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‘꿈의 배터리’ 리튬금속 배터리 상용화 난제 풀었다
전기차 시대가 본격화되면서 더 멀리, 더 오래 달릴 수 있는 배터리에 대한 요구가 커지고 있다. 기존 리튬이온(Lithium-ion) 배터리의 용량 한계를 뛰어넘을 차세대 기술로 리튬금속(Lithium Metal) 배터리가 주목받고 있지만, 충전 과정에서 바늘 모양 결정 ‘덴드라이트’가 자라 수명을 단축시키고 화재 위험까지 높이는 문제가 상용화의 최대 걸림돌로 지적돼 왔다. 한국 연구진이 이 난제를 해결할 핵심 기술을 개발했다.
우리 대학은 생명화학공학과 최남순 교수팀과 신소재공학과 홍승범 교수팀, 고려대학교(총장 김동원) 곽상규 교수팀이 협력해 리튬금속 배터리의 가장 큰 난제인 ‘계면 불안정성’을 전자 구조 수준에서 해결하는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.
계면 불안정성은 충·방전 과정에서 전극과 전해질이 맞닿는 경계면이 고르게 유지되지 못하는 현상이다. 이로 인해 리튬이 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 형성되고, 이는 배터리 수명 저하와 내부 단락, 화재 위험으로 이어진다. 리튬금속 배터리 상용화를 가로막아 온 근본 원인이다.
연구팀은 배터리 전해질에 ‘티오펜(Thiophene)’을 첨가해 전극 표면에 리튬 이온이 안정적으로 이동할 수 있는 ‘지능형 보호막’을 구현했다. 이 보호막은 전자 구조가 스스로 재배열되는 특징을 갖는다.
마치 교통량에 따라 차로를 조정하는 스마트 교통 시스템처럼, 리튬 이온이 이동할 때마다 보호막 내부의 전하 분포가 유연하게 변하며 최적의 통로를 만들어준다. 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 이를 규명했으며, 기존 상용 첨가제보다 훨씬 뛰어난 안정성을 확인했다.
그 결과, 고속 충전 환경에서도 덴드라이트 성장을 효과적으로 억제하고 배터리 수명을 크게 늘리는 데 성공했다.
또한 연구팀은 실시간 원자간력 현미경(In-situ AFM)을 활용해 나노미터 수준에서 배터리 내부를 직접 관찰했다. 높은 전류 조건에서도 리튬이 표면에 균일하게 쌓이고 제거되는 것을 확인해 기계적 안정성까지 입증했다.
이번 기술은 리튬 인산철(LiFePO4), 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈-코발트-망간 산화물 (LiNixCoyMn1-x-yO2) 등 현재 널리 쓰이는 다양한 배터리 양극 소재에 사용할 수 있다. 이는 특정 배터리 유형에 한정되지 않고 기존 전기차 배터리 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능해, 산업 전반에 미칠 파급효과가 클 것으로 기대된다.
이번 성과는 리튬금속 배터리 상용화를 가로막던 최대 장벽인 초고속(12분 내 빠른 충전과 8mA/cm2 이상*의 고전류 구동을 동시 구현) 충전 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 돌파구를 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 초장거리 전기차는 물론 도심 항공 모빌리티(UAM), 차세대 고밀도 에너지 저장 시스템 등 고성능 배터리가 필요한 다양한 미래 산업 분야에 활용될 것으로 기대된다.
* 8mA/cm2 이상: 배터리 전극 1cm2 면적당 8mA(밀리암페어)의 전류가 흐르는 수준을 의미한다. 리튬금속 배터리 연구 분야에서는 통상 ~4mA/cm2 만으로도 ‘고전류’ 조건으로 평가되며, 이 조건은 이보다 2배 이상 높은 구동 환경에 해당한다. 이는 전기차의 고속 충전 및 급가속이나 고출력 주행과 같은 실제 사용 조건에 근접한 수준임
최남순 교수는 “이번 연구는 단순한 소재 개선이 아니라 전자 구조를 설계해 배터리의 근본 문제를 해결한 성과”라며 “고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현하는 차세대 전기차 배터리의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 최남순 교수, 홍승범 교수, 이정아 연구원, 조윤한 연구원이 공동 제 1 저자로 참여했으며, 재료·에너지 분야 세계적 학술지 ‘인포맷(InfoMat)’에 2월 2일 게재됐다.
※논문 제목: Conjugation-mediated and polarity-switchable interfacial layers for fast cycling of lithium-metal batteries, DOI: http://doi.org/10.1002/inf2.70126
한편, 본 연구는 현대자동차와 한국연구재단 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.02.24 조회수 976 -
전기 켜지고 꺼지는 찰나 포착..차세대 메모리 소재 혁신 기대
인공지능이 발전할수록 컴퓨터에는 더 빠르고 효율적인 메모리가 요구된다. 초고속·저전력 반도체의 핵심은 메모리 소재가 전기를 켜고 끄는 ‘스위칭’ 원리에 있다. 한국 연구진이 아주 작은 전자 소자 안에서 물질을 순간적으로 녹였다가 얼리는 실험을 통해, 그동안 직접 관찰하기 어려웠던 스위칭 순간과 내부 작동 원리를 밝혀냈다. 이를 통해 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 차세대 메모리 신소재를 원리 기반으로 설계할 수 있는 기준을 제시했다.
우리 대학 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀은 경북대학교 이태훈 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 기존에는 관찰이 어려웠던 나노 소자 내부의 전기 스위칭 과정과 물질 상태 변화를 실시간으로 포착할 수 있는 실험 기법을 개발했다고 8일 밝혔다.
연구팀은 전기 스위칭을 확인하기 위해 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 식히는 방식을 적용했다. 이를 통해 그동안 열에 민감해 전기를 흘리는 순간 성질이 쉽게 변하던 텔루륨(Te)*을, 머리카락보다 훨씬 작은 나노 소자 안에서 ‘유리처럼 불규칙한 상태의 비정질 텔루륨’으로 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 비정질 텔루륨은 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 차세대 메모리의 핵심 재료로 주목받고 있다.
