Research

신소재 한세광 교수팀, 방광 질환 치료하는 ‘나노모터’

[생체효소-도파민고분자 나노모터 개발] 체내에 장치를 삽입하여 호르몬 분비를 촉진하거나 막는 장치 삽입술은 피임이나 당뇨 치료에 많이 활용되고 있다. 그렇다면 생체 내에서 자유롭게 움직이며 병을 치료하는 나노로봇은 가능할까? 최근 POSTECH 연구팀이 방광 속에서 질병을 치료하는 나노모터를 개발했다. 신소재공학과 한세광 교수, 최현식 박사 연구팀은 인체 내 방광벽 점막층에 깊이 침투하여 장기간 머물 수 있는 고분자 나노모터를 개발하는 데 성공했다. 이 고분자 나노모터는 우리 몸의 생체효소에 의해 구동되며, 다양한 방광 질환 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 지금까지 방광암, 과민성 방광, 요실금, 간질성 방광염과 같은 방광 질환을 치료하기 위해서는 정맥에 주사하는 방법이 주로 이용돼 왔다. 하지만, 기존 약물 전달체의 경우 방광에서 약물 분자가 수동적으로 확산되며, 일상적인 소변으로 체외로 배출되기 때문에 약물전달 효율이 낮다는 문제가 있다. 이에 연구팀은 방광에서 오래 머무르면서 생체효소에 의해 움직일 수 있는 고분자 나노모터를 개발, 실제 작동 여부를 동물실험을 통해 검증했다. 요소분해효소가 장착된 도파민고분자 나노모터를 방광에 주사하면 요소가 활성 효소에 의해 이산화탄소 및 암모니아로 분해되는데 이때 발생되는 이산화탄소 기체에 의해 나노모터의 추진력이 생긴다. 이렇게 삽입된 나노모터는 배뇨 후에도 방광 벽의 점막층으로 침투가 촉진되어 방광에 장기간 체류할 수 있다. 나노모터의 이런 특성은 방광 내 약물 전달체로서 다양한 방광 질환을 치료하기 위해 효과적으로 활용될 수 있다. 이번 연구는 요소분해효소가 장착된 나노모터를 약물전달체로 개발하여 다양한 질환 치료에 적용할 수 있다는 것을 규명한 최초의 사례이다. 교신저자인 한세광 교수는 "이번에 개발된 생체친화성 나노모터 기반 약물전달시스템을 이용해 다양한 난치성 질환 치료에 활용할 수 있을 것으로 기대된다“고 말했다. 한편, 이 연구결과는 과학 학술 전문지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 최신호에 게재됐으며, 이 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

