성균관대학교

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  • 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.

  • 2D 콜로이드 재료를 이용한 미래 디스플레이 연구

    전자전기공학부 송장근 교수

    2D 콜로이드 재료를 이용한 미래 디스플레이 연구

    1. 본 연구팀에서는 2D 나노입자 콜로이드를 이용하여 액정표시장치(LCD)에 응용할 수 있음을 2014년 Nature Materials에 최초 발표하였고, 관련연구를 지속적으로 수행하여 연구결과를 Optics Express, Journal of Physical Chemistry C, Carbon, Langmuir 등 약 10여편의 학술지에 발표하였다. 기존 LCD에서 액정 분자들을 동작시키기 위해서는 1 V/μm 이상의 전기장이 필요하였으나, graphene-oxide (GO) 2D 나노입자를 이용한 콜로이드 액정에서는 이의 1/100 수준인 0.01 V/μm 의 전기장 세기에서도 동작함을 발견하였다. 이는 유기분자를 기반으로 한 기존 액정과 달리, 두께대비 입자 너비의 비가 매우 큰 2D 입자는 표면 근처 전기 이중층 (electrical double layer)의 전기장에 의한 재배열 현상에 의해 큰 전기적 반응성을 가지고 있기 때문이다. 이 때문에 인가 전기장 세기에 따른 광학적 비등방성 증가율을 의미하는 Kerr 계수가 기존에 알려진 어떠한 재료보다 큰 값을 가지고 있음을 확인하였다. 최근에는 광학적 투명성이 높고, 화학적 안정성이 우수한 ZrP 등의 2D 입자를 이용하여 응용성이 향상된 디스플레이 기술을 연구 중에 있다. 특히, ZrP 입자 표면에 다양한 고분자 막을 형성하여 입자간 마찰력과 반발력을 조절할 수 있음을 발견하였고, 이를 이용하여 자발적 배열상태를 가지는 nematic 상에서도 전기적 스위칭이 양호하게 수행될 수 있음을 확인하였다. Nematic 상에서의 스위칭을 이용하여, 전력이 차단된 상태에서 표시된 정보가 유지됨을 확인하였다 (기존 LCD에서는 전원을 차단하면 표시된 정보가 소실됨). 관련 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 연구 수행 중이다. - 대표논문: Electro-optical switching of graphene-oxide liquid crystals with an extremely large Kerr coefficient, (Nature Materials, 2014) - 관련기사: ‘전기반응성 1000배 뛰어난 산화그래핀 액정재료 개발’ (전자신문) ‘전기반응성 1000배 높인 액정 개발’(세계일보) 등 2. 본 연구팀은 2D 콜로이드를 이용한 광결정 (photonic crystal) 재료 연구를 수행하고 있다. 광결정은 염료나 발광 재료 없이, 재료의 규칙적 배열과 빛의 간섭현상을 이용하여 색을 표시할 수 있는 재료로 미래 디스플레이 기술, 태양광 기술, 광 센서 기술에 응용될 수 있어 주목을 받아 온 연구 분야이다. 기존에는 조절 가능한 광결정 구현을 위하여 구형 나노입자를 포함하는 콜로이드를 이용하여, 스펀지처럼 용매를 흡수하거나 배출하는 과정에서 부풀어오르거나 가라앉는 (swelling/ deswelling) 현상을 이용하는 방법이 연구되었으나, 이러한 방법은 기술 구현의 어려움 뿐 아니라, 색상 변조는 가능하지만 밝기 조절은 되지 않는 한계가 있었다. 본 연구팀에서는 2D 입자를 이용한 광결정을 제작하고, 농도 조절을 통하여 기존의 구형 입자 콜로이드에서와 같이 색상 변조가 가능할 뿐 아니라, 전기적인 방법으로 입자들을 회전시키는 방법으로 반사광의 밝기도 조절됨을 확인하였다. 본 연구팀에서는 또한 GO colloid, ZrP colloid 등에서 광결정 배열이 일어나는 원리를 규명하였고 기존에 알려진 바와 같이 lamellar 중간상을 가지는 것이 아니라 nematic 배열을 하고 있음을 발견하였다. 관련 연구는 NPG Asia Materials, Optics Express 등에 발표하였다. - 대표논문: Bottom-up and top-down manipulations for multi-order photonic crystallinity in a graphene-oxide colloid, (NPG Asia Materials, 2016) - 관련기사: ‘산화그래핀 콜로이드를 이용한 광격자 조절기술 개발’ (브릿지경제) 등

