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임성갑 교수, 문턱전압 조절가능한 고성능 고분자 절연막 개발
우리 대학 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀이 유기 박막 트랜지스터를 저전력으로 구동하고 성능을 최적화할 수 있는 새 고분자 절연막 소재를 개발했다.
향후 유기 전자 소자의 성능 최적화 및 다양한 미래형 전자기기의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.
박관용 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료분야 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 9월 26일자 뒷표지 논문에 게재됐다.
사물인터넷 시대를 맞이하며 가볍고 유연한 유기전자 소자가 주목받고 있다. 유기전자 소자의 상용화를 위해 성능 향상 및 저전력 구동을 위한 노력이 계속되고 있다.
특히 전력 소모를 줄이기 위해선 매우 얇은 두께에서도 우수한 절연 특성을 갖는 소재 개발과 소자의 문턱전압을 낮추는 기술이 반드시 필요하다.
문턱전압은 전류가 흐르기 위한 최소한의 전압을 뜻한다. 기존 유기 박막 트랜지스터에서는 문턱전압 조절을 위해 절연막과 반도체 사이에 표면 처리를 하는 방식을 주로 이용했다.
그러나 이는 전하 이동도 등 소자의 다른 성능들이 감소되는 한계가 있었다. 따라서 소자의 성능 최적화를 위해서는 전하 이동도 및 문턱전압 등을 독립적으로 조절하는 기술이 필요하다.
연구팀은 문제 해결을 위해 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor depositon : iCVD)’을 이용했다. iCVD는 기체 상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막 형태로 합성하는 방법이다.
이 기술은 균일도가 높고 불순물을 최소화할 수 있어 절연막 소재 개발에 적합하다. 또한 기체상에서 공정이 이뤄지기 때문에 액상 공정에서 합성이 불가능했던 다양한 공중합체(copolymer)를 합성할 수 있고 쉽게 비율을 조절할 수 있다.
연구팀은 이러한 기체상 공정의 장점을 이용해 유기 박막 트랜지스터의 문턱전압 조절이 가능한 새로운 공중합체 고분자 절연막을 합성했다. 이렇게 합성된 절연막은 극성이 다른 두 가지의 단량체를 사용하는데, 항공대학교 황완식 교수팀과 전기적 특성을 분석한 결과 특정 단량체의 비율에 따라 트랜지스터의 문턱전압이 조절됨을 확인했다.
또한 이 공중합체의 고분자 표면에 다른 고분자를 얇게 덧씌워도 여전히 문턱전압이 조절되는 것을 확인했다. 연구팀은 동일한 공정으로 공중합체 표면에 3나노미터 정도의 매우 얇은 두께의 무극성 고분자를 도입했다.
그 결과 무극성 고분자가 전하 이동도를 유지해주는 동시에 문턱전압만 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 절연막 시스템을 개발했다.
이 절연막은 20나노미터 정도의 두께에서도 우수한 절연특성을 가져 3V(볼트)이하의 저전력 구동 중에도 성능 저하 없이 문턱전압만 선택적으로 조절할 수 있다.
임 교수는 “유기 박막 트랜지스터의 상대적으로 높은 전하 이동도를 유지하며 문턱전압만을 독립적으로 조절할 수 있는 새로운 기술이다”며 “저전력 구동이 가능한 유기 전자 소자의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 고분자 절연막 트랜지스터_게재지 표지논문
그림2. 본 연구에서 개발된 절연막 시스템이 적용된 유기 박막 트랜지스터 구조 및 전기적 특성
2016.10.19 조회수 11183 -
박오옥 교수, 페트병 대체 가능한 바이오플라스틱 개발
우리 대학 생명화학공학과 박오옥 교수 연구팀과 롯데케미칼(대표이사 허수영)이 산학협력 연구를 통해 기존의 플라스틱 페트 소재를 대체할 수 있는 식물 기반의 바이오 플라스틱을 수지를 개발했다.
이 기술은 식물 기반의 퓨란(furan)계 바이오 플라스틱을 고분자량으로 합성한 것으로 기존 페트 수지를 양산하는 생산 공정을 통해서 상업화가 가능할 것으로 기대된다.
이 연구는 국제 학술지 ‘그린 케미스트리(Green chemistry)’ 10월 7일자 뒷 표지 논문으로 게재됐다.
퓨란계 바이오플라스틱은 식물에서 추출한 원료로 만든 플라스틱이다. 식물을 소재로 하기 때문에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 줄일 수 있고, 석유 기반의 플라스틱을 대체하기 때문에 자원도 절감할 수 있다. 또한 기체 차단성과 내열성이 좋아 기존 페트 소재가 사용되지 못했던 좀 더 넓은 분야에 사용 가능하다.
