그래파인 계열 탄소화합물의 성질과 응용

에너지저장 소재 및 촉매 활용에 대한 이론적 통찰

화학과 이진용 교수 · Hao Li 박사, 임종현 박사

이진용 교수
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  • 그래파인 계열 탄소화합물의 성질과 응용

    화학과 이진용 교수 ·Hao Li 박사, 임종현 박사

    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

  • 초고민감 과불화옥탄산(PFOA) 검출 센서 개발

    바이오메카트로닉스학과 박진성 교수

    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

  • 생물학적 후각계의 화학감각 신경을 모방한 인공 화학감각 신경 시냅스 개발

    신소재공학부 이내응 교수

    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.

  • 양성자화 전용 다공성 유기고분자 시스템을 통한 광촉매 ROS 생성 활성파장 엔지니어링

    화학과 이진용 교수 ·임종현 박사

    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.

  • 하루를 충전하는 카페인,▼이제는 에너지 저장소재로

    에너지과학과 윤원섭 교수 ·이원태 연구교수

    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

  • 전자기장 응집이 극대화된 다차원 복잡 ▼나노프레임 입자 합성 기술 개발

    화학과 박성호 교수

    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]

  • 초박막 유기절연소재 이용, ▼대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발

    전자전기공학부 손동희 교수

    초박막 유기절연소재 이용, 대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발

    전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(이성준 박사과정생)은 KAIST 임성갑 교수 연구팀(강주연 박사과정생) 및 서울대학교 김대형 교수 연구팀(구자훈 박사)과의 공동연구를 통해 진공 증착으로 제작 가능한 나노스케일 두께의 내열성·내화학성 초박막 유기절연소재를 개발하여, 이를 기반으로 기존 반도체 전자소자 제작에 활용하는 마이크로 패터닝 공정프로토콜과 호환 가능한 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 개발하였다. (그림 1) 물리적인 형태의 변형이 가능한 유연 전자소자는 크게 ‘구부러뜨릴 수 있는 전자소자(flexible electronics)’와 그보다 더 상위의 개념인 ‘신축성이 있는 전자소자(stretchable electronics)’로 구분할 수 있다. 유연 전자소자는 기존의 소자들로는 불가능했던 새로운 기능들을 구현할 수 있어 2000년대서부터 집중적으로 연구, 개발되고 있다. ▲(그림1) iCVD 공정으로 제작한 최초의 나노스케일 초박막 유기절연소재와 이를 기반으로 한 대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발 유연 전자소자 구현을 위해 가장 많이 연구되고 있던 방법은 전자소자에 쓰이는 물질들의 두께를 매우 얇게 만들어 유연성을 부여하는 방법과 개별 소자들을 탄성 기판(elastomeric substrate) 위에 섬 형태(active island)로 제작하고 이들 사이를 필라멘트 형태의 배선으로 연결해 외부에서 가해지는 응력을 배선에서 효과적으로 해소하는 방법이다. 이러한 방식은 전자소자에 사용되고 있는 물질들을 그대로 사용할 수 있다는 측면에서 소자의 전기적 성능이 보장되는 장점이 있지만, 외부 응력에 의해 소자가 부서질 수 있고 복잡한 회로의 설계가 불가능해, 소자의 밀도 및 집적도를 높일 수 없다는 단점이 있다. 