Research

화공 차형준 교수팀, 거저리 유충, ‘환경 골칫덩이’ 플라스틱 먹어치운다

[산맴돌이거저리 유충 이용한 폴리스타이렌 생분해 확인] 북태평양에는 한반도의 7배의 크기에 달하는 거대 플라스틱 쓰레기 섬이 존재한다. ‘태평양 거대 쓰레기 지대(Great Pacific Garbage Patch)’라고 불리는 이 쓰레기섬은 1초마다 2만 개가 소비되는 플라스틱이 매년 1300만 톤씩 바다로 유입되며 생겨난 것이다. 플라스틱은 자연적으로 썩어 분해되는 데까지 짧게는 수십 년에서 길게는 수백 년까지 걸리는데, 비닐봉지는 10~20년, 나일론 제품이나 1회용 빨대는 30~40년, 흔히 사용하고 버리는 플라스틱 생수통은 500년이 지나야 분해된다. 이렇게 ‘인류의 재앙’이 되어 돌아오고 있는 플라스틱을 우리나라에서 흔히 볼 수 있는 거저리과 곤충이 먹어 치울 수 있는 것으로 최근 확인됐다. 화학공학과 차형준 교수, 통합과정 우성욱씨 팀은 안동대학교 송인택 교수와 공동연구를 통해 딱정벌레목의 곤충인 ‘산맴돌이거저리(학명 Plesiophthalmus davidis)’의 유충이 분해가 매우 까다로운 폴리스타이렌(polystyrene)을 생분해할 수 있음을 처음으로 밝혀냈다. 2017년도까지 전 지구에서 플라스틱 쓰레기는 83억 톤이 생산됐으며, 그중 9% 이하만이 재활용됐다. 전체 플라스틱 생산량의 6% 정도를 차지하는 폴리스타이렌은 특이한 분자 구조 때문에 분해가 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 연구팀은 우리나라에 서식하는 산맴돌이거저리의 유충이 폴리스타이렌을 먹어 질량을 줄일 수 있고, 소화 후 폴리스타이렌의 분자량이 낮아지는 것을 발견했다. 또한, 산맴돌이거저리의 유충에서 장내 균총을 분리해 폴리스타이렌을 산화시키고 형태를 변화시킬 수 있다는 것을 확인했다. 한편, 연구팀은 산맴돌이거저리 유충의 장내에서 세라티아(serratia)*1를 분리하여 동정(同定)*2했다. 산맴돌이거저리 유충에게 폴리스타이렌을 2주간 먹였을 때 장내 균총 구성에서 그 비율이 6배로 늘어나 전체 균들의 33%를 차지하는 것을 확인했다. 특이하게도 이러한 장내 균총의 경우 일반적인 곤충과 다르게 매우 간단한 종 군집(6속 이하)으로 이루어져 있음을 확인했다. 이전까지 발견된 폴리스타이렌 분해 곤충은 배설물에서도 잔여 폴리스타이렌이 존재하는 것으로 나타났다. 이는 지속해서 분해가 가능한 박테리아를 이용해야만 폴리스타이렌을 완전히 분해할 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구에서 밝혀진 산맴돌이거저리 유충의 ‘독특한 식성’은 지금까지 알려진 곤충뿐만 아니라 거저리과나 썩은 나무를 섭식하는 곤충들이 폴리스타이렌을 분해할 수 있다는 가능성을 보여준다. 또한, 산맴돌이거저리 유충의 간단한 장내 균총 구성과 장내 균총 내에 폴리스타이렌 분해 균주를 이용해 이전까지 진행할 수 없었던, 균총을 이용한 폴리스타이렌의 효과적인 분해 기술 개발도 기대할 수 있다. 이 연구는 제1저자인 우성욱 씨가 어린 시절부터 관심을 가졌던, ‘곤충’을 활용한 연구로, 곤충을 응용해 세상을 더 나은 곳으로 바꾸기 위해 대학에 입학하자마자 차형준 교수를 직접 찾아가 지도를 받으며 실험에 몰두한 결과물이라는 점에서도 눈길을 모은다. 교신저자인 차형준 교수는 “우리나라를 포함한 아시아 지역에 서식하는 산맴돌이거저리 유충과 장내 균총이 플라스틱을 완전 생분해 할 수 있는 새로운 종을 발견했다”며 “이 연구에서처럼 분리・동정한 플라스틱 분해 박테리아를 이용하면, 완전 분해가 어려웠던 폴리스타이렌을 생분해할 수 있어 플라스틱 쓰레기 문제 해결에 기여할 것”이라며 연구 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구 결과는 응용 및 환경미생물 분야의 전통적 권위지인 ‘응용·환경미생물학(Applied and Environmental Mircobiology)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 1. 세라티아(serratia) 1-5 마이크로미터(μm) 정도 크기의 그람 음성간균이 속해 있는 속(genus) 이다. 2. 동정(同定) 화학적 분석과 측정 따위로 해당 물질이 다른 물질과 동일한지 여부를 확인하는 일. 또는 그 물질의 소속과 명칭을 정하는 일.

