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이산화탄소만 잡아내는 유망 소재를 AI로 쉽게 찾는다
기후 위기를 막기 위해 이미 배출된 이산화탄소를 적극적으로 줄이는 것이 필수적이며, 이를 위해 공기 중 이산화탄소만 직접 포집하는 기술(Direct Air Capture, 이하 DAC)이 주목받고 있다. 하지만 공기 중에 존재하는 수증기(H₂O)로 인해 이산화탄소만 효과적으로 포집하는 것이 쉽지 않다. 이 기술의 핵심 소재로 연구되는 금속–유기 구조체(Metal-Organic Frameworks, 이하 MOF)를 활용해 우리 연구진이 AI 기반 기계학습 기술을 적용, MOF 중에서 가장 유망한 탄소 포집 후보 소재들을 찾아내는 데 성공했다.
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 연구팀과 공동 연구를 통해 대기 중 이산화탄소 포집에 적합한 MOF를 빠르고 정확하게 선별할 수 있는 기계학습 기반 시뮬레이션 기법을 개발했다고 29일 밝혔다.
복잡한 구조와 분자 간 상호작용의 예측 한계로 인해 고성능 소재를 찾는 데 큰 제약을 극복하기 위해, 연구팀은 MOF와 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 사이의 상호작용을 정밀하게 예측할 수 있는 기계학습(머신러닝) 기반 역장(Machine Learning Force Field, MLFF)을 개발하고, 이를 통해 양자역학 수준의 예측 정확도를 유지하면서도 기존보다 월등히 빠른 속도로 MOF 소재들의 흡착 물성을 계산할 수 있도록 했다.
연구팀은 개발된 시스템을 활용해 8,000여 개의 실험적으로 합성된 MOF 구조를 대규모 스크리닝한 결과, 100개 이상의 유망한 탄소 포집 후보 소재를 발굴했다. 특히 기존의 고전 역장 기반 시뮬레이션으로는 확인되지 않았던 새로운 후보 소재들을 제시했으며, MOF의 화학 구조와 흡착 성능 간의 상관관계를 분석해 DAC용 소재 설계에 유용한 7가지 핵심 화학적 특징도 함께 제안했다.
이번 연구는 MOF–CO2 및 MOF-H2O 간 상호작용을 정밀하게 예측함으로써, DAC 분야의 소재 설계 및 시뮬레이션 기술을 크게 향상한 사례로 평가된다.
우리 대학 생명화학공학과 임윤성 박사과정과 박현수 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `매터 (Matter)'에 지난 6월 12일 게재됐다.
※논문명: Accelerating CO2 direct air capture screening for metal-organic frameworks with a transferable machine learning force field
※DOI: 10.1016/j.matt.2025.102203
한편, 이번 연구는 Saudi Aramco-KAIST CO2 Management Center와 과학기술정보통신부의 글로벌 C.L.E.A.N. 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.06.30
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커피링 얼룩 없는 디스플레이용 퀀텀닷 균일 코팅 기술 개발
우리 대학 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 커피링 얼룩 자국이 남지 않는 균일 코팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 이는 디스플레이용 양자점(퀀텀닷)을 균일하게 코팅해 유연 디스플레이 소자 등에 적용할 수 있는 기술이다.
커피 한 방울이 고체 표면 위에서 마르면 액적(물방울) 표면의 상대적 증발률 차로 인해서 커피링 얼룩 자국이 남게 된다. 이를 커피링 효과라고 한다.
액적의 증발은 잉크젯 프린팅과 같은 기술에서 기능성 유연 재료의 균일 코팅이라는 문제와 직결된다. 최근 잉크젯 프린팅 기술은 단순 패턴 인쇄를 넘어 차세대 에너지 및 디스플레이를 포함한 전기‧전자 소자의 융복합 생산시스템 기술에 활용되고 있다.
그동안 과학기술계에서는 액적의 커피링 패턴을 제어하고 균일 마름 자국을 얻기 위해서 계면활성제를 사용하거나 부분적인 표면장력 변화를 발생시켜 *마랑고니 효과를 이용한 여러 방법이 소개돼왔다.
☞ 마랑고니 효과(Marangoni effect): 서로 다른 액체 등이 경계면을 따라 표면장력의 크기가 일정하지 않을 때 발생하는 현상을 말한다. 흔히 알려진 ‘와인의 눈물’ 현상이 대표적인 예다.
