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  • mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현 ▼핵산 나노공학 기업 프로지니어(주) 와 공동연구

    화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 ·안소연, 김정훈 연구원

    mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현 핵산 나노공학 기업 프로지니어(주) 와 공동연구

    4월 5일 세계적 학술지인 ‘Advanced Materials (IF = 30.849)’에 화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀이 저술한 ‘Protein-encoding Free-standing RNA Hydrogel for Sub-compartmentalized Translation'이 우수성을 인정받아 표지논문으로 온라인 게재되었다. 해당 연구는 국내 바이오 벤처 기업인 주식회사 프로지니어와 공동연구로 진행되었으며, 단시간 내에 대용량의 기능성 단백질 생산이 가능하다는 장점이 있어 의료용 사이토카인 (Cytokine), 개인 맞춤형 신약 등 다양한 바이오 의약 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다. 연구팀은 핵산 나노 공학 기술 기반으로 환 전사 기법 (Rolling circle transcription)과 핵산 사중 나선 구조를 규칙적으로 배열되게 디자인하여 생리 화학적 기능을 갖춘 새로운 RNA 하이드로 겔 구조체를 만들었다. RNA는 생체 내에서 생리활성 조절과 발현에 매우 중추적인 역할을 담당하지만 불안정하여 원하는 디자인 제작이 어려워서 그 이용성이 매우 제한되고 있다. 이러한 심각한 본질적 한계가 지적되는 상황에서 이번 연구는 현명한 해결책을 제시하고 있다. 생체 모사를 통한 효소 촉매 작용, 단백질 합성 등 자연이 정의한 RNA의 생물학적 조절자 역할이 세포 외에서도 실제로 가능함을 입증하였다. 해당 기술로 생명의 중심원리인 센트럴 도그마 (Central dogma)의 번역과정에서 일어나는 ‘RNA가 시공간적으로 유도하는 밀집화 (Spatiotemporal RNA-derived RNA phase transformation’가 정확히 재현되었다. 이로써 겔 내부 구획화로 인한 폭발적인 단백질 생산이 가능하게 되었다. 1950년부터 ‘무세포 단백질 발현’ 기술로 세포 밖에서도 단백질을 만들 수 있게 되었다. 현대 바이오 의약품 시장의 발전과 함께 이는 세계적인 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 무세포 단백질 발현 기술의 치명적 단점인 효율성 부분을 극대화하는데도 크게 이바지하고 있다. 아울러, 최초로 RNA의 겔 형태가 가능하게 되어 다양한 기능을 갖춘 RNA가 상대적으로 높은 기계적 물성을 확보할 수 있게 되었다. 이는 유전정보를 탑재한 첨단 신소재의 개발 가능성도 시사하게 되었다. RNA의 근원적인 문제점을 해결하고 생명의 중심원리에도 기여하는 본 기술의 보편적 적용 가능성은 다양한 응용 기술의 탄생으로 발전되어 신분야 개척의 첫걸음이 가능해지도록 할 것이다. 이를 실현하기 위해서 본 기술은 프로지니어(주) (대표이사 김철, 이영구)의 개인 맞춤형 항암백신 ProV-001과 기능성 단백질 합성 파이프라인에 직접 적용되고 있다. 엄 교수는 “본 연구는 인류가 세계 최초로‘RNA 공장’을 직접 디자인 제작한 것은 물론 무세포 단백질 발현 기술과 접목되어 첨단 자연 모사(Bio-inspiration)의 기술의 정점을 확립한 것으로 높게 평가받을 수 있다. 현재 인류는 모든 단백질을 천연 세포에 의존해서 오랜 시간 걸려야만 효과적으로 생산할 수 있다고 믿고 있다. 이는 필수적으로 고가의 생산시스템을 요구하는데, 본 연구로 인해 저가로 단시간 내에 원하는 기능성 단백질을 인위적으로 대량 생산할 수 있게 되었다. 이번 논문으로 세계적인 연구자들로부터 본 기술의 혁신성과 산업적인 이용 가능성을 인정받았다”라면서“빠른 항체 치료제 개발을 통해 실제 임상 진입의 문턱을 낮추고 환자 맞춤형 치료 발전의 실현에 크게 이바지할 것”이라고 말했다. 표지논문, RNA만으로 이루어진 하이드로겔을 이용하여 적은 비용으로 빠르게 기능성 단백질의 대량 생산이 가능

    • No. 188
    • 2022-04-18
    • 5799
  • ‘자부심과 감사’라는 심리적 특성을 고려한 ▼소셜미디어 기부광고 메시지 전략 제시

