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21개 화학반응 동시 분석..AI 신약 개발 판 바꾼다
임산부의 입덧 완화 목적으로 사용됐던 약물인 탈리도마이드(Thalidomide)는 생체 내에서는 광학 이성질체*의 특성으로 한쪽 이성질체는 진정 효과를 나타내지만, 다른 쪽은 기형 유발이라는 심각한 부작용을 일으킨다. 이런 예처럼, 신약 개발에서는 원하는 광학 이성질체만을 선택적으로 합성하는 정밀 유기합성 기술이 중요하다. 하지만, 여러 반응물을 동시에 분석하는 것 자체가 어려웠던 기존 방식을 극복하고, 우리 연구진이 세계 최초로 21종의 반응물을 동시에 정밀 분석하는 기술을 개발해, AI와 로봇을 활용하는 신약 개발에 획기적인 기여가 기대된다.
*광학 이성질체: 동일한 화학식을 가지며 거울상 관계에 있으면서 서로 겹칠 수 없는 비대칭 구조로 존재하는 분자 쌍을 말한다. 이는 왼손과 오른손처럼 형태는 유사하지만 포개어지지 않는 관계와 유사하다.
우리 대학 화학과 김현우 교수 연구팀이 인공지능 기반 자율합성* 시대에 적합한 혁신적인 광학이성질체 분석 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 이번 연구는 다수의 반응물을 동시에 투입해 진행하는 비대칭 촉매 반응을 고해상도 불소 핵자기공명분광기(19F NMR)를 활용해 정밀 분석한 세계 최초의 기술로, 신약 개발 및 촉매 최적화 등 다양한 분야에 획기적인 기여가 기대된다.
* 인공지능 기반 자율합성: 인공지능(AI)을 활용해 화학 물질 합성 과정을 자동화하고 최적화하는 첨단 기술로, 미래 실험실의 자동화 및 지능형 연구 환경을 구현할 핵심 요소로 주목받고 있다. AI가 실험 조건을 예측·조절하고 결과를 해석해 후속 실험을 스스로 설계함으로써 반복 실험 수행 시 인간 개입을 최소화해 연구 효율성과 혁신성을 크게 높인다.
현재 자율합성 시스템은 반응 설계부터 수행까지는 자동화가 가능하지만, 반응 결과 분석은 전통적 장비를 활용한 개별 처리 방식에 의존하고 있어 속도 저하와 병목 현상이 발생하며 고속 반복 실험에는 적합하지 않다는 문제점이 제기돼 왔다.
또한, 1990년대에 제안된 다기질 동시 스크리닝 기법은 반응 분석의 효율을 극대화할 전략으로 주목받았지만, 기존 크로마토그래피 기반 분석법의 한계로 인해 적용 가능한 기질 수가 제한적이었다. 특히 원하는 광학 이성질체만 선택하여 합성하는 비대칭 합성 반응에서는 10종 이상의 기질을 동시에 분석하는 것이 불가능에 가까웠다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 연구팀은 다수의 반응물을 하나의 반응 용기에 투입하여 동시에 비대칭 촉매 반응을 수행한 뒤 불소 작용기를 생성물에 도입하고, 자체 개발한 카이랄 코발트 시약을 적용해 모든 광학 이성질체를 명확하게 정량 분석할 수 있는 불소 핵자기공명분광기(19F NMR) 기반 다기질 동시 스크리닝 기술을 구현했다.
연구팀은 19F NMR의 우수한 분해능과 민감도를 활용해, 21종 기질의 비대칭 합성 반응을 단일 반응 용기에서 동시에 수행하고 생성물의 수율과 광학 이성질체 비율을 별도의 분리 과정 없이 정량 측정하는 데 성공했다.
김현우 교수는 “여러 기질을 한 반응기에 넣고 비대칭 합성 반응을 동시에 수행하는 것은 누구나 할 수 있지만, 생성물 전체를 정확하게 분석하는 것은 지금까지 풀기 어려운 과제였다”며, “세계 최고 수준의 다기질 스크리닝 분석 기술을 구현함으로써 AI 기반 자율합성 플랫폼의 분석 역량 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이어 “이번 연구는 신약 개발에 필수적인 비대칭 촉매 반응의 효율성과 선택성을 신속히 검증할 수 있는 기술로, AI 기반 자율화 연구의 핵심 분석 도구로 활용될 전망이다”라고 밝혔다.
이번 연구에는 우리 대학 화학과 김동훈 석박통합과정 학생(제1 저자), 최경선 석박통합과정 학생(제2 저자) 가 참여했으며, 화학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 에 2025년 5월 27일 자 온라인 게재됐다.
※ 논문명: One-pot Multisubstrate Screening for Asymmetric Catalysis Enabled by 19F NMR-based Simultaneous Chiral Analysis
※ DOI: 10.1021/jacs.5c03446
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 비대칭 촉매반응 디자인센터, KAIST KC30 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.
2025.06.16
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K-약용식물에서 세 단계만에 분자연금술 뚝딱
K-약용식물 추출물에서 단 세 단계 만에 퇴행성 신경질환 등 난치성 신경질환 치료제로 개발가능한 물질인 ‘수프라니딘 B’를 합성하는 ‘분자 연금술’에 성공하여 화제다.
우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 국내 자생 ‘광대싸리’에 극미량 존재하는 고부가가치 천연물을 생체모방 전략을 통해 쉽게 얻을 수 있는 물질로부터 간단하게 합성하는 방법을 개발했다고 1일 밝혔다.
`세큐리네가 알칼로이드'는 국내 자생 약용식물인 ‘광대싸리’에서 발견되는 천연물 군으로, 항암 및 신경돌기 성장 촉진 등 다양한 약리 활성을 보여 수십 년간 합성화학계의 관심을 받아왔다.
이들 물질 군에는 기본 골격으로부터 산화되거나 사슬처럼 연결된 형태를 갖는 100여 종의 초복잡 천연물들이 존재하는데, 상대적으로 간단한 기본 골격체의 합성은 잘 정립되어 있었던 반면, 초복잡 화합물의 합성은 난제로 남아 있었다.