특히, 김형수 교수는 박사후연구원(프린스턴 대학 소속) 때부터 커피링을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 연구를 해왔고, 2016년에는 위스키가 특이하게 마르는 현상을 규명해 획기적으로 커피링을 없애는 연구를 해왔다. 하지만, 물방울의 접촉선 위치에서의 커피링 효과는 줄일 수 있으나 여전히 효과가 존재한다는 문제가 있다.
김 교수 연구팀의 편정수 석사과정은 액적이 증발하는 공간을 한시적으로 밀폐시켜 커피링을 완전히 소멸시키는 방법을 개발했다. 이 기술은 증발율이 다른 두 액체를 효과적으로 혼합하고, 먼저 증발하는 휘발성 액체의 몰 분자량이 공기보다 큼을 이용해 밀폐된 공간에 갇힌 휘발성 증기가 연속적으로 용질성 마랑고니 효과(Solutal Marangoni effects)를 일으켜 커피링을 완전히 사라지게 만드는 기술이다.
김형수 교수는 "증발 물질을 잘 이해하고 물질전달 메커니즘을 활용해 증발 시스템을 최적화하면, 디스플레이 원료 퀀텀닷과 태양광 패널 원료 페로브스카이트와 같은 기능성 소자들을 대량 생산이 가능한 잉크젯 프린팅 기술로 균일한 패터닝을 가능하게 할 수 있다ˮ라며, "현재 해당 기술을 특허 출원했고 유연 디스플레이 소자에 적용하기 위해 연구를 진행하고 있다ˮ라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 국제적 권위 학술단체 `영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)'의 저명학술지 `Soft Matter(연성물질)' 誌 가 특별 기획한 `신진과학자 특집호(2021 Soft Matter Emerging Investigator Special Issue)'에 초청되어 지난달 7일 字 표지논문으로 게재됐다.
(논문명: Uniform coating pattern of multi-component droplets in a confined geometry)
(DOI: https://doi.org/10.1039/D0SM01872D)
2021.05.03
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김수빈 학생, 영국왕립화학회 학술지 표지논문 게재
〈 김 규 한 연구교수, 김 수 빈 학생 〉
우리 대학 학부 4학년 김수빈 학생의 이중 에멀젼(Double Emulsion) 형성 관련 논문이 국제 학술지의 표지논문에 선정됐다.
우리 대학의 학부생 연구지원 프로그램인 URP(Undergraduate Research Participation)를 통한 연구 참여가 활발해지면서 학부생이 1저자로 참여한 논문이 국제 학술지에 등재되는 경우가 많아지고 있다. 김수빈 학생은 URP 프로그램을 통한 연구로 국제 학술지 게재를 넘어 표지논문에 선정되는 성과를 이뤘다.
김수빈 학생의 논문은 세계적으로 권위 있는 학술단체인 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 발간하는 국제 학술지 ‘소프트 매터(Soft Matter)’2018년 2월 7호 표지논문에 게재됐다. (논문명: Controllable one-step double emulsion formation via phase inversion)
특히 김수빈 학생은 이번 표지 이미지를 자신의 상상과 관찰을 바탕으로 직접 디자인해 그 가치를 더 높였다.
김 군이 수행한 이번 연구는 이중 에멀젼(Double Emulsion)의 안정성 향상 관련 연구로 이중 에멀젼이란 에멀젼 방울 안에 또 다른 액체로 구성된 방울이 서로 섞이지 않고 캡슐화 된 상태로 구성된 형태를 뜻한다.
이중 에멀젼은 캡슐화를 통한 보유 능력이 탁월해 식품, 화장품, 약물 전달 등 다양하게 사용 가능하다. 그러나 이중 에멀젼을 대량 생산할 수 있는 기존 기술은 내부의 액체 방울을 만든 뒤 이를 캡슐화 하는 두 단계의 공정에서 액체 방울이 쉽게 파괴되고 개발 이후 이중 에멀젼의 안정성이 보장되지 않는 한계가 있다.
또한 이런 과정에서 이중 에멀젼의 크기와 내부 액체 방울의 비율을 조절하는 데 어려움을 겪고 있다.
김 군은 분자들의 화학 반응처럼 물방울들이 충돌해 일어나는 상 반전(Phase Inversion)의 과정에서 단서를 얻었다. 상 반전이 일어나는 과정에서 이중 에멀젼이 일시적으로 형성됨을 발견했고 이를 바탕으로 이중 에멀젼의 안정성을 높일 수 있는 기준을 제시했다.
