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기계공학부 김태성 교수 ·김형우 박사
플라즈마 화학기상증착법을 활용한 금속성 팔면체(1T) 이황화 텅스텐 박막 합성 원천기술 개발
기계공학과/성균나노과학기술원(SAINT) 김태성 교수와 성균나노과학기술원 김형우 박사는 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)를 이용한 다양한 이차원(2D) 물질 합성 핵심기술을 연구해 왔고, 이를 기반으로 ‘웨이퍼 크기의 금속성을 가지는 팔면체 이황화 텅스텐(1T-WS2) 박막 성장 및 효율적이고 안정적인 수소발생반응’ 기술 개발에 성공했다. 김태성 교수 연구팀은 전이금속 칼코겐화합물의 가장 대표적인 물질인 이황화몰리브데넘 (MoS2)을 PECVD를 이용하여 저온에서 4인치 대면적으로 합성 및 메커니즘을 규명하여 학계 및 산업계에 큰 주목을 받았고 (Advanced Materials, 2015), 산화금속계열인 α-MoO3 (Nanotechnology, 2017), 그래핀-이황화몰리브데넘 박막형 이종구조 (Applied Surface Science, 2019) 합성에도 성공하는 등PECVD를 다양한 2차원 물질의 합성에 적용해 왔다. 전이금속 칼코겐화합물은 형상별로 전기적 특성이 달라지는 특징이 있고, 특히 상온‧상압의 조건에서 안정상인 육방형 구조상(2H)과 달리, 팔면체 구조상(1T)은 도체의 특성이 있어 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 낮은 저항으로 값비싼 백금류 촉매를 대체할 수 있는 에너지 전기화학 촉매 소재로 각광받고 있다. 이에 김태성 교수와 아주대학교 이재현 교수 공동연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화 텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용하였다. 플라즈마를 활용하여 이황화 텅스텐 결정의 크기를 나노사이즈로 만들어 높은 표면에너지를 유도하여 상온‧상압에서 준안정상인 팔면체 구조를 1,000회 이상의 전기화학 반응 후에도 지속해서 유지할 수 있도록 하였으며, 높은 밀도의 결정립을 유도하여 촉매 반응성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 김태성 교수는 연구성과에 대해 “에너지 산업에 활용되기 위해서는 대면적의 안정하면서 높은 균일도를 가지는 것이 중요한데 PECVD로 이를 해결하기 위한 방법을 제시하였고, 안정적인 팔면체 구조의 이황화 텅스텐은 수소에너지 분야 주요 원천기술이 될 것으로 기대합니다.” 라고 평가했다. 이번 연구는 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)' (IF:10.856, JCR 상위 10%이내)의 2020년 2월 13일자 표지논문으로 게재되었다. (현재 김형우 박사는 미국 Northwestern 대학에서 Mark C. Hersam 교수 지도하에 MOCVD를 이용한 전이금속 칼코겐화합물의 합성 및 멤리스터 응용을 주제로 박사후과정 연수 중이다.) ※ 관련 논문 1) Low-Temperature Synthesis of Large-Scale Molybdenum Disulfide Thin Films Directly on a Plastic Substrate Using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (Advanced Materials, 27, 2015, 5223-5229) (제1저자: 안치성 / 교신저자: 이창구, 김태성 교수) 2) Highly uniform wafer-scale synthesis of α-MoO3 by plasma enhanced chemical vapor deposition (Nanotechnology, 28, 2017, 175601) (제1저자: 김형우 / 교신저자: 김태성 교수) 3) Low-temperature wafer-scale growth of MoS2-graphene heterostructures (Applied Surface Science, 470, 2019, 129-134) (제1저자: 김형우 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수) 4) Wafer-Scale and Low-Temperature Growth of 1T-WS2 Film for Efficient and Stable Hydrogen Evolution Reaction (Small, 16, 2020, 1905000) (공동 제1저자: 김형우, Vinit Kanade, 김만수 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수) (a) 4인치 대면적 이황화 몰리브데넘의 합성 순서를 나타내는 모식도. (b) 실제 4인치 폴리이미드(PI)와 웨이퍼 위에 합성한 팔면체 이황화 몰리브데넘(1T-WS2)의 모습. 스몰(Small) 저널 커버(Cover) 이미지로 금속성(1T)형상을 가지는 이황화 텅스텐이 나노-그레인형태로 박막형으로 합성되었고 수많은 그레인 경계면을 따라서 수소발생반응이 일어나는 것을 형상화함.
