한국공학대학교는 안승언 나노반도체공학과 교수 연구팀이 차세대 지능형 반도체에 활용 가능한 로직 연산과 메모리 기능이 통합된 강유전체 기반의 ‘프로세스 인 메모리’(PIM) 소자 개발에 성공했다고 22일 밝혔다. 이번 연구 결과는 ‘Exploring Multi-Bit Logic In-Memory with Memristive HfO2-Based Ferroelectric Tunnel Junctions’라는 제목으로 전자 소자 및 재료과학 분야 저명 학술지 ‘Advanced Electronic Materials’에 지난 8일자 표지논문으로 게재됐다. 연구에는 박사과정 고원우(제1저자), 황현주(공저자) 학생이 참여했다. 연구팀은 최근 학계와 산업계의 큰 관심을 받고 있는 ‘하프늄·지르코늄 산화물’을 기반으로 강유전체 터널 접합(FTJ) 형태의 멤리지스터(메모리+레지스터)를 구현해 멀티 레벨 스위칭 구현 및 신뢰성을 확보하고 중간 레벨(inter-state) 간 스위칭을 구동하는 데 처음으로 성공했다. 나아가 소자의 스위칭 특성을 조합해 NAND, NOR, OR 등 16가지의 논리 연산 기능을 카르노 맵을 통해 제시해 PIM 응용 가능성을 검증했다. 안승언 교수는 “최근 새로운 개념의 컴퓨팅 시스템 구현을 위해 다양한 PIM 소자의 연구 결과가 발표되고 있다”면서 “하지만 비휘발성 멀티레벨의 신뢰성 및 중간 레벨 간 스위칭 구동 연구가 여전히 초기 단계에 있는 상황에서 본 연구의 진일보한 결과는 차세대 지능형 반도체 분야의 기술적, 학문적 도약에 기여를 할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업과 산업통상자원부가 지원하는 미래반도체개발사업의 지원으로 수행됐다.

서울과학기술대학교 신소재공학과 박일규 교수(교신저자) 및 손상현 박사과정생(제1저자) 연구팀이 ‘층상형 이중수산화물 구조에서 수분에 의한 발전효과 방식과 반도체 기반 마찰전기 효과’에 대해 처음으로 보고하고, 두 가지 발전방식의 시너지 결합을 이뤄낸 소자를 개발했다고 21일 밝혔다. 기존의 유전체를 통한 마찰전기 기반 나노 발전기는 높은 전압 특성을 갖는 에너지 하베스팅 기술이지만, 낮은 전류 생성 특성과 직류 전기 에너지를 생성하기 위한 필수적인 정류 작용이 주요 문제점으로 대두됐다. 연구팀에 따르면 물 분자에 대한 자체적인 흡습 특성과 분해 특성을 가지는 이중수산화구조를 도입해 수분 분위기에서 발전 성능이 나타나는 소자를 개발했고, 마찰전기 나노 발전기로 응용했다. 개발된 소자는 80% 이상의 상대 습도 분위기에서 693.38mV와 65.48mAm-2의 마찰전기 발전 성능을 나타냈으며, 발생된 전기에너지를 저장하는 축전 특성을 나타내는 현상을 처음으로 규명했다. 박일규 서울과기대 교수는 “이중 수산화 구조에서의 마찰발전 특성과 수분에 의한 발전 특성이 최초로 규명되고 이 두 가지의 긍정적인 시너지 효과를 극적으로 활용한 것에 의미가 있다”며 “일상 환경이나 고습도 환경에서도 마찰발전과 수분에 의한 발전의 시너지 효과를 통해 바람과 같은 에너지를 통한 발전이 가능할 것”이라며 기대감을 나타냈다. 해당 연구는 2021년도 선정된 중견연구자지원사업 및 중점연구소지원사업의 지원을 통해 수행됐으며 ‘Synergistic Coupling of Tribovoltaic and Moisture-Enabled Electricity Generation in Layered-Double Hydroxides’라는 제목으로 소재·에너지 분야 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF=27.8)’ 2024년 4월호 내부 커버로 선정돼 게재됐다.

단국대학교는 신소재공학과 주수현 교수 연구팀이 꿈의 신소재라 불리는 그래핀의 크랙 결함을 없앤 나노셀룰러(나노 크기의 3차원 연속연결) 구조 그래핀 개발에 성공했다고 18일 밝혔다. 그래핀은 전기 전달이 우수하고 화학적으로 안정돼 배터리 음극재 등 다양한 응용 분야에서 주목받고 있다. 그래핀 제작에는 흑연의 산화·환원 특성을 활용한 화학적박리법과 화학기상증착 합성법(CVD) 등이 주로 사용된다. 하지만 기존에 개발된 나노구조의 그래핀은 나노구조 사이의 연결성이 떨어지고 서로 간 결합력이 약해 크랙이 쉽게 발생하는 단점이 있다. 연구팀은 일본 도호쿠 대학의 가토 히데미(Hidemi Kato) 교수팀과 금속 용탕 탈성분법(원소 간 결합 선호도 차이를 활용한 새로운 공정)과 망간·탄소를 증착해 얻은 비정질합 금막을 활용해 크랙이 전혀 없는 나노셀룰러 구조 그래핀 제작에 성공했다. 연구팀이 제작한 나노셀룰러 구조 그래핀은 기존의 그래핀보다 전기전도도가 2배 이상 높고 인장강도도 10배 이상 높다. 플렉시블 나트륨 배터리의 음극재로 활용 시 매우 빠른 속도로 7000번의 충·방전 후에도 충전용량이 유지되는 획기적인 특성 향상을 이뤘다. 주수현 교수는 “배터리 음극재, 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 기기 등에 훨씬 높은 성능을 제공할 것으로 기대한”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 우수신진연구 지원을 받아 수행됐다. 연구 논문(Mechanically Robust Self-Organized Crack-Free Nanocellular Graphene with Outstanding Electrochemical Properties in Sodium Ion Battery)은 세계적 권위의 국제 저명 학술지 ‘Advanced Materials (2022년 IF=29.4)’ 2024년 2월 온라인으로 게재됐다.

