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포유류 종마다 시각 뇌신경망 구조 다른 원인 밝혀
바이오및뇌공학과 백세범 교수 연구팀이 포유류 종들의 시각피질에서 서로 다른 뇌신경망 구조가 형성되는 원리를 밝혔다.
이번 연구결과는 시스템 뇌신경과학 분야에서 수십 년간 설명되지 못했던 문제를 이론적 접근과 계산적 모델 시뮬레이션을 통해 해답을 제시한 계산뇌과학 연구의 성공적인 예시로 평가된다.
연구팀은 두뇌의 시각피질과 망막에 분포하는 신경세포들 간의 정보 추출 비율을 분석함으로써 특정 포유류 종이 갖는 시각피질의 기능적 구조를 예측할 수 있음을 밝혀냈다.
연구팀은 서로 다른 크기의 망막과 시각피질 사이의 신경망 연결 모델을 시뮬레이션 해 두 정보 처리 영역 사이에 대응되는 신경세포의 비율이 달라짐에 따라 완전히 다른 두 가지 구조의 기능성 뇌지도가 형성됨을 보이고, 이 결과가 실제 실험에서 관측되는 신경망 구조와 일치함을 증명했다.
장재선, 송민 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘셀(cell)’의 온라인 자매지 ‘셀 리포츠(Cell Reports)’ 3월 10일 자에 게재됐다. (논문명 : Retino-cortical mapping ratio predicts columnar and salt-and-pepper organization in mammalian visual cortex)
포유류의 시각피질에서는 시각 자극의 방향에 따라 반응의 정도가 달라지는 성질인 방향 선택성(orientation selectivity)을 갖는 세포들이 관측된다. 원숭이, 고양이 등의 종에서는 이 세포들의 선호 방향이 연속적, 주기적인 형태로 변하는 방향성 지도(orientation map) 구조를 형성하는 반면, 생쥐 등의 설치류에서는 마치 소금과 후추를 뿌려 놓은 듯한 무작위에 가까운 형태로 분포해, 이를 소금-후추 구조(salt-and-pepper organization)라 한다.
동일한 역할을 수행하는 것으로 보이는 기능성 뇌신경망이 이렇게 종에 따라 다른 구조를 갖는 원인을 찾기 위해 지난 수십여 년 간 다양한 연구가 진행됐으나, 아직까지도 이를 결정하는 요인에 대해서는 명확하게 알려진 바가 없었다.
이러한 원리를 규명하기 위해 연구팀은 서로 다른 크기의 망막과 시각피질이 연결될 때 동일한 망막 신호를 샘플링하는 시각피질 세포의 비율이 달라지게 된다고 가정했다. 이러한 조건에서 망막-시각피질 신호의 샘플링 형태를 시뮬레이션 하여 샘플링 비율에 따라 시각피질에서 형성되는 기능성 지도의 구조가 완전히 다르게 결정될 수 있음을 발견했다.
이 결과를 기반으로 연구팀은 다양한 종들에 대한 망막 및 시각피질 데이터를 종합적으로 비교해 시각피질이 클수록, 또 망막이 작을수록 연속적인 방향성 지도가 형성되는 경향이 있음을 확인했다.
또한, 기존의 연구에서 확인된 포유류 여덟 종의 시각피질-망막 크기 비율을 기반으로 한 모델을 정량적으로 시뮬레이션하고, 이 결과가 실험에서 관측된 것과 같이 방향성 지도 존재 여부에 따라 두 그룹으로 명확히 나누어짐을 확인했다.
이러한 결과는 다른 종으로 진화가 이뤄질 때, 감각기관의 크기와 같은 지극히 단순한 물리적인 조건의 차이에 의해서도 뇌신경망의 구조가 완전히 다른 방향으로 변화될 수 있음을 뜻한다. 이는 다양한 생물학적 구조가 기존의 생각보다 훨씬 단순한 물리적 요소들의 차이에 의해 예측되거나 설명될 수 있음을 보여준다.
백세범 교수는 “이미 오랫동안 알려져 있었으나 그 의미를 찾아내지 못했던 데이터들과 이론적인 모델을 결합해 새로운 발견을 도출해낸 의미 있는 연구이다”라며 “뇌 과학뿐만 아니라 계통분류학, 진화생물학 등 생물의 기능적 구조와 관련된 다양한 생물학 분야에서 이론적 모델 연구의 역할에 대한 중요한 시각을 제공할 것이다”라고 언급했다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업 및 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.03.11
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KAIST 중국인 커뮤니티, 코로나19 대응을 위한 의료 물품 기부
우리대학 중국인 구성원들이 코로나19 극복을 위한 약 250만 원 상당의 의료 물품을 기부했다.
`KAIST 중국인 커뮤니티'에서는 지난달 27일 교내 국제교원 및 학생지원팀에 메일을 보내 기부 의사를 밝혀왔다. 학생(78명)·연구원(21명)·교수(6명) 등 학내 105명의 중국인 구성원이 포함된 이 단체에서는 지난 코로나19로 고군분투 중인 고국의 의료진을 지원하기 위해 1월 27일 모금을 시작했다.
전염병이 확산되는 시기에는 현장에서 필요한 장비를 직접 기부하는 것이 훨씬 유용할 것이라고 생각한 이들은 12일간 모은 249만 원으로 의료 물품을 구매했다. 그런데 배송을 기다리던 20여 일 동안 한국의 상황이 급변했다. 2월 중순을 넘기며 감염이 급속도로 확산되기 시작해 물품이 도착한 2월 25일에는 확진자가 1천 명에 육박할 정도로 사태가 악화된 것이다.
이 상황을 접한 `KAIST 중국인 커뮤니티'에서는 마련한 구호품들을 중국에 보내는 것보다는 한국에서 바로 활용하는 것이 더 요긴할 것이라고 판단해 기부 의향을 바꿨다.
단체의 대표를 맡은 안 꾸어유엔(安国元, 전산학부 석사과정) 씨는 "KAIST의 많은 중국인 구성원들이 코로나19사태 이후 학교 대책반과 담당 부서의 특별한 관심 속에서 캠퍼스로 복귀할 수 있었고 모국도 한국의 정부와 사회로부터 많은 도움을 받았다ˮ고 전했다.