많은 연구자들이 퓨란계 바이오플라스틱이 가진 장점을 활용하기 위해 상용화가 가능하도록 연구 중이다.
그러나 퓨란계 바이오플라스틱은 분자 구조가 유연하지 않아 물성이 깨지기 쉽고 결정화(분자의 확산) 속도가 느려 고상중합을 통한 고분자량화에 한계가 있어 다양한 용도로 활용이 어렵다. 무엇보다도 결정화 속도가 느리다는 것은 기존의 상업 설비에서 양산을 할 수 없음을 의미한다.
문제 해결을 위해 연구팀은 먼저 퓨란계 플라스틱이 왜 깨지기 쉬운 특성을 갖는지 확인했다. 기존 페트는 화학구조상 선형구조이기 때문에 외부 충격에 유연하게 반응할 수 있고 결정화 속도가 빠른 편이다.
반면 퓨란계 플라스틱의 화학구조는 약간 꺾여있는 비선형 구조로 유연성이 떨어져 깨지기 쉽고 분자의 확산이 빠르지 않아 결정화 속도가 상대적으로 느리다.
연구팀은 문제 해결을 위해 육각환형의 고리 화합물을 공 단량체로 도입해 새로운 퓨란계 폴리에스터를 합성했다. 이 과정을 통해 유연성이 높아져 기계적 물성(연성, 내충격성)이 개선됐고 결정화 속도도 빨라졌다.
이 새로운 퓨란계 폴리에스터의 결정화 속도 개선으로 인해 고상중합공정이 가능해졌다. 고상중합공정이 중요한 이유는 수지의 변색 없이 분자량을 단시간에 고분자량으로 올릴 수 있기 때문이다.
고분자량으로 올리지 못하고 분자량이 낮으면 플라스틱의 모양을 형성하는 블로우 몰딩(Blow molding : 녹인 뒤 불어서 모양을 만드는 방식)과정에서 물질이 찢어지게 된다. 연구팀의 바이오플라스틱은 기존 고상중합공정에서 고분자량화에 성공해 상업적으로 활용할 수 있는 공정이 가능할 것으로 예상된다.
연구팀은 “이 기술은 병, 옷, 섬유, 필름 등 기존에 페트 소재가 사용되던 분야를 넘어 페트가 쓰이지 못했던 분야에도 적용 가능하다”며 “기존 페트보다 내열성과 기체 차단성이 높기 때문에 유리 용기를 일정 정도 대체할 수 있을 것이다”고 말했다.
1저자인 홍성민 연구원은 “학술적인 부분 뿐 아니라 상업적으로도 의미가 있는 기술이다”며 “탄탄한 기초연구를 바탕으로 실제로 우리 산업과 국가 경쟁력에 기여할 수 있는 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 표지 그림-퓨란계 수지를 성공적으로 합성, 고상중합을 통해서 고분자량화한 모식도
그림2. 퓨란계 폴리에스터의 파단면의 전자현미경 사진
그림3. 퓨란계 폴리에서트 화학 구조
2016.10.11 조회수 12233 -
최민기 교수, 상용화 가능한 이산화탄소 흡착제 개발
〈 최 민 기 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 고성능의 새로운 이산화탄소 흡착제를 개발해 약 20kg의 중규모 합성에 성공했다.
이 기술을 통해 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소의 흡, 탈착을 상용화가 가능한 수준까지 발전시키는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 30일자 온라인 판에 게재됐다.
기존 연구들에서는 이산화탄소 제거용 흡착제를 개발하기 위해 아민이라는 유기화합물이 담긴 다양한 고체 물질들이 연구됐다.
하지만 현재까지 개발된 아민 기반의 흡착제는 이산화탄소를 흡착하는 성능은 뛰어나지만 탈착이 어려워 재생 안정성이 떨어지고, 반복적으로 사용하면 화학적 변질이 생겨 성능이 떨어지는 장기 안정성 문제가 있었다.
또한 대부분의 소재들이 실제 발전소 이산화탄소 포집에 응용될 정도의 대량생산이 불가능해 유의미한 결과로 이어지지 않았다.
연구팀이 문제 해결을 위해 개발한 이산화탄소 흡착제는 기존의 아민 기반 흡착제를 에폭사이드와 간단히 반응시켜 탈착 성능, 반응 속도, 재생 안정성 등을 비약적으로 증진시켰다.
