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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 조회수 6762 -
최민기 교수, 고성능의 이산화탄소 흡착제 개발
〈 최 민 기 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 이산화탄소를 효율적이고 안정적으로 포집할 수 있는 흡착제를 개발했다.
이번에 개발된 이산화탄소 흡착제는 제올라이트와 아민 고분자를 기반으로 해 값싸고 대량 생산이 가능할 뿐 아니라 효율적인 성능과 뛰어난 재생 안정성을 갖는다.
연구 결과는 에너지 및 환경 분야 학술지인 ‘에너지&인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 3월 16일자 온라인 판에 게재됐다.
지구 온난화의 주요 원인인 이산화탄소의 포집을 위한 흡착제 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 에너지 효율이 높고 환경에 무해한 고체 흡착제 중심으로 연구가 이뤄지고 있는데 제올라이트와 아민 고분자 기반의 흡착제가 가장 대표적이다.
그러나 제올라이트 기반 흡착제는 이산화탄소와 수분이 동시에 존재하는 경우 수분을 우선적으로 흡착하는 한계를 갖는다. 아민 고분자 기반 흡착제는 수분이 존재해도 효율적인 이산화탄소 흡착이 가능하지만 재생을 위해 130oC 이상 열을 가했을 때 요소가 생성돼 심각한 비활성화를 겪는 문제가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 아민 고분자와 제올라이트의 장점을 모두 갖는 ‘아민-제올라이트 복합체’를 개발했다.
암모늄(NH4+)을 골격 외 양이온으로 갖는 제올라이트를 고온 열처리하면 암모니아(NH3)가 제거되고 수소 양이온이 남아 산성 제올라이트가 만들어진다. 이 제올라이트에 염기성을 갖는 에틸렌다이아민 증기를 처리하면 산-염기 반응에 의해 제올라이트 기공 내부에 아민이 기능화되는 원리이다.
이를 통해 이산화탄소 포집 공정에서 효율적으로 이산화탄소를 흡착하는 것을 확인했고, 매우 우수한 재생 안정성을 확인했다. 새로 개발한 흡착제는 제올라이트 내부에서 흡착된 물이 아민의 비활성화를 억제하는 상쇄효과를 보여 안정성을 더욱 높였다.
기존 연구들은 이산화탄소 흡착 성능 향상에만 집중됐지만 이번 연구는 우수한 흡착 성능 뿐 아니라 재생 안정성을 비약적으로 상승시켰다.
최 교수는 “값싸고 대량 생산이 가능한 제올라이트 기반의 흡착제로 실용화가 가능할 것으로 기대된다”며 “합성 방법의 최적화를 통해 더 높은 이산화탄소 흡착 성능을 갖는 흡착제 개발에도 힘쓸 것이다”고 말했다.
전남대학교 응용화학공학과 조성준 교수 연구팀과 공동으로 진행한 이번 연구는 미래창조과학부의 ‘Korea CCS 2020’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 아민-제올라이트 복합체를 이용한 이산화탄소 포집 공정의 개념도
그림2. 연속적인 온도교대흡착 공정에서 흡착제들의 이산화탄소의 흡착능 비교
2016.04.25 조회수 10380 -
KAIST 출신 서명은 박사, 사이언스지 논문 게재
- 미국 미네소타 주립대서 손쉽게 다공성 고분자 물질 만드는 방법 개발 -
우리 학교 화학과 졸업생(지도교수: 김상율)으로 미국 미네소타 주립대에서 박사 후 연구원으로 재직 중인 서명은 박사가 작은 세공이 그물처럼 연결돼 있는 다공성 고분자 물질을 손쉽게 만드는 방법을 개발해 세계적 학술지 ‘사이언스(Science)’ 6월 15일자 온라인판에 실렸다.
이 연구결과는 물속의 미세한 불순물을 선택적으로 제거하는 나노 여과막에 적용하면 정수처리, 하수처리, 해수 담수화 등에 폭넓게 활용될 것으로 전망된다.
서 박사 연구팀은 서로 섞이지 않는 두 고분자로 구성된 블록 공중합체가 미세 상분리를 통해 나노 구조를 형성하는 현상을 이용했다.
