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지혈제 작동원리 규명해 혈액 응고장애 극복
우리 대학 화학과 이해신 교수 연구팀이 홍합 모사 접착성 지혈제를 이용해 혈액 응고 장애 환자에게 효과적인 지혈을 성공시켰다고 16일 밝혔다.
이해신 교수는 수년 전 세계 최초로 홍합 모사 접착물질을 의료용 지혈 물질로 상용화시킨 바 있다. 그는 이노테라피와 수년간의 추가적인 분자기작 연구와 환자를 대상으로 한 임상 연구를 통해 이 홍합 모사 접착성 지혈제의 지혈 성능을 밝혔고, 그 결과를 권위가 있는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 지난달 24일 발표했다.
(논문명: Coagulopathy-independent, bioinspired hemostatic materials: A full research story from preclinical models to a human clinical trial)
연구팀은 이번 연구를 통해 홍합 모사 지혈제가 혈액 응고 장애 환자에게서도 작동 가능하다는 것을 동물실험뿐 아니라 임상 연구로 입증했다. 연구에 따르면 접착성 지혈 물질인 카테콜아민 고분자는 혈액 응고 장애 환자나 정상인의 혈액에 공통으로 존재하는 알부민과 같은 혈장단백질과 빠르고 강하게 결합해 접착막을 형성한다.
이번 연구에서 연구팀은 카테콜아민 고분자가 혈액응고인자와 상관없이 혈액 단백질과 결합해 수 초 내에 빠르게 단단한 지혈 막을 형성하는 메커니즘을 규명했다. 나아가 이 지혈제가 혈액 응고 장애를 동반한 출혈 동물모델에서 우수한 지혈 효과를 나타내었을 뿐만 아니라, 간이식/간 절제 환자들을 대상으로 한 임상실험에서도 우수한 효과를 입증했다.
이해신 교수는 지혈 물질 협력 연구 과정에서 2017년 네이처 머터리얼즈(Nature Materials)에 무출혈 주삿바늘 논문을 발표한 바 있으며, 이에 멈추지 않고 바이오 벤처기업 이노테라피와 더욱 깊이 있는 임상 연구를 진행해 이번 성과를 얻었다. 10여 년에 걸친 협력 연구를 통해 과학적 성과뿐만 아니라, 논문에 발표한 물질이 주성분으로 포함된 이노씰 제품이 최근 3월 30일 유럽허가(CE 인증)를 취득해 차후 제품 글로벌 상용화도 가능하게 됐다.
이해신 교수는 "그동안 KAIST가 이노테라피와의 모범적 협력모델을 구축했고, 최근 이노테라피의 기부를 통해 KAIST가 진행 중인 중/대동물 연구센터 건립에 작은 힘이나마 도움을 받았다ˮ고 말했다.
㈜이노테라피 이문수 대표는 "앞으로도 KAIST와 적극적인 협력을 추진할 계획ˮ이라 밝혔다. 화학과 학과장 이영민 교수도 "이노테라피와 화학과가 앞으로 바이오 분야 상업화에 있어서 협력을 확대하면 좋겠다ˮ고 말했다. 우리 대학은 지혈제 외에도 유전자 치료제 등 신약 개발에 있어 산학협력을 확대할 예정이다.
2021.04.16
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천 배 넘게 응축된 빛 관측 성공
우리 대학 전기및전자공학부 장민석 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀이 그래핀 나노층 구조에 천 배 넘게 응축돼 가둬진 중적외선 파동의 이미지를 세계 최초로 얻어내 초미시 영역에서 전자기파의 거동을 관측했다고 2일 밝혔다.
연구팀은 수 나노미터 크기의 도파로에 초고도로 응축된 `그래핀 플라즈몬'을 이용했다. 그래핀 플라즈몬이란 나노 물질 그래핀의 자유 전자들이 전자기파와 결합해 집단으로 진동하는 현상을 말한다. 최근 이 플라즈몬들이 빛을 그래핀과 금속판 사이에 있는 아주 얇은 유전체에 가둬 새로운 모드를 만들 수 있다는 사실이 밝혀졌다.
이러한 그래핀-유전체-금속판 구조에서는, 그래핀의 전하들이 금속판에 영상 전하(image charge)를 만들게 되고 빛의 전기장에 의해 그래핀의 전자들이 힘을 받아 진동하게 되면 금속에 있는 영상 전하들도 잇따라 진동하게 된다. 이러한 새로운 형태의 그래핀-유전체-금속판에서의 집단적인 전자 진동 모드를 `어쿠스틱' 그래핀 플라즈몬(Acoustic Graphene Plasmon; 이하 AGP)이라고 한다.
하지만 AGP는 광학적 파동을 수 나노미터 정도의 얇은 구조에 응집시키기 때문에, 외부로 새어 나오는 전자기장의 세기가 매우 약하다. 이 때문에 지금까지 직접적인 광학적 검출 방법으로는 그 존재를 밝혀내지 못했으며 원거리장 적외선 분광학이나 광전류 매핑과 같은 간접적인 방법으로 AGP의 존재를 보일 수밖에 없었다.
이러한 한계점을 극복하기 위해, 국제 공동 연구팀은 새로운 실험 기법과 나노 공정 방법론을 제안했다. KAIST 전기및전자공학부의 장민석 교수와 메나브데 세르게이(Sergey Menabde) 박사 후 연구원은 민감도가 매우 높은 산란형 주사 근접장 광학현미경(s-SNOM)을 이용해 나노미터 단위의 도파로를 따라 진동하는 AGP를 세계 최초로 직접적으로 검출했고, 중적외선이 천 배 넘게 응축된 현상을 시각화했다. 해당 나노 구조들은 미국의 미네소타 대학(University of Minnesota)의 전자 및 컴퓨터 공학부의 오상현 교수팀이 제작했으며, 그래핀은 성균관대학교의 IBS 나노구조물리연구단(이하 CINAP) 이영희 연구단장팀이 합성했다.
연구팀은 AGP 에너지의 대부분이 그래핀 아래에 있는 유전체층에 집중된 상황에서도 AGP를 검출했는데, 이는 오상현 교수와 이인호 박사 후 연구원이 만든 고도로 반듯한 나노 도파로와 CINAP에서 합성한 순도 높은 대면적 그래핀 덕분에 플라즈몬이 보다 긴 거리를 전파할 수 있는 환경이 조성됐기 때문이다.
중적외선 영역의 전자기파는 다양한 분자들이 가지고 있는 진동 주파수와 일치하는 주파수를 가지고 있어 이들의 화학적, 물리적 성질을 연구하는데 막대한 비중을 차지한다. 예를 들어, 많은 중요한 유기 분자들이 중적외선 흡수 분광학으로 검출될 수 있다. 하지만 한 개의 분자와 빛 간의 상호작용은 매우 작아 성공적인 검출을 위해서는 분자의 개수가 많아야 한다. AGP는 초고도로 응축된 전자기장을 통해 분자와 빛의 상호작용을 크게 높일 수 있으며 결국 한 개의 분자로도 작동하는 단분자 검출 기술을 가능하게 한다.
