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신소재 조문호 교수팀, 원자 두께 ‘멤브레인 반도체’ 세계 최초로 3차원 구현

[원자층 반도체에 균일한 돌기 만들어...양자컴퓨터‘큐빗’소자 가능성 모색] 거북선의 지붕처럼 오돌토돌 정교한 가시가 돋친 새로운 구조의 반도체 소자가 개발됐다. 신소재 조문호 교수 (기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 부연구단장 / POSTECH 무은재 석좌교수) 연구팀은 원자 두께 반도체 표면에 돌기가 돋은 형태의 신소재를 개발했다. 향후 양자컴퓨터의 메모리소자로 활용될 가능성이 기대된다. 두께가 거의 없는 2차원 반도체는 투명하고 전기전도도가 높아 차세대 초소형·저전력 전자기술의 후보로 꼽힌다. 2차원 반도체를 실리콘 기판에서 분리하면 유연한 막이 되는데 이를‘멤브레인(membrane) 반도체*1’라고 부른다. 더욱이 2차원 반도체를 접거나 구부려 입체감을 부여할 경우 기존과는 다른 독특한 성질이 나타난다. 하지만 지금까지 2차원 반도체의 균일한 대(大)면적 합성은 평면 형태로만 가능했다. 극도로 얇은 두께로 인해 굴곡 부분이 찢어지거나 구겨져 불완전했기 때문이다. 연구진은 멤브레인 반도체를 입체 구조로 만들기 위한 연구를 진행했다. 우선 10 nm (나노미터․1nm는 10억 분의 1m) 크기의 바늘모양 돌기들이 규칙적으로 정렬된 지름 4인치 크기 기판을 제작했다. 그 위에 유기금속화학증착법*2을 이용해 24시간가량 천천히 이황화몰리브덴(MoS2)을 증착시켰다. 그 결과 몰리브덴(Mo) 원자 1개와 황(S) 원자 2개가 정확히 층을 이루어 균일한 두께로, 기판 위에 대면적 멤브레인 반도체를 만드는 데 성공했다. 2차원 반도체의 X-Y축 평면에 Z축 성분인 돌기를 더해 3차원이 된 것인데, 이는 세계 최초의 3차원 원자층 반도체다. 원자층 반도체에 3차원으로 기하적 변형을 가하면 새로운 기능을 부여할 수 있어 효용이 크다. 연구진은 개발한 3차원 멤브레인 반도체를 양자컴퓨터 기술로 발전시킬 가능성을 탐색하고 있다. 반도체에 굴곡을 가하면 단일 광자*3가 나오는 것으로 알려져 있는데, 단일 광자는 양자컴퓨터의 정보 저장 단위인 큐빗(qubit)*4의 후보 중 하나다. 광자의 성질에 따라 양자 정보를 담을 수 있기 때문이다. 개발된 반도체는 접착메모지처럼 간단히 떼었다 붙였다 할 수 있는 것도 장점이다. 보통 증착 방식으로 만든 반도체는 실리콘 기판과 강한 결합을 이루고 있기 때문에 산성약품을 이용해 떼어내는 것이 일반적이다. 하지만, 연구진이 사용한 이황화몰리브덴(MoS2)은 기판과 약하게 결합하기 때문에 간단히 물에 담가 기판에서 떼어낼 수 있다. 떼어낸 멤브레인 반도체는 새로운 기판이나 플라스틱, 인체 피부 등 다양한 표면에 붙일 수 있다. 교신저자인 조문호 부연구단장은 “구조적으로 변형이 일어난 반도체에서 단일 광자가 나온다는 보고가 있었지만, 어디서 어떻게 나오는지에 대해서는 알려진 바 없다”며 “개발한 멤브레인 반도체는 광자가 나오는 지점을 조절하는 연구에 쓰일 수 있어 향후 양자컴퓨팅 소자 기술로도 연결될 수 있다”고 말했다. 이번 연구성과는 세계적인 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)지에 7월 27일 새벽 3시(한국시간) 온라인 게재됐다. 1. 멤브레인 반도체 2차원 반도체가 기판에서 분리된 상태의 막(membrane)처럼 얇고 유연한 반도체를 가리킨다. 2. 유기금속화학증착법 진공 상태에서 기판을 넣고 증기압이 높은 유기 금속 화합물의 증기들의 화학 반응을 이용하는 박막 형성법. 고품위의 박막을 대량 생산할 수 있는 방법이다. 3. 단일 광자 방출 물질이 빛을 받아 높은 에너지상태에 도달했다가, 다시 안정되면서 특성이 동일한 광자들을 방출하는 현상을 말한다. 4. 큐빗 양자컴퓨터에서 정보의 기본 단위.

