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  • 신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 신호탄 제시

    약학과 김인수 교수

    신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 신호탄 제시

    약학과 김인수 교수 연구팀(제1저자 Prithwish Ghosh 박사후연구원, 공동 제1저자: 권나연 석박사통합과정)이 항바이러스 의약품 내 핵심구조로 알려져 있는 뉴클레오시드 유사체(nucleoside analogues)를 선택적으로 변환시키는 합성기술을 개발하여 신규 항바이러스 의약품 개발을 위한 청신호를 제시하였다. 이번 연구결과는 화학 분야 세계적 학술지 Angewandte Chemie(IF=12.959) 온라인판 9월호에 게재되었다. 뉴클레오시드 유사체는 DNA와 RNA의 근간이 되는 인산, 당, 염기를 변형시켜 DNA 또는 RNA와 구조적으로 유사하도록 만든 의약품으로, 바이러스 세포에 흡수되어 유전체 합성을 제어할 수 있는 특성을 가지고 있어 항바이러스제로 사용하고 있다. 현재까지 20개 이상의 뉴클레오시드 유사체가 헤르페스(HSV), 에이즈(HIV), B형/C형 간염(HBV/HCV) 등의 바이러스 감염질환 치료에 활용되고 있으며, 특히 신종 코로나바이러스(COVID19) 치료제로 각광받고 있는 렘데시비르(remdesivir) 약물도 뉴클레오시드 유사체로 알려져 있다. 연구팀은 이번 연구를 통해, 손쉽게 활용이 가능한 황 일라이드(sulfur ylides)를 활용하여 뉴클레오시드 유사체 내 핵염기(nucleobase)를 선택적으로 알킬화(alkylation)시키는 합성법을 세계 최초로 개발하였다. 기존에 보고된 핵염기의 알킬화 합성법은 유기용매하에서 적용, 낮은 화학반응성 및 여러 단계를 거쳐야하는 복잡한 공정 때문에 의약품 생산을 위한 추가적인 생산비용 발생 및 대량생산으로의 제약이 있었다. 황 일라이드는 노벨화학상 수상자인 코리(E. J. Corey) 교수가 1960년에 개발한 시약으로, 삼각고리 화합물 제조에 국한되어 활용되어 왔다. 김인수 교수 연구팀은 뉴클레오시드 유사체를 알킬화하기 위한 효과적인 시약으로 황 일라이드의 중요성을 부각시키는 계기를 만들었으며, 물 또는 알코올이 반응 용매로 사용되어 의약품 생산 비용을 저감할 수 있는 획기적인 합성법으로 평가받고 있다. 김인수 교수는 “이번 연구결과는 탄소-수소 결합의 직접적인 변환반응을 위한 황 일라이드의 새로운 반응성 발견”이라며 “특히 신종 코로나바이러스로 고통 받고 있는 인류에게 항바이러스 의약품 개발을 촉진하는 새로운 신호탄을 제시한 연구이며, 기존 다단계의 합성공정에 기반한 뉴클레오시드 유사체 제조방법을 획기적으로 개선한 최적의 합성법이다”라고 설명했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL), 중견연구자지원사업 및 신/변종 바이러스 대응 원천기술 개발 사업의 지원으로 수행되었다. ○ 녹색 선 위 그림 : 황 일라이드(sulfur ylide)에 의해 뉴클레오시드 유사체 내 핵염기 탄소-수소 결합이 알킬기로 치환되는 반응을 나타내는 반응식 ○ 녹색 선 아래 그림 : 핵염기에 활용되고 있는 피라지논(pyrazinones) 및 아자유라실(azauracil)과 황 일라이드를 물 용매 하에 반응했을 경우 기존에 알려져 있는 삼각고리 화합물이 생성되는 것이 아니라 핵염기에 알킬화 반응이 진행된다는 것을 제시한 반응식임. 반응 기전 a는 노벨화학상 수상자인 코리 교수가 제시한 합성법이며, 반응 기전 b는 본 연구를 통해 찾아낸 신규 합성법임. 반응 기전 a와 b의 경로를 조절하기 위해서는 반응 기질, 반응 시약, 용매 및 온도 등의 외부적인 환경 요인이 매우 중요함을 제시함. 영문으로 제시한 4개의 문장은 화학반응의 독창성 및 우수성을 요약한 것임