숙명여자대학교 화공생명공학부 최경민 교수 연구팀이 금속유기구조체(MOF)를 활용해 항생제 없이 피부 상처를 빠르게 치유하는 원리를 규명했다. 숙명여대는 최 교수가 분당서울대병원, ㈜랩인큐브와 함께한 ‘지르코늄 MOF의 다중 흡착 메커니즘에 의한 전염증성 매개체 조절을 통한 상처 치유 촉진에 대한 영향 연구’ 논문에서 이 같은 내용을 발표했다고 16일 밝혔다. 향후 항생제의 주요 부작용으로 지적되는 내성을 줄이고, 동시에 치료 과정도 단축할 것으로 기대된다. 연구팀에 따르면 현재 피부에 난 상처에 주로 사용하는 국소 항생제는 오래 사용할 경우 내성이 생겨 치료 효과가 떨어지는 단점이 있다. 최근 무분별한 항생제 사용 탓에 내성이 생긴 ‘슈퍼 박테리아‘가 사회적 문제로 떠올랐고, 미국 질병통제예방센터(CDC)와 주요 피부과 학회에서도 더 이상 예방적 국소항생제 사용을 추천하지 않고 있다. 연구팀은 이번 연구에서 항생제 대신 자체 흡수, 흡착 특성이 있는 MOF를 활용하는 새로운 접근 방식을 제시했다. 주로 기체, 분자 등의 저장과 분리에 응용되는 MOF를 상처에 적용해 부작용을 유발하는 염증 매개체의 양을 줄이는 것이 핵심 아이디어다. 연구 결과 생체 내 환경에서 안정적인 특성이 있는 지르코늄 금속유기구조체(Zr-MOF)를 함유한 하이드로겔이 대조군에 비해 상처 치료 효능이 200% 향상된 것으로 나타났다는 게 연구팀의 설명이다. 이를 통해 불필요한 항생제 처방을 방지하고 상처 치료의 품질은 높이면서 치료 기간까지 단축할 수 있는 새로운 길이 열린 것으로 평가된다. 최 교수팀은 “이번 연구에 사용된 지르코늄 금속유기구조체를 포함한 하이드로겔을 피부질환 치료에 활용하기 위한 실용화를 준비하고 있다”며 “상처 치유뿐 아니라 과발현 물질의 제거가 필요한 다른 생체 부위에도 확장해 사용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구지원사업, 기초의과학연구센터(MRC)의 지원으로 수행됐다. 숙대 화공생명공학부 박사과정 류언진 학생이 공동 제1저자, 최경민 교수가 교신저자로 참여했고 서울대병원 허찬영 교수, 남선영 교수 연구팀, 숙명여대 기술지주회사 랩인큐브가 함께했다. 이 논문은 독일 와일리(Wiley) 출판사에서 발간하는 국제 학술지 ‘어드밴스드 헬스케어 머티리얼즈’(Advanced Healthcare Materials, IF=10.0)에 게재됐다.

한국공학대학교(이하 한국공대)는 이성남 나노반도체공학과 교수 연구팀(참여연구원 이건우·오재혁)이 질화물계 반도체 발광다이오드(이하 LED)가 적색에서 녹색을 거쳐 청색까지 발광할 수 있는 풀컬러 모노리식 LED 소자 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 한국공대에 따르면 차세대 풀컬러 LED 디스플레이를 구현하기 위해서는 세 가지 웨이퍼에서 각각의 적색, 녹색, 청색 LED를 하나의 디스플레이 패널에 결합해야 하는 복잡하고 어려운 공정으로 인해 상용화에 걸림돌이 돼왔다. 이 교수 연구팀은 이번 연구에서 하나의 InGaN LED의 표면에 2차원 나노 구조를 형성하고, 이 나노 구조로부터 적색, 녹색 및 청색을 동시에 구현할 수 있는 박막 성장법을 개발했다. 또한, 이번 연구에서는 파장별 발광 세기의 차이를 억제하기 위해 동일 전류에서 매우 짧은 전류를 주입하는 펄스 주입 조건을 제어해 파장 제어하는 기술을 개발했다. 일반적인 LED는 연속 주입 전류 조건을 사용해 구동되지만, 해당 연구에서는 동일 전류에서 매우 짧은 펄스와 긴 펄스 주입 조건을 사용해 발광 파장과 세기를 제어하는 기술을 개발했으며, 하나의 LED에서 다양한 파장을 얻는 데에도 성공했다는 설명이다. 이 교수는 “적색에서 청색까지 제어 방법을 동일한 작동 전류에서 펄스 주입의 조건만을 이용해 다양한 파장과 발광 세기를 동시에 제어할 수 있는 기술을 개발함으로써 차세대 LED 디스플레이 및 다기능성 다파장 LED 광원으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 해당 연구는 한국연구재단의 중견연구과제 지원을 받아 수행됐으며 광학 및 재료 분야에서 세계적으로 권위 있는 ‘첨단 광학 재료’(Advanced Optical Materials) 2023년 7월 24일자 온라인판에 게재됐다.

