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화학공학/고분자공학부 김태일 교수
진동노이즈 선택적 제거 생체모방소재 개발
화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀은 박병학 박사의 주도 아래 거미 다리의 패드를 모사하여 외부 노이즈를 선택적으로 제거하는 댐핑 소재 및 이를 이용한 전자 소자를 개발하는 데 성공했다. 최근 생체 전자 소자는 상용화된 스마트워치 및 스마트폰을 비롯해 몸에 부착되거나 삽입된 형태로 중요한 생체 신호를 측정한다. 더 정밀한 측정을 위해 소자의 성능을 높이려는 연구가 많이 진행되었으나, 소자의 성능이 증가함에 따라 생체 신호 측정 시 움직임에 의한 노이즈를 비롯하여 다양한 생체 신호의 간섭이 원하는 신호를 구분하는 데 어려움을 주는 문제가 있다. 특히, 단순한 걷기, 움직임과 같은 생활 노이즈들은 대부분 30Hz 미만의 대역을 가지며 필연적으로 생체 신호 수집을 방해하는 요인 중 하나이다. 상용화된 전자 소자를 비롯하여 노이즈를 줄이기 위한 현재 연구 단계는 신호 처리 기술 및 이를 이용한 머신러닝 기반의 신호 분류가 많이 집중되고 있다. 하지만 이는 신호의 왜곡을 야기하고 추가적인 회로가 필요하며 즉각적인 신호 대역을 바꾸기 어렵다는 단점이 있다. 이 외에 다른 충격 흡수(댐핑) 재료들의 경우 선택적인 흡수가 아닌 모든 파장대를 흡수하는 문제점이 있다. 이에 연구팀은 위의 문제점을 자연의 재료로부터 영감을 받아 해결하고자 했다. 거미의 경우 매우 민감한 진동 수용체를 가지고 있어 적이나 먹이, 혹은 짝으로부터의 진동 신호를 민감하게 받아들일 수 있다. 흥미롭게도 바람이나 비와 같은 외부 노이즈들에서도 원하는 신호를 잘 읽을 수 있는데, 이는 진동 수용체 아래에 위치한 점탄성 패드(cuticular pad)가 선택적으로 낮은 주파수의 신호를 흡수하고 높은 주파수 대역을 진동수용체로 전달하기 때문이다. 이를 바탕으로 연구팀은 거미의 패드의 원리를 모사하여 필요한 영역대의 상대적으로 높은 주파수 대역을 갖는 생체 신호를 통과시키고, 낮은 주파수 대역을 갖는 노이즈들을 선택적으로 제거하는 새로운 소재를 세계 최초로 개발하였다. 거미의 패드의 경우 키틴이라는 당과 단백질로 이루어져있고, 키틴의 경우 인접한 고분자 사슬끼리 많은 수소결합을 형성하고 단백질의 경우 사슬 사이에서 상변화를 유도한다는 것을 확인하고, 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤을 제작하였다. 실제로 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤은 다른 소재보다 높은 충격흡수 에너지 및 주파수 선택도를 갖는 것을 확인하였다. 또한 온도를 외부에서 45도까지 조절하면 약 1 Hz에서 50 Hz 까지 댐핑 영역대를 실시간으로 조절할 수 있음을 확인하였다. 이를 이용하여 스트레인 센서와 결합하여 목 진동, 심박수 등의 기계적 생체 신호를 노이즈 하에서 높은 신호대 잡음비로 읽을 수 있고, 심전도, 뇌파 등의 전기적 생체 신호 역시 노이즈 하에서 안정적으로 검출이 가능함을 확인하였다. 신호처리를 이용하여 노이즈를 제거한 기존의 방법보다 높은 신호대 잡음비를 얻는 것으로, 재료가 선택적으로 노이즈를 댐핑하는 것이 기존의 방법보다 훨씬 효과적임을 입증하였다. 연구를 진행한 박병학 박사는 “이 연구는 자연이 가진, 거미의 특수한 기계적 성질을 모방하여 기존의 전자 소자가 가지고 있던 고질적인 노이즈 문제를 재료적으로 해결한 사례”라며, “전자 소자의 성능만을 높이는 것 뿐 아니라 선택적으로 외부 노이즈를 줄이는 것이 더 효과적인 생체 신호 수집의 방법이 될 수 있다”고 설명했다. 김태일 교수는 “노이즈를 최소화하여 생체 신호 모니터링 연구가 활성화되어 실시간으로 얻기 어려웠던 민감한 신호를 읽어내 진단 및 의공학 분야에서 큰 활용이 있을 것으로 전망한다”고 연구의 의의와 후속연구 계획을 설명했다. 본 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래창조과학부의 학문균형발전지원사업(NRF-2019R1I1A2A01061966), 휴먼플러스융합연구개발사업(NRF-2020M3C1B8016137), 뇌과학원천기술개발사업(NRF-2019M3C7A1032076), 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 주관 2020년 산업기술거점센터 육성시범사업(20013794) 그리고 산업통상자원부 및 한국산업기술진흥원 주관 2021년 산업혁신인재성장지원사업(해외연계)(P0017305)의 지원으로 수행되었으며, 세계적 국제학술지 ‘Science’에 5월 6일 게재되었다. (그림1) 선택적 주파수 댐핑이 가능한 젤라틴키토산 기반의 하이드로젤 댐퍼 (그림2) 젤라틴키토산 기반 하이드로젤 댐퍼의 생체 응용
