Research

기계/생명/IT융합/융합 장진아 교수 연구팀, 3D 바이오프린팅으로 만든 위암 모델, 환자 맞춤형 항암치료의 새 시대 열까

[POSTECH · 美 잭슨랩, 위암 환자 약물 반응성 평가 및 예측하는 체외 플랫폼 개발] 기계공학과·생명과학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수 연구팀이 미국 잭슨랩 유전체의학연구소(The Jackson Laboratory for Genomic Medicine) 찰스 리(Charles Lee) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 암 환자의 약물 반응을 정확하게 예측할 수 있는 3D 위암 모델 개발에 성공했다. 이번 연구는 환자 조직의 특성을 유지하면서 각 환자에 따른 약물 반응을 평가하고, 예측할 가능성을 제시하며, 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. 암 치료의 가장 큰 난제는 ‘종양의 이질성’이다. 마치 동일한 레시피로 요리해도 맛이 다르게 나오는 것처럼 같은 암이라도 환자마다 종양의 특성이 달라 약물에 대해 전혀 다른 반응을 보인다. 현재까지는 암 조직을 동물 모델에 이식하여 약물 반응을 관찰하는 PDX*1 모델이나 암세포 유전자를 분석해 약물의 효과를 예측하는 방법이 주로 사용됐다. 하지만 이 방법들은 시간과 비용이 많이 들고, 모든 환자에게 적용하기에는 한계가 있었다. POSTECH·잭슨랩 유전체의학연구소 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 3D 바이오프린팅 기술을 이용했다. 연구팀은 환자의 위암 조직 조각, 위에서 유래한 탈세포화 세포외기질(ECM)*2 하이드로젤로 바이오잉크를 만들어 암세포와 주변 조직(간질세포) 사이의 상호작용을 재현했다. 또, 여기에 위 섬유아세포*3 를 함께 배양해 종양을 둘러싼 미세환경을 더욱 정교하게 구현했다. 연구팀의 3D 위암 모델은 환자 고유의 위 조직 특성을 유지하면서 기존 PDX 모델에 비해 암의 발생과 성장, 약물 반응 관련 유전자 발현 패턴이 실제 환자와 유사했으며, 항암제 효과 및 예후 예측 실험에서 높은 정확성을 보였다. 특히, 이 모델은 조직을 채취한 후 2주 이내에 신속한 평가가 가능하다는 장점이 있다. 장진아 교수는 ”이번 연구는 환자 맞춤형 치료법 개발은 물론 새로운 항암제와 병합요법의 효과를 검증하는 전임상 플랫폼으로도 활용될 수 있다는 점에서 의미가 크다“라고 전했다. 찰스 리 교수는 “이 모델은 암세포와 간질세포 간 상호작용을 정밀하게 재현해 약물 반응 정확성을 높이고, 효과가 없는 환자에 대한 불필요한 약물 사용을 줄이는 데 기여할 것”이라는 말을 덧붙였다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 STEAM연구사업 미래유망융합기술파이오니어, 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202411769 1. PDX(Patient-derived xenograft): 암 연구에서 자주 사용되는 모델로 환자에게서 채취한 암 조직을 면역력이 결핍된 쥐에게 이식하여 암의 성장과 약물 반응을 연구하는 방법이다. 2. 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM): 세포 외부에 존재하는 복잡한 구조물로, 세포들이 조직을 형성하고 기능을 수행할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 합니다. 3. 섬유아세포(Fibroblast): 결합 조직에서 중요한 역할을 하는 세포다. 주로 콜라겐, 엘라스틴, 그리고 다른 세포외기질(ECM) 구성 요소를 생성하여 조직의 구조와 강도를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

