성균관대학교

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  • 촉매를 이용한 2,5-다이하이드로 옥세핀의 비대칭 합성법 최초 개발

    화학과 류도현 교수 ·심수용 연구원

    촉매를 이용한 2,5-다이하이드로 옥세핀의 비대칭 합성법 최초 개발

    자연과학대학 화학과 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 촉매를 이용한 2,5-다이하드로옥세핀 화합물의 세계 최초의 비대칭 합성법 개발에 성공하였다. 산소원자를 포함한 칠각 고리 화합물인 2,5-다이하이드로옥세핀은 항진균, 항암 등 다양한 생리활성을 가지는 천연물의 핵심구조이기 때문에 오랜 기간 동안 많은 연구진들의 관심의 대상이었다. 최근까지 해외 유수의 연구 그룹들이 합성법 개발에 대한 연구 결과들을 발표해오고 있지만, 촉매를 이용한 비대칭 합성의 예는 보고되어 있지 않다. 또한 필요한 시작물질을 긴 합성 단계를 거쳐 합성해야 하는 한계점도 가지고 있었다. 류 교수팀은 이번 연구에서 비금속 루이스 산 촉매를 이용하여 카이랄 2,5-다이하이드로옥세핀 화합물을 삼각고리화/역-클라이젠 재배치 (cyclopronation/retro-Claisen rearrangement) 연속반응을 통해 높은 수율과 입체선택성으로 합성할 수 있었다. 개발된 반응은 간단한 구조의 시작물질을 이용하고 질소 가스 부산물만 생성되기 때문에 원자경제성 (atom economy) 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구를 주도한 성균관대 류도현 교수는 “이번 연구의 의의는 그동안 합성이 어려웠던 산소 함유 칠각고리 화합물인 2,5-다이하드로옥세핀을 간단한 출발물질로부터 촉매를 이용하여 높은 입체선택성으로 합성한 것”이라며 “또한 해외 연구진들이 컴퓨터 계산 연구결과로 제시한 삼각고리 화합물로부터 2,5-다이하이드로 옥세핀이 생성되는 역-클라이젠 재배치 반응의 메커니즘을 뒷받침 할 수 있는 실험적인 결과를 보고했다는 점에서 연구 가치가 매우 크다”라고 밝혔다. 자연계에는 디하이드로옥세핀을 핵심구조로 지니며 생리활성을 가지는 천연물들이 많이 존재하고 있기 때문에 개발된 본 반응을 이용하여 복잡한 생리활성 천연물을 짧은 단계로 합성 할 수 있다. 본 연구를 통해 합성된 카이랄 디하이드로옥세핀 유도체들은 생물 및 의약화학 분야에 응용 될 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 화학분야 세계적 권위의 화학분야 학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition (IF: 11.709)'에 2017년 4월 18일 자에 게재되었고, 그 중요성을 인정받아 VIP (Very Important Paper)와 겉표지 논문 (front cover)로 선정되었다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원으로 수행되었으며 제1저자로 참여한 성균관대 심수용 학생 (석박통합과정)은 한국연구재단의 글로벌박사양성사업의 지원을 받고 있다. *논문제목 “Catalytic Enantioselective Synthesis of 2,5-Dihydrooxepines” (제1저자 심수용, 제2저자 조수민, 제3저자 Anipireddy Venkateswarlu, 교신저자 류도현)

  • “텔레비전에 내가 나왔으면 정말 좋겠네”하던 동요를 CEO 연봉과 뉴스미디어 빅데이터로 입증해 보여준 논문이 경영전략 탑 저널에 게재

    경영학과 김영한 교수

    “텔레비전에 내가 나왔으면 정말 좋겠네”하던 동요를 CEO 연봉과 뉴스미디어 빅데이터로 입증해 보여준 논문이 경영전략 탑 저널에 게재

    CNBC와의 인터뷰를 한2,666 개미국 기업의 CEO 4,452 명과 뉴스 기사 104,129 개, CNBC 인터뷰 6,567 개를 분석한 새로운 연구 결과에 따르면, 인터뷰에 출연 한 CEO들은 출연하지 않은 CEO들에 비하여 평균적으로 $ 210,239의 추가적 연봉 인상효가가 있더라는 것이 발견됐다. 물론, 연봉에 영향을 주는 다른 경제학적 요인들을 모두 통제한 다음에도 말이다. 이 연구는 경영전략의 탑 저널로 미국과 여러 나라에서 인정받는 Organization Science에 게재 되었다. 성균관대 경영학과의 김영한 교수(교신저자)와 싱가폴의 난양 경영대의 강진구 교수(주저자)는 1997 년부터 2009 년까지 CEO의 언론 출현이 연봉에 미치는 인과관계를 연구했다. 이 교수들에 의하면, 노동시장에서 고용자들 역시 제한된 합리성을 가지고 있기 마련이기때문에 어떠한 포지션에 적합한 잠재적 인재의 풀을 모두 알고 있기가 어렵다. 이런 한계때문에 매스미디어의 스폿라이트를 받으면, 그 인재는 노동시장에서 존재감(visibility)이 올라가며, 고용주에 대해서 연봉협상력이 올라가게 된다. 그래서, 자연히 그 사람의 연봉이 다음 해에 올라가는데, 그것을 CEO와 뉴스미디어라는 빅 데이터로 보여준 것이다. 미국 CEO들이 CNBC증권방송에 출연하면 다른 CEO들에 비해 연간 20 만 달러 이상 급여를 더 받게 되더라는 것을 발견했다. 이 논리에 따르면, 회사가 존재감 없이 작은 규모일 때에 미디어의 연봉효과가 강하다. 대기업의 경우 이미 너무나 알려졌기 때문이다. 또한, 회사의 재무성과가 좋을 때에 미디어의 스폿라이트 효과가 큰데, 성과로써 그 사람의 능력에 대한 시그널을 확실하게 보내주기 때문이다. 반대로CEO가 높은 지분을 소유하고 있거나 회사 설립자일 경우에는 연봉효과가 없었는데, 이는 연봉협상을 할 여지가 없기 때문이다. 이들은 또한 컴퓨터 코딩에 기반한 언론의 논조 분석을 통해서 언론의 논조가 부정적인 경우는 긍정적이던 연봉효과가 사라진다는 것도 밝혔다.