순천향대 이병택 교수 연구팀 개발욕창·화상 등 난치성 창상 치료 ‘새 지평’ 순천향대학교(총장 김승우)는 의과대학 재생의학교실 이병택 교수 연구팀이 해양생물인 다시마와 축산 부산물을 이용해 고기능성 난치성 창상 치료제를 개발했다고 2일 밝혔다. 창상은 찰과상·타박상·열상·표피 박리창 등 외부 압력에 조직의 연속성이 파괴되는 상태를 의미한다. 상처나 수술 후 조직의 빠른 재생을 위해서는 창상 치료제가 일정 기간 다공성 미세구조를 유지해 세포 활착과 증식, 신생 혈관의 형성 등을 촉진해야 한다. 기존 창상 치료제는 염증 및 이물 반응으로 난치성 창상에 치료 효과가 미흡해 생체특성이 우수한 창상 치료제의 개발이 절실한 상황이다. 이 교수 연구팀은 다시마를 이용해 독성이 없는 자연 가교 법을 개발, 천연 가교 시켜 돼지의 간 유래 세포외기질(L-ECM)을 이용해 창상 치료제를 개발했다. 연구팀에 따르면 쥐 등에 신규 창상 모델 유도를 위해 7㎜의 결손(구멍)을 만든 후 개발한 창상 치료제 이식 결과 대조군 대비 3.5배 이상, 기존 상용 제품 대비 약 1.5배 이상의 치유 효과가 증가했다. 연구 결과는 ‘다시마로 가교 된 돼지 간 유래 세포외기질(L-ECM)을 이용한 고기능성 창상 치료제 개발’ 제목으로 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials(IF : 19.9)’ 4월호에 게재됐으며, Inside Front Cover 논문으로 선정됐다. 이 교수는 “개발한 치료제는 체외 실험, 체내 실험 및 분자동역학 시뮬레이션 결과로부터 다양한 기능을 갖는 창상 치료제임을 증명했다”고 설명했다. 이번 연구는 교육부와 한국연구재단 지정 조직재생연구소가 추진하는 중점연구소 사업으로 수행됐다.

분당차병원은 김민영 재활의학과 교수와 한인보 신경외과 교수가 2022년 추계학술대회에서 우수 논문 연구 업적을 인정받아 학술상을 수상했다고 15일 밝혔다. 김 교수는 뇌질환 치료 분야 권위자로 뇌성마비에서 제대혈을 이용한 치료 관련 세계 최다 증례를 보유하고 있다. 김 교수는 뇌성마비 환아의 제대혈 치료 효능을 증대시키고자 동물모델 실험으로 Akt 신호 전달 치료기전을 발굴, 제대혈 연구 효능 증대 가능성을 제시했다. 또 뇌성마비, 치매 등 세포치료와 경두개 자기자극에 의한 치료 기전을 분자생물학적으로 규명해 의미있는 중개연구를 수행한 공로를 인정받아 대한재활의학회 실험분야 학술상을 받았다. 한 교수는 난치성 척추 재생 치료 분야 권위자다. 줄기세포 치료제의 안전성과 효능 증대를 위한 다양한 연구는 물론 지방줄기세포와 탈세포화된 세포외기질을 활용한 3D 바이오프린팅 기술을 이용한 근육재생 연구결과가 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)’ 12월호 표지논문으로 선정되는 등 연구 공로를 인정받아 대한신경외과학회 학술상 수상자로 선정됐다. 2013년 국가지정 연구중심병원으로 선정된 분당차병원은 줄기세포 치료 기술을 이용한 난치성 질환(신경계, 안질환, 근골격계 질환)을 비롯해 암, 난임, 노화 극복에 대한 다양한 연구를 수행하며 난치. 중증 치료 연구에서 국내 대표기관으로 자리 매김하고 있다.

전기차 이차전지의 폭발, 화재 문제를 해결할 수 있는 안전한 고분자 세라믹 복합전해질 기술이 개발돼 액제 전해질을 대체할 ‘전고체 전지’의 상용화 기술을 앞당기게 됐다. 순천향대학교(총장김승우)는 에너지시스템학과 안욱 교수 연구팀이 고분자 세라믹 복합전해질 기술개발을 통해 기존의 액체 전해질을 대체할 수 있는 차세대 미래 배터리 ‘전고체전지’의 상용화를 앞당길 수 있게 됐다고 14일 밝혔다. 전고체 전지는 기존의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지의 전해액과 분리막을 없애 에너지밀도가 높은 전지를 만들 수 있고, 배터리의 폭발·화재 위험이 낮아 전기차의 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 세라믹 소재를 이용한 전고체 전지는 상온에서의 작동이 힘들다는 난제를 안고 있다. 연구팀은 문제 해결을 위해 기존의 액체 전해질을 대체하면서도 전지 성능을 월등히 높이고, 현재 사용되는 양극 소재와의 적합성도 높아 화재로부터 안전한 고분자 세라믹 복합전해질을 개발했다. 연구팀은 상온에서 작동이 가능한 고분자 세라믹 복합전해질을 제시해 리튬금속을 음극으로 사용해도 전지의 안정성과 효율성이 확보된다는 점을 증명했다. 연구 결과는 ‘고성능 전고체전지용 Nb/Al 공동 도핑 Li7La3Zr2O12 복합 고체 전해질 개발(Nb/Al co-doped Li7La3Zr2O12 Composite Solid Electrolyte for High Performance All-Solid-State Batteries)’이라는 제목으로 재료과학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials(IF: 19.924, CHEMISTRY, MULTIDISCIPLINARY) 9월호에 게재됐다.