- No. 133
- 2020-04-14
- 7612
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에너지과학과 양희준 교수 ·Shoujun Zheng 박사
2차원 소재‧소자의 양자역학적 상호 작용 규명
에너지과학과 양희준 교수와 Shoujun Zheng 박사는 2차원 적층 소재에 존재하는 슈타르크 효과 (Stark effect)를 활용하여 양자역학적 밴드갭 제어 및 초절전 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다. 미래 소자의 핵심적인 역할을 담당할 2차원 소자 연구에서 수직 적층 구조의 터널링 소자가 큰 관심을 끌고 있다. 2차원 수직 터널링 소자는 기존 실리콘 반도체 소자보다 100배 이상 에너지 소모가 적고, 100배 이상 빠른, 초고속, 초절전 소자의 잠재력을 가지고 있다. 하지만, 열 에너지, 전자 에너지 등 외부 환경이 효율적인 터널링 (공명터널링) 소자 개발을 어렵게 한다는 난제가 남아 있었다. 본 연구에서는 원자 단위 크기에서 발현되는 양자역학적 슈타르크 효과 (Stark Effect)를 활용하여 이와 같은 난제를 해결하고, 정교한 밴드갭 제어 및 공명터널링 기반 트랜지스터를 개발할 수 있었다. 본 연구에 적용된 핵심적인 원리인 슈타르크 효과(Stark effect)는 1914년 요하네스 슈타르크에 의해 보고된 후 1919년 노벨물리학상을 받았으나, 지금까지 전기적 방법으로 소자 단위에서 측정 및 규명된 바 없었다. 본 연구는 슈타르크 효과가 크게 발현될 수 있는 2차원 적층 구조에서 전기적 방법으로, 직접 슈타르크 효과를 관측 및 활용한 최초의 연구라는 기초과학적인 의미가 있다. 또한, 응집 물리학에서 주요하게 연구되는 포논, 엑시톤 등 여러 준입자들의 영향을 변인통제, 제어하며, 상온에서 0.01 전자볼트 수준의 정확도를 갖는 전자의 에너지 분포를 활용하여 차세대 미래 전자 소자를 개발할 수 있는 방법을 제시하였다. 양희준 교수는 “기존 반도체 소자의 핵심인 전계효과트랜지스터를 대체할 수 있는 새로운 터널링 트랜지스터의 개발” 이라고 말하며, “이번 연구는 차세대 수직 소자 개발을 위한 정확한 물성 측정 및 설계 방법을 제시한 독창적인 연구 성과” 라고 밝혔다. 이 성과는 국제학술지 ’Advanced Materials (IF=25.809)’에 2020년 2월 6일에 게재되었다. 이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었으며, 박사후연구원 Dr. Shoujun Zheng (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였다. (그림) 2차원 소재 기반 공명 터널링 트랜지스터와 전자 밴드 구조 모식도
- No. 132
- 2020-03-27
- 5635
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화학공학/고분자공학부 방창현 교수 ·천성우 박사
수평힘 기반 에너지를 효율적으로 하베스팅하는 마찰전기 에너지소자 기술 개발
화학공학/고분자공학부 방창현 교수와 나노과학기술학과 천성우 박사는 마찰전기의 효율을 크게 높일 수 있는 에너지 소자를 개발했다고 밝혔다. 최근 체열로 충전하는 스마트 워치, 차량 진동으로 충전하는 스마트폰처럼 진동이나 열, 바람 등 일상생활에서 버려지는 자투리 에너지를 수확해 전원으로 활용하는 '에너지 하베스팅'(Energy Harvesting) 산업에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 고집적·저전력이 요구되는 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 헬스케어 분야에서 저전력 전자기기는 핵심 기술이라 할 수 있다. 이 가운데 물체의 접촉으로 발생하는 마찰 전기를 이용한 나노 발전기도 활발히 연구되고 있지만, 두 물체가 수직 방향으로 접촉해야만 반응해 효율을 높이는 데 한계가 있다. 연구팀은 모든 방향의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있는 머리카락을 닮은 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 굵기의 구조체를 고안했다. 이 머리카락 모양 구조체를 마찰전기 소자 위에 붙여 수직 방향 움직임 뿐만 아니라 수평 방향 움직임도 진동으로 바꿔 감지할 수 있도록 했다. 이렇게 만든 소자를 옷감에 붙이자 구겨진 지폐를 펴는데 필요한 힘의 5분의 1 정도에 불과한 0.2Pa(파스칼) 이하의 아주 적은 수평 방향의 힘에도 반응하는 것이 확인됐다. 또 옷깃이 흔들릴 정도의 작은 바람에도 마찰 전기가 발생했다. 머리카락이 물체와의 직접적인 접촉 없이 바람과 같은 비 접촉성 움직임에도 진동으로 마찰 전기를 유도하는 원리를 모사했다고 연구팀은 설명했다. 연구팀은 "초소형 사물인터넷 기기와 생체 삽입형 소자에 전원을 공급하는 기기 개발에 기여할 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 지난 13일 자에 표지논문으로 실렸다.
