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윤동기 교수, 공기로 대면적의 모자이크만화경 패턴 구현
〈 윤동기 교수 〉
우리 대학 나노과학기술대학원/화학과 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함을 이용해 마이크론 크기의 공기 기둥을 만들고, 이를 이용해 모자이크 만화경(kaleidoscope) 패턴을 구현하는 데 성공했다.
이번 연구는 향후 자연계에서 존재하는 다양한 형태의 반복적 모자이크 구조의 형성에 대한 이해를 도울 수 있는 기초연구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 기여할 것으로 기대된다.
김대석 박사가 1저자로 참여하고 슬로베니아 루블라냐 대학(University of Ljubljana)의 우로스 트칼렉(Uros Tkalec) 교수와의 국제 공동 연구로 수행된 이번 연구는 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: (영문)Mosaics of topological defects in micropatterned liquid crystal textures, (국문)마이크로 패턴이 형성된 액정의 위상 결함 모자이크 패터닝)
액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 활용되는 대표적 유기 소재이다.
이때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 유지를 위해 유리한 것으로 알려졌지만 물질의 특성상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다.
그러나 최근 액정의 결함이 오히려 광학적, 구조적 및 탄성적 기능을 가진 것으로 주목받으면서 액정물질은 더 이상 LCD 광학 소재의 전유물이 아닌 전기광학 및 센서 분야를 포함한 다양한 분야에서 용용 가능성이 매우 큰 것으로 평가받고 있다.
하지만 액정물질은 물풀처럼 흐르는 특성과 마치 도미노처럼 한 부분의 영향으로 전 영역이 변하는 장범위 규칙(long range order)을 갖는 탄성 때문에 결함 구조를 대면적에 규칙적, 일관성 있게 패터닝 하는 것은 매우 어렵다.
연구팀은 문제 해결을 위해 대기 상태의 공기층이 액정물질을 만났을 때 수직 배향을 유도한다는 사실에 주목했다.
이를 효과적으로 이용하기 위해 마이크로 크기 패턴의 기판과 유리기판 사이에 액정을 주입해 공기주머니를 자발적으로 형성함으로써 수십 마이크론 내에서 액정분자들을 사방으로 잡아주는(anchoring) 시스템을 개발했다. 이를 통해 효과적으로 액정의 결함 구조를 대면적에서 제어해 모자이크 문양의 패터닝에 성공했다.
이번 연구의 핵심기술은 액정물질이 공기층 패턴 내에서 온도에 따라 변하는 상전이(phase transition) 속도에 있다. 상전이 속도가 빠르면 빠를수록 액정이 급속으로 성장하며 더욱 균일한 패턴을 형성한다. 반면 느린 상전이 속도에서는 액정물질의 탄성과 공기층의 고정 에너지(anchoring anergy)의 균형이 비대칭적으로 전개되며 불균일한 결함 구조를 만든다.
연구팀은 이런 상전이 속도에 따른 비대칭 및 비가역적 결함 구조 형성은 다양한 비 평형적 자연현상에서도 유사한 패턴으로 관찰된다는 점에 착안해 물리적 경제적으로 거의 불가능한 자연현상에 대한 실험 모델로 이번 연구를 접목할 수 있다고 밝혔다.
예를 들어 반도체 물질의 결정 성장에서 형성되는 결함 구조, 블랙홀을 포함한 특이점(singularity)을 형성하는 중력 점 간의 형성 원리, 응집물리(condensed matter)에서 원자들 간 상호작용 등 넓은 범위의 자연현상에 대해 유사성을 표현할 수 있는 실험적 모델을 정립할 수 있을 것으로 기대된다.
윤 교수 연구팀은 위상결함(topological defect)의 밀도 조절을 통해 복잡하고 다양한 2차원 모자이크 패턴을 형성하는 기술도 선보였다.
위상학적 결함 구조는 마치 전기의 음양 전하처럼 위상학적 전하(topological charge)를 갖는 음양 결함으로 정의할 수 있다. 이때 항상 음과 양이 짝을 이루어 위상학적 중립을 가지려는 규칙을 갖는다.
연구팀은 이러한 액정결함의 물리적 현상을 바탕으로 상기 공기층과 기판의 화학처리를 결합해 규칙적인 배열을 유지하는 동시에 위상결함의 밀도를 조절해 기술을 완성했다.