  • 미래전자소자(유연전자소자; 생체모방전자소자; 생체삽입소자)를 연구하다

    화학공학/고분자공학부 김태일 교수

    미래전자소자(유연전자소자; 생체모방전자소자; 생체삽입소자)를 연구하다

    화학공학부 다기능유연전자소자 연구실(Multifunctional Soft Electronics Lab)에서는 최근 폭발적인 주목을 받고 있는 유연전자소자 (flexible electronics), 생체모방 (Biomimetics) 및 생체삽입소자 (Bio-integrated electronics)을 연구하고 있다. 특히, 2013년 뇌삽입전자소자 (Science), 2014년 거미진동인식기관 모사 전자소자 (Nature)에 연달아 발표함으로서 관련 연구를 전세계에서 리딩하고 있다. 본연구실의 연구주제는 다음과 같다. 1. 나노구조물의 구현 반도체에서 리소그라피 (lithography)는 가장 핵심적인 기술이며 작은 패턴을 형성하는 것은 저비용, 높은 소자의 특성을 도출하는데 필수적이다. 본연구실은 광을 이용하는 전통적인 방법이 아닌 고분자몰드를 이용하여 다양한 자연적 힘 (예를들어 모세관력, 접착력, 표면장력등)을 이용하여 저비용으로 미세패턴을 형성하는 것을 연구하고 있다. ACS Applied Materials and Interface (7, 8070, 2016)년에 논문 커버로 발표하는 등의 매년 다수의 특허와 논문을 발표하고 있음. 특히 나노구조물의 구현을 통한 다양한 광학소자로의 연구도 진행중이다. 2. 생체모방연구 다양한 자연의 구조물을 본 연구실에서 보유하고 있는 나노구조물 구현방식으로 모방하고 관련 특성을 공학적으로 재현하는 것에 목적을 둠. 특히, 게코도마뱀 발바닥의 기울어진 섬모구조를 구현하여 접착력이 수백배이상 증대되는 것을 확인 (Advanced Materials 21, 6575 (2009)) 하였다. 또한, 거미가 가지고 있는 진동인식기관을 모사한 나노균열센서를 개발 (Nature 516, 222 (2014))하여 웨어러블 전자소자로의 응용이 가능하다는 것을 보였으며 특히 목소리의 떨림을 이용하여 음성인식시스템으로 적용하여 보안, human-computer interface등으로 사용하는 연구를 진행 중에 있다. 3. 유연전자소자 유기물소재를 이용한 휘는 반도체는 고분자필름에서의 공정이 용이하다는 장점으로 각광받아 왔다. 하지만, 소재자체가 산화가 쉽다는 단점이 있어 현시대에서 요구하는 높은 특성을 구현하기에는 제한사항이 있다. 본연구실은 비전통적 패터닝공정중에 하나인 transfer printing방법에 의한 무기박막소자의 고분자필름 위에 구현할 수 있어 무기물 반도체가 가지는 높은 특성과 유연고분자필름이 가질 수 있는 유연성 모두 가지는 고특성무기물 유연소자를 개발해 오고 있다. 4. 생체삽입전자소자 인간의 피부에 부착하거나 뇌, 장기에 삽입 가능한 바이오소자관련 연구를 진행하고 있다. 신경을 전자소자로 자극 및 측정하여 호르몬의 분비조절하고 뇌과학에 필요한 툴을 개발하여 Science 340, 211-216 (2013)에 발표한바 있다. 이는 최근 공학과 뇌공학과의 융합연구의 중요한 시발점이 되고 있다. 특히 최근에는 일정시간 작동후 체내에서 녹아서 사라지는 소자관련 연구도 진행중이다. 이와 같이 본연구실에서는 지금 현재시점에서 필요한 연구가 아닌 5년에서 10년후에 사용될 수 있는 전자소자를 개발하고 있다. 현재는 9명의 석박통합과정 대학원생과 4명의 석사과정학생이 참여해서 연구를 진행하고 있으며, 5명의 졸업생은 본 실험실 박사과정, LG화학, SK hynix등으로 진출하고 있다.

