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헤라클레스 인공근육, 2023년 10대 기술 선정
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 2022년 개발한 헤라클레스 인공근육 기술이 세계 최대 화학/소재분야 학술기관인 국제화학연합(IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 ‘2023년 10대 유망기술’로 선정되었다고 5일 밝혔다. (그림 1)
IUPAC은 전 세계 화학/소재 관련 연구자들의 국제적인 협력과 정보교환을 위해 1919년에 설립된 세계 최대 조직기구로서, 2019년부터 매년 인류가 직면하고 있는 다원적 위기에 대한 해결책을 제시하는 10대 유망기술을 선정해 오고 있다. 인공 근육 기술이 이번에 10대 유망기술로 선정된 것은 사회의 지속가능성을 위한 과학기술적 중요성을 인정받은 것이다.
헤라클레스 인공 근육은 국내에서도 그 중요성을 인정받아 과학기술정보통신부와 나노기술연구협의회가 수여하는 2023년 10대 나노기술에도 선정됐다. (기술명: 그래핀 나노 복합소재를 통해 인간 근육보다 17배 강한 헤라클레스 인공근육 개발 기술, 그림 4) 또한 과학기술정보통신부의 2023년 기계·소재 부문 국가연구개발 우수성과 100선에도 선정된 바 있다. (기술명: 그래핀-액정탄성체 복합소재 개발로 인간 근육보다 17배 강한 헤라클레스 인공 근육 세계 최초 구현)
인공 근육에 대한 개념은 17세기 영국 과학자 로버트 훅(Robert Hooke)의 실험에서 최초로 시작됐으나 현실적으로 의미 있는 높은 수축률과 기계적 강도의 실현이 쉽지 않아 그 실용적인 가능성은 최근 30년 전에야 제시되기 시작했다. 또한 합성소재인 인공 근육을 생명체의 생체조직과 어떻게 서로 조화시킬 것인가에 대한 문제 역시 풀리지 않는 난제로 남아있었다.
김상욱 교수 연구팀은 인간 근육을 모방한 구조를 가지면서도 높은 기계적 물성과 구동 성능을 가지는 인공 근육 기술을 개발하는 데 성공했다. 그래핀 소재와 액정섬유를 결합한 복합소재를 통해 가역적인 근육운동이 가능하면서도 근육운동의 다양한 물성값들이 인간 근육을 크게 능가하는 인공 근육을 세계 최초로 개발한 것이다. 이 섬유 형태의 인공 근육은 인간의 근육과 매우 유사한 거동을 해 노약자/장애인을 위한 웨어러블 신체 보조장치나 우주, 심해, 재난환경 등 극한 환경에서도 운동능력을 유지할 수 있는 생체 모방로봇 등에 응용이 가능하다. (그림 2) 이 연구 결과는 세계적인 과학기술 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF: 40.5)’에 표지 논문으로 발표된 바 있다. (그림 3)
연구를 주도한 김상욱 교수는 “우리 인공근육 기술이 전 세계의 과학자들이 주목하는 IUPAC 10대 유망기술 및 국내 10대 나노 기술로 선정된 것은 인공 근육 기술의 중요성과 그 의미를 대외적으로 인정받은 것”이라며 “4차 산업 혁명과 같이 향후 미래 사회에 대두될 과학기술 분야에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다”라고 말했다.
한편, 2023년 IUPAC 10대 유망기술에는 김 교수팀의 인공 근육 기술 외에 생물학적 재활용 PET 플라스틱, 바닷물 CO2 제거, 고분자 분해 반응, 화학을 위한 GPT 모델, 광촉매 수소, 웨어러블 센서, 저당도 백신, 박테리아 치료제, 합성 전기화학 등이 선정됐다.
2024.01.05
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강한 빛에서 0.02초 내에 새로운 촉매를 합성하다
대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 0.02초 이내에 연료전지 등 차세대 에너지 저장 및 발전에 광범위하게 적용되는 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현했다.
우리 대학 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀과 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 공동연구를 통해 강한 빛을 다양한 탄소 기반 소재에 조사해, 0.02초 이내에 나노입자 촉매와 단일원자(single atom) 촉매를 진공 시설이 없는 대기 조건에서 합성하고 우수한 촉매 성능을 구현하는데 성공했다고 6일 밝혔다.
연구팀은 2022년 4월 제논 램프 빛을 조사해 금속산화물의 상(phase) 변화와 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 최초로 밝혔고 그 후속으로 소재의 광열효과를 유도하는 합성법에 대한 연구를 진행했다. 이에 초고온(1,800~3,000oC)과 빠른 승/하온 속도(105 oC/초)를 통해 기존의 합성법으로는 구현할 수 없는 촉매 입자를 합성하는 데 성공했다.
이번 기술은 대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 매우 빠른 시간(0.02초 이내)에 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현한 기술이다. 광열효과가 뛰어난 소재(탄소 나노섬유, 그래핀 산화물, 맥신(Mxene))에 다종 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 가하게 되면 초고온 및 매우 빠른 승/하온 속도를 기반으로 최대 9성분계의 합금 촉매를 합성할 수 있음을 밝혔다. 합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 광범위하게 적용되며, 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는데 유리하다.
연구팀은 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법에도 성공했다. 그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합하여 빛을 조사하게 되면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀을 합성할 수 있음을 최초로 밝혔다. 백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 결착되어 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다.
