Research

기계 김동성 교수팀, 증식과 분화 촉진하는 자가지방유래 ‘줄기세포공장’

줄기세포(Stem Cell)는 생물을 구성하는 세포들의 뿌리가 되는 어린 세포를 말한다. 죽지 않고 끝없이 반복해 분열하면서 혈구와 피부 등을 만들고, 상처가 나면 스스로 치료한다. 골수, 혈액, 피부, 지방, 간, 신경 등에 주로 존재한다. 줄기세포는 우리 몸을 구성하는 신체 내 어떤 조직으로든 발달할 수 있기 때문에 손상된 장기에 인위적으로 줄기세포를 넣어주는 줄기세포 치료는 ‘꿈의 치료법’이라고도 불린다. 기계공학과 김동성 교수, 김형우 박사, 이정수 석사 연구팀은 줄기세포의 증식과 내피 분화를 촉진할 수 있는, 사인(sine) 물결*1 모양의 마이크로-나노 이중 표면 구조체*2을 제작하는데 성공했다. 이 연구성과는 첨단소재 분야 권위 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)’ 최신판에 표지논문으로 게재됐다. 연골이나 관절염 치료를 위해 환자 둔부나 복부에서 추출한 지방유래 줄기세포(hASC)로 조직재생을 유도한다. 이처럼 지방세포는 한꺼번에 많은 양의 줄기세포를 얻을 수 있고, 자가재생 능력을 가지고 있으며, 오랜 시간 성장할 수 있어 줄기세포 치료를 위한 ‘줄기세포공장’으로서 잠재력이 크다. 줄기세포 치료를 위해서는 무엇보다 줄기세포를 많이 증식시키고, 표적(혈관) 세포로 잘 분화시키는 것이 중요하다. 이를 위하여 연구팀은 체내 구조에서 관측할 수 있는 부드러운 물결 형태의 패턴을 포함하는 마이크로-나노 이중구조의 고분자 표면구조체를 이용하여 지방유래 줄기세포의 증식과 혈관세포 분화를 연구했다. 여러 공정을 통해 마이크로 구조물들 사이에 크기가 100분의 1 이하의 나노 구조물이 동시에 있는 이중구조의 고분자 표면구조체를 제작했다. 다양한 크기의 마이크로-나노 물결 패턴이 하나의 샘플에 제작되어 있어, 한 번의 실험으로 지방유래 줄기세포의 세포 정렬, 증식, 혈관세포 분화 효율을 측정할 수 있고, 특정 크기(160um - 500nm) 패턴에서 자가지방 줄기세포의 증식과 혈관세포 분화 효율이 모두 증가하는 것을 확인했다. 김동성 교수는 “이번 연구는 줄기세포의 증식과 혈관세포로의 분화를 모두 촉진시켜 줄기세포의 치료 적용 가능성을 한 단계 업그레이드 시킨 결과”라며 “이 연구는 혈관세포 분화에 초점을 맞추었지만, 실제 체내에 존재하는 부드러운 물결 형태의 조직구조를 갖는 근육, 피부, 신경, 연골, 뼈 등의 조직 분화에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 바이오 의료기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 1. 사인 물결(sinusoidal wavy patterns) 소리나 빛의 파동과 같이 주기적인 사인(sine) 파형의 물결 모양 2. 마이크로-나노 이중 표면구조체 나노미터 크기의 구조체와 마이크로미터 크기의 구조체를 하나의 샘플 위에 구현한 것

기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀, 1/100 가격, 1/10000 두께 ‘VR·AR 장치’ 나온다

- POSTECH-고려대 공동연구팀, 新나노성형소재 및 원스텝 프린팅 기술 개발 - 저비용·대면적·초박막 제작기술로 메타물질 상용화 가능성 열어 바로 눈앞에 좀비나 적들과 마주한 장면, 아찔한 절벽 위에 선 듯한 VR(가상현실)과 AR(증강현실)은 이제 게임이나 미디어 콘텐츠 분야의 전유물이 아니다. 가상공간에서 가상회의와 PPT, 동영상 등 다양한 자료를 공유하고 실시간으로 의사소통을 할 수 있게 됐다. 그러나 가상 세계에 몰입하게 해주는 VR·AR 기기의 높은 가격과 두꺼운 덩치 때문에 쉽게 손이 가지 않는다. 최근 국내 연구팀이 투명망토를 만드는 메타물질을 이용해 나노성형소재와 프린팅 기술을 개발해 값싸고, 얇은 VR·AR 기기의 상용화 가능성을 열었다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 윤관호 박사 연구팀이 고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 이헌 교수, 김관씨 연구팀과 공동연구를 통해 메타물질 상용화를 위한 새로운 나노성형소재와 대면적 나노프린팅 기술을 개발했다. 기존 연구의 제약이었던 디바이스 크기와 높은 제작 단가를 해결할 수 있는 이 연구성과는 최근 과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 메타물질은 인공원자로 만들어진 물질로 자연에는 존재하지 않지만, 빛의 특성을 자유자재로 제어할 수 있는 것이 특징이다. 빛의 굴절이나 회절 등을 조절해 그 모습이 사라지는 것처럼 착시를 만드는 ‘투명망토’나, 빛의 입사 방향에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 만들어낼 수 있는 ‘메타홀로그램’ 역시 이 메타물질을 이용한다. 이렇게 빛을 자유자재로 조절하는 원리를 이용해 아주 얇은 두께만으로도 기존의 광학계를 대체할 수 있는 ‘초박막메타렌즈’ 기술은 최근 월드 이코노믹 포럼(World Economic Forum)에서 발표한 ‘2019년 세상을 바꿀 미래 10대 기술’에 선정되기도 했다. 메타물질을 만들기 위해서는 빛의 파장보다 작은 크기의 인공원자를 정교하게 제작하고 배열해야 한다. 지금까지는 전자빔 리소그래피*1라는 방식을 통해 메타물질을 제작해왔다. 그러나 전자빔 리소그래피는 공정 속도가 매우 느리고, 공정 단가가 비싸기 때문에 메타물질을 크게 만들거나 상용화하기에 걸림돌이 됐다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 메타물질 구현에 적합한 광특성을 지고 있으면서, 자유자재로 성형이 가능한 나노입자 복합재를 기반으로 새로운 나노성형소재를 개발했다. 또한, 한 번의 공정으로 성형할 수 있는 원스텝 프린팅 기술을 개발하는데 성공했다. 실제 새로 개발된 기술을 이용해 머리카락의 두께보다 100배 이상 얇은 초박막 메타렌즈를 구현했다. 메타물질을 두꺼운 유리 렌즈, 플라스틱 렌즈 등을 1만분의 1수준의 두께로 제작할 수 있게 된 것이다. 이렇게 원스텝 프린팅 공정으로 초박막 메타렌즈를 제작한 것은 세계 최초다. 기존 유리 등으로 만드는 렌즈와 같은 성능을 내는 메타렌즈를 만드는 가격이 1천만 원(1개당)이었다면, 이 기술을 이용하면 약 1만원 수준으로 1/100의 비용으로, 두께는 1/10000 얇은 메타렌즈를 간소한 공정으로 제작할 수 있게 된다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “이번에 개발된 나노성형소재의 원스텝 프린팅 기술은 기존의 전자빔 리소그래피에 비해 100배 이상 빠른 속도로 메타물질을 제작하는 것이 가능하다”며 “이러한 렌즈는 기존의 두껍고 큰 VR·AR 렌즈나 안경을 획기적으로 가볍고 작게 만들 수 있을뿐 아니라, 곡면기판 유연기판 등에도 그대로 적용 가능하기에 전 방향 대면적 투명망토, 곡면이나 구부러지는 웨어러블 기기에 적은 비용으로 메타물질을 적용할 수 있을 것”이라고 기대감을 드러냈다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단), 지역혁신선도연구센터사업(RLRC), 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업(ERC) 등의 지원을 받아 수행됐다. 1. 전자빔 리소그래피(electron beam lithography) 지름 1㎛ 이하로 조여진 전자빔을 이용해 실리콘칩 표면에 만들고자 하는 패턴을 빛으로 촬영한 수지를 칩 표면에 고정한 후 화학 처리나 확산 처리하는 기술