  • 뇌종양, 유전체 변이의 진화 패턴 및 시공간적 구조 분석으로 정밀의료 실현에 다가서다

    의학과 남도현 교수

    뇌종양, 유전체 변이의 진화 패턴 및 시공간적 구조 분석으로 정밀의료 실현에 다가서다

    - 시공간적 유전체 분석 및 약물 스크리닝 적용을 통해 맞춤치료의 임상 효과 입증 본 연구팀은 2009년 보건복지부 선도형 특성화 연구사업에 선정되어 2009년 아바타 마우스 개념을 도입하고, 2013년 유전체 기반 암줄기세포 약물스크리닝 시스템인 아바타스캔을 개발해 정밀의료에 적용함으로써 세계 최고의 중개연구 시스템을 확립했다. 또한 환자의 특이적 반응성을 분석하여 특정 약물에 대한 감수성을 판단하는 소프트웨어인 아바타메드 (AVATAMED™)를 개발하여 이에 대한 GMP 인증 (2016년 10월) 및 의료기기 임상시험 계획 승인(2016년 11월)을 득함으로써 아바타스캔을 통한 정밀 의료 실현에 크게 이바지하고 있다. 본 연구팀은 꾸준한 연구를 통해 2015년 뇌종양의 재발위치에 따른 시간적 유전체 진화 패턴을 세계최초로 규명 (Cancer Cell, IF 23.214) 하였으며, 이에 대한 후속연구로 2016년 한국, 미국, 일본, 이탈리아 등 전 세계적으로 대규모 환자군의 유전체 분석을 통해 항암치료에 의한 종양의 진화 패턴을 규명(Nature Genetics, IF 31.616)하였다. 그동안의 연구를 기반으로 종양 내 다부위 검체 및 원발암-재발암 짝 종양의 유전체 다차원 데이터를 융합 분석하여 종양의 시공간적 진화 패턴을 규명(Nature Genetics, 2017년 4월)하였다. 이는 뇌종양 환자에게 최적의 표적치료법을 결정할 수 있는 전략을 제시함으로써 암정밀의료의 실현을 앞당길 수 있는 성과로 평가받고 있다. 1. 뇌종양 재발위치의 따른 유전체 변이 패턴 세계최초 규명 본 연구팀은 교모세포종 환자 38명에 대한 체계적인 추적관찰을 통해 최초 진단받은 암과 이 암이 재발했을 때 나타나는 유전체 돌연변이 프로파일을 비교 분석했다. 그 결과로 뇌종양 재발시 재발암의 발생 위치에 따라 유전체 돌연변이가 변화하는 특징적인 패턴을 세계 최초로 규명했다. 최초의 암 발생 위치와 비슷한 곳에서 암이 재발할 경우, 최초의 암과 비슷한 유전체적 특성을 가지고 있다. 연구팀은 최초의 암 발생 위치와 떨어진 곳에 암이 재발하면, 최초의 암에서 발견되지 않았던 다수의 돌연변이를 가지고 있는 사실을 관찰했다. 이런 결과는 재발한 뇌종양 환자에게 표적항암제 치료요법을 시행하는 경우 재발암이 원발암과 위치가 다를 경우 반드시 재발암에 대한 유전자 검사를 추가로 실시해야만 정확한 표적치료가 가능하다는 점을 시사한다. 또한 뇌종양 발생과 관련이 있는 IDH1 유전자의 돌연변이 여부에 따라 '표준 항암제인 테모달'의 부작용 빈도가 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 이는 유전자 돌연변이 여부에 따라 항암제 처방 및 부작용에 대한 모니터링이 가능함을 의미한다. 논문 정보 - 저널명 : Cancer Cell (IF: 23.214, 2015년 9월) - 논문제목: Spatiotemporal evolution of the Primary Glioblastoma Genome 관련기사 1. (KBS) 뇌종양 위치따라 '치료법'바뀌어야 2. (JTBC) 뇌종양 '맞춤형' 치료 효과 입증 2. 뇌종양 환자의 원발암-재발암 유전체 진화 패턴 분석 본 연구팀은 미국 콜롬비아대 라울 라바단 교수팀과 함께 미국, 일본, 한국, 이탈리아의 뇌종양 환자 114명의 데이터를 통해 뇌종양 환자의 종양과 재발된 종양의 진화 및 변화 패턴을 분석했다. 그 결과 전체 환자의 63%는 암 재발 후 종양의 유전자 타입이 변화되었고, 15% 환자에서 과돌연변이(hypermutation)가 발생한 것으로 나타났다. 또한 11% 환자에서 추가적으로 LTBP4 유전체 돌연변이가 발생하면서 환자 예후가 나빠지는 것을 관찰했다. LTBP4 유전자는 세포의 자살 및 조직의 섬유화를 촉진시키는데, 이 유전자에서 돌연변이가 생길 경우에는 사실상 치료제가 없는 상황이다. 이는 앞으로 신약 개발 연구가 LTBP4 유전자 변형 환자를 대상으로 해야 한다는 데 근거가 될 수 있다. 논문 정보 - 저널명 : Nature Genetics (IF: 31.616, 2016년 6월) - 논문제목 : Clonal evolution of glioblastoma under therapy 관련기사 1. (KBS) 악성뇌종양 교모세포종, 맞춤형 치료 가능성 제시 2. (YTN) 국내 연구진, 악성뇌종양 대표 표적유전자 세계 첫 규명 3. (동아일보) 뇌종양 재발땐 유전자 타입 변화… 기존 치료법 대신 새 항암제 써야 3. 뇌종양 유전체의 시공간적 구조 분석을 통한 최적의 표적 치료 전략 제시 본 연구팀은 종양 내 다부위 검체와 원발암, 재발암 짝 종양의 유전체 다차원 데이터를 융합 분석해 종양의 시공간적 진화 패턴을 규명해냈다. 국내 교모세포종 환자 52명으로부터 127건의 다부위 및 원발암-재발암 짝 유전체 구조와 약물반응을 분석했다. 분석 결과, 서로 근접한 부위에서 채취한 조직 또는 원발암과 가까운 거리에서 재발한 종양의 경우 매우 유사한 유전체 발현 및 변이 양상을 보인 반면 서로 떨어져 있는 종양으로부터 획득하거나 원발암과 먼 거리에서 재발한 종양의 경우 상대적으로 다른 유전체 발현 및 변이 양상이 나타나는 것을 발견했다. 연구팀은 의료영상과 유전체 등을 융합한 데이터 기반의 첨단 수학 모델링 기법을 활용해 종양의 시공간적 유전체 진화 모델을 체계화했다. 종양 발생에 주요 역할을 하는 ‘PIK3CA’ 유전자의 돌연변이가 공간적으로 멀리 떨어져 있는 두 종양의 발생에 공통적으로 관련이 있음을 규명해 이를 표적으로 하는 ‘PI3K 억제 약물’의 임상 적용 가능성도 확인했다. PI3K는 많은 고형암에서 활성화돼 있는 신호 경로로 암의 생존, 성장, 전이 및 항암제 내성에 중요하다. 이번 연구는 종양 발생과 진화 초기와 관련있는 원인 유전체 변이를 선별해 이를 타깃으로 하는 표적 치료를 실제 환자에게 적용할 수 있는 ‘정밀의료’의 실현 기반을 마련한 것이라는 평가를 받고 있다. 논문 정보 - 저널명 : Nature Genetics (IF: 31.616, 2017년 3월 epub.) - 논문제목 : Spatiotemporal genomic architecture informs precision oncology in glioblastoma 관련기사 1. (MBC) 뇌종양 유전체 구조분석 성공, 맞춤치료 기반 열려 2. (YTN) 악성 뇌종양 최적 표적치료 전략 연구결과 발표 3. (연합뉴스TV) 악성 뇌종양 새 치료길 열렸다4~5년내 상용화