  • 비활성 질소 분자에 대해 선택적 배위 흡착이 가능한 하이브리드 나노세공체 개발

    화학과 장종산 교수

    비활성 질소 분자에 대해 선택적 배위 흡착이 가능한 하이브리드 나노세공체 개발

    성균관대 화학과 장종산 교수(화학과 학연교수, 한국화학연구원 연구위원)는 최근에 하이브리드 나노세공체 소재에서의 질소의 선택적 배위에 대한 새로운 개념과 초저온 냉각에너지를 절감할 수 있는 질소 함유 혼합기체의 에너지 절약형 흡착분리 기술을 개발하여 '네이처 머티리얼즈 (Nature Materials, IF=38.891)’지에 속보 형태의 논문(doi:10.1038/nmat4825)을 게재하였다. 질소는 대기 중에 가장 흔한 기체로서 공기, 천연가스, 셰일가스, 바이오가스, 제철 부생가스 등의 혼합 기체에 광범위하게 포함되어 있다. 자연계에서는 뿌리혹 박테리아의 효소가 전이금속 활성성분을 이용하여 공기 중의 질소를 이용하여 암모니아를 생산하고 식물에게 제공하여 자연계의 중요한 질소 순환 과정을 이끌어준다. 또한 공기로부터 산소 제조, 천연가스 액화, 도시가스 메탄의 제조 등 질소 제거 분리 정제 기술은 가스 산업은 물론 해양 조선업에서 매우 중요한 분야로 알려져 있다. 그러나 흡착분리나 막분리 등 다른 분리기술들은 아직까지 흡착제나 분리막 소재의 성능이 미흡하여 사용되지 못하고 있고 그 대신에 에너지 소비가 과다함에도 불구하고 상압 기준 –161℃ 이하의 초저온 증류법이 산업적으로 널리 사용되고 있다. 질소가 함유된 공기에서 산소를 정제하거나 천연가스에서 메탄을 정제하는데 소모되는 초저온 냉각 에너지를 절약하기 위해서는 선택적인 질소 흡착제와 이를 이용한 상온의 흡착분리 기술의 개발이 필요하다. 그러나 질소의 비활성 특성 때문에 효과적인 질소 흡착제를 개발하는 것은 매우 어렵고 오랫동안 학문적으로 뿐만 아니라 기술적으로도 중요한 도전 과제로 알려져 있다. 장종산 교수 연구팀은 질소 고정화 효소의 전이금속 이온에 의한 질소 배위 개념을 흡착제 설계에 적용하여 하이브리드 나노세공체의 3가 크롬이온의 결합 빈자리(또는 불포화배위자리)가 질소 분자를 선택적으로 배위할 수 있으며, 질소/메탄 및 질소/산소 분리에 효과가 있다는 것을 최초로 발견하였다. 또한 하이브리드 나노세공체의 골격 구조 내 불포화배위자리의 3가 크롬 이온과 질소 분자와의 역결합 상호작용에 의해 질소 흡착량을 증가시키고 산소 및 메탄보다 질소에 대해 훨씬 더 선택적으로 흡착한다는 것을 분자 전산모사 및 분광 분석을 통해 입증하였다. 이러한 개념은 산업적으로는 기체분리용 에너지 절약형 흡착제, 기체 분리 및 정제용 멤브레인 등의 소재, 액화천연가스 생산을 위한 해양 조선업과 산업용 분리공정에 활용될 수 있고, 기술적으로는 다양한 질소 함유 혼합기체의 질소 분리제거용 흡착제와 질소 고정화를 위한 생체모방형 촉매의 설계에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

  • 키 큰 사람이 날씬하다!

    물리학과 김범준 교수

    키 큰 사람이 날씬하다!

