성균관대학교

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  • 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.

  • 전이금속 산화물 박막의 상전이를 이용한 전기화학 촉매 효율 향상

    물리학과 최우석 교수

    전이금속 산화물 박막의 상전이를 이용한 전기화학 촉매 효율 향상

    최근 에너지 수요의 증가와 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서 시대적 요구에 가장 잘 부응하는 소재/소자 기술의 개발이 필수적인 핵심 요소로 각광 받고 있다. 그중 전기화학 촉매반응은 연료전지와 수소충전소와 같은 에너지 변환 장치 및 저장 장치의 기본 작동 메커니즘으로 중요한 부분을 차지하고 있다. 전기화학에너지 소재 평가에 있어 전기분해를 하는 장치의 음극에서 일어나는 반응을 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction)이라고 한다. 일반적으로 양극에서 발생하는 수소를 에너지원으로 이용한 것이 대체에너지로 많이 알려진 수소 에너지이지만, 전체 반응의 효율을 결정하는 것은 음극에서 발생하는 산소 발생 반응이므로 전기화학 촉매 작용의 명확한 이해와 장기적인 효율 향상을 위해서는 이에 대한 면밀한 연구가 필요하다. 본 연구팀은 대부분의 기존 연구가 격자가 잘 정의되지 않은 나노 구조물의 효율 향상에 집중한 것에 비해, 결정구조가 매우 잘 정렬된 고품질 단결정 재료를 합성하여 전기화학 촉매 작용의 근본적인 물리/화학적 메커니즘을 규명하고자 하였다. 나아가 펄스 레이저 에피택시(PLE, Pulsed Laser Epitaxy)의 원자단위 결함 제어 방법을 도입하여 다른 변수를 최소화했으며, 이를 통해 동일 물질 내에서 격자 및 전자 구조적 상전이에 의한 전기화학 촉매 효율의 변화를 확인할 수 있었다. 페로브스카이트 구조를 갖는 루테늄산스트론튬(SrRuO3) 박막을 원소 결함을 제어한 고품질의 박막으로 제작하여 단일 박막 내에서의 결함에 따른 결정 구조의 변화를 관찰하였다. 이러한 결정 구조의 대칭성의 변화는 필연적으로 페르미 에너지 주위의 전자 구조의 변화를 가져오게 되는데, 이러한 전자 구조의 변화는 전기화학 촉매 작용 때에 일어나는 산소 혹은 OH 분자들의 흡착과 탈착을 통한 전자 교환에 큰 영향을 미치게 된다. 특히 격자구조의 대칭성이 사방정계(orthorhombic)에서 정방정계(tetragonal)로 변화했을 때 산소 발생 반응에 필요한 에너지가 30% 이상 줄어드는 것을 확인하였고, 이는 정방정계 구조에서의 루테늄과 산소의 공유결합 혹은 hybridization이 줄어들기 때문이라는 것을 파악할 수 있었다. 이번 연구 결과에 쓰인 분석 방법은 층상구조를 띤 다른 반도체 물질에도 적용할 수 있을 것이고 이를 토대로 고성능 신소재 반도체를 구현하는 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 본 연구를 통해, 매우 다양하고 유용한 발현물성을 보이는 페로브스카이트 산화물의 강한 상호 작용이 산소 발생 반응 등의 에너지 관련 연구에도 필수적인 요소가 된다는 것을 확인하였다. 또한 에너지 연구에 있어 상대적으로 부족했던 미시적인 격자 구조, 혹은 전자 구조를 연구함으로써 근본적인 전기화학 촉매작용의 메커니즘 이해를 위해 한 발 더 다가간 연구라고 할 수 있다. 본 연구는 저널 Energy & Environmental Science (IF = 25.427, JCR 상위 0.44%) 4월호에 출판되었다.