최성율 교수와 김일두 교수는 "강한 빛을 소재에 짧게(0.02초 이내) 조사하는 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것으로 기대된다ˮ고 밝혔다. 특히, "매우 빠른 승/하온 속도를 기반으로 기존에 합성하기 어려웠던 고엔트로피 다성분계 촉매 입자를 대기 중 조건에서 균일하게 합성해 고성능 물 분해 촉매로 응용했다는 점에서 매우 의미있는 연구 결과이며, 응용 분야에 따라 촉매 원소의 크기와 조성을 자유롭게 조절해 제작할 수 있는 신개념 광 기반 복합 촉매 소재 합성 플랫폼을 구축했다ˮ고 밝혔다.
고엔트로피 촉매 제조 관련 연구는 공동 제1 저자인 차준회 박사(KAIST 전기및전자공학부, 現 SK하이닉스 미래기술연구원), 조수호 박사(KAIST 신소재, 現 나노펩 선임연구원), 김동하 박사(KAIST 신소재, 현 MIT 박사후 연구원, 한양대학교 ERICA 재료화학공학과 교수 임용)의 주도하에 진행됐으며, 최성율 교수(KAIST 전기및전자공학부), 김일두 교수(KAIST 신소재), 정지원 교수(KAIST 신소재, 現 울산대학교 신소재 교수)가 교신저자로 참여했다.
단일원자 촉매 제조 관련 연구는 공동 제1 저자인 김동하 박사와 차준회 박사의 주도하에 진행됐으며, 김일두 교수, 최성율 교수가 교신저자로 참여했다.
이번 연구 결과는 나노 분야의 권위적인 학술지인 `어드밴스드 매트리얼즈(Advanced Materials)' 11월호에 속표지 논문으로 선정되었으며, `에이씨에스 나노(ACS Nano)' 12월호에 속표지 논문으로 출간 예정이다.
한편 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부 사업, 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업의 지원, 과학기술정보통신부 반도체-이차전지 인터페이싱(InterFacing) 플랫폼 기술개발사업을 받아 수행됐다.
2023.12.06
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김일두 교수, ACS Nano 저널 수석 편집장 선임
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수가 나노과학 분야 권위 학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’지 수석편집장(Executive Editor)으로 7월 1일 자로 선임됐다고 밝혔다. 임기는 2033년까지다.
김 교수는 수석편집장 임무를 통해 편집위원장(Editor-in-Chief)과 함께 투고된 논문의 50% 정도를 즉시 거절(Reject)하는 중요한 역할을 맡는다. 또한 심사(Review)를 받을 가치가 있다고 판단한 논문을 부편집장(Associate Editor)들에게 배정하는 역할을 수행한다. 2022년 한국과학기술한림원 공학부 정회원으로 선정된 김 교수는 지금까지 65편의 저널 표지 논문을 포함해 391편의 SCI 논문 발표와 249편에 달하는 특허 출원, 12건의 기술이전을 포함해 탁월한 연구 성과를 낸 업적을 인정받았다.
김 교수는 2019년 1월부터 지난 4년 반 동안 ACS Nano 저널의 부편집장으로 봉사했으며 2022년 KAIST 연구대상, 2021년 KAIST 국제협력대상, 2018년 송곡과학기술상을 수상한 바 있다.
김 교수는 “2022년 임팩트팩터(Impact Factor) 18.027, 2021년도 224,439 회에 달하는 인용횟수를 갖는 세계적인 권위 학술지 ACS Nano의 수석편집장으로 선임돼 영광이다”라며 “센서 및 에너지 분야에 투고된 논문들에 대한 수석편집장 활동을 통해 우리 대학의 위상을 높이고, KAIST 구성원들 뿐만아니라 대한민국 나노과학 분야에 종사하는 연구자 분들의 국제화 교류 기회를 더욱 증진시키는데 기여하겠다”라고 말했다.
한편, 김 교수는 신기술 상용화에도 앞장서고 있다. KAIST 실험실에서 개발된 센서 기술의 실용화를 위해 교원창업기업인 ㈜아이디케이랩을 설립해, 포스코기술투자 (재무적투자자)와 전략적 투자자로 ㈜한양이엔지, ㈜원익, ㈜가스트론 3개 기업으로부터 투자금을 유치하여 시리즈 A 투자를 최근 마쳤다. 반도체·디스플레이 공장의 유해 공정가스 누출을 검출하는 나노섬유 기반 색변화 센서와 호흡 가스를 분석해 질병을 조기 진단하는 헬스케어 센서 기술의 상용화 개발을 통해 센서 산업의 국산화에 크게 공헌하고 있다.
2023.07.01
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맥신 나노기술로 세탁가능한 투명 플렉시블 OLED 개발
자동차 디스플레이, 바이오 헬스케어, 군사 및 패션 등 다양한 분야에서 많은 각광을 받고 있는 투명 플렉시블 디스플레이는 약간의 변형에도 쉽게 깨지는 성질을 가지고 있다. 이를 해결하고자 탄소 나노튜브, 그래핀, 은나노와이어, 전도성 고분자 등 많은 투명 플렉시블 전도성 소재에 관한 연구가 이뤄지고 있다.
우리 대학 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 나노종합기술원 이용희 박사팀과의 공동 연구를 통해 맥신 나노기술을 활용하여 물에 노출돼도 뒷배경을 보이며 빛을 발광하는 방수성 투명 플렉시블(유연) OLED 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.
2차원 맥신(MXene) 소재는 높은 전기 전도도와 투과도를 보이고 용액공정을 통한 대규모 생산성 등의 매력적인 특성을 가진 전도성 소재임에도 불구하고 대기 중 수분이나 물에 의해 전기적 특성이 쉽게 열화되기 때문에 고수명의 전자장치로 활용되는데 한계가 있었고, 이로 인해 정보 표시가 가능한 매트릭스 형태로의 시스템화 단계까지 이루어지지 못한 상황이었다.
