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김신현 교수, 제3회 한국도레이 과학기술연구기금 수혜
우리대학 생명화학공학과 김신현 교수가 김신현 교수, 제3회 한국도레이 과학기술연구기금 지원 대상자로 선정됐다.
한국도레이과학진흥재단이 열정적인 신진 과학자 및 공학자를 발굴해 잠재성 높은 연구과제를 지원하고 독창적이고 차별화된 연구활동에 몰입할 수 있는 환경을 마련하기 위해 조성한 이 연구기금은 화학 및 재료 공학 분야에 종사하는 만 45세 미만의 신진 과학자에게 주어진다.
김신현 교수는 응용 분야에서 <맞춤형 구조색 패턴화를 위한 3차원 콜로이드 배열의 2D 및 3D 프린팅 기술개발>을 위한 연구 기금을 지원 받는다.
이 연구과제는 시각적 자극이 중요한 기술 감성 시대에 단일 구조색의 획일화된 패턴 생산기술의 한계점을 인식하고 이를 극복할 수 있는 광 중합성 콜로이드 잉크의 Direct Writing을 통한 2D/3D 프린팅 및 콜로이드 자가 배열에 따른 구조색을 발현하는 과제다. 자연의 구조색을 모방하여 화학 색소가 구현할 수 없는 다양한 색깔과 색감을 발현하고, 높은 열 안정성과 낮은 독성의 구조 색소를 실용화함으로써 고감성 광학소재 기술을 선도할 수 있으며 각종 의류 및 장신구, 컨택트 렌즈, 스마트폰 등 일상의 다양한 분야에서 색소 없이 심미적 구조색 패턴화를 가능하게 하는 것이 목표다.
김 교수는 매년 연구비 5000만원씩을 3년간 지원받을 예정이다.
2020.10.23
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2차원 신소재를 1차원 리본으로 오려내는 나노 가위 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀과 공동연구로 2차원 반도체인 *전이금속 칼코지나이드 물질을 얇은 리본 형태로 오려낼 수 있는 신기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
☞ 2차원 전이금속 칼코지나이드 : 전이금속원소와 칼코겐 원소의 화합물. 평면 방향으로는 전이금속원소와 칼코겐 원소가 강한 공유결합을 하고 있으나, 수직 방향으로 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조를 가지고 있다. 이를 이용하여 층간 분리를 통해 2차원 단층 형태로 박리가 가능하다.
연구팀은 간단한 초음파 처리를 통해 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질을 일정한 방향으로 절개해 긴 나노 리본 형태로 오려내는 데 세계 최초로 성공했다. 김상욱 교수와 정유성 교수 공동 연구팀이 개발한 이 신소재는 기존 백금 촉매를 대체하여 수소 발생 반응 촉매로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
우리 대학 신소재공학과의 인도 출신인 수치스라 파드마잔 사시카라(Suchithra Padmajan Sasikala) 연구교수가 제1 저자로 참여한 이번 연구성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 10월 6일 字 온라인 판에 게재됐다.(논문명: Longitudinal unzipping of 2D transition metal dichalcogenides)
수소는 공해물질을 배출하지 않기 때문에 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 신 에너지 자원으로 주목받고 있다. 수소를 생산하는 가장 환경친화적인 방법은 화학적으로 물을 분해하는 방법인데 이 경우 효율적으로 수소를 생성할 수 있도록 값싸고 높은 효율의 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다.
2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 우수한 촉매 성능을 지니고 있어 에너지·환경 분야에 응용이 기대되는 소재다. 하지만 보다 높은 촉매 성능을 달성하기 위해서는 촉매 활성을 갖는 2차원 소재의 가장자리를 많이 노출하는 방법이 요구돼왔다. 종이를 오려내듯 2차원 소재를 길쭉한 1차원 리본 형태로 오려내게 되면 더 많은 가장자리를 노출할 수 있다는 장점 때문이다.
현재까지는 그래핀과 같이 한가지 원소로만 이루어진 2차원 소재의 경우 여러 방법의 오려내는 기술이 보고돼왔지만, 2개 이상의 원소로 이뤄진 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질에 이를 적용하는 데 한계가 따랐다.
공동 연구진은 문제해결을 위해 화학 반응을 통해 2차원 소재의 특성 변화를 유도한 후, 저렴한 초음파 처리 공정을 통해 1차원 리본 형태로 오려내는 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
연구팀은 2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학 반응한다는 점을 발견하고 간단한 초음파 자극을 통해 1차원 리본 형태로 오려냈다. 이어 이 기술을 활용해 기존 고가의 백금 촉매에 견줄 만한 높은 성능을 지닌 수소 발생 반응 촉매를 구현했다.
연구팀 관계자는 "기존에 보고된 적이 없는 다원소로 구성된 2차원 전이금속 칼코지나이드 소재를 오려내는 새로운 기술 개발을 계기로 다양한 다원소 저차원 나노 신물질을 제조할 것으로 크게 기대가 된다ˮ고 설명했다.