- No. 131
- 2020-03-16
- 9897
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화학과 이효영 교수
지난 50년이상 제자리 걸음이던 블루 이산화티타늄 가시광촉매 개발 성공
경제성을 대폭 높인 이산화탄소 제거 촉매가 나왔다. 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장 (성균관대학교 화학과)은 아나타제-루타일 구성의 이산화티타늄을 이용하여 선택적으로 한상을 환원시켜 가시광선 흡수율을 대폭 향상 시킨 촉매를 개발했다. 가시광선으로 화학반응이 가능해 실내에서 사용할 수 있는데다, 연료로 변환 가능한 일산화탄소를 일반 촉매보다 200배, 기존의 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 생산할 수 있어 수익성이 향상됐다. ‘아타나제-루타일 이산화티타늄 이산화티타늄(TiO2): 무색 또는 백색 분말로서 냄새와 맛이 없다. 같은 이산화티타늄이라도 분자구조에 따라 아나타제 결정과 루타일 결정 두 가지 상을 이룰 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 이산화티타늄은 75% 아나타제 결정과 25% 루타일 결정의 혼합으로 이뤄져 있다. (TiO2)’ 은 한 해 500만 톤 이상 소비되어 자외선 차단제, 탈취·살균제 등에 쓰인다. 자외선을 흡수하면서 물과 이산화탄소를 메탄, 일산화탄소, 그리고 다량의 산소로 변환하는 촉매다. 하지만 이러한 이점에도 불구하고 이산화티타늄은 자외선만을 흡수하기에 일상생활에서 사용하기엔 큰 무리가 있어 연구자들은 지난 50년이상 가시광선을 흡수할 수 있는 이산화티타늄 개발에 많은 노력을 기울여왔다. 특히 가시광선까지 흡수하는 가시광촉매는, 자외선만 흡수하는 기존 촉매보다 많은 에너지를 활용하면서 다중이용시설인 병원·지하철·학교·아파트 등 실내에서 작동해 촉매 연구의 핵심 과제로 여겨졌다. 연구진은 지난 2016년 아나타제-루타일 이산화티타늄에서 루타일 결정만을 환원해서 ‘결정아나타제-비결정루타일 이산화티타늄’제조에 성공하였다 (Energy & Environmental, 2016, 9, 499, IF 33.250). 3년동안 각고의 연구끝에 아나타제결정만을 환원시킬 수 있는 방법을 개발 (ACS applied materials & interface, 2019, 11, 39, IF 8.456)하고 저자 이름을 따‘이효영의 블루 이산화티타늄’으로 이름 붙였다. 또 기존 이산화티타늄 환원 공정이 고온·고압의 기체를 다뤄 위험성이 큰 데 비해 앞선 2가지 공정 모두 상온·상압에서 액체상에서 제조되어 안전하다는 장점이 있다. 이로서 광촉매 특성이 가장 우수한 아나타제-루타일 이산화티타늄 혼합상에서 루타일 결정뿐만 아니라 아나타제 결정까지 원하는 결정을 선택적으로 환원시켜 자외선뿐만 아니라 가시광선, 적외선까지 광 흡수율을 대폭 향상시킨 새로운 가시광촉매를 개발하였다. [그림1] 가시광선으로 작동하는 ‘이효영의 블루 이산화티타늄’ 일반 아나타제-루타일 이산화티타늄이 흰색인데 비해, 아나타제만 환원한 ‘비결정아나타제-결정루타일 이산화티타늄은 푸른색을 띤다. 짙은 파란색이 비결정 아나타제, 흰색에 가까운 것은 결정 루타일이다. 연구진은 응용연구중의 하나인 이산화탄소 저감 효율을 향상시키기 위해 촉매가 빛을 흡수하며 생성하는 전하의 수와 이동성을 향상시키고자 실험을 고안했다. ‘이효영의 블루 이산화티타늄’에 다른 물질을 도핑해 불균일한 구조를 만들면, 전하 생성이 증가해 광효율이 향상될 것으로 예상했다. 연구진은 도핑 재료로 일산화탄소 발생률을 높일 수 있는 은을 포함해 3가지 후보 물질을 시도하고, 가장 안정적인 조합인 텅스텐산화물과 은을 도핑해 새로운 하이브리드 광촉매를 만들었다. 이렇게 만들어진 하이브리드 광촉매는 흡수된 빛 중 34.8%를 촉매 변환에 활용할 수 있는데, 이는 기존 광촉매보다 3배 높은 광효율이다. 또 이산화탄소-산소 변환 과정에서 메탄 생산없이 100% 일산화탄소만 발생시켰는데, 유용한 화합물의 중간체인 일산화탄소를 부산물 없이 단일화한다는 점에서 경제성이 높다. 일산화탄소 양은 기존 이산화티타늄 촉매보다 200배, 학계에 보고된 가장 우수한 촉매보다 15배 많이 발생했다. 현재 본 촉매와 이산화탄소를 사용하여 중간체인 일산화탄소를 유용한 화합물을 제조하는데에 연구 중이다. 본 연구결과는 화학·재료분야 세계적인 권위지인 ‘머터리얼스 투데이(Materials Today, 2020, doi 10.1016/j.mattod.2019.11.005, IF 24.372)'지에 1월3일 온라인 게재됐다. 이효영 교수는 “기초과학연구원-나노구조물리 연구단 지원하에 기초연구를 통하여 가시광선으로 작동하는 블루이산화티타늄 제조 및 물질에 관한 원천기술을 확보하고 이를 이용해 새로운 응용연구들을 진행중이다”며 “이번에 개발한 촉매가 미세먼지와 병원 내 병원균, 박테리아 등을 제거하는 데에도 크게 우수한 성능을 보여 실제 상용화를 위해 통상으로 기술이전을 하였고 현재도 계속 관련 업체들로 부터 기술이전 진행중이다”고 밝혔다. “향후 다양한 연구 분야에 적용돼 전세계에 전파될 것으로 기대된다.” [그림 2] 도핑에 따른 CO2 환원 효율 비교 일반적인 블루 이산화티타늄(7BT) 와 텅스텐(WO3, W1), 은(A1)의 각 조합으로 얻는 촉매 부산물 결과표. 가장 오른쪽이 이번에 개발한 촉매로, 메탄이나 수소같은 다른 부산물 없이 100% CO를 생산한다.