또한, 일반적인 그래핀 플라즈몬 기반의 광학 장치들은 그래핀에서의 큰 에너지 흡수율 때문에 높은 성능을 보이기 어렵다. 반면 AGP의 전자기장은 대부분이 그래핀이 아닌 유전체층에 존재하기 때문에 그래핀에서 에너지 손실에 덜 민감하므로 고성능 소자 구현에 유리하다. 이번 연구 결과는 AGP가 중적외선 영역에서 작동하는 다른 그래핀 기반의 메타 표면, 광학적 스위치, 다양한 광전류 장치 등을 대체할 수 있을 것이라는 희망을 보여준다.
장민석 교수는 "이번 연구를 통해 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬의 초고도로 응축된 전자기장을 근접장 측정을 통해 관측할 수 있었다.ˮ라며 "앞으로 강한 물질-빛 상호작용이 필요한 다른 상황에서도 어쿠스틱 그래핀 플라즈몬을 이용한 연구가 활발해지기를 기대한다ˮ라고 말했다.
메나브데 세르게이(Sergey Menabde) 박사와 이인호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 에 2월 19일 字 게재됐다. (논문명: Real-space imaging of acoustic plasmons in large-area graphene grown by chemical vapor deposition).
한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 및 한국연구재단(NRF), 미국의 National Science Foundation(NSF), 삼성 글로벌 공동연구 프로그램(GRO), 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 진행됐다.
2021.03.02
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2021년 학위수여식 개최
우리 대학이 19일(금) 오후 2시에 2021년도 학위수여식을 개최했다. 박사 668명, 석사 1천331명, 학사 713명 등 총 2천712명이 학위를 받는다. 이로써 KAIST는 지난 1971년 설립 이래 박사 1만4천418명을 포함해 석사 3만5천531명, 학사 1만9천457명 등 총 6만9천388명의 고급 과학기술 인력을 배출했다.
코로나19 확산 방지를 위해 작년과 마찬가지로 온라인 중심의 학위수여식을 개최해 수상자와 대표 연설자를 포함한 학생 83명과 보직자 17명 등 최소한의 인원이 행사에 참석했다. 이들은 방역 수칙을 철저하게 준수한 상태로 대전 본원 대강당·창의학습관 터만홀·학술문화관 정근모콘퍼런스홀·서울(홍릉) 캠퍼스 최종현 홀 등 4개 장소로 나눠 입실했다.
올해 학사과정 수석 졸업의 영광은 박현영(24세·전기및전자공학부) 씨가 차지해 과학기술정보통신부 장관상을 받았다. 이사장상은 조예린(23세·신소재공학과) 씨, 총장상은 김민재(23세·바이오및뇌공학과) 씨, 동문회장상과 발전재단 이사장상은 각각 김경태(22세·물리학과) 씨와 정민우(22세·건설및환경공학과) 씨가 수상했다.
이밖에 올 학위수여식에서는 K-School을 졸업하는 연창학(27세·기술경영학부) 씨가 창업융합전문석사 학위를 받았다. K-School은 KAIST의 특화된 공학교육에 기업가정신을 접목해 창업 인재를 양성하는 전문석사과정이다. 2016년 국내 대학 최초로 개설됐는데 논문을 쓰지 않아도 창업 실적만으로 학위를 받을 수 있다는 것이 가장 혁신적인 특징이다. 학창 시절 "좋은 대학에 입학해서 좋은 기업에 입사해야지ˮ라는 말을 들을 때면 "왜 직원이 돼야 해요? 제가 회사를 만들면 안 돼요?ˮ라고 되물었다는 연 씨는 2016년 포스텍(포항공과대학교) 산업경영공학과 졸업을 앞두고 진학 예정이던 대학원 입학을 취소했다. 학내 창업 인큐베이터 학부생 대표 매니저 등을 맡으며 꾸준히 창업 준비를 해왔지만, 현장의 업무를 우선 배워보고 싶은 마음에 진학을 포기하고 무작정 서울로 상경한 것이다. 그 후 2년간 핀테크 회사의 개발자와 IT 보안회사의 신사업기획·영업 등의 실무 경험을 쌓으며 자신감을 얻는 연 씨는 ʻ내 일ʼ을 해보고 싶다는 생각으로 본격적인 창업을 준비하던 중에 K-School을 알게 됐다. 2017년 3기 신입생으로 입학한 그는 "비슷한 환경에서 창업을 공부하고 스타트업이라는 같은 꿈을 꾸는 동료를 찾기에 가장 적합한 곳이라고 확신했다ˮ라며 진학 배경을 설명했다. 가을학기에 입학해 3개월이 지났을 무렵 연 씨는 K-School이 개설된 이후 가장 먼저 투자 유치에 성공한 학생이라는 기록을 세웠다. 1~2기 선배들을 제치고 국내 유명 액셀러레이터, 금융기관, 대기업으로부터 2억 원의 투자를 확정받은 것이다. 이듬해 5월 K-School의 동기 두 명과 후배 한 명, KAIST 전산학부 박사과정 학생 한 명과 의기투합해 블록체인 기술 기반의 스타트업 `블록오디세이'를 설립하고 본격적인 사업에 착수했다.
중국에서는 1년에 20만 명 이상이 가짜 약을 먹고 사망하고 화장품 업계에서는 시장 전체가 아닌 한 개의 특정 브랜드가 입는 위조품 피해가 연간 4천억 원대에 이른다는 점에 주목한 연 씨는 블록체인을 기술을 기반으로 물류 과정을 추적하고 위·변조를 방지하는 ʻ전자서명 삽입 QR코드'를 앞세워 시장 공략에 나섰다. ʻ정품인증솔루션ʼ은 연 씨가 창업 전에 맡았던 프로젝트 중에 유일하게 실패했던 아이템이지만 K-School에서 만난 팀원들과 새로운 기술을 개발해 시장을 공략할 수 있는 솔루션을 찾아낸 것이다. 기존에 사용해오던 물리적인 보안 기술은 특수 잉크·홀로그램 등을 제작해 진품에 부착하는 방식인데, 위조품을 방지하기 위해 정교하게 제작할수록 전문 감별사만이 구분할 수 있다는 점이 부작용으로 지적돼왔다. 연 씨는 소비자가 QR코드로 촬영하는 것만으로 상품의 진위를 즉석에서 파악할 수 있는 기술로 창업 1년 만에 아모레퍼시픽·LG전자·게르베(Guerbet) 등 글로벌 기업들과 사업 제휴를 맺었다. 또한, 국가 차원의 가품 방지를 위해 산업통상자원부가 추진하는 국가 유통 블록체인 사업을 수주해 구축 중이며, 올해 2월 기준으로 누적 투자액이 30억 원을 넘어섰다. "좋은 사람을 모으는 것이 스타트업의 실질적인 출발점ˮ이라고 말하는 연 씨는 K-School을 통해 창업의 꿈을 빠르게 이룰 수 있었다고 강조했다. 최상의 기술 개발 능력과 기업가정신을 겸비한 동료들을 전문 석사과정을 통해 만났기 때문이다. 이와 더불어, "국내에 스타트업을 지원하는 조직이 많이 있지만, K-School처럼 투자사 대표들이 직접 찾아와서 투자 가치가 있는 창업기업들을 발굴하는 곳은 드물 것ˮ이라고 말했다. 그는 이어 "KAIST의 브랜드 가치와 KAIST 출신 창업기업들이 쌓아놓은 신뢰도 덕분에 창업을 준비하는 전문석사과정 학생들의 신용이 함께 상승한 셈ˮ이라고 덧붙였다.
