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광전환 효율 높인 고분자 태양전지 모델 개발
<김 범 준 교수>
국내 연구진이 차세대 에너지원으로 각광 받고 있는 플라스틱 태양전지의 광전환 효율을 크게 높이는데(5% 이상, 기존 대비 1%p 이상 증가) 성공하였다. 특히 기존의 태양전지를 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다.
우리 대학 김범준, 부산대 우한영 교수(공동 교신저자)가 주도하고, 우리 대학 강현범, 부산대 우딘 모하메드 아프사르 박사(공동 제1저자)가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 추진하는 기초연구사업(중견연구자), 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행되었고, 화학분야의 권위지 JACS(Journal of the American Chemical Society) 2월 18일자에 게재되었다.
고분자-고분자 태양전지는 기존의 풀러렌 유기태양전지에 비해 상용화에 핵심요소인 기계적인 안정성뿐만 아니라 열에 대한 안정성도 크게 향상시킬 수 있다.
그러나 풀러렌 유기태양전지(10%)에 비해 고분자-고분자 태양전지의 광전환 효율은 매우 낮다(4% 이하). 이것은 광 활성층을 형성하는 두 고분자가 잘 섞이지 않고 과도하게 분리되는 현상(상 분리)이 발생하기 때문이다. 이러한 상 분리 현상은 전자의 생성과 운반을 저해하고 태양전지의 광전환 효율을 감소시킨다.
연구팀은 전도성 고분자의 분자량과 구조를 조절함으로써 두 고분자의 상 분리 현상을 효과적으로 제어하여 5% 이상의 높은 광전환 효율을 가진 태양전지를 개발하였다.
연구팀은 현재 태양전지의 광전환 효율을 6%까지 끌어올렸는데, 이 수치는 지금까지 학계에 보고된 것 중에서 가장 높은 효율이다.
김범준 교수는 “이번 연구는 고분자 플라스틱 태양전지가 미래 에너지원, 특히 유연성이 필요한 휴대용 차세대 전자소자의 에너지원으로서 높은 응용가능성을 보여주는 사례”라고 밝혔다.
□ 그림 설명
그림 1. 플렉서블 고분자 / 고분자 태양전지 샘플
2015.03.30 조회수 12671 -
휘어지는 10나노미터 고분자 절연막 개발
10나노미터 이하의 얇고, 유연하게 휘어지면서도 균일한 두께를 유지하는 고분자 절연막의 개발로 사물인터넷의 실현을 앞당길 수 있을 것으로 보인다.
우리 대학 생명화학공학과 임성갑 교수, 전기 및 전자공학과 유승협, 조병진 교수 공동 연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, 이하 iCVD)’을 이용한 고분자 절연막을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 재료분야 국제 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’ 3월 10일자 온라인 속보판에 게재됐다.
사물인터넷 시대의 핵심인 웨어러블, 플렉서블 기술 촉진을 위해서는 가볍고 전력 소모가 적으면서도 유연성을 가진 소자 제작 기술이 필수적이다.
하지만 무기물 소재를 기반으로 한 절연막을 포함한 전자소자 재료들은 유연성이 부족하고, 고온에서만 공정이 가능해 열에 약한 다른 재료들과의 조합이 좋지 않다.
또한 용액을 이용해 만든 기존 고분자 소재 절연막은 표면장력에 의한 뭉침 현상으로 균일도에 한계가 있었고, 잔류 불순물로 인해 절연 특성도 좋지 못한 경우가 많았다.
공동 연구팀은 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 기체 상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막 형태로 합성하는 방법인 iCVD를 사용했다.
액체 대신 기체 상태의 반응물을 이용해 균일도를 높이고 불순물을 최소화함으로써, 10nm 이하의 매우 얇은 두께에서도 무기물 기반 소재에 필적하는 절연성을 가지게 됐다.
공동 연구팀은 개발한 절연막을 유기반도체, 그래핀, 산화물반도체와 같은 차세대 반도체를 기반으로 한 트랜지스터에도 적용해 우수한 이동도를 갖는 저전압 트랜지스터를 개발했다.
그 외에도 우수한 유연성을 바탕으로 스티커 필름 형태의 전자 소자를 시연했고, 동국대 노용영 교수 연구팀과 협력해 iCVD 고분자 절연막이 대면적 유연 전자소자 기술에 적용할 수 있음을 확인했다.
이 기술은 향후 다양한 미래형 전자기기 제작에 핵심 요소소재로 활용되고, 이 분야의 기술경쟁력 우위 확보에도 역할을 할 것으로 기대된다.
임성갑 교수는 “이번에 iCVD로 구현된 박막의 절연특성은 고분자 박막으로는 구현할 수 없었던 매우 높은 수준”이며 “이번에 개발된 iCVD 고분자 절연막은 플렉서블 전자 소자 등 차세대 전자 기술에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.
문한얼, 신우철 박사(전기 및 전자공학과), 성혜정 학생(생명화학공학과)이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부의 한국연구재단 신진연구자 지원사업 및 중견연구자 지원사업, 글로벌프론티어사업 나노기반 소프트일렉스토닉스 연구단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. iCVD 공정의 모식도
(i) 재료물질 (initiator, monomer) 주입, (ii) 개시제의 활성화, (iii), (iv): 활성화된 개시제에 의한 고분자(polymer) 합성
그림 2. 연구진이 개발한 고분자 절연막을 이용하여 제작한 대면적, 고유연성 전자소자
그림 3. 스티커처럼 붙이고 뗄 수 있는 전자소자 이미지
2015.03.10 조회수 17043 -
빛을 이용한 약물효소반응 촉진 플랫폼 개발
우리 대학 신소재공학과 박찬범 교수와 생명화학공학과 정기준 교수 연구팀은 빛으로 약물효소반응을 유도할 수 있는 새로운 반응 플랫폼을 개발했다.
