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전자전기공학부 손동희 교수
스티커처럼 간단히 말초신경에 이식 가능한 적응형 인공전자신경외피 개발
기존의 커프(Cuff)형 인공전자신경외피는 말초신경에 부착되어 신경 신호 수집 및 전기자극 기능을 발휘하는 신경보철용 전자소자로 응용되어 왔다. 하지만 장기간 신경에 부착될 때 소재와 신경간의 물성차이로 인해 염증에 의한 섬유화가 급속히 진행되어 신경압박을 일으키게 되고, 결국 신경괴사를 초래한다. 또한 말초신경에 부착 시 수술 시간이 길고, 기계적 안정성이 낮아서 장기간 임상에 적용되기 어려웠다. 이러한 문제점을 해결하고자 전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(이하 KIST, 원장 윤석진) 바이오메디컬융합연구본부 이효진 박사, 윤인찬 본부장, 송강일 박사, 서현선 연구원과의 공동연구를 통해, 자가결합 가능한 신축성 소재 기반의 적응형 인공전자신경외피(Adaptive Self-healing Electronic Epineurium)를 개발했다. 성균관대-KIST 공동연구진은 생체적합성이 우수한 자가치유 소재 기반의 신축성 기판 및 전극을 이용하여 인공전자신경외피가 말초신경에 스티커처럼 매우 쉽고 빠르게 고정될 수 있도록 하였고, 이로 인해 수술시간이 대폭 감소 될 뿐 아니라 후유증도 줄어들게 하였다. 또한, 인공전자신경외피의 동적응력완화(Dynamic Stress Relaxation) 특성은 장기간의 말초신경 압박 없이 안전하게 감각 신경 신호 측정과 운동 신경 유발이 가능하다. 적응형 인공전자신경외피를 쥐의 좌골신경에 이식한 후, 6주 동안 외부의 기계적 자극을 달리하여 기계적 자극의 수용기를 통해 감각신호의 세기를 성공적으로 구분할 수 있었다. 또한, 말초신경에 이식한 7주 후에 전기자극을 하여 안정적으로 운동 신경 유발을 하였다. 이러한 감각신호 수집 및 자극은 14주까지 가능하였고, 전기자극은 최대 32주까지 가능하였다. 특히 양방향 신경 신호 수집 및 전기자극 기능은 쥐가 마취가 깬 이후에도 안정적으로 유지되었다. 성균관대-KIST 공동연구진에서 개발한 이번 적응형 인공전자신경외피는 절단된 신경계를 인공적으로 연결하는 신경-대-신경 인터페이스로도 활용될 수 있음을 입증했다. 이러한 연구결과는 차세대 인공 신경보철 장치 개발 및 신경계 질환 재활 연구에 큰 혁신이 될 전망이다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 한국연구재단기초연구사업, 정보통신기획평가원 정보통신․방송 기술개발사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 이 연구결과는 권위 있는 국제 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션 (Nature Communications, IF: 12.121)지에 8월 21일 논문으로 게재되었다. * (논문명) Adaptive self-healing electronic epineurium for chronic bidirectional neural interfaces 손동희 교수는 “이번 연구 성과는 기존의 신경 보철 분야의 한계를 극복 할 수 있는 새로운 패러다임의 신경인터페이스를 개발한 것으로, 사람의 신경계의 재활을 위한 스마트 전자약 구현 가능성을 열었다”면서“향후 로봇이나 보철용 인공 신경계 네트위킹 기술의 초석이 될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. (그림 1) 쥐의 좌골신경에 이식된 적응형 인공전자신경외피 (그림 2) 인공전자신경외피의 말초신경 부착 및 신경 압박 제거 원리 적응형 인공전자신경외피의 말초신경 신호 수집 및 전기자극 성능(왼쪽: 신경신호 수집 / 오른쪽: 신경 전기자극) (그림 3) 인공전자신경외피의 신경 신호 수집 및 전기자극 성능
- No. 143
- 2020-09-17
- 692
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약학과 신주영 교수 ·정한얼, 이혜성 연구원
코로나19 환자, 비스테로이드성 소염진통제 사용 시 건강 더 악화