그는 또 졸업 이수 요건인 스타트업 현장실습을 통해 창업에 대한 막연한 두려움을 내려놓고 자신감을 얻을 수 있다는 점, 창업융합 전문석사과정 및 교내 창업 관련 학생들이 입주할 수 있는 스타트업 빌리지가 제공돼 인적 네트워크 및 아이디어 교류가 활발하게 이뤄진다는 점, KAIST 학부생을 인턴으로 채용하는 CUop 프로그램을 활용해 유능한 인재들을 영입할 수 있다는 점도 장점으로 꼽았다.
30억 원 규모의 스타트업을 운영하는 연 씨가 창업을 위해 투자한 사비는 100만 원 남짓의 법인 설립 비용이 전부다. "창업을 잘못하면 길거리로 나앉는다는 것은 이제 옛날얘기가 되었다ˮ라고 강조하는 그는 "정부와 투자자들이 다양한 창업 지원 프로그램을 많이 운영하는 지금이야말로 창업하기에 최적인 시기ˮ라고 본인 생각을 밝혔다.1천억 이상의 기업 가치를 바탕으로 상장하는 단기 목표를 이룬 뒤 지주회사를 설립하는 것이 사업가로서의 비전이라고 포부를 밝힌 연 씨는 "개인적인 버킷리스트에는 연창학관 건립을 적어두었다ˮ고 말했다. 그는 "제 이름을 딴 연창학관은 ʻ연쇄 창업 학습관ʼ의 줄임말이기도 한데, 성공한 사업가가 된다면 KAIST 캠퍼스에 창업을 전폭적으로 지원하는 공간을 조성해 후배들이 자유롭고 안정적인 환경에서 기업가정신을 키워나갈 수 있도록 돕고 싶다ˮ고 전했다.
한편 신성철 총장은 19일 식사를 통해 ˝멋지게 성장해서 당당히 졸업을 맞이하는 여러분이 진심으로 고맙고, 자랑스럽다˝고 격려한 뒤, ˝여러분이 만들어갈 KAIST와 우리 사회의 새로운 미래가 크게 기대된다˝는 메시지를 전했다.
2021.02.19
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16일 개교 50주년 기념식 개최
우리 대학은 지난 1971년 2월 16일 서울연구개발단지(홍릉)에서 대한민국 최초의 이공계 연구중심 대학원인 ʻ한국과학원(KAIS)ʼ이란 이름으로 출범했다. 당시 KAIS의 탄생은 대한민국의 향후 50년을 바꿔 놓은 혁신의 시작을 알리는 첫 신호탄이었다.
1973년 3월 106명의 석사과정 신입생이 입학해 2년 후인 1975년 92명의 졸업생을, 이어 1975년 9월 21명의 박사과정 신입생이 입학, 3년 후인 1978년 8월 2명의 졸업생을 처음으로 배출했다. 1980년 12월 당시 한국과학기술연구소(KIST)와 통합해 교명을 지금의 KAIST(한국과학기술원)로 변경했다. 이후 1989년 6월 KIST와 분리된 KAIST는 같은 해 7월 한국과학기술대학(KIT)과의 통합을 계기로 대덕 캠퍼스로 이전해 학부와 대학원을 모두 갖춘 명실상부한 ʻ대덕 시대ʼ를 열었고 2009년 3월에는 한국정보통신대학교(ICU)와 합병하는 등 교세를 꾸준히 확장해왔다.
KAIST가 지난 반세기 동안 배출한 고급 과학기술 인력은 올 2월 현재 박사 1만4천418명을 포함해 석사 3만5천513명, 학사 1만9천457명 등 모두 총 6만9천388명에 달한다. 이들 졸업생은 우리나라 과학기술 및 산업 발전과 학생·교수창업을 견인하며 대한민국의 산업화와 ICT 혁명의 중추적인 역할을 담당해왔고 이제는 디지털경제 주역으로서 대한민국의 역사를 새로 쓰고 있다.
"KAIST가 없었다면 오늘의 대한민국도 없었을 것ˮ이라는 평가를 받을 정도로 ʻ국가대표 대학ʼ으로 반세기 만에 눈부시게 성장한 KAIST가 거둔 그동안의 성과는 대단하다. 실제 삼성전자·SK하이닉스 등 글로벌 경쟁력을 갖춘 우리나라 반도체산업 분야 박사인력의 약 25%와 국내 공과대학 교수의 20%, 그리고 박사 졸업생 가운데 1천700여 명이 중견·벤처기업에 종사하고 있는데 약 20%인 320여 명이 CEO로 재직하는 등 이들 졸업생은 국내 산·학·연 등 각계에서 지도층 인사로 활동 중이다.
KAIST는 이와 함께 1982년 아시아·태평양 지역 최초 인터넷 시스템 구축, 1990년 대한민국 최초 인공지능(AI)연구센터 설립, 1992년 인공위성 우리별 1호 발사 성공 등 우리나라 과학발전 역사 중 최초·최고라는 수식어가 붙은 다수의 훌륭한 연구성과를 거두고 있다. 1995년 386 마이크로프로세서 개발, 2002년 휴머노이드 로봇(휴보) 개발, 2008년 한국인 최초 우주비행사(이소연) 배출, 2009년 무선 충전 전기버스 개발, 2015년 세계 재난 로봇대회 우승, 2020년 사이배슬론 국제대회 착용형 로봇 분야 금·동메달 수상 실적 등 또한 KAIST가 연구를 통해 달성한 대표적인 성과로 꼽힌다.
2000년대 초까지 200위~100위 권 밖에서 맴돌던 세계대학 순위도 영국의 글로벌 대학평가기관인 QS(Quacquarelli Symonds)가 작년 2월 발표한 2020 세계대학 평가 순위에서 전년(2019년) 대비 2단계 상승한 39위를 차지했다. 이뿐만이 아니다. 같은 해 3월 QS가 전 세계 1천368개 대학을 대상으로 조사한 2020년 48개 학문 분야별 순위에서도 전기·전자공학과 재료과학 등 2개 분야가 각각 세계 17위와 19위를 차지, 20위권 이내에 포함됐고 이어 기계·항공공학 22위, 화학공학 23위, 화학 26위 순으로 국내 대학들이 이름을 올린 기술 및 공학 분야 5개 모두 국내 1위를 달성했다. 이밖에 KAIST는 톰슨 로이터로부터 3년 연속(2016~2018) 아시아에서 가장 혁신적인 대학 1위, 세계에서는 가장 혁신적인 대학 11위에 꼽히는 등 우리나라 과학기술 분야에서 KAIST가 차지하는 비중은 절대적이라 할 만큼 성장세가 가파를 뿐 아니라 이제 국내를 벗어나 세계무대를 향한 KAIST 도전은 계속되고 있다.