이어 안 씨는 "중국 속담 중에 `남에게 물 한 방울만큼의 은혜를 받으면 샘물 전체로 보답해야 한다(受人滴水之恩, 當涌泉相報)'라는 말이 있다. 작은 성의지만 어려움을 겪는 한국의 의료진을 돕는 것이 우리의 의무라고 생각한다ˮ고 강조했다.
`KAIST 중국인 커뮤니티'의 기부 물품은 지난 3월 2일 학내 의료시설에 우선 전달됐다. 이윤정 KAIST 클리닉 원장은 "따뜻한 마음을 모아서 마련한 귀한 의료 물품을 기부해준 중국인 구성원들에게 감사를 전한다ˮ고 밝히며, "물품과 함께 기부자들의 순수하고 아름다운 마음이 꼭 필요한 곳에 잘 전달될 수 있도록 조치했다ˮ고 전했다.
KAIST 클리닉은 방호모 180매, 의사용 방호모 1,100매, 방호경 15개, 쉴드마스크 2세트, 방호복 57개 등 총 5가지 물품을 `KAIST 중국인 커뮤니티'의 이름으로 대구시청 사회재난과에 3월 4일 전달했다.
◎ KAIST 중국인 커뮤니티 대표 안 꾸어유엔 학생과의 일문일답
Q1. `KAIST 중국인 커뮤니티'는 어떤 단체인가?
A. 학부생, 대학원생, 연구원, 교수 등 KAIST에 소속되어 있는 모든 중국인 구성원을 대상으로 하는 단체다. 학업이나 연구를 위해 KAIST로 오는 중국인 구성원의 생활 안정을 돕기 위해 약 10년 전부터 활동을 시작했다. 환영 파티부터 시작해 초기 정착 시에 집을 구할 때 통역을 해주거나 정기적인 단체 활동을 지원해 KAIST에서 시작되는 새로운 생활을 즐길 수 있도록 도와주는 것이 주된 활동이다. 1년에 두 번 이상 구성원들이 대단위로 참여할 수 있는 행사를 기획해 교류하고 있다.
Q2. 이번 모금은 어떻게 시작되었나?
A. 구성원 중 한 명인 지아 웨웬(贾悦雯, 건설및환경공학과 석사과정) 학생이 KAIST 중국인 커뮤니티의 위챗 메신저를 통해 처음 제안했고 많은 멤버들이 적극적으로 동참했다. 리 페이(李佩, 응용과학연구소 연수연구원) 연구원이 모금 실무자를 자청해서 많은 수고를 해줬다. `한 곳에 어려움이 생기면 팔방에서 지원한다'라는 말이 있다. 이 말처럼 코로나19로 어려움을 겪는 사람들과 피해를 입은 지역에 작은 도움이 되길 바라는 마음으로 시작했다.
Q3. 고국을 위해 마련한 구호 물품을 한국에서 소진하기로 결정하는 과정에서 반대 의견은 없었나?
A. 쉬친(徐勤, 전기및전자공학부 박사과정) 학생과 KAIST와 캠퍼스를 공유하는 KISTI에서 일하는 리궈화(李国花) 연구원이 먼저 제안해줬다. 관련해서 모든 기부자에게 의견을 물었을 때 다들 망설임 없이 이 제안을 지지해줬다. 모금이 끝났던 2월 7일에는 전혀 예상하지 못한 일이 물품이 배달된 2월 25일에 벌어지고 있었다. 특히, 대구를 포함한 한국의 코로나19 확산 속도와 상황의 심각성을 고려해 내린 결정이다.
Q4. 중국도 여전히 코로나19의 영향권 아래 있다. 고국의 상황은 어떻게 지켜보고 있는가?
A. 2월 말이 지나면서 후베이성을 제외한 지역의 확진자가 줄어들고 있는 것으로 알고 있다. 서서히 이 사태가 통제되어가는 중이라고 생각한다. 중국에 있는 모든 학생과 직장인은 코로나19의 확산을 막기 위해서 재택근무를 하고 있다. 모든 사람이 자신들이 할 수 있는 방법으로 이 싸움을 싸우고 있다는 의미다.
Q5. 1월 말부터 캠퍼스로 복귀한 중국인 구성원들은 자가격리 기간을 거치고 있다. 어려운 점은 없었나?
A. 정부와 학교의 방침과 조언을 따라 몇몇 구성원들은 아직 중국에 있지만, 대부분의 대학원생은 KAIST로 돌아왔다. 중국에서 입국한 모든 구성원이 캠퍼스로 돌아오기 전에 스스로 자가격리를 했다는 사실을 특별히 언급하고 싶다. 굉장히 지루한 일상을 보내야 했던 기간이지만, 모두들 자가격리를 하는 것이 사회의 전체의 안전을 위한 책임져야 하는 일이라고 동감하고 있다.
또한, 격리 기간 동안 중국인 학생들을 돕기 위해 수고를 아끼지 않은 KAIST 국제교원 및 학생지원팀과 코로나19 확산방지대책반의 모든 직원들께 감사드리고 싶다. 특히, 국제교원 및 학생지원팀의 안수연 팀장님이 자가격리 중인 모든 중국인 학생들을 세심하게 살펴주시고 배려해주신 점은 이 잔인한 전염병의 상황 속에서 가장 따뜻했던 기억이다. 자기방어에 대한 강한 의식과 학교의 특별한 배려 덕분에 KAIST의 모든 중국인 구성원들이 건강하게 캠퍼스로 돌아올 수 있었다. 이 점이 매우 기쁘다.
Q6. 자가격리에서 해제된 후엔 어떤 일상을 보내고 있나?
A. 한국 지역 사회에서의 코로나19의 확산이 더욱 심각해졌다는 것을 알고 있다. 그렇기 때문에 자가격리 기간 이후에도 중국인 학생들은 방심하지 않고 있다. 오히려, 자기 보호와 전염병 확산 소식에 더욱 주의를 기울이고 있다.