그러나 기존 연구와는 달리 블록 공중합체가 합성되는 중에 미세 상분리를 유도해 나노 구조를 형성하는 동시에, 가교 반응을 통해 구조를 굳혀 두 고분자가 서로 섞이지 않으면서도 각각의 고분자는 연속상을 이루는 매우 안정한 나노 구조체를 제조했다.
이렇게 얻어진 나노 구조체 중 한 종류의 고분자를 선택적으로 제거해 열적・기계적으로 높은 안정성을 갖는 다공성 고분자 물질을 얻는 데 성공했다.
서명은 박사는 “이번 연구결과는 블록 공중합체를 구성하는 고분자의 길이를 조절함으로써 세공의 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 세공의 크기 분포가 균일하며, 세공의 구조가 물질 전달에 매우 효과적인 그물상 구조인 것이 큰 특징”이라고 말했다.
서 박사는 또 “나노 구조체를 형성하는 과정에서 용매를 사용하지 않고 사용하는 단량체를 거의 전량 소모하기 때문에 별도의 후처리가 필요 없고, 가교 반응이 구조 형성 과정에서 동시에 진행되므로 별도로 가교 반응을 수행할 필요가 없다”고 강조했다.
특히, 이번에 개발한 세공은 3차원적 그물상 구조를 갖고 있다.
따라서 세공의 방향에 따라 물질이동이 어려운 1차원적 원통형 세공에 비해 세공의 방향에 상관없이 물질이 이동할 수 있고, 일부가 막히더라도 돌아서 이동할 수 있는 특성상 물질 전달에 더욱 효과적이다.
다공성 고분자 물질은 기존에 잘 알려진 제올라이트나 메조포러스 실리카 등의 다공성 무기 물질과 같이 표면적이 넓고 일정한 크기의 세공을 지녀 물질의 정제 및 분리 또는 반응에 사용될 수 있는 장점을 갖고 있다.
아울러 비약적으로 발달한 고분자 합성 및 공정 기술을 바탕으로 응용 분야에 알맞은 화학적 구조와 물성을 갖는 고분자 골격 및 표면을 구현할 수 있고 나아가 원하는 형태로 물질을 가공할 수 있을 것으로 기대돼 학술적∙산업적으로 매우 높은 가치가 있는 것으로 평가받고 있다.
한편, 서 박사는 98년 KAIST 화학과에 입학해 석사, 박사학위를 모두 KAIST에서 받은 토종 국내파 박사로, 2008년에 졸업해 미네소타 주립대 화학과 마크 힐미어(Marc A. Hillmyer) 교수 연구팀에서 박사 후 연구원으로 일해 왔다.
2012.06.26 조회수 10885 -
유룡 교수, 벌집 모양 규칙적 구조의 제올라이트 개발
- 사이언스誌 발표,“제올라이트 학계의 20여년 숙원 과제 해결!”-
우리 학교 화학과 유룡 교수 연구팀은 벌집모양의 메조나노기공과 보다 미세한 크기의 마이크로나노기공이 규칙적으로 배열되어 있는 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’ 신물질을 개발하는데 성공하였다.
유 교수팀은 2009년 나노판상형태의 초박막 제올라이트 물질을 합성하여 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처誌에 게재한데 이어, 벌집모양의 메조나노기공을 갖는 제올라이트 물질의 개발 성과로 사이언스誌 2011년 7월호(7월 15일자)에 논문을 게재하여 제올라이트 연구의 우수성과 학술적 중요성을 모두 인정받았다.
제올라이트는 가솔린 생산을 비롯하여 석유화학산업 전반에 걸쳐 세계적으로 가장 널리 이용되는 촉매물질이다. 촉매는 다양한 화학 반응에서 사용되어 반응을 촉진시킴은 물론, 반응 시간을 단축시켜 경제성을 높이는 데 활용되는 물질이다. 화학 산업 분야에서 사용되는 촉매 물질들은 사용 후 분리를 용이하게 하기 위해 주로 고체 형태로 이루어진 촉매를 사용하는데, 제올라이트는 현재 사용되고 있는 다양한 고체 촉매들 중에서 40% 이상을 차지할 정도로 매우 높은 비율로 다양한 화학 산업 전반에 걸쳐 이용되고 있는 물질이다. 때문에, 제올라이트의 촉매 효율을 높일 경우, 이에 따른 경제적 효과는 막대하다고 할 수 있다.