이러한 면적분할(tiling) 기반의 모자이크 패턴은 다양한 산업 및 실용 디자인에 적용할 수 있는 예술적 가치를 가지고 있을 뿐 아니라 세포막의 이중구조, 유기탄화시료 및 다양한 무기 결정구조면 등에 활용 가능할 것으로 보인다.
윤 교수는 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”라며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구 관심도가 높아지는 계기가 되길 바란다”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 전략연구과제의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 공기 층의 사각 및 다이아몬드 패턴에서 형성 된 네마틱 액정의 편광현미경 사진
그림2. 액정패턴이 형성되는 편광현미경 이미지들
2018.11.26 조회수 12707 -
백형렬 교수, 2018 상산젊은수학자 상 수상
〈 백 형 렬 교수 〉
우리 대학 수리과학과 백형렬 교수가 대한수학회가 주관하는 ‘2018년 상산젊은수학자 상’ 수상자로 선정됐다.
시상식은 지난 5일 서울 코엑스에서 대학수학회와 독일수학회가 공동으로 주관하는 국제학술회의에서 열렸다.
상산젊은수학자 상은 박사학위 취득 후 5년 이내의 우수 신진 연구자에게 주어지는 상으로 백 교수는 기하위상수학의 주요 업적들을 바탕으로 향후 해당 분야를 주도할 연구자로 평가받아 수상했다.
백 교수는 저차원 위상수학, 기하위상수학, 기하군론 등의 분야에서 활발히 연구하고 있다. 특히 박사학위 연구로 쌍곡곡면군을 완전히 특정짓는 새 기준을 발견하고 이를 토대로 3차원 쌍곡다양체군의 성질에 대한 추론을 제시했다.
최근에는 미국 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 에릭 샘퍼튼(Eric Samperton) 박사와 공동으로 ‘그룹의 불변 원형 순서들로 이뤄진 위상공간(Spaces of invariant circular orders of groups)’이라는 주제의 논문을 발표했다.
이 논문은 2018년 유럽 수학회에서 발간하는 저명한 국제 학술지 ‘그룹, 지오메트리, 다이나믹스(Groups, Geometry, and Dynamics)’에 게재됐다. 이후 군의 원형질서에 대한 많은 연구자들의 후속 연구가 이어져 새 연구 분야를 개척한 것으로 주목받았다.
백 교수는 “이렇게 큰 상을 주셔서 무척 기쁘고 감사하다. 시상식에서 딸에게 자랑스러운 아빠의 모습을 보여줄 수 있어서 행복했다. 기대에 부응해서 앞으로도 좋은 연구로 보답하고 싶다”고 말했다.
2017년부터 수리과학과 교수로 재직 중인 백형렬 교수는 수리과학과 학부를 졸업한 후 미국 코넬 대학교에서 박사학위를 받고, 2년 6개월 동안 독일의 본(Bonn) 대학에서 연구원으로 재직했다.
부임 첫 해인 2017년 포스코 사이언스 펠로우, 삼성미래기술육성재단 연구과제에 선정되는 등 우리나라를 빛낼 젊은 과학자로 주목받고 있다.
2018.10.29 조회수 10861 -
제17회 카·포戰 우승기 전달식
우리 대학은 1일 대전 본원 창의학습관 1층 로비에서 신성철 총장, 박오옥 교학부총장을 포함한 주요 보직교수와 허구슬 카·포戰 기획단장(산업및시스템공학과) 등 학생대표들이 참석한 가운데 ‘2018 제17회 KAIST-포스텍(POSTECH) 학생대제전(이하 카·포전(戰))’ 우승기 전달식을 가졌다.
일명 ‘사이언스 워(Science War)’라는 별칭으로도 불리는 대한민국의 대표 과학도들의 정기교류전인 ‘2018 제17회 카·포전(戰)’은 지난 달 14일~15일 이틀간 포스텍에서 열렸다.
올 대회에서 KAIST는 해킹·인공지능(AI)·과학퀴즈·야구·축구·농구·e-Sports(League of Legends) 등 총 7개 종목 중 해킹을 비롯한 과학퀴즈·e-Sports·축구·야구 등 5개 종목에서 승리를 거둬 포스텍의 3연승을 저지하고 종합우승을 차지했다. 역대 전적은 KAIST가 이번 원정경기에서 우승함에 따라 9승 7패로 앞서게 됐다.
지난 2002년 첫 대회를 시작으로 올해 17년째를 맞은‘카·포戰’은 신종플루로 대회가 취소됐던 2009년을 제외하고는 매년 9월 대전과 포항을 번갈아 오가며 개최해오고 있다.