    미디어커뮤니케이션학과 백태현 교수

    ‘자부심과 감사’라는 심리적 특성을 고려한 소셜미디어 기부광고 메시지 전략 제시

    미디어커뮤니케이션학과 백태현 교수는 자부심(pride)과 감사함(gratitude)의 감정 경험이 소셜미디어 기부광고 캠페인의 메시지 효과에 어떠한 영향을 미치는가를 살펴보는 연구결과를 Journal of Business Research (IF = 7.550, Business & Marketing 분야 Q1 저널)에 논문으로 게재하였다. 본 연구는 소셜미디어 기부광고에서 자신에게 혜택을 주는 개인 편익 소구 (self-benefit appeals)와 도움이 필요한 다른 사람에게 혜택을 주는 타인 편익 소구 (other-benefit appeals)의 필요성을 제시하는 한편, 기부를 통한 개인의 자부심과 감사함의 긍정적인 감정경험의 효과에 대해서도 주목했다. 연구결과, 자부심의 감정을 경험한 실험 참여자는 타인 편익 소구보다 개인 편익 소구를 이용하는 트위터 (실험 1) 와 인스타그램 (실험 2, 실험3) 기부광고 메시지를 선호했고 더 많은 기부금액과 긍정적인 기부의도를 보여주었다. 한편, 감사함의 감정경험을 했을 때 개인 편익과 타인 편익 소구유형에는 동일한 설득효과의 결과가 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구는 기부동기를 이용한 소셜미디어 광고 메시지 유형이 기부행동에 미치는 영향에 대한 개인이 경험한 자부심과 감사함의 심리적 변수의 조절효과를 밝힘으로써 소셜미디어 기부광고 메시지의 설득효과 연구에 실증적으로 기여하였다. 백태현 교수는 비영리 단체의 실무자들에게 소셜미디어 기부광고 캠페인에 관한 전략적인 가이드라인을 제시하였다는 점에서 연구의 의의가 있다고 설명하였다. 페이스북, 인스타그램, 트위터에 기부광고 캠페인을 하는 비영리 단체들은 자선 기금 모금자들과 잠재적 기부자들을 대상으로 그들의 자부심과 감사함의 긍정적인 감정을 체험할 수 있는 다양한 소셜 미디어 컨텐츠를 만들어 해시태그(#proud #grateful) 또는 개인화된 미디어 콘텐츠 (personalized media content) 소통방식을 이용할 수 있다 라는 점에서 실무적 시사점을 제공하였다. 백태현 교수는 디지털광고, 인공지능과 소비자행동, 친사회적 커뮤니케이션 캠페인 전략 등을 주제로 연구를 수행해왔으며, 그 결과 40편 이상의 논문을 국제저명학술지에 출판한 바 있다. 현재 Journal of Advertising (IF = 5.522, Communication 분야 Q1 저널) 및 International Journal of Advertising (IF = 4.620, Communication 분야 Q1 저널)의 편집위원이며, Journal of Current Issues and Research in Advertising (ESCI, Scopus)의 부편집장으로 활동하고 있다.

    • No. 187
    • 2022-04-11
    • 4528
  • 페로브스카이트 태양전지 내 이종 접합 ▼계면 제어를 통한 수명 향상 기술 개발

    성균나노과학기술원 이진욱 교수 ·박건우 석박통합과정생

    페로브스카이트 태양전지 내 이종 접합 계면 제어를 통한 수명 향상 기술 개발

    성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 내 이종 접합 계면 에너지밴드구조 제어를 통해 태양전지의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술 개발에 성공하였다. 관련 연구 논문이 세계적인 학술지 Nature지에 3월 15일 온라인 게재되었다. 페로브스카이트 태양전지는 25% 이상의 의 높은 에너지변환효율을 가지면서 저가 용액 공정으로 생산 가능하여 다가오는 탄소중립 시대를 위한 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 국내외 학계와 산업계에서는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 연구과제 중 하나인 구동 수명 개선을 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 고효율 장수명 페로브스카이트 태양전지 제작을 위해서는 페로브스카이트 박막 내부와 표면에 존재하는 결정 결함의 농도를 최소화하는 것이 필수적이다. 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에 알킬 암모늄 할라이드 표면 결함 치료 층을 도입하는 기술은 에너지변환효율 향상에 기여하는 것으로 알려져 있으나, 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에서의 에너지밴드구조를 왜곡시켜 빛에 의해 생성된 전하의 흐름을 방해하여 계면에서의 전하 축적을 유도하고, 태양전지의 수명을 저하시킬 수 있다. 앞선 연구들에서는 태양전지 효율 개선을 위해 사용된 표면 치료 층의 효율 향상 효과에만 주목을 하였으며, 동반하는 계면 에너지밴드구조에 의해 발생할 수 있는 부작용에 대한 연구는 미흡하였다. 이진욱 교수 연구팀은 기존에 널리 사용되는 페로브스카이트 박막 결함치료 소재가 태양전지 소자 내 계면 에너지 밴드구조를 왜곡시키고, 빛에 의해 생성된 전하 수집을 방해하여 페로브스카이트 태양전지의 수명을 저해하는 사실을 밝혀냈다. 나아가 기존 표면 결함 소재에 의해 발생하는 페로브스카이트 태양전지 수명 저하 부작용을 없애고, 태양전지의 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 표면 결함치료 기술을 개발하였다. 실제 본 연구를 통해 개발된 표면 결함치료 층이 도입된 페로브스카이트 태양전지는 세계 최고 수준의 효율과 수명을 달성하였다. 이진욱 교수팀의 연구는 페로브스카이트 박막의 일함수 변화 및 이에 따른 이종 접합에서의 에너지밴드 구조 변화에 대한 근본적인 이해를 발전시켰으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명 문제 해결을 위한 중요한 단서를 제공하여 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다. 앞서 이진욱 교수는 페로브스카이트 소재 내 ‘A’양이온에 대한 리뷰 논문을 세계적인 학술지 Science지에 게재하였으며, 클레리베이트 애널리틱스에서 논문 인용지수를 바탕으로 선정하는 세계에서 가장 영향력 있는 연구자 1% (HCR 2021 in the field of cross-field)에 선정된 바 있다. ※ 관련 논문 및 홈페이지 1) Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics, Nature, 2022, doi.org/10.1038/s41586-022-04604-5. (교신저자-이진욱, 공동저자 박건우 석박통합과정생) 2) Rethinking the A cation in halide perovskites, Science, 2022, 375,835. (제 1저자-이진욱 교수) 3) 이진욱 교수 연구실 홈페이지: https://jwlee870217.wixsite.com/mysite 그림 1. 표면 결함 치료 이온에 의한 페로브스카이트 박막 표면에서의 전하 재배치 그림 2. 기존 결함 치료 기술과 본연구에서 개발된 표면 결함 치료 기술을 활용한 태양전지 수명