화학 이인수 교수팀, 태양광으로 물질 만드는 ‘세포’ 닮은 촉매 나왔다

[플라즈몬 이중층 구조 나노카탈로좀 개발] 45억년 전 만들어진 것으로 추측되는 태양은 지구상의 모든 생명체가 생존할 수 있도록 하는 존재다. 최근에는 자원 고갈과 환경 오염으로 인하여, 지속가능한 발전을 위한 방법으로 태양이 보내오는 빛, 즉 태양광을 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다. 태양광을 활용할 수 있는 분야는 무척 다양한데, 이를 활용하기 위해서는 태양광을 화학반응에 필요한 에너지로 전환해주는 촉매의 역할이 아주 중요하다. POSTECH 연구팀이 세포막 구조를 닮은 새로운 형태의 촉매제, ‘나노카탈로좀(Nanocatalosomes)’을 개발해 학계의 눈길을 모으고 있다. 화학과 이인수 교수·아미트 쿠마르(Amit Kumar) 박사 연구팀은 플라즈몬 이중층 구조를 가진 촉매제, ‘나노카탈로좀’을 개발하고, 이를 활용해 태양광 유도 화학반응을 구현하는데 성공했다. 화학분야 세계적 권위지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie)를 통해 발표된 이 연구성과는 다양한 활용 가능성에서 관심을 모아 표지논문으로도 소개될 예정이다. 고갈의 우려가 없는 태양광을 에너지원으로 활용하여, 물질을 대량으로 생산하는 친환경적이고 지속가능한 화학공정을 개발하기 위한 연구는 전 세계적으로 매우 활발하게 진행되고 있다. 연구팀은 다양한 목적에 활용할 수 있으면서 효율성이 좋은 촉매제 개발을 위해 세포막의 이중층(二重層)*1 구조에 관심을 가졌다. 세포 및 대부분의 세포기관들은 이중층의 세포막구조로 둘러싸여 있으며, 이 이중층 구조는 pH 농도를 조절하고 이온·분자 채널을 유지하는 역할을 할 뿐만 아니라, 세포 내에서 일어나는 촉매 반응의 공간이 되기도 한다. 연구팀은 이러한 세포막 형태를 모방하여 태양광을 이용해 화학 반응을 이끌어낼 수 있는 고효율 촉매 물질을 개발하는 연구를 진행, 이중층 세포막 구조와 닮은 촉매인 ‘나노카탈로좀’을 개발하는 데에 성공하였다. 이중층의 속 빈 금속껍질(shell)로 이루어진 나노카탈로좀은 금속껍질 이중층 사이에 형성된 수 나노미터(nm)크기의 공간에서 태양광을 흡수, 화학반응에 필요한 에너지로 전환해 효율을 크게 높인다. 또한, 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등을 비롯한 여러 종류의 촉매 금속을 필요에 따라 선택적으로 촉매 반응에 도입하면서, 다양한 화학 반응에 적용할 수 있는 넓은 활용성을 가지고 있다. 나노카탈로좀은 수소와 같은 친환경 연료의 저장, 생산은 물론 의약품 등의 정밀 화학물질의 합성에 활용할 수 있으며, 태양광을 에너지원으로 사용해 환경친화적이고 지속가능한 생산공정을 구현할 수 있게 된다. 또, 생체 이미징(imaging)이나 세포 내 촉매 반응에 적용, 새로운 질병 진단이나 치료에 응용할 수 있을 것으로도 기대된다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다. 1. 세포막 이중층 인지질 분자로 이루어지는 이중층은 세포막의 기본성분이며, 두 인지질 분자의 소수성 꼬리가 서로를 마주보고 친수성 머리가 각각 세포질과 세포외부와 접한 이중 구조가 인지질 이중층의 기본 단위다.