그 중 `수프라니딘(suffranidine) B'도 초복잡 세큐리네가 천연물 중의 하나로, 신경세포의 신경돌기 성장을 촉진해, 퇴행성 신경질환이나 신경 절단 등 현재는 난치성인 신경질환의 치료제로 기대되는 물질이다. 그러나 식물 1 킬로그램(kg)당 추출량이 0.4 밀리그램(mg)에 그칠 정도로 극히 적고 정제 또한 어려워 추가적인 연구에 제한점이 많았다.
한 교수 연구팀은 광대싸리에서 쉽게 대량으로 추출할 수 있는 기본골격을 갖는 세큐리네가 천연물인 알로세큐리닌(allosecurinine)과 시중에서 값싸게 구할 수 있는 누룩산(kojic acid) 유래 물질로부터 단 세 단계 만에 수프라니딘 B를 합성하는 방법을 개발했다.
이번 연구는 수프라니딘 B의 세계 최초 합성으로 쉽게 구할 수 있는 물질로부터 고부가가치 화합물을 간단하게 만들어 낸 일종의 `분자 연금술'이라 볼 수 있다. 수프라니딘 B와 같이 복잡한 천연물을 이렇게 짧은 과정으로 합성해 낸 사례는 몹시 드물다.
생체모방 합성(biomimetic synthesis)은 자연이 천연물을 합성하는 과정(생합성)을 모방해 복잡한 천연물을 합성하는 연구 방식이다. 합성 과정에서 생합성 경로에 존재할 것으로 여겨지는 중간체들의 화학적 반응성을 탐구할 수 있으므로, 해당 물질의 생합성 경로를 더욱 깊게 이해할 기회를 제공한다. 세큐리네가 알칼로이드는 1956년 최초로 발견되었으나 현재까지도 생합성 경로가 밝혀지지 않은 상태다.
한 교수는 "이번 연구로 수프라니딘 B를 간단하게 생산할 수 있게 되었을 뿐 아니라 초복잡 세큐리네가 천연물의 생합성에 대한 이해 또한 높일 수 있었다ˮ며 "고부가가치 국내 자생 약용식물을 합성화학적으로 또는 합성생물학적으로 생산할 수 있는 학문적 토대를 마련했다ˮ고 밝혔다.
KAIST 화학과 강규민 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 화학 분야 저명 국제 학술지인 `미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)' 지난 11월 2일 자에 게재됐다. (논문명 : Synthesis of Suffranidine B)
한편 이번 연구는 KAIST의 도약연구(UP) 및 한국연구재단의 기초연구사업(중견연구)등의 지원을 통해 이뤄졌다.
2023.12.01
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빛에 담긴 비대칭성을 증폭하는 카이랄 초분자 형성원리 규명
우리 대학 화학과 서명은 교수를 주축으로 한 연구팀이 분자 자기조립 시스템에 대한 연구를 통해 빛으로부터 *초분자 나선 방향이 결정되는 원리를 규명했다고 16일 밝혔다.
☞초분자(supermolecule): 분자 간 결합 또는 인력을 통해 둘 또는 그 이상의 작은 분자들이 모여 생성된 거대한 분자들의 집합을 말한다. 효소 등 기능성 생체 분자들도 초분자로 볼 수 있다.
단백질을 이루는 아미노산 분자는 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 겹칠 수 없는 거울상이 존재할 수 있다. 그러나 지구상에서 탄생한 생명은 한 종류의 거울상 아미노산만을 선택해 단일한 *카이랄성을 띠게끔 진화했다. 아미노산에 담긴 카이랄 정보가 단백질로 전달되면 한쪽으로 꼬인 나선과 같이 분자를 넘어선 초분자 수준에서 증폭돼 나타나며, 이는 단일 카이랄성이 만들어지는 데 중요했을 것으로 여겨진다. 즉, 어떻게 카이랄성이 탄생하고 증폭됐는지는 자연이 단일 카이랄성을 지니게 된 이유와 연관 지을 수 있어, 생명의 기원과 깊게 관련된 문제다.
☞ 카이랄(Chiral): 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 다양한 과학 분야에서 비대칭성을 가리키는 용어중 하나다. 이는 어떤 대상의 모양이 거울에 비춘 모양과 일치되지 않을 때 카이랄 성이 존재한다고 일컫는다. (Ex) 오른손 & 왼손)
태초에 같은 양씩 존재했을 거울상 분자 한 쌍 중에 한쪽의 비율이 높아질 수 있는 원인으로 시계 방향 혹은 반대로 회전하면서 나아가는 빛인 원편광이 흔히 거론되는데, 거울상 분자가 원편광을 흡수하는 정도가 서로 다르기 때문이다. 자연적으로 지구에 내리쬐는 원편광은 그 회전 방향이 무작위할 것이므로 분자와 원편광에 담긴 카이랄 정보가 서로 경쟁하는 가운데 어느 순간 한쪽 거울상이 과잉되면서 단일한 카이랄성이 출현했을 것으로 추론할 수 있으나, 분자와 원편광으로부터 카이랄 정보가 동시에 전달될 때 어떤 현상이 일어나는지는 거의 연구된 바 없었다.
우리 대학 서명은 교수 연구팀은 빛에 반응해 자기조립되는 프로펠러 모양의 분자를 찾고, 분자와 빛에 담긴 카이랄 정보가 전달돼 초분자 나선으로 나타날 때 각각 얼마나 효과적인지 연구했다. 먼저 원편광의 회전 방향과 분자 프로펠러 방향이 맞을 때 광화학 반응이 우세하게 일어나고, 이는 자기조립을 유도해 정해진 나선 방향으로 성장함을 밝혔다.
