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임성갑 교수, 새로운 다층 금속 상호연결 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 임성갑 교수와 POSTECH(총장 김도연) 창의IT융합공학과 김재준 교수 공동 연구팀이 비아홀(via-hole, vertical interconnect access hole) 공정 없이도 금속을 다중으로 상호 연결할 수 있는 기술을 개발했고, 이를 통해 5층 이상의 3차원 고성능 유기 집적회로를 구현했다.
이번 기술은 금속의 수직 상호 연결을 위해 공간을 뚫는 작업인 비아홀 공정 대신 패턴된 절연막을 직접 쌓는 방식으로, 유기 반도체 집적회로를 형성하는데 적용할 수 있는 신개념의 공정이다.
유호천 박사와 박홍근 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 6월 3일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Highly stacked 3D organic integrated circuits with via-hole-less multilevel metal interconnects)
유기 트랜지스터는 구부리거나 접어도 그 특성을 그대로 유지할 수 있는 장점 덕분에 유연(flexible) 디스플레이 및 웨어러블 센서 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
그러나 이러한 유기물 반도체는 화학적 용매, 플라즈마, 고온 등에 의해 쉽게 손상되는 문제점 때문에 일반적인 식각 공정을 적용할 수 없어 유기 트랜지스터 기반 집적회로 구현의 걸림돌로 여겨졌다.
공동 연구팀은 유기물 반도체의 손상 없이 안정적인 금속 전극 접속을 위해 절연막에 비아홀을 뚫는 기존 방식에서 벗어나 패턴된 절연막을 직접 쌓는 방식을 택했다. 패턴된 절연막은 패턴 구조에 따라 반도체소자를 선택적으로 연결할 수 있도록 했다.
특히 연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD: initiated chemical vapor deposition)’을 통해 얇고 균일한 절연막 패턴을 활용해 안정적인 트랜지스터 및 집적회로를 구현하는 데 성공했다.
공동 연구팀은 긴밀한 협력을 통해 개발한 금속 상호 연결 방법이 유기물 손상 없이 100%에 가까운 소자 수율로 유기 트랜지스터를 제작할 수 있음을 확인했다. 제작된 트랜지스터는 탁월한 소자 신뢰성 및 균일성을 보여 유기 집적회로 제작에 큰 역할을 했다.
연구팀은 수직적으로 분포된 트랜지스터들을 상호 연결해 인버터, 낸드, 노어 등 다양한 디지털 논리 회로를 구현하는 데 성공했다. 또한, 효과적인 금속 상호 연결을 위한 레이아웃 디자인 규칙을 제안했다. 이러한 성과는 향후 유기 반도체 기반 집적회로 구현 연구에 유용한 지침이 될 것으로 기대된다.
연구책임자인 POSTECH 김재준 교수는 “패턴된 절연막을 이용하는 발상의 전환이 유기 집적회로로 가기 위한 핵심 기술의 원천이 됐다”라며 “향후 유기 반도체 뿐 아니라 다양한 반도체 집적회로 구현의 핵심적인 역할을 할 것으로 기대한다”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단과 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 제안된 금속 상호 연결 기술 모식도
그림2. 수직 집적된 디지털 회로 공정 모식도 및 이미지
2019.06.11 조회수 15440 -
이상엽 교수, 포도향 생산하는 미생물 개발
〈 이상엽 특훈교수 〉
〈 1저자 루오 쯔 웨(Zi Wei Luo) 박사후 연구원, 조재성 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대사공학 기법을 이용해 재조합 미생물 기반의 포도향을 생산하는 공정을 개발했다.
연구팀의 기술은 재생 가능한 탄소 순환형 바이오매스를 통해 화학적 촉매 반응 없이 순수한 생물학적 공정만으로 메틸안트라닐산을 제조하는 기술이다. 생산 공정이 단순하고 친환경적이기 때문에 경제적인 방식으로 고부가가치 물질인 메틸안트라닐산을 생산할 수 있다는 의의가 있다.
루오 쯔 웨(Zi Wei Luo) 박사후연구원, 조재성 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 5월 13일 자 온라인판에 게재됐고 하이라이트 논문으로 소개됐다. (논문명 : Microbial production of methyl anthranilate, a grape flavor compound)
석유 자원의 고갈과 기후 변화 및 환경 문제 우려가 커지면서 여러 유용한 화학물질 생산을 위한 친환경적이고 지속 가능 공정의 중요성과 관심이 날로 커지고 있다. 특히 대사공학은 재생 가능한 비식용 바이오매스로부터 다양한 천연 및 비천연 화합물 생산을 가능하게 해 지속 가능한 발전을 위한 해결책을 제공해 왔다.
그러나 식물 유래의 천연화합물 생산을 위한 미생물 개발은 여전히 부족해 계속 도전해야 할 분야로 남아있다.
메틸안트라닐산은 콩코드 포도 특유의 향과 맛을 내는 주요 천연화합물로 여러 과일 및 식물에 함유돼 있다. 화장품이나 의약품 등에 향미 증진제로 광범위하게 사용되는 물질로 다방면으로 활용할 수 있다.
그러나 식물에서 메틸안트라닐산을 추출하는 방식은 경제성이 낮아 지난 100여 년간 유기용매를 사용하는 석유 화학적 방법으로 제조돼 인공착향료로 분류됐다.