최경철 교수 연구팀은 수분이나 산소에 의해 산화되는 것을 방지하는 인캡슐레이션(encapsulation) 전략을 통해 환경적으로 견고한 고수명의 맥신 기반 OLED를 개발했다. 연구팀은 수분에 의한 맥신의 전기적 특성 열화 메커니즘을 분석하는 데 주목했고, 다음으로 인캡슐레이션 박막을 설계하는 데 주목했다. 연구팀은 수분을 차단하고 잔류응력 상쇄 기술을 도입하여 유연성을 주게 되어 최종적으로는 이중층 구조로 인캡슐레이션 박막을 설계했다. 더불어, 물속에서도 열화없이 세탁이 가능하도록 최상부에 수십 마이크로(μm) 두께의 얇은 플라스틱 필름을 부착하였다.
해당 연구를 통해, 연구팀은 햇빛 비추는 실외디스플레이 조건인 실외에서도 사람의 눈으로 밝기 인식이 가능한 정도로 1,000 cd/m2 이상의 휘도(밝기)를 내는 적색(R)/녹색(G)/청색(B)의 맥신 기반 OLED를 개발했다. 적색 맥신 기반 OLED의 경우, 2,000시간의 대기보관수명(70% 휘도유지), 1,500시간의 대기 구동수명(60% 휘도유지), 1.5mm 수준의 낮은 곡률 반경에서 1,000회 이상을 견디는 유연성을 확보할 수 있었다. 또한, 6시간 동안 물안에 넣어 놓아도 그 성능이 유지되었다(80% 휘도유지). 더불어, 패터닝(patterning) 기술을 활용해 맥신 기반 OLED를 수동 매트릭스(passive-matrix) 형태로 제작함으로써 글자나 모양 표시가 가능한 투명 디스플레이를 시연했다.
이번 연구를 주도한 최경철 교수 연구팀의 정소영 박사과정은 “맥신 OLED의 신뢰성 향상을 위해 이에 적합한 인캡슐레이션 구조 및 공정 설계에 집중했다”며 “맥신 OLED를 매트릭스 타입으로 제작해 간단한 문자나 모형을 표시함으로써 투명 디스플레이 분야에 맥신이 응용될 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다.
최경철 교수는 “이번 연구가 맥신의 다양한 전자소자로의 응용에 가이드라인이 될 뿐 아니라 투명 플렉시블 디스플레이가 요구되는 차량용 디스플레이, 패션, 기능성 의류 등 다양한 응용 분야에 적용이 가능할 것으로 예상되며, 중국의 OLED 기술과의 격차를 벌리기 위해서는 이러한 새로운 OLED 융합 신기술이 계속 개발되어야 한다”고 밝혔다.
최경철 교수 연구팀의 정소영 박사과정이 제1 저자로 주도하고 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 나노 분야의 권위 있는 국제 학술지 `에이씨에스 나노(ACS nano, IF 18.0)'에 지난 4월 5일 字로 온라인 게재됐으며, 전면 표지 논문(Front Cover)으로 6월 13일 字로 게재됐다. (논문명: Highly Air-Stable, Flexible, and Water-Resistive 2D Titanium Carbide MXene-Based RGB Organic Light-Emitting Diode Displays for Transparent Free-Form Electronics)
2023.06.28
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나노입자로 염증부터 면역치료까지 가능
최근 서구화된 식습관, 유전 및 여러 환경 요인에 의해 장에서 발생하는 만성 염증을 일으키는 염증성 장 질환 환자가 우리나라에서 지속적으로 늘어나는 추세이지만, 여전히 효과적인 치료제 개발이 미흡한 상황이다.
우리 대학 생명과학과 전상용, 조병관 교수 공동연구팀이 경구투여 시 염증성 장에서 과도하게 활성화된 대식세포를 표적 할 수 있는 키토산-빌리루빈 (Bilirubin) 나노입자를 개발했다고 21일 밝혔다.
빌리루빈은 헤모글로빈이 분해될 때 나오는 물질로 염증에서 발생하는 활성산소에 대해 강력한 환원력(scavenging effect)을 가지며, 이로 인해 항염증성 효과가 탁월해 약물 개발로의 시도가 지속되고 있다. 그러나 빌리루빈 자체의 소수성 특성(hydrophobicity)에 의해 임상 단계에서의 직접적인 활용이 어렵다.
연구팀은 빌리루빈을 체내, 특히 경구투여로 전달할 수 있도록 점막부착성과 수용성 성질을 동시에 지니는 저분자량 수용성 키토산(Low molecular weight water soluble chitosan, LMWC)과 결합해 키토산-빌리루빈 나노입자(LMWC-BRNPs)를 합성하는 데 성공했다.
특히 키토산-빌리루빈 나노입자는 기존 염증성 장 질환 치료제로 사용되고 있는 비스테로이드 계열 항염증(non-steroidal anti-inflammatory agent, NSAID) 약물 중 하나인 아미노살리실리산(5-Aminosalicylic acid, 5-ASA) 대비 탁월한 장 기능 정상화 효과를 보였으며, 경구투여 시 점막층과의 정전기적 인력(Electrostatic interaction)으로 장벽 안으로 흡수됨으로써 기존 경구용 치료제 대비 강력한 점막 부착성을 보였다. 또한 염증성 대식세포에 의해 흡수되어 이들의 활성을 저해시켜 염증성 장 질환의 주요 염증성 사이토카인(Pro-inflammatory cytokine)과 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS) 분비를 줄이고, 염증성 조력 Th17 세포 대비 면역 조절 T 세포 (Regulatory T cell) 비율을 조절함으로써 망가진 장내 면역 항상성을 되돌리는 효능을 보였다.