DGIST 나노융합연구부 김정민 박사팀과 연세대 이우영 교수팀이 수소에 노출되는 순간 바로 감지가 이뤄질 뿐만 아니라 누출된 수소가스 농도에 대한 정량 분석이 가능한 기술을 개발했다. 최근 수소 에너지에 대한 관심이 증가하는 가운데 고인화성, 폭발성을 갖는 수소가스에 대한 불안감도 높아져 수소가스를 빠르게 감지할 수 있는 센서 개발이 주목받고 있다. 기존 팔라듐 금속 기반의 센서는 산화 팔라듐 입자가 수소와 만나 팔라듐 입자로 환원되며 일어나는 전도성의 차이를 통해 수소 누출을 감지하므로 누출 농도를 정확히 측정하는 데 한계가 있었다. 김 박사팀이 연구한 팔라듐 나노갭 기반 수소 감지 기술은 누출된 수소가스에 의한 팔라듐 금속의 팽창으로 나노갭을 메우고 이로 인해 전기가 흐르며 누출을 탐지하는 원리로 작동한다. 누출되는 수소가스 농도에 비례해 흐르는 전류가 더 많아지는 특성을 활용해 누출과 관련해 정량적인 분석이 용이하다. 김 박사는 “이번 연구는 효율적이고도 정확한 신개념 수소 감지 센서를 대량 생산하기 위한 방법을 제시한다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 이 연구 결과는 지난 11월 22일 신소재 과학 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스’(Advanced Materials)에 온라인으로 실리고 권두 표지(Frontispiece) 논문으로 채택됐다.

DGIST 에너지공학전공 이용민 교수, 이홍경 교수, 한밭대학교 화학생명공학과 유명현 교수 공동 연구팀이 리튬 금속 분말에 안정화 첨가제를 첨가한 초박막 리튬 금속 음극 제조 기술을 개발했다. 이번에 개발한 음극 제조 기술은 기존 음극보다 사용수명을 늘릴 수 있어, 향후 이차전지 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 보인다. 공동 연구팀은 기존 음극에 새로운 물질을 첨가해 문제를 억제시킨 새로운 음극 제작 기술을 개발했다. 연구팀은 음극 제작을 위해 계면보호 첨가제인 ‘리튬 질산염’을 리튬 금속 분말과 혼합하고, 용액 상 반응을 통해 음극 표면이 균일하게 형성되도록 유도했다. 거푸집 구조에 담지된 리튬 질산염은 서서히 전해질로 방출되어 전지를 장기간 사용하더라도 지속적으로 계면이 보호되도록 설계했다. 이렇게 개발된 음극은 20 마이크로미터(㎛) 두께로, 공동 연구팀은 긴 시간 사용하는 조건에도 기존 대비 약 50배가량 수명특성이 향상하였으며, 리튬 덴드라이트 형성을 효과적으로 억제했으며 상용전지 수준의 수명특성이 확보될 수 있음을 실험을 통해 검증했다. DGIST 에너지공학전공 이용민 교수는 “이번에 개발한 기술은 초박막·광폭 리튬 금속 전극 제조 및 성능 확보가 가능한 원천 기술로, 다양한 전지 및 전해액 시스템에서도 적용할 수 있을 것”이라며 “리튬 금속이 적용되는 다양한 차세대 이차전지에 적용될 수 있도록 더욱 발전시키고자 한다.”고 포부를 밝혔다. 해당 연구는 DGIST 에너지공학 전공 이용민 교수, 이홍경 교수, 한밭대 화학생명공학과 유명현 교수의 공동 연구를 바탕으로 DGIST 에너지공학전공 진다희 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 에너지 소재 분야 저명 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’에 뒷표지 논문으로 5월 12(수) 게재됐다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구실 지원사업과 우수 신진연구 지원사업, 그리고 일진머티리얼즈㈜ 지원을 받아 수행됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

㈜에프아이씨신소재가 지난 9일 경북 포항에 대량 생산 라인 준공식을 가졌다. 해당 업체는 이차전지 배터리 핵심소재인 실리콘 음극재를 생산하는 기업이다. 준공식에는 이강덕 포항시장과 김두관 더불어민주당 의원 등 정재계 주요 인사들과 FIC UK(FIC Advanced Materials UK )투자자 그룹을 대표해 조나단 윗브레드(Jonathan Whitbread)가 참석해 축사를 진행했다. 조나단 윗브레드는 “㈜에프아이씨신소재의 포항 양산 공장 준공식을 축하하기 위해서 영국 FIC에 대한 한국의 3개 회사(인동첨단소재, FIC신소재, 유로셀)와 투자 협약 차 방문했다”고 말했다. 이어 “FIC UK는 영국소재의 회사로 주요 주주는 광산기업인 Glencore Family Office 를 비롯한 굴지의 기업과 그 외 3개의 영국 금융회사가 참여하고 있으며 한국에서는 (주)FIC신소재, 인동첨단소재(주), (주)유로셀이 주주로 참여한다”고 덧붙였다. FIC UK는 원자재부터 완성품인 자동차에 이르기까지 해당 프로젝트에 대해 전략적 관심을 가지고 있고 업계 실적을 보유한 초고자산가 패밀리 오피스 및 개인 투자자 그룹을 투자자로 유치했다. 또한 FIC UK는 유럽 및 재규어, 랜드로버 등 OEM 자동차 부문에서 관심을 받고 있다는 것이 업체 측 설명이다. FIC UK는 향후 개발 생산되는 FIC신소재의 실리콘 음극재 소재에 대해 유럽, 중동, 아프리카(EMEA) 지역에 대한 독점 공급권을 갖고 미국과 아시아 등 그 외 지역은 한국의 3개 회사가 담당하게 된다. 이로써 배터리의 원가에서 약 70%를 차지하는 양극재와 음극재를 모두 가진 기업이 탄생했다. ㈜에프아이씨신소재 유성운 대표는 “2세대 대용량 배터리 기술을 완성하기 위하여 소재부터 완성품까지 수직계열화를 이루었다. 인동첨단소재는 흑연을 세계에서 가장 작은 1um 단위로 가공하고 FIC신소재는 실리콘을 50-100nm 단위로 분쇄한 후 나노 단위의 실리콘을 흑연 위에 증착 코팅하여 완전한 음극재를 만든다. 또한 유로셀은 이 음극재를 사용해 최대 용량 배터리로 만들어 그 성능을 이미 검증했다”고 전했다. 이어 “이번 포항 양산공장 준공으로 리튬이온 배터리의 용량 한계를 넘어선 2세대 대용량 배터리 시장을 열었다. 더 오래 날아다니는 드론, 보조 배터리가 필요 없는 휴대폰, 한번 충전으로 1,000Km 이상 갈수 있는 전기자동차, 배터리 교체가 필요 없는 청소기 등 응용분야가 무궁무진한 만큼 에프아이씨신소재는 미래의 배터리 소재 시장의 최고가 될 것”이라고 포부를 덧붙였다. 온라인뉴스부 iseoul@seoul.co.kr