화공 한정우 교수팀, ‘헤어지면’ 효율 올라가는 연료전지

[POSTECH-KAIST-GIST 연구팀, 페로브스카이트 소재 엑솔루션 현상 제어] 삼성전자가ﾠ삼성미래기술육성사업의ﾠ일환으로ﾠ지원한ﾠ엑솔루션ﾠ연구가ﾠ결실을 맺었다. 엑솔루션*1 기술은 산화, 환원에 따라 금속산화물의 상변화를 통해 실시간으로 금속 나노입자를 만드는 방법이다. 이 현상은 특별한 공정과정 없이 환원 분위기에서 자발적으로 고성능·고안정성의 나노촉매가 금속산화물 표면에 형성되기 때문에 친환경적인 미래 에너지기술로 주목받고 있다. 최근 신재생에너지, 휴대용 연료전지, 촉매 등에 사용되는 나노입자를 만들기 위해 엑솔루션 현상을 제어하는 방법이 POSTECH-KAIST-GIST 연구팀에 의해 밝혀졌다. 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김경학씨 연구팀은 KAIST 정우철 교수팀, GIST 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 구조에서 양이온과 산소의 결합 세기를 조절함으로써 페로브스카이트 물질 내에 존재하는 양이온의 엑솔루션 현상이 조절될 수 있음을 증명했다. 또 이를 바탕으로 나노입자의 형성을 제어할 수 있음을 규명했다. 이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)의 표지논문으로 선정, 온라인판에 최근 게재됐다. 기존에는 나노입자를 진공증착 방식으로 만들었는데, 시간과 비용이 많이 들뿐더러 열에 불안전하다는 한계가 있었다. 그래서 페로브스카이트 격자에 고온과 환원 환경을 만들어, 금속 이온이 격자에서 빠져나와 표면에서 자라는 엑솔루션 방식이 연구됐다. 그동안 다양한 재료에서 그 응용 가능성이 제안됐지만, 원자단위의 구동인자가 보고된 바는 없어 이를 성공적으로 제어하는 데에 큰 어려움이 있었다. 연구팀은 낮은 온도에서 열적 안전성을 높게 유지하면서 나노입자를 빠르게 만들기 위해 양이온과 산소의 결합 세기를 조절했다. 특히, 큰 이온반지름을 가지는 원소를 치환함으로써 양이온과 산소의 결합길이를 제어했다. 이번에 개발된 방법으로 산화촉매에 적용하였을 때 촉매적 활성을 기존 엑솔루션 촉매 대비 4배까지 증진시킬 수 있음을 확인했다. 엑솔루션을 통해 합성된 재료는 연료전지 음극전극으로 활용돼 전극의 내구성을 향상시켜 전지 수명 증가에도 도움을 줄 것으로 기대된다. 그 외에도 가스센서, 개질반응 및 다양한 금속산화물 기반 나노입자 촉매가 활용되는 화학촉매에도 쉽게 응용될 수 있다. 연구를 주도한 한정우 교수는 “엑솔루션은 현재 가장 주목받는 고성능 나노촉매 합성 방법의 하나”라며 “이 연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 적용한다면, 다양한 분야에서 연료전지 전극과 촉매의 개발이 이뤄질 것으로 기대한다”고 말했다. 1. 엑솔루션(exsolution) 금속 혼합물 따위를 가열하여 그 성분을 분리하는 조작

창의IT 정성준 교수팀, 잉크젯 프린팅으로 ‘방광암’ 만들다

[잉크젯 세포프린팅을 이용해 방광암 이질성 분석] 3D 바이오프린팅은 3D 프린팅과 생명공학이 융합된 기술로서, 살아 있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올려 생체조직이나 인공장기를 제작할 수 있는 기술이다. 3D 바이오프린팅 기술을 활용해 질병을 극복하고, 손상된 조직을 치료하며, 신약개발 과정에서 약물에 대한 안정성 및 유효성 평가에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. POSTECH과 서울대학교병원에서 최초로 잉크젯 바이오프린팅 기술을 이용해 방광암 종양 모델을 제작하고 종양 내 이질성을 분석하는 데 최근 성공했다. 창의IT융합공학과 정성준 교수, 생명과학과 신근유 교수, 융합생명공학부 통합과정 윤웅희씨 연구팀은 서울대학교병원 구자현 교수와 공동연구를 통해 고정밀 잉크젯 기술을 이용하여 실제 환자로부터 얻은 암세포를 정밀하게 프린팅해 방광암 종양 모델을 제작했다. 또한, 이를 이용하여 암의 이질성 분석, 항암제 효과검증에 성공함으로써 새로운 암정밀 의료 프로세스를 제안했다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 최근 게재됐다. 정밀의료(Precision Medicine)는 유전정보나 임상정보 등을 바탕으로 개별 환자에게 맞춤형 진단과 치료를 적용하는 새로운 헬스케어 분야다. 특히 암 환자의 경우, 동일조직 내에서조차 서로 다른 특성을 가진 암세포들이 공존하는 종양 내 이질성(Intra-tumor heterogeneity)*1을 가지고 있어 현재의 ‘획일적인(one-size-fits-all)’ 치료방식에는 한계가 많다. 또한, 약물 부작용이나 항암제 내성 등 개개인에게 제각기 다른 영향을 끼쳐 치료를 힘들게 하는 원인이 된다. 연구팀은 잉크젯 세포 프린팅 방식을 이용하여 방광암 모델을 만들고, 이를 이용한 암 이질성을 분석하는 연구를 수행했다. 특히, 환자에게서 뽑아낸 암세포를 잉크젯 방식으로 정밀하게 프린팅해 각각을 암 오가노이드*2로 성장시켰다. 이후 단일 세포에서 유래된 3차원 오가노이드의 분열·사멸과 관련된 단백질의 발현량을 비교하고, 각 오가노이드에 따른 방광암 치료제의 효능에 대한 차이점을 발견했다. 또한, 오가노이드 사이의 유전자 발현을 정량적으로 비교하여 암의 이질성을 확인했다. 이제껏 바이오프린팅 기술을 활용하여 인공 뼈, 치과 보철, 인공 혈관, 인공 피부, 인공 장기, 바이오 칩 등 다양한 인공 대체물을 제작했지만, 실제 환자의 암세포를 활용하여 ‘암 덩어리’를 만들고 암 이질성을 분석해 낸 사례는 이번 연구가 처음이다. 이렇게 만들어진 암 모델을 이용하면, 환자에게 맞는 약이나 치료법을 먼저 시도할 수 있고 부작용을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 개별 환자에 특화된 표적 치료를 제공함으로써 현행 치료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 정성준 교수는 “바이오프린팅 기술에 바탕을 둔 정밀의료 기술은 획일적인 암 치료법에서 발생하는 부작용과 낭비를 최소화하고, 저비용으로 환자의 삶의 질을 높일 수 있을 것”이라며 기대감을 드러냈다. 한편, 이 연구는 경상북도 4차산업혁명 핵심기술개발사업, 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 해양극지기초원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 종양 내 이질성(Intra-tumor heterogeneity) 똑같은 종양처럼 보이나 동일 종양 조직 안에서도 서로 다른 특성을 지닌 암세포들이 함께 존재하는 것. 따라서 환자 개인에 따라, 암 종류의 따라 다르게 나타난다. 2. 오가노이드(Organoid) 줄기세포나 암세포를 3차원적으로 배양하거나 재조합해 만든 장기 유사체로 흔히 '미니 장기', '유사 장기'라고도 한다.