연구팀은 마지막으로 키토산-빌리루빈 나노입자가 장내 흡수 시 염증에 의해 유발되는 장내 미생물 패턴 변화를 막아 염증성 박테리아 중 하나인 ‘튜리시박터(Turicibacter)’의 증식을 억제하며, 세 가지 핵심 유산균인 ‘서터렐라(Sutterella)’, ‘오실로스피라(Oscillospira)’, ‘락토바실러스(Lactobacillus)’의 수를 유지하는 효능을 동물 실험을 통해 밝힘으로써, 본 나노입자가 단순히 염증만 저해하는 기존 치료제를 뛰어넘는 우수한 나노 의약(Nanomedicine)으로 개발될 수 있음을 강조했다.
우리 대학 생명과학과 아피아 박사과정생, 신종오 박사(현 캘리포니아대학교 샌디에이고캠퍼스 박사후 연구원)가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 나노-재료공학 분야 저명 학술지인 ‘ACS 나노(Nano)’ (ISSN: 1936-0851 print, 1936-086X online, Impact factor: 18.027) 5월 25일 온라인판에 게재됐다. (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03252. 논문명: Bilirubin Nanomedicine Rescues Intestinal Barrier Destruction and Restores Mucosal Immunity in Colitis)
전상용 교수는 “ 이번 연구결과로 단순히 염증만 저해하는 기존 치료법을 뛰어넘는, 장내 미생물 환경을 효과적으로 조절 및 무너진 면역반응을 정상화하는 우수한 나노의약으로 개발될 수 있음을 제시하였다. 이로써, 나노입자 기반의 장 질환 치료법에 대한 새로운 가능성을 보여주었다” 고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 ‘리더연구사업(종양/염증 미세환경 표적 및 감응형 정밀 바이오-나노메디신 연구단)’ 및 대한민국 ‘바이오 위대한 도전 사업’의 지원을 받아 수행됐다.
2023.06.21
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전염병 바이러스 10분 내 현장 진단 가능한 PCR 개발
전염성 높은 바이러스의 빠른 확산을 방지하기 위해서는 의료 현장에서 빠르고 정확하게 바이러스를 검출해 신속하게 진단하는 것이 매우 중요하다. 현재 현장 진단 검사는 신속 항원 검사에 국한되어 진단의 정확성이 낮은 문제점이 있다. 감염병 확진을 위해선 실시간 역전사 중합효소연쇄반응(Real-time reverse-transcription Polymerase Chain reaction, RT-qPCR) 검사가 필요하지만, 기술적인 한계로 인해 현장 진단 검사에는 매우 부적합한 실정이다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과 (주)오상헬스케어와의 공동연구로 개발하여 코로나-19 바이러스 검출 95% 정확도를 가진 현장 진단에 적합한 초고속 초소형 플라즈모닉 핵산 분석 시스템을 개발했다고 11일(화) 밝혔다.
연구팀이 개발한 시스템은 광열 나노소재 기반 초고속 플라즈모닉 열 순환기, 미세 유체 랩온어칩 기반 금속 박막 카트리지, 초박형 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경 등 최첨단 마이크로 나노기술을 접목한 현장 진단형 플라즈모닉 핵산분석 시스템을 핸드헬드 크기로 개발했으며 코로나-19 RNA 바이러스를 10분 이내에 성공적으로 검출했다. 또한, 파일럿 제품의 성능평가를 위해 임상적 성능시험을 수행했으며, 임상 현장에서 정상인 시료로부터 코로나-19 환자의 시료를 95% 이상의 높은 정확도로 구분하는 데 성공했다.
`플라즈모닉 열 순환기'는 나노 및 마이크로공정기술을 통해 유리 나노 기둥 위 금나노섬 구조와 백금박막 저항 온도센서를 결합해 대면적으로 제작됐다. 해당 나노 구조는 가시광선 전 영역에서 광 흡수율이 매우 높아 백색광 다이오드(LED)의 빛을 빠르게 열로 치환해 온도 상승 속도를 대폭 향상했으며, 상단에 있는 박막 저항 온도 센서를 통해 실시간으로 표면 온도를 측정함으로써 초고속 열 순환 기능을 구현했다.
또한, 연구팀은 사출 성형된 플라스틱 미세 유체 칩과 알루미늄 박막을 결합해 `금속박막 카트리지'를 개발했으며, 이를 통해 값비싼 나노소재의 재사용률을 높이고 비용 효율을 극대화했다. 해당 금속 박막은 두께가 얇고 열전도율이 높으므로 열 순환기로부터 발생한 광열을 반응 용액에 효율적으로 전달해 온도상승 및 하강 속도를 개선했다. 또한, 금속 박막은 빛 반사율 또한 매우 높아 플라즈모닉 핵산 증폭 기술의 가장 큰 한계점인 광열 여기광원과 형광 검출 사이의 광학적 누화 현상을 완전히 해결했다.
연구팀은 미세 유체칩 내 실시간 정량화를 위해 마이크로공정기술을 활용해 곤충 눈을 모사한 `마이크로렌즈 어레이 형광 현미경'을 개발했다. 해당 기술은 초점거리의 한계를 극복해 10밀리미터(mm)의 초근접 거리에서 미세 유체 채널의 형광 이미지를 촬영할 수 있도록 제작됐고 전체 형광 시스템의 크기를 대폭 축소했다. 또한, 어레이 이미지의 병합 및 재구성을 통해 높은 동적범위 및 고대비 다중 형광 촬영이 가능하므로 플라즈모닉 핵산 증폭 동안 증가하는 유전자를 실시간으로 정량화할 수 있도록 개발했다.
