성균관대학교

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신규 맥센-니켈인화물 하이브리드를 통한
그린수소 촉매 소재

신규 2차원 소재인 멕센(MXene) 표면에 니켈인화물(Ni2P) 나노입자를 성장시킨 이종접합 소재를 설계하고, 고활성·고안정성 수소 발생 반응이 가능한 하이브리드 전기촉매를 개발

화학공학/고분자공학부 교수 이준영 교수 · 김정규 교수, Nguyen Duong Nguyen

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  • 신규 맥센-니켈인화물 하이브리드를 통한 ▼그린수소 촉매 소재

    화학공학/고분자공학부 교수 이준영 교수 ·김정규 교수, Nguyen Duong Nguyen

    신규 맥센-니켈인화물 하이브리드를 통한 그린수소 촉매 소재

    화학공학과 이준영 교수 연구팀(제1저자 Nguyen Duong Nguyen)은 김정규 교수(성균관대학교)·신혜영 교수(충남대학교)와 협력하여 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 전이금속 기반 소재로서, 신규 2차원 소재인 멕센(MXene) 표면에 니켈인화물(Ni2P) 나노입자를 성장시킨 이종접합을 활용해 저비용·고성능으로 친환경 그린수소 생산이 가능한 전기촉매 소재 연구성과를 보고했다. 탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 전기화학적 물 분해반응을 활성화하는 저비용·고성능 전기촉매 소재 기술이 필요하다. 기존의 수소 발생 반응에는 활성이 우수한 귀금속 기반 촉매가 사용됐지만, 높은 가격이 산업화의 걸림돌로 작용한다. 그 대안으로 전이금속 기반 촉매 개발이 추진되고 있지만, 낮은 촉매 활성과 낮은 안정성이 한계로 지적됐다. 이에, 연구팀은 전기 전도도가 높고 전기화학적 안정성이 뛰어난 2차원 물질인 멕센 표면에 의도적인 결함을 일으키고, 그 위에 촉매 소재인 니켈인화물을 이종핵 성장(Heteronuclei growth)시키는 방법으로 수소 발생 성능이 우수한 금속인화물-멕센 하이브리드 수전해 촉매 소재를 합성했다. 그 결과 2,000회 반복 측정과 24시간 연속 구동에도 높은 안정성을 확보할 수 있었으며, 특히 산성과 중성, 알칼리 조건에서 모두 우수한 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 보였다. 또한 시뮬레이션을 통해 니켈인화물 표면의 스트레인(strain)이 니켈인화물의 결합 길이를 변화시키고, 반응 중간 생성물의 흡착 에너지 변화를 촉진하여 고활성의 수소 발생 반응 촉매 활성을 효과적으로 유도함을 확인했다. 이번 연구성과는 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 그린수소를 생산하는 미래에너지 기술을 제시한 것으로, 멕센의 가공법에 따라 기존 촉매 소재의 단점을 극복한 고활성·고안정성 촉매 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다. 이번 연구의 성과는 나노소재 분야의 세계적인 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 9월 19일 온라인 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다. *Interfacial Strain-Modulated Nanospherical Ni2P by Heteronuclei-Mediated Growth on Ti3C2Tx Mxene for Efficient Hydrogen Evolution (저널: Small, DOI: 10.1002/smll.202204797) 2차원 판상 형태의 MXene 소재 표면에 0차원 구체 형태의 니켈인화물이 이종핵 성장하는 형태를 묘사한 것으로, 하이브리드 소재 계면에 스트레인 발생하여 우수한 그린수소 생산 성능을 확보함. Small 저널 2022년 11월에 표지논문으로 선정

  • Cereblon (CRBN)에 의한 폐암 발달 조절에 ▼관한 새로운메커니즘 제시

    의학과 교수 이기영 교수 ·김미정, 이지수, 김지영 연구원

    Cereblon (CRBN)에 의한 폐암 발달 조절에 관한 새로운메커니즘 제시

    폐암의 발병 및 발달은 암 미세환경 (Tumor microenvionment, TME)에 영향을 주는 다양한 외부 (External factors) 및 내부 인자 (Internal factors)들에 의해 조절된다. 정상세포와 비교하여 폐암세포에서 특정 유전자의 발현 감소 혹은 증가는 폐암의 발병 및 발달에 연루되어 있을 가능성이 아주 높다. 본 연구팀은 폐암환자 유래의 정상세포와 폐암 세포에서 발현되는 유전자 정보를 활용하여 Cereblon (CRBN) 유전자 발현이 폐암 세포에 현저하게 감소되어 있음을 확인하였다 (그림1 참조). 분자 및 세포 기전 연구를 통하여, CRBN 단백질은 폐암 세포 발달에 중요한 역할을 하는 톨유사수용체 (Toll-like receptor, TLR)에 의한 오토파지 (Autophagy, 자가소화작용) 활성화에 중요한 조절 기능이 있음을 제시하였다 (그림1). 톨유사수용체에 의한 오토파지 활성화는 폐암미세환경에 존재하는 암세포 및 암 줄기세포 (CSC, Cancer Stem Cell)의 증식 및 전이에 기여함이 보고되었으며, 이는 다양한 항암 치료에 대한 저항성의 원인 중 하나로 고려되고 있다. 본 연구에서 제시한 기전 연구는 폐암 발병 및 진행에 관한 병리학적 원인 규명 및 새로운 항암 치료 전략에 기여하리라 기대하고 있다. 본 연구실에서는 지난 6월에 폐암 발달을 조절하는 새로운 단백질 (Stratifin (SFN)의 기능을 임상 중개 의학 분야 저명 국제 학술지인 Clinical and Translational Medicine (IF: 11.492)에 보고한 바 있으며, 이번 연구결과 또한 9월에 같은 학술지인 Clinical and Translational Medicine (IF: 11.492)에 보고하는 성과를 얻었다. 이번 연구는 제1저자로 이지수 학생 (성균관대학교 의과대학 석사과정), 김지영 학생 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정), 그리고 김미정 박사 (의과대학 BK21 신진 연구자)가 기여를 하였다. 논문명: CRBN is downregulated in lung cancer and negatively regulates TLR2, 4 and 7 stimulation in lung cancer cells. Clin Transl Med. 2022 Sep;12(9):e1050. doi: 10.1002/ctm2.1050. 저자: 김미정 (제1저자, 의과대학 BK Four 신진 연구자), 이지수 (제1저자, 석사과정), 김지영 (제1저자, 석박통합과정), 이기영 (교신저자, 성균관대 교수).

