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인간 뇌처럼 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로 구현
성균관대 전자전기공학부 유우종 교수와 에너지과학과 이영희 교수 공동 연구진은 현대자동차 원의연 책임연구원과의 협업을 통해 인간 뇌세포와 동등하게 동작하는 인공 뇌세포 소자를 개발하였고, 이를 이용하여 인간 뇌세포의 다중 연결 신경망 구조를 모사한 스스로 학습하는 인공 뇌 신경망 회로를 구현하였다. 현재의 인공지능 알고리즘은 대용량 슈퍼컴퓨터 수백 대를 이용해 막대한 전기에너지를 사용한다. 반면 인간의 뇌는 주먹 두 개 정도의 작은 크기에 매우 적은 에너지를 사용하여 지능을 구현한다. 만약 인간의 뇌와 같은 원리로 동작하는 인공 뇌를 만든다면 조그마한 스마트 폰에서 동작하는 인공지능이 가능할 것이다. 실제로 인간의 뇌를 모사한 ‘뉴로모픽 시스템’이 활발하게 연구되고 있고, 특히 인간의 뇌를 정밀하게 모방할 수 있는 신개념 메모리인 ‘멤리스터(Memristor)’가 주목받고 있다. * 뉴로모픽 시스템 : 인간의 뇌를 본뜬 Neuromorphic (뉴로모픽) 구조의 컴퓨터. 기존 컴퓨터는 폰노이만 구조로 수학적 계산과 같이 순차적 계산은 빠른 반면 인공지능에서 필요한 여러 가지 일의 병렬적 계산은 적합하지 않다. 알파고의 경우 폰노이만 구조의 컴퓨터에서 병렬적 계산을 할 수 있도록 소프트웨어로 구현하였다. 이를 위해 수천개의 컴퓨터를 병렬로 연결하여 사용하고, 매우 많은 전력소모가 발생한다. 반면 뇌를 본뜬 뉴로모픽의 경우 하드웨어 자체를 병렬계산에 적합하게 만들었다. 인간의 뇌세포와 같이 수만개의 작은 cpu와 메모리를 병렬로 연결하여 컴퓨터를 만든다. 각 cpu와 메모리의 소비전력이 작아 전체적으로도 매우 작은 전력으로 높은 인공지능을 수행할 수 있다. * 멤리스터 : 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어. 일반 저항과 달리 저항이 고정되어있지 않고 외부의 입력에 의해 저항값이 변하며 일정 시간 이를 저장하는 메모리 역할을 한다. 기존 메모리 소자는 0/1의 2개의 상태를 기억하는 반면, 멤리스터는 100개 이상의 상태를 기억 가능한 소자이다. 그 결과, 멤리스터 1개가 메모리 8개를 대체할 수 있어서 인공 뇌 신경망의 크기와 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. 멤리스터는 저항값의 변화로 기억을 저장하는 새로운 소자로, 뇌세포 간 연결체이자 기억저장 기관인 ‘시냅스’를 모방하는데 사용된다. 유우종 교수 연구진은 지난 2016년 우수한 신뢰성을 보이는 플래시 메모리 기반의 ‘2전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하였고, 이를 이용하여 시냅스의 기억저장 방식을 모사하였다(Nature Commun. Doi:10.1038/ncomms12725). 그러나 인간 뇌 기능을 완벽히 구현하기 위해서는 연산을 수행하는 뇌세포 모방 소자가 추가로 필요하다. * 플래시 메모리 : 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 기억장치로 매우 우수한 신뢰성을 보여 스마트폰, 디지털카메라 등의 휴대기기에 널리 쓰이고 있다. 연구진은 이번 연구에서 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 최초로 개발하여 뇌세포(뉴런)의 동작을 모사하는데 성공하였다(그림1). 여러 갈래로 연결된 뇌세포 간에 서로 전기신호를 주고받게 되는데, 이때 뇌세포는 전달받은 전기신호를 몸체(막전위)에 누적(누설합산 기능)하고 일정량 이상의 전기신호가 누적되면 새로운 전기신호를 발생(발화 기능)시킨다. 연구진은 먼저‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용하여 이러한 뇌세포의 동작을 완벽히 따라 하는 인공 뇌세포를 구현했다. ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’의 플로팅게이트의 전위는 뇌세포의 막전위를 모사하여 누설합산 기능(leaky-integrate)을 모사하였고, 순차회로로 연결된 비교기를 통해 전기신호 누적량 측정과 뇌세포의 전기신호 발화 기능(fire)을 모사하였다.‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’는 여러 개의 전극(다중전극)을 갖는 구조인데, 이를 이용하여 뇌세포 간 여러 갈래 연결을 모사할 수 있었다. 연구진은 다음으로 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’ 여러 개를 서로 연결하여 인간의 뇌세포 간 연결구조의 스스로(비지도) 학습을 모사하였다(그림2).이를 위해 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’기반 인공 뇌세포(연산소자) 12개(입력 9개, 출력 3개)를 ‘플로팅게이트-멤리스터(2016년)’인공 시냅스(기억소가) 27개로 연결한 인공 뇌 신경망 회로를 구성했다. 이렇게 구성한 인공 뇌 신경망 회로는 인간 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분을 사람의 간섭없이 스스로(비지도) 학습하였고, 학습한 지능으로 다양한 방향선의 방향을 완벽히 구분해내었다. 또한, 인간의 손글씨 숫자 데이터(MNIST 데이터셋)의 학습 시뮬레이션에서 인간의 간섭 없이 스스로(비지도) 학습하여 83%의 높은 정확도를 보였다. 유우종 교수는 “본 연구는 인간 뇌와 완벽히 일치하게 동작하는 인공 뇌세포, 시냅스 그리고 인공 뇌 신경망 회로의 개발을 통해 인간과 같이 스스로(비지도) 학습하는 능동적인 인공지능을 구현 했다는데 의의가 있다.”며 “인간의 지식 테두리 안에 갇혀있는 기존 지도학습과 달리, 비지도 학습은 데이터를 통해 스스로 학습하므로 인간의 지식수준을 뛰어넘는 신지식의 도출이 가능한 창의적인 인공지능 구현이 가능하다.”