Research

화공 김진곤 교수팀, 웨어러블 디바이스에 들어갈 고강도 젤 전해질 개발

[POSTECH · 서울시립대 연구팀 별모양 블록공중합체 기반 차세대 전해질 제조] 팔에 태블릿을 휘감고 다니고 몸에 부착된 카메라로 상황을 실시간 전달하는 모습, 이미 SF 영화 속에선 낯설지 않다. ‘PMC:더 벙커’ 등의 영화 속에 등장하는 유연한 플렉시블 디바이스나 옷이나 몸에 부착할 수 있는 작고 외형이 잘 변형되는 웨어러블 디바이스에는 유연하지만 강하고, 작으면서도 효율이 높은 배터리와 센서 등의 첨단 기술이 꼭 필요하다. 외형은 유연하지만 기계적인 외부 변형에 버틸 수 있도록 전기화학 소자에 들어가는 젤 전해질의 강도를 높이는 일은 필수적이다. 화학공학과 김진곤 교수, 박사과정 황희동 씨는 서울시립대학교 화학공학과 문홍철 교수 연구팀과 블록공중합체의 구조적 설계를 통해 별 모양으로 제조한 고분자 젤 전해질을 개발해 전기화학 소자의 기계적 강도를 획기적으로 향상하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 미국 화학학회가 발행하는 재료·화학 분야 국제 학술지인 ACS 응용 재료와 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)지 표지 논문을 통해 발표됐다. 배터리나 센서 등에 널리 사용되고 있는 물질인 전해질은 보통 액체로 많이 만들어져있다. 전기적 특성이 우수하지만, 액체라서 흐르거나 누액의 위험이 있기 때문에 젤 형태의 전해질에 대한 연구가 계속되고 있다. 하지만 젤 전해질의 경우 낮은 기계적 강도로 인해 외부 힘에 의해 쉽게 변형이 돼 플렉시블 혹은 웨어러블 전기화학 소자로 활용하기엔 제약이 있었다. 화학적 요소를 첨가해 기계적 강도를 높이는 방법이 있지만, 추가적인 공정이 필요하고 빛이나 자외선, 열에 취약한 전기화학 반응물을 사용할 수 없는 단점이 존재한다. 연구팀은 별 모양의 블록공중합체를 이용해 고분자 젤 전해질의 기계적 강도를 향상했다. 이렇게 개발된 전해질을 기반으로 전기화학 발광소자를 만들었는데 유연한 기판에서 수천 번 구부러트리는 변형에도 발광을 유지한다. 김진곤 교수는 “이번에 개발된 고강도 젤 전해질은 기계적 변형에 노출되어야 하는 웨어러블 전기화학 소자의 핵심 소재가 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한 편 본 연구성과는 과학기술정보통신부 창의적 연구 진흥사업, 기초연구사업(신진연구)의 지원으로 수행됐다.

화공 한정우 교수팀, 철과 니켈 합금으로 값싸고 성능 뛰어난 친환경 고체산화물 수전해전지 만든다

[실현가능성 있는 저비용·고성능 니켈 합금 촉매 제안] 이산화탄소 농도를 낮추는 것이 주요 연구 주제로 대두되는 요즘, 고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolyzer Cell)는 물과 이산화탄소를 친환경적으로 합성 연료로 전환할 수 있어 각광받고 있다. 수전해전지란 전기를 수소로 바꿔 저장해두고 이를 필요할 때 연료로 다시 발전할 수 있어 태양광·풍력발전 같은 신재생 에너지의 활용성을 크게 높일 수 있는 기술이다. 국내 연구팀이 이 전지의 효율을 획기적으로 높일 합금 촉매를 찾아냈다. 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 조아라 씨는 청정에너지를 만들고 저장하는 고체산화물 수전해전지의 촉매로 철이 가장 효율 높은 촉매가 될 수 있음을 이론적으로 밝혔다. 이와 함께 연구팀은 기존에 활용되던 니켈을 이용, 저비용·고성능의 니켈-철 합금 촉매를 제안했다. 이 연구는 화학 분야 국제학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)지 2월호 표지논문(supplementary cover)으로 선정됐다. 고체산화물 수전해전지는 물과 이산화탄소를 친환경적으로 합성 연료로 전환할 수 있어 청정에너지를 만들 수 있는 기술이다. 여기에 사용되는 것은 고온 동시 전기분해 기술인데, 기존 에너지 인프라를 그대로 사용해 남은 열과 전기로 수소 기반 청정에너지를 만들 수 있어 미래 에너지로 기대를 모은다. 하지만 이 전지는 고온을 필요로 하기 때문에 전기분해뿐 아니라 열화학반응도 동시에 발생해 실험적으로 정확한 반응 경로를 예측할 수 없는 문제도 있었다. 연구팀은 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 주로 쓰는 니켈 촉매 외에 11개 금속의 반응성을 계산해 활성지도를 도출해냈다. 이 결과에 따르면 철이 가장 유망한 물질로 나왔는데, 기존에 사용되던 고체산화물 수전해전지 시스템을 크게 바꾸지 않도록 기존 상용 촉매인 니켈에 철을 합금하는 방식을 제안했고, 이 합금 촉매도 기존 촉매보다 고활성을 가짐을 예측하였다. 이 연구 결과를 토대로 관련 기술의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다. 연구를 주도한 한정우 교수는 “고체산화물 수전해전지는 기존 화학연료 기반의 인프라를 뒤바꾸지 않고 에너지 생산 후 생기는 열에너지와 친환경적으로 생산된 전기 에너지를 활용할 수 있어 더 각광받고 있다“라며 ”니켈 촉매를 개선하는 합금 촉매를 제시해 전기화학전지 연구 및 상용화에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다. 한편 이번 연구는 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 나노소재원천사업의 지원으로 수행되었다.