- No. 193
- 2022-05-27
- 999
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화학공학/고분자공학부 남재도 교수 ·황의석 연구원
주파수에 선택적으로 작용하는 스마트 전자파차폐 복합소재 연구
화학공학/고분자공학부 남재도 교수 연구팀 (기능성복합재료연구실, 제1저자 황의석 박사과정)은 주파수 선택적인 전자파 차폐 능력을 갖는 고분자 기반 복합소재를 개발하고, 스텔스 전투기, 인공위성 등의 우주항공 소재 기술에서 새로운 돌파구를 제시했다. 최근 각종 전자기기, 자율주행 자동차, 5G 통신 기술로 인해 다양한 주파수 대역의 전자파가 혼재되어 사용됨에 따라 원하는 주파수 대역의 전자파를 선택적으로 차폐할 수 있는 물질의 필요성이 대두되고 있다. 그러나 기존에 사용되는 전자파 차폐소재는 차폐 성능이 주파수에 의존적이지 않는 특징이 있었다. 연구팀은 전자파를 반사 및 흡수할 수 있는 구형 입자를 혼용하여 고분자 기반 복합소재로 적용할 때, 그 혼합비 및 배열에 따라 각기 다른 주파수 대역의 전자파를 선택적으로 흡수할 수 있음을 발견했다. 본 연구에서 제시하는 복합소재는 대표적으로 스텔스 전투기의 레이더 흡수 물질 (Radar Absorbing Materials; RAMs)로 적용이 가능할 것으로 기대된다. 선택적 흡수/투과 능력을 통해 통신 주파수 대역의 전자파는 투과시키고 적 레이더 대역의 전자파는 흡수하여 제거함으로써 조종사의 임무 수행 능력 및 안정성을 극대화할 수 있다. 이번 연구결과는 미국 공군 연구소(U.S. Air Force Office of Scientific Research/AOARD)와 복합소재 동시설계 산업기술 거점센터 사업 (센터장 서종환 교수)의 지원으로 수행되었으며, 재료 분야 저명 국제 학술지인 Journal of Materials Chemistry A (IF: 12.732)에 표지논문(Front cover)으로 게재되었다. ※ 논문명: Aperture control in polymer-based composites with hybrid core–shell spheres for frequency-selective electromagnetic interference shielding ※ 논문출처: https://doi.org/10.1039/D2TA00045H
- No. 192
- 2022-05-20
- 2579
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국정전문대학원 이동성 교수
한국의 민주화이후 임명된 500+명 장관의 요직 진출 경향을 매칭 기법을 통해 분석
한국의 민주화이후 임명된 500+명 장관의 요직 진출 경향을 매칭 기법을 통해 분석한 연구 논문 결과가 Washington Post에 소개 국정전문대학원/행정학과 이동성 교수가 ‘아시아 대통령제 국가에서 임명된 장관이 요직으로 진출하는 과정에서 남녀간 불평등이 존재하는가’라는 주제로 SSCI 상위 8% 저널인 COMPARATIVE POLITICAL STUDIES 에 공저 논문을 게재했다. 각국의 정권마다 새 대통령 당선인이 가장 중요시하는 인사가 장관 임명을 통한 내각구성이라는 측면에서, 이 논문은 한국과 아시아 대통령제 국가를 대상으로 민주화 이후 30여년 동안 임명된 모든 장관들이 임명 이후 어떠한 정치적 경력을 갖는지에 대해 다양한 비교 분석 및 논의를 하고 있다. 이동성 교수는 장관들의 임명 이후 경력에 대해 남녀간 차이가 크게 없다는 최근 선행 연구 결과에 대해 “단순히 성별만을 기준으로 비교하면 일면 차이가 없는 것처럼 보이는 것이 사실이다. 그러나 매칭 기법을 통해 임명된 부처의 중요도나 장관의 교육 수준, 정치 경력 등을 남녀간 동일시하고 나면, 남성의 경우 출신 배경에 관계없이 요직에 진출할 수 있지만, 여성의 경우 상당한 정치적 배경을 갖춰야만 요직에 진출 가능하다는 결과가 나왔다. 이는 여성에 대한 상당히 큰 차별이 존재하고 있음을 실증적으로 보여준다”고 밝혔다. 이 연구 결과는 미국의 세계적인 일간지인 The Washington Post 에도 “South Korea’s new leader says there’s no gender inequality problem”이란 제목의 기사로 소개되었다. 이동성 교수는 앞으로도 옥스포드 출판사와 계약을 맺은 영문 학술서와 교내 AI 융합연구지원을 통한 머신러닝 기반의 텍스트 분석을 통해 대통령의 인사 및 국정운영에 대해 다양한 연구로 기여할 계획이다.