연구팀은 대량생산에 용이하고 경제적인 범용 물질인 실리카, 폴리에틸렌이민, 에폭사이드 등을 원재료로 이용했다. 실리카를 지지체로 놓고 폴리에틸렌이민과 에폭사이드를 반응시킨 아민 기반의 흡착제를 만들었다. 이는 기존 흡착제가 갖고 있던 비활성화 문제를 해결하고 재생 안정성을 현격히 높였다.
연구팀은 우수하고 신속한 이산화탄소 흡, 탈착 특성(10wt% : weight percentage), 높은 재생 안정성, 대량생산성을 모두 확보했기 때문에 현재까지 발표된 다른 고체 흡착제보다 상용화에 가깝다고 밝혔다.
실제 ‘한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터(KCRC)’ 연구진과의 협업을 통해 20kg의 중규모 합성에 성공 후 20 Nm3/h의 벤치 스케일 유동층 반응기에서 가동에 성공했다.
1저자인 최우성 학생은 “이번 연구는 항상 가능성만 언급됐던 고체 이산화탄소 흡착제의 문제점을 단순하지만 창의적인 화학 반응을 통해 획기적으로 개선했다”며 “이산화탄소 포집 공정을 상용화 단계까지 발전시켰다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.
최민기 교수는 “이제 상용화 단계의 초입에 들어섰고 앞으로도 개선할 부분이 많지만 추후 흡착제를 더 발전시켜 세계 최고의 실용화 가능한 이산화탄소 포집 흡착제를 개발하겠다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 ‘Korea CCS 2020’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 신규 흡착제의 이산화탄소 포집 공정 개념도
그림2. 본 연구에서 개발한 신규 흡착제와 기존 흡착제의 이산화탄소 흡착능 비교
2016.09.08 조회수 13229 -
박오옥, 한상우 교수, 팔 14개 달린 금 나노입자 개발
우리 대학이 중심 입자에 14개의 팔 모양 입자가 달린 이원 구조의 금 나노입자를 개발했다.
이 기술은 팔 모양 입자 주변에서 전기장을 강하게 증폭시켜 표면증강 라만분광을 이용해 미량의 물질도 검출할 수 있다. 이를 통해 화폐 보안물질, 인체 광열치료 등에도 활용 가능할 것으로 기대된다.
생명화학공학과 박오옥 교수, 화학과 한상우 교수, 한국화학연구원 김도엽 박사와가 공동으로 진행한 이번 연구 성과는 광학 재료분야 학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 씨(Journal of Materials Chemistry C)’ 4월 21일자 표지논문으로 게재됐다.
중심에 팔 모양의 입자가 달린 이원구조의 금 나노입자는 외부의 빛과 반응해 팔 모양 주변에서 전기장이 강하게 증폭된다. 이를 통해 금 나노입자를 기판으로 활용해 물질을 그 위에 올리면 적은 농도로도 쉽게 물질의 검출이 가능해진다.
하지만 기존 기술은 중심 나노입자에 달린 팔 모양 입자의 크기, 길이를 정밀하게 제어하지 못해 형태가 제각각인 금 나노입자만 얻을 수 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 14개의 꼭지점을 갖는 사방십이면체 형태의 금 나노입자를 먼저 합성 후 꼭지점 부분만 선택적으로 성장시켰다.
이를 통해 팔이 14개 달린 이원구조의 금 나노입자를 합성했고 팔 크기나 길이를 조절해 광학특성 및 전기장 세기 증폭을 조절할 수 있게 됐다.
연구팀은 유한차분 시간영역법을 통한 시뮬레이션과 표면증강라만산란 실험을 통해 이원 구조에서의 팔의 크기가 작을수록, 몸통 입자의 크기가 클수록 전기장 세기가 강하게 증폭됨을 증명했다.
이 기술을 표면증강라만분광(surface-enhanced Raman spectroscopy)에 이용한다면 물질의 분자 검출 및 분석 등에 응용할 수 있다.
박 교수 연구팀은 이전 연구에서도 美 워싱턴대학 유난 시아(Younan Xia) 교수와의 공동연구를 통해 6개의 팔 모양 입자가 달린 이원구조의 금 나노입자 합성기술을 개발한 바 있다. 이번 연구에서는 이원 구조 금 나노입자의 성장과정 분석과, 더 나아가 이론적 계산을 통한 금 나노입자 표면에서의 전기장 세기가 증폭됨을 확인했다.
또한 실제 표면증강 라만산란 실험을 통한 특정분자 검출 등 다각적 연구를 통해 이원구조 금 나노입자의 응용 가능성을 높였다.