  • 트라우마, 재난심리지원... 코로나 바이러스의 심리사회적 영향 연구들

    교육학과 이동훈 교수

    트라우마, 재난심리지원... 코로나 바이러스의 심리사회적 영향 연구들

    우리 삶에는 잠재적인 재난의 위험이 항상 도사리고 있다. 지진, 태풍, 쓰나미 등과 같은 자연재해 뿐만 아니라 문명이 발달함에 따라 증가하는 사회적 재난도 우리의 목숨을 위협하고 있다. 최근에 우리는 상상하지 못한 바이러스의 팬데믹까지 경험하고 있다. 이러한 재난들은 막대한 인명피해와 재산 손실, 실직 등 물질적, 경제적인 피해뿐만 아니라, 재난 피해자들에게 개인의 삶을 뒤흔들 정도의 위협적인 사건으로 남아 사회적 기능 및 정신․심리적인 기능에 문제를 야기할 수 있다. 교육학과 이동훈 교수(외상심리건강연구소 소장) 연구팀은 2014~2016년까지 안전행정부 <재난분석을 통한 심리지원 모델링 개발> R&D를 수행한 이후로 대규모 재난이 발생했을 때 국가차원의 심리지원 방안수립과 관련된 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 2019년부터는 삼성서울병원 정신건강의학과 전홍진교수 연구팀과 <성인 및 고위험 대학생에 대한 자살 고위험군 선별 및 평가도구의 적용 및 효과검증> 보건복지부 정신건강문제해결 연구사업(3년과제)에 참여하고 있다. [1] ‘OMEGA - Journal of Death and Dying‘(SSCI), 2020. 8월 9일 “A Longitudinal Perspective on Bereaved Parent’s Changes in Life Experience” (김예원, 이동훈, 전홍진) · 트라우마를 경험한 개인들은 극심한 심리적 고통과 두려움을 경험하게 되면서 자신의 삶에 대한 예측과 통제감을 상실하고, 특히 자기에 대한 변화되는 느낌을 갖게 된다. · 연구결과는 재난으로 자녀를 잃은 부모들은 다른 종류의 상실 경험보다 더욱 강력하고 지속적인 비애반응과 정신건강의 어려움을 경험할 뿐만 아니라, 슬픔으로 인한 부정적인 영향으로부터 장기간 회복되지 못할 수 있음을 시사하고 있다. 재난 피해자들에 대한 심리지원이 재난 초기뿐 만 아니라 이후 몇 년이 지난 시점에도 지속되어야 할 필요성이 있음을 밝히고 있다. [2] 한국심리학회지: 상담 및 심리치료, 2020.11월 30일 출간 예정 <코로나바이러스(COVID-19) 감염에 대한 일반대중의 두려움과 심리, 사회적 경험이 우울, 불안에 미치는 영향> (이동훈, 김예진, 이덕희, 황희훈, 남슬기, 김지윤) · 2016년 한국심리학회지: 일반에 '메르스 감염에 대해 일반대중이 경험한 두려움과 정서적 디스트레스에 관한 탐색적 연구'(이동훈, 김지윤, 강현숙) 논문을 게재한 바 있는 이동훈 교수 연구팀은 코로나와 같은 전염성 사회 재난이 일반대중에 미치는 심리사회적 영향을 살펴보고, 신종 전염병이 대중들의 부정적 심리 경험에 영향을 미치는 다양한 원인을 파악하고자 하였다. · 본 연구에서는 국내에서 메르스(MERS)를 비롯하여 사스(SARS), 신종 인플루엔자 A(H1N1) 등 전염성 질환이 지속적으로 발생해왔지만, ‘기술적 방역’과 더불어 ‘심리적 방역’을 병행해야 일반국민의 두려움과 공포, 불안과 우울을 줄일 수 있음을 밝히고 있다. · 신종 전염병의 유입을 막는 것은 불가능하고 언제든 다시 발생할 수 있기에, 추후 발생할 수 있는 전염성 사회재난에 대응할 수 있는 국가적 차원의 심리사회적 방역 방안 마련이 필요함을 제시하고 있다. ※ 언론 참고자료 - 코로나연구 1. 동아일보 https://www.donga.com/news/It/article/all/20200908/102839839/1 2. 연합뉴스 TV https://www.yonhapnewstv.co.kr/news/MYH20200906003600038 https://www.yna.co.kr/view/AKR20200905044100004 3. 매경 https://www.mk.co.kr/news/society/view/2020/09/918328/ - 메르스 연구 1. https://news.joins.com/article/23720342 [출처: 중앙일보] 코로나 스트레스로 공황까지…대구에 ‘심리적 방역’ 절실 2. http://biz.heraldcorp.com/view.php?ud=20160714000138 코리아 헤럴드 경제

  • 나노기술을 이용한 중증 코로나바이러스 감염증-19 및 패혈증 치료 후보 물질개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수

    나노기술을 이용한 중증 코로나바이러스 감염증-19 및 패혈증 치료 후보 물질개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박천권 교수 연구팀은 국내 공동 연구팀 (이원화 박사, 한국생명공학연구원; 안준홍 교수, 영남대학교병원; 박희호 교수, 강원대학교; 박우람 교수, 가톨릭대학교)과 함께 코로나19(COVID-19) 및 패혈증(sepsis) 환자의 중증도를 선별할 수 있는 바이오마커를 발견하고, 이를 활용한 나노재료 기반 범용 치료 후보 물질을 개발하였다. 2020년 한국을 포함한 전세계적인 코로나19 유행으로 현재까지 3200만명이 넘는 감염자와 100만명이 넘는 사망자가 발생하고 있다. 코로나19 감염은 과염증 반응을 일으켜 국소 및 전신 조직 손상을 초래할 뿐만 아니라, 경증 호흡기 질환에서 중증 진행성 폐렴, 급성 호흡기 증후군 및 패혈증 같은 합병증을 유발한다. 현재 코로나 바이러스에 대항하는 백신이나 뚜렷한 치료법이 없으며, 중증으로 악화되거나 사망하는 환자들을 예측할 수 있는 바이오마커도 없는 실정이다. 박천권 교수 연구팀은 중증 코로나 환자의 혈액에서 NETosis (네토시스 현상; 비정상적으로 활성화된 호중구로 인한 과염증반응으로 세포가 사멸되는 과정이며, 폐혈증과 같은 여러 합병증을 유발함) 관련 인자들이 정상인과 코로나19 경증 환자에 비해 매우 높게 발현되었음을 발견하였고, 이를 억제할 수 있는 체내 DNase-Ⅰ의 농도가 매우 낮음을 확인하였다. 연구팀은 오징어 먹물의 주성분인 ‘멜라닌’의 우수한 생체적합성과 접착특성에 착안하여 체내에서 장시간 혈중 순환이 가능한 나노입자을 제작하였으며, NETosis의 주성분인 DNA를 분해하는 생체분자DNase-Ⅰ을 멜라닌 나노입자 표면에 접착시켜 NETosis를 억제하고 장기간 치료효과를 보일 수 있는 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자를 제작하였다. 박천권 교수 연구팀은 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자가 혈중에서 장시간 약효가 유지됨을 확인하였으며, 또한 중증 코로나 바이러스 환자의 혈액샘플과 패혈증 동물모델에서DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자를 투여하는 것이 DNase-Ⅰ 단독 투여보다 유의미한 차이를 보이며 NETosis를 억제함으로서 과염증 반응을 낮춰 전신 염증을 완화하고 사망률을 낮추는 것을 확인하였다. 이를 통해 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노입자가 중증 코로나 바이러스 환자의 NETosis 현상을 억제하여 급성 호흡기 증후군, 폐렴, 패혈증으로의 진행을 예방하는데 도움이 되며, 코로나 바이러스 치료에 큰 효과를 보일 수 있다는 점을 밝혔다. 박천권 교수 연구팀은 개발된 DNase-Ⅰ이 코팅된 생체적합성 멜라닌 나노치료제를 코로나 바이러스의 감염 증상을 잠재적으로 치료할 수 나노입자 기반 신약으로 발전시켜 적용하는 것이 향후 계획이라고 밝혔다. Published article: Park, H. H., Park, W., Lee, Y. Y., Kim, H., Seo, H. S., Choi, D. W., Kwon, H.-K., Na, D. H., Kim, T.-H., Choy, Y. B., Ahn, J. H.,* Lee, W.,* Park, C. G.*, Bioinspired DNase-I-coated melanin-like nanospheres for modulation of infection-associated NETosis dysregulation, Advanced Science, accepted, 2020 (그림 1) DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자 제작 및 생체 적용 모식도 (a) 삼중 코팅법에 의해 제작된 DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자 의 구조. (b) 제작된 DNase-Ⅰ이 코팅된 멜라닌 나노입자가 코로나19 중증 환자의 폐에서 NETosis를 억제시켜 패혈증 진행을 억제하고 코로나19를 치료하는 과정