따라서 근래에는 전자소자를 구성하는 물질들을 본질적으로 유연한 물질로 대체하는 방식의 연구가 대두되고 있으며, 이러한 물질들은 기존의 소재보다 물리적/기계적 특성은 우수하지만 전기적/화학적 성능은 다소 떨어져 이들의 전기적/화학적 성능 향상을 위한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 개시제를 이용한 화학기상증착(initiated chemical vapor deposition, iCVD) 공정을 기반으로 최초의 신축성 초박막 유기절연막을 개발하였다. 연구팀은 부드러운 물성 및 변형 특성에 기여하는 단량체와 가교제를 적절히 배합한 증착 공정을 통하여 신축성과 절연특성을 겸비하며 100나노미터 두께에서도 균일한 막질로 조성된 고분자 초박막을 제조하였다. 개발된 신축성 유기절연막(k = 3.59)은 높은 파괴전압(2.3 MV/cm-1)을 보유하였으며, 약 160나노미터의 두께에서 최대 40%의 반복 인장 변형 특성을 보유하였다. 300°C 내외의 온도에서 이루어지는 열처리 공정에 내구성을 가져 기존의 반도체 전자소자 집적공정 프로토콜과도 호환할 수 있도록 개발되었다. (그림 2) ▲(그림2) 신축성 초박막 유기절연소재의 우수한 내열성 및 내화학성 연구팀은 개발된 신축성 전극 및 절연막을 기반으로 네트워크 구조의 탄소나노튜브(CNT) 반도체를 채널로 사용하여 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 구현하였다. 마이크로 패터닝 공정과 높은 호환성을 가지므로 개발된 신축성 트랜지스터 소자는 4인치 웨이퍼 스케일 면적에서도 높은 균일도를 보였다. 또한 10μm 채널 길이에서 14.05cm2/Vs의 반도체 모빌리티, 265mV/dec의 서브 문턱 스윙 (subthreshold swing, SS), 2.47 V의 문턱전압(threshold voltage, Vth), log(Ion/Ioff) = 4.63의 on/off 전류비 등의 전기적 성능을 구현하였으며, 최대 40%의 인장 변형 범위에서 1,000회의 반복 신축에도 동작 특성이 일정하게 유지되는 안정성을 보여주었다. (그림 3) ▲(그림3) iCVD 신축성 유기절연막을 이용한 4인치 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술 구현 연구팀은 그동안 마이크로 두께 이하에서 안정적인 절연 성능 및 변형 특성을 구현하지 못했던 기존의 기술적 장벽을 깨트리며 200나노미터 미만의 두께에서 안정적으로 작동하고, 대면적 집적을 구현하며, 초박막 두께 구현에 의한 높은 커패시턴스 및 저전압 구동 특성에 의하여 동일한 채널 면적에서 가장 높은 출력 전류를 제공하는 신축성 전자소자를 구현하였다. 연구팀은 확립된 iCVD 유기절연소재 기반의 저전압 신축성 전자소자 집적기술을 기반으로 최대 40% 인장 변형에도 동작 성능이 일정하게 유지되는 디지털 단위 블록 기술을 구현하였다. 손동희 교수는 “신축성 전자시스템 기술 분야의 주요 병목이었던 기존 절연 소재의 한계를, 대면적 저전압 구동 신축성 전자소자 집적기술 개발을 통해 혁신적으로 극복해내었다”며 “향후 저전력 신축성 전자시스템의 대규모 집적화를 통하여 고도화된 차세대 인공전자피부 및 휴대용 웨어러블 어플리케이션의 구현을 가능케 하는 핵심원천기술로 자리할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 공동 연구팀의 연구결과는 전자공학분야 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 33.255, JCR 0.18%)에 2월 3일(금) 자로 게재되었다. 본 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업, 기초과학연구원(IBS-R006-A1 and IBS-R015-D1), 한국연구재단기초연구사업(2021R1I1A1A01060389), 삼성미래기술육성사업(SRFC-IT2102-04)의 지원을 받아 수행되었다. ※ 논문명: A vacuum-deposited polymer dielectric for wafer-scale stretchable electronics ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-023-00918-y

