Research

신소재 조문호 교수팀, 빛으로 2차원 반도체 전도도 10만 배 높여

[레이저로 원자두께 반도체 도핑 성공…단일 집적회로 구현도] 신소재 조문호 교수팀 (기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 부연구단장)은 2차원 반도체에 빛을 쪼이면 스스로 도핑*1이 되는‘레이저 도핑’기술을 개발했다. 수 초간 레이저를 조사하는 것만으로 도핑을 할 수 있어 쉽고 경제적인 기술로, 연구진은 2차원 반도체 단일 집적 회로*2를 구현하는 데도 성공했다. 차세대 반도체 후보로 주목받는 원자층 2차원 반도체는 둘둘 말리는 전자기기, 사물인터넷(IoT) 전자 부품, 극초소형 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 소재다. 그 동안의 기술적 난제는 고성능 회로를 만들기 위한 도핑 기술이 아직 없다는 점이었다. 도핑은 일종의 불순물을 주입해 반도체의 전도율을 증가시키는 공정으로 전자기기 제작에 필수적이다. 상용화된 전자기기는 액체나 기체 상태의 이온을 주입해 도핑한다. 하지만 원자 두께로 얇은 2차원 반도체에 불순물을 주입할 경우 깨질 가능성이 있고, 또 농도를 섬세하게 조절하기 어렵다는 한계가 있었다. 신소재 서승영 연구원이 제1저자로 주도한 이번 연구는 인위적 불순물을 주입하지 않고도 가시광선 조사를 통해 원자층 2차원 반도체 트랜지스터 소자의 p-형 도핑에 성공했다. 연구진은 주사터널링현미경(STM)*3으로 반도체를 관찰하며, 전자가 많은 형태의 n-형 반도체에 초록색(파장 532nm) 레이저 빛을 수 초간 조사했다. 레이저가 조사된 반도체 표면과 내부에는 국소적인 원자결함이 생기고, 이후 결함이 생긴 공간으로 공기 중의 산소로부터 정공이 주입되며 최종적으로 정공이 많은 p-형으로 도핑됐다. 연구팀은 빛의 세기와 조사 시간을 조절해 도핑 농도를 제어하는 데도 성공했다. 정공의 농도에 따라 반도체 소자의 전기전도도는 최대 10만 배까지 높아졌다. 이번에 개발된 레이저 도핑 공정은 대기 중에서 수 초 내에 빠르고, 대면적 도핑이 가능하기 때문에 기존 도핑 기술에 비해 쉽고 경제적이며, 집적 회로 상용화 기술에 곧바로 응용될 수 있다는 장점이 있다. 이어 연구팀은 개발한 도핑 공정을 이용해 다양한 2차원 반도체 회로를 제작하는 데도 성공했다. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)*4 화합물에 레이저 도핑을 접목해 2차원 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)*5, 2차원 광전압 변환기 등을 구현했다. 원자층 2차원 반도체를 재료로 도핑하고, 실제 회로 구현으로까지 이어진 첫 사례다. 제작된 반도체 회로는 매우 우수한 전류 증폭 성능을 보였다. 이번 연구를 이끈 조문호 교수는 “반도체 물질과 빛의 상호 작용에 대한 기초 과학 연구가 차세대 반도체 회로 응용 기술로 바로 환원됐다는 데 의의가 있다”며 “이러한 기초과학-응용기술 순환 일체형 연구는 미래 기술 개발에 있어 새로운 가치 창출 방식의 핵심이 될 수 있다”고 밝혔다. 이번 연구 성과는 전자 소자 분야 세계적인 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 온라인 판에 9월 14일 0시(한국시간)에 게재됐다. 1. 도핑 순수 반도체에 불순물을 주입해 성능을 향상시키기 위한 공정 2. 단일 집적 회로 한 가지 물질에 반도체 회로가 구성되는 집적회로 3. 주사터널링현미경(STM) 맹인이 점자를 통해 글을 파악하는 것처럼, 얇은 금속 탐침을 이용해 표면의 요철을 읽어 원자 수준의 해상도로 이미지를 얻는 기술 4. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 몰리브덴(Mo) 원자 하나에 텔루륨(Te) 원자가 두 개 붙어 있는 층상 구조를 가지는 화합물로, 실리콘과 유사한 특성을 가진다 5. 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor) 2개의 p-n 접합구조의 결합으로 구성되는 트랜지스터이다. 이미터, 베이스, 컬렉터 세 전극으로 구성되며, 스위치 또는 전류 증폭장치로 사용된다