  • 생체모방 “이상적” 유기 키랄촉매 시스템 개발

    화학과 송충의 교수 ·박상연, 심재훈 연구원

    생체모방 “이상적” 유기 키랄촉매 시스템 개발

    1. 생체 모방형 유기촉매 시스템 개발 “인공효소를 이용해 독성물질을 고부가치 의약품으로 전환시키는데 성공하다.” 본 연구팀은 생체 내에서의 해독 대사과정을 모티브로하는 새로운 생체모방형 촉매시스템을 개발했다. 인체 내에서 일어나는 다양한 대사작용 중에 세포독성이 매우 강한 메틸글라이옥살과 같은 각종 글라이옥살(알파-옥소알데히드)화합물들이 부산물로서 생성이 되고, 이는 Glyoxalase Ⅰ과 Ⅱ 효소의 해독작용에 의해 인체에 무해한 락트산(lactic acid)과 같은 알파-히드록시산으로 바뀌게 된다. 본 연구실에서는 Glyoxalase 효소에 의해 촉진되는 헤미싸이오아세탈 (글라이옥살과 글루타싸이온에 의해 생성됨)의 비대칭 이성질화 반응에 주목하였고, 그에 힌트를 얻어 독성이 강한 글라이옥살 화합물들로부터 의약품 및 천연물 합성의 핵심물질로 여겨지는 키랄 α-hydroxythioester 화합물들을 높은 수득율과 높은 광학선택성으로 제조할 수 있는 획기적인 생체모방형 유기촉매 시스템을 개발하였고, 이를 이용하여 많은 광학활성의약품(chiral drugs)의 핵심원료 및 항암활성, 진경효과 등 다양한 의약활성을 갖는로 사용되는 키랄 α-hydroxythioesters 및 알츠하이머 치료효과를 갖는 α-hydroxyamides 화합물을 성공적으로 제조함으로써 새로운 인공효소 시스템의 상업적 유용성까지 증명했다. 또한 노화나 각종 산화스트레스에 의해 glyoxalase 효소의 활성도가 감소되어 몸속에 독성이 강한 글리이옥살이 축적되게 되어 각종 질병을 야기하므로, 인공 글라이옥살레이즈효소의 개발은 신약개발연구에 새로운 출발점을 제공할 수도 있을 것이다. 본 연구 결과는 세계적 권위의 과학전문지인 ‘Nature Communications’ 2017년 4월 자에 게재되었다. 또한 관련 유기촉매 분야의 획기적인 연구결과를, 거의 매년 (2012년, 2013년, 2015년) ‘Science’ 지와 ‘Nature Communications’지에 발표하고 있다. * 논문제목 “Biomimetic Catalytic Transformation of Toxic α-Oxoaldehydes to High-Value Chiral α-Hydroxythioesters using Artificial Glyoxalase I” (제1저자 박상연, 제2저자 황인수, 제3저자 이현주, 교신저자 송충의). 2. 생체모방 소수성 수화효과를 이용한 새로운 감마아미노산 합성법 개발 “물이 그동안 불가능했던 유기반응을 가능하게 하다” 본 연구팀은 사차탄소 키랄중심(all-carbon quaternary stereogenic center)을 갖는 새로운 감마아미노산 유도체를 합성할 수 있는 획기적인 합성법을 발견하였다. 감마 아미노산의 경우 신경 및 정신관련 각종 질환에 폭넓게 사용되고 있으며, 간질, 말초 신경병증성 통증, 불안증 등의 질환에 치료하기 위한 글로벌 제약회사인 파이저사의 삼차탄소 키랄중심을 갖는 프레가발린이 대표적이다. 따라서 부작용을 줄이고 약효성능을 향상시키고자, 새로운 감마 아미노산 유도체의 합성은 의약 산업에서 지속적인 연구와 노력이 이루어지고 있는 분야이다. 하지만 사차탄소 키랄중심을 갖는 감마 아미노산의 경우 보다 좋은 약효가 예상됨에도 불구하고 합성적 난관을 극복하지 못해 그 동안 관련 신약개발연구가 거의 이루어지지 못하였다. 이번 연구결과로 새로운 감마아미노산 유도체 합성을 통해 감마아미노산을 활용한 치료 의약품군에서 새로운 신약개발이 가능해질 것으로 보인다. 본 연구결과에 의하면 생체 내 반응에서 물을 반응매개로 사용할 때 나타나는 소수성 수화효과(hydrophobic hydration)를 소수성유기촉매를 이용하여 정밀제어함으로써, 기존의 합성방법으로는 전혀 불가능 하였던 반응을 가능하도록 하여 기존에 합성할 수 없었던 사차탄소 키랄중심을 갖는 감마아미노산 유도체를 제조할 수 있게 되었다. 이와 같은 연구결과에 따라 관련 의약품 연구가 더욱 활발해 지고, 새로운 신약개발에 첫 걸음을 떼었다고 할 수 있다. 본 연구 결과는 세계적 귄위의 화학분야 학술지인 ‘Angewandte Chemie International Edition’ 2017년 2월 자에 게재되었고, 그 중요성을 인정받아 Hot paper로 선정되었다. * 논문제목 “Water-Enabled Catalytic Asymmetric Michael Reactions of Unreactive Nitroaklenes: One-Pot Synthesis of Chiral GABA-Analogs with All-Carbon Quaternary Stereogenic Centers” (제1저자 심재훈, 교신저자 송충의)

