성균관대학교

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  • Discovery of new magnetic electride materials

    에너지과학과 김성웅 교수

    Discovery of new magnetic electride materials

    1. 연구배경 전자화물(electride)은 전자가 물질 내의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하고 있는 격자간 전자(interstitial electron)로 이루어진 새로운 개념의 재료로서, 다양한 분야로의 응용이 기대되는 차세대 물질로 알려져 있다. 하지만, 실제로 지금까지 발견되어 실제 합성된 전자화물 소재는 10여개 내외이며, 계산과학을 통해 예측된 재료가 합성되거나, 자성 등의 물성을 나타내는 전자화물이 발견된 예는 전무하였다. 더불어 격자간 전자만에 의한 자성물성 발현 메커니즘에 대한 예측 역시 전무하였다. 2. 연구내용 연구팀은 글로벌 구조 최적화 알고리즘을 이용하여 실험으로 합성이 가능한 새로운 2차원 전자화물을 찾아내었다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 초고속, 대량 계산을 통해서, 단지 원소 조합만을 입력한 상태에서 가능한 수만 가지의 물질들을 찾아내고, 그 중에서 2차원의 전자화물이 되는 6개의 물질을 단시간 내에 규명해내었다. 찾아낸 물질들의 열역학적인 특성들을 다양한 전자 계산법을 통하여 규명하였고, 찾아낸 신규 물질들이 실험적으로, 특히 상온에서 안정한 물질임을 보였다. 연구팀은 새롭게 발견한 Y2C 전자화물을 국부용융법(zone melting method)을 통하여, 고순도/고품질의 단결정 소재로 합성하는 데에 성공하였으며, 전자기적 물성 분석을 통하여 세계최초로 자기이방성을 보이는 전자화물임을 발견해 내었다. 밀도범함수이론(density-functional theory)을 통한 재료전산모사를 통하여 Y2C 전자화물의 자기이방성의 근원이 격자간 전자가 정렬된 자석의 역할을 하기 때문이라는 사실을 규명하였다. 3. 기대효과 경험적인 데이터베이스에 기반한 기존 소재 연구 방법론을 탈피하여, 데이터 마이닝(Data Mining) 기반의 컴퓨팅 기술로 신규 소재를 도출하고, 그러한 소재의 물성을 고도화/정밀화 시키는 신개념 소재 연구 방법론을 통해 일궈낸 결과로서의 차세대 미래 신소재를 개발하는 연구 패러다임을 제시하였다. 지구상에 매장량이 희귀한 고가의 희토류 원소가 필수였던 기존의 자기 소재 조성을 탈피할 수 있는, 새로운 자성소재 구현의 가능성을 제시함으로써 미래 신규 소재 시장을 개척할 수 있는 기반 소재 기술로의 활용이 기대된다. 미개척 분야인 전자화물 소재의 지속적인 확보를 통한 미래 소재산업 육성 및 소재강국 실현의 기반이 될 것으로 기대된다. 용어 설명 1. Journal of the American Chemical Society (JACS)지 화학분야의 최고 권위 기관인 미국화학학회(American Chemical Society)의 학술 논문지이다. 화학 분야에 대한 전반부를 다루며, 1879년에 창간된 오랜 역사와 인용지수 13.038의 최고 권위를 인정받고 있는 국제학술지이다. 2. 전자화물 전자가 물질을 이루는 원자의 궤도에 속해있는 기존 재료와는 달리, 재료 내의 독립적인 공간에 전자가 음이온의 형태로 존재하고 있는 신개념의 재료로, 1983년 처음 존재가 발견된 후로 현재까지 10여종 밖에 실재로 합성된 소재가 보고되지 못하고 있다. 3. 데이터 마이닝 대규모로 저장된 데이터 안에서 체계적이고 자동적으로 통계적 규칙이나 패턴을 찾아내는 것. 4. 국부용융법 고순도, 고품질의 단결정을 성장시키는 공정법으로, 소재의 국부 영역만을 선택적으로 2000도 이상의 고온에서 녹인 후 결정화 시키는 공정법. 5. 밀도범함수이론 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로 계산하기 위한 이론의 하나. 이를 통해 어떤 분자가 세상에 존재할 수 있는지 없는지의 여부, 특정 분자의 모양과 성질 등을 예측할 수 있다. 컴퓨터를 사용하는 과학 계산들 중에서 가장 널리 쓰이는 양자 역학 계산 분야 중 하나이다.

  • 구리 촉매를 이용한 α-카이랄 알킬붕소 화합물의 비대칭 합성법 개발

    화학과 윤재숙 교수

    구리 촉매를 이용한 α-카이랄 알킬붕소 화합물의 비대칭 합성법 개발

    자연과학대학 화학과 윤재숙 교수 연구팀은 이번 연구에서 구리 촉매를 이용한 α-카이랄 알킬붕소 화합물의 효율적 비대칭 합성법 개발에 성공하였다. 카이랄 알킬붕소 화합물은 정밀화학 분야에서 다양하게 이용될 수 있는 매우 유용한 합성 중간체이기 때문에, 2000년대 중반 이후부터 학계 및 산업계로부터 많은 주목을 받아왔다. 최근까지도 해외 유수의 연구 그룹들이 카이랄 알킬붕소 화합물의 합성법 개발에 대한 연구결과들을 발표해오고 있지만, 여전히 많은 한계점들을 보여 왔다. 이번 연구에서는 저렴한 구리 촉매를 이용하여 온화한 조건에서 카이랄 알킬붕소 화합물을 연속반응을 통해 높은 수율과 뛰어난 광학선택성으로 합성할 수 있었다. 뿐만 아니라 개발된 합성법은 원자경제성(atom economy) 측면에서도 매우 효율적이었으며, 기존의 합성법으로는 접근하기 어려운 α-카이랄 알킬붕소 화합물을 효율적으로 합성했다는 점에서 연구 가치가 매우 크다. 또한 α-카이랄 알킬붕소로부터 광학활성 화합물인 (S)-massoialactone을 손 쉽게 합성함으로써 본 합성법의 실질적 유용성이 입증하였다. 탄소-붕소 결합의 다양한 유기적 변환이 가능하여 카이랄 α,β-불포화 δ-락톤과 같은 중요한 생리활성물질의 골격을 가진 의약품들을 합성하는데 있어서 본 합성법은 매우 유용한 합성도구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구에는 한정태 (석박통합과정)과 장원준 (석박통합과정)학생이 제1저자(공동)로 참여하였으며, 연구결과는 화학분야 세계적 권위의 학술지 ‘Journal of the American Chemical Society'에 2016년 11월 23일자 논문으로 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업 및 기초연구실 지원사업의 지원으로 수행되었다. *논문명: Asymmetric Synthesis of Borylalkanes via Copper-Catalyzed Enantioselective Hydroallylation

