소 팔면체의 구조를 실현해 자연에서는 볼 수 없는 새로운 물리적 현상을 만들 수 있음을 확인했다”며 “특히, 물리학과 신소재공학 융합연구의 성과로 소재 설계를 위한 계산, 새로운 물질 합성, 새로운 현상을 이해하기 위한 분석이 가능하다는 것을 확인해 의미가 크다”고 평가했다. 최시영 교수는 “기계학습법의 인공지능을 소재 연구에 적용하여 인간의 눈으로 식별하기 힘든 미세한 원자 변이를 성공적으로 확인했다”며, “새로운 물리적 현상을 만드는 메커니즘을 이해할 수 있는 새로운 소재 분석기법이 될 수 있을 것”이라고 설명했다. 한편, 이 연구는 물리학과와 신소재공학과 그리고 서울대 강상관계물질연구단의 융합연구 결과이며, 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 하이브리드 인터페이스기반 미래소재연구사업, 그리고 POSTECH-삼성전자 협력센터의 지원으로 수행됐다. 1. CaTiO3 a-b+a- 로 정의되는 산소 팔면체 구조를 가짐 2. 산소 팔면체 회전 구조 a-a-a- 로 정의되는 산소 팔면체 구조를 가짐 3. 계면 공학(Interface Engineering) 성질이 서로 다른 두 물질이 맞닿는 경계면을 계면(interface)라고 하고, 이 계면과 그 부근 물질의 상태와 성질을 연구하는 분야

기계 김동성 교수팀, 줄기세포시트 단 2일이면 수확한다!

[POSTECH-포항세명기독병원 연구팀, 온도감응형 나노구조 세포 배양 플랫폼 개발] 줄기세포는 끊임없이 반복해서 분열하며 세포를 만드는 세포공장이다. 손상된 장기에 인위적으로 이 줄기세포를 이식하게 되면 새로운 조직을 재생시켜 치료가 가능해 질 수 있다. ‘세포 시트(cell sheet)’ 공학 기술은 줄기세포를 세포들만으로 이루어진 시트 형태로 손상부위에 이식할 수 있는 기술로 외부물질에 기인한 면역 거부반응을 온전히 배제시키며 조직 재생을 꾀할 수 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 이런 줄기세포 시트 수확에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하는 데 성공했다. 기계공학과 김동성 교수와 최이현 연구원, 포항세명기독병원 정형성형병원 류인혁 원장, 이지호 과장 공동연구팀은 온도에 따라 물의 젖음 특성이 달라지는 폴리나이팜의 나노구조를 이용하여 인간 골수 유래 중간엽줄기세포로 구성된 세포 시트의 총 수확 기간을 2일로 대폭 단축시켰다. 현재까지 개발된 기술로 줄기세포를 ‘시트’화하는데 평균 일주일이 걸리는 것을 고려하면 가장 짧은 수확 시간이다. 이 연구성과는 생체 재료 분야 국제 학술지 ‘바이오머티리얼스 사이언스(Biomaterials Science)’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다. 김 교수 연구팀은 온도에 따라 물과 결합하거나 물을 밀어내는 성질이 변하는 고분자인 ‘폴리나이팜’에 주목했다. 기존 연구에서는 폴리나이팜을 세포 배양 용기에 코팅 방식으로 도입하여 세포 시트를 수확해 왔으나, 시트로 수확 가능한 세포의 종류가 한정적이어서 그 활용 범위가 제한됐었다. 연구팀은 2019년 처음으로 폴리나이팜을 기존 코팅 방식이 아닌 3차원 형상으로 구현함으로써, 온도 변화에 따라 세포배양면의 표면 거칠기를 자유롭게 조절하는 기술을 개발하여 다양한 종류의 세포들을 안정적으로 시트화시킨 바 있다. 이번 연구는 세포 시트의 직접적인 활용 가능성을 높이고자, 조직 재생에 효과적인 줄기세포를 짧은 시간 안에 시트화하는 데 집중했고, 3차원 형상의 폴리나이팜 표면상에 400나노미터(nm, 10억 분의 1m) 크기의 나노포어(나노기공)가 배열된 등방성(等方性) 패턴을 입혔다. 그 결과, 폴리나이팜의 나노구조에서 인간 골수 유래 중간엽줄기세포의 형성과 성숙이 빨라졌을 뿐만 아니라, 임계온도(LCST)*1보다 낮은 상온에서 폴리나이팜 나노구조의 표면 거칠기가 빠르게 변화되어 세포 시트의 탈착을 효과적으로 유도할 수 있었다. 이로써 인간 골수유래 중간엽줄기세포 시트의 빠른 수확이 가능했다. 제1 저자인 최이현 씨는 “기존 연구를 통해 보고된 줄기세포 시트 수확은 최소 5일이 필요했다”며 “이번에 개발한 폴리나이팜 나노구조체를 통해 2일 만에 수확이 가능하다”라고 밝혔다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “세계 최초로 폴리나이팜 3차원 구조 표면에 나노구조를 도입하여 성숙한 줄기세포 시트를 제작함으로써 수확 시간을 현저히 단축시켰다”며, “앞으로 줄기세포 시트를 환자들에게 직접 적용할 가능성을 열었다”라고 설명했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 바이오 의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 임계온도 액체와 기체의 상평형이 정의될 수 있는 한계 온도, 즉 액화가 가능한 최고의 온도를 말한다.