  • 관상동맥질환 위험 높이는 희귀 유전변이 대거 발견

    삼성융합의과학원 원홍희 교수

    관상동맥질환 위험 높이는 희귀 유전변이 대거 발견

    성균관대 삼성서울병원-하버드대의대 공동 연구 결과 동•서양 4만 6891명 DNA 분석 … 돌연변이 100여개 확인 중성지방 수치 높여 … 관상동맥질환 위험도 1.8배 증가 원홍희 교수 “중성지방 수치 조절 중요” 관상동맥질환 위험을 높이는 희귀 유전 변이가 국내-국제 협동 연구진에 의해 대거 밝혀졌다. 성균관대 삼성융합의과학원•삼성서울병원 원홍희 교수는 하버드의대 메사추세츠종합병원 및 브로드연구소 소속 아밋 케라(Amit Khera, 공동 제1저자) 박사, 세카 캐써레산(Sekar Kathiresan, 교신저자) 박사와 함께 서양인과 아시아인 4만 6,891명의 지단백질지방분해효소(LPL, Lipoprotein lipase) DNA를 분석했다. 연구팀에 따르면 차세대 염기서열분석법(Next-generation sequencing)을 통해 확인된 이들의 DNA에서 지단백질지방분해효소의 기능을 억제할 것으로 예측되는 유전 변이가 100개 이상 발굴됐다. 지단백질지방분해효소는 중성지방을 분해하여 우리 몸에서 중성지방 수치를 낮춰주는 역할을 한다. 이러한 변이는 연구 대상자 가운데 188명(0.40%)에게서 확인됐으며, 이들의 중성 지방 수치는 변이가 없는 사람보다 평균 19.6 mg/dL 정도 높게 나타났다. 특히 이들의 경우 조기 관상동맥질환의 위험도가 1.84배 증가하는 것으로 나타나 이에 대한 주의가 필요하다고 연구팀은 지적했다. 앞서도 이 연구팀은 APOC3(NEJM, 2014년), APOA5(Nature, 2015년), ANGPTL4(NEJM, 2016년) 유전자를 분석하여, 이들 유전자의 희귀변이가 중성지방의 농도 및 관상동맥질환 위험도와 유의한 연관성이 있다는 사실을 밝혀낸 바 있다. 이 유전자들은 모두 LPL 생체경로에서 중성지방 풍부 지단백(triglyceride-rich lipoprotein)을 분해하는 데 관여하는 것으로 알려져 있다. 원홍희 교수는 “심혈관질환을 예방하기 위해서는 LDL 콜레스테롤과 함께 중성지방을 조절하는 것이 중요하다”며 “이번 연구가 LPL 기능을 조절하는 약물 개발로 이어져 관상동맥질환을 미리 막아 사람들의 건강을 지키는 데 쓰이길 기대한다”고 전했다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부, 한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원을 통해 진행됐다. 의학 분야에서 국제적으로 권위 있는 저널인 미국의사협회지(JAMA, Journal of American Medical Association) 최근호에 게재됐다.