이후 지속된 연구에서 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA)와 소수성 실리카 입자가 이 조건을 만족하는 것을 찾아내 한 번의 공정으로 안정적인 이중 에멀젼을 만들 수 있음을 증명했다. 추가적으로 PMMA와 나노입자의 양을 조절해 이중 에멀젼 내부 물방울의 개수와 부피를 조절하는데 성공했다.
2014년 총장장학생(KPF : KAIST Presidential Fellowship)이자 대통령과학장학생으로 입학한 김 군은 화학과 생명화학공학을 배우고 연구하며 직접 관찰하기 어려운 현상을 머릿속으로 상상하며 이를 바탕으로 가설을 세우고 연구해왔다.
김 군이 일찍부터 연구에 몰두할 수 있었던 것은 학부생 연구지원(URP) 프로그램에 두 차례 참여했던 경험 덕분이다. 학부 2학년 때에는 물리적 힘을 이용해 식품, 화장품에 널리 쓰이는 고내부상 에멀젼을 만드는 방법을 연구했고 1년 후엔 콜로이드 입자를 이용해 기저귀의 원료가 되는 다공성 고 흡수성 수지를 만드는 연구를 수행했다.
김 군은 두 번의 URP 프로그램에서 우수상을 수상했고 이 연구 결과 중 일부를 저명 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2저자로 게재하기도 했다.
김수빈 학생은 “평소에 복수전공을 통해 생명화학공학과에서 에멀젼의 기초가 되는 유체역학, 계면 물리학 등을 배우고 화학과에서 분자 구조를 배워 왔던 것을 융합함으로서 좋은 결과가 나온 것 같다”고 말했다.
이어 “이번 연구 결과로 이중 에멀젼의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로도 정확한 원리를 파악하고 이를 바탕으로 정교하게 컨트롤 할 수 있는 화학제품을 만들어 내고 싶다”고 말했다.
이번 연구는 URP 프로그램 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 김수빈 학생이 직접 디자인한 저널 표지논문
2018.04.12
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김필남 교수, 악성 뇌종양의 내성 발생 원리 밝혀
〈 김 필 남 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 김필남 교수 연구팀이 3차원 체외 종양 모델을 제작해 악성 뇌종양의 약물 저항성(내성) 발생 원리를 밝혔다.이번에 제작된 뇌종양 3차원 모델은 실제로 중요한 영향을 미치는 종양의 미세환경(tumor microenvironment)을 고려해 제작함으로써 실질적 암 치료에 적용 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 4월 26일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Strategies of Mesenchymal Invasion of Patient-derived Brain Tumors: Microenvironmental Adaptation)
악성 뇌종양은 주변 조직으로 침윤하는 특성이 매우 강해 치료하기 힘든 질병 중 하나이다. 수술을 통해 종양을 절제해도 주변 조직에 넓게 침윤한 잔여 세포들이 재발하는 경우가 많다.
따라서 악성 뇌종양의 치료 효율 및 생존율을 높이기 위해서는 남아있는 침윤 세포를 표적으로 한 치료법을 개발해야 한다.
그러나 종양의 악성화 및 침윤 특성의 주요 원인인 주변 미세환경(tumor microenvironment)을 고려하지 않은 항암제 개발이 주로 이뤄졌기 때문에 종양의 침윤 및 약물 저항의 원리를 밝히기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 체외에서 종양 주변 미세환경의 특성을 반영한 3차원 암 모델을 구현했다. 이는 뇌종양 미세환경의 주요 구성요소인 과함유 히알루론산(hyaluronic acid) 기질과 백색질 경로(white matter tract)를 모사한 생체모방체외종양 모델이다.
연구팀은 체내에 존재하는 악성 뇌종양의 특성을 체외에서도 유사하게 유지시켜 환자를 대체할 수 있는 종양 모델로 활용 가능함을 확인했다.
연구팀은 뇌종양 세포가 침윤하는 데 중요한 역할을 하는 히알루론산 합성 단백질을 억제하는 약물을 투입했다. 초기에는 뇌종양 침윤이 억제됐지만 시간이 흐르며 미세환경 적응(microenvironmental adaptation) 과정에서 뇌종양이 새 기전을 통해 약물에 대한 내성이 생기는 현상을 발견했다.
이 모든 과정을 체외 종양 모델을 통해 진행함으로써 동물실험을 대체하여 다양한 항암제를 조합하고 검증할 수 있어 실질적인 암 치료에 도움이 될 것으로 기대된다.