이 특훈교수 연구팀은 대사공학 기법으로 미생물의 대사 회로를 설계해 포도당과 같이 재생 가능한 바이오매스로부터 100% 천연 메틸안트라닐산을 화학 촉매 없이 효율적으로 생산하는 공정을 최초로 개발했다.
연구팀은 이상(二相) 추출 발효 과정을 이용해 생산되는 메틸안트라닐산 메틸을 정제하는 방법도 개발했다.
이 특훈교수는 “지난 100년 동안 석유화학 기반으로만 생산된 메틸안트라닐산을 100% 바이오 기반의 친환경 방식으로 생산할 수 있게 된 기술이다”라며 “천연 메틸안트라닐산은 향후 식품, 의약품 및 화장품 산업에 다방면으로 이용할 수 있을 것이다”라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 메틸안트라닐산 생산 과정
2019.05.20 조회수 15977 -
이진우 교수, 그래핀 기반의 자연 효소 모방물질 개발
〈 이진우 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 그래핀을 기반으로 해 과산화효소의 선택성과 활성을 모방한 나노단위 크기의 무기 소재(나노자임, Nanozyme)를 합성하는 데 성공했다.
연구팀은 이 무기 소재를 이용하면 알츠하이머병 조기 진단과 관련된 신경전달물질인 아세틸콜린을 자연 효소를 이용했을 때보다 더 민감하게 검출할 수 있음을 확인했다.
가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수, UNIST 에너지화학공학부 곽상규 교수팀과 공동으로 연구하고 김민수 박사가 1 저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 3월 25일자에 게재됐다. (논문명 : N and B Codoped Graphene: A Strong Candidate To Replace Natural Peroxidase in Sensitive and Selective Bioassays , 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀: 민감하고 선택성이 있는 바이오에세이에 사용되는 자연의 과산화효소를 대체할 수 있는 강력한 후보)
효소는 우리의 몸 속 다양한 화학 반응에 촉매로 참여하고 있다. 각각의 효소는 구조가 매우 복잡해 체내에서 특정 온도와 환경에서 원하는 특정 반응에만 촉매 역할을 할 수 있다.
특히 과산화효소는 과산화수소와 반응하면 푸른 색을 띠기 때문에 과산화수소를 시각적으로 검출할 수 있다. 이를 이용해 산화 과정에서 아세틸콜린을 포함한 과산화수소를 배출하는 다양한 물질을 시각적으로 검출할 수 있다는 장점이 있다.
대신 효소는 안정성, 생산성이 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 단백질로 이뤄진 효소와 달리 무기물질로 합성된 효소 모방 물질은 기존 효소의 단점을 해소할 수 있어 효소의 역할인 질병의 검출 및 진단 시스템에 활용할 수 있다. 따라서 효소의 활성을 정확히 모방하는 나노물질의 필요성이 커지고 있다.
그러나 효소를 모방하는 나노물질은 활성을 모방하는 것이 가능하지만 원하지 않은 다른 부가적인 반응을 일으킬 수 있다는 단점이 있어 효소를 대체하는 데 어려움이 있다. 특히 기존의 과산화효소 활성이 높은 물질은 과산화수소가 없는 상황에서도 색이 변하기 때문에 검출 물질이 없어도 발색이 되는 단점이 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 과산화효소 활성만을 선택적으로 모방하는 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀을 합성했다. 이 그래핀의 경우 과산화수소 활성은 폭발적으로 증가하지만 다른 효소 활성은 거의 증가하지 않아 과산화효소를 정확하게 모방할 수 있다.
연구팀은 실험적 내용을 계산화학을 통해 증명했으며 새롭게 개발한 물질을 이용해 중요 신경전달 물질인 아세틸콜린을 시각적으로 검출하는 데 성공했다.
아세틸콜린은 알츠하이머병의 조기 진단과 관련이 높아 연구팀의 효소모방 물질을 이용하면 향후 질병 진단 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 교수는 “효소 모방 물질은 오래되지 않은 분야이지만 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성 때문에 관심이 폭발적으로 커지고 있다”라며 “이번 연구를 통해 효소의 높은 활성 뿐 아니라 선택성까지 가질 수 있는 물질을 합성하고 알츠하이머의 진단 마커인 아세틸콜린을 효과적으로 시각적 검출할 수 있는 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 촉매의 과산화효소와 산화효소 활성을 시각적으로 확인할 수 있는 사진
그림2. 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀의 바이오 에세이 적용
2019.04.23 조회수 15587 -
이도창, 김신현 교수, 반도체 나노막대로 초박막 편광필름 개발
우리 대학 생명화학공학과 이도창, 김신현 교수 연구팀이 반도체 나노막대가 일렬로 배열된 수 나노미터 두께의 편광필름을 개발했다.
이 교수 연구팀은 나노막대입자의 상호작용력을 미세하게 조절해 나노막대들이 스스로 공기-용액 계면에서 일렬종대로 조립되게 설계했다. 이러한 자기조립기술은 전기장이나 패터닝된 기판 등 외부의 도움이 필요하지 않기 때문에 다양한 분야에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
김다흰 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 2월 19권 2호에 출판됐다. (논문명 : Depletion-mediated interfacial assembly of semiconductor nanorods).
반도체 나노막대는 막대의 긴 방향을 따라 편광 빛을 내는 독특한 광학 특성이 있어 디스플레이 분야에서 막대한 빛 손실을 가져왔던 기존 편광판을 대체할 수 있는 전도유망한 나노소재로 주목받고 있다.