이 대회는 원정 대학의 명칭을 앞에 표기하는 원칙에 따라 ‘카·포전(戰)’ 또는 ‘포·카전(戰)’으로 불리는데 양교 학생들 간에 활발한 교류를 통한 친목도모와 개인의 소질과 능력을 발산하는 축제의 장으로 명성을 이어오고 있다.
2018.10.01 조회수 8070 -
박정영, 정유성 교수, 합금 촉매의 화학반응 실시간 관찰 성공
〈 박 정 영, 정 유 성 교수〉
우리 대학 EEWS 대학원 박정영, 정유성 교수 연구팀이 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다.
연구팀의 관찰 결과는 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기반이 될 것으로 기대된다.
GIST 물리․광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 13일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Adsorbate-driven reactive interfacial Pt-NiO1-x nanostructure formation on the Pt3Ni(111) alloy surface, 백금-니켈 합금 표면위의 촉매 활성도가 높은 금속-산화물 경계 나노구조물 형성의 실시간 관찰)
합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용되고 있다. 하지만 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존의 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 ‘상압 주사 터널링 전자 현미경’과 ‘상압 X-선 광전자분광기’를 활용해 백금-니켈 합금 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다.
이를 통해 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 이유가 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성으로부터 시작됨을 밝혀냈다.
또한 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 혹은 니켈 산화물 단일 촉매에 비해 금속-산화물 계면 나노구조가 갖는 비교적 낮은 활성화 에너지는 촉매 반응 원리 상 반응성 향상에 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있음을 확인했다.
이 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과를 통해 입증됐다.
박정영 교수는 “초고진공 환경을 기반으로 한 기존의 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례이다”며 “합금 촉매의 계면이 촉매 향상도를 높일 수 있고, 현재 진행 중인 촉매전자학 연구와도 밀접한 관계를 가지고 있다. 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획이다.”고 말했다.
이론적 원리 규명 연구를 주도한 정유성 교수는 “직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 규명한 연구로, 다양한 합금 촉매의 설계 및 최적화에 중요한 단서가 될 것이다”고 말했다.
상압 표면 분석을 주도한 GIST 문봉진 교수는“이 연구는 외부의 분자들과 쉴 새 없이 반응하면서 움직이는 마치 살아서 숨쉬고 있는 원자의 움직임과 반응성을 동시에 측정한 완벽한 표면물리연구이다”고 말했다.
이번 연구는 기초과학연구원 및 한국연구재단, GIST 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 주사 터널링 전자 현미경을 이용한 실시간 표면 관찰 이미지
그림2. 시간에 따른 표면 직접 관찰 이미지
2018.07.16 조회수 15999 -
김희탁 교수, 도넛모양 황화리튬 이용 리튬황이온전지 개발
〈 팽민 예 연구교수, 김희탁 교수 〉
우리대학 생명화학공학과 김희탁 교수(나노융합연구소 차세대배터리센터) 연구팀이 기존 리튬이온전지보다 높은 에너지 밀도를 가지면서 저렴하고 600사이클 이상의 수명을 갖는 도넛 모양 활물질 구조의 리튬황이온전지를 개발하는데 성공했다.
전기자동차의 배터리로 사용되는 리튬이온전지는 낮은 에너지 밀도 때문에 1회 충전시 가능 주행 거리가 짧아 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있는 리튬황전지의 개발이 10여 년 간 경쟁적으로 이뤄져 왔지만 리튬황전지는 음극인 리튬금속전극의 취약한 가역성으로 인해 전지의 사이클 수명을 확보하는데 어려움이 많았다.
이러한 문제 해결을 위해 연구팀은 리튬금속음극 대신 리튬이온전지에 사용되는 사이클 수명이 우수한 흑연음극 이용과 함께 용량이 높은 황화리튬(Li2S) 양극을 결합해 에너지 밀도와 수명 향상에 힘썼다. 그러나 황화리튬이 고가이고, 흑연음극과 황화리튬 양극의 사이클 수명을 동시에 만족하는 전극 및 전해액 설계기술이 없어 기술적인 한계가 있었다.
이에 연구팀은 저가의 황산리튬(Li2SO4)을 원재료로 도넛 모양의 황화리튬 양극 활물질을 제조했다. 그러면서 고농도 염 전해액을 이용해 흑연음극과 황화리튬 양극을 이용한 리튬황이온 전지를 구현했다. 내부가 비어있는 도넛 모양의 황화리튬은 리튬이온의 전달력을 향상시켜 높은 충, 방전 가역성을 보였고, 고농도 염 전해액은 흑연전극 표면에 안정적인 막을 형성해 우수한 내구성을 보였다.