기계·화공 노준석 교수팀, 작고 성능 좋은 차세대 메모리 CB램, 질소 도핑으로 간단하게 성능 높여

[질소 도핑한 GST 물질 이용해 CB램 소자 제작] 의료기기나 웨어러블 디바이스, 스마트폰 등의 손안의 기기가 늘어나면서 그 안에 들어가는 작고 성능 좋은 차세대 메모리 개발에 전 세계 많은 과학자가 나서고 있다. 전원이 꺼져도 정보가 그대로인 차세대 비휘발성 메모리는 F램, Re램 등이 있는데 POSTECH 연구팀이 Re램의 일종인 CB램(CBRAM)의 전기를 마련할 기술을 개발했다. 기계공학과/화학공학과 노준석 교수, 박사후연구원 닐루파 래이즈 호쎄니(Niloufar Raeis – Hosseini) 씨, 황현상 교수팀은 질소를 도핑한 GST*1를 이용해 저항률이 100배 증가해 성능이 크게 향상된 CB램 소자를 개발했다. 이 연구는 재료 분야 국제 학술지인 어드밴스드 일렉트로닉스 머터리얼스(Advanced Electronics Materials)지 표지논문으로 선정됐다. 차세대 메모리 개발에선 저항성이 매우 중요하다. 저항 메모리를 많이 사용하기 때문인데 저항성이 높아지면 처리할 수 있는 정보의 양이 많아지고 성능이 좋아진다. 다양한 메모리 중 CB램의 경우 플래시 램에 비해 100배 적은 전력을 소비하면서 읽기와 쓰기 작업이 가능하고 장치의 신뢰도 및 논리 회로 뒷면의 결합이 쉽다는 장점이 있다. 하지만 저항성을 높이기 위해선 결정화 온도를 높여야 하는 문제점이 있었다. 연구팀은 CB램의 구조 속에서 절연체를 활용해 저항성을 높일 방법을 찾았다. CB램은 금속-절연체-금속의 구조를 가지는데 지금까진 GST를 절연체로 사용해왔다. 연구팀은 얇은 GST 필름에 질소를 도핑하는 방법을 도입했다. 질소를 도핑하게 되면 결정질의 입자 성장을 조절할 수 있게 돼 저항성을 증가시킬 수 있게 된다. 실험 결과 동작 전압, 온·오프비율이 높은 전류 가운데 안정적인 값으로 나왔고, 또 고온인 85도에서도 일정한 성능을 보임을 검증했다. 특히 기존의 소자 공정에 질소 도핑을 추가하는 것만으로 손쉽게 적용할 수 있어서 기존의 소자의 성능을 크게 향상시키며 기존 소자를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “기존 GST 필름에 질소를 도핑하는 간단한 방법을 통해 CB램 소자를 개발했다”라며 “스마트폰, 의료기기 등 작고 성능 좋은 메모리가 필요한 분야에 바로 적용 가능하며 기존 소자를 대체할 연구가 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구는 전략과제, X-프로젝트, 선도연구센터 (ERC) 광기계기술센터, 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단, KRF 펠로우십 등의 지원으로 수행되었다. 1. GST (Ge2Sb2Te5) 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 텔루늄(Te)이 결합된 화합물 물질