  • 환경미생물 자원 및 유전자 거점은행 선정

    생명공학대학 특임교수 이상섭 특임교수

    환경미생물 자원 및 유전자 거점은행 선정

    유엔 생물다양성협약(92년 6월)이 국가소유 생물자원에 대한 주권적 권리를 인정한 후, 생물자원은 식량과 에너지부족, 난치병, 환경문제 등 인류가 처해 있는 난제를 해결할 열쇠이자 막대한 경제적 가치를 지닌 보물로 각광받고 있어, 현재 세계적으로 연간 5천∼8천억달러 규모의 생물자원 전쟁이 벌어지고 있다. 우리나라도 자원개발에 대한 투자가 선진국 대비 많이 부족한 상황에서 최초로 정부가 모든 자원을 개발 관리하는 국가생명연구자원 선진화 사업을 시작하였다. 성균관대학교 환경미생물 및 유전자센터는 이상섭 교수가 1978년 이후 24,000여 균주의 환경미생물 자원을 다양한 생태계로부터 분리하여 생리, 생화학적 특성분석, 유전자 분석 등을 통한 생물정보 DB를 구축하고, 환경독성물질 (발암물질, 환경호르몬 등)을 분해할 수 있는 고효율 균주를 개발하여 국내외 유일한 환경미생물 및 유전자 은행을 설립하였다. (자원의 가치 100억) 2022년 9월에 환경미생물 자원 및 유전자 거점은행으로 선정되어 향 후 5년간 국가 White Bio 산업을 이끌 자원 개발 및 산업화를 위한 사업을 진행 할 예정이다. 환경미생물 센터는 년 평균 800균주 이상 새로운 균주개발 및 연평균 1,200 균주 이상을 분양하여 관련 연구자 연구 및 기술개발을 지원하고 있고, 최근 5년간 자원을 활용한 실적은 논문 총 128편 중 123편 SCI, 신종 논문 109편 특허등록 13건, 출원 8건, 해외특허 2건 등록 되었다. 1. 분양 및 확보실적 2. 자원 활용실적 ● 센터 자원활용 개발기술 실적 1. 국가 건설기술 발전 (콘크리트/바이오 융합소재 개발 및 활용) 분야 ▶ 콘크리트 기능을 향상 시키는 미생물/콘크리트 융합소재 개발을 위한 미생물제제 개발 및 융합 최적 조건 확립 - 옥상녹화, 에너지 저감, 탄소저감을 위한 테라콘 박테리아 개발 - 콘크리트 자기 치유를 위한 탄산칼슘 생산 박테리아 개발 - 해안 구조물 콘크리트 내염성을 강화시키는 박테리아 개발 - 산업단지 건물 및 축사 대기 독성물질 및 악취제어를 위한 콘크리트 융합 박테리아 개발 ▶ 박테리아 슬라임을 활용한 생태보수 모르타르 기술의 공동개발( 성대 이광명교수 사업단, 경기대 양근혁 교수) ; 기능성 박테리아 개발 및 융합 최적화 (미생물제제 상품화) - 연구결과는 해외저명학술지(SCI(E))에 발표되었으며, ‘기능성 박테리아를 활용한 하수 처리 콘크리트 시설물 단면 보수 공법’의 명칭으로 국토교통부 건설신기술 제 910호로 지정되었음. - 사업화 초년(2020년)의 사업화 매출액은 약 90억 원이었으며, 2021년에는 건설신기술 지정의 결과를 토대로 전국 대리점 확대를 통해 연간 매출액은 500억 원 이상으로 증가할 것으로 기대되고 있음. - 베트남 TKA-Vietnam 사와 기술이전 계약(20만 달러)을 체결하여 해외시장 을 진출하고 있으며, 중국, 홍콩, 및 캐나다에 기술이전을 추진하고 있음. - 2021년 국가연구개발 우수성과 융합부분 최우수 성과로 선정 2. 오염된 해양퇴적토 정화 및 시멘트 대체소재 개발 (해양환경공단 공동연구) - 전세계적으로 연안 의 해양 퇴적토 오염은 심각한 상황임. 육지에서 비점오염원을 통한 오염원 유입이 계속 증가하고 있고, 해양 양식장 등에 의한 오염도 빠르게 증가하고 있음. 더욱이 최근에 들어 해양유전, 선박사고, 송유관 사고 등에 의한 유류 오염이 자주 발생하여 바다 생태계를 심각하게 오염 시키고 있음. 따라서 전 세계적으로 수십조원의 정화사업이 시작되고 있음. - 지속적으로 해양 오염 퇴적토를 정화하고 먼 바다에 투기하였으나 이 또한 법 개정으로 금지 되었고, 차선책으로 매립장에 매립토로 사용하려 하였으나 매립토 조건을 만족 시키지 못해 문제가 되고 있음. - 해양환경 공단의 제안으로 우리나라 최초로 다양한 해양 오염원을 한 시스템에서 단계적으로 처리 가능한 기술, 국내 뿐 만 아니라 해외에서도 사용 가능한 융합시스템을 공동으로 개발 함. - 생물학적, 화학적, 물리학적 처리기술을 융합하여 유류(TPH, BTEX), 무기영양염류 (TN,TP) 중금속, 환경호르몬 등 이 복합오염 된 퇴적토를 정화하는 기술. - 개발된 기술 ; 입자 선별기, 대기오염 물질 정화 탈취탑, 오염수 정화 시스템, 탈수장치, 4기의 반응기가 다양하게 조합되어 복합 오염물질을 정화하는 정화시스템 등으로 구성되어 있음. - 해양환경공단과 공동 특허등록을 하였고, 미국, 캐나다 특허 등록 되어 사업화 추진 중에 있음. 3. 공공복지 안전연구사업 (적조방제 및 해양오염 정화기술); 어민들의 수익증대 ▶ 국민의 복지향상을 위하여 정부가 기획한 사업 - 향후 우리나라 수산업 발전 방향 : 잡는 어업에서 기르는 어업으로의 전환 - 우리나라 연안오염과 적조 상습 발생 : 양식업, 바다목장 사업에 큰 위협 ▶ 핵심사업 실적 - 해양 육상양식장 오염해수 정화 시스템 및 해양 적조 방제 시스템 개발 * 특허등록 ( 7건 ; 특허 목록참조 ) * 해양수산부 해양 분야 신기술(NET) 인증 (2017-02호) 신기술(NET) 인증 (2017-03호) * 2018년도 국가연구개발 우수성과 100 선정 4. 공공조달 연계형 국민생활연구 실증.사업화 지원사업 (해양수산물 식량 생산성 및 안전성 증대를 위한 폐쇄순환여과시스템 개발) - 우리나라 식량 자급도는 50% 수준이며, 식량 5,000만톤 중 10%가 수산물임. 우리나라 수산식품 수출입 역조는 년 3조원임 (수입5조원, 수출2조원) - 해양환경오염으로 인한 생산량 감소 및 안전성 문제 심각함. 육상과 해양양식장으로부터 오염물질 발생이 급속히 증가함에 따라 빈번하게 부영양화 및 빈산소수 등이 발생하고 질병이 만연하고 있음. 계절에 따른 태풍, 적조, 고수온, 냉수 등 자연재해가 빈번히 발생하여 피해가 큼. 또한 유류, 방사선, 미세플라스틱 오염 심각함. - 현재 해수오염으로 인한 해양수산물 생산성 감소 및 수산물 안전성 문제가 심각 한 지금 (미세플라스틱, 어류질병, 방사선물질) CRAS 시스템은 다양한 환경오염을 사전 방지해 생산성과 수산물 안전성을 증가시킬 수 있고, 어민과 거주민들의 삶의 질을 향상시켜 나갈 것임. - 과기부 최종 평가 우수를 받은 후 특허출원하고, 조달청 혁신제품 인증 신청 준비 중 ● 보유인프라 시설 및 장비