  • 인간 뇌 신경세포처럼 동작하는 인공지능(AI) 반도체 시냅스 소자 개발

    전자전기공학부 박진홍 교수 ·서승환 연구원 ·오세용 연구원

    인간 뇌 신경세포처럼 동작하는 인공지능(AI) 반도체 시냅스 소자 개발

    [1] Nature Communications 8월 7일 (IF: 12.121); 선형적이고 대칭적인 장기 기억 강화 및 약화 특성을 갖는 시냅스 모방 반도체 소자 제조 기술 개발; Artificial Van der Waals Hybrid Synapse and its Application to Acoustic Pattern Recognition; 서승환(1저자)/박진홍 교수(교신저자) [2] Nature Communications 9월 14일 (IF: 12.121); 수직 이온-젤 트랜지스터를 이용해 크로스바 어레이로 확장 가능한 인공 시냅스 소자 개발; Vertical Organic Synapse Expandable to 3D Crossbar Array; 오세용(1저자)/박진홍 교수(교신저자) 인간 두뇌의 학습 원리를 모방한 뉴로모픽 칩은 대량의 정보를 병렬적으로 처리하여 소비 전력을 최소화하고, 학습을 통하여 자신의 연산 기능을 향상 시킬 수 있어 차세대 정보처리 칩으로 각광받고 있다. 특히 최근 뉴로모픽 칩의 병렬 정보처리와 학습 능력 구현에 필수적인 시냅스 모방 반도체 소자에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 연구팀은 [1]번 연구에서 선형적인 장기 기억 ‘강화’에 적합한 ‘P형’ 반도체 채널과 장기 기억 ‘약화’에 적합한 ‘N형’ 반도체 채널을 결합해 선형적이면서 대칭적인 장기 기억 강화 및 약화 특성을 갖는 ‘혼성 채널’ 시냅스 모방 반도체 소자를 구현하고, 이들로 구성된 하드웨어 인공신경망을 활용하여 음성 정보 패턴 인식률을 크게 향상시키는 데 성공했다. 또한 [2]번 연구에서는 유기박막 트랜지스터의 채널 영역에 사용되는 고분자 반도체 (poly(3-hexylthiophene), P3HT)층에 저전력 구동이 가능한 이온-젤 게이트 절연체를 도입해 고성능 시냅스 모사 수직형 트랜지스터 소자를 개발했다. 구현된 시냅스 소자는 이온-젤 내부의 이온들의 움직임에 따라 반도체 채널의 전류량이 조절되는 원리를 이용하여 세포막 사이의 신경전달물질의 움직임에 의해 나타나는 생물학적 시냅스의 전기화학적 특성을 효과적으로 모사하였다. 이 연구들은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 7일 및 9월 14일 자 논문으로 게재되었다. * 좌측부터 박진홍 교수, 서승환 박사과정, 오세용 박사과정