창의IT 정성준・화공 조길원 교수 공동연구팀, 플렉시블 반도체, 이젠 3D프린터로 인쇄한다

[3D 프린팅 기술로 반도체 소자 맞춤·대량생산] 3D 프린터 인쇄 공정을 통해 이제 반도체도 만들 수 있게 됐다. 국내 연구팀은 그동안 얇게만 만들었던 반도체 인쇄 기술에 3D 프린팅 기술을 접목해 전자소자와 회로를 3차원으로 쌓아 올려 인쇄해냈다. 이때 사용된 기술은 유기인쇄전자 기술인데, 신문을 인쇄하듯 프린팅 기술로 전자소자와 회로를 맞춤형으로 대량생산할 수 있는 혁신적인 기술이다. 하지만 인쇄 패턴 기술의 한계로 집적도가 낮아 상용화는 힘들었다. 창의IT융합공학과 정성준 교수·권지민 박사, 화학공학과 조길원 교수팀은 일본의 야마가타 대학교의 토키토 교수 연구진과의 협업을 통해 3D 프린팅 기술을 사용해 플렉시블(유연)한 플라스틱 기판 위에 인쇄된 반도체 소자를 지속적으로 쌓아 올려 세계 최고 집적도의 인쇄형 플렉시블 반도체 회로를 구현하는 데 성공했다. 또 소비전력을 낮추고 최대 전류를 높이는 등 인쇄형 트랜지스터 성능을 극대화해 더욱 기대를 모으고 있다. 그동안 유기 반도체 분야는 트랜지스터 사이즈가 크고 집적도가 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 단 하나의 게이트로 이뤄진 단일 박막트랜지스터를 평면적으로 인쇄했기 때문에 집적도가 낮다는 데 집중했다. 세계 최초로 서로 돕는 양방향 구조의 듀얼 게이트 트랜지스터를 3차원으로 쌓아올려 다양한 3차원의 디지털 논리회로를 제작했다. 이 듀얼 게이트 소자구조를 도입하면 인쇄형 트랜지스터의 성능이 극대화되면서 게이트를 하나만 사용했을 때에 비해 2배이상의 전류가 흐르고 동작이 빨라지는 등 효율이 좋아진다. 이렇게 3차원 적층 기법을 통해 플라스틱 위에 전자소자와 회로를 쌓으면 반도체의 집적도를 비약적으로 높일 수 있어서 많은 수의 트랜지스터가 필요한 유연 전자 회로의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 2년마다 반도체 집적도가 2배 증가한다는 실리콘 트랜지스터 분야의 무어의 법칙처럼 인쇄형 박막트랜지스터에서도 지속해서 집적도 증가를 이룰 수 있음을 증명해냈다. 또 공정 온도가 낮아서 공정 비용도 적고, 웨어러블 전자 기기에 빠르고 쉽게 활용이 가능해 이 분야 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다. 정성준 교수는 “차세대 기술 중 하나로 손꼽히고 있는 인쇄형 플렉시블 박막 트랜지스터를 3차원으로 집적하는 데 성공해 이를 통해 인쇄형 반도체의 지속적 기술성장 계기를 세계 최초로 증명해 보였다”며 연구의 의의를 밝혔다. 한편 이번 연구 결과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 최근 게재되었으며 과학기술정보통신부의 IT명품인재양성사업과 글로벌프론티어사업, 나노 기반 소프트일렉트로닉스 센터의 지원을 받아 수행됐다.