    사람의 체질량 지수 연구 결과 발표 - 동물과 다른 사람의 직립보행이 체질량 지수의 계산법을 결정함을 보임 출생후 한 돌 전후, 걷기 시작하면서 어린아이의 체질량 지수 계산이 달라짐 '네이처' 자매지 '사이언티픽 리포트지'에 논문 게재 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41598-017-03961-w 가로, 세로, 높이의 세 방향으로 같은 비율로 길이를 늘이면 사람의 몸무게는 키의 세제곱에 비례하게 된다. 하지만, 현실의 사람은 이와 달라서, 널리 쓰이는 체질량 지수(BMI)는 몸무게를 키의 제곱으로 나눠 구한다. 김범준 교수는, BMI 계산법으로부터, 사람의 허리둘레는 키에 비례하지 않고, 키의 제곱근에 비례함을 밝혔다. 즉, 체질량 지수가 같다면, 키가 큰 사람이 더 날씬하다는 것이다. 키 큰 패션모델이 많은 이유다. 김범준 교수는, 다양한 물고기, 고래, 그리고 네발 육상 동물의 길이와 무게 자료도 함께 분석하여, 이 중 사람만이 무게가 길이의 제곱에 비례함을 보였다. 다른 동물은 모두 무게가 길이의 세제곱에 비례한다. 사람의 체질량 지수 계산법이 여러 동물과 다른 이유는 사람이 직립보행하기 때문임을 유추했다. 이로부터, 아직 걷지 못하는 어린 아이들은 몸무게가 키의 세제곱에 비례하지만, 한 돌이 지나 걷기 시작하면서 몸무게가 키의 제곱에 비례하게 될 것으로 예측했고, 스웨덴, 한국, 그리고 세계 보건 기구의 자료로부터 이를 확인했다. 사람의 몸을 단순한 원기둥의 형태로 생각하고, 중력에 의한 돌림힘과 근육에 의한 돌림힘이 평형을 이뤄야 한다는 조건을 적용하면, 사람의 몸무게가 키의 제곱에 비례해야 함을 물리학의 뉴턴 역학을 이용해 보일 수 있었다. 김범준 교수는 또, 인류의 과거 화석 자료로부터 키와 골반의 크기를 측정한다면, 인류가 직립보행을 시작한 시점도 유추할 수 있을 것이라고 말했다. [ 김범준 교수 ] 성균관대학교 물리학과 김범준 교수는 지금까지 6700여 회의 누적 피인용 횟수를 갖는 170여 편의 논문을 발표하였다. 통계물리학분야의 연구경험을 이용하여, 다양한 학문분야의 연구자들과 활발한 공동연구를 수행하고 있다. 현재 한국 복잡계학회 회장이며, 한국 물리학회의 대중화 특별 위원회 위원이다. 저서 <세상물정의 물리학>으로 제 56회 한국 출판 문화상을 수상했고, 언론에 칼럼을 연재하고 방송에 출연하는 등, 과학 대중화를 위해서 노력하고 있다. (031-299-4541, beomjun@skku.edu)

  • 레이저 유도-기계적 충격을 이용한 선택적 세포 포획 기술 개발

    전자전기공학부 박형원 교수 ·박형원 연구원

    레이저 유도-기계적 충격을 이용한 선택적 세포 포획 기술 개발

    박형원 교수 (공동 제1저자; 전자전기공학부 및 글로벌바이오메이컬엔지니어링학부) 및 미국 University of Michigan 윤의식 교수 (교신저자) 연구팀은 레이저 유도-기계적 정밀 충격 효과를 이용하여 수많은 배양세포 가운데 특정 세포를 개개 단위로 선택적으로 그리고 안전하게 포획하는 기술을 최초로 개발하였다 (ACS Nano 2017년 5월호 게재). 반도체 공정을 통해 통일성 있고 일관된 성능의 전자소자가 제작되는 것과 달리 생명을 갖는 세포의 경우 같은 뿌리에서 나온 동일한 종류의 세포들이라 할지라도 이종성(heterogeneity)이 나타날 수 있는데 돌연변이 혹은 특이 약물반응 등으로 이러한 특성이 표현된다. 즉 동일한 종류의 수많은 세포들에 한 가지의 약물을 처리하여 반응을 관찰하더라도 약효가 있는 것과 없는 것, 덜한 것 등의 이종성이 항상 존재하기 마련이다. 이러한 이종성은 암세포의 생성 및 확산을 이해하는데 있어서 중요한 역할을 한다. 암세포의 경우 줄기세포성(stemness) 유전자가 나타나기도 하고 그렇지 않고 일반적 종양으로 성장하기도 한다. 이러한 분화에 대한 근원을 이해하기 위해서는 하나의 모세포로부터 분화된 개개 세포단위에서 유전자 분석을 할 수 있는 기술이 필요하다. 이를 위해서는 배양세포들 가운데 특정한 세포만을 선택적으로 그리고 ‘안전하게’ 포획하는 기술이 필수적이다. 이후 포획된 세포를 새로운 분석환경으로 가져와서 유전자 시퀀싱하거나 다시 배양함으로써 그 특성을 명확하게 규명할 수 있다. 현재 화학적 처리를 이용한 배양세포의 포획 기술(trypsinization)이 가장 광범위하게 이용되고 있으나 세포 포획의 선택성이 없으며, 또 다른 방법으로 레이저 혹은 탐침을 이용한 물리적 세포 분리/포획 방법이 제안된 바 있으나 세포의 생존성(viability)이 매우 낮다. 본 연구팀은 펄스 레이저를 흡수하여 기계적 충격(마이크로버블 혹은 전단파 발생)을 발생시킬 수 있는 고효율 에너지 변환 물질(탄소나노튜브-고분자 합성물)에 주목하였으며 세포배양용 기판으로 이 물질을 활용하였다. 레이저가 입사된 위치에 국한하여 정밀하게 충격을 발생시켜 목표 세포를 기판으로부터 분리하고 미세유체칩을 이용하여 안전하게 포획하는데 성공하였다. 포획된 세포는 원형 보존성에 있어서 기존의 화학적 포획 방법이 세포 표면을 손상 혹은 변형시키는 것과 달리 배양세포 그대로 원형이 유지됨을 확인하였다. 세포 생존성에 있어서도 동등한 수준을 갖는 것으로 나타났다. 특히 개발된 방법을 세포분석에 직접 적용하여, 하나의 암세포로부터 분화된 두 개의 딸세포를 포획 및 분석하여 같은 세포혈통 사이에도 유전적 변이가 나타난다는 것을 처음으로 규명하였다. 박형원 교수는 “이번 성과는 세포배양, 분리, 포획 등을 이용하는 광범위한 세포 분석 연구에 적용될 수 있는 매우 실용적이면서도 필수적인 실험 방법을 개발한 것이다. 정밀한 공간 선택성과 온전하게 포획되는 안정성이 동시에 확보됨에 따라 향후 세포 및 약물의 종류에 따른 수많은 특이반응을 보다 정밀하게 분석할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명하였다. ACS Nano 11(5), 4660-4668 (2017); http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b00413