  • 고투명·다기능성 웨어러블 나노발전기 개발

    성균나노과학기술원 안성필 교수 ·전일 교수, 김기용/이상수 연구원

    고투명·다기능성 웨어러블 나노발전기 개발

    운동에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있는 압전나노발전기는 화석연료를 필요로하지 않은 차세대 친환경 에너지기술로써 최근 크게 주목받고 있다. 기존 연구들과는 달리 본 압전 나노발전기는 우수한 투명성 및 기계적 내구성을 포함하고 있어 다양한 산업분야에 널리 활용될 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 신체 굽힘 움직임 등을 통해 전기에너지를 생산하는 본 압전나노발전기는 자가발전형태의 고감도 움직임 감지 센서로써 활용될 수 있으며, 이를 통해 차세대 헬스케어 웨어러블 전자기기 관련 분야에 사용될 수 있을 것이라 예상된다. 성균나노과학기술원 안성필 교수 및 전일 교수 공동연구팀(제1저자 성균나노과학기술원 김기용 박사과정, 공동 제1저자 이상수 박사과정)은 압전고분자 나노섬유와 고순도 탄소나노튜브가 코어(core)물질로 구성된 실리콘 탄성중합체 기반의 에너지 수확이 가능한 다기능성 투명 복합소재를 개발했다고 밝혔다. 기존 연구들에서는 투명 나노발전기를 제작하기 위해 은 나노와이어 또는 전기전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 전극으로써 사용하였다. 그러나, 금속 기반 복합소재는 본연의 빛 반사 및 산란으로 인한 불투명성 이슈를 지니고 있으며, 고분자 기반 복합소재는 전기전도성과 기계적 강성이 부족한 재료 역학적 한계를 보여왔다. 안성필 교수와 전일 교수 공동연구팀은 압전 고분자 P(VDF-TrFE)를 전기방사기술로 머리카락 굵기의 200분의 1 수준인 직경 500 nm의 나노섬유를 제작한 후, 실리콘 기반 탄성중합체(PDMS)와 혼합하여 고투명 복합소재를 개발하였다. 그리고 통상적인 방법과 차별화된 에어로졸-화학기상증착(CVD) 합성법으로 제작된 투명 CNT 필름을 전극 소재로 활용하여 고투과성 및 우수한 기계적 특성을 가진 나노발전기를 개발하였다. 본 연구에서 사용된 전기방사 기술과 에어로졸-CVD 합성법은 제조 방법이 간편할 뿐만 아니라, 공정 규모를 다른 기술들에 비해 쉽게 확장가능하다. 이러한 우수한 공정 이점들을 기반으로 앞으로 관련 기술 상용화에도 유리하게 작용할 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 이번 연구에서 간단한 화학적 도핑법으로 CNT 전극의 전도성을 약 3.1배 향상할 수 있었다. 이번에 개발한 고투명 압전 나노발전기는 상대적으로 약한 외력(운동에너지 F = 10 N)에서도 10 V 이상의 준수한 전압을 발생하는 에너지 수확 성능을 보였다. 더불어, 약 50,000회 이상의 반복적인 외력 조건에서도 높은 에너지 수확 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성과 안정성을 입증하였다. 또한, 마찰 양전하 성질을 지닌 신체 부위를 통해 외력을 인가했을 시에는 마찰전기에 의한 추가적인 에너지 수확을 통해 최대 26.8 V의 높은 에너지 발전 성능을 나타내었다. 신체 여러 부위에 부착하여 움직임을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 변화하는 외력에 따라 전압 신호 또한 민감하게 발생하기 때문에 실시간으로 미세한 인체 움직임을 감지할 수 있다. 즉, 현재 활발하게 연구개발 및 상용화가 진행되고 있는 메타버스 및 가상/증강현실 분야에서 활발하게 응용될 것으로 기대된다. 안성필 교수는 “성균나노과학기술원(SAINT)에는 연구 활동이 활발한 젊은 교수진들이 우애 깊은 관계를 맺고 있어 다양한 방향으로 공동연구가 진행되고 있으며, 본 연구 성과 또한 그중 하나로 앞으로 더욱 혁신적인 연구 성과가 기대된다.”라고 말했다. 또한, 전일 교수는 “본 공동연구는 각기 다른 장점을 지닌 두 연구실이 하나의 새로운 연구 분야로 기술을 융합할 수 있는 인상적인 기회였으며, 안성필 교수 연구진은 「CNT 기반의 투명전극」, 전일 교수 연구진은 「압전 에너지 하베스팅 소자」로 연구 분야를 확장할 수 있는 계기가 되었다. ”라고 말했다. 마지막으로 이번 연구의 제1저자인 김기용 박사과정 학생은 “압전나노발전기는 발전성능을 향상시킬 수 있는 가능성이 앞으로 무궁무진하며 다양한 관점으로 연구가 진행되어야 한다.”며, 공동 제1저자 이상수 박사과정 학생은“본 연구는 CNT가 나노발전기의 단일전극으로 활용된 첫 보고이며, 투명 나노발전기 연구의 새로운 방향성을 제시해 주길 바란다.”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(2021R1F1A1061404), 우수신진연구사업(2021R1C1C1009200)의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구는 SKKU 논문대상에서 우수상을 수상했던 성과를 기반으로 재료 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)에 1월 18일 게재되었으며, 본 SCI 논문의 주저자는 박사과정 초년생이기에 앞으로 이들의 연구 활약이 더욱 기대된다. ※ 논문명: Highly Transparent and Mechanically Robust Energy-harvestable Piezocomposite with Embedded 1D P(VDF-TrFE) Nanofibers and Single-walled Carbon Nanotubes (저널: Advanced Functional Materials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213374) ▲ 투명 압전 나노발전기 사진 및 공정 방법 ▲ 고투명 압전, 전극 소재 사진 및 다기능성 나노발전기 성능 결과