연구팀은 “새로운 접근법을 통한 이원구조 금 나노입자의 팔 개수, 길이 등의 조절로 광학특성 등 물리적 성질을 제어하는 기술을 개발했다”며 “이를 통해 라만분광법을 이용한 물질 검출이나 화폐보안물질 등에 응용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 산하의 한국연구재단-선도연구센터지원사업, 나노·소재기술개발사업 및 기초연구사업과 KAIST 기후변화연구허브사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 중심입자에 14개의 팔이 달린 이원구조의 금 나노입자와 팔의 크기만 선택적으로 조절된 금 나노입자의 전자현미경 이미지
그림2. 팔 크기 변화에 따른 전기장 세기를 유한차분 시간영영법으로 시뮬레이션한 결과와 표면증강라만 신호 결과
2016.05.10 조회수 19572 -
박현규 교수 DNA 활성 조절 가능한 스위치 개발
〈 박 현 규 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 스위치를 켜고 끄듯이 DNA 내부의 핵산중합효소 활성을 조절하는 기술을 개발했다.
이 기술은 수은, 은 등의 금속이온을 스위치로 사용해 DNA 압타머를 조절함으로써 DNA 압타머와 결합돼 있는 핵산중합효소의 활성을 조절하는 원리이다.
이번 연구는 영국왕립화학회가 발행하는 ‘케미컬커뮤니케이션(Chemical communications)’ 4월호에 게재됐고, 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.
핵산과 금속이온의 상호작용을 이용해 효소 활성을 조절하는 여러 연구들이 수행되고 있다. 하지만 이 연구들은 금속이온에 의해 반응이 진행되고 나면 다시 반응을 되돌릴 수 없어 가역적으로 시스템을 구현해야 하는 분자스위치, 논리게이트 등에 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
핵산중합효소는 핵산의 복제를 돕는 효소로 DNA 압타머와 결합해 있는 상태로는 별다른 역할을 수행할 수 없다. 따라서 특정 외부적 자극을 통해 DNA 압타머를 조절해 핵산중합효소를 활성화시켜야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 핵산중합효소와 상호작용을 하는 DNA 압타머가 특정 금속이온에 반응하도록 염기서열을 조작했다. 그리고 수은 및 은 등의 금속이온을 도입해 핵산중합효소와 DNA 압타머의 결합을 조절함으로써 중합효소의 활성을 조절 가능하게 만들었다.
연구팀은 이 기술을 기반으로 금속이온에 의해 시스템을 조절할 수 있는 분자 수준의 스위치를 개발했다. 기존 기술의 한계였던 비가역성 문제를 해결해 핵산중합효소의 활성을 가역적으로 조절할 수 있는 것이다.
연구팀은 이를 통해 향후 DNA기반의 분자회로 및 신호전달체계의 원천기술이 될 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.
박 교수는 “이번 연구에서 개발된 기술은 중합효소 외에 다양한 효소 활성의 가역적 조절에 응용될 수 있다”며 “이를 통해 다양한 분자 스위치의 개발이 가능해질 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부가 시행하는 글로벌프론티어사업(바이오나노헬스가드연구단)과 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 압타머와 금속이온의 상호작용에 의하 가역적으로 조절되는 중합효소 활성 모식도
2016.05.03 조회수 11234 -
최민기 교수, 고성능의 이산화탄소 흡착제 개발
〈 최 민 기 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 이산화탄소를 효율적이고 안정적으로 포집할 수 있는 흡착제를 개발했다.
이번에 개발된 이산화탄소 흡착제는 제올라이트와 아민 고분자를 기반으로 해 값싸고 대량 생산이 가능할 뿐 아니라 효율적인 성능과 뛰어난 재생 안정성을 갖는다.
연구 결과는 에너지 및 환경 분야 학술지인 ‘에너지&인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 3월 16일자 온라인 판에 게재됐다.
지구 온난화의 주요 원인인 이산화탄소의 포집을 위한 흡착제 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 에너지 효율이 높고 환경에 무해한 고체 흡착제 중심으로 연구가 이뤄지고 있는데 제올라이트와 아민 고분자 기반의 흡착제가 가장 대표적이다.
그러나 제올라이트 기반 흡착제는 이산화탄소와 수분이 동시에 존재하는 경우 수분을 우선적으로 흡착하는 한계를 갖는다. 아민 고분자 기반 흡착제는 수분이 존재해도 효율적인 이산화탄소 흡착이 가능하지만 재생을 위해 130oC 이상 열을 가했을 때 요소가 생성돼 심각한 비활성화를 겪는 문제가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 아민 고분자와 제올라이트의 장점을 모두 갖는 ‘아민-제올라이트 복합체’를 개발했다.