약학대학 신주영 교수와 정한얼, 이혜성 연구원은 우리나라 보건의료 빅데이터를 활용하여 코로나바이러스감염증19(이하 코로나19)로 입원한 성인 환자에서의 비스테로이드성 소염진통제(NonSteroidal antiinflammatory drugs, 이하 NSAIDs) 사용여부에 따른 전반적인 건강결과 악화 위험성 확인했다고 밝혔다. 이는 국내에서 많이 사용되는 이부프로펜(Ibuprofen) 등 총 18개 성분을 포함한 결과이다. 2019년 말 처음 발견된 코로나19는 SARS-COV-2 바이러스(Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) 감염에 의해 발생하는 호흡기 질환으로, 2020년 8월 25일 기준 전 세계 214개 국가에서 총 2,433만여 명이 감염되었으며 그 중 835만여 명이 사망한 것으로 나타났다. 코로나19의 주요 증상으로는 고열, 기침, 가쁨 숨 등이 있으며, 이 중 열, 근육통과 같은 증상관리를 위해 NSAIDs가 많이 사용되고 있다. 하지만 지난 3월, 프랑스 보건복지부 장관은 코로나19 환자에게 해열진통소염제인 NSAIDs를 사용하는 것이 환자의 건강상태를 악화시킬 수 있다는 우려가 제기된 바 있다. 왜냐하면 NSAIDs 사용 후 젊은 코로나19 환자 4명에게서 심각한 합병증이 발생하였기 때문이다. 이러한 우려와 더불어 다른 NSAIDs에 비해 아세트아미노펜(Acetaminophen)의 부작용 위험이 더 낮았다는 기존 선행연구들을 참고하여 코로나19 환자에게 해열 등의 완화목적으로 아세트아미노펜을 1차 치료제로 사용해야한다고 권고하였으며, WHO도 이를 지지하는 성명을 냈다. NSAIDs 사용이 코로나19 환자에게 위험할 수 있다는 근거로 코로나19 바이러스가 안지오텐신-전환효소 2(Angiotensin-converting enzyme 2, 이하 ACE2)와 결합하여 체내로 들어온다는 동물실험을 들었는데, 이는 NSAIDs가 ACE2 발현을 증가시킬 수 있다는 주장이 있었기 때문이다. 그 외로는 NSAIDs가 B림프구 내 염증물질인 사이클로옥시게나제-2(Cyclooxygenase-2) 발현을 유도, 항체 형성을 방해하거나 외부 병원균으로부터 신체 면역에 필수적인 인터페론-감마 생산을 억제한다는 가설도 제기된 바 있다. 하지만, 이에 대한 임상적 근거가 아직 명확하게 확립되지 않아 미국 FDA, 유럽 EMA, 호주 TGA 등 여러 해외 의약품 규제기관에서는 코로나19 환자에서의 NSAIDs를 사용하는 현재 치료행태를 변경해서는 안 된다는 성명을 냈었고, WHO 또한 NSAIDs 사용의 위험에 대한 지지를 철회하고 다시 NSAIDs를 사용하지 않을 근거가 아직까지는 부족하다는 입장임을 밝혔다. 이렇게 안전성 근거 확립이 필요한 상황임에도 불구하고 아직까지 전 세계적으로 코로나19 환자에서의 NSAIDs과 관련된 관찰연구는 수행된 바 없었다. 이에 본 연구팀은 세계적으로 저명한 미국 하버드 대학교 임상연구진, 캐나다 맥길 대학교 약물역학연구진을 포함하여 국제협력연구팀을 구성하였으며, 지난 3월 27일 보건복지부와 건강보험심사평가원에서 구축한 코로나19 빅데이터 플랫폼을 활용하여 본 연구를 수행하였다. 해당 플랫폼으로 제공되는 자료는 행위별수가제를 기반으로 제공되는 코로나19 환자들의 실제임상데이터(Real-World Data, RWD)이다. 연구대상자는 올해 4월 8일 기준 코로나19로 입원한 19세 이상 성인으로 제한하였으며, 입원시점 이전 7일부터 당일 사이에 NSAIDs 사용기록을 확인하여 ‘NSAIDs 사용군’과 ‘NSAIDs 비사용군’으로 분류하였다. 또한, NSAIDs 사용군과 비사용군 간에 존재할 수 있는 인구학적 및 임상학적 특징 차이를 보정하기 위하여, 연령, 성별, 보험가입종류, 과거질환력, 과거병용약물 기록 등을 기반으로 산출한 성향점수를 가중치로 적용하여 다양한 건강결과 악화의 위험을 평가하였다. 위와 같이 연구를 수행한 결과, 총 코로나19로 입원한 성인 환자는 총 1,824명이었으며, 이 중 NSAIDs 사용군이 354명, NSAIDs 비사용군이 1,470명이었다. 그리고 NSAIDs 비사용군 대비, 사용군에서의 사망, 중환자실 입원, 인공호흡기 사용, 패혈증 발생 위험이 1.54배 높은 것을 확인하였다. 또한, 심부전, 뇌졸중, 급성심근경색을 포함한 심혈관계 이상반응 및 급성신부전 발생 위험이 높을 수 있다는 가능성을 확인할 수 있었다. 교신저자인 신주영 교수는 “본 연구결과는 실제 임상현장에서 코로나19 환자의 해열 또는 통증을 치료할 때 환자의 건강상태와 편익-위험을 평가한 후 NSAIDs를 신중히 처방해야한다는 근거로써 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 또한, 정한얼, 이혜성 연구원은 “코로나19로 전 세계가 힘든 시점에 환자 치료에 있어 중요한 정보를 제공할 수 있어 의의가 크며, 우리나라 보건의료 빅데이터의 우수성을 알릴 수 있는 좋은 기회였다”고 말했다. 본 연구의 학술논문은 감염병 분야 세계적인 학술지인 임상감염병(Clinical Infectious Disease, IF=8.313, JCR Ranking 3.2%)에 7월 27일(월) 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Association Between Nonsteroidal Antiinflammatory Drug Use and Adverse Clinical Outcomes Among Adults Hospitalized With Coronavirus 2019 in South Korea: A Nationwide Study ※ 논문 출처: https://academic.oup.com/cid/article/doi/10.1093/cid/ciaa1056/5876905?searchresult=1 ※ 관련 보도자료 연합뉴스: https://www.yna.co.kr/view/AKR20200805147700017 조선일보: https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/06/2020080601112.html 한국경제: https://www.hankyung.com/it/article/202008067897Y