교신저자로 이번 연구를 주도한 김상욱 교수는 "2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 불구하고 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다"면서 "이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것이다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.10.15
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′테크핀 산학협력센터 설립′ 등을 위한 MOU 체결
우리대학이 하나은행과 ‘테크핀(기술+금융) 산학협력센터 설립’ 등을 위한 업무협약을 4일 체결했다.
이번 협력은 포스트 코로나19 시대 한국판 디지털 뉴딜을 적극 추진하기 위한 포괄적 산학협력으로 테크핀 산학협력센터 건립을 통해 양 기관은 산학 간 전문성 공유, 공동 연구개발, 관련 분야 창업 등의 분야에서 협력한다.
이를 위해, 인공지능(AI) 및 머신러닝, 빅데이터, 챗봇, 증가현실(AR) 및 가상현실(VR), 사물인터넷(IoT), 블록체인, 생체인증 등 테크핀의 다양한 분야에서 디지털 생태계 구축을 추진할 예정이다.
또한, 테크핀 산학협력센터를 중심으로 전기및전자공학, 전산, 수학, 산업공학, 전자공학, 바이오·뇌공학 및 AI 등 분야별 전문가와 교수 및 연구진이 전공 제한 없이 참여하는 전공 융합형 프로젝트도 수행한다.
아울러, 하나금융은 기업형벤처캐피탈(CVC)인 하나벤처스를 적극 활용해 우리대학의 기술지주회사인 미래과학기술지주와 함께 교내 창업보육기관과 업무협약을 추진한다. 기술혁신형 벤처기업 육성과 투자를 통해 디지털·바이오 및 소·부·장(소재·부품·장비)을 포함한 과학기술 기반의 예비 유니콘(기업가치 1조원 이상인 스타트업) 기업 발굴에도 주력하기 위해서다.
신성철 총장은 인사말을 통해 “‘테크핀 산학협력센터’가 두 기관의 테크핀 금융혁신을 위한 긴밀한 협력의 플랫폼(Platform)이 되고, 나아가 우리나라를 디지털 금융 강국으로 도약시키는 도약의 플랫폼이 되기를 기대한다”고 전했다.
2020.08.04
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CT 대학원, 차세대 게임 산업 이끌어갈 연구 인재 양성
우리대학 문화기술대학원이 '게임의 이머징 테크놀로지 연구 인재 양성 프로그램'을 신설하고 2021년 봄학기부터 차세대 게임의 기획·개발·경영과 관련된 첨단 기술을 연구하는 석·박사급 인재 양성에 나선다.
'KAIST CT-Game 프로그램'으로 신설된 이 대학원 과정은 게임 전문 R&D전문 인력 양성을 목표로 매년 10여 명의 석·박사 과정 학생을 선발하고 미래게임기술, 미래게임정보공학, 미래게임문화, 게임기술경영 등의 교과과정을 바탕으로 인재를 육성할 계획이다.
이번 CT-Game 프로그램의 정규 개설은 그동안 산업 분야로만 인식되어왔던 게임을 진지한 학문의 영역으로 편입시켰다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 동시에 우리나라 게임의 사회문화적 위상 변화는 물론 게임 산업 분야의 과학화와 체계화를 위해 한걸음 내딛는 중요한 진전이라고 볼 수 있다.
이를 위해, KAIST 문화기술대학원은 엔씨소프트(대표 김택진, 게임기술 산학협력) 및 대전시립미술관(관장 선승혜, 게임예술 산학연구)과 협업하는 사업단을 구성했다.
또한, 문화체육관광부(장관 박양우) 산하 한국콘텐츠진흥원(원장 김영준)의 문화콘텐츠 R&D 전문인력양성(문화기술 선도 대학원) 사업을 통해 27.5억 원의 정부 예산을 지원받으며, 참여 기관 및 기업의 예산을 더해 3년간 총 31억 원을 투입할 예정이다.
선발된 학생들에게는 등록금과 학업 장려금을 지원하고 현장 수요에 기반한 차세대 게임 콘텐츠 기술 연구를 독려하기 위해 엔씨소프트 및 대전시립미술관과의 공동 연구, 펠로우십, 산학장학생 등의 기회를 제공한다.
2018년 전 세계 게임 시장 규모는 전년 대비 7.1% 증가한 1,783억 6,800만 달러를 기록했다. 한국은 글로벌 게임 시장의 6.3%를 점유하는 주요 국가로 이는 전체 4위에 해당하는 비중이다.
한편, 2019년 국내 게임 시장 규모는 전년 대비 5.1% 성장한 15조200억 원을 기록했으며 올해는 15조3500원에 이를 것으로 예상된다. 한국콘텐츠진흥원이 발표한 '2019년 상반기 콘텐츠 산업 동향 분석 보고서'에 따르면 게임 산업의 수출액은 33억 3,033만 달러로 문화콘텐츠 산업 전체 수출액의 70%가량을 차지하며 중요도를 높여가고 있다.
하지만 국내 게임 산업의 양적인 성장 이면에는 시장의 주요한 소비세대로 떠오르는 Z세대의 특징을 고려하지 않은 채 기존의 RPG 게임을 중심으로만 성장하고 있다는 우려도 제기되고 있다.