환경 국종성 교수팀, ‘식물의 반란’ 식물이 숨을 안 쉬면, 북극이 녹는다

[POSTECH-취리히대학 공동연구팀, 식생의 생리학적 작용에 의한 북극 온난화 규명] 식물이 숨을 쉴 때 내뿜는 수증기는 더운 날 마당에 물을 뿌리는 것과 같이 지면온도를 낮추는 역할을 한다. 지금까지 지구 기온 상승은 온실효과가 원인으로 지적돼왔지만, 이산화탄소가 증가하면서 식물이 숨을 쉴 때 내뿜는 수분량이 감소해 북극의 온도가 올라간다는 흥미로운 연구 결과가 나왔다. 환경공학과 국종성 교수, 박사과정 박소원씨와 스위스 취리히대학교 김진수 박사 공동연구팀은 이산화탄소가 증가하면 고위도 지역 식물의 기공이 닫히고 증산량이 줄어들어 북극 온난화를 가속시키는 것을 확인했다. 지구 시스템 모형 시뮬레이션을 통해 연구된 이 연구성과는 최근 과학 분야의 권위 있는 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 빨아들이고, 산소를 내뿜는다. 이 과정에서 잎에 있는 기공을 열어 대기 중에 있는 이산화탄소를 빨아들이는데, 이때 수분도 함께 내보낸다. 그런데 대기 중에 이산화탄소가 많아지면 식물은 기공을 조금만 열어도 충분한 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 기공을 적게 열면 내보내는 수증기의 양도 감소한다. 식물의 이런 증산작용이 감소하면 육지의 온도는 더 쉽게 상승한다. 최근, 이러한 식물 증산작용의 감소가 북반구 육지지역의 폭염 증가의 원인 중의 하나로 지목되고 있다. 이런 식생의 반응은 지표면과 대기와 에너지 교환을 조절함으로써 전 지구적 기후변화를 초래하는데 이를 ‘생리학적 강제력’이라 한다. 하지만 지금까지 생리학적 강제력이 북극 기후 시스템에 미치는 영향을 확인한 연구는 없었다. 공동연구팀은 지구 시스템 모형 시뮬레이션 결과를 분석하여 이산화탄소가 증가하면 육지 식생의 기공 닫힘 현상이 육지의 온난화를 일으키고, 이는 다시 대기 순환 및 지구시스템 과정의 양(Positive)의 피드백 작용을 통해서 육지와 멀리 떨어진 북극에서의 온난화를 가속시킨다는 것을 확인했다. 또한, 이산화탄소 증가로 인한 기공 닫힘 효과가 북극 온난화에 미치는 영향을 정량적으로 평가한 결과, 대기 중 이산화탄소 증가로 인한 온실효과의 약 10% 정도가 생리학적 강제력에 의해 이루어진다고 밝혔다. 북극 온난화를 다양한 관점에서 연구해온 국종성 교수는 “미래 기후 전망에서 이산화탄소 증가에 따른 기공 닫힘 효과가 충분히 고려되지 않고 있다”며, “이는 북극 온난화가 현재 제시된 예측보다 훨씬 빠르게 진행될 수 있음을 의미한다”고 지적했다. 또, “이산화탄소의 증가는 기존의 알려진 온실효과뿐만 아니라, 식물의 생리작용을 바꿔서 지구 온난화를 가속시키고 있다”고 경고했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 지면-해양 생지화학과정의 기후피드백 연구의 지원으로 이뤄졌다.

화학 박문정 교수팀, 커피 마시려고? 이제는 커피로 배터리 만든다

- 친환경 양극재와 고체 전해질 사용해 리튬유기전지 개발 - 커피 유래 자연 친화 유기원료 사용...고속 충전 차세대 리튬전지 개발 기대 커피나 코코아, 콜라, 초콜릿 등의 기호식품 등에 흔히 들어 있는 카페인은 중추신경계에 작용하여 정신을 각성시키고 피로를 줄이는 등의 효과가 있다. 이런 카페인으로 고속충전이 가능한 리튬전지를 만들 수 있다는 흥미로운 연구성과가 나왔다. 최근 POSTECH 연구팀이 카페인산을 합성한 양극재로 전고체상 리튬전지를 개발해 눈길을 끌고 있다. 화학과 박문정 교수, 김보람씨 연구팀이 카페인산(caffeic acid)을 원료로 하여 합성한 P4VC(polyvinyl catechol) 고분자를 양극재로 사용해 자연 친화적인 리튬유기전지를 개발했다. 또한, 리튬이온만 선택적으로 움직이게 하는 고분자 나노입자를 전해질로 사용해 고속 충전이 가능하도록 했다. 이 연구성과는 에너지·화학 분야의 권위있는 학술지인 '켐서스켐(ChemSusChem)' 최신판 표지논문으로 게재됐다. ‘용량이 작다’, ‘수명이 짧다’, ‘충전 속도가 느리다’ 지속적인 연구에도 불구하고 리튬유기전지에 대한 평가는 냉정하다. 이런 이유로 독성을 가진 전이금속 양극재를 대체할 수 있는 유기양극재에 대한 기대는 높지 않은 것이 현실이다. 과연, 환경친화적이면서, 향상된 에너지 밀도, 긴 전지 수명, 빠른 충전, 안전한 구동을 보장하는 차세대 전지는 가능할까? 리튬 이온 전지는 전해질에 음극과 양극을 담근 구조를 하고 있다. 리튬 이온이 전해질을 이동하여 양극에서 음극으로 충전되고, 음극에서 양극으로 방전되는 과정이 반복된다. 즉 전해질은 리튬 이온이 이동할 수 있는 성질을 가진 물질인 셈이다. 지금까지 대부분의 리튬 이온 전지는 전이금속*1 양극재와 액체 유기 화합물을 전해질로 사용하고 있다. 전이금속은 원가가 비쌀 뿐만 아니라 독성이 있고, 액체 전해질은 가연성이므로 배터리의 온도가 상승하면 화재나 폭발의 위험이 있다는 고질적인 문제가 있다. 연구팀은 카페인산을 원료로 합성한 P4VC 고분자를 리튬 이온 전지의 양극으로 사용하고, 액체 전해질을 대신해 고체인 단일 이온 전도성 고분자 나노입자를 전해질로 사용했다. P4VC 고분자 양극재는 3볼트(V) 이상의 높은 환원전압을 보였으며, 현재 상용화된 전이금속 기반 양극재의 가역용량보다 2배 이상 높은, 단위 질량당 352밀리암페어(mAh)의 높은 방전 용량을 보였다. 특히 커피에서 쉽게 추출할 수 있는 카페인산을 양극재의 원료로 사용해 친환경적이라는 강점이 있다. 또, 액체 전해질을 고체 상태의 단일 이온 고분자 나노입자 전해질로 대체함으로써 내열성을 높였다. 90도의 고온에서도 동작 가능하며, 우주와 같은 진공상태에서도 사용할 수 있다. 뿐만 아니라 10분 충전을 통해 100mAh g-1 이상의 높은 용량을 얻었고, 500사이클 이상의 연속적인 충방전 동안에도 그 용량이 전혀 감소하지 않는 안정성을 입증함으로써, 1년 이상 사용해도 성능이 감소하지 않는 휴대폰 배터리의 시대를 맞이할 수 있는 가능성을 열었다. 이는 전체가 고체상태(All-Solid-State)이며, 친환경적이며, 고속 충방전이 가능하며, 수명도 길어진 리튬유기전기 개발의 첫 번째 성공사례이다. 교신저자로 연구를 주도한 박문정 교수는 "제가 매일 마시는 커피를 원재료로 하여, 모든 물질이 고체로 이루어진 리튬유기전지를 만들고 동시에 높은 용량과 고속 충전 특성을 이끌어낸 것은 이번 연구가 처음이다"며 “리튬전지는 용량이 작고, 수명이 짧다는 통념을 뒤엎었다는 점에서 고무적”이라고 말했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(단일이온수송 고분자 기반 차세대 전해질 소재 개발), 미래소재디스커버리지원(하이퍼 이온 이송 채널 소재의 합성 및 구조화 기술), 집단연구지원(혼성계면 화학구조 연구센터)의 지원으로 수행됐다. 1. 전이금속 원자의 전자배치에서 가장 바깥부분의 d껍질이 불완전한 양이온을 만드는 원소. 주기율표에서 4~7주기, 3~12족까지의 원소들을 말한다.