암모늄(NH4+)을 골격 외 양이온으로 갖는 제올라이트를 고온 열처리하면 암모니아(NH3)가 제거되고 수소 양이온이 남아 산성 제올라이트가 만들어진다. 이 제올라이트에 염기성을 갖는 에틸렌다이아민 증기를 처리하면 산-염기 반응에 의해 제올라이트 기공 내부에 아민이 기능화되는 원리이다.
이를 통해 이산화탄소 포집 공정에서 효율적으로 이산화탄소를 흡착하는 것을 확인했고, 매우 우수한 재생 안정성을 확인했다. 새로 개발한 흡착제는 제올라이트 내부에서 흡착된 물이 아민의 비활성화를 억제하는 상쇄효과를 보여 안정성을 더욱 높였다.
기존 연구들은 이산화탄소 흡착 성능 향상에만 집중됐지만 이번 연구는 우수한 흡착 성능 뿐 아니라 재생 안정성을 비약적으로 상승시켰다.
최 교수는 “값싸고 대량 생산이 가능한 제올라이트 기반의 흡착제로 실용화가 가능할 것으로 기대된다”며 “합성 방법의 최적화를 통해 더 높은 이산화탄소 흡착 성능을 갖는 흡착제 개발에도 힘쓸 것이다”고 말했다.
전남대학교 응용화학공학과 조성준 교수 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구는 미래창조과학부의 ‘Korea CCS 2020’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 아민-제올라이트 복합체를 이용한 이산화탄소 포집 공정의 개념도
그림2. 연속적인 온도교대흡착 공정에서 흡착제들의 이산화탄소의 흡착능 비교
2016.04.25 조회수 17779 -
박사과정 4명, 학술지에 초청 논문 게재
〈 이상엽 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 네 명의 박사과정 학생들(지도 : 이상엽 특훈교수)이 시스템대사공학(Systems metabolic engineering) 전략을 주제로 초청 리뷰논문을 게재했다.
이상엽 교수의 지도 아래 최경록, 신재호, 조재성, 양동수 네 명의 학생이 주도한 이번 논문은 미생물 분야 학술지 ‘에코살 플러스(EcoSal Plus)’ 10일자 온라인 판에 게재됐다.
이번 논문은 학술 및 산업적으로 널리 연구되고 활용되는 대장균의 시스템대사공학 연구 전략을 총망라했다. 시스템대사공학은 이상엽 특훈교수가 창시한 과학기술 분야로 기존 대사공학에 시스템생물학, 합성생물학, 진화공학 등을 융합한 학문이다.
이번 리뷰 논문에서는 ▲시스템대사공학에서 활용하는 다양한 실험 기법 ▲시스템대사공학 연구 전략 ▲시스템대사공학 전략을 적용해 대량생산 및 산업화에 성공한 바이오리파이너리 사례를 다룬다.
대사공학은 미생물의 대사 흐름을 조절해 화합물을 생산할 수 있는 세포 공장 구축을 목표로 한다. 바이오매스 등 재생 가능한 탄소원을 먹이로 삼아 미생물을 배양해, 다양한 산업 및 의약 물질을 생산하는 바이오리파이너리 분야의 핵심 요소로 평가받는다.
특히 기존 대사공학에 시스템대사공학 전략을 적용하면 물질을 대량생산할 수 있는 고성능 균주를 효과적으로 구축할 수 있어 비용 절감을 기대할 수 있다.
또한 균주가 대규모 바이오리파이너리 공정에 적합하도록 지속적으로 최적화하는 과정도 포함돼 미래에는 석유화학 산업을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
에코살 플러스는 두 번에 걸쳐 출판된 ‘대장균과 살모넬라(Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology)’ 책자를 전신으로 하는 온라인 리뷰 학술지이다.
생물학 연구에서 중요한 대장균 등의 미생물에 관련한 유전, 생화한, 대사 등 모든 분야를 다뤄 생물학 전반 연구의 주요 지침서로 알려져 있다.
이 교수는 “이번 초청 리뷰는 최경록, 신재호, 조재성, 양동수 네 명의 박사과정 학생들이 세계적 수준의 전략 제시 능력을 갖췄음을 증명한 것이다”며 “생명공학분의 바이블로 불리는 에코살 플러스에 논문을 게재한 학생들이 매우 자랑스럽다”고 말했다.