단일 나노막대의 편광 특성을 소자 면적의 필름에서 구현하기 위해서는 구성하는 모든 나노막대가 한 방향으로 정렬된 뗏목 형태인 스멕틱(smectic) 자기조립 구조가 필요하다.
그러나 수십 나노미터의 길이와 수 나노미터 두께의 나노막대를 대면적에서 정렬하기 위해서는 전기장을 유도하는 전극 기판 혹은 한정된 공간에서 입자를 조립할 수 있는 패터닝된 기판을 필요로 해 실제 소자에 적용하기에는 한계가 있다.
이렇게 조립된 나노막대 필름은 두께가 불균일하고 두꺼워 균일한 초박막 층을 사용해야 하는 필름 소자에는 적합하지 않았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 공기-용액 계면과 나노막대 간의 인력, 나노막대와 나노막대 간의 인력을 순차적으로 유도해 단일층 두께의 나노막대 스멕틱 필름을 제작했다.
연구팀의 고배향 필름 제작 기술은 기판으로 사용된 공기-용액 계면을 용액 증발과 함께 제거할 수 있고 조립 면적에 제한이 없어 소자 종류에 상관없이 적용할 수 있다.
연구팀은 길이 30나노미터, 지름 5나노미터의 나노막대들이 수십 마이크로 제곱 면적에 걸쳐 88%의 정렬도로 초박막 필름을 형성함을 확인했다.
나아가 계면과 나노막대, 나노막대와 나노막대 간 상호작용력을 정량적으로 계산 및 비교함으로써 나노막대가 계면에서 조립되는 원리를 밝혔고, 계면에서 얻을 수 있는 다양한 형태의 자기조립구조를 증명했다.
연구팀이 개발한 반도체 나노막대의 스멕틱 필름은 편광 발광층으로 디스플레이 분야에 활발히 적용돼 소자 두께의 최소화, 비용 절감, 성능 강화 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
1 저자인 김다흰 연구원은 “입자의 상호작용력 조절을 통해 단일층 두께에서 나노막대 스스로가 방향성을 통제하며 고배열로 정렬할 수 있다는 것을 보였다. 이는 외부 힘 없이도 더욱 정교한 자기조립구조가 가능하다는 것을 보여주는 결과이다”라며 “고배열, 고배향을 갖는 다양한 나노입자의 초박막 필름 제작 및 필름 소자에 활발히 사용될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 나노․소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 공기-용액 계면에서 나노막대의 자기조립 과정을 보여주는 모식도
그림2. 나노막대 표면을 감싸고 있는 리간드 층 밀도에 따른 자기조립구조 모식도와 전자현미경 이미지
2019.03.20 조회수 12075 -
이현주 교수(전기및전자공학부), 움직이는 쥐에 초음파 뇌 자극 실험 성공
우리 대학 전기및전자공학부 이현주 교수 연구팀이 초소형화 및 초경량화한 미세 초음파 소자(CMUT)를 통해 자유롭게 움직이는 쥐의 뇌에 초음파 자극을 줄 수 있는 기술을 개발했다.
이 교수 연구팀은 1g 미만의 초경량 초음파 소자 개발을 통해 움직이는 쥐의 뇌 초음파 결과를 얻는 데 성공했다. 이는 쥐 무게의 6배에 달하는 초음파 변환기를 사용해 움직이는 쥐에 적용할 수 없었던 기존 기술의 한계를 극복한 것이다.
김형국 석사가 주도하고 김성연 석사과정과 덴마크 공과대학교 (DTU) 티어샤(Thielscher) 교수 연구팀이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘브레인 스티뮬레이션(Brain Stimulation)’ 11월 17일자 온라인판에 게재됐고, 3월자 12권 2호에 출판될 예정이다. (논문명 : 자유롭게 움직이는 동물에서 비침습 뇌자극이 가능한 초소형 초음파 링 변환자 어레이, Miniature ultrasound ring array transducers for transcranial ultrasound neuromodulation of freely-moving small animals)
최근 뇌 자극 기술로 비침습적이고 집속이 가능한 초음파 자극 기술이 차세대 뇌 자극 기술로 주목받고 있다.
뇌를 자극하는 기존 방법에는 뇌의 특정 영역을 미세 자극할 수 있는 심부뇌자극술(DBS)과 광유전학 기반의 광 자극이 있지만 침습도가 높아 임상에 적용이 어렵다. 경두개전기자극술(TES)과 경두개자기자극술(TMS) 등은 비침습적이지만 자극 부위가 넓고 심부 자극이 불가능해 적용 범위에 한계가 있다.
초음파는 비침습적이기 때문에 동물실험뿐만 아니라 인체에도 안전하게 적용할 수 있어 임상 시험에 활용된다. 또한 초음파 집속을 통해 국소부위 자극과 심부 자극이 모두 가능해 타 기술 대비 이점이 많다.
초음파 뇌 자극 기술은 개발 초기 단계이기 때문에 지금까지는 쥐를 고정한 상태에서의 연구 결과만 발표됐다. 뇌 자극 관련 연구는 동물의 행동실험이 필수적임에도 불구하고 무거운 초음파 소자 때문에 쥐를 고정 및 마취해야만 했다.
연구팀은 미소 전자 기계 시스템(MEMS) 기술을 통한 정전용량 미세 초음파 소자(CMUT)의 초소형, 초경량화를 연구했다. 쥐의 구조에 맞는 중심 주파수, 크기, 초점 거리, 초음파 세기를 갖는 1g 미만의 소자와 행동실험에 적합한 실험 장치를 제작했다.