신소재 손준우 교수팀, 이종구조 전극 연료전지 한계를 극복하다

- 페로브스카이트 주석 산화물 전극의 용출현상 구현 -소재 원천기술 확보...에너지 변환 및 저장 효율 개선 기대 최근 전도성 페로브스카이트 산화물 지지대 위에 금속 나노 입자를 형성하여 촉매 특성과 안정성을 동시에 달성하는 이종구조 전극(heterogeneous electrode)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, POSTECH 연구팀은 안정성을 유지한 상태에서 전극의 전도도를 극대화하기 위해서, 주석 산화물 신소재에 깊숙이 박힌 금속 나노 입자를 형성하는 독특한 합성 방식을 제안했다. 신소재공학과 손준우 교수(교신저자), 유상배 박사, 통합과정 윤다섭 씨(공동 제1저자) 연구팀은 높은 전기전도도의 페로브스카이트 주석 산화물 위에 금속 나노 입자의 용출 현상*1을 구현했다. 이 연구성과는 나노·재료분야 전문 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신판에 게재됐다. 페로브스카이트 구조에 손상을 주지 않고 안정적으로 이종구조 전극을 형성하는 많은 방법 중에서 금속 입자를 산화물 내부 격자에 도핑한 후, 후속 열처리를 통해서 표면으로 분리하는 실시간 용출 (in situ exsolution)은 효과적인 방법으로 알려져 있다. 지금까지 개발된 기술은 대부분 LaxSr1-xTiO3(이하 LSTO)와 같은 페로브스카이트 타이타늄 산화물 전극에서 나온 금속 입자(Ni)로 전극을 이용했다. 하지만 LSTO 전도성 산화물의 전자의 이동은 좁은 아령 모양의 Ti 3d 오비탈 간의 이동으로 인해 전기전도도를 높이는데 어려움이 있었다. 연구팀은 기존의 에너지 변환용 전극 소재로는 많은 관심을 받지 않았던 페로브스카이트 주석 산화물(LaxBa1-xSnO3, 이하 LBSO)에 주목했다. LBSO는 기존의 LSTO와는 달리 방향성이 없는 넓은 구형 모양의 Sn 5s 오비탈로 이루어져서 전자가 방해받지 않고 효율적으로 전류를 전도할 수 있는 소재이다. 이 LBSO에 니켈(Ni)을 도핑한 후, 적절한 열처리를 하면 격자구조를 유지한 상태에서 높은 밀도와 작은 크기의 Ni 나노ﾠ입자를 표면에 용출할 수 있게 된다. 이렇게 형성된 Ni 나노 입자는 고온, 연료극 환경에서도 안정적으로 주석 산화물과 강하게 결합돼 있으며, 지금까지 발표된 이종구조 전극 중 가장 높은 전기전도도(~700 Scm-1)를 보였다. 이것은 기존에 보고된 용출 현상 기반 전극의 전기전도보다 10배 이상이 높은 것이다. 이번 연구를 통해 기존 용출 현상 기반 이종구조 전극의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 신소재 기반 전극 구조를 개발할 수 있는 토대가 마련됐다. 이 기술을 활용하면, 고온 고체산화물형(SOFC) 연료 전극에 응용이 가능할 뿐만 아니라 상온 에너지 변환, 저장용 전극에도 응용이 가능할 것으로 기대된다. 교신저자로 연구를 주도한 손준우 교수는 "이번 연구는 열역학적인 원리를 기반으로 전자 수송이 극대화된 산화물 소재에서 금속 입자 표면 용출 현상을 최초로 구현한 연구다"며 "전자 전도 기작이 다른 이와 같은 신소재 이종구조 형성 기술을 이용하면, 기존 전극의 대비 획기적으로 높은 전기전도도 달성이 가능해 현재 사용되고 있는 에너지 변환 소자 전극의 한계를 돌파할 수 있다"며 의의를 설명했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원으로 수행됐다. 1. 용출현상(exsolution) 가열하면 소재 내부에 있던 금속이 표면으로 석출/분리되는 현상(또는 석출/분리하는 조작)