나아가 한쪽 거울상 분자가 과잉된 조건에서 원편광을 쬐어 나선 방향이 어느 쪽을 따라가는지 살핀 결과, 양자의 정보가 일치할 때 초분자 카이랄성이 증폭되고 반대일 때 상쇄되며, 심지어 빛으로 분자 카이랄 정보를 눌러 나선 방향을 반전할 수 있음을 정량적으로 보였다. 또한 일정 비율 이상의 거울상 분자가 축적되면 빛과 관계없이 단일한 나선 방향이 유지되는 것 역시 확인했다.
원편광을 선택적으로 걸러내는 소재는 현재 OLED, 3D 안경 등 디스플레이에 널리 쓰이고 있고, 원편광을 내는 재료 등은 차세대 디스플레이용 소재로 떠오르고 있다. 초분자 나선 구조는 개개의 분자에 비해 원편광을 훨씬 효과적으로 흡수하고 방출할 수 있다. 따라서 초분자 나선 구조를 한번 더 조립하여 분자-초분자-거시적 스케일에서 모두 카이랄성을 띠는 멀티스케일 카이랄 구조체를 구현한다면 카이랄성을 극도로 증폭할 수 있는 소재를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 또한 약물로 쓰이는 화합물은 탈리도마이드처럼 반대 거울상 분자가 기형을 유발하는 등의 부작용을 일으킬 수 있는 만큼, 한쪽 카이랄성만을 가지게끔 합성하는 것이 필수적이다. 멀티스케일 카이랄 구조체는 이러한 비대칭 합성에서도 강력한 카이랄 환경을 제공하여 입체 선택성이 높은 촉매를 제조하거나, 거울상 분자를 효과적으로 검출할 수 있는 센서를 만드는 플랫폼이 될 수 있다.
연구진은 "이번 연구를 통해 빛에 담긴 비대칭성이 어떻게 분자 및 초분자 수준으로 전달되고 증폭될 수 있는지를 이해할 수 있었을 뿐 아니라, 분자에 담긴 정보와 별개로 초분자 카이랄성을 제어할 수 있는 가능성을 보였다는 데 큰 의의가 있다ˮ며, "이번 연구를 발판으로 카이랄 광학 소재, 비대칭 촉매 등 미래 먹거리가 될 수 있는 멀티스케일 카이랄 신소재 개발로 연구를 확장하겠다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 강준수 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 연구를 주도하고, 화학과 김우연 교수, 임미희 교수, 윤동기 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 미국화학회가 발행하는 국제 학술지 `미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 2월 4일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Circularly Polarized Light Can Override and Amplify Asymmetry in Supramolecular Helices)
이번 연구는 한국연구재단(NRF)에서 선정한 선도연구센터인 카이스트 화학과 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터의 지원을 받아 주로 진행됐다.
2022.02.16
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페로브스카이트 LED 소재의 발광 효율 극대화 메커니즘 규명
우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 한밭대학교 홍기하 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 페로브스카이트 LED 나노 소재에서 일어나는 발광 효율의 향상 원인을 이론적으로 규명하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.
할로겐 페로브스카이트 화합물은 태양 빛을 이용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 태양전지에 사용 가능한 소재로 주목받고 있는 물질이다. 한편, LED는 태양전지와는 반대로 전기를 이용해서 빛을 방출하는 장치로서 디스플레이에 널리 사용되고 있다. 놀랍게도 페로브스카이트는 빛을 전기로 변환시키는 효율뿐 아니라 전기를 빛으로 변환시키는 발광 효율 또한 높은 것으로 알려져 차세대 LED 소재로서도 각광받고 있다.
본래 `페로브스카이트'는 러시아 과학자 페로브스키의 이름을 딴 광물 결정 구조의 이름이다. 연구팀은 이러한 페로브스카이트 결정 구조가 내부의 뒤틀림 정도에 따라 다양한 상(phase)을 가질 수 있음에 주목했다. LED 소재로 널리 사용되는 CsPbBr3라는 페로브스카이트 소재는 결정 구조 내부에 뒤틀림이 존재하는데, 이를 작은 나노 구조로 만들게 되면 이러한 뒤틀림이 최소화된 상이 형성된다. 연구팀은 비단열 양자 동역학 시뮬레이션을 이용해 이러한 결정 구조의 뒤틀림 제어가 발광 효율을 높이기 위한 주요 소재 성질 제어 전략임을 밝혔다.
연구진은 "이번 연구를 통해 페로브스카이트의 소재 결정 구조적 특성과 빛을 발생하는 광 동역학적 특성 사이의 복잡한 상관관계를 규명할 수 있었다ˮ고 말했으며 "추후 이러한 이론 기초 연구를 더욱 확장해 페로브스카이트 결정상 제어를 통한 발광 효율 극대화 전략을 도출해내어 페로브스카이트 기반의 고효율 LED 개발에 기여할 수 있을 것ˮ이라고 말했다.
우리 대학 하윤후 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society)' 에 지난해 12월 27일 字 온라인 게재됐다. (논문명: Enhanced Light Emission through Symmetry Engineering of Halide Perovskites).
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 중견연구사업과 선도연구센터 지원 사업, 나노소재기술개발사업으로 진행됐다.
2022.01.12
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미생물 이용한 천연 붉은 색소 생산 기술 최초개발
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 `식용으로 널리 쓰이는 붉은색 천연색소인 카르민산을 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 9일 밝혔다.
이번 연구결과는 국제 학술지인 `미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 4월 2일 字 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Production of carminic acid by metabolically engineered Escherichia coli
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 양동수(한국과학기술원, 제1저자), 장우대(한국과학기술원, 제2저자), 포함 총 3명
카르민산은 붉은색 천연색소로 딸기우유, 사탕 등의 식품과 매니큐어, 립스틱 등 화장품 분야에서 널리 활용되고 있다. 카르민산은 연지벌레 추출을 통해 얻어지는데, 연지벌레는 한정된 지역(페루, 카나리아 제도 등지)에서만 재배할 수 있으며, 연지벌레로부터 카르민산을 추출하기 위해서는 복잡하고 비효율적인 다단계 반응을 거쳐야 한다.