  • 크리스탈 패싯에 숨겨진 비밀을 찾다 ▼페로브스카이트 태양전지 수분 안전성을 획기적으로 향상

    화학공학/고분자공학부 박남규 교수 ·마춘칭 박사

    크리스탈 패싯에 숨겨진 비밀을 찾다 페로브스카이트 태양전지 수분 안전성을 획기적으로 향상

    화학공학과 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자)는 화학공학과 권석준 교수(공동 교신저자), 스위스 로잔연방공대 그랏첼 교수(공동 교신저자)와 함께 페로브스카이트 크리스탈 패싯에 따른 수분 안정성의 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 (111) 패싯을 위주로하는 필름 제작에 성공, 2,000시간의 수분 노출 실험에서 95% 이상 초기효율이 유지되는 안정한 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 사이언스지(Science)에 1월 13일(현지 시각) 연구결과를 발표하였다. 페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발, ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하였다. 태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용하여 150도씨 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 일반적으로 알려진 용액공정을 이용하면 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정 패싯도 잘 발달하여 있지 않다. 박남규 교수팀은 첨가제 공법을 이용하여 (100)과 (111) 결정 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름을 제작하는 데 성공하여, 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝힌 바 있다(2022년 11월 16일 Joule(IF: 46.048)에 발표). 이번 연구에서는 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견하였다. 특히 (100) 패싯은 수분에 매우 취약하지만 (111) 패싯은 수분에 안정적이라는 점을 발견해내었다. (111) 패싯이 (100) 패싯 보다 수분 안정성이 우수한 이유는 물의 젖음에너지가 (111) 패싯에서 상대적으로 낮기 때문이라는 사실을 이론계산을 통해 밝혔다. 또한 수분에 취약한 (100) 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겨 알파에서 델타 상으로 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃게 된다는 사실을 분광분석과 엑스선 회절을 이용하여 알아내었다. 패싯에 따른 수분안정성의 차이점에 대한 원인 규명을 기반으로, 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성을 향상하기 위해서는 (111) 패싯으로 구성된 필름 제작 기술이 필수적인데, 박남규 교수팀은 사이클로헥실아민 이라는 첨가제를 이용하여 (111) 패싯이 98% 차지하는 페로브스카이트 필름 제작에 성공하였다. 30-40% 상대습도 환경에서 약 2,000시간(1,938시간) 수분 안정성을 테스트한 결과, (111) 패싯 위주의 페로브스카이트 필름으로 만든 태양전지는 초기효율의 95% 이상을 유지하였다. 이번 연구 결과는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 개선하여 상용화에 이바지할 것으로 예상한다. ※ 논문명 : Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells ※ 저널: Science 게재 내역