  • 발상의 전환, 휴대용 바이오센서를 구상하다 / Solution phase to solid phase biosensors

    화학공학/고분자공학부 김동환 교수

    발상의 전환, 휴대용 바이오센서를 구상하다 / Solution phase to solid phase biosensors

    귀금속 나노입자 (noble metal nanoparticles) 는 국소 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 으로 인해 독특한 광학적 특성을 띤다. 이러한 국소 표면 플라즈몬 공명을 활용하여 귀금속 나노입자를 바이오센서의 광학적 신호 변환기로 이용할 수 있는데 최근까지 나노입자 기반의 플라즈모닉 센서(plasmonic sensor)의 개발은 주로 용액상의 나노입자를 중심으로 연구가 진행되어왔다. 따라서 나노입자 기반의 플라즈모닉 센서를 기판에 부착하여 센서이용의 편리성 도모의 필요성이 제기되어왔다. 한편, 브러쉬 형태의 고분자 표면은 부식방지, 비특이적 흡착 방지, 유동성 등 다양한 특성으로 인해 많은 관심을 받아왔고, 이러한 특성 때문에 최근에 귀금속 나노입자를 고정시키기 위한 매트릭스로 이용하는 연구가 진행되고 있다. 따라서 나노입자-고분자 복합체는 촉매, 광전자학, 약물전달 및 생화학적 센싱과 같은 분야에서 폭넓게 사용되어지며, 최근 플라즈모닉 센싱에 귀금속 나노입자-고분자 복합체의 사용이 관심을 받아오고 있다. 귀금속 나노입자의 제조방법이 확립되면서 상당수의 플라즈모닉 센싱 디바이스가 개발되고 있는 이 시점에서 본 리뷰는 현재까지의 연구개발 내용과 향후 연구의 방향에 대해 논의하였다. 나노입자-고분자 복합체의 합성과 응용에 대한 전반적인 몇몇의 리뷰가 있지만, 플라즈모닉 센싱을 위한 고체 기판 위에 귀금속 나노입자-고분자 복합체를 제조에 대한 리뷰가 없어서 본 리뷰는 해당 분야에 새롭게 연구를 시작하는 연구자에게 최신 기술에 대한 심도 깊은 이해를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 고체 기판 위에 나노입자-고분자 복합체의 제조를 하는 연구의 가장 큰 이점은 실용적인 면에서 간편한 사용이라고 할 수 있다. 유사한 복합체 제조가 실리콘, 유리, 종이, 고분자 등 다양한 기판이 사용될 수 있으며, 이는 센서의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 본 리뷰는 나노입자를 고분자에 조립(assemble)하는 기술들의 소개로 시작하며, 나노입자-고분자 복합체의 이론적 연구와 시뮬레이션 연구내용을 포함한다. 마지막 부분은 국소 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 과 표면 증강 라만산란 (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 기반의 플라즈모닉 센싱 어플리케이션에 대해 다루고 있다.

  • 사용자 분석에 기반한 OTT 서비스의 성공 전략

    인터랙션사이언스학과 이대호 교수

    사용자 분석에 기반한 OTT 서비스의 성공 전략

    방송시청 환경의 변화 초고속 유선 인터넷의 발전은 기존에 TV를 통해서 정해진 시간에 TV를 시청했던 것과는 달리, 서버에 저장된 미디어 콘텐츠를 소비자가 원하는 시간에 시청할 수 있게 해줌으로써 미디어 콘텐츠 소비가 가지고 있던 시간적 제약을 없애주었다. 또한, 스마트폰의 등장은 무선인터넷을 통한 미디어 콘텐츠의 소비를 활성화함으로써 이제는 콘텐츠 소비의 공간적 제약까지도 없어진 상태이다. 이에 따라 케이블방송사, IPTV 사업자, 위성방송사 등 기존 미디어 진영은 이러한 패러다임 변화에 위기감을 느끼고 있는 반면, 넷플릭스, 구글, 애플 등 인터넷 기반으로 콘텐츠를 제공하는 신규 미디어 진영에서는 패러다임 변화를 기회로 인식하고, OTT(over-the-top) 서비스 제공을 통해 자신의 영토를 확장하고 있다. OTT의 정의와 장점 OTT란 인터넷망을 이용하여 셋톱박스를 통해 TV에서 구현되는 인터넷 동영상 서비스를 말하는데, 최근에는 더 넓은 의미에서 셋톱박스가 있고 없음을 떠나 인터넷 기반의 동영상 서비스 모두를 포괄하는 의미로 사용되고 있다. OTT 시장의 경쟁이 심화됨에 따라 점차 상품 및 서비스 가격이 인하될 가능성이 높아, 코드커팅(cord-cutting) 이나 코드쉐이빙(cord-shaving) 등을 통해 유료방송 시장으로부터 유입되는 이용자가 많아질 것으로 예상되고 있다. 따라서 다양한 사업자들이 변화하는 환경 속에서 OTT 산업을 선점하기 위해서 시장에 진입하고 있는 상황이다. 다양한 사업자들의 OTT 산업 진출과 사업자 별 특성 및 강점 OTT 서비스 산업의 겨우 하나의 수직 결합된 구조를 가지는 전통적인 방송 산업구조와는 달리, 다수의 콘텐츠, 다수의 플랫폼(Web sites, smartphone apps, SNS 등), 다수의 단말기 간의 다양한 조합이 가능한 구조이기 때문에 다양한 사업자들의 참여가 가능하며, 사업자에 따라 해당 OTT 서비스의 특징과 장점이 달라질 수 있다. 먼저 방송사업자의 경우 방송 사업자들이 제공하는 콘텐츠가 플랫폼에 종속되는 산업구조를 만들지 않기 위해 OTT산업에 진입하고 있다. NBC, CNN, ABC 등이 자체적으로 웹앱이나 웹사이트를 통해 실시간 방송 및 VOD 서비스 제공하는 것이나 미국 지상파 사업자들이 합작해서 만든 Hulu.com을 통한 서비스 제공이 대표적인 사례라고 하겠다. 방송 사업자들이 OTT 서비스에 진출할 경우 그들이 이미 보유하고 있는 자사 콘텐츠를 활용할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 반면 인터넷 사업자들은 가격 경쟁력을 통해 틈새시장을 공략하는 경향을 보인다. 미국의 넷플릭스, 구글 (유투브), 야후, 아마존, 페이스북 등이 대표적인 사례이며, 웹을 이용한 서비스 제공의 경험과 전문성을 가지고 있다는 장점이 있는 반면, 저렴하게 서비스를 제공하고 있기 때문에 콘텐츠 소싱 비용에 대한 부담이 크다는 것은 단점이다. 단말기 사업자들 역시 OTT 서비스 시장에 진출하고 있는데 이에는 애플, 구글, 소니, 삼성, LG 등 모바일 및 가전기기 제조 사업자들이 포함된다. 단말기 사업자들의 경우 OTT 서비스의 확산은 다양한 단말기를 판매할 수 있는 좋은 기회이므로, 가입고객이 많은 유통플랫폼을 자사 단말에서 서비스하도록 제휴하는 것에 관심을 가지고 있다. 사용자 주도적 전략의 필요성 이렇게 다양한 사업자들이 OTT 시장에 진입해있음에도 불구하고 아직까지 OTT시장에 시장을 주도하는 전략이 나왔다고 하기에는 부족한 상황이다. 따라서 아직 초기에 머무르고 있는 OTT 시장에서 제품을 확산시키고 성공적 사업 모델을 만들기 위해서는 소비자와 시장에 대한 분석이 필수적이다. OTT 서비스는 기술 주도적 서비스라기 보다는 사용자의 니즈에 기반한 서비스에 가깝기 때문에 사용자 분석에 기반한 전략이 필수적이며, OTT의 비즈니스 모델은 소비자의 선호와 그에 따른 수요에 기반해야 한다. 이에 추가하여 OTT 서비스는 기존의 지상파방송, 케이블방송, IPTV 등과도 대체 관계가 성립될 수 있기 때문에 시장에 성공하기 위해서는 전략 수립에 있어서 기존 방송들과의 관계 분석이 반드시 이루어져야 한다. OTT 서비스의 성공을 위해서는 제공되는 콘텐츠의 종류와 품질이 크게 영향을 미칠 것이며, 기존의 방송사업자들과 경쟁의 관계인지 아니면 보완의 관계인지에 따라 기존 방송사업자의 입장에서는 그들이 보유하고 있는 콘텐츠 가운데 어떤 콘텐츠를 어떤 가격에 제공할 것인지가 크게 틀려질 것이기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 기존 방송 매체와 OTT 간의 상관관계를 분석하고, 한국의 소비자들을 대상으로 OTT 서비스에 대한 소비자 선호를 분석하였다. 결과적으로 소비자들은 실시간 방송을 OTT 서비스에 가장 중요한 속성으로 여기는 것으로 나타났다. 또한 지상파 TV 방송 사업자가 다른 서비스 사업자에게 콘텐츠를 제공하지 않을 경우, 인터넷 서비스 사업자와 유료 TV 사업자는 가격을 낮추고 VOD 수를 늘려 시장 지배력을 높일 수 있는 것으로 분석되었다. 이 연구의 결과는 2016년 11월, Technological Forecasting and Social Change 지에 게재되었다.