우리 대학은 개교 50주년을 맞아 16일 오전 10시 30분 대전 본원 대강당에서 기념식을 개최한다. 16일 열리는 기념식에서는 ʻ한국을 빛낸 50년, 인류를 빛낼 100년ʼ이라는 슬로건 아래 KAIST의 설립유공자들과 함께 과거를 반추하는 시간을 갖는다. 또한, 현재까지의 성과 보고는 물론 4명의 신진교수가 로봇·신소재·인공지능(AI)·생명공학 분야를 각각 맡아 ʻ과학기술로 변화되는 미래에 관한 상상ʼ을 온라인 참석자들과 함께 나눌 예정이다. 이 밖에 로봇 바리스타·자율주행 로봇·AI 피아노 공연 등 다채로운 부대 행사도 준비돼 있다.
KAIST의 개교 50주년을 기념해 문재인 대통령과 클라우스 슈밥(Klaus Schwab) 세계경제포럼(WEF) 회장이 영상으로 축사한다. 또 박병석 국회 의장·라파엘 라이프(L. Rafael Reif) 美 MIT大 총장·클라우스 폰 클리칭(Klaus von Klitzing) 노벨물리학상 수상자(1985) 등이 영상으로 축하 메시지를 전한다.
신성철 총장은 이날 기념식에서 "반세기 만에 일군 대한민국의 놀라운 과학기술 발전과 경이적인 경제 성장 뒤에는 KAIST가 함께해왔다ˮ 고 회고하면서 반세기 동안 이룬 성취의 기반에는 "정부와 국회의 전폭적 지원, 국민의 절대적 성원과 KAIST 구성원들의 열정과 헌신이 있었기 때문ˮ이라면서 감사 인사를 전할 예정이다. 또 "지난 반세기에 걸쳐 일궈 낸 성공의 유산에 더해 ʻ글로벌 가치 창출, 선도대학(Global Value-Creative Leading University)ʼ의 비전을 수립하고 국가와 인류의 새로운 미래를 밝히고자 두 번째 꿈을 향한 도전과 혁신을 시작하려고 한다ˮ고 말하면서 KAIST의 미래 비전을 밝힌다. 이어 그는 도전(Challenge)·창의(Creativity)·배려(Caring)의 ʻC3ʼ 정신을 바탕으로 교육·연구·기술사업화·국제화·미래전략 등 5대 분야에서 혁신을 선도하는 전략도 함께 제시한다.
신 총장은 마지막으로 향후 50년의 목표로 인류의 난제를 해결하거나 새로운 학문 분야를 개척하는 10명의 특이점 교수(Singularity Professors) 배출과 기업 가치가 10조 원을 넘는 10개의 데카콘 스타트업(Startups) 육성, 전 세계에 10개의 X-KAIST를 설립하는 ʻ10-10-10 Dreamʼ을 제시한다. 이를 통해 대한민국의 국격을 높이는 ʻ글로벌 가치 창출, 선도대학ʼ으로서 인류의 번영과 행복을 위한 과학기술 혁신의 선봉장 역할을 담당하는 KAIST의 사명(Mission)에 대해서 국민과 함께 공유할 방침이다.
같은 날 오후 2시부터는 개교 50주년을 기념하는 국제심포지엄도 함께 열린다. 이 심포지엄에는 신성철 총장과 함께 토마스 로젠바움(Thomas Rosenbaum) 미국 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 총장·조엘 메소(Joël Mesot) 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH 취리히) 총장이 기조 연사로 참여해 ʻ미래 50년 대학의 역할ʼ에 관해 서로의 의견을 교환한다. 이어지는 두 번째 분과에서는 ʻKAIST의 국제사회 기여ʼ를 주제로 덴마크·미국·아랍에미레이트·영국·이집트·케냐·파키스탄 등 7개국의 주한대사가 참석해 KAIST의 국제사회 기여 방안에 대해 논의한다.
한편, 16일 열리는 KAIST 개교 50주년 기념식은 질병관리청의 코로나 방역 지침을 엄수해 진행되며, 사전에 등록한 온라인 청중 150인과 함께하는 행사의 모든 순서는 KAIST 유튜브 채널을 통해 실시간 생중계된다. KAIST는 이밖에 개교 50주년을 맞는 올 한해 연중 다양한 이벤트를 계획하고 있다. 지난 3일에는 MIT·노스웨스턴대학·도쿄공대·KAIST 총장이 기조 연사로 참여한 ʻ세계대학 총장 정상회의ʼ와 학부생이 주도한 ʻ국제 학생 콘퍼런스ʼ를 열었다.
올해 말까지 ʻ글로벌 렉처 시리즈(Global Lecture Series)ʼ가 연중 기획 시리즈로 이어지고 4월에는 ʻ글로벌 행정 포럼ʼ 등 학술 행사가 준비돼 있으며 2월과 3월 중에는 개교 50주년을 기념하기 위한 ʻKAIST 50년사ʼ 와 ʻ미래 50년(단행본)ʼ이 발간을 앞두고 있다. 10월에는 캠퍼스 및 연구 시설을 개방하는 ʻ오픈 KAISTʼ를 대대적으로 개최하는 등 다양한 기념행사를 통해 지난 50년의 성과와 앞으로의 비전을 국민과 함께 공유한다.
2021.02.15
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인공지능 이용 면역항암 세포 3차원 분석기술 개발
우리 대학 물리학과 박용근, 생명과학과 김찬혁 교수 공동연구팀이 면역항암 세포의 활동을 정밀하게 측정하고 분석할 수 있는 새로운 3차원 인공지능 분석기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
체내에서 면역세포를 추출한 후, 외부에서 면역 능력을 강화시키고 다시 환자에게 주입해 암을 치료하는 방식을 `입양전달 면역세포 치료(adoptive immune cell therapy)'라고 부른다. 이 치료방식은 면역세포 치료법 중 가장 많은 주목을 받는 기술이다. `키메릭 항원 수용체' 또는 `CAR(Chimeric Antigen Receptor)'라고도 불리는 데 유전자 재조합기술을 이용해 T세포와 같은 면역세포를 변형해 암세포와의 반응을 유도해 사멸시키는 치료 방법이다.