  • 생각의 흐름을 볼 수 있는 초고속 뇌 신경활동 ▼영상기술 세계 최초 개발

    글로벌바이오메디컬공학과 부교수 박장연 부교수

    생각의 흐름을 볼 수 있는 초고속 뇌 신경활동 영상기술 세계 최초 개발

    글로벌바이오메디컬공학과 박장연 교수 연구팀은 수 밀리 초의 초고시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 직접 영상화할 수 있는 차세대 뇌기능 영상기술을 세계 최초로 개발하였다. 제안된 초고속 뇌 신경활동 영상기술의 주된 검증은 전기 생리학 연구 그룹인 고려대학교 곽지현 교수(현재 서울대학교 뇌인지과학과) 연구팀과의 협업으로 이루어졌다. 비침습적 뇌기능 영상(혹은 신경영상) 기법들은 생체 내 뇌기능이 어떻게 이루어지는지를 규명하는 데 큰 역할을 하고 있다. 하지만 현재 가장 널리 사용되고 있는 비침습적 뇌기능 영상들인 뇌전도(EEG)와 뇌자도(MEG), 그리고 기능적 자기공명영상(fMRI) 등은 시간 및 공간해상도 측면에서 뚜렷한 장단점들을 가지고 있어 생체 내 뇌 연구에 중요한 한계로 작용하고 있다. 예를 들어, EEG와 MEG는 높은 시간해상도(~밀리초)에도 불구하고 낮은 공간해상도(~센티미터)를 제공하고, fMRI는 높은 공간해상도(~밀리미터)에도 불구하고 낮은 시간해상도(~초)와 혈류 기반의 간접적인 신경활동 정보만을 제공한다. 박장연 교수 연구팀에서는 신경활동전위 변화시간에 버금가는 수 밀리 초의 시간해상도를 가지는 자기공명영상을 구현할 경우 직접적인 신경활동의 측정 및 영상화가 가능할 것이라 예상하였고, 영상 데이터를 쪼개어 얻는 방법을 이용해 밀리 초의 초고시간해상도를 가진 자기공명영상을 구현하였다. 연구팀은 이를 이용해 높은 시공간해상도로 신경활동을 직접적으로 영상화함과 동시에, 뇌 신경망에서의 신경활동이 전달되는 과정 또한 영상화하였다. 또한 이러한 직접적 신경활동영상의 새로운 신호 기전에 대해서도 중요한 가설을 제안하였다. 연구팀은 9.4T 동물용 MRI 장비에서 살아있는 마우스의 뇌를 이용해 개발한 초고속 뇌 신경활동 영상기술을 검증하였다. 마우스 수염 부위에 주기적인 전기 자극을 가하면서 시상(thalamus)과 일차 체성감각피질(primary somatosensory cortex, S1)을 포함하는, 0.22 밀리미터의 공간해상도와 5 밀리 초의 시간해상도를 가지는 신경활동의 시간열(time series) 영상을 획득하여 20-25 밀리 초에서 S1에서의 신경활동 반응을 확인하였다. 이와 더불어 S1에서의 신경활동 반응 전에 10-15 밀리 초 사이에서 나타나는 시상에서의 신경활동 반응 또한 확인하였고, 이를 통해 시상을 거쳐 S1에 이르는 시상-피질 신경전달경로 상에서 시간에 따른 신경전달이 어떻게 이루어지는 지를 영상화하였다. 또한 이러한 초고속 신경활동 영상의 새로운 신호 기전으로 신경활동 시 발생하는 세포막변위의 변화에 따른 T2 이완화 시간(relaxation time)의 변화를 제시하였다. 연구팀이 제안한 높은 시간 및 공간해상도를 가진 생체 내 초고속 뇌 신경활동 영상기술은 수 밀리 초의 초시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 영상화함으로써, 신경활동의 직접적인 영상화와 함께 뇌 신경망에서 신경활동 신호의 전달이 어떻게 이루어지는지를 보여줄 수 있는 차세대 뇌기능 영상기법이라고 말할 수 있다. 이러한 차세대 뇌기능 영상기법을 통해 다양한 인지과정에서 뇌 기능이 실제로 어떻게 이루어지고 있는지를 반영하고 표상할 수 있는 실제에 가까운 다이내믹한 뇌 신경망 모델이 구현이 가능할 수 있을 것이며, 임상적인 측면에서는 퇴행성 뇌질환에서의 인지 손상이나 정신질환에 있어서 객관적이고 정량적인 평가를 가능하게 함으로써 현대 의학의 추세인 개인별 정밀 진단에 크게 기여할 수 있으리라 기대한다. 박장연 교수는 “본 연구는 뇌기능 영상 분야의 오랜 숙원이었던 높은 시간 및 공간해상도를 동시에 가진, 생체 내 뇌 신경활동 영상을 구현했다는 점에서 매우 큰 의미가 있다”며 “특히 초고시간해상도로 뇌 신경망에서 신경활동의 활성화 및 전달과정을 영상화할 수 있다는 것은 뇌 신경망에서 인지 과정에 따른 정보의 흐름 즉 생각의 흐름을 볼 수 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 뇌 기능의 위계적인 연결 구조를 규명함으로써 ‘생각하는 뇌’에 대한 실질적으로 깊이 있는 이해를 가능하게 할 수 있을 것”이라고 말했다. 덧붙여 “인간에게도 적용 가능하다는 것이 검증되면 뇌 과학 분야에 ‘Game Changer’ 가 될 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다. 이 연구 성과는 2022년 10월 14일 국제학술지 ‘Science’저널 (IF: 47.728) 에 Research Article로 게재되었으며, 주목할 만한 논문에 대해 실리는 논평 기사인 Perspectives와 함께 실렸다. 또한 논문 게재와 함께 Nature news에서도 논문에 대한 기사를 다루었으며, The Scientist(영국)와 STAT news (미국)에서도 논문에 대한 기사를 실었다. ※ 논문제목: “In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporo-spatial resolution” ※ Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4340 [연구그림 1] 높은 시공간해상도의 DIANA 기술은 시상-피질 경로에서의 신경신호 전달을 영상화할 수 있음. A. 왼쪽: 시상(초록색)과 S1BF(자주색) 영역이 표시된 마우스 뇌의 지도. 오른쪽: DIANA 실험 모식도. B. 비교를 위해 DIANA 실험과 동일한 전기 자극으로 얻은 BOLD-fMRI 결과 (뇌 활성화 맵). C. 5 밀리 초 시간해상도의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열(time series) (대표 5마리 마우스 데이터). D. 시상과 S1BF 영역에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. E. 시상과 S!BF에서 DIANA 피크 신호가 나타나는 시간 (각 영역에서의 신경활동 활성화 시간)들의 평균을 나타내는 막대그래프. F. 위: DIANA 실험과 동일한 자극을 가진 전기 생리학 실험 모식도. 아래: 형광 염료를 이용해 시상과 S1BF 에서의 전극(electrode) 위치 확인. G - H. 시상(G)과 S1BF(H)에서 뉴런 스파이크들의 multi-unit activity (MUA) 분석과 single units 분석. I. 시상(위)과 S1BF(아래)에서 자극 후 시간에 따른 single units의 히스토그램과 DIANA 신호 변화(시상: 초록색 실선, S1BF: 자주색 실선)의 비교. J. 시상과 S1BF에서 single units 들의 피크 발화 율(firing rates)이 나타나는 시간들을 나타내는 막대그래프. [연구그림 2] 피질 층에서의 DIANA 활성화 맵은 기능적으로 뚜렷한 피질 층 관련 미세회로들을 보여줄 수 있음. A. 왼쪽: DIANA 실험 모식도. 오른쪽: 시상 내부 핵들(VPMd, VPMv, POM), S1BF과 S2의 피질 층들(L2/3, L4, L5, L6)이 표시된 마우스 뇌의 지도. B. 왼쪽: DIANA 실험과 동일한 자극을 가진 전기 생리학 실험 모식도. 오른쪽: 형광 염료를 이용해 시상 핵들과 S1BF 피질 층들에서의 전극 위치 확인. C. 왼쪽: 시상 핵들에서의 5 밀리 초 시간해상도 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: 시상 핵들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: 각 시상 핵에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. D. 왼쪽: 시상 핵들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵(heatmap) 시간열. 가운데: 시상 핵들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: 각 시상 핵에서의 피크 spike 발화 율의 평균. E. 왼쪽: S1BF 피질 층들에서의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: S1BF 피질 층들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: 각 피질 층에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. F. 왼쪽: S1BF 피질 층들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵 시간열. 가운데: S1BF 피질 층들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: S1BF 각 피질 층에서의 피크 spike 발화 율의 평균. G. 왼쪽: S2 피질 층들에서의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: S2 피질 층들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: S1 각 피질 층에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. H. 왼쪽: S2 피질 층들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵 시간열. 가운데: S2 피질 층들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: S2 각 피질 층에서의 피크 spike 발화율의 평균. * 기사 링크 Nature https://www.nature.com/articles/d41586-022-03276-5 TheScientist https://www.the-scientist.com/news-opinion/new-mri-technique-tracks-brain-activity-at-millisecond-timescales-70626 STAT news https://www.statnews.com/2022/10/13/faster-brain-imaging-seems-to-overcome-limitations-of-mri-scans/ 왕이신문 https://c.m.163.com/news/a/HJUQ2AP905349C3F.html?spss=newsapp&spsnuid=oZlx0DZd33OSWgG0kMOOUuM7BDC%2FiTfKiWqAqYquhrd6bSMjx5AhlFPCxNgjPPppLKLFB1b60t5bfMyo%2BfU9vA%3D%3D&spsdevid=01FAE289-ED08-4A0C-8400-E606EBBCD204&spsvid=&spsshare=wx&spsts=1666052754167&spstoken=SfdkYiZhpyVZWhpU%2BRUwim4QV5mcCcJr7ezvwp%2Fwwy%2FIAvHE%2BhK9eCCy270blp2R&spssid=2abc334fb2d6ee470fa4c0642a06a8a8&spsw=2&isFromH5Share=article