화공 한정우 교수 공동연구팀, “몸값 비싼” 금속 촉매, ‘결함’ 있는 지지체로 효율 높인다

[POSTECH-KAIST 공동연구팀, 단일원자촉매 설계 높일 기술 제안] 금, 백금은 아름다운 광택을 가지고 있으면서도 산출량이 적어 ‘비싼 몸값’을 자랑하는 귀금속이다. 한편으로, 이런 귀금속은 대기 중에서 안정된 상태를 유지하고 있어, 다양한 화학 촉매로도 활용되고 있다. 차량 배기관에 백금촉매를 설치하면, 일산화탄소나 탄화수소 등 배기가스를 이산화탄소, 물 등으로 정화해주는 역할을 하기도 하고, 용수나 폐수 처리에도 사용할 수 있다. 하지만 촉매를 이용한 기술 상용화에는 항상 골칫거리가 뒤따른다. 바로 금속의 ‘가격’이다. 화학공학과 한정우 교수팀과 KAIST 생명화학공학과 이진우, 이현주 교수팀은 TiC 금속 지지체 위에서 전이금속 단일원자들의 안정성 유지를 연구, 귀금속 단일원자 촉매를 더욱 효율적으로 활용할 수 있는 기술을 개발, 에너지 분야 권위지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 1월호를 통해 발표했다. 온라인에 우선 공개된 이 논문은 ‘2018년 12월 가장 많이 읽은 논문(the most read articles)’에 선정되기도 했다. 보통 화학반응에 활용되는 촉매는 귀금속을 이용하는데, 가격이 비싸 관련 기술 상용화에 어려움을 겪는다. 그런 가운데 단일원자로 이루어진 촉매는 지지체에 금속을 모두 분산시켜 효율성을 높여 가격을 최대한 낮출 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나, 화학 반응 이후에도 촉매의 성질은 변화되어서는 안되지만, 단일원자를 이용하면 응집하려는 경향이 있어 실제로 활용하기에는 어려움이 있었다. 연구팀은 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 약간의 결함이 있는 TiC 지지체가 단일원자의 안정성을 유지해줄 수 있음을 예측, 실제 실험에 들어갔다. 그 결과 실제로 단일원자는 TiC 지지체에서 안정성을 유지했을 뿐 아니라, 다양한 금속 중 백금과 금의 단일원자 촉매가 수소 생성 반응이나 선택적 산소환원 반응에서 특히 뛰어난 효율을 보였다. 한정우 교수는 “수소생성 반응은 물론 친환경적 화학제품 합성, 펄프, 제지 제조, 전기‧전자산업까지 화학촉매는 광범위하게 사용되고 있지만 값이 비싸 상용화에 큰 걸림돌 중 하나였다”며 “단일원자 촉매는 100%에 가까운 거의 모든 원자를 활용해 효율적으로 촉매를 사용할 수 있고 사용량도 줄여 비용을 낮추는데 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이 연구성과는 삼성전자 미래기술육성센터, 한국연구재단 글로벌프론티어 사업, 한국연구재단 중견연구자지원 사업의 지원으로 수행되었다.

화공 차형준 교수팀, 홍합 접착으로 줄기세포 붙들어 정착 돕는다...심근경색 · 손상 장기 치료 기대

[상 분리 액상 접착물질을 이용한 줄기세포 전달체 개발] 줄기세포는 아직 특정 세포로 분화되지 않아서 어떤 세포나 조직으로도 만들어질 수 있는 만능 세포다. 이 줄기세포를 활용하면 손상된 장기를 근본적으로 재생할 수 있기 때문에 미래 치료제로 주목받고 있다. 하지만 줄기세포는 사람의 몸속이라는 특수한 수중 환경 때문에 표적 장기로 전달되고 유지되는 것이 모두 어려웠다. 국내 연구팀은 홍합의 접착물질을 이용해 줄기세포를 체내의 표적 장기로 전달하고, 표적 장기에 정착 될 때까지 꽉 붙들어둬서 충분한 시간 동안 효과적으로 유지할 수 있는 혁신적인 기술을 개발해 학계의 관심을 끌고 있다. 화학공학과 차형준 교수팀은 수중 환경에서 바위 등에 강력하게 부착된 홍합에서 유래한 홍합접착단백질과 세포 외 기질의 성분인 히알루론산으로 구성된 상 분리 현상인 코아서베이트(coacervate)를 이용해 체내 표적 부위에 주사를 통해 쉽게 줄기세포를 전달하고 유지할 수 있는 액상의 접착성 전달체를 개발했다. 이 새로운 줄기세포 전달체는 인체에 무해한 생체 적합성 바이오소재를 사용해 체내 줄기세포 전달 및 치료효과를 극대화하는데 핵심적인 역할을 할 전망이다. 성공적인 줄기세포 치료를 위해선 두 가지가 필요하다. 효율적으로 줄기세포를 표적 장기에 정확하게 전달하고 체내 특수 환경에서 충분한 시간 동안 유지될 수 있도록 도와야 한다. 하지만 지금까진 이식된 줄기세포가 표적 장기에 성공적으로 전달·유지되기가 어려웠다. 연구팀은 생체 적합성 소재인 홍합접착단백질과 히알루론산, 그리고 홍합의 코아서베이트를 만드는 과정을 활용했다. 홍합의 상 분리 현상인 액상 코아서베이트 속에 줄기세포를 쉽게 포집하고, 표적 장기에 정확하고 효율적으로 전달하고, 전달된 후에도 상 분리 액상 접착제로 쉽게 와해되지 않고 떨어지지 않아 줄기세포가 오랫동안 표적 장기에 유지될 수 있는 메커니즘이다. 코아서베이트에 포집된 줄기세포는 3차원의 세포 클러스터(cluster) 형태를 지니며 이로 인해 유발되는 줄기세포의 생리학적 변화는 일반 체내 환경뿐만 아니라 저산소 환경(hypoxia)에서도 줄기세포 생존 능력이 우수했다. 뿐만 아니라 줄기세포로서 가지는 성질을 극대화하며, 더 나아가 조직재생에서 매우 중요한 신생 혈관의 형성을 유도하는 것도 확인했다. 연구를 주도한 차 교수는 “처음으로 홍합접착단백질을 이용해 줄기세포 치료제로의 적용 가능성을 확인한 연구라는데 의의가 있다”라며 “줄기세포 치료제가 필요한 심근경색과 같은 만성(chronic) 및 허혈성(ischemic) 질환에 성공적으로 적용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구 결과는 생체소재 분야의 세계적 권위지인 ‘액타 바이오머터리얼리아(Acta Biomaterialia)’에 최근 온라인 게재되었으며 해양수산부의 ‘해양섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’ 연구의 일환으로 수행됐다.