2016.03.30 조회수 13906 -
최민기, 김형준 교수, 1년 이상 유지 가능한 백금 단일원자 촉매 개발
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수, EEWS 대학원의 김형준 교수 공동 연구팀이 1년 이상 유지가 가능하고 과산화수소를 생산할 수 있는 단일 원자 크기의 백금 촉매 개발에 성공했다.
연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8일자 온라인 판에 게재됐다.
백금 고체 촉매는 산업계에서 널리 이용된다. 고가의 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해 백금 촉매입자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 많이 이뤄지고 있다.
과학계에서는 효율적인 금속의 사용을 위해 가장 작은 구성원소인 단일 원자로 이뤄진 백금 촉매(1/10 나노미터 수준)를 개발했다.
백금을 비롯한 모든 금속은 나노미터 수준에서는 매우 불안정하기 때문에 특정 금속 산화물을 담지체로 사용해 백금 원자를 안정화해야 한다. 그러나 이 방법으로 합성된 촉매 또한 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이다.
탄소 소재의 경우 전기전도성이 높고 저렴해 담지체로서 장점을 갖지만 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성시키기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노구조를 합성했고, 이 물질에 백금 촉매를 형성했을 때 단일 원자 형태로도 백금을 안정화시키는 것을 발견했다.
연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적인 촉매 합성 방법을 통해서도 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것을 확인했다. 또한 기존의 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만 연구팀이 개발한 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분의 촉매가 단일 원자로 존재하는 안정성을 보였다.
그밖에도 연구팀은 추가적인 성과를 확인했다. 일반적인 단일 원자 백금 촉매를 수소와 산소를 이용해 연료 전지 기술에 적용할 경우 대부분 물(H2O)이 형성되지만, 연구팀의 단일 원자 백금 촉매는 고부가가치 물질인 과산화수소가(H2O2) 95% 이상의 선택도로 생성돼 저렴하게 과산화수소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
최 교수는 “기존의 불균일계 촉매로는 불가능했던 특이 촉매 선택성을 구현할 수 있을 것으로 예상된다” 며 “다른 단일 원자 촉매군 에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
김 교수는 “양자역학 시뮬레이션을 이용해 단일 원자 백금 촉매가 탄소 담지체에서 갖는 안정성 및 특이한 선택성 등의 원인을 규명했다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 백금 단일 원자 촉매에서의 과산화수소 (H2O2) 생성 반응 모식도
그림2. 백금 단일 원자 사진
2016.03.14 조회수 12390 -
김희탁, 박정기 교수, 보호막 씌워 리튬공기전지 수명 연장
〈 김 희 탁 교수 〉 〈 박 정 기 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김희탁(44) 교수와 박정기 (65) 교수 공동 연구팀이 차세대 리튬공기전지의 수명연장 기술을 개발했다.
이 기술은 리튬공기전지 리튬금속을 보호막을 씌워 발생 가능한 문제점을 차단하는 방식으로 전지기술의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
이 성과는 재료과학 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 2월 3일자에 게재됐고, 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.
리튬공기전지는 공기 중의 산소와 리튬금속으로 구동되는 이차전지로 기존 리튬이차전지보다 5배에서 10배 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.
따라서 전기 자동차 등의 차세대 대용량 전지로 각광받고 있지만 양극에서의 낮은 가역성 및 에너지 효율, 급속한 수명 저하가 한계로 지적됐다.
이런 단점을 극복하기 위해 ‘산화환원 중계물질(Redox mediator)’이라는 촉매가 들어간 리튬공기전지가 개발돼 중계물질에 의한 가역성이 획기적으로 향상됐다.
그러나 반응성이 높은 리튬 금속을 음극 소재로 사용하기 때문에 음극 표면이 쉽게 산화돼 전지 수명이 제한된다는 한계를 갖는다.
특히 가역성 향상을 위한 중계물질이 리튬 금속에 노출되면 양극에서의 중계 효과가 제한되고 중계물질이 소실돼 효율 및 수명이 급격히 감소하는 현상은 큰 문제로 남아있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 리튬 금속에 보호막을 씌우는 방법을 개발했다. 리튬 금속과 전해액의 직접 접촉을 물리적으로 차단하면서 리튬 이온만 효과적으로 전도시킬 수 있는 유무기 복합 보호층을 개발해 리튬 음극 표면에 도입한 것이다.
이 유무기 복합 보호층은 리튬 금속 음극의 급격한 산화를 억제하고 중계물질과 리튬금속 간의 반응을 물리적으로 차단하는 역할을 한다.