기계 조동우・김동성 공동연구팀, 인간의 근육 모방한 체외 인공근육 재생 기술 개발

[기존보다 2배 유사한 인공 근육 개발 성공] 근육 질병 치료제 개발을 위해 전 세계에서 동물을 상대로 실험하고 있지만 윤리적인 논쟁과 효과에 대한 의문은 늘 따라다니고 있다. 루게릭병과 같은 근육관련 질병의 경우 동물 실험에서는 성공적이었지만 인간에겐 다른 결과가 나오는 경우가 많아 대체할 수 있는 방법 개발이 시급하다. 기계공학과 조동우·김동성 교수, 최영진 박사와 한국기술교육대 박성제 교수 공동연구팀은 포항 방사광가속기 X-선 리소그래피*1 기술과 근육 세포의 세포외기질(extracellular matrix)*2을 사용해 인간의 몸 속 근육과 최대 2배 이상 유사한 체외 근육조직을 재생할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술이 상용화 된다면 근육관련 질병 치료용 신약 물질의 안정성과 성능을 체외에서 안전하게 평가할 수 있고, 필수적으로 사용됐던 동물 실험도 대체할 수 있을 전망이다. 이 논문은 국제 학술지 저널 오브 머터리얼즈 케미스트리(Journal of Materials Chemistry) 9월 12일자 표지 논문으로 게재되었다. ‘체외 근육 조직’을 만들기 위해서 그 동안은 일반적인 세포배양접시를 사용했다. 하지만 이 방법은 우리 몸 속 근육처럼 근육 세포가 한 쪽 방향으로 나란히 정렬되도록 자라나게 하지 못해 근육 조직이 실제 체내 조직과 다르게 자란다는 문제가 있었다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 새로운 형태의 세포배양 기판 제작에 관심을 기울였다. 연구팀은 포항방사광 가속기 X-선 리소그래피 기술을 활용해 수십 마이크로미터 크기의 부드러운 물결무늬가 새겨진 세포배양 기판을 개발했다. 이 기판은 실제 사람의 골격근 형태와 비슷한 물결무늬를 가지고 있어서 근육 세포가 한쪽 방향으로 정렬되면서 자라도록 유도할 수 있다. 이 기술을 활용하면 기존보다 2배 이상 사람의 몸과 유사한 형태의 근육 조직을 만들 수 있다. 이 기판위에 사람의 근육 조직에서 추출한 세포외기질을 코팅해, 근육 세포에게 실제 체내 근육과 유사한 성장 조건을 제공했다. 그 결과 각종 성장인자와 중요한 단백질들이 발현되는 것을 확인했는데 근육 세포의 생존율을 높이고 체내 근육 세포와 유사하게 분화하고 성숙 하도록 돕는다는 사실이 확인됐다. 연구를 주도한 조동우 교수는 “이 인공근육은 사람과 흡사한 지형적 구조와 미세 환경을 동시에 구현한데 의미가 있다”며 “체내 근육과 더욱 비슷한 인공근육 재생 기술을 확보하고 이를 활용해 신약 개발, 바이오닉스 기술 개발 등에 사용할 수 있는 체외 테스트 플랫폼으로 활용 가능할 것”이라며 기대감을 밝혔다. 특히, 본 연구를 기반으로 신경·근육과 같은 복합 조직에 대한 재생을 통해 진일보한 고성능의 체외 조직모델을 개발한다면, 생체신호 메커니즘 이해에 활용 가능한 신경·근육 조직 기반의 체외 테스트 플랫폼을 실현할 수 있을 것이다. 이를 통해 여전히 미지의 영역인 생각-신경-근육-움직임 간 신호 전달 방법 및 체계에 대한 이해를 넓히고, 궁극적으로 생체신호에 기반 하는 보철기기의 개발에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업(사업단장 한국과학기술연구원 오상록박사)의 지원으로 수행됐다. 1. X-선 리소그래피 (deep X-ray lithography) 고에너지의 X선을 감광재료에 선택적으로 조사해 미세구조물을 형성하는 기술이다. 직진성과 투과성이 높은 X선을 사용하기 때문에, 기존의 미세구조물 제작기술로 구현이 어려운 고폭비(high-aspect-ratio)의 미세구조물을 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 응용방법에 따라 3차원 형상의 다양한 미세구조물을 만들 수 있어 센서, 광학, 바이오 등 여러 분야에 활용할 수 있다. 2.세포외기질(extracellular matrix) 체내에서 세포와 세포의 연결체 및 구조적 지지를 담당한다. 최근에는 세포외기질이 세포의 성장, 분화 및 여러 생리활성의 조절을 담당하는 것으로 확인되어 재생의학 분야에 그 중요성이 대두되고 있다.