- No. 130
- 2020-02-27
- 15067
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성균나노과학기술원 이진욱 교수
페로브스카이트 태양전지 및 LED 안정성 문제 해결 기술 개발
성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 및 형광다이오드 (이하 LED) 소자의 효율과 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술 개발에 성공하였다. 관련 연구 논문 3편이 재료분야 국제저널랭킹 상위 2% 이내 저널인 Advanced Materials (영향력지수=25. 809)지에 게재되었다. 페로브스카이트 물질에 기반한 태양전지 및 LED 소자는 최근 소자효율이 상용화된 실리콘 태양전지 및 OLED에 근접하여 차세대 광전소자로 각광받고 있다. 하지만 높은 효율에 비해 소자의 구동안정성이 상용화된 제품에 비해 크게 떨어는 문제점이 있었다. 저온에서 생성되는 페로브스카이트 박막내에는 전하를 띈 이온성 결함이 높은 농도로 존재하는데, 태양전지 및 LED 소자가 작동하는 환경에서 높은 농도의 이온성 결함이 소자 내 전기장에 의해 쉽게 이동하여 페로브스카이트 및 전하수송 층을 파괴하는 문제점이 존재하였다. 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 박막 내에서 이러한 이온성 결함의 이동경로를 차단하여 태양전지 및 LED 소자의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 기술을 이용하여 태양전지의 경우 수명이 기존 222시간에서 2011시간으로 약 9배 이상 (Advanced Materials, 2020, 1906995), LED의 경우 그 수명이 기존 약 12분에서 200시간이상으로 1000배 (Advanced Materials, 2020, 32, 1905674) 이상 개선할 수 있었다. 이진욱 교수 연구팀이 개발한 기술은 페로브스카이트 광전소자의 안정성 문제를 해결하기 위한 중요한 과학적 단서를 제공하였을 뿐만 아니라 추후 페로브스카이트 태양전지 및 LED 소자 상용화를 위한 주요 원천기술이 될 것으로 예상되고 있다. 또한 연구팀은 앞서 태양전지의 열역학적 이론 효율 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 각광받는 양자점 태양전지의 효율 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하여 발표한 바 있다 (Advanced Materials, 2019, 31, 1900111). ※ 관련 논문 1) Steric Impediment of Ion Migration Contributes to Improved Operational Stability of Perovskite Solar Cells, Advanced Materials, 2020, 1906995. (교신저자-이진욱) 2) Surface‐2D_Bulk‐3D Heterophased Perovskite Nanograins for Long‐Term‐Stable Light‐Emitting Diodes - Advanced Materials, 2020, 32, 1905674. - Wiley Online Library (제 1저자-이진욱) 3) A Small‐Molecule “Charge Driver” enables Perovskite Quantum Dot Solar Cells with Efficiency Approaching 13%, Advanced Materials, 2019, 31, 1900111. (교신저자-이진욱)
- No. 129
- 2020-02-17
- 8322
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반도체시스템공학과 최재혁 교수 ·전정훈 교수
3D 입체영상을 촬영하는 CMOS 이미지센서 개발
정보통신대학 반도체시스템공학과 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 극한 조도 환경에서도 고속으로 사물의 입체 영상을 왜곡 없이 촬영 가능한 모바일용 Time-of-Flight (ToF) CMOS 이미지센서의 개발에 성공하고, 그 연구 논문 (1저자: 김동욱 박사과정, 참여연구원: 박찬성 석박통합과정, 박지훈 박사과정, 안연수 석사과정, 조기환 석사과정)이 반도체 회로 분야의 최고 학술대회인 International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)에 논문 게재 확정되었다. ISSCC는 1954년에 설립되어 올해로 66년의 역사를 가지고 있으며, 반도체 회로 분야의 올림픽이라 불리는 가장 권위 있는 학회로, 매년 25개국 3000명 이상의 학자와 기술자들이 모여 세계 최고의 회로 기술들을 선보인다. 엄격한 리뷰과정을 통해 논문들을 채택하고, Intel, Samsung과 같은 세계 최고의 기업들이 최신 기술을 경쟁적으로 발표하는 곳으로도 유명하다. 각 기관이나 나라의 ISSCC 논문 편수가 반도체 설계 기술 경쟁력을 나타내는 지표로도 사용된다. 사물의 형상 뿐만 아니라 거리 정보를 감지하는 3D 이미지센서는 Apple의 Face ID를 시발점으로 3차원 얼굴인식, 사진 촬영시의 거리기반 자동초점 조절, 증강 현실을 위한 3차원 영상합성과 같은 모바일 어플리케이션 뿐만 아니라 로봇 네비게이션, 보안 어플리케이션의 사물/동작인식 등 그 활용 수요가 급격히 증가하고 있다. ToF 이미지센서는 적외선광을 고주파 변조하여 조사, 물체로부터 반사되는 반사광의 거리에 따른 위상 변화를 감지하여 물체의 형상 및 거리를 감지하는 센서로, 기존 모바일 기기에 사용되던 구조광 방식의 3D 이미지센서의 크기 한계를 극복하고, mm급의 미세한 거리 정밀도를 가지는 초소형 센서 반도체이다. ToF 이미지센서는 최근 모바일 기기에 탑재되기 시작하였으나, 일본 기업 (SONY)이 시장을 선점하였으며, 깊이 해상도 및 영상 해상도의 한계, 움직이는 사물 촬영시의 왜곡, 그리고 야외 촬영시의 극한 조도에 의한 포화라는 기술적 난제를 가지고 있다. 