  • 이종접합 구조체에 기반한 3진법 반도체 소자/회로 및 고성능 광검출기 개발

    전자전기공학부 박진홍 교수 ·심재호, 강동호 연구원

    이종접합 구조체에 기반한 3진법 반도체 소자/회로 및 고성능 광검출기 개발

    1. 초절전 컴퓨터 만드는 3진법 반도체 소자/회로 기술 개발 - 심재우(1저자) / 박진홍 교수(교신저자) 정보통신대학 전자전기공학부 박진홍 교수(교신저자) 연구팀이 2차원 반도체인 흑린(black phosphorus)과 이황화레늄(ReS2)을 수직으로 쌓은 이종접합 구조체를 활용하여 3개의 논리상태를 이용하는 3진법 소자/회로를 만드는 기술을 개발했다. 3진법과 부성미분저항(negative differential resistance) 특성에 기반한 이 기술은 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 논리회로 기반 컴퓨터가 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다른 현 시점에서 3개의 논리상태 ‘0’, ‘1’, ‘2’를 사용하여 대용량 정보처리가 필요한 소프트웨어의 원활한 수행을 지원할 수 있는 차세대 초절전 반도체 소자/회로 개발 시 필수적인 원천기술이다. ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 논리회로 기반 컴퓨터는 대용량 정보처리를 위해 수많은 소자와 도선이 집적되어야 하며, 이로 인해 전력소모와 발열량이 굉장히 크다. 반면, 3진법 이상을 이해할 수 있는 다진법 논리회로 기반의 컴퓨팅 기술을 활용하면, 2진법 논리회로에 사용된 2진법 소자 대비 절반 이하의 소자 개수만으로 동일한 양의 정보처리 기능을 절반 이하의 소비전력으로 수행할 수 있어, 미래 초연결사회의 폭증하는 정보의 연산, 저장, 전달을 수행하는 초절전/초고성능 정보처리 소자의 요구에 대응할 수 있다. 다진법 반도체 소자는 대표적으로 부성미분저항(negative differential resistance) 특성을 이용하여 구현 될 수 있다. 부성미분저항 특성소자에서는 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류가 감소하기 때문에 전압-전류 특성곡선이 ‘N’ 모양처럼 나타나게 되어, 마치 여러 개의 문턱전압을 갖는 다이오드 특성을 보인다. 따라서 부성미분저항 특성소자를 이용하여 여러 개의 논리 상태를 표현할 수 있는 다진법 논리회로를 구현할 수 있다. 본 연구팀은 별도의 복잡한 공정을 사용하지 않고 2차원 반도체인 흑린과 이황화레늄을 수직으로 쌓은 이종접합 구조체를 활용하여 상온에서 부성미분저항 특성을 보이는 3진법 반도체 소자를 구현하는 데 성공하였다. 또한 초절전형 전자소자로의 응용 가능성을 확인하기 위해, 흑린과 이황화레늄의 이종접합구조체 기반 부성미분저항 특성소자와 내재되어 있는 흑린 기반의 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자로 3개의 논리상태를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다. 참고로 기존 인버터 회로는 2개의 소자로 2개의 논리상태를 표현한다. 이 연구성과는 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상시킬 수 있는 새로운 패러다임의 3진법 소자/회로를 개발한 것이다. 가령 십진수 128을 표현하기 위해 2진법으로는 8비트가 필요하지만 3진법으로는 5트리트만 있으면 되며, 필요한 소자의 수도 그만큼 줄어든다. 그만큼 반도체 소자와 회로가 빨라지고 소형화 될 수 있는 가능성을 열었다. 향후 알파고와 같은 빅데이터 정보처리가 필요한 프로그램을 지원하는 초절전형 소자/회로의 초석이 될 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 과학, 기술분야 국제 학술지 ‘Nature Communications’ 11월 7일자에 게재되었다. 논문 제목: Phosphorene/rhenium disulfide heterojunction-based negative differential resistance device for multi-valued logic 2. 페로브스카이트 및 2차원 나노반도체 물질 간 이종접합 기반 초고성능 하이브리드 광검출기 개발 - 강동호(1저자) / 박진홍 교수(교신저자) 정보통신대학 전자전기공학부 박진홍 교수(교신저자) 연구팀이 차세대 반도체 및 광전소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체와 페로브스카이트를 접합하여 세계 최고 수준의 광응답성(1.94×106 A/W) 및 광검출능(1.94×1012 Jones)을 갖는 초고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다. 연구팀이 얻은 광응답성 및 광검출능 수치는 기존 광검출기에 비해 백만 배 이상 높은 수치이며, 이는 기존보다 백만 배 이상 약한 세기의 빛도 안정적으로 검출할 수 있다는 것을 의미한다. 2차원 나노반도체는 매우 높은 양자효율을 지녀 차세대 광전소자(광검출기 및 태양전지)를 구현할 수 있는 물질로써 주목을 받고 있으나, 나노미터 두께의 매우 얇은 2차원 나노반도체 물질 특성 상 빛의 흡수율이 기존 반도체에 비해 현저히 떨어지는 한계점이 존재한다. 이로 인해, 기존에 보고된 2차원 나노반도체(MoS2) 기반 광검출기는 3차원 반도체 기반 광검출기에 비해 약 1000배 이상 낮은 광응답성을 보여(약 1 mA/W), 차세대 광전소자로 활용하기 힘든 어려움이 존재하였다. 연구팀은 2차원 나노반도체 물질 중 하나인 이황화몰리브덴(MoS2) 표면에 페로브스카이트를 용액공정을 활용하여 얇게 코팅하는 방식으로, 페로브스카이트 및 2차원 나노반도체 물질 간 이종접합 기반 초고성능 하이브리드 광검출기를 구현하는데 성공했다. 페로브스카이트는 최근 학계에서 가장 주목받는 광전소재 물질 중 하나로 뛰어난 광흡수율 및 양자효율, 전하수송특성 등을 지녀, 본 연구에서 2차원 나노반도체 물질의 문제점인 낮은 광흡수율을 보완할 수 있는 광흡수층 소재로써 선택되었다. 또한 3-Aminoprophytriethoxysilane (APTES) 라는 물질을 이용하여 2차원 나노반도체 층을 도핑함으로써, 페로브스카이트 층에서 생성된 광캐리어가 2차원 나노반도체 층에서 재결합되어 사라지는 것을 막아 광응답성을 획기적으로 향상시켰다. 결과적으로, 연구팀은 약 1.94×106 A/W의 높은 광응답성 및 1.94×1012 Jones의 높은 광검출능을 지니는 초고성능 광검출기를 구현하는데 성공하였다. 특히 연구팀이 얻은 높은 광응답성은 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다 백만(106)배 이상 높은 수치이며, 이는 기존 광검출기에 비해 백만 배 이상 약한 세기의 빛도 안정적으로 검출할 수 있음을 의미한다. 이 연구는 2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써, 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 나노소자/재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 9월 21일자에 게재되었다. 논문 제목: An Ultrahigh-Performance Photodetectors based on a Provskite-Transition-Metal-Dichalcogenide Hybrid Structure