연구팀은 이 기술을 통해 기존 리튬이온전지보다 30% 높은 에너지 밀도를 구현함과 동시에 600사이클 이상의 수명을 확보하는 데 성공했다. 연구팀의 도넛모양 황화리튬 전극은 저가의 원재료를 이용하면서 단일 열처리 공정으로 제조할 수 있고, 기존 리튬이온전지에 적용할 수 있어 산업적으로 활용할 수 있을 것으로 보인다.
김희탁 교수는 “저가 황 화합물을 리튬이온전지에 적용해 에너지 밀도와 수명을 동시에 향상시킬 수 있음을 증명했다”고 말했다. 이번 연구는 KAIST 나노융합연구소와 한국과학기술연구원 및 한국연구재단 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
팽민 예(Fangmin Ye) 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 지난 7일자 온라인 판 논문에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도넛 모양 황화리튬 활물질 구조 및 제조 원리
2018.05.24 조회수 17362 -
김유천 교수, 부작용 낮춘 레이저 치료제 개발
〈 노 일 구 박사과정, 김 유 천 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김유천 교수 연구팀이 기존 광역학 치료제(PhotoDynamic Therapy, 이하 PDT)의 단점을 보완한 근적외선 형광물질 기반의 PDT를 개발했다.
노일구 박사과정이 1저자로 참여하고 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 공동으로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2018년도 3월 25일자 표지논문에 게재됐다.
PDT는 약물이나 유전자가 아닌 빛을 이용하는 치료법으로 레이저를 특정부위에 쬐어 산소를 독성을 갖는 활성산소로 변화시켜 세포를 자가 사멸(apoptosis)로 유도할 수 있는 기술이다.
이 기술은 피부병 치료 등 일상에서도 많이 활용되는 치료법이다. 그러나 기존에 이용하는 PDT 조영제의 경우 낮은 효율을 가질 때 오히려 암세포의 유전변형이 발생해 치료효과 감소 등의 부작용이 나올 수 있다.
따라서 치료효과를 극대화하기 위해선 원하는 위치에 많은 물질을 전달하는 것이 중요하며 이를 위해 세포 소기관인 미토콘드리아에 치료효과를 집중시키는 연구가 진행 중이다.
PDT 조영제로 인해 만들어진 활성산소는 미토콘드리아의 막을 공격해 세포 사멸을 일으킨다. 암세포의 미토콘드리아는 일반 세포와 비교했을 때 미토콘드리아 막의 전위 차이가 높아 양전하의 소수성 물질이 더 잘 투입되는 특성이 있다.
연구팀은 이러한 PDT 조영제 효과를 극대화하기 위해 미토콘드리아 타겟팅 그룹인 트리페닐포스포늄, PDT 증강제인 브롬화물, 그리고 용해도 증가를 위한 아민 그룹으로 구성된 물질을 개발했다.
연구팀은 이 기술을 종양이 이식된 실험용 쥐에 주입한 후 종양 부위에 빛을 조사해 항암효과를 유도했고 이를 분석했을 때 효과적으로 표적 치료가 이뤄지는 것을 확인했다.
이 물질은 근적외선 영역에서의 흡광 및 발광을 통한 662 나노미터(nm) 영역 레이저를 사용한다. 이를 통해 기존 가시광선 조영제가 마이크로미터 수준의 깊이를 보였다면 연구팀의 기술은 밀리미터까지 투과성을 가지며 진단 시 가시광역 조영제 보다 100배 이상 감도가 우수한 특성을 갖고 있다고 밝혔다.
연구를 주도한 노일구 박사과정은 “암세포 미토콘드리아에 오래 머물러 있어 레이저를 조사했을 때 원하는 부분에만 부작용 없이 효과적인 치료가 가능하다는 장점이 있다”며 “치료 후 독성이 없이 분해돼 기존 조영제의 단점을 극복할 수 있을 것이다”고 말했다.