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 깊이 해상도를 향상시키는 고속 포토다이오드 소자, 320 x 240 화소의 물리적 픽셀을 640 x 480 (VGA) 해상도로 출력하는 업스케일링 영상처리기, 움직임 왜곡을 감소시키는 동적 모듈레이션 회로, 그리고 극한 조도에 의한 왜곡 신호를 제거하는 외광 제거기 회로를 집적한 ToF 이미지센서 SoC를 개발하고, UNIST 및 국내 Fabless 기업인 ZeeAnn 과 협업하여 prototype 센서 반도체를 제작, 기존 ToF 센서들을 압도하는 성능을 내었다. 해당 논문은 2020년 2월, ISSCC의 Imagers and ToF Sensors 세션에서 발표될 예정이다. 해당 세션에 채택된 총 10편의 논문들은 Samsung, Sony, Toshiba, Panasonic과 같이 주로 세계 최고의 기업들에 의해 발표되며, 국내 대학으로서는 성균관대가 유일하다. 본 연구에서 개발된 ToF 이미지센서는 논문 발표뿐만 아니라 ISSCC 학회의 demonstration 세션에서 직접 그 동작 및 성능이 시연될 예정이다. ※논문: “A Dynamic Pseudo 4-Tap CMOS Time-of-Flight Image Sensor with Motion Artifact Suppression and Background Light Cancelling Over 120klux”, ISSCC, 2020. ※저자: 김동욱 (1저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 최재혁 (교신저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 전정훈 (공동저자, 성균관대 반도체시스템공학과), Canxing Piao Park·안연수·조기환 (공동저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 이승현·박다환·김성진 (공동저자, UNIST 전기 및 전자공학과), 신정순·송승민 (공동저자, ZeeAnn)
- No. 128
- 2020-01-28
- 12697
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신소재공학부 김선국 교수
피부에 밀착되는 신축성 있는 온·습도 센서 개발
김선국 교수 연구팀이 피부에 부착하는 신축성 있는 패치형태의 센서로 최장 7일간 생체신호를 실시간으로 모니터링하는 시스템을 구축했다. 연구팀은 착용자의 움직임에도 불구하고 안정적으로 피부 표면의 온도나 습도, 착용자의 동작(보행, 넘어짐 등)을 포착할 수 있는 새로운 디자인의 고감도 생체신호 모니터링 센서를 개발했다. 뱀처럼 구불구불한 형상의 서펜타인 구조를 통해 x축과 y축 방향 으로 유연성을 확보하는 한편, 키리가미※ 구조를 통해 z축에 대해서도 신축성을 부여함으로써, 패치가 가진 응력의 최대 200%까지 압력을 가해도 기계적· 전기적으로 안정성을 유지하도록 설계 했다. ※ 키리가미(Kirigami) : 자르다를 의미하는 일본어 ‘kiri’와 종이를 뜻하는 ‘gami’가 합쳐져, 특정 패턴이나 모양으로 자른 뒤 접었을 때 입체 형상을 나타내는 신체변화를 모니터링, 질병의 초기신호를 감지할 수 있는 웨어러블 헬스케어 디바이스에 관한 연구가 활발하나 장시간 사용하기 불편하거나 피부에 잘 밀착되지 않아 정확한 정보를 모니터링하는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 착용성을 고려, 피부에 밀착되어 움직임(압착, 밀고 늘어남)에 제약을 주지 않도록 피부 친화적이면서 방수성을 갖는 다공성 실리콘 점착제로 된 패치에 해당 센서를 구현해 냈다. 생체 친화적이며 피부에 적합한 점착성을 가진 실리콘을 활용하였으며 식약처 기준에 준하는 생물학적 안전성 (biocompatibility ; 세포독성, 감작성, 급성독성, 피부자극, 발열성)이 확보된 패치를 사용했다는 설명이다. 원리는 피부 온도 변화에 따라 나타나는 신축성 백금센서의 저항변화를 이용하는 것이다. 이를 통해 20 ~ 50범위에서 0.2 이내의 오차범위로 온도를 측정할 수 있도록 했다. 나아가 스마트폰 어플리케이션을 통해 실시간으로 신호변화를 확인할 수 있도록 무선통신 모듈도 함께 구현했다. 지속적인 관찰이 필요한 신생아, 노약자, 운동선수 등의 생체 신호를 모니터링해서 응급상황에 대처할 수 있도록 하는 데 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 병원과의 임상연구를 통해 인허가를 위한 후속연구를 진행할 계획이라고 밝혔다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원 사업 및 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 'IEEE Transaction on Industrial Electronics’에 11월 6일 게재되었다.
- No. 127
- 2020-01-13
- 9057
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바이오메카트로닉스학과 김근형 교수
바이오잉크 및 세포-프린팅 기술 개발을 통한 근육 조직 재생 성공