  • 할라이드 페로브스카이트 나노결정 필름의 안정성 향상 및 이를 통한 고효율 백색 LED 개발 (Nanoscale)

    신소재공학부 윤대호 교수 ·송영현 외 4명 연구원

    할라이드 페로브스카이트 나노결정 필름의 안정성 향상 및 이를 통한 고효율 백색 LED 개발 (Nanoscale)

    1. 할라이드 페로브스카이트 나노결정 필름의 안정성 향상 및 이를 통한 고효율 백색 LED 개발 (Nanoscale) 최근 디스플레이의 핵심 이슈는 색을 좀더 생생하고 자연의 색과 비슷하게 표현하는 것이다. 색 재현율은 디스플레이에서 적색, 녹색, 청색을 나타내는 발광 소재 각각의 발광 스펙트럼에 따라 결정된다. 발광 스펙트럼의 반치폭 (full width at half maximum, FWHM)이 좁을수록 발광소재의 색순도가 좋고 디스플레이에 적용하였을 때 자연색에 가까운 선명한 이미지를 재현 할 수 있다. 이에 따라서 최근 페로브스카이트 구조를 가지는 나노재료의 발광물질이 차세대 디스플레이 및 조명용 발광재료로 각광을 받고 있다. 이 물질은 20 nm의 좁은 FWHM을 가지며 물질의 조성 변화를 통하여 색을 조절하기 때문에 색 순도가 좋고 낮은 온도에서 물질의 합성이 가능하며 가격이 저렴하기 때문에 페로브스카이트 발광물질을 이용한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구팀은 차세대 발광 재료인 페로브스카이트 나노물질의 안정성을 향상시켜 고 효율의 백색 LED를 개발하였다. 고 효율 및 고 색순도의 녹색 발광체인 CsPbBr3 페로브스카이트 나노결정을 합성한 후 ethyl cellulose를 사용하여 필름을 제작하였다. 제작된 필름은 발광 파장이 521 nm이고 FWHM이 21 nm인 고 색순도의 녹색을 나타냈으며 37.2%의 내부양자효율을 나타냈다. 또한 PMMA를 사용하여 필름을 제작하였을 때 보다 7.4% 이상 안정성이 확보되었으며 미래의 디스플레이 및 조명에 적용 될 수 있을 것으로 예상된다. InGaN 기반의 청색 칩에 Sr2Si5N8:Eu2+ 적색 형광체와 녹색 페로브스카이트 필름을 사용하여 백색 LED를 구현하였으며 forward-bias current 20 mA일 때 67.93 lm W-1의 높은 발광 효율을 나타내었다. 해당 연구 결과는 재료과학 분야 권위지 Nanoscale 2016년 11월호에 게재되었다. *논문명: Long-term stable stacked CsPbBr3 quantum dot films for highly efficient white light generation in LEDs *연구팀: 윤대호(교신저자, 성균관대 교수), 송영현(제1 공동저자, 성균관대 연구교수), 유진선(제1 공동저자, 성균관대 석사과정), 강봉균(제1 공동저자, 성균관대 박사후연구원), 최승희(제1 공동저자, 성균관대 석박사통합과정), 지은경(공저자, 성균관대 석사과정), 정현석(공동교신저자, 성균관대 교수) 2. Metal Framework (MOF) 기반 고효율의 물분해용 다공성 및 단분산 나노구조 NiO/NiFe2O4 multicomposites (Journal of materials chemistry A) - 물 분해 시 고효율의 산소 발생 전기촉매 개발 최근 화석 연료의 사용으로 인한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 인한 에너지 수급에 관련 문제가 전세계적인 이슈로 부상하고 있다. 이를 해결하고자 무공해 에너지와 접목하여 물분해, CO2 변환, 연료전지에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 그 중에서도 전기촉매 및 광촉매 반응을 통하여 물을 분해하여 나오는 청정에너지원인 수소를 화석 연료 대체로 사용하려는 시도가 이루어 지고 있다. 그러나 물 분해를 통한 수소 생산은 (1) 귀금속 촉매를 대체해야 하는 문제, (2) 낮은 lifetime 문제를 해결해야 하는 과제를 가지고 있다. 이를 해결하고자 싼 전이금속 물질 기반으로 화합물을 합성하여 기존의 전기촉매물질을 대체하고 고효율의 전기촉매를 합성 연구가 진행되고 있다. 따라서 본 연구팀은 저 효율의 전이금속 물질의 전기 촉매의 한계를 극복하기 위하여 MOF 기반의 다공성 및 단분산 나노구조의 NiO/NiFe2O4 multicomposites을 이용하여 고효율의 물분해 촉매를 합성하여 산소 발생 촉매로 적용하였다. 전이금속 산화물 촉매제를 사용했던 기존 연구와 달리 다공성 단분산 나노재료의 합성을 통한 반응면적의 증가 및 NiO/NiFe2O4 multicomposites 나노 구조제어를 통한 반응 부위가 증가를 통하여 안정성이 확보된 고효율의 전이금속 산화물 전기촉매를 개발하는데 성공하였다. 본 연구 결과는 국제적 권위의 학술지인 Journal of materials chemistry A 2월 28일자에 게재되었다. *논문명 : Mesoporous Ni–Fe oxide multi-composite hollow nanocages for efficient electrocatalytic water oxidation reaction *연구팀 : 윤대호(교신저자, 성균관대 교수), 강봉균 (제1 공동저자, 성균관대 박사후연구원), 우무현(제1 공동저자, 성균관대 석사과정), 이주영(공저자, 성균관대 박사과정), 송영현(공저자, 세종대학교 교수), Z. Wang(공저자, National Institute for Materials Science (NIMS) 연구원), Y. Guo (공저자, National Institute for Materials Science (NIMS) 연구원), Y. Yamauchi(공저자, University of Wollongong 교수), 김정호(공저자, University of Wollongong 교수), 임병권(공저자, 성균관대 교수)