- No. 142
- 2020-09-02
- 1985
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나노구조물리 연구단 이영희 교수 ·반 루엔 뉴엔, 두옹 딘 록, 이상협 연구원
4층짜리 단결정 그래핀 대면적 합성한다
흑연의 원자 한 층인 그래핀은 우수한 전기전도도와 신축성을 갖춘 데다 투명해서 반도체 전극으로 많이 쓰인다. 또 몇 개의 단층 그래핀이 겹쳐있는지에 따라 응용성이 크게 달라진다. 그래핀을 여러 겹 쌓으면 집적회로의 소형화가 가능하고, 반도체의 특징인 밴드갭(Band Gap)을 조절할 수 있다. 그러나 이제까지 고품질 다층 그래핀을 균일하게 넓은 면적으로 기르기는 어려웠다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 삼성종합기술원(반 루엔 뉴엔), 부산대(정세영) 공동 연구진은 4층에 이르는 다층 그래핀을 단결정으로 성장시키는 합성법을 개발했다. 4층짜리 균일한 그래핀은 최초일 뿐만 아니라, 장비 크기에 따라 수십~수백 제곱센티미터 대면적으로 합성할 수 있어 반도체 고집적 전극 및 다양한 광전극소자등에 응용할 것으로 기대된다. 고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는데, 금속 기판이 촉매 역할을 해 주입된 탄화수소를 분해하고 흡착하는 원리다. 이 때 사용하는 금속의 탄소 용해도에 따라 층수가 조절된다. 구리처럼 낮은 용해도를 가진 금속은 단층 그래핀을 만들고, 니켈처럼 높은 용해도의 금속은 다층 그래핀을 만든다. 그러나 다층 그래핀은 층수가 불균일해지는 문제 때문에 고품질로 만들기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구진은 탄소 용해도가 높은 구리 기반 합금을 만드는 데 초점을 맞추고, 여러 시도 끝에 구리-실리콘(Cu-Si) 합금을 만드는 방법을 개발했다. 먼저 화학기상증착 장비에서 기판이 들어가는 부분인 석영(SiO₂) 튜브에 구리 기판을 넣고 900℃ 고온으로 열처리했다. 이 때 튜브에 포함된 실리콘이 기체로 승화돼 구리판에 확산되며 구리-실리콘 합금이 형성된다. 이후 메탄 기체를 주입해, 메탄의 탄소 원자와 석영 튜브의 실리콘 원자가 구리 표면에 균일한 실리콘-탄소(Si-C) 층을 만들도록 했다. 이 층이 앞서 합성한 구리-실리콘 합금의 탄소용해도를 제어한다. 공동 제 1저자인 반루엔 뉴엔 박사는 “아이디어를 내고 균일한 실리콘-탄소 층 제조법을 찾아내기까지 2년의 시행착오가 있었다,”고 설명했다. 이렇게 만든 기판으로 실험한 결과, 기존의 불균일한 다층 그래핀 합성과는 달리 1, 2, 3, 4층의 균일한 다층 그래핀 제조에 성공했으며, 메탄 농도에 따라 층수 조절이 가능함을 보였다. 이는 각 층이 정확히 같은 각도로 겹치면서 반도체 웨이퍼에 견줄 수 있는 크기이며, 대면적 고품질 다층 그래핀을 4층까지 합성한 최초의 연구다. 공동교신저자인 이영희 연구단장은“이번 연구는 높은 온도의 구리-실리콘 합금 합성을 통해 균일한 다층 그래핀을 성장한 새로운 방법이며, 기존에 일반적인 증착 방법으로는 불가능했던 고품질 다층 그래핀 제조에 성공했다”며 이번 실험을 통해 화학기상증착법으로 균일한 다층 그래핀 성장이 가능함을 보였다고 의의를 밝혔다. 이번 연구는 구리 전극을 대체할 고집적 전극 및 그래핀을 반도체 기판으로 이용한 다양한 소자 기술에 기여할 것으로 예상된다. 연구진은 앞으로 대량 합성 실험을 반복할 때 석영 튜브가 손상되는 문제를 해결하고 품질 안정성을 높이는 연구를 수행할 예정이다. 이번 연구성과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=31.538) 誌 에 7월 28일 0시(한국 시간)에 게재되었다. [그림 1] 구리-실리콘 합금을 통한 다층 그래핀 성장 모식도 고온에서의 구리-실리콘 합금화 과정부터 균일한 다층 그래핀 성장 과정을 보여주고 있다. [그림 2] 1~4층 그래핀의 전자 현미경 사진. 투과전자현미경 측정을 통해 단층과 다층 그래핀의 층수를 보여주고 있다. 왼쪽 위부터 시계방향으로 1층, 2층, 3층, 4층 짜리 그래핀이다. [그림 3] 실리콘 웨이퍼 위에 옮겨진 제곱센티미터 규모의 다층 그래핀 사진 메탄 농도 조절을 통해 다층 그래핀의 층수 조절이 가능했고, 또한 원하는 층수의 다층 그래핀을 웨이퍼 규모로 성장하는 것을 보여줬다.