기계・화공 노준석 교수팀, AI가 자연에 없는 ‘투명망토’ 물질 설계한다

[딥러닝 활용한 메타물질 설계법 개발] SF소설이나 게임 등에 자주 등장하는 ‘투명망토’ 물질로 알려진 메타물질은 사실 자연계에는 존재하지 않는 인공물질이다. 빛의 파장보다 작은 크기의 인공원자를 정밀하게 설계해 빛의 편광이나 회전을 조절, 자연계에 없는 새로운 광학 성질을 만들어내는 것이다. 문제는 원하는 특성의 물질을 만들기 위해서는 여러 번 설계하고 실패를 거듭하는 경험적 방식에 의존해왔다는 점이다. 시간도 오래 걸릴 뿐 아니라, 효율도 떨어질 수밖에 없다. 이러한 문제 해결에 인공지능(AI)이 활용될 전망이다. 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수와 석박사통합과정 소순애‧문정호씨 팀은 딥러닝*1을 활용, 임의로 새로운 구조체를 설계하는 방법과 재료를 선택할 수 있도록 하는 자유도 높은 설계법을 개발, 나노 및 광학분야 학술지 ACS 어플라이드 머터리얼스 앤 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces), 나노포토닉스(Nanophotonics), 마이크로시스템 & 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering), 옵틱스 익스프레스 (Optics Express), 싸이언티픽 리포트 (Scientific Reports)에 5편의 논문을 한달 사이에 잇달아 발표해 학계의 큰 주목을 받고 있다. 메타물질은 설계에 따라 그 성질이 크게 달라지기 때문에, 직관에 기반하여 설계, 제작, 실험을 통해 시행착오를 반복하는 설계방식에 많은 문제가 제기되어 왔다. 그러나 IT 기술의 발전으로 데이터를 기반으로 하는 인공지능을 여기에 활용하는 방식이 제안됐다. 다양한 메타물질의 설계 방법, 광특성의 상관관계를 인공지능에 학습시키고, 이를 통해 연구자가 원하는 광특성을 갖는 설계법을 제공하는 방식으로 한 번만 학습시키면 원하는 설계법을 빠르게 제공할 수 있어 효율성이 크게 올라간다. 이미 미국 MIT나 스탠퍼드대, 조지아공대에서도 이를 이용한 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존 연구는 메타물질 구조체의 물질과 그 모양을 사전에 설정해두고 구조를 조정하는 수준에 그쳤다. 노 교수팀은 인공지능이 임의로 구조체 설계를 하도록 유도했고, 물질의 종류를 분류해 하나의 설계요소로 추가함으로써, 필요한 광특성에 적절한 물질 종류까지 설계할 수 있도록 해 자유도를 크게 높였다. 이 방식을 이용해 설계된 메타물질을 광학 수치 해석을 한 결과, 인공 신경망*2에 입력했던 광특성과 일치하는 특성을 가진 것으로 확인됐다. 광학 이론과 메타물질 설계 제작을 진행해 다양한 연구성과를 발표해온 연구팀은 인공지능을 도입하기 위해, 딥러닝에 필수적으로 여겨지는 프로그래밍 언어 ‘파이썬(Python)’을 MOOC으로 별도로 공부하는 등 전공분야를 넘어서는 노력을 기울였던 것으로 알려졌다. 이번 연구성과로 메타물질의 설계에 걸리는 시간을 더욱 단축할 수 있게 됐을 뿐 아니라, 경험적 설계에 국한되지 않아 더욱 다양하고 새로운 메타물질을 설계할 수 있다. 메타물질은 디스플레이나 보안, 군사기술 등 활용도가 높은 반면, 아직까지 개발단계에 머물러 있어 인공지능의 도입은 메타물질 기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “이번 연구는 설계 자유도를 크게 높이는데 성공했지만, 사용자가 초기에 문제 설정을 어느 정도 해야 하고, 엉뚱한 디자인이 나와 제작이 불가능한 경우도 종종 존재하는 한계가 있다”고 설명하고, “인공지능을 활용한 완전한 메타물질 설계법을 개발하는데 도전하고 나노공정을 이용하여 제작을 고려한 설계 검토를 학습 시켜 획기적이면서도 실현 가능한 메타물질을 만들고 싶다”고 향후 계획을 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 이공기초연구사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌프론티어사업, 선도연구센터사업 및 글로벌박사 양성사업의 지원으로 수행됐다. 1. 딥러닝(Deep-learning) 비선형 변환 기법의 조합을 이용해 다양한 데이터 사이에 상관 관계를 축출하거나 맵핑 (mapping) 함으로써 컴퓨터가 학습할 수 있도록 하는 인공 지능 알고리즘 2. 인공신경망 (Artificial Neural Network) 생물학적 동물의 신경망 (Neural network)에서 영감을 얻은 통계학적 학습 알고리즘으로, 인공 신경망을 구성하는 인공 시냅스와 인공 뉴런이 데이터의 인풋과 아웃풋의 상관 관계를 구성하는 적절한 세기로 최적화된다.