특히 CAR-T세포 치료는 높은 치료 효과를 보여 차세대 암 치료제로 급부상하고 있다. 2017년 난치성 B세포 급성 림프구성 백혈병 치료제 판매 승인을 시작으로 현재 3종의 CAR-T 치료제가 판매 승인을 받았으며, 전 세계적으로 약 1,000건 이상의 임상 시험이 진행 중이다. 그러나 아직 우리나라에서는 진행 중인 임상 시험이 전무한 실정이다.
CAR-T 기술을 이용한 암 치료 방법들이 속속 개발되고 있지만, CAR-T세포에 대한 세포‧분자 생물학적 메커니즘은 아직 많은 부분이 알려지지 않았다. 특히, CAR-T세포가 표적 암세포를 인지해 결합한 후 `면역 시냅스 (immunological synapse, 이하 IS)'를 형성해 물질을 전달하고 암세포의 사멸을 유도하는데, 두 세포 간의 거리와 같은 IS의 형태 정보는 T세포 활성화 유도와 관련이 높다고 알려져 있지만 구체적인 내용을 파악하기 어렵기 때문에 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
우리 대학 물리학과 박용근, 생명과학과 김찬혁 교수 공동연구팀은 CAR-T세포의 IS를 정밀하고 체계적으로 연구할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 3D 홀로그래피 현미경 기술을 이용해, 염색이나 전처리 없이 살아있는 상태의 CAR-T세포와 표적 암세포 간의 상호작용을 고속으로 측정하고 기존에는 관찰하기 어려운 CAR-T와 암세포 간의 IS를 고해상도로 실시간 측정했다. 또한 이렇게 측정한 3D 세포 영상을 인공지능 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용해 분석하고, 3차원 공간에서 정확하게 IS 정보를 정량적으로 추출할 수 있는 기술을 자체 개발했다.
공동연구팀은 또 이 기술을 활용해 빠른 CAR-T 면역 관문 형성 메커니즘을 추적할 수 있었을 뿐만 아니라, IS의 형태학적 특성이 CAR-T의 항암 효능과 연관이 있음을 확인했다. 연구팀은 3차원 IS 정보가 새로운 표적 항암 치료제의 초기 연구에 필요한 정량적 지표를 제공할 것이라고 기대하고 있다.
이번 연구에는 우리 대학 기술을 바탕으로 창업한 2개 기업이 공동으로 참여했다. 3차원 홀로그래픽 현미경을 상업화한 토모큐브 社의 현미경 장비를 이용해 면역세포를 측정하는 한편 토모큐브 社의 인공지능 연구팀이 알고리즘 개발에 참여했다. 이밖에 국내 최초 CAR-T 기반 치료제 기업인 ㈜큐로셀도 연구에 함께 참여해 이 같은 성과를 거두는 데 성공했다.
물리학과 이무성 박사과정 학생, 생명과학과 이영호 박사, 물리학과 송진엽 학부생 (現 메사추세츠 공과대학(MIT) 물리학과 박사과정)이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제적으로 권위를 인정받는 생물학술지인 `이라이프(eLife)' 12월 17일 字 온라인판을 통해 공개됐으며 지난 21일 字에 공식 게재됐다.
(논문명 : Deep-learning based three-dimensional label-free tracking and analysis of immunological synapses of CAR-T cells)
한편 이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업, 바이오·의료기술개발사업, 중견연구자지원사업, KAIST Up program의 지원을 받아 수행됐다.
2021.01.29
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수소 가스 민감성 광투과도 변화 필름을 활용한 무전원 가스센서 기술 개발
우리 대학 기계공학과 박인규 교수 연구팀과 전기및전자공학부 윤준보 교수, POSTECH 노준석 교수 공동 연구팀이 외부 전력 공급 없이도 장기간 안정적으로 동작할 수 있는 무전원 수소 감지 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
연구팀은 유연한 폴리머 나노 창살(nanograting)의 한쪽 측벽에 팔라듐(Pd)을 비대칭적으로 코팅하면, 팔라듐(Pd)이 수소 분자를 흡수함에 따라 부피가 팽창하면서 폴리머 나노 창살이 기계적으로 굽혀 일종의 ‘커튼’과 같이 광투과도 변화를 일으킨다는 것을 발견했다. 이러한 현상을 활용하여 태양전지 표면에 감지막을 부착하면 수소 가스에 노출되었을 때 태양전지에 도달하는 빛을 가리고, 이는 태양전지 출력 변화로 이어져 외부의 전력 공급 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 포착하게 된다.
수소 가스는 석유화학, 반도체, 제약 등 다양한 산업에서 널리 활용되고 있으며 차세대 친환경 에너지원으로도 주목받고 있지만, 누출 발생 시 폭발의 위험이 큰 만큼 안전한 사용을 위해 지속적인 모니터링이 필수적이다. 그러나 기존의 수소 감지 장치들은 지속적인 전원 공급이 필요해 다양한 무선환경에서 장시간 사용하는데 큰 제약이 있었다. 연구팀에서 개발한 무전원 수소 감지 센서는 외부 전원 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 예측할 수 있어 수소를 활용하는 다양한 무선 원격 환경에서 널리 활용될 것으로 기대된다.
연구팀은 센서의 성능을 극대화하기 위해 수치 시뮬레이션을 통해 팔라듐 코팅 조건(입사각)을 최적화해 0.1%의 저농도 수소 가스에 대해서도 높은 센서 민감도를 달성할 수 있었고, 또한 반복적인 수소 가스 노출 및 습도 변화에도 안정적인 신호를 유지하는 것을 검증했다.
특히 연구팀은 개발한 무전원 수소 센서를 모바일 장치에 탑재해 감지된 수소 농도를 스마트폰에서 원격으로 확인할 수 있는 시제품을 함께 선보여 실제 무선환경에서의 활용성을 높였다. 본 시제품은 수소 감지에 활용되는 태양전지뿐만 아니라 주변 광 세기 변화를 보상하기 위한 추가적인 태양전지를 탑재해 실시간 보상이 이뤄지며, 블루투스를 통해 스마트폰으로 신호를 전송한다. 스마트폰 앱에서는 수소 가스의 폭발 하한 농도인 4%를 초과했을 때 알람을 울려 사용자에게 알려준다.
박인규 교수는 “이번 연구는 첨단 나노기술을 통해 수소 가스를 정밀하게 감지할 수 있는 새로운 감지 메커니즘을 규명했을 뿐만 아니라 개발된 시제품은 센서 전원 공급이 원활하지 않은 원격지에서의 활용성을 크게 높여, 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 수소의 안전한 사용에 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.
한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 진행된 이 연구의 성과는 국제학술지 ‘ACS Nano’2020년 12월자에 게재됐다. (논문명: Chemo-Mechanically Operating Palladium-Polymer Nanograting Film for a Self-Powered H2 Gas Sensor)
2021.01.18
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반도체 다층 소자의 개별 층 두께를 옹스트롬 정확도로 비파괴 검사하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 삼차원 낸드플래시 메모리(이하 3D-NAND)의 비파괴적인 검사를 위해 광학 측정법과 머신러닝을 사용한 다층 두께 측정기술을 개발했다. 이 기술은 200층 이상의 초고밀도 3D-NAND 소자 공정 과정에서 전수검사 방법으로 사용돼 공정의 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.