연구결과는 지난 12일, 화학분야의 세계적 학술지인 ‘앙게반테 케미’에 후면 표지논문으로 게재됐다.
이 기술을 활용하면 저가의 염료로 고지혈증 등의 심혈관질환 치료제 및 오메프라졸과 같은 위궤양 치료제 등 고부가가치 의약품 생산이 가능할 것으로 보인다.
시토크롬 P450(cytochrome P450)은 생물체 안에서 약물 및 호르몬 등의 대사 과정에서 중요한 산화반응을 수행하는 효소이다. 사람에게 투여되는 약물의 75% 이상의 대사를 담당하고 있기 때문에 신약개발 과정에서 핵심적인 요소로 알려져 있다.
시토크롬 P450의 활성화를 위해선 환원효소로부터 전자를 받아야 하며 전달물질인 NADPH(생물 세포 내의 조효소)가 필요하다. 하지만 NADPH의 높은 가격 때문에 시토크롬 P450의 활용은 실험실 수준에 머무르고 있었으며, 산업적 활용에도 제 역할을 다하지 못했다.
연구팀은 NADPH 대신 빛에 반응하는 감광제인 에오신 Y를 활용해 대장균 기반의 ‘전세포 광-생촉매’ 방법을 개발했다. 저가의 에오신 Y를 빛에 노출시켜 시토크롬 P450의 효소반응을 촉진하여 고가의 대사물질을 생산한다는 원리다.
박 교수는 “이번 연구를 통해 산업적 활용에 제한이 컸던 시토크롬 P450 효소의 활용이 수월해졌다” 며 “우리의 기술은 시토크롬 P450 효소가 고부가가치 의약 물질을 생산하는데 큰 도움을 줄 것이다”라고 말했다.
박찬범, 정기준 교수(교신저자)의 지도아래 박종현 박사과정 학생, 이상하 박사가 주저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업과 글로벌프론티어사업, KAIST HRHRP (High Risk High Return Project)의 지원으로 수행됐다.
□ 그림설명
그림1. 빛으로부터 에오신 와이 (eosin Y, EY)를 통해 시토크롬 P450 효소로 전자를 전달하는 모식도
그림2. 연구결과를 설명하는 1월 12일자 ‘앙게반테 케미’ 후면 논문 표지
2015.01.21 조회수 16125 -
공기를 이용한 가스하이드레이트 생산법 개발
그동안 전 세계적으로 석탄이나 석유를 능가하는 막대한 미래 에너지자원인 가스하이드레이트를 안정적으로 생산할 수 있는 방법을 찾으려고 심혈을 기울여 왔으나 뚜렷한 해답을 찾지 못하고 있다.
기존의 기술들이 지닌 한계성도 있지만, 해저 지층의 일부를 이루고 있는 가스하이드레이트 층의 붕괴로 인한 지반 침하 및 해저 생태계 파괴와 같은 엄청난 지구적 재앙과 피해를 극복할 획기적 기술이 아직 나오지 않고 있다.
우리 학교 생명화학공학과 이흔 교수팀은 해저에 묻혀 있는 가스하이드레이트 층을 거의 손상하지 않고 얼음 결정 형태로 이루어진 하이드레이트 구조에 갇혀있는 막대한 양의 천연가스를 회수하고, 대신 그 빈자리에 지상에서 주입된 공기나 공기와 혼합가스를 집어넣는 획기적인 개념을 수립했다.
연구팀은 다양한 조건의 가스하이드레이트 층에 해리와 맞교환이 동시에 일어나는 새로운 개념의 회수원리를 직접 적용해 자발적 천연가스 생산을 완벽히 입증했다.
이러한 공기 주입법은 이산화탄소 격리 저장과 해저 에너지 자원을 개발 생산하는 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 개념의 원천기술이다.
자연현상 원리로 진행되는 천연가스 생산과정은 국내외에 특허 등록 및 출원됐으며 우리나라의 독보적인 기술로 KoFAST-2(Korea Field-Adapted Swapping Technology, 한국 필드 적응형 맞교환기술)라고 명명했다.
이에 앞서 이흔 교수팀이 개발해 국내외에 특허가 등록된 KoFAST-1은 이미 전 세계에 주목을 받고 있으며, 미국 메이저 석유가스회사인 코노코필립스(ConocoPhillips)가 2012년 4월 미국 알라스카 노스슬로프(North Slope)에 이산화탄소와 질소 혼합가스를 주입해 천연가스를 성공적으로 시험 생산함으로써 KoFAST 기술의 상업화 검증이 이루어졌다.
이번에 개발된 KoFAST-2에서는 대기 중의 공기를 직접 이용함으로써 생산 비용과 효율을 획기적으로 향상시켰다.
KoFAST-2는 KoFAST-1 보다 광범위한 천연 가스하이드레이트 필드에 적용 가능한 기술로, 기존 맞교환 기술의 잠재성을 최대한으로 끌어올린 신기술이다.
이흔 교수는 이번 연구에 대해 “셰일가스와 함께 차세대 에너지 양대 축인 가스하이드레이트 생산 원천기술을 국내에서 확보함으로써 전 세계 에너지자원 개발에 전환적 돌파구를 마련했다”며 “우리나라 동해에 부존된 막대한 양의 에너지자원 확보에도 절대적 기여가 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 산업통상자원부 가스하이드레이트사업으로 수행됐다.