화공 차형준 교수팀, ‘나노섬유 마스크’ 알코올 뿌리기만 해도 여러 번 사용 가능하다

[POSTECH – 일본 신슈대학교 공동연구팀, 나노섬유 필터와 멜트블로운 필터의 에탄올 세정에 따른 여과 성능 평가] 신종코로나바이러스 감염증(코로나19)이 전 세계에 확산되고 있다. 이제 마스크는 비말(침방울)을 통해 공기 중으로 전파되는 바이러스나 세균으로부터 호흡기를 일차적으로 보호하기 위한 필수 개인 위생품이 됐다. 마스크, 한 번 쓰고 버리기에는 아깝고, 그렇다고 재사용하기에는 찝찝하다. 이와 관련해 최근 한일 공동연구팀이 에탄올 세정 이후 마스크에 들어가는 필터의 성능 및 기능 변화를 다각적으로 비교 분석한 결과를 발표해 마스크 재사용에 대한 궁금증을 풀었다. 화학공학과 차형준 교수, 박사과정 이재윤씨, 정연수씨 연구팀은 일본 신슈대학교(Shinshu Univ) 김익수 교수, 박사과정 사나 울라(Sana Ullah)씨, 아짐 울라(Azeem Ullah)씨 연구팀과 공동으로 마스크 필터의 세정 처리 이후 여과 효율(filtration efficiency), 기류 속도, 표면 및 형태학적 특성 등 성능을 분석했다. 연구팀은 마스크 필터에 75% 에탄올을 뿌린 후 자연 건조하는 방법과 마스크 필터를 75% 에탄올에 담근 후 자연 건조하는 방법으로 세정처리 후 결과를 검증했다. N95 마스크에 주로 사용되는 멜트블로운(melt blown) 필터와 전기방사 공정으로 생산되는 나노섬유(nanofiber) 필터를 조사한 결과, 두 필터 소재에서 모두 에탄올 용액을 3회 이상 분무하거나 에탄올 용액에 5분 이상 담가두는 것만으로도 마스크 필터 내부에 잔존할 수 있는 병원체가 효과적으로 억제되는 것으로 나타났다. 두 마스크 필터 소재 모두 최초 사용했을 때 여과 효율은 95% 이상으로 측정돼 착용자의 호흡기를 효과적으로 보호할 수 있음을 보였다. 또한, 표면에 물이 잘 붙지 못하는 특성이 있어 마스크가 습기와 침(비말) 등에 젖는 습윤 현상이 방지되는 것을 두 소재에서 모두 확인했다. 그러나, 멜트블로운 필터의 여과 효율은 에탄올 용액으로 세정한 후 재사용 했을 때 최대 64%까지 줄었다. 반면, 나노섬유 필터의 경우 에탄올 스프레이 세정을 통하여 10회 재사용하거나 에탄올에 24시간 동안 담가둔 후 재사용해도 여과 효율이 거의 그대로 유지됐다. 공동연구팀은 이러한 차이는 세정 후 필터의 정전기가 감소하는 현상 때문이라고 설명했다. 멜트블로운 필터는 입자를 여과할 때 표면의 정전기 효과에 일부 의존한다. 하지만 나노섬유는 정전기에 의존하지 않고 표면의 형태학적 특성과 기공 크기에 따라 여과하며 나노섬유 소재가 에탄올에 변형되지 않는다. 한편, 나노섬유 필터는 멜트블로운 필터에 비해 열 방출, 이산화탄소 배출 능력이 높아 훨씬 호흡하기 편하다. 또한, 인간 피부세포 및 혈관세포를 활용한 생물학적 안전성(biosafety) 실험에서도 세포독성(cytotoxicity)이 없음을 확인했다. 이를 종합하면, 두 마스크 필터 모두 처음 사용할 때는 여과 성능이 비슷하지만, 나노섬유 필터만이 집에서도 간단한 에탄올 세정을 통하여 여러 번 재사용할 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다. 차형준 교수는 “이 연구는 최근 화제가 되고 있는 나노섬유 마스크의 생물학적 안전성과 세정 후 여과 효율성 유지 등을 실험으로 검증한 실험이다”라며 연구 의의를 설명했다. 또한, 신슈대학교 김익수 교수는 “앞으로 다가올지도 모를 제2차 3차 코로나 사태에 있어서 나노섬유 마스크가 감염 예방의 한 수단으로서 모두에게 도움이 되었으면 좋겠다”라며 덧붙였다. 한편, 이번 연구 결과는 최근 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 ‘ACS 응용 나노소재(ACS Applied Nano Materials)’에 온라인 게재됐다.