고 밝혔다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF = 17.694)에 5월 27일 게재되었고, 최신 논문 중 최고의 논문을 선정하는 ‘에디터 하이라이트 페이지’(Editors’ Highlights page) Devices 섹션에 6월 14일 소개되었다. * Multi-neuron connection using multi-terminal floating–gate memristor for unsupervised learning (저널: Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-38667-3, Editors’ Highlights page - Devices: https://www.nature.com/collections/bjiiabbacg) 그림1. [왼쪽] 인간 뇌의 뇌세포 간 연결구조. [오른쪽] 인간 뇌세포 및 연결구조를 모사한 ‘다중전극-플로팅게이트-멤리스터’를 이용한 인공 뇌세포 구조 그림2. [왼쪽위] 뇌의 1차 시각 정보 처리 기능(visure cortex 1)인 방향선 구분 [오른쪽] 이를 구현한 뇌세포(연산) 소자 12개와 시냅스(기억) 소자 27개를 연결한 ‘인공 뇌 신경망 회로’
- No. 236
- 2023-08-11
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사전 예측이 감각운동 향상시키는 신경 기전 밝히다
동물은 주어진 환경에 적응하고 살아가기 위해 다양한 감각 정보를 활용하며, 특히 인간을 포함한 영장류는 주로 눈을 통해 얻은 시각정보에 의존한다. 우리 뇌는 시각정보가 정확하지 않거나 제한적인 경우에도, 시각정보와 과거의 경험 지식에 기반한 예측정보를 통합해 적절한 행동을 할 수 있게 한다. 그러나 이러한 정보의 통합과 처리가 뇌의 어느 영역에서, 어떻게 처리되는지는 아직 명확하지 않다. 글로벌바이오메디컬공학과 이준열 교수 연구팀은 영장류 행동 실험과 신경세포 활동 측정을 통해 얻은 데이터를 바탕으로, 사전 경험지식에 의한 예측이 시각정보를 처리하는 대뇌피질 감각영역의 세포활동을 조절해 움직이는 물체를 추적하는 능력을 높인다는 사실을 밝혔다. 원숭이 행동실험 결과, 움직이는 시각자극이 잘 보이지 않더라도 이전 실험 경험을 통해 이동 방향을 예측할 수 있는 경우에는 물체를 추적하는 안구운동의 정밀도가 높았고, 예측할 수 없는 움직임을 보이는 경우에는 정밀도가 낮아짐을 확인했다. 또한 이와 같이 잘 보이지 않는 물체의 움직임에 대한 안구운동 정밀도의 향상은 대뇌 외측시각피질 세포들의 신경활성의 조절로 잘 설명되었는데, 이는 외측시각피질 세포들의 활성 패턴이 시각 자극물의 방향에 대한 예측도 표상할 수 있으며, 이것이 안구 운동의 정밀성과 연관되어 있음을 보여준 것이다. 이번 연구를 이끈 이준열 교수는 연구결과가 “대뇌 외측시각피질이 환경으로부터 얻은 감각 정보를 단순히 신경 신호로 전달하는 영역이 아니라, 사전 지식 및 예측에 의해서 동일 감각정보를 다르게 해석하여 행동을 조절할 수 있는 뇌영역이라는 것을 보여준다”고 전했다. 또한, “대뇌피질의 감각 영역이 사전 정보를 이용해 어떻게 감각운동 행동 변화에 기여할 수 있는지를 밝힘으로써, 감각운동 정보처리의 신경 기전에 대한 이해를 높였다”라며, “감각운동 및 인지기능 장애 치료 연구에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 전했다. 본 연구는 기초과학연구원 (IBS-R015-D1)의 지원을 받아 수행되었고 사이언스 자매 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.6)’에 7월 7일 온라인 게재됐다. 박정준 석사후 연구원 (현 Washington University St. Louis 박사과정 학생)과 김설민 박사과정 학생이 공동 제1저자로 기여하였으며 같은 과 김형구 교수와의 협업으로 이루어졌다.
- No. 235
- 2023-08-01
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전자 궤적이 야구 변화구처럼 휘는 현상을 경금속에서 관측 성공
에너지과학과 최경민 교수 연구팀(공동1저자 최영관박사, 공동1저자 고경훈 박사과정)과 포항공대 이현우 교수 연구팀 (공동1저자 조대근 박사과정)은 금속에 전기장을 걸었을 때 전자의 원자핵 주변 궤도 공전 때문에 전자가 전기장과 어긋난 방향으로 휘면서 흘러간다는 것을 세계 최초로 밝혔다. 야구 투수가 빠른 공과 느린 공, 직구와 변화구를 자유자재로 구사하면 타자가 공략하기 힘든 것처럼 전기장을 걸었을 때 생기는 전류 흐름을 자유자재로 조절할 수 있으면 전자소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구진은 경금속에서 전자의 스핀 대신 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 각운동량을 이용해서 전자 궤적을 휘게 만들 수 있다는 것을 확인하였다 (궤도 홀 효과). 최경민 교수 연구팀은 “이 연구는 전자의 궤도 각운동량이 고체내에서 제어될 수 있음을 보여준다. 제어가 가능한 궤도 각운동량은 다양한 고체 물리 분야에 적용될 것으로 기대되며, 특히 스핀 각운동량과 결합하여 저전력 자성 메모리 개발에 응용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 과학분야 세계 최고의 학술지인 Nature 에 7월 6일에 게재되었다. 논문명: Observation of the orbital Hall effect in a light metal Ti 전자(황금색 구)는 원자핵 (파란색 구) 주변을 어느 방향으로 공전하는지에 따라 서로 다른 궤도 각운동량을 가진다. 궤도 각운동량 방향에 따라서 전자의 궤적이 휘는 현상을 궤도 홀 효과라고 한다. 이 궤도 홀 효과는 전자소자에서 전자의 궤적을 제어하는 원리를 제공한다.