Z세대(1990년대 중반에서 2000년대 초반에 걸쳐 태어난 젊은 세대)는 모바일 플랫폼에서 짧은 시간 내에도 여러 차례 게임을 소비하는 등 사회적 유대감을 형성하는 수단으로 게임을 활용하는 특징을 보인다.
현재 시장을 점유하고 있는 게임 콘텐츠는 R&D 인력이 아닌 실무 인력을 중심으로 장기간에 걸쳐 개발된 결과물이다. 그러나 Z세대로 대변되는 주요 소비자들의 사용 패턴은 게임이 단일 콘텐츠에 그치는 것이 아니라 하나의 문화현상으로 발화될 수 있도록 R&D 중심의 새로운 개발 환경을 조성해야 한다는 점을 시사하고 있다.
기술에 기반을 둔 전체 게임 개발 프로세스의 효율성 극대화, 데이터를 바탕으로 하는 분석적 게임설계, 새로운 게임 내러티브의 개발 등을 현실화할 수 있는 혁신적인 접근법을 도입해야 한다는 의미다.
이를 위해, 'KAIST CT-Game 프로그램'은 Z세대의 게임 소비 패턴을 고려한 차세대 게임 콘텐츠 기술 연구를 수행할 계획이다.
모션 자동 생성(이성희 교수), 게임 BGM 자동 생성(남주한 교수) 등 AI 기반 게임 콘텐츠 지능화 기술 개발 및 게임의 예술적 경험에 대한 플레이어 선호 유형 모델 연구(도영임 교수), 플레이어 인지 모델 기반 부정프로그램 사용자 탐지 기술 개발(이병주 교수) 등의 분야에서 교육 과정과 연구 실행을 유기적으로 결합하는 융합 접근을 새롭게 시도한다.
전공 책임을 맡은 이병주 KAIST 문화기술대학원 교수는 "게임은 디지털 기술과 인문학, 사회과학, 디자인, 그리고 예술이 융합된 콘텐츠이기 때문에 단일 전공으로 이루어진 대학원에서는 실제 게임 산업에 투입될 수 있는 수준의 융합적 사고 역량을 가진 R&D 인력을 양성하기 어렵다ˮ라고 강조했다.
이어, 이 교수는 "국내 최초의 문화기술융합분야 연구중심 대학원으로 설립된 후 15년간 쌓아온 노하우를 바탕으로 세계적 수준의 게임 R&D 전문 인력을 배출하고 국내 게임 산업의 경쟁력을 높일 수 있는 기술 개발에 전념할 것ˮ이라고 포부를 밝혔다.
한편, 지난 3일부터 지원자를 모집 중인 'KAIST CT-Game 프로그램'은 오는 14일까지 원서를 접수하며, 자세한 내용은 문화기술대학원 홈페이지(https://game.kaist.ac.kr)에서 확인할 수 있다.
2020.07.08
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이효철 교수 연구팀, 분자가 탄생하는 모든 순간(35펨토 초) 포착
우리 대학 화학과 이효철 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장) 연구팀은 원자가 결합하여 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했고 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 6월 25일 0시(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.
연구진은 펨토 초(1/1,000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스*)를 이용하여 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는데 성공했다.
* 펄스는 짧은 시간동안 만 빛이 방출되는 형태로, 펨토 초 엑스선 펄스는 X선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토 초 정도일 때를 말함
물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준만 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어려웠다.
연구진은 이전에 분자결합이 끊어지는 순간(Science, 2005)과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간(Nature, 2015) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측한 바 있으며, 이번에 세계 최초로 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정의 원자의 움직임을 관찰하는데 성공했다.
화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)의 경우 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다.
연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer)* 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 한 결합이 35펨토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토 초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성됨을 규명했다.
* 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물(화학식 : [Au(CN)2-]3)로, 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응하여 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
또한, 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 IBS 선임연구원(우리 대학 화학과 박사과정 졸업생)은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”며 “앞으로 다양한 유‧무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 포부를 밝혔다.
2020.06.26
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기계공학과 공경철 교수팀, 워크온슈트4 및 사이배슬론 2020 출전 선수 공개
우리대학 기계공학과 공경철 교수가 연세대학교 의과대학 세브란스병원 나동욱 교수와 공동 개발한 웨어러블 로봇인 '워크온슈트 4' 및 사이배슬론(Cybathlon) 2020' 대회에 출전할 선수를 15일 공개했다.
워크온슈트 4는 사이배슬론 2020에 출전하기 위해 새롭게 개발한 모델로 두 다리를 감싸는 외골격형 로봇이다. 모터를 이용한 힘으로 하반신을 전혀 사용하지 못하는 장애인들의 움직임을 보조할 수 있다. 일어나 걷는 등의 기본적인 동작은 물론 계단·오르막/내리막·옆경사·문 열기·험지 등 일상생활에서 자주 접하게 되는 장애물을 극복할 수 있도록 제작됐다.
이전까지 개발된 하반신 마비 장애인을 위한 웨어러블 로봇은 장시간 사용하기 어렵다는 한계가 존재했다. 하반신 기능을 소실해 근육 등 신체 기능이 퇴화한 장애인들이 로봇을 착용하고 움직이려면 수십 kg에 이르는 무게를 감당해야 했기 때문이다.