  • 효율적인 근육 재생을 위한 산소발생 바이오-잉크 개발 및 전기장 자극 세포-프린팅 기술 개발

    바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 ·황보한준 · 이형진

    효율적인 근육 재생을 위한 산소발생 바이오-잉크 개발 및 전기장 자극 세포-프린팅 기술 개발

    조직공학 및 재생의학에서 근육 재생을 위한 근육 세포 구조체의 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)의 항상성 유지는 세포 생존, 성장 및 분화에 매우 중요한 요인이다. 하지만 기존 바이오잉크 및 바이오프린팅 공정으로 제작된 세포 함유 구조체는 낮은 산소 전달로 인해 세포 간 상호작용에 악영향을 미치고, 결국 줄기세포의 근육 형성과 관련된 다양한 신호전달 활성에 한계를 보인다. 또한, 세포의 지속적인 대사 활동에 의한 세포 구조체 내 산화 스트레스 유발과 활성산소종 축적으로 인해 결국 세포가 사멸하는 문제점이 있다. 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀 (공동 1저자: 황보한준, 이형진)은 식품생명공학과 우한민 교수 연구팀 및 의과대학 분자세포생물학 교실의 류동렬 교수 연구팀과 함께 광합성을 통해 산소를 발생시키는 시아노박테리아 함유 바이오-잉크를 개발하고 in situ 전기장 자극 세포-프린팅 기술을 개발하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다. 본 기술에서 연구팀들은 줄기세포의 최적화된 생존과 성장 유도를 위해 바이오-잉크 내 산소 발생이 가능한 시아노박테리아의 농도, 광합성 유도를 위한 빛의 세기, 그리고 세포-프린팅 공정 중 세포의 배열 유도를 위한 전기장 조건과 같은 복합적인 공정 제어를 통해 근육 재생에 효과적인 인공 근육 구조체를 제작할 수 있었다. 이를 통해 제작한 3차원 근육 세포 구조체는 세포에 지속적인 산소 공급이 가능하여 ROS 항상성 유지가 가능하였으며, 전기장의 바이오리액터 효과로 인해 세포-프린팅 공정 중 바이오잉크에 포함된 줄기세포의 신호 전달 체계 및 이온채널이 활성화되어 근섬유 형성 효율이 효과적으로 향상하였으며, 한방향으로 배열된 실제 근육을 모사한 근육 세포 구조체 제작이 가능하였다. 김근형 교수는 “본 연구를 통해 개발한 새로운 바이오잉크와 전기장 융합 세포-프린팅 기술은 기존 바이오잉크와 바이오프린팅 기술이 극복하지 못한 고질적인 세포 구조체 내 산소 공급 문제를 해결할 수 있었으며, 줄기세포의 배열된 근섬유 형성 유도를 바탕으로 동물 모델의 손상된 근육 조직의 완벽한 재생과 기능 회복이 가능한 기술이다”라고 말했다. 또한, “근육 조직에 국한하지 않고 산소 공급과 배열 유도 등을 필요로 하는 다양한 조직 재생을 위한 효과적인 인공 장기 제작 시스템으로도 충분히 활용이 가능하다”라고 말했다. 본 연구 성과는 및 한국연구재단-자연모사혁신기술개발사업 및 과학기술정보통신부의 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학응용 분야 국제학술지 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced functional materials, Impact factor=19.924)에 게재되었다. ※논문명: Photosynthetic Cyanobacteria can Clearly Induce Efficient Muscle Tissue Regeneration of Bioprinted Cell-Constructs (https://doi.org/10.1002/adfm.202209157). 그림 1. 전기장을 활용한 배열된 인공 근육조직 제작 및 시아노박테리아에 의한 근육 세포 활성 관련 모식도와 제작한 인공 근육조직의 근육 형성 염색 사진