- No. 234
- 2023-07-17
- 7298
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퀀텀닷 표면에 따른 화학적 차이 규명
에너지과학과 정소희 교수 연구팀(제1저자 김미리 박사, 공저자 최만민 석박통합과정, 최신일 박사과정)은 퀀텀닷(Quantum Dot)의 노출된 표면(facet)을 성공적으로 제어하여 표면 구조 및 관련 화학 반응성의 변화를 규명하였다. 퀀텀닷은 그 크기가 매우 작아 (1-10 nm 수준) 표면 구조의 이해 및 제어가 중요하지만 나노 수준의 결정체의 표면구조를 아는 것은 대단히 어렵다. 이에 연구팀은 정밀히 디자인된 콜로이드 합성법을 통해 노출된 표면이 제어된 퀀텀닷을 합성하였다. 특히, 퀀텀닷의 표면과 리간드(ligand) 결합을 원자수준에서 제어하였으며 이를 통해 단일 표면을 가지는 다면체(tetrahedron, octahedron)와 다중 표면을 가지는 나노구조체(tetrapod, truncated-octahedron) 등에 이르기까지 퀀텀닷 표면 연구를 위한 라이브러리를 구축하는데 성공하였다. 또한, 표면이 잘 정의된(well-defined) 퀀텀닷 구조 및 화학 반응성 이해를 기반하여 초소형 퀀텀닷의 우수한 대기안정성의 화학적 규명, 단일 양자점의 다중 홀전자쌍 발광에 관한 양자기술을 구현하여 차세대 QLED 기술 발전에 기여하였다. 또한 정밀한 표면 리간드 치환기술 개발을 통한 퀀텀닷 박막의 전기적 특성 연속 제어, 퀀텀닷 기반 광전소자의 성능 향상을 제시하는 등 차세대 반도체 기술을 한단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받았다. 정소희 교수 연구팀은 “본 연구를 통해 연구실에서 10년간 개발해온 초소형 반도체 나노 결정체인 퀀텀닷의 표면 구조 및 관련 화학 반응성 규명의 새로운 장을 연 것에 그 의미가 있다”며 “이를 통해 퀀텀닷의 초균질 특성 확보가 가능할 것으로 기대되어 차세대 양자 기술, 디스플레이, 에너지 소자의 핵심 소재로서 그 역할이 기대된다”고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 및 중견연구, 소재혁신 사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 최상위 학술지인 Accounts of Chemical Research(IF=24.466, JCR 상위 3.63%)에 6월 23일(목) 게재되었다. 논문명: Semiconductor Nanocrystals: Unveiling the Chemistry behind Different Facets
- No. 233
- 2023-07-07
- 8386
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fMRI 데이터 기반 반추 예측 모델 개발
"반추"는 우리의 마음이 특정한 생각이나 감정에 빠져서 끊임없이 그것을 되새기는 상태를 묘사한다. 이는 마치 소가 먹은 음식을 여러 번 씹는 것처럼, 우리도 때로 특정한 생각이나 감정을 계속해서 되새기는’데, 이러한 현상을 비유적으로 표현한 것이다. 특히 우리는 때로 부정적인 상황이나 문제, 걱정거리에 대해 계속해서 생각하곤 한다. 이런 생각이 과도하게 반복되거나 부정적인 감정에 집중하게 되면 우울증이나 불안장애 등의 정신 건강 문제로 발전할 수 있다. 그래서 학계에서는 반추 사고 경향을 우울증의 대표적인 취약 요인으로 연구해 왔다. 사람마다 이 반추 사고 경향은 다르게 나타난다. 이 반추 경향은 개인마다 고유한 뇌의 연결성 패턴과 관련되어 있을 것이라는 가설이 제기되어 왔지만, 이는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이를 연구하였다. 즉, 건강한 사람들이 쉬는 동안 얻은 기능자기공명영상(fMRI) 데이터에 기계 학습을 적용하여 개개인의 반추 경향을 예측하는 모델을 개발했다. 나아가 이 뇌기반 예측 모델은 실제 우울증 환자들의 우울 정도를 예측하는 데에도 유효한 결과를 보였다. 특히, 이번 연구를 통해 디폴트모드 네트워크 내의 배내측전전두피질(Dorsomedial prefrontal cortex)이 반추의 수준을 예측하는 데 특히 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내었다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 "생각의 흐름의 패턴은 우리의 감정에 중요한 영향을 미치는데, 본 연구는 부정적인 생각의 경향성을 뇌 연결성으로부터 읽어낼 수 있다는 것을 보였다”며 본 연구에 대해 "이런 연구 결과들이 쌓여서 미래에는 정신건강을 모니터링하고 관리하기 위해 뇌영상을 이용할 수 있기를 기대”한다고 하였다. 이번 연구의 제 1저자인 성균관대학교 지능형정밀헬스케어융합전공 박사과정생 김정우는 "본 연구는 반추 과정의 개인 차에 어느 뇌 영역 간의 어떤 연결성이 기저하는지를 보여준 연구로 임상적으로도 과학적으로도 의미가 있는 연구” 라고 하였다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), BrainKorea21 Four 등의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications, IF 17.694)에 2023년 6월 15일 게재됐다.