영남대 약학대학 정지헌(37) 교수 연구팀이 세포 미세 캡슐화를 위한 신기술을 개발했다. 정 교수 연구팀이 개발한 기술은 세포의약품을 포함한 다양한 물질 표면을 균일한 크기로 코팅이 가능한 새로운 기술(STIG: Surface-triggered in situ gelation)이다. 이번 연구는 정 교수와 영남대 대학원 약학과를 졸업한 팜탄텅 박사(Pham Thanh Tung, 코넬대학교 박사후 연구원), 계명대 약학대학 육심명 교수 연구팀이 공동연구를 통해 거둔 성과다. 기존에 활용되고 있는 알지네이트(Alginat) 캡슐화 기술은 균일한 크기의 캡슐화를 위한 장비가 고가일 뿐 아니라 캡슐의 크기조절이 어렵고, 여러 세포가 동시에 캡슐화 되거나 빈 캡슐이 생기는 현상이 발생하는 등 여러 가지 문제점이 있다. 이번에 정 교수 연구팀이 개발한 기술은 알지네이트 캡슐화 과정에 필요한 칼슘이온을 방출할 수 있는 마이크로입자를 제작하여, 이 입자를 세포 표면에 고르게 부착하게 하고 알지네이트 용액에 일정시간 반응시켜 알지네이트의 겔화반응[졸(Sol, 용액 내에 입자가 분산된 형태)이 겔(Gel, 졸이 일정한 농도 이상으로 진해져서 굳어진 형태)로 변하는 현상]을 세포의 표면에서 일어나게 하는 기술이다. 현재 이 기술은 국내 특허 출원 및 PCT(Patent Cooperation Treaty) 국제출원이 완료된 상태이다. 정 교수는 “이번에 개발된 기술은 세포의약품의 기능을 고도화 할 수 있는 기반 기술이 될 것”이라면서 “특히, 세포의약품의 표면에 국소적으로 약물을 전달하거나 세포의약품의 이식 생존율을 높이는데 유용하게 활용 될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구지원사업과 선도연구센터지원사업(MRC), 교육부 BK21플러스사업으로 수행됐다. 연구 결과는 재료과학분야 세계적 학술지 <어드밴스드 평셔널 머터리얼즈>(Advanced Functional Materials, 영향력지수(IF) 16.836, 분야 상위 4%이내) 온라인판에 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