  • 요각류의 후성유전학적 가소성은 해양산성화 적응과 연관

    생명과학과 교수 이재성 교수 ·이영환 김민섭 연구원

    요각류의 후성유전학적 가소성은 해양산성화 적응과 연관

    생명과학과 이재성 교수 연구팀(이영환 박사(공동 제1저자 및 공동 교신저자), 김민섭 석박통합과정(공동 제1저자))은 해양산성화(ocean acidification) 노출에 대한 동물성 플랑크톤 요각류에서 여러 세대에 걸친 부정적 생식(negative reproduction)의 회복과정이 후성유전학적 가소성(epigenetic plasticity)과 연관되어 있음을 밝혔다. 연구팀은 대기 중 이산화탄소(CO2)의 농도가 증가함에 따라 해양은 점점 더 산성화되고 있으며, 이러한 해양산성화는 해양생태계를 크게 변화시킬 것으로 우려된다고 말했다. 특히, 동물성 플랑크톤의 생식능력에 대한 현저한 감소가 관찰되고 있으며 이는 궁극적으로 종의 지속가능성과 해양 생태계의 영양 역학적인 측면에 영향을 미칠 수 있다. 연구팀은 기수성 요각류 Paracyclopina nana를 이용하여 해양 산성화에 대한 다세대간 노출실험을 진행하였으며, 부모세대(F0)에서 관찰된 성비(sex ratio) 및 생식에서의 부정적 변화가, 후손 세대(F2 및 그 이후)에서는 관찰되지 않음을 발견하였다. 해양 후성유전학은 급격히 변화하는 해양환경조건에서 해양생물들의 빠른 적응 과정을 분석하는 방법으로 주목받고 있다. 이에 한세대가 짧은(2주 정도) 요각류를 이용하여 해양산성화에 의한 DNA 메틸화 패턴 및 전사체 변화와 생체내(in vivo) 실험을 통하여 관찰된 생식능력 회복에 내재적인 후성유전학적 역할을 면밀히 분석하였다. 연구팀은 DNA 메틸화 수준의 후성유전학적 수정(modification)이 미래의 기후 변화에 대한 동물성 플랑크톤의 적응에 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 보여주었으며, CO2의 증가에 따른 환경 스트레스에 대한 요각류의 미래 취약성을 평가하는 데 있어 후성유전학적 가소성을 고려할 필요성을 강조하였다. 이재성 교수는 “이번 연구는 작은 크기(0.6mm 이하)의 비모델종의 기술효용적 한계를 극복하고 요각류에서 해양산성화의 다세대간 노출, 후성유적학적 변형 및 이들의 기능적 결과 분석간의 인과관계를 밝힌 것에 의의가 있다”며 “해양생물의 발달과 성장에 영향을 미치는 환경 매개변수를 추적하기 위한 DNA메틸화의 기능적 관련성을 탐구할 수 있을 것으로 기대된다.”고 하였다. 본 연구는 해양수산부의 다부처 유전체 사업, 마린바이오틱스개발 사업 및 한국연구재단의 기본연구과제 및 중견연구과제 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 환경연구 분야의 세계적인 학술지 Nature Climate Change(IF 28.660, JCR 상위 0.78%, 1/127)에 9월 29일(목)에 온라인 게재되었다. * 논문명: Epigenetic plasticity enables copepods to cope with ocean acidification * DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41558-022-01477-4