신소재 한세광 교수팀, 당뇨병 진단·치료 위한 무선 구동 스마트 콘택트렌즈 개발

[당뇨병, ‘스스로’ 진단하고 치료하는 스마트 콘택트렌즈] 당뇨병은 한번 발병하면 현대 의학으로 어떤 치료를 하더라도 병 자체가 없어지지 않는 특성 때문에 ‘불멸의 질병’이라 불린다. 당뇨병이 발병하면 평생 혈당수치를 측정하며 인슐린 주사를 맞아야 한다. 그런데 콘택트렌즈를 끼는 것만으로 인슐린의 분비를 조절할 수 있다면 어떨까? 최근 POSTECH 연구팀이 콘택트렌즈를 착용하는 것만으로 당뇨 진단이 가능하고, 한발 더 나아가 당뇨성 망막질환을 스스로 치료하는 무선구동 '스마트 콘택트렌즈' 기술을 개발했다. 신소재공학과 한세광 교수, 금도희씨, 김수경씨 그리고 전자전기공학과 심재윤 교수, 구자현씨 연구팀은 전기 신호로 약물 방출을 조절해 당뇨병을 진단하고, 치료할 수 있는 무선 구동 스마트 콘택트렌즈를 개발했다. 이 연구 결과는 최근 세계적인 저널인 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 게재됐다. 이번에 연구팀이 개발한 스마트 콘택트렌즈는 생체 적합성 고분자로 제작됐으며, 바이오 센서, 약물 전달시스템, 데이터 통신 시스템 등이 집약되어 있다. 연구팀은 당뇨 토끼 모델에서 스마트 콘택트렌즈로 분석한 눈물 속 당 농도가 피를 뽑아 측정하는 기존 당 측정기로 분석한 혈당과 일치하는 것을 확인했으며, 스마트 콘택트렌즈 속 약물에 의해 당뇨 망막 병증 치료가 가능하다는 것을 확인했다. 최근에는, 이러한 스마트 콘택트렌즈의 기반 기술을 활용하여, 당뇨의 진단·치료뿐만 아니라 알츠하이머, 파킨슨병과 같은 뇌 질환이나 우울증과 같은 정신질환을 전기자극으로 치료할 수 있는 전자약 시스템으로 활용 범위를 넓히기 위한 연구를 수행하고 있다. 연구팀은 실시간 생체 분석과 함께 스스로 제어되는 치료용 스마트 콘택트렌즈가 개발됨으로써 웨어러블 헬스케어 관련 산업에 빠르게 적용될 수 있을 것으로 예상하고 있다. 연구를 주도한 한세광 교수는 “웨어러블 디바이스에 대한 글로벌 기업들의 본격적인 연구개발에도 불구하고 임상적으로 파급 효과가 큰 진단 및 치료용 무선 구동 의료기기의 상용화는 미흡한 실정이다”며 “이 연구를 통해 당뇨 진단, 당뇨 망막 병증 치료용 약물전달 시스템이 장착된 무선 구동 스마트 콘택트렌즈를 세계 최초로 개발함으로써 관련 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 이 연구는 삼성미래기술육성재단, 글로벌프론티어 프로젝트(단장 POSTECH 조길원 교수), 한국연구재단 중견연구, 중소벤처기업부 월드 클라스300 사업의 지원으로 수행됐다. 스마트 콘택트렌즈 기반 기술에 대한 연구성과는 네이처 리뷰 머터리얼즈(Nature Reviews Materials) 1월호에도 소개돼 학계에 관심을 끈 바 있으며, 연구팀은 ㈜인터로조와 공동으로 스마트 콘택트렌즈 상용화를 위한 안전성 및 유효성 평가 임상 시험을 추진하기 위해 준비 중이다.

화학 김원종 교수팀, 자연 살해 세포의 면역시냅스 형성을 이용한 암 치료법 개발

[암 덩어리, 항암제로 중무장한 자객 세포로 살해한다] 우리 몸에는 바이러스에 감염된 세포나 암세포를 직접 파괴하는 면역세포, 즉 자연 살해 세포가 존재한다. 최근 POSTECH 연구팀이 자연 살해 세포의 면역 치료와 화학 요법을 융합하여 효과적으로 암을 치료하는 항암 면역요법을 개발해 관심을 끌고 있다. 화학과 김원종 교수 연구팀은 ㈜지아이셀과 공동연구를 통해 자연 살해 세포-암세포 면역 시냅스 형성을 이용한 고형암 치료법을 개발했다. 이 연구성과는 재료 과학 분야의 세계적인 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 최신 온라인판 표지논문으로 게재됐다. 현재까지 암을 치료하기 위해 수술, 방사선 요법, 화학 요법의 세 가지 방법이 대표적으로 시행되고 있다. 수술과 방사선 요법은 고형암을 대상으로 시행되는 요법으로 종양의 크기를 줄이는 데는 효과적이지만, 잔여 세포나 전이 세포 때문에 재발 우려가 크다. 잔여 세포 및 전이 세포는 환자에게 항암제를 투여하는 화학 요법을 시행해 치료하지만, 전신에서 나타나는 심각한 부작용들로 인해 그 사용이 제한돼있다. 하지만 인체에는 암세포를 정상 세포로부터 분별하고 선택적으로 사멸을 유도할 수 있는 면역 체계가 있으며, 이를 이용한 항암 면역요법은 화학 요법에 비해 부작용이 적을 뿐만 아니라 환자의 생존율도 높인다. 특히, 항암 면역요법 중 자연 살해 세포를 이용한 치료는 부작용이 낮고, 혈액암에서 더 효과가 좋다. 하지만 개별 세포로 혈액을 떠다니는 혈액암 세포와 달리, 고형암에서는 암 조직 주변을 둘러싸고 있는 세포 외 기질로 인해 자연 살해 세포의 침투력이 낮아져 치료 효과가 낮아 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다. 연구팀은 자연 살해 세포가 암세포의 사멸을 유도하기 위해 자연 살해 세포-암세포의 경계면에서 면역 시냅스를 형성한 후 낮은 산성도를 가지는 과립을 방출한다는 점에 착안해, 면역 시냅스 부근에서 산성도가 급격히 감소할 것이라는 가설을 세웠다. 이 가설을 기반으로 자연 살해 세포 표면에 낮은 산성도에 감응하여 항암제를 방출할 수 있는 고분자 마이셀*1을 탑재한다면 자연 살해 세포가 암세포를 인식하는 능력을 이용해 암세포에서 선택적으로 항암제를 방출하는 시스템이 구현 가능할 것으로 판단했다. 또한, 항암제는 암 조직 주변의 밀집된 세포 외 기질을 통과해 종양 심부로 들어갈 만큼 충분히 작은 크기를 가지고 있으므로 종양 심부의 암세포까지 사멸을 유도할 수 있을 것이라 기대했다. 연구팀은 고형암 치료에서 치료 효과는 낮고, 부작용은 높은 문제를 극복하기 위해 자연 살해 세포 치료법과 화학 요법을 융합했다. 자연 살해 세포가 암세포를 인식하고 사멸을 유도할 때에만 항암제를 방출할 수 있는 시스템을 구현한 것이다. 또한, 공초점 형광 현미경을 이용한 동영상 촬영을 통해 자연 살해 세포-암세포 사이에 형성된 면역 시냅스에서 산성도가 낮아지는 것과 ReNK*2시스템이 선택적으로 항암제를 방출한다는 것을 확인했다. 뿐만 아니라 고형암이 있는 동물모델에서 ReNK를 이용해 항암제를 전달했을 때 암 조직으로의 전달 효율이 현격히 증가하는 것을 확인했다. 교신저자로 연구를 주도한 김원종 교수는 “이번 연구는 자연 살해 세포를 이용한 세포 치료제의 고질적인 문제점이었던 고형암에서의 치료 효과를 높일 수 있는 전략을 개발했다는 데 그 의의가 있다”며, “이 방법은 간단한 공정으로 어떠한 세포에도 적용할 수 있어, 현재 시판되거나 임상 시험 중인 치료법에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 중견연구사업, 바이오의료기술개발사업, ㈜지아이셀 산학연구과제의 지원으로 수행됐으며, 연구와 관련된 특허는 ㈜지아이셀에 기술이전 했다. 1. 고분자 마이셀(micelle) 친수성-소수성으로 이루어진 고분자로 형성된 나노입자 2. ReNK 산성도에 감응하는 고분자 마이셀을 탑재한 자연 살해 세포