*텔루륨(Te): 금속과 비금속의 성질을 모두 가진 준금속 원소
이번 연구를 통해 연구팀은 스위칭이 시작되는 전압과 열 조건, 그리고 에너지 손실이 발생하는 구간을 구체적으로 파악했다. 이를 바탕으로 열 발생을 줄인 상태에서도 안정적이고 빠른 동작 속도로 스위칭 되는 결과를 관측하는 등, ‘왜, 언제 전기가 켜지는지’를 이해한 원리 기반 메모리 소재 설계가 가능해졌다.
이번 연구를 통해 연구팀은 스위칭이 시작되는 전압과 열 조건, 그리고 에너지 손실이 발생하는 구간을 구체적으로 파악했다. 이를 바탕으로 열 발생을 줄인 상태에서도 안정적이고 빠른 동작 속도로 스위칭 되는 결과를 관측하는 등, ‘왜, 언제 전기가 켜지는지’를 이해한 원리 기반 메모리 소재 설계가 가능해졌다.
그 결과, 비정질 텔루륨에서는 내부의 미세한 결함이 전기 전도에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 전압이 일정 수준을 넘으면 전기가 한 번에 흐르는 것이 아니라, 먼저 결함을 따라 전류가 급격히 증가하고 이후 열이 축적되며 물질이 녹는 두 단계 스위칭 과정이 나타났다.
또한 연구팀은 전류를 과도하게 흘리지 않고도 비정질 상태를 유지한 채 실험을 진행해, 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현하는 데 성공했다. 이는 복잡한 재료 조합 없이 텔루륨 단일 원소만으로도 안정적인 전기 스위칭이 가능함을 보여준다.
이번 연구는 차세대 메모리 재료인 비정질 텔루륨을 실제 전자 소자 안에서 구현하고, 전기가 켜지고 꺼지는 가장 기본적인 원리를 체계적으로 규명한 성과다. 연구 결과는 향후 더 빠르고 전기를 덜 쓰는 메모리를 구현하기 위한 반도체 소재 설계의 중요한 지침으로 활용될 것으로 기대된다.
서준기 교수는 “비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 스위칭 원리를 규명한 첫 연구”라며 “차세대 메모리 및 스위칭 소재 연구의 새로운 기준을 제시했다”고 말했다.
허남욱 석박사통합과정이 제1저자로, 김승환 박사과정이 제2저자로 참여했으며, 서준기 교수(KAIST)가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 1월 13일 자 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명 : On-device cryogenic quenching enables robust amorphous tellurium for threshold switching, DOI: 10.1038/s41467-025-68223-0
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 PIM인공지능반도체핵심기술개발(소자)사업과 우수신진연구, 그리고 삼성전자의 지원을 받아 수행되었다.
2026.02.09 조회수 706 -
온실가스 없애는 촉매의 ‘산소 사용법’규명
유례없는 폭염과 한파가 반복되며 기후 위기가 일상이 된 가운데, 온실가스를 효과적으로 제거하는 기술이 전 세계적 과제로 떠오르고 있다. 특히 유해 가스를 산소로 분해하는 촉매 기술은 친환경 정화의 핵심이다. 한국 연구진은 그동안 막연히 ‘산소를 잘 쓴다’고 여겨졌던 촉매가 반응 환경에 맞춰 산소를 선택적으로 활용할 수 있다는 원리를 밝혀내며, 촉매 설계의 새로운 기준을 제시했다.
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수, 서울대학교 한정우 교수, KAIST 박정영 교수 공동연구팀은 친환경 촉매로 널리 쓰이는 세리아(CeO₂)*가 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 완전히 달라진다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.
*세리아(Ceria,CeO2: 세륨(Cerium)이라는 금속과 산소가 결합한 화합물
세리아는 값비싼 귀금속 촉매를 대체·보완하는 금속 산화물 촉매로, 산소를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있어 촉매 분야에서 ‘산소 탱크’로 불린다. 그러나 그동안 산소가 어디서 와서, 어떤 조건에서 반응에 사용되는지는 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 단순히 ‘산소를 잘 쓰는 촉매’가 아니라, ‘산소를 상황에 맞게 골라 쓰는 촉매’라는 새로운 개념에 주목했다. 이를 위해 세리아를 아주 작은 나노 크기부터 상대적으로 큰 크기까지 정밀하게 제어한 촉매를 제작하고, 산소의 이동과 반응 과정을 체계적으로 분석했다.
그 결과, 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 받아들여 즉시 반응에 사용하는 ‘순발력형’으로 작동하는 반면, 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 끌어올려 지속적으로 공급하는 ‘지구력형’ 역할을 한다는 사실을 확인했다. 즉, 촉매의 크기만 조절해도 반응 조건에 따라 공기 중 산소를 사용할지, 내부에 저장된 산소를 사용할지를 선택할 수 있는 설계 원리가 처음으로 밝혀진 것이다. 연구팀은 이 메커니즘을 첨단 실험 분석과 인공지능 기반 시뮬레이션을 통해 동시에 입증했다.
연구팀은 이 원리를 메탄 제거 실험에 적용했다. 메탄은 이산화탄소보다 온난화 효과가 수십 배 강한 온실가스로, 산소를 이용해 이산화탄소와 물로 전환하는 촉매 산화 반응으로 제거된다. 실험 결과, 작은 세리아 촉매가 공기 중 산소를 즉각적으로 활용함으로써, 낮은 온도와 습기가 많은 환경에서도 메탄을 안정적으로 제거하는 성능을 보였으며, 이는 고가의 귀금속 촉매(백금과 팔라듐) 사용량을 크게 줄이면서도 오히려 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다.
이번 성과는 환경 정화 장비의 제조 비용 절감은 물론, 비·습기 등 실제 산업 환경에서도 성능이 유지되는 고내구성 촉매 개발로 이어져 친환경 에너지·환경 산업의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번 연구는 촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 처음으로 명확히 구분한 성과”라며, “기후 위기 대응에 필요한 고효율 촉매를 반응 조건에 맞춰 맞춤 설계할 수 있는 새로운 길을 열었다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 최윤지 박사과정, 서울대 재료공학부 정석현 박사, KAIST 화학과 한재범 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 1월 9일 자로 게재되었다.