  • 자율주행 자동차를 위한 악천후 환경에서의 보행자 및 차량 인식•검출 Deep Learning 기술 개발

    반도체시스템공학과 전재욱 교수

    자율주행 자동차를 위한 악천후 환경에서의 보행자 및 차량 인식•검출 Deep Learning 기술 개발

    자율주행 자동차는 스스로 주변 환경을 인식하여 위험을 판단하고 주행 경로를 계획할 수 있는 안전 주행이 가능한 자동차 이다. 현재 자율주행 자동차 주변 환경을 인식하기 위하여 사용되고 있는 센서는 카메라, 레이더, 라이다 등이다. 그런데 레이더나 라이다 등은 사람의 눈이나 카메라처럼 조밀한 정보를 제공하지 못하고 듬성듬성한 정보만을 제공하기 때문에 보행자나 차량을 구분해서 인식하기 어렵고 단순히 자동차와 물체와의 거리만을 계산할 수 있다. 그리고 현재 카메라 기반의 장애물 검출 기술은 날씨가 화창한 환경에서는 보행자 및 차량을 검출할 수 있지만 눈이나 비가 내리거나 주위가 어두워지면 보행자 및 차량을 제대로 검출하지 못한다. 본 연구팀은 악천후에서도 보행자 및 차량을 제대로 인식하고 검출할 수 있는 새로운 딥러닝 (Deep Learning) 기술을 개발하였다. 이를 위해 두 대의 카메라를 이용하여 악천후에서도 물체와의 거리 및 형상정보를 제대로 얻어낼 수 있도록 하기 위하여 새로운 스테레오 매칭 기술 및 새로운 부분 정보 추출 기술을 개발하였다. 이렇게 얻어진 정보는 카메라 영상 정보와 함께 딥러닝 시스템을 학습시키기 위해 사용되었다. 단일 카메라 영상 만을 이용하는 기존의 딥러닝 시스템과는 달리, 실제 차량에 두 대의 카메라를 설치하여 악천후 환경을 포함한 영상 학습정보를 수집하고 이를 이용하여 새롭게 설계된 딥러닝 시스템을 학습시켰다. 본 연구팀은 이러한 딥러닝 기술을 이용하여 도로 상의 보행자, 차량, 신호등, 신호 표지판 등을 실시간으로 정밀하게 인식하는 기술을 개발하여 제13회 현대자동차그룹 미래자동차 기술공모전: 자율주행자동차 경진대회 영상인식분야의 임베디드 시스템 부문 1위, PC 부문 2위를 수상하였다. 향후 미래의 자율주행 자동차에서는 차량에 장착된 여러 대의 카메라를 이용하여 차선 인식, 분기로/합류로 인식, 신호등 및 표지판 인식, 자동주차, 주변 환경 인식 등을 수행하여야 하는데 이를 위해서는 지능형 영상처리 기술이 필요하며 본 연구팀에서는 관련 연구를 지속적으로 진행할 예정이다.