POSTECH, 코로나19 진단에서 치료까지 과학기술로 극복한다

신종 코로나바이러스감염증(COVID-19·코로나19) 확진자 수가 전 세계적으로 급증하는 세계적 대유행을 겪고 있다. 3월 31일을 기준으로 전 세계 확진자가 76만 명, 사망자만 3만 6천명을 넘어섰다. 이런 가운데 코로나19 팬데믹(Pandemic)을 극복하기 위한 POSTECH 연구자들의 대응 노력도 한발 앞서 공개되고 있다. ◆ 생명과학과 장승기 교수팀, 신종 바이러스 ‘6시간 → 15분’ 신속하고 정확한 진단기술 개발 역사적으로 가장 악명 높은 팬데믹은 중세 유럽 인구 1/3의 생명을 앗아간 흑사병이다. 1918년 스페인독감, 1957년 아시아독감, 1968년 홍콩독감, 2009년 신종플루로 불린 인플루엔자 A(H1N1)에 이어 11년 만에 세계보건기구(WHO)가 코로나19에 대한 팬데믹을 선언했다. 감염병은 무엇보다 빠른 진단을 통해 감염자를 찾아내 전파를 초기에 막아내는 것이 중요하다. 지금까지 개발된 바이러스 진단검사법은 크게 분자진단법과 항원/항체법 그리고 세포배양법으로 구분된다. 현재 우리나라가 활용하고 있는 진단법은 분자진단법으로 높은 민감도(sensitivity)가 특징이다. 하지만 분석 시 검체를 전문 분석기관에 보내야 하고, 약 6시간의 시간이 소요된다. 비용도 상대적으로 높다. 세포배양법은 분석기간에 2~4주가 소요돼 현재 코로나19와 같은 대용량 바이러스 검사에는 부적합하다. 항원/항체를 이용한 코로나19 바이러스 진단법은 개발되지 않은 상태다. 즉, 실시간으로 검사할 수 있는 기술은 아직 없는 상태다. 이 가운데 진단속도를 한층 더 빠르게 끌어올릴 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH 장승기 교수팀은 ㈜압타머사이언스와 함께 분자집게(molecular capture)의 일종인 ‘압타머’를 이용해 현장에서 15분 만에 인플루엔자 바이러스 감염 여부를 판단할 수 있는 진단기술을 개발했다. 압타머는 높은 특이도(specificity)와 결합력(affinity)을 갖고 있어 저분자 화합물부터 단백질과 같이 복잡한 고분자 화합물까지 다양한 표적에 결합이 가능하다. 이렇게 표적 단백질(HA)의 서로 다른 부위에 결합하는 압타머 쌍을 이용하여 임신 진단키트처럼 색깔의 변화만으로 바이러스 감염 여부를 진단할 수 있는 진단키트를 개발하는 데 성공했다. 이 진단키트를 이용하면 코로나19와 같은 신종 바이러스에도 적용할 수 있을 뿐 아니라 감염 여부를 확인하는 시간을 6시간에서 15분으로 줄일 수 있다. 또, 발굴한 압타머들이 코로나 바이러스의 외피 단백질에 결합하면 건강한 세포에 감염되는 것을 막을 수 있는데, 이를 활용하면 치료제로 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 코로나19는 물론 사스(SARS), 메르스(MERS)와 같은 신종 바이러스에 대한 진단 및 치료제를 빠르게 개발할 수 있는 플랫폼 구축을 목표로 연구개발에 속도를 높이고 있다. ◆ 생명과학과 황인환 교수팀, 식물에서 코로나-19 바이러스 항원 생산방법을 찾다 코로나19 백신 개발 및 신속한 진단을 위해 바이러스에서 항원 단백질을 추출하는 것이 아니라 식물에서 바이러스 항원을 생산할 수 있는 방법도 개발됐다. POSTECH 황인환 교수팀과 그린백신 기술을 보유하고 있는 바이오앱(대표 손은주 / POSTECH 시스템생명공학부 교수)은 코로나19 항원을 신속하게 대량 생산할 수 있는 시스템 구축에 성공했다. 백신과 진단키트를 개발 및 생산하기 위해서는 바이러스의 항원 단백질이 필요하다. 항원 단백질을 추출하기 위해선 바이러스를 배양 및 증식시켜 활용해야 하는데, 환경의 제약이 많고 전염의 위험성이 존재한다. 코로나19의 항원 부위는 당단백(glycoprotein)으로 이뤄졌다. 이 특성을 고려해 그린백신 플랫폼을 이용하면 세균 등을 이용하는 기존 기술에 비해 정확도가 높은 진단키트와 백신을 개발할 수 있다. 특히 이 기술은 식물세포 발현 시스템을 통해 바이러스의 항원 단백질만을 신속하게 대량으로 생산할 수 있다. 연구팀은 협력을 원하는 국내외 진단키트 개발 업체에 고품질 항원을 공급할 것이라한다. 코로나19 그린백신 개발에도 총력을 기울이고 있다. 이미 식물에서 생산한 항원을 이용하여 실험용 쥐(mouse)를 대상으로 동물실험을 진행 중이며, 코로나19 그린백신을 개발하고자 산학연 컨소시엄을 구성 중에 있으며 치료제 개발도 진행 중이다. ◆ 융합생명공학부 성영철 & 이승우 교수, 코로나19 종식을 위해 ‘GX-19’ 백신 개발 가속화한다 전문가들은 코로나19가 굉장히 높은 전파력을 보이고 있기 때문에 단시간에 종식시키거나 퇴치하는 것은 어렵고 장기적으로 유행할 것으로 보고 있다. 한편에서는 걸릴 사람은 웬만큼(전 세계 인구의 60% 이상) 걸려 자가면역력이 생기거나 아주 효과적인 백신이 나와야 유행이 종료된다고 보고 있다. 이에 따라 국내외에서 코로나 치료제와 백신 개발이 활발하게 진행되고 있다. 국내에서는 먼저 POSTECH과 제넥신, 카이스트(KAIST), 국제백신연구소, 바이넥스, 제넨바이오 등 6개 기관을 주축으로 코로나19 예방을 위한 DNA 백신 ‘GX-19’를 개발하기 위해 산·학·연 컨소시엄이 꾸려졌다. DNA 백신 GX-19는 바이러스 항원을 만들어 낼 수 있는 유전자를 인체에 투여해 면역반응을 유도하는 백신이다. 