- No. 191
- 2022-05-13
- 2958
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기계공학부 김재훈 교수 ·Muhammad Kashif Khan 박사, Malayil Gopalan Sibi 박사, Deepak Verma 박사, 조흔태 연구원, 윤원중 연구원
온실가스의 주범인 이산화탄소로부터 액상연료 및 고부가 화학소재를 만들다
18세기 중반 석탄을 이용한 산업혁명과 19세기 원유의 발견으로 인해 인류는 값싼 연료 및 화학소재를 대량 생산하는 기술을 개발하여 비약적인 발전을 해 왔다. 우리나라도 1970년대 중화학공업 발전 전략으로 세계 5위권의 석유화학제품 국가이며 세계 8위권의 정유산업을 보유하고 있고, 석탄화력발전으로 세계 8위권의 석탄수입국가로 성장하였다. 20세기 전 세계적으로 원유와 석탄 등 화석연료 활용으로 비약적인 경제발전을 이루어 왔으나 이에 따른 반대급부로 대기중의 CO2농도가 나날이 증가하여 420 ppm에 다다르고 있어, 지구온난화, 생태계 파괴, 해수면 상승, 바닷물의 산성화 등 인류의 생존을 위협하는 단계에 이르렀다. 성균관대 김재훈 교수 연구팀에서는 산업에서 배출되는 이산화탄소를 재생 가능한 수소와 반응 시켜 연료와 화학소재를 선택적으로 생산할 수 있는 기술을 개발하였다. 이를 통해 기후변화에 대응해 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 알루미나 프로모터가 활용된 철계 촉매 (Na-FeAlOx)를 이용하여 CO2로부터 77.0%의 높은 선택도로 가솔린 및 디젤의 연료로 활용할 수 있는 C5+의 장쇄 탄화수소를 합성하는 기술을 개발하여 2020년 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 게재되었다 [ACS Catalysis, 2020, 10, 10325−10338]. 이번 연구를 통해 연구팀은 철계 촉매에서 방향족 화합물의 전구체인 알파 올레핀의 합성 메커니즘의 원리를 규명했다. [Na-FeAlOx 촉매에서 CO2의 반응 메커니즘] 연구팀은 철계 촉매와 제올라이트를 복합한 복합촉매를 활용하여 45%의 높은 CO2 전환율 및 39%의 높은 방향족 선택도로 이산화탄소로부터 방향족 화합물 생산이 가능한 것을 확인하여 그 결과를 국제 저명 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였다 [Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 301, 120813]. 특히 제올라이트의 산점 조절로 방향족 화합물 중 BTX의 선택도가 59%로 높았다. 고부가 방향족 화합물은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등을 말한다. 이들은 전체 석유화학 제품 생산량 중 1위에 해당하는 매우 중요한 플랫폼 화학소재이다. [Na-FeAlOx/zeolite 복합 촉매에서 CO2로부터 직접 방향족 화합물 합성] 또한 연구팀은 세계 최초로 코발트계 촉매를 이용하여 CO2로부터 C5+의 장쇄 탄화수소를 약 20%의 높은 수율로 1425 시간 이상 운전이 가능한 공정을 개발하여 그 결과를 2022년 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였다 [Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 305, 121041]. 연구팀이 새롭게 개발한 코발트계 촉매는 CO2 전환에 있어 촉매는 높은 C5+ 및 C21+ 선택성을 나타내므로 유망한 액체 연료 및 윤활기유를 생산할 수 있는 초석을 마련하였다. 이 이외에도 연구팀은 CO2의 직접 수소화로 고부가 화학소재인 아세트산 및 프로피온산을 합성할 수 있는 니켈-아연 합급촉매를 설계하여 그 결과를 2021년 ACS Catalysis에 게재하였다 [ACS Catalysis, 2021, 11, 8382–8398]. [Na-CoMnOx 촉매를 이용하여 CO2로부터 직접 장쇄 탄화수소 합성 메커니즘] 현재 김재훈 교수 연구팀은 국내 정유사와 협업을 통해 상용화 가능성을 연구하고 있어 향후 국가 온실가스 저감에 기여하고자 한다.