- No. 232
- 2023-06-29
- 6331
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차세대 프라임에디터 유전자가위 설계 인공지능 개발
융합생명공학과 김희권 교수 연구팀 (공동저자 김지윤, 김지성 학생)은 연세대학교 의과대학 김형범 교수 연구팀과 함께 차세대 유전자가위인 프라임에디터를 설계하는 세계최고 수준의 인공지능 모델 개발에 성공하였다. 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘셀 (Cell)’ 2023년 5월 11일 호에 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단 우수신진연구 지원사업 (2020R1C1C1003284), 국가신약개발사업 (HN22C0571) 등의 지원을 받아 수행되었다. 유전자가위(CRISPR-Cas9)는 원하는 유전자 부위를 손쉽게 절단하고 원하는 형태로 교정할 수 있는 인공효소로서, 유전자치료제 개발의 원천기술, 유전자교정 동식물 개발, 유전체 스크리닝 기술의 핵심 도구이다. 유전자가위를 이용한 유전자교정기술을 개발한 과학자들이 2020년에 노벨화학상을 수상하였으며, 현재 유전자가위를 이용한 여러 유전자치료제의 임상연구가 진행되는 등 전세계적인 관심을 받고 있다. 기존 유전자가위기술은 DNA이중가닥절단에 의해 나타나는 세포독성, 비특이적 유전자교정과 같은 부작용이 나타나는 단점이 있다. 최근에는 DNA이중가닥을 완전히 자르지 않고 한 가닥만 자르면서, 절단 부위에 새로운 유전정보를 채워넣는 프라임에디터 유전자가위가 개발되었으며, 기존 유전자가위보다 훨씬 안전하고 효율적인 기술로 주목받고 있다. 하지만 프라임에디터 유전자가위 시스템은 기존 유전자가위보다 구조적으로 복잡하고, 설계할 수 있는 경우의 수도 수 백배 다양하기 때문에 효율이 높고 정밀한 유전자가위를 설계하는 데에 어려움이 있다. 따라서 프라임에디터 유전자가위를 임상 연구와 치료목적으로 사용하려면 어떤 조건에서 최적의 유전자 교정이 일어나는지 정확히 파악하는 것이 필요하며, 이를 위해서 대규모 실험데이터 확보 및 분석이 필수적이다. 이에 연구팀은 2020년부터 약 3년 동안 33만개 이상의 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 측정한 데이터를 확보하였다. 이는 그동안 학계에 보고된 측정 데이터 중 가장 규모가 큰 결과이다. 측정한 데이터를 분석한 결과, 연구팀은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 결정하는 주요 기전과 영향을 밝혀내는데 성공하였다. 이에 그치지 않고, 연구팀은 분석한 데이터를 인공지능을 통한 학습과정을 거쳐 교정을 원하는 유전자 서열정보 등을 입력하면 활용 가능한 프라임에디터 유전자가위의 효율과 정확성을 예측하는 인공지능 모델들(DeepPrime, DeepPrime-FT, DeepPrime off)을 제작하였다. 이번에 제작한 모델은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율 및 안전성에 대해 세계최고 수준의 예측 성능을 보인다. 기존에는 프라임에디터 유전자가위를 활용하기 위해 매번 수 십~수 백개 이상의 프라임에디터 유전자가위를 제작하고 실험적으로 검증하는 과정이 필요했으나, 이번에 연구팀이 구현한 기술을 이용하면 빠르고 정확하게 프라임에디터 유전자가위를 설계할 수 있어 향후 유전자치료 분야에서 높은 활용도가 기대된다.
- No. 231
- 2023-06-09
- 11425
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그래파인 계열 탄소화합물의 성질과 응용
이진용(화학과) 교수 (공동 제1저자 Hao Li 박사, 임종현 박사)와 Baotao Kang 교수(중국 지난대학교, 이진용 교수의 박사 지도학생)이 이끄는 연구팀은 Graphyne(그래파인) 패밀리 및 Graphdiyne(GDY)을 다양한 에너지 저장 및 촉매 활용에 응용한 이론적 연구결과들을 Chemical Reviews (IF:72.087)에 "Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances"라는 제목으로 2023년 4월 26일 게재하였다. 이 논문은 이론화학자의 관점에서 그래파인 패밀리의 구조적, 광학적, 전자적 특성을 설명하고 특히 실험적으로 보고된 유일한 그래파인 패밀리인 graphdiyne 기반 재료들의 다양한 응용을 다루었다. 다양한 종류의 탄소 동소체는 특유의 뛰어난 성질을 통해 인류에게 많은 기여를 해왔으며, 그 중에서도 탄소 기반 저차원 물질인 그래파인 소재는 우수한 물리적 및 화학적 특성으로 인해 광범위한 잠재적 응용 분야를 가지고 있다. 특히 그래파인 패밀리 중에서 유일하게 합성된 GDY는 최초 합성에 성공한 이후 특유의 넓은 표면적과 sp/sp2 혼성궤도, 그리고 일정한 밴드갭을 갖고 있어서 다양한 연구 분야, 특히 에너지 저장 및 촉매 활용 분야에서 실용화되고 있다. 그러나 대부분의 그래파인 패밀리가 이론적으로만 연구되었고 아직도 합성되지 않은 다양한 그래파인 패밀리들이 존재하기 때문에, 본 논문에서 다루는 다양한 이론 및 실험 결과들은 이론분야 뿐만아니라 실험 연구자들에게도 중요한 아이디어를 제공할 수 있어 실험과 이론 간의 협력 연구를 더욱 활발하게 유도할 것으로 기대된다. 세계적인 에너지 위기를 해결하기 위한 효율적인 에너지 저장 소재 및 촉매의 개발은 필수적입니다. 해당 분야에서 GDY는 전기 촉매, 광촉매, 태양 에너지 변환, 수소 저장, 이온 배터리, 슈퍼 커패시터 등을 포함한 다양한 에너지 기술에 활용가능한 소재 후보지만, GY 계열 재료에 대한 연구는 합성의 부재로 인해 여전히 제한적이다. 본 논문에서는 GY의 구조와 전자적 특성에 대해 연구를 통해 에너지 소재 분야에서 활용 가능한 잠재적 응용에 대한 제안하고 있다. 최근 10년 동안 이진용 교수는 이 주제에 관한 연구결과를 Chem. Eng. J., Energy & Environ. Mater., Carbon, App. Surf. Sci., Phys. Chem. Chem. Phys. 등에 수 십여편의 논문을 발표하였다. *논문명:Graphynes and Graphdiynes for Energy Storage and Catalytic Utilization: Theoretical Insights into Recent Advances