화학 이인수 교수-UNIST 공동연구팀, 반응 속도와 자극을 ‘빛으로 원격제어’하는 플라스몬-촉매-나노반응기 개발

[근적외선으로 제어 가능한 인공반응기 설계·합성 독성 최소화·약물 효과 극대화 가능한 치료 플랫폼 활용가능] 우리 몸속에서는 생명을 유지하기 위해 수많은 생화학 반응이 일어나고 있다. 약물 개발이나 화학적 반응을 살펴보기 위해서는 인공 반응기를 통해 인공적으로 촉매반응을 일으켜야 한다. 이때 살아있는 세포 내에서 촉매 반응 속도와 자극을 원하는 대로 원격 제어할 수 있는 인공 촉매 반응기를 개발하는 것은 많은 과학자의 숙원과제다. 화학과 이인수 교수, 아밋쿠마(Amit Kumar) 박사는 UNIST 생명과학부 조윤경 교수, 수밋쿠마(Sumit Kumar) 박사와의 공동 연구를 통해 살아있는 세포 내에서 근적외선 빛에 의해 원격 작용 하는 플라스몬-촉매-나노반응기를 개발했다. 이 연구는 화학 분야 국제학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)지 2월호 표지논문(supplementary cover)으로 선정됐다. 약물을 개발하면 가장 먼저 세포 반응 실험을 하게 된다. 그중에서도 살아있는 세포를 대상으로 한 실험은 매우 중요한데 부작용이 없어야 하고 촉매 효율도 높아야 한다. 무엇보다 반응의 속도와 자극을 원격으로 제어할 수 있다면 실험에 더 효율적으로 사용할 수 있다. 연구팀은 살아있는 세포 내에서 근적외선 빛에 의해 작용하는 플라스몬-촉매-나노반응기(PINERs, plasmonically-integrated nanoreactors)를 개발했다. PINERs는 선택적으로 접근이 가능한 금, 팔라듐, 백금과 같은 귀금속 촉매 나노 결정(크기 약 2nm)을 가지고 중심부와 이 중심부를 둘러싸고 있는 플라스몬-금-나노 타원체(크기 약 15nm)로 구성된 이중 구성의 디자인(전체 크기 약 100nm)을 가지고 있다. 이 플라스몬-금-나노타원체는 원격으로 노출된 근적외선을 흡수해 광 에너지를 열로 변환시켜 반응성 전하 운반체를 생성할 수 있는 광학 나노 안테나로 작용하게 한다. 이 원리를 통해 살아있는 세포에는 악영향을 미치지 않으면서 PINER의 촉매 나노 결정에서 일어나는 반응을 극적으로 자극할 수 있게 된다. 쉽게 말하면 이 나노반응기는 특정 세포 내에서 유기분자의 다양한 촉매반응을 가능하게 할 수 있는데, 근적외선 빛을 에너지원으로 사용해 살아있는 세포에서 매우 가속된 촉매 반응을 수행할 수 있게 한다. 이 나노반응기 기술이 상용화된다면 세포 내 다양한 화학적 결합의 형성·파괴 과정을 살펴볼 수 있고 유기 반응을 통해 세포 조직 내에서 치료약물의 효과, 부작용이 없는 약물 및 초정밀 진단 기술의 발견도 가능해질 전망이다. 연구를 주도한 이인수 교수는 “연구팀이 개발한 PINERs는 특정 세포 내 다양한 촉매 반응을 선택할 수 있고, 속도를 제어할 수 있으며, 다양한 촉매 반응을 가능하게 해 진단 및 치료 플랫폼으로 확장 개발될 수 있다.”라며 “생체 내의 특정 질병 세포에만 활성화 되고 약물로 전환되도록 유도할 수 있어서 독성을 최소화 하면서 약물의 효과를 극대화할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 수행됐다.