- No. 190
- 2022-05-06
- 3006
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물리학과 강대준 교수 ·김동환 교수· Yongteng Qian 박사
co-triboelectric 층으로 초박형 니켈 텔루 라이드 나노 벨트를 사용하여 폴리 디메틸 실록산 기반 유연한 마찰 전기 나노 발전기의 출력 전력 밀도 극대화
최근 물리학과 강대준 교수 연구팀은 제1 저자인 Yongteng Qian 박사와 함께 화학 공학과 김동환 교수와의 공동 연구를 통해 co-triboelectric 층으로 초박형 니켈 텔루 라이드 나노 벨트를 사용하여 폴리 디메틸 실록산 기반 유연한 마찰 전기 나노 발전기의 출력 전력 밀도를 극대화하는 연구 결과를 발표하였다. 마찰전기 유연 나노발전기는 신체의 움직임이나 풍력 및 수력 등과 같은 다양한 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 기계적 에너지를 수확하여 전력 공급 및 센싱 등으로 이용할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 마찰전기 나노발전기의 출력 성능을 증대하기 위해서는 마찰대전 물질(triboelectric materials)을 합리적으로 선택하는 방식이 일반적인 전략이다. 이에 폴리디메틸실론산 (PDMS(polydimethylsiloxane)은 탁월한 인장강도와 유연성, 그리고 우수한 전기음성도로 인해 마찰전기 유연 나노발전기 제작에 널리 이용되고 있다. 그러나 이를 이용한 마찰전기 나노발전기는 소형 전자기기를 구동하기 위한 충분한 전기적 출력 성능을 내보일 수 없다는 문제가 있다. 한편, 금속 황화물, 반도체 산화물, 금속-유기 프레임워크, 그리고 맥신과 같은 무기물은 화학적 안정성, 기계적 특성, 그리고 전기전도성 등에서 우수한 물성을 내보이기 때문에 PDMS와의 합성을 통해 고성능 마찰전기 나노발전기로 이용될 수 있다. 여러 무기물 후보군 중, 니켈 텔루라이드(NiTe2)는 우수한 물성과 더불어 합성 과정이 비교적 간단하기 때문에 유망한 마찰대전 소재로 이용가능하다. 또한, 해당 물질의 전기전도성은 PDMS의 내부저항을 효과적으로 낮출 수 있기에 PDMS 기반 마찰전기 나노발전기로 이용 시에 효과적인 출력 성능 향상이 예상된다. 또한, 해당 물질의 나노벨트(NB) 형상은 고종횡비, 높은 비표면적, 그리고 많은 대전 영역(energy-harvesting sites), 빠른 전하 교환을 이끌어낼 수 있는 우수한 이점이 있기에, 고성능 에너지 수확 소자로서 다양한 가능성을 실현할 수 있다. 따라서, 본 연구진은 PDMS 기반 마찰전기 유연 나노발전기의 전기적 출력 성능을 더욱 향상시키기 위하여 니켈텔루라이드 나노벨트 소재를 이용하여 PDMS 복합체를 합성하여 마찰대전 물질로 이용하였다. 또한, 본 연구진은 PDMS 기반의 마찰전기 유연 나노 발전기의 출력 안정성과 성능 최적화를 위해 온도 의존성뿐만이 아니라 PDMS와 니켈텔루라이드 나노벨트의 중량비, 소자의 크기, 두께 등과 같은 요소들이 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. 5 % 함량의 니켈텔루라이드 나노벨트와 PDMS로 구성된 소자는 1.89 mW·cm-2의 높은 전력 밀도와 더불어 우수한 유연성을 내보였다. 또한 1 cm2에서 9 cm2 면적의 소자는 손에 의한 기계적 압착 시 최대 150개의 LED에 전원 공급을 할 수 있음을 확인하였다. 이상 본 연구진의 결과에 따르면 니켈텔루라이드-PDMS 복합체가 고출력 마찰전기 나노발전기의 성능 향상을 위해 상당히 선호되는 마찰대전 소재임을 보였다. 본 연구는 BK 4단계 신진 연구 인력 지원 사업과 미래창조과학부의 글로벌 프론티어 사업의 지원을 받아 에너지 관련 나노소재 및 나노소자 분야 최고의 학술지인 Nano Energy(IF = 17,881)에 게재되었다 Paper title: Enhancing the output power density of polydimethylsiloxane-based flexible triboelectric nanogenerators with ultrathin nickel telluride nanobelts as a co-triboelectric layer