<그림설명> 공기를 이용한 심해 가스하이드레이트 생산 모식도
2014.10.27 조회수 13227 -
빛으로 수리되는 전기회로 세계최초 개발
# 휘어지는 전자기기가 나오면서 금속 재질의 전기회로는 균열로 인한 불량이 발생할 가능성이 점점 높아지고 있다. 미세하면서도 구조가 복잡해 수리보다는 키트 단위로 부품을 교환하거나 고칠 수 없어 아예 못쓰게 되는 경우도 많다.
# 아이언맨과 같은 인간형 로봇이나 웨어러블 컴퓨터에 사용되는 금속전선은 지속적인 움직임으로 인해 끊어질 수 있기 때문에 상용화에 앞서 반드시 해결해야할 과제다.
우리 학교 생명화학공학과 박정기·김희탁 교수는 성균관대학교 성균나노과학기술원(SAINT) 이승우 교수와 공동으로 끊어진 전기회로에 레이저를 쪼여주면 단락된 부분이 원래 상태로 다시 붙어 전기가 통하게 되는 ‘빛을 이용한 자기회복 전기회로’를 세계최초로 개발했다.
개발된 회로는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 발표용 레이저포인터를 2분 정도 조사하는 것만으로도 끊어진 부위를 처음처럼 완벽하게 수리할 수 있다. 휘고 접고 비틀어도 잘 작동되는 연성기판을 사용하기 때문에 플렉시블 전자기기나 웨어러블 컴퓨터는 물론 움직임 많은 인간형 로봇의 전선으로 적용해 단락 시 곧바로 수리할 수 있다.
최근 얇고 휘어지는 고집적회로를 내장한 전자기기 개발이 활발해짐에 따라 전기회로에 구부림 등 외부 자극으로 인해 내부 전기회로가 손상될 수 있다. 고밀도 회로가 적용된 탓에 고장 난 부분만 수리하기가 어려워 주로 모듈단위로 바꿔야하기 때문에 비싼 수리비용과 자원낭비 문제가 대두되고 있다.
연구팀은 조사되는 빛의 편광 방향과 나란하게 움직이는 아조고분자를 휘어지는 성질이 있는 연성필름에 코팅했다. 그 위에 전기전도도가 우수하며 손쉽게 합성이 가능한 은나노와이어(은으로 이루어진 나노사이즈 막대기)를 도포해 휘어지는 전기회로를 완성했다.
완성된 자기회복 전기회로를 테스트해보기 위해 연구팀은 회로에 인위적으로 균열을 만들어 단락시켰다. 회로가 끊어진 부분에 500mw/cm2(단위면적당 발광 에너지) 세기의 레이저 빛을 조사하자 아조고분자가 편광방향과 나란하게 움직였다. 이와 동시에 도포된 은나노와이어가 아조고분자와 같이 움직여 끊어진 부분이 다시 접착돼 단락된 전기전도도가 회복됐다.
박정기 KAIST 교수는 “플렉시블 전자기기의 전기회로 단락문제를 해결해 전자기기 사용수명을 연장시킬 수 있는 가능성을 제시했다”며 “영화 속 아이언맨도 탐낼만한 차세대 신기술”이라고 말했다.
이승우 성균관대학교 교수는 “기존 자기회복 전기회로 기술의 단점이었던 고온을 사용하거나 해로운 용매를 사용하는 것과 같은 복잡한 회복과정이 없다”며 “주변에서 쉽게 구할 수 있는 레이저를 쏘아주면 끊어진 전기전도도가 회복되는 전기회로를 세계 최초로 개발했다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
한국연구재단이 추진하는 일반연구자사업의 지원을 받아 KAIST와 성균관대학교 교수진의 지도아래 KAIST 강홍석 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 재료 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 9월 16일자로 실렸다.
1. 아조고분자 필름에 크랙을 인위적으로 발생시킨 후 빛을 조사해 크랙을 회복시키는 이미지. 조사한 빛은 크랙과 수직한 편광을 갖는 빛이다. 2분의 조사시간만으로도 크랙을 완전히 회복시킨다.
2. 끊어진 전기회로가 다시 접합되는 과정
①아조고분자 필름 위에 은나노와이어를 도포한 후 인위적으로 크랙을 발생시켜 전기전도도 단락을 일으킨다. ②빛을 조사하여 아조고분자의 이동을 유도한다. ③그 효과로 인해 도포된 은나노와이어를 끌고 이동시켜서 다시 은나노와이어 접착을 유도한다. ④단락된 전기전도도가 회복된다. (회복과정으로 인해 'K‘ 모양으로 배열된 전구에 빛이 다시 들어오는 것을 보여줌)
3. 은나노와이어가 도포된 아조고분자 필름의 연성특성 파악. 구부림, 꼬임 등에도 모두 전기전도도를 유지한다. 자기회복 과정을 거친 후에도 전기전도도 특성을 유지한다.
4. 제작한 자기 회복 필름의 웨어러블 기기 적용 가능성 파악. 장난감 손에 아래와 같이 회로를 연결한 후 반복적 구부림을 통해 전기전도도 단락을 시킨 다음 빛을 조사해 전기전도도를 회복할 수 있다.
2014.10.15 조회수 16580 -
종이 한 장으로 구제역 조기 진단 가능해진다
지난 2010년 11월 말 경북 안동에서 시작돼 이듬해 4월 초까지 전국으로 퍼졌던 구제역파동은 직접적인 피해액만 3조원으로 추산되며 경제 전반에 미친 파급효과는 5조원 이상이라는 분석도 있다.