물리 이길호 교수팀, 예측만 무성한 미스테리 속 ‘물질’, 실제로 존재했다

[韓‧美‧獨‧香 공동연구팀, 고차원 위상부도체 실존 여부 최초로 관측] ‘겉과 속이 다른 물질’로도 불리는 위상부도체(topological insulator)는 고체 물리학의 패러다임을 바꾼 물질이다. 위상부도체는 원래 전기가 통하지 않는 물질이지만, 위상이 다른 두 물질의 경계에서 전도성을 갖는다. 이 독특한 성질 때문에 양자 컴퓨터 등 미래 과학 분야의 다양한 영역에서 활용될 것으로 기대를 모은다. 위상부도체 자체도 아직 많이 발견되지 않고 있지만, 고차원 위상부도체는 지금까지 이론상 있을 것이란 예측만 무성했던 존재였다. 물리학과 이길호 교수팀은 미국 레이시언 BBN 테크놀로지, 독일 막스플랑크 연구소, 홍콩과기대와의 공동연구를 통해 고차원 위상부도체의 존재를 관측하는 데 성공했다. 네이처의 자매지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 6일자를 통해 발표된 이 연구성과는 더욱 고차원적인 새로운 개념의 양자컴퓨터를 만들 수 있는 중요한 실마리를 제공할 것으로 기대를 모으고 있다. 위상부도체는 위상수학이 적용되며 2007년 처음 생긴 개념으로, ‘위상학적 꼬임’에 의해 부도체지만 가장자리에서는 전기가 통하는 물질이다. 통상적인 위상부도체보다 꼬임이 더 많이 일어나는 고차원 위상부도체(higher-order topological insulator, HOTI)는 이론적 예측만 많고, 실제로 확실하게 관측된 사례는 거의 없었다. 연구팀은 이 관측에 초전도체 연구의 핵심이기도 한 조셉슨 접합을 활용했다. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 비(非) 초전도물질을 사이에 끼워 넣어도, 전압 없이도 두 초전도체 사이에 전류가 흐르게 되는 것을 의미한다. 고차원 위상부도체에는 1차원의 경첩(hinge)상태가 나타나는 것으로 예측되었는데, 이런 경첩 상태는 금속성 몸통 때문에 제대로 관측하기 어려웠다. 그래서 연구팀은 조셉슨 접합을 만들어 외부 자기장에 의해 어떻게 전류가 흐르는지를 관측하는 기발한 방법을 선택했다. 고차원 위상부도체로 예상되던 텅스텐 디텔루라이드(WTe2) 에 초전도 조셉슨 접합을 형성해 관측한 결과 이론적 예측과 부합하는 경첩 상태를 확인했다. 이 연구성과는 기존의 위상부도체 개념을 고차원으로 일반화시키는 개념으로, 이론으로만 존재 여부를 생각할 수 있었던 물질이 실제로도 존재한다는 것을 확인한 결과다. 또, 초전도와 위상물질의 접합에 관한 연구로서, 위상초전도 현상 연구의 기반이기도 하다. 특히, 이 연구는 위상양자컴퓨터라는 새로운 개념의 양자 컴퓨터로 한 걸음 더 가까워질 수 있는 중요한 연구결과로 평가되고 있다. 지금까지 연구되어 왔던 일반 양자컴퓨터의 경우 치명적인 약점으로 ‘결 어긋남’이라는 현상이 제기되고 있는데, 이는 외부잡음 때문에 양자정보를 잃어버려 컴퓨터가 오류를 일으킬 수 있다는 것을 의미한다. 위상양자컴퓨터의 경우는 양자정보가 위상학적 보호를 받기 때문에 외부잡음에도 오류가 나지 않아 실용화 가능성이 더 높은 차세대 양자컴퓨터 개념으로 주목을 모으고 있다. 한편, 이번 연구성과는 삼성미래기술육성재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