2026.02.04 조회수 725 -
AI로 오랜 난제인 유전자 기능 규명 전략 제시
“유전자는 알지만 기능은 모른다”는 미생물 연구의 오랜 난제를 해결하기 위해, 공동연구진이 인공지능(AI) 기반 미생물 유전자 기능 발견의 속도를 크게 높일 수 있는 최신 연구 전략을 제시했다.
우리 대학은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 UCSD 생명공학과 버나드 폴슨(Bernhard Palsson) 교수와 함께 AI를 활용해 미생물 유전자 기능 발견을 획기적으로 가속할 수 있는 최신 연구 접근법을 체계적으로 정리·분석한 리뷰논문을 발표했다고 12일 밝혔다.
2000년대 초 전장 유전체 해독 기술이 본격화되며 생명체의 유전자 구성을 완전히 규명할 수 있을 것이라는 기대가 컸다. 그러나 20년이 지난 지금도 미생물 유전체 내 상당수 유전자는 어떤 역할을 하는지 밝혀지지 않은 상태다.
유전자 결실 실험, 발현량 조절, 시험관 내 활성 측정 등 다양한 실험이 시도돼 왔지만 ▲ 대규모 실험의 한계 ▲ 복잡한 생물학적 상호작용 ▲ 실험실 결과와 실제 생체 내 반응 간 불일치 등으로 인해 유전자 기능 규명에는 여전히 많은 시간과 비용이 소요돼 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전산생물학과 실험생물학을 결합한 AI 기반 접근이 필수적이라고 강조했다.
이번 논문에서는 기존의 서열 유사성 분석 기법부터 최신 심층학습 기반 AI 모델에 이르기까지, 유전자 기능 발견을 촉진해 온 다양한 전산생물학적 접근법을 종합적으로 정리했다.
특히 AlphaFold(구글 딥마인드가 개발한 단백질 구조 예측 AI), RoseTTAFold(미국 워싱턴대에서 개발한 또 다른 고성능 단백질 구조 예측 AI)와 같은 단백질 3차원 구조 예측 기술은 단순한 기능 추정을 넘어, 유전자 기능이 어떻게 작동하는지 이해할 수 있는 가능성을 제시했다. 더 나아가 생성형 인공지능은 원하는 기능을 가진 단백질을 설계하는 단계로까지 연구를 확장하고 있다.
연구팀은 전사인자(유전자를 켜고 끄는 스위치 역할을 하는 단백질)와 효소(생체 내 화학 반응을 촉진하는 단백질)를 중심으로, 유전자 서열 정보, 단백질 구조 예측, 다양한 메타유전체 분석을 결합한 다양한 응용 사례와 향후 연구 방향을 제시했다.
연구팀은 유전자 기능 발견의 편향과 한계를 극복하기 위해 AI가 실험을 안내하는 ‘능동적 학습(Active Learning)’ 기반 연구 프레임워크가 필요하다고 밝혔다.
능동적 학습은 AI 모델이 불확실성이 높은 예측을 스스로 선별해 실험을 제안하고, 그 결과를 다시 학습에 반영하는 방식이다. 이를 통해 연구자는 중요한 유전자 기능부터 효율적으로 검증할 수 있다.
이를 위해 연구팀은 자동화된 실험 플랫폼과 바이오파운드리 등 공유 연구 인프라와의 긴밀한 통합이 필수적이라고 강조했다. 또한 실험적으로 검증되지 못한 ‘실패 데이터’ 역시 향후 연구를 위한 중요한 학습 자산으로 공유돼야 한다고 덧붙였다.
공동저자인 김기배 KAIST 박사는 “딥러닝 기반 예측 성능은 크게 향상됐지만, 예측 결과의 근거를 생물학적으로 설명할 수 있는 해석 가능한 인공지능 모델 개발은 여전히 중요한 과제”라고 말했다.
이상엽 특훈교수는 “유전자 기능 발견의 한계를 넘어서기 위해서는 연구자의 지휘하에 AI가 안내하는 체계적 실험 프레임워크와 자동화 연구 인프라의 결합이 핵심”이라며, “예측과 검증이 반복적으로 연결되는 연구 생태계 구축이 중요하다”고 강조했다.
해당 논문은 네이처(Nature) 誌가 발행하는 생명공학 분야 권위 저널인 `네이처 마이크로볼로지(Nature Microbiology)'에 01월 07일 자 게재됐다.
※ 논문명: Approaches for accelerating microbial gene function discovery using artificial intelligence, DOI: 10.1038/s41564-025-02214-1
※ 저자 정보 : Bernhard O. Palsson (UCSD, 제1 저자), 이상엽(KAIST 제2 저자, 교신저자), 김기배(KAIST, 제3 저자) 포함 총 3명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제의 지원, 그리고 합성생물학핵심기술개발 사업의 ‘바이오제조 산업 선도를 위한 첨단 합성생물학 원천기술 개발’과제의 지원을 받아 수행됐다.
2026.01.12 조회수 848 -
차세대 무음극 리튬 전지 상용화 난제 풀었다
전기차와 드론, 차세대 고성능 배터리 후보로 주목받아 온 무음극 리튬 금속 전지는 기존 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 훨씬 높지만, 짧은 수명 문제로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 우리 대학 연구진이 전해질을 반복적으로 바꿔야 했던 기존 접근에서 벗어나, 전극 표면 설계만으로 배터리 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다.
우리 대학은 생명화학공학과 이진우·임성갑 교수 연구팀이 전극 표면에 두께 15나노미터(nm)의 초극박 인공 고분자층을 도입해, 무음극 금속 전지의 최대 약점인 계면 불안정성 문제를 근본적으로 해결했다고 4일 밝혔다.
무음극 금속 전지는 음극에 흑연이나 리튬 금속 대신 구리 집전체만 사용하는 단순 구조를 갖는다. 이로 인해 기존 리튬이온전지 대비 30~50% 높은 에너지 밀도, 낮은 제조 비용, 공정 단순화라는 장점이 있지만, 초기 충전 과정에서 리튬이 구리 표면에 직접 쌓이며 전해질이 빠르게 소모되고 불안정한 보호막(SEI)이 형성돼 수명이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.