또한, 카르민산은 대부분 연지벌레에서 기인한 단백질 오염물질을 포함하고 있는데 이는 알레르기 반응을 유발할 수도 있으며, 많은 사람이 벌레 기반 물질을 섭취하는 것을 꺼리고 있다. 이러한 이유로 몇몇 프랜차이즈 업체는 카르민산 사용을 중단하고 대체 식용색소를 활용하고 있다.
이에 따라 연지벌레를 사용하지 않는 카르민산 생산 방법 개발의 필요성이 제기됐으나, 카르민산 생합성 경로의 일부가 아직 밝혀지지 않았으며 곰팡이를 제외한 다른 미생물에서 카르민산 생산이 보고된 바가 없었다.
이에 이상엽 특훈교수 연구팀은 포도당으로부터 카르민산을 생산할 수 있는 대장균 균주 개발 연구를 수행했다.
연구팀은 우선 타입 II 폴리케타이드 생합성 효소를 최적화해 카르민산의 전구체(전 단계의 물질)를 생산하는 대장균 균주를 구축했다. 하지만 남은 두 단계의 반응을 수행하기 위한 효소가 아직 발굴되지 않았거나 대장균 내에서 작동하지 않는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 생화학 반응 분석을 통해 카르민산 생산을 위한 효소 후보군을 선정했다. 그 후 세포 배양 실험을 통해 성공적으로 작동하는 효소들을 선정했다.
이렇게 선정된 효소 두 종에 대해 컴퓨터 기반 상동 모형 및 도킹 시뮬레이션을 수행 후 활성이 증대된 돌연변이 효소를 예측했다. 그 후 이에 기반을 둔 효소 개량을 수행함으로써 증대된 활성을 지니는 효소를 개발하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당을 단일 탄소원으로 사용해 카르민산을 생산하는 대장균 균주를 최초로 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
연구팀이 개발한 대사공학 및 가상 시뮬레이션 기반 효소 개량 전략은 생산경로가 규명되지 않은 다른 천연물의 생산에도 유용하게 쓰일 것으로 기대된다. 연구팀은 이번 연구에서 개발한 C-글리코실 전이효소를 적용해 카르민산 뿐만 아니라 알로에로부터 생산 가능했던 미백제인 알로에신 생산에도 세계 최초로 성공함으로써 이를 증명했다.
이상엽 특훈교수는 “연지벌레를 사용하지 않는 카르민산 생산 프로세스를 세계 최초로 개발했으며, 이번 연구는 특히 천연물 생산의 고질적인 문제인 효소 발굴과 개량에 대한 효과적인 해결책을 제시했다는 점에 의의가 있다”며 “이번 기술을 활용해 의학적 또는 영양학적으로 중요한 다양한 천연물을 고효율로 생산할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 '바이오리파이너리를 위한 시스템대사공학 원천기술개발 과제'의 지원을 받아 수행됐다.
2021.04.09
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제1회 KAIST 이머징 소재 심포지엄 개최
우리 대학이 9월 21일(월)부터 25일(금)까지 5일간 `제1회 KAIST 이머징 소재 심포지엄(1st KAIST Emerging Materials e-Symposium)'을 개최한다.
'유망 소재 분야의 빅 아이디어들'을 주제로 열리는 이번 심포지엄에는 2010년 노벨 물리학상 수상자인 안드레 가임(Andre Geim) 교수를 포함해 재료공학·화학·화학공학 분야의 세계적인 석학 21명이 강연자로 참여하며, 온라인 화상회의 프로그램인 줌(Zoom)과 유튜브(Youtube)를 통해 발표와 토론을 진행한다.
이번 심포지엄은 재료공학·화학·화학공학 분야의 혁신적인 기술과 최신 성과를 공유하기 위해 기획되었다. 차세대 애플리케이션용 나노구조, 환경 및 산업 분야에 응용할 수 있는 화학 및 생명공학, 기술 적용을 위한 재료 혁신 등 크게 3개의 주제를 아우르는 아이디어와 주요 이슈를 학생과 엔지니어를 포함한 연구자들에게 제공할 예정이다.
이를 위해, 미국화학회가 발행하는 나노분야 대표적 학술지인 나노학술지(ACS Nano) 편집장 폴 웨이즈(Paul S. Weiss) UCLA 교수, 나노에너지(Nano Energy) 편집장 종린 왕(Zhong Lin Wang) 조지아공대 교수, 에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials) 편집장 후이밍 쳉(Hui-Ming Cheng) 중국 칭화대 교수, 재료 연구 학회지(Account of Materials Research) 편집장 지아싱 황(Jiaxing Huang) 노스웨스턴대 교수 등 4명의 편집장이 신흥 유망 소재 분야의 연구 현황을 발표하고 패널 토론을 통해 국제학술지의 나아갈 방향을 논의한다.
특히, 심포지엄 3일 차인 23일 오후에는 2010년 노벨 물리학상 수상자인 안드레 가임 영국 맨체스터대 교수의 강연이 마련되어 있다. 스카치테이프를 흑연에 붙였다 떼는 방법으로 2차원 그래핀(graphene) 박리에 세계 최초로 성공한 가임 교수는 `첨단 에너지 재료·기능성 나노 재료' 세션의 발표를 맡았다.
높은 전기전도도·열전도도·강도·유연성 등의 물리화학적 특성으로 인해 그동안 꿈의 소재로 불려왔던 그래핀이 트랜지스터·투명 전극·촉매 등의 다양한 분야에 적용되어 점진적으로 실용화 되는 사례 등을 소개할 예정이다.
이 밖에도, 미국화학회지(Journal of American Chemical Society)를 포함해 국제인 권위를 자랑하는 학술지를 담당하는 8인의 부편집장 및 폴 알리비사토스(Paul Alivisatos) UC 버클리 교수, 제난 바오(Zhenan Bao) 스탠퍼드대 교수 등 나노입자 분야와 웨어러블 전자소자 분야의 세계적인 석학 8인도 함께 참여한다.