화학 김원종 교수팀, 암 꼼짝마! 암 찾아 레이저·면역 세포 활성화로 동시에 2번 공격하는 나노머신 개발

[광감각제와 면역 증강제로 암 동시 치료 전략 제안] 지난해 노벨 생리의학상 수상자는 항암치료 패러다임을 바꿨다는 평가를 받는 면역 항암제 개발 초석을 다진 2명의 과학자가 받았다. 암을 정복하기 위해 지금도 전 세계 많은 과학자가 항암치료 방법에 대한 연구를 계속하고 있다. 화학과 김원종 교수와 통합과정 임수석 씨는 먼저 광역학 효과로 1차로 암을 공격하고 2차로 면역 증강제로 수지상 세포를 활성화하는 동시 치료용 나노 복합체를 개발했다. 이 기술이 발전한다면 혈류를 통해 몸속으로 들어간 나노머신이 빛으로 한 번, 면역 세포 활성화로 또 한 번 암을 치료하도록 도와 항암 치료의 효율이 높아질 것으로 기대된다. 지금까지 개발된 항암 치료법은 크게 암세포 특성에 맞는 항암 약물 주입과 면역 세포의 활동을 향상해 암세포를 공격하게 하는 면역 증강 방법으로 나뉜다. 하지만 외부에서 주사되는 약물은 암세포의 종류가 너무 다양하고 환자 개개인의 상황이 모두 달라, 치료 효과가 개인마다 큰 차이를 보인다. 면역 증강제 역시 암세포로의 전달 효율이 낮아 원하는 만큼의 효과를 보이지 못하거나 부작용이 일어나는 사례가 있다. 성공적인 항암 면역 요법을 위해선 3가지가 필요했다. 첫째 개인마다 각 개체에 맞는 항원을 발생시키고 두 번째로 면역 세포를 암 조직으로 유인해야 하며 세 번째는 암과 최일선에서 싸우는 T세포가 적재적소에서 잘 싸울 수 있도록 T세포의 능력을 활성화해야 한다. 연구팀은 암 조직 주변의 저산소 환경에 반응해 두 개의 전달체로 변신하는 저산소 감응형 트랜스포머 나노 복합체를 개발했다. 나노 복합체 안쪽 다공성 실리카는 빛을 받아 활성 산소종을 발생시키는 광감각제를 담고, 바깥쪽 양이온성 고분자에는 수지상 세포의 활성화를 돕는 면역 증강제를 담아 두 개가 동시에 암을 공격하도록 만들었다. 수지상 세포는 T세포가 암과 잘 싸울 수 있도록 T세포를 자극하는 훈련관과 같은 개념이다. 이 나노 복합체는 혈류를 따라 몸속에서 돌아다니다가 산소가 적어지는 특징이 있는 암 조직으로 축적된다. 이때 빛으로 암을 1차 공격하면, 광역학 효과에 의해 빛 공격을 받은 암세포는 활성 산소종이 발생해 암세포의 사멸을 유도하면서 환자 개개인에게 맞는 항원을 발생시키고 면역 세포의 일종인 수지상 세포를 암 조직으로 유인한다. 이후 나노 복합체에서 2차로 면역 증강제가 뿜어져 나와 수지상 세포를 활성화 시켜 암세포에서 분출되는 항원을 잡아먹게 하고 암 주변 림프절로 이동해 T세포를 활성화해 암세포로부터 몸을 지킬 수 있게 돕는 원리다. 김원종 교수는 “암세포의 저산소 환경에 감응해 광감각제와 면역 증강제를 전달할 수 있는 시스템을 개발했다”라며 “현재 항암 치료법으로 사용되고 있는 광역학 치료와, 노벨상 수상 등으로 주목 받는 항암 면역 요법의 동시 치료를 통해 암 정복의 새로운 전략을 제시했다”며 연구의 의의를 밝혔다. 한편 이번 연구는 국제학술지 ACS Nano 온라인판에 최근 게재되었으며 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 기초연구사업(전략), 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행되었다.