김유천 교수는 “기존에 이용되는 진단 및 치료제를 한 단계 더 발전시킨 새로운 플랫폼의 개발을 통해 부작용을 최소화하고 다양한 질병을 치료하는 데 유용하게 사용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 글로벌프론티어 지원사업 ABC 바이오매스 사업단 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. Advanced science 3월 25일자 3호 표지
그림2. 완성된 물질의 화학구조, 미토콘드리아 타겟팅 효과 및 레이저에 따른 ROS 생성 그래프
2018.04.17 조회수 22512 -
박태형 박사과정, 권태혁 교수, 해저 점토질에서 불타는 얼음 생성원리 규명
우리 대학 건설및환경공학과 권태혁 교수 연구팀이 일명 불타는 얼음으로 불리는 천연가스 하이드레이트가 바다 속 점토질 퇴적토에서 다량으로 생성되는 원리를 규명했다.
이번 연구는 점토 광물이 하이드레이트 생성을 촉진한다는 것을 실험적으로 규명하고 점토질 퇴적층에서 하이드레이트의 존재에 대한 새로운 원리를 제시했다는 의의를 갖는다.
박태형 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 환경 분야 국제 학술지 ‘인바이러멘탈 사이언스&테크놀로지(Environmental Science & Technology)’ 2월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
해저의 퇴적토나 영구동토층(2년 이상의 기간 동안 토양이 얼어있는 지대)에서 주로 발견되는 천연가스 하이드레이트는 메탄 등의 천연가스가 물 분자로 이뤄진 얼음과 비슷한 결정구조에 갇혀있는 고체물질이다. 흔히 불타는 얼음으로 불리는 이 물질은 막대한 매장량으로 인해 차세대 대체 에너지로 주목받고 있다.
점토질 퇴적토에서는 가스 하이드레이트 생성이 어렵다는 것이 일반적인 이론이다. 그러나 최근에는 전 세계적으로 해저 점토질 퇴적층에서 다량의 가스 하이드레이트가 발견되고 있어 기존 이론과 상반된 현상에 대한 원인을 규명하는 것이 과제로 남아 있다.
특히 점토광물 표면은 음전하를 띄고 있는데 이 전하들이 점토표면에 흡착된 물 분자에 상당한 전기적 힘을 가해 분극화시킨다. 또한 점토 표면의 음전하를 상쇄하기 위해 주변에 많은 양이온들이 존재한다.
따라서 보통 조건의 물 분자와 분극화된 조건의 물 분자들의 하이드레이트 결정 생성 양상을 비교하는 것이 연구의 핵심이다. 그러나 점토 주변에 자연적으로 존재하는 양이온들로 인해 실험 연구를 수행할 수 없었다.
연구팀은 기존 연구의 한계 극복을 위해 물에 전기장을 가해 점토 표면과 같이 물 분자들의 분극화를 구현한 뒤 물 분자들의 가스 하이드레이트 결정 생성 속도를 측정했다.
그 결과 점토 표면과 비슷한 크기의 전기장(10kV/m)을 물에 적용했을 때 가스 하이드레이트 결정핵 생성 속도가 약 6배 이상 빨라지는 것을 관찰했다. 이는 물 분자가 전기장에 의해 분극화되면 분자 간 수소 결합이 부분적으로 약해지고 내부에너지가 감소되기 때문인 것으로 밝혀졌다.
연구팀은 전기장이 하이드레이트 생성을 촉진함을 실험적으로 규명하는데 성공함으로써 점토광물의 존재가 하이드레이트 생성을 방해하는 것이 아니라 특정 조건에서는 오히려 하이드레이트 생성을 촉진함을 밝혔다.
권 교수는 “이번 연구를 통해 점토질 퇴적토에서 가스 하이드레이트가 많이 발견되는 이유에 대해 좀 더 이해할 수 있게 됐다”며 “멀지 않은 미래에 인류는 가스 하이드레이트를 에너지 자원으로 생산하고 소비할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 물 분자의 가스 하이드레이트 결정 생성 실험과 촉진 모식도
그림2. 가스 하이드레이트 생성 촉진(좌)과 억제(우) 반응
2018.03.05 조회수 12297 -
장석복, 백무현 교수, 상온 감마-락탐 합성 성공해 사이언스 紙 게재
석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 의약품이나 화학소재의 원료가 되는 락탐을 합성할 수 있는 방법이 나왔다.
우리 대학 화학과 장석복 교수, 백무현 교수 공동 연구팀이 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.
이번 연구성과는 세계적 권위의 학술지 사이언스(Science) 3월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐)나 혈관형성 억제제(아자스파이렌)와 같이 복잡한 유기분자의 핵심 구성성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다.