  • MEMS · Sensor 연구 플랫폼 구축

    신소재공학부 교수 서수정 교수

    MEMS · Sensor 연구 플랫폼 구축

    경기도 지역협력연구센터(GRRC)사업의 지원을 받고 있는 성균관대학교 융복합센서 소재공정 플랫폼 센터(센터장 서수정교수)는 교내 7분의 교수와 10여개의 기업과 함께 융복합센서 구현에 필요한 새로운 핵심소재와 공정기술을 개발하여 원천기술을 확보하고, 이 분야의 석박사 인력을 육성하는 등 글로벌 센서산업을 선도하는 기술적, 산업적 거점을 목표로 활발히 산학연구를 수행하고 있다. 서수정 교수는 신소재공학부 교수로 33년간 근무하면서 학술적 업적 뿐 아니라 TIC, RRC, RIS, RIC 등 산업부, 과기부, 교육부, 중기부, 경기도의 소재‧공정 기반 대형 정부지원 센터사업을 수행하였으며 이 연구비를 통해 반도체 클린룸, 초정밀 재료분석 장비 등 연구장비 인프라를 구축하였다. 센터내에 8 inch wafer 공정(cleaning, oxidation, photolithography, etching, sputter, CMP, bonder 등)이 가능한 시설을 구축하여, 최근 이러한 연구기반 인프라 확충을 통해 소재부품장비기술개발(소부장)사업, 핵심연구지원센터(Core facility), 대학혁신기반센터(UIC) 사업 등 정부과제를 유치하여 많은 교수진들과 함께 사업을 수행하고 있으며, 520여개의 외부기업에 인프라 및 기술지원을 실적이 있다. 최근 5년간 국내외 29건의 특허를 출원 등록하였고, 미국기업에 특허이전 실적을 포함한 12건의 기술이전 실적이 있으며, 또한 반도체 인프라활용 현장인력양성사업을 유치하여 재직자 및 미취업자를 대상으로 센서 및 반도체 교육을 실시하여 재직자 314명, 미취업자 522명의 교육생을 배출하였고, 향후 2027년 까지 재직자 730명, 미취업자 290명을 교육을 계획이다. 서수정 교수의 특훈교수 임용으로 센터의 기구축된 장비와 산업체와의 협력시스템을 활성화시켜 산학협력을 가속화시킬 것으로 기대된다.

  • 인공지능 접목한 통신 기술로 6G 구현해야

    전자전기공학부 교수 김동인 교수

    인공지능 접목한 통신 기술로 6G 구현해야

    전자전기공학부 김동인 교수는 “6G 기술은 단순히 5G 기술의 진화가 아니다. 완전히 새로운 패러다임을 만들어 가는 국제적이고 치열한 경쟁 속에 놓여 있다”고 강조하면서, 6G의 핵심 기술을 ‘연결 지성(Connected intelligence)’이라 소개했다. 그는 “지식 정보가 무선 공간에서 통신의 뒷받침을 받으며 인간, 기계, 사물인터넷 환경에서 전체적으로 통합되면서 인공지능이 기반이 되는 새로운 패러다임 개발이 필요하다”고 설명했다. 6G는 5G에 비해 매우 높은 수준의 통신 환경을 요구한다. 정보통신기획평가원이 최근 발표한 ‘6G 이동통신 기술 동향’ 보고서에 따르면, 홀로그램 통신과 촉각 인터넷 등의 서비스를 원활히 제공하기 위해서는 5G 대비 최소 50배 이상 빠른 속도, 40배 이상의 저지연 특성, 100배 이상의 신뢰성이 요구된다. 또 최대 1,000㎞/h 이동체의 통신 지원과 5G 대비 10배 많은 장치 연결이 가능해야 한다. 이렇게 요구 수준이 높은 만큼 6G 환경에서는 통신 효율이 매우 중요하다. 이와 관련해서 김동인 교수는 “6G 환경에서 통신 효율이 획기적으로 개선되지 않으면 지연, 보안, 정보 가치 소멸 등의 문제가 발생하는데, 이는 기존의 5G를 개선하는 것으로는 극복이 불가능하기에 새로운 패러다임이 요구된다”고 설명했다. 그는 이에 대한 해결책으로 먼저 ‘의미통신(semantic communication)’을 제안했다. 의미통신은 단순히 데이터만 전송하는 것이 아니라, 데이터의 의미를 추출해서 채널 부호화를 거쳐 정보량을 획기적으로 줄이는 방법이다. 이것이 가능한 것은 인공지능 기술의 뒷받침 덕분이다. 그는 “인공지능 기술이 의미통신에 접목되면 정보 송·수신 시 처리해야 할 과정을 학습시킬 수 있다.그러면 정보의 일부만 보내도 그다음 메시지가 무엇일지 예측이 가능하다. 꼭 필요한 정보만 추출해서 보내면 인공지능이 메시지를 복원해 내는 것이다. 이렇게 정보량이 획기적으로 줄면 6G가 요구하는 지연 및 보안 이슈를 극복할 수 있을 것”이라고 설명했다. 또 김 교수는 “의미통신을 구현하려면 새로운 학습 기법을 개발해야 한다. 복잡하고 역동적인 특성을 가진 무선 채널에 인공지능 학습 기법을 적용하기가 어렵기 때문에 그 해결법을 찾는 것이 6G 성패의 중대한 관점이 될 것”이라 덧붙였다. 아울러 김 교수는 6G 기술 구현을 위한 또 다른 새로운 패러다임으로 ‘재구성가능한 지능형 표면(RIS, Reconfigurable Intelligent Surface)’ 기술을 언급했다. RIS는 안테나 표면의 전자기적 특성을 이용해 기지국에서 나온 전파를 이용자에게 전달하는 기술이다. 통신 전파는 세대를 거듭할수록 대역폭은 넓어지고 파장은 짧아지는데, 그럴수록 데이터 전송률은 높아지나 장애물에 취약하다는 단점이 있다. RIS는 전파 특성에 맞게 전달력을 조절하는 기술로, 장애물이 있는 환경이나 실내 환경에서 5G나 6G와 같은 높은 대역폭의 통신 품질을 개선할 수 있다. 특히 6G는 5G에 비해 요구되는 RIS 기술의 수준이 매우 높다. 김 교수는 “이 역시 인공지능 기법을 이용해 RIS를 구성하면 무선 통신의 여러 한계를 단번에 극복할 새로운 돌파구를 만들어 줄 수 있다”고 전망했다. 기존에는 송신단과 수신단을 통합 설계하는 것으로 무선 채널의 문제를 극복해 왔는데, 이 방법은 이미 개발이 거의 다 이루어졌고, 여기에 인공지능을 탑재해 원하는 환경으로 바꾼다는 것이 김 교수의 설명이다. 김 교수는 “결국 6G의 성패는 인공지능을 활용한 의미통신 기술과 RIS 시스템 설계에 달려있다”고 강조했다.