연구팀은 문제를 해결하기 위해 인체가 이루는 자연스러운 균형을 모사해 로봇의 무게중심을 설계하는 기술을 고안했다. 사용자 신체 각 부위에 정밀하게 밀착되는 착용부를 만든 뒤, 로봇 관절의 기준 위치를 조절해 무게중심을 정밀하게 맞춘 것이다.
또한, 착용자의 긴장 정도나 지면의 상태와 같은 외부 요인을 지능적으로 관측하고 제어하는 기술도 더했다. 로봇이 제공해야 하는 보조력은 사용하는 환경에 따라 크게 달라진다. 워크온슈트 4는 로봇이 착용자의 걸음을 30보 이내로 분석해 가장 적합한 보행패턴을 찾아 맞춤형으로 제공한다.
이를 통해, 하반신 마비 장애인들이 웨어러블 로봇을 착용하고 장시간 걷거나 설 수 있도록 월등하게 기능을 끌어올렸고 연속보행 시 1분당 40m 이상을 걸을 수 있게 된 성과도 거뒀다.
이는, 시간당 2~4km가량을 걷는 비장애인의 정상 보행 속도와 견줄만한 수준으로 그동안 전 세계적으로 보고된 하반신 완전 마비 장애인의 보행 기록 중 가장 빠른 속도다.
연구팀은 활발한 기술협력을 통해 일부 부품을 제외한 대부분의 구성 요소를 국산 기술로 완성했다. 로봇의 구조설계와 시스템 소프트웨어는 공경철·나동욱 교수가 공동 창업한 ㈜엔젤로보틱스에서 주도했다. 공학적 설계와 제어는 공경철 교수가, 보행 보조기로서의 구조와 대상자를 위한 필수 기능 등을 점검하는 생체역학 분야는 나동욱 교수가 분담해 맡았다.
개인맞춤형 탄소섬유 착용부는 재활공학연구소에서 연구를 진행했으며 로봇의 동작 생성과 디자인은 영남대학교 로봇기계공학과와 ㈜에스톡스가 각각 담당했다.
한편, 우리나라를 대표해 올해 개최예정인 `사이배슬론 2020'에 출전할 선수들은 지난 2월 KAIST에서 열린 선발전을 통해 결정됐다.
앉고 서서 물컵 정리하기·지그재그 장애물 통과·험지 보행·옆경사 보행 등 실제 대회에서 수행하게 될 미션이 선발전 평가항목으로 채택됐는데 작년 9월부터 출전을 준비해온 7명의 후보 선수 중 4명이 참가해 경기를 치렀다.
그 결과, 각각 2분 24초와 3분 35초의 기록으로 4개의 미션을 완수한 김병욱 씨(남, 46세)와 이주현 씨(여, 19세)가 국제대회에 출전할 최종 선수로 선발됐다.
현재 워크온슈트 4의 로봇기술은 선발된 두 선수의 개별적인 특성에 맞게 최적화되었으며, 두 선수 모두 6개의 모든 미션을 5분대에 통과할 정도로 기록이 향상되었다.
지금까지는 미국팀과 스위스팀이 4개의 미션을 6분대에 수행하는 기록을 공개했으며, 그 외 사이배슬론 참가팀은 모든 미션을 완벽하게 수행하지 못하는 단계에 머물러 있다.
선발전 1위에 오른 김병욱 씨는 1998년 뺑소니 사고로 장애를 얻은 뒤 2015년 공 교수 연구팀에 합류했다. 2016년 스위스에서 열린 제1회 사이배슬론 대회에서 워크온슈트의 초기모델을 착용하고 동메달을 딴 주인공으로 "우리나라의 웨어러블 로봇기술이 세계 최고 수준임을 직접 보여줄 것ˮ이라는 포부를 밝혔다.
2위에 오른 이주현 씨는 고등학교 3학년에 재학 중이던 작년 불의의 교통사고로 하반신이 마비됐다. 같은 해 6월 연구팀에 합류해 사이배슬론 2020 출전을 위한 훈련과 수능 시험을 준비를 병행했으며, 올해 초 최종 선수 선발 및 이화여대 정치외교학과 합격의 영광을 동시에 안았다.
공경철 KAIST 기계공학과 교수는 "지난 대회 이후 4년 동안 모든 연구원과 협력 기관들이 하나가 되어 수준 높은 기술을 개발할 수 있었고 선수들과도 큰 어려움 없이 훈련했다ˮ고 전했다. 이어, "다가올 국제대회는 워크온슈트 4의 기술적 우월성을 전 세계에 증명하는 중요한 무대가 될 것ˮ이라며 강한 자신감을 보였다.
2020.06.15
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공기중 산소로 충전되는 차세대 배터리용 에너지 저장 소재 개발
우리 연구진이 공기 중에 널리 퍼져있는 산소로 충전되는 차세대 배터리인 리튬-공기 배터리의 에너지 저장 소재를 개발했다. 기존 리튬-이온 배터리에 비해 약 10배 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있어 친환경 전기자동차용 배터리에 널리 쓰일 것으로 기대된다.