  • 전립선비대증 환자의 미충족 의료 발생요인 규명

    의학과 이규성 교수 ·의료기기산업학과 이문재 교수

    전립선비대증 환자의 미충족 의료 발생요인 규명

    일차의료를 중심으로 전립선비대증의 예방, 조기치료 유도 필요 융합연구를 통해 ICT 기반 의료기기, 돌봄 로봇 활용으로 미충족 의료 해결 가능성 시사 성균관대학교 비뇨의학과 이규성 교수(삼성서울병원 연구부원장, 의료기기산업학과) 연구팀과 고려대학교 보건정책관리학부 최만규 교수 연구팀, 성균관대학교 의료기기산업학과 이문재 교수 연구팀이 공동으로 연구한 전립선비대증 환자의 미충족 의료에 대한 논문이 세계적 학술지 ‘Journal of Clinical Medicine’에 온라인으로 지난 3월 25일(수)에 게재되었다. 전립선비대증은 생명에 치명적인 질병은 아니나 배뇨장애 등의 증상으로 일상생활에 불편함을 가져와 삶의 질을 저하시키는 질병 중 하나이다. 노인성 질환인 전립선비대증은 최근 비만, 당뇨, 고혈압과 같은 대사증후군 환자의 증가로 유병률이 증가하고 있다. 그러나 이를 노화의 과정 또는 일시적인 증상이라 여겨 의료서비스를 제때 받지 못해 전립선비대증 환자의 미충족 의료경험이 증가하고 있는 상황이다. 연구팀은 전립선비대증 환자의 미충족 의료 요인을 분석하기 위해 Andersen’s Behavioral Model을 활용하였다. Andersen’s Behavioral Model은 의료서비스 이용의 예측 요인을 분석하고, 의료이용에 영향을 미치는 요인을 측정하고 있어 미충족 의료 연구에서도 사용되고 있다. Andersen’s Behavioral Model은 의료서비스 이용과 관련된 요인들을 소인요인, 가능요인, 필요요인으로 나누어 범주화하고 있다. 지금까지 미충족 의료에 대한 여러 연구들이 진행되어왔지만, 전립선비대증 환자의 미충족 의료를 유발하는 근본적인 원인을 규명하는 연구는 부재한 상황이었다. 이에 연구팀은 전립선비대증 환자의 미충족 의료 원인을 밝히고, 환자를 효과적으로 관리할 수 있는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 연구결과에 따르면 Andersen’s Behavioral Model 중 소인요인에서는 연령, 교육수준이 미충족 의료에 영향을 미쳤으며, 가능요인에서는 의료보장유형이 영향을 미쳤다. 또한 필요요인에서는 와병경험이 전립선비대증 환자의 미충족 의료에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 상대적으로 연령이 낮은 환자일수록 미충족 의료 경험이 많았으며, 교육수준이 높을수록 미충족 의료 경험이 낮은 것으로 나타났다. 또한 건강보험 혜택을 받을수록 미충족 의료 경험이 줄어들었으며, 병상에 누워있는 환자일수록 미충족 의료 경험이 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 이러한 연구결과를 바탕으로 전립선비대증 환자의 미충족 의료 경험을 줄이기 위해서는 질병에 대한 정확한 정보를 사전에 제공하여 증상이 발견되었을 때 조기에 치료받을 수 있도록 유도할 필요가 있음을 확인했다. 또한 전립선비대증과 같이 환자가 스스로 건강 문제를 무시하는 경우가 많은 질환은 예방, 조기진단 등의 중요성을 강조하는 정책적 노력이 필요하다고 강조했다. 특히 연구팀은 임상, 보건학 등의 융합연구로 새로운 관점에서 미충족 의료를 해결하고자 하였다. 본 논문의 제1저자인 이문재 교수는 “예방, 조기진단에 대한 교육을 위해서는 일차의료의 활용이 필요하며, 일차의료 중심으로 이루어지고 있는 커뮤니티케어 사업으로 질병의 지속적인 관리가 이루어질 것으로 기대된다”라고 전하며, “특히 신체활동에 제한을 받는 전립선비대증 환자의 경우 ICT 기반 의료기기, 돌봄 로봇 등을 활용하여 의료서비스를 제공한다면 미충족 의료를 해결할 수 있을 것이다”라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 일반공동연구지원사업(NRF-2019S1A5A2A03040304)의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명: Unmet Medical Needs of Patients with Benign Prostate Enlargement ※ 논문 출처: https://www.mdpi.com/673294  