  • 동력학적으로 작동하는 면역기능 조절 약물 ▼개발로 항암면역치료제의 한계점 극복

    성균나노과학기술원 임용택 교수 ·진승모, 유연정 연구원

    동력학적으로 작동하는 면역기능 조절 약물 개발로 항암면역치료제의 한계점 극복

    성균나노과학기술원 임용택 교수 연구팀(제1저자 진승모/유연정 박사과정)이 치료용 면역 세포들이 탈진을 최소화하면서 효과적인 항종양 면역을 생성할 수 있게 하도록, 동력학적으로 면역 활성화 기능이 조율된 신규 개념의 나노아주번트 (Kinetically activating nanoadjuvant; K-nanoadjuvant)를 세계 최초로 개발하였다. 기존에 톨-유사 수용체 작용제 (toll-like receptor agonist; TLR agonist)와 같은 선천적 면역을 효과적으로 유도할 수 있는 다양한 약물들이 개발되어 왔다. 이러한 약물들은 면역 활성화에 기여하기도 하지만 면역 독성 및 면역 세포들의 탈진을 유도하여 효과적인 못한 암 면역 요법을 초래하였다. 임용택 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 특정 장소와 시간에 작동하도록 설계된 TLR7/8 agonist (timely-activating TLR7/8a, t-TLR7/8a)를 신규 합성하고, 다양한 TLR agonists 들과의 조합하여, K-nanoadjuvant를 제조함으로써, 그 효능을 입증하였다. K-nanoadjuvant는 서로 다른 신호전달 루트를 통해 면역 세포를 활성화하는 두 가지의 면역활성화 약물의 작용 기전을 시간(time), 순서(order) 및 조합 코드 (combinatorial code)의 최적화를 통해 조율함으로써, 면역 세포의 활성화를 극대화할 수 있는 플랫폼 기술로, 향후, 맞춤형 면역반응 유도를 위한 신규 아주번트 시스템 개발로 확장성이 클 뿐만 아니라, 과도한 면역반응으로 유도되는 면역 세포의 탈진 현상을 극복할 수 있는 신규 면역기능 조절 물질이다. K-nanoadjuvant는 3가지 종양 모델 (피부암, 폐암, 유방암)에서 단독 요법으로 사용하거나, 면역 관문억제제 (immune checkpoint inhibitor; ICBT)인 항 PD-L1 (anti-PD-L1) 또는 항암제 (독소루비신, doxorubicin)와의 병용 요법을 통해, 면역독성 없이, 강력한 항 종양 면역 효과를 보여주었다. 임용택 교수는 “K-nanoadjuvant는 현재 GSK를 포함한 다국적 제약회사에서 활발하게 개발 중인 면역활성화 아주번트 물질의 면역 독성 문제를 해결하면서, 효능을 극대화할 수 있는 플랫폼 기술이며, 인체 내 안전성이 증명된 나노리포좀 기반의 약물로, 임상 적용 가능성이 매우 높습니다.” 또한, “K-nanoadjuvant는 최신 항암면역치료제인 면역 관문 억제제의 미반응 환자군에 적용되어, 종양의 재발/전이를 방지할 수 있는 차세대 항암면역치료제로 활용될 가능성이 있습니다.” 라고 발표했다. 이 기술은 국내 벤처기업 (프로지니어㈜)에 기술 이전되어 현재 항암면역치료제 및 감염성 질환 백신으로 신약 개발 중이다. 특히, 이번 연구결과가 제1저자인 진승모/유연정 학생이 석박사 과정 동안 진행하여, 다학문적 과학 (multidisciplinary science) 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘Nature Nanotechnology’에 1월 12일자 온라인 게재되는 성과를 달성한 점이 주목된다. 논문명: A nanoadjuvant that dynamically coordinates innate immune stimuli activation enhances cancer immunotherapy and reduces immune cell exhaustion (Nature Nanotechnology (IF=39.213)) https://www.nature.com/articles/s41565-022-01296-w 저자: 진승모 (제1저자, 박사과정), 유연정 (제1저자, 박사과정), 신홍식 (공저자, 석박사통합과정), 이상남 (공저자, 석박사통합과정), 배용수 (공저자, 성균관대 교수), 임용택 (교신저자, 성균관대 교수)