- No. 141
- 2020-08-18
- 6052
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반도체시스템공학과 최재혁 교수 ·전정훈 교수·서형석 연구원
자율주행 차량용 LiDAR 센서 반도체 개발
정보통신대학 반도체시스템공학과 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 국내 최초로 자율주행 차량용 CMOS Light Detection and Ranging (LiDAR) 센서 반도체의 개발에 성공하고, 그 연구 논문 (1저자: 서형석 석박통합과정)이 반도체 분야 최고 권위 학술대회인 Symposia on VLSI Technology and Circuits에 발표되었다. 또한 해당 논문은 VLSI 2020 학회의 하이라이트 논문으로 선정되어 VLSI Symposia 미디어 프레스에 소개되었다 (https://vlsisymposium.org/press-kit/). VLSI 학회는 1981년에 설립되어 매년 6월 미국과 일본에서 번갈아 개최되고, 한해 동안 세계 각국의 반도체 업계 및 학계에서 제출된 논문 중 가장 뛰어난 성과를 보인 논문을 선정해 발표하는 반도체 분야 최고 권위의 학회 중 하나이며, Samsung, Intel과 같은 세계 최고의 기업들이 최신 기술을 경쟁적으로 발표하는 곳이다. LiDAR 센서는 적외선광을 이용하여 사물의 형상 및 거리를 고정밀로 감지, 사물 및 상황 인지를 가능케 하는 자율주행 차량의 핵심 센서이다. 자율주행차용 LiDAR 센서는 일부 상용 제품들이 출시되었으나, 개별소자 및 개별부품 기반의 큰 부피를 가지는 고가의 시스템이었던 반면, 성균관대에서 개발한 LiDAR 센서는 반도체 기반 system-on-chip로 구현됨으로써 6x5 mm2이내의 작은 면적으로 저가 대량생산을 가능케 한다. 해외 기업 및 연구 기관 (Toshiba, Toyota, EPFL 등)이 LiDAR 센서 반도체 기술을 선점하였으나, 성균관대에서 국내 최초로 LiDAR 센서 반도체를 개발하였고, 또한 광간섭 및 악천후에서의 정밀도 저하 문제를 해결하기 위한 interference 필터 및 multi-event histogramming time-to-digital converter 기술이 센서 칩에 집적되어, 많은 자율주행 차량들이 운용되는 실외 환경에서도 48m의 거리를 고정밀 측정함으로써 기존 LiDAR 센서들을 압도하는 성능을 내었다. 해당 LiDAR 시스템은 SOS Lab, 삼성전자 종합기술원과 공동 개발되었고, 성균관대에서는 시스템의 핵심인 LiDAR 센서 반도체의 개발을 담당하였다. 해당 논문은 2020년 6월, VLSI 학회의 Image Sensor and Imaging Techniques 세션에서 발표되었다. 해당 세션에 채택된 총 5편의 논문들은 Samsung, Toshiba와 같이 주로 세계 최고의 기업들에 의해 발표되었으며, 국내 대학으로서는 성균관대가 유일하다. ※논문: “A 36-channel SPAD-integrated scanning LiDAR sensor with multi-event histogramming TDC and embedded interference filter”, Symposia on VLSI Circuits, 2020. ※저자: 서형석 (1저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 최재혁 (교신저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 전정훈 (공동저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 윤희선·김동규 (공동저자, SOS Lab.), 김정우 (공동저자, 삼성전자 종합기술원), 김성진 (공동저자, UNIST)
- No. 140
- 2020-08-04
- 4613
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에너지과학과 오상호 교수 ·이수빈 박사
실시간 전자현미경 실험을 통한 전위 생성 메커니즘 규명
나노스케일에서 재료의 변형 및 파괴 거동은 재료공학, 기계공학 분야에서 오랜 기간 연구되어온 주제로서, 최근 환경변화를 감지하는 압력 센서 및 반도체 소자 등 저차원 나노재료의 다양한 응용연구에 힘입어 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 재료에 영구적인 변형을 일으키는 전위*의 생성과 움직임은 재료의 기계적 물성을 결정짓는 매우 중요한 인자이다. 더욱이 나노재료에서는 작은 크기로 인해 소성변형이 시작됨과 동시에 파괴로 이어지는 경우가 많아 변형 초기에 전위가 생성되고 움직이는 현상을 관찰하는 것이 중요하다. 나노재료에서 전위에 의한 소성 변형이 어떻게 시작하는지에 대한 연구는 지난 2-30년간 활발히 진행되어 왔다. 원자 시뮬레이션에 의하면 소성변형은 수 나노미터 크기의 매우 작은 전위루프에 의해 시작된다고 알려졌다. 하지만 최초의 전위가 어떻게 생성되고 어떻게 움직이는지, 그리고 재료의 강도 및 강화 메커니즘에 어떻게 영향을 주는지에 관한 실험적 관찰은 전무하다시피 하였다. 나노재료의 더 깊은 이해와 응용을 위해서는 전위의 직접 관찰을 통한 분석이 필수적이며, 이를 위해서는 전위를 직접 관찰할 수 있는 유일한 실험 방법인 실시간 투과전자현미경 실험법이 요구된다 에너지과학과 오상호 교수와 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이수빈 박사 연구팀은 재료의 내부를 백만 배 이상까지 확대할 수 있는 투과전자현미경을 이용하여 나노미터 수준에서 재료가 변형되는 순간을 포착하였다. 연구팀은 실시간 투과전자현미경 실험을 이용하여 금 나노선을 나노인덴테이션(Nanoindentation) 방법으로 변형함과 동시에 전위의 생성에 의한 초기 소성변형 과정을 직접 관찰하는데 성공하였다고 밝혔다. 초당 25프레임의 고속 카메라로 촬영한 결과, 수 나노미터의 작은 전위루프들이 수 십분의 1초에 생성되는 것을 관찰되었다. 전위루프는 먼저 작은 전위선의 생성으로 시작되고, 이후 다른 슬립면으로 이동하는 교차슬립 (Cross slip)을 거쳐 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이 과정에서 접촉면에 따라 전위선의 생성과 교차슬립이 경쟁적으로 작용하여 다른 변형 메커니즘으로 발현되는 것을 확인하였다. 작은 접촉면의 경우 힘을 받으면 작은 크기의 전위루프가 빠르게 형성되는 반면, 접촉면적이 크면 전위루프 생성에 더 많은 에너지가 필요하여, 교차슬립이 더욱 활발하게 일어나서 나선형 전위가 형성됨을 관찰하였다. 본 결과는 재료 변형 거동의 근본적인 이해를 돕는 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상되며, 반도체, 센서, 에너지하베스팅 등의 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.880)에 5월 12일 게재됐다. [그림. 소성변형이 시작되는 순간 형성되는 전위루프. 금 나노선의 실시간 투과전자현미경 나노인덴테이션 변형실험으로부터 초기 소성변형 과정에서 형성되는 전위루프의 생성 과정을 관찰한 실험 결과 및 원자 시뮬레이션 결과.