이번 국제 심포지엄은 ▴나노물질을 이용한 소프트 전자기기 응용, ▴신소재를 이용한 나노구조 제어, ▴신소재 선도 분야 및 최신 나노연구, ▴차세대 에너지 소재 및 기능성 물질, ▴나노 연구의 도전과 기회에 관한 편집장 미팅 등 5일간 7개의 세션에서 열띤 강연이 진행된다.
이와 관련하여 ▴2차원 그래핀 기반 나노 소재, ▴원자 크기의 재료 설계 기술, ▴나노과학 및 나노기술의 미래, ▴화학 반응 및 촉매를 이용한 나노-전자 센서, ▴화학 물질 및 나노 소재용 물질 대사 시스템, ▴생체 피부 모방 고분자 전자 재료 및 디바이스, ▴에너지 소재의 연구 동향 및 미래 등이 핵심 발표 주제로 다뤄진다.
행사의 총괄을 맡은 김일두 석좌교수(KAIST 신소재공학과, ACS Nano 부편집장)는 "코로나19로 전 세계가 어려움을 겪는 상황이지만, 온라인이라는 수단을 통해 국·내외 저명한 석학들과 정보 교류를 강화하고 공동 연구를 실시해 세계 최고의 소재 기술을 개발하는 기회로 활용하고자 이번 심포지엄을 준비했다ˮ고 개최 배경을 밝혔다.
이어, 김 교수는 "재료 및 화학, 생명공학 분야 저명한 석학들이 한자리에 모이는 국제학술 교류의 장을 마련한 만큼 그래핀·맥신 나노 신소재·차세대 에너지 저장 및 발전기술·웨어러블 전자소자 및 바이오 소재 등 최신 미래 기술을 배울 수 있는 소중한 기회가 될 것ˮ이라고 강조했다.
이번 행사는 유튜브 중계를 통해 전 세계에서 최소 10만 명 이상이 참여할 것으로 기대되고 있으며, 심포지엄과 관련한 자세한 정보는 홈페이지(ems.kaist.ac.kr)에서 확인할 수 있다.
신소재·화학·바이오 및 생명 화공 분야 미래 선도 기술들에 대한 최신 연구에 관심이 있는 사람이라면 유튜브 채널( https://www.youtube.com/c/kmaterials )에 접속해 누구나 무료로 시청할 수 있다.
한편, KAIST 신소재공학과는 `2020 QS 세계대학평가 학과별 순위'에서 전 세계 대학 중 19위를 차지한 바 있다.
2020.09.18
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임만성 교수, 뉴클리어 테크놀로지 저널 부편집장 선임
〈 임만성 교수 〉
우리 대학 원자력및양자공학과 임만성 교수가 미국 원자력학회(American Nuclear Society)의 ‘뉴클리어 테크놀로지 저널’ 부편집장(아시아권 담당)으로 임명됐다.
이번 임명을 통해 임 교수는 5월 1일부터 3년간 저널의 부편집장으로 활동하면서 세계 원자력 안전과 발전을 위한 활동을 할 예정이다.
미국 원자력학회는 1954년에 설립돼 현재 전 세계 1만 1천여 명의 회원을 가진 단체로, 원자력 기술의 평화적 이용을 통해 사회를 이롭게 하고 원자력 기술을 발전, 육성, 촉진하고자 노력하는 미국 및 전 세계의 원자력계를 대표하는 비영리 학술 단체이다. 1971년 첫 발간된 뉴클리어 테크놀로지 저널은 핵분열 공학 기술 분야를 대표하는 저널이다.
임 교수는 핵 안보 및 핵 비확산, 원자력안전 (중대사고 대응), 후행 핵 주기, 핵폐기물 관리 분야의 연구를 활발히 수행한 공을 인정받았다.
2014년 핵비확산교육연구센터(NEREC)를 설립하고 과학기술정책대학원과 긴밀히 협력하면서 국내 및 세계의 유수 대학의 원자력 공학도 및 사회 과학도들을 우리대학에 유치해 원자력 기술의 평화적이고 책임감 있는 이용을 위한 핵 정책 연구 및 교육 활동을 진행해 왔다.
임 교수는 "아시아권의 원자력 개발이 현재 세계에서 가장 활발하게 이루어지고 있는 것을 감안할 때 아시아의 첨단 원자력 관련 공학 기술의 연구가 세계 원자력의 안전과 발전에 지속해서 기여하겠다"라고 말했다.
임만성 교수는 2011년 우리 대학 에 부임해 원자력및양자공학과 학과장과 KU-KAIST 교육연구원장을 역임했다.
2019.05.14
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김용훈 교수, 단일 분자 소자의 전극 계면 특성 규명
〈 김 용 훈 교수와 김후성 박사과정, 김한슬 박사 〉
우리 대학 EEWS 대학원 김용훈 교수 연구팀이 10년 이상 나노 분야 주요 난제로 남아있던 단일분자 전자소자의 금속전극-분자 계면 원자구조와 소자특성 간 상관관계를 규명했다.
이번 연구 성과는 국제 과학 학술지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 6월 21일자에 게재됐다.
단일분자 전자소자는 OLED 등을 통해 알려진 유기소자로서 2003년 미국에서 처음 구현됐다. 분자전자소자(molecular electronics)는 차세대 반도체 소자의 후보군으로 관련 연구들이 활발히 수행되고 있다.
분자를 전자소자로 활용하기 위해선 분자-전극 형태의 원자구조가 구체적으로 어떻게 형성되는지 이해하는 것이 중요하다. 분자 전자소자는 크게 분자, 전극, 둘을 잇는 연결자로 구성된다.
2006년 미국 애리조나 대학의 타오(Nongjian Tao) 교수를 포함한 연구팀은 한 종류의 분자에서 여러 개의 전류 값이 나올 수 있음을 규명했으나 그 전류 값의 크기와 개수, 원인 등은 명확히 밝혀지지 않았다.
특히 그 원인에 대해서는 관련된 분자와 금속전극 간 계면의 원자구조가 여러 가지 형태를 띠고 있기 때문이라는 추측만 있었고 명확히 밝혀지지는 않았다.