신소재 김종규 교수팀, “불가능을 가능으로” 물리학 법칙도 뚫은 POSTECH의 나노 혁명

[POSTECH 김종규·최시영 교수팀, 세계 최초 AA 구조 질화붕소 합성으로 나노 기술 새 역사 써] 스마트폰은 매년 더 얇고 가벼워지면서도 성능은 오히려 향상되고 있다. 이러한 발전을 지속하기 위해서는 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 혁신이 필요하다. 최근 POSTECH 연구팀은 과학계에서 ‘불가능’하다고 여겨졌던 원자 배열을 실현하며, 차세대 전자기기와 양자 기술을 위한 신소재 합성에 성공했다. 2차원 물질은 원자 한 층으로 이루어진 극도로 얇은 소재로, 두께가 종이 한 장보다도 1만 배 이상 얇다. 이 층들은 레고 블록처럼 다양한 방식으로 조립할 수 있는데 쌓이는 방식과 순서, 각도에 따라 전기적·광학적 특성이 크게 달라진다. 이러한 2차원 물질 중 ‘육방정계 질화붕소(이하 h-BN*1 )’는 전자 소자의 절연체나 광학 소자에 널리 쓰이는 중요한 소재로 쉽게 말해서 전자기기의 ‘절연 테이프’ 역할을 한다. 그런데 이 h-BN은 지금까지 <AA' 구조>(붕소와 질소가 교차 정렬된 형태)로만 적층이 가능하다고 알려져 있었다. 여러 층이 정확하게 겹치는 <AA 구조>(붕소 위에 붕소, 질소 위에 질소가 쌓이는 형태)는 같은 극을 가진 자석끼리 서로 밀어내듯 열역학적으로 매우 불안정해 유지될 수 없다고 여겨졌기 때문이다. POSTECH 연구팀은 이 ‘불가능’을 ‘가능’으로 바꾸었다. 그 핵심은 2인치 크기의 단결정 질화갈륨(GaN) 웨이퍼를 기판으로 사용하는 것이다. 기존 연구들은 주로 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 금속이나 사파이어 기판을 사용했으나, 연구팀은 질화갈륨 표면의 계단 구조를 ‘성장 가이드’로 활용해 h-BN이 일정한 방향으로 정렬되도록 유도하며 <AA 구조> 구현에 성공했다. 더욱 놀라운 점은 연구팀이 전자를 소량 도입하는 ‘도핑(doping)’ 기술을 통해 불안정하다고 여겨졌던 이 구조가 오히려 더 안정적이라는 사실을 밝혀냈다는 것이다. 이는 h-BN뿐만 아니라 2차원 반도체 물질의 적층에도 적용되어 양자 기술이나 차세대 초소형 전자기기 개발 연구에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 김종규 교수는 “대외부총장으로서 대학 행정과 연구를 병행하는 것은 결코 쉬운 일이 아니었지만, 이번 연구가 단순한 과학적 발견을 넘어 2차원 소재 산업화의 중요한 전환점을 마련할 것”이라며 연구자로서의 자부심과 함께 이번 성과의 의미를 강조했다. 문석호 박사는 "전하 도핑과 기판 계면 설계를 통해 원자층 적층 구조를 제어할 수 있다는 점을 실험과 이론으로 입증한 연구"라며, 연구의 중요성을 덧붙였다. 이번 연구는 신소재공학과 김종규 교수, 최시영 교수, 문석호 박사 연구팀, 프랑스 몽펠리에대 기욤 카사부아(Guillaume Cassabois) 교수 연구팀이 공동으로 수행했으며, 재료과학 분야 국제 권위지인 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’에 현지 시간으로 지난 19일 게재됐다. 한편, 이 연구는 교육부 글로벌박사펠로우십사업, 기초과학연구역량강화사업 (소재이미징 해석연구센터), 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노및 소재기술개발사업, 산업자원부 전자부품산업기술개발사업, 삼성전자 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02173-2 1. h-BN: hexagonal boron nitride

화학 이인수 교수팀, 분자들의 내비게이션, 화학 반응의 길을 안내하다

[POSTECH 이인수 교수팀, 원하는 화학 물질 정확하게 만드는 ‘똑똑한 촉매’ 개발] 우리가 낯선 도시에서 내비게이션 없이 운전하면 길을 잃기 쉬운 것처럼, 화학 반응에서도 분자들이 ‘길을 잃을’ 수 있다. 그런데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) 화학과 이인수 교수, Amit Kumar(아밋 쿠마) 연구교수, 박사과정 Sampathkumar Jeevanandham(삼파스쿠마르 지바난담) 씨 연구팀이 분자들을 정확한 경로로 안내하는 ‘분자 내비게이션’ 시스템 개발에 성공했다. 이번 연구는 저명한 과학 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 지난 2월호에 추가 표지(Supplementary Cover) 논문으로 게재됐다. 공장에서 물건을 만들 때 다양한 화학 반응이 일어난다. 그런데, 이때 분자들이 촉매에 무작위로 붙으면서 엉뚱한 방향으로 반응이 진행되면 원치 않는 물질이 만들어지기도 한다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자, 2D 실리카(silica) 나노 반응기 내에 구리(Cu)와 백금(Pt) 금속 나노결정을 포함하는 2D 하이브리드 촉매를 제조하고, 이를 활용하여 '리간드-다공성 쉘 협력 효과(Ligand-Porous Shell Cooperativity)‘라는 개념을 적용한 선택적 화학 반응을 구현했다. 이 촉매는 자동차의 내비게이션처럼 분자들에게 정확한 경로를 안내한다. ‘유기 리간드’는 반응에 참여하는 분자들에게 방향을 제시하는 역할을 하며, ‘실리카 쉘(shell)’은 물리적인 차선을 만들어 분자가 특정 경로로 이동하도록 제한한다. 이 '분자 내비게이션' 시스템은 의약품과 플라스틱, 화장품 등의 제조에 필수적인 화학 반응들에서 놀라운 정확도를 보였다. 알카인(alkyne)과 불포화 에스터(esther), 알데하이드(aldehyde), 니트로아렌(nitroarene)의 수소화(수소를 첨가하는) 반응에서 분자들은 내비게이션의 안내에 따라 원하는 목적지에 정확히 도달했다. 또한, 연구팀이 개발한 촉매는 효율성뿐만 아니라 지속가능성까지 갖췄다. 기존 촉매들은 여러 번 사용하면 성능이 떨어지는 경우가 많지만, 연구팀의 촉매는 반복적으로 사용해도 성능을 유지했으며, 비정질 실리카와 같은 저비용 재료로도 촉매를 대량 생산할 수 있다는 것도 큰 장점이다. 이인수 교수는 "이번 연구를 통해 촉매 설계의 효율성, 다목적성, 지속 가능성을 모두 아우르는 차세대 촉매 기술의 새로운 방향을 제시했다"라며, "플라스틱, 의약품, 화장품, 전자 소재 등 다양한 산업에서 고부가가치 화합물을 생산할 때 불필요한 부반응을 줄이고, 환경 오염도 줄일 수 있을 것"이라고 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13927