  • 반도체 식각기술을 선도하는 ▼플라즈마공정연구실

    신소재공학부 교수 염근영 교수

    반도체 식각기술을 선도하는 플라즈마공정연구실

    2022년도 특훈교수로 선정된 신소재공학부 염근영 교수팀은 반도체의 8대 공정기술중의 한가지인 반도체의 플라즈마를 이용한 식각기술에 대한 연구를 중점적으로 연구를 하고 있다. 플라즈마란 고체, 액체, 기체 다음의 제 4의 물질로 이온화가스로서, 증착, 표면처리, 식각 등의 다양한 공정에 사용되는 기술이다. 반도체가 수나노크기의 첨단기술로 구성되는 데에는 우선 사진감광기술로 나노미터크기의 유기물마스크 층을 기판위에 형성하는 극자외선 (EUV) 리소그라피기술과 같은 기술이 필요하지만 이보다 더욱 중요한 기술은 이 사진감광기술로 형성한 마스크를 이용하여 아래의 반도체물질을 마스크의 형태 그대로 조각해 내는 기술이 중요하며 이 정밀하게 반도체물질을 조각하는 기술이 플라즈마 식각기술이다. 현재 반도체소자의 임계크기가 수나노미터 이하로 감소하고 있고 또한 반도체의 구조가 3차원으로 됨에 따라서, 다양한 물질의 식각기술 뿐만 아니라 반도체 물질을 3차원 소자형성을 위해 깊게 식각하는 기술이 요구되어 나노미터크기의 형상을 수직하게, 그리고 반도체 물질에 손상없이 선택적으로 식각하는 기술, 그리고 원자층 수준으로 식각을 초정밀로 조절하는 기술이 연구개발되어야하는 상황이다. 염근영 교수팀은 이와 같은 반도체의 식각기술에 대하여 30여년간을 연구한 국내에서 가장 깊게 연구한 연구실로서, 현재에도 삼성전자, 삼성디스플레이, SK 하이닉스, 그리고 반도체 장비업체들과 함께 반도체 식각기술에 대한 선도연구를 진행중에 있으며, 최근에는 국내외 최초로 실리콘을 대치할 차세대 반도체로 유망하게 연구되고 있는 MoS2와 같은 2차원 반도체에 대한 원자층 식각기술을 개발하여 Nature Communicaton을 통하여 국내외에 소개한 바가 있다. 또한, 염근영 교수가 2006년에 저술한 플라즈마식각기술은 반도체 및 디스플레이의 식각공정을 담당하는 엔지니어의 필수도서로서 인정을 받고있는 상황이다. 이에 2016년에는 디스플레이 산업에 대한 공로로 산업자원부 장관상 그리고 반도체산업에 대한 공로로 대통령상을 수상하였다. 현재 염근영교수는 2022년도 특훈교수로 선정이 되었을 뿐아니라, 미국반도체 장비 및 공정 산업에 관련된 학술대회를 주관하는 미국진공학회(American Vacuum Society, AVS)의 2022년 Fellow로 선정되었고, 일본 반도체공정 및 장비관련 기술학술대회인 Dry Process Symposium (DPS)으로부터 2022년 Nishizawa상을 수상한다.  

  • 비임파성 장기 특이적 면역을 체계적으로 ▼연구하여 면역학적 난제를 규명

    생명과학과 특훈교수 배용수 특훈교수

    비임파성 장기 특이적 면역을 체계적으로 연구하여 면역학적 난제를 규명

    지금까지 면역학 연구는 대부분 2차 면역기관인 비장이나 임파절 등 임파성 면역을 중심으로 진행되어 왔습니다. 그러나 최근 산발적인 연구결과들을 통해, 간, 폐, 신장과 같은 비임파성 장기들에서 임파성조직에서는 발견되지 않던 새로운 면역세포들이 발견되고 있으며, 또 이들 장기들은 외부 염증반응으로 부터 장기의 손상을 막고 장기를 보호하기 위해 지속적으로 면역억제 환경을 유지하고 있다는 사실도 알려지게 되었다. 이번에 특훈교수로 헌정된 배용수 교수는 이들 비임파성 장기 특이적 면역을 체계적으로 연구하여 그동안 임파성 면역 만으로는 설명할 수 없던 많은 면역학적 난제를 규명하고, 새로운 학문영역을 개척해 나가고자 2017년 학교에 <비임파성장기면역연구센터 (Center for Immune Research on Non-lymphoid Organ, CIRNO)>를 설립하고 한국연구재단의 선도연구센터(SRC) 과제를 지원을 받아 센터장으로 연구를 주도하고 있다. 센터에는 면역학 분야에 탁월한 업적을 가진 아홉 분의 교수들(교내 6분 교외 3분)이 긴밀한 공동연구를 통해 비임파성 장기 특이적 면역세포와 면역조절분자 및 그들의 활성과 작용 기전을 규명하여 임파성 면역과의 차이를 규명함으로써 우리 몸에서 이제까지 알려지지 않았던 새로운 면역현상을 밝혀, 임파성 면역 조절로는 한계를 보이는 기존 면역치료에 새로운 대안을 제시하고자 한다. 또한 배용수 교수는 비임파성 장기의 면역억제환경이 오히려 암과 감염성 질환을 난치성으로 이끌 수 있다는 점에 착안하여, 이들 장기의 핵심 면역세포, 면역조절분자들을 표적화 (targeting)를 통해 조절함으로써 암이나 염증성 질환을 제어할 수 있는 표적화-기반 질환제어 원천기술도 개발할 계획이다. 센터는 지난 해에도 최고의 국제학술지에 20편의 논문을 게재하였고 10건의 특허를 국내외에 출원하였다. 금년에도 센터소속 서울대 김혜영 교수와 공동연구를 통해 공해물질로 인해 폐에 새롭게 생성되어 만성폐쇄성 폐질환을 유도하는 Siglec F+ 호중구 (neutrophil)을 찾고 특성 및 기능을 규명하여 관련 학술지 J Clin Invest (IF14.8)와 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35482420/ J Aller Clin Immunol (IF14.3) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34653517/ 에 두 편의 논문을 게재하였으며, 센터 배외식 교수와의 공동연구를 통해 폐에서만 존재하고 다른 임파성 장기에는 존재하지 않는 독특한 호중구를 발견하여 관련 학술지 Blood (22.11) https://doi.org/10.1182/blood.2021014283 에 논문을 게재하였다. 또한 센터소속 임용택 교수가 개발한 면역증강제로 임교수와 공동연구를 통해 면역증강제의 암치료기전을 규명하여 최고의 학술지에 투고하고 재심 중에 있으며, 센터 참여교수 3분과 공동연구를 통해 특정 사이토카인 투여로 새롭게 생성되는 항암면역세포를 발견하고 그 세포의 특성 및 항암면역 유도기전을 규명하여 관련분야 최고의 학술지에 투고 중에 있다.