신소재 김용태 교수팀, 수소차 내구성 문제 말끔히 해결한다

[선택적 전극촉매반응을 통한 자동차용 연료전지 내구성 향상] 자전거가 비에 젖으면 프레임과 체인 등이 부식되거나 녹이 슬어 오래 쓸 수 없게 된다. 이를 막기 위해 주기적으로 기름칠을 해줘야 한다. 전지(cell, 電池)는 이런 산화반응과 환원반응*1이 분리되어 일어나도록 고안한 장치로 전자를 이동시켜 전기에너지를 만든다. 하지만 이 역시 산소를 만나면 부식된다. 전지에도 녹이 슬지 않도록 기름칠을 할 수 있을까? 신소재공학과 김용태 교수, 박사과정 정상문 씨 연구팀이 백금과 수소 텅스텐 브론즈를 결합시킨 촉매(Pt/HxWO3)를 사용해 수소차가 시동을 정지할 때 발생하는 연료전지의 부식 문제를 해결했다. 네이처의 자매지 ‘네이처 캐탈리시스(Nature Catalysis)‘의 표지논문으로 소개된 이 촉매는 수소 산화 반응은 촉진시키고, 산소 환원 반응은 선택적으로 억제하는 것으로 나타났다. 친환경 수소차의 보급이 늘어나면서 수소차의 심장인 연료전지 성능향상에 대한 연구개발 경쟁 또한 전 세계적으로 치열하다. 자동차용 연료전지는 잦은 시동 정지로 인해 한번 가동하면 멈추지 않는 발전용 연료전지와 비교하면 성능 열화가 심각하다. 시동을 정지할 때, 애노드*2에 일시적으로 공기가 유입되면서 산소 환원 반응이 일어나고, 캐소드*3의 전위가 순간적으로 높게 치솟으면서 캐소드 구성품의 부식이 가속되기 때문이다. 연구팀은 자동차용 연료전지에서 일어나는 내구성 저하 문제 해결을 위해 주위 환경에 따라 선택적으로 물질의 전도성을 변화시킬 수 있는 금속 부도체 상전이(Metal Insulator Transition, MIT) 현상*4에 초점을 맞추어 연구를 진행했다. 특히 프로톤의 삽입 탈리*5에 의해 전도성을 크게 변화시켜 전기 변색 소재로 활용되어 오던 텅스텐 산화물(WO3)에 주목했다. WO3의 MIT 현상을 활용할 경우, 정상적으로 운행하면 프로톤의 삽입에 의해 H-WO3(도체) 상을 유지하면서 전극반응을 일으키는 반면, 시동 정지를 할 때는 공기가 섞여 흡입돼 산소의 분압이 높아질 경우 부도체(WO3)로 전이하여 전극반응을 정지시킴으로써 캐소드 부식 문제를 해결했다. 금속-절연체 전이 현상에 의한 Pt/HxWO3 선택적 수소 산화 반응 촉매는 자동차용 연료전지 MEA 평가*6에서 상용 Pt/C 촉매와 비교했을 때, 시동 정지 조건에서 기존 상용 촉매 소재 대비 2배 이상의 내구성을 나타냈다. 연구를 주도한 김용태 교수는 “이번 연구를 통해 자동차용 연료전지의 장시간 내구성을 획기적으로 향상시켰다”며, “수소차의 상용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업, 수소에너지혁신기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 산화환원반응(oxidation-reduction reaction) 물질간의 전자 이동으로 산화와 환원 반응이 동시에 일어난다. 전자를 잃은 쪽은 산화수가 증가하고 산화되며, 전자를 얻은 쪽은 산화수가 줄어들고 환원된다. 2. 애노드 일반적으로 전자를 잃는 산화반응이 일어나 전자가 흘러나오는 쪽의 전극을 뜻한다. 3. 캐소드 전자를 얻는 환원반응이 일어나 전자가 흘러 들어가는 쪽의 전극을 뜻한다. 4. 금속 부도체 상전이 현상 어떤 부도체 물질이 특정한 온도, 전기장, 외부 환경(가스 분위기)이 되면 절연 특성(반도체적 특성)에서 갑자기 금속 특성으로 변하는 현상을 말한다. 본 연구에서는 산소 분압이 높을 때에는 절연 특성을 보이고, 수소 분압이 높을 때에는 금속 특성을 보인다. 5. 삽입 탈리 프로톤의 삽입은 프로톤이 텅스텐 산화물(WO3) 전극 물질 내부로 들어가는 현상이고, 프로톤의 탈리는 프로톤이 텅스텐 산화물 전극 물질 외부로 나오는 현상이다. 6. MEA 평가 MEA란 Membrane Electrode Assembly의 줄임말로서, 전해질 막과 애노드전극, 캐소드전극의 집합체를 일컫는 용어다. 이러한 MEA의 특성 평가를 말한다.