바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀은 살아있는 세포가 포함된 세포-프린팅(cell-printing)용 바이오잉크의 개발과 근육 조직의 재생이 가능한 바이오 제작 기술을 개발하는데 성공했다. 연구팀은 개발한 바이오잉크 내의 살아있는 세포를 실제 근육처럼 한 방향으로 배열되어 성장하게 유도해 근육의 조직재생 효과가 높였다. 조직재생공학은 인체 병변 부위에 실제 조직과 유사한 인공조직을 이식하여 재생효과를 극대화 하는 것을 목표로 발전되어 온 분야이다. 이를 위해 살아있는 세포가 포함된 바이오잉크로 인공조직을 제작하는 세포-프린팅 공정이 유용하게 사용되고 있다. 특히 근육 조직의 경우 세포가 근섬유 방향으로 세포가 정렬되어야 효과적인 재생 효과를 얻을 수 있으며, 더 나아가 실제 형태 /기능을 가지는 근육 미니장기의 개발은 루게릭병 등과 같은 근육 손실 질환을 극복하는 기반이 될 수 있다. 하지만 오늘날 일반적으로 사용되는 바이오잉크와 세포-프린팅 공정으로는 세포를 배열시키는 것에 한계를 보이고 있다. 김근형 교수 연구팀은 세포-프린팅 공정을 통해 세포의 성장과 배열을 제어하기 위해 두가지 기술을 통해 기존의 생체유래 소재 기반 바이오잉크를 개발하였다. i) 콜라겐 기반 바이오잉크에 금-나노입자를 첨가하여 새로운 바이오잉크를 개발하여, 전단력 및 전기장의 방향 조절을 통해 나노입자의 배열성을 제어하고, 이를 통해 세포의 성장 및 정렬을 유도하였다. 또한, 전남대학교 병원 장철호 교수 연구팀과의 협업을 통해 제작한 근육 조직이 큰 범위의 손실된 근육 조직을 완벽히 재생한 것을 확인하였다 (그림 1). ii) 김근형 교수 연구팀은 미국의 최대 조직공학 연구소 중 하나인 Wake Forest Institution for Regenerative Medicine (WFIRM)의 이상진 교수 연구팀과의 국제 연구 교류를 통해 광경화가 가능한 세포외기질 기반 바이오잉크를 개발하였고, 합성 고분자인 Poly(vinyl alcohol) (PVA)를 첨가하여 세포를 배열시키는 것에 탁월한 효과를 보이는 새로운 바이오잉크를 개발하였다. 연구팀은 제작 과정 중 온도와 속도, 압력 등을 조절하여 개발한 바이오잉크 내의 세포를 한 방향으로 완벽히 배열 및 성장 할 수 있게 하였다. 현재 개발한 바이오잉크를 이용해 제작한 근육 조직은 동물 실험 평가가 진행 중에 있다 (그림 2). 김근형 교수는 “이 연구는 나노입자의 배열성을 조절하거나 합성 고분자를 통해 세포를 직접적으로 배열시키는 새로운 개념의 세포-프린팅 공정기술이다”라며, “골격근뿐만 아니라 심근, 인대 등과 같이 인체 내에 존재하는 배열 조직 재생을 위한 보다 효과적이고 새로운 방법이다”라고 설명했다. 이 연구들은 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었다. 나노과학 (Nano science) 분야 세계적인 학술지 Nano Letters (impact factor 12.279)와 생체 재료 (Biomaterials) 분야 최고 국제 학술지 Biomaterials (impact factor 10.273)에 게재되었다. 그림 1. 금-나노입자를 포함한 콜라겐 기반 바이오잉크를 이용한 3D 세포-프린팅 모식도 과 제작한 근육조직의 세포 성장, 성숙 및 성공적인 재생 그림 2. 배열된 광경화성 세포외기질 세포구조체의 3D 세포-프린팅 모식도 및 배열된 gelatin 기반 구조체 및 일반적인 세포외기질 세포구조체와의 세포 활성 및 성숙도 비교
- No. 126
- 2019-12-26
- 11735
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기계공학부 이원영 교수 ·변도영 교수
정전기 스프레이를 통한 나노 주름 기능층을 개발
기계공학부 이원영, 변도영 교수 연구팀 (제1저자 이종서 박사과정 / 공동 1저자 황상연, 안민우 박사과정)이 에너지분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지 중의 하나인 Journal of Materials Chemistry A에 정전기 스프레이 법을 통해 나노 주름 기능층을 개발하였고, 이를 나노 섬유 전극에 적용한 연료전지 개발에 대한 연구결과를 표지논문으로 게재했다. 이원영 교수 연구팀은 변도영 교수 연구팀과의 공동연구를 통하여 정전기 스프레이 증착법 (Electrostatic Spray Deposition)을 사용하여 고체 산화물 연료전지의 전해질/전극 계면에 나노 주름 기능층을 프린팅하는 데에 성공하였다. 특히, 기존에 발생하던 고질적인 나노 섬유 전극의 계면에서의 구조적 단점을 보완하고 반응성을 향상시켜, 이를 기반으로 650 도 이하의 중저온에서 작동하는 고성능 고체 산화물 연료전지 시스템을 구축하였다. 연구팀은 나노 주름 기능층의 구조 설계를 통하여 나노 섬유 전극의 고질적인 계면 문제를 접합, 반응성 측면에서 크게 개선시켜, 전극의 전기화학적 성능을 직접적으로 나타내는 전극의 분극화 저항을 3.3 배 가량 감소시키는 것과 동시에 연료전지의 전력밀도를 2.2 배 가량 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이원영 교수는 “기존의 나노 섬유 구조의 공기극을 활용 시 구조적인 특성으로 인한 한계를 나노 주름 기능층 도입을 통하여 극복할 수 있었고, 특히 추후 다양한 나노 구조체에 적용될 수 있기 때문에 높은 파급효과를 가지고 있다고 판단된다. 또한, 대면적, 고속화 공정에 용이한 정전기 스프레이 법을 이용하였기 때문에 상용화단계의 기술개발에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이 연구 성과는 멀티스케일 사업단 글로벌 프론티어 사업 및 한국 연구재단의 전략과제 사업과 신진중견연계 사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. (NRF-2014M3A6A7074784, NRF-2017R1E1A1A01075353, 2019R1A2C4070158, 2017M1A2A2044927) 에너지 분야 국제학술지 저널 오브 메테리얼스 케미스트리 에이 (JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A) 표지논문으로 8월 2일자 온라인 게재되었다.