화공 박태호 교수팀, 세계 최초로 화약 노화 원인과 막을 방법 찾았다

[화약 노화 기작 및 안정성 화학적 차원에서 연구] 2016년 울산의 한 군부대에서는 오래돼서 폐기해야 하는 화약 5kg을 부대원들이 한 곳에 모아두는 일이 발생했다. 알 수 없는 점화원과 접촉하자 화약이 폭발했고 근처에 있던 병사 20여 명이 다치는 일이 발생했다. 우리나라 국방비의 많은 부분이 노후로 성능이 떨어진 화약과 같은 무기를 폐기하거나 관리 하는데 사용되고 있다. 그런데 무기가 얼마나 노화됐는지, 왜 노화되는지 원인을 파악한다면 그 요인을 막아 무기를 좀 더 오래 사용해 국방비를 줄이고, 무기 폐기에 대한 시간과 노력도 아낄 수 있지 않을까? 무기 폐기로 인한 환경 오염과 사고도 막을 수 있을 것이다. 화학공학과 박태호 교수, 통합과정 이준우 씨는 국방과학연구소 류병태 박사, 부경대 원용선 교수와의 공동연구를 통해 세계 최초로 화약의 노화 원인을 화학적으로 규명하고, 수명을 연장시킬 방안을 찾았다. 이 방법에 따르면 화약 폐기 기간을 늘일 수 있어 국방비 절감에 큰 도움이 될 전망이다. 이 논문은 국제 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재되었다. 화약은 높은 폭발 압력을 가지고 있는데 만들고 바로 폭발시키는 것이 아닌 만큼 오랜 시간이 지나도 초기의 폭발력을 유지하는 것이 꼭 필요하다. 하지만 그 동안 알 수 없는 원인으로 화약에 노화가 생겨 폭발력의 변화가 생겼고, 이 때문에 일정 시간이 지나면 폐기해야 했다. 노화의 메커니즘을 파악해 화약의 수명을 예측하고 노화를 예방할 수 있다면 폐기 기간을 연장할 수 있다. 하지만 무기로도 사용되는 만큼 화약에 대한 접근 자체가 쉽지 않아서 그 동안 전 세계적으로 화약에 대한 연구가 활발하게 진행되지 못했다. 연구팀은 화약을 만들 때 위험하기 때문에 고습도의 환경에서 작업하는데 주목했다. 수분이 노화와 연관성을 가지고 있는지 실험을 통해 확인했는데 인공적으로 수분을 더해 화약을 노화 시키자 발열량이 줄어드는 것을 확인했다. 발열량이 줄어드는 것은 폭발력이 줄어든다는 의미다. 그 원인을 전자현미경 TEM-EDS로 분석한 경과 보론(Boron)이란 금속 물질이 수분 노화로 두꺼워져서 폭발력이 줄어든 것을 최초로 확인했다. 화약의 노화를 막기 위해선 3가지가 더 필요하다. 먼저 공정상에서 습도를 제어하고, 화약을 보관할 때 파이로 작동기구를 수분에 노출되지 않도록 밀봉해야 하며, 보론을 화학 처리해 노화되는 것을 막으면, 화약 노화를 지연할 수 있다. 연구를 주도한 박태호 교수는 “화학적인 분석을 통해 화약 노화 메커니즘을 밝히고 화약 노화와 분석 기법에 대해 세계 최초로 설명했다”며 “화약의 노화원인을 미리 차단하고 수명을 예측해 폐기 기간을 연장시켜 국방비 예산절감에 큰 도움이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 ‘유도탄용 고성능 PMD 기술’ 사업의 일환으로 방위사업청과 국방과학연구소의 지원으로 수행됐다.