독성을 약화한 바이러스를 몸에 주입해 바이러스에 맞설 항체를 만드는 기존 백신과 비교해 상대적으로 안전하며, 개발 기간이 짧은 점이 장점이다. 이를테면 코로나19 바이러스 표면에 있는 단백질을 만들어내도록 재조합한 DNA를 인체에 주입하면, 인체는 바이러스가 들어왔다고 착각해 면역반응을 일으켜 항체를 만들어낸다. 이렇게 만들어진 항체는 코로나19 바이러스 감염으로부터 인체를 보호하게 되는 것이다. 성영철 교수가 대표로 있는 제넥신은 DNA 백신 기반 기술과 노하우를 보유하고 있어 컨소시엄의 전 과정을 주도하기로 했다. 컨소시엄은 바이러스와 면역학, 바이오의약품 생산 등 각 분야의 전문성을 바탕으로 코로나19 예방에 쓸 수 있는 백신 개발에 협력할 방침이다. 한편, POSTECH은 동물 모델의 세포면역학 연구 분야의 최고 전문가로 꼽히는 이승우 교수를 중심으로 마우스 모델에서 GX-19의 면역분석실험을 수행할 예정이다. 이번 컨소시엄은 빠르면 오는 6월 초 식약처에 IND(임상시험계획 승인신청)을 제출할 예정이고 승인될 경우 7월부터 임상이 개시된다. ◆ 창의IT융합공학과 박주홍 교수팀, 전 세계인이 동참하는 ‘확진자 셀프 경로지도’ 운영 치료제 개발이 이뤄진다고 하더라도 팬데믹을 멈출 방법은 추가적인 감염자를 발생시키지 않는 것이다. 이것은 단 한 지역, 한 국가만 이뤄진다고 해서 저절로 일어나는 일이 아니다. 전 세계적인 협력과 동참만이 이 위기를 극복하는 힘이다. 우리나라의 경우에 철저하게 확진자의 이동 경로를 파악해 공개하고 있지만, 다른 나라에서는 확진자 수만 알 수 있을 뿐 이동 경로를 공개하지 않아 확진자의 감염경로를 확인하기 어렵고, 동선이 겹치는 사람들도 이를 알기 어렵다. 확진자의 검사결과나 경로 확인이 바로 이루어지지 않는 데다 확진 이후의 정보만 공개해 실시간 감염경로와 다소 차이가 있을 수 있다. 박주홍 교수팀은 이러한 정보의 오차 문제를 해결하기 위해 전 세계인이 정보를 공유할 수 있도록 확진자가 익명으로 참여하는 셀프 경로지도 프로젝트인 ‘COVID: Share to Survive(코로나19: 공유를 통한 생존)’를 운영한다. 해당 웹사이트는 실시간 감염 확산 방지를 위해 만들어졌으며, 의심 증상이 있어 검사를 받거나, 코로나19 확진 판정을 받은 개개인들이 익명으로 직접 지도에 자기 증상과 이동 경로를 공개할 수 있다. 박 교수는 웹사이트 안내 글에서 “대한의사협회에 따르면 환자가 본인이 환자인지 정확히 인지하지 못하는 시기에 오히려 감염력이 높아 상당수의 집담감염이 이 시기를 통해 확산된다”며 “공식 확진자 이동 경로는 작성 및 발표에 많은 시간과 노력이 필요하며, 많은 경우 방역 완료 후 발표해 이를 참조하여 감염을 방지하기에는 비효과적”이라고 설명했다. 이어 “감염경로를 차단하기 위해 자발적으로 감염 위험 장소들을 공유해 지역 내 코로나 확산을 방지할 수 있는 대안을 제시하려고 한다”며 “비록 코로나19 확진 자가 아니더라도 본인에게 코로나19 관련 증상이 조금이라도 있다면 웹사이트에 주의해야 할 위치를 공유해 주길 부탁한다”고 요청했다. 아울러 박 교수는 “(해당 웹사이트 운영이) 의도치 않은 부작용이 예상될 수 있어 운영측은 사용자를 알 수 있는 어떠한 정보도 모으거나 사용하지 않는다”라며 “참여자의 선의와 이 사회에 대한 서로 간의 존중 그리고 믿음으로 이 어려움을 다함께 이겨낼 수 있을 거라 믿는다”라고 덧붙였다. 프로젝트는 우리말과 영어, 중국어, 일본어, 이탈리아어 등 9개 국가의 언어로 번역, 공개되어 있으며, 위치 정보는 실시간으로 공개된 뒤 바이러스 반감기(7일)와 유사하게 사라지도록 설계되어 있다. 에볼라를 힘들게 겪었던 아프리카 지역에서 협조요청이 들어와 제 3세계 국가에서 사용할 수 있도록 현지화 작업을 진행 중이다. 연구팀은 해당 데이터를 통해, 익명으로 공유한 데이터가 실제로 감염 차단으로 이어질 수 있는지에 대한 연구 및 오류 데이터를 인식할 수 있는 인공지능도 개발할 예정이다. 프로젝트가 발표된 같은 날 유발 하라리는 파이낸셜 타임스 기고문 ”코로나바이러스 이후의 세상”에서 인류는 현시대의 가장 큰 위기를 겪고 있다면서 이 위기를 극복하기 위해서는 중앙집중식 감시와 가혹한 처벌이 아니라 스스로 동기부여가 되고 정보화될 수 있는 시민들의 협력이 가장 효과적이고 강력한 대책이 될 수 있다고 설명했다. 하라리는 사람들이 비누로 손을 씻는 이유는 경찰을 통한 처벌에 따른 두려움이 아니라 비누가 바이러스를 제거한다는 사실을 이해해서라고 썼듯이, 이 프로젝트가 무증상 또는 의심증상자들도 감염을 시킬 수 있다는 사실을 시민들이 이해하고 매일 매일 비누를 사용하듯이 활용되었으면 한다고 박 교수는 설명했다. 한편, 셀프경로지도는 확진자나 유증상자의 실시간 참여로 정보가 등록되는 것이어서 질병관리본부의 공식적인 발표보다 앞서 확산 상황을 알 수 있다. 일례로 서울아산병원의 경우 코호트 격리 시행보다 하루 앞선 3월 31일에 위치정보가 공유됐다. POSTECH은 “우리나라와 인류사회 발전에 절실히 필요한 과학과 기술의 심오한 이론과 광범위한 응용방법을 깊이 연구하고 (중략) 이를 전파함으로써 사회와 인류에 봉사함”을 건학이념으로 삼고 있다. 그 어느 때보다 POSTECH의 연구가 결실을 맺어 빛을 발하기를 기대한다.