우리 대학 신소재공학과 강정구 교수가 숙명여대 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀과 공동연구를 통해 원자 수준에서 촉매를 제어하고 분자 단위에서 반응물의 움직임 제어가 가능해 차세대 배터리로 주목받는 리튬-공기 배터리용 에너지 저장 전극 소재(촉매)를 개발했다.
연구팀은 이번 소재개발을 위해 기존 나노입자 기반 소재의 한계를 극복하는 원자 수준의 촉매를 제어하는 기술과 금속 유기 구조체(MOFs, Metal-Organic Frameworks)를 형성해 촉매 전구체와 보호체로 사용하는 새로운 개념을 적용했다. 금속 유기 구조체는 1g만으로도 축구장 크기의 넓은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분야에 적용 가능한 신소재다.
이와 함께 물 분자의 거동 메커니즘 규명을 통해 물 분자를 하나씩 제어하는 기술도 함께 활용했다. 이 결과, 합성된 원자 수준의 전기화학 촉매는 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하 기공(구멍) 내에서 안정화가 이뤄져서 뛰어난 성능으로 에너지를 저장한다는 사실을 밝혀냈다.
KAIST 신소재공학과 최원호 박사과정이 제1 저자로 참여한 이 연구결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 `어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)' 5월 6일 字에 게재됐다. (논문명 : Autogenous Production and Stabilization of Highly Loaded Sub-Nanometric Particles within Multishell Hollow Metal-Organic Frameworks and Their Utilization for High Performance in Li-O2 Batteries)
리튬-이온 배터리는 낮은 에너지 밀도의 한계로 인해 전기자동차와 같이 높은 에너지 밀도를 요구하는 장치들의 발전 속도를 따라잡지 못하고 있다. 이를 대체하기 위해 다양한 종류의 시스템들이 연구되고 있는데 이 가운데 높은 에너지 밀도의 구현이 가능한 리튬-공기 배터리가 가장 유력한 후보로 꼽힌다. 다만 리튬-공기 배터리는 사이클 수명이 매우 짧아서 이를 개선하기 위해 공기 전극에 촉매를 도입하고 촉매 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 공동연구팀은 원자 수준의 촉매 도입 후 사이클 수가 3배 정도 증가하는 결과를 얻었다.
또 촉매의 경우 크기가 1nm(나노미터) 이하로 작아지면 서로 뭉치는 현상이 발생해서 성능이 급격하게 떨어진다. 공동연구팀은 이런 문제 해결을 위해 원자 수준 촉매 제어기술을 사용했는데 물 분자가 금속 유기 구조체의 1nm(나노미터) 이하의 공간에서 코발트 이온과 반응해 코발트 수산화물을 형성했고, 그 공간 내부에서도 안정화를 이뤘다. 안정화가 이뤄진 코발트 수산화물은 뭉침 현상이 방지되고, 원자 수준의 크기가 유지되기 때문에 활성도가 향상되면서 리튬-공기 배터리의 사이클 수명 또한 크게 개선되는 결과를 얻었다.
강정구 교수는 "금속-유기 구조체 기공 내에서 원자 수준의 촉매 소재를 동시에 생성하고 안정화하는 기술은 수십만 개의 금속-유기 구조체 종류와 구현되는 촉매 종류에 따라 다양화가 가능하다ˮ면서 "이는 곧 원자 수준의 촉매 개발뿐만 아니라 다양한 소재개발 연구 분야로 확장할 수 있다는 의미ˮ라고 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업 및 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.06.01
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〈KAIST와 함께 알아보는 바이러스의 비밀〉 온라인 특강 개최
우리대학은 20일부터 순차적으로 등교 수업을 재개하는 초·중·고등학생을 위해 바이러스 및 감염병을 주제로 온라인 릴레이 특강을 연다.
`KAIST와 함께 알아보는 바이러스의 비밀'이란 주제로 열리는 이번 특강은 등교 수업을 순차적으로 앞둔 학생들이 바이러스 및 감염병의 특성을 과학적으로 이해하고 이를 통해 생활 속 방역 수칙을 능동적으로 준수하도록 돕기 위해 마련됐다.
5월 22일부터 6월 30일까지 진행되는 이번 온라인 특강에는 의과학·생명과학·수리과학·신소재공학 등 코로나19와 밀접한 분야를 연구하는 KAIST 교수들이 직접 출연한다.
매주 금요일마다 총 다섯 차례에 걸쳐 공개되는 특강은 바이러스의 특징 및 전파 과정 그리고 예방에 대한 과학적 접근과 해법을 살펴보는 내용으로 구성돼 있다.
5월 22일 첫 강의를 맡은 신의철 의과학대학원 교수는 `역사 속의 바이러스', `영화 속의 바이러스' 등의 흥미로운 소재를 활용해 바이러스의 종류, 생김새, 인체 유입 경로와 증식 과정, 면역 반응, 백신의 원리 등을 종합해 소개한다.
이어, 염지현 신소재공학과 교수와 서성배 생명과학과 교수는 각각 `나노 물질로서의 바이러스', `바이러스와 신경과학'을 주제로 2차와 3차 강의를 진행한다.