[POSTECH의 연구성과] 환경 국종성 교수팀, 식물성 플랑크톤에서 북극 온난화 원인 찾다

바닷속에 살고 있는 식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 대기중 이산화탄소를 흡수, 저장하는 중요한 역할을 한다. 그런데 지구 온난화로 해빙이 녹을 경우, 오히려 식물성 플랑크톤이 온난화를 가속화시킬 수 있다고 한다. 어떻게 된 일일까. 식물성 플랑크톤의 두 얼굴! 식물성 플랑크톤은 물고기의 먹이로, 해양 생태계를 유지하는 데 중요하다. 또 광합성으로 대기 중 이산화탄소를 흡수하는 역할도 한다. 그런데 2015년 4월, 국종성 환경공학부 교수와 독일 막스플랑크 기상학연구소, 한국해양과학기술원 공동연구팀은 식물성 플랑크톤이 오히려 지구 온난화를 부추길 수 있다는 연구 결과를 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 발표했다. 북극의 해빙은 여름에는 녹았다가 겨울이 되면 다시 얼어붙기를 반복한다. 얼음은 태양복사에너지를 반사하지만, 얼음이 녹은 부분의 바닷물은 이 에너지를 흡수해 수온이 올라간다. 일단 해빙이 한 번 녹으면 햇빛을 반사하는 양은 줄어들고 바닷물이 따뜻해지면서 얼음이 더 빠르게 녹는다. 만약 해빙이 녹는 속도가 정상적인 범위를 벗어난다면, 전지구적인 기후 역시 급속도로 변하고 기상이변도 자주 일어나게 된다. 연구팀은 해빙이 녹으면 태양복사에너지가 물속으로 더많이 들어가 식물성 플랑크톤이 급증한다고 설명했다. 늘어난 식물성 플랑크톤은 열을 더욱 많이 흡수해, 수온이 더 높아지면서 해빙을 더 녹일 수 있다. 연구팀은 수치모형 실험을 통해 식물성 플랑크톤이 북극 온난화를 20%까지 증폭시킬수 있다는 것을 확인했다. 국 교수팀의 연구 결과를 활용하면 최근 북극의 기후가 급격하게 변하고 있는 원인을 좀 더 정밀하게 분석할 수 있을 전망이다. 이외에도 태평양 근처 국가들의 기상이변과 지구 온난화에 영향을 미치는 엘니뇨 현상 등을 연구한 국 교수는 2015년 한국인 최초로 아시아태평양경제협력체(APEC) 과학상을 받았다. 북극 기후변화가 겨울 한파 불러온다. 한편 국 교수팀과 전남대 공동연구팀은 동아시아와 북아메리카에서 한파가 잦아진 이유가 북극 온난화 때문임을 밝혔다. 연구팀은 2016년, 북극해 지역인 바렌츠-카라해 지역과 동시베리아-척치해 지역에서 해빙이 줄어들면서 기온이 급증한 현상에 주목했다. 이 두 지역의 기온이 올라가면서 남동쪽에 대규모 고기압 순환을 유도해 북극의 차가운 공기가 동아시아와 북아메리카까지 내려온 것이다. 북극 지역의 기후변화가 우리나라 기후에도 영향을 미칠 수 있는 셈이다. 이 연구 결과는 또 겨울철 한파를 장기적으로 예측하는 데에도 활용될 전망이다. “새로운 도전에서 오는 짜릿함” 국종성 교수는 “기나긴 세월 동안 한 분야를 꾸준히 연구하려면 무엇보다도 즐겨야 한다”며 “과학자는 스스로 새로운 것에 도전하고 답을 찾아 남에게 알리는 직업”이라고 말했다. 또, “스스로 가설을 세우고, 자료 분석이나 수치 모형을 통해 이를 증명하면서, 처음 생각한 가설이 맞다는 사실을 확인할 때 짜릿함을 느낀다”며 “앞으로도 지금처럼 연구를 즐겁게 할 것”이라고 덧붙였다.