  • 순수 유기염료를 이용한 고효율 박막 태양전지의 개발

    화학과 류도현 교수

    순수 유기염료를 이용한 고효율 박막 태양전지의 개발

    자연과학대학 화학과 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 순수 유기물질인 새로운 인돌린 염료들을 합성 하였고 이들을 광활성층의 두께가 2 마이크로미터(μm) 이하인 얇은 박막 염료감응 태양전지에 적용하여 세계 최고인 9.1% 광에너지 전환 효율을 달성하였다. 투명성, 다채로운 배색과 유연성을 가지며 실내에서도 작동 가능한 염료감응형 태양전지는 건물 일체형 태양광 발전 시스템(BIPV)에 적합하고 다양한 응용 가능성으로 많은 연구자들의 관심을 받아왔다. 이를 위해서는 높은 효율의 얇은 박막형 태양전지 개발이 중요하지만 지금까지 개발된 유기염료들은 10마이크로미터(μm) 이상의 두꺼운 박막에서 높은 에너지 전환효율을 보이는 반면 얇은 박막에서는 효율이 떨어져서 비용효율 측면에서 바람직하지 못하였다. 이번 연구를 통하여 평면 구조를 가진 새로운 인돌린 기반 유기 염료 물질들을 디자인 할 수 있었고 합성에 성공하였다. 이 때 중간 연결 물질의 알킬 사슬 길이를 다양하게 조절하여 알킬 사슬 길이와 태양전지의 효율에 관여하는 요소들의 상관관계를 조사하여 두께가 얇아짐에 따라 태양전지의 전하 주입 효율이 광에너지 전환 효율을 결정한다는 것을 밝혀내었다. 연구를 주도한 화학과 류교수는 “이번 연구의 의의는 그동안 두꺼운 박막에서 고효율을 보이던 유기염료들의 단점을 극복하여 얇은 박막에서 고효율을 가진 새로운 유기 염료감응 태양전지를 개발한 것”이라며 “또한 처음으로 평면구조를 가진 유기염료에 붙은 알킬사슬의 길이가 광에너지 전환 효율에 어떻게 영향을 주는 지를 밝힘으로써 새로운 유기염료 구조의 디자인에 나아가야할 방향을 제시해주었다”이라고 밝혔다. 본 연구에는 울산과학기술대학교 화학과 권태혁 교수 연구팀이 공동으로 참여하였으며, 연구 결과는 소재 과학 분야 세계적 권위의 학술지 'Advanced Functional Materials'에 10월 10일자 표지논문으로 게재됐다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업의 지원으로 수행되었다. *논문명: Indoline-Based Molecular Engineering for Optimizing the Performance of Photoactive Thin Films

  • 미세유체 액적 기반의 아조벤젠 마이크로 입자 제작을 통한 꽃잎의 구조색 구현 기술 개발

    화학공학/고분자공학부 유필진 교수 ·여선주, 박경진 연구원

    미세유체 액적 기반의 아조벤젠 마이크로 입자 제작을 통한 꽃잎의 구조색 구현 기술 개발

    자연의 생물체들은 오래 전부터 색을 통해 주변 환경과 소통을 하고, 실제로 이러한 빛에 의해서 역사적으로 선택적인 발전 및 진화를 해왔다. 아름다운 색을 내기 위해 색소를 이용할 수도 있지만, 많은 자연의 생물체들은 빛의 회절, 간섭, 산란과 같은 광학 현상에 의한 구조색을 활용하고 있다. 특히, 꽃은 규칙적인 곡면의 회절 격자 구조에 의해 무지갯빛의 색을 발하고, 이로 인해서 벌들이 꽃을 찾아 수분을 하게 된다. 한 예로, 본 연구에서 주로 참고한 수박풀꽃은 빨간색의 색소를 가진 부분과 함께 전반적으로 흰색을 띄고 있는데, 이 빨간색에 해당하는 부분은 독특한 회절 격자 구조에 의해서 무지갯빛을 내지만, 흰색을 띄는 부분은 격자 구조가 없어 무지갯빛을 띄지 않는다. 많은 자연 생물체들이 활용하고 있는 구조색을 모사하기 위해 지난 십 년 간 마이크로 입자에 구조색을 인코딩하는 연구가 활발히 진해되어 왔지만, 대부분 콜로이드 나노입자의 자가조립 구조체에 기반을 두고 있어 다양한 구조색 기술을 향상시키는 데 한계가 있어왔다. 또한, 콜로이드 나노입자 기반의 구조색 구현은 3차원의 광학 현상, 즉 브랙 회절(Bragg diffraction)이나 앤더슨 국부화(Anderson localization)에 기인하고 있어 단색의 구현에만 적합하다는 단점이 있다. 상대적으로 꽃잎의 구조색의 현상, 즉 표면의 회절 격자에 의한 다양한 구조색 구현에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 꽃잎의 구조를 모사한 다양한 회절 격자 기반의 구조색 구현을 위해, 먼저미세유체 시스템을 이용하여 아조벤젠 고분자로 이루어진 마이크로 입자를 제작하였다. 그리고 아조벤젠 고분자의 독특한 성질 중 하나인 방향성 광유체화(directional photofluiziation) 현상을 이용하여 아조벤젠 마이크로 입자 표면에 다양한 표면요철격자(surface relief gratings)를 새겨 3차원의 인공 물질 구조를 성공적으로 제작하였다. 기존의 bulk emulsification 방법과는 다르게 미세유체 시스템을 활용하게 되면 크기 조절이 용이하면서도 매우 균일하고 매끈한 마이크로 입자를 생성할 수 있다. 또한, 사용된 용매, 고분자 농도, 유속 등의 조건에 따라서 라즈베리, 아콘, 구형과 같은 다양한 모양의 마이크로 입자를 형성할 수 있다. 형성된 구형의 마이크로 입자에 1차 간섭 패턴을 가진 편광 빛을 조사하게 되면 검게 보이던 마이크로 입자가 1차, 2차 회절 모드가 생기게 되면서 아주 예쁜 색을 띄는 것을 확인할 수 있다 (그림). 두 간섭 빔의 입사각을 조절하여 1차 표면요철격자의 간격 또한 조절할 수 있으며, 1차 회절 빛을 회전시켜가며 반복적으로 빛을 조사하게 되면, 1차뿐만 아니라 4각형(tetragonal), 6각형(hexagonal), 준결정형(quasi-crystal)의 다양한 2차 표면요철격자도 새길 수가 있다. 게다가, 아조벤젠 고분자의 표면 제한적인 광유체화 성질을 이용하여 위아래가 다른 표면요철격자를 가지는 야누스 입자도 생성할 수 있다. 따라서, 본 기술은 여러 변수를 통하여 구조색 재현에 다양성을 부여하였으며, 인코딩, 센서 등의 실질적 응용에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Advanced Materials’ 5월 6일자에 온라인 게재되었다. *논문명: Microfluidic generation of monodisperse and photoreconfigurable microspheres for floral iridescence-inspired structural colorization *연구팀: 이승우(교신저자, 성균관대 교수), 유필진(교신저자, 성균관대 교수), 여선주(제1 공동저자, 성균관대 박사과정), 박경진(제1 공동저자, 성균관대 석박통합과정), Kai Guo(공저자, 성균관대학교 박사후연구원) *관련 영상 초록: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-4095/homepage/video/2089_video_abstract_gallery.html