    • No. 186
    • 2022-04-04
    • 8151
  • 국소 스테로이드제가 필요없는 아토피 치료용▼항산화 하이드로겔 패치 개발

    화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 ·김예은 석박사통합과정, 최승우 박사

    국소 스테로이드제가 필요없는 아토피 치료용항산화 하이드로겔 패치 개발

    화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제1저자 김예은 석박사통합과정, 최승우 박사)이 국소 스테로이드제의 사용 없이 아토피 염증 부위의 유해 활성산소종을 효과적으로 제거해 아토피 피부염을 치료하는 항산화 하이드로겔 패치를 개발했다. 연구팀은 이전에 안구건조증 치료용 항산화 콘택트렌즈를 개발한 바 있다. 아토피 피부염 치료를 위해 국소 스테로이드제가 주로 사용되고 있으나, 장기간 사용 시 피부 부위의 국소 부작용 뿐 아니라 소아 발육 부진이나 쿠싱증후군 등 전신 부작용을 유발하는 문제점이 있다. 아토피 피부염은 만성 질환으로 발전하는 경우가 많아 안전하면서도 지속적인 치료가 가능한 치료법이 필요한 실정이다. 연구팀은 해조류에서 유래한 생체 친화적인 알긴산 하이드로겔에 활성산소종을 제거하는 촉매 기능을 지닌 세리아 나노입자를 포함시켜 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치를 구현하였다. 아토피 피부염이 발생하면 활성산소종이 과생성되는데 이는 다시 염증을 악화시키는 악순환이 발생한다. 아토피 피부염 부위에 부착된 항산화 하이드로겔을 부착하면, 염증 부위의 유해활성산소종이 하이드로겔 내부로 확산된 후 세리아 나노입자에 의해 인체에 무해한 물과 산소로 전환되어, 결과적으로 염증 부위의 산화스트레스 및 염증성 면역반응을 효과적으로 낮추는 원리이다. 아토피 피부염을 유발한 동물모델에 항산화 하이드로겔 패치를 부착하여 치료를 진행한 결과, 아토피 발현 부위의 활성산소종의 양이 현저히 줄어들었으며, 아토피 피부염의 대표적인 증상인 두꺼워진 표피층이 얇아졌고, 아토피와 관련된 면역학적 요소인 염증 유발 세포(비만세포)의 숫자와 염증성 사이토카인(신호전달물질)의 수치가 감소하여, 아토피 피부염의 증상이 현저히 호전됨을 확인하였다. 하이드로겔 패치는 부드럽고 유연한 소재이기 때문에 굴곡이 있는 아토피 피부염 부위에 적용이 용이하며, 하이드로겔의 높은 수분 함유도는 건조한 아토피 피부 관리에 필수적인 보습에 도움이 된다는 부가적인 장점을 지니고 있다. 또한 세리아 나노입자는 하이드로겔 내부에 완전히 갇혀 있는 형태로 나노입자가 하이드로겔이 부착된 피부 부위로 방출되지 않는 안전성을 보여주었다. 김재윤 교수는 “향후 후속 연구를 통해 다양한 피부 염증 질환 및 피부 관리 분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 설명했다. 아토피 치료용 하이드로겔 패치 논문: “Therapeutic Hydrogel Patch to Treat Atopic Dermatitis by Regulating Oxidative Stress”, Nano Letters, published online (2022) 안구건조증 치료용 콘택트렌즈 논문: “Therapeutic Contact Lens for Scavenging Excessive Reactive Oxygen Species on Ocular Surface, ACS Nano, 14, 2483-2496 (2020) 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치

    • No. 185
    • 2022-03-28
    • 5844
  • 니켈 소량 사용으로도 고에너지밀도를 구현하는 고전압 구동 니켈계 양극소재에 대한 연구 발표