환경 최원용 교수 공동연구팀, ‘철든’얼음에서 찾아낸 지구온난화 해결의 실마리

[온실가스 흡수하는 극지방 미세조류 번성과정 규명] POSTECH과 극지연구소 (소장 윤호일)는 극지방의 얼음에서 일어나는 화학반응에 의해 지구온난화의 속도가 늦춰질 수 있다는 연구결과를 발표했다. 바다에 사는 미세조류는 대표적 온실가스인 이산화탄소를 흡수하여 지구온난화를 완화하는 역할을 하는데, 극지방의 얼음에서 미세조류의 성장을 돕는 철 이온이 방출되는 현상을 발견한 것이다. 남극과 일부 북극의 바다는 영양분이 충분하지만 이산화탄소를 사용해 에너지를 만드는 미세조류의 생산력은 떨어지는 것으로 알려져 있으며, 철 이온은 극지방 바다에서 미세조류의 생산 활동을 활성화시키고 더 많은 이산화탄소를 잡아두는 역할을 한다. 자연계에 존재하는 철 성분은 대부분 산소와 결합된 산화철 형태로 미세조류의 활동에 직접적인 도움을 주지 못하지만, 극지방의 얼음에서는 산화철을 철 이온으로 바꾸는 화학반응이 일어나고 있다. 우리대학 동문인 극지연구소 김기태 박사 (제 1저자)와 환경공학부 최원용 교수 (교신저자) 연구팀은 과학기술연합대학원대학교 (UST), 한림대학교, 스페인 물리화학연구소 등과 함께 얼음이 얼어붙으면서 얼음 결정 주위에 특정 성분이 모이는 동결농축효과에서 원인을 찾아냈다. 동결농축효과는 ‘화학반응은 저온에서 느리다’는 이론과 반대되는 개념으로, 연구팀은 산화철 성분이 모인 고농도 영역에서 화학반응이 빠르게 일어나면서 철 이온이 방출되는 현상을 확인했다. 얼음결정 주위의 화학반응은 철 이온과 함께 요오드 가스를 생산하는데, 요오드 가스는 오존을 파괴하고 구름생성을 촉진하는 미세입자를 형성하기 때문에 지구온난화와 기후변화 연구에서 중요하다. 철 이온과 요오드 가스의 방출 실험 결과는 겨울철 국내의 야외와 남극세종과학기지 등 실제 자연 현장에서도 검증절차를 거쳤으며, 빛이 없을 때에도 얼음의 화학반응이 확인됨에 따라 고위도 지방의 극야 기간에 동일한 반응이 나타날 것으로 추정된다. 이번 연구 결과는 환경 분야 세계적인 권위의 학술지 Environmental Science & Technology (ACS)에 발표됐으며, 연구의 독창성 등을 인정받아 2019년 7월호 대표 표지논문(Front cover)으로 선정됐다. 김기태 극지연구소 선임연구원은 “눈으로 볼 수 없는 작은 영역에서 시작된 온실가스 저감 효과가 더 넓은 지역, 지구 전체에도 영향을 줄 수 있는지 밝히기 위해 연구를 확대해 나가겠다”고 말했다.