연구팀은 전해질 조성을 바꾸는 대신, 문제가 시작되는 전극 표면 자체를 설계하는 전략을 선택했다. iCVD(개시제 기반 화학증착) 공정을 이용해 구리 집전체 위에 균일한 초박막 고분자층을 형성한 결과, 이 층이 전해질과의 상호작용을 조절해 리튬 이온 이동과 전해질 분해 경로를 정밀하게 제어하는 것으로 나타났다.
기존 전지에서는 전해질 용매가 분해되며 부드럽고 불안정한 유기물 보호막이 형성돼 리튬이 고르게 쌓이지 않고 가시처럼 뾰족한 수지상이 쉽게 자랐다. 반면 이번 연구에서 개발된 고분자층은 전해질 용매와 잘 섞이지 않아, 용매 대신 염 성분의 분해를 유도했다. 그 결과 단단하고 안정적인 무기물 보호막(SEI)이 형성되며 전해질 소모와 과도한 보호막 성장이 동시에 억제됐다.
연구진은 오페란도(operando) 라만 분석과 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 전지 작동 중 전극 표면에 음이온이 풍부한 환경이 형성되고, 이것이 안정적인 무기물 보호막 생성으로 이어진다는 메커니즘을 규명했다.
이번 기술은 전해질 조성 변경 없이 전극 표면에 얇은 층만 추가하는 방식으로, 기존 공정과의 호환성이 높고 비용 부담도 적다. 특히 iCVD 공정은 롤투롤 방식의 대면적 연속 생산이 가능해, 연구실 수준을 넘어 산업적 대량 생산에 적합하다.
이진우 교수는 “이번 연구는 새로운 소재 개발을 넘어, 전극 표면 설계를 통해 전해질 반응과 계면 안정성을 제어할 수 있다는 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고에너지 배터리 시장에서 무음극 리튬 금속 전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술”이라고 밝혔다.
이번 연구에는 KAIST 생명화학공학과 이주현 박사과정생과 김진욱 박사후 연구원이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 ‘줄(Joule)’에 2025년 12월 10일 게재됐다.
※ 논문명 : A Strategic Tuning of Interfacial Li+ Solvation with Ultrathin Polymer Layers for Anode-Free Lithium Metal Batteries 저자 정보 : 이주현 (KAIST, 공동 제1 저자), 김진욱 (KAIST, 공동 제1 저자) 및 이진우 (KAIST, 교신저자), 임성갑 (KAIST, 교신저자) 포함 총 18 명, DOI : 10.1016/j.joule.2025.102226
한편, 이번 연구는 KAIST와 LG에너지솔루션이 공동 설립한 ‘프론티어 리서치 랩 (Frontier Research Laboratory)’에서 수행되었으며, 또한 한국연구재단(NRF) 중견연구사업, 산림청(한국임업진흥원) 목재자원의 고부가가치 첨단화 기술개발사업, KAIST 장영실 Fellowship 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
2026.01.05 조회수 1146 -
동물 성분 없는 장 줄기세포로 난치성 장 질환 치료 길 열었다
환자 자신의 세포로 만든 장 줄기세포(Intestinal Stem Cells, ISCs)는 거부 반응이 적어 난치성 장 질환 치료의 새로운 대안으로 주목받아 왔다. 하지만 지금까지는 동물 유래 성분(이종 성분)에 의존한 배양 방식 때문에 안전성과 규제 문제로 임상 적용에 한계가 있었다. 우리 대학 연구진은 동물 성분 없이도 장 줄기세포를 안정적으로 키우고, 손상 조직으로의 이동과 재생 능력까지 높이는 첨단 배양 기술을 개발했다.
우리 대학은 생명화학공학과 임성갑 교수 연구팀이 한국표준과학연구원(KRISS 원장 이호성) 나노바이오 측정그룹 이태걸 박사 연구팀, 한국생명공학연구원(KRIBB 원장 권석윤) 줄기세포 융합연구센터 손미영 박사 연구팀과 공동 연구를 통해, 무이종(Xenogeneic-Free) 환경에서 장 줄기세포의 이동과 재생 능력을 획기적으로 향상시키는 고분자 기반 배양 플랫폼을 개발했다고 23일 밝혔다.
공동연구팀은 줄기세포 치료제의 임상 적용을 가로막아 온 ‘쥐 섬유아세포나 매트리젤(Matrigel)’ 등에서 나온 성분이 바이러스 등으로 인해 환자에게 이식될 경우 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해, 동물 유래 물질 없이도 사용 가능한 고분자 기반 배양 표면 기술 ‘PLUS(Polymer-coated Ultra-stable Surface)’를 개발했다.
PLUS는 기상 증착 방식으로 코팅된 합성 고분자 표면으로, 표면 에너지와 화학 조성을 정밀하게 제어해 장 줄기세포의 부착력과 대량 배양 효율을 크게 높였다.
특히 상온에서 3년간 보관 후에도 동일한 배양 성능을 유지해, 줄기세포 치료제의 산업적 확장성과 보관 편의성까지 확보했다.
연구팀은 단백체(Proteomics) 분석*을 통해 PLUS 환경에서 배양된 장 줄기세포에서 세포 골격 재구성과 관련된 단백질 발현이 크게 증가한다는 사실을 규명했다.
* 단백체(Proteomics) 분석: 세포나 조직 안에 존재하는 모든 단백질의 종류와 양 변화를 한꺼번에 분석하는 방법
특히 세포 골격 단백질 결합과 액틴(Actin) 결합 단백질의 발현이 증가하면서, 세포 내부 구조가 안정적으로 재편되고 줄기세포가 기판 위에서 더 빠르고 활발하게 이동할 수 있는 힘의 원천이 형성됨을 확인했다.
홀로토모그래피 현미경을 이용한 실시간 관찰 결과, PLUS 위에서 배양된 장 줄기세포는 기존 표면 대비 약 2배 빠른 이동 속도를 보였다. 또한 손상된 조직 모델에서는 일주일 만에 절반 이상을 복구하는 뛰어난 재생 성능이 확인됐다.