  • 스티커처럼 간단히 말초신경에 이식 가능한 적응형 인공전자신경외피 개발

    전자전기공학부 손동희 교수

    스티커처럼 간단히 말초신경에 이식 가능한 적응형 인공전자신경외피 개발

    기존의 커프(Cuff)형 인공전자신경외피는 말초신경에 부착되어 신경 신호 수집 및 전기자극 기능을 발휘하는 신경보철용 전자소자로 응용되어 왔다. 하지만 장기간 신경에 부착될 때 소재와 신경간의 물성차이로 인해 염증에 의한 섬유화가 급속히 진행되어 신경압박을 일으키게 되고, 결국 신경괴사를 초래한다. 또한 말초신경에 부착 시 수술 시간이 길고, 기계적 안정성이 낮아서 장기간 임상에 적용되기 어려웠다. 이러한 문제점을 해결하고자 전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(이하 KIST, 원장 윤석진) 바이오메디컬융합연구본부 이효진 박사, 윤인찬 본부장, 송강일 박사, 서현선 연구원과의 공동연구를 통해, 자가결합 가능한 신축성 소재 기반의 적응형 인공전자신경외피(Adaptive Self-healing Electronic Epineurium)를 개발했다. 성균관대-KIST 공동연구진은 생체적합성이 우수한 자가치유 소재 기반의 신축성 기판 및 전극을 이용하여 인공전자신경외피가 말초신경에 스티커처럼 매우 쉽고 빠르게 고정될 수 있도록 하였고, 이로 인해 수술시간이 대폭 감소 될 뿐 아니라 후유증도 줄어들게 하였다. 또한, 인공전자신경외피의 동적응력완화(Dynamic Stress Relaxation) 특성은 장기간의 말초신경 압박 없이 안전하게 감각 신경 신호 측정과 운동 신경 유발이 가능하다. 적응형 인공전자신경외피를 쥐의 좌골신경에 이식한 후, 6주 동안 외부의 기계적 자극을 달리하여 기계적 자극의 수용기를 통해 감각신호의 세기를 성공적으로 구분할 수 있었다. 또한, 말초신경에 이식한 7주 후에 전기자극을 하여 안정적으로 운동 신경 유발을 하였다. 이러한 감각신호 수집 및 자극은 14주까지 가능하였고, 전기자극은 최대 32주까지 가능하였다. 특히 양방향 신경 신호 수집 및 전기자극 기능은 쥐가 마취가 깬 이후에도 안정적으로 유지되었다. 성균관대-KIST 공동연구진에서 개발한 이번 적응형 인공전자신경외피는 절단된 신경계를 인공적으로 연결하는 신경-대-신경 인터페이스로도 활용될 수 있음을 입증했다. 이러한 연구결과는 차세대 인공 신경보철 장치 개발 및 신경계 질환 재활 연구에 큰 혁신이 될 전망이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 한국연구재단기초연구사업, 정보통신기획평가원 정보통신․방송 기술개발사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 이 연구결과는 권위 있는 국제 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications, IF: 12.121)지에 8월 21일 논문으로 게재되었다. * (논문명) Adaptive self-healing electronic epineurium for chronic bidirectional neural interfaces 손동희 교수는 “이번 연구 성과는 기존의 신경 보철 분야의 한계를 극복 할 수 있는 새로운 패러다임의 신경인터페이스를 개발한 것으로, 사람의 신경계의 재활을 위한 스마트 전자약 구현 가능성을 열었다”면서“향후 로봇이나 보철용 인공 신경계 네트위킹 기술의 초석이 될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. (그림 1) 쥐의 좌골신경에 이식된 적응형 인공전자신경외피 (그림 2) 인공전자신경외피의 말초신경 부착 및 신경 압박 제거 원리 적응형 인공전자신경외피의 말초신경 신호 수집 및 전기자극 성능(왼쪽: 신경신호 수집 / 오른쪽: 신경 전기자극) (그림 3) 인공전자신경외피의 신경 신호 수집 및 전기자극 성능

  • 코로나19 환자, 비스테로이드성 소염진통제 사용 시 건강 더 악화

    약학과 신주영 교수 ·정한얼, 이혜성 연구원

    코로나19 환자, 비스테로이드성 소염진통제 사용 시 건강 더 악화

    약학대학 신주영 교수와 정한얼, 이혜성 연구원은 우리나라 보건의료 빅데이터를 활용하여 코로나바이러스감염증19(이하 코로나19)로 입원한 성인 환자에서의 비스테로이드성 소염진통제(NonSteroidal antiinflammatory drugs, 이하 NSAIDs) 사용여부에 따른 전반적인 건강결과 악화 위험성 확인했다고 밝혔다. 이는 국내에서 많이 사용되는 이부프로펜(Ibuprofen) 등 총 18개 성분을 포함한 결과이다. 2019년 말 처음 발견된 코로나19는 SARS-COV-2 바이러스(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) 감염에 의해 발생하는 호흡기 질환으로, 2020년 8월 25일 기준 전 세계 214개 국가에서 총 2,433만여 명이 감염되었으며 그 중 835만여 명이 사망한 것으로 나타났다. 코로나19의 주요 증상으로는 고열, 기침, 가쁨 숨 등이 있으며, 이 중 열, 근육통과 같은 증상관리를 위해 NSAIDs가 많이 사용되고 있다. 하지만 지난 3월, 프랑스 보건복지부 장관은 코로나19 환자에게 해열진통소염제인 NSAIDs를 사용하는 것이 환자의 건강상태를 악화시킬 수 있다는 우려가 제기된 바 있다. 왜냐하면 NSAIDs 사용 후 젊은 코로나19 환자 4명에게서 심각한 합병증이 발생하였기 때문이다. 이러한 우려와 더불어 다른 NSAIDs에 비해 아세트아미노펜(Acetaminophen)의 부작용 위험이 더 낮았다는 기존 선행연구들을 참고하여 코로나19 환자에게 해열 등의 완화목적으로 아세트아미노펜을 1차 치료제로 사용해야한다고 권고하였으며, WHO도 이를 지지하는 성명을 냈다. NSAIDs 사용이 코로나19 환자에게 위험할 수 있다는 근거로 코로나19 바이러스가 안지오텐신-전환효소 2(Angiotensin-converting enzyme 2, 이하 ACE2)와 결합하여 체내로 들어온다는 동물실험을 들었는데, 이는 NSAIDs가 ACE2 발현을 증가시킬 수 있다는 주장이 있었기 때문이다. 그 외로는 NSAIDs가 B림프구 내 염증물질인 사이클로옥시게나제-2(Cyclooxygenase-2) 발현을 유도, 항체 형성을 방해하거나 외부 병원균으로부터 신체 면역에 필수적인 인터페론-감마 생산을 억제한다는 가설도 제기된 바 있다. 하지만, 이에 대한 임상적 근거가 아직 명확하게 확립되지 않아 미국 FDA, 유럽 EMA, 호주 TGA 등 여러 해외 의약품 규제기관에서는 코로나19 환자에서의 NSAIDs를 사용하는 현재 치료행태를 변경해서는 안 된다는 성명을 냈었고, WHO 또한 NSAIDs 사용의 위험에 대한 지지를 철회하고 다시 NSAIDs를 사용하지 않을 근거가 아직까지는 부족하다는 입장임을 밝혔다. 이렇게 안전성 근거 확립이 필요한 상황임에도 불구하고 아직까지 전 세계적으로 코로나19 환자에서의 NSAIDs과 관련된 관찰연구는 수행된 바 없었다. 이에 본 연구팀은 세계적으로 저명한 미국 하버드 대학교 임상연구진, 캐나다 맥길 대학교 약물역학연구진을 포함하여 국제협력연구팀을 구성하였으며, 지난 3월 27일 보건복지부와 건강보험심사평가원에서 구축한 코로나19 빅데이터 플랫폼을 활용하여 본 연구를 수행하였다. 해당 플랫폼으로 제공되는 자료는 행위별수가제를 기반으로 제공되는 코로나19 환자들의 실제임상데이터(Real-World Data, RWD)이다. 연구대상자는 올해 4월 8일 기준 코로나19로 입원한 19세 이상 성인으로 제한하였으며, 입원시점 이전 7일부터 당일 사이에 NSAIDs 사용기록을 확인하여 ‘NSAIDs 사용군’과 ‘NSAIDs 비사용군’으로 분류하였다. 또한, NSAIDs 사용군과 비사용군 간에 존재할 수 있는 인구학적 및 임상학적 특징 차이를 보정하기 위하여, 연령, 성별, 보험가입종류, 과거질환력, 과거병용약물 기록 등을 기반으로 산출한 성향점수를 가중치로 적용하여 다양한 건강결과 악화의 위험을 평가하였다. 위와 같이 연구를 수행한 결과, 총 코로나19로 입원한 성인 환자는 총 1,824명이었으며, 이 중 NSAIDs 사용군이 354명, NSAIDs 비사용군이 1,470명이었다. 그리고 NSAIDs 비사용군 대비, 사용군에서의 사망, 중환자실 입원, 인공호흡기 사용, 패혈증 발생 위험이 1.54배 높은 것을 확인하였다. 또한, 심부전, 뇌졸중, 급성심근경색을 포함한 심혈관계 이상반응 및 급성신부전 발생 위험이 높을 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 교신저자인 신주영 교수는 “본 연구결과는 실제 임상현장에서 코로나19 환자의 해열 또는 통증을 치료할 때 환자의 건강상태와 편익-위험을 평가한 후 NSAIDs를 신중히 처방해야한다는 근거로써 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 또한, 정한얼, 이혜성 연구원은 “코로나19로 전 세계가 힘든 시점에 환자 치료에 있어 중요한 정보를 제공할 수 있어 의의가 크며, 우리나라 보건의료 빅데이터의 우수성을 알릴 수 있는 좋은 기회였다”고 말했다. 본 연구의 학술논문은 감염병 분야 세계적인 학술지인 임상감염병(Clinical Infectious Disease, IF=8.313, JCR Ranking 3.2%)에 7월 27일(월) 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Association Between Nonsteroidal Antiinflammatory Drug Use and Adverse Clinical Outcomes Among Adults Hospitalized With Coronavirus 2019 in South Korea: A Nationwide Study ※ 논문 출처: https://academic.oup.com/cid/article/doi/10.1093/cid/ciaa1056/5876905?searchresult=1 ※ 관련 보도자료 연합뉴스: https://www.yna.co.kr/view/AKR20200805147700017 조선일보: https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/06/2020080601112.html 한국경제: https://www.hankyung.com/it/article/202008067897Y