    에너지과학과 윤원섭 교수 ·정미희 연구원, 이원태 연구교수

    니켈 소량 사용으로도 고에너지밀도를 구현하는 고전압 구동 니켈계 양극소재에 대한 연구 발표

    에너지과학과(DOES) 윤원섭 교수 연구팀이 리튬이온이차전지 핵심 요소 중 하나인 니켈(Ni)기반 양극소재에서 낮은 니켈 함량으로도 전지 구동 설계에 따라 고(高)에너지, 장(長)수명, 열적 고(高)안정성을 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다. 탄소중립선언과 함께 화석연료기반 내연기관의 종식이 가속화되며 전기차(electric vehicles)의 시대가 앞당겨지고 있다. 이에 따라 고함량 니켈계 층상구조 양극소재는 장거리 주행에 있어 전기차용 리튬이온이차전지 핵심 소재로서 주목받고 있다. 하지만 니켈 함량이 높아질수록 저장할 수 있는 에너지량은 증가하나 열안정성이 낮아지는 소재의 고유한 특성으로 인해 안전과 직결되는 화재의 위험에 노출되어 있다. 연구팀은 니켈 함량이 낮은 층상구조 소재를 높은 작동전압으로 전지 구동 조건을 설계해 높은 니켈 함량의 소재와 동일한 방전용량으로 설정한 뒤 다양한 구조적, 전기화학적, 열분해 특성을 조사하였다. 이를 통해 니켈함량이 낮은 소재가 과충전(overcharge) 영역에서 이방성 격자 왜곡이 적고, 리튬 이온이 이동하는 통로 (lithium ion channel)가 더 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 더욱이 장기간 수명평가 후 열화(degradation)된 상태에서 저함량 니켈 소재의 경우 고함량 니켈 소재 대비 입자내 균일한 화학적 상태 분포와 함께 입자 분쇄 및 미세 균열이 적음을 관찰하였다. 또한 소재의 열분해 메커니즘 (thermal decomposition mechanism)분석을 통해 저함량 니켈 소재의 경우 고함량 니켈 소재보다 높은 전압조건의 충전상태임에도 불구하고 더 나은 열적안정성을 보여줌으로써 화재 위험이 낮은 리튬이온이차전지를 디자인 할 수 있는 새로운 가능성을 입증하고 있다. 해당 연구를 통해 높은 구조적, 화학적, 열적 안정성을 가지는 저함량 니켈기반 층상구조 양극 물질이 전지구동조건 설계에 따라 기존의 높은 열적 불안정성을 지닌 고함량 니켈기반 층상구조 양극소재의 대안이 될 수 있다는 사실을 규명함과 동시에, 더 나아가 리튬이온이차전지 설계 요소를 확장시킬 수 있는 합리적인 전략을 제공하였다. 이원태 연구교수는 “장거리 주행과 안전성이 확보된 전기차를 위해 이차전지 분야에서 다양한 에너지 저장 소재들이 연구·개발되고 있다. 본 연구는 전략적 접근을 통해 기존 소재로도 경쟁력 있는 이차전지를 구현할 수 있다는 것을 규명함으로써 고(高)에너지 소재 개발에 초점이 맞추어져 있던 연구 기조를 환기하고 이차전지 설계 요소를 다양화하는 계기가 될 것이다.”라고 연구 의미를 설명했다. 에너지과학과 (DOES) 윤원섭 교수와 정미희 연구원, 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 29.368) 에 표지(back cover)로 선정되었다. (2022.02.24.) [그림 1] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 리튬 함량에 따른 결정구조 변화 비교. [그림 2] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 초기 및 400회 충-방전 이후 입자내 화학적 상태 분포. [그림 3] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 열분해 메커니즘 비교.

    • No. 184
    • 2022-03-18
    • 5592
  • 탄소 중립을 위한 최적 탄소자원화 기술 규명

    화학공학/고분자공학부 김지용 교수 ·Do Thai Ngan, 유찬희 연구원

    탄소 중립을 위한 최적 탄소자원화 기술 규명

    화학공학부 김지용 교수 연구팀(공동 제1저자 Do Thai Ngan, 유찬희 연구원)이 탄소중립을 위한 최적 탄소 자원화 경로를 규명했다. 이는 최근 활발히 진행되고 있는 탄소 중립 실현 관련 다양한 정책과 기술 개발의 정량적 목표와 연구 전략 수립에 큰 기여를 할 것으로 기대를 모으고 있다. 탄소 중립이란 인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 포획, 제거 또는 재활용함으로써 실질적인 배출량이 0(Zero)가 되는 개념이다. 최근 전 세계적으로 파리 협정 등 기후 변화 대응을 위한 탄소 중립 체제 구현에 많은 노력을 가하고 있다. 특히, 해외 에너지 의존도가 높고, 이산화탄소 배출량이 상대적으로 많은 국내 에너지 구조의 특징으로 인해, 탄소를 이용하여 에너지를 재생산하는 이른바, “탄소자원화”전략은 탄소 중립을 실현하는 가장 적극적인 기술이다. 이에, 정부 주도의 R&D 및 국내 많은 에너지 기업들은 탄소 자원화를 위하여 다양한 기술을 개발 및 실증화하고 있다. 현재 개발 중인 탄소자원화 기술은 촉매반응 전환 , 열화학적 및 전기화학적 분해 방법 등 매우 많은 종류의 전환기술이 있으며, 생산 가능한 고부가가치 물질 또한 메탄올, 올레핀, 휘발유 등 매우 다양하다. 즉 2050 탄소 중립을 위한 실효적인 탄소자원화 목표와 전략 수립이 매우 시급한 반면, 다양한 기술들의 경제적 경쟁력과 환경적 효과는 아직 규명되지 못하고 있는 실정이다. 이에 김지용 교수 연구팀은 전 세계적으로 그 효과가 탁월한 70개의 모든 탄소자원화 경로를 분석하였으며, 공정 모델 개발을 통해 각 기술들의 경제적, 환경적, 에너지 관점에서 수준과 한계를 정량적으로 분석하였다. 특히, 국내 에너지 구조 분석을 통하여 최적화 모델 기반 국내 실정에 가장 적합한 탄소 자원화 기술을 규명하였다. 김지용 교수는 “탄소 중립을 위한 정부 R&D 지원 정책의 선택과 집중을 지원함으로써 이산화탄소 저감 및 에너지 국산화에 가장 실효적인 정책을 수립할 수 있고, 국내 주요 에너지 기업들의 미래 에너지 시장에서의 사업 모델 구축 및 투자 전략 수립에도 큰 기여를 할 수 있을 것” 이라며 “ 현재 탄소 중립을 위한 다양한 정부 기관 및 기업들과의 협력을 통해 본 연구 성과의 확산에 집중하고 있다”연구 의의를 설명했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술 개발사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 에너지환경과학(Energy & Environmental Science, Impact Factor=38.53, JCR 환경과학분야 상위 0.1%)에 12월 20일(월)에 Advance Article 논문으로 출판되었다. ※ 논문명 : A CO2 utilization framework for liquid fuels and chemical production: techno-economic and environmental analysis ※ 저자 : 김지용 교수(교신저자, 성균관대학교 화학공학부), Do Thai Ngan 연구원 (공동 1저자, 성균관대학교 석박통합과정), 유찬희 연구원(공동 1저자, 성균관대학교 석박통합과정) ○ 이산화탄소를 이용한 고부가가치 물질 연료 생산 기술 개발 및 분석 본 연구에서는 최적화 기법을 이용하여 탄소 중립을 위한 최적 탄소자원화 기술을 규명하였다. 현재 적용 가능한 70여 종의 다양한 기술을 분석하고, 공정 모델을 자체 개발함으로써 엄격하고 공정한 기술 비교를 수행하였다. 특히, 기술의 경제성 및 이산화탄소 저감 효과 등 다양한 목적함수를 이용하여 국내 실정에 적합한 탄소자원화 전략을 수립하였다.