- No. 125
- 2019-12-13
- 9533
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화학공학/고분자공학부 김태일 교수
인간능력증대를 위한 생체모방전자소자
김태일교수 연구팀은 생체모방기술 (자연의 구조물에서 얻은 모티드를 공학적으로 재해석하는 기술)과 유연전자소자 (잡아당길 수 있는 기판에 구현한 전자소자) 기술을 접목하여 새로운 생체모방전자소자를 연구하고 있다. 반도체기반의 공정을 이용하여 기존 바이오전자소자가 가지는 크기 및 성능의 한계를 극복하는 연구를 진행해 오고 있으며 특히 생체모방기술에서 얻은 여러가지 감각기관 (시각, 촉각, 청각 등)의 구조를 재해석하여 유연전자소자화 하고자 한다. [1] 특히, 곤충의 진동감각기관 (lyriform slit organ)을 모사한 인공고막등의 기술을 세계 최소로 제시하여 기존 바이오소자인 인공달팽이관장치 (인공와우)의 대안기술이 될 수 있으며, 전자소자의 유연함은 눈과 같은 곡선형 (curvilinear)구조에서도 적용가능하여 인간감각기관의 증진을 가져올 수 있다. 관련기술은 신경인터페이스 기술과 접목하여 신경의 전기활성도를 생체모방소자로 측정 혹은 자극하여 스트레스호르몬등을 제어할 수 있다. 또한, 본 연구실은 유연소자가 가지고 있는 가장 큰 문제점인 방열의 문제점을 흰개미집 (termite mound)구조를 본따 계층구조의 병열을 해결[2]하고 또한 유연전자소자에 적용함으로 유연소자의 특성을 한단계 업그레이드 할 수 있는 방법[3]을 제시하였다. 이러한 유연생체모방소자 관련 기술은 비단 바이오소자 뿐만 아니라 최근 상업화되고 있는 롤러블 (rollable), 접을 수 있는 (foldable)소자로도 응용가능한 연구[4]를 진행 하고 있어 연구실 졸업생은 차세대소자의 경험으로 삼성, LG등 연구소부터 해외대학 박사후연구원까지 매우 다양한 분야로 진출이 가능하다. [1]. Yei Hwan Jung, B. Park, J.U. Kim, and Tae-il Kim*, "Bioinspired Electronics for artificial sensory systems" Adv. Mater._31 (34) 183637 (Aug 2019) [impact factor 25.809] [Link]_미융파, 나노, 기본 [2] Byeonghak Park, J.U. Kim, J. Kim, D. Tahk, C. Jeong, J. Ok, J. Shin, D. Kang, Tae-il Kim* "Strain-Visualization with Ultrasensitive Nanoscale Crack-based Sensor Assembled with Hierarchical Thermochromic Membrane" Adv. Funct. Mater. 29 (40) 1903360 (Oct 2019) [3]. Haeleen Hong, Y.H. Jung, J.S. Lee, C. Jeong, J.U. Kim, S. Lee, H. Ryu, H. Kim, and Tae-il Kim*, "Anisotropic thermal conductive composite by guided assembly of boron nitride nanosheets for flexible and stretchable electronics", Adv. Funct. Mater. 29 (37) 1902575 (Sep 2019) [impact factor 15.621] [4]. Chanho Jeong, J.S. Lee, B. Park, C.S. Hong, J.U. Kim and Tae-il Kim*, "Controllable Configuration of Sensing Band in a Pressure-Sensor by Lenticular Pattern Deformation on Designated Electrodes", Adv. Mater. 31,(36), 1902689 (Sep 2019)
- No. 124
- 2019-11-29
- 9334
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성균나노과학기술원 임용택 교수
면역바이오공학기반 항암면역치료제 한계 극복
임용택 교수 연구팀은 2018년 노벨 생리의학상과 관련된 차세대 항암치료제인 면역관문억제제의 한계를 극복할 수 있는 신규 기술들을 국제저명학술지에 최근 연달아 발표하고 있다. 현재, 항암면역치료제 중 가장 널리 사용하고 있는 면역관문억제제 (Anti-CTLA4, Anti-PD-1, Anti-PD-L1 등)는, 실제 임상에서 환자의 반응율이 매우 낮으며, 대략적으로 5~30%로 머물러 있다. 면역관문억제제의 반응율은 종양 미세환경 (Tumor microenvironment)에 의해 좌우되는데, 항암면역세포 기능을 하는 항원제시세포나 T 세포의 양이 매우 적거나, 다양한 면역억제 인자 (Immunosuppressive factors)들에 의해 치료용 면역세포의 기능이 억제된 콜드튜머 (cold tumor)의 경우에는 그 반응율이 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 임용택 교수 연구팀은 면역관문억제제의 반응율을 향상시키기 위하여, 기존 항암제와 면역활성화 물질이 담지된 나노면역컨버터를 개발하고, 치료용 면역세포의 리쿠르팅을 유도함과 동시에, 면역억제인자들을 제어함으로써, 콜드튜머를 핫튜머(hot tumor)로 전환시킬 수 있었다. 생체 내에 주입이 가능한 디스크와 젤 타입의 나노면역컨버터에 대한 연구결과들이 최근에 국제 저명 학술지에 게재 되었다 (Advanced Materials (IF=25.809). 2019년 9월 6일자 온라인 게재) (ACS nano (IF=13.903). 2019년 10월 7일자 온라인 게재). 임용택 교수는 “면역관문억제제에 대한 반응율을 높이기 위한 핵심기술은 종양미세환경에서, 실제로 암세포를 살상하는 역할을 하는 항원 특이적 T 세포의 분화 및 증식을 유도하는 것과, 종양에 존재하며 T세포의 기능을 저해하는 역할을 하는 면역억제세포 (MDSC, TAM, Treg) 및 면역억제기능 사이토카인 (TGF-beta, IL-10 등)을 조절하는 것입니다. 