연구팀은 초음파 소자의 성능 평가를 위해 쥐 뇌의 운동 피질 (motor cortex)을 자극해 쥐의 앞발이 움직이는 운동 반응을 확인하고 승모근의 근전도를 측정했다.
연구팀은 초음파의 강도를 높일수록 운동 피질을 자극할 때 나오는 쥐의 앞발이 움직이는 현상이 더 자주 발생함을 확인했다. 결과적으로 초음파가 세지면서 반응의 성공률이 높아지는 결과를 얻어냈다.
연구팀의 초음파 소자는 쥐 뇌의 3~4mm 깊이까지 초음파가 전달되고 쥐 뇌 전체 크기의 25% 영역을 자극할 수 있다. 이 교수 연구팀은 향후 자극 범위를 국소화해 소형 동물 뇌의 단일 영역도 특이적으로 자극할 수 있는 차세대 뉴로툴 기술을 개발할 계획이다.
연구팀은 움직이는 쥐의 결과를 실시간으로 얻어낸 이번 연구 결과를 토대로 초음파가 수면에 미치는 영향을 연구 중이다. 향후 수면 연구뿐 아니라 다양한 행동실험 연구에 초음파 자극 기술을 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
이 교수는 “머리를 고정하고 마취를 매번 시켰던 동물실험 방식을 벗어나 움직이는 쥐의 초음파 뇌 자극이 처음으로 가능해졌다”라며 “향후 수면장애, 파킨슨병, 치매, 우울증 등 여러 뇌 질환의 새로운 치료법 연구와 특이적 뇌 회로 규명에 광범위하게 적용될 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 뇌과학원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 행동실험이 가능한 초소형 비침습 초음파 자극 장치
그림2. 정전용량형 미세 초음파 소자의 (a-c) 구조 및 (d) 2D 시뮬레이션 빔 형
2019.02.11 조회수 12433 -
김희탁 교수, 이론용량 92% 구현한 리튬-황 전지 개발
〈 추현원 석사과정, 김희탁 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과/나노융합연구소 차세대배터리센터 김희탁 교수 연구팀이 이론용량의 92%를 구현하고 높은 용량 밀도 (4mAh/cm2)를 가지는 고성능, 고용량 리튬-황 전지를 개발했다.
추현원 석사과정과 노형준 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 1월 14일 자 온라인판에 게재됐고 우수성을 인정받아 에디터스하이라이트에 선정됐다. (논문명 : Achieving three-dimensional lithium sulfide growth in lithium-sulfur batteries using high-donor-number anions) ( https://www.nature.com/ncomms/editorshighlights )
리튬-황 전지는 리튬-이온 전지보다 약 6~7배 높은 이론 에너지밀도를 갖고 원료 물질인 황의 가격이 저렴해 리튬-이온 전지를 대체할 차세대 리튬 이차전지로 주목받고 있다.
그러나 리튬-황 전지는 구동 중 방전 생성물인 황화 리튬이 전극 표면에 쌓이고 전극 표면에서 전자전달을 차단해 리튬-황 전지의 이론용량 구현이 불가능하다는 한계를 갖는다.
이러한 전극 부동화의 문제를 완화하기 위해 과량의 도전제를 전극에 도입해 왔으나 이는 리튬-황 전지의 에너지 밀도를 크게 낮추는 문제를 발생시키며, 이론용량 구현이 70%를 넘지 못하는 한계를 보였다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존 리튬-황 전지의 전해질에 사용하던 리튬 염을 대체해 높은 전자기여도를 가지는 음이온 염을 이용했다. 이 전해질 염은 전지 내부의 황화리튬의 용해도를 높여 전극 표면에 3차원 구조의 황화리튬 성장을 유도하고 이는 전극의 부동화를 효율적으로 억제해 높은 용량을 구현할 수 있게 한다.
연구팀은 이 전해액 기술을 바탕으로 기존 리튬-이온 전지와 동등한 수준의 면적당 용량 밀도를 갖는(4mAh/cm2) 고용량 황 전극에 대해 이론용량 92%인 수준을 구현해 기존 리튬-황 전지 기술의 한계를 넘었다. 또한 리튬 음극 표면에 안정한 부동피막을 형성해 100 사이클 이상 구동 시에도 안정적인 수명을 구현했다.
특히 새로운 전해질 설계를 통한 황화리튬의 구조 제어 기술은 다양한 구조의 황 전극 및 구동 조건에서 적용 가능해 산업적으로도 큰 의미를 지닐 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “리튬-황 전지의 한계를 돌파하기 위한 새로운 물리 화학적 원리를 제시했다”라며 “리튬-황 전지의 이론용량의 90% 이상을 100 사이클 이상 돌리면서도 용량 저하 없이 구현했다는 점에서 새로운 이정표가 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 나노융합연구소, 한국연구재단 및 LG화학의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전해질에 따른 전극 위 리튬 설파이드 성장 구조 및 축적 메커니즘
그림2. 리튬황전지의 사이클 용량 및 수명 특성
2019.01.31 조회수 14501 -
이진우 교수, 다공성 구조의 기능성 황 담지체 개발
〈 이진우 교수, 임원광 연구원 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 서로 다른 크기의 기공을 갖는 구조의 무기소재 합성을 통한 황 담지체를 개발해 리튬-황 이차전지의 성능을 높이는 데 성공했다.