  • 4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다

    나노구조물리 연구단 이영희 교수 ·반 루엔 뉴엔, 두옹 딘 록, 이상협 연구원

    4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다

    흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 데다 투명해서 반도체 전극으로 많이 쓰인다. 또 몇 개의 단층 그래핀이 겹쳐있는지에 따라 응용성이 크게 달라진다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능하고, 반도체의 특징인 밴드갭(Band Gap)을 조절할 수 있다. 그러나 이제까지 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 기르기는 어려웠다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다. 4층짜리 균일한 그래핀은 최초일 뿐만 아니라, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 대면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 것으로 기대된다. 고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다. 이 때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고 900℃ 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다. 이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다. 공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다,”고 설명했다. 이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다. 이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기이며, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다. 공동교신저자인 이영희 연구단장은“이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법이며, 기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”며 이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다고 의의를 밝혔다. 이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 예정이다. 이번 연구성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=31.538) 誌 에 7월 28일 0시(한국 시간)에 게재되었다. [그림 1] 구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도 고온에서의 구리-실리콘 합금화 과정부터 균일한 다층 그래핀 성장 과정을 보여주고 있다. [그림 2] 1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진. 투과전자현미경 측정을 통해 단층과 다층 그래핀의 층수를 보여주고 있다. 왼쪽 위부터 시계방향으로 1층, 2층, 3층, 4층 짜리 그래핀이다. [그림 3] 실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진 메탄 농도 조절을 통해 다층 그래핀의 층수 조절이 가능했고, 또한 원하는 층수의 다층 그래핀을 웨이퍼 규모로 성장하는 것을 보여줬다.