생명 김상욱 교수팀, 유전자 변이의 질병유발 확률 계산이 가능한 정밀의료기술 개발

[유전자변이 질병확률 예측] 생명과학과 김상욱 교수 연구팀이 유전자 변이로부터 질병확률을 예측할 수 있는 정밀의료 기술을 개발했다. 차세대 염기서열 해독법의 비약적인 발전과 함께 환자의 유전자 변이 정보를 바탕으로 한 정밀의료가 많은 관심을 받고 있음에 따라 유전자 변이의 질병 확률을 정확하게 계산 할 수 있는 생물정보학 기술 개발이 요구되고 있다. 연구팀은 단백질 서열의 공진화 정보(co-evolution)*1를 이용한 분자진화 분석과 기계학습을 이용한 인공지능 기술을 바탕으로 유전자 변이로부터 질병 확률을 예측 가능한 생물정보학 기술을 개발했다. 연구팀은 분자진화 분석을 통해 기존의 연구들에서 검출되지 못했던 변이들 중 환자의 생체 신호 전달 체계에 혼란을 주어 기능이상을 일으키는 질병 유발 유전자 변이를 검출해냈다. 이는 기존 기술에 대비하여 더 다양한 질병 유전자 변이를 검출 가능하게 하여 유전자서열분석기술의 질병예측 성능을 향상시켰다. 김상욱 교수는 “이 연구는 환자의 질병 진단 및 개인 맞춤 의료 등 다양한 정밀의료기술에 응용이 가능하다”라며, “개발된 기술은 대용량 유전체 분석에 기반을 둔 질병 예측과 치료제 개발 등의 맞춤형 의료 기술 개발의 발전에 효과적으로 적용 될 것으로 기대된다.” 라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 원천기술개발사업(포스트게놈다부처 유전체)의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 ‘뉴클레익 애시드 리서치(Nucleic Acids Research)’에 6월 14일 게재되었다. 1.단백질 서열 공진화 단백질 내 두 잔기에서 일어나는 상호 관계를 통한 진화적 변화

[POSTECH의 연구성과] 화학 김기문 교수팀, 구멍 숭숭 뚫린 초분자로 신약 만든다

분자의 세계에는 ‘왼손잡이’와 '오른손잡이‘가 있다. 그런데 왼손 분자는 병을 고치는 능력이 있지만, 오른손 분자는 오히려 심각한 부작용을 일으킨다. 약을 만들 때는 왼손과 오른손이 둘 다 생겨나는데, 이 중 필요한 것만 만드는 획기적인 방법이 없을까. ‘왼손잡이 분자’만 걸러낸다? 김기문 화학과 교수는 지난 2000년 5월, 분자계의 왼손과 오른손잡이, 즉 키랄 화합물에서 둘 중 하나만을 선택적으로 합성하는 다공성결정촉매를 세계 최초로 합성해 ‘네이처’에 발표했다. 키랄 화합물이란 오른손과 왼손처럼 마치 거울에 미친 듯이 서로 대칭되는 구조를 갖는 화합물(이성질체)이다. 분자를 구성하는 요소는 같지만 화학적인 특성이 전혀 다르다. 예를 들어 신경안정제인 탈리도마이드의 이성질체는 임산부가 먹으면 기형아를 만드는 부작용이 나타난다. 그래서 신약을 개발할 때 필요한 이성질체만 골라내는 일은 무척 중요하다. 김 교수팀이 개발한 ‘포스트원(POST-1)’은 벌집처럼 안쪽에 구멍이 많은 다공성물질이다. 구멍이 키랄 구조를 갖도록 만들면 원하는 키랄 화합물을 선택적으로 만들 수 있다. 특히 이 물질은 기존의 다른 촉매와 달리 몇 번이나 반복적으로 사용할 수 있다. 이제는 나노호박이다! 김 교수는 인공수용체인 쿠커비투릴의 새로운 동족체를 합성했다. 쿠커비투릴은 ‘나노호박’이라는 별명답게 나노미터(nm·10억분의 1m) 크기로 작은데다, 원자현미경으로 관찰하면 속이 비고 둥글넓적한 호박처럼 생겼다. 그래서 그 이름도 호박의 학명인 쿠커비타세(Cucurbitaceae)에서 따왔다. 김 교수가 발견한 7단위짜리 쿠커비투릴은 지름이 2nm, 높이가 1nm 정도다. 김 교수는 쿠커비투릴을 이용해 고분자 나노캡슐을 만들었다. 나노캡슐은 안에 약물을 담은 채 체내를 이동하면서 적절한 곳에 약물을 배달할 수 있다. 그는 쿠커비투릴을 메탄올용액에 넣었다가 뺀 뒤 자외선을 쪼여 공 모양으로 만들었다. 그리고 그 안에 약물을 넣어 나노캡슐로 활용하는 방법을 생각해냈다. 쿠커비투릴 나노캡슐의 표면에는 특정 항원과 반응하는 분자를 붙여 병을 진단할 수도 있다. 2010년 김 교수팀은 쿠커비투릴과 페로센 결합체를 이용해 세포막에서 단백질을 분리하는 데에도 성공했다. 세포막 단백질을 분석하면 특정 질병을 진단하고, 치료제를 개발할 수 있다. 김기문 교수는 “무기화학으로 박사학위를 딴 뒤 그전까지 하지 않았던 새로운 연구에 도전해보겠다는 생각을 했다. 노벨상 수상자인 양첸닝(C. N. Yang) 박사의 “새로운 분야에 뛰어들어라, 그 분야와 함께 성장하리라”는 말에 영감을 받아 초분자화학을 시작하게 됐다”고 말했다. 또, 김 교수는 “분자 간 상호작용을 이용해 분자집합체를 만들어 활용하는 학문인데, 처음에는 익숙한 분야가 아니라서 고생을 많이 했지만, 노력한끝에 좋은 결실을 얻고 있다”며, “과학자는 이 시대의 가장 중요한 문제가 무엇인지 생각하고, 해결하기 위해 노력해야 한다”고 강조했다.