  • 세계최고 민감도 진동인식소자 개발

    화학공학/고분자공학부 김태일 교수

    세계최고 민감도 진동인식소자 개발

    음성인식을 활용한 보안, 기기작동, 안전 분야 상용화 기대 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀은 금속박막의 미세 균열의 구조를 제어함으로써 기존에 비해 민감도* 및 신호대잡음비*가 대폭 향상된 유연 센서를 개발하였다. 상용화된 센서는 기존 반도체공정인 MEMS ( Microelectromechanical system) 기술로 만들어지므로 상대적으로 고가이면서 민감도에 한계를 지니고 있었다. 본 연구진은 금속, 고분자의 이중층으로 이루어진 나노균열센서를 개발하여 관련 스트레인게이지센서 (strain gauge sensor)의 새로운 방향을 제시한바 있다. (Ultrasensitityve mechanical crack based sensor inspired by spider sensory system, Nature, 516, 222 (2014)) 이를 발전시켜 본 연구진은 나노 균열이 가지는 구조를 제어 할 수 있는 방법을 제시하여, 균열의 구조적 요소 중 ‘깊이’만을 제어함으로써 게이지 율* 16,000이 넘는 높은 민감도를 가진 센서를 개발하였다. 특히, 수 nm 영역의 변위를 갖는 미세한 기계적 자극(진동 및 압력)을 읽어 들이는 것이 가능하게 되었고, 이는 세계최고의 민감도를 가지는 진동 및 압력센서이다. 이를 이용하여 미세한 기계적 생체 신호의 예로서 성대의 진동에 의한 목의 떨림까지도 명확하게 감지할 수 있음을 보였다. 목 피부에 센서를 부착하고 각기 다른 연속적인 음계를 발성했을 때, 각 음계를 또렷하게 인식하여 기타 전기적 노이즈에도 영향 받지 않는 두드러진 신호를 얻어낸 것을 보였다. 이러한 연구 결과는 신체의 미세한 움직임을 감지하거나, 최근 보안 등을 통해 각광받고 있는 목소리 음성 인식에 기여하여 산업에도 응용 가능성이 있음을 시사한다. 본 연구는 해당 연구는 료분야 최정상 학술지인 어드밴스드 머트리얼지(Advanced Materials, IF 18.96)에 2016년 10월개제되었으며 속표지커버논문으로 발표되었다. 제목은 Dramatically Enhanced Mechanosensitivity and Signal-to-Noise Ratio of Nanoscale Crack-Based Sensor: Effect of Crack Depth (균열의 깊이 , 제어를 이용한 높은 기계적 민감도 및 신호대잡음비를 갖는 미세 균열 센서) 이다. *민감도(sensitivity): 센서가 감지해낼 수 있는 최소 자극 크기 *신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR): 신호(signal)와 잡음(noise) 에너지의 비율. 값이 클수록 신호 해석에 유리하다. *게이지 율(gauge factor, GF): 일반적으로 센서의 감도를 나타내는 척도. 단위변형당의 저항변화율로 표시됨. GF=(ΔR/R0)(1/ε)

  • 자신을 나누어 헌신과 관용의 가치를 얻는 ‘Self-Giving’

    경영전문대학원 구민정 교수

    자신을 나누어 헌신과 관용의 가치를 얻는 ‘Self-Giving’