김 교수 연구팀은 주사탐침현미경 등을 이용해 단분자 소자가 구현되는 과정을 슈퍼컴퓨터를 활용해 재현했다.
접합 구조의 여러 가지 형태를 찾는 것은 결국 황(S) 원자 주변의 금(Au) 원자 몇 개가 어떤 형태로 배열되는지 확인하는 것인데 이것을 배위수(coordination number)라고 부른다.
〈 김 용 훈 교수와 연구팀 〉
연구팀은 분자와 금속 전극 간 결합의 원자구조 배위수에 따라 금속전극 사이에서 전류 값이 변화하는 것을 확인했다. 또한 분자가 당겨질 때 단순히 금속과 분자 사이 결합이 끊어지는 게 아니라 금속전극의 원자구조가 쉽게 변형돼 결국은 금속과 금속 사이의 결합의 끊어지는 것을 규명했다.
일본 오사카 대학의 카와이(T, Kawai) 교수는 위와 같은 김 교수의 이론을 뒷받침하기 위해 소자 인장에 따른 전류의 증가를 포함하는 실험을 수행했다.
한, 일 공동연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 제1원리 계산과 첨단 나노소자 제조 및 측정을 통해 유기 소자의 계면 특성을 원자 수준에서 성공적으로 규명했다. 연구팀은 나노과학-나노기술 분야에서 10년 이상 풀리지 않던 난제를 해결했다.
이번 성과는 향후 OLED, 바이오센서, 유기태양전지 등 다양한 유기소자 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “이번 연구는 나노 분야에서 이론 연구가 실험을 선도하는 역할을 성공적으로 수행함을 보여주는 예가 될 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 나노소재기술사업과 KISTI 슈퍼컴퓨터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 분자 전기전도도 실험 측정방법의 개념도
그림2. 대표적인 세 가지 분자-금속전극 접합 원자구조와 이에 상응하는 외력에 따른 전도도 변화 패턴
2017.07.04
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성풍현 교수, 美 원자력학회 석학회원 선정
〈 성 풍 현 교수 〉
우리 대학 원자력및양자공학과 성풍현 교수가 미국원자력학회(American Nuclear Society)의 석학회원(Fellow)으로 선정됐다.
미국원자력학회는 성 교수의 원자력 계측제어 및 인간공학 분야의 업적과 공헌을 인정해 지난 12일 미국 샌프란시스코에서 열린 연차대회에서 선정을 공표했다.
1954년 설립된 미국원자력학회는 매년 원자력공학 분야의 발전에 탁월하게 기여한 학자를 석학회원으로 선정한다.
성 교수의 원자력 계측제어 및 인간공학 분야 연구는 원전의 안전한 운전과 유사시 원전을 안전하게 유지시키기 위한 시스템, 운전원의 효과적인 대응력 강화 방안 개발 등에 기여했다.
이를 통해 원전의 안전성 향상에 크게 기여했고 세계적으로 업적을 인정받고 있다.
성 교수는 “우리나라가 원전 사업, 연구 등에서 세계적으로 자타가 인정하는 강국이 되어가고 있다”며 “감사하게도 이번에 석학회원으로 선정된 것도 이러한 우리나라 원자력 연구의 우수성을 인정하는 것이 배경이 된 것 같다”고 말했다.
성 교수는 한국원자력학회 회장, 국제학술지 Nuclear Engineering and Technology 편집장, 한국원자력안전위원회 위원을 역임했고 현재 한국원자력진흥위원회 위원으로 활동 중이다.
2017.06.28
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세계경제포럼(WEF), 2017년 10대 떠오르는 기술 선정
세계경제포럼(WEF: World Economic Forum, www.weforum.org )과 미국 대중과학 잡지 사이언티픽 아메리칸(Scientific American)誌가 중국 다롄에서 열리는 하계 다보스 포럼 개막을 하루 앞둔 26일 오후 9시(한국시간 기준) 홈페이지를 통해 ‘2017년 세계 10대 떠오르는 기술들(2017 Top 10 Emerging Technologies)’을 공개했다.
☞사이언티픽 아메리칸(Scientific American)誌는 영어로 발행되는 대중과학 잡지로, 역사가 매우 오래되고, 일반인이 이해할 수 있는 수준에서는 가장 전문적인 내용으로 유명하다. 루퍼스 포터(Rufus Porter)가 창시했고, 1845년 8월 28일이래 매달 발행되고 있다.
27일 우리대학에 따르면 세계경제포럼(WEF)과 사이언티픽 아메리칸誌는 각각 산하 전문가그룹인 ‘바이오텍 글로벌 퓨처 카운슬’ 및 ‘세계 자문그룹’ 등 세계 최고의 전문가들로부터 자문을 받아 ▲암 진단을 위한 비 침습 액체 생체검사법과 ▲공기로부터 깨끗한 물을 획득하는 기술 ▲시각작업을 위한 딥 러닝을 포함한 ‘2017년 10대 떠오르는 기술들’을 공동선정해 26일 오후 발표했다. 그 외 10대 기술로는 ▲태양광 이용 액체연료 제조기술 ▲인간 세포 도감 ▲정밀농업 ▲환경 친화 이동수단을 위한 저렴한 촉매 ▲게놈 백신 ▲공동 생활권의 지속가능한 디자인 ▲양자 컴퓨팅 등이 선정됐다.
세계경제포럼은 우리대학 연구원장인 이상엽 특훈교수(생명화학공학과)가 ‘미래기술 글로벌 아젠다 카운슬(Global Agenda Council on Emerging Technologies) 의장을 맡은 지난 2012년부터 매년 가까운 미래에 세상을 변화시킬 ‘10대 떠오르는 기술들’을 선정, 발표하고 있는데 올해로 6회째를 맞았다. 2015년까지는 매월 1월 말 스위스 다보스에서 열리는 다보스포럼과 연계, 발표해왔지만 작년부터는 사이언티픽 아메리칸誌와 공동으로 과학기술이 강조되고 있는 하계 다보스포럼과 연계해 발표 중이다. 올해도 중국 다롄에서 27일부터 시작되는 하계 다보스포럼 일정에 맞춰 개막 하루 전인 26일 발표했다.