구제역과 같은 전염성 강한 질병을 현장에서 즉시 진단할 수 없기 때문에 피해가 확산될 가능성이 높다. 의심신고가 들어오면 시료를 채취해 전문기관에서 분석하는 데만 2~3일 걸린다. 그 사이 바이러스는 걷잡을 수 없이 퍼진다.
구제역, 조류독감, 신종플루 등 전염성이 강한 질병 진단을 위한 바이오센서를 저렴한 가격에 만들 수 있게 됐다.
우리 학교 생명화학공학과 정기준·임성갑(41) 교수 공동연구팀은 종이나 비닐 등 다양한 물질에 항체를 고정하는데 성공해 보급형 바이오센서개발에 필요한 원천기술을 확보했다.
연구결과는 세계적 학술지 ‘폴리머 케미스트리(Polymer Chemistry)’ 후면 표지논문(7월 7일자)으로 게재됐다.
바이오센서의 기판은 안정성이 높은 금이나 유리를 주로 사용한다. 그러나 가격이 비싸고 휴대성이 떨어지기 때문에 현장에서 쓰기 어렵다.
게다가 항원 진단을 위해 사용되는 항체의 높은 생산 단가로 인해 진단시스템의 가격이 비싸 축산농가 등에 보급이 어려웠다.
연구팀은 기존에 있던 두 가지 핵심기술을 보급형 바이오센서 개발에 활용했다.
연구팀은 바이오센서의 제조단가를 획기적으로 줄이는 동시에 휴대성을 높이기 위해 초기 화학적 진공증착법(iCVD, Initiated chemical vapour deposition)으로 종이나 비닐에 고분자 박막을 증착했다. 또 박막과의 화학적 반응을 통해 항체 단백질을 안정적으로 고정하는데도 성공했다.
이와 함께 가격이 비싸고 고온에 견디지 못했던 기존의 항체 대신, 미생물을 기반으로 만들어 저렴하면서도 70℃의 높은 온도에서도 뛰어난 안정성을 보여주는 ‘크링글도메인’이라는 유사항체를 활용했다.
그 결과 연구팀은 기존 진단시스템의 고비용·불안정성 문제를 동시에 해결했다.
이번 연구를 주도한 정기준 교수는 “기판을 종이나 비닐로 대체하고 유사항체를 활용해 지금보다 훨씬 저렴하면서도 안정성 높은 바이오센서를 만드는 것이 핵심기술”이라고 설명했다.
이와 함께 “최근 국내에서 발병해 국민경제에 커다란 피해를 유발했던 구제역처럼 급속한 전파력을 갖는 바이러스성 질병을 현장에서 신속하게 진단할 수 있을 것”이라며 “향후 포스트잇 또는 책자 형태로 바이오센서를 만들어 축산농가에 보급되면 전수조사가 가능해져 무조건적인 살처분을 막고 샘플링검사로 인한 부정확성을 줄일 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부 신기술융합형 성장동력사업(바이오제약) 및 글로벌프론티어사업(차세대바이오매스연구단)의 지원을 받아 수행됐다.
그림1. 종이 비닐 등 다양한 표면 물질 위에 단백질을 고정화하는 기술의 모식도
그림2. 비닐(a)과 종이(b)에 고정화된 비항체 단백질 골격을 이용한 바이오센서
그림3. 고분자 박막 증착 기술에 기반한 단백질 고정화 시스템 이미지
2014.07.16 조회수 14333 -
햇빛 아래에서도 선명한 디스플레이 원천기술 개발
오팔(Opal) 보석은 색소가 없지만 우리 눈에는 다채로운 빛깔로 보인다. 표면의 규칙적인 나노 구조로 인해 특정 파장의 빛만이 반사되기 때문이다. 이처럼 나노 구조에 의해 빛의 선택적 반사가 일어나는 물질을 ‘광결정’이라고 한다.
우리학교 생명화학공학과 故 양승만 교수 연구팀은 광식각 공정을 이용해 차세대 광학소재로 주목받는 광결정의 상용화를 앞당길 수 있는 미세패턴 기술을 개발했다.
연구결과는 재료 분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 지난달 16일자에 게재됐다.
이번에 개발된 광결정 미세패턴은 햇빛 아래에서도 선명하게 볼 수 있는 차세대 반사형 디스플레이의 핵심 소재로 사용될 전망이다. 별도의 광원을 사용하지 않기 때문에 한번 충전으로 수일 이상 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
그동안 많은 과학자들이 광결정을 인공적으로 제조하기 위해 노력해 왔지만 대부분 덩어리 형태로 만들어 제작 효율성이 떨어졌다. 또 형성된 구조의 기계적 안정성이 낮아 상용화가 어려웠다.
연구팀은 오팔 보석이 갖고 있는 나노 구조를 모방했다.
연구팀은 자외선에 의해 광경화가 일어나는 물질 위에 오팔보석과 동일한 나노 구조로 유리구슬을 배열하고 고분자 물질 내부로 함침했다. 자외선을 미세영역에 선택적으로 노출한 다음 나머지 영역을 현상해내는 광식각 공정을 이용해 광결정을 미세한 패턴으로 제조하는데 성공했다.