자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위해 많은 연구가 있었지만 탄화수소는 상온에서 반응성이 낮아 합성하는데 큰 어려움이 있었다.
탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해서는 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화반응이 필요한데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했기 때문이다.
연구팀은 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결할 수 있었다.
이론 연구팀은 밀도범 함수를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 촉매를 개발했다.
이를 바탕으로 실험 연구팀이 중간체 분해 및 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다.
장석복 교수는 “이번 연구는 질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성하는 계기를 만들 수 있었다”며 “새로운 금속 촉매를 설계하고 합성해 성공적으로 적용시키는 모든 과정에 열정적으로 임해준 참여 학생들에게 깊이 감사한다”고 말했다.
또한 “이번에 개발한 촉매반응의 확장연구를 통해 학문적인 진보는 물론 합성된 물질의 생리활성 및 임상 연구를 통한 의약품과 신소재 개발 등 산업적인 면에서도 큰 기여할 수 있게 되기를 바란다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 메커니즘
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 예측한 반응 경로와 에너지 장벽
그림3. 본 연구에서 개발한 질소화 촉매반응의 메커니즘과 합성한 다양한 질소고리 화합물
2018.03.02 조회수 13905 -
공수현 박사(물리학과 졸업), 사이언스 紙에 논문 게재
〈 공 수 현 박사 〉
우리 대학 물리학과 졸업생(지도교수 조용훈)으로 네덜란드 델프트 공과대학교에서 박사 후 연구원으로 재직 중인 공수현 박사가 빛의 방향을 이용해 반도체 내부의 스핀을 제어하는 기술을 개발했다.
공 박사의 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’ 26일자에 게재됐다.
반도체 내부의 전자는 스핀이라는 양자 상태를 갖게 되는데 이 상태를 이용하면 더욱 많은 정보를 처리할 수 있는 차세대 전자소자를 개발할 수 있다.
하지만 기존의 반도체 스핀 소자는 상온에서 스핀 정보를 유지하기 어렵다는 한계가 있다.
공 박사는 반도체의 스핀 상태와 빛의 방향이 일대일로 연결된 소자를 개발했다. 즉, 반도체 속 스핀 회전이 반대방향이 되면 빛의 방향도 반대방향으로 진행하기 때문에 빛의 방향만으로 반도체 스핀 정보를 제어할 수 있게 된다.
빛은 주변 환경에 대해 매우 안정적이기 때문에 반도체 스핀 정보를 빛으로 전환시켜주면 먼 거리에서도 스핀 정보를 전달할 수 있다.
또한 수백나노미터 지름의 금속 나노막대를 이용하면 빛의 파장보다 더 작은 영역에 빛을 집속시킬 수 있고 이 빛은 금속 나노막대를 따라 진행된다.
금속 나노막대 근처에서는 빛의 편광 방향이 회전을 하는 광학 스핀을 형성하고, 빛의 진행 방향을 바꾸면 광학 스핀의 회전 방향이 바뀌게 된다. 즉, 광학스핀의 회전 방향과 빛의 진행 방향이 일대일 관계가 있음을 증명했다.
이 때 생기는 광학 스핀은 같은 방향으로 회전하는 반도체 속 스핀과 상호작용할 수 있는데, 스핀 방향은 유지한 채 빛의 스핀이 반도체 스핀으로 전환되거나 그 반대의 현상이 발생할 수 있다.
따라서 반도체 스핀 회전 방향도 빛의 진행 방향으로 일대일 전환이 돼 빛의 경로를 이용해 반도체 스핀 정보를 제어하고 통신할 수 있는 새 개념의 스핀네트워크 소재를 개발할 수 있다.
연구팀은 실험적인 구현을 위해 2차원 반도체 물질인 이황화텅스텐 박막을 이용했고 2차원 반도체 스핀 정보가 90% 이상의 효율로 빛의 방향정보로 전환되는 것을 증명했다.
공 박사는 “이번 연구결과는 상온에서 자기장 없이도 반도체의 스핀을 조절할 수 있는 방법이기 때문에 향후 스핀관련 연구 및 소자에 활용할 수 있다”며 “궁극적으로 양자화된 빛인 광자를 이용해 반도체의 단일 스핀을 조절해 양자컴퓨팅 개발에 응용하는 것이 목표이다”고 말했다.
공수현 박사는 2009년 우리 대학 물리학과 대학원에 입학 후 조용훈 교수의 지도를 받아 2015년 박사학위를 취득했으며 현재 네덜란드 델프트 공과대학교(Delft University of Technology) 카블리 나노과학연구소 Kobus Kuipers 그룹에서 박사 후 연구원으로 일하고 있다.