  • 열에너지 저장을 위한 Ultrahigh-Porosity MgO Microparticles 개발

    신소재공학부 교수 최재영 교수 ·김영호, Dong Xue, 채수동

    열에너지 저장을 위한 Ultrahigh-Porosity MgO Microparticles 개발

    신소재 공학과 최재영 교수 및 아주대학교 첨단신소재 공학과 류학기 교수 연구팀은 열 에너지 저장을 위한 우수한 저장 효율 및 구조적 안정성을 갖는 Ultrahigh-Porosity MgO Microparticles을 개발하였다. 최재영 교수는 현재 C&C Materials 공동대표를 역임 중이다. 본 연구 결과는 재료공학분야의 세계적인 학술지인 Advanced Materials에 "Ultrahigh-Porosity MgO Microparticles for Heat-Energy Storage"을 게재하였다. 전세계적으로 탄소중립을 이루기 위한 신재생 에너지 보급 확대 움직임과 함께, 버려지는 열에너지를 회수해 활용가능한 에너지로 변환하는 연구가 초미의 관심사로 떠오르고 있다. 그 중에서도 필연적으로 발생하는 산업 폐열을 화학적 에너지로 저장하는 연구가 주목받고 있으며, 열에너지 저장 효율을 향상시키기 위한 소재 개발의 필요성은 증가하고 있다. 그림. Ultrahigh-Porosity MgO Microparticles의 모식도 및 구조 이미지 이에 연구팀은 폐열의 저장 용도로 주목받고 있는 산화마그네슘(MgO)에 초다공성 구조를 도입하여 우수한 열에너지 저장 성능을 갖는 소재를 개발하였다. 본 연구로 개발된 초다공성 MgO는 상용 MgO 대비 4배 높은 표면적을 갖기 때문에 열에너지 저장 과정에서 부피 팽창 문제가 발생하지 않아 구조적 안정성이 향상되었으며, 열 저장률이 상용 MgO 대비 7.2배 개선되었다. 본 연구를 통해 개발한 초다공성 MgO는 산업 폐열을 화학적 에너지로 저장하는데 있어 핵심적인 소재로서의 역할을 할 것으로 기대되며, 본 연구팀은 향후 새로운 물질의 합성 및 기존 물질의 구조적 제어를 통해 다양한 응용 분야에서 나노 재료의 한계점을 해결하는 후속 연구를 진행할 계획이다. 기초연구지원사업(중견연구), 기초연구실 지원으로 수행된 이번 연구는 재료과학(Materials science) 분야 상위 3% 이내의 세계적인 학술지인 “Advanced Materials (IF =32.086)”에 2022년 7월 게재되었다. ※ 논문명: Ultrahigh-Porosity MgO Microparticles for Heat-Energy Storage ※ 저자명: 김영호1, Dong Xue1, 채수동1, Ghulam Asghar, 최성웅, 김범준#, 최재영#, 류학기# ※ 관련링크: https://doi.org/10.1002/adma.202204775

  • 초고해상도 대면적 양자점 패턴화 기술 개발

    성균나노과학기술원 부교수 배완기 부교수 ·함동효, 임재민 연구원

    초고해상도 대면적 양자점 패턴화 기술 개발

    차세대 디스플레이의 핵심 소재인 양자점*을 상용화된 반도체 제조공정에 활용하여, 양자점의 물리적 특성 변화 없이 초고해상도로 패턴화하는 기술이 개발되었다. * 양자점 : 나노미터 크기의 반도체 나노 입자로서, 빼어난 색순도와 높은 효율을 지니는 미래형 디스플레이 핵심소재 배완기 교수 공동 연구팀(서강대학교 강문성 교수, 한국전자통신연구원 강찬모 박사)이 미래형 디스플레이 구현을 위한 핵심기술로 여겨지는 초고해상도 양자점 패턴화 기술을 개발했다고 밝혔다. 양자점은 빼어난 색 재현율과 높은 광효율을 가지고 있으며 용액 공정*이 가능하다는 특성으로 가상현실 또는 증강현실 디스플레이와 같은 초고해상도 차세대 디스플레이 구현을 위한 핵심 발광 소재로써 주목받고 있다. * 용액 공정 : 사용 재료를 유기용매 등을 이용해 액체화하여 기판위에 도포하는 방식 하지만 양자점 디스플레이를 만들기 위해서는 적･녹･청색의 양자점들을 일정한 순서로 배열하는 패턴화 공정이 필수적인데, 양자점의 고유한 전기적･광학적 특성을 유지하면서 패턴화하는 기술은 차세대 양자점 디스플레이 구현에 가장 어려운 과제로 남아있다. 이에 연구팀은 기존 양자점 표면의 분산 리간드에 광가교 리간드*를 도입하여 별도의 감광제** 및 가교제 등의 첨가물 없이 양자점만으로 패턴화가 가능한 이중 리간드 양자점 소재 기술을 제시하였다. * 리간드 : 양자점 표면에 함유하고 있는 유기물을 리간드라고 하며, 리간드의 구조에 따라 양자점의 분산 특성을 달리할 수 있음 (분산 리간드). 연구팀은 리간드 말단에 광감응 작용기를 도입하여 양자점들이 화학적 결합을 형성할 수 있도록 함 (광가교 리간드). ** 감광제 : 빛을 흡수하여 다른 분자에서 화학적 또는 물리적 변화가 일어나게 하는 물질 광가교 리간드가 도입된 양자점 박막에 자외선을 조사하면 이웃한 양자점의 리간드 간 가교가 일어나며, 이 경우 양자점 박막은 회로 패턴 형성 공정에 사용되는 용매에 대하여 구조적 저항성을 가지게 된다. * 용매 : 용액을 만들 때 용질(溶質)을 녹이는 액체 따라서 자외선이 조사되지 않아 구조적 저항성이 없는 부분의 양자점을 분산 용매로 제거하면 간단한 공정을 통해 패턴화된 양자점 박막을 얻을 수 있다. 이러한 패턴화 공정은 별도의 첨가물이 없기에 양자점 박막의 광학적 특성은 물론 전기적 특성까지 전혀 저해하지 않아 기존 포토리소그래피* 및 잉크젯 프린팅** 등 모든 용액 공정에 적용 가능함을 규명하였다. * 포토리소그래피 : 파장이 짧은 빛을 마스크에 통과시켜 기판 위에 회로를 새기는 공정 ** 잉크젯 프린팅 : 액체 상태의 발광 소재를 노즐을 통해 미세하게 분사하여 기판 위에 일정한 막을 형성하는 방법 이뿐만 아니라, 3,000ppi 이상의 고해상도 패턴화 기술을 요구하는 가상/증강현실 디스플레이 등 실질적인 차세대 디스플레이에 적용 가능한 기반을 마련하였다. 배완기 교수는 “연구팀이 제시한 초고해상도 비파괴 패턴화 기술은 광정보를 표현하는 디스플레이나 양자광원, 그리고 광신호를 전기신호로 바꾸어주는 광검출기 등 양자점을 이용한 모든 응용 분야에서의 활용 가능성을 증명한 것”이라고 전하였다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 나노 과학･기술 분야 국제학술지‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 8월 11일 온라인 게재되었다. (그림1) 이중 리간드 양자점 구조 및 광가교 반응의 모식도 (그림2) 이중 리간드 양자점으로 구현한 양자점 패턴 및 전계발광소자