화공 이효민 교수팀, 약물이나 기능성 물질 넣는 미세입자 캡슐, 미세유체기술로 정교하게 대량생산 가능

[액적기반 미세유체기술 총설 게재한 리뷰논문 발표] 미세유체공학이란 100만분의 1m라는 마이크로미터(㎛) 속 작은 세상에서 움직이는 유체(流體, fluid)의 특성을 연구하는 학문이다. 여기에 약물이나 고부가 가치 기능성 생체물질을 넣는 미세입자 담지(캡슐화) 기술이 더해지면 체내 약물을 전달하고 인공세포를 만드는 등 다양한 곳에서 활용 가능한 바이오 기술이 된다. 미세유체기반 미세입자 담지 기술에 대한 연구는 과학자들의 오랜 관심사였다. 하지만 미세하고 정교한 기술로 시간과 노력이 많이 들고 대량 생산이 힘들어 연구실을 벗어나 상용화하기 어려운 한계가 있었다. 화학공학과 이효민 교수팀은 대구한의대학교 화장품공학부 최창형 교수, 미국 하버드대학교 데이비드 웨이츠(David Weitz) 교수와의 공동연구를 통해 유체의 정교한 흐름을 제어해 연속적으로 물방울(액적)의 생산이 가능한 미세유체기술을 소개하고 제조방법, 적용 방향 등을 제시해 발표했다. 이 내용은 영국왕립화학회 발간 국제 학술지 케미컬 소사이어티 리뷰(Chemical Society Reviews)의 내부 표지(Inside front cover)로 선정되었다. 연구팀은 유체 내부 흐름을 제어해 여러 개의 상을 가진 정교한 물방울을 만들어냈다. 이러한 다중액적의 경우, 다양한 기능성 물질을 원하는 위치에 집어넣을 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리/화학적 공정을 도입할 수 있어 생체물질들을 외부 환경으로부터 보호하면서도, 일정한 조건하에서는 외부로 약물 및 생체 분자를 선택적으로 방출시킬 수 있는 바이오 분야에 그 효용가치가 높다. 하지만 이 전에는 생산량과 구현할 수 있는 구조에 있어서 여러 한계점이 있었다. 이 방법에 따르면 정교한 구조의 기능성 물질 담지 미세입자를 연속 공정을 통해 대량 생산이 가능해진다. 또 연구팀은 미세유체기술과 관련된 액적 형성의 기초 메커니즘부터 미세 입자 개발을 위한 구체적인 방안도 제시해 미세유체기술의 상용화에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 연구를 주도한 이효민 교수는 “이 논문은 액적을 기반으로 생의학용 미세입자 제조법과 응용법 등을 담았다”며 “이 논문을 통해 미세유체기술을 활용한 다양한 기술이 개발될 뿐만 아니라 해당 기술의 상용화에 돌파구가 될 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 포항공과대학교 기초과학연구소의 지원으로 수행됐다.

화공 한정우 교수팀, 연료전지 상용화 걸림돌, 전기 만들 때 새어 나오는 골칫거리 스트론튬 잡았다

[고체산화물 연료전지 효율 높일 7가지 방법 공개] 올여름 폭염으로 전기 사용량이 급증하고, 전기자동차를 비롯한 일상 속 전자 기기 사용이 폭발적으로 늘면서 다양한 연료를 사용해 바로 전기로 전환 할 수 있는 연료전지 기술이 주목받고 있다. 그 중 고체산화물 연료전지는 전극과 전해질이 모두 고체로 이루어져 안정성이 높을 뿐만 아니라 수소뿐만 아니라 가스와 같은 다양한 연료를 직접 전기로 만들 수 있으며, 반대로 전기를 가스로도 변환할 수 있다는 장점이 있어 친환경 미래 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 고체산화물 연료전지는 일반적인 전기가 발전기와 같은 중간 장치를 통해 생산되는 것과 달리 수소와 산소를 직접 분해해 전기 에너지를 얻는다. 따라서 에너지 효율이 80% 정도인데, 이는 일반적으로 사용하는 발전 동력장치의 에너지 전환율이 40% 정도인 점을 생각하면 매우 높다고 할 수 있다. 하지만 고체로 만들어졌기 때문에 전기를 생성하는 반응을 위해서는 높은 온도를 필요로 하는 데다 고온에서 산소를 환원시키며 전자를 생성시키는 공기극에 변형이 생겨 산화물 표면에 스트론튬(Sr)이란 물질이 새어 나오면서 시간이 지날수록 전지의 성능이 크게 떨어지는 문제가 있어 상용화가 어려웠다. 화학공학과 박사과정 김경학씨, 한정우 교수팀은 KAIST 정우철 교수팀과의 공동연구를 통해 고체산화물 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 고질적인 문제점인 스트론튬이 나오지 않는 방법을 제안해 이 분야 연구자들에게 방향성을 제시할 수 있는 것은 물론 연료전지의 장기 안정성을 높일 수 있도록 했다. 이 내용은 셀(Cell)의 자매지인 에너지 분야 권위지 줄(Joule)에 게재되었다. 연구팀은 스트론튬이 새어 나오지 않아 높은 내구성을 가진 연료전지용 공기극 소재 개발을 위해 100여 편의 관련 논문리뷰와 자체 연구 결과를 바탕으로 스트론튬 석출 현상과 표면 편석현상의 근본적인 원인을 규명했다. 또 최적의 연료전지용 공기극 물질을 설계하기 위한 7가지의 방법론을 제시했다. 이 방법론이 실제로 적용되면 연료전지의 내구성을 향상할 수 있고 가격을 낮추고 전지 수명 증가에도 도움을 줄 것으로 기대된다. 또 고체산화물 연료전지를 연구하는 전 세계 연구자들에게 연구의 방향성을 제시할 수 있게 된 점도 의미가 있다. 이 기술이 상용화가 된다면 발전소, 전기자동차, 인공위성 비상전력 등 독립적이고 지속가능한 에너지 공급을 해야 하는 곳에 폭넓게 사용할 수 있으며 소규모로 적재적소에 설치할 수 있어서 송전 비용도 아낄 수 있다. 무엇보다 산소와 연료의 분해로 전기를 만들기 때문에 친환경적이다. 한정우 교수는 “고체산화물 연료전지는 친환경적이고도 고효율의 에너지 변환장치”라며 “열화현상으로 스트론튬이 석출되는 등 안정성 저하의 구체적 해결방안을 제시할 수 있게 돼 이를 통한 고체산화물 연료전지의 상용화가 기대된다.”고 밝혔다. 한편 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다.