2018.01.26 조회수 16470 -
2017년 올해의 KAIST인에 물리학과 박용근 교수 선정
우리대학은 물리학과 박용근(사진·37세)교수를 ‘2017년 올해의 KAIST인’으로 선정, 2일 오전 대강당에서 열린 시무식 자리에서 시상했다. ‘올해의 KAIST인 상’은 한 해 동안 국내외에서 KAIST 발전을 위해 노력하고 교육과 연구 실적이 탁월한 인물에게 수여하는 상으로 지난 2001년에 처음 제정됐다.
17번째 수상의 영예를 거머쥔 박용근 교수는 홀로그래픽 측정과 제어기술을 개발하고 새로운 응용분야 정립을 통해 KAIST의 위상을 높였다는 평가를 받았다. 박 교수는 특히 작년 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지에 ‘3차원 디스플레이’를, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지에는 ‘세포 광조작’을, 그리고 사이언스 어드밴시스(Science Advances)지에 ‘탄저균 진단’과 관련한 연구 성과를 각각 게재함으로써 뉴스위크(NewsWeek)와 포브스(Forbes) 등 다수의 해외 유명 언론으로부터 주목을 받았다.
박 교수는 또 이 같은 기초연구 성과를 바탕으로 벤처기업인 ‘Tomocube’사를 설립해 차세대 세포현미경인 3차원 홀로그래픽 현미경을 출시하는데 성공, 작년 말 현재 미국·일본을 비롯한 여러 국가에 수출하고 있다. 이밖에 박테리아 신속 진단 기술을 보유한 스타트업 ‘더웨이브톡(THE WAVE TALK)’의 공동창업자로서 신성장 동력 기반을 확보하는 등 KAIST의 위상을 높인 공로를 인정받았다.
박용근 교수는 “KAIST인이라면 누구나 최고의 명예로 생각하는 이 상을 받게 돼 개인적으로는 매우 큰 영광이며 동시에 무거운 책임감을 느낀다”며“앞으로도 연구와 교육에 매진하여 국내외에서 KAIST의 위상을 높이는데 기여 하겠다”고 소감을 밝혔다.
2018.01.02 조회수 20585 -
정우철 교수, 소량 금속으로 연료전지 수명 극대화기술 개발
〈 정우철 교수(오른쪽)와 연구진 〉
우리 대학 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 서울시립대학교 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 소량의 금속으로 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 전극소재 기술을 개발했다.
구본재 박사과정과 서울시립대 권형욱 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 에너지, 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)’ 2018년도 1호 표지논문에 선정됐다.
연료전지는 친환경이면서 신재생에너지원으로 주목받고 있는 에너지변환기술이다. 특히 세라믹 소재로 구성된 고체산화물 연료전지는 수소 이외에도 바이오매스, LNG, LPG 등 다양한 종류의 연료를 직접 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 갖는다. 이를 통해 발전소, 전기자동차, 가정용 예비전원 등 분야에 폭넓게 사용될 것으로 전망되고 있다.
고체산화물 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 요소는 산소의 환원 반응이 일어나는 공기극으로 현재 페로브스카이트(ABO3) 구조의 산화물들이 주로 사용된다.
그러나 페로브스카이트 산화물들은 작동 초기 성능이 뛰어나지만 시간이 지날수록 성능이 저하돼 장기간 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
특히 공기극의 작동 조건인 고온 산화 상태에서 산화물 표면에 스트론튬(Sr) 등의 2차상이 축적되는 표면 편석 현상이 발생함으로써 전극의 성능을 낮추는 것으로 알려졌다. 아직까지 이러한 현상의 구체적인 원리와 이를 억제할 수 있는 효과적인 해결책이 나오지 않았다.
정 교수 연구팀은 페로브스카이트 산화물이 변형될 때 면 내 압축 변형이 일어나 스트론튬의 편석을 발생시키는 것을 계산화학적 및 실험적 결과를 통해 확인했다.
연구팀은 페로브스카이트 산화물 내부의 부분적인 변형 분포가 스트론튬 표면 편석의 주요 원인임을 규명했다.
이를 바탕으로 정 교수 연구팀은 크기가 다른 금속을 산화물 내에 장착함으로써 공기극 소재 내부의 격자변형 정도를 제어하고 스트론튬 편석을 효과적으로 억제하는데 성공했다.