- No. 189
- 2022-04-26
- 2854
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화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 ·안소연, 김정훈 연구원
mRNA 하이드로겔을 이용한 무세포단백질 발현 핵산 나노공학 기업 프로지니어(주) 와 공동연구
4월 5일 세계적 학술지인 ‘Advanced Materials (IF = 30.849)’에 화학공학/고분자공학부 엄숭호 교수 연구팀이 저술한 ‘Protein-encoding Free-standing RNA Hydrogel for Sub-compartmentalized Translation'이 우수성을 인정받아 표지논문으로 온라인 게재되었다. 해당 연구는 국내 바이오 벤처 기업인 주식회사 프로지니어와 공동연구로 진행되었으며, 단시간 내에 대용량의 기능성 단백질 생산이 가능하다는 장점이 있어 의료용 사이토카인 (Cytokine), 개인 맞춤형 신약 등 다양한 바이오 의약 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다. 연구팀은 핵산 나노 공학 기술 기반으로 환 전사 기법 (Rolling circle transcription)과 핵산 사중 나선 구조를 규칙적으로 배열되게 디자인하여 생리 화학적 기능을 갖춘 새로운 RNA 하이드로 겔 구조체를 만들었다. RNA는 생체 내에서 생리활성 조절과 발현에 매우 중추적인 역할을 담당하지만 불안정하여 원하는 디자인 제작이 어려워서 그 이용성이 매우 제한되고 있다. 이러한 심각한 본질적 한계가 지적되는 상황에서 이번 연구는 현명한 해결책을 제시하고 있다. 생체 모사를 통한 효소 촉매 작용, 단백질 합성 등 자연이 정의한 RNA의 생물학적 조절자 역할이 세포 외에서도 실제로 가능함을 입증하였다. 해당 기술로 생명의 중심원리인 센트럴 도그마 (Central dogma)의 번역과정에서 일어나는 ‘RNA가 시공간적으로 유도하는 밀집화 (Spatiotemporal RNA-derived RNA phase transformation’가 정확히 재현되었다. 이로써 겔 내부 구획화로 인한 폭발적인 단백질 생산이 가능하게 되었다. 1950년부터 ‘무세포 단백질 발현’ 기술로 세포 밖에서도 단백질을 만들 수 있게 되었다. 현대 바이오 의약품 시장의 발전과 함께 이는 세계적인 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 무세포 단백질 발현 기술의 치명적 단점인 효율성 부분을 극대화하는데도 크게 이바지하고 있다. 아울러, 최초로 RNA의 겔 형태가 가능하게 되어 다양한 기능을 갖춘 RNA가 상대적으로 높은 기계적 물성을 확보할 수 있게 되었다. 이는 유전정보를 탑재한 첨단 신소재의 개발 가능성도 시사하게 되었다. RNA의 근원적인 문제점을 해결하고 생명의 중심원리에도 기여하는 본 기술의 보편적 적용 가능성은 다양한 응용 기술의 탄생으로 발전되어 신분야 개척의 첫걸음이 가능해지도록 할 것이다. 이를 실현하기 위해서 본 기술은 프로지니어(주) (대표이사 김철, 이영구)의 개인 맞춤형 항암백신 ProV-001과 기능성 단백질 합성 파이프라인에 직접 적용되고 있다. 엄 교수는 “본 연구는 인류가 세계 최초로‘RNA 공장’을 직접 디자인 제작한 것은 물론 무세포 단백질 발현 기술과 접목되어 첨단 자연 모사(Bio-inspiration)의 기술의 정점을 확립한 것으로 높게 평가받을 수 있다. 현재 인류는 모든 단백질을 천연 세포에 의존해서 오랜 시간 걸려야만 효과적으로 생산할 수 있다고 믿고 있다. 이는 필수적으로 고가의 생산시스템을 요구하는데, 본 연구로 인해 저가로 단시간 내에 원하는 기능성 단백질을 인위적으로 대량 생산할 수 있게 되었다. 이번 논문으로 세계적인 연구자들로부터 본 기술의 혁신성과 산업적인 이용 가능성을 인정받았다”라면서“빠른 항체 치료제 개발을 통해 실제 임상 진입의 문턱을 낮추고 환자 맞춤형 치료 발전의 실현에 크게 이바지할 