Q7. 기부한 물품이 한국 사회에서 어떻게 사용되길 원하는가?
A. KAIST 클리닉을 포함한 도움이 필요한 병원들, 특히 대구에 있는 병원들을 위해서 사용되면 좋겠다. KAIST 클리닉이 마련한 물건들을 가치 있게 사용될 수 있는 곳에 전달해줄 것이라고 믿는다.
Q8. 이번 기부가 어떤 의미를 갖길 바라는가?
A. 첫째로, 이 코로나19 확산 사태를 마주한 이 상황에서 우리의 공통된 적은 이 병 자체라는 것을 강조하고 싶다. 나라들 간에 차이도 없으며, 서로를 돕는 것이 바로 자기 자신을 돕는 일이라는 것이 우리 커뮤니티의 의견이다. 이 위기의 시점에서 가장 먼저 해야 할 일은 이 병에 대항해 함께 싸우는 것이기 때문에 우리는 할 수 있는 일을 한 것뿐이다. 이 작은 기부로 의료인에게 필요한 것들이 조금이나마 충족되었으면 좋겠다.
또한, 중국인들은 힘든 시기를 겪어가는 중이며 다시 반복하고 싶지 않은 일이다. 나중에 후회하는 것보다 안전한 것이 낫다는 말이 있듯이, 병의 발생을 예방하는 것이 필요하다. 한국에서도 이 전염병이 최대한 빠른 시일 내에 종식되어 모두 일상으로 돌아갈 수 있기를 바란다.
2020.03.05
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산소 이용해 알츠하이머 유발 단백질 독성 개선
화학과 임미희 교수 연구팀이 공기 중의 산소를 이용해 알츠하이머 유발에 관여하는 단백질의 독성을 개선할 수 있는 화학적 도구를 설계하는 데 성공했다.
연구팀은 알츠하이머 발병에 관여한다고 알려진 구리-아밀로이드 베타 복합체의 응집과 이에 의한 발생한 세포 독성을 개선할 수 있는 화학적 도구를 설계하고, 구리 배위권 이중 변형을 통한 작용 원리를 분자적 수준에서 밝혀냈다.
한지연 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지인 미국 국립과학원회보(PNAS)에 2월 27일 자로 게재됐다.(논문명 : Mechanistic approaches for chemically modifying the coordination sphere of copper-amyloid-β complexes)
전이 금속 중 구리 이온은 항산화 작용과 신경전달물질 생성 등 신체에 필수적인 생리적 기능에 관여한다. 건강한 사람의 뇌와 달리 알츠하이머병 같은 퇴행성 뇌 질환 환자의 뇌에서는 이러한 구리 이온의 항상성이 완전히 무너져있다고 알려져 있다.
알츠하이머 발병에 밀접하게 관계가 있다고 알려진 아밀로이드 베타 펩타이드는 구리 이온과 강하게 결합할 수 있다. 구리 이온은 아밀로이드 베타의 응집을 촉진할 뿐만 아니라, 활성산소를 과다하게 생성해 신경독성을 일으킨다. 따라서 구리-아밀로이드 베타 복합체를 표적하고 그 배위 결합을 효과적으로 막을 수 있는 화학적 접근 기법이 최근 주목받고 있다.
연구팀은 알츠하이머 발병 원리에 직간접적으로 관여하는 구리 이온이 공기 중 산소와 반응할 수 있다는 점을 이용했다. 이에 구리-아밀로이드 베타 복합체와 상호작용할 수 있도록 화합물을 합리적으로 설계하고, 해당분자가 산소가 존재하는 환경에서 구리 배위권에 위치한 특정 아미노산에 결합 및 산화에 의한 이중 변형을 일으킨 것을 확인했다.
연구팀은 연구팀이 개발한 배위권 이중 변형 기법에 따라 구리-아밀로이드 베타의 응집 과정 및 섬유 형성 정도가 확연히 달라짐을 확인했다. 이 기법을 통해 구리 이온의 병리학적 특성 중 하나인 활성산소 생성 정도 또한 두드러지게 개선된 것을 관찰했다.
나아가 기존의 기법과 비교했을 때 구리-아밀로이드 베타 복합체에 의한 세포 독성을 더욱 효과적으로 회복시키는 것으로 나타났다.
이번 연구는 산소의 유무, 전이 금속의 종류, 산화 활성 금속의 산화수, 아밀로이드성 단백질의 종류 등 다양한 변수의 통제를 통해 해당 화합물이 아밀로이드 베타의 구리 배위권을 어떻게 변형시켰는지에 대한 작용 원리를 분자적 수준에서 제안했다는 의의가 있다.
임미희 교수는 “알츠하이머 발병에 관여한다고 알려진 구리 이온이 산소와 반응할 수 있다는 점을 역으로 이용했다”라며 “이번 연구에서 최초로 발표한 단백질 내 구리 배위권 이중 변형 기법을 바탕으로, 다른 퇴행성 뇌질환의 치료제 개발에도 더욱 박차를 가할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단과 KAIST의 지원으로 수행됐다.
2020.03.03
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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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암세포의 약물 교차저항 원리 규명
우리 대학 생명화학공학과 김유식 교수 연구팀이 암 치료의 난제 중 하나인 암세포의 다중약물 내성 원리를 규명하는 데 성공했다.
이 연구는 학부생 연구 참여 프로그램(URP: Undergraduate research program)을 통해 마크 보리스 알돈자(Mark Borris Aldonza) 학생이 참여해 그 의미를 더했다. 마크 보리스 알돈자 학부생이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 2월 7일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Prior acquired resistance to paclitaxel relays diverse EGFR-targeted therapy persistence mechanisms).
암 치료과정에서 약물을 장기간 투여하면 세포는 특정 약물에 대해 내성을 갖는다. 이를 극복하기 위한 가장 흔한 방법은 다른 약물을 투여하는 것이다. 하지만 특정 암세포들은 다양한 종류의 약물에 내성을 가지는 교차저항(cross-resistance) 성질을 보인다. 실제로 교차저항으로 인해 활용 가능한 약물의 종류가 줄어들고, 이는 암 재발 원인이 돼 암 극복에 큰 걸림돌이 된다. 따라서 암 극복을 위해선 암세포의 다중 약물 내성 기전의 이해가 필요하다.