물리 이길호 교수팀, 초고감도 마이크로파 검출기(볼로메터, bolometer) 개발

- 최상위 국제학술지 '네이처'에 게재 - 마이크로파를 이론적 한계 수준에서 검출할 수 있는 검출기 물리학과 이길호 교수팀, 미국 Raytheon BBN Technologies, 하버드대학교, 매사추세츠공과대학교, 스페인 바르셀로나 과학기술연구소, 일본 NIMS 물질재료연구기구로 이뤄진 국제 공동 연구팀이 마이크로파를 이론적 한계 수준의 민감도로 검출할 수 있는 초고감도 센서를 개발했다. 최상위 국제학술지인 '네이처(Nature)'에 공개된 이번 연구 결과는 양자컴퓨터 등 차세대 기술의 실용화를 위한 원천 연구로 주목받고 있다. □ 극소량의 마이크로파 광자를 이론적인 한계 수준으로 검출 마이크로파는 이동 통신, 레이더, 천문학 등 폭넓은 과학 기술 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 양자컴퓨팅, 양자정보통신 등 차세대 양자 기술의 실용화를 위해 극히 높은 민감도로 마이크로파를 검출하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 마이크로파는 볼로미터라는 기기를 사용하여 검출하고 있다. 볼로미터는 전자기파 흡수 소재, 전자기파를 열로 바꾸어 주는 소재, 발생한 열을 전기적인 저항으로 변환하는 소재로 구성되어 있다. 전기적인 저항의 변화를 이용하여 흡수된 전자기파의 양을 계산한다. 현재 볼로미터에 사용되고 있는 실리콘이나 갈륨 비소 등의 반도체 기반 다이오드를 사용중이며 검출할 수 있는 마이크로파의 한계는 1 나노와트 (1나노와트는 10억분의 1와트) 수준에 머물러 있다. □ 소재와 소자 혁신을 통해 이론적 한계 돌파 이길호 교수 연구팀은 소재와 디바이스 구조 측면의 혁신을 통해 이 한계를 돌파했다. 먼저 전자기파를 흡수하는 소재로 그래핀을 사용했다. 그래핀은 탄소원자 한층으로 이루어진 물질로 한 점으로 모이는 원뿔형 밴드 구조 때문에 매우 작은 전자 열용량을 가진다. 열용량이 작다는 것은 작은 에너지를 흡수하더라도 커다란 온도의 변화가 일어난다는 의미이다. 마이크로파는 매우 작은 에너지를 가진 전자기파이지만, 그래핀에 흡수되면 상당한 온도 상승을 일으킬 수 있다는 아이디어인 것이다. 문제는 그래핀에서 발생하는 온도 상승이 매우 빠른 속도로 식어버려 측정하기 어렵다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 조셉슨 접합이라 부르는 디바이스를 도입하였다. 조셉슨 접합은 초전도체/그래핀/초전도체 로 구성된 디바이스로 전기적 방법으로 온도 변화를 10피코초(1피코초는 1조분의 1초) 이내로 검출할 수 있다. 따라서 그래핀에서 발생하는 온도 변화와 그것에 따른 전기적인 저항의 변화를 검출할 수 있게 된다. 이길호 교수는 "이번 연구는 차세대 양자 소자를 실제로 구현하기 위한 기반 기술을 구축했다는데 의미가 있다"며 "이번 연구는 단위 시간당 몇 개의 마이크로파 광자가 흡수되는지를 측정하는 볼로미터 기술이나 현재는 마이크로파 광자 하나하나를 구별할 수 있는 단광자 검출기술을 개발 중이다. 이 기술은 양자컴퓨팅 측정효율을 극대화하고 간접자원을 획기적으로 줄여 유용한 대규모 양자컴퓨터를 가능케 할 것으로 기대한다"라고 말했다. 미국 Raytheon BBN Technologies의 Kin Chung Fong 박사는 " 우주의 기원을 연구하는 전파천문학 분야 및 암흑물질을 연구하는 입자물리학 분야에서도 이번 연구 결과에 뜻밖의 관심을 보이고 있다"며 "기초과학 연구가 다양한 분야 활용될 수 있음을 보여주는 사례이다"라고 밝혔다.