- No. 139
- 2020-07-17
- 3029
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에너지과학과 윤원섭 교수 ·이은강 연구원
더 오래가고 더 안전한 자동차 배터리용 양극소재개발에 새로운 길 제시
에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀 (제1저자 이은강연구원) 의 리튬이온배터리 양극소재의 열적안정성에 대한 논문이 소재과학(material sciences) 분야의 세계적 권위의 학술지인‘Advanced Science’에 온라인으로 지난 4월 24일(금)에 게재되었으며, 5월 15일 저널 커버로 선정되었다. 고성능 차세대(Next-generation) 전기 자동차 및 전자기기들의 지속적이고 편리한 사용을 위해 리튬이온배터리의 양극소재로 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 각광받고 있다. 하지만, 이러한 고(高) 함량 니켈계 층상구조 양극소재가 갖는 고유한 열적불안정성은 소재 상용화의 걸림돌이 되어왔다. 여러 연구들이 진행되어왔지만, 현재까지도 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성을 유발하는 근본적인 원인에 대한 규명이 부재하였기에 획기적인 열적안정성 개선이 이뤄지지 못하였다. 윤원섭교수팀은 가열 중에 변화하는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열분해 반응에 대한 체계적인 연구를 통하여, 기존에 밝혀지지 않았던 니켈계 층상구조 양극소재의 열적불안정성의 원인은 가열 중 니켈이온에 의한 소재의 열팽창과 소재 내 산소결함의 발생이 상전이에 필요한 에너지를 낮춰주기 때문이라는 것을 규명하였다. 고 에너지밀도를 위해 반드시 양극소재에 필요한 원소인 니켈이온이 층상구조 양극 소재의 열적불안정성을 유발하는 메커니즘 규명을 통해, 본 연구는 고(高)함량 니켈계 층상구조 양극 소재의 열적불안정성 개선을 위한 핵심 인자 (Key-factor)를 제시한다. 그러므로 본 연구 결과는 리튬이온배터리의 안전성 개선을 위한 기존과 다른 새로운 통찰 및 방안을 제공함으로써 고 성능 전기차 및 전자기기 사용에서 가장 중요한 리튬이온배터리의 안전성 향상시키는데 중요한 역할을 할 것으로 기대 된다. 본 논문의 제 1저자인 이은강 연구원은 “더 오래가고 더 안전한 전기자동차 개발에 가장 걸림돌이 되어온 리튬이온배터리의 발화, 폭발 등의 안전성 이슈에서 중요 설계인자들을 도출함으로써 리튬이온배터리의 안전성을 획기적으로 향상시킬 가능성을 열었다는데 그 의미가 있다”라고 전했다. ※ 논문명: Tracking the Influence of Thermal Expansion and Oxygen Vacancies on the Thermal Stability of Ni‐Rich Layered Cathode Materials ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902413 외부 온도증가에 따른 층상 구조 Ni-rich 양극소재 내 발생하는 열팽창 (thermal expansion)과 산소결함 (oxygen vacancy) 의 발생과 그에 따른 결정구조 변화 및 상전이 과정에 대한 모식도
- No. 138
- 2020-07-03
- 4946
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기계공학부 김재훈 교수 ·Handi Setiadi Cahyadi 연구원
대용량 전력저장용 저가 카본 배터리 전극소재의 이온 저장 메커니즘 규명
기계공학부, 성균나노과학기술원, 화학공학/고분자 공학부 김재훈 교수 연구팀 (제1저자 Stevanus Alvin 및 Handi Setiadi Cahyadi 연구원)이 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수 연구팀과 공동으로 중대형 전력저장용 베터리용 음극소재로 각광받고 있는 하드카본의 리튬, 나트륨 및 칼륨 이온저장 메커니즘을 규명하여 안전하고 용량이 높은 소재 개발에 새로운 길을 제시했다고 밝혔다. 태양광, 풍력 등 전기출력특성이 균일하지 않은 신재생에너지의 지속적인 활용을 위해 신재생 전기를 저장해서 필요할 때 사용할 수 있는 중대형 에너지저장시스템 개발이 필수적이다. 하지만 리튬이온전지는 불안전성 및 높은 가격으로 에너지저장시스템의 저변확대에 어려움을 격고 있다. 이에 리튬 대비 매우 풍부하고 저가인 나트륨 및 칼륨을 하드카본에 저장하는 전지가 각광받고 있으나 이온저장 메커니즘이 규명되지 않아서 고용량 배터리 개발에 어려움이 많았다. 이에 연구팀은 리그닌을 원료로 하드카본을 합성하였고, 리튬, 나트륨 및 칼륨의 충전 및 방전 중에 변화하는 하드카본의 물리화학적 성질 변화에 대한 체계적인 연구를 진행하였다. 또한 밀도 범함수 이론 계산 결과를 바탕으로 기존에 밝혀지지 않았던 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 삽입될 때 그래핀 층이 확장되었으며, 그래핀 층의 확장 효과가 없는 리튬보다 나트륨 및 칼륨의 저장에서 더 많은 용량을 보이게 되는 것을 규명하였다. 나아가 연구팀은 리튬, 나트륨 및 칼륨이 하드카본에 충전 및 방전될 때 저장 메커니즘을 규명하고, 하드카본 음극소재의 용량 및 안전성 향상을 위한 인자를 제시하였다. 본 연구는 새로운 접근방법 및 통찰을 바탕으로 중대형 전력저장용 배터리의 안전성 및 용량 개선을 위한 방안을 제공함으로써 신재생에너지 전력저장 시스템 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. Handi Setiadi Cahyadi 연구원은 “그간 논란이 되어왔던 하드카본의 이온저장 메커니즘을 실험 기법 및 이론 기법을 이용하여 밝혀냄으로써 향후 중대형 전력저장용 저가 음극소재 개발에 활용 가능하다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 기후변화대응사업(2017M1A2A2087635)와 환경산업기술원 폐자원에너지화기술개발사업(2018001580001)의 지원으로 수행되었다. 본 연구결과는 소재과학 분야 세계적 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Material’에 4월 15일(수) 온라인 게재되었으며, 5월 26일(화) 저널의 커버로 발표되었다. ※ 논문명: Intercalation Mechanisms: Revealing the Intercalation Mechanisms of Lithium, Sodium, and Potassium in Hard Carbon ※ 논문 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000283 Li, Na 및 K- 이온이 하드카본에 삽입될 때 이온 및 카본층의 전자 반경 및 전위의 차이를 보여주는 모식도. 가장 큰 전자 반경을 갖는 K- 이온은 후속 K- 이온이 하드 카본의 층간 공실 내로 더 깊이 침투 할 수 있는 가장 넓은 입구 팽창 (edge expansion)을 보여줌.