연구팀은 폐암 세포가 화학 요법 약물 중 하나인 파크리탁셀에 대한 내성을 가지는 과정에서 표적 치료제인 EGFR-TKI에도 교차저항을 갖는 현상을 발견했다. 1차 약물에 대한 적응과정에서 암세포가 줄기세포화 해 전혀 다른 표적 치료제인 2차 약물에 저항을 가진다는 현상을 확인했다. 이러한 줄기세포화로 인해 포도당 부족에 의한 대사 스트레스 상황에서 암세포는 죽지 않고 활동휴지 상태로 전환된다. 활동휴지 상태인 암세포는 약물에 반응하지 않으며 약물이 없어지고 영양분이 공급되면 다시 빠르게 증식했다.
실제로 세포자살을 주관하는 아포토시스(apoptosis) 신호체계 주요 인자인 FOXO3a가 세포자살을 유도하지 않고, 오히려 세포사멸을 억제하는 방향으로 유전자의 기능이 변화해 세포가 약물을 극복할 수 있게 했다. 연구팀은 이러한 교차저항 세포의 특성을 실제 파크리탁셀 약물을 투여받은 유방암 환자의 검사대상물을 활용해 검증했다. 특히 파크리탁셀에 저항을 갖는 재발환자의 암 조직에서 FOXO3a 유전자의 발현이 증가돼 연구의 임상적 의미를 더했다. 나아가 연구팀은 FOXO3a의 발현을 억제하면 세포가 파크리탁셀과 EGFR-TKI의 저항성을 잃게 돼 교차저항 세포를 극복할 수 있을 것이라는 새 방향을 제시했다.
연구팀이 제시한 약물 교차저항 특성 및 기전은 효과적인 암 약물치료 전략을 개발하는데 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 논문의 제1 저자인 마크 보리스 연구원은 “이 연구가 파크리탁셀과 EGFR-TKI뿐 아니라 다른 약물에 대한 내성 기전 연구에 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대한다”라며 “암 극복에 효과적인 치료 전략을 개발하는데 적용될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업과 KAIST 시스템헬스케어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.02.17
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오차율 10% 이내 정확도의 소재 설계 기술 개발
우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 소재 물성의 예측 오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄여 정확도를 한층 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술을 개발했다.
이번 기술 개발을 통해 기존 40%에 달했던 소재 물성 예측 오차율을 10% 내로 줄임으로써 소재 개발에 걸리는 시간과 비용을 크게 절약할 수 있을 것으로 기대된다.
김민호 박사와 창원대 김원준 교수가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Societry)’ 1월 10일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : uMBD: A Materials-Ready Dispersion Correction that Uniformly Treats Metallic, Ionic, and van der Waals Bonding)
새로운 기능성 소재 개발의 중요성이 커지면서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 소재 물성을 정확히 예측해 새로운 소재를 설계하는 기술이 주목받고 있다.
소재 시뮬레이션 기술은 실제로 소재를 합성하고 평가하기 전에 가상 실험으로 다양한 소재 물성을 예측 및 설계하는 기술로, 주로 밀도범함수 이론(Density functional theory)이라는 양자 이론에 바탕을 두고 있다.
기존의 밀도범함수 이론은 소재 계면에서 반데르발스 힘을 정확하게 설명하지 못한다는 문제가 있었다. 반데르발스 힘은 전하의 일시적 쏠림으로 인해 분자가 순간적으로 극성을 띠면서 나타나는 당기는 힘을 뜻하는데, 이를 정확히 기술하지 못하기 때문에 소재 물성 예측 정확도가 떨어진다는 한계가 있다.
연구팀은 반데르발스 힘을 정확하고 효과적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발하고, 이를 밀도범함수 이론에 접목해 소재 시뮬레이션 기술의 정확도를 한층 높이는 데 성공했다.
연구팀은 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했다.
특히 반데르발스 힘은 분자 소재부터 금속 및 반도체 소재에 이르기까지 거의 모든 재료 내에서 소재 물성을 결정하는 데 중요한 역할을 해, 연구팀의 새로운 이론은 다양한 차세대 기능성 소재 설계 연구에 적용 가능할 것으로 기대된다.
실제로 연구팀의 새 시뮬레이션 방법을 통해 리튬 이온 배터리 물질의 전압이나 2차원 소재의 박리 에너지를 예측하는 과정에서 높은 정확도를 보인 것으로 확인됐다.
김형준 교수는 “소재 개발 연구에 있어 경쟁력 강화를 위해서 기초 연구의 중요성이 점차 커지고 있다”라며 “새로 개발한 소재 시뮬레이션 기술을 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업과 선도연구센터 지원 사업 (SRC)의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 새롭게 개발한 이론 (uMBD)을 이용한 소재 시뮬레이션 기술과 기능성 소재 설계
2020.01.29
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김희탁 김상욱 교수, 멤브레인 필요 없는 새로운 물 기반 전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 신소재공학과 김상욱 교수 공동 연구팀이 전기화학 소자의 핵심 부품인 멤브레인을 사용하지 않고도 에너지 효율 80% 이상을 유지하면서 1천 번 이상 구동되는 새로운 개념의 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다.
이번 연구를 통해 일본, 미국의 수입에 의존해 온 다공성 분리막이나 불소계 이온교환막을 사용하지 않는 기술로, 해당 기술에 대한 대외 의존도를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
이주혁 박사과정과 변예린 박사후연구원이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced materials)’12월 27일자 표지논문에 선정됐다.(논문명: High-Energy Efficiency Membraneless Flowless Zn-Br Battery: Utilizing the Electrochemical-Chemical growth of Polybromides)
최근 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 불안정한 전력 공급을 해결하기 위해 전기 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있는 에너지저장장치(ESS)가 주목받고 있다.