환경 홍석봉 교수팀, 이산화탄소 골라 먹는 값싼 제올라이트 합성

- 새로운 고효율 CO2 흡착제 개발 - 경제적이고 높은 선택도를 갖는 ‘이산화탄소 제올라이트 흡착제’ 합성 발전소에서 나오는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집할 수 있는 흡착제로 쓰이던 제올라이트는 ‘이산화탄소를 먹는 하마’라는 별명을 가지고 있다. 지금까지 제올라이트를 산업용으로 활용하기 위해서는 비싼 비용이 걸림돌이 됐는데, 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 값싼 알칼리 양이온만을 사용해 새로운 제올라이트 합성에 성공했다. 환경공학부 홍석봉 교수, 박사과정 최현준씨팀은 지금까지 존재하지 않았던 새로운 조성(Si/Al비=3.0)의 기스몬다이트(Gismondine, GIS 구조) 제올라이트를 합성했다. 특히 이산화탄소(분자크기 3.3Å), 질소(3.6Å), 그리고 메탄(3.8Å)흡착 실험을 통해 포타슘과 루비듐으로 이온교환된 GIS 물질이 상온에서 이산화탄소를 선택적으로 흡착하며, 기존의 제올라이트보다 우수한 분리 능력을 갖고 있는 것으로 확인됐다. 이번 연구 결과는 재료 화학 분야 학술지인 ‘머리티얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’지에 최신호 표지논문으로 소개됐다. 연구팀이 새롭게 합성한 GIS 제올라이트는 금속유기골격체(Metal-Organic Framework, MOF)와 같이 골격 구조가 유연한 물질들에서만 관찰되는 계단형(Step-shaped) 흡착 등온 특성을 갖고 있어 매우 높은 이산화탄소 선택도를 갖는다. 연구팀은 벨기에 루벤대학교의 컬쇽(Christine E. A. Kirschhock) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 고체 핵자기공명 분광법과 포항가속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터 분석을 통해 이와 같은 이산화탄소 흡착 메커니즘을 규명했다. 이번 연구가 국제적으로 주목받게 된 배경에는 촉매나 이온교환제 등으로 널리 활용되고 있는 제올라이트는 구조가 거의 밝혀지지 않아 필요에 따라 구조를 바꿔 합성하는 일은 어려운 일로 알려져 왔다. 그럼에도 골격이 유연한 새로운 골격 조성을 갖는 GIS 제올라이트는 상용화에 걸림돌이 되는 유기구조유도물질*1을 사용하지 않고 값싼 1가*2의 알칼리 양이온(Na+)만을 사용해 합성하였기 때문이다. 또한 포타슘과 루비듐으로 이온교환된 GIS 물질을 온도순환흡착(Temperature Swing Adsorption, TSA) 공정에 적용했을 때 좁은 온도범위(25~100°C)에서 이산화탄소의 흡·탈착이 가능해 기존의 공정보다 훨씬 경제적이다. 홍 교수는 “새로운 구조 또는 조성을 갖는 골격이 유연한 제올라이트 합성과 이를 이용한 이산화탄소의 분리·회수 기술 개발 연구는 실제 공정 효율을 증진시키기 위해서 반드시 필요하다”라고 말했다. 한편, 이번에 개발된 GIS 제올라이트는 현재 한국 특허를 출원 중이다. 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기초연구사업(리더연구자지원) 지원으로 수행됐다. 1. 유기구조유도물질 제올라이트의 구조적 특징에 따라 발생하는 음전하를 보상해주기 위해 합성과정에서 첨가하는 유기 양이온, 제올라이트 세공을 채우는 물질 2. 1가 양이온 주기율표 1족 금속의 이온(알칼리 금속 원소들)

신소재 김형섭 교수팀, ‘강철의 연금술’ 2000% 늘어나는 합금 설계

- 고강도 초소성 고엔트로피 합금 설계 - 다상 헤테로구조 합금 개발로 가용비용 줄이고 부가가치 10배 올린다 연금술은 납이나 구리 같은 값이 싼 금속을 금이나 은으로 만들려고 했던 전근대 화학술을 말한다. 결국 연금술사의 시도가 모두 실패함으로써 부자로 살고자 하는 인간의 욕망이나 이룰 수 없는 허황된 꿈을 대신하는 말이 됐다. 최근 POSTECH 연구팀이 쉽게 늘어나는 고강도 초소성 고엔트로피 합금 설계에 성공함으로써 현대판 연금술이 실현됐다. 철강대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 이종수 교수, 프라빈(Praveen) 연구교수, 자가란(Zargaran) 연구교수, 박사과정 아스가리 라드(Asghari-Rad)씨, 석사과정 응웬(Nguyen)씨 연구팀이 고압 비틀림으로 가공된 나노결정립 고엔트로피 합금*1 소재에서 2000%까지 길이가 늘어나는 세계 최고의 연구결과를 내놓았다. 이 연구성과는 과학 학술 전문지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 1일자에 게재됐다. 초소성(high strain-rate superplasticity, HSRS)이란 재료가 늘어나 찢어지거나 끊어질 때까지 300~500% 이상 변형할 수 있는 능력을 말한다. 이런 현상은 높은 온도와 매우 느린 변형속도 등의 특정한 조건에서 일부 소재들에만 나타나는 매우 흥미로운 현상이다. 초소성 재료를 이용하면 기존의 성형 공정으로는 구현하기 어려운 항공기, 우주발사체, 자동차 등에 필요한 복잡한 형상의 부품도 한번에 만들 수 있다. 하지만 초소성 현상은 대부분 느린 변형 속도에서만 발생하기 때문에 성형 시간이 길어져 가공비용이 높아진다. 이에 연구팀은 열적 안정성이 뛰어난 고엔트로피 합금을 이용해 초소성을 달성함으로써 기존 소재의 한계를 극복하고자 했다. 연구팀은ﾠ고엔트로피 합금에 고압 비틀림 가공을 가하여 초소성 현상의 중요한 전제조건인 초미세립/나노결정*2을 형성하고, 고온에서도 결정립 성장이 효과적으로 억제되도록 했다. 이를 통해, 기존의 초당 0.01-0.1% 변형시키는 초소성 공정 속도보다 50~500배 빠른 초당 5%의 고속 변형 하에서 2000%에 이르는 세계 최고 수준의 연신율*3을 달성했다. 이 결과는 상대적으로 빠른 성형 속도에서 우수한 연신율을 달성함으로써, 기존의 초소성 공정의 50~500 분의 1로 성형 시간과 비용을 절감할 수 있다는 데 산업적으로도 큰 의의가 있다. 김형섭 교수는 “이 연구는 고엔트로피 합금뿐만 아니라 지금까지 보고된 금속 소재의 초소성 특성 중 최고 수준 결과”라며, “이 연구에서 제시한 다상의 미세구조는 향후 자동차, 항공기 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 핵심적인 요소가 될 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 추진하는 미래소재디스커버리지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 고엔트로피 합금 다수의 원소가 주요 원소로 작용하여, 높은 혼합 엔트로피에 의해 금속간화합물이 형성되지 않고 단상의 고용체를 형성하는 합금. 2. 초미세/나노결정립 결정립의 크기가 1 마이크로미터 이하일 경우를 초미세립이라고 하며, 100 나노미터 이하를 나노결정립이라고 한다. 3. 연신율 쇠붙이 따위가 끊어지지 아니하고 늘어나는 비율. 최대로 늘어난 길이와 원래 길이의 차를 원래 길이로 나누어 그 값을 백분율로 나타낸다.