이는 PLUS가 줄기세포의 세포 골격 활동을 활성화해 실질적인 조직 재생 능력까지 끌어올린다는 점을 입증한 결과다.
이번에 개발된 PLUS 배양 플랫폼은 인간 만능줄기세포(hPSC)로부터 유도된 장 줄기세포의 안전한 대량 배양과 임상 적용 가능성을 크게 높일 기술로 평가된다.
이종 성분 없는 환경에서 줄기세포의 생존·이동·재생 능력을 동시에 강화하는 메커니즘을 규명함으로써, 줄기세포 치료제의 안전성·규제·생산성 문제를 근본적으로 해결할 기반을 마련했다.
임성갑 KAIST 교수는 “이번 연구는 줄기세포 치료제의 임상 적용을 가로막던 이종 성분 의존성을 해소하고, 줄기세포의 이동과 재생 능력을 극대화하는 합성 배양 플랫폼을 제시한 성과”라며 “재생 의학 분야의 패러다임 전환을 이끌 계기가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 박성현 박사(KAIST), 선상유 석사과정(KAIST), 손진경 박사(KRISS)가 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 11월 26일 자 온라인판으로 게재됐다.
※논문명: Tailored Xenogeneic-Free Polymer Surface Promotes Dynamic Migration of Intestinal Stem Cells, DOI: 10.1002/adma.202513371
본 연구는 과학기술정보통신부, 중소벤처기업부, 한국연구재단, 국가과학기술연구회, 한국표준과학연구원, 한국생명공학연구원, 나노종합기술원의 지원을 받아 수행됐다.
2025.12.23 조회수 839 -
"좋으라고 넣었는데"...KAIST, 전기차 하이니켈 배터리 성능 저하 원인 밝혀
리튬이온 배터리 중에서도 고에너지형 전기차에 주로 사용되는 하이니켈 배터리는 에너지 밀도가 높지만 성능 저하가 빠르다는 한계를 안고 있다. 우리 대학 연구진은 하이니켈 배터리가 빠르게 망가지는(열화되는) 근본 원인을 세계 최초로 규명하고, 이를 해결할 새로운 접근법을 제시했다.
우리 대학은 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 신소재공학과 서동화 교수 연구팀과 함께, 그동안 배터리의 안정성과 수명 향상을 위해 사용돼 온 전해질 첨가제 ‘석시노니트릴(CN4)’이 하이니켈 배터리에서는 오히려 성능 저하를 일으키는 핵심 원인임을 밝혀냈다고 3일 밝혔다.
배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 오가며 전기가 만들어진다. 리튬 이동을 돕기 위해 전해질에는 소량의 CN4가 들어가는데, 연구팀은 두 개의 니트릴(-CN) 구조를 가진 CN4가 하이니켈 양극 표면의 니켈 이온과 지나치게 강하게 달라붙는다는 사실을 컴퓨터 계산으로 확인했다.
니트릴 구조는 탄소와 질소가 삼중 결합으로 묶여 있는, 금속 이온과 잘 달라붙는 ‘갈고리’ 같은 구조다. 이 강한 결합 때문에 양극 표면에 형성돼야 할 보호막 역할의 전기이중층(EDL)이 무너지고, 충·방전 과정에서 양극 구조가 뒤틀리며(얀-텔러 왜곡, Jahn-teller distortion) 심지어 양극 전자까지 CN4로 빠져나가 양극이 빠르게 손상된다.
이 과정에서 새어 나온 니켈 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동해 표면에 쌓이는데, 이 니켈은 전해질을 더 빨리 분해하고 리튬까지 낭비시키는 ‘나쁜 촉매’처럼 작용해 배터리 열화를 더욱 가속시킨다.
여러 분석 결과, CN4가 하이니켈 양극 표면을 니켈이 부족한 비정상적인 층으로 바꾸고, 안정적이어야 할 구조를‘암염 구조’라는 비정상적 형태로 변형시키는 현상도 확인됐다.
즉 LCO 배터리(리튬코발트산화물)에서는 유용한 CN4가, 니켈 비율이 높은 하이니켈 배터리에서는 오히려 구조를 무너뜨리는 양면성을 가진 물질임을 증명한 것이다.
이번 연구는 단순한 충·방전 조건 조절을 넘어, 금속 이온과 전해질 분자 사이에서 실제로 어떤 전자 이동이 일어나는지까지 규명한 정밀 분석이라는 점에서 큰 의미를 갖는다. 연구진은 이 성과를 바탕으로 하이니켈 양극에 최적화된 새로운 전해질 첨가제 개발에 나설 계획이다.
최남순 교수는 “배터리 수명과 안정성을 높이려면 분자 수준의 정밀한 이해가 필수”라며 “이번 연구가 니켈과 과도하게 결합하지 않는 새로운 첨가제 개발의 길을 열어, 차세대 고용량 배터리 상용화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.
생명화학공학과 최남순 교수, 한승희, 김준영, 이기훈 연구원과 신소재공학과 서동화 교수, 김재승 연구원이 공동 제 1저자로 진행한 이번 연구는 저명한 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터즈(ACS Energy Letters)’에 11월 14일 온라인 게재되었으며 커버 논문으로 선정되었다.
※논문명 : Unveiling Bidentate Nitrile-Driven Structural Degradation in Ultra-High-Nickel Cathodes,
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02845
이번 연구는 삼성 에스디아이(Samsung SDI)의 지원을 받아 수행됐다.
2025.12.03 조회수 2270 -
박테리아로 무지개색 친환경 섬유 만들었다
친환경 섬유 기술이 지속적으로 개발되어 왔지만, 다양한 색상을 가진 섬유를 단일 공정으로 생산하는 기술은 그동안 불가능에 가까웠다. 우리 대학 연구진은 이 한계를 넘어, 박테리아가 스스로 섬유도 만들고 색도 만들어 무지개색 친환경 섬유를 박테리아 공배양(두 가지 이상의 미생물을 같은 환경에서 동시에 배양)으로 세계 최초로 생산하는데 성공했다. 이번 기술은 기존의 석유 기반 염색 공정을 대체할 수 있는 잠재력을 지니며, 대량 생산 가능성까지 확인돼 지속 가능한 섬유 및 착용형 바이오 소재 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
우리 대학은 19일, 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 다양한 색상의 박테리아 셀룰로오스(색이 입혀진 미생물 섬유)를 단일 공정(원스텝)으로 생산하는 모듈형 공배양 플랫폼을 세계 최초로 개발했다고 19일 밝혔다.