    ‘기부’는 사전적으로 자신의 소유한 것을 다른 사람들에게 주는 것을 뜻한다. 하지만, 기부는 그 내용이나 방법에 따라 기부자가 그 기부가 얼마나 자신을 표현하는가, 즉 자신의 “에센스”를 담고 있다고 느끼는지가 달라진다. 예를 들면 혈액이나 장기를 기부한다거나, 의복과 같은 소유물을 기부하는 것은, 비슷한 가치의 돈을 기부하는 것보다 훨씬 본인의 “에센스”를 담고 있어, 보다 “자신을 나누는 행동” (Self-Giving)이라고 느낀다. 또한, 본인의 이름을 적어 기부하는 청원 운동 참여도, 이름 없이 그냥 ‘좋아요’ 클릭을 하는 것보다 훨씬 본인의 “에센스”가 담겨있는 기부 행동이라고 사람들은 느낀다. 본 연구는 이러한 본인의 에센스를 담은 특별한 형태의 기부인 “Self-giving”이 다른 형태의 기부에 비교했을 때 기부자에게 어떻게 다른 경험과 결과를 가져오는지를 연구하였다. 연구팀은 self-giving이 기부자로 하여금 1) 스스로가 더 너그럽고 관용적인 사람(generosity)으로 느껴지게 하고; 2) 또한 그 기부에 헌신적인(commitment) 사람으로 느껴지게 한다고 주장한다. 즉, 헌혈을 한 사람은 비슷한 가치의 돈을 기부한 사람보다 본인이 더 관용적인 사람이며 더 헌신적인 사람으로 느낀다는 것이다. 왜 그럴까? 이는 첫째, self가 내재되어 있는 기부의 경우 그 기부가 더 주관적으로 가치 있다고 여겨지기 때문이다. 예를 들어, 사람들은 본인이 오랫동안 소유를 한 물건일수록 그 물건이 더욱 가치가 있다고 여긴다 (예: 오래 소장한 반지). 본인의 기부가 더 가치 있다고 느끼기 때문에 기부자 스스로 본인이 더 관용적인 사람이라고 느끼게 되는 것이다. 둘째, self-giving은 자연스럽게 기부자와 기부, 또한 기부자와 기부대상간의 연관성을 높여서 본인이 더 기부하는 행동과 기부 대상과 깊은 연관이 있다고 느끼게 하기 때문이다. 예를 들어, 혈액을 기부하는 행동을 통해, 기부자는 스스로 기부행동과 기부대상과 밀접하게 연관되어 있다는 self-concept을 형성하게 되어, 더 헌신적인 사람으로 느끼게 되는 것이다. Self-giving은 이와 같은 헌신과 관용의 가치 증대를 통해 결국 장기적으로 기부자가 첫 기부 후에도 계속적으로 기부를 하게 하는 원동력이 될 수 있다. 본인이 관용적이고 헌신적인 사람이라고 느낄 때 사람들은 이렇게 변화된 자아 개념 (self-concept)에 부합하는 행동을 하게 되는 경향이 있기 때문이다. 본 연구는 이와 같은 Self-giving의 효과를 연구하기 위해, 장기 VS 단기 소유물의 기부, 기명 VS 무기명 서명, 헌혈 VS 금전 기부 등 크게 세 가지로 나누어 실험 연구를 진행하였다. 장기 소유물 VS 단기 소유물 ‘아프리카 아동들에게 펜 보내기’ 사람들은 본인의 소유물이 자신을 나타낸다고 믿는다. 더 오랫동안 소유를 한 물건, 즉 self가 더 연관되어 있는 물건을 기부할 때, 어떤 효과가 나타날까? 본 연구팀은 103명의 한국 대학생들을 상대로 소비자 조사를 실시하였다. Self-giving의 정도 (즉, 기부가 얼마나 self에 연관되어 있는가)를 조작하기 위해, 펜을 소유한 시간을 조작하였는데, 구체적으로 한 집단의 참가자들에게는 조사 시작 전 펜을 선물로 주고, 다른 집단의 참가자들에게는 조사 종류 후 펜을 선물하였다. 조사 종료 후에는 모든 참가자들에게 아프리카 어린이들에게 펜을 기부하는 캠페인을 소개하고 본인이 선물 받은 펜을 기부할 것을 권유하였다. 그 결과 조사 전에 선물 받은 펜을 기부한 참가자들이 (즉, 보다 오랜 시간 펜을 소유했었던 참가자들) 조사 후에 받은 펜을 기부한 사람들에 비해 스스로를 더욱 헌신적이며(Commitment)과 관용적인 사람이라고(Generosity) 평가하였다. 서명 운동: 기명 VS 무기명 서명 장애인 고용 촉진을 위한 ‘장애인 판매 과자 구매 및 서명 운동’ 소아 환자를 위한 ‘병원 학교 설립 서명 운동’ 본인의 아이덴터티를 가장 잘 나타내주는 것 중에 하나가 이름이다. 따라서, 이름을 기부하는 것, 즉 서명에 참여한다 던지, 이름을 적은 메세지 카드를 함께 기부하는 등의 행동은 Self-giving의 전형적인 예라고 할 수 있다. 연구팀은 위캔 (WECAN)의 장애인 고용 촉진을 위한 ‘장애인 판매 과자 구매 및 메시지 적기 캠페인’과 병원 내 어린이 환자를 위한 ‘병원 학교’ 설립 서명 캠페인을 실시하여, 기명과 무기명 두 가지 경우로 나누어 참가하게 하고, 기부 후 기부자 스스로가 어떻게 느끼는지에 대해 비교 분석하였다. WECAN의 메시지 적기 운동과 병원 학교 설립 서명운동 모두 신원을 밝히면서 메시지를 남기거나 서명한 참가자들이 무기명으로 참가한 참가자들보다, 스스로를 더 헌신적이고(Commitment) 관용적인(Generosity) 사람으로 인식했다. 병원 학교 설립 서명운동의 경우, 참가자들에게 후속 서명에 참여할 의사를 물어보게 되는데, 본인의 신원을 밝히고 이름을 서명한 경우, 차후에 진행될 후속 서명 운동에 참여도가 무기명으로 서명한 참가자들 집단보다 20%가 더 높아졌다. 즉, 본인을 헌신적으로 관용적인 사람으로 인식하게 되면서 이렇게 긍정적으로 변화된 자아 개념에 부합하는 행동을 하게 되는 것이다. 헌혈 VS 금전 기부 신체의 일부를 기부하는 헌혈은 대표적인 self-giving의 예이다. ‘헌혈’을 했다고 상상한 참가자들과 동등한 가치의 현금을 기부했다고 상상한 참가자들을 반응을 비교하였을 때, 헌혈의 경우 참가자들을 스스로를 더 헌신적(Commitment)이고 관용적(Generosity)이라고 인식하였다. 본 연구는 이렇게 다양한 self-giving의 형태를 비교 연구하여 기부자가 오래 소유한 물건, 혈액과 같은 기부자의 신체의 일부, 또한 기부자의 정체성을 드러내는 이름 기부와 같이 기부자와 밀접한 관련이 있는 기부의 형태가 기부자의 자아개념을 보다 긍정적으로 바꾸어, 궁극적으로 지속적인 기부의 효과를 높이는데 도움이 되는 것을 알려준다. 스스로를 관용적이고 헌신적인 사람으로 인식하는 것, 이것이 한번의 기부로 끝나지 않고 지속적으로 그러한 사람이 될 수 있는 기회를 제공하는 중요한 열쇠가 되는 것이다. 이 연구는 2016년 2월 Social Psychological and Personality Science 지에 게재되었다.

  • 나노+면역 융합기술로 맞춤형 면역세포기반 항암치료기술 향상

    성균나노과학기술원 임용택 교수

    나노+면역 융합기술로 맞춤형 면역세포기반 항암치료기술 향상

    생체내의 면역시스템을 모방한 나노소재 (Advanced Functional Materials) 암 항원 및 면역활성화 물질의 전달효능 향상을 통한 치료용 면역세포 활성화 기술 항암면역치료기술은 암세포 조직 내에서 활성화 된 면역세포가 림프기관으로 이동하여, 암을 공격할 수 있는 T세포 (CTL) 등에 암에 관한 정보를 전달하여 최종적으로 암의 사멸을 유도한다2010년도에 FDA에 의해 승인된 수지상세포 (Dendritic cells)기반 항암치료기술은 면역세포를 면역활성화 기법을 통하여 체외에서 활성화시킨 후에, 환자의 몸에 주입하는 방법이다. 하지만, 이러한 체외 활성화 방법은 고가의 처리비용과 낮은 치료효과라는 치명적 단점으로 인하여, 널리 활용되지 못하고 있다. 그 이유는 T세포에 항원을 제시하는 기능을 담당하는 수지상 세포의 낮은 활성화 효능, 항원의 낮은 전달효율, 림프기관으로 이동성의 부족 및 낮은 T 세포 활성화 효능 과 연관되어 있다. 이번 연구에서 본 연구진은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 생체 내의 면역시스템인 항원과 항체의 특정결합물인 면역 복합체(immune complex)의 면역유도 메커니즘을 모방하면서, 면역활성화 물질을 함유하는 나노복합체를 개발하였다. 본 연구에서 나노복합체 개발을 위해 사용된 첫번째 전략은, 항원(OVA)와 항체(anti-OVA-antibody)의 특정결합물질인 면역 복합체 (immune complex, IC)를 이용하여 Fc 감마 리셉터 매개 세포 내 전달 (FcƳR-mediated uptake)로 인해서 항원의 전달능력 향상, 수지상 세포의 림프기관으로의 이동성, 항원교차제시 (antigen cross-presentation)을 증가시키고자 하였다. 두 번째 전략으로는 면역활성화소재로 잘 알려진 톨 유사 수용체 9 의 작용 체 (TLR9 agonist, CpG ODN)을 이용하여 수지상 세포의 활성화를 더욱 증가시키고자 하였다 (그림 1). 본 연구진은 최종적으로, 이러한 나노복합체 EG7-OVA 소동물 모델을 이용하여 수지상세포의 활성화, T 세포의 활성화 및 암 세포 사멸 효능을 확인 하였다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘ Advanced Functional Materials’ 9월 27일에 온라인으로게재되었다. *논문제목: Immune complexes mimicking synthetic vaccine nanoparticles for enhanced migration and cross-presentation of dendritic cells. *참여연구진: 임용택(교신저자, 성균관대 교수), 김선영(제1저자, 성균관대 석박통합과정), Hathaichanok Phuengkham(공저자, 성균관대 박사과정), 노영욱(공저자, 성균관대 연구교수), 이홍근(공저자, 성균관대 학부과정), 엄숭호(공저자, 성균관대 교수).