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, “쓱-” 테이프 한 장으로 메타표면 공정 난제 해결

[POSTECH 노준석 교수팀, 간단한 ‘테이프’ 기술로 메타표면 상용화 앞당길 방법 찾아] 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박유진 씨 연구팀이 차세대 디스플레이의 핵심 기술인 메타표면 상용화를 앞당길 신기술을 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 속표지(Inside front cover) 논문으로 현지시간으로 13일 게재됐다. 메타표면은 나노미터(머리카락 두께 약 10만분의 1) 규모의 인공 구조체를 이용해 빛을 자유롭게 제어하는 기술로, 증강현실(AR)·가상현실(VR), 고성능 광학 센서 같은 다양한 산업 분야에서 핵심적으로 활용되고 있다. 이러한 메타표면을 저비용으로 대량 생산하는 것은 여전히 해결해야 할 난제였다. 최근 고굴절률의 나노 입자가 포함된 경화성 레진으로 도장 찍듯 패턴을 형성하는 'PER-NIL*1 (입자 혼합형 레진 임프린트)' 공정이 주목받고 있다. 그러나, 이 공정에는 치명적인 문제가 있었다. 패턴 형성 후 기판에 남는 고굴절 잔막이 빛을 산란시켜 메타표면의 효율을 떨어뜨리는 것이다. 그런데 POSTECH 연구팀은 '테이프'라는 단순한 방법으로 이를 해결했다. 첨단 화학 공정인 플라즈마 에칭이나 스핀 코팅으로도 풀지 못했던 문제를 의외의 방식으로 풀어낸 것이다. 연구팀이 개발한 ‘테이프 보조 PER-NIL(Tape-assisted PER-NIL)’ 기법의 핵심은 잔막을 선택적으로 떼어낼 수 있게 테이프 접착력을 최적화하는 것이다. 다양한 접착력을 가진 테이프를 활용한 실험 끝에, 나노 구조체는 그대로 유지하면서도 잔막만 효과적으로 떼어내는 최적의 조건을 찾았다. 전자현미경(SEM)과 에너지 분광 분석(EDS)에서도 이 공정이 잔막 제거에 탁월환 효과가 있음을 확인했다. 특히 '구조색 메타표면'의 경우, 이 기술을 통해 더욱 선명한 색상을 구현할 수 있다. 기존에는 잔막이 빛과 공진을 일으켜 색이 탁해지는 문제가 있지만, 잔막을 완전히 제거함으로써 단일 반사 피크를 구현하고, 더욱 깨끗한 색을 표현할 수 있게 됐다. 또한, 홀로그램 같은 3D 이미지를 만드는 메타홀로그램 기술에도 이 방법을 적용하면, 잔막으로 인한 빛의 산란과 투과율 저하 문제를 해결해 훨씬 선명한 이미지와 영상을 얻을 수 있다. 이 기술의 가장 큰 장점은 공정 단순화와 대량 생산 가능성이다. 기존의 복잡한 화학적 처리 없이 간단한 테이프 접착만으로 고효율 메타표면 제작할 수 있어, 대량 생산에 적합한 ‘롤투롤(Roll-to-Roll)’ 방식의 공정에도 적용할 수 있다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “이번 연구는 잔막이 없는 고굴절의 메타표면을 복제한 최초의 사례로, 이를 통해 메타표면 기술이 실생활에 더욱 가까워질 것으로 기대된다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 포스코홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과기정통부/한국연구재단 중견연구자지원 사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 교육부 석사과정연구장려금 등의 지원으로 진행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202409371 1. PER-NIL(Particle-Embedded Resin Nanoimprint Lithography, 입자 혼합형 레진 임프린트): 고굴절률 나노 입자를 포함한 경화성 레진을 사용하여 나노 패턴을 형성하는 나노임프린트 리소그래피 기술이다.