연구팀은 다차원 상분리 현상을 동시에 유도해 각기 다른 두 종류, 크기의 기공을 갖는 티타늄질화물을 합성했고 이를 황 담지체로 활용해 우수한 수명 안정성과 속도를 갖는 리튬-황 이차전지를 구현했다.
포스텍 화학공학과 한정우 교수와 공동으로 진행하고 임원광 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 1월 15일자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Approaching Ultrastable High-Rate Li-S Batteries through Hierarchically Porous Titanium Nitride Synthesized by Multiscale Phase Separation, 다차원 상분리를 활용한 계층형 다공성 구조의 티타늄질화물 합성 및 이를 통한 우수한 안정성과 높은 속도 특성의 리튬-황 이차전지 개발)
전기 자동차, 스마트 그리드 등의 기술은 대용량 에너지를 제어해야 하는 시스템으로 이를 효율적으로 활용하기 위한 차세대 이차전지 개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.
리튬-황 이차전지는 이론적으로 기존 리튬 이온 이차전지보다 약 7배 이상 높은 에너지 밀도 특성을 보인다. 또한 황의 저렴한 가격은 전지 생산 단가를 급격히 낮춰줄 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그러나 리튬-황 이차전지 음극과 양극에서 많은 문제점이 남아있어 상용화에 한계가 있다. 특히 양극에서는 황의 낮은 전기 전도도와 황이 충·방전 과정에서 전극으로부터 새어나가는 현상이 문제점으로 남아있다.
이를 해결하기 위해 황을 안정적으로 담을 수 있는 그릇 역할의 소재, 즉 황 담지체에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
기존 극성 표면의 무기 소재들은 황과 강한 작용력을 갖지만 무기 소재의 구조적 특성 제어를 할 방법이 부족해 황 담지체로 개발하기에는 한계가 있었다. 이번 연구는 독창적인 합성법을 개발함으로써 이 한계점을 극복했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 50나노미터 이상 크기의 매크로 기공과 50나노미터 이하의 메조 기공을 동시에 지닌 계층형 다공성 구조의 티타늄질화물 기반의 황 담지체를 개발했다.
티타늄질화물은 황과의 화학적 작용력이 매우 강하고 전기 전도도가 높아 충·방전 과정에서 황이 전극으로부터 빠져나가는 것을 막아주고 황의 전기화학적 산화, 환원 반응을 빠르게 해준다.
연구팀은 매크로 기공과 메조 기공의 구조적 시너지 효과로 인해 많은 양의 황을 안정적으로 담으면서도 높은 수명 안정성 및 속도 특성을 보임을 확인했다.
이 교수는 “리튬-황 이차전지는 여전히 해결해야 할 문제점이 많아 이를 해결하기 위한 연구는 지속적으로 이뤄져야 한다”라며 “이번 연구를 통해 안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발의 독보적인 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 LG화학과 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 계층형 다공성 티타늄질화물 합성전략 모식도
그림2. 합성된 계층형 다공성 티타늄질화물 전자현미경 사진
그림3. 저널 표지 원본
2019.01.28 조회수 9839 -
이상엽 특훈교수, 바이오 기반 화학물질 합성 지도 완성
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 바이오매스인 미생물로부터 화학제품을 생산하는 경로를 총정리한 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 개발, 완성했다.
연구팀은 화학물질을 생산하는데 필요한 바이오 및 화학 반응들에 대한 정보를 총망라해 생명공학자들이 쉽게 활용할 수 있게끔 지도 형태로 정리하고, 이에 대한 분석을 수행했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 표지논문으로 1월 15일 게재됐다.
석유로부터 화학제품을 생산하는 과정에서 온실가스를 배출하기 때문에 지구온난화 등 글로벌 기후변화를 유발하고 있다. 이에 세계는 친환경적 방법으로 화학제품을 생산하기 위해 미생물을 활용한 화학물질 생산기술 개발에 주력하고 있다.
미생물과 같은 바이오매스 원료에 생물공학적 또는 화학적 기술을 적용해 화학원료·연료 등 화학제품을 생산하는 공정을 ‘바이오 리파이너리(Bio-Refinery)’라 한다.
바이오 리파이너리의 생물공학적 방법 중 ‘시스템 대사공학’만을 100% 적용해 화학물질을 생산하는 사례가 점차 늘고 있지만, 생물공학적 방법과 화학반응의 통합공정이나 화학공정만을 활용하는 것이 더욱 효율적인 경우도 많다.
이번에 구축한 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’는 화학물질 생산을 위한 생물공학적·화학적 반응 전체에 대해 최적의 합성 경로를 구축한 것으로, 앞으로 바이오 기반 화학제품 생산 연구에 귀중한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
특히 중요성을 인정받아 네이처 카탈리시스는 ‘바이오 기반 화학물질 합성 지도’를 포스터로 제작해 관련 분야의 산업계, 연구계에서 활용할 수 있도록 전 세계에 배포할 계획이다.