6월 12일 공개되는 4차 강의에서는 김용정 수리과학과 교수의 `전염병의 확산과 수학적 모델링'을 강의한다. 수치 계산법을 활용해 여러 가지 전염병 모델의 확산세를 예측하는 방법을 배우는 시간인데 교과 과정에 포함된 미분과 행렬을 활용해 강의에 참여할 수 있는 것이 특징이다.
마지막 5차 강의에서는 김일두 신소재공학과 교수가 코로나19에 대응하는 신소재 및 항바이러스 마스크 개발에 관한 주제를 다룬다. 온도·물체의 소재·소독제의 특성·pH 농도 등에 따른 코로나19 바이러스 감소량 등 실험 결과를 소개하고 지속적인 바이러스의 공격에 대비할 수 있는 나노섬유 필터 기술에 대해 강연한다.
이번 온라인 특강을 기획한 KAIST 곽시종 과학영재교육연구원장(수리과학과 교수)은 "신종 코로나바이러스 감염증의 확산으로 평소와는 전혀 다른 일상을 보내게 된 학생들이 바이러스에 대한 지식을 흥미롭게 접하고 이해하는 계기가 되길 바라는 마음에서 이번 온라인 릴레이 특강을 마련했다ˮ고 말했다.
`KAIST와 함께 알아보는 바이러스의 비밀' 특강에 참여하고 싶은 초·중·고등학생은 KAIST 사이버영재교육 홈페이지(talented.kaist.ac.kr)에서 회원으로 가입하면 무료로 강의를 수강할 수 있다. 문의 042-350-6207.
2020.05.21
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알츠하이머 치료제 개발을 위한 새로운 가능성 제시
우리 연구진이 알츠하이머 발병 원인을 동시다발적으로 억제 가능한 치료제 개발 원리를 증명하고 또 동물실험에서 효능을 입증하는 등 알츠하이머병에 관한 새로운 치료제 개발에 대한 가능성을 제시함으로써 많은 주목을 받고 있다.
우리 대학 화학과 임미희 교수 연구팀이 알츠하이머 발병의 원인으로 알려진 ‘활성 산소종’과 ‘아밀로이드 베타’, ‘금속 이온’ 등을 손쉽고도 동시다발적으로 억제할 수 있는 치료제 개발 원리를 새롭게 증명하고 알츠하이머 질환에 걸린 동물 모델(실험용 쥐) 치료를 통해 이를 입증하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 백무현 교수와 서울아산병원 이주영 교수도 함께 참여했으며 저명 국제 학술지인 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 4월 1일 字에 게재됐다. 이 논문은 특히 4월 26일 字 ‘편집장 선정 우수 논문(Editors’Choice Paper)’으로 꼽혀 많은 주목을 받고 있다. (논문명 : Minimalistic Principles for Designing Small Molecules with Multiple Reactivities against Pathological Factors in Dementia)
알츠하이머병은 치매를 일으키는 대표적인 뇌 질환이다. 이 질환의 원인으로 다양한 요소들이 제시됐지만, 원인 인자들 사이의 원리들은 아직도 명확하게 밝혀지지 않고 있다.
알츠하이머병을 일으키는 대표적인 원인 인자로는, 활성 산소종과 아밀로이드 베타, 금속 이온이 알려져 있다. 이 요인들은 개별적으로 질병을 유발할 뿐만 아니라, 상호 작용을 통해 뇌 질환을 더욱 악화시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 이온들은 아밀로이드 베타와 결합해 아밀로이드 베타의 응집 속도를 촉진시킬 뿐만 아니라, 활성 산소종들을 과다하게 생성하여 신경독성을 유발할 수 있다. 따라서 이처럼 복잡하게 얽힌 여러 원인 인자들을 동시에 겨냥할 수 있는 새로운 알츠하이머병 치료제 개발이 필요하다.
임 교수 연구팀은 단순한 저분자 화합물의 산화 환원 반응을 이용해 알츠하이머병의 원인 인자들을 손쉽게 조절할 수 있음을 증명했다. 임 교수팀은 산화되는 정도가 다른 화합물들의 합리적 설계를 통해 쉽게 산화되는 화합물들은 알츠하이머 질병의 여러 원인 인자들을 한꺼번에 조절할 수 있다는 사실을 확인했다.
연구 결과, 임 교수 연구팀은 저분자 화합물의 산화 환원 반응으로 활성 산소종에 대한 항산화 작용의 가능성을 확인했을 뿐만 아니라 아밀로이드 베타 또는 금속-아밀로이드 베타의 응집 및 섬유 형성 정도 또한 확연히 감소되는 것을 실험적으로 증명했다.
이 밖에 알츠하이머병에 걸린 동물 모델(실험용 쥐)에 체외 반응성이 좋고 바이오 응용에 적합한 성질을 가지고 있는 대표 저분자 화합물을 주입한 한 결과, 뇌 속에 축적된 아밀로이드 베타의 양이 크게 줄어드는 현상과 함께 알츠하이머 동물 모델의 손상된 인지 능력과 기억력이 향상되는 결과를 확인했다.
이번 연구가 크게 주목받는 이유는 알츠하이머병을 치료하기 위한 화합물을 개발하는 데 있어 아주 단순한 방향족 저분자 화합물의 구조변화를 통해 산화 환원 정도를 조절하여 여러 원인 인자들을 동시에 조절할 수 있고 이러한 간단한 원리를 통해 누구나 손쉽게 치료제를 디자인할 수 있기 때문이다.