  • 왜 학업성과가 우수한 학생들은 담당교수의 강의를 높게 평가하는가?

    경제학과 조준모 교수

    왜 학업성과가 우수한 학생들은 담당교수의 강의를 높게 평가하는가?

    1. 왜 학업성과가 우수한 학생들은 담당교수의 강의를 높게 평가하는가? (Economics of Education Review, vol. 49, 2015) 이 연구는 대학의 강의실에서 학생들의 강의평가 패턴을 분석하였다. 학업성과가 우수한 학생들이 담당교수들의 강의평가를 높게 평가하는 것은 학업성과가 높은 학생들이 실제 교육생산성이 높아 강의평가를 높게 평가할 수도있고(productivity hypothesis) 학생들의 높은 성적을 준 담당교수에 대한 심리적 보상과 페널티 부여에 의한 편의(bias hypothesis)의 결과일 수 있다는 것은 관련 연구에서 이론적으로, 직관적으로 지적되어왔다. 학생들은 자신의 (기대)학점이 높을수록 담당교수님에 대해 높은 강의평가를, 낮을수록 낮은 강의평가를 주는 일종의 심리적 거래를 한다는 것이다. 그러나 전세계 대부분의 대학에서 강의평가를 먼저 해야 자신의 성적을 확인할 수 있는 강의평가 시스템을 가지고 있는 구조에서 적절한 표본이 부재하여 실증분석을 하는 것은 불가능하였다. 보다 구체적으로 학생들이 그 과목에서 성적을 모르고 강의평가를 하는 집단과 학생들이 성적을 알고 강의 평가를 하는 집단을 무작위로 구성하여 양집단을 비교실증분석 해야 위의 가설들을 검증할 수 있는데 실제로 이러한 무작위표본이 존재하지 않기 때문에 가설검증이 불가능하였다. 몇몇 단과대학에서 발생한 컴퓨터 시스템 오류(natural experiments)로 일시적으로 성적을 알고 강의평가에 임한 집단이 발생하여 동시시점에 성적을 모르고 강의평가를 한 집단과 비교분석하여 위의 productivity hypothesis와 bias hypothesis 모두 옳지만 무작위표본이 아닌 표본을 사용한 실증분석에서 계측한 편의의 크기는 과장되었음을 지적하였다. 이외에 다양한 실증분석 결과에 기초하여 강의평가의 편의오차를 줄이기 위한 교육제도 개선방향을 제언하였다. 이 논문과 연관되어 후속연구로 학생들의 강의평가 패턴이 졸업 후 취업에 어떠한 영향을 미치는지도 실증분석 하였다. 이 결과 재학중 강의평가의 모든 항목을 동일하게 평가점수를 매긴(일자평가; vertical evaluation) 빈도수가 높은 졸업생일수록 학생들이 졸업 후 조기취업 확률은 반감함을 확인할 수 있었다. 이는 기업들이 책임성, 성실성 등 인사관리상의 Big 5 인성과 연관되어 일자평가 습관은 취업시장에서 신호되지는 않지만 채용과정에서 부정적인 영향을 미치고 있음을 실증적으로 확인하였다. 이와 연관되어 강의평가를 항목에 충실하여 성실하게 답변하도록 유도하고 일자 강의평가표본를 유효표본에 포함여부에 대해 토의하였다. 2. MERS(Middle East Respiratory Syndrome epidemic)가 한국 노동시장에 미친 영향분석 한국에서 호흡기 질환은 MERS가 유행할 당시 한국의 노동시장에는 어떠한 영향을 미쳤는지에 대한 실증분석 결과가 부재하였다. 본 연구는 연령대별로 노동시장에서 취업상태(실업여부, 근로시간 등)을 분석하였다. 예상과 같이 MERS는 건강상 면역성이 약한 고연령층의 노동시장 상태에 큰 피해를 미쳤고 이는 고연령층 근로가 집중분포하는 자영업, 서비스업종에 큰 피해로부터 유발되었음을 알 수 있었다. 한가지 흥미로운 사실은 건강상 면역성이 상대적으로 강한 청년층이 비정규직, 인턴 등으로 일하거나 고연령층과 같이 종사하는 빈도수가 많아 노동시장 차순위 피해자임을 확인하였다. 즉 노동시장에서 연령대별 피해가 청년층과 고연령층에 집중되는 U자 형태임을 알 수 있었다. 이는 보건의학상 피해가 고연령층에 집중되었고 정책 또한 이들 연령층에 집중화되었지만 일반균형 노동시장 구조상 MERS의 피해는 건강과 상관없는 청년층 또한 피해를 보았고 이들은 정책의 시각지대에 놓일 가능성을 지적하였다.