  • '반도체 위에 성장한 비정질 그래핀' 신기술 개발

    신소재공학부 황동목 교수

    '반도체 위에 성장한 비정질 그래핀' 신기술 개발

    비정질 그래핀 합성 원천기술 세계 첫 개발, 성균관대-삼성전자 공동 연구결과 국내 연구진이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀의 새로운 형태인 비정질 그래핀의 대면적 합성 기술을 개발, 대표적인 차세대 신소재인 2차원 소재의 응용범위 확산에 새로운 전기를 마련한 것으로 알려졌다. 공과대학 신소재공학부의 황동목 교수, 이재현 박사 등 성균관대 연구팀이 삼성전자 종합기술원 황성우 전무, 주원제 박사 등과 공동으로 반도체 웨이퍼 위 “대면적의 단원자층 비정질 그래핀 합성” 원천기술을 세계 최초로 개발했다. 그래핀은 탄소원자들이 육각형의 격자를 이루며 규칙적으로 배열된 구조를 가진 단일원자층 두께의 대표적인 결정성 2차원 물질로, 매우 뛰어난 전기적, 기계적 특성을 가지고 있어 꿈의 신소재로 불리기도 한다. 2004년 그래핀의 우수한 특성이 알려진 이후 다양한 2차원 물질이 세계적으로 매우 활발하게 연구되어 왔으나, 지금까지의 2차원 물질의 연구는 물질내 구성원자들이 규칙적으로 배열되어있는 결정성 물질에 국한되었다. 성대-삼성전자 공동연구팀은 지난 2014년도에 반도체 기판 위에 단결정 그래핀을 대면적으로 합성하는 원천기술을 개발하여 학계 및 산업계에서 큰 주목을 받은 바 있으며, 이번 후속연구를 통해 2차원물질내의 원자간 결함구조를 조절하여 2차원 평면상에서 탄소원자들이 랜덤하게 연결된 비정질 그래핀을 대면적으로 합성하는 데 성공하였다. 이번 성과는 차세대 산업의 핵심소재로 부각되고 있는 2차원 소재의 범위를 대폭 확장한 것이라는 의미를 가지고 있으며, 기존 결정성 2차원 소재와는 다른 비정질 2차원소재의 새로운 특성을 바탕으로 새로운 응용분야를 개척할 수 있을 것이라고 전망한다. 이 연구 논문은 사이언스 어드밴스(Science Advances)지 온라인판에 지난 10일 게재되었으며, 공동제1저자로 참여한 성균관대 이재현 박사는 한국연구재단의 대통령포스닥사업의 지원을 받고 있다.

  • 대면적 2차원반도체 무결점 전사법 개발

    기계공학부 이창구 교수

    대면적 2차원반도체 무결점 전사법 개발

    2005년 처음 등장하여 2010년에 노벨물리학상이 수상된 그래핀은 빠른 전하이동도와 높은 전기전도도, 기계적 강도, 화학적 우수성, 광학적 우수성 등으로 인해 지난 10여년간 수많은 연구가 이루어져왔으며 현재는 상업화에도 많은 진전을 이루고 있다. 이러한 뛰어난 장점들에도 불구하고 전자밴드갭이 없어 2차원소재의 연구초기에 기대했던 전자소재로서의 가능성에 대해서는 회의적인 시각이 지배적이 되었다. 이에 대한 돌파구로써 이황화몰리브덴을 위시한 2차원 반도체 소재들이 2010년이후에 각광을 받으며 많은 연구들이 이루어져오고 있다. 이들은 그래핀과 달리 기존의 반도체 소재인 실리콘정도의 전자밴드갭을 가지고 있고 상대적으로 높은 전하이동도를 지니고 있어 차세대 다양한 반도체소자들의 소재가 될 것으로 예상되고 있다. 뿐만 아니라 원자수준의 얇은 두께로 인해 현재 개화되기 시작한 플렉시블 전자기기의 주요 소재가 될 가능성이 높아 보인다. 하지만, 이러한 2차원반도체소재의 상업화를 위한 대면적 합성법 또는 플라스틱과 같은 유연기판상으로 전사하는 기술은 상당히 미흡한 단계에 머물고 있다. 본 연구팀에서는 원자수준으로 얇은 2차원반도체소재를 생산가능한 수준의 웨이퍼크기로 합성하는 방법뿐만 아니라 플라스틱 유연기판에서 고품질의 전자소자들을 직접 제작할 수 있도록 전사공정을 개발하였다. 먼저 2차원반도체는 주로 600도씨 이상의 고온에서 합성되므로 실리콘 기판에서 합성한 후, 이를 에폭시접착제를 이용하여 플라스틱 기판으로 전사한다 (그림1 참조). 이 과정에서 플라스틱기판 위에 액상의 에폭시접착제를 부은 후 합성된 2차원반도체를 접착하고 굳힌다. 그리고, 이를 물에서 분리시키면 한 단계의 전사공정으로 전사가 마무리된다. 그리고, 물에서 분리시킬 시, 2차원반도체의 소수성으로 인해 거의 에너지를 소모하지 않고도 쉽게 분리가 가능하게 된다. 기존의 2차원소재의 전사공정은 성장된 기판을 대부분 에칭하거나 임시기판에 먼저 전사한 후 최종적으로 타겟기판에 전사하는 2단계 전사를 거치게 된다. 이 과정에서 2차원소재는 화학물질이나 기계적 압력으로 인해 쉽게 손상을 받아 전사된 소재의 품질이 상당히 떨어지는 단점들이 있었다. 그러나, 본 연구팀에서 개발된 전사법은 이러한 손상이 전혀 없이 전사전과 전사후의 품질이 거의 완벽하게 똑같을 정도로 결점이 없는 것으로 확인되었다. 이는 첫째로 전사후에도 유지되는 원자수준에 근접한 평판도(아래 그림2 참조)와 이물질이 남지 않는 전사공정 때문인 것으로 파악된다. 본 전사법은 다양한 종류의 2차원반도체를 대면적으로 전사하여 차세대 플렉시블 디스플레이, 센서, 논리회로 등의 다양한 전자기기에 적용될 수 있으며, 개발과정을 거쳐 상업적인 공정으로도 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