- No. 230
- 2023-05-31
- 8201
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초고민감 과불화옥탄산(PFOA) 검출 센서 개발
박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 자가 조립 파라페닐렌디아민* 나노입자(Self Assembled p-Phenylenediamine nanoparticle, SAp-PD)를 이용하여 테프론 코팅된 프라이팬 조리 시 발생하는 과불화옥탄산(Perfluorooctanoic acid, PFOA)의 초고민감도 검출에 성공하였다. 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 이 같은 내용을 환경 과학 분야 Top 3% 국제학술지 ‘Journal of Hazardous Materials’에 4월 6일자로 출간하였다. * 파라페닐렌디아민(p-Phenylenediamine, p-PD) : 염색약 성분 중 하나로 아민기(-NH2)를 양 끝단에 가지는 유기 화합물. 상온에서는 흰색의 가루 형태로 존재하지만, 수용액 상에서 산화가 되면 적갈색을 띠는 것이 특징임. PFOA는 계면활성제의 특성과 함께 내열성 및 오염 방지 특성이 있어 산업 전반에 걸쳐 널리 사용됐으며 특히, 프라이팬 등의 조리도구 코팅제로 사용됐다. 하지만, 세계보건기구(WHO) 산하의 국제 암 연구소(IARC)가 인간에게 발암 가능성이 있는 ‘그룹 2B’로 분류하며 사용이 제한됐고, 지난 2018년 대구 수돗물에 과불화화합물이 기준치 이상으로 검출되어 사회적 이슈가 된 이래로 PFOA의 고민감 검출에 대한 중요성이 대두되어왔다. 연구팀은 특정 파장의 레이저를 분석하고자 하는 물질에 조사할 때 발생하는 고유한 스펙트럼을 감지하고 분석 가능한 라만 기술을 검출에 이용하였다. 라만 기술은 마치 사람의 지문이 서로 다른 것처럼 물질마다 고유의 스펙트럼을 가지고 있다. 특히, 라만 신호를 극대화하기 위해 표면 증강 라만 분광(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 방법을 적용하였고, 이는 분석 물질이 붙는 기판의 나노 구조에 따라 성능이 결정된다. 이를 위해 본 연구팀은 잔디 형상의 은 나노잔디 구조체(Silver Nanograss)를 제작하여 SERS 기판으로 사용하였고, 은 나노잔디 구조체 기판 위에서 고유한 라만 스펙트럼을 가진 SAp-PD의 신호를 PFOA 처리 전/후로 측정하여 라만 강도의 차이를 분석하였다. 파라페닐렌디아민(p-PD)은 수용액 상에서 시간이 지남에 따라 산화되면 스스로 구형의 나노 입자가 되는 성질과 함께 특정 라만 스펙트럼을 가지고 있다. 이때, PFOA와 반응을 하면 p-PD 나노 입자 구조가 붕괴하는 현상과 함께 라만 스펙트럼의 강도가 감소한다. 본 연구팀은 이러한 메커니즘을 세계 최초로 응용하여 초고민감 PFOA 검출 센서 기술을 개발하였다. 연구팀은 증류수 상에서 PFOA를 SAp-PD를 이용해 극저농도인 1.28pM(pico molar, 10-12M) 농도까지 검출하였고, 실제 수돗물에서는 1.6nM(nano molar, 10-9M) 농도로 검출하였다. 또한, 실제 테프론이 코팅된 프라이팬을 철 수세미로 긁었을 때와 프라이팬에서 조리한 즉석 밥에서도 PFOA를 각각 1.69nM, 10.3μM(micro molar, 10-6M)의 농도까지 검출하는 데 성공하였다. 박진성 교수는 “본 연구에서 제안하는 기술은 과불화화합물뿐 아니라 다양한 환경 독성 물질을 검출하기 위한 초석 연구로 활용될 가능성이 크다.”며 “향후 실제 환경 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용되기를 기대한다.”라고 밝혔다. 또한, 이번 실험을 진행한 박현준 박사과정은 “이번 연구를 기반으로 과불화옥탄산뿐만 아니라 실제 환경에 노출되어 인체에 유해함을 보이는 독성 물질들을 찾아 더욱 민감하게 검출 가능한 멀티 센싱 플랫폼을 구축하고 싶다.”라고 포부를 밝혔다. 본 연구는 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업과 한국연구재단(기초과학연구, 중견연구)의 지원을 받아 진행되었다. 한편, 박진성 교수는 방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서를 개발한 연구 성과를 국제학술지 ACS Sustainable Chemistry&Engineering(IF: 9.224)에 4월 21일 게재하는 등 질병유발 환경의 독성물질 검출 연구에 박차를 가하고 있다. ※ 논문명: Ultra-sensitive SERS detection of perfluorooctanoic acid based on self-assembled p-phenylenediamine nanoparticle complex ※ 저널: Journal of Hazardous Materials, IF: 14.224 ※ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423006672?via%3Dihub