레이저를 쐬면 공중으로 떠올라 움직이는 극소형의 비행체가 가까운 미래에 이웃 행성인 화성에서 생명체 흔적을 찾는 임무를 지원할 것으로 보인다. 미국 펜실베이니아대 연구진은 핀포인트 레이저를 조사해 열을 가하면 공중 부양해 움직이는 극히 작은 비행체를 만들어냈다.‘나노카드보드’(nanocardboard)라고 이름 붙여진 이 비행체는 이들 연구자가 종이 골판지의 주름진 빈 공간인 골에서 영감을 얻어 두께 몇십 ㎚(나노미터)의 산화알루미늄 필름판을 이용해 샌드위치 구조로 높이 몇십 ㎛(미크론미터)의 공간이 나열돼 있는 구조로 만든 것이다. 이런 골판지 형태의 구조 설계는 재질의 강도를 높이고 충격을 완화하는 효과를 보는 동시에 그 내부가 비어 있어 무게를 줄여준다. 따라서 나노카드보드 비행체 한 대의 중량은 초파리의 몸무게와 비슷한 0.33㎎ 정도에 불과하다. 특히 이런 일련의 빈 공간은 열을 받으면 기체 자체가 공중으로 떠오르도록 하는 데 이는 화성 탐사로봇에서 핀포인트 레이저를 쏴서 맞추면 된다. 그러고 나면 나노카드보드가 가열돼 화성의 대기와 온도 차이가 생기고 골 공간에서 달궈진 기체가 뿜어져 나와 기체를 땅에서 밀어내 공중으로 띄우는 것이다. 게다가 나노카드보드의 어느 부분을 가열하느냐에 따라 이들 공간에서 나오는 기류가 달라져 이동 방향을 제어할 수 있다.이들 연구자는 자신들이 개발한 나노카드보드 편대가 7월 17일부터 8월 5일 사이 발사되는 아틀라스 V 로켓에 실려 내년 2월 중순 화성에 도착할 예정인 화성탐사 로버 ‘퍼서비어런스’(옛 마스 2020)의 임무를 지원하는 데 도움이 될 것이라 생각한다. 이때 퍼서비어런스는 탐사로버로 가기 어려운 지형을 대신 탐사할 탐사선인 마스 헬리콥터를 실어갈 예정이지만, 만일 해당 기체가 제대로 작동하지 않으면 다른 선택지가 필요할 수도 있다. 이에 대해 이번 연구를 주도한 이고르 바게이틴 펜실베이니아대 교수(기계공학·응용역학)는 “마스 헬리콥터는 매우 흥미진진하지만, 단 한 대의 복잡한 기계다. 만일 잘못되면 고칠 방법이 없어 실험은 끝난다”면서 “우리는 한 가지 수단에 모든 것을 걸지 않는 완전히 다른 접근법을 제안한다”고 말했다. 또 “우리 비행체는 센서를 운반하는 것 외에 단순 착륙으로 수동적으로 먼지나 모래를 부착한 뒤 다시 탐사 로버로 날아가므로 멀리까지 이동할 필요가 없다”고 설명했다. 또 나노카드보드는 크기와 중량이 비교할 수 없을 만큼 작기에 퍼서비어런스에 셀 수 없을 정도로 많이 탑재할 수도 있다. 게다가 화성의 희박한 대기와 낮은 중력은 이들 비행체가 자체 중량의 10배에 달하는 센서나 표본을 실을 수 있도록 한다. 따라서 이들 연구자는 화성에서 생명체의 주요 특징인 물이나 메탄을 탐지하기 위해 탑재할 화학 센서를 현재 수준보다 소형화하는 방법을 연구하고 있다. 자세한 연구성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’(Advanced Materials) 21일자에 실렸다. 사진=이고르 바게이틴 펜실베이니아대 교수팀 제공 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 인체 내 치료가 필요한 부위에 정확하고 안정적으로 약물 전달이 가능한 바늘형 마이크로로봇을 개발했다. DGIST는 이번 연구 성과는 기존의 마이크로로봇 약물전달기능 및 제어방식을 획기적으로 개선해 다양한 정밀의학기술에 적용 가능할 것으로 기대된다고 13일 밝혔다. 현재 인체 내 조직 치료 중 약물치료는 가장 일반적인 치료방법으로 쓰이는데, 약물은 신체의 순환기능에 의해서만 전달되기에 목표하는 부위에만 필요한 양의 약물을 정확히 전달이 어려워 상당한 부작용이 발생한다. 이러한 한계를 극복하고자 몸 속을 자유롭게 돌아다니며 목표하는 체내 조직의 정밀 치료가 가능한 마이크로 의료로봇 연구가 최근 각광받고 있다. 이에 최 교수 연구팀이 세계 최초로 바늘형 마이크로로봇은 3차원 레이저 리소그라피 3D 공정을 통한 나노-마이크로 스케일로 제작됐으며, 금속박막 증착기술을 이용해 자성물질(Nickel, Ni)과 생체적합물질(Titanium oxide, TiO2)을 증착했다. 더불어, 생체적합물질로 사용된 TiO2는 화학적인 방식으로 항암제(Paclitaxel, PTX) 탑재 능력을 향상시켰다. 연구팀은 체외 약물 테스트 플랫폼에서 실험을 통해 기존의 마이크로로봇의 제어 기능을 한 차원 개선시켰다. 특히 이번에 개발한 바늘형 마이크로로봇은 목표지점으로 정확한 이동이 가능하며, 제어 시간 또한 획기적으로 줄였다. 또한 특정 치료 부위에 로봇을 고정시키기 때문에 외부의 지속적인 자기장 에너지 공급이나 제어가 불필요하며, 실제 인체 내부와 같이 특정 유체 흐름이 있는 환경에서 기존보다 유체 저항을 최대 6배 더 견디면서 안정적으로 약물을 전달할 수 있는 것이 장점이다. 연구팀은 또한 바늘형 마이크로로봇을 체외에서 배양한 암 종양 조직에 적용해 보았는데 암 종양에 고정되기 전, 후의 성능 테스트에서 유의미한 결과를 확인했으며, 항암제 약물방출을 통한 치료적인 효능도 추가로 증명했다. 최홍수 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 마이크로로봇의 기능을 더욱 개선시켜 약물전달 효율을 높이고 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로도 더욱 향상된 마이크로로봇을 지속적으로 개발하여 장기적으로 동물실험과 관련 병원 및 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 마이크로로봇 기반 정밀치료 시스템을 개발하는데 노력하겠다”고 말했다. 이번 연구는 DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수가 교신저자로, DGIST 이승민 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 세계적인 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials’에 지난 8일 표지논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 DGIST의 지원으로 수행됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