  • 최초 문어빨판 비밀 밝혀 물속에서 떼고 붙이는 패치 소재 개발

    화학공학/고분자공학부 방창현 교수

    최초 문어빨판 비밀 밝혀 물속에서 떼고 붙이는 패치 소재 개발

    ‘네이처’게재, 전자소자, 의료용 패치 등 적용 기대 생체모방기술(Biomimetics)*의 발달과 함께 자연계에 존재하는 홍합 단백질, 게코도마뱀의 발, 딱정벌레 날개잠금장치, 깡총거미의 발, 엉겅퀴 씨앗 등의 다양한 화학적·물리적 현상을 모방한 기능성 점착 소재, 의료용 소재, 반도체 점착 소재, 로봇 기술들이 주목을 받고 있다. 또한 최근 반도체 공정 및 소재 기술과 의료용 소재 기술의 시장이 커짐에 따라 건조하거나 습한 반도체, 유리 표면, 굴곡진 피부표면 등에 반복적인 탈부착 후 오염물을 남기지 않는 점착소재 개발의 필요성이 커지고 있다. 그러나 기존에 개발된 점착제들은 물속, 젖은 표면, 땀에 의한 습한 피부 등에서 접착력이 급격하게 저하되는 문제점이 있거나, 청정을 요구하는 유리 및 반도체 그리고 피부 표면에 오염물을 남기는 문제점이 있다. 또한 습한 환경에서 반복적인 탈부착이 어려운 한계가 있어 이에 대한 개발이 필요하다. 연구팀은 문어의 빨판 내부에 존재하는 독특한 돌기를 관찰하여 미세 돌기와 빨판 내부표면에서의 유체의 응집력을 통해 빨판의 부압(negative pressure)*이 증가됨을 최초로 증명하였고, 이를 모사하여 다양한 습한 환경(물속, 젖은 유리 및 피부 표면)에서 탈부착이 가능하며 오염물도 남기지 않는 점착제를 개발하였다. 연구팀이 개발한 물속이나 젖은 환경에서 발생하는 점착제 성능의 원리는 다음과 같다. 탄성고분자(elastomer)*의 미세 구형 돌기를 가지는 음각의 문어모사 빨판 컵은 점착 시 외부의 힘에 의해 표면의 수분을 밀어내고, 남은 수분은 구형돌기와 돌기 주변 표면 사이의 공간으로 모세관 효과*에 의해 포집된다. 그리고 점착을 위한 외부의 힘을 제거하면 포집된 수분은 응집력에 의해 유지되며, 동시에 문어빨판 모사 컵과 부착 표면 사이의 공간은 진공상태로 변해 높은 부압이 유도된다. 연구진은 이러한 현상을 최초로 분석하고 수학적 모델을 제시하였다. 연구팀은 유체의 부분적인 젖음*(wetting) 현상을 이용하여 고분자 몰드(mold)*를 제작하였으며, 열에 의해 경화되는 고분자를 이용하여 문어모사 빨판이 고밀도로 배열된 고점착 패치(3cm×3cm)를 개발하였다. 이 패치는 고분자 주조(casting)*를 통해 쉽고 저렴하게 생산이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀이 개발한 문어모사 패치는 점착표면에 오염물을 남기지 않으며 물방울이 맺힌 습한 유리표면에 대해 3 N/cm2, 물속의 유리표면에 대해 4 N/cm2, 그리고 실리콘 오일 속의 유리표면에서 15 N/cm2의 수직 점착력*을 나타냈다. 수직 점착력이 높을수록 패치와 표면과의 부착이 강하게 이루어짐을 의미한다. 또한 다양한 환경(건조한, 젖은 상태, 물속, 오일속)의 표면에서 10,000회 이상의 반복적인 탈부착에도 점착력이 유지되었다. 나아가 습한 피부표면에도 안정적인 점착력(3 N/cm2)을 갖는 것을 확인하였다. 반복적 탈부착이 가능한 문어모사 패치의 고점착 성능은 수분환경 하에서 세계 최고의 성능 수준이며, 이를 이용하여 반도체 산업에서 사용되는 8인치 웨이퍼를 물속에서 고정/이동시키는 응용기술의 구현에 성공하였다. 또한 피부 상처에 안정적인 점착을 통하여 창상 치료 패치로의 응용 가능성을 확인하였다. 문어빨판의 3차원 구조를 모사하여 습한 환경 하에서 고점착을 갖으며 반복적으로 탈부착 가능한 생체모사 점착 패치의 초저가 대면적 제조기술을 개발 하였다. 기존에 알려지지 않은 물속 문어의 점착에 있어 빨판 내부의 구형 돌기의 역할을 최초로 규명하고 이론적 모델을 제시하였다. 이를 토대로 물속이나 습한 환경 하에서도 높은 부압을 유도하는 문어빨판에 돌출된 구조와 결합한 진화된 생체모방 점착 기술로 발전할 수 있다. 오염물을 남기지 않는 문어빨판 모사 점착 소재는 청정 반도체 및 디스플레이 공정의 이송/고정 시스템 및 전자부품의 점착소재로 응용이 가능하다. 또한 사람의 피부와 같이 거칠고 유분이 존재하는 표면에서도 효과적인 점착력을 가지며, 추후 피부부착 의료용 생체신호 모니터링 소자의 부착소재 및 약물을 로딩 가능한 창상치료 의료패치에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