이번 연구에서는, 면역 반응 조절제인 레지퀴모드 (Resiquimod, R848)를 2가지 나노면역컨버터에 각각 로딩함으로써 방출거동 (sustained release)를 조절하여, 기존 레지퀴모드의 단점인 전신독성을 낮췄다는 장점이 있습니다. 환자의 종양 미세환경에 존재하는 면역억제세포의 기능을 조절하여, 면역관문억제제에 반응하지 않는 종양인 콜드튜머 (cold tumor)를 면역관문억제제에 반응하는 핫튜머 (hot tumor)로 전환시키며, 치료용 면역세포인 수지상세포, 대식세포, T세포의 활성화를 유도할 수 있으며, 면역억제세포인 종양 촉진 대식세포 (M2 macrophage)를 종양 억제 대식세포 (M1 macrophage)로 유도할 수 있습니다. 본 연구에서 개발된 두가지 플랫폼은 1) 종양이 수술로 완전히 제거되지 않는 상황이나 수술이 불가능한 상황에서 암의 재발과 전이를 방지할 수 있는 디스크형태, 2) 동결건조가 가능하고 항암면역치료 분야 뿐만 아니라 감염성 질환을 조절할 수 있도록 나노에멀젼의 형태로 개발하였습니다. 이번에 개발된 두가지 나노면역컨버터 제조에 사용된 원료는, 이미 인체적용에서 안전성이 증명된 생체적합성 소재로서, 임상적용 가능성이 매우 높으며. 특히, 환자마다 다른 종양미세환경에 존재하는 다양한 면역학적 인자들의 분석을 통하여, 면역관문억제제의 치료효율을 높이기 위해 암환자에서 추출한 신생항원 (neo-antigen)을 함께 전달하거나 환자 맞춤형 약물을 선택적으로 로딩할 수 있어 환자 맞춤형 항암백신으로의 효과도 기대할 수 있습니다.” 라고 발표했다. 논문명: Designer scaffold with immune nanoconverters for reverting immunosuppression and enhancing immune checkpoint blockade therapy (Advanced Materials(IF=25.809), September 6, 2019) 저자: Hathaichanok Phuengkham (제1저자, 박사과정), 송찬영 (공저자, 박사후연구원), 임용택 교수 (교신저자) 논문명: Lyophilizable and Multifaceted Toll-Like Receptor 7/8 Agonist-Loaded Nanoemulsion for the Reprogramming of Tumor Microenvironments and Enhanced Cancer Immunotherapy (ACS nano (IF=13.903), October 7, 2019) 저자: 김선영 (제1저자, 박사후연구원, 성균관대), 김소현 (공동 제1저자, 석박사통합과정), 이상남 (공저자, 석박사통합과정), 신일우 (공저자, 석박사통합과정), 신홍식 (공저자, 석박사통합과정), 진승모 (공저자, 석사과정), 임용택 교수 (교신저자)
- No. 123
- 2019-11-13
- 8590
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기계공학부 권오채 교수
'로켓 엔진 심장' 수소추진체 개발 평가기법 제시
기계공학부 권오채 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했다. 국내 액체로켓* 추진제 다원화를 위한 밑거름이 될 것으로 기대된다. ※ 액체로켓 : 고체추진제를 사용하는 로켓에 비해 복잡하나 엔진을 끄고 켜는 등의 정밀한 조정이 가능하다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이뤄진 이 연구의 성과는 열역학 분야 국제학술지 ‘에너지'(Energy) 프린트판에 8월 1일 게재되었다. 액체 로켓엔진 안에서 발생하는 추진제의 연소는 복합적 현상으로 로켓 발사에 성공한 나라에서도 아직 활발히 연구되는 주제이다. 한국형 발사체 개발을 위해 국내에서도 케로신* 추진제에 대한 연구는 활발하나 수소 추진제 연구는 아직 많이 진행되지 않았다. ※ 케로신 : 등유. 가솔린 다음으로 높은 끓는점 범위를 가진 석유 증류분. 로켓 엔진에서는 케로신을 고도로 정제한 RP-1 등을 이용한다. 수소 추진제는 케로신에 비해 크고 무거운 로켓엔진을 요구하지만 압도적인 비추력*과 탄소를 배출하지 않는 친환경성 덕분에 코어엔진이나 상단엔진의 추진제로 일부 국가에서 상용화되었고 국내에서도 필요성이 제기되어 왔으나 아직 연구 초기단계다. ※ 비추력 : 로켓 추진제의 성능을 나타내는 값. 1 초당 추진제 1 kg이 소비될 때 발생하는 힘 연구팀은 액체 로켓엔진의 작동조건을 모사하고자 최대 60기압에 이르는 고압 모델연소실과 영하 183도의 초저온 액체산소를 공급할 수 있는 추진제 공급장치를 제작하고 연소실험을 수행, 수소 추진제의 연소안정한계를 측정하였다. 화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 연소안정한계는 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소로 이에 대한 데이터는 수소 로켓엔진 설계의 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 온도, 압력, 상(phase), 분사속도 등 여러 분사조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 분무특성을 분석하고 화염을 가시화하여 연소특성을 연구했다. 얻은 화염가시화 데이터를 통해 수정된 Damkohler 수*를 제안하여 화염이 안정화 될 수 있는 일반적인 기준을 세우고, 이를 활용하여 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계할 수 있었다. ※ Damkohler 수 : 난류 화염을 이해하는 데 중요한 수. 특성 화학 시간에 대한 특성 혼합 시간의 비를 나타낸다. 이번 성과는 연소실의 규모, 연료의 분사량, 분사속도, 연료의 종류 등 연소에 관여하는 변수들이 달라지더라도 범용적으로 추진제의 연소특성을 평가할 수 있는 기준을 제시한 데 의의가 있다. 기존 연소안정한계는 특정 실험조건에서 얻은 측정값으로 연소조건이 달라지는 실제 로켓엔진 평가에 활용하기는 어려웠다. 기존 가스터빈, 보일러 등에 널리 적용되던 무차원 수를 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있도록 했다는 설명이다.
- No. 122
- 2019-11-01
- 8220