기계/생명/IT융합/융합 장진아 교수팀, 3D 프린터로 당뇨 치료의 미래를 그리다

[POSTECH, 췌장 기능 재현한 혁신적 플랫폼으로 당뇨병 치료의 판도를 바꾼다] 기계공학과·생명공학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수, 시스템생명공학부 통합과정 김명지 씨 연구팀은 실제 췌장 조직에서 유래한 바이오잉크와 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 당뇨 치료를 위한 혁신적인 플랫폼 개발에 성공했다. 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 당뇨병은 혈당을 조절하는 췌장에 문제가 있을 때 발생하는 대사질환이다. 췌장에는 혈당을 낮추는 인슐린을 분비하는 '췌도세포'가 있는데, 이 세포를 치료 목적으로 만드는 것은 매우 어렵다. 줄기세포를 활용해 췌도세포를 만들 수는 있지만, 이 세포들이 실제 췌장이 있는 환경에서처럼 제대로 기능을 할 수 있도록 재현하는 데 한계가 있었기 때문이다. 췌도세포는 주변의 세포외기질*1 과 혈관세포 간 상호작용을 통해 인슐린 분비를 조절한다. POSTECH 연구팀은 실제 췌장 조직에서 유래한 세포외기질과 기저막 단백질(라미닌, 콜라겐 IV)을 포함한 바이오잉크(Peri-islet niche-like, PINE)를 만들고, 여기에 3D 바이오프린팅 기술을 이용해 ‘HICA-V(Human islet-like cellular aggregates and vasculature)’ 플랫폼을 제작했다. 이 플랫폼은 줄기세포로 만든 췌도세포와 혈관을 정밀하게 배치해 실제 췌장의 구조를 거의 완벽하게 모사했다. HICA-V 플랫폼에서 배양된 췌도세포는 인슐린과 결합단백질 발현이 증가하며 실제 췌도와 유사한 기능적 특성을 보였다. 또한, 당뇨병과 유사한 환경에서 염증의 유전자 발현이 증가하는 등 생체 내 병리적 반응을 효과적으로 재현했다. 이는 단순히 췌도세포의 성숙도를 높이는 데 그치지 않고, 당뇨병 치료제 개발 및 질환 연구에도 중요한 도구로 활용될 수 있음을 증명한 것이다. 연구를 이끈 장진아 교수는 “이번 연구에서 개발한 맞춤형 췌도세포 플랫폼은 실제 췌장 구조와 기능을 재현하여 인공 췌도세포의 성숙과 기능 향상에 기여할 것”이라며, “이 플랫폼이 당뇨병 연구 및 치료제 개발뿐만 아니라 췌도세포 이식 치료의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”라고 전했다. 한편, 이 연구는 보건복지부 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 범부처 재생의료기술개발사업, 산업통상자원부 산업기술알키미스트사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56665-5 1. 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM): 세포 외부에 존재하는 복잡한 구조물로, 세포들이 조직을 형성하고 기능을 수행할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 합니다.