  • 자율주행 차량용 LiDAR 센서 반도체 개발

    반도체시스템공학과 최재혁 교수 ·전정훈 교수·서형석 연구원

    자율주행 차량용 LiDAR 센서 반도체 개발

    정보통신대학 반도체시스템공학과 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 국내 최초로 자율주행 차량용 CMOS Light Detection and Ranging (LiDAR) 센서 반도체의 개발에 성공하고, 그 연구 논문 (1저자: 서형석 석박통합과정)이 반도체 분야 최고 권위 학술대회인 Symposia on VLSI Technology and Circuits에 발표되었다. 또한 해당 논문은 VLSI 2020 학회의 하이라이트 논문으로 선정되어 VLSI Symposia 미디어 프레스에 소개되었다 (https://vlsisymposium.org/press-kit/). VLSI 학회는 1981년에 설립되어 매년 6월 미국과 일본에서 번갈아 개최되고, 한해 동안 세계 각국의 반도체 업계 및 학계에서 제출된 논문 중 가장 뛰어난 성과를 보인 논문을 선정해 발표하는 반도체 분야 최고 권위의 학회 중 하나이며, Samsung, Intel과 같은 세계 최고의 기업들이 최신 기술을 경쟁적으로 발표하는 곳이다. LiDAR 센서는 적외선광을 이용하여 사물의 형상 및 거리를 고정밀로 감지, 사물 및 상황 인지를 가능케 하는 자율주행 차량의 핵심 센서이다. 자율주행차용 LiDAR 센서는 일부 상용 제품들이 출시되었으나, 개별소자 및 개별부품 기반의 큰 부피를 가지는 고가의 시스템이었던 반면, 성균관대에서 개발한 LiDAR 센서는 반도체 기반 system-on-chip로 구현됨으로써 6x5 mm2이내의 작은 면적으로 저가 대량생산을 가능케 한다. 해외 기업 및 연구 기관 (Toshiba, Toyota, EPFL 등)이 LiDAR 센서 반도체 기술을 선점하였으나, 성균관대에서 국내 최초로 LiDAR 센서 반도체를 개발하였고, 또한 광간섭 및 악천후에서의 정밀도 저하 문제를 해결하기 위한 interference 필터 및 multi-event histogramming time-to-digital converter 기술이 센서 칩에 집적되어, 많은 자율주행 차량들이 운용되는 실외 환경에서도 48m의 거리를 고정밀 측정함으로써 기존 LiDAR 센서들을 압도하는 성능을 내었다. 해당 LiDAR 시스템은 SOS Lab, 삼성전자 종합기술원과 공동 개발되었고, 성균관대에서는 시스템의 핵심인 LiDAR 센서 반도체의 개발을 담당하였다. 해당 논문은 2020년 6월, VLSI 학회의 Image Sensor and Imaging Techniques 세션에서 발표되었다. 해당 세션에 채택된 총 5편의 논문들은 Samsung, Toshiba와 같이 주로 세계 최고의 기업들에 의해 발표되었으며, 국내 대학으로서는 성균관대가 유일하다. ※논문: “A 36-channel SPAD-integrated scanning LiDAR sensor with multi-event histogramming TDC and embedded interference filter”, Symposia on VLSI Circuits, 2020. ※저자: 서형석 (1저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 최재혁 (교신저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 전정훈 (공동저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 윤희선·김동규 (공동저자, SOS Lab.), 김정우 (공동저자, 삼성전자 종합기술원), 김성진 (공동저자, UNIST)

  • 실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명

    에너지과학과 오상호 교수 ·이수빈 박사

    실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명

    나노스케일에서 재료의 변형 및 파괴 거동은 재료공학, 기계공학 분야에서 오랜 기간 연구되어온 주제로서, 최근 환경변화를 감지하는 압력 센서 및 반도체 소자 등 저차원 나노재료의 다양한 응용연구에 힘입어 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 재료에 영구적인 변형을 일으키는 전위*의 생성과 움직임은 재료의 기계적 물성을 결정짓는 매우 중요한 인자이다. 더욱이 나노재료에서는 작은 크기로 인해 소성변형이 시작됨과 동시에 파괴로 이어지는 경우가 많아 변형 초기에 전위가 생성되고 움직이는 현상을 관찰하는 것이 중요하다. 나노재료에서 전위에 의한 소성 변형이 어떻게 시작하는지에 대한 연구는 지난 2-30년간 활발히 진행되어 왔다. 원자 시뮬레이션에 의하면 소성변형은 수 나노미터 크기의 매우 작은 전위루프에 의해 시작된다고 알려졌다. 하지만 최초의 전위가 어떻게 생성되고 어떻게 움직이는지, 그리고 재료의 강도 및 강화 메커니즘에 어떻게 영향을 주는지에 관한 실험적 관찰은 전무하다시피 하였다. 나노재료의 더 깊은 이해와 응용을 위해서는 전위의 직접 관찰을 통한 분석이 필수적이며, 이를 위해서는 전위를 직접 관찰할 수 있는 유일한 실험 방법인 실시간 투과전자현미경 실험법이 요구된다 에너지과학과 오상호 교수와 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이수빈 박사 연구팀은 재료의 내부를 백만 배 이상까지 확대할 수 있는 투과전자현미경을 이용하여 나노미터 수준에서 재료가 변형되는 순간을 포착하였다. 연구팀은 실시간 투과전자현미경 실험을 이용하여 금 나노선을 나노인덴테이션(Nanoindentation) 방법으로 변형함과 동시에 전위의 생성에 의한 초기 소성변형 과정을 직접 관찰하는데 성공하였다고 밝혔다. 초당 25프레임의 고속 카메라로 촬영한 결과, 수 나노미터의 작은 전위루프들이 수 십분의 1초에 생성되는 것을 관찰되었다. 전위루프는 먼저 작은 전위선의 생성으로 시작되고, 이후 다른 슬립면으로 이동하는 교차슬립 (Cross slip)을 거쳐 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이 과정에서 접촉면에 따라 전위선의 생성과 교차슬립이 경쟁적으로 작용하여 다른 변형 메커니즘으로 발현되는 것을 확인하였다. 작은 접촉면의 경우 힘을 받으면 작은 크기의 전위루프가 빠르게 형성되는 반면, 접촉면적이 크면 전위루프 생성에 더 많은 에너지가 필요하여, 교차슬립이 더욱 활발하게 일어나서 나선형 전위가 형성됨을 관찰하였다. 본 결과는 재료 변형 거동의 근본적인 이해를 돕는 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상되며, 반도체, 센서, 에너지하베스팅 등의 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.880)에 5월 12일 게재됐다. [그림. 소성변형이 시작되는 순간 형성되는 전위루프. 금 나노선의 실시간 투과전자현미경 나노인덴테이션 변형실험으로부터 초기 소성변형 과정에서 형성되는 전위루프의 생성 과정을 관찰한 실험 결과 및 원자 시뮬레이션 결과.