기계 김기현 교수팀, 우연한 발견, 항생제가 결막술잔세포만 골라 염색

[ASCRS에서 ‘Best of Best’ 선정] 뢴트겐은 캄캄한 실험실 안에서 음극선 실험을 하다 우연히 아내의 손을 찍었는데 검판에는 반지를 낀 아내의 손가락뼈가 보였다. 최초의 X선 발견은 이렇게 우연한 계기로 이뤄졌다. 최근 국내 연구진이 항생제가 결막술잔세포만 골라 염색할 수 있다는 사실을 우연히 발견했다. 기계공학과 김기현 교수, 김성한, 이중빈 씨 팀은 리뉴서울안과 김명준 원장(기계공학과 겸직교수)와 함께 안과 항생제로 사용되는 목시플록사신이 생체조직 내 세포들을 형광염색 하는 것, 특히 결막에 분포하는 술잔세포를 강하게 염색하는 것을 알아냈다. 연구팀은 이 특성을 이용하여 인체에 활용 가능한 고화질-고대비 세포 영상기법을 개발해 왔다. 연구팀은 이 연구성과를 영상 콘텐츠로 제작해 지난달 열린 미국백내장굴절교정수술학회(American Society of Cataract Refractive Surgery, ASCRS)의 필름 페스티벌에 “우연히 발견한 목시플록사신 항생제 용도(The Serendipitous Use of Topical Moxifloxacin)”라는 제목으로 출품했다. 이 영상에서는 목시플록사신 기반 세포 영상법을 활용한 생체조직 내 고선명도 세포 영상과 결막술잔세포 영상화 등 추가 연구 결과를 소개했다. 특히, 항생제가 세포 형광염색 물질로 사용될 수 있다는 것을 발견한 연구 비하인드 스토리가 담겨 흥미를 끌었다. 이 영상은 ASCRS 필름 페스티벌 특별상(special interest) 분야에서 수상자(winner)로 선정됐으며, 전체 2팀에게만 주어지는 ‘베스트 오브 베스트(Best of Best)’로도 선정됐다. 김기현 교수는 “이번 영상을 통해 소개한 항생제 기반 영상법은 비침습, 고대비도 세포 영상화 기술”이라며 “임상에서 활용 가능하며, 앞으로 암 수술의 영상 가이드와 특히 건성안 환자에 대한 점액층 검사법으로 활용이 기대되어 수상한 것 같다”고 말했다. 한편, ASCRS는 세계 최대 규모의 안과질환 학회 중 하나로 환자, 정부 및 의료계와 협력하여 임상 및 실무 관리 교육과 최신 진료 방안을 제공하고 발전을 촉진함으로써 안과 치료를 위한 과학과 의료진의 지식, 기술의 발전을 목표로 하고 있다.