POSTECH 출신 조원기박사, 유전자 발현 키 쥐고 있는 단백질 관찰 성공

[유전자 가위 기술과 광학현미경으로 메디에이터 단백질과 RNA 중합 효소Ⅱ 단백질 관찰] 암이나 유전병 등 고치기 힘든 난치병을 치료하기 위해선 유전자 발현 과정의 비밀을 밝히는 것이 중요하다. 살아있는 세포에서 유전자 발현 관련 단백질들을 직접 관찰하는 것은 과학자들의 오랜 숙제기도 하다. POSTECH 출신 물리학자가 유전자 가위 기술을 이용해 광학현미경으로 세포 본연의 순수한 단백질들을 실시간 관찰하는데 성공했다. 미국 MIT 물리학과 박사후연구원인 조원기 박사는 MIT 대학 연구팀과 함께 쥐 배아 줄기세포에서 유전자 가위 기술(CRISPR/Cas9 gene engineering)을 이용해 형광 분자들을 메디에이터(Mediator) 단백질과 RNA 중합 효소Ⅱ 단백질에 삽입해, 첨단 초고해상도 형광현미경 기술법을 이용해 관찰하는데 성공했다. 이 연구결과는 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)'에 7월 26일 자에 게재됐다. 여러 신체조직으로 분화할 수 있는 능력을 가진 미분화 세포를 줄기세포라고 부른다. 줄기세포가 다른 세포로 분화하기 위해선 특정 단백질이 발현돼야 하는데 이때 RNA중합효소Ⅱ 단백질이 가장 중요한 역할을 맡는다. RNA중합효소Ⅱ 단백질이 유전정보를 직접 읽고 RNA로 복사해주는 전사(傳寫)역할을 맡고 있기 때문인데 전사과정을 원하는 방향으로 조절해야 목표로 하는 세포로 분화할 수 있기 때문이다. 그리고 RNA중합효소Ⅱ단백질을 조절하는 단백질인 메디에이터가 있다. 두 단백질의 관계는 컴퓨터와 컴퓨터를 조종하는 사람과의 관계로 비유 할 수 있다. RNA중합효소Ⅱ단백질이 컴퓨터의 중앙처리장치 CPU 역할이라면 이를 조종하는 사람 역할을 맡고 있는 것이 바로 메디에이터 단백질 분자다. 이 두 단백질은 유전적인 영향을 미치는 단백질이기 때문에 자연 그대로 관찰해야 하지만 지금까지는 있는 그대로 관찰하지 못했다. 조 박사는 유전자 가위 기술을 이용해 형광 분자를 삽입해 첨단 초고해상도 형광 현미경 기술법으로 두 단백질을 실시간 관찰하는데 성공했다. 이 방법은 기존에 유전자 가위 기술로 원하는 유전자를 넣어서 관찰하던 방식이 아니라 자연 그대로 순수한 유전자를 관찰했다는 것에 더욱 의미가 있다. 관찰결과 세포 핵 내에서 특정 유전자가 발현되기 위해서는 유전자 주변에서 단백질이 뭉쳐서 군집을 형성하며, 이 단백질 군집들이 효율적인 유전자 발현을 위해서 세포 핵 내 주변 환경과 분리된 공간을 만든다는 것을 밝혀냈다. 또 단백질 군집이 뭉쳐져 있다가 활발히 발현되는 유전자와 상호작용 하는 것도 직접 확인해 흥미를 더했다. 연구를 주도한 조원기 박사는 “이번 연구는 줄기세포를 유전자 가위기술을 활용해, RNA 중합 효소 단백질과 메디에이터 단백질을 초고해상도 형광 현미경으로 실시간 관찰했다는 것에 의미가 있다”라며 “유전자 발현 조절에 대한 이해가 축적되면 유전병에 대한 질병 치료나 유전자 발현 조절에 필요한 약물 개발에 기여할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다.