화공 박태호 교수팀, 유기태양전지 치명적 단점 해결할 답 ‘저분자’에서 찾다

- KRICT-POSTECH 공동연구팀, 저분자 유기태양전지의 고질적 상분리 문제 해결 - 저분자 유기태양전지 ‘세계 최고 충전율 달성’...넓은 면적·긴 수명 가능해져 유기태양전지는 플라스틱과 같은 유기물을 이용해서 빛을 전기로 전환하는 태양전지를 의미한다. 하지만 유기태양전지의 본격적인 상용화를 가로막는 치명적인 단점이 바로 낮은 변환 효율과 안정성이다. 최근 POSTECH은 한국화학연구원(KRICT, 원장 이미혜)와 공동연구로 유기태양전지의 낮은 변환효율과 짧은 수명 불안정성을 해결할 수 있는 해답을 분자량이 적은 ‘저분자’에서 찾았다. 화학공학과 박태호 교수, 통합과정 류승운 씨, 박사과정 김홍일 씨 팀은 한국화학연구원(KRICT) 이종철 박사, 송창은 박사팀과의 공동연구를 통해 고성능 유기태양전지의 핵심 소재인 신규 광흡수층 물질에 할로젠 원소*1를 적용함으로써, 태양전지의 효율을 떨어뜨리고 안정성을 감소시키는 것으로 지적되어온 광흡수층의 상분리 문제를 개선하는 데 성공했다. 이 논문은 에너지 분야에서 권위 있는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 최신 온라인판에 게재돼 주목받고 있다. 최근 유기태양전지 분야에서 광흡수층으로 사용하는 저분자 물질들은 고분자 물질들에 비해 간단한 합성 방법으로 공정 단가를 절약할 수 있을 뿐 아니라 고분자 물질이 가진 고질적인 문제인, 합성배치마다 광전기적 특성이 달라지는 문제를 해결하기 위한 수단으로써 관심을 끌고 있다. 그러나 저분자 유기태양전지는 고분자 소자에 비해 광흡수층의 상분리 현상으로 인해 효율이 감소하고, 안정성이 저하되는 치명적인 문제점들이 있다. 이에 연구팀은 할로젠 원소를 도입하여 신규 저분자 물질을 개발해 쌍극자 모멘트(dipole moment)*2 세기 변화를 유도했다. 쌍극자 모멘트의 세기 변화를 통해 억셉터 물질로 사용된 풀러렌 분자와의 상호작용을 유도하여 풀러렌 분자끼리 뭉치는 현상을 완화시켰고, 심각한 상분리 문제를 개선하여 유기태양전지 광전변환효율을 높이고, 안정성을 향상시켰다. 연구팀은 최적화된 모폴로지*3가 첨가제 없이 10.5%의 높은 전력변환효율을 나타내며, 저분자 기반 태양전지에서 78.0%의 충전율을 보이는 것을 확인했다. 또한, 상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지*4에 적용했을 때 최대 15.1%의 초고효율을 나타내는 것을 확인했다. 이는 지금까지 보고된 저분자 기반 태양전지의 최고 충전율 76.9%, 최고효율 15%보다 높은 수치이다. 연구팀은 할로젠 원자 중에서 특히 염소 원자가 적절한 분자 간 상호작용을 유도하고 벌크이종접합 모폴로지를 제어를 가능하게 하는 것을 확인함으로써 ‘고성능 저분자 태양전지’의 가능성을 제시했다. 연구를 주도한 박태호 교수는 “이 연구를 통해 화학첨가제 없이 저분자 유기태양전지의 세계 최고 충전율을 달성했으며, 탠덤형 태양전지에 적용하여 효율을 극대화했다”며 “신규 저분자 기반 광흡수 물질 개발의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 더 넓은 면적, 더 긴 수명의 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 전망했다. 한편 이 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부가 추진하는 글로벌 프런티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다. 1. 할로젠(halogen) 원소 주기율표 17족 원소로 플루오린(F)·염소(Cl)·브로민(Br)·아이오딘(I)·아스타틴(At)을 모두 일컫는다. 비금속 원소이며 전자를 얻기 쉬워 강력한 산화 작용을 나타낸다. 2. 쌍극자 모멘트(dipole moment) 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)라고도 불린다. 양전하와 음전하가 분리된 정도를 나타내는 벡터값으로 그 크기는 양전하의 크기와 양ㆍ음전하 사이의 거리와의 곱과 같으며, 그 방향은 보통 음전하에서 양전하로 향한다. 3. 모폴로지(morphology) 형태학으로 어떤 형체를 다루는 것을 의미한다. 4. 탠덤 태양전지 광 흡수 특성이 서로 다른 유·무기 반도체 소재를 연속으로 적층해 광전 변환 효율을 최대로 끌어올린 태양전지를 말한다.