기존에 산업 전반 분야에 사용되고 있는 일반 제올라이트 촉매 물질들은 내부에 무수한 미세구멍(나노세공)들이 규칙적으로 뚫려 있지만 그 직경이 매우 작아 반응 대상 분자의 확산 속도가 느리기 때문에 촉매활성이 낮은 단점이 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 미세한 마이크로나노기공과 그 보다 큰 직경의 메조나노기공이 동시에 규칙적으로 배열*되어 있는 제올라이트 물질을 합성하였다. 이러한 구조의 물질은 제올라이트 학계에서 수많은 연구자들이 합성하고자 지난 20여 년 이상을 시도해온 물질로서, 이번에 유 교수팀이 드디어 제올라이트 학계의 20여 년 동안의 숙원 과제를 해결하는 방법을 제시한 것이다. * 작은 도로만 있어 교통체증이 심한 대도시에 큰 도로와 작은 도로를 유기적으로 구성하는 도시계획을 수립, 시행함으로써 원활한 교통 흐름을 만들어 내는 원리와 같다. 크고 작은 나노세공이 유기적으로 연결된 제올라이트 내부에서 분자의 흐름이 훨씬 수월해진다.
이번에 개발한 제올라이트 물질은 연구팀이 특수 설계한 계면활성제를 사용하여 합성할 수 있었다. 이 계면활성제는 머리 부분에 제올라이트 마이크로 기공 유도체를 포함하여 제올라이트 골격의 형성을 유도하고, 소수성 꼬리 부분은 제올라이트의 마이크로 기공보다 더 큰 메조 기공을 벌집 구조 모양으로 배열할 수 있도록 하였다. 지금까지 알려져 있는 제올라이트 합성 원리는 하나의 기공 유도 분자가 하나의 매우 작은 마이크로 기공을 유도했던 반면에, 본 연구팀이 개발한 방법은 하나의 분자가 서로 다른 크기의 기공을 규칙적으로 유도한다는 점에서 기존의 방법과 차별화된다.
유교수팀이 세계 최초로 2009년에 개발한 2 nm 극미세 두께의 나노판상형 제올라이트가 2차원적인 형태로 이루어진 물질이었다면, 이번에 합성에 성공한 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’는 3차원적 구조 규칙성을 띤 나노구조물로 지금까지 볼 수 없었던 이상적이고 안정적인 벌집 구조를 갖고 있다.
때문에, 새로 개발한 제올라이트는 산업적으로는 중요하지만 커다란 분자 크기 때문에 기존의 제올라이트를 사용하기 쉽지 않았던 물질의 촉매로 사용할 수 있게 되었다.
유룡 교수는 “이번에 개발한 제올라이트는 지금까지 볼 수 없었던 이상적이고 안정적인 기공구조를 갖고 강한 산성을 띠고 있어 기존의 제올라이트의 단점을 충분히 보안한 물질이다. 따라서 앞으로 산업적으로 중요한 많은 고부가 가치 반응에서 고성능 촉매로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 뿐만 아니라, 이번 연구를 통해 본 연구단이 개발한 합성 방법이 여러 종류의 제올라이트에도 적용이 가능함을 보이면서 앞으로 200여 가지가 넘는 기존의 제올라이트들의 단점도 해결할 수 있을 것이다.”고 연구의의를 밝혔다.
이번 논문의 제1저자인 나경수 박사는 성균관대학교 화학과를 조기졸업하고 KAIST에서 석사와 박사를 4년 반만에 마친 수재다. 지난 2월에는 KAIST 우수 박사학위 논문상을 수상하기도 했으며, 현재 유룡 교수가 맡고있는 KAIST 화학과 기능성 나노물질 연구단에서 박사후 과정 중이다.