- No. 229
- 2023-05-17
- 7869
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생물학적 후각계의 화학감각 신경을 모방한 인공 화학감각 신경 시냅스 개발
신소재공학과 이내응 교수 연구실에서는 촉각, 청각, 시각, 미각, 후각 등 인간의 감각기관의 기본 기능을 모사할 수 있는 인공감각시스템을 개발해왔다. 인간의 감각 신경계를 모방하고 에너지 효율적이고 지능적인 신호 처리를 수행하는 인공감각시스템은 미래 로봇, 자동차를 비롯한 다양한 자율 시스템의 인공지능 기술에 적용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 놀랍게도 인체는 고도로 정교하여 모든 감각 정보를 상위 뇌 중추로 전송하기 전에 기관 수준에서 사전 처리할 수 있다. 인공 화학 감각 신경 시냅스에 대한 연구실의 최근 연구는 인간 후각 시스템의 뉴런과 시냅스의 흥분성 및 억제성 시냅스 기능에서 영감을 받아 "Nature Communications"에 게재되었다. 연구팀은 화학수용성 이오노겔과 혼합 이온-전자 전도성 반도체 채널을 결합해 단순한 장치 디자인을 개발했다. 이 설계는 장치에 전기적 자극을 가하면 기억된 신호가 지워지면서 화학적 자극에 반응하여 장기 기억을 가능하게 함을 보였다. 신호의 전반적인 변조는 인간 코의 기능과 유사하며, 다양한 신경 연결이 화학 수용체의 신호를 암기하고 억제하는 데 도움이 된다. 공동교신저자인 연구교수 Atanu Bag박사와 박사과정 Hamna Haq Chouhdry 학생은 이 제안된 장치의 개념이 뉴로모픽 신호 처리를 위해 센서에서 필요한 데이터 양과 에너지 소비를 크게 줄일 수 있으며 장치 수준에서 사전 처리된 데이터는 소프트웨어 기반 또는 하드웨어 기반 뉴로모픽 처리에 직접 활용할 수 있을 보였다. 이는 인간의 감각 체계를 모방한 뉴로모픽 인지 기능을 구현하기 위한 인공 감각 체계 및 기관에 대한 추가 연구로 이어질 것으로 기대된다. 본 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업 및 한국연구재단과 중견연구자 지원사업을 통해 수행되었다. 이 연구는 2023년 2월 "A flexible artificial chemosensory neuronal synapse based on chemoreceptive ionogel-gated electrochemical transistor"라는 제목으로 "Nature Communications" 온라인판에 게재되었으며, Nature Communications Editor's Highlights 웹페이지의 "Devices" 섹션에 소개되었다. 그림. 상단 패널은 생물학적 및 인공 화학감각 시냅스의 비교를 보여주며, 하단 패널은 흥분성 화학 및 억제 전기 자극 하에서 장치 작동을 보여줌.
- No. 228
- 2023-05-02
- 7026
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양성자화 전용 다공성 유기고분자 시스템을 통한 광촉매 ROS 생성 활성파장 엔지니어링
화학과 이진용 교수 연구팀(공동 제1저자 임종현 박사)는 박성남(고려대학교), 김도경(경희대학교), 김종승(고려대학교), 홍창섭(고려대학교) 교수가 이끄는 연구팀과 공동연구를 통해 광역학치료요법(PDT)에 사용될 수 있는 새로운 유기 다공성 광감응제(PS)인 KUP-1 시스템을 개발했다. 해당 연구는 “Wavelength engineearable porous organic polymer photosensitizers with protonation triggered ROS generation” 라는 제목으로 2023년 3월에 Nature Communications (IF: 17.694)에 온라인 게재되었다. PDT는 암 치료 및 미생물 감염치료를 위한 비침습적 치료요법 중에서 가장 매력적이고 유망한 도구이지만, PS의 여기로부터 활성산소종(ROS) 생성까지 여러 단계의 에너지 전이과정이 수반되기 때문에 최초 여기를 위한 파장대의 미세한 변화에도 ROS 생성의 효율이 크게 달라질 수 있는 구조를 가지고 있다. 이러한 이유로 높은 ROS 생성효율을 유지하면서 PS의 여기 파장대 조건을 조절하는 것은 매우 어려운 과제이며 동시에 PDT의 치료 효율을 높이기 위해 반드시 필요한 연구이기도 하다. 이 연구에서 개발된 KUP 시스템은 금속이온을 포함하지 않는 이미다졸륨 기반의 유기 고분자 물질로 효율적인 one-pot 반응을 통해 합성이 가능하며, 구조내의 linker의 변형을 통해 높은 ROS 생성률을 유지하면서도 여기 파장대를 조절할 수 있기 때문에 PDT의 치료효율을 제고할 수 있었다. 하지만 자세한 작용원리를 알 수 없었는데, 이진용 교수팀은 비단열 분자동역학(NAMD) 시뮬레이션과 범밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 KUP 시스템의 ROS 생성과정에서 나타나는 반응들의 상대적인 속도를 비교하여 양성자 KUP 시스템에서만 ROS가 생성되는 실험결과에 대한 이론적인 근거를 제시하였으며 양성화 KUP 시스템과 산소분자 사이의 흡착에너지가 중성 시스템보다 높게 나타나는 것도 확인하였다. 본 연구에서 개발된 새로운 광감응제를 통해 암 치료를 위한 광제어 치료법 발전에 기여할 것으로 기대된다. *논문명:Wavelength engineerable porous organic polymer photosensitizers with protonation triggered ROS generation.