  • 더 오래가고 더 안전한 자동차 배터리용 양극소재개발에 새로운 길 제시

    에너지과학과 윤원섭 교수 ·이은강 연구원

    더 오래가고 더 안전한 자동차 배터리용 양극소재개발에 새로운 길 제시

    에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀 (제1저자 이은강연구원) 의 리튬이온배터리 양극소재의 열적안정성에 대한 논문이 소재과학(material sciences) 분야의 세계적 권위의 학술지인‘Advanced Science’에 온라인으로 지난 4월 24일(금)에 게재되었으며, 5월 15일 저널 커버로 선정되었다. 고성능 차세대(Next-generation) 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온배터리의 양극소재로 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있다. 하지만, 이러한 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 갖는 고유한 열적불안정성은 소재 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 여러 연구들이 진행되어왔지만, 현재까지도 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 근본적인 원인에 대한 규명이 부재하였기에 획기적인 열적안정성 개선이 이뤄지지 못하였다. 윤원섭교수팀은 가열 중에 변화하는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 통하여, 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명하였다. 고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극 소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘 규명을 통해, 본 연구는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자 (Key-factor)를 제시한다. 그러므로 본 연구 결과는 리튬이온배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고 성능 전기차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온배터리의 안전성 향상시키는데 중요한 역할을 할 것으로 기대 된다. 본 논문의 제 1저자인 이은강 연구원은 “더 오래가고 더 안전한 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다는데 그 의미가 있다”라고 전했다. ※ 논문명: Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902413 외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도

  • 대용량 전력저장용 저가 카본 배터리 전극소재의 이온 저장 메커니즘 규명

    기계공학부 김재훈 교수 ·Handi Setiadi Cahyadi 연구원

    대용량 전력저장용 저가 카본 배터리 전극소재의 이온 저장 메커니즘 규명

    기계공학부, 성균나노과학기술원, 화학공학/고분자 공학부 김재훈 교수 연구팀 (제1저자 Stevanus Alvin 및 Handi Setiadi Cahyadi 연구원)이 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수 연구팀과 공동으로 중대형 전력저장용 베터리용 음극소재로 각광받고 있는 하드카본의 리튬, 나트륨 및 칼륨 이온저장 메커니즘을 규명하여 안전하고 용량이 높은 소재 개발에 새로운 길을 제시했다고 밝혔다. 태양광, 풍력 등 전기출력특성이 균일하지 않은 신재생에너지의 지속적인 활용을 위해 신재생 전기를 저장해서 필요할 때 사용할 수 있는 중대형 에너지저장시스템 개발이 필수적이다. 하지만 리튬이온전지는 불안전성 및 높은 가격으로 에너지저장시스템의 저변확대에 어려움을 격고 있다. 이에 리튬 대비 매우 풍부하고 저가인 나트륨 및 칼륨을 하드카본에 저장하는 전지가 각광받고 있으나 이온저장 메커니즘이 규명되지 않아서 고용량 배터리 개발에 어려움이 많았다. 이에 연구팀은 리그닌을 원료로 하드카본을 합성하였고, 리튬, 나트륨 및 칼륨의 충전 및 방전 중에 변화하는 하드카본의 물리화학적 성질 변화에 대한 체계적인 연구를 진행하였다. 또한 밀도 범함수 이론 계산 결과를 바탕으로 기존에 밝혀지지 않았던 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 삽입될 때 그래핀 층이 확장되었으며, 그래핀 층의 확장 효과가 없는 리튬보다 나트륨 및 칼륨의 저장에서 더 많은 용량을 보이게 되는 것을 규명하였다. 나아가 연구팀은 리튬, 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 충전 및 방전될 때 저장 메커니즘을 규명하고, 하드카본 음극소재의 용량 및 안전성 향상을 위한 인자를 제시하였다. 본 연구는 새로운 접근방법 및 통찰을 바탕으로 중대형 전력저장용 배터리의 안전성 및 용량 개선을 위한 방안을 제공함으로써 신재생에너지 전력저장 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. Handi Setiadi Cahyadi 연구원은 “그간 논란이 되어왔던 하드카본의 이온저장 메커니즘을 실험 기법 및 이론 기법을 이용하여 밝혀냄으로써 향후 중대형 전력저장용 저가 음극소재 개발에 활용 가능하다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 기후변화대응사업(2017M1A2A2087635)와 환경산업기술원 폐자원에너지화기술개발사업(2018001580001)의 지원으로 수행되었다. 본 연구결과는 소재과학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Material’에 4월 15일(수) 온라인 게재되었으며, 5월 26일(화) 저널의 커버로 발표되었다. ※ 논문명: Intercalation Mechanisms: Revealing the Intercalation Mechanisms of Lithium, Sodium, and Potassium in Hard Carbon ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000283 Li, Na 및 K- 이온이 하드카본에 삽입될 때 이온 및 카본층의 전자 반경 및 전위의 차이를 보여주는 모식도. 가장 큰 전자 반경을 갖는 K- 이온은 후속 K- 이온이 하드 카본의 층간 공실 내로 더 깊이 침투 할 수 있는 가장 넓은 입구 팽창 (edge expansion)을 보여줌.

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