    • No. 183
    • 2022-03-04
    • 7267
  • 자가조립단분자막 도핑을 통한 부저항 특성의 고성능 광 센서 개발

    기계공학부 김태성 교수 ·우건후 연구원

    자가조립단분자막 도핑을 통한 부저항 특성의 고성능 광 센서 개발

    기계공학부 김태성 교수 연구팀(제1저자 우건후 연구원)이 가천대학교 유호천 교수 연구팀과 자가조립단분자막을 활용한 원거리 도핑과정을 통해 고성능․다기능성의 광센서 소자를 개발했다. 최근 AI를 활용한 자율주행 시스템 및 사물인터넷 기술의 발달에 따라 보다 명확한 데이터 처리를 위해 고성능의 광센서에 대한 수요가 급증하고 있다. 특히 도핑은 반도체 특성을 조정할 수 있는 대표적인 방법으로 광특성을 향상시키기 위해 많이 활용되고 있다. 하지만 일반적인 도핑은 물질 내부에 불순물 형태의 도펀트를 삽입하여 반도체 특정 변화를 유도하기 때문에 전자 충동에 의해 전자이동도의 손실을 야기할 수 있다. 이에 연구팀은 실리콘 기판 위에 수 나노미터 두께의 비정질 산화물 반도체를 증착하여 이중접합구조를 제작하였고, 표면에 자가조립단분자막을 코팅 및 가열의 원거리 도핑과정을 통해 고성능의 광센서를 구현했다. 제작된 소자는 원거리 도핑 처리 전에 비하여 100배의 성능이 향상되었고, 높은 소자 안정성 및 성능 균일성을 나타냈다. 또한 원거리 도핑처리 후에 광 조사를 통해 실리콘 기판과 비정질 산화물 반도체의 접합면에서의 반도체 특성을 조정함으로써 부저항 특성을 가진 소자를 구현하여 향후 다진법 소자 및 신호 증폭기과 같은 다양한 어플리케이션에 대한 적용 가능성을 제시했다. 김태성 교수는 “자가조립단분자막 코팅을 통한 도핑과정은 간단한 처리 방법과 효과적인 성능 개선을 바탕으로 산업에서 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 예상되며, 본 성과를 바탕으로 향후 광센서 및 이미지 센서의 성능개선에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Advanced materials(Impact Factor=30.849)에 2021년 11월 3일(수) 출판되었다. ※ 논문명 : Energy-Band Engineering by Remote Doping of Self-Assembled Monolayers Leads to High-Performance IGZO/p-Si Heterostructure Photodetectors 도핑 처리 과정에 따른 IGZOSi 이종접합 다이오드의 광특성 향상 코팅 및 어닐링 과정에 따른 반도체 밴드 특성 변화