보호층은 산화된 중계물질이 리튬 금속 표면에서 스스로 환원되는 현상을 물리적으로 차단한다. 이를 통해 중계물질이 양극 표면에서 방전 생성물 분해에만 집중할 수 있고, 리튬 금속 표면에서의 분해로 인한 소실 문제를 차단할 수 있다.
연구팀은 리튬금속 음극 안정성과 중계물질의 지속성을 동시에 증대시켜 리튬공기전지의 충전 및 방전 사이클 수명을 3배 연장하는 데 성공했다.
개발한 유무기 복합 보호층을 통한 리튬 표면 안정화 기술은 리튬-황, 리튬 금속 전지와 같은 차세대 리튬 전지에도 적용 가능해 향후에도 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다.
김 교수는 “차세대 에너지 저장장치인 리튬공기전지의 수명 한계를 극복할 단서를 제시했다”며 “이는 리튬공기전지의 실용화를 위한 유용한 전략이 될 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 머티리얼스 표지논문
그림2. 전기화학 구동 후 리튬 금속 음극형상
2016.03.09 조회수 16143 -
이상엽 교수, 미생물로부터 친환경 바이오플라스틱 생산기술 개발
〈 이 상 엽 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 세계 최초로 미생물을 이용해 대표적 의료용 고분자인 폴리락테이트-co-글라이클레이트(poly(lactate-co-glycolate), PLGA)를 생산해냈다고 밝혔다.
이번 연구는 생명공학 분야의 최고 권위지인 '네이처 바이오테크놀로지(Nature Bio-technology) 온라인 판에 8일 게재되었다.
기존 폴리락테이트-co-글라이콜레이트의 화학적 생산 공정은 여러 단계의 화학적 전환, 정제 등 복잡한 공정이 필요해 비효율적이었을 뿐만 아니라 유독성 금속 촉매가 사용되어 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있었다.
폐목재, 볏짚 등 재생가능한 자원인 바이오매스를 기반으로 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 생산하는 미생물(균주)을 개발하여, 기존 화학공정 대비 친환경적이면서 단순화된 공정이 가능해졌다.
또한 이번 연구에서 개발한 폴리락테이트-co-글라이콜레이트 생산 균주를 기반으로 한 응용 기술로 다양한 목적성 고분자* 생산이 가능해져 신규 바이오플라스틱 생산에 새로운 지평을 열었다.
이번 연구 결과는 자원고갈, 기후변화 등의 문제를 안고 있는 기존 석유 의존형 화학산업을 재생가능한 자원을 통해 지속성장이 가능한 바이오 의존형 화학산업으로 바꾸기 위한 바이오 리파이너리 분야의 의미있는 성과이다.
이상엽 교수는 “이번 연구는 의료용 고분자의 대표적 물질인 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 만드는 미생물을 개발한 세계 최초의 연구“라며 “인공고분자를 생물학적 방법으로 생산할 수 있는 시스템을 구축했다는 점에서 큰 의미를 가진다.”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 대사공학적으로 개량된 대장균이 바이오매스로부터 PLGA 및 다양한 PLGA 공중합체를 생산하는 전체 개념도
2016.03.08 조회수 13023 -
아·태 바이오텍뉴스誌, 한국의 생명공학 특집호 발간
〈 이 상 엽 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 편집을 맡은 ‘아시아태평양 바이오텍뉴스(Asia Pacific Biotech News)지 - 한국의 생명공학(Biotechnology in Korea) 특집호’가 발간됐다.
‘아시아태평양 바이오텍뉴스’ 지는 싱가포르 월드사이언티픽(World Scientific)사가 발간하는 잡지로, 이번 특집호에는 미래창조과학부에서 추진 중인 글로벌프론티어 사업과 기후변화대응기술 개발 사업 등 바이오관련 사업 5가지가 소개됐다.
특집호는 ▲미래창조과학부 원천기술과의 글로벌프론티어 사업 중 미세조류를 이용한 바이오연료와 바이오제품 연구를 수행하는 차세대바이오매스사업단(KAIST 장용근 단장), ▲융합적 연구전략으로 신약 타겟과 개발을 주도하는 의약바이오 컨버전스사업단(서울대 김성훈 단장), ▲ICT와 나노기술을 바이오에 융합해 유해균, 바이러스, 유해물질 등의 신속 정확한 진단 기술을 개발하는 바이오나노 헬스카드사업단(한국생명과학연구원 정봉현 단장)의 연구성과와 전략들이 소개됐다.
또한 ▲미래창조과학부 생명기술과에서 추진 중인 바이오시너지사업단(KAIST 이도헌 단장)이 소개됐다.