  • 웨어러블 전자 기기에 관한 활발한 연구를 통해 우수한 성과 도출

    성균나노과학기술원 조정호 교수

    웨어러블 전자 기기에 관한 활발한 연구를 통해 우수한 성과 도출

    1. 다양한 자극을 감지하는 유연 전자피부 (Stretchable and Multimodal All Graphene Electronic Skin) 본 연구팀은 그래핀을 이용해 투명 하면서도 피부에 밀착이 가능한 다기능 전자 피부 (e-skin) 매트릭스를 개발 하였다. E-skin은 화학적 기상 증착법 (CVD)을 통해 제조된 그래핀을 전극으로 사용하고, 화학적으로 박리된 산화 그래핀을 습도 센서, 환원된 산화 그래핀을 온도 센서로 사용하여 제작 하였다. 기존의 복잡한 제작과정의 연구들과 달리 간단한 적층 방식과 스프레이 코팅 방식을 사용하여 제작 과정을 간소화 하였고, 각각의 센서가 해당되는 자극에만 반응할 수 있는 구조를 통해 다양한 자극에 독립적으로 감응할 수 있도록 제작 하였다. 또한, 매트릭스 방식의 소자를 통해 정확한 자극의 위치를 특정할 수 있다. 이번 연구결과는 기존의 복잡한 방식을 이용하지 않는 손쉬운 제작 방식과 적층 방식을 통해 높은 확장성을 가지는 e-skin을 제안하고, 다양한 형태의 그래핀 활용을 보여줌으로써 산업적 측면에서의 그래핀 사용을 가속화할 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 공정의 간편함과 성능을 인정받아 재료과학 분야 권위지 Advanced Materials (IF 18.960) 2016년 4월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201505739/full 2. 반데르 발스 이종접합 구조를 이용한 저전압 구동용 이온젤 기반 스위칭 소자 (Low-Voltage Complementary Electronics from Ion-Gel-Gated Vertical Van der Waals Heterostructures) 본 연구팀은 이차원 그래핀 소재와 전이금속 디칼코게나이드의 이종 접합을 통해 형성된 쇼트키 장벽을 높은 전하용량을 가지는 이온젤 (ion gel)을 이용해 제어하는 수직형 쇼트키 장벽 트랜지스터를 개발 하였다. 그래핀을 소스 전극 소재로, 극박막의 다층 MoS2를 반도체 소재로, 이온젤을 게이트 절연 소재로 사용해 소자를 구성 하였다. 이온젤 게이팅에 의해 그래핀-MoS2 계면에서 형성된 쇼트키 장벽을 2 V 미안의 낮은 전압에서 0.43 eV까지 변화 시켰으며, 이를 통해 점멸비, 전류 밀도 등에서 기존의 실리콘 산화물 기반의 소자 구동에 비해 우수한 소자를 구현하였다. 수직형 소자 구조를 응용해 이차원 p형 소재인 WSe2를 이용한 트랜지스터를 제작 하였고, n형 소자와의 연결을 통해 고성능 CMOS 인버터를 구현하였다. 본 연구 결과는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 권위지 Advanced Materials (IF 18.960) 2016년 5월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201506450/full 3. 하부 도핑을 이용한 수직형 유기 쇼트키 장벽 트랜지스터 (An Organic Vertical Field-Effect Transistor with Underside-Doped Graphene Electrodes) 본 연구팀은 수직형 유기 쇼트키 장벽 (Schottky barrier) 트랜지스터의 소스 전극으로 사용되는 그래핀의 하부 도핑을 통해, 쇼트키 장벽의 변화를 극대화 하는 새로운 기술을 제안 하였다. 단일 원자층 그래핀 전극에 기존의 방식이 아닌, 전사 과정 중에 하부 도핑 방식을 이용 하였으며, 이를 통해 그래핀의 표면 특성에 변화를 주지 않는 도핑을 유도하였다. 페르미 준위가 제어된 그래핀에 p형과 n형의 유기 반도체 소재를 적층 시켜 수직형 쇼트키 장벽 트랜지스터를 제작 하였으며, 그래핀의 도핑 종류와 정도에 따른 소자 성능의 변화를 체계적으로 분석하였다. 또한 하부 도핑 방식을 통해 제작된 유기 p형 및 n형 트랜지스터 소자의 연결을 통해 고성능 CMOS 인버터를 구현하였다. 해당 연구는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 권위지 Advanced Materials (IF 18.960) 2016년 6월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201505378/full 4. 광학적 색 선택도를 가진 유기염료-그래핀 하이브르드 광 검출 소자 (Organic Dye Graphene Hybrid Structures with Spectral Color Selectivity) 본 연구팀은 그래핀과 유기 염료 분자로 이루어진 하이브리드 구조체의 광학적 특성을 이용하여, 특정 파장에 민감하게 반응하는 광검출 소자를 개발 하였다. 