친환경소재/신소재 박규영 교수팀, 충·방전에도 끄떡없는 배터리! ‘나노 스프링’에서 해답 찾았다

[POSTECH·삼성SDI·美 노스웨스턴대·중앙대, 나노 스프링 코팅으로 배터리 내구성·에너지 밀도 개선] POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀은 삼성SDI, 미국 노스웨스턴대(Northwestern university), 중앙대 연구팀과의 공동 연구를 통해 전기차 배터리의 수명과 에너지 밀도를 획기적으로 높일 기술을 개발했다. 이 연구는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 전기차 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 현재 기술에는 한 가지 큰 문제가 있다. 충·방전 과정에서 배터리 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생기고, 시간이 지나면서 성능이 급격히 저하되는 것이다. 이를 방지하기 위해 강도를 높이거나 보강재를 추가하는 방식이 연구되고 있지만, 근본적인 해결책이 되기에는 한계가 있었다. 이번 연구의 핵심은 탄성을 가진 구조를 설계할 수 있는 ‘나노 스프링 코팅’ 기술이다. 연구팀은 배터리 양극재 표면에 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 코팅을 도입해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수해 균열을 방지하고, 전극 수준에서도 두께 변화를 최소화해 전극의 안정성을 높였다. 이를 통해 배터리 내부 균열을 효과적으로 억제하고, 수명과 성능을 동시에 개선하는 데 성공했다. 이 기술을 활용하면 소량(0.5wt%, 중량백분율)의 도전재*1 만으로도 소재의 부피 변화로 인한 저항을 최소화할 수 있어 570Wh/kg*2 (와트시퍼킬로그램) 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있다. 또한, 1,000회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지하며 뛰어난 수명 특성을 보여준다. 특히, 연구팀의 기술은 기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉽다. 이를 통해 전기차 배터리의 에너지 밀도와 수명 한계를 극복하고, 보다 성능이 뛰어난 전기차 개발에 기여할 것으로 기대된다. 박규영 교수는 “이번 연구는 기존과 다른 접근으로 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 변형을 효과적으로 제어했다”라며, “이차전지 산업뿐 아니라 소재의 내구성이 중요한 여러 산업 분야에도 이 기술이 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라며 이번 연구의 의미를 전했다. 한편, 이번 연구는 삼성SDI, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 기초연구의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c14980# 1. 도전재(Conductive maetial): 활물질로 전자가 전달될 수 있도록 전극에 넣어주는 고 전도성 물질. 일반적으로 탄소 계열 물질이 사용되며, 종류로는, super P, CNT, graphene과 같은 종류들이 있다. 2. Wh/kg(Watt-hour per kilogram, 비 에너지 밀도): 배터리가 1kg당 저장할 수 있는 에너지(Wh)를 나타내는 단위로 배터리의 에너지 밀도를 나타낸다.

신소재/친환경소재 김형섭 교수팀, 극저온에서 더 강해지는 금속, 그 비밀은?

[POSTECH 연구진, 체심입방구조(BCC) 역할 규명... 차세대 극한 환경용 금속 설계 기대] 액체 질소에 담긴 꽃이 산산조각 나는 실험을 본 적이 있을 것이다. 대부분의 물질은 온도가 내려갈수록 쉽게 깨지고, 더 취약해진다. 하지만, 일부 금속 합금은 반대로 더 강해지는 현상을 보이는데, 최근 POSTECH 연구팀이 그 원리를 밝혀냈다. 우주선과 심해 잠수정 등 극한 환경에서 사용되는 장비에는 극저온에서도 견딜 수 있는 특수 금속이 필요하다. 여러 금속 원소를 혼합해 만든 '다원소 합금'은 온도가 낮아질수록 오히려 더 단단해지는 특성이 있는데, 이는 특정한 원자 배열인 ‘면심입방구조(이하 FCC)*1 ‘에 의한 것으로 알려져 있다. POSTECH 연구팀은 일본 J-PARC(양성자 가속기 연구소)와의 연구를 통해 새로운 사실을 발견했다. ’실시간 중성자 회절*2 ‘ 기술을 이용해 금속 합금 내부를 정밀하게 분석한 결과, 알루미늄(Al)과 코발트(Co), 니켈(Ni), 바나듐(V)으로 구성된 합금에서 FCC뿐만 아니라 ’체심입방구조(이하 BCC)*3 ‘도 극저온에서의 강도 향상에 큰 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. FCC는 온도가 낮아질수록 원자 배열이 변화하면서 강도가 높아지는 반면, BCC는 ’미끄러짐을 방해하는 힘(Peierls-Nabarro barrier)*4 ‘을 통해 금속의 강도를 높인다. 연구팀은 BCC의 미끄러짐 저항이 온도에 특히 민감하게 반응하며, 이 온도 민감성이 극저온에서 더 효과적으로 작용해 금속이 강해지는 원리를 규명했다. 지금까지는 극저온에서 FCC의 변형이 더욱 뚜렷하게 관찰되어 FCC가 주된 역할을 한다고 여겨졌으나, 이번 연구를 통해 BCC의 온도 의존성이 훨씬 더 크다는 사실이 밝혀진 것이다. 김형섭 교수는 “이번 연구는 심해 탐사 장비와 같은 극한 환경에서 사용될 차세대 금속 소재 개발 연구에 중요한 방향성을 제시했다”라며, “특히, 최근 주목받고 있는 화성 탐사와 달 기지 건설과 같은 우주 산업과 알래스카에 신설할 천연가스 파이프라인의 기초가 될 것”이라고 전했다. 또, “온도에 민감한 BCC 비율을 조절하면 다양한 온도에서 최적의 성능을 내는 맞춤형 합금 설계가 가능할 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 POSTECH 신소재공학과 · 친환경소재대학원 김형섭 교수, 통합과정 구강희 씨, 친환경소재대학원 허윤욱 · 조중욱 교수팀이 일본 J-PARC 스테파누스 하르조(Stefanus Harjo) · 우공(Wu Gong) 박사 연구팀과 함께 수행했으며, 연구 결과는 금속 소재 공학 분야에서 권위 있는 국제 학술지인 ’Journal of Materials Science and Technology‘ 저널에 게재됐다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 김형섭 교수와 함께 연구를 주도한 포항공과대학교 통합과정 구강희 씨는 한국연구재단에서 추진하는 학문후속세대 펠로우십의 지원을 받아 연구를 수행하였다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.057 1. FCC(face-centered cubic): 정육면체의 꼭짓점과 각 면의 중심에 원자가 배치된 구조를 말한다. 2. 실시간 중성자 회절(Real-time Neutron Diffraction): 중성자 빔을 이용해 물질 내부 원자 배열과 구조 변화를 실시간으로 분석하는 기법이다. 3. BCC(body-centered cubic): 정육면체의 꼭짓점과 중심에 원자가 배치된 구조를 말한다. 4. Peierls-Nabarro barrier(페이얼스-나바로 장벽): 결함이 없는 결정 격자 내에서 격자 저항을 극복하고 전위 이동에 필요한 응력으로, 재료에 따라 정의되는 본질적인 값이다.