  • 광견병 바이러스 생체 모방 나노 기술을 통한 뇌종양 치료

    약학과 윤유석 교수 ·이창규 연구원

    광견병 바이러스 생체 모방 나노 기술을 통한 뇌종양 치료

    약학과 윤유석 교수와 연구팀은 광견병 바이러스의 생체를 모방한 금나노막대(gold nanorods) 연구로 뇌종양 표적치료제 및 광열치료법을 개발했다. 뇌종양(교모세포종)은 평균 생존율이 14.6개월로 암 중에서도 매우 위험한 종이며, 뇌의 치밀한 내피구조(혈액-뇌장벽, blood-brain barrier) 때문에 현재까지 많은 연구자들이 뇌종양 치료제 개발에 많은 어려움을 겪어 왔다. 연구팀은 뇌를 둘러싼 혈액-뇌장벽을 우회하여 뇌종양에 도달할 수 있는 금나노막대를 사용했으며, 이를 통해 암 부위에 근적외선(near infrared)을 조사하고, 온도를 상승시켜 종양을 사멸하는 광열치료 요법을 제시했다. 연구팀은 광견병을 유발하는 바이러스(rabies virus)의 크기, 모양 및 표면 등 생체특징을 세밀하게 모방한 금나노막대 구조를 설계하여, 뇌종양으로의 표적성을 높일 수 있는 나노구조를 제조했다. 광견병 바이러스는 인체 감염 시 공수증상과 뇌척수염 등 치명적인 증상을 일으키지만, 바이러스 표면의 당단백질(rabies virus glycoprotein; RVG) 때문에 인체에 존재하는 니코틴성 아세틸콜린 수용체에 특이적으로 결합하여 뉴런세포를 따라 중추신경계로 들어가기 때문에 결과적으로 혈액-뇌장벽을 우회하여 뇌종양 부위에 도달할 수 있다 (그림1). 특히 광견병 바이러스의 총알 또는 막대와 같은 특유한 생김새는 뉴런 세포 경로 이동에 유리하고, 중추신경계로 침투하기 쉬운 특징을 보인다. 이러한 전략을 달성하기 위해 연구팀은 체내 침투에 유리한 근적외선(808 nm) 조사에 효율적으로 반응하는 종횡비(~4.0)를 유지하도록 가로/세로 각각 80 nm/20 nm 크기의 금나노막대를 제조하였고, 여기에 실리카와 RVG를 연속적으로 코팅하여 최종적으로 광견병 바이러스(종횡비 2.4)와 크기, 모양과 표면특징이 매우 유사한 120 nm/50 nm의 나노 구조체(종횡비 2.34)를 제조하였다 (그림1). 제조된 금나노막대 구조체는 구형의 금나노입자 또는 RVG 비접합 금나노막대와 비교하였을 때 뇌종양 세포(N2a)로 침투가 매우 우수하였으며, 광견병 바이러스처럼 중추신경계를 경유하여 뇌에 도달하였으며 결과적으로 근적외선조사 시 뇌종양 유발 마우스의 종양부위 온도를 최대 50℃까지 상승 유도하여 효율적으로 뇌종양을 사멸시켰다 (그림2). 인체에 매우 위험하다고 알려진 광견병 바이러스의 생체 특징에 착안하여, 뇌종양 표적치료제 및 치료요법을 도출하는 역설적인 전략으로 표적지향성을 크게 개선한 뇌종양 나노 치료제 및 치료기법의 새로운 플랫폼을 제시하였다는데 연구의 의의가 있다. 다만 나노기술을 이용한 뇌종양 표적치료제가 실제 임상 적용 가능한 신약으로 이어지려면 극복해야 할 많은 단계가 있으므로, 관련 분야 과학자의 관심과 연구가 보다 절실히 필요하고, 항암치료용 나노의약품 개발의 중요성과 가치가 높게 평가되어야 한다. 이번 연구 결과는 세계적 권위 학술지인 Advanced Materials 온라인(1월 30일) 게재되었으며, 미국 Science/AAAS지(2월 10일)에 “How to stop brain cancer—with rabies”이란 제목으로 인터뷰 내용이 소개되었다. ※ 게재 논문 정보 - 논문명: Rabies Virus-Inspired Silica-Coated Gold Nanorods as a Photothermal Therapeutic Platform for Treating Brain Tumors - 논문저자: 윤유석(교신저자, 성균관대 교수), 이창규(제1저자, 성균관대 박사과정), 황하신, 이성인, 김보미(공저자, 성균관대 석사과정) ※ 관련 기사 1) Science/AAAS지 “How to stop brain cancer—with rabies”온라인 뉴스 2) 한국보건산업진흥원 보도자료 3) 국민일보 / 약사공론 / 의학신문 / 메디컬투데이 등