그래핀 표면에 적, 녹, 청색을 선택적으로 흡수하는 로다민 기반의 유기 염료를 딥코팅 방식으로 코팅 하였으며, 그래핀-염료 하이브리드 구조체는 염료의 종류에 따라 가시광 영역의 특정 파장의 빛을 선택적으로 검출 하였다. 개발된 광검출 소자의 광 감응 특성은 그래핀과 염료 사이에 형성된 극성 모멘트 차이와 물리적 거리에 영향을 받음을 입증 하였다. 그래핀-유기 염료라는 간단하지만 독창적인 하이브리드 구조체는 그래핀 뿐만 아니라 다양한 이차원 나노소재에 적용될 수 있을 것으로 예상되고, 잠재적으로 미래의 광전자 소자 분야의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 인정받아 재료과학 분야 권위지 Advanced Functional Materials (IF 11.382) 2016년 7월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201601200/full 5. 마찰전기 나노발전소자를 위한 은 나노와이어 구조체 (Mechanically Robust Silver Nanowires Network for Triboelectric Nanogenerators) 연구팀은 차세대 투명전극 소재로 각광을 받고 있는 은 나노와이어 (silver nanowire) 전극 소재를 이용한 휘어지고 늘어나는 마찰전기 나노발전소자를 개발 하였다. 자외선에 경화되는 SU-8과 열에 경화되는 PDMS 고분자를 이용한 구조체를 활용해, 우수한 전도성과 기계적 강도를 가지는 투명전극을 개발 하였다. 또한 은 나노와이어 농도 조절을 통해 발전소자의 각 접촉면에 유도되는 전하밀도 양을 체계적으로 제어 하였다. 본 연구를 통해, 유연하고 신축성 있는 투명한 차세대 마찰전기 나노발전소자를 개발할 수 있을 것으로 전망된다. 기존의 경화성 소재와 은 나노와이어를 응용하는 새로운 방식을 개발한 것을 인정받아 재료과학 분야 권위지 Advanced Functional Materials (IF 11.382) 2016년 9월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adfm.201603199/full 6. 이황화몰리브덴 기반 비휘발성 광전자 메모리 소자 (Multibit MoS2 Photoelectronic Memory with Ultrahigh Sensitivity) 본 연구팀은 우수한 전기적, 광학적 특성을 가지는 단일 원자층 이황화몰리브데늄 (MoS2) 트랜지스터에 금 나노입자와 수 나노미터 두께의 고분자 절연체를 도입함으로써, 터널링을 통해 전하의 트랩을 유도하는 나노 플로팅게이트 (nano-floating-gate) 트랜지스터 메모리 소자를 개발하였다. 해당 소자는 기존의 전계효과 뿐만 아니라 광학적인 자극에 의해서도 전하를 수집 및 방출하여 메모리 효과를 보였으며, 빛의 세기에 따라 4개 이상의 안정된 저장 상태를 구현할 수 있었다. 본 연구에서 MoS2 채널에 입사된 빛을 이용한 신호 저장 방식은 향후 광원 만을 이용한 전자 회로, 안정적인 정보 저장 기술의 확보 및 양자 정보 처리 기술 등에 응용될 수 있어 그 활용 가치가 뛰어나다고 볼 수 있다. 해당 연구는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 권위지 Advanced Materials (IF 18.960) 2016년 11월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603571/full 7. 압전 퍼텐셜을 통한 프로그래밍이 가능한 다중레벨 메모리 소자 (Piezopotential-Programmed Multilevel Nonvolatile Memory As Triggered by Mechanical Stimuli) 본 연구팀은 이온젤 기반 전계효과 트랜지스터 (FET)와 압전 나노발전소자 (NG)를 결합해 압전 퍼텐셜을 입력 신호로 사용하는 다중 레벨 비휘발성 메모리 소자를 개발 하였다. 기존 FET에서 게이트 전극에 가해지는 전압을 NG에서 생성된 압전 퍼텐셜로 대체함으로써, 외부에서 가해지는 물리적 변형에 따른 메모리 정보 저장을 수행 하였으며 NG의 상부 전극의 접지를 통해 저장된 정보의 삭제를 수행 하였다. 또한, NG에 가해진 외부 변형 정도의 제어를 통해 다중레벨 정보 저장을 구현 하였다. 본 연구를 통해 개발된 메모리 소자는 저장 상태와 삭제 상태의 전류 차이가 103배, 4개 이상의 다중 레벨, 100회 이상의 안정적 구동 성능을 보였다. 본 연구 성과는 전자 피부나 휴먼-로봇 인터페이스에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 센싱 방식의 참신함과 우수한 성능을 인정받아 나노재료 분야 권위지 ACS Nano (IF 13.334) 2016년 12월호에 게재되었다. 원문 주소 : http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b05895