기계 김동성 교수팀, 나노다공성 막, 원하는 형태로 미세 장치에 손쉽게 제작한다

- ‘3차원 나노 유체역학 장치’ 실현 - 에너지 수확, 담수화 등 분야에 고효율·대용량 장치 개발 가능성 제시 POSTECH 연구팀이 미세유체 장치에 원하는 형상과 두께의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 공정을 개발했다. 이 방법에 따르면 에너지 수확, 담수화 등의 다양한 적용 분야에서 적용되는 나노 유체역학 장치의 제작 공정을 간소화할 수 있어 상업화에 한발 앞으로 다가섰다. 기계공학과 김동성 교수, 김준현 석사, 박상민 박사(현 부산대학교 기계공학부 교수) 연구팀이 독립지지 나노다공성 막*1을 미세유체 장치 상에 바로 제작하는 유연성 및 신뢰성 높은 공정 개발에 성공했다. 이 연구성과는 나노 및 마이크로 과학 분야에서 권위를 인정받고 있는 국제 학술지인 ‘스몰(Small)’ 6월 4일자에 표지논문으로 게재됐다. 나노 유체역학 장치는 에너지, 화학, 환경 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 나노 유체역학 장치의 특징인 선택적 이온투과와 같은 전기화학적인 성질을 부가하기 위해서는 특수하게 제작된 나노다공성 막이 미세유체 장치에 결합돼야 하지만, 나노다공성 막 자체가 다루기 어렵기 때문에 기존 방식으로는 제작할 수 있는 막의 형태가 매우 한정되어 있었다. 연구팀은 연구팀에서 기존에 개발했던 전해질 기반 전기방사법*2과 나피온*3 용액 주입을 통해 미세유체 장치 내에서 독립지지 나노다공성 막을 직접 손쉽게 제작하는 방안을 제시했다. 이 제작 공정은 나노다공성 막 제작의 유연성을 크게 증대시킴으로써 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 3차원 형태의 다중채널 또는 다층 구조와 같이 복잡한 구성을 갖는 3차원 나노 유체역학 장치 내에 나노다공성 막을 구현하는데 성공했다. 이 제작 공정은 사용 목적에 따라 독립지지 나노다공성 막의 형상, 두께 등을 쉽게 제어할 수 있고, 유체의 누수 없이 나노다공성 막을 제작할 수 있기 때문에 막 형태를 적용 분야에 최적화할 수 있었다. 특히, 해수와 담수가 만났을 때 생성되는 이온의 선택적 이동을 이용해서 발전하는 역전기 투석 기반 에너지 수확 장치를 제작하였을 시 기존 역전기 투석 기반 에너지 수확 장치들에 비해 더 높은 전력을 생성하는 것을 확인했다. 이러한 제작 용이성, 높은 기능성 덕분에 이 제작 공정은 나노 유체역학 장치의 대용량화를 가능하게 하여 고효율·대용량 나노 유체역학 장치를 개발 및 상업화하는 데에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 김동성 교수는 “사용 목적에 따라 다양한 형상의 나노다공성 막을 손쉽게 제작할 수 있는 최초의 연구”라며 “이 공정을 응용하면 이온의 선택적 투과를 통한 에너지 생산(역전기 투석), 농축 또는 담수화(이온 농도 분극) 등 다양한 분야에서 고효율·대용량 장치 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행됐다. 1. 나노다공성 막 직경의 크기가 수 나노미터인 공극들로 구성된 막 2. 전기방사법(electrospinning) 전기장을 이용하여 액체 상태의 고분자용액을 마이크로미터 ~ 나노미터의 직경을 가지는 섬유로 제작하는 방법 3. 나피온 공중합체(copolymer)로서 기공 구조를 가지며 이온 교환막으로서 양이온의 이동은 자유로우나 음이온의 이동은 억제하는 특징을 가짐