- No. 137
- 2020-06-17
- 2680
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기계공학부 백승현 교수 · 문형필 교수 · 김문기 교수
손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재 개발
기계공학부 백승현 교수 연구팀이 문형필 교수, 김문기 교수 연구팀과 공동으로 손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재를 개발했다고 밝혔다. 공동연구팀은 반복 1,000회의 손상 및 치유 후에도 전기전도도가 복원되는 고전도성 나노복합소재를 개발하는 데 성공하였다. 서대우 박사와 케이피파셀라가 공동 1저자로 참여하였다. 형태변형 및 손상 후 치유가능한 전도성 소재는 인공피부, 사물인터넷, 바이오전자소자 등 미래 전기전자소자 핵심기술로 최근 주목받고 있다. 그러나 낮은 전기전도도와 기계적·전기적 손상 후 전도성이 원래 상태로 완벽히 복원되지 않는다는 기술적 한계가 있었다. 연구팀은 복합소재 혼합 공정 중에 마이크로 은입자를 화학적으로 에칭하여 조밀하고 균일하게 분산된 위성구조의 은나노입자 네트워크를 합성하는데 성공하였다. 입자 간의 직접적인 연결 없이 전자 터널링을 통해 형성된 전도성 네트워크는 고전기전도도를 달성할 뿐 아니라, 끊어진 후 복원되어도 원래의 구조가 회복되어, 반복 1,000회의 손상 및 치유 후에도 복합소재의 전기전도도가 완벽히 복원될 수 있었다. 기계적 특성 변화를 이론적으로 계산하였으며, 침수나 장시간 공기유출 환경에서도 전도성이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 개발된 고전도성 나노복합소재는 고무찰흙과 같이 자유자재로 형태변형이 가능하고 손상 후에도 치유가능한 특성을 나타내고 있으며, 사람의 진입이 제한된 재난상황이나 극한환경에서 로봇 등을 이용하여 손상된 전기부품·회로를 복원하는데 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 본 연구결과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 5월 7일 게재됐다. ※ 논문명: Electron tunneling of hierarchically structured silver nanosatellite particles for highly conductive healable nanocomposites, 서대우 (1저자), K.P. Faseela (공동1저자), 김원준, 박찬용, 임장균, 서성원, 김문기, 문형필, 백승현 (교신저자), Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-15709-8. [그림1] 위성구조 은나노입자 네트워크 기반의 다양한 형태변형 및 손상 후 치유가능한 고전도성 나노복합소재
- No. 136
- 2020-06-01
- 3349
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화학공학/고분자공학부 김정규 교수 ·이병완 연구원
스티커처럼 붙일 수 있는 플라즈모닉 나노패턴구조 어레이를 통한 고효율 태양광-수소에너지 기술 개발
화학공학/고분자공학부의 김정규 교수 연구진은 균일한 크기와 모양으로 최적화된 구형의 금 나노 구체를 정렬된 패턴구조를 갖도록 단일층으로 배열한 어레이를 매우 간단한 Transfer-printing을 통해 판박이 스티커처럼 원하는 위치에 붙이는 기술을 개발하였고, 금 나노 구체 어래이의 플라즈모닉 에너지 전달 현상을 통해 태양광으로부터 강한 전자기장을 유도함으로써, 청정 수소에너지 생산을 위한 태양광 물 분해 전극의 성능을 극대화했다. 정렬된 나노 패턴으로 배열되는 단일층 구조를 금속산화물로 이루어진 전극 필름 표면에 스티커를 붙이듯이 붙이고 태양광을 받게 하면, 플라즈몬 에너지 전달 현상에 의해 금속산화물 표면에 강한 전자기장이 형성된다. 형성된 전자기장은 금속산화물 내부에서 전자와 전공의 재결합을 방지하고, 금속산화물 표면의 정공을 오래 살아남게 하며, 이와 동시에 태양광 흡수 효율을 증가시킴으로써 태양광 물 분해 성능을 3배 이상 증가시켰다. 특히 이번 연구결과는 대기압의 공기 중에서 원하는 위치에 원하는 모양으로 개발된 소재를 붙일 수 있어서 다양한 소자로의 응용이 매우 용이하다는 장점이 있다. 이번 연구를 통해 개발된 기술은 김정규 교수팀에서 2018년 10월 ‘Advanced Energy Materials’에 게재된 연구결과 (논문제목: Mo:BiVO4 Solar Water Splitting with Patterned Au Nanospheres by Plasmon-Induced Energy Transfer)를 통해 개발된 기술을 한층 더 발전시킨 것으로, 태양광 수소에너지 및 태양전지와 같은 에너지 변환 소재뿐 아니라 정보전자소자, 메모리, 디스플레이 등 금속산화물을 사용하는 전 분야 응용될 수 있는 넓은 범용성을 보인다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 24.88) 에 2020년 4월 24일 날짜로 온라인에 게재되었다. *논문제목: Retarded Charge–Carrier Recombination in Photoelectrochemical Cells from Plasmon‐Induced Resonance Energy Transfer *참여연구진: 이병완 (1저자, 성균관대 박사과정), 김정규 (교신저자, 성균관대 조교수)
- No. 135
- 2020-05-18
- 3242