이번 연구의 공동저자인 우리학교 생명화학공학과 김신현 교수는 “반도체 공정 기술을 광결정 패턴기술과 결합해 광결정의 실용화 기술 확보가 가능할 것”이라며 “향후 전력소모가 매우 낮은 차세대 반사형 컬러 디스플레이 소자를 구성하는 핵심 광학소재로 사용될 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
故 양승만 교수는 콜로이드 및 유체역학 분야의 세계적인 대가로 지난해 9월 불의의 의료사고로 고인이 되기 직전까지 연구를 진행해왔고 국제 저명학술지에 193편의 논문을 게재했다.
2007년에 듀폰 과학기술상, 2008년 올해의 KAIST인상, 2009년는 경암학술상을 수상한 바 있으며 고인이 된 후 2014년 3월 대통령 표창을 받았다. 연구진들은 고인을 기리며 이번 연구 결과를 故 양승만 교수에게 헌정했다.
그림1. 오팔보석과 오팔보석 내부의 나노 유리구슬 배열 구조
그림2. 광식각 기반의 광결정 미세패턴 형성 공정도
그림3. 서로 다른 두가지 색을 반사하는 광결정 미세패턴(Red, Green) 및 삼원색(Red, Green, Blue)을 반사하는 픽셀화된 광결정 패턴(반사형 디스플레이에 적용 가능한 구조)
2014.05.07 조회수 15441 -
모델 촉매 시스템을 이용한 스필오버 현상 규명
- 새로운 메커니즘의 상업촉매 개발을 위한 원천기술 확보 -
1960년대 초 발견된 이래 오늘날까지도 학계에서 논란이 되고 있는 물리학적 현상이 KAIST 연구진에 의해 세계 최초로 규명됐다.
KAIST(총장 강성모) 생명화학공학과 최민기(34) 교수팀은 비결정질 알루미노실리케이트 내부에 백금이 선택적으로 위치한 모델 촉매 시스템을 개발해 ‘스필오버(spillover)’ 현상을 규명했다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 25일자 온라인 판에 실렸다.
스필오버 현상은 백금과 같은 금속 표면에서 활성화된 수소원자가 촉매 표면으로 이동하는 현상이다.
이 현상을 이용하면 높은 활성과 안정성을 갖는 촉매를 설계하는데 이용될 수 있을 것이라고 믿어져 지난 50여년간 촉매 분야에서 활발히 연구됐다.
하지만 기존에 알려진 촉매들의 경우에는 노출된 금속 표면에서 여러 가지 다른 경로로 경쟁반응이 일어나기 때문에 스필오버의 존재 및 생성 메커니즘을 직접적으로 규명하는 것이 불가능했다.
연구팀이 개발한 촉매는 백금 나노입자가 수소 분자만 통과할 수 있는 알루미노실리케이트로 덮여있어 다른 경쟁 반응들이 일어나는 것을 원천 차단, 스필오버 현상을 효과적으로 연구하는데 이용할 수 있었다.
연구팀은 촉매에 대한 다양한 구조분석, 촉매 반응성 분석, 컴퓨터 모델링을 통해 알루미노실리케이트에 존재하는 브뢴스테드 산점이 스필오버에 결정적인 역할을 함을 밝혀냈다.
그동안 학계에서 50여년간 정립되지 않은 ‘스필오버’라는 현상을 최초로 규명했다는 점에서 학술적으로 큰 영향력을 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 함께 이번 연구에서 제안된 스필오버에 기반한 수소화 촉매의 경우 높은 수소화·탈수소화 활성을 보임과 동시에 석유화학공정에서 일반적으로 원치 않는 부반응인 수소화 분해(hydrogenolysis) 반응을 확연하게 억제할 수 있다는 점에서 산업적으로도 그 잠재력이 매우 크다고 연구팀은 전했다.
최민기 교수는 “스필오버 현상만으로 반응이 진행되는 해당 촉매의 경우 촉매구조를 적절하게 설계하면 기존 금속촉매를 훨씬 능가하는 촉매를 구현할 수 있을 것”이라며 “향후 높은 활성 및 선택성을 가지는 꿈의 촉매를 만들 것”이라고 말했다.
SK이노베이션 오승훈 수석연구위원은 “촉매계의 오랜 논쟁거리였던 스필오버 현상을 이론과 실험을 통해 규명하고 이에 대한 이해를 높였다는 점이 이번 연구의 가장 큰 성과”라며 “SK이노베이션에서는 이번 연구를 통해 확보한 기술을 바탕으로 새로운 상업촉매 개발 연구를 계속할 것”이라고 말했다.
SK이노베이션(대표 구자영)과 미래창조과학부의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 KAIST 최민기 교수 지도아래 임주환 연구원, 신혜영 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며 EEWS 대학원 김형준 교수가 컴퓨터 모델링을 수행했다.
2014.02.26 조회수 16976 -
배추 절이는 원리로 광결정 미세캡슐 개발
- “반사형 컬러 디스플레이 소자 및 인체 주입 바이오센서에 응용가능” -- 콜로이드 및 유체역학 분야의 대가 故 양승만 교수에게 연구결과 헌정 -
우리 학교 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 하버드대와 공동으로 삼투압 원리를 이용해 차세대 광학소재로 주목받는 광결정의 미세캡슐화 기술을 개발했다.
연구결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.
남미 열대림에서 서식하는 몰포(Morpho)나비의 날개는 파란 색으로 보이지만 색소가 없다. 날개 표면에 있는 규칙적인 나노 구조로 인해 파란색 파장의 빛만을 반사하기 때문에 우리 눈에는 파란 색으로 보이는 것이다.
이처럼 물질의 광구조가 특정 파장의 빛만 반사하고 나머지는 통과하는 배열을 갖도록 만들어낸 물질을 ‘광결정’이라고 한다.