- No. 227
- 2023-04-17
- 6992
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하루를 충전하는 카페인,이제는 에너지 저장소재로
에너지과학과(DOES) 이원태 연구교수와 윤원섭 교수가 리튬이온이차전지 핵심 요소 중 하나인 양극소재에서 카페인 분자를 통해 전극 및 분자 설계에 따라 높은 에너지와 빠른 충전 속도를 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다고 밝혔다. 피부로 느껴지는 기후변화에 대한 현상은 환경 문제에 대한 미온적 관심을 넘어 위기의식을 심어주었으며, 친환경 에너지 저장 및 전환 시스템의 중요성을 더욱 강조하게 되었다. 현재 리튬이온배터리는 전이 금속 기반 무기 화합물이 주를 이루며, 전기차(electric vehicle) 시장의 개화에 따라 그 사용량이 더 욱 확대됨에 따라 유한적·국부적 금속 매장량으로 인해 비용 및 지속 가능성에 대한 우려가 커지고 있다. 이에 대한 대안으로 H, C, N, O, S와 같이 자연계에 풍부하게 존재하는 원소로 구성되어 있는 유기계 에너지 저장 소재가 떠오르고 있다. 카페인(1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione)은 현대 사회에서 가장 많이 소비되는 향정신성 약물로서 xanthine alkaloid 유도체다. 주로 우리가 마시는 커피나 차에 들어있으며 각성효과를 나타낸다. 연구원들은 이러한 카페인을 최적화된 전극 설계를 통해 에너지 저장소재로서 가능성과 반응 메커니즘을 조사하였다. 해당 연구에서 카페인의 경우 총 2 mole 의 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있으며, 100회 충·방전 이후에도 200 mAh/g 이상의 고(高)용량과 고속 충전 시 6 분만에 50% 정도의 용량을 충전할 수 있는 특성을 보여주었다. 더 나아가, 리튬이온전지 전극소재로서 카페인의 에너지 저장 반응메커니즘을 최초로 규명하였다. 다만, 이원태 연구교수는 반응 메커니즘 분석의 목적으로 설계된 prototype 의 전극 설계로 실제 상용화 수준의 전극 설계를 위해서는 해결해야할 과제들이 많이 남아 있다고 덧붙였다. 또한 연구원들은 카페인의 molecular tuning을 통해 추가적인 에너지 저장 부위를 활성화시킬 수 있다는 것을 보여줌으로써 기존 유기화합물 소재를 기반으로 고(高) 에너지 리튬이온이차전지를 디자인할 수 있는 새로운 가능성을 입증하고 전략적 방향을 제시하고 있다. 이원태 연구교수는 “대학원 시절, 우연히 보게 된 의학 논문에서 카페인 섭취 시 각성 효과 외에도 혈중 리튬이온 수치를 낮춘다는 보고를 보았었습니다. 당시 아무런 근거 없이 ‘만약 카페인이 산화 환원 반응을 통해 리튬을 받아들이는 거라면 에너지 저장소재로서 사용할 수 있지 않을까’라는 단순한 생각으로부터 연구를 시작하게 되었으나, 실질적인 결과가 나오지 않아 중단 했었습니다. 하지만 시간이 흘러 박사학위를 취득 후 세종과학펠로우십과 저의 지도교수님이셨던 윤원섭 교수님의 지원으로 적극적인 연구를 진행할 수 있었으며, 이 과정에서 함께하였던 우수한 연구원분들의 도움을 통해 막연한 상상을 현실로 실현할 수 있었습니다.”라고 연구 스토리를 설명했다. 이와 함께 윤원섭 교수는 “현재 이차전지 시장에서 주를 이루고 있는 소재들은 고(高)함량 니켈 기반 층상구조 소재와 같이 전이금속 기반 무기화합물입니다. 이러한 금속들은 한정된 매장량으로 인해 머지않아 높은 비용 및 지속 가능성에 대한 우려와 같은 문제를 야기할 것입니다. 이에 대한 대안으로 비록 현재로서는 상용화적인 측면에서 전이금속 기반 소재에 비해 개발이 더딘편이지만, 자연계에 무한히 존재하는 원소들로 이루어진 유기계 전극재료의 개발은 지속가능한 개발 측면에서 매우 매력적인 전략이 될 것입니다.”라고 전했다. 에너지과학과 (DOES) 이원태 연구교수와 윤원섭 교수가 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼스 (Energy Storage Materials, IF 20.831, Materials Science 분야 상위 2.54%, Q1)에 단독전면표지 (Front cover)로 선정되었다. (Volume 56 / 2023.02.17.) 카페인 분자의 에너지 저장 메커니즘 및 halogenation을 통한 새로운 반응 site 활성화 전략
- No. 226
- 2023-04-03
- 10507
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전자기장 응집이 극대화된 다차원 복잡 나노프레임 입자 합성 기술 개발
금 또는 은과 같은 귀금속들은 크기가 나노 수준으로 작아짐에 따라 표면 플라즈몬 공명이라고 하는 독특한 현상을 나타낸다. 금속 표면의 자유전자의 총괄적인 출렁임으로 인해 나노입자의 크기 또는 모양, 주변 매질에 따라 다양한 파장대의 색이 나타내어지고 특정 파장의 빛을 입자 주위에 국소적으로 모을 수 있어 광학, 바이오센서, 촉매, 에너지를 아우르는 광범위한 분야에 적용되어왔다. 기존에 보고되어오던 구 또는 막대 형태와 같은 단순 나노 구조체는 입자 합성이 쉬워 많이 사용되어왔지만 낮은 전자기장 응집효율로 인하여 실제 응용 분야에 적용하는 데 어려움이 있었다. 또한, 최근 주목받는 나노프레임 형태를 가진 입자의 경우 넓은 내부 공간으로 인하여 빛과의 효율적인 상호작용이 어렵다는 한계점이 존재하였다. 더욱이, 수용액상에서의 합성법 개발은 입자 간의 다양한 반응으로 인해 높은 수율로 균일한 모양과 크기를 조절하는 것이 굉장히 어려웠다. 이에, 성균관대학교(총장 유지범) 화학과 박성호 교수 연구팀은 ‘Cosmic Bowl*’과 ‘Matryoshka Doll**’이라는 개념에서 착안하여 기존에는 볼 수 없었던 구조적인 복잡성이 극대화된 다차원, 다층, 다면체의 나노프레임 구조체 합성법을 성공적으로 개발하였고, 단일 개체 내 전자기장 응집 효과를 극대화하였다. 이는 나노입자 합성 분야에 새로운 패러다임을 제시함으로써 기존 입자 합성 분야의 수준을 한 단계 끌어올린 것으로 평가를 받았다. 