POSTECH-연세대 공동연구팀, 태양광을 활용한 과산화수소 생산용 고효율·고내구성 광전기화학전지 개발

- 태양광을 이용, 물과 산소에서 동시에 과산화수소를 생산하는 광전기화학전지 개발 - 세계적인 학술지 Energy & Environmental Science (IF: 33.250) 표지논문으로 선정 POSTECH과 연세대학교가 개방·공유 Campus 협력 사업을 통한 공동연구를 기반으로 친환경적인 과산화수소(H₂O₂) 생산용 고효율·고안전성 광전기화학전지(PEC)를 개발했다. 환경공학부 최원용 교수, 전태화 박사, 연세대 건설환경공학과 김형일 교수가 수행한 이번 연구는 에너지 분야 국제저명학술지인 Energy & Environmental Science(IF 33.250) 6월 1일자(현지시각) 온라인 판 표지논문으로 게재됐다. 과산화수소는 소독이 필요한 의료용품, 폐수처리, 반도체 공정 등에 폭넓게 사용되며, 특히 반도체 공정의 세정제로 일본의 수출규제 품목인 불화수소(HF) 보다 100배 이상 많이 쓰인다. 현재의 과산화수소 생성공정은 값비싼 귀금속 촉매와 많은 에너지를 필요로 하며 환경오염 부산물을 생산한다는 한계가 있다. 본 연구에서 개발한 광전기화학전지는 태양에너지, 물, 산소를 이용해 과산화수소를 생산하는 친환경적인 기술로 현재의 과산화수소 생성공정의 대안으로 주목받고 있다. 단일전극을 사용해 과산화수소를 생산하는 일반적인 (광)전기화학전지와 달리 이번 연구에서는 양극(Anode)과 음극(Cathode)을 모두 사용하는 새로운 이중 과산화수소 생성 광전기화학시스템을 개발했다. 양극에서는 물, 음극에서는 산소로부터 과산화수소를 동시에 생성해 패러데이 효율을 획기적으로 높였다(단일 CNT/C 전극 대비 5배 증가). 광양극(photoanode)으로는 물을 이용한 과산화수소 생성에 열역학적으로 가장 적합한 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 사용해 물을 직접 과산화수소로 산화시켰으며, 음극(Cathode)에는 탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube)와 안트라퀴논(Anthraquinone)을 결합해 사용하여 산소로부터 과산화수소를 생성했다. 또한 뛰어난 과산화수소 생성효율을 보이나 낮은 안전성을 가진 양극 광촉매인 비스무스 바나데이트(BiVO4)에 몰리브덴(Mo)을 도핑하고 인산염(Phosphate)을 증착해 기존 비스무스 바나데이트(BiVO4) 전극 대비 패러데이 효율을 3배, 안전성을 300배 이상 향상시켰다(90% 효율 유지 기준). 본 연구에서 제시한 광전기화학전지는 기존의 과산화수소 생산용 광전기화학전지가 가진 한계인 낮은 패러데이 효율 및 안전성 문제를 획기적으로 개선한 시스템으로 광전기화학전지 시스템의 상용화에 교두보적인 역할을 할 것으로 기대된다. 이번 연구는 연구재단의 글로벌연구실사업과 기초연구실지원사업의 지원으로 수행됐으며 연세대와 POSTECH가 2018년 3월 함께 시작한 개방·공유 Campus 선언문의 첫 번째 선언인 ‘양교는 개방, 공유, 협력의 가치를 추구하고, 이를 실천하기 위한 실질적 상호 교류를 적극 추진한다.’를 이행함으로써 나온 산물이다.

신소재 김형섭 교수팀, 더 강하고 더 다루기 쉬운 고엔트로피 합금 설계

[단상 균질구조에서 벗어난 다상 헤테로구조 합금 개발] 더 강하면서 잘 늘어나는 합금을 향한 산업현장의 끝없는 고민에 답이 될 수 있을까. 합금계의 이단아, 고엔트로피 합금을 만드는 새로운 설계방식이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 신소재공학과 김형섭 교수팀이 고강도·고연성·고가공성의 고엔트로피 합금을 개발했다. 고엔트로피 합금은 주된 금속에 보조원소를 더하는 일반적 합금과 달리, 주된 원소 없이 여러 원소를 비교적 동등한 비율로 혼합하는 방식이어서 이론상 만들 수 있는 합금의 종류가 무한대다. 이러한 고엔트로피 합금의 무한의 조합은 합금 원소의 종류 및 함량을 자유자재로 조절하여 합금의 강도, 연성, 내식성, 전자기적 특성, 열적 특성 등을 비약적으로 발전시켜왔다. 하지만 대부분 균일한 단상 형태(구조, 조직, 결정립 크기 및 형상이 동일한 형태)로 만들어지며, 단상을 유지하는데 코발트, 크롬 같은 고가의 원소를 첨가하는 등 가격경쟁력에서 한계가 있었다. 이에 연구팀은 고엔트로피 합금은 균일해야 한다는 고정관념을 역이용했다. 합금의 미세조직이 균질하지 않은 헤테로구조*1의 고엔트로피 합금이 더 단단하고 더 연할 수 있음을 알아냈기 때문이다. 실제 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 철과 구리를 기반으로 각각 분리된 두 영역을 형성시킨 후, 둘 다와 섞일 수 있는 몇몇 원소들을 첨가함으로써 비균질성(heterogeneity)을 극대화, 전체 소재의 엔트로피를 높였다. 이렇게 설계된 헤테로구조의 고엔트로피 합금은 강한 구리와 연한 철로 구성되는데, 연한 철은 소재의 연성, 강한 구리는 소재의 강도를 향상시킴으로써, 기존 스테인리스 강 보다 1.5배 더 단단한(인장강도 ~ 1 GPa) 것으로 나타났다. 또한 철과 구리, 이원화된 구조로 인해 소재를 절삭하는 데 소요되는 시간 역시 기존 304 스테인리스 강보다 20배 줄었다. 절삭시간 단축은 소재의 가공비용 절감으로 이어진다. 뿐만 아니라 경제적인 철과 구리에, 알루미늄이나 망간 같은 저가의 원소를 조합할 경우 기존 고엔트로피 합금보다 3~10배 높은 가격경쟁력을 확보할 수 있다는 설명이다. 김형섭 교수는 “단상에 국한된 기존 고엔트로피 합금을 다상으로 확장시킴으로써 산업현장에 적용될 수 있는 고엔트로피 합금 창출을 앞당길 수 있을 것”이라고 보고 있다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 금속공학 분야 국제학술지 ‘Acta Materialia’ 및 ‘Scripta Materialia’온라인에 각각 4월 12일, 5월 21일 게재되었다. 1. 헤테로구조 합금 내부의 구조, 조직이나 결정립 크기 및 형상이 동일하지 않고, 위치별로 다른 구조