POSTECH 안용주·김철홍 교수팀, 뇌줄중, 빛과 소리로 실시간 모니터링하다

[POSTECH, 혁신적 광음향 기술로 뇌졸중 초기 혈관 변화 관찰 성공] 매년 수백만 명이 뇌졸중으로 사망한다. 뇌혈관이 막히는 순간부터 시작되는 시간과의 싸움에서 승리하기 위해 POSTECH 연구팀이 빛과 소리를 결합한 첨단 기술로 새로운 돌파구를 열었다. 뇌졸중은 전 세계적으로 두 번째로 흔한 사망 원인이다. 특히 허혈성 뇌졸중은 뇌에 혈액을 공급하는 혈관이 막혀 발생하는데, 치료가 늦어지면 뇌 조직 손상이 가속화되어 회복이 거의 불가능해진다. CT나 MRI 같은 기존 기술들은 초기 혈관 변화를 실시간으로 포착하는 데 한계가 있었고, 동물 모델 연구는 관찰 범위와 효율성 측면에서 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 POSTECH 연구팀은 빛과 초음파(소리)를 결합한 ‘광음향 컴퓨터 단층 촬영(이하 PACT*1 )’ 기술을 개발했다. 연구팀은 선형과 회전 스캔을 결합한 복합 스캔 방식을 적용해 여러 각도에서 얻은 이미지를 하나로 합성했다. 이는 마치 여러 방향에서 사진을 찍어 입체적으로 재구성하는 것과 같은 원리다. 이 기술을 이용해 연구팀은 허혈성 뇌졸중 초기 단계에서 소동물 뇌혈관 변화를 비침습적으로 실시간 모니터링하며, 넓은 영역의 혈관 변화를 정밀하게 분석하는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 근적외선 영역 다파장 광음향 이미징을 활용해 헤모글로빈을 비침습적으로 관찰하고, 혈관별 산소포화도를 실시간으로 측정하는 알고리즘도 개발했다. 이를 통해 허혈성 병변뿐만 아니라 측부 혈류와 신생 혈관의 변화까지 정밀하게 모니터링할 수 있게 되었다. 이는 기존의 병리조직 검사와 비교해 신뢰성을 입증한 결과로, 연구팀이 새로 개발한 PACT 시스템이 뇌졸중 후 혈관 회복 과정을 효과적으로 추적할 수 있음을 보여주었다. POSTECH 연구팀은 “이번 연구의 가장 큰 성과는 조영제 없이도 혈류 변화를 정밀하게 관찰할 수 있게 된 것”이라며, “뇌졸중 치료 연구뿐만 아니라 다양한 신경·혈관 질환 연구에도 새로운 실험적 접근법을 제공할 것”이라고 전했다. 이번 연구는 POSTECH IT융합공학과 · 융합대학원 안용주 교수, 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, IT융합공학과 통합과정 김지웅 씨, 융합대학원 통합과정 권주영 씨, 인공지능연구원 박사후연구원 최성욱 씨(現 미국 스탠포드대 박사), IT융합공학과 통합과정 전현서 씨, 기계공학과 통합과정 성민식 씨 연구팀과 중국과학원(Chinese Academy of Sciences) Chengbo Liu씨, Rongkang Gao씨 연구팀이 수행했으며, 과학 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 BK21 FOUR 사업, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원 주관 ICAN 프로그램, 한국의료기기산업협회 의료기기산업 육성사업 지원, 보건복지부 재원으로 한국보건산업진흥원이 지원하는 보건의료 기술연구개발사업, 글로컬 대학 30 프로젝트, 현대자동차 정몽구 재단의 재정적 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202409361 1. 광음향 컴퓨터 단층 촬영(PACT) : 레이저 빛과 초음파를 결합하여 조직의 구조와 기능을 고해상도로 비침습적으로 실시간 관찰하는 이미징 기술이다.