3D-NAND 메모리는 수백층의 메모리 셀이 적층되어 있는 메모리 반도체로, 기존의 평면형 플래시 메모리와 비교하여 저장용량과 에너지 효율이 매우 우수하여 개인용 USB부터 서버 시스템까지 다양하게 사용되고 있다.
기존에는 수직으로 적층된 반도체 셀들의 두께를 측정하기 위하여 전자현미경을 사용하였다. 하지만 전자현미경을 사용한 방법은 샘플의 단면을 이미징하기 위하여 샘플을 절단해야 하고 비용도 많이 들기 때문에, 전수검사로서는 적합하지 않은 문제가 있었다.
연구팀은 반도체 다층 구조가 초고속 광학 시스템에 자주 사용되는 유전체 거울의 구조와 유사하다는 점에 착안하여, 유전체 거울의 분석에 활용되는 광학 스펙트럼 측정법을 반도체 다층 구조에도 적용했다.
연구팀은 엘립소미터(ellipsometer)와 스펙트로포토미터(spectrophotometer)를 이용한 반도체 다층 샘플의 스펙트럼 측정과 머신러닝 알고리즘을 활용하여 200층이 넘는 반도체 물질의 각 층 두께를 1.6 옹스트롬 (1Å = 1미터의 100억 분의 1)의 평균제곱근오차로 예측할 수 있는 방법을 개발했다. 이 기술은 삼차원 반도체 소자의 검수 공정, 적층 공정, 그리고 식각 공정의 정확도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 또한 시뮬레이션 스펙트럼 데이터를 생성해 개별 층의 두께 불량을 검출할 수 있는 머신러닝 학습법도 개발했다. 그 결과 반도체 물질 적층 시 목표로 설정한 두께보다 약 50Å만큼 얇게 제작된 샘플들을 정상 범주의 샘플들로부터 성공적으로 분리할 수 있었다. 연구팀이 개발한 불량샘플 검출법은 시뮬레이션 데이터를 활용하기 때문에 큰 비용이 들지 않으며, 공정의 초기에 발견될 수 있는 불량 샘플들을 효과적으로 검출할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 글로벌 IT 기업들의 서버 시스템에 대한 수요가 늘어나고 높은 저장용량을 가진 스마트 기기들이 개발됨에 따라, 초고밀도, 초고효율을 갖는 3D-NAND 메모리가 반도체 시장에서 각광받고 있다. 이번 연구 결과는 다양한 삼차원 반도체 소자들의 비파괴적인 검수를 위해 활용될 수 있다.
김 교수는 “비파괴적인 광학 측정법과 머신러닝을 결합한 방법은 다양한 반도체 검수 공정에도 적용할 수 있다”고 밝히며, “다양한 반도체 소자들의 형상이나 공정 조건 모니터링에도 광학측정법과 머신러닝을 결합한 접근방식을 활용할 것”이라고 말했다.
기계공학과 곽현수 박사과정 학생이 제1저자로 참여하고 삼성전자 메모리 계측기술팀과의 산학협력연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘라이트: 어드밴스드 매뉴팩처링(Light: Advanced Manufacturing)’ 창간호에 1월 12일 게재됐다. (논문명: Non-destructive thickness characterisation of 3D multilayer semiconductor devices using optical spectral measurements and machine learning)
이번 연구는 삼성전자 산학연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
2021.01.13
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핫전자(뜨거운 전자) 이용, 온실가스 저감원리 규명
우리 연구진이 금속-산화물 계면에서의 촉매 화학 반응 과정에 대한 메커니즘을 직접 밝히고, *핫전자(뜨거운 전자)가 촉매 선택도를 향상시키는 데 결정적인 요소임을 실시간 핫전자 검출을 통해 입증했다.
☞ 핫전자(Hot electron): 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수와 같은 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때, 화학 에너지의 순간적인 전환과정에서 에너지가 올라간(물질의 자유전자보다 약 100배 높은) 상태의 전자를 말한다. 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용되는 매개체로도 사용된다.
우리 대학 화학과 박정영 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장), 신소재공학과 정연식 교수, 생명화학공학과 정유성 교수 공동연구팀이 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기틀을 마련했다고 8일 밝혔다.
현재 에너지 사용량 절감과 친환경 화학 공정 개발이라는 글로벌 도전 과제를 해결하기 위해 새로운 고효율 촉매 소재 개발은 필수적이다. 친환경 화학을 위한 불균일 촉매의 궁극적인 목표는 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 가진 재료를 설계하는 것이다.
많은 화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화는 에너지 변환 및 화학 합성에서 중요한 변환 과정이며, 특히 메탄올의 부분 산화를 통해 생성되는 메틸 포르메이트는 포름알데히드 및 포름산과 같은 귀중한 화학 물질의 화학연료로 사용되는 고부가 가치 생성물이다. 따라서 지구온난화 문제의 핵심인 이산화탄소의 저감과 고부가 가치 화학연료 생성의 향상을 위해서는 열역학적인 장벽을 뛰어넘어 높은 선택도를 가지는 우수한 성능의 촉매 개발이 필요하다.
공동연구팀은 이를 해결하는 방안으로, 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합시켜 `금속 나노선-산화물 계면'이 정밀하게 제어되는 신개념의 촉매를 개발했고, 더 나아가 금속 나노선-산화물 계면 기반의 `핫전자 촉매소자'를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다. 연구진은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소의 생성이 현저히 감소하는 점을 관찰했으며, 이 높은 선택도는 촉매 표면에 형성된 계면에서의 증폭된 핫전자의 생성과 연관이 있음을 규명했다.
또한 연구진은 계면에서의 증가된 촉매 성능을 실험뿐 아니라 이론적으로도 입증했다. 연구진은 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 증명했다.
연구를 주도한 화학과 박정영 교수는 "핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다ˮ며 "촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념은 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 이용될 수 있고 지구온난화의 주원인인 온실가스의 저감 등의 응용성을 가질 거라고 예상된다ˮ고 말했다.
나노선과 산화물의 접합 연구를 주도한 신소재공학과 정연식 교수는 "기존의 촉매 소자 시스템에서는 기술적으로 어려웠던 금속-산화물 계면에서의 핫전자 검출을 아주 정밀한 나노선 프린팅 기술로 인해 가능하게 만든 연구며, 이 기술은 향후 다양한 차세대 하이브리드 촉매 개발에 활용할 수 있으리라 기대된다ˮ고 말했다.
이론적인 계산으로 계면과 촉매 선택도 간 관계 입증을 주도한 생명화학공학과 정유성 교수 역시 "촉매 화학 반응에서의 선택도를 높이기 위해 금속-산화물 계면이 중요한 역할을 할 수 있음을 실험적 관찰과 이론적인 양자 계산을 통해 증명한 연구로, 불균일 촉매를 이용한 화학 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 언급했다.