기계·화공 노준석 교수팀, 비오는 날 스스로 밝아지는 ‘스마트 윈도’ 구현한다

- POSTECH-KAIST 공동연구팀, 자가발전 가능한 색변화 습도센서개발 - 스마트 윈도우, 헬스 케어, 안전 관리 등 다양한 분야 응용 가능 햇빛의 강도에 따라 자동으로 창문의 색이 변해 실내로 들어오는 햇빛의 양을 조절할 수 있는 스마트 윈도우는 여름철 가시광선 투과를 차단하여 냉방비용을 줄일 수 있는 기술로 기대를 모으고 있다. 장마철이나 한여름 바깥 습도에 따라 색이 변하는 창문은 어떨까? 이번에는 국내 연구팀에 의해 전기가 필요 없이 주변의 수분량에 따라 색이 변하는 스마트 윈도우의 원천기술이 개발됐다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 장재혁씨, 아이잔 이즈무하노바(Aizhan Ismukhanova)씨와 KAIST 기계과 박인규 교수 공동 연구팀이 키토산 기반의 하이드로겔을 이용한 금속-하이드로겔-금속 공진기 구조를 이용하여 가변형 컬러 필터를 개발하고, 이를 태양전지와 결합하여 자가발전 수분센서를 구현하는데 성공했다. 이 연구성과는 나노·광학분야 전문 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 최신판 표지논문으로 게재됐다. 빛을 이용한 센서는 심전도, 대기질, 거리 측정 등 우리 생활에 이미 많이 활용되고 있다. 기본원리는 빛을 이용해 주변의 변화를 감지하고 이를 디지털 신호로 변환하는 것이다. 패브리-페로 간섭*1은 광학 센서에 사용 가능한 공진 현상 중 하나로 금속-유전체-금속 형태의 다층박막 형태로 구현 가능하다. 이때 투과된 빛의 공진 파장은 유전체층의 두께와 굴절률에 따라 조절 가능함이 알려져 있다. 다만, 기존의 금속-유전체-금속 공진기에서는 한번 제작된 이후로 투과되는 빛의 파장을 조절할 수 없다는 큰 단점이 있어 가변형 센서에 사용하기에는 어려움이 있었다. 연구팀은 키토산 하이드로겔을 금속-하이드로겔-금속 형태로 제작할 경우, 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변함을 발견했다. 키토산 하이드로겔이 주변의 습도 변화에 따라 팽창과 수축을 반복하기 때문이다. 이에 외부습도에 따라 공진 파장이 변하는 금속-하이드로겔-금속 구조를 이용한 ‘수분 가변형 파장필터’를 태양전지와 결합하여, 빛에너지를 자가전력으로 전환할 수 있는 ‘수분 센서’를 개발했다. 설계 원리는 필터의 공진파장을 태양전지의 흡수도가 급격하게 변하는 파장대와 겹치도록 하는 것이다. 이 필터는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고, 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지 할 수 있도록 설계됐다. 이번에 개발된 센서는 기존 광학 습도센서와는 다르게 자연광, LED, 실내등 빛의 종류와 관계없이 작동했다. 또한 외부 전원이 필요 없을 뿐만 아니라, 필터의 색 변화에 따라 습도를 예측할 수 있다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “이 기술은 전원을 공급할 수 없고, 원자력발전로와 같이 사람의 손이 닿기 어려운 곳에서 사용될 수 있는 센싱 기술이다”며 “외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나, 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트 윈도우 등 IoT 기술과 결합이 된다면 더 큰 시너지를 낼 것”이라고 말했다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 1. 패브리-페로 간섭(Fabry–Pérot interferometer) 여러 파장이 필터에 입사되면 특정 공간에서 다중간섭현상을 발생시켜 특정한 파장만 투과시키고, 다른 파장들은 반사함으로써 원하는 데이터만 선별하게 된다.