  • 뇌 20배 팽창시켜 초미세구조 관찰

    글로벌바이오메디컬공학과 장재범 교수

    뇌 20배 팽창시켜 초미세구조 관찰

    성대·美MIT 공동 기술 개발 21세기는 뇌 연구의 시대이다. 최근 미국에서는 약 3조 5000억원을 투자해 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하고 뇌 질환 치료법을 개발하기 위한 프로젝트를 진행 중이다. 이에 전 세계적으로 뇌를 자세하게 들여다볼 수 있는 다양한 기법들이 개발되고 있다. 이 추세에 발맞춰 2014년에는 초고해상도 현미경을 개발한 세 명의 과학자들에게 노벨 화학상이 주어지기도 했다. 하지만 이런 초고해상도 현미경은 값비싼 특수 현미경이 필요하고 또한 두꺼운 조직을 관찰하기 위해서는 복잡한 시료 준비 과정이 필요했다. 이에 본교 장재범 교수 연구팀은 MIT 에드 보이든 교수 연구팀과 뇌를 20배 혹은 그 이상 팽창시켜 일반 현미경으로 초고해상도를 얻을 수 있는 기법을 개발했다. 이를 위해 지난 2015년에 개발된 4.5배 뇌 팽창 기술을 획기적으로 개선하여 뇌 및 다양한 장기를 20배 혹은 50배 이상 팽창시킬 수 있게 만들었다. 장재범 교수 연구팀은 이 기술을 이용하여 뇌 신경세포들이 어떤 시냅스를 통해 삼차원으로 연결되어 있는지 매우 자세하게 관찰할 수 있었다. 또한 20배 팽창 후에는 뇌 및 장기가 투명 해져 일반 현미경으로도 조직의 깊숙한 안쪽을 초고해상도로 관찰할 수 있게 된다. 이번 연구에서는 뇌를 팽창시키기 위해서 흡수젤을 사용하였다. 흡수젤은 물을 매우 잘 흡수하는 성질이 있어서 그동안 아기 기저귀를 만드는 데에 사용되어 왔다. 이 물질을 물속에 넣어주면 물을 흡수하면서 흡수한 물의 부피만큼 팽창하게 된다. 이번 연구에서는 뇌 속에 흡수젤을 합성한 후 물 속에서 팽창시켜 뇌를 20배 이상 팽창시키는 데에 성공했다. 이 기법은 뇌 뿐만 아니라 현미경을 사용하는 모든 생물학 및 의학 분야에 널리 사용될 수 있다. 최근 암 조직이 서로 다른 돌연변이를 가진 세포들의 복합체라는 사실이 알려지면서 암 조직을 초고해상도로 관찰하고자 하는 시도가 있어 왔다. 이 기법은 암을 연구하는 데에 그리고 환자에게서 떼어낸 암 조직을 분자수준으로 이해하여 정확한 치료법을 결정하는 데에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 장재범 교수는 “이번 성과는 최근 많은 사람들이 고통 받고 있는 뇌질환의 원인을 이해하고 그 치료법을 개발하는 데에 유용하게 쓰일 수 있을 것”이라고 전망했다. 또한 “뇌 연구뿐만 아니라 암 연구, 줄기 세포 연구, 혹은 신약 개발 등 다양한 분야에 쓰일 수 있을 것”이라고 전망했다. 그리고 “앞으로 이 기술로 개개인의 장기를 초고해상도로 관찰하여 대량의 데이터를 얻고 이를 인공지능(AI)으로 분석하는 연구를 하고 싶다” 라고 밝혔다. 장재범 교수 연구진이 제 1저자로 참여한 ‘Iterative expansion microscopy’ 논문은 생명과학 분야에서 권위있는 학술지인 Nature Methods 최근호에 게재됐다.