현재는 리튬이온전지가 에너지저장장치용 이차전지로 사용되고 있으나 발화성 유기 전해액 및 리튬계 소재로 인한 발화의 위험성을 지니고 있다. 지난 2017년부터 올해 10월까지 총 21건의 에너지저장장치 화재사고가 발생했으며, 전체 에너지저장장치 시설 1천 490개 중 35%인 522개의 가동이 중단되기도 했다.
이러한 이유로 물을 전해질로 사용한 비 발화성 물 기반 이차전지 기술이 에너지저장장치용 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 특히 다양한 물 기반 전지 기술 중 아연과 브롬을 활물질로 사용하는 아연-브롬 레독스 흐름 전지는 높은 구동 전압 및 높은 에너지 밀도를 가져 1970년대부터 지속해서 개발돼왔다.
그러나 아연-브롬 레독스 전지는 브롬이 아연과 반응해 전지 수명을 단축시키는 문제로 인해 상용화가 지연됐다. 이러한 반응을 억제하기 위해 펌프를 이용해 브롬이 함유된 전해질을 외부 탱크로 이송해 왔으나, 이는 펌프 구동을 위한 에너지 소모 및 브롬에 의한 외부 배관이 부식되는 문제를 동반한다.
브롬을 포획하는 전해질 첨가제 및 브롬의 이동을 차단할 수 있는 멤브레인에 대한 개발이 진행됐으나, 가격증가 및 출력 저하의 문제점이 발생했다.
김희탁 교수와 김상욱 교수 공동 연구팀은 일본, 미국에 의존하던 값비싼 멤브레인 소재와 어떠한 첨가제도 사용하지 않는 새로운 물 기반 아연-브롬 전지를 개발했다.
전해질 내의 이온과 외부 전기회로 사이의 전자를 주고받는 한정된 역할만 수행하던 전극의 기능에 멤브레인과 첨가제가 담당하던 브롬을 포획할 수 있는 기능을 추가했다.
질소가 삽입된 미세기공 구조를 전극 표면에 도입해 미세기공 내부에서 비극성 브롬을 극성 폴리브롬화물로 전환한 뒤, 질소 도핑 카본과 폴리브롬화물간 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 통해 폴리브롬화물을 기공 내부에 고정했다.
이 기술은 멤브레인의 기능을 전극이 담당하므로 고가의 멤브레인이 필요 없으며, 브롬을 외부 탱크가 아닌 전극 내부에 저장함으로써 펌프 및 배관을 제거할 수 있어 가격 저감 및 에너지 효율을 증대했다.
연구팀이 개발한 다기능성 전극을 이용한 멤브레인을 사용하지 않는 물 기반의 아연-브롬 전지는 리튬-이온 전지보다 45배 저렴할 뿐 아니라, 에너지 효율 83% 이상을 보이며 1천 사이클 이상 운전이 가능하다.
김상욱 교수는 “차세대 물 기반 전지의 한계를 극복하기 위한 나노소재 기술을 이용한 새로운 해결책을 제시했다”라고 말했다.
김희탁 교수는 “이번 연구를 통해 기존보다 안전하고 경제적인 에너지저장장치의 개발이 가속화되기를 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 나노융합연구소, 에너지클라우드 사업단, 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. 브롬 활물질을 전극내부에서 폴리브롬화물로 전환하여 저장하는 다기능성 전극의 메커니즘의 모식도와 멤브레인을 장착하지 않고 구동되는 전지의 실제 모습
그림 2. 질소가 도핑된 미세기공이 코팅된 다기능성 전극의 제조 과정
2020.01.08
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최성열 교수, 과학기술정보통신부 장관 표창
우리 대학 원자력 및 양자공학과 최성열 교수가 “제9회 원자력 안전 및 진흥의 날”에 과학기술정보통신부 장관 표창자로 선정됐다. 최 교수에게는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부가 지난 2019년 12월 27일 공동으로 주관한 시상식에서 표창장이 수여됐다.
2017년 9월 KAIST에 부임한 최교수는 사용후핵연료와 방사성폐기물의 안전한 관리 등 원자력 진흥 분야 기여한 업적을 인정받았다. 최 교수는 원자력 산업계의 최대 난제인 사용후핵연료 분야에서 사용후핵연료를 재활용하여 고준위폐기물을 줄이는 동시에 핵물질의 핵무기 전용을 방지할 수 있는 새로운 폐기물 처리기술을 개발하고 있다.
또한, 가압경수로 운영 중 핵연료에 보론 잠복 현상(boron hideout)으로 발생하는 비정상 출력편차를 예측하고 방지하는 고정밀 다중물리코드를 개발해 매년 수백 억 이상의 경제적 손실을 유발하는 산업 현장 문제를 해결하는 일에도 일조했다.
최교수는 부임 첫해인 2017년에 고준위폐기물 소멸처리 분야 권위학회인 IEMPT에 최연소이자 50대 미만으로는 유일하게 Standing Scientific Advisory Committee 위원으로 선발됐으며, 2018년에는 전세계 50개 국가가 참여하는 International Youth Nuclear Congress가 2년 마다 한 명에게 수여하는 Early Career Award를 한국인 최초로 수상했다.
2020.01.08
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김지한 교수, 인공지능 이용한 다공성 물질 역설계 기술 개발
〈 김지한 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 인공지능을 활용해 원하는 물성의 다공성 물질을 역설계하는 방법을 개발했다.
김백준, 이상원 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 3일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Inverse Design of Porous Materials Using Artificial Neural Networks)
다공성 물질은 넓은 표면적과 풍부한 내부 공극(孔劇)을 가지고 있어 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
기존에는 이러한 다공성 물질을 개발하기 위해 반복적인 실험을 통한 시행착오를 거치면서 시간과 비용이 많이 소모됐다. 이러한 낭비를 줄이기 위해 가상 구조를 스크리닝해 다공성 물질 개발을 가속화 하려는 시도들이 있었지만, 데이터베이스에 존재하지 않는 새로운 구조를 발견하지 못한다는 문제가 있었다.