박테리아 셀룰로오스는 특정 박테리아(주로 콤마가타이박터 자일리누스, Komagataeibacter xylinus)가 영양분을 소비하며 스스로 합성하는 천연 고분자 섬유다. 높은 순도와 강도, 우수한 보습력을 갖춘 데다 생분해성까지 갖춰 기존의 석유 기반 섬유를 대체할 수 있는 친환경 소재로 주목 받고 있다.
하지만 기본적으로 색이 거의 흰색에 가까워 섬유 산업에서 요구하는 다양한 색상을 구현하기 어렵다는 한계가 있었다. 또한 기존 염색 공정은 석유 유래 염료와 독성 시약에 의존해 환경오염 우려가 크고, 공정 역시 복잡하다는 문제가 지속적으로 제기돼 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 시스템 대사공학 기반의 색소 생합성 기술과 박테리아 셀룰로오스 생산균의 ‘공배양 전략(한 미생물은 색소를 만들고 다른 미생물은 섬유(셀룰로오스)를 만들면 두 기능이 하나의 공정 안에서 자연스럽게 결합된 전략)을 통합한 ’원스텝 제조 플랫폼(복잡한 여러 단계를 하나의 공정으로 통합해 한 번에 생산하는 기술)‘을 구축했다.
즉 연구팀은 색을 만드는 대장균과 섬유를 만드는 박테리아를 함께 키워, 박테리아가 자라면서 자연스럽게 색이 입혀진 섬유가 한 번에 만들어지도록 하는 새로운 기술을 만든 것이다.
이를 통해 별도의 화학적 염색 없이 적색·주황·황색·녹색·청색·남색·자색 등 전 스펙트럼의 무지개색 섬유를 친환경적으로 생산하는 데 성공했다.
핵심 기술은 색소를 생산하는 대장균 균주를 고도설계해 천연 색소를 과량 생산하고 세포 외부로 효율적으로 분비하도록 한 것이다.
기존에는 대장균이 색소를 너무 많이 만들면 그 색소가 세포 안에 쌓여서 대장균이 스스로 힘들어하는 문제가 있었다. 연구팀은 대장균의 몸(세포막) 구조를 조절해, 대장균이 만든 색소를 밖으로 잘 배출하도록 길을 열어준 것이다. 그 결과, 대장균은 부담 없이 색소를 더 많이, 더 빠르게 만들어 낼 수 있게 됐다.
자연계에서 보라색 색소는 분자 구조가 복잡해 미생물이 스스로 대량으로 합성하기 어렵다. 이 때문에 ‘보라색의 안정적 대량 생산’ 자체가 고도화된 생명공학 기술력을 입증하는 중요한 지표로 평가된다.
보라색을 내는 비올라세인·디옥시비올라세인은 단순 색소가 아니라 항산화, 항염, 항균, 항암 가능성까지 연구되는 기능성 바이오 소재이며 의약·화장품 산업에서도 가치가 높다.
보라색(비올라세인 계열)은 생합성 경로가 복잡해 생산 효율을 높이는 데 기술적 난이도가 매우 높은데 연구팀은 세계 최고 수준(16.92 g/L)*으로 생산했다는 것은 이 플랫폼이 극도로 높은 생산성·기술적 성숙도를 갖고 있음을 보여주는 핵심 근거다.
*디옥시비올라세안(deoxyviolacein) 16.92 ± 0.10 g/L, 비올라세안(violacein) 8.09 ± 0.17 g/L, 프로비올라세안(proviolacein) 1.82 ± 0.07 g/L, 프로디오시비올라세안(prodeoxyviolacein) 936.25 ± 9.70 mg/L
연구팀은 섬유를 만드는 박테리아와 색을 만드는 대장균을 함께 키워서, 박테리아가 자라면서 자연스럽게 다양한 색이 섬유에 입혀지도록 만드는 기술을 만들었다. 여기에 빨강·주황·노랑 색소를 만드는 기존 카로테노이드 생산 균주도 이용하여, 결과적으로 무지개 전 색상의 친환경 섬유를 한 번에, 화학 염색 없이 만들어낼 수 있음을 보여줬다.
이번 기술은 기존 섬유 염색 공정을 대체할 수 있을 만큼 높은 잠재력을 지니고 있으며, 현장 공정에도 적용 가능한 대량 생산 가능성을 제시했다. 연구팀은 이를 통해 지속 가능한 섬유, 착용형 바이오소재 등 다양한 기능성 생체소재 생산에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이상엽 특훈교수는 “지속 가능한 섬유 및 바이오소재에 대한 수요가 증가하는 가운데, 이번에 개발한 통합 생물제조 플랫폼은 다양한 기능성 소재를 별도의 화학 처리 없이 단일 단계에서 생산할 수 있는 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 생명화학공학과 주항서(Zhou Hengrui) 박사과정생이 제 1저자로 참여한 논문으로, ‘Trends in Biotechnology’에 11월 12일 게재됐다.
※ 논문명: One-pot production of colored bacterial cellulose ※ 저자: 이상엽(KAIST, 교신저자), Zhou Hengrui(KAIST, 제1저자), Lin Pingxin(KAIST, 제2저자), 정기준(KAIST, 제3저자) 총 4명 DOI: 10.1016/j.tibtech.2025.09.019
이번 연구는 KAIST 이상엽 특훈교수 연구팀에 의해 과학기술정보통신부가 지원하는 기후환경연구개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제’의 지원을 받아 수행됐다.
2025.11.19 조회수 1779 -
이상엽 특훈교수, 국제공학기술학회(IETI) 최고등급 펠로 선정
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 국제공학기술학회(IETI, International Engineering and Technology Institute)로부터 가장 높은 등급의 펠로우인 ‘로리에이트 디스팅귀시드 펠로(Laureate Distinguished Fellow)’로 선정됐다.