    • No. 182
    • 2022-02-17
    • 6234
  • 코로나19 바이러스 전파 억제하는 엑소좀 기반의 치료기술 개발

    약학과 조동규 교수 ·이원식 교수, 김학균 박사

    코로나19 바이러스 전파 억제하는 엑소좀 기반의 치료기술 개발

    약학대학 중심의 공동 연구팀이 코로나19 바이러스(SARS-CoV-2)의 전파를 억제하는 엑소좀 기반 치료제를 개발했다. 성균관대 약학대학 조동규․이원식 교수 및 김학균 박사가 참여한 연구팀과, 질병관리청 국립감염병연구소 신종바이러스·매개체연구과 조준형 박사 연구팀 및 ㈜엑소스템텍(대표 조용우)이 공동으로 진행한 이번 연구를 통해 엑소좀 기반 코로나 바이러스 치료제 개발에 성큼 다가갔다. 2019년 겨울부터 코로나 바이러스의 창궐로 인해서 현재까지도 전 세계에서 많은 사람들이 고통을 받고 있다. mRNA 기반 차세대 백신이 도입되었지만 지속적으로 발생하는 변이들로 인해서 백신의 효과가 점점 떨어짐으로 인해 지속적으로 대유행이 발생하고 있다. 지금까지 코로나19에 대한 치료제로는 항체치료제가 주를 이루고 있다. 하지만 이러한 항체치료제는 계속해서 발생하는 다양한 변이들에 대한 효능이 점차 줄어들 수밖에 없다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 개발된 엑소좀 기반 코로나-19 치료제는 바이러스의 세포수용체인 ACE2와 바이러스의 외피단백질인 SPIKE 단백질과의 결합력을 이용하여 고안되었다. 이 전략은 전염력이 높은 바이러스 변이들이 SPIKE 단백질의 ACE2에 대한 친화도가 증가하다는 점에 착안하였다. 바이러스 감염을 위한 수용체인 ACE2를 이용한 치료제이기 때문에 바이러스 감염에 대해서 치료 효능이 더 좋아지는 장점이 있다. 이에 더하여 SPIKE 단백질에 대한 친화도가 증가하는 걸로 알려진 ACE2 단백질의 변이형들을 이용하여, 그 효능을 더욱 증진시켰다. 기존 단백질 의약품의 제한된 약물동력학적 특징을 극복하고자, 엑소좀 표면에 바이러스 중화를 위한 ACE2 단백질의 세포외 부분(sACE2)과 그 변이형들을 엑소좀 특이적 마커와 융합시켰다. 이 방법을 통하여 단백질 단독으로 사용하였을 때 보다 더 적은양의 치료 단백질 양을 사용하면서 약물동력학적 약역학적 특성이 개선되어 뛰어난 효능을 나타내는 것을 확인하였다. ※ SPIKE 단백질 : SARS-CoV-2 바이러스의 외피에 있는 단백질로서 숙주세포의 수용체 인식과 세포막과의 융합 과정에서 중요한 역할을 하는 단백질 ※ sACE2(Soluble Angiotensin Converting Enzyme2) 단백질 : SARS-CoV-2가 숙주세포에 침입할 때 주로 사용하는 수용체는 ACE2이며, 이 ACE2 단백질의 세포외 부분이 잘려서 생기는 절편 단백질 이렇게 개발한 엑소좀 치료제는 바이러스의 외피단백질 부분만 SPIKE로 바꾼 슈도바이러스(유사바이러스)를 이용한 실험을 통해 야생형의 바이러스는 물론 베타변이, 델타변이 모두에서 억제효과를 확인하였으며, SPIKE에 변이가 있을수록 그 효능이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 슈도바이러스가 아닌 실제 코로나 바이러스와 델타 변이주를 이용한 실험에서도 엑소좀치료제가 바이러스의 전파를 막는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 효과는 더 나아가 동물 모델을 이용한 실험에서도 그 효능을 입증할 수 있었다. 조동규 교수는 “이번 연구를 통하여 새로운 엑소좀 기반의 COVID-19 치료제의 작용 원리와 실현 가능성을 제시하였다” 면서 “이번 연구는 ㈜엑소스템텍과의 공동연구를 통해 개발 중인 엑소좀 기반의 COVID-19 및 다양한 질환 치료제 개발의 새로운 동력이 될 것” 이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 해양수산부, 교육부, 보건복지부, 질병관리청 국립보건연구원의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 세계적 권위지인 ‘Journal of Extracellular Vesicles’ (IF 25.841)에 1.4(화) 발표되었다.

    • No. 181
    • 2022-02-07
    • 8164
  • 지속 가능한 친환경 그린 수소생산 촉매 전극 소재기술 개발

    화학공학/고분자공학부 김정규 교수

    지속 가능한 친환경 그린 수소생산 촉매 전극 소재기술 개발

    화학공학과 김정규 교수, 전남대 신소재공학부 심욱 교수 연구팀, ㈜닐사이언스는 전이금속계 촉매 전극 소재기술을 공동 개발해 오고 있으며, 최근 그린 수소생산을 위한 친환경 전기화학 반응을 주도하는 기능성을 갖춘 신규 촉매 소재를 개발하여 연구성과를 보고했다. 첫 번째로는 산업 폐수의 주 구성원인 요소와 같은 폐질소를 활용하여 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 크게 개선하는 연구로써, 철(Fe)과 저마늄(Ge)으로 구성된 금속산화물 촉매 전극 소재를 통해 기존의 수전해 수소생산을 위한 산화 반응보다 더 적은 에너지로 폐질소 성분을 분해함과 동시에 청정 수소를 생산하는 결과를 보고했다. 이론적으로 수전해 요구 전압(1.23V)보다 매우 적은 요구 전압(0.37V)에서 구동하므로 효율적으로 수소를 생산할 수 있으며, 동시에 산업 폐수를 처리할 수 있어 미래 폐수 자원 활용이 기대된다. 두 번째로는 전기화학적 물 분해를 통한 그린 수소생산에 필수적인 산소 발생 반응과 수소 발생 반응에 동시에 적용하여 전체 수전해 시스템을 구동하는 연구로써, 질소(N)와 인(P)이 풍부하게 도입된 탄소계 소재에 전이금속계 소재인 니켈 포스파이드를 담지하여 다기능성 신규 촉매 전극 소재를 개발하고 이를 통해 낮은 구동 전압(1.57V at 10mA/cm2)성능과 2V 전압에서 500mA/cm2 전류밀도 성능 등 우수한 수전해 수소 발생 연구 성과를 보고했다. 본 연구성과는 질소계 폐수를 활용한 수전해 및 양쪽 반응에 동시 적용 가능한 수전해 기술을 통해 다채로운 시각으로 친환경 수소생산 기술의 산업화 가능성을 보여준 것으로, 앞으로 다가올 수소 산업에 적용한다면 환경 문제가 대두되는 사회에 실질적으로 기여할 수 있는 연구로 확장 가능성이 높다. 이번 연구결과는 환경 과학 분야 저명 국제 학술지인 ‘Environmental Science: Nano’와 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’ 저널에 모두 표지논문(Front cover)으로 선정되었다. *논문1: Boosting eco-friendly hydrogen generation by urea-assisted water electrolysis using M2GeO4 (M = Fe, Co) as an active electrocatalyst (저널: Environmental Science: Nano, DOI: 10.1039/D1EN00529D) *논문2: Anchoring of Ni12P5 Microbricks in Nitrogen- and Phosphorus-Enriched Carbon Frameworks: Engineering Bifunctional Active Sites for Efficient Water-Splitting Systems (저널: ACS Sustainable Chemistry & Engineering, DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c06514)