  • 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 상이점 발견

    화학공학/고분자공학부 박남규 교수

    페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 상이점 발견

    화학공학/고분자공학부 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원 원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자), 화학공학/고분자공학부 권석준 교수(공동 교신저자), 신소재공학부 양철웅 교수(공동 교신저자)로 구성된 공동연구팀이 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 차이점을 발견하고 이론계산 기반의 원인 규명을 통해 24.64% 고효율 패로브스카이트 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수 연구팀은 안정성과 효율성이 모두 높은 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발하여 “페로브스카이트 포토볼타익스”라는 새로운 학문 분야를 개척하였다. 페로브스카이트 광흡수층은 프리커스 용액을 스핀 코팅하여 필름 형태로 제작하는데, 섭씨 150도에서 짧은 시간 열처리하게 되면 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있다. 일반적으로 알려진 방법을 이용하여 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정면도 일정치 않다는 단점이 있다. 박남규 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 의존성을 예측하여, 패시터 표면 에너지 계산을 기반으로 (100) 과 (111) 결정 패시터가 발달된 페로브스카이트 필름을 첨가제 공법을 이용하여 제작하는 데 성공하였다. (그림 1 참조) 그림 1. (왼쪽) 기존 프리커서 용액을 사용할 때 얻어진 다결정 특성의 페로브스카이트 필름. (오른쪽) 첨가제 공법을 이용한 프리커서 용액에 의해 얻어진 결정 패시터가 잘 발달된 페로브스카이트 필름 광전류 원자력현미경 (photocurrent-AFM) 측정을 통해 (100)과 (111) 결정 패시터에서 높은 광전류가 발생하는 반면 (110) 면에서는 매우 낮은 광전류가 생성되는 것을 발견하였다. 이론계산 결과 상대적으로 큰 유전상수와 빠른 엑시톤 발생이 (100) 과 (111) 결정 패시터에서 높은 광전류 발생의 원인임을 밝혀내었다. (그림 2 참조) 그림 2. A. 광전류 원자력 현미경 사진 B. 결정 패시터에 따른 광전류 C. 파장에 따른 유전상수의 결정 패시터 의존성 D. 결정 패시터에 따른 엑시톤 발생 속도 결정 패시터에 따른 광전류 차이를 이용하여 광전류 생성이 우수한 (100)과 (111) 패시터가 발달된 페로브스카이트 필름 기반의 태양전지는 24.64%의 높은 효율을 보인 반면, 광전류 생성이 우수하지 않은 (110) 패시터로 구성된 페로브스카이트 태양전지는 21.67%의 낮은 효율을 보였다. 또한 1,000시간 연속 광(光)조사 실험에서 (100)과 (111) 패시터 페로브스카이트 태양전지는 (110) 패시터에 비해 더 우수한 장기 안정성을 보였다. 이러한 연구 결과는 30% 이상의 이론효율에 가까운 페로브스카이트 태양전지를 설계하는 데 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. (그림 3 참조) 그림 3. 전류-전압 그래프: A. (110) 패시터 필름의 페로브스카이트 태양전지, B. (100)/(111) 패시터가 발달된 필름의 페로브스카이트 태양전지 C. 1000 시간 연속 광조사에 의한 효율 변화. (100)/(111) 패시터 필름이 (110) 필름에 비해 더 우수한 광조사 안정성을 보임 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘줄 (Joule, IF=46.048)’에 11월 16일(6권, 페이지 2626-2643) 발표되었다. 본 연구는 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었다. ※ 논문명 : Photovoltaically top-performing perovskite crystal facets

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