우리 대학 화학과 이시우 박사가 제1 저자로 참여하고 기초과학연구원(IBS) 및 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 종합 과학분야의 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 4일 字 게재됐다. (논문명 : Controlling hot electron flux and catalytic selectivity with nanoscale metal-oxide interfaces)
2021.01.11
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한국차세대과학기술한림원 회원에 우리 대학 교원 9명 선출
우리나라 과학계를 이끌 우리 대학 교원 9명이 내년도 한국차세대과학기술한림원(Y-KAST) 회원으로 선출됐다.
한국과학기술한림원은 과학기술 연구분야에서 탁월한 연구성과를 발표하며 두각을 나타내는 연구자 34인을 내년 Y-KAST 회원으로 선출했다고 이달 9일 밝혔다. Y-KAST는 만 45세 이하 젊은 과학자들이 정책 활동과 해외학술 교류사업을 펼치는 학술단체로 2017년 출범했다.
Y-KAST 회원은 43세 이하 국내 거주 중인 과학자 중 학문적 성과가 뛰어난 연구자를 선발한다. 박사학위 후 국내에서 독립 연구자로 이룬 성과를 평가해 한국 과학기술 발전에 기여할 가능성이 큰 차세대 과학기술리더를 선출한다. 정원은 150명으로 정책 분야 8명, 이학 45명, 공학 45명, 농수산 22명, 의약학부 30명으로 구성된다.
올해 선출된 신입 회원에는 우리 대학 교수 9인 외에도 메타물질 관련 연구로 차세대 메타홀로그램 등 미래 디스플레이를 선보인 노준석 포스텍 기계공학과 교수, ‘젤리형 터치패널’ ‘전기장 거미줄’ 등 하이드로젤 공학적 응용가능성을 높인 연구로 주목받은 선정윤 서울대 재료공학과 교수 등이 선정됐다. 올해 선출된 회원의 평균나이는 39.6세다.
리튬산소전지 등 차세대 전지 개발을 위한 기초연구를 수행하는 변혜령 KAIST 화학과 교수, 인체부착센서 구현에 필요한 나노전자소자 분야에서 두각을 나타낸 이현정 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원 등 여성과학자 4인도 영입됐다.
선출된 차세대회원의 임기는 내년 1월부터 3년이다. 차세대회원은 심사를 통해 45세까지 연임 가능하다.
한민구 한림원 원장은 “인류 사회가 직면한 문제를 해결하기 위해선 젊은 과학자들의 혁신적이고 창의적인 사고가 필수요소”라며 “한림원은 기성세대 과학자들을 대표하여 젊은 과학자들이 책임 있는 연구자로 성장할 수 있는 환경을 구축하기 위해 노력하겠다”고 말했다.
2020.12.11
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퀄컴-KAIST 이노베이션 어워드 2020, 소프트웨어 개발 해커톤 개최
11월 27일 우리 대학에서 ‘퀄컴-KAIST 이노베이션 어워드 2020’의 일환으로 개최된 소프트웨어 개발 해커톤이 진행됐다.
우리 대학 학부생을 대상으로 진행된 이번 소프트웨어 개발 해커톤은 혁신을 목표로 도전하는 창의적인 이공계 인재들을 위해 연구 장학금을 제공하는 프로그램이다. 퀄컴 관계자는 “와이어리스(wireless), 멀티미디어, 로보틱스, 인공 지능(AI) 등의 분야에서 학생들이 독립성과 창의력을 발휘해 뛰어난 성과를 낼 수 있도록 독려하는 것을 목표로 이번 행사를 개최했다”고 밝혔다.
참가자들은 멀티모달 기반의 영상, 음성, 텍스트 데이터셋을 통한 감정인식 모델 개발을 주제로 경쟁을 펼쳤다. 전문가들로 구성된 선발 위원들은 참가자들이 평가 시스템에 제출한 코드를 시험 성능 평가를 거쳐 실행 과정, 창의성, 최종 발표 등을 종합적으로 고려해 수상자를 선정했다.
▴형준하(전산학부)▴로버트 김·Nauryzbay Koishekenov(전기및전자공학부), Anuar Talipov(전산학부), Duman Kuandyk(산업및 시스템공학과)▴신성우(전산학부)▴조성웅(전산학부)▴이현지 (전기및전자공학부) 등 최종 5팀이 선정돼 행사에 참석한 황규웅 퀄컴 AI 리서치 전무가 연구 지원금을 증정했다.
권오형 퀄컴코리아 사장은 “퀄컴은 IT 분야 발전과 성장의 바탕은 역량을 갖춘 인재라고 생각한다“며 “특히 감정 인식 기술이 인간과 컴퓨터의 상호작용을 발전시키기 위한 핵심 기술로 거듭나고 있는 가운데, 이를 주제로 의견을 교류할 수 있는 기회를 마련해 학생들이 더 큰 도약을 향해 나아갈 수 있도록 지원하게 되어 기쁘다”라고 소감을 전했다. 향후, 퀄컴은 우수한 인재들이 연구 성과와 새로운 아이디어들을 퀄컴 테크놀로지 R&D 연구진들과 공유할 수 있는 지식 교류의 장을 제공할 예정이다.
2020.12.01
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저온 엑솔루션 현상을 통한 나노촉매-금속산화물 기반 황화수소 가스 센서 개발
삼성미래기술육성사업이 지원하고 우리 대학이 POSTECH, GIST 등 국내 과학기술특성화대학 공동 연구진과 협업해 온 *엑솔루션 연구가 결실을 맺었다.
☞ 엑솔루션(Ex-solution): 금속 및 금속산화물 고용체를 가열해 성분을 분리하고, 이를 통해 실시간으로 금속 나노 입자 촉매를 금속산화물 표면에 균일하면서도 강하게 결착시키는 기법이다. 특별한 공정 과정 없이 열처리만을 활용하기에 친환경적인 미래 기술로 주목받고 있다.
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수·정우철 교수 연구팀이 POSTECH 한정우 교수팀과 GIST 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 단 한 번의 열처리로 금속산화물 감지 소재 표면에 나노촉매를 자발적으로 형성시켜 황화수소 기체만 선택적으로 감지하는 고 안정성 센서를 개발했다고 24일 밝혔다.
나노입자 촉매를 금속산화물에 형성하기 위한 기존 방식들은 진공을 요구하거나 여러 단계의 공정이 필요하기 때문에 시간과 비용이 많이 들뿐더러 촉매가 쉽게 손실되고 열에 불안정하다는 문제가 발생한다.
공동 연구진은 문제해결을 위해 낮은 공정 온도에서도 열적 안정성을 유지하면서 나노입자 촉매들을 금속산화물 지지체에 균일하게 결착시키기 위해 금속산화물의 실시간 상변화를 활용한 저온 엑솔루션 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술은 열처리만으로 금속이 도핑된 금속산화물에다양한 상변화를 일으켜, 손쉽게 나노입자 촉매들을 금속산화물 표면에 형성시키는 새로운 기술이다.