화학 김기문 교수팀, 실리콘보다 전도성 4배 높은 ‘유사 그래핀’ 합성

[활용 목적에 맞게 물성 조정 가능…‘맞춤형’유기 반도체 소재 기대] 그래핀과 똑 닮은 새로운 유기 반도체 소재가 개발됐다. 화학과 김기문 교수팀(기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 복잡계 자기조립 연구단장)이 이끄는 국제공동연구진은 분자의 자기조립 자기조립(Self-assembly)*1 특성을 활용해 실리콘보다 전기적 특성이 우수한 2차원 전도성 고분자를 합성했다. 다양한 영역에 활용 가능한 맞춤형 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다. 유기반도체는 실리콘반도체 등 기존의 무기반도체를 대체할 수 있는 차세대 기술이다. 무기반도체의 단점으로 꼽히는 높은 가격, 복잡한 공정, 두께, 유연성 등의 한계를 모두 뛰어넘을 수 있기 때문이다. 특히, 전도성 고분자는 유기반도체 분야를 한층 더 성장시킬 소재로 각광받고 있다. 하지만 지금까지 전도성 고분자를 2차원 대면적으로 제조한 사례는 거의 없다. 전도성을 가진 분자는 친화력이 강해 서로 겹겹이 쌓이기 때문이다. 여러 층을 형성한 고분자는 더 이상 성장하지 못하고 용액 속에 가라앉는다. 이 때문에 지금까지 합성된 2차원 전도성 고분자의 크기는 수십 나노미터(nm) 수준에 불과했다. 전자기기로 상용화하기엔 어려운 크기다. 연구진은 육각형 벌집 모양의 그래핀에서 아이디어를 얻어, 벌집구조를 형성하기 유리한 고분자인 트리페닐렌(Truphenylene)*2을 활용해 새로운 소재를 개발했다. 우선, 일부 트리페닐렌 분자에는 6개의 하이드록시기(-OH)를 도입하고, 다른 분자에는 아민기(-NH2)를 도입했다. 이후 이들 1분자를 용매에 녹인 뒤 가열하며 그래핀처럼 벌집 구조를 가진 2차원 전도성 고분자를 합성했다. 이어 합성 메커니즘도 규명했다. 합성 과정에 쓰인 산성 촉매로 인해 트리페닐렌 고분자는 부분적으로 양전하(+)를 띤다. 이 양전하 간의 정전기적 반발력으로 인해 고분자들은 겹겹이 쌓이지 않고, 용액에 골고루 분산된다. 이로 인해 기존의 한계를 극복하고, 수백 마이크로미터(㎛) 크기의 전도성 고분자 박막을 합성할 수 있었다. 공동 교신저자인 백강균 연구위원은 “골고루 분산, 즉 용해도가 높다는 것은 원하는 형태의 소자 제작에 유리하다는 의미”라며 “합성한 고분자를 이용하면 드롭캐스팅 등 용액 공정을 통해 간단하게 유기소자를 제작할 수 있어 반도체 소자 개발에 필요한 공정비용을 대폭 절감시킬 수 있다”고 설명했다. 이후 연구진은 유기 박막 트랜지스터를 제작해 ‘유사 그래핀’의 전기적 물성을 평가했다. 소재의 캐리어 이동도 캐리어 이동도*3는 최대 4㎠/VS로 실리콘보다 4배가량 높았다. 지금까지 개발된 2차원 전도성 고분자 중 가장 우수한 성능이다. 더 나아가, 유사 그래핀 위에 그래핀을 적층한 광(光)검출소자를 구현해본 결과, 제작된 소자가 자외선에서 적외선에 이르는 넓은 영역의 빛을 검출할 수 있음을 증명했다. 전도성 고분자는 화학적으로 밴드갭(Band Gap)을 비롯한 전기적 물성을 조절할 수 있다. 도체, 반도체, 부도체의 특성을 모두 구현할 수 있다는 의미다. 전도성 고분자로만 이뤄진 유기 전자소자 구현은 물론, 활용 목적에 맞게 물성을 조절하여 ‘맞춤형 소자’ 개발도 가능하다. 연구진은 초고속 반도체, 고효율 태양전지, 롤러블 디스플레이 등 가볍고 유연하면서도 성능이 우수한 소재가 필요한 여러 분야에 응용될 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 복잡계 자기조립 연구단 등 3개 IBS 연구단의 공동연구를 통해 나온 성과다. 복잡계 자기조립 연구단은 새로운 2차원 전도성 고분자를 합성하고, 분자활성 촉매반응 연구단은 합성 메커니즘을 이론적으로 밝혀냈다. 이와 함께 원자제어 저차원 전자계 연구단은 합성된 2차원 전도성 고분자의 전기적 특성을 규명했다. 김기문 교수는 “IBS 연구단 간의 협력과 집단연구 덕분에 오랜 연구의 결실을 맺을 수 있었다”며 “앞으로 협력을 더욱 견고히 하여 높은 수준의 집단연구를 구현해 나간다면, 인류의 난제들을 풀어나갈 원동력이 될 것이라 믿는다”고 말했다. 연구결과는 저명 국제학술지 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘켐(Chem, IF 18.205)’6월 24일자(한국시간) 온라인판에 게재됐다. 1. 자기조립(Self-assembly) 무질서하게 존재하던 물질들이 일정하게 배치되거나, 제어된 구조체를 형성하는 현상. 외력의 개입 없이 물질과 주변 사이의 국부적 상호작용에 의해 진행된다. 2. 트리페닐렌(Truphenylene) 다환방향족탄화수소(여러 개의 고리가 결합된 형태의 탄소 화합물)의 일종으로 탄소 원자 6개로 이뤄진 정육각형 모양의 분자 네 개가 각각 120°를 이루고 배열된 형태다. 트리페닐렌 분자는 6개의 말단 작용기를 가질 수 있다. 3. 캐리어 이동도 물질 내에서 전하 입자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타내는 지표. 수치가 높을수록 저항이 작아 더 적은 전력으로도 높은 성능을 낼 수 있다.