이상엽 특훈교수는 “이번에 개발한 지도는 앞으로 시스템 대사공학이 나아가야 할 방향과 아이디어의 청사진을 제시해 준다는 점에서 의미가 있다”라며, “이는 향후 친환경 화학은 물론 의료·식품·화장품 분야 등 다양한 산업에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과기정통부 ‘기후변화대응기술개발사업’의 ‘바이오 리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발’ 과제 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 바이오 기반 화학물질 합성 지도
그림2. 네이처 카탈리시스 표지논문 디자인
2019.01.15 조회수 15282 -
전상용, 이대엽, 임성갑 교수, 암 줄기세포 제작 원천기술 개발
우리 대학 생명과학과 전상용, 이대엽 교수와 생명화학공학과 임성갑 교수 공동 연구팀이 특수 고분자박막을 이용해 3차원 암 줄기세포 스페로이드(spheroids)를 손쉽게 제작할 수 있는 세포배양 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법’을 이용한 고분자 박막을 형성해 암 줄기세포를 제작하는 데 성공했다. 이번 연구를 통해 암 줄기세포 기초 연구 및 약물 개발 플랫폼의 원천 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
최민석, 최윤정 박사, 유승정 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 미국 암학회(AACR) 대표 국제학술지인‘암 연구(Cancer Research)’ 10월 24일자 온라인 판에 게재됐다.(논문명 : Polymer thin film-induced tumor spheroids acquire cancer stem cell-like properties)
암 줄기세포는 항암제에 대한 내재적 저항성을 가져 암의 전이와 재발에 깊이 관여하고 있다. 그러나 종양 안에 극히 일부 존재하기 때문에 지금까지는 다양한 암 줄기세포의 대량 확보가 어려워 암 연구 및 약물 개발에 제약이 있었다. 생체 내에서 암은 3차원 조직 덩어리 형태로 존재하므로 암 줄기세포를 스페로이드 형태로 배양하는 연구가 필요하다.
연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD : initiated chemical vapor deposition)’을 이용해 세포배양 기판 위에 특정 고분자 (pV4D4)박막을 형성했다.
그 위에 다양한 암세포를 배양한 결과 암세포들이 고분자박막 표면으로부터 자극을 받아 서로 뭉치면서 3차원 스페로이드 형태를 만들었고, 이와 동시에 항암제에 대한 저항성을 가진 종양 암 줄기세포로 변화하는 것을 확인했다.
연구팀은 이러한 ‘표면자극 유도 암 줄기세포(Surface stimuli-induced cancer stem cell-like cell)’를 고효율로 손쉽게 대량 배양하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 연구에서 특정 고분자 박막에서 배양된 표면 자극 유도 암 줄기세포 스페로이드가 약 24시간 안에 형성되며 분석결과 암 줄기세포 관련 유전자의 양이 배양시간에 따라 증가함을 발견했다.
연구팀이 개발한 플랫폼을 통해 형성된 암 줄기세포 스페로이드는 실제 항암제를 처리했을 때 뛰어난 약물저항성을 지니고 있음을 확인했다. 또한 종양 동물모델에서 비교그룹에서는 보이지 않았던 다른 장기로 암이 전이되는 것을 확인했다.
연구팀은 전체염기서열분석(Whole-genome sequencing)을 통해 표면 자극 유도 암 줄기세포와 실제 암 환자 암 줄기세포와의 유사성을 확인했다.
전상용 교수는 “이미 시판되고 있는 다양한 종류의 암 세포주들 뿐만 아니라 환자에서 유래한 생체 내 환경과 유사한 3차원 스페로이드 형태로 양질의 암 줄기세포를 고효율로 손쉽게 대량 배양할 수 있는 원천 기술을 개발했다”라며 “향후 암 줄기세포 기초 연구 및 약물 개발의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
또한 “나아가 암 줄기세포 제작용 플랫폼 소재에 대한 원천 기술 확보를 통해 거대한 암 관련 의료시장에서의 경제적인 부가가치 창출도 가능할 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다. 재단에서는 이 연구의 중요성을 높이 평가해 올해 9월부터 후속 과제 사업을 통해 3년 연장 지원을 결정했다.
□ 그림 설명
그림1. 3차원 암줄기세포 스페로이드 형성 모식도
그림2. 형성된 암줄기세포를 이용하여 약물 저항성 확인
2018.11.28 조회수 12103 -
김신현 교수, 달걀 속 살충제 성분, 현장 즉시 검출 기술 개발
〈 김신현 교수, 김동재 박사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀과 재료연구소(소장 이정환) 김동호 박사 공동 연구팀이 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했다.
연구팀은 개발한 센서를 통해 다양한 종류의 살충제 성분을 검출하는데 성공했다. 특히 국내 및 유럽에서 문제가 됐던 달걀 속 살충제 성분인 피프로닐 술폰(Fipronil sulfone)을 시료 전처리 없이 검출할 수 있음을 증명했다.
연구팀의 센서는 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 내부에 금 나노입자 응집체를 캡슐화한 형태로 생체 시료 내에 존재하는 분자를 직접 분석해야 하는 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.
김동재 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 10월 4일자 내부표지 논문으로 게재됐다.(논문명 : SERS-Active Charged Microgels for Size- and Charge-Selective Molecular Analysis of Complex Biological Samples, 생체 시료의 분자 크기 및 전하 선택적 분석을 위한 표면증강라만산란용 마이크로젤)
분자가 레이저에 노출되면 ‘분자 지문’이라고 불리는 고유의 라만(Raman) 신호를 보인다. 하지만 일반적으로 라만 신호의 세기는 매우 낮아 실질적인 분자 감지에 사용이 어렵다.
연구팀은 금속 나노구조의 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 강한 세기의 기장을 형성하는 점을 이용해 라만신호를 현저히 증가시켰다. 이를 표면증강라만산란 현상이라고 한다.