최근에는 인공지능 기반의 역설계로 원하는 물성을 가진 물질을 개발하는 연구가 주목받고 있지만, 지금까지의 연구들은 단순한 소형 분자들 위주로 적용되고 있으며 복잡한 다공성 물질을 설계하는 연구는 보고되지 않았다.
김지한 교수 연구팀은 인공지능 기술과 분자 시뮬레이션 기술을 활용해 다공성 물질의 한 종류인 제올라이트 구조를 설계하는 방법을 개발했다.
연구팀은 인공지능 생성모델인 적대적 생성 신경망(GAN, Generative Adversarial Network)과 기존 분자 시뮬레이션에서 활용되는 3차원 그리드 데이터를 활용해 복잡한 다공성 물질의 특성을 인공지능이 학습하고 생성할 수 있도록 구조를 개발했다.
개발된 인공신경망 생성모델은 3차원 그리드로 이루어진 구조 정보와 흡착 물성 데이터를 같이 학습하게 되며, 학습 과정 안에서 흡착 물성을 빠르게 계산할 수 있다. 이를 통해 에너지 저장 소재의 특성을 효율적으로 학습할 수 있음을 증명했다.
또한, 연구팀은 인공지능 학습 과정에서 기존의 알려진 제올라이트 구조 중 일부를 제외해 학습시켰고, 그 결과 인공지능이 학습하지 않았던 구조들도 생성할 수 있음을 확인했다.
김지한 교수는“인공지능을 이용해 다공성 물질을 설계한 최초의 사례이다”라며 “기체 흡착 용도에 국한된 것이 아니라 다른 물성에도 쉽게 적용할 수 있어 촉매, 분리, 센서 등 다른 분야의 물질 개발에도 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 BK21, 한국연구재단 중견 연구자 지원 사업 그리고 에너지 클라우드 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 인공지능 기반 다공성 물질(제올라이트) 생성 개요도
2020.01.07
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인류세 연구센터, 국제 심포지엄 개최
우리대학 인류세 연구센터(센터장 박범순 교수)가 이달 10일부터 11일까지 이틀간 국립민속박물관에서 `인류세의 재난을 말하다: 지식, 기억, 상상'을 주제로 국제 심포지엄을 개최했다.
지난해 6월 개소 이후 처음 이번 국제 심포지엄에는 `인류세' 개념을 발전시킨 대표적 지구시스템과학자 윌 스테픈(Will Steffen) 호주 국립대 교수와 고생물학 및 지질학자로 국제층서학회 인류세실무그룹에 소속된 마크 윌리엄스(Mark Williams) 영국 레스터 대학 교수 등 인류세 연구를 대표하는 해외 유수 학자 열두 명이 발표자로 참석해 인류세에 대한 심도 깊은 토론을 진행했다.
국내에서는 박범순 인류세연구센터장과 전치형 KAIST 과학기술정책대학원 교수 및 국립민속박물관 · 한국지질자원연구원 · 대한지질학회 · 한국문화인류학회·한국환경사회학회 · 한국공간환경학회 등 공동 주최 기관의 다양한 관계자들이 참여해 논의의 지평을 넓혔다.
최근 국내에서 인류세 분야의 논의가 활성화되면서 이를 주제로 한 학술 행사들이 열린 사례는 있지만, 해외 학자 십수 명이 참여하는 규모의 국제 심포지엄은 이번이 처음이다. 특히, 인류세를 새로운 지질 시대로 확정하자는 주장을 이끌어온 국제층서학회 인류세 실무그룹 소속 학자들이 다수 포함되어 있어 학계의 관심이 주목됐다.
인류세(Anthropocene)는 `인간의 시대'라는 의미를 담아 제안된 새로운 지질 시대의 이름이다. 지구 환경을 변화시키는 근본적인 원인이 인간 활동에서 비롯된다는 개념에서 출발한다.
인류세 개념은 당초 제안된 자연과학 분야를 넘어 인문학·사회과학·예술 등 다양한 분야의 연구 활동을 통해 전 지구적인 위기를 진단하고 이를 극복하기 위한 지식 생산과 실천을 추구하는 패러다임으로 부상하고 있다.
무엇보다 융합연구를 통해 인류가 직면한 생태·사회적 위기를 다각도로 이해하고 이를 헤쳐 나가기 위한 공동의 노력이 필요하다는 점을 중점적으로 강조하는 학문 분야다. 이번 심포지엄에서도 융합연구의 특성을 살려 지질학 · 지구시스템과학 · 과학기술학 · 사회학 · 역사학 · 지리학 · 인류학 · 문학 등 다양한 분야의 국내외 학자 40여명이 발표 및 토론자로 참석했다.
이틀간 `인류세의 재난'에 대해 이론적·실천적 논의를 전개한 국내·외 연구자들은 인류세에서 발생하는 재난을 이해하고 헤쳐 가는 다양한 방식들을 논의했다. 다학제적 관점에서 `인류세의 재난을 어떻게 정의하고 규명할 것인가?', `지역적 재난을 전 지구적인 관점에서 바라보고 동시에 전 지구적 위험을 지역적 경험을 통해 해석하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?' 등의 구체적인 질문을 통해 인류세의 재난을 극복하기 위한 실천적 방안들도 논의됐다.
심포지엄에 앞서 한국을 방문한 참가자들은 9일 철원 지역 비무장지대(DMZ)를 방문하고, 한국적 인류세의 현장을 둘러보는 시간도 가졌다.
2018년 6월 설립된 KAIST 인류세연구센터에는 학내 여러 학과 및 인공위성연구소가 참여하고 있으며, 한국지질자원연구원과 인류세에 관심 있는 국내 대학 연구진들과 함께 연구 활동을 수행하고 있다.
인류세 현실 감지를 목표로 하는 `센싱(Sensing)' 그룹, 인류세에 대한 기술적이고 제도적인 적응과 실천에 관심을 두는 `인해비팅”(Inhabiting)' 그룹, 인류세에 적용할 대안 탐구를 목표로 하는 `이매니징'(Imagining)' 그룹 등 총 3개의 분야로 구성되어 있다.