전자/반도체 정윤영 교수팀, 집에서도 OK! 웨어러블 센서로 실시간 뇌 건강 진단

[POSTECH·스위스 공동 연구팀, AI 결합한 피부 부착형 센서로 일상 속 정밀 모니터링 실현] 세계보건기구(WHO)에 따르면 '중풍'으로도 불리는 뇌졸중은 전 세계 사망원인 2위에 해당하는 치명적인 질환이다. 치료 후에도 심각한 후유증과 높은 재발률로 환자들은 일상생활에 큰 어려움을 겪는다. POSTECH(포항공과대학교) · 스위스 재활센터 공동 연구팀이 뇌졸중 후유증 관리의 새로운 해결책을 찾았다. 전자전기공학과 정윤영 교수, 박사과정 송용훈 씨, 윤인열 연구원(現 삼성전자) 연구팀은 스위스 루체른 연구소(Lake Lucerne Institute, LLUI), 세레네오 연구센터(cereneo Center for Interdisciplinary Research, CEFIR)와의 공동 연구를 통해 뇌졸중 후유증을 실시간 모니터링하고 정량적으로 평가할 수 있는 피부 부착형 센서 시스템을 개발했다. 이번 연구는 디지털 헬스케어 분야의 저명 국제 학술지인 ‘npj 디지털 메디슨(npj Digital Medicine)’에 최근 게재됐다. 뇌졸중은 뇌혈관이 막히거나 터지면서 발생하는 심각한 질환으로, 생명을 위협할 뿐 아니라 음식물을 제대로 삼키지 못하는 ‘연하곤란*1 ’이나 발음이 불분명해지는 ‘구음장애*2 ’ 등의 후유증을 남긴다. 기존 뇌졸중 후유증 평가는 병원에서 의료진이 직접 검사하는 방식으로 이는 환자의 일상 속 변화를 지속적으로 추적하기 어려운 한계가 있다. 연구팀이 개발한 ‘유연 피부 부착형 목 진동 센서(Soft Skin-Attachable Throat Vibration Sensor, STVS)’는 목 피부에 밀착되어 주변 소음의 영향을 전혀 받지 않고, 말하기, 삼키기, 기침 등의 뇌졸중 후유증과 관련된 신호를 일상 생활에서 정밀하게 감지한다. 특히, ‘구불구불한(serpentine) 구조’를 적용해 센서가 피부에 자연스럽게 밀착되어 움직임에 대응할 수 있는 유연성과 내구성, 부착성을 극대화했다. 그 덕분에 걷거나 뛰는 등의 활동 중에서도 센서가 안정적으로 부착되어 지속적인 데이터 측정이 가능하다. 실험 결과, 이 센서는 기존 웨어러블 센서에 비해 ‘신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR)*3 ’가 3배 이상 향상되는 등 수집하는 데이터의 감도를 크게 높일 수 있었다. 또한, 연구팀은 인공지능(AI) 기반의 ‘앙상블(ensemble) 분류 모델’을 개발하여 센서에서 수집된 데이터가 자동으로 분석되도록 했다. 삼키기, 기침, 말하기, 헛기침 등의 뇌졸중과 관련된 여러 동작들이 전문 의료진의 도움 없이 정확하게 측정, 구별되고 이를 바탕으로 수준 높은 의료 평가를 진행할 수 있게 된 것이다. 실제 임상 환경에서의 효과도 검증됐다. 스위스 뇌졸중 재활센터에서 한국어, 영어, 프랑스어, 독일어, 스페인어의 다섯 가지 언어를 사용하는 여러 참가자들을 대상으로 한 실험에서 96% 이상의 높은 활동 분류 정확도를 보였으며, 일상적인 움직임 속에서도 안정적인 성능을 유지해 실생활 적용 가능성을 입증했다. 정윤영 교수는 “웨어러블 센서와 AI 기술의 융합으로 뇌졸중 후유증을 일상에서 모니터링할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다”라며, “다양한 언어와 환경에서도 높은 정확도와 안정성을 입증한 이 기술은 향후 여러 신경계 질환의 진단과 맞춤형 치료에도 크게 기여할 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 한국연구재단의 시스템반도체융합전문인력육성사업과 BRIDGE 연구사업, 정보통신기획평가원의 인공지능대학원 사업, BK21 사업의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41746-024-01417-w 1. 연하곤란 : 음식물이나 액체를 삼키기 어려운 상태로, 신경근 기능 이상이나 근육 약화로 인해 발생한다. 2. 구음장애 : 발음을 정확히 하지 못하는 상태로, 신경 손상이나 근육 조절 이상으로 인해 발생한다. 3. 신호 대 잡음비 : 원하는 신호와 잡음의 비율로, 값이 높을수록 신호가 더 선명하게 감지됨을 나타낸다.