[그림1] ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’의 주사 전자현미경 사진. 균일한 두께와 길이의 뾰족한 바늘 모양의 결정들이 전 영역에 걸쳐 고루 존재하는 것을 볼 수 있다.
[그림2] ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’의 투과 전자현미경 사진
2011.07.15 조회수 15082 -
유룡·안철수교수, 미래를 이끌 50인 선정
우리학교 화학과 유룡 특훈교수와 기술경영전문대학원 안철수 석좌교수가 서울경제신문이 주관한 미래를 이끌 50인에 선정됐다.
대학교수 중에는 유일하게 우리학교에서 두 명의 교수가 선정됐다.
유교수는 석유화학공정에서 필수 촉매로 이용되고 있는 제올라이트 합성 분야의 세계적 학자다. 수 나노미터 크기의 구멍이 규칙적으로 뚫린 이산화규소 물질을 거푸집으로 만들어 그 안에서 분자나 원자를 조립시킨 다음 거푸집을 없애는 방식으로 나노 구조물을 합성하는 이른바 "나노 거푸집 합성법"을 세계 최초로 창안했다.
안교수는 지난 1988년 서울대 의대 박사과정중 컴퓨터 바이러스를 퇴치하기 위한 V3 백신을 개발했다. 1995년 안철수 컴퓨터바이러스연구소를 설립한 후 10년간 안철수 연구소 대표로 일하며 국내 보안업계의 성장을 주도했다. 안 교수는 대학생들이 가장 존경하는 기업인으로 손꼽히며 각종 방송프로그램에 출연할 때마다 "안철수 신드롬"을 일으키기도 했다.
그밖에 대학교수로는 김빛내리 서울대 생명과학부 교수, 장항석 연세대 의과대학 교수, 신관호 고려대 경제학과 교수가 선정됐다.
2010.08.03 조회수 13192 -
유룡 교수 국제 제올라이트학회 브렉상 수상
우리학교 유룡(劉龍, 55세) 특훈교수가 3년에 한 번씩 국제제올라이트학회에서 수여하는 ‘제올라이트 연구 분야의 노벨상’인 브렉상(Breck Award)을 수상했다.
역대 수상자 중 한국인으로는 유 교수가 처음이다. 수상식은 지난 8일(목) 이탈리아 소렌토에서 열린 국제제올라이트학회-국제메조구조물질학회 공동 심포지엄에서 진행됐다.
유 교수는 마이크로나노기공(0 nm<기공크기<2 nm)과 메조나노기공(2 nm<기공크기<50 nm)을 위계적으로 연결시킨 새로운 나노다공성 구조의 제올라이트 촉매 물질개발 연구로 학계에 커다란 주목을 받고 있다.
특히, 유 교수는 제올라이트 구조를 유도할 수 있는 관능기를 부착한 계면활성제 분자를 이용하는 새로운 방법을 통해 학술적으로 가능한 최소 결정 크기에 해당하는 ‘단일단위격자’ 약 2 nm 두께의 극미세 제올라이트 나노판 합성에 성공했고, 이렇게 합성한 물질을 석유화학 촉매로 이용하면 기존 제올라이트가 가지는 촉매로서의 수명을 5배 이상 연장시킬 수 있는 가능성을 제시했다.
학회는 이러한 유 교수의 최근 연구업적을 높이 평가해 2010년도 브렉상 수상자로 결정했다. 유 교수는 또한 같은 연구업적으로 지난 6월 호암재단으로부터 호암상을 수상한 바 있다.
2007년 정부로부터 국가과학자로 선정된 유 교수는 지금까지 총 190여 편에 이르는 연구논문 발표 및 12,000회를 상회하는 논문 피인용을 기록한 국가석학이자 세계적인 화학자이다.