임미희 교수는“이번 연구는 아주 단순한 방향족 저분자 화합물의 산화 정도의 차이를 이용해 여러 원인 인자들과의 반응성 유무를 확연히 구분할 수 있다는 점을 증명한 데 의미가 있다”며, “이 방법을 신약 개발의 디자인 방법으로 사용한다면, 비용과 시간을 훨씬 단축시켜 최대의 효과를 가질 수 있다”고 덧붙였다. 임 교수는 이와 함께 “제시된 치료제의 디자인 방법은 다양한 퇴행성 뇌 질환 치료제들의 개발 성공 가능성을 높일 것으로 기대된다”라고 강조했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단, 기초과학연구원과 서울아산병원 등의 지원을 받아 수행됐다.
2020.05.11
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고성능 완전 분산 금속 앙상블 촉매 개발
생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 자동차 촉매로 활용할 수 있는 고성능의 완전 분산 금속 앙상블 촉매를 개발했다.
연구팀의 금속 앙상블 촉매는 휘발유 차량 배기가스 정화 반응인 삼원 촉매 반응에서(three-way catalysis, TWC) 기존의 단일원자 촉매, 상용 삼원 촉매 대비 월등한 저온 촉매 성능을 보였다. 또한, 노화 및 장기 반응 등의 내구성 평가에서 탁월한 성능을 보였다. 연구팀의 금속 앙상블 촉매는 불균일계 촉매 분야에서 기존의 단일원자 촉매를 뛰어넘어 그 가치가 높을 것으로 기대된다.
정호진 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’ 2월 17일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : 단일원자 촉매를 뛰어넘는 완전분산된 고내구성 자동차 촉매용 금속 앙상블 촉매, Highly durable metal ensemble catalysts with full dispersion for automotive applications beyond single-atom catalysts)
다양한 불균일계 촉매 중 귀금속(백금, 팔라듐, 로듐) 촉매는 높은 활성을 보여 널리 사용되지만, 귀금속의 희소성과 비싼 가격으로 인해 제약이 많다. 이에 사용 효율을 극대화하는 것이 매우 중요한 과제로 남아있다. 단일원자 촉매는 모든 금속 원자가 촉매 반응에 참여할 수 있어 널리 사용되지만, 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 앙상블 자리가 필요한 촉매 반응에서 촉매 성능을 발휘하지 못한다.
한편 일산화탄소(CO), 프로필렌(C3H6), 프로판(C3H8), 일산화질소(NO)는 대표적인 휘발유 차량 배기가스 오염물질로 반드시 삼원 촉매 반응을 통해 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2)로 전환한 뒤 배출돼야 한다. 이때 탄화수소(프로필렌, 프로판) 산화 반응은 탄소-탄소, 탄소-수소 결합을 깨뜨려야만 반응이 진행되기 때문에 촉매 반응을 위해서는 금속 앙상블 자리를 확보하는 것이 필수이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 100%의 분산도를 갖는 금속(백금, 팔라듐, 로듐) 앙상블 촉매를 개발해 삼원 촉매 반응에 적용했다. 100%의 분산도를 갖는다는 것은 모든 금속 원자가 표면에 드러나 있어 모든 원자가 반응에 참여할 수 있다는 의미이다. 이는 단일원자 촉매도 갖는 특징이지만 앙상블 촉매는 100% 분산도와 더불어 두 개 이상의 원자가 붙어있는 앙상블 자리가 존재한다는 장점을 갖고 있다.
그 결과 금속 앙상블 촉매는 일산화탄소, 프로필렌, 프로판, 일산화질소를 동시에 제거하는 삼원 촉매 반응에서 매우 우수한 저온 촉매 성능을 보였다. 이는 탄화수소 산화 반응 성능이 없어서 삼원 촉매 성능이 저하되는 단일원자 촉매의 문제점을 해결한 것이다. 특히 연구팀이 개발한 분산도 100%의 금속 앙상블 촉매는 수열 노화, 장기 반응, 재사용 반응 등의 내구성 평가에서도 탁월한 성능을 보여 실제 휘발유 차량 배기가스 정화에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번에 개발한 금속 앙상블 촉매는 기존의 단일원자 촉매의 한계를 극복하는 새로운 금속 촉매로써 학술적으로 기여하는 바가 크다”라며 “휘발유 차량 배기가스 정화 촉매 분야에도 산업적으로 적용 가능해 연구의 가치가 매우 크다”라고 말했다.
이번 연구는 선도연구센터사업의 초저에너지 자동차 초저배출 사업단과 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.02.27
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저전력·고속 터널 전계효과 트랜지스터 개발
물리학과 조성재 교수 연구팀이 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 대비 작동전력 소모량이 10배 이상, 대기전력 소모량이 1만 배 가까이 적은 저전력, 고속 트랜지스터를 개발했다.