수용액상에서 정교하게 조절된 다단계의 화학반응을 적용하여 다양한 모양과 크기, 개수를 가지는 나노갭을 단일 개체 내에 구현하여 구조적 시너지 효과를 통한 물리 화학적 특성을 강화하였다. 특히, 개발된 합성법은 기존의 “trial-and-error” 방식이 아닌“rational and on-demand” 방식이어서 체계적인 디자인 방식에 따라 입자의 차원 (2차, 3차), 차수 (나노 프레임 개수: 1, 2, 3, 4차), 조성 (금, 백금, 은), 다면체 형태 (원형, 삼각형, 육각형, 정육면체, 정팔면체), 나노갭 모양 (원형, 삼각형, Y-shape) 등에 이르기까지 광범위하고 총괄적인 프레임 기반의 독특한 나노 구조체의 라이브러리를 구축하였다. 이러한 다양한 종류의 입자를 빌딩 블락(building block)으로 사용하여 균일하고 높은 민감도를 가지는 자가조립 초격자(superlattice)기판을 제작하였고, 표면 증강 라만 산란 분석법을 활용하여 아토몰(aM, 10-18M) 수준의 극미량의 화학 분자 및 피코몰(pM, 10-12M) 수준의 임신 진단 호르몬을 검지하였다. 박성호 교수는 “본 연구를 통해 기존에는 보고되지 않았던 상상 속에서만 머무른 다차원 다복잡의 나노프레임을 구현하였고 그 합성법을 체계적으로 정립하여 학계에 새로운 패러다임을 제시하였다는데 중요한 의미를 지닌다. 다양한 나노프레임 라이브러리를 활용하여 기존 다양한 분야에 사용되어왔던 플라즈모닉 나노입자의 위치를 대체할 뿐만 아니라 높은 전자기장 증강이 필요한 생화학적 분자 검지, 촉매, 광학 및 에너지 생산 분야에까지 활용하고자 한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 2022년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소(미래도전국방기술연구개발사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과들은 나노 재료 및 화학 분야 상위 저널들에 연속적으로 게재됨으로써 그 중요성을 인정받았다. *(논문명 : Plasmonic All-Frame-Faceted Octahedral Nanoframes with Eight Engraved Y-Shaped Hot Zones, 제 1저자 : 김정원, 저널명 : ACS Nano (IF:18.027), 게재일 : 2022년 6월 28일) *(논문명 : All-Hot-Spot Bulk SERS substrates: Attomolar Detection of Adsorbates with Designer Plasmonic Nanoparticles, 제 1저자 : Qiang Zhao, 저널명 : Journal of American Chemical Society (IF:16.383), 게재일 : 2022년 7월 27일) *(논문명 : Three-dimensional Nanoframes with Dual Rims as Nanoprobes for Biosensing, 제 1저자 : Hajir Hilal, 저널명 : Nature Communications (IF:17.694), 게재일 : 2022년 8월 16일) *(논문명 : Synthesis of Pt Double-Walled Nanoframes with Well-Defined and Controllable Facets, 제 1저자 : MohammadNavid Haddadnezhad, 저널명 : ACS Nano (IF:18.027), 게재일 : 2022년 12월 27일) *(논문명 : Multi-Layered PtAu Nanoframes and their Light-Enhanced Electrocatalytic Activity via Plasmonic Hot Spots, 제 1저자 : 이수현 저널명 : Small (IF:15.153), 게재일 : 2023년 1월 8일) *(논문명 : Multiple Stepwise Synthetic Pathways toward Complex Plasmonic 2D and 3D Nanoframes for Generation of Electromagnetic Hot Zones in a Single Entity, 제 1저자 : 정인섭, 저널명 : Accounts of Chemical Research (IF:24.466), 게재일 : 2023년 2월 7일) *Cosmic Bowl: 독일의 수학자이자 천문학자인 요하네스 케플러는 우주가 다섯 개의 플라톤의 다면체들로 이루어진 행성들이 각각 내접하고 외접하는 관계로 구성된다는 ‘Cosmic Bowl’을 제시하였다. 연구팀은 이를 본따 만약 다면체 나노프레임 입자들이 하나로 합쳐진다면, 새로운 구조적, 광학적 특성을 보일 것으로 예상하여 입자 합성 디자인을 계획하였다. **Matryoshka Doll: 또한, 정립된 합성법을 기반으로 새로운 형태의 러시아 인형을 본 뜬 마트료시카(matryoshka) 나노프레임을 제시하였는데 이는 여러 개의 다양한 모양을 가지는 프레임 구조체가 단일 개체 내에 반복적으로 중첩된 형태로 나노입자 합성 분야에 새로운 시각을 제시함으로써 기존 한계에 다다른 입자 합성 분야의 수준을 한 단계 높은 수준으로 끌어올렸다는 평가를 받았다. ※ 논문명 : Multiple Stepwise Synthetic Pathways toward Complex Plasmonic 2D and 3D Nanoframes for Generation of Electromagnetic Hot Zones in a Single Entity (DOI: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00670) [그림1. 다단계의 2차원 복잡 구조 나노프레임 합성 모식도] [그림2. 이중-림을 가지는 나노프레임 합성법, 제작된 입자의 주사전자현미경 이미지 및 균일한 자가조립 기판의 극대화된 전자기장 증강 효과 시뮬레이션] [그림3. 금 나노입자 결정면의 에너지 차이를 이용한 선택적 백금 증착 및 금 에칭 기법을 활용하여 다양한 모양을 가지는 백금 기반의 단일 또는 이중림 구조 나노프레임 입자의 이미지] [Accounts of Chemical Research 저널 2월에 Supplementary cover로 선정] [ACS Nano 저널 2022년 6월 Front cover로 선정]
- No. 225
- 2023-03-15
- 11609