※ 보충자료
Donald W. Breck Award
Donald W. Breck은 제올라이트 분자체 합성분야의 선구자이며, 국제제올라이트학회를 설립하는 데 큰 기여를 하였다. 특히, 1974년에 발행된 그의 저서 “Zeolite Molecular Sieves: Structure, Chemistry, and Use"는 현재까지도 제올라이트를 연구하는 수많은 과학자들의 지침서가 되고 있다. Breck Award는 그가 세상을 떠난 1980년 이후 그의 업적을 기념하려는 취지로 설립되었으며, 그의 소속회사였던 Union Carbide Corp.가 후원하였다. 1983년 제 6회 국제제올라이트학회를 시작으로 3년마다 열리는 국제제올라이트학회에서 ”제올라이트 과학 기술 발전에 중대한 공헌을 한 연구자 또는 연구자들“을 선정하여 수상하고 있다. 지난 30년 동안 총 10번의 수상식, 약 40여명의 수상자들을 배출하였고, 이 분야의 가장 권위 있고 영예로운 상으로서 ‘제올라이트 학계의 노벨상’으로 여겨지고 있다.
유룡 교수 약력
유룡 교수는 1955년도 경기 화성 출생으로 현재 한국과학기술원 화학과 특훈교수로 재직 중이다. 1977년도에 서울대학교 공업화학과에서 학사학위를 받았으며, 1979년도에는 한국과학기술원 화학과에서 석사학위를 받았다. 1986년 1월에는 스탠퍼드 대학교 화학과에서 Micelle Boudart 교수의 지도 하에 ‘제올라이트에 담지된 백금클러스터에 관한 연구’로 박사학위를 취득하였다. 그 후 버클리 소재 캘리포니아 주립대학교에서 Alex Pines 교수의 지도하에 고체상 핵자기 공명에 관한 연구주제로 박사 후 연수연구를 수행하다가 같은 해 11월 한국과학기술대학 화학과에 조교수로 부임하였다. 1990년에 한국과학기술대학이 한국과학기술원에 병합된 후 한국과학기술원 화학과에서 지금까지 부교수와 정교수를 거쳐서 현재 특훈교수로 재직하고 있다. 현재 국제 메조구조물질학회 운영위원, 영국왕립화학회 펠로우, Chemical Communications의 편집위원 활동 등 활발한 국제학술활동을 하고 있다. 2005년도에 ‘대한민국최고과학기술인’상을 수상하였고, 2006년도에 ‘닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인’ 상 등 최근 여러 가지 상을 수상하였다. 특히, 2007년 5월에는 과학기술색인(ISI)을 관장하는 미국의 연구정보 전문업체인 톰슨과학사와 한국과학재단으로부터 “규칙적 나노다공성 탄소물질에 관한 연구 분야 개척”에 관한 공로를 인정받아 “세계수준급연구영역 개척한 한국의 과학자”로 선정되었다.
유룡 교수는 2007년 11월부터 대한민국 국가과학자로 선정되어 ‘기능성 나노물질 연구단’을 이끌며 나노구조 물질과 메조다공성 물질, 금속 나노입자의 합성과 물리화학적 특성 및 이러한 결과를 이용하여 미래의 에너지자원과 친환경적 화학공정 기술을 개발하려는 연구를 수행하고 있다. 주요 국제학술지에 지금까지 190여 편의 학술논문을 게재하였고, 이 논문들은 2010년 현재 12,000회에 가까운 피 인용 횟수를 기록하고 있다 (웹페이지 http://rryoo.kaist.ac.kr/를 참조).
2010.07.12 조회수 15452 -
유룡 특훈교수, ‘호암상 과학상’ 수상자 선정
호암재단은 20일 우리학교 화학과 유룡 특훈교수가 "호암상 과학상"에 선정됐다고 밝혔다.
유 교수는 극미세 나노판상 제올라이트 합성법 개발 등 다양한 종류의 나노 다공성물질 합성분야를 개척해온 세계적인 과학자로 대체에너지 및 친환경촉매 개발 연구에 기여한 공로를 인정받았다.
호암상은 이건희 삼성전자 회장의 부친인 호암 이병철 삼성그룹 창업주를 기리기 위해 1990년 제정됐다. 올해로 20주년을 맞은 이 상은 지금까지 학술 예술 사회 부문에서 뛰어난 업적을 낸 94명의 개인과 7개 단체가 수상했다.
시상식은 오는 6월 1일 오후 3시 서울시 중구 순화동 호암아트홀에서 열린다.
2010.04.20 조회수 11010