조 교수 연구팀은 2차원 물질인 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 두 물질의 접합이 아닌 단일 물질의 두께 차이에 의한 이종접합 터널을 제작하는 데 성공했다. 이러한 단일 물질의 이종접합을 터널 트랜지스터에 활용하면 서로 다른 물질로 제작한 이종접합 트랜지스터에서 발생했던 격자 불균형, 결함, 계면 산화 등의 문제를 해결할 수 있어 고성능 터널 트랜지스터의 개발이 가능하다.
김성호 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)’ 1월 27일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Thickness-controlled black phosphorus tunnel field-effect transistor fro low-power switches).
무어 법칙에 따른 트랜지스터 소형화 및 집적도 증가는 현대의 정보화 기술을 가능하게 했지만 최근 트랜지스터의 소형화가 양자역학적 한계에 다다르면서 전력 소모가 급격히 증가해 이제는 무어 법칙에 따라 트랜지스터 소형화가 진행되지 못하는 상황이다. 최근에는 자율주행차, 사물인터넷 등의 등장으로 많은 양의 데이터를 저전력, 고속으로 처리할 수 있는 비메모리 반도체의 기술 발달이 시급히 요구되고 있다.
트랜지스터의 전력 소모는 크게 작동 전력 소모와 대기 전력 소모로 나뉜다. 작동 전력과 대기 전력을 같이 낮추기 위해서는 트랜지스터의 작동 전압과 대기 상태 전류를 동시에 낮추는 것이 필수적이다. 이를 위해서는 전류를 10배 증가시키는데 필요한 전압으로 정의되는 SS 값(subthreshold swing, 단위: mV/decade = mV/dec)의 감소가 필요한데, 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터에서는 SS 값이 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아질 수 없다. 이를 해결하기 위해서는 상온에서 SS 값을 60 mV/dec 이하로 낮출 수 있는 새로운 트랜지스터의 개발이 필요하다. 이전에 개발되었던 낮은 SS를 가지는 저전력 터널 트랜지스터의 경우 트랜지스터 채널을 구성하는 두 물질의 이종접합 계면에서 산화막 등의 문제가 발생하여 작동 상태에서 낮은 전류를 가지는 문제가 있었다. 작동 상태 전류는 트랜지스터 작동속도에 비례하기 때문에, 낮은 작동 상태 전류는 저전력 트랜지스터의 경쟁력을 떨어뜨린다.
조 교수 연구팀이 적은 전력소모를 위한 낮은 SS 값과 고속 작동을 위한 높은 작동 상태 전류를 단일 트랜지스터에서 동시에 달성한 것은 유례없는 일로 2차원 물질 기반의 저전력 트랜지스터가 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 전력 소모 문제를 해결하고, 궁극적으로 기존 트랜지스터를 대체하고 미래의 저전력 대체 트랜지스터가 될 수 있음을 의미한다. 조성재 교수는 “이번 연구는 기존의 어떤 트랜지스터보다 저전력, 고속으로 작동해 실리콘 기반의 CMOS 트랜지스터를 대체할 수 있는 저전력 소자의 필요충분조건을 최초로 만족시킨 개발이다”라며 “대한민국 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 기초 반도체 물리학 및 산업 응용에 큰 의의를 지닌다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 미래반도체신소자원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.02.20
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차상길 교수 연구팀, K-사이버 시큐리티 챌린지 2019 우승
우리 대학 정보보호대학원 차상길 교수(소프트웨어보안연구실) 연구팀이 지난 11월 22일 열린 ‘K-사이버 시큐리티 챌린지 2019’ 대회에서 AI 기반 취약점 자동탐지 트랙 부문 2년 연속 우승을 차지했다.
과학기술정보통신부가 주최하고 한국인터넷진흥원이 주관한 이번 대회는 미국 국방성에서 지난 2016년에 주최한 사이버그랜드챌린지(CGC)를 벤치마킹한 국내 대회로 사람이 아닌 기계 간 해킹대회이다. AI 기반의 시스템은 스스로 외부의 개입 없이 주어진 프로그램의 취약점을 찾아 그것을 해킹하여 컴퓨터 운영권을 획득하게 된다.
이번 대회에서 차상길 교수팀은 ‘금오(Geumo)’라는 팀명으로 대회에 참가했으며, 시스템 개발과 운영을 위해 전산학부 코렌틴 쏘레 연구원(Corentin Soulet), 정보보호대학원 김강수 석사과정이 참여했다.
미국 카네기멜론 대학 시절부터 해당 분야 연구를 세계적으로 선도한 차상길 교수는 우리나라의 자체 기술만으로 최고 수준의 시스템을 만드는 데에 성공했다.
최근에는 사이버보안연구센터와 함께 AI 기반 해킹 시스템의 핵심요소 중 하나인 바이너리 분석 엔진을 기존의 엔진보다 10배 이상 빠르게 수행하는 데 성공해 세계적 권위의 학술대회인 2019 NDSS(The Network and Distributed System Security Symposium) BAR(Binary Analysis Research)에서 최우수 논문상을 받은 바 있다.
김강수 석사과정은 "지난해에 이어서 좋은 소식을 전할 수 있어서 기쁘고 대회에서 깨달은 지식을 활용해 사회에 이바지할 수 있도록 노력하겠다"라고 말했다.
2019.12.13
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