가천대학교는 서순민 바이오나노학과 교수팀이 순치준 중국과학원 박사팀과 공동 연구를 통해 신축성 있는 액체금속 나노입자 기반의 전극을 이용한 촉각 상호반응 인터페이스를 개발했다고 12일 밝혔다. 연구팀은 마찰전기 발전기의 금속 전극으로 갈륨, 인듐, 주석의 혼합물로 이루어진 액체금속 물질(갈린스탄)을 사용했다. 액체금속 물질은 높은 표면에너지와 순식간에 산화되는 성질로 인해 다루기가 어려워 전극물질로 사용되기 어려웠으나 이번 연구에서 액체금속 물질을 나노입자로 분쇄하여 박막으로 제작하는 기술을 개발해 이를 가능하게 했다. 연구결과는 독일WILEY사에서 발간하는 국제학술지인 Advanced Functional Materials에 최근 온라인 게재되었다. 연구결과를 담은 학술지는 4월에 발간 될 예정이다. 마찰전기 발전기는 두 물체가 짧은 시간 맞닿을 때 생기는 전하의 불균형을 이용하여 전기를 만드는 장치로 양전하를 수집하는 금속 전극과 음전하를 수집하는 고분자유전체로 구성된다. 연구팀은 미세한 요철 구조를 고분자유전체에 적용하여 고분자유전체의 표면적을 넓혀 압력의 크기에 따라 마찰전기발전기의 발생 전압이 3V에서 256V까지 변할 수 있다. 전압의 크기에 따라 촉각의 강도를 조절할 수 있어 활용도를 높였다. 이와함께 개발된 기술을 사용한 소자들을 매트릭스로 구성하여 액체금속의 유체특성을 활용한 마찰전기발전기들이 독립적으로 동작할 수 있어 원하는 부위만 따로 조작할 수 있음을 선보였다. 이번 연구결과를 활용해 안면마비환자를 위한 인공피부, 로봇용 인공피부 등 스마트 인공피부 개발이 가능해 질 전망이다. 이번 연구는 한국연구재단 한중협력연구사업 지원으로 수행되었으며 제1저자로 가천대 바이오나노융합학과 석사학위 과정에 있는 양이지아 학생이 참여했다. 공동교신저자인 순치준 박사는 본교 바이오나노학과 바이오메디컬전공 석사, 박사 출신이다. 서순민 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 전자피부는 기존 연구와 다르게 따로 외부 전력, 변환장치 도움 없이 누르면 바로 전기가 발생, 전달되기 때문에 그 의의가 크다”며 “앞으로 로봇용 전자피부, 웨어러블 디바이스 등 다양한 부분에 응용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 신동원 기자 asadal@seoul.co.kr

DGIST 최홍수 교수 연구팀이 원하는 부위에서 고열치료 및 약물방출 조절이 가능한 생분해성 마이크로로봇을 개발했다. 고열치료를 통한 암세포치료 뿐만 아니라 치료약물도 정교하고 체계적으로 조절 가능해, 항암치료의 효율과 안전성을 높일 것으로 기대된다. 최 교수 연구팀은 3D레이저 리소그라피 3D 레이저 리소그라피 공정으로 자성나노입자와 약물을 탑재할 수 있는 3차원 생분해성 마이크로로봇을 개발했다. 마이크로로봇을 체내에서 직접 사용하려면 마이크로로봇이 사용 후에는 체내에서 분해되거나 회수되어 추가적인 유해효과를 최소화시켜야 한다. 이에 연구팀은 마이크로로봇의 소재를 생분해성 폴리머로 제작하여 제 할 일을 다 한 로봇이 부작용 없이 체내에서 생분해될 수 있도록 설계했다. 또한 외부자기장을 이용한 무선제어방식으로 체내에서 빠르고 정밀하게 약물을 이송 가능한 것도 장점이다. 특히 원하는 부위에 도달한 로봇에 고주파의 교반자기장(Alternating magnetic field)을 걸어주면 마이크로로봇에 탑재된 자성나노입자로부터 발생된 열이 주변의 온도를 올려 국부 고열치료를 수행할 수 있도록 설계했다. 추가로 교반자기장의 강도와 노출시간을 조절하여 약물 방출을 정확하게 조절할 수 있도록 설계한 점이 이번 연구의 큰 성과다. 연구팀은 개발된 마이크로로봇이 체외에서 배양한 암세포에 마이크로로봇을 사용한 고열치료가 암세포 치료에 유의미한 효과가 있음을 확인했으며, 교반자기장으로 인해 조절된 각각의 다른 약물방출모드의 치료적인 효능을 확인하는 것에 성공했다. 최 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 암세포 치료방법의 단점을 개선시켜 암세포 치료의 효율을 높이고 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다” 며 “앞으로도 지속적으로 병원 및 관련 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 마이크로로봇 기반 정밀치료 시스템을 개발하는데 노력하겠다”고 말했다. 이번 연구는 로봇공학전공 박종언 학위연계과정학생이 제1저자로, DGIST-ETH 마이크로로봇 연구센터 김진영 선임연구원이 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 세계적인 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials’에 22일자 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

미 국립 산디아 연구소(Sandia National Laboratories) 과학자들이 '세상에서 가장 내구성이 뛰어난 합금'(world‘s most durable alloy)을 개발했다고 발표했다. 이들이 개발한 합금으로 타이어를 만들 경우 내마모성이 극단적으로 우수해 1마일(1.6km)을 주행해도 표면 원자 한 층밖에 벗겨지지 않을 정도다. 타이어가 완전히 마모되어 교체하기 전까지는 지구를 500번 돌 수 있다. 다만 이 합금은 타이어로 사용하기에는 너무 비쌀 것으로 보인다. 왜냐하면, 90% 백금과 10% 금으로 만든 합금 소재이기 때문이다. 연구의 리더인 산디아 국립 연구소 존 커리는 이 합금 소재가 현재까지 알려진 어떤 철 합금보다 100배나 마모에 강하고 기계적 성질과 열에 견디는 성질 역시 우수하다는 사실을 발견해 저널 '어드밴스드 메터리얼스'(Advanced Materials)와 '카본'(Carbon)에 발표했다. 물론 매우 비싼 소재로 만든 합금이기 때문에 일반적인 용도로 사용하기는 어렵지만, 극도의 내구성이 필요한 특수 부품의 경우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 보인다. 재미있는 사실은 연구팀이 이 합금의 탁월한 내마모성의 비밀을 풀기 위해 표면 미세 구조를 조사하던 중 다이아몬드와 유사한 탄소층을 발견했다는 점이다. 이 탄소층은 주변 환경에서 나온 탄소를 포함한 물질이 표면에서 변형된 것으로 앞으로 또 다른 응용이 가능할 것으로 기대된다. 이 합금이 부품 소재로 사용되는 것은 물론 가볍고 튼튼한 탄소 소재를 제조하는 데도 사용될 수 있기 때문이다. 백금은 금보다 더 매장량이 적은 귀금속으로 산업적으로는 주로 촉매로 사용된다. 흥미롭게도 연구팀은 본래 촉매가 아니라 다른 용도로 백금 합금을 연구하다 의도치 않게 백금 합금의 새로운 촉매 기능을 발견한 것이다. 물론 백금 촉매 없이도 가볍고 단단한 탄소 소재를 제조할 수 있지만, 높은 온도와 압력이 필요해 지금까지 제조 비용이 높았다. 새로 개발된 백금-금 합금은 상온에서 촉매 작용을 통해 비교적 쉽게 다이아몬드 같은 탄소 소재를 만들 수 있어 앞으로 그 응용이 기대된다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com　