    • No. 180
    • 2022-01-18
    • 7644
  • 극미량 금속이온과 촉매 구조 간 상호작용 규명을 통한 고활성 수전해 촉매기술 개발

    화학공학/고분자공학부 유필진 교수

    극미량 금속이온과 촉매 구조 간 상호작용 규명을 통한 고활성 수전해 촉매기술 개발

    화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구팀(제1저자 Clament Sagaya Selvam 박사 및 공동저자 최관현 박사)은 에너지과학과 윤원섭 교수 및 서울대학교 이원보 교수 연구진과 함께, 수전해 기술의 효율을 결정하는 산소발생반응 촉매의 표면과 전해질과의 상호작용 기초 원리를 규명하고, 이를 기반으로 높은 효율과 구동 안정성을 보이는 고성능 수전해 촉매를 개발하는데 성공하였고, 이를 에너지 연구분야의 권위지인 ACS Energy Letters (Impact Factor: 23.101)에 표지논문으로 게재했다. 우수한 친환경 청정에너지 공정으로 각광받는 수전해 기술은 상대적으로 용이하게 진행되는 수소발생 반응과는 달리, 그의 짝반응으로 일어나는 산소발생 반응이 높은 에너지 부하를 요구하면서도 촉매활성의 저하를 빠르게 유도함으로써, 결과적으로 수전해 기술의 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 연구진은 정교한 나노구조를 가진 코발트-황 화합물의 소재가 장시간 산소발생 반응의 구동 특성을 제공해 줄 수 있는 우수한 전도성 기재임을 확인하였고, 여기에 니켈옥시하이드록사이드 (NiOOH) 층을 전기도금법을 이용하여 얇게 코팅함으로써, 가혹한 반응 조건 하에서도 촉매 표면의 용출을 방지시켜 반응효율과 안정성을 비약적으로 향상시키는 결과를 확보하였다. 또한, 이러한 촉매의 내구성과 효율의 향상이 전해질 내에 1 ppm 미만으로 극미량 존재하는 철 이온의 촉매 표면과의 동적 상호작용을 통해 자발적으로 원소도핑이 일어나는 결과에서 유래함을 세계 최초로 규명하였다. 유필진 교수는 이번에 개발된 기술이 “고효율 산소발생 반응용 촉매소재 설계의 범주를 넓힐 것이며, 향후 다양한 금속산화물 기반 촉매소재 개발을 통한 친환경 에너지 산업발전에도 기여할 것”으로 설명하였다. 유필진 교수 연구진은 고성능 수전해 촉매의 설계에 있어 올해 5월에 게재된 Energy & Environmental Science (IF: 38.532)에 이어 연달아 우수 연구성과를 창출하였다. 본 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업(2018M3D1A1058624), 중견연구자사업(2020R1A2B5B02002483) 및 기초연구실(2021R1A4A1024129) 사업의 지원으로 수행되었으며, 12월 10일자로 ACS Energy Letters 지에 게재되었다. 논문 1 : “Unveiling the Impact of Fe Incorporation on Intrinsic Performance of Reconstructed Water Oxidation Electrocatalyst”, ACS Energy Letters, 6, 4345−4354 (2021). 논문 2 : “Modularly aromatic-knit graphitizable phenolic network as a tailored platform for electrochemical applications”, Energy & Environmental Science, 14, 3203–3215 (2021).

    • No. 179
    • 2022-01-06
    • 7952
  • 녹색 수소를 만들어내는 새로운 단일 원자 이량체 촉매 개발

    화학과 이효영 교수 ·비에트, 쿠마 아쉬와니 연구원

    녹색 수소를 만들어내는 새로운 단일 원자 이량체 촉매 개발

    하나보다 둘일 때 그 시너지가 발휘되는 경우가 있다. 기초과학연구원 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장 연구팀은 단일 원자 2개를 합성해 기존보다 4배 싼 단일 금속 원자 이합체 촉매를 개발했다. 어떤 성질의 물에서도 수소 생산이 가능하고 기존에 비해 장시간 작동이 가능하다는 것이 특징이다. 이는 친환경적인 방법으로 저렴하게 상업용 고순도 수소를 생산할 수 있어 수소 생산 방식에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다. 친환경 미래 연료로 각광받는 수소는 물에서 얻을 수 있어 이에 대한 연구가 활발하다. 이산화탄소를 배출하지 않는 수소생산방식은 물을 전기분해 해서 수소를 만드는 수전해 방식이 유일하다. 친환경적이지만 생산비용을 낮추는 것이 관건이다. 생산 효율을 높여줄 촉매가 아직 비싸기 때문이다. 귀금속 백금(Pt) 촉매는 산성, 알카리성 등 물의 성분과 상관없이 수소를 생산할 수 있지만 소재가 백금이여서 단가가 비싸고 장기간 작동시 안정성이 좋지 않다는 한계가 있다. 연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트와 니켈을 이용해 이합체를 구현하며 그 한계를 극복했다. 모든 물에서 사용 가능한 질소 도핑된 탄소 지지체에 단일원자를 니켈-코발트 이합체 구조로 안정적으로 합성했다. 연구진은 니켈과 코발트가 단일원자로 존재할 때보다 수소 발생 효과가 저조했으나, 두 개의 단일 원자가 합쳐진 이합체 구조일 때 시너지 효과를 내며 수소 생산 효과가 극대화되는 것을 발견했다. 또한 코발트-망간과 코발트-철과 같은 다른 이합체를 동일한 방법을 사용하여 합성시켰다. 연구팀은 단일원자 니켈-코발트 이합체 전기 촉매가 백금촉매와 비슷한 전압으로 수소 생산이 가능함을 확인했다. 나아가 24시간 동안만 안정적인 기존의 백금 촉매에 비해 단일원자 니켈-코발트 이합체는 구조의 변화 없이 50시간 동안 사용 가능한 것도 발견했다. 이번 연구는 단일 원자 분야에서 오랫동안 도전해 온 단일 원자 이합체 구조 합성 구현을 성공했다는 데 의의가 크다. 이론상으로만 존재 했던 구조를 실현시키며 저렴하면서 기존의 귀금속 백금 촉매의 장점을 가진 새로운 촉매를 개발했다. 이는 고가의 백금 촉매를 대체하며 친환경적으로 수소를 생산하는 데 기여할 것으로 전망된다. 이효영 교수는 이번 연구를 통해“저렴한 고효율 수소 생산 전기분해 촉매를 개발해 이산화탄소 발생이 없는 친환경 소수 생산 경제에 한 발짝 더 다가서게 됐다”고 말했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919)에 11월 19일 온라인 게재됐다. ※논문명: Moving Beyond Bimetallic-Alloy to Single-Atom Dimer Atomic-Interface for All-pH Hydrogen Evolution [그림1] 질소가 도핑된 탄소에서 안정화 된 NiCo-SAD를 이용한 수소 발생 공정도 개략도 [그림2] 알칼리성에서 수소 발생 반응 활동. [그림3] 산성 매체에서 수소 발생 반응 활동.