화공 박태호 교수팀, 식품첨가제로 만드는 태양전지 “페인트”

[친환경 용매에 녹는 양자점 태양전지 개발] 건물의 창문이나 외벽에 붙여 전기를 생산할 수 있는 투명 태양전지나 창문에 에너지를 저장하는 창문형 태양전지 등, 커다란 패널로만 알려진 태양전지를 좀 더 실생활에서 활용할 수 있도록 하는 시도가 계속되고 있다. 다른 신재생에너지와 달리 태양빛은 어디에서나 구할 수 있는 에너지원으로, 형태만 간소화할 수 있다면 대도시에서도 필요한 에너지를 스스로 만들어내는 건축물도 만들어질 수 있을 전망이다. 화학공학과 박태호 교수, 김홍일 박사 , 이준우 박사 연구팀은 토론토대(University of Toronto) 연구팀과 공동연구를 통해 무작위 공중합*1을 이용해 친환경 용매에 잘 녹는 고분자 물질을 합성하는 데 성공했다. 이 연구성과는 재료 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 최신호 온라인판에 게재됐다. 일명 ‘바르는 태양전지’는 용액공정으로 만들어진다. 태양전지 소재가 되는 유기물을 액체 상태로 만들고, 필요한 부분에 신문처럼 인쇄하는 방식이다. 하지만, 유기 소재를 페인트나 잉크처럼 만들어 사용하는데 있어서 기존에는 고효율을 내는 고분자가 독성이 낮거나 없는 용매에는 잘 녹지 않아 독성용매를 통해 공정하였다. 그리하여 실험실 수준의 연구는 진행이 가능하지만 상용화에는 어려움을 겪고 있었다. 연구팀은 비대칭 구조를 갖는 고분자 물질을 합성하고 용해도를 높여 식품첨가제로도 사용되는 친환경 용매(2-메틸아니졸)에도 녹을 수 있도록 했다. 이때 합성된 무정형 고분자 물질은 태양전지에 적합한 배향(配向)*2을 가지는 것뿐만 아니라 전하 이동에 방해가 되는 결정 표면이 없고, 열에 의한 결정화가 일어나지 않아 고온에서도 안정적인 효율을 보였다. 연구팀은 무정형 고분자 물질을 사용해 최고 13.2%의 효율을 얻었고, 고온 조건에서도 120시간 후에도 89%의 효율을 유지하는 것을 확인했다. 이는 기존에 보고된 것보다 효율이 높고, 안정성이 뛰어나다. 연구를 주도한 박태호 교수는 “높은 효율과 뛰어난 안정성을 가진 차세대 태양전지의 대량 생산에 필요한 친환경 공정의 가능성을 제시한 연구”라며 “양자점 태양전지의 정공 전달 물질뿐만 아니라 차세대 유기 박막 트랜지스터, 유기태양전지, 페로브스카이트 태양전지 등에 도입할 수 있다”라고 설명했다. 이 연구는 정부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업이다. 또한 과학기술정보통신부가 추진하는 글로벌 프런티어 사업 '나노기반소프트일렉트로닉스 연구단'의 지원으로 수행됐다. 1. 무작위 공중합 어떤 단량체 단위를 발견할 확률이 인접 단위의 종류와는 무관계한 단위체 순서가 무작위인 공중합 2. 배향 고분자로 이루어진 고체물질 속에서 미세 결정이나 고분자 사슬이 일정방향으로 배열되는 것