이들은 한국적 인류세 공간으로서의 DMZ 연구·인공위성자료와 AI를 활용한 한반도 지표 변화 연구·손상된 지구에서 살아남기 위한 지속가능한 주거, 교통, 생활양식 전환 연구·인류세 게임과 예술작품 연구 등을 수행하고 있다.
나아가 인류세에 대한 인식을 확산하고 더 광범위한 사회 변화를 촉진하기 위해 인류세 교육 콘텐츠 구축 및 서울시립과학관과 함께 인류세 특별전시도 기획중이다. 인류세연구센터의 연구 및 활동 내용, 심포지엄 관련 정보는 인류세연구센터 홈페이지( https://anthropocenestudies.com )에서 찾아볼 수 있다.
[참고] 인류세 국제 심포지엄 참여 주요 해외 학자
윌 스테픈 (Will Steffen, 호주국립대) 지구시스템 과학자. 국제층서학회 인류세실무그룹 소속. 호주 기후 변화 자문회의 의장 및 스웨덴 스톡홀름 회복탄력성 센터 시니어 펠로우를 맡고 있다. 1998년부터 2004년까지 지구 환경 변화 연구를 위한 국제 연구 이니셔티브 IGBP (International Geosphere-Biosphere Programme)의 수석 디렉터로 활동했다. 주요 연구 분야는 기후변화를 중심으로 인간 활동이 지구시스템 변화에 끼친 영향 분석으로, IGBP의 지구시스템 과학자들과 함께 ‘행성적 경계(planetary boundaries)’ 등 인류세 연구의 핵심 개념을 고안했다.
마크 윌리엄스 (Mark Williams, 영국 레스터 대학) 고생물학자, 지질학자. 국제층서학회 인류세실무그룹 소속. 인류세의 생물권(biosphere)이 주요 연구 영역으로, 인류세실무그룹의 의장인 얀 잘라쉐비츠와 함께 지난 10여년간 지질학계의 인류세 논의를 발전시켜 왔다. 이번 심포지엄에서는 “인간에 의해 심대하게 변형된 생물권과 그것이 복지에 대해 갖는 함의”를 주제로 얀 잘라쉐비츠와의 공동 연구에 대해 발표한다.
줄리아 애드니 토머스 (Julia Adeney Thomas, 미국 노터데임 대학)
역사학자. 일본을 중심으로 자연 개념과 정치 이론 등을 연구해왔다. 주요 저서로는 , [공저] 등이 있다. 한국 DMZ에 대한 논문 “The Exquisite Corpses of Nature and History: The Case of the Korean DMZ(자연과 역사의 절묘한 시신: 한국 DMZ를 사례)”를 발표하기도 했다.
개브리엘 헥트 (Gabirelle Hecht, 미국 스탠퍼드 대학)
스탠퍼드 대학 역사학 교수이자 국제안전 및 협력 센터(Centre for International Security and Cooperation)의 핵 안전 분야 전문가로 활동하고 있다. 아프리카의 원자력 발전이 주요 연구 주제이며, 방사성 폐기물, 대기 오염 등을 중심으로 원자력 발전이 아프리카 인류세의 형성에 갖는 역할을 탐색하고 있다. 등의 저서가 있으며, 아프리카 인류세를 다룬 를 집필중이다.
제이미 로리머 (Jamie Lorimer, 영국 옥스퍼드 대학)
옥스퍼드 대 환경지리학과 교수. 아시아 코끼리 보전, 네덜란드 간척지 재야생화, 미생물, 유럽의 식물 기반 식단 등을 연구해왔다. 야생동물, 유해 동물, 미생물 등 ‘자연’을 이해하는 다양한 방식과 이것이 자연-인간 관계에 갖는 함의에 관심이 있다. (2015) 등을 집필했다. 이번 심포지엄에서는 “친생물적 행성: 인류세의 역풍과 가이아 과학의 부상”을 주제로 발표한다.
엘리자베스 들러그리(Elizabeth M. DeLoughrey, 미국 UCLA)
UCLA 환경과 지속가능성 센터 및 영문학과 교수. 카리브해와 태평양의 섬 문화권을 중심으로 문학, 식민주의와 환경이 교차하는 지점에 관심이 있다. 환경에 대한 인문사회적 접근을 다루는 국제 학술지 의 편집위원. 저서로 , 등이 있다.
스캇 개브리얼 노울즈 (Scott Gabriel Knowles, 미국 드렉셀 대학)
드렉셀 대학 역사학과 교수. 인류세의 재난이 주요 연구 분야다. 저서로 , [출간 예정]이 있다. 인류세의 재난이 주요 연구 분야로, 한국의 세월호 참사에 대해서도 관심을 갖고 연구를 수행했다. 이번 심포지엄에서는 “미국 걸프만의 느린 재난”을 주제로 발표한다.
2019.12.18
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김일두 교수, 물 몇 방울로 전기 만들어내는 기술 개발
〈 배재형 박사과정, 김일두 교수, 윤태광 박사 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 아주 소량의 물(0.15ml) 또는 대기 중의 수분을 자발적으로 흡수하는 조해성 물질을 활용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전기를 개발했다.
연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 ‘ACS Nano’ 11월 26일자 논문으로 발표됐다. 또한, 환경 분야의 권위 학술지인 에너지 및 환경과학 (Energy & Environmental Science) 온라인판에 게재됐으며, 1월호 후면 표지 논문으로 발표될 예정이다.
ACS Nano 연구는 증산 작용을 활용한 자가발전기의 원리를 규명한 논문으로 윤태광 박사와 배재형 박사과정 학생이 제 1 저자로 참여했으며, 테크니온 재료공학과의 아브너 로스칠드(Avner Rothschild) 교수가 공저자로 참여했다.
Energy & Environmental Science 논문은 조해성염을 활용하여 대기중의 수분 흡수를 통해 지속적으로 에너지를 생성하는 발전기에 관한 연구내용으로 제 1 저자인 배재형 박사과정과 윤태광 박사의 주도하에 진행이 됐고, 생명화학공학과의 서봉임 박사 , 김지한 교수가 공저자로 참여했다.