정기훈 교수는 “플라즈모닉 핵산분석 시스템이 속도, 가격, 크기 측면에서 현장 진단에 매우 적합하여 진단 장비의 탈중앙화를 가능하게 할 뿐만 아니라 다중 이용 시설이나 지역 병원 등 방역 현장에서 바이러스 검출 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 라고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `에이씨에스 나노 (ACS Nano)'에 게재됐다. (논문명: 분자진단의 분산화를 위한 초고속 플라즈모닉 핵산 증폭 및 실시간 정량화, Ultrafast Plasmonic Nucleic Acid Amplification and Real-Time Quantification for Decentralized Molecular Diagnostics)
한편 이번 연구는 KAIST 코로나19대응 과학기술뉴딜사업과 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업으로 수행됐다.
2023.04.11
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99% 실시간 가스를 구별하는 초저전력 전자 코 기술 개발
우리 대학 기계공학과 박인규 교수, 윤국진 교수와 물리학과 조용훈 교수 공동 연구팀이 `초저전력, 상온 동작이 가능한 광원 일체형 마이크로 LED 가스 센서 기반의 전자 코 시스템'을 개발하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.
공동 연구팀은 마이크로 크기의 초소형 LED가 집적된 광원 일체형 가스 센서를 제작한 이후 합성곱 신경망 (CNN) 알고리즘을 적용해 5가지의 미지의 가스를 실시간으로 가스 종류 판별 정확도 99.3%, 농도 값 예측 오차 13.8%의 높은 정확도로 선택적 판별하는 기술을 개발했다. 특히 마이크로 LED를 활용한 광활성 방식의 가스 감지 기술은 기존의 마이크로 히터 방식 대비 소모 전력을 100분의 1 수준으로 획기적으로 절감한 것이 특징이다.
이번 연구에서 개발된 초저전력 전자 코 기술은 어떠한 장소에서든지 배터리 구동 기반으로 장시간 동작할 수 있는 모바일 가스 센서로 활용될 것으로 기대된다.
타깃 가스의 유무에 따라 금속산화물 가스 감지 소재의 전기전도성이 변화하는 원리를 이용한 반도체식 가스 센서는 높은 민감도, 빠른 응답속도, 대량 생산 가능성 등 많은 장점이 있어 활발히 연구되고 있다. 금속산화물 감지 소재가 높은 민감도와 빠른 응답속도를 보이기 위해서는 외부에서 에너지 공급을 통한 활성화가 필요한데 기존에는 집적된 히터를 이용한 줄 히팅 방식이 많이 사용됐다. 고온 가열 방식의 반도체식 가스 센서는 높은 소모전력과 낮은 선택성 등의 한계점이 있었다.
한편, 이번 연구에서 연구팀은 자외선 파장대의 빛을 방출하는 마이크로 크기의 LED를 제작한 후 바로 위에 산화인듐(In2O3) 금속산화물을 집적함으로써 광활성 방식의 가스 센서를 개발했다. 광원과 감지 소재 사이의 거리를 최소화한 광원 일체형 센서 구조는 광 손실을 줄임으로써 μW(마이크로와트) 수준의 초저전력 가스 감지를 실현할 수 있었다. 또한, 연구진은 광 활성식 가스 센서의 반응성을 극대화하기 위해 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized surface plasmon resonsance, LSPR)* 현상을 활용했고 이를 통해 센서의 응답도가 향상되는 것을 확인했다.
* 국소표면 플라즈몬 공명에 의해 생성된 핫 전자들이 금속산화물로 이동(Hot electron transfer)해 타깃 가스와의 산화-환원 반응을 촉진하는 원리
그 후, 공동 연구팀은 앞서 설명한 반도체식 가스 센서의 낮은 선택성 문제를 해결하기 위해서 마이크로 LED 가스 센서에 서로 다른 감지 소재를 집적해 센서 어레이를 제작하고 합성곱 신경망의 딥러닝 알고리즘을 적용하여 각 타깃 가스가 만들어내는 고유한 금속산화물의 응답 패턴(저항 변화)을 포착하고 분석했다. 그 결과, 개발된 전자 코 시스템은 총 소모전력 0.38mW(밀리와트)의 초저전력으로 5가지 가스(일반 공기, 이산화질소, 에탄올, 아세톤, 메탄올)를 실시간으로 선택적 판별할 수 있었다.
연구책임자인 기계공학과 박인규 교수는 "마이크로 LED 기반의 광 활성식 가스 센서는 상온 동작이 가능하고 고온 가열 줄히팅을 하는 기존의 반도체식 가스 센서에 비해 소모전력이 100분의 1 수준으로 초저전력 구동이 가능해 대기오염 모니터링, 음식물 부패 관리 모니터링, 헬스케어 등 다양한 분야에서도 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것ˮ이라고 연구의 의미를 설명했다.
우리 대학 기계공학과 이기철 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 나노 과학 분야의 저명한 국제 학술지 `ACS 나노 (ACS Nano)'에 2023년 1월 10일 字 정식 게재됐다. (논문명: Ultra-Low-Power E-Nose System Based on Multi-Micro-LED-Integrated, Nanostructured Gas Sensors and Deep Learning)
2023.02.14
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7개 연구실, ＇안전관리 우수연구실＇ 인증 취득
우리 대학 7개 연구실이 과학기술정보통신부가 주관하는 2022 안전관리 우수연구실 인증을 획득했다.
안전관리 우수연구실 인증제는 대학이나 연구기관 등에 설치된 과학기술 분야 연구실이 자율적으로 안전관리 역량을 강화할 수 있도록 정부가 2013년 도입한 제도다. 안전관리 표준모델을 발굴하고 확산하는 것을 목표로 안전관리 수준과 활동이 우수한 연구실에 전문가의 심사를 통한 인증을 부여하고 있다.