이는 수많은 천연물과 인체 내 생물분자들과의 시스템생물학적 상호작용을 분석해 다중표적, 다중물질 기반의 새 치료제를 개발하는 사업단이다. 동의보감 등 선조들의 지혜가 담긴 다중성분 약제를 체계적으로 분석해 현대 의학에서의 의미를 분석 및 부여한다.
마지막으로 ▲기후변화대응 기술 개발 사업 중 바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 연구단(이상엽 단장)이 소개됐다.
시스템대사공학은 화석연료 대신 지속가능한 바이오매스를 이용해 바이오에탄올 등의 화학물질을 만드는 바이오리파이너리 기술의 핵심이다.
연구단은 엔지니어링 플라스틱 원료나 가솔린 등을 생산하는 미생물, 부탄올 및 숙신산을 세계 최고효율로 생산하는 미생물 등을 개발했다.
미래창조과학부 백일섭 원천기술과장은 “새해를 맞이해 아시아태평양 바이오텍뉴스지에서 한국의 생명공학 특집호를 발간한 것은 우리 생명공학기술을 높이 평가하고 있다는 의미를 갖는다”고 말했다.
이상엽 특훈교수는 “지난 2002년, 2006년, 2011년에도 동일 저널에 한국의 바이오텍 특집호를 발간한 바 있다”며 “우리의 건강을 지켜주고 환경문제에 대응하는 생명과학기술을 소개하는 특집호에 한국의 기술들이 소개돼 기쁘다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 아시아태평양 바이오텍뉴스(Asia Pacific Biotech News)지 - 한국의 생명공학 특집호 표지
2016.02.02 조회수 10733 -
빛을 이용한 실리카 구조체 가공 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수, 박정기 교수 공동 연구팀이 단순한 빛 조사만으로 실리카(유리)와 같은 단단한 세라믹 구조체의 모양을 정교하게 제어할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 성과는 재료과학분야의 국제 학술지 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’ 9월 21일자 온라인판에 게재됐다.
실리카 구조체는 유기물 구조체에 비해 고온, 고압 및 바이오 물질과의 안정성이 좋고 내화학성, 투명성 등이 높아 미세 유체칩 내부 채널, 태양전지 기판 등에 폭넓게 이용되고 있다.
그러나 실리카 특유의 높은 경도 때문에 실리카 구조체의 모양과 크기를 변화시키기 어려웠다. 특히 나노 스케일 구조 가공은 매우 어려운 것으로 여겨졌다.
연구팀은 문제 해결을 위해 아조 분자(질소 원자 두 개가 이중 결합된 아조기 양 끝에 벤젠링이 결합된 형태의 분자)를 이용했다. 아조 분자는 빛을 받았을 때 빛의 방향과 나란히 배열돼 편광 방향과 동일한 방향으로 움직이는 특성을 갖는다. 이를 응용하면 아조 분자와 결합된 실리카 전구체 분자가 빛의 방향에 따라 움직이는 특성을 갖게 된다.
연구팀은 이 아조 분자와 결합된 실리카 전구체를 용액-마이크로 임프린팅 기법의 잉크로 사용해 도장처럼 찍혀 나오듯 정해진 패턴의 형태로 제작했다.
이후 제작된 물질을 빛으로 가공한 뒤 열처리 하면 아조 분자가 포함된 유기물이 열분해돼 사라지게 된다. 결과적으로 무기물 전구체들만 남아 반응해 유리 구조체가 완성되는 것이다.
이 방법을 통해 30나노미터 이하 크기의 나노 구조를 갖는 대 면적 실리카 구조체를 제작했다. 또한 원형의 홀에 빛을 조사해 타원형의 홀 및 기둥 구조를 구현했다.
연구팀은 개발된 기술이 초소수성 기판, 미세유체칩 내의 미세채널 등 물리적 및 화학적 내구성이 요구되는 소자에 광범위하게 응용될 수 있을 것이라고 밝혔다.
김 교수는 “기존에 없었던 새로운 방식의 실리카 구조체 가공 방법을 개발했다”며 “세라믹을 나노 영역에서 다양한 형태로 구조 가공이 가능한 최초의 방식이다”고 말했다.
강홍석 박사 후 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 빛 조사 및 열처리를 통해 원형형태의 구조체로부터 타원형태의 실리카 구조체 제작
그림 2. 광학 사진 이미지. 전자현미경 사진을 통해 실리카 전구제 구조 변형 및 실리카 구조체 제작 확인
그림 3. 빛을 이용해 실리카 전구체 구조 가공 및 열처리를 통한 실리카 구조체 제작과정
2015.10.06 조회수 13014