광결정은 빛의 파장 절반 수준에서 굴절률이 주기적으로 변하는데 특정 파장의 빛만을 제어할 수 있는 특성과 다양한 응용가능성을 갖고 있어 ‘빛의 반도체’라고도 불린다.
1987년 미국 벨연구소 이론 물리학자 엘리 야블로노비치(Eli Yablonovitch)와 프린스턴대학 사지브 존(Sajeev John)이 광결정 개념을 최초로 보고한 이래 지난 27년 동안 많은 과학자들이 광결정을 인공적으로 제조하기 위해 노력해왔다. 그러나 반사색이 대부분 고정된 구조에 의해 발현돼 색을 바꾸는 것이 불가능하고 제조 공정이 까다로워 상용화가 어려웠다.김 교수 연구팀은 △액체 상태의 광결정을 잉크처럼 캡슐화하고 △광결정을 덩어리 형태가 아닌 머리카락 굵기(약 100나노미터) 수준의 미세캡슐형태로 제조해 제작의 공정성을 높였으며 △고무재질의 캡슐막을 적용해 모양을 자유자재로 바꿀 수 있도록 제작했다.
연구팀은 배추를 소금물에 절일 때 발생하는 ‘삼투압현상’을 활용했다. 배춧잎은 물 분자만을 투과시키는 반투막으로 이뤄져있는데 배추가 소금물에 잠기면 높은 삼투압을 갖는 소금물이 배춧잎 내부의 물 분자를 반투막 밖으로 꺼내고 배춧잎은 부피가 줄어드는 원리를 이용한 것이다.
연구팀은 이 현상을 나노입자를 담은 미세 물방울에 적용했다. 삼투압현상에 의해 물방울의 부피가 줄어듦에 따라 나노입자가 스스로 규칙적인 구조로 배열돼 캡슐막 내부에 액상의 광결정을 만들었다. 이 과정에서 머리카락 굵기 수준의 작은 통로를 구현한 미세유체소자를 활용해 광결정 미세캡슐을 균일한 크기로 제조하는데 성공했다.
김신현 교수는 “미세 광결정 잉크캡슐은 상용화 가능한 수준으로 향후 구부리거나 접을 수 있는 차세대 반사형 컬러 디스플레이 소자 및 인체 내로 주입 가능한 바이오센서 등을 구성하는 핵심 광학소재로 사용될 수 있을 것”이라고 이번 연구 의의를 설명했다.
KAIST 및 하버드 연구진들은 이번 연구 결과를 지난해 9월 불의의 사고로 고인이 된 콜로이드 및 유체역학 분야의 세계적 대가 故 양승만 교수(前 KAIST 생명화학공학과 교수)에게 헌정했다고 전했다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부에서 지원하는 선진기술국가 국제공동기술개발사업으로 진행됐다.
□ 용어설명- 광결정 (Photonic crystals): 빛의 파장의 절반 수준에서 굴절률이 규칙적으로 변하는 물질로써 특정 에너지를 갖는 광자가 물질 내에 존재할 수 없는 광밴드갭 (photonic bandgap)을 갖는 물질을 말함. 광밴드갭에 해당하는 파장이 가시광선 영역에 있을 때, 외부에서 입사하는 백색광 중 광밴드갭에 해당하는 파장의 빛이 선택적으로 반사되어 금속 광택과 흡사한 느낌의 색깔을 보임.
- 미세유체소자(Microfluidic device) : 머리카락 굵기 수준의 미세한 유로를 집적화함으로써 유체 흐름을 매우 정교하게 제어할 수 있게 해주고, 균일한 크기와 구조의 이멀젼(emulsion) 을 생성시킬 수 있는 소자.
□ 그림설명
그림1. 삼투압 차에 따른 캡슐 크기 감소를 보여주는 모식도
그림2. 균일한 크기의 광결정 캡슐을 제조할 수 있는 미세유체소자
그림3. 초록색 및 파란색 반사색을 보이는 광결정 캡슐의 광학현미경 사진
그림4. 광결정캡슐의 변색 및 변형을 보여주는 광학현미경 사진
그림5. 자연계에 존재하는 광결정의 예: 오팔보석, 공작새 깃털, 극락조의 날개
2014.01.15 조회수 25697 -
대장균 이용한 페놀 생산 성공
- 세계 최초로 대장균 이용해 리터당 3.8g의 페놀을 24시간 내 생산 성공 -
우리 학교 이상엽 특훈교수팀은 대장균을 이용해 재생 가능한 바이오매스로부터 페놀(phenol)을 생산하는 원천기술을 개발해 바이오테크놀로지(Biotechnology) 11일자 온라인판에 게재됐다.
이 기술은 친환경적인 미생물 발효 공정을 통해 화학물질을 생산하는 대사공학·공정 기술을 기반으로 개발돼 국내·외 생명공학 및 산업기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
페놀은 석유화학공정을 통해 연간 800만 톤 이상 생산돼 폴리카보네이트, 에폭시, 제초제 등 다양한 산업에 폭넓게 사용되는 화학물질이다.
페놀이 갖고 있는 미생물에 대한 독성으로 인해 미생물을 이용한 페놀의 생산에 대한 연구는 그동안 어려움이 많아 생산량이 리터당 1g 미만 수준으로 더 이상의 향상이 이루어지지 못하고 있는 실정이었다.