이번에 신규 인증을 획득한 연구실은 총 7개로 대전 소재 정부출연연구기관 중 최다 규모다. 생명과학과 ①시스템 및 합성생물학 연구실(조병관 교수), 신소재공학과 ②NanoSF 연구실(강정구 교수), ③바이오신소재연구실(박찬범 교수), ④지속가능에너지재료 연구실(정우철 교수), ⑤신소재 영상화 및 융합 연구실(홍승범 교수), 원자력및양자공학과 ⑥핵융합 및 플라즈마 동역학 연구실(성충기 교수), 화학과 ⑦나노촉매연구실(송현준 교수) 등이다.
해당 연구실들은 ▴연구실 안전 환경 시스템 분야(30점) ▴연구실 안전 환경 활동 수준 분야(50점), ▴연구실 안전관리 관계자 안전의식 분야(20점) 등 세 가지로 구분된 심사 항목에서 각 분야 배점의 80% 이상을 득점하고 80점 이상의 총점을 얻었다. 또한, 안전관리 우수연구실 인증제 운영에 관한 규정에 명시된 필수 이행항목 4종에 대한 평가를 동시에 충족해 우수 연구실로 인증됐다.
이광형 총장은 "최근 중대재해 처벌 등에 관한 법률이 시행되어 공공기관의 사회적 책임에 부응하기 위해 안전보건경영시스템 'ISO45001' 인증을 준비하는 등 연구실 안전관리에 많은 관심을 가지고 있다"라고 전했다. 이어 이 총장은, "KAIST의 우수한 연구자들이 안전하게 연구할 수 있도록 안전관리 우수연구실 인증을 향후 확대하여 시행하는 등 안전관리에 만전을 기하겠다"고 강조했다. 26일 오후 2시부터 진행된 인증서 수여식에는 이승섭 교학부총장, 방진섭 행정처장 등 보직자들과 해당 연구실 관계자들이 참여했다. 또한, 연구실 내 행정적 관리를 평가하는 "안전 환경 시스템 분야"와 구성원의 안전의식을 평가하는 "안전관리 관계자 안전의식 분야"에서 높은 점수를 받은 강정구 신소재공학과 교수 연구실 투어가 진행됐다.
2023.01.30
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인간 근육보다 17배 강한 헤라클래스 인공 근육 개발
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 부산대 안석균 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 그래핀-액정 복합섬유를 이용한 새로운 인공 근육을 개발하는 데 성공했다고 5일 밝혔다. 이 인공 근육은 현재까지 과학계에 보고된 것 중에서 인간 근육과 가장 유사하면서도 최대 17배 강한 힘을 보이는 것으로 밝혀졌다.
동물의 근육은 신경 자극에 의해 그 형태가 변하면서 기계적인 운동을 일으키는 것으로 알려져 있다. 로봇이나 인공장기 등 다양한 분야에서 동물근육과 유사한 운동을 일으키기 위한 기술들이 개발돼왔으나, 지금까지는 주로 기계장치에 의존한 것들이 대부분이다.
최근에는 유연성을 가지는 신소재를 이용해 생명체의 근육같이 유연하면서도 기계적 운동을 일으킬 수 있는 인공 근육들이 연구되고 있다. 그러나 이들 대부분이 일으키는 운동의 범위가 동물 근육보다 제한되고 강한 운동을 일으키기 위해서는 마치 시계태엽을 감듯이 부가적인 에너지 저장과정을 거쳐야만 하는 문제점이 있다.
김교수 연구팀이 개발한 신소재는 온도변화에 따라 동물 근육과 같이 크게 수축을 일으키는 액정물질에 고품질의 그래핀을 적용함으로써 레이저를 이용한 원격제어가 가능하며 인간 근육의 작업 수행능력(17배)과 출력밀도(6배)를 크게 능가하는 운동능력을 구현했다. 연구팀은 실제로 인공 근육을 이용해 1 킬로그램(kg) 짜리 아령을 들어올리는 데 성공하기도 했으며, 이를 이용한 인공 자벌레는 살아있는 자벌레보다 3배나 빠른 속도로 움직이는 기록을 달성하기도 했다.
연구를 주도한 신소재 분야 석학인 KAIST 김상욱 교수는 "최근 세계적으로 활발히 개발되고 있는 인공 근육들은 비록 한두 가지 물성이 매우 뛰어난 경우는 있으나 실용적인 인공 근육으로 작동하는 데 필요한 다양한 물성들을 골고루 갖춘 경우는 없었다ˮ며 "이번 연구를 시발점으로 실용성 있는 인공 근육 소재가 로봇 산업 및 다양한 웨어러블 장치에 활용할 수 있으며 4차 산업 혁명에 따른 비대면 과학기술에서도 크게 이바지할 수 있을 것이다ˮ라고 말했다.
신소재공학과 김인호 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 이러한 성과를 인정받아 저명한 영국의 과학 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 지난 10월 27일자로 출간됐었으며, 해당 학술지의 표지 논문으로 선정됐다. 또한 관련 기술에 대한 특허를 국내외에 출원하여 KAIST 교원창업 기업인 ㈜소재창조를 통해 상용화를 진행할 계획이다.