    • No. 178
    • 2021-12-21
    • 5132
  • III-V‧II-VI 이종전자가 핵‧껍질 구조 양자점에서의 계면 쌍극자 역할 규명

    성균나노과학기술원 배완기 교수 ·황의헌 교수

    III-V‧II-VI 이종전자가 핵‧껍질 구조 양자점에서의 계면 쌍극자 역할 규명

    양자점은 크기에 따라 밴드갭이 조절 가능한 나노반도체 소재로써, 디스플레이, 레이저, 태양광 집적기, 바이오마커 등의 응용 분야에 폭넓게 활용가능하다. 특히 양자점은 기존의 유기반도체 기반 전계발광소자(OLED) 보다 빼어난 색순도를 지녀, 차세대 디스플레이 소재로 큰 주목을 받고 있다. 나노과학기술원 배완기 교수(공동 제1저자 정병국 박사후 연구원, 장준혁 박사후 연구원, 함동효 박사후 연구원) 및 황의헌 교수 공동연구팀은 카이스트 이도창 교수 연구팀 및 삼성디스플레이와의 협업을 통해, 최근 학계 및 산업계에서 각광을 받고 있는 친환경 양자점 소재인 III-V/II-VI 양자점의 이종전자가 계면에 존재하는 계면 쌍극자가 양자점 소재의 광‧전기적 특성이 미치는 영향을 규명하였다. 연구진은 습식화학기법을 통하여 계면 쌍극자를 원자 수준에서 제어하여 양자점 소재의 광전기적 특성을 조절하였으며, 나아가 고효율 고안정성 디스플레이 소자를 구현할 수 있음을 보였다. 양자점의 광‧전기적 특성은 내부 전하의 분포 및 에너지 준위에 의해 결정되며, 이는 양자점 소재의 조성 및 크기에 의해 조절 가능하다. 소재 조성의 선택이 제한적인 친환경 양자점의 경우, 오직 크기 제어를 통하여 양자점의 특성 제어가 가능한 것으로 알려져 있었다. 연구진은 III-V/II-VI 핵/껍질 양자점 계면에 존재하는 계면 쌍극자가 양자점의 전하 분포 및 에너지 준위를 제어할 수 있는 새로운 조절 인자임을 최초로 확인하였다. 나아가 습식화학기법을 통하여 III-V족의 핵과 II-VI족의 껍질층의 계면을 정교하게 제어하여, 이종전자가 계면에서의 쌍극자 모멘트의 밀도를 조절하였다. 이를 통하여 양자점 소재 조성 및 크기 변화없이 양자점의 전기적 에너지 준위를 자유자재로 제어하였으며, 궁극적으로 양자점 기반 전계발광소자의 성능을 극대화할 수 있음을 보였다. 배완기 교수는 이번 연구 결과의 가치에 대하여 “친환경 양자점 소재의 광‧전기적 특성을 최종 사용 목적에 맞춤 제작 가능한 새로운 화학적 기법을 제공한다”면서 “향후 광학소자, 나노바이오 분야에 친환경 양자점 소재의 산업적 적용을 촉진할 것이다”라고 평가하였으며, 황의헌 교수는 “양자점의 에너지 준위를 조성 및 크기로만 조절 가능하다는 기존의 개념을 넘어 핵‧껍질 계면에서 발생하는 ‘전기 쌍극자’도 에너지 준위를 조절할 수 있는 중요한 요소임을 처음으로 보고한 점에 의미가 있다. 이는 제한적인 친환경 소재로 다양한 에너지 준위를 갖는 양자점 합성에 활용할 수 있다”라고 설명하였다. 본 연구는 한국연구재단 (함께달리기, 소재융합혁신, 중견연구, 나노미래소재원천기술개발사업), 삼성디스플레이 및 ETRI의 기본사업의 지원으로 이루어졌으며, 재료 분야 최상위 학술지인 “Nature Materials” (Impact Factor: 43.841)에 현지시간 11월 18일(목) 온라인 게재되었다. ※논문명 : Interface polarization in heterovalent core/shell nanocrystals

    • No. 177
    • 2021-12-03
    • 7122
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