LED 만큼 다양한 빛을 소화하는 동시에 기존의 어떤 물질보다 더 잘 구부러지는 특징을 가진 차세대 디스플레이 물질이 개발돼 관심이 쏠리고 있다. 스웨덴 찰머스공과대학 연구진이 개발한 이 물질은 LED와 마찬가지로 다양한 컬러를 ‘소화’해 낼 수 있을뿐만 아니라, 종이처럼 휘어지거나 구부러지는 전자기적 특징을 가졌다. 차세대 텔레비전이나 스마트폰 등 각종 웨어러블 IT기기에 사용될 것으로 기대를 모으는 이 물질은 기존에 개발된 구부러지는 디스플레이보다 더 얇고 가볍다는 장점도 있다. ‘전자 페이퍼’로 불리는 이 물질의 두께는 1마이크로미터, 0.001㎜가 채 되지 않는다. 동시에 에너지 효율이 매우 높아, 기존의 킨들(아마존의 전자책 서비스 전용 단말기)에 적용할 경우 필요한 에너지는 10분의 1에 불과하다. 이 물질의 표면은 중합체가 감싸고 있는데, 이 중합체는 전자 신호를 고해상도 이미지로 화면에 보여주는 역할을 한다. 때문에 스마트폰과 같은 소형기기 뿐만 아니라 옥외광고판과 같은 대형 디스플레이에 적용했을 때 높은 에너지 효율 및 해상도를 기대할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다. 다만 이 디스플레이 물질 개발에는 금과 은이 다량 포함되는데, 이 때문에 제작비 및 판매가가 높게 책정될 가능성이 있다. 연구진은 이에 대해 “금이 매우 얇은 전도체의 역할을 해 주는데, 이 때문에 제조 단가가 비싼 편”이라면서 “제조 원가를 줄일 수 있는 방법을 찾는 것이 다음 연구의 목표”라고 설명했다. 이어 “매우 얇고 가벼우며 에너지 효율이 우수한 새로운 디스플레이가 생활 곳곳에서 쓰일 날이 얼마 남지 않았다”고 덧붙였다. 자세한 연구결과는 독일에서 격주로 발행되는 재료공학분야 세계 정상급 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스’(advanced materials) 최신호에 실렸다. 송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr

울산대는 첨단소재공학부 진정호 교수와 카이스트 웨어러블 플랫폼소재 기술센터 배병수 교수 공동연구팀이 오징어 폐기물로 차세대 플렉시블 전자소자 기판으로 사용할 수 있는 생체 친화성 ‘투명종이’를 개발했다고 10일 밝혔다. 이 연구는 독일 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스’(Advanced Materials) 7월호 표지 논문으로 선정됐다. 이번에 개발된 투명종이는 기본 마이크로(100만분의1)m 크기보다 더 얇은 나노(10억분의1)m 두께의 섬유로 제작해 매우 투명하다. 또 기존의 종이처럼 접을 수 있고 인쇄도 가능하다. 연구팀은 게·새우껍질·오징어 내골격을 주성분으로 사용했고, 생체친화성이 뛰어난 ‘키틴’ 나노섬유를 이용해 개발했다. 기존 식물성분의 투명종이와 다른 소재다. 그동안 키틴은 용매에 녹지 않는 성질과 필름으로 제작할 때 발생하는 수축현상 때문에 투명종이 원료로 사용하는 데 한계가 있었다. 연구진은 불용성이 적은 오징어 내골격에서 얻은 키틴과 수소 결합을 잘 끊어내는 용매를 사용하고 원심력을 이용해 수축현상을 막았다. 울산 박정훈 기자 jhp@seoul.co.kr

울산대는 첨단소재공학부 진정호 교수와 KAIST 웨어러블 플랫폼소재 기술센터 배병수 교수 공동연구팀이 오징어 폐기물로 차세대 플렉시블 전자소자 기판으로 사용할 수 있는 생체 친화성 ‘투명종이’를 개발했다고 10일 밝혔다. 이 연구는 독일 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 7월호 표지논문으로 선정됐다. 이번에 개발된 투명종이는 기본 마이크로(100만분의 1)m 크기보다 더 얇은 나노(10억분의 1)m 크기의 섬유로 제작해 매우 투명하다. 연구팀은 게·새우껍질·오징어 내골격을 주성분으로 사용했고, 생체친화성이 뛰어난 ‘키틴’ 나노섬유를 이용해 개발했다. 기존 식물성분의 투명종이와 다른 소재다. 그동안 키틴은 용매에 녹지 않는 성질과 필름으로 제작할 때 발생하는 수축현상 때문에 투명종이 원료로 사용하는 데 한계가 있었다. 이에 연구는 불용성이 적은 오징어 내골격에서 얻은 키틴과 수소 결합을 잘 끊어내는 용매를 사용하고 원심력을 이용해 수축현상을 막았다. 또 기존 종이처럼 접을 수 있고 인쇄도 가능하다. 울산 박정훈 기자 jhp@seoul.co.kr