  • 초음파와 빛으로 제어되는 나노의약품으로 난치성질환 치료

    화학공학/고분자공학부 박재형 교수

    초음파와 빛으로 제어되는 나노의약품으로 난치성질환 치료

    1. 빛에 의해 제어되는 암 표적형 스마트 금나노캡슐 (ACS Nano) - 빛을 이용한 원격제어로 열과 활성산소종을 동시에 발생시켜 생체내 암세포를 선택적으로 제거하는 스마트 금나노캡슐을 세계 최초로 개발하고 그 작동 원리를 규명 기존의 암 치료에 사용되고 있는 대표적인 치료법인 항암화학요법과 방사선 요법, 광역동치료 등의 제한적 치료효과와 치명적인 부작용 문제를 해결하기 위해, 최근 나노기술기반 의약품(나노의약품)을 이용한 항암치료 요법이 부각되면서 기존의 치료 요법들을 대체할 것으로 기대되고 있다. 하지만, 생체 내 간을 비롯한 정상조직으로의 축적으로 인해 부작용이 유발될 수 있으며, 특히 광역동치료의 경우, 사용되는 광감각제가 정상조직에 잔존하여 직사광선에 의해 활성화되기 때문에 극심한 부작용이 발생할 수 있어 치료 과정 동안에 암실에서 생활해야 하는 불편함이 따랐다. 광열치료는 근적외선에 의해 열이 발생되는 광열소재를 이용하여 암세포들을 괴사시키는 치료기술로, 수술이나 화학치료법을 사용할 때 발생하는 고통과 부작용을 줄일 수 있어 최근 새로운 치료기술로 주목을 받고 있다. 그러나 종양 부위로의 광열소재의 정확한 전달이 어려워 정작 의료현장에서는 광열치료법을 활용하기 어려운 실정이다. 체내의 종양 부위를 능동적으로 표적 할 수 있는 안정한 나노크기의 광열소재를 이용하여, 빛에 의해 선택적으로 암 조직에서만 활성산소종을 발생시킬 수 있을 경우, 기존 나노의약품의 한계를 극복한 새로운 치료법의 개발이 가능하다. 따라서, 본 연구팀은 기존 광역동치료의 한계를 극복하고 종양 부위에서의 광열치료를 동시에 가능케하기 위하여, 빛에 의해 원격 제어되어 광열치료 및 광역동치료를 통해 종양을 완벽히 치료할 수 있는 금/히알루론산 나노입자기반의 나노캡슐을 개발하였다. 체내의 정상조직에 잔존하고 있는 광감각제가 가시광선에 의해 활성화 됨에 따라 여러 부작용과 불편을 유발했던 기존 치료요법과 달리, 본 연구는 빛에 감응하여 원격으로 광열효과 및 활성산소종 발생을 유도하는 금나노캡슐을 이용하였다. 이러한 금나노캡슐은 체내의 종양부위를 능동적으로 감지하고, 외부의 빛에 감응하여 광열효과 및 그로 인해 증가된 활성산소종 발생을 통해 종양만을 공격함으로써 기존 치료요법들의 한계를 극복하고 획기적인 항암치료효능을 보이는데 성공했다. 본 연구의 금나노캡슐은 생체적합성과 암표적성이 뛰어난 히알루론산 기반 나노입자에 금이 도포된 형태로서 캡슐의 안정성을 증가시켜 무분별한 광감각제의 방출을 억제하였으며, 체내에 투여 시 안정성이 우수하고 암 조직을 능동적으로 탐지할 수 있음을 종양 동물모델을 통해 확인하였으며, 빛에 반응하여 도포된 금이 선택적으로 붕괴되어짐을 통해 내부의 광감각제가 방출됨을 관찰하였다. 이상의 결과로부터, 외과적 수술이나 부작용이 심한 항암제등을 대신하여, 금나노캡슐을 주사 한 후 빛을 이용하여 암 조직을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 세계적인 학술지 ACS Nano 11월 16일자에 온라인 게재되었다. *논문명 : Gold-Nanoclustered Hyaluronan Nano-Assemblies for Photothermally Maneuvered Photodynamic Tumor Ablation *연구팀 : 박재형(교신저자, 성균관대 교수), 한화승(제1 공동저자, 성균관대 석박통합과정), 최기영(제1 공동저자, 성균관대 연구교수), 이한상 (공저자, 성균관대 석박통합과정), 이민창(공저자, 성균관대 석박통합과정), 안재윤(공저자, 석박통합과정), 신솔(공저자, 성균관대 학부과정), 권승리(공저자, 성균관대 박사후연구원), 이두성(공저자, 성균관대 교수). 관련기사 1. (연합뉴스) 암세포만 표적 공격하는 금 입힌 나노캡슐 개발 2. (MBC) 암 치료 부작용 최소화 ‘스마트 금나노캡슐’ 개발 2. 초음파에 원격제어 되어 암세포 제거하는 나노하이브리드 (Nano Letters) - 초음파로 원격제어 하는 스마트 나노로봇을 이용한 초음파 역동치료 기술 개발 암으로 인한 사망률을 낮추기 위해 최근 기존의 외과적 수술, 화학 항암 요법, 광역동치료 등의 종양 치료 요법이 가지는 부작용 및 한계를 극복하기 위한 연구가 전 세계적으로 시도되고 있다. 광역동치료는 빛에 의해 활성화된 광감각제가 활성산소종을 발생시켜 종양을 치료하는 기술로 부작용이 거의 없고 뛰어난 종양 치료효과를 나타내는 기술이다. 그러나 빛은 체내 침투율이 낮기 때문에 신체 내 주요장기에 위치한 종양의 치료에는 한계가 있어 간, 췌장, 신장 등 신체 내 깊숙한 곳에 위치한 종양의 치료에는 적용이 불가능하다. 초음파장비는 체내 깊숙한 곳에 도달할 수 있는 초음파를 이용하여 질병을 진단하는 장비로서, 전 세계적으로 가장 많이 보급된 진단 장비이다. 따라서, 초음파에 의해 활성산소종을 발생시킬 수 있으며 암 표적성이 우수한 나노소재가 개발될 경우 기존 광역동치료의 한계를 극복한 새로운 치료법의 개발이 가능하다. 따라서 본 연구팀은 인체 투과도가 낮은 빛을 이용하는 광역동치료기술의 한계를 극복하기 위하여 초음파 자극에 의해 원격제어 되어 활성산소종을 발생하는 생체적합성 금/티타늄 기반의 나노로봇을 개발하여 초음파역동치료에 적용하였다. 초음파에 의한 활성산소종 발생효율이 낮은 광감각제를 사용했던 기존연구와 달리 티타늄 나노입자에 금 나노입자가 도입한 스마트 나노로봇을 이용하여 초음파 자극 시 활성산소종을 폭발적으로 발생시키며, 초음파 자극에 원격제어되어 종양만을 공격함으로써 기존 종양치료의 부작용을 현저히 감소시키고 치료효능을 획기적으로 개선시키는데 성공했다. 이 연구의 스마트 나노로봇은 생체적합성이 우수한 고분자로 표면개질되어 정맥주사를 통해 투여 시 암 조직을 탐지하여 선택적으로 도달할 수 있는 능력이 매우 우수함을 확인하였다. 따라서 인체 적용 시 외과적 수술이나 부작용이 심한 항암제등을 사용할 필요 없이 나노로봇을 정맥 주사한 후 간단한 초음파 처리를 통해 암 조직을 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 국제적 권위의 학술지인 NANO letters 10월 12일자에 게재되었다. *논문명 : Long-Circulating Au-TiO2 Nanocomposite as a Sonosensitizer for ROS-Mediated Eradication of Cancer *연구팀 : 박재형(교신저자, 성균관대 교수), V. G. Deepagan (제1 공동저자, 성균관대 박사후연구원), 유동길(제1 공동저자, 성균관대 박사과정), 엄우람(공저자, 성균관대 박사과정), 고혜원(공저자, 성균관대 박사과정), 권승리(공저자, 성균관대 박사후연구원), 최기영(공저자, 성균관대 연구교수), 이기라(공저자, 성균관대 교수), 이준영(공저자, 성균관대 교수), 이두성 (공저자, 성균관대 교수), 김광명(공저자, 한국과학기술연구원 책임연구원), 권익찬(공저자, 한국과학기술연구원 책임연구원) 관련기사 1. (조선일보) 수술 없이 종양 제거하는 '스마트 나노로봇' 국내서 첫 개발 2. (SBS) "초음파 쏘면 환자 몸 속 나노로봇이 암세포 타격" 3. (SBS CNBC) 수술없이 종양 제거 '스마트 나노로봇' 개발 4. (연합뉴스) 몸속에서 암세포와 싸우는 나노로봇 국내 개발 5. (한국경제) 수술 없이 종양 제거하는 나노로봇 개발