이상엽 교수는 지속가능한 바이오 기반 화학제품 생산 연구를 선도해 온 세계적 생명공학자로, 2018년 ‘에니상(ENI Award)’을 수상한 바 있다. 이번 선정을 통해 그는 노벨상·필즈상·튜링상 수상자 등세계 최고 석학들과 어깨를 나란히 하게 됐다.
IETI는 2015년 홍콩에 설립된 국제 학술단체로, 공학·기술·과학 분야의 혁신과 국제 협력을 촉진하기 위해 설립됐다. 이 학회는 매년 전 세계에서 학문적 영향력이 큰 연구자들을 선발해 로리에이트 디스팅귀시드 펠로(Laureate Distinguished Fellow), 디스팅귀시드 펠로(Distinguished Fellow), 펠로(Fellow) 등 세 등급으로 나누어 임명한다. 이상엽 교수는 이 중에서도 가장 높은 명예 등급에 이름을 올렸다.
2025년에는 총 70명의 신임 펠로가 선정됐으며, 이 중 노벨상·필즈상·튜링상 등 최고 권위의 수상자들이 포함된 로리에이트 디스팅귀시드 펠로에는 이상엽 교수를 비롯해 하버드대 더들리 허쉬바크(노벨화학상), 구글의 빈트 서프(튜링상), 교토대 시게후미 모리(필즈상) 등 14명이 이름을 올렸다.
IETI는 이번 선정 과정에서 지명 → 자격 검토 → 서류 심사 → 전문가 투표 → 최종 평가의 다섯 단계를 거치는 엄격한 절차를 평가했다고 밝혔다. 또한 새롭게 임명된 펠로들이 각자의 연구 분야에서 학문적 리더십을 발휘하고, 세계 과학기술 혁신과 국제 협력 증진에 기여하기를 기대한다고 전했다.
2025.11.10 조회수 1087 -
생명화학공학과 최민기 교수, ‘11월 과학기술인상’ 수상
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’을 수상한다. 이번 시상은 ‘평화와 발전을 위한 세계과학의 날(11월 10일)’을 기념해 진행된다.
이달의 과학기술인상은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매달 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1,000만원을 수여하는 상이다.
최민기 교수는 친환경 암모니아 합성을 위한 고성능 촉매를 개발해 탄소중립과 수소 경제 전환을 위한 핵심 기술을 마련한 공로를 인정받았다.
암모니아는 비료와 의약품 등 필수 산업 원료일 뿐 아니라 액화가 쉽고 수소 저장 밀도가 높아 재생에너지 기반 수소를 저장·운송할 수 있는 차세대 에너지 매개체로 주목받고 있다. 그러나 현재 상용화된 ‘하버-보슈 공정’은 500℃ 이상, 100기압 이상의 고온·고압이 필요해 막대한 에너지를 소모하고 많은 양의 이산화탄소가 배출되는 한계가 있다.
이에 최 교수는 루테늄(Ru) 촉매와 산화바륨(BaO) 조촉매를 전도성이 높은 탄소 지지체 위에 배치해 양전하와 음전하를 분리 저장하는 새로운 형태의 ‘화학 축전지형 촉매’를 개발했다. 이 촉매는 기존 최고 수준의 촉매 대비 7배 이상 높은 암모니아 합성 성능을 보이며 300℃·10기압의 온건한 조건에서 안정적으로 작동해 상용화 가능성을 입증했다.
최 교수는 “이번 연구는 촉매 반응의 새로운 이론적 틀을 제시했다는 점에서 학문적 의미가 크다”며, “앞으로 친환경 암모니아 합성 기술의 실용화를 통해 식량·에너지·환경 문제 해결에 기여하고 싶다”고 소감을 전했다.
해당 연구는 과기정통부 개인기초연구사업의 지원을 받았으며 지난 2월 국제학술지 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)에 게재됐다. 또한 최 교수는 ACS Catalysis 편집위원으로도 활동하며, 촉매 분야의 학문적 발전에 기여하고 있다.
2025.11.05 조회수 1558 -
미생물로 석유화학산업 핵심 원료 만든다
페트병, 스티로폼, 나일론 등 일상 곳곳에 쓰이는 BTEX(벤젠·톨루엔·에틸벤젠·파라자일렌)은 핵심 원료지만, 지금까지는 석유 정제를 통해서만 얻을 수 있었다. 식물 기반 생산 시도는 오랫동안 난제로 남아 있었다. 그러나 KAIST 연구팀이 마침내 석유 대신 폐목재 등 바이오매스 유래의 포도당으로부터 BTEX를 생산하는 데 성공, 차세대 친환경 플라스틱 원료로 가는 길을 열었다.
우리 대학은 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 및 화학과 한순규 교수 공동 연구팀이 미생물 발효 공정과 유기화학 반응을 결합하여 포도당, 글리세롤과 같은 재생 가능한 바이오 원료에서 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 파라자일렌 등(BTEX)을 생산하는 공정을 개발하였다고 12일 밝혔다.
우리 대학 연구팀은 석유 정제로 인한 환경 부담과, 복잡한 화학 구조 때문에 식물 기반 BTEX 생산이 어려웠던 문제를 미생물 세포공장과 화학 반응을 융합한 새로운 공정으로 해결했다.
미생물이 포도당, 글리세롤을 이용해 페놀, 벤질알코올 등 산소화된 중간 물질을 만들고, 이를 화학 반응으로 산소를 제거하여 벤젠·톨루엔 같은 BTEX을 얻는 방식이다.
특히 이상엽 교수가 이끌어온 ‘시스템 대사공학 기술’로 미생물의 대사 경로를 새로 설계해 효율을 높였다. 여기에 연구팀은 비밀 병기인 ‘아이소프로필 마이리스테이트(IPM)’라는 특별한 용매를 사용했다.
이 용매는 복잡한 정제 과정 없이 바로 반응 가능하며 끓는점이 높아 BTEX와 쉽게 분리·재활용 가능하다. 덕분에 공정은 단순해지고 효율은 크게 올랐다.