철강 권세균 교수팀, 고엔트로피 합금의 금속소성이론 개발

[기가스틸 뛰어넘는 강하고 유연한 금속재료 가능] 북극항로를 이용하는 배나 깊은 바닷속 석유시추와 같은 해양플랜트에 사용되는 철강은 극한 저온과 충격에서도 견딜 수 있도록 추위에 매우 강해야 한다. 특히 강하면서도 부러지지 않고 압력을 받으면 부드럽게 휘어져야 부서지는 것을 막을 수 있는데, 기가스틸을 뛰어넘을 만큼 강하면서 유연한 합금개발이 POSTECH 연구팀에 의해 가능해질 전망이다. 철강대학원 권세균 교수와 스웨덴 왕립공과대학 레벤테 비토스(Levente Vitos) 교수 국제공동연구팀은 고엔트로피 합금에서 강도와 연성이 동시에 증가하는 현상을 금속소성이론으로 풀어내는 데 성공했다. 이 이론은 우리나라가 세계 최초로 상용화한 기가스틸(기존 알루미늄 대비 3배나 더 강하다는 초고강도강)보다 더 강하고 유연한 철강 개발은 물론 기존의 다양한 금속재료 연구에 바로 적용할 수 있다. 금속은 고대부터 사람이 가장 많이 사용하는 재료 중 하나다. 순수한 금속은 무르기 때문에 다른 원소를 첨가해서 단단하게 만들어 쓰게 된다. 대표적인 것이 철(Fe)인데 철에 탄소를 첨가하면 강철(스틸)이 돼 자동차, 선박, 건물 등의 구조물에 안정하게 사용할 수 있게 된다. 하지만 강하면 부러진다는 말이 있듯이 일반적인 금속 성질은 강하게 만들려고 할수록 충격에 약해지는 문제가 있다. 따라서 금속학계에서는 강하지만 부러지지 않고 늘어날 수 있는 재료를 만드는 것이 목표였다. 최근에 고엔트로피 합금이란 것이 제시되었는데, 여기서는 으뜸이 되는 원소에 소량의 다른 원소를 첨가하는 기존의 합금과 달리, 여러 가지 원소를 동시에 거의 같은 비율로 섞어 합금화한다. 이런 방법을 쓰면 앞서 알려진 합금보다 뒤섞임 무질서도가 크게 증가한 합금을 얻게 되는데, 여기에서 변형을 주자 더욱 강도와 연성이 크게 높아진 성질을 갖는 합금이 가능하다는 것을 발견했다. 하지만 무엇 때문에 고강도 고연성의 성질을 갖게 되는지는 알 수 없어 응용에 어려움으로 남아 있었다. 연구팀은 트위닝(twinning, 쌍정변형)이란 현상에 주목해 비밀을 푸는 데 성공했다. 합금은 금속원소들이 임의로 섞여 있는 것이 아니라 바둑판 같은 격자구조가 있고, 여기에 있는 점들에 원자들이 박혀있는 것과 같은 결정구조를 이루고 있다. 이때 밖에서 힘을 주면 결정구조가 뒤틀리게 되는데, 이 과정에서 거울을 보듯 같은 모습의 격자구조가 대칭으로 놓여있는 거울상 구조가 이끌려 나오도록 합금설계를 하면 고강도와 부드러움을 두루 갖출 수 있게 된다. 권세균 교수는 “고엔트로피 합금과 철강 재료에서의 보다 발전된 이해를 바탕으로 극한 저온과 같은 특수한 환경에서도 잘 견디는 금속 재료를 쉽게 만들어 내고 실용화할 수 있는 기술로 나아갈 수 있는 연구들이 더욱 활성화되기를 기대한다”라고 밝혔다. 한편 이 연구는 국제 학술지 네이쳐의 자매지인 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)를 통해 발표됐으며 한국연구재단 한·스웨덴 국제공동연구사업의 지원으로 수행됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 레이저를 비추면 정보가 드러나는 보안 디스플레이 개발