신소재공학과 강지형 교수, 기계공학과 유승화 교수, 부산대학교 고분자공학과 안석균 교수가 공동 연구로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 기초연구 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.12.05
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고성능 스트레처블 고분자 반도체를 위한 신개념 계면공학법 개발
우리 대학 신소재공학과 강지형 교수, 미국 버클리 대학교 문재완 박사와 미국 스탠퍼드 대학교 제난 바오(Zhenan Bao) 교수 공동연구팀이 고분자 반도체와 회로기판의 경계면을 개선하는 새로운 계면 개질법을 개발하고, 이를 이용해 고성능 스트레처블(늘어나고 유연한) 고분자 반도체를 구현했다고 24일 밝혔다.
고분자 반도체는 기존의 실리콘 기반의 반도체와는 다르게 탄소를 기반으로 구성돼 있으며, 상대적으로 낮은 가격과 대면적 공정이 가능하다는 장점으로 인해 추후 유연 소자, 태양전지, OLED 등의 산업에 응용될 수 있는 차세대 반도체 재료다.
하지만 전기적 성능이 좋은 고분자 반도체는 작은 응력에도 쉽게 깨지는 문제점이 있었다. 일반적으로 고분자 반도체는 결정구조를 많이 가질수록 전기적 성능이 좋아지지만, 이러한 결정구조는 고분자 반도체가 응력에 취약해지게 만들기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존에는 분자구조의 변화, 첨가제 등을 이용해 고분자 반도체 자체의 기계적 물성을 변화시키는 데 주로 초점을 맞춰왔다.
그러나 기존의 방법들은 기계적 물성이 향상되는 대신 전기적 성질이 악화되고, 각각의 고분자 반도체에 맞는 분자구조를 찾는데 많은 시간이 소요돼 고성능 스트레처블 고분자 반도체 구현에 적합하지 않았다.
우리 대학 강지형 교수와 스탠퍼드 대학교 제난 바오 교수 공동연구팀은 이번 연구에서 고분자 자체의 성질을 변화시키는 것이 아닌 기판과 고분자 반도체 사이의 계면을 개질하는 새로운 방법을 제시했다. 이러한 계면 공학법을 통해 고분자 반도체는 전기적 성질을 잃지 않으면서 기계적 물성이 크게 개선됐다.
공동연구팀은 이번 연구에서 응력에 의해 고분자 반도체가 손상을 받는 것은 고분자 박막과 기판 사이 계면에서의 박리 현상과 그로 인한 응력의 편재화(localization)에 의해 상당 부분 기인함을 발견했다.
공동연구팀은 이러한 문제점을 극복하기 위해 고분자 반도체 박막과 기판 사이의 계면에 새로운 고분자 층을 도입했다. 이 고분자 층은 반도체 박막과 기판 모두와 강하게 결합해 두 층의 박리현상과 응력의 편재화를 효과적으로 막아줬으며, 동역학적 결합(dynamic bond)을 할 수 있는 구조를 가져 추가적인 응력 분산 효과를 보였다.
이러한 계면 개질이 이뤄진 고성능 고분자 반도체는 최대 110%의 변형률까지 눈에 띄는 균열이 발견되지 않았으며, 이는 기존의 같은 반도체가 30% 변형률에서 상당한 균열을 보인 것에 비하면 획기적인 발전이다. 또한 이러한 접근법은 특정 고분자 반도체에 국한되지 않고, 다양한 고분자 반도체, 고분자 전도체, 금속 전도체에 모두 적용 가능하다는 장점이 있다.
신소재공학과 강지형 교수와 스탠퍼드 대학교 문재완 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노 재료 분야 저명 국제 학술지 `네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)' 11월 10일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Tough interface-enabled stretchable electronics using non-stretchable polymer semiconductors and conductors).
강지형 교수는 "이번 연구는 스트레처블 고분자 반도체 구현을 위한 설계 방향을 새롭게 제시했다는 점에서 의미가 있다ˮ고 하면서, "이번에 개발된 계면 공학법은 급속도로 성장하고 있는 유연소자 시장에 게임 체인저가 될 것으로 기대된다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 나노소재기술개발사업 미래기술연구실, 삼성종기원 과제의 지원을 받아 수행됐다.
2022.11.25
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극미량의 액체를 정밀하게 측정하고 분석할 수 있는 새로운 플랫폼 개발
우리 대학 기계공학과 이정철 교수 연구팀이 마이크로히터와 유동 채널이 내장된 미세전자기계시스템(MEMS) 소자를 이용해 극미량의 유체에 대한 열전달 관련 측정과 공정을 개발할 수 있는 새로운 실험 플랫폼인 열원-미소채널 통합 공진 센서 (heater-integrated fluidic resonator, 이하 HFR)를 개발했다고 21일 밝혔다.
2015년, 벤처 기업 `테라노스'의 피 한 방울로 질병을 진단할 수 있다는 주장은 정밀 분석을 위해 많은 혈액이 필요하던 미국 전역에 큰 충격으로 다가왔다. 결국 허구로 밝혀진 이 사건은 아주 적은 양의 샘플을 이용해 정밀한 측정을 수행하고자 하는 현대 사회의 요구 사항을 단적으로 보여주는 예시다.
마이크로 유체 채널이 통합된 센서는 많은 연구자에 의해 꾸준히 개발되고 있다. 하지만 아직 큰 크기를 갖는 상용화된 센서들(마이크로/나노 공정의 적용이 필요 없는)에 비해 적은 정확도를 갖는다는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 밀도/질량 측정에만 주로 사용되지만 오히려 소형화될수록 높은 정확도를 갖는 장점이 있는 기계 공진 센서에 주목했다. 지금까지의 유체 채널 통합 공진 센서는 신뢰할 만한 결과의 확보를 위해 동일한 온도에서의 측정이 필요했다. 반면 이정철 교수팀은 이번 연구에서 온도를 자유자재로 제어하며 고정확도의 공진 측정을 병행함으로써 밀도/질량 측정 이상으로 다양한 현상과 물리량을 분석하는 아이디어를 제시했다.