화공 조길원-전자 정윤영 교수 공동연구팀, 어떤 상황에서도 정확하게 내 목소리 인식하는 ‘시리(Siri)’‘빅스비’ 패치형 센서

[피부 부착형 음성인식용 진동센서 개발] 사무실에서 대화하거나 회의하는 도중 갑자기 스마트폰의 음성비서 앱이 켜지며 대화를 반복하는 오류나, 시끄러운 카페에서 아무리 불러도 앱이 반응하지 않는 오류는 이제 흔한 해프닝이 됐다. 핸드폰 속에 들어 있는 마이크가 소음이나 방해물에 영향을 받기 때문이다. 화학공학과 조길원 교수‧박사과정 이시영 씨, 전자전기공학과 정윤영 교수팀은 기존의 마이크보다 훨씬 민감도가 높으면서도 목에 붙여 소음과 마스크 등의 방해물에 영향 받지 않는 음성인식 ‘피부 부착형 고성능 진동감지 유연센서’를 개발하는데 성공했다. 이 센서를 목에 붙이면, 아무리 시끄럽거나 목소리가 작고 마스크를 쓰더라도 피부의 진동을 통해 목소리를 정확하게 감지할 수 있게 된다. 기존 마이크의 경우 공기의 떨림을 통해 목소리를 인식하기 때문에 공명현상이나 감쇠효과로 인해 민감도가 떨어져, 목소리를 정성적으로만 인식할 수 있었다. 자연히 소음이나 방해물로 인해 인식 정확도가 떨어질 수밖에 없어 음성 보안 등에 활용하기에는 무리가 있었다. 연구팀은 일반적인 소리의 세기 범위(40~70dBSPL,) 안에서 소리의 세기는 성대의 진동 가속도와 비례해 증가한다는 사실을 밝혀내고, 이를 이용해 진동가속도를 활용한 진동센서를 제작했다. 마이크로미터(μm) 크기의 미세한 구멍이 새겨진 가교 고분자 진동판으로 구성된 이 센서는 피부를 통해 전해지는 진동가속도를 측정해 정량적으로 음성을 인식할 수 있다. 이 센서는 소음이 있는 환경, 목소리가 거의 들리지 않는 가스마스크를 착용한 상황에서도 목소리를 왜곡 없이 정확하게 감지할 수 있었다. 이 연구는 앞으로 음성을 인식할 수 있는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 성대 헬스케어 모니터링 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 조길원 교수는 “이 연구는 그간 정성적 해석에 그쳤던 목소리 인식 기술을 외부환경에 관계없이 목소리를 정량적으로 감지하고 분석할 수 있는 새로운 음성인식 시스템을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 연구의 의의를 설명했다. 한편 이번 연구성과는 과학기술정보통신부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈 18일자를 통해 발표됐다.