정 교수는 “이 기술은 추가적인 공정 없이 소재를 합성하는 과정에서 소량의 금속입자를 넣는 것만으로 구현된다”며 “향후 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극을 개발하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구의 Energy & Environmental Science 논문지의 커버 이미지
그림2. 전극의 격자변형 정도와 Sr 편석, 전극반응의 상관관계
그림3. 개발한 기술을 적용하여 안정화된 고체산화물 연료전지 공기극의 표면
2017.12.26 조회수 21402 -
2017 웨어러블 컴퓨터 경진대회 개최
우리대학은 10월 21일(토)부터 24일(화)까지 4일간 대전 엑스포 시민광장에서 열리는 대전 사이언스 페스티벌 부대행사의 일환으로 입는 컴퓨터 경진대회인‘2017 웨어러블 컴퓨터 경진대회’를 개최한다. 올해로 13회째를 맞는 ‘웨어러블 컴퓨터 경진대회’는 대학생 특유의 반짝이는 아이디어와 최신 기술을 이용해 공상과학 영화나 만화에서 볼 수 있는 착용하는 컴퓨터를 직접 제작해 볼 수 있는 대회다.
올해 대회에는 전국 대학에서 60여 개 팀이 참여했으며, 대회기간 중 서류 및 발표심사와 본선대회 등 총 3차례에 걸친 심사 과정을 거쳐 최종 우승팀에게는 과학기술정보통신부 장관상과 함께 300만원의 상금이 수여된다. '웨어러블 컴퓨터’는 사용자가 이동 중에도 자유자재로 컴퓨터를 사용하기 위해 신체와 의복 일부분에 착용할 수 있도록 제작된 기기로, 최근에는 스마트 폰과 연동돼 인터넷 기반의 다양한 서비스 제공이 가능한 제품이 주목을 받고 있다.
이번 대회에 출품한 작품 중에서 ‘V-link’로 대회에 참가한 김진혁(연세대·커피맛곱창팀)학생은 “VR(가상현실)을 이용한 기술이 제법 보급됐지만 현재 VR기기들은 별도의 입력장치가 필요해 손이 자유롭지 못하다”며 “V-link는 얼굴 근육만으로 VR기기를 조정하기 때문에 사용자의 손에 자유를 줄 수 있으며, 손을 사용할 수 없는 사람도 쉽게 사용할 수 있다 ”고 개발 배경에 관해 설명했다.
또 다른 작품 ‘WCVR’로 참가한 최진혁(동아대·Iron Heart)학생은 VR기기와 밴드형 웨어러블 기기를 이용해 로봇을 조종하는 시작품을 제작해 큰 주목을 받았다. ‘WCVR’은 로봇의 시야를 360도 캠을 이용하여 VR기기로 공유하고 이를 바탕으로 웨어러블 밴드를 착용한 사용자의 행동과 동일하게 로봇을 움직이는 기능을 갖고 있다. 인력을 투입하기 위험한 재난 현장에서 구조 로봇으로서의 역할을 기대할 수 있다.
이밖에 ▲사용자의 손동작만으로 가상현실 게임을 즐길 수 있는 글러브(계명대·VRinger팀) ▲취업준비생을 위한 가상면접 연습 VR 디바이스(충남대·Grow팀) ▲스스로 사물의 모양을 판단하여 물건을 집는 전자의수(고려대&인하대 연합, Open Arms팀) ▲저 시력 장애인들을 위한 VR 시각 보조 장치(중앙대·써드아이팀) 등 이번 대회 미션인 VR디바이스를 이용한 창의적인 작품이 출품됐다. 행사에 관한 상세한 정보는 홈페이지( http://www.ufcom.org )를 통해 확인할 수 있다.
대회 위원장인 KAIST 전기및전자공학부 유회준 교수는 “최근 인공지능(AI,Artificial Intelligence)과 웨어러블 컴퓨터에 대한 산업계 관심이 갈수록 커지고 있다”며“올해로 13년째를 맞는 웨어러블 컴퓨터 경진대회는 4차 산업혁명 시대에 대비한 미래 인재발굴의 견인차 역할을 할 것”이라고 강조했다. 유 교수는 또 “대전광역시가 특히 미래 기술을 선도하며 젊은이들의 창의성을 북돋는 명소로 자리를 잡을 것”이라고 이번 대회의 개최의미를 밝혔다.
2017.10.19 조회수 14356