환경 민승기 교수팀, 화산 폭발이 전 지구 강수량 줄인다

- 화산 폭발 후 강수 감소 메커니즘 밝혀 - 화산이 유발한 엘니뇨가 강수 감소 심화시켜…화산 모방한 지구공학기법 안정성 담보 못해 지구의 온도가 1℃ 상승하는 것만으로도 해수면이 높아지고, 북극의 얼음이 녹고, 때아닌 폭염과 강한 호우가 찾아오는 등 지구 곳곳에서 이상기후가 나타나고 있다. 온실가스 증가로 인한 인위적인 기후변화를 정확히 예측하기 위해서는 태양이나 화산활동과 같은 자연적 요인의 영향을 파악하는 것이 중요하다. 이와 관련해서, 열대지역에서 화산이 폭발하면 전 지구 강수량이 어떻게 줄어드는지를 밝힌 연구가 나왔다. 환경공학부 민승기 교수, 백승목 박사 팀은 프랑스국립과학연구센터, 취리히공과대학, 에딘버러대학과의 공동연구를 통하여 화산폭발로 유발된 엘니뇨가 전 지구 강수량 감소에 중요한 역할을 한다는 새로운 결과를 내놓았다. 지금까지 화산활동이 전 지구 강수를 줄인다는 연구는 있었지만 그 구체적인 메커니즘은 불확실했다. 이 연구는 사이언스의 자매지인 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'지에 최근 게재됐다. 1991년 피나투보 화산 폭발 이후 2~3년 동안 전 지구 평균온도는 약 0.2도 감소했다. 이는 화산 폭발로 성층권에 방출된 엄청난 이산화황 입자들이 태양빛을 반사시켜 지표에 도달하는 태양열을 차단하기 때문이다. 화산 폭발은 이러한 냉각 효과와 함께 전 지구 육지 강수량을 감소시키는데 그 크기가 기후모델 시뮬레이션마다 달라 매우 불확실했다. 연구팀은 이러한 화산 폭발 후의 강수 감소를 결정하는 주원인이 엘니뇨 반응 차이임을 처음으로 확인했다. 엘니뇨 현상은 3~8년 주기로 일어나는 기후 변동으로 적도 태평양의 무역풍이 약해지고 동태평양 해수면 온도가 상승함에 따라 가뭄, 호우 등 전 지구에 기상이변을 가져온다. 특히 엘니뇨가 지속되는 동안 동남아시아, 인도, 남아프리카, 호주, 중남미를 포함한 전 지구 몬순(Global Monsoon) 지역에서 강수량 감소가 발생한다. 연구팀이 여러 기후모델 시뮬레이션을 종합하여 비교한 결과, 대부분의 모델에서 화산 폭발 이듬해에 엘니뇨가 나타났으며 전 지구 몬순 지역을 중심으로 강수가 크게 감소했다. 특히 기후모델 시뮬레이션마다 엘니뇨의 강도가 달랐는데, 강한 엘니뇨가 나타날수록 강수 감소가 더 뚜렷하였다. 또한 연구팀은 화산 강제력이 강할수록 서태평양 고수온 해역이 클수록 강한 엘니뇨가 발달하며 그에 따라 강수 감소가 심해지는 것을 찾아냈다. 이 연구 결과는 지구공학 기법의 부작용을 파악하거나 수 년 후의 기후를 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 인공화산 개념을 도입하여 성층권 하부에 화산재의 주성분인 이산화황을 뿌려 온난화를 줄이자는 지구공학 기법이 사용될 경우, 전 지구의 강수 패턴을 변화시키는 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있음을 시사한다. 민승기 교수는 “화산을 모방하여 햇빛을 차단하는 지구공학 기법이 적용될 경우, 전 세계 인구의 3분의 2가 살고 있는 몬순 지역에서 가뭄과 물 부족 피해가 오히려 크게 증가할 수 있다”고 말했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.