세계경제포럼 ‘10대 떠오르는 기술’ 선정위원으로 참여 중인 이상엽 생명화학공학과 특훈교수는 “올해도 전 세계 전문가들로부터 많은 획기적인 기술들이 제안됐지만 다수의 회의에서 심도 깊은 토론을 거쳐 최종 선정했다”고 말했다. 그는 또 “기술적인 면을 고려할 때 제안된 기술들에는 이번에 선정된 기술보다 더 떠오르는 기술들도 많았지만, 앞으로 수년 내에 획기적인 영향을 미칠 수 있는 기술을 중심으로 10개가 최종 선정됐다”고 강조했다. 현재 우리대학 KI 연구원장으로서 바이오-IT-나노-헬스-로보틱스-인공지능 등 제4차 산업혁명 시대 융합연구를 주도하고 있는 이상엽 특훈교수는 세계경제포럼의 바이오텍 글로벌 퓨처 카운슬(Global Future Council on Biotechnologies) 의장을 맡고 있으며 4차 산업혁명 글로벌 퓨처 카운슬(Global Future Council on the Fourth Industrial Revolustion) 위원으로도 활동 중이다. 한편 세계경제포럼과 사이언티픽 아메리칸誌가 공동 선정한 ‘2017년 10대 떠오르는 기술’은 아래내용과 같다.
<세계경제포럼(WEF)-사이언티픽 아메리칸誌 공동 선정 ‘2017년 10대 떠오르는 기술'>
2017 10대 기술.
1. 암 진단을 위한 비침습 액체 생체 검사법 (Noninvasive biopsies for identifying cancer)
비 침습 액체 생체검사법을 가능하게 하는 민감한 피검사는 암의 진단과 검사를 손쉽게 가능하게 함. 암세포도 일반 세포와 마찬가지로 사멸하면서 DNA를 내놓을 수 있는데 피에 돌아다니는 DNA 조각들을 분석하여 암 진단을 가능하게 함. Sensitive blood tests known as liquid biopsies promise to improve screening, diagnosis and care.
2. 공기로부터 깨끗한 물을 획득하는 기술 (Harvesting clean water from air)
공기 중 수분을 깨끗한 물로 전환하여 획득하는 기술. 공기 중에는 약 1000조 리터의 물이 존재하는데 최근 개발되고 있는 독특한 화학 및 구조적 특성의 기공을 가지는 물질로 만들어진 필터시스템을 사용하여 이 공기 중의 물을 획득하는 기술. Economical systems powered by sunlight make headway.
3. 시각 작업을 위한 딥러닝 (Deep learning for visual tasks)
인공지능은 시각처리에서 비약적인 발전을 해 왔으며, 의료분야에서 의료종사자들과 비슷하거나 심지어 능가하는 능력을 보이고 있음. 특히 피부암진단에서는 더 정확히 세부 암 종류까지 진단하는 능력을 보임. 방사선의료 진단 시도 엑스레이결과의 판독에서 상당한 능력을 보여줌으로서 방사선 전문의 수가 적은 개도국 의료진단 시스템에서 큰 기여를 할 것으로 판단됨. A.I. now rivals or exceeds the ability of workers in medicine and other fields to interpret what they see.
4. 태양광 이용 액체연료 제조 기술 (Liquid fuels from sunshine)
이산화탄소를 직접 액체연료로 바꾸는 인공 잎 기술. 심지어 토양에서 식물생장을 촉진하는 물질을 만드는데도 쓰임. Artificial-leaf technology converts carbon dioxide to fuels. It can even produce fertilizer right in the soil.
5. 인간 세포 도감 (The Human Cell Atlas)
인체 내 모든 세포들의 종류에 따른 기능과 생물분자들의 위치와 기능을 밝히고자 하는 기술. 인간 단백질도감이 가장 빠른 속도로 개발되어 이미 1천만장 이상의 세포이미지를 만들어 냈으며 생명공학과 의학 분야 연구에서 중요한 정보를 제공하고 있음. An international project is set to make an annotated map of every cell type in the body and how it works.
6. 정밀농업 (Precision farming)
센서기술과 이미징기술을 결합하여 실시간으로 식물의 생장과 관련된 정보를 수집 분석하여 농산물의 재배에 적용함으로서 수율을 획기적으로 올리는 기술. 토양의 상태, 수분, 감염, 해충 등을 실시간으로 모니터링 하여 가장 최적의 방법으로 농사를 지을 수 있게 함. Combining sensors and imaging of every plant with real-time data analytics improves yields.
7. 환경친화 이동수단을 위한 저렴한 촉매 (Affordable catalysts for green vehicles)
친환경 이동수단의 에너지로 각광받는 수소연료전지에 사용되는 백금촉매의 양을 줄여서 범용으로 사용가능하게 하는 저렴한 촉매기술. 백금과 팔라듐을 섞어서 쓰거나 촉매개발 시 중심에는 다른 저가의 금속을 넣고 겉에만 백금을 가지게 하는 방법 등이 활발하게 개발되고 있음. Reducing the platinum in fuel-cell catalysts will help bring hydrogen-powered vehicles to the mass market.
8. 게놈백신 (Genomic vaccines)
기존 단백질 중심의 백신 대신에 DNA나 RNA로 만들어진 백신. 즉, 인체 내에서 직접 항체제조가 가능하도록 함으로서 항체 제조시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 기술. Vaccines composed of DNA or RNA, instead of proteins, will address unmet needs.
9. 공동생활권의 지속가능한 디자인 (Sustainable design of communities)
개개 스마트 홈을 넘어서서 전체 이웃들을 포함하는 공동 생활권에서 에너지와 물 등을 절약하는 기술들이 연결된 시스템을 이용한 지속가능한 생활을 가능하게 하는 기술. 하나의 집을 기준으로 에너지와 물 등의 사용을 최적화하는 것이 아니라 시스템적으로 공동생활권의 다수의 집들에 대하여 총체적인 최적화를 함으로서 우리사회의 지속가능성을 높이는 기술. Moving beyond smart homes, efforts are under way to connect energy- and water-conserving technologies in single homes into systems that encompass whole neighborhoods.