화학 김기문 교수팀, 효과적으로 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 포피린-풀러렌 4분자체 발견

식물은 광합성을 통해 살아가는데, 이는 잎에 있는 엽록소가 빛에너지를 흡수해 양분으로 만들기 때문이다. 이처럼 식물의 광합성을 모방한 ‘인공광합성’ 기술은 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 배출하지 않고 태양에너지를 무제한으로 이용할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 최근 POSTECH 연구팀이 광합성을 모방해 빛을 양분으로 만드는 태양전지용 초분자체를 발견했다. 화학과 김기문 교수(IBS 복잡계 자기조립 연구단장) 연구팀은 포피린*1 박스*2라는 유기 상자 물질을 쌓으면 생기는 공간에 여러 개의 풀러렌*3 분자를 가둠으로써 포피린-풀러렌 결정체를 합성했다. 이 결정체는 분자 상호작용을 이용해 독특한 광학 성질을 가지는 것으로 나타났다. 이번 연구 결과는 화학 분야 세계적 권위지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판에 최근 게재됐다. 식물의 잎에서 광합성을 담당하는 엽록소의 복합체는 여러 개의 분자가 독특한 배열 구조를 이루고 이들의 상호작용이 발생해 높은 효율로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환시켜주는 특징을 보인다. 식물체의 광합성 작용을 담당하는 물질로서 빛에 반응해 전자를 내어주는 포피린(Porphyrin)과 전자를 수용하는 능력이 뛰어난 풀러렌(Fullerene)의 조합을 이용한 소재 개발은 오래전부터 진행되어왔지만, 고체 결정형 물질로는 효과적으로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하지 못했다. 연구팀은 자연의 광합성에서 영감을 받아, 여러 개의 분자를 한 공간 안에 가두고 이들의 상호작용을 끌어내서 빛 에너지 전환 효율이 높은 소재를 합성하는데 성공했다. 연구팀은 약 3.6 나노미터(nm)에 해당하는 박스 형태의 분자인 포피린 박스가 서로 쌓이며 빈 공간이 발생한다는 것을 확인했다. 그리고 이 빈 공간에 4개의 풀러렌 분자를 정사각형 모양으로 배치하고 가둠으로써 효과적으로 전하가 이동하고, 전하 분리 상태가 오랫동안 유지되는 것을 확인했다. 이렇게 만든 포피린-풀러렌 결정체는 기존의 고체 물질에 비해서 전하 분리 상태 반감기가 약 100배 정도 길게 나타났다. 공동 주저자인 유시준 박사와 김영훈 박사는 “포피린 박스가 갖는 다공성을 이용해, 내부에 손님 분자를 넣어 포피린-풀러렌 결정체의 광학 성질을 정밀하게 조절할 수 있다”며 “앞으로 이 방법을 이용해서 더 많은 수의 풀러렌, 또는 다른 배열 방식을 갖는 풀러렌을 합성할 수 있다면, 더 효율적으로 빛 에너지를 포집하고 화학 에너지로 전환 시킬 수 있을 것”이라고 말했다. 교신저자인 김기문 교수는 “이번에 합성한 결정체는 태양광 발전 시스템의 기초 소재로서, 작은 빛에도 많은 전기 에너지를 발생시킬 수 있을 것으로 기대한다”라며 고효율의 신재생 에너지 소재 디자인에 기대감을 드러냈다. 한편, 이번 연구에는 카이스트 백무현 교수·박지용 박사, 독일 프리드리히 알렉산더 에를랑겐-뉘른베르크대 딕 굴디(Dirk Guldi) 교수·빙제 왕(Bingzhe Wang) 박사, 일본 교토대 슈 세키(Shu Seki) 교수·삼랏 고시(Samrat Ghosh) 박사가 함께 참여했으며, 한국, 일본, 독일 세 나라의 연구진이 인류의 에너지 관련 문제 해결을 위한 새로운 물질을 개발하고 특성을 평가하는데 합심해서 이룬 업적으로 평가할 수 있다. 또한, 이 연구는 기초과학연구원의 지원을 받아 진행됐다. 1. 포피린(Porphyrin) 헤모글로빈의 금속을 제거한 화합물. 네 개의 피롤(pyrrole)이 메틴기(=CH-)에 의해 연결된 포르핀(porphin) 화합물의 여러 가지 형태를 의미하며, 생화학 반응을 조절하는 효소의 중요한 보결분자단(prosthetic group)으로 작용한다. 2. 포피린 박스(Porphyrin box) 속이 빈 마름모육팔면체(Rhombicuboctahedron) 모양의 나노 물질이며, 6개의 사각형 분자와 8개의 삼각형 분자의 자기조립현상을 통해 합성할 수 있다. 이 다공성 분자는 내부의 빈 공간(지름: 1.95 nm)을 지니며, 분자의 반경이 3.6 nm에 달한다. 그리고 안과 밖을 연결해주는 12개의 통로가 있고, 각 사각형 분자 위치에 포피린 성분이 포함되어 있어 다공성을 지니면서도 집광성 능력이 뛰어난 분자이다. 3. 풀러렌(Fullerene) 탄소의 동소체. 빈 바구니형 구조를 한 탄소 분자들을 이른다. 가장 흔한 분자는 60개의 탄소가 축구공 모양을 하고 있다.