공동 연구진은 저온 엑솔루션 기술을 기반으로 합성된 재료를 활용해 악취의 근원이 되는 황화수소 기체만 선택적으로 감지할 수 있으면서 기존 가스 센서보다 훨씬 안정성이 향상된 가스 센서를 개발하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 저온 엑솔루션 기술은 우리 생활에서 쉽게 접할 수 있는 구취 진단기에 응용이 가능할 뿐만 아니라 산화 촉매, *개질 반응 등 다양한 나노입자 촉매가 활용되는 물리화학 촉매 개발에 쉽게 활용할 수 있다.
☞ 개질(Reforming): 열이나 촉매의 작용으로 탄화수소의 구조를 변화시켜 가술린의 품질을 높이는 조작을 말한다.
이번 연구를 주도한 김일두 교수는 "새로 개발한 저온 엑솔루션 공정은 고성능·고 안정성 나노촉매 합성을 위한 핵심적 기술로 자리를 잡을 것ˮ이라면서 "연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 활용하면, 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다ˮ 고 말했다.
이번 연구는 KAIST 김일두·정우철 교수와 POSTECH 한정우 교수, GIST 김봉중 교수 외에 KAIST 신소재공학과 장지수 박사와 김준규 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야의 권위 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 10월 온라인판에 실렸고 연구의 우수성을 인정받아 같은 저널 11월호 속표지 논문으로 선정됐다. 또한, 관련 기술은 국내·외에 특허 출원을 신청할 예정이다.
2020.11.24
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차세대 발광 물질 카본닷의 발광 특성 변화 메커니즘을 규명
우리 대학 생명화학공학과 김도현 교수 연구팀이 차세대 발광 물질인 이중 발광 *카본닷의 농도 의존성 발광 특성 변화 메커니즘을 규명했다고 5일 밝혔다.
☞ 카본닷(carbon-dot): 탄소 기반의 발광 물질로 풍부한 원료와 낮은 독성 및 환경친화적인 장점 때문에 기존에 상용화돼 있는 유기 발광체, 양자점(퀀텀닷)을 대체할 수 있는 차세대 발광 물질로 부상하고 있음.
김도현 교수 연구팀은 청색 및 적색을 이중 발광하는 카본닷을 합성한 후 농도에 따른 발광 특성 변화를 관찰해 카본닷 발광 소스 간 상호작용에 따른 현상을 분석했다. 김도현 교수팀의 연구 결과는 카본닷의 발광 특성 제어는 물론 이론적 이해를 가능케 함으로써 이중 발광 카본닷의 복잡한 발광 특성 해석에 새로운 근거를 제시한 것으로 평가받고 있다.
우리 대학 유효정 박사과정, 곽병은 석박사통합과정이 각각 제1, 제2 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 케미스트리 케미컬 피직스(Physical Chemistry Chemical Physics, PCCP)' 9월 22권 36호 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Interparticle distance as a key factor for controlling the dual-emission properties of carbon dots)
카본닷은 다양한 발광 준위 에너지를 동시에 갖기 때문에 다색발광이 가능하며 농도 변화에 따른 발광 특성 변화를 보인다. 이 같은 특성은 기존 발광 물질인 유기 발광체, 양자점과는 구별되는 카본닷만이 지닌 독자적이고 유용한 특성이다.
최근 들어 다양한 분야에 카본닷의 발광 특성을 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 백색광 및 광학 센서 분야에서 다색발광은 하나의 형광체만으로도 장치 구현이 가능하고 레퍼런스 신호를 제공해 센서의 정확도를 높일 수 있다는 장점 때문에 카본닷 다색발광의 구현과 제어가 중요한 연구과제로 떠오르고 있다.
카본닷은 다색발광과 농도 변화에 따라 다양한 발광 특성을 보이지만 매우 드물게 만들어진다는 게 약점이다. 또 복수 발광 소스 사이의 복잡한 상호작용으로 인해 카본닷의 다색발광과 농도 변화에 따른 다양한 발광 메커니즘을 규명한 연구가 거의 이뤄지지 않고 있다.
연구팀은 이런 문제해결을 위해 청색·적색 이중 발광 카본닷을 합성해 카본닷의 입자 간 거리가 카본닷 발광 특성 변화에 중요한 역할을 한다는 점을 밝히는 연구를 진행했다.
기존의 농도 변화에 따른 카본닷의 발광 특성 변화를 용매 의존 발색 현상에 빗대 수소 결합 영향에 의한 현상으로 해석한 사례가 있지만, 김 교수 연구팀은 카본닷 발광 현상의 농도 의존성이 수소 결합과는 상관없이 입자 간 거리에 의해 제어되는 현상일 수 있다는 가능성에 주목했다.
연구팀이 농도 변화에 따른 카본닷의 이중 발광 특성의 변화를 관찰한 결과, 임계 농도에서 적색 발광에 가장 적합한 입자 간 거리를 형성하고, 이 농도를 전후로 청색 발광이 강해지면서 카본닷의 농도별 이중 발광 특성이 변화하는 현상을 확인했다.
연구팀은 이를 기반으로 분광 분석을 통해 이중 발광의 청색 및 적색의 두 발광 소스를 각각 표면 작용기와 코어의 결합구조로 구분해 농도 변화에 따라 각 발광 소스의 이중 발광에 대한 기여도가 변화한다는 구체적인 설명을 제시했다. 연구팀은 특히 고농도 영역에서 두 발광 소스의 상호작용에 대한 메커니즘 제시를 통해 입자 간 거리 변화 때문에 이중 발광 특성이 제어된다는 결과를 얻었다.
연구팀이 합성한 이중 발광 카본닷은 단일 형광체로서 청색과 적색 발광을 동시 구현할 수 있고 특성 제어가 가능함에 따라 혼합색 구현은 물론 색 변화에 의한 센싱에 사용할 수 있다.
연구팀은 또 이중 발광 카본닷의 농도 조절을 통해 순수한 백색에 근접한 백색 LED 구현에도 성공하는 한편 색 변화에 의한 pH 센싱에 활용해 pH에 따른 청색·적색의 상대적 발광 세기 변화를 통해 pH 추정이 가능함을 보였다. 기존에 제시됐던 카본닷이 고도화된 기능성을 가진 발광체로써 사용될 수 있다는 가능성을 이번 연구를 통해 다시 한 번 입증한 것이다.
제1 저자인 유효정 박사과정 학생은 "카본닷 입자 간 거리에 따라 발광 소스의 상호작용이 일어나 농도에 따른 발광 특성에 변화가 일어난다는 해석은 기존 연구에서 간과됐던 부분ˮ이라면서 "이중 발광 현상에 대한 분석과 함께 이 연구 결과가 카본닷 발광 현상 규명에 있어 새로운 관점을 제시한 것ˮ이라고 의미를 부여했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.11.05
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