최근 다양한 대장균들의 유전적, 생리·대사적 차이점이 보고되고 있는데 이 교수 연구팀은 이에 주목해 18종의 다양한 대장균 균주에 대해 동시에 대사공학을 적용해 그 중 ‘BL21’ 이라는 대장균 균주가 페놀생산에 가장 적합하다는 것을 발견했다.
연구팀이 적용한 기술 중 ‘합성 조절 RNA 기술’은 기존의 유전자 결실 방법보다 월등히 빠른 시간에 대사흐름의 조절을 가능하게 하는 기술로써 이번 연구에서도 18종의 대장균에 대한 대사공학을 동시에 진행하는데 중요한 역할을 했다.
또 미생물을 이용한 페놀의 생산에 있어 가장 큰 걸림돌이 페놀의 독성인데 연구팀은 발효공정에서 페놀의 대장균에 대한 독성을 최소화 할 수 있는 이상발효 공정(biphasic fermentation)을 이용해 페놀의 생산량을 증가시킬 수 있었다.
이렇게 개발된 대장균 균주는 기존 균주에 비해 월등히 높은 생산량과 생산능력을 보였으며 이상 유가식 발효(biphasic fed-batch fermentation)에서 리터당 3.8g의 페놀을 24시간 내에 생산할 수 있었다.
즉, 대장균을 이용해 재생 가능한 바이오매스로부터 쉽게 얻어질 수 있는 포도당을 이용해 페놀을 생산할 수 있는 균주를 개발해 세계 최고의 페놀 생산능력을 보이는 균주를 개발했다.
김병진 박사는 “다양한 합성생물학 기술들을 기반으로 대장균을 개량해 페놀을 처음으로 생산했으며 가장 높은 농도와 생산성을 기록했다”며 “발효 공정의 개량을 통해 미생물에 독성을 지니는 화합물의 생산가능성을 보여줬다는데 커다란 의미가 있다”고 말했다.
KAIST 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 지도하에 김병진 박사, 박혜권 연구원이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 글로벌 프론티어사업 지능형 바이오시스템설계 및 합성연구단의 지원을 받아 수행됐다.
2013.10.30 조회수 17235 -
세계 최초로 미생물 이용 가솔린 생산
- 대장균의 지방산 대사회로를 대사공학적으로 개량하여 알코올, 디젤, 가솔린 생산 -
우리 학교 연구진이 세계 최초로 대사공학적으로 개발된 미생물을 이용하여 바이오매스로부터 가솔린(휘발유)을 생산하는 원천기술을 개발했다. 이 신기술은 나무 찌꺼기, 잡초 등 풍부한 비식용 바이오매스를 이용하여 가솔린, 디젤과 같은 바이오연료, 플라스틱과 같은 기존 석유화학제품을 생산할 수 있어 생명공학 등 관련 산업기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기) 글로벌프론티어사업의 차세대 바이오매스 연구단(양지원 단장)과 기후변화대응 기술개발사업의 지원으로 이상엽 특훈 교수팀이 진행하였으며, 연구결과는 네이처(Nature) 9월 30일(온라인판)에 게재되었다.
* 논문명 : Microbial production of short-chain alkanes
연구팀은 세포의 유전자를 조작하여 원하는 형태의 화합물을 대량으로 생산하도록 하는 기술인 대사공학을 이용하여 크래킹(cracking) 없이 세계 최초로 미생물에서 직접 사용가능한 가솔린을 생산하는데 성공했다.
* 크래킹 : 끓는점이 높은 중질유를 분해하여 원료유보다 끓는점이 낮은 경질유로 전환하는 방법
가솔린은 탄소수가 4~12개로 이루어진 사슬모양의 탄화수소 화합물로 그 동안 미생물을 이용하여 ‘짧은 사슬길이의 Bio-Alkane(가솔린)’을 생산하는 방법은 개발되지 않았다. 따라서 기존 기술은 추가적인 크래킹(cracking) 과정을 거치지 않고는 가솔린으로 전환할 수 없어 비용과 시간이 많이 소요되는 한계가 있었다.
* 2010년 미국에서 사이언스지에 발표한 미생물 이용 Bio-Alkane(배양액 1리터당 약 300mg)의 경우 탄소 사슬 길이가 13～17개인 바이오 디젤에 해당
연구팀은 대사공학기술을 미생물에 적용하여 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하고, 지방산의 길이를 원하는 목적에 맞게 조절할 수 있는 효소를 새롭게 발견하였으며, 개량된 효소를 도입하여 미생물에서 생산하기 어려운 길이가 짧은 길이의 지방산 생산에 성공하였다.
또한 세포내에 생산된 짧은 길이의 지방산 유도체로부터 가솔린을 생산할 수 있는 추가 대사반응과 생물체 내에 존재하지 않는 식물 유래의 신규 효소를 포함하는 합성대사경로를 도입하여 최종 대장균 생산균주를 개발하였다. 이렇게 개발된 대장균을 배양하여 배양액 1리터당 약 580mg의 가솔린을 생산하는데 성공했다.
개발된 기술은 바이오 연료, 생분해성 플라스틱 등과 같은 다양한 바이오 화합물을 생산할 수 있는 플랫폼 기술이 될 수 있을 것으로 전망된다.
또한 이 기술을 활용하면 재생 가능한 바이오매스를 전환하여 바이오 연료, 계면활성제, 윤활유 등으로 이용할 수 있는 알코올(Fatty alcolols) 및 바이오 디젤(Fatty ester)도 생산이 가능하다는 점에서 기존의 석유기반 화학산업을 바이오기반 화학산업으로 대체하는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.이상엽 교수는 “비록 생산 효율은 아직 매우 낮지만 미생물을 대사공학적으로 개량하여 가솔린을 처음으로 생산하게 되어 매우 의미있는 결과라고 생각하며, 향후 가솔린의 생산성과 수율을 높이는 연구를 계속할 예정”이라고 밝혔다.