  • World Robots on Tour에 초청된 3차원 비전 기반 홈 서비스 지능형 로봇 '홈메이트' 및 세계 최고 성능의 3차원 구조광 카메라

    전자전기공학부 이석한 교수

    World Robots on Tour에 초청된 3차원 비전 기반 홈 서비스 지능형 로봇 '홈메이트' 및 세계 최고 성능의 3차원 구조광 카메라

    2003년 설립된 지능시스템 연구소 (Intelligent Systems Research Institute, 이하 ISRI) 는 이석한 교수(현 문행석좌교수)의 지도하에 지난 10여 년간 21세기 프론티어 지능형 로봇, 인지적 홈 서비스 로봇, 개인 콜 택시 자율 주행 차, Industrial Printing용 MEMS/NEMS 등 다수의 정부 및 산학과제들을 수행해왔으며 현재는 Medical 로봇을 위한 수술용 내시경, 달 탐사 로버를 위한 3차원 환경 모델링 및 로버 위치 인식, 3차원 카메라, 3차원 영상 기반 정밀 검사, 조립 공정의 로봇 자가 학습을 위한 3차원 물체 인식, 3차원 비전을 위한 빅데이터 기반 Deep Learning 과 심볼 기반 Semantic 추론의 결합 등을 위한 첨단 원천 및 응용 기술 연구를 수행하고 있다. 특히, 미국(Georgia Tech, Penn State, USC), 유럽(Pascal Institute, Blaise Pascal Univ., Padua Univ.) 등 해외 선진연구소 및 대학과의 국제 공동연구 및 공동학위 프로그램을 구현하여 국제협력을 활성화 하고 있다. 그 결과는 SCI 논문 60, 학회 논문 100, 특허 60로 정리되어 있다. (연구실 홈페이지: http://isri.skku.ac.kr/) 다수의 우수 연구 결과 중에서 세계적으로 우수한 로봇들을 초청/전시하는, 지난 2013년 스위스 쮜리히에서 열린 “Robots On Tour” 행사에 초청된 인지적 홈 서비스 로봇 “HomeMate” 와 다수의 원천 특허를 통하여 미국 특허 회사로 부터 특허 가치를 인정받은 3차원 카메라를 다음에 소개한다. HomeMate 홈메이트는 성균관대학교(SKKU) 지능시스템 연구소(ISRI)에서 개발한 홈 서비스 로봇이다. 주요특징으로 인간로봇 상호작용(HRI)을 위한 W-인지공학을 갖춘 홈 서비스 로봇으로 w는 의지를 뜻하는 will를 의미하며, 지능을 통해 인간과 상호작용하며 임무를 수행하는 것이 특징이다. 프랑스 PLANETE ROBOTS Magazine issue 24 에 소개된 HomeMate 기사 “UNE NOUVELLE GENERATION DE ROBOTS DE SERVICES” 홈메이트는 미래 창조과학부에서 지원한 한미 국제공동연구 프로그램인 KORUS Tech 프로젝트의 결과물이며 이 서비스 로봇은 성균관대학교(SKKU) 지능시스템 연구소(ISRI) 소장인 이석한 교수님의 감독아래 로봇 전문 회사인 유진 로봇, 보나비전, 그리고 미국 조지아텍 대학교와 팬실베니아 대학교 등의 연구기관들 간의 긴밀한 콜라보레이션을 통해 얻어진 산물이다. 기초 가사 지원용 로봇 기능을 갖춘 1세대 로봇을 시작으로 계속 발전시켜 인간과 함께 상호작용하기에 거부감 없는 생김새와 더 다양한 기능성을 갖춘 최종 3세대 홈메이트 로봇까지 개발하였다. W-인지 로봇 시스템 홈메이트는 인지적 인식 시스템을 가지고 있으며 사람과 소통 할 수 있고, 인식을 위한 효과적인 조건과 의사소통에 필요한 정보를 자동으로 취득할 수 있다. 또한 연속적인 자가발생 인지적 행동, 고신뢰성, 사람과의 소통 등의 능력을 보유하고 있으며 특히 노인들을 위한 서비스에 최적화 되어 있다. 홈메이트 만의 고유의 기술로 인간로봇 상호 작용(HRI)을 위한 w-인식 이지적 로봇 시스템을 꼽을 수 있다 . 여기에서 w는 의지를 뜻하는 will를 의미하며, 지능을 기반으로 하는 믿고 의지할 수 있는 사람과 로봇간의 상호작용이 특징이다. 이것은 로봇이 겪고 있는 문제들을 풀기 위한 능력과 로봇에 의해 행해지는 믿을 수 있는 성능의 서비스를 함께 보장하는 새로운 접근방법을 제안하여 개발되었다. W-인지 로봇시스템에 사용된 원천기술로 시각 환경을 위한 최상의 특징 선택법, 인식에 있어서의 불확실성과 애매모호함을 줄이기 위한 주도적인 증거 수집, 확률이 결합된 증거를 선택하는 고차원 결정 방법, 결합된 정보에서의 문맥통합 기술들이 있다. 홈메이트는 사람과 같이 빠르고 확실하게 3차원 물체를 인식하고 도중에 가구와 같은 장애물을 피해가며 사용자한테 물건을 전달하는 심부름 서비스가 가능하다. 다기능 서비스 로봇 이 로봇은 환경을 이해하고 인식해서 사용자와 소통할 수 있다. 음성 주문이나 제스처, 그리고 사용자의 얼굴을 인식할 수 있다. 또한 스마트폰 앱을 이용해서 로봇을 호출할 수 있다. 또한 홈메이트 로봇의 터치 스크린을 사용하여 소통할 수 있다. 터치 스크린을 통해 웹서핑, 인터넷 쇼핑, 화상채팅, 영화 감상, 음악 감상과 비디오 게임 등을 서비스 받을 수 있다. 홈메이트는 여러 개의 미리 기억된 행동과 음료수, 오렌지주스, 커피나 약 등을 사용자에게 전달하는 행동을 포함한 여러가지 심부름 서비스를 수행한다. 고속/고정밀 3차원 구조광 카메라 Compact 사이즈, 저전력 등의 특징을 갖는 3차원 카메라로 3차원 공간을 정밀하게 3D Reconstruction이 가능하며, 각종 환경/물체 모델링에 사용되며 특히 산업용 로봇에 응용되어 사용할 수 있다. 연구실에서 진행되는 대부분의 프로젝트에 사용되고 있으며, 특히 KIST와의 협업에 주로 사용하고 있다.

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