김 교수 연구팀은 전도성 탄소 나노 입자가 코팅된 면(cotton)섬유 표면에 소량의 물을 떨어뜨리면 젖은 영역과 마른 영역으로 나뉘게 되면서 작은 양의 전기에너지가 발생하는 것을 발견했다.
이를 통해 물이 완전히 증발하기 전까지 수소 이온이 천천히 이동하며 약 1시간 동안 발전이 가능함을 확인했지만, 물이 완전히 증발하게 되면 전기 발생이 멈추게 된다. 지속적인 발전을 위해서는 주기적으로 물을 떨어뜨려야 하는 실용성 측면에 문제가 있다.
연구팀은 발전 시간을 늘리기 위해 대기 중의 물을 스스로 흡수한 후 천천히 방출하는 조해성 물질 중 하나인 염화칼슘(CaCl2)에 주목했다. 탄소 입자가 코팅된 면섬유의 한쪽 면에 염화칼슘을 묻혔더니, 습도 20% 이상에서는 자발적인 수분 흡착으로 전력이 지속해서 유지되는 결과를 얻었다.
이렇게 개발한 자가발전기 6개를 직렬로 연결해 전압 4.2V, 에너지 밀도 22.4mWh/cm3를 얻어 LED 전구(20mW)의 불을 켜는 데 성공했다.
태양광, 풍력 발전 등 친환경 발전기들이 외부의 환경적인 요소에 제약을 많이 받는 것에 비해 연구팀이 개발한 발전기는 20∼80% 습도 구간에서는 외부에서 물을 공급해 주지 않더라도 전기를 만들어 낼 수 있어 다양한 사물인터넷, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
김 교수는 "움직이기만 해도 생기는 땀이나 대기 중 흩날리다 사라지는 수분을 에너지원으로 활용할 수 없을까? 라는 의문에서 연구를 시작했다"라며, "조해성 염이 포함된 자가발전기는 일반 대기 환경에서 2주 이상 발전하는 성능을 보임을 확인했고, 사물인터넷용 지속 전력 공급원 또는 자가 발전기 크기 증대를 통해 이차전지를 충전하는 용도 등으로 활용할 수 있다"라고 말했다.
이번 연구 성과는 삼성전자미래육성재단 과제(SRFC-MA1802-05)의 지원으로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물의 증산작용을 이용한 자가 발전기
그림2. 식물의 증산 과정을 통해 수분이 순환하는 원리를 모사하여, 수분의 순환을 전기 에너지로 변환하는 발전기
2019.12.16
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윤동기 교수, 카이랄 물질 육안으로 검출 방법 개발
우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 나선 나노 구조체를 만드는 액정 물질을 이용해 광결정(photonic crystal) 필름을 제작하고, 이를 이용해 식품이나 약물 등에 함유된 카이랄 물질을 별다른 기기 없이 눈으로 검출하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 기존의 광 식각공정(photolithography)으로 제작이 어려웠던 나노미터 크기의 카이랄 광결정 제작에 성공했으며, 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 이바지할 것으로 기대된다.
박원기 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)’ 8월 16일 자 온라인판과 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 12월 4일 자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Directed self-assembly of a helical nanofilament liquid crystal phase for use as structural color reflectors/Direct visualization of optical activity in chiral substances using a helical nanofilament (B4) liquid crystal phase)
잘 정렬된 나선형 나노 구조체를 만드는 일은 산업적 및 학문적으로 수요가 높은 기술로 여겨져 디스플레이 산업 및 광학 분야에서 꾸준히 연구되고 있다.
바나나 모양의 굽은형 액정분자는 고온에서 서서히 냉각될 때 무작위로 배향된 나선형 구조체를 형성한다. 이들을 잘 정렬할 수 있다면 카이랄 광결정으로 이용할 수 있으나, LCD용 액정 재료와는 달리 굽은형 액정분자를 정렬할 방법이 존재하지 않았다.
복잡한 분자구조의 액정 재료를 활용하기 위해선 극한으로 분자들의 거동을 제어하고 균일한 배향을 유도하는 기술이 필요하지만, 관련 기술의 부재로 응용되지 못했다.
연구팀은 LCD의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자보다 분자구조가 더 복잡한 굽은 형태의 액정분자가 형성하는 200~300나노미터의 나선 주기를 갖는 나선형 나노 구조체를 대면적에서 배향하는 데 성공했다. 이를 통해 빛을 반사하는 광결정을 제작했다.
다음으로 연구팀은 이들 분자를 제어하고 응용하기 위해, 빛에 의해 분자의 모양 및 배향이 바뀌는 현상인 광이성질체화(photoisomerization)를 유도할 수 있는 광 반응성 굽은형 액정분자를 설계했다.
연구팀은 이 액정분자들이 마치 해바라기가 빛을 따라가듯이 빛에 나란히 배향한다는 점에 착안해, 이들이 형성하는 나선 나노 구조체도 빛의 방향에 따라 매우 균일하게 세워질 수 있도록 제작했다.
이렇게 방향이 제어된 나선 나노 구조체는 분자의 길이에 따라 다양한 색을 보여 푸른색에서 초록색의 빛을 선택적으로 반사하는 일종의 카이랄 색상 거울로 활용할 수 있었다.
이러한 거울을 이용하면 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는 일상생활 속의 다양한 화학물질, 한 예로 설탕을 이루는 과당과 포도당의 경우 별다른 도구 없이 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는다는 점을 관찰할 수 있었다.
윤동기 교수는 “의약품 및 관련 화학산업에서 물질의 카이랄성은 독성 및 부작용과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 60여 년 전에 임산부 입덧 방지용으로 쓰이던 탈리도마이드(thalidomide)라는 약은 카이랄성이 다를 경우 기형아를 유발할 수 있다는 점 때문에 금지된 바가 있는데, 이번 연구를 통해 카이랄성에 따라 부작용을 갖는 화학약품들을 제조단계에서부터 실시간으로 검출할 수 있게 될 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 교육부의 글로벌연구네트워크 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈 표지
그림2. 배향된 액정필름을 이용하여 카이랄 시료를 검출하는 모식도
2019.12.05
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