POSTECH-KCC, 국내 최초 공장 폐열로 전기 만든다

- 무기단열재 생산 김천공장에서 열에너지를 전기에너지로 만드는 열전발전 실증 실험 성공 - 창의IT융합공학과 백창기 교수 연구팀의 ‘열전모듈 기반 에너지 회수기술’ 적용 - 산업 현장의 폐열 활용한 열전발전 가능성 확인, 차세대 에너지원으로 주목 POSTECH과 KCC가 산학협력을 통해 공장에서 발생하는 폐열을 회수해 전기에너지를 만들어내는 친환경 기술 실험을 국내 최초로 성공했다. 이번 실험은 창의IT융합공학과 백창기 교수 연구팀이 개발한 ‘열전모듈 기반 에너지 회수기술’을 KCC 김천공장에 적용한 열전발전 실증 실험이다. 실제 산업 현장에서 진행한 열전발전 실증 실험은 세계적으로도 흔치 않은 사례로, KCC가 위험 부담을 감수하고 가동중인 생산라인을 실험 환경으로 적극 지원해 이루어질 수 있었다. KCC 김천공장은 그라스울, 미네랄울, 세라크울 등 무기단열재를 생산하고 있다. 규사, 석회석과 같은 무기질 원료를 용융시켜 제품을 만들기 때문에 제조 공정상 많은 열에너지가 발생한다. KCC는 이전부터 제품 제조 공정에서 발생되는 열에너지를 회수해 활용하는 방안에 대해 고심하던 차에 백창기 교수 연구팀의 제안으로 실험에 함께 참여하게 됐다. POSTECH과 KCC는 이번 실험을 통해 실제 산업 현장의 폐열을 회수해 전기에너지로 만드는 열전발전의 가능성을 확인했다. 특히 열전발전으로 산업용 용광로, 가열로, 소각로, 열병합발전소 등의 에너지 재활용은 물론, 자체 발전이 필요한 공장이나 지역 에너지 발전 사업에도 적용 가능해 국가 분산 전력망으로 활용하는 중요한 단초를 제공한 것으로 평가받고 있다. 열전발전은 열전재료 양단 고온부와 저온부 사이에 형성된 온도차를 이용해 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 기술을 말한다. 폐열을 회수해 전기를 생산함으로써 에너지 소비효율을 높일 수 있고, 태양열, 지열, 도시배열, 해양 온도차 등 자연 에너지원으로도 전기를 얻을 수 있어 신재생 에너지원으로 주목받고 있다. 또한 열전모듈 기반 발전시스템은 2020년 제4차 에너지기술개발계획에서 혁신 핵심기술로도 지정된 바 있다. 다른 신재생에너지와 달리 24시간 발전이 가능하고 소음과 진동은 물론 탄소도 배출하지 않는 친환경 기술로, 발전량도 예측할 수 있고 유지보수가 필요 없다는 점에서 많은 활용이 기대된다. KCC 관계자는 “KCC는 이전부터 공장에서 발생되는 폐열을 활용해 생산성을 향상시킬 수 있는 다양한 방법들을 고안해 공정개발을 지속해 왔다”면서 “이번 열전발전 실증은 실제 산업 현장에서 버려지는 폐열을 회수해 에너지 발전 가능성을 보여준 중요한 실험으로, KCC와 POSTECH 연구진 간의 긴밀한 협력을 통해 이루어낸 값진 성과”라고 전했다. 한편, 백창기 교수 연구팀은 폐열회수 발전시스템 기술개발과 동시에 효율적인 열전모듈개발에도 심혈을 기울이고 있으며, 최근 미국 물리학회 저널인 '어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics letters)'에 나노선 표면 변조를 통해 재료의 물리적 한계 이상으로 실리콘의 열전도도를 감소시킨 연구 결과를 발표, 편집자 선정(Editor's picks) 논문에 선정되기도 했다.

신소재 이장식 교수-첨단재료 이동화 교수 공동연구팀, 차세대 메모리 위한 할로겐화물 페로브스카이트 소재 설계

[낮은 동작 전압, 고성능 저항변화메모리 ··· 차세대 정보저장매체 상용화 앞당긴다] 전 세계에 온라인 스트리밍 서비스를 제공하고 있는 넷플릭스(Netflix)는 총 4,200만여 편의 영상물을 보유하고 있고, 가입자만 약 1억 6천만 명에 달한다. 30분짜리 시트콤 한 편을 내려받는데 단 몇 초면 되고, 방영 중인 드라마가 끝나고 15분 이내 다시보기가 가능하다. 이처럼 고품질 콘텐츠의 배포·전송이 급증함에 따라서 반도체 메모리의 신뢰성과 안정성 확보가 필수적으로 요구되고 있다. 이를 위해 POSTECH 연구팀이 3차원이 아니라 2차원 층상구조 소재를 이용한 메모리 소자를 개발함으로써 안정적이며, 저전력으로 동작 가능한 차세대 메모리의 상용화 가능성을 열었다. 신소재공학과 이장식 교수, 첨단재료과학부 이동화 교수, 통합과정 박영준씨, 김성훈씨 연구팀은 양자역학에 기반을 둔 제일원리 계산을 이용해 저항변화메모리*1 소자에 적용될 수 있는 최적의 할로겐화물 페로브스카이트 물질 (CsPb2Br5)을 설계하는 데 성공했다. 이 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 게재됐다. 차세대 메모리 소자의 이상적인 조건은 대용량의 정보를 저장하고, 빠른 속도로 정보를 처리할 수 있으며, 전원을 꺼도 정보가 사라지지 않는 비휘발성 성격을 지니고, 이동성이 뛰어난 모바일 기기 등에 활용될 수 있도록 낮은 전력으로 동작할 수 있어야 한다. 최근 할로겐화물 페로브스카이트 소재에서 저항변화 현상이 발견되어 저항변화메모리 소자에 적용하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 할로겐화물 페로브스카이트 물질은 대기 중에서 낮은 안정성과 낮은 동작 신뢰성이 문제로 제기되어 왔다. 연구팀은 제일원리 계산기법*2을 이용해 여러 구조의 할로겐화물의 상대적인 안정성과 물성을 비교했다. 계산 결과, AB2X5 형태의 2차원 층상구조인 CsPb2Br5가 기존에 사용되던 3차원 ABX3 구조나 다른 층상구조 (A3B2X7, A2BX4)보다 더 나은 안정성과 물성을 가질 수 있다는 것을 확인했고, 이러한 구조에서 향상된 메모리 소자의 성능을 보일 수 있음을 처음으로 제시하였다. 이를 검증하기 위해, 2차원 층상구조를 가지는 무기물 기반 페로브스카이트 소재인 CsPb2Br5를 합성했고, 이를 메모리 소자에 최초로 적용했다. 기존 3차원 구조의 소재 기반 메모리 소자는 100도 이상에서 메모리 특성을 잃어버리는 것에 비해 ２차원 소재를 이용한 경우 140도 이상에서도 메모리 특성을 유지했고, １V 이내의 낮은 전압에서 동작가능한 특성을 보였다. 이번에 제안된 양자역학에 기반을 둔 제일원리 계산을 적용한 소재 디자인 기법을 활용하면, 메모리 소자를 위한 최적의 물질을 빠르게 선별함으로써 신물질 탐색을 위한 시간을 줄일 수 있다. 연구를 주도한 이장식 교수는 “컴퓨터 계산으로 메모리 소자를 위한 최적의 신소재를 디자인하여 실제 메모리 소자 제작에 적용한 것으로, 저전력을 필요로 하는 모바일 기기나 신뢰성 있는 동작이 필요한 서버 등 다양한 전자기기들의 메모리 소자에 응용될 수 있으며, 고성능의 차세대 정보저장 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업, 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 1. 저항변화메모리 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 차세대 메모리 소자로 활발한 연구가 진행되고 있다. 가해진 전압에 따라 메모리 소자의 저항 상태가 높은 저항 상태에서 낮은 저항 상태로, 또는 낮은 저항 상태에서 높은 저항 상태로 바뀌는 현상을 이용하여 작동된다. 2. 제일원리 계산기법 제일원리 계산기법은 양자역학 이론에 기반하여 소재의 특성 및 현상을 이해하고, 예측하기 위한 연구 방법이다. 특히 양자역학적 해석에 기반하여 원자들 사이의 상호작용을 정확히 기술할 수 있기 때문에 높은 예측도를 가진다. 이를 기반으로 다양한 소재의 특성에 대한 예측을 통하여 새로운 소재의 디자인이 가능하다.