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글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 ·라다 코호토바 연구원
설명가능한 뇌영상 인공지능 모델 분석 파이프라인 개발
인공지능과 기계학습의 인기는 날이 갈수록 증가하고 있다. 뇌인지과학 분야도 예외가 아니다. 최근 인공지능과 기계학습 알고리즘을 뇌영상에 적용하여 병의 진단이나 치료 효과를 예측하는 식의 연구가 인기를 얻고 있다. 심지어 뇌영상을 이용하여 개인의 지능도 측정한다. 하지만 우리는 뇌영상 기반 인공지능 모델의 결정을 얼마나 신뢰할 수 있을까? 인공지능은 종종 안이 들여다보이지 않는 블랙박스로 묘사된다. 인공지능 모델이 왜, 그리고 어떻게 작동하는지 정확히 알기 어렵기 때문이다. 하지만 이를 모른다면 우리는 인공지능 모델이 언제 실패할 것인지, 언제 편파적인 결정을 내릴 것인지에 대해서도 알 수 없을 뿐 아니라, 뇌질환과 뇌의 작동 원리를 파악하는 데에도 도움이 되지 않는다. 이와 같이 뇌영상 인공지능 모델의 해석과 설명은 매우 중요하지만, 이를 통합적으로 분석하고 평가할 수 있는 접근법은 존재하지 않았다. 이러한 한계를 극복하기 위해 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과, 기초과학연구원 뇌과학이미징연구단 우충완 교수 연구팀은 동대학교 전자전기공학부 문태섭 교수 연구팀, 미국 다트머스 대학 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌영상 인공지능 모델의 설명가능성을 분석하고 평가할 수 있는 통합 분석 파이프라인을 새롭게 구축하고 연구자들이 쉽게 따라할 수 있도록 구체적인 분석 프로토콜을 개발하였다. 이번 연구를 이끈 우충완 교수는 “뇌영상을 이용한 다양한 분야에서 기계학습과 인공지능의 사용이 일반화되고 있어, 뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석과 설명의 필요성이 날로 커지고 있다”라며, “이번 연구를 통해 향후 설명가능하고 신뢰할 수 있는 뇌영상 인공지능 모델의 개발, 더 나아가 뇌질환과 뇌작동원리에 대한 더 깊은 이해의 촉진에 도움이 될 것으로 기대된다”고 하였다. 이번 연구의 제1저자인 성균관대학교 글로벌바이오메디컬공학과 박사과정 대학원생 라다 코호토바는 “뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석은 실제로 매우 복잡하며 아직 잘 정립되지 않은 연구 분야이다. 이 연구가 앞으로 더욱 철저하고 체계적인 뇌영상 인공지능 모델 해석의 기본 토대를 제공하길 바란다”고 하였다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부에서 지원하는 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원에서 지원하는 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 연구결과물이다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이쳐 프로토콜스 (Nature Protocols, IF 11.334)에 3월 18일 게재됐다. 블랙박스라고 알려진 뇌영상 기반 인공지능 모델의 해석을 모델, 예측 변수, 생물학의 세 가지 수준으로 병렬적으로 접근, 위계적이고 체계적인 새로운 분석 시스템을 구축 및 제안하였음.
- No. 134
- 2020-04-27
- 3193
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기계공학부 김태성 교수 ·김형우 박사
플라즈마 화학기상증착법을 활용한 금속성 팔면체(1T) 이황화 텅스텐 박막 합성 원천기술 개발
기계공학과/성균나노과학기술원(SAINT) 김태성 교수와 성균나노과학기술원 김형우 박사는 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)를 이용한 다양한 이차원(2D) 물질 합성 핵심기술을 연구해 왔고, 이를 기반으로 ‘웨이퍼 크기의 금속성을 가지는 팔면체 이황화 텅스텐(1T-WS2) 박막 성장 및 효율적이고 안정적인 수소발생반응’ 기술 개발에 성공했다. 김태성 교수 연구팀은 전이금속 칼코겐화합물의 가장 대표적인 물질인 이황화몰리브데넘 (MoS2)을 PECVD를 이용하여 저온에서 4인치 대면적으로 합성 및 메커니즘을 규명하여 학계 및 산업계에 큰 주목을 받았고 (Advanced Materials, 2015), 산화금속계열인 α-MoO3 (Nanotechnology, 2017), 그래핀-이황화몰리브데넘 박막형 이종구조 (Applied Surface Science, 2019) 합성에도 성공하는 등PECVD를 다양한 2차원 물질의 합성에 적용해 왔다. 전이금속 칼코겐화합물은 형상별로 전기적 특성이 달라지는 특징이 있고, 특히 상온‧상압의 조건에서 안정상인 육방형 구조상(2H)과 달리, 팔면체 구조상(1T)은 도체의 특성이 있어 전이금속 특유의 높은 촉매 반응성과 낮은 저항으로 값비싼 백금류 촉매를 대체할 수 있는 에너지 전기화학 촉매 소재로 각광받고 있다. 이에 김태성 교수와 아주대학교 이재현 교수 공동연구팀은 팔면체 구조상(준안성상)을 가진 이황화 텅스텐 소재 상용화의 큰 걸림돌이었던 안정성 및 생산성 확보를 위해 플라즈마 기술을 활용하였다. 플라즈마를 활용하여 이황화 텅스텐 결정의 크기를 나노사이즈로 만들어 높은 표면에너지를 유도하여 상온‧상압에서 준안정상인 팔면체 구조를 1,000회 이상의 전기화학 반응 후에도 지속해서 유지할 수 있도록 하였으며, 높은 밀도의 결정립을 유도하여 촉매 반응성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 김태성 교수는 연구성과에 대해 “에너지 산업에 활용되기 위해서는 대면적의 안정하면서 높은 균일도를 가지는 것이 중요한데 PECVD로 이를 해결하기 위한 방법을 제시하였고, 안정적인 팔면체 구조의 이황화 텅스텐은 수소에너지 분야 주요 원천기술이 될 것으로 기대합니다.” 