이번에 구축한 플랫폼은 미생물 대사의 선택성과 화학 반응의 효율성을 결합해 BTEX의 재생 가능한 생산 경로를 마련했다는 점에서 의의가 크며, 앞으로는 미생물이 원료를 더 효율적으로 활용하도록 설계하고, 공정을 산업 규모로 확대하며, 친환경 촉매를 도입해 기술을 한 단계 더 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
녹색성장지속가능대학원 최경록 교수는 “이번 연구는 단순한 BTEX 생산을 넘어, 미생물과 화학 반응을 한 과정에서 통합할 수 있는 새로운 체계를 제시했다”며, “특히 끓는점이 높은 IPM 덕분에 BTEX를 쉽게 분리하고 재활용할 수 있어 석유화학의 지속 가능한 대안이 될 수 있다”고 강조했다.
공동 교신저자인 한순규 교수는 “이번 성과는 잘 쓰이지 않던 용매(IPM) 안에서 미생물 대사공학과 화학 반응이 동시에 잘 작동하도록 한 것이 핵심”이라며, “이로써 기존 촉매와 시약의 한계를 극복할 수 있었다”고 설명했다.
이상엽 특훈교수는 “BTEX 수요는 세계적으로 계속 증가하고 있다”며, “이번 성과는 석유 의존도를 낮추고, 연료·화학 산업의 탄소 발자국을 줄이며, 지속 가능한 원료 공급을 가능하게 하는 중요한 진전”이라고 평가했다.
이번 논문은 미국국립과학원(NAS)이 발행하는 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 10월 2일에 게재됐다.
※ 논문명 : Chemobiological synthesis of benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene from glucose or glycerol, DOI:10.1073/pnas.2509568122
※ 저자 정보 : Zou Xuan(KAIST, 제1 저자), 김태완(KAIST, 제2 저자), Luo Zi Wei(KAIST, 제 3저자), 최경록(KAIST, 제4 저자), 한순규(KAIST, 공동교신저자) 및 이상엽(KAIST, 교신저자) 포함 총 6명
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘차세대 바이오리파이너리를 위한 세포공장 구축 원천기술 개발’ 및 ‘바이오제조 산업 선도를 위한 첨단 합성생물학 원천기술 개발’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.10.13 조회수 2109 -
세계 최초 양자컴퓨팅으로 레고처럼 다공성 물질 설계
다성분 다공성 물질(Multivariate Porous Materials, MTV)은 일종의 ‘레고 블록 집합’과 같이 분자 수준에서 맞춤형 설계가 가능한 소재로, 원하는 구조를 자유롭게 구현할 수 있다. 이를 활용하면 에너지 저장·변환을 비롯해 다양한 응용이 가능해 환경 문제 해결과 차세대 에너지 기술 발전에 크게 기여할 수 있다. 우리 연구진은 여기에 양자컴퓨팅을 세계 최초로 도입해 복잡한 MTV 설계의 난제를 해결했으며, 이를 통해 차세대 촉매·분리막·에너지 저장 소재 개발의 혁신적 길을 열었다.
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 양자컴퓨터를 활용해 수백만 가지 다성분 다공성 물질(이하 MTV)의 설계 공간을 효율적으로 탐색할 수 있는 새로운 프레임워크를 개발했다고 9일 밝혔다.
MTV 다공성 물질은 두 종류 이상의 유기 리간드(링커)와 금속 클러스터와 같은 빌딩 블록 물질 간의 결합을 통해 형성되는 구조로 에너지 및 환경 분야에서 큰 활용 가능성을 갖고 있다. 이는 다양한 구성 조합을 통해 새로운 구조를 설계 및 합성이 가능하고, 대표적으로는 가스 흡착, 혼합가스 분리, 센서, 촉매 등이 있다.
하지만, 구성 성분이 다양해질수록 가능한 조합의 수가 기하급수적으로 늘어나, 기존 방식인 고전 컴퓨터를 이용해 모든 구조를 하나하나 확인하는 방식으로는 복잡한 링커 조합의 MTV 구조의 설계 및 물성 예측이 불가능했다.
연구팀은 복잡한 다공성 구조를 ‘지도 위에 그려진 연결망(그래프)’처럼 표현한 뒤, 각 연결 지점과 블록 종류를 양자컴퓨터가 다룰 수 있는 큐비트로 바꿔 넣었다. 그리고 ‘어떤 블록을 어느 비율로 배치하면 가장 안정적인 구조가 될까?’라는 문제를 양자컴퓨터에게 풀도록 했다.
양자컴퓨터는 동시에 여러 가지 경우를 겹쳐서 계산할 수 있기 때문에, 마치 수백만 가지 레고 집을 한 번에 펼쳐놓고, 그중 가장 튼튼한 집을 빠르게 골라내는 것과 같은 효과를 냈다. 이 덕분에 기존 컴퓨터가 하나씩 다 계산해야 했던 막대한 경우의 수를 훨씬 적은 자원으로 탐색할 수 있다.
또한 연구팀은 실제 보고된 MTV 구조 4가지를 대상으로 실험했는데, 시뮬레이션 뿐만 아니라 IBM 양자컴퓨터에서도 동일한 결과가 나와 ‘실제로도 잘 작동한다”는 가능성을 보여줬다.
앞으로는 이 방법을 머신러닝과 결합해 단순한 구조 설계뿐 아니라 합성 가능성, 가스 흡착 성능, 전기화학적 특성까지 한 번에 고려하는 플랫폼으로 확장할 계획이다.
김지한 교수는 “이번 연구는 복잡한 다성분 다공성 소재 설계의 병목을 양자컴퓨팅으로 해결한 첫 사례”라며, “이번 성과는 탄소 포집·분리, 선택적 촉매 반응, 이온전도성 전해질 등 정밀 조성이 핵심인 분야에서 맞춤형 소재 설계 기술로 폭넓게 응용될 전망이며, 향후 더 복잡한 시스템에도 유연하게 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 생명화학공학과 강신영·김영훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 미국 화학회지(ACS Central Science) 8월 22일자 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명: Quantum Computing Based Design of Multivariate Porous Materials
※ DOI https://doi.org/10.1021/acscentsci.5c00918
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 이종소재지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.09.09 조회수 3397