  • 산화물 반도체의 잔류 광전기 효과를 이용한 시냅스 모방 소자 구현

    신소재공학부 김영훈 교수

    산화물 반도체의 잔류 광전기 효과를 이용한 시냅스 모방 소자 구현

    현재 널리 사용되는 폰 노이만식 컴퓨터는 사전에 프로그래밍 된 알고리즘에 따라 순차적으로 계산하는 방식으로 작동하여 새로운 정보를 학습하는데 한계가 있다. 따라서 인간의 정보처리 방식을 모방한 알고리즘을 개발하여 인공지능을 구현하였으나 전력 소모가 매우 큰 문제점이 있다. 이를 극복하기 위해서는 기존의 메모리 소자로는 구현할 수 없는 혁신적인 소자 및 시스템이 필요하며, 그 해결책으로써 인간의 뇌를 구조적, 기능적으로 모방하는 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 인간의 뇌는 약 1000억 개의 뉴런과 이를 연결하는 약 1000조 개의 시냅스로 구성되어 있어 적은 양의 에너지만으로도 고차원적인 인지 기능을 수행할 수 있다. 따라서 학습과 기억 측면에서 중추적인 기능을 담당하는 생체 신경 시스템인 시냅스의 동작을 모방하여 인지 능력을 갖는 컴퓨팅 시스템을 구현할 수 있다. 그러나 기존의 신경 모방 소자는 대부분 펄스 형태의 전기 신호를 이용하여 시냅스 동작을 구현하기 때문에 정보 전송 속도에 한계를 가져올 뿐만 아니라 열 발생으로 인해 에너지를 손실할 가능성이 있다. 본 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 광 신호를 이용하여 높은 병렬성 및 에너지 효율성을 갖는 신경 모방 소자를 제작하고 시냅스의 동작을 구현하였다. 구체적으로는 용액 공정 기반으로 형성한 금속 산화물 반도체인 indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) 박막에 펄스 형태의 광 신호를 가하여 시냅스의 주요 동작인 short-term memory, long-term memory, neural facilitation 및 spike-timing dependent plasticity를 모방하였다. 특히, IGZO 금속 산화물 반도체 물질은 우수한 광 반응성 및 양산성을 갖고 있어 포토닉 뉴로모픽 소자로 활용하기에 적합하다. 이에 본 연구는 이러한 차세대 메모리 소자인 포토닉 뉴로모픽 소자 개발을 통해 초고속 및 초저전력 인공지능 시스템 구현 가능성을 제시하였다. 본 연구는 나노과학기술학과 이민경 석박통합과정이 제1저자로 전자재료 및 소자 분야에서 세계적으로 권위 있는 저널인 Advanced Materials(IF: 18.960)에 5월 17일 게재되었다.

  • 나노라만분광을 이용한 그래핀 결함 구조 규명

    에너지과학과 정문석 교수 ·박경덕 연구원

    나노라만분광을 이용한 그래핀 결함 구조 규명

    나노광학현미경을 이용해 대면적 그래핀의 상용화를 저해하고 있는 결함들의 정확한 구조를 규명함으로써 그래핀의 빠른 상용화 가능성 제시 성균관대학교 에너지과학과 정문석 교수(교신저자)와 미국 콜로라도 주립대 박경덕 연구원(제1저자) 연구팀이 탐침증강나노라만산란(Tip enhanced nano Raman scattering) 실험을 이용한 광학적, 구조적, 화학적 분석을 통해 대면적 그래핀의 품질을 저해하는 가장 대표적인 결함인 결정립계(grain boundary)의 구조를 규명하는데 성공했다. 이는 기존 통설을 뒤집는 결과로서, 지금까지는 대면적 그래핀의 전기적 특성을 현격히 저하시키는 결정립계의 구조가 1차원 선형 원자결함에 탄소불순물들이 흡착되어진 구조라고 알려져 있었으나, 본 연구를 통해 대면적 그래핀 결정립계의 구조가 그래핀 2중층으로 이루어졌음이 확인됐다. 또한 그래핀의 대표적인 결함인 결정립계 이외에도 나노주름(wrinkle), 씨앗층(seed layer)의 라만산란 분광이미징에도 성공해 그래핀의 성장매커니즘을 이해하는데 현격한 도움이 될 것으로 기대된다. 그래핀 결함의 정확한 모습을 찾은 본 연구 결과를 이용하여 향후 결함을 제어할 수 있는 기술이 개발될 것으로 기대되며, 이 경우 대면적 그래핀을 이용한 전자소자의 상용화 속도가 더욱 빨라질 것으로 예상된다. 이번 연구결과는 재료공학 분야 최고 권위지 중의 하나인 ‘Advanced Materials' 에 2월 17일자로 게재되었으며 inside back cover 논문으로 선정되었다 . 본 연구는 기초과학연구원에서 지원하는 나노구조물리연구단의 지원으로 이루어졌다. * 라만 산란(Raman scattering)은 1930년 노벨상을 받은 인도의 물리학자 라만에 의해서 발견된 연구로 소재에 레이저를 가할 경우 물질마다 고유의 진동수로 진동을 하게 되어 소재의 물리적-화학적 특성을 관찰할 수 있는 실험이다. 또한 탐침증강나노라만산란(Tip enhanced Raman scattering)은 2000년 스위스 취리히 공과대학의 Zenobi 교수에 의해 개발된 나노광학장비로 회절한계에 의해 일반 광학 현미경으로는 볼 수 없는 나노구조의 라만산란을 관찰 할 수 있고 표면의 형상도 동시에 관찰해 상관성 정보를 볼 수 있어 본 연구에서 그래핀 나노 결함들의 정확한 구조를 규명하는데 핵심적인 역할을 수행하였다. 나노라만산란실험은 매우 어려워 세계적으로 연구결과를 내는 그룹이 드물지만 본 연구그룹에서 최근 최적화에 성공하여 꾸준한 연구결과들이 나오고 있다.

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