이 표면증강라만산란 현상에 의해 금속 나노구조 표면에 존재하는 분자의 라만신호는 크게 증가시킬 수 있지만 이를 일반적인 생체 시료에 직접 적용하는 것은 어렵다. 생체 시료에 존재하는 다양한 크기의 단백질들이 금속 표면에 비가역적으로 흡착해 실제 분석이 필요한 분자의 접근을 막기 때문이다.
일반적으로 사용되는 생체 시료 분석법은 대형 장비를 이용한 시료 전처리 과정이 필수이다. 하지만 이로 인해 시료의 신속한 현장 분석이 어려워 시간과 비용을 증가시킨다.
연구팀은 시료의 정제 과정 없이 분자를 직접 검출하기 위해 하이드로젤에 주목했다. 하이드로젤은 친수성(親水性) 나노 그물 구조를 이루고 있어 단백질처럼 크기가 큰 분자는 배제하고 작은 크기의 분자만을 내부로 확산시킨다. 또한 하이드로젤이 전하를 띠는 경우 반대 전하를 띠고 있는 분자를 선택적으로 흡착시켜 농축할 수 있다.
연구팀은 이러한 원리를 센서 구현에 적용시키기 위해 미세유체기술을 이용했다. 이를 통해 금 나노입자 응집체를 형성하는 동시에 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 안에 캡슐화 하는데 성공했다.
하이드로젤 미세 입자는 생체 시료에 도입돼 단백질로부터 금 나노입자 응집체를 보호하고, 동시에 반대 전하를 띠는 표적 분자를 응집체 표면에 선택적으로 농축시킨다. 이를 통해 표적 분자의 라만 신호는 단백질의 방해 없이 증대되며 시료의 전처리 과정 없이 빠르고 정확한 분자 검출이 가능해진다.
김신현 교수는 “새롭게 개발한 라만 센서는 식품 내 살충제 성분 검출 뿐 아니라 혈액과 소변, 땀 등 인체 속 시료에 들어있는 약물, 마약 성분 등 다양한 바이오마커의 직접 검출에도 사용 가능하다”고 말했다.
재료연구소 김동호 박사는 “시료 전처리가 필요없기 때문에 현장에서 시료의 직접 분석이 가능해 시간과 비용의 혁신적 절감이 가능해질 것이다”고 말했다.
이번 연구결과는 재료연구소의 기관 주요사업과 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 글로벌연구실사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. small 저널 내부표지
그림2. 시료 전처리 없이 분자 선택적 라만 분석이 가능한 하이드로젤 기반 라만 센서의 원리
그림3. 분자 전하 선택적 농축 및 배제를 보여주는 현미경 사진
2018.10.18 조회수 12286 -
김도현 교수, 2차원 나노소재 분산용액 양산 기술 개발
〈 김도현 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 수력 공정의 전단력(剪斷力)과 혼합특성을 이용해 2차원 나노소재 분산용액을 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
2차원 나노소재 분산용액은 전자, 에너지 저장 및 전환 소자 개발에 사용되는 용액기반 공정에 직접 적용 가능해 소자의 다양화와 성능 개선을 실현시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
동국대학교 한영규 교수(제일원리 계산), 강원대학교 최봉길 교수(용액 특성 평가), 한국화학연구원 황성연 박사(물질 특성 평가) 연구팀과 공동으로 진행하고 정재민 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 12일자에 온라인 게재됐고, 논문의 우수성을 인정받아 표지논문에 선정됐다. (논문명 : Hydraulic Power Manufacturing for Highly Scalable and Stable 2D Nanosheet Dispersions and Their Film Electrode Application)
2차원 소재는 나노사이즈의 두께로 박리됐을 때 새롭고 우수한 물리, 화학적 특성이 나타나는 장점이 있어, 다양한 2차원 나노소재의 대량생산연구가 진행되고 있다.
그러나 높은 물리적 힘이나 화학적 반응성만을 이용하는 기존 박리기술들은 용량이 증가함에 따라 2차원 소재에 균일한 에너지를 주는 것이 힘들고 고비용과 많은 시간이 소요된다는 한계가 있다.
또한 나노두께로 박리된 2차원 나노시트들은 표면에너지의 증가로 다시 원래 두께로 돌아가려는 성질이 있어 유기용매나 계면활성제 등의 사용이 필수 조건이기 때문에 농도 제어나 응용성에 한계가 있다.
연구팀은 최근 2년간의 연구를 통해 반응기 내 최적화된 전단력과 혼합효율이 2차원 소재의 박리에 가장 효율적임을 규명했다. 연구팀은 증가된 반응기 용량에서도 이를 균일하게 유지할 수 있는 유동 모델과 응용 분야에 유용한 분산제를 선택해 수용액의 물리적 박리를 통한 고농도 2차원 나노소재의 고속 대량 생산기술을 개발했다.
연구팀은 테일러-쿠에트 흐름 기반의 유동 반응기를 제작했다. 테일러-쿠에트 흐름은 반응기 용량의 증가에도 높은 전단응력과 효과적인 혼합 효과를 가져 균일한 사이즈로 2차원 나노소재가 박리될 수 있다는 장점을 갖는다.
연구팀은 2차원 나노소재를 소량으로도 수용액상 안정화 및 분산시킬 수 있는 이온성 액체를 동국대 한영규 교수팀의 제일원리 계산을 통해 분산제로 선정하여 박리효율과 분산농도를 극대화했다.