화학 박수진 교수팀, 배터리의 긴 수명 책임질 새로운 전극 소재 찾았다

[POSTECH-KAIST, 금속간 상태도에 따라 불규칙적 금속배열 갖는 금속물질 개발] 2017년 애플의 ‘아이폰 배터리 게이트’는 ‘배터리의 노화가 진행되면 휴대폰의 성능이 자동으로 저하된다’는 사실이 밝혀지면서 큰 문제가 됐던 사건이다. 이 논란은 스마트폰에 탑재되어 있는 리튬이온 배터리에 수명이 있으며, 배터리의 노화가 진행됨에 따라 충전 효율이 떨어지고 경우에 따라서는 교체가 필요하다는 것을 소비자에게 다시 한 번 각인시켰다. 이처럼 스마트폰이나 전기차 등에 사용되는 배터리의 수명을 책임지는 것은 음극으로, 충전과 방전이 반복되면서 음극의 부피가 바뀌고 이에 따라 배터리 사용시간이 줄어드는 것으로 알려져 있다. 화학과 박수진 교수팀과 KAIST(총장 신성철) 신소재공학과 김일두 교수팀은 배터리 음극 소재로 활용할 수 있는, 일차원 구조의 불규칙 배열을 가진 이종금속을 개발, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지를 통해 발표했다. 스마트폰 뿐만 아니라, 하이브리드, 전기차와 같은 친환경 자동차 시장이 점차 확대되면서 리튬이온 전지에 대한 수요도 크게 늘어나고 있다. 하지만 지금 상용화된 리튬이온 배터리의 경우 흑연을 음극으로 사용하는데, 흑연이 시간이 지나 팽창하는 성질을 가지고 있어 이를 고려해 배터리를 설계하다보면 배터리의 용량이 줄어들 수밖에 없다. 자동차 등에 활용되는 높은 용량의 배터리를 위해서는, 차세대 음극 소재에 대한 연구가 진행될 수밖에 없다. 실리콘이나 게르마늄을 활용한 음극 소재가 그 대안으로 개발되기는 했지만, 용량은 높일 수 있어도 전기전도도가 낮아 출력을 높일 수가 없어 전기자동차와 같은 큰 전지에는 적용할 수 없다는 문제가 있었다. 공동연구팀은 ‘원자 단위’로 눈을 돌렸다. 일반적으로 2종류 이상의 금속이 열반응을 거치면 특정 비율의 합금이 생겨나는데, 게르마늄과 아연을 열반응 시키면 특정 비율이 아니라 원자단위로 불규칙적인 배열의 합금으로 바뀌게 된다. 연구팀은 이 합금을 일차원적 구조로 합성시켜 리튬이온전지에 적용해 실시간 전자현미경으로 관찰한 결과, 이 일차원적 구조가 게르마늄 물질의 문제점으로 부각됐던 부피 팽창을 완화시켰을 뿐 아니라, 아연이 게르마늄 원자 사이사이에 들어가 전자의 이동속도를 높이며 출력을 높이는 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 박수진 교수는 “이번 연구는 단순한 금속간 불규칙적인 배열을 통해 전기화학적 특성을 더욱 높인 새로운 형태의 소재를 제안한 연구로서, 다양한 금속 조합을 통해 각 전지의 목적에 맞는 전극 소재 개발 가능성도 연 연구라 할 수 있다”고 평가했다. KAIST 김일두 교수 역시 “이번 연구에서 밝혀진 이중금속의 특이성과 금속 간 상태도를 활용해 여러 금속에 적용할 수 있을 뿐 아니라 전극 소재 외적으로 다양한 분야에 접목시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.

기계 김동성 교수팀, ‘온도’ 변화로 ‘세포시트’ 만드는 새로운 3차원 플랫폼 개발

[온도감응형 하이드로젤 기반 3차원 세포배양 플랫폼 개발] ‘세포시트 (cell sheet)’ 공학 기술은 세포배양 플랫폼에 세포를 시트(sheet)처럼 키운 후 ‘세포시트’만을 수확하여 손상부위에 이식하는 기술로, 재생의료기술 중에서도 외부물질 이식에 따른 면역반응이나 거부반응이 일어나지 않아 큰 관심을 모으고 있는 분야다. 기계공학과 김동성 교수, 박사과정 최이현 씨와 원광대 기계공학과 서경덕 교수 연구팀은 온도변화에 반응하는 특수 고분자, 폴리나이팜(PNIPAAm)을 3차원 형상으로 구현, 손상부위에 적합한 맞춤형 ‘세포시트’를 제작할 수 있는 온도감응형 3차원 세포배양 플랫폼을 개발했다. 온도감응형 고분자인 ‘폴리나이팜’은 세포친화적인 배양 환경을 제공할 수 있으며 특히 온도 변화에 따라 친수‧소수 특성 변화를 일으키는 물질이다. 기존에는 이러한 특성을 기반으로 폴리나이팜을 세포배양접시에 나노미터(nm) 수준으로 얇게 코팅하여, 세포 배양 후 온도 변화를 통해 ‘세포시트’를 수확해 왔지만, 세포별로 필요한 코팅 조건이 각자 달라 활용 범위가 제한됐다. 김 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 폴리나이팜 자체로 세포배양 플랫폼을 구현하는데 초점을 맞추어 연구를 진행했다. 그 결과 폴리나이팜의 함유량을 극대화하고 하이드로젤 자체의 탄성 계수를 기존 대비 1,500배 증가시킴으로써, 폴리나이팜으로만 이루어진 온도감응형 3차원 세포배양 플랫폼을 제작하는데 성공했다. 제안된 플랫폼은 온도 변화에 따라 표면 거칠기(roughness)가 극적으로 변화해 세포의 탈부착이 용이하며, 하나의 플랫폼 상에서 세포주(cell line)부터 1차 배양세포(primary cell)에 이르기까지 다양한 세포의 ‘세포시트’를 수확할 수 있다는 사실을 확인했다. 또, 이 3차원 플랫폼에는 다량의 영양분들이 함유되어 있어, 세포시트 제작에 소요되는 시간을 기존 평균 7일에서 3일로 단축시키고 세포시트 기능도 향상시킬 수 있었다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “이번 연구를 통하여 제안된 하이드로젤 기반의 온도감응형 3차원 세포배양 플랫폼은 모든 종류의 세포를 ‘세포시트’로 만들어 수확할 수 있어, 향후 재생의학 분야 특히 세포시트공학 기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편 생물소재 분야 국제학술지인 바이오머터리얼스 사이언스(Biomaterials Science)지의 표지논문을 통해 발표된 이번 연구성과는 한국연구재단 개인연구사업(중견연구), 바이오닉암 메카트로닉스 융합연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