철강 서석환 교수팀, 스마트공작기계 ISO 국제표준안 채택

[제조혁신 핵심설비 표준안 ISO 승인받아 국제표준화 리드] POSTECH은 최근 철강대학원 서석환 교수(스마트팩토리 연구센터 센터장)의 사이버 물리 제어 기반의 스마트 공작기계(CPSMT: Cyber-Physically Controlled Smart Machine Tool Systems) 국제표준안(ISO/NP 23704-1, 2)이 ISO 물리장치제어 기술분과(ISO/TC184/SC1)에서 3개월간의 투표를 거쳐 최종 승인되었다고 밝혔다. 그동안 4차 산업혁명 관련 국제표준안은 인더스트리 4.0 (RAMI: Reference Architecture Model for Industry 4.0), 스마트제조 (SMRR: Smart Manufacturing Reference Model) 국제표준 등 상위 수준의 개념 모델은 있었지만, 산업 현장의 핵심 설비인 스마트 공작기계에 대한 국제표준은 없었다. 스마트공작기계란 공작기계가 사물인터넷(IoT), 인공지능, 디지털트윈 등의 기술을 이용하여 상태 모니터링, 예지보전, 분석서비스 등을 통해 불량제로, 제로다운타임을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 인간, 로봇 등 공장 내의 다른 제조설비와의 통신/협업을 통하여 제조시스템 전체의 최적화에 기여할 수 있는, 명실공히 4차 산업혁명의 비전이 공작기계에 구현된 드림 머신이다. 스마트공작기계는 스마트팩토리 및 4차 산업혁명을 구현하는 산업용 기계를 만드는 기계 (mother of machine)로써, 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어 솔루션, 클라우드 서비스 산업 등 공급산업뿐만 아니라, 자동차, 항공, 철강산업, 중소기업 등 수요산업에 이르는 직간접 산업연관 효과가 매우 크기 때문에 이를 석권하기 위한 선진국들의 R&D가 매우 치열한 분야이며, 최근 수년간 다양한 컨셉의 스마트공작기계가 마켓에 선을 뵈고 있다. 현재 스마트공작기계 시장은 일본을 비롯한 선진국이 주도하고 있는 상황으로 비교적 후발국인 한국의 표준안 채택에 대해 일부 선진국의 견제가 상당했다. 하지만 그동안 축적된 포스텍 스마트팩토리 연구센터의 국제적인 성과와 국가기술표준원의 지원, 독일의 지멘스, VDW (독일 공작기계협회) 등의 강력한 지원과 협업 의사에 힘을 받아 채택 받을 수 있었다. 스마트팩토리 센터장인 서 교수 연구팀은 2005년 스마트팩토리 연구센터를 설립한 후 표준기술력 향상사업, DFKI와의 한독 국제공동연구, 유럽 FP7 국제공동 연구, 사물인터넷 기반 스마트팩토리 테스트베드구축 사업, 대용량 데이터 연동 스마트팩토리 보급확산사업 등 스마트팩토리 및 STEP-NC 분야에서 활발한 연구 활동을 이어가고 있다. 특히 STEP-NC 기술의 경우 서 교수는 이미 3건의 ISO 국제표준 개발 실적을 가지고 있다. 이들 표준은 현재 미국의 보잉사, STEP-Tools사가 주축이 되어 일본, 유럽, 한국의 경우 현대위아 등, 세계적으로 확산하고 있는 디지털트윈 제조시스템 (Digital Twin Manufacturing)의 핵심표준으로 사용되고 있다. 연구를 주도한 서 교수는 “이번 표준안 채택으로 인해, 스마트공작기계 후발국인 한국의 위상 제고와 더불어, 국내 관련 공급 기업의 국제표준의 선제 채용으로 마켓 점유율 재고를 시킬 좋은 기회가 될 뿐만 아니라 수요기업의 스마트팩토리 인프라 제공, 대학의 4차 산업혁명 융복합기술 테마로써 의미가 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 표준안 승인으로 서 교수는 ISO에서 ISO TC184/SC1의 신규 워킹그룹의 의장으로 지명되었으며, R&D 및 표준화 활동은 국가기술표준원으로부터 표준발간까지 연구비를 지원받는다.