화학 김성지 교수팀, 자연의 색 그대로 담는 퀀텀닷 비밀 풀렸다

- POSTECH-연세대 공동 연구팀, QLED TV소재 친환경 양자점 생성 원리 밝혀 - 초미세 나노결정 진화 거듭할수록 양자점 구조에 가까워져 최근 자연의 색을 재현하는 차세대 디스플레이 기술 중 하나로 QLED가 주목받고 있다. QLED는 별도의 장치가 없어도 크기와 전압에 따라 스스로 다양한 빛을 내는 수나노미터(1나노미터=10억 분의 1미터)의 반도체 결정인 양자점(quantum dot) 소자를 활용한 디스플레이를 뜻한다. 과연, QLED TV는 어떻게 자연의 색을 그대로 옮겨올 수 있을까? 화학과 김성지 교수, 권용주 박사 연구팀이 연세대(총장 서승환) 김동호 교수, 오주원 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 지금까지 알려지지 않았던 양자점 형성 과정의 비밀을 밝혔다. 양자점은 격자구조를 가지는 수 나노미터 크기의 반도체 결정이다. 반도체 결정이 수 나노미터 크기로 작아지면 ‘양자구속효과’*1에 의하여 독특한 광물리적 특성이 나타나며 양자점의 크기 또는 조성에 따라 가시광선, 적외선 영역 등에서 높은 효율로 빛을 낼 수 있다. 가시광선 영역에서 발광하는 친환경 양자점의 경우 기존 유기 염료보다 색 재현이 월등히 뛰어나 최근 삼성전자 QLED TV에 적용되는 등 차세대 디스플레이 무기 발광 소재로서 높은 산업적 응용 가치를 증명했다. 그러나 이러한 양자점 나노결정의 근본적 생성 원리에 대해서는 정확히 알려지지 않았다. 공동 연구팀은 양자점 형성 초기 단계에서 원자 수십 개 정도로 구성된 초미세 중간체를 분리하여 그 중간체들 사이의 변환을 규명하는 데 성공했다. 특히 인듐포스파이드(InP) 기반의 새로운 5종의 초미세 중간체를 분리하고, 그 중간체들 사이의 진화 관계를 규명했다. 연구 결과에 따르면, 진화 초기 단계의 초미세 중간체는 양자점의 결정구조와는 매우 다른 구조를 가지면서 오히려 분자체에 가까운 구조 특성을 보인다. 하지만 초기 단계에서 점차 진화된 중간체로 변환되어 갈수록 최종적으로 형성되는 양자점의 구조에 점점 더 가까운 구조를 가진 중간체들로 변환을 거듭한다. 김성지 교수는 “양자점의 초미세 중간체 규명 연구는 그동안 미지의 영역이었던 양자점 형성 메커니즘을 근본적으로 이해하는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”며 “첨단 기술에 활용될 수 있는 친환경 양자점 소재를 개발하는데 밑거름이 될 것으로 보인다”라고 말했다. 연세대 김동호 교수는 “초미세 중간체의 고유한 특성을 응용하면, 무기 소재의 새로운 전구체를 개발할 수 있다”며 “앞으로 디스플레이, 광전소자 개발 등에 폭넓게 적용될 수 있다”라고 덧붙였다. 한편, 이 연구 결과는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communication)’에 지난 6월 20일에 게재됐다. 1. 양자구속효과 (quantum confinement effect) 양자제한효과라고도 한다. 나노입자의 경우, 입자 공간 벽에 의해 전자가 불연속적인 에너지 상태를 형성하는 현상이다.