[일반 조명에선 반사 디스플레이, 레이저 비추면 홀로그램] 한 장의 도화지에 일반적으로 흔히 볼 수 있는 그림이 그려져 있다. 하지만 레이저를 비추면 그림과 전혀 다른 홀로그램이 그 뒤에 나타난다. 다시 레이저를 끄면 원래의 보통 그림으로 돌아오는데, 아무런 표시가 없기 때문에 홀로그램이 내장돼 있는지 육안으론 전혀 알 수 없다. 이 기술을 명품이나 지폐에 적용하면 진품을 쉽게 가려낼 수 있는데 영화 같은 이 기술은 홀로그램 내장 여부를 육안으론 식별할 수 없어서 위조 시도로부터 안전하다는 점에서 더욱 주목받는다. 기계·화학공학과 노준석 교수는 기계공학과 석·박사 통합과정 윤관호 씨, 기계공학과 박사과정 이다솔 씨, 서울대학교 재료공학부 남기태 교수와 함께 하나의 디바이스에 홀로그램과 반사형 디스플레이가 동시에 구현 가능한 메타표면을 제작하는 데 성공했다. 이 기술이 상용화된다면 홀로그램을 통한 보안이 한층 강화될 것으로 전망된다. 메타표면은 나노미터 수준에서 빛의 파장보다 작은 크기의 구조물을 배열해 만든 소자로 투명망토와 같은 신기한 현상을 구현 할 수 있다. 홀로그램 또한 메타표면을 응용한 기술로 기존의 공간 광 변조기 기반의 홀로그램 기술에 비해 높은 해상도와 넓은 시야각 등의 많은 장점이 있어서 차세대 디스플레이 기술로서 각광받고 있다. 하지만 메타표면 홀로그램 기술은 레이저를 기반으로 하기 때문에 태양광과 같은 일반적인 백색광 아래서는 작동하지 않는다는 문제점이 있었다. 연구팀은 레이저와 백색광 모두에서 서로 다른 그림으로 작동하는 이중 모드 메타표면을 구현해 냈다. 기존의 메타표면 기술은 홀로그램과 반사형 디스플레이 중 하나만 구현 가능했지만, 이 기술을 활용하면 두 가지를 동시에 구현할 수 있게 된다. 일반적인 조명 환경에서는 반사형 디스플레이로 작동하기 때문에 일반적인 그림 이미지로 보이지만, 레이저를 비추게 되면 기존의 그림과 전혀 다른 홀로그램이 드러난다. 노준석 교수는 “홀로그램과 반사형 디스플레이 모두 원하는 그림으로 구현할 수 있고 두 그림이 서로 영향을 미치지 않기 때문에 독립적으로 조절이 가능하다”라며 “레이저를 비추지 않는 한 무슨 홀로그램 이미지가 내장된 지 몰라 높은 수준의 보안 기술로 응용할 수 있다”라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 국제 학술지 ‘ACS 나노' 온라인 판에 발표됐으며, 한국연구재단의 선도연구센터사업(광 기계 기술 연구센터), 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단), 이공분야기초연구사업(전략연구), LG 디스플레이&서울대학교 인큐베이션 프로그램의 지원으로 수행됐다.