화공 차형준 교수팀, 홍합 접착의 상분리 현상 비밀 밝혀...반응성 수중 생체접착제 개발 박차 기대

표면접착단백질의 상분리를 통한 초기 수중 접착 메커니즘 제시 보통의 화학 접착제는 물기가 없는 물건을 붙이는 데 최적화되어 있다. 접착제엔 물기를 조심하는 주의사항이 꼭 들어있을 만큼 물과 접착제는 상극관계다. 하지만 수중 접착이 필요한 경우가 많고, 생체적합성이 높은 소재를 이용하면 수술 부위나 장기에도 사용할 수 있기 때문에 이 분야에 대한 연구는 과학자들의 숙제였다. 특히 피부나 장기를 생체적합성 접착제를 이용해 접합하면 접합 부위가 더 빨리 아물고 흉터도 적게 생기는 장점이 있다. 화학공학과 차형준 교수팀은 수중 환경에서 바위 등에 강력하게 부착돼 있는 홍합을 분석해 초기 수중 접착에 중요한 역할을 하는 표면접착 단백질의 상분리현상인 코아서베이션(coacervation) 메커니즘을 밝혀 초기 수중 접착의 비밀을 푸는데 한발 다가섰다. 홍합을 활용한 수중 접착 연구가 중요한 이유는 생체적합성 소재로 인체에 무해하기 때문에 수술 후 체액으로 가득한 수중 환경의 장기를 접합하는 데 중요한 역할을 할 수 있기 때문이다. 상분리 현상의 하나인 코아서베이션은 쉽게 말하면 물과 기름처럼 상이 분리되는 것을 말한다. 홍합이 표면접착 단백질을 분비한 후 상분리 현상을 이용해 강력한 수중 접착력을 갖게 된다는 것을 그동안 예상은 해 왔지만, 실제로 접착 표면과 직접 상호작용하는 표면접착단백질의 코아서베이션 형성과 그 메커니즘에 대해선 알려진 바가 없었다. 연구팀은 분자생명공학기술을 통해 홍합의 초기 표면 접착에 관여하는 단일 성분의 표면접착단백질을 확보해 코아서베이션 형성을 처음으로 확인했다. 또 이에 관여하는 단백질-단백질 상호작용을 제시함으로써 홍합 수중 접착의 초기 메커니즘을 밝힐 수 있었다. 홍합의 대표적인 표면접착단백질인 fp-3F는 벤젠고리를 지닌 타이로신(Tyrosine)·도파(Dopa)라는 아미노산과 양이온을 지니는 아르기닌(arginine)이라는 아미노산을 다량 함유하고 있다. 이 단백질은 특정 이차구조를 가지고 있지 않은 것으로 알려져 있고 코아서베이션이 일어나려면 단백질 간에 충분한 인력이 작용해야 하는데, 양이온을 지니는 아르기닌이 많기 때문에 척력을 극복하는 단백질-단백질 상호작용이 존재해야 한다. 연구팀은 대량확보한 fp-3F 단백질을 이용해 코아서베이션 형성을 위한 다양한 조건을 스크리닝한 결과, 특정한 염(salt)이 있을 때 코아서베이션이 형성되는 것을 확인했으며 상부 임계공용온도를 가지는 것 또한 확인하였다. 라만(Raman) 분석을 통해 타이로신/도파의 벤젠링과 아르기닌 및 염이 코아서베이션 형성과정에 기여하는 것을 확인함으로써 염 가교(salt-bridge)와 파이 상호작용(Pi-interaction)이 관여하는 것을 확인하였다. 연구를 주도한 차 교수는 “홍합의 초기 수중 접착 메커니즘을 밝힌 이 연구로, 최근 의료분야에서 중요성이 대두되고 있는 수중 생체접착제 개발에 박차를 가할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 또한 본 연구 결과를 통해 염, 온도, pH 등 다양한 환경 조건에 반응할 수 있는 반응성 코아서베이션이 수중접착제로써 활용될 전망이다. 한편 이번 연구 결과는 소재과학분야 세계적 권위지인 ‘스몰(Small)’에 게재되었으며 한국연구재단의 기초연구사업(중견)인 ‘부착성 생물의 수중 접착 기작에의 이해: 표면접착력과 응집력의 균형 조절’ 연구의 일환으로 수행됐다.