화학 김원종 교수팀, 몸 속 일산화질소 잡아먹는 ‘류마티스 관절염 치료 나노젤’

[일산화질소 포집해 염증성질환 치료하는 나노젤 개발] 일산화질소는 몸 속에서 혈압 상승을 방지하거나, 동맥이 막히는 것을 방지하는 효과가 있지만, 한편으로는 전신 홍반 루푸스나 크론병은 물론, 류마티스 관절염과 같은 심각한 염증성 질환을 유발하는 ‘두 얼굴’을 가진 분자다. POSTECH 연구팀이 이 일산화질소를 잡아먹는 새로운 개념의 류마티스 관절염 치료제를 개발해 학계의 눈길을 모으고 있다. 화학과 김원종 교수‧통합과정 여지원, 이영미 박사 연구팀이 일산화질소에 감응하는 가교제를 이용, 몸 속 일산화질소를 포집하는 나노 크기의 하이드로젤을 개발, 동물실험에서 기존 치료제보다 우수한 효과를 확인했다고 밝혔다. 나노과학 분야 국제학술지인 나노레터스(Nano Letters) 온라인판을 통해 발표된 이 성과는 김 교수팀이 기존에 발표했던 일산화질소 감응 하이드로젤을 발전 시킨 것으로, 뛰어난 치료효과를 바탕으로 향후 임상 연구로의 발전도 기대되고 있다. 류마티스관절염은 일산화질소가 몸 속에서 과도하게 생성되어 유발되는 대표적인 질환으로 알려져 있다. 김 교수팀은 이 일산화질소를 포집, 체내 농도를 낮춤으로써 질환을 치료하는 새로운 치료법을 계속해 연구해왔다. 그 결과로, 2017년에는 일산화질소에 의해 끊어지는 가교제를 합성, 일산화질소에 감응하는 매크로 하이드로젤을 개발해 주목을 모았다. 이번 연구에서는 한 발 더 나아가, 일산화질소를 직접 포집해 소모하는 나노크기의 하이드로 젤을 개발하는데 성공했다. 단분자인 아크릴아마이드와 가교제 NOCCL의 중합을 통해 만들어진 이 젤은 유전자나 효소와 상호작용하도록 하는 기존 억제제와 달리 직접 일산화질소를 포집하는 형태로 부작용을 최소화했고, 류마티스 관절염 이외의 염증성 질환에도 광범위하게 적용할 수 있다는 장점이 있다. 생쥐를 이용한 동물실험에서도 실제 염증 억제제로 사용되고 있는 덱사메타손에 비교해 류마티스 관절염 발병을 더 효과적으로 억제시킬 수 있는 것으로 확인됐다. 연구를 주도한 김원종 교수는 “지금까지 일산화질소를 억제하는 약제들은 생체분자에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 인슐린 저항성, 심혈관 이상 등의 부작용을 야기할 수 있는 것으로 알려져 있었다”며 하지만 “이 나노젤은 일산화질소를 직접 포집한다는 새로운 전략으로, 효과적으로 류마티스 관절염을 치료했을 뿐 아니라 기존 약제의 부작용을 줄였다는 점에서 의의가 있다”고 설명했다. 한편, 이번 연구성과는 과학기술정보통신부, 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다.