라고 평가했다. 이번 연구는 나노 및 마이크로 과학 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)' (IF:10.856, JCR 상위 10%이내)의 2020년 2월 13일자 표지논문으로 게재되었다. (현재 김형우 박사는 미국 Northwestern 대학에서 Mark C. Hersam 교수 지도하에 MOCVD를 이용한 전이금속 칼코겐화합물의 합성 및 멤리스터 응용을 주제로 박사후과정 연수 중이다.) ※ 관련 논문 1) Low-Temperature Synthesis of Large-Scale Molybdenum Disulfide Thin Films Directly on a Plastic Substrate Using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (Advanced Materials, 27, 2015, 5223-5229) (제1저자: 안치성 / 교신저자: 이창구, 김태성 교수) 2) Highly uniform wafer-scale synthesis of α-MoO3 by plasma enhanced chemical vapor deposition (Nanotechnology, 28, 2017, 175601) (제1저자: 김형우 / 교신저자: 김태성 교수) 3) Low-temperature wafer-scale growth of MoS2-graphene heterostructures (Applied Surface Science, 470, 2019, 129-134) (제1저자: 김형우 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수) 4) Wafer-Scale and Low-Temperature Growth of 1T-WS2 Film for Efficient and Stable Hydrogen Evolution Reaction (Small, 16, 2020, 1905000) (공동 제1저자: 김형우, Vinit Kanade, 김만수 / 교신저자: 이재현, 김태성 교수) (a) 4인치 대면적 이황화 몰리브데넘의 합성 순서를 나타내는 모식도. (b) 실제 4인치 폴리이미드(PI)와 웨이퍼 위에 합성한 팔면체 이황화 몰리브데넘(1T-WS2)의 모습. 스몰(Small) 저널 커버(Cover) 이미지로 금속성(1T)형상을 가지는 이황화 텅스텐이 나노-그레인형태로 박막형으로 합성되었고 수많은 그레인 경계면을 따라서 수소발생반응이 일어나는 것을 형상화함.
- No. 133
- 2020-04-14
- 3609
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에너지과학과 양희준 교수 ·Shoujun Zheng 박사
2차원 소재‧소자의 양자역학적 상호 작용 규명
에너지과학과 양희준 교수와 Shoujun Zheng 박사는 2차원 적층 소재에 존재하는 슈타르크 효과 (Stark effect)를 활용하여 양자역학적 밴드갭 제어 및 초절전 트랜지스터를 개발했다고 밝혔다. 미래 소자의 핵심적인 역할을 담당할 2차원 소자 연구에서 수직 적층 구조의 터널링 소자가 큰 관심을 끌고 있다. 2차원 수직 터널링 소자는 기존 실리콘 반도체 소자보다 100배 이상 에너지 소모가 적고, 100배 이상 빠른, 초고속, 초절전 소자의 잠재력을 가지고 있다. 하지만, 열 에너지, 전자 에너지 등 외부 환경이 효율적인 터널링 (공명터널링) 소자 개발을 어렵게 한다는 난제가 남아 있었다. 본 연구에서는 원자 단위 크기에서 발현되는 양자역학적 슈타르크 효과 (Stark Effect)를 활용하여 이와 같은 난제를 해결하고, 정교한 밴드갭 제어 및 공명터널링 기반 트랜지스터를 개발할 수 있었다. 본 연구에 적용된 핵심적인 원리인 슈타르크 효과(Stark effect)는 1914년 요하네스 슈타르크에 의해 보고된 후 1919년 노벨물리학상을 받았으나, 지금까지 전기적 방법으로 소자 단위에서 측정 및 규명된 바 없었다. 본 연구는 슈타르크 효과가 크게 발현될 수 있는 2차원 적층 구조에서 전기적 방법으로, 직접 슈타르크 효과를 관측 및 활용한 최초의 연구라는 기초과학적인 의미가 있다. 또한, 응집 물리학에서 주요하게 연구되는 포논, 엑시톤 등 여러 준입자들의 영향을 변인통제, 제어하며, 상온에서 0.01 전자볼트 수준의 정확도를 갖는 전자의 에너지 분포를 활용하여 차세대 미래 전자 소자를 개발할 수 있는 방법을 제시하였다. 양희준 교수는 “기존 반도체 소자의 핵심인 전계효과트랜지스터를 대체할 수 있는 새로운 터널링 트랜지스터의 개발” 이라고 말하며, “이번 연구는 차세대 수직 소자 개발을 위한 정확한 물성 측정 및 설계 방법을 제시한 독창적인 연구 성과” 라고 밝혔다. 이 성과는 국제학술지 ’Advanced Materials (IF=25.809)’에 2020년 2월 6일에 게재되었다. 이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었으며, 박사후연구원 Dr. Shoujun Zheng (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였다. (그림) 2차원 소재 기반 공명 터널링 트랜지스터와 전자 밴드 구조 모식도
- No. 132
- 2020-03-27
- 2627
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