연구팀이 제시한 3차원 체외 암 모델은 기존 약물의 저항 원인을 규명하는 기반이 될 것으로 예상된다. 또한 추후 정밀 암 치료를 위한 핵심 기반 기술로 환자맞춤 약물 검증 및 신약 발굴 모델 등으로 다각적 활용이 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “뇌종양의 체외 종양모델로서 공학적 기술 기반의 3차원 미세환경 암 모델을 제시했다”며 “이를 바탕으로 뇌종양 환자 개별 치료의 가능성을 높여 생존율 개선에 힘이 되겠다”고 말했다.
바이오및뇌공학과 차정화 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업 및 보건복지부 중개중점 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 악성 뇌종양 주변 미세환경
그림2. 환자 대체치료용 3차원 체외뇌암모델의 모식도
그림3. 환자유래 뇌종양 세포의 미세환경 적응 과정에 의한 약물 저항 메커니즘
2016.05.11
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김상욱 교수, 저명 국제학술지 ‘신진과학자’특집호 초청표지논문 게재
- 고기능성 탄소나노튜브 손쉬운 분자조립 제어기술 개발
우리대학 김상욱 교수팀은, 국제적으로 권위 있는 학술단체인 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 ‘연성물질’(Soft Matter)지가 특별 기획한 ‘신진과학자 특집호’(Emerging Investigator Special Issue)에 초청되어 6월 21일 자 표지논문으로 게재되었다.
이 특집호는 주로 미국과 유럽의 저명한 과학자들로 구성된 이 학술지의 편집진과 고문단이 엄격한 추천 및 심사 과정을 거쳐 선정한 전 세계적으로 가장 선도적인 연구업적을 내는 젊은 과학자 18명(미주 6명, 유럽 10명, 일본 1명, 한국 1명)의 상세한 연구 이력과 ‘특별 초청논문’을 소개하였다.
우리나라에서는 김상욱 교수의 논문이 유일하게 초청되었으며, 특히 다른 나라 연구자들의 논문을 제치고 김상욱 교수의 논문이 표지논문으로 선정됨으로써 연구업적의 우수성을 전 세계적으로 공인받게 되었다.
김 교수는 이번 초청 논문에서 기존 분자조립기술의 한계를 극복한 신개념의 나노기술을 소개하였다.
그동안 분자조립기술은 생체분자나 고분자 등에 주로 적용되어왔으며 이들 유기소재들은 전기가 통하지 않는 부도체로 기계적으로 매우 강도가 약해 그 응용 범위가 한정되는 약점이 있었다.
일반적으로 분자의 배열을 조절하기 매우 어려운 것으로 알려진 탄소나노튜브에 분자조립기술을 적용하여 유기용액 상에서 손쉽게 입체적인 다공성 구조로 만드는 데 성공하였으며, 이 기술을 통해 만들어진 입체적으로 얽혀 있는 탄소나노튜브의 다공성 구조가 표지논문 그림으로 채택되었다.
탄소나노튜브와 고분자를 휘발성이 강한 유기용매에 함께 녹이고 습도가 매우 높은 공기를 용액표면에 불어넣어 매우 쉽게 다공성 탄소나노튜브/고분자 복합체 막을 만들어 냈으며, 여기에 열처리를 통해 고분자만 태워냄으로써 그 안에 숨어 있던 탄소나노튜브 가닥들이 마치 동아줄 같이 엉켜 형성한 분자조립 다공성 구조를 드러냈다.
김 교수는 “그동안 주로 생체분자나 고분자 등에 한정되어 있던 분자조립현상을 탄소나노튜브와 같이 높은 전기전도성과 기계적 물성을 가지는 신소재에 적용한 신개념의 연구결과이며, 분자조립공정의 가능성을 다양한 소재로 확장한 중요한 연구결과로 평가되고 있다.”고 언급했다.
고분자나, 생체분자, 탄소나노튜브 등 다양한 연성물질들의 분자배열을 원하는 형태로 조절하여 초미세 나노패턴을 만들 수 있는 ‘연성소재 분자조립 나노기술’을 개발하여 Nature지, Science지 등 최고수준의 학술지에 10편 이상의 주목받는 논문들을 발표해 국내외적으로 많은 관심을 모아왔다.
특히, 김상욱 교수의 분자조립 나노기술은 현재 반도체 공정으로 도달하기 어려운 30나노미터 이하의 나노패턴을 대량으로 제작할 가능성을 제시하여 학계뿐만이 아니라 산업계에서도 많은 관심을 모으고 있다.
2009.06.23
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