그림 1. 대장균을 이용한 바이오 매스로부터 short-chain alkane(가솔린)을 생산하는 대사회로
a) 지방산 분해 회로 차단, b) 바이오 매스로부터 짧은 길이의 지방산을 대량 생산, c) 지방산을 가솔린 생산의 중간체인 fatty acyl-CoA로의 전환 유도, d) fatty acyl-CoA의 가솔린의 직접적인 전구체인 fatty aldehyde로의 전환 유도, e) 최종 가솔린 생산
(보충설명) 미생물의 세포 내부를 들여다보면, 매우 복잡한 지방산 대사회로 네트워크가 존재 한다. 지방산은 세포 내부에서 합성되어, 미생물이 살아가는데 필요한 세포막을 형성하거나, 분해되어 에너지원으로 사용되기도 한다. 대부분의 미생물에서 지방산은 전체 세포의 1%도 되지 않을 만큼 소량 만들어지고, 지방산의 길이 또한 매우 길기 때문에, 이러한 지방산을 이용해서 우리가 원하는 화합물을 대량으로 만들거나, 새로운 화합물을 생산하는 것은 매우 어려웠다. 이를 극복하기 위하여, 이상엽 특훈교수 연구팀은 시스템 대사공학적 기법을 대장균에 도입하여 효소의 개량 및 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하여 짧은 길이의 지방산 과생산에 성공하였고, 생물체내에 존재 하지 않는 신규 회로를 도입하여 지방산을 가솔린으로 전환하는데 성공하였다.
그림 2. short chain alkane을 생산하는 발효 공정 시스템 (보충 설명) 위와 같은 cooling 장치가 연결된 발효기를 통하여 가솔린을 생산함
2013.10.01 조회수 22943 -
세계 최초 맞춤형 미생물 균주 대량 생산기술 개발
- 고부가가치 산업원료 생산 균주를 간편하고 빠르게 개발할 수 있는 원천기술 확보 -
우리 학교 생명화학공학과 이상엽 특훈교수와 유승민 연구교수 연구팀은 나일론 등 산업에 필요한 원료를 만드는 미생물 균주를 친환경 방법으로 쉽고 빠르게 대량 생산할 수 있는 ‘합성 조절 RNA’ 설계 원천기술을 세계 최초로 개발했다.
이번 연구결과는 세계적 학술지인 네이처 프로토콜스(Nature Protocols) 9월호 표지논문으로 선정되어 8월 9일 게재(온라인판)됐다.
’합성 조절 RNA 설계 기술’은 기존에 산업 균주를 개량하거나, 아직까지 알려지지 않은 미개척 산업 균주 개발‧개량에 광범위하게 적용이 가능하여 비천연 고분자를 포함한 다양한 화학물질, 원료, 의약품 등을 보다 효율적으로 개발, 생산할 수 있는 핵심원천기술이다.
기존의 균주개발은 유전자 결실(knockout) 이라는 유전공학 기법을 이용하여 미생물 염색체 내의 유전자를 하나씩 제거하는 방법을 통해 미생물내의 생산 물질의 양이 증가하는지를 관찰하는 것이었다.
그러나 아무리 작은 미생물일지라도 수천 개 이상의 유전자로 이루어져 있기에 이런 접근 방법을 통해 생물체 대사회로내의 모든 유전자를 조절한다면 수개월에서 수년의 시간이 소요되고 대용량 실험이 매우 어려우며, 미생물의 생장을 저해하고 원치 않은 물질들이 생산되는 한계가 있었다.
이상엽 교수와 유승민 연구교수는 이러한 기존 방법의 한계 극복을 위해 해당 유전자와 결합되는 부위의 합성 조절 RNA 유전정보를 바꾸는 ‘합성 조절 RNA’ 설계법을 개발하였다.
이를 통해 대장균의 조절 RNA를 기본골격으로 하여 세포내 존재하는 유전자의 발현을 단백질 수준에서 제어할 수 있는 맞춤형 합성 조절 RNA를 3~4일내에 제작할 수 있는 원천기술을 개발하였다.
이렇게 설계된 합성 조절 RNA들은 미생물 게놈을 건드리지 않은 채 유전자 전달체에 삽입하여 제작되므로 여러 종류의 균주들과 여러 유전자들에 대하여 동시다발적인 대용량 실험이 가능하다.
또한, 다양한 균주에 적용시 고효율의 균주를 선별하거나, 유전자 발현조절 효율이 가장 좋은 목적 유전자를 선별할 수 있어 향후 조절 RNA 라이브러리(Library)까지 구축할 수 있다.
네이처 프로토콜스 편집자인 이탄 즈로토린스키(Eytan Zlotorynski) 박사는 “본 논문은 합성 sRNA를 디자인하고 응용하는데 필요한 상세한 프로토콜을 기술하고 있어 생명과학과 생명공학 분야 연구에 매우 널리 활용될 것이며, 특히 대사공학과 합성생물학 연구에서 유용할 것이다”라고 말했다.
KAIST 산학협력단 배중면 단장은 “본 원천기술에 대해 이미 해외 기업들이 관심을 표명하며 기술이전계약을 제안하고 있으므로 2년 이내에 기술이전이 이루어질 것으로 본다“고 밝혔다.
2013.08.09 조회수 13603