화공/배터리공학 김원배 교수팀, “커피 한 잔 마시는 사이 완충“ 전기차 급속 충전 시대 열릴까

POSTECH, 불소화 탄소 계면층 기술로 고속 충전·고용량 배터리 음극재 개발 긴 충전 시간 때문에 전기차 구매를 주저한 적이 있는가? 그런데 만약, 커피 한 잔 마시는 사이에 충전이 다 된다면 어떨까? POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 개발한 새로운 음극재 기술이 바로 그 해답이 될지도 모른다. 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수와 화학공학과 강송규 박사 연구팀은 ‘망간(Mn)-철(Fe) 산화물’ 음극재에 고극성의 불소화 계면층을 도입하여 고용량과 안정성을 갖춘 혁신적인 음극 소재를 개발했다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 재료공학 분야 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 앞표지(Front Cover) 논문으로 최근 게재됐다. 전기차 시장이 급성장하면서 높은 용량과 안정성을 갖춘 배터리를 위해 ‘강자성 전환 음극재’가 주목받고 있다. 이 음극재는 배터리 충·방전 과정에서 금속 산화물이 나노 크기의 강자성 금속으로 변환되며 일반 음극재에 비해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 이론 용량을 뛰어넘는 고에너지밀도 배터리를 구현할 잠재력이 있지만 강자성 전환 음극재는 비가역적 용량 손실, 불안정한 계면 형성, 낮은 전도도 등의 여러 한계를 안고 있다. 김원배 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 갈바닉 치환 반응*1 을 이용해 망간(Mn)-철(Fe) 이종 산화물을 합성한 후 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF*2 )로 용액상 코팅을 진행하고, 탄화 과정*3 을 통해 고극성의 ‘불소화 탄소 계면층’을 만들었다. 이 소재는 불소의 강한 전기적 특성을 이용해 표면 극성을 높이고, 이를 통해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 또한, 강자성 전환 반응에서 발생하는 ‘스핀-분극화된 커패시턴스(spin-polarized capacitance)*4 ’를 극대화해 소재의 이론 용량을 초과하는 높은 용량을 구현한다. 그뿐 아니라 플루오린화 리튬(LiF)이 풍부한 고체 전해질 계면(SEI)을 실시간으로 형성해 전극 내 이온과 전자 전달을 촉진하고 내구성을 강화하며, 부피 변화로 인한 응력도 효과적으로 완화했다. 그 결과, 약 3분 이내의 급속 충전 조건에서도 상용화 음극재 대비 최소 140% 이상 향상된 성능을 보였으며, 300번의 급속 충·방전 사이클 후에도 92% 이상의 용량 유지율을 기록하며 안정성도 확보하는 데 성공했다. 이번 연구를 이끈 김원배 교수는 “고극성 계면 제어 기술을 통해 고에너지밀도 음극재의 한계를 극복하고, 새로운 접근법을 제시했다”라며, “이번 연구는 전기차의 주행거리, 내구성, 충전 속도를 모두 향상시킬 중요한 기술적 기반이 될 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 선도연구센터(ERC), 중견연구자지원사업 및 첨단산업특성화대학원지원(배터리) 사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202408986 1. 갈바닉 치환 반응(galvanic replacement reaction): 고체 금속이 다른 금속 이온과 접촉할 때, 전자가 이동하여 한 금속이 다른 금속 이온으로 대체되는 반응이다. 2. PVDF: Polyvinylidene Fluorid 3. 탄화 과정: 유기 물질이나 고분자를 열처리하여 그 구조에서 수소와 산소를 제거하고, 주로 탄소로 구성된 고체 형태의 물질로 변환하는 과정이다. 4. 스핀-분극화된 커패시턴스(spin-polarized capacitance): 전극의 전자 구조가 리튬 이온 저장 능력에 영향을 미치는 방식을 의미합니다. 이 현상은 전자의 스핀 상태가 전극의 전기적 특성과 상호작용하여 전하 저장 능력을 증가시키는 역할을 한다.