연구팀은 개발한 분산용액의 성능을 확인하기 위해 막 여과 공정 (membrane filtration process)과 잉크젯 프린터의 잉크에 용액을 적용했다.
막 여과 공정은 매우 빠르고 간단하게 다양한 두께의 필름을 형성할 수 있는 방법으로 최근 각광받는 제한된 공간 내 높은 용량을 갖는 부피 대비 고용량 전극의 제조방법으로 응용되고 있다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀 분산용액을 막 여과 공정에 적용해 유연하고 높은 전도성의 마이크로 전극 필름을 만들었고, 슈퍼캐패시터 소자의 전극으로 적용했을 때 안정적이고 고성능 용량을 보임을 확인했다.
연구팀은 고속생산 된 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2), 붕화 질소(BN) 나노소재 분산용액을 잉크로 사용해 A4용지에 수 마이크로 두께의 나노소재 패턴을 만들었다. 그 중 그래핀 나노소재 패턴은 인쇄 후에도 추가적인 열처리 없이 기존의 전기적 성질을 잃지 않아 패턴 기반의 전기회로 역할을 하는 것을 확인했다.
김 교수는 “연구팀의 수용액상 나노소재 고속, 대량 생산기술은 다양한 종류의 2차원 소재들도 쉽게 적용 가능하다”며 “전자, 바이오센서, 에너지 저장/전환 시스템의 고효율 및 저비용 생산 최적화가 가능할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 한국화학연구원의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지
2018.10.11 조회수 10455 -
이상엽 교수, 미생물 발효한 친환경 기술로 햄(haem) 생산 기술 개발
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 대장균을 발효시켜 바이오매스로부터 헴(haem)을 생산하고 세포 밖으로 분비할 수 있는 기술을 개발했다.
이는 대사공학 전략을 통해 헴의 생산량을 대폭 높이고 생산된 헴을 효과적으로 세포 바깥에 분비하는 데 성공한 친환경적, 효율적 원천기술로 생산한 헴을 이용해 각종 산업의 확장에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
자오신루이, 최경록 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 8월 28일자 온라인 판에 게재됐다.
헴은 생명 유지에 필수적인 철분으로 혈액에서 산소를 운반하는 헤모글로빈이나 세포 호흡에 필수적인 사이토크롬을 비롯한 여러 중요한 단백질 기능에 핵심적 역할을 한다. 특히 인체 흡수율이 높기 때문에 고급 철분제나 약물로 이용된다.
무분별한 가축의 사육이 여러 사회 이슈를 불러일으키는 상황에서 최근 헴이 고기 맛을 내는 핵심 요소로 밝혀지며 콩고기에 미생물이나 식물에서 추출한 헴을 넣어 맛과 영양, 환경 등을 고려한 콩고기 조리법이 주목받기도 했다.
그러나 기존의 헴 생산 방식은 유기 용매를 이용한 동물의 혈액과 일부 식물 조직으로부터의 추출에 의존하고 있기 때문에 비효율적일 뿐 아니라 친환경적이지 않다는 한계가 있다.
대장균을 이용한 헴 생산 기술이 개발된 바 있지만 생산량이 수 밀리그램(mg)에 그치고 생산된 헴이 세포 내에 축적되기 때문에 헴 추출 등의 문제를 해결하지 못했다. 따라서 고농도로 헴을 생산하면서도 세포 바깥으로 헴을 분비해 정제를 용이하게 하는 친환경 생산 시스템 개발이 필요했다.
연구팀은 바이오매스를 이용한 고효율 헴 생산 미생물을 제작하기 위해 대장균 고유의 헴 생합성 회로를 구성했다. 또한 기존에 사용되지 않았던 C5 대사회로를 사용해 헴 생산의 전구체인 5-아미노레불린산을 생합성했다.
이를 통해 원가가 비싸고 세포 독성을 일으키는 물질인 글리신을 사용하지 않고도 헴 생산량을 대폭 높였다. 이 과정에서 연구팀은 헴 생산량이 향상됨에 따라 생산된 헴이 상당 비율로 세포 바깥으로 분비되는 것을 발견했다.
연구팀은 구성한 대장균의 헴 분비량을 더욱 높이기 위해 사이토크롬 생합성에 관여한다고 알려진 단백질인 헴 엑스포터를 과발현함으로써 헴 생산량과 세포외 분비량 모두가 향상된 헴 분비생산 균주를 개발했다. 이를 통해 헴 엑스포터와 헴의 세포외 분비 사이의 연관성을 밝혔다.
이번 연구를 통해 개발된 기술을 활용하면 환경, 위생, 윤리적 문제없이 재생 가능한 자원을 통해 헴 생산을 할 수 있다. 향후 의료 및 식품 산업 등 헴을 이용하는 다양한 분야에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.
이 특훈교수는 “건강 보조제, 의약품, 식품 첨가물 등 다양한 활용이 가능한 헴을 미생물발효를 통해 고효율로 생산했다”며 “생산된 헴의 3분의 2 가량을 세포 바깥으로 분비하는 시스템을 개발함으로써 산업적 활용을 위한 헴의 생산 및 정제를 용이하게 했다는 의의를 갖는다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 ‘바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제’ 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 대장균을 이용한 헴 생산 및 세포외 분비 전체 개념도
2018.09.06 조회수 14763