10. 양자컴퓨팅 (Quantum computing)
양자컴퓨팅의 급속한 발전은 학문의 범위를 넘어서서 실질적 세계문제들을 푸는데 활용되기 시작함. The era of applying quantum processing has arrived.
2017.06.27
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한순규 교수, 천연 물질인 플루게닌C 합성에 성공
우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 새로운 방식의 화학반응을 이용해 자연 상태에서 존재하는 천연물을 인위적으로 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 분자 간 화학반응의 일종인 라우훗-쿠리어 반응(Rauhut-Currier 반응, RC 반응)을 이용해 이합체 천연물인 플루게닌 C를 합성했다.
전상빈 석박사통합과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학 분야의 국제 학술지 ‘미국화학회지(JACS : Journal of the American Chemical Society)’ 5월 10일자에 게재됐다.
천연물 전합성(Total Synthesis)은 순차적 화학반응을 통해 자연에 존재하는 천연 물질을 실험실에서 인위적으로 합성해내는 연구 분야이다.
이 과정은 각 단계의 화학반응이 모두 성공적으로 이뤄져야만 목표하는 분자에 도달할 수 있어 높은 수준의 인내심, 창의성 등이 요구된다. 학계에서는 천연물 전합성 학자를 가리켜 ‘분자를 다루는 예술가’로 부르기도 한다.
이번 연구는 분자 간 라우훗-쿠리어 반응을 전합성에 응용한 최초의 사례이다. 라우훗-쿠리어 반응은 1963년 라우훗과 쿠리어에 의해 보고된 반응으로 친핵체 촉매에 의해 진행되는 현상이다.
기존의 분자 간 라우훗-쿠리어 반응은 150도 이상의 고온 및 고농도 용액에서 유독한 촉매를 통해 비 선택적으로 진행된다는 한계가 있어 천연물 전합성에 적합하지 않았다.
연구팀은 문제 해결을 위해 반응물 내부에 친핵체를 위치시켰다. 이를 통해 상온의 옅은 용액에서 촉매 없이 간단한 염기성 시료를 첨가시키는 것만으로도 라우훗-쿠리어 반응을 이끌어 낼 수 있음을 확인했다.
연구팀은 이 반응 조건을 이용해 시중에서 구입 가능한 아미노산 유도체를 12단계를 거쳐 플루게닌 C라는 천연물질로 합성하는 데 성공했다.
한 교수는 “이번 연구는 라우훗-쿠리어 반응의 효율성과 선택성을 획기적으로 향상시킨 발견이다”며 “기존에는 합성할 수 없었던 다양한 천연물, 신약 또는 유기재료를 합성할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST의 정착 연구비, 하이리스크하이리턴(HRHR) 및 RED&B(Research, Education, Development & Business) 과제, 한국연구재단의 신진연구자 지원사업, 기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 대표적인 이합체-소중합체 세큐리네가 알칼로이드
그림2. 플루게닌 C의 합성 경로
2017.05.19
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제7회 KINC 융합연구상 시상식 개최
(왼쪽부터) 이도창 생명화학공학과 교수, 배병수 신소재공학과 교수, 정희태 나노융합연구소 소장, 정후영 UNIST 교수, 윤다은 생명화학공학과 박사과정, 김회윤 신소재공학과 박사과정, 최성율 전기및전자공학부 교수, 이건재 신소재공학과 교수
우리 대학 나노융합연구소(소장 정희태)는 본교 KI빌딩에서 교수님들의 융합연구를 장려하고 대학원생 및 연구원들의 연구 의욕 고취를 위한 '제7회 KINC 융합연구상 시상식' 을 22일(수) 개최했다.
올해로 일곱 번째를 맞이하는 시상식은 연구자의 노고를 격려하고, 우수 연구로 선정된 연구 성과를 구성원들과 함께 공유함으로써 융합연구 분위기를 활성화 시키자는 취지로 마련되었다.
KINC 융합연구상은 공모를 통해 접수된 논문을 대상으로 창의성과 융합성이 가장 우수한 논문 2편을 선정하여 논문에 참여한 공동 제1저자와 교신저자에게 각각 상패와 상금을 수여한다.
첫 번째 수상 팀은 고온 및 고습에 견딜 수 있는 퀀텀닷 기술을 개발한 신소재공학과 배병수 교수, 생명화학공학과 이도창 교수 연구팀으로, 연구 결과는 화학분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘미국화학회 학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 2016년 12월 21일자에 게재됐다.
두 번째 수상 팀은 초단시간의 레이저를 조사해 단결정 탄화규소(SiC)의 고체 상분리 현상을 발견하고 이를 활용한 그래핀 생성원리를 밝힌 신소재공학과 이건재 교수와 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀으로, 연구결과는 자연과학 및 응용과학 분야 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 2016년 11월 30일자에 게재됐다.
정희태 소장은 “세계적으로 인정받는 우수한 연구 성과들이 많이 도출되어 매우 기쁘며, 교내 융합연구의 발전적인 연구 환경을 조성하기 위하여 앞으로 행사를 더욱 확대해 나갈 계획이다.”라고 뜻을 밝혔다.
※ KAIST 나노융합연구소는 나노과학기술분야에 대해 학과간의 경계를 허물고 진정한 학제 간 공동연구를 촉진하여 창조적인 융합연구를 추진하기 위해 지난 2006년 6월 KAIST 연구원 산하에 설립되었다. 현재 나노융합연구소에서는 총 85명의 겸임교수가 참여하고 있으며, 최근에는 나노연구의 미래 이슈와 KAIST 경쟁력을 고려하여 재설정한 중점 연구 분야의 연구역량을 결집하여 연구를 수행하면서 세계 최고 수준의 나노융합연구 허브 대학연구소로 성장해 나가고 있다.
2017.03.22
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