  • 전자활성에너지재료(전자화물; 열전소재, 저차원소재)를 연구하다

    에너지과학과 김성웅 교수

    전자활성에너지재료(전자화물; 열전소재, 저차원소재)를 연구하다

    에너지과학과 전자활성에너지재료 연구실 (Electro-Active Energy Material Lab.)에서는 에너지 변환, 자성, 촉매, 전자 소재 등 다양한 분야에서 원천소재들을 연구하고 있다. 신소재로 주목 받고 있는 전자화물, 에너지 변환소재인 열전소재 그리고 차세대 소재로 각광받고 있는 저차원 소재 분야에서 세계 최초 발견 혹은 세계 최고 성능의 소재를 합성하여 기초과학연구부터 응용연구까지 폭넓은 분야에서 세계적 수준의 연구를 진행하고 있다. 본연구실의 주요 연구 분야는 다음과 같다. 1. 전자화물 (Electride) 전자화물은 전자가 음이온의 역할을 하는 이온 화합물로, 전자가 궤도(obital)가 아닌 실공간(real space)에 존재하는 물질이다. 전자화물은 낮은 일함수와 높은 전자농도로, 전자가 관여하는 다양한 방면에 응용 가능한 물질로 주목 받고 있는 신소재이며, 본 연구실에서는 기초연구 및 응용연구가 진행중이다. 본연구실은 세계 우수 연구그룹들과의 협력연구를 통하여, 전산모사로 원하는 물성을 예측하고, 자체 인프라를 활용하여 소재를 합성하고, 다양한 물성을 측정하여 에너지, 전자소재 및 촉매소재 등으로의 폭 넓은 연구를 지향하고 있다. 2. 열전소재 열전소재는 열에너지와 전기에너지의 상호 변환이 가능하게 하는 물질이다. Seebeck/Peltier 효과에 의해 발전 및 냉각이 가능하며 산업/수송용 폐열의 활용 및 무소음 동력원으로 사용 될 수 있어, 친환경 에너지 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 본 연구실에서는 세계 최고 성능의 열전소재 개발을 목표로 재료공정 및 재료물리 연구를 기반으로 초고성능 열전소재 개발을 진행 중에 있으며 다차원의 결함이 소재 성능향상에 기여하는 원인을 규명하기 위한 연구도 함께 진행 중이다. 3. 저차원소재 전자화물과 열전소재 뿐만 아니라, 2차원 물질로 주목 받고 있는 전이금속 칼코겐화물 화합물 연구를 진행하고 있으며 고품질의 단결정 및 박막을 제조하여 상전이 및 저온물성을 연구하고 있다. 또한 기존 2차원 층상구조와는 전혀 다른 결정구조의 2차원 소재를 개발하고 합성하여 재료 물성연구를 수행하고 있다.

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