융합생명 김경태 교수, 신약재창출 기술로 대사성 질환 치료 효과 입증

[말라리아약이 당뇨병과 비만 치료제로?!] 70년 전에 개발된 말라리아약이 당뇨병과 비만을 치료할 수 있다는 놀라운 사실이 밝혀졌다. 당뇨병과 말라리아는 병의 원인이 서로 다르지만, 말라리아 약이었던 아모디아퀸(amodiaquine)이 당뇨, 비만과 같은 대사성 질환에도 효과가 있음이 신약재창출 기술을 통해 증명됐다. 이런 신약재창출 기술은 협심증 치료제였던 비아그라를 발기부전 치료제로 더 유명하게 만들었고, 고혈압치료제로 개발된 미녹시딜을 탈모치료제로 사용하게 만들었다. 융합생명공학부 김경태 교수는 ㈜노브메타파마 정회윤 박사와 함께 말라리아약 아모디아퀸이 2형 당뇨나 비만과 같은 대사성 질환 치료에 효과가 있다는 것을 밝혀냈다. 아모디아퀸은 아프리카 지역에서 계속 사용되고 있는 말라리아 치료제다. 인슐린에 반응하지 못하는 2형 당뇨병 환자는 인슐린 저항성을 개선시키기 위해 Peroxisome proliferator-activated receptors γ(PPARγ) 작용제인 티아졸리딘디온(TZD) 계열의 약을 사용한다. 이 기존 치료제는 치료 효과는 좋지만 체중 증가, 부종, 심부전과 같은 다양한 부작용의 단점을 지니고 있다. 연구팀은 미국식품의약국(FDA)의 승인을 받은 약물들을 대상으로 비만당뇨병 모델 쥐의 증상 개선 효능 실험을 진행한 결과, 아모디아퀸이 인슐린 저항성, 고지혈증 및 지방간 증상을 개선하는 것을 확인했다. 아모디아퀸은 당뇨병의 치료와 함께 기존 TZD 계열 당뇨병 치료제가 가지는 주요 부작용인 체중 증가와 동맥 경화의 원인을 효과적으로 차단한다는 것을 입증했다. 김경태 교수는 “신약재창출 기술을 활용해 효능 입증 후 바로 활용할 수 있는 약물을 찾았다는데 큰 의의가 있다”면서 “앞으로 2형 당뇨병과 비만, 고지혈증, 지방간과 같은 대사성 질환 치료에 응용할 수 있을 것” 이라며 기대감을 밝혔다. 이 연구는 내분비대사 분야의 세계적인 저널 ‘당뇨병, 비만과 대사’ (Diabetes, Obesity and Metabolism) 7월호의 표지 논문으로 발표되었으며, 대사성질환 전문 제약회사인 ㈜ 노브메타파마에(코넥스 상장기업) 기술 이전해 상용화에 박차를 가하고 있다.

기계 진현규 교수팀, 폴리-양이온 산화물(PCO) 개발로 청정에너지원 ‘수소’ 쉽게 생산한다

[친환경 수소생산 가능성 제시] 수소자동차, 니켈-수소전지 등 수소는 최근 청정에너지원으로 많은 분야에서 사용되고 있다. 뿐만 아니라 수소는 각종 연료물질 생산을 위한 원료로서도 매우 높은 부가가치를 지니고 있다. 현재 전 세계 수소 생산량의 90% 이상을 담당하는 스팀-메탄 개질 방법은 이산화탄소 배출량이 많아 문제가 되고 있다. 이에 대한 대안으로, 물을 분해해서 친환경적으로 수소를 생산하는 다양한 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 기술 중, 2단계 열화학적 물 분해 기술은 간단한 반응과정 및 대량생산에 적합한 장점으로 인해 각광받는 기술이지만, 그동안 고온에서만 반응이 일어나는 한계로 인해 상용화하기 어려웠다. 기계공학과 진현규 교수는 미국 스탠포드대학교 기계공학과 아룬 마줌다(Arun Majumdar) 교수팀, 스탠포드대학교 재료공학과 윌리엄 추에(Wiliam Chueh) 교수팀과의 공동 연구를 통해, 2단계 열화학적인 방법으로 수소를 만들 때 물 분해 반응온도를 획기적으로 낮춰 친환경적이고 경제적으로 수소를 생산할 수 있는 폴리-양이온 산화물(Poly-cation oxide, PCO)을 발견했다고 밝혔다. 연구팀은 2단계 열화학적 반응을 통해 촉매물질을 이용해서 물로부터 수소와 산소를 분리해 수소를 생산하는 방법에 주목했다. 이 방법의 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌은, 기존 촉매물질들을 사용할 경우 1400℃(도씨) 이상의 고온 환경이 필요하다는 것이었다. 연구팀은 물 분해 반응온도를 결정하는 데 물질 내부의 무질서도(엔트로피)가 중요한 역할을 한다는 점에 착안, 2단계 열화학적 물 분해 반응을 거치는 동안 무질서도가 크게 변화할 수 있는 폴리-양이온 산화물을 개발하였다. 폴리-양이온 산화물을 사용하면 이전보다 크게 낮은 온도인 1100℃ 미만에서도 물을 분해해서 수소를 생산할 수 있게 된다. 이렇게 되면 기존의 화학공정시설을 활용할 수 있어 대량생산에 용이하고 산업현장에서 쉽게 활용될 수 있을 전망이다. 폴리-양이온 산화물 아이디어를 최초로 제안하고 연구를 주도한 진현규 교수는 “2단계 열 화학적 물 분해 반응을 통한 수소 생산기술은 경제성 및 상용화 가능성에서 높은 평가를 받고 있음에도 불구하고 높은 온도를 필요로 했기 때문에 상용화가 늦어지고 있었다”며 “폴리-양이온 산화물의 발견으로 이산화탄소 발생 없는 수소 대량생산 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 에너지분야 국제 권위지인 에너지와 환경 과학(Energy and Environmental Science)을 통해 발표됐다.