연구팀은 개발한 플랫폼을 이용해 20pL(피코 리터) 이하 액체의 열전도도, 밀도, 비열을 동시에 측정할 수 있는 방법을 제시하고 1,000개 데이터를 1분 이내에 수집함으로써 고정확도의 계측을 구현했으며, 마이크로채널 내부의 비등 상변화 현상을 다중 공진 주파수로 측정해 기존의 상변화 현상 분석 기법에 비해 이력(hysteresis)과 기포의 초기 발생 시점을 더 명확하게 관측했다.
또한 연구팀은 마이크로채널 자유단에 노즐이 있는 열원-미소채널 통합 공진 센서를 사용해 전열 분무 현상을 유도하고 토출 공정을 공진 주파수로 실시간 관측할 수 있는 방법을 제시함으로써, 이전까지는 불가능했던 고속 카메라와 같은 장비 없이 노즐 자체의 측정만을 이용한 미립화 액적 토출 공정 모니터링을 구현했다. 이는 나노/마이크로 입자 및 세포 측정 분야에만 국한되어 사용되었던 극미량의 질량 측정 기술을 물리 화학적 측정 센서, 나노 패터닝 공정 제어, 상변화/열전달 제어 등 다양한 분야의 연구자들이 응용할 수 있도록 아이디어를 제시하고 그 활용 가능성을 검증한 데에 의의가 있다.
이번 연구는 국제학술지 `나노 레터스(Nano Letters)'에 지난 8월 18일 자에 온라인 게재됐으며 10월 호의 표지 논문(front cover)로 선정됐다.
이번 연구는 유체 채널 내에 가열 및 온도 측정의 기능성을 통합한 이번 연구와 비슷한 접근법으로 자성(magnetic) 혹은 압전(piezoelectric) 기술을 채널 공진 센서 기술과 융합해 자기장(magnetic field) 혹은 음향장(acoustic field)을 정밀하게 분석할 수 있는 플랫폼 등으로의 아이디어 확장이 가능하다. 측정 기법의 새로운 패러다임을 제시하는 이번 연구는 기존의 상용화된 장비들을 대체할 수 있는 고성능 측정 장비의 개발 등을 촉진할 것으로 기대된다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 기초연구실 지원사업, 그리고 산업기술평가관리원의 시장선도를 위한 한국 주도형 K-센서(K-Sensor) 기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.11.21
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발걸음만으로 태양광 패널의 먼지를 제거하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과 경기욱 교수 연구팀이 발걸음에서 얻어지는 충격 에너지를 전기 에너지로 변환해 태양광 패널의 먼지를 제거하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
탄소 중립 실현을 위해 태양광 발전의 중요성이 커지고 있다. 태양광 패널은 표면의 먼지로 효율이 점점 낮아지는 문제가 있기 때문에 주기적인 세척이 필요하다. 하지만 손이 닿지 않거나 도심에 분산되어있는 태양광 패널을 일일이 청소하는 것은 어려운 실정이다. 연구팀은 문제 해결을 위해, 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator)와 전기력 기반 먼지 제거 방식(elelctrodynamic dust shield)을 사용하여 보행자의 걸음에서 생기는 충격만으로 태양광 패널을 청소하는 방법을 개발했다.
먼지 제거 태양광 패널은 표면에 깍지 형태의 전극이 배치된 구조로, 교류 고전압을 가했을 시 진동하는 강한 전기력으로 먼지를 털어낸다. 강한 전기장을 만들어야 하는 특성상, 작동에 수 kV의 교류 고전압이 필요하다. 마찰전기 발전기는 친환경 에너지 하베스터 중 하나로, 두 물체를 마찰시켜 생기는 정전기를 이용해 고전압 출력이 나오는 특징이 있다. 하지만 마찰전기 발전기 작동 원리상 마찰이 필수적이기 때문에 발걸음과 같은 충격에 대해서 에너지 전환 효율이 낮으며, 오래 지속되는 고압의 전류 얻을 수 없다는 단점이 있다. 연구팀은 외팔보 구조와 전하 충전구조를 적용해 충격을 가했을 때 에너지의 손실 없이 진동하며 교류 고전압을 장시간(약 10초/회) 동안 발생시키는 마찰전기 발전기를 개발하였다. 개발된 마찰전기 발전기는 약 50.8%의 높은 에너지변환 효율을 보여주었으며, 최대 전압 2.6kVpp (약 17Hz)로 먼지 제거 패널을 충분히 작동시킬 수준의 높은 출력을 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 연구팀은 12번의 발걸음을 걷는 동안 태양광 패널의 표면 먼지의 약 79.2%를 제거하였으며, 이 결과 태양광 패널의 출력이 증가함도 확인했다.
연구팀이 개발한 마찰전기 발전기를 이용한 태양광 패널 먼지 제거 방법은 사람들이 태양광 패널 주변을 걸어 다니는 것만으로도 세척이 힘든 도심 속 태양광 패널을 청소하는 친환경적인 방법이 될 수 있다.
이번 연구는 정부의 재원으로 한국 연구재단과 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구이며 우수 국제학술지인 나노 에너지 (Nano Energy)에 2022년 9월 22일 온라인 게재되었다. (논문명 : Highly efficient long-lasting triboelectric nanogenerator upon impact and its application to daily-life self-cleaning solar panel, 제1 저자 박사과정 마지형) 본 연구는 우리 대학 기계공학과 졸업생인 한국기술교육대학의 박진형 교수팀과 공동으로 수행됐다.
연구 내용 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=wvaltw15iVI
2022.10.04
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