  • 떨어진 꽃잎으로 만드는 친환경 신재생에너지 ▼소재

    화학공학/고분자공학부 부교수 김정규 부교수

    떨어진 꽃잎으로 만드는 친환경 신재생에너지 소재

    화학공학과 김정규 교수 연구팀(제1저자 박사과정 Chengkai Xia)과 ㈜닐사이언스 심욱 교수(現 한국에너지공과대학교)(공동제1저자 Dr. Subramani Surendran)은 친환경 신재생에너지 소재 및 소자 기술을 공동 개발해 오고 있으며, 최근 두 공동 연구팀은 포항공과대학교 화학과 최창혁 교수와 독일 University of Cologne의 최희채 박사와의 협업을 통해 계절이 지나면서 자연적으로 떨어지는 동백꽃의 꽃잎으로 물 분해 그린 수소생산과 에너지 저장 슈퍼커페시터를 위한 다기능성을 갖춘 환경친화적 신규 소재로서 고활성 바이오 숯(Biochar)을 제작하는 연구성과를 보고했다. 최근 기후 변화에 관한 우려가 커짐에 따라 친환경 전기화학 시스템을 기반으로 물을 분해하여 청정 수소를 생산하는 그린 수소 에너지와 빠른 충·방전 속도와 긴 사이클 수명을 가지는 에너지 저장 슈퍼커패시터가 주목받고 있다. 이를 위한 소재로써 탄소 기반의 재료가 많은 관심을 받고 있지만, 현존하는 탄소 재료의 대부분은 합성과정에서 광물성 원료와 석유제품에 대한 의존도가 높아 지속 가능한 발전을 위한 소재로써는 한계가 있다. 때문에, 본 연구진은 탄소 재료의 원료로써 떨어져서 버려지는 꽃잎으로 바이오매스 열분해 공정을 통해 바이오 숯(Biochar)을 제작하여 사용하면 환경친화적인 장점을 포함하여 열분해 과정에서 자가 도핑 효과를 가지는 특성을 활용할 수 있을 것으로 예상했으며, 특히 사계절이 뚜렷한 우리나라는 관상용으로 피어있는 꽃이 지면서 떨어진 꽃잎들이 모두 버려지는 상황이며, 동백나무 꽃잎은 동아시아에 널리 분포하는 관상용 꽃이자 음이온을 풍부히 가지고 있으므로. 본 연구진은 떨어진 동백꽃을 이용하여 다기능성 및 고성능의 친환경 에너지 소재 연구를 수행했다. 동백꽃으로 제작된 Biochar 나노소재를 그린 수소생산을 위한 전기화학적 물 분해 반응을 위한 양극 및 음극 모두에 다기능성 촉매로 이용하여 낮은 과전위와 24시간 연속 가동에도 상당한 안정성을 보이는 수전해 수소생산을 보고하였으며, 에너지 저장을 위한 전기이중층 슈퍼커패시터의 전극 소재로 도입하여 우수한 비정전용량과 사이클링 안정성을 보였고 더 나아가 우수한 에너지밀도를 보이는 하이브리드 슈퍼커패시터로 적용했다. 본 연구는 동백꽃이라는 탄소 기반 생체소재를 이용한 합성법을 사용함으로써 공정 친환경화를 이루었으며 탄소 골격 내에 자가 도핑을 통해 전기화학적 물 분해 전극과 슈퍼커패시터의 성능이 향상되었다. 이러한 연구성과는 자연에서 얻어올 수 있는 바이오매스를 에너지 생산 및 저장 소자로 탈바꿈하여 폐자원의 자원화 및 연구개발 단계의 녹색 에너지화를 가능하게 할 것으로 기대된다. 또한 바이오매스의 원재료를 다양화하여 탄소 골격체 내부에 도핑되는 이온을 조절하여 귀금속 기반 촉매를 넘어서는 성능과 장기 운영 안정성을 갖는 소재를 합성할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 추가적인 연구를 통하여 전기자동차 및 수소 에너지 캐리어 생산의 세계시장에서 경쟁력 있는 에너지 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 에너지 소재 분야 세계적인 학술지인 ‘Carbon Energy’ 저널(IF: 21.6)에 2022년도 7월 표지논문으로 선정되었다. *A sulfur self-doped multifunctional biochar catalyst for overall water splitting and a supercapacitor from Camellia japonica flowers (저널: Carbon Energy, DOI: https://doi.org/10.1002/cey2.207) 동백꽃으로 전기화학적 물분해 그린 수소생산 및 슈퍼커패시터 에너지 저장을 위한 다기능성을 갖춘 고활성 Biochar 소재 기술 개발 Carbon Energy 저널 2022년 7월에 표지논문으로 선정

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