  • 에너지저장용 신소재 및 기능성 소자 개발 기여 40세 미만 연구자 중 공학계열 논문 피인용 3위

    화학공학/고분자공학부 박호석 교수 ·홍진용 연구원

    에너지저장용 신소재 및 기능성 소자 개발 기여 40세 미만 연구자 중 공학계열 논문 피인용 3위

    공과대학 화학공학/고분자공학부 박호석 교수는 이머징마켓으로 떠오르고 있는 전기자동차 (EV), 에너지저장시스템 (ESS), 신재생에너지의 핵심기술이라 할 수 있는 에너지저장 분야에 적용될 수 있는 다공성 탄소소재, 그래핀, 2차원 나노소재와 같은 신소재를 개발하였다. 또한, 이를 활용하여서 초고용량 슈퍼커패시터, 플렉서블 전지와 같은 다양한 기능성 에너지소자를 구현하였다. 관련 분야에 지난 5년간 70여편의 SCI 논문을 발표하였고, 최근에는 [2016년 중앙일보 대학평가]에서 40세 미만 연구자 중 공학계열 논문 피인용 3위에 선정되었다. 웨어러블 소자용 유연 투명 전극 개발 최근 소비자의 다양한 요구에 맞춰 자유롭게 형태 변형이 가능하고, 기계적 응력이 가해지는 환경에서도 고성능을 발현할 수 있는 가벼우면서도 휴대가 가능한 에너지저장 시스템이 차세대 웨어러블 전자 산업에서 가장 큰 기술적인 걸림돌이 되고 있다. 박호석 교수는 전기화학적∙열적∙기계적 내구성이 우수한 그래핀 전극을 이용해서 플렉서블 슈퍼커패시터를 구현하였다 (ACS Nano, 2015, 9 (8), pp 8569–8577). 하지만, 웨어러블 시스템에서 발생하는 다양한 형태의 응력에서도 성능을 유지하기 위해서는 어떠한 방향에 대해서도 전기적 특성을 유지할 수 있는 신축성 전극이 필요하다. 이러한 기술적 장벽을 극복하기 위해서, 저가의 프레넬 렌즈를 이용해서 저가 공정을 통해서 파문형(wavy) 패턴을 가진 그래핀 기반 신축성 투명 전극을 개발하였다. 휘어짐∙접힘∙신장과 같은 다양한 응력 하에서도 방향성에 무관하게 높은 전기전도도와 투명도를 유지할 수 있었고, 이를 시뮬레이션을 통해서 응력에 따른 파문형 전극 구조 변화를 해석하였다. 향후에는 신축성 그래핀 전극을 이용해서 웨어러블 배터리와 같은 가변형 에너지저장소자에 적용할 예정이다. 이번 연구 결과는 나노분야의 세계적 권위의 학술지 ‘ACS Nano’ 에 게재되었고, 창의형융합사업(CAP) 지원하에 수행되었다. *논문명: Omnidirectionally Stretchable and Transparent Graphene Electrodes *연구팀: 박호석(교신저자, 성균관대학교 교수), Jing Kong(교신저자, MIT 교수), 홍진용(제1 공동저자, 현재 한국화학연구원), 박경진(공저자, 경희대학교 석사과정), 최덕현(공저자, 경희대학교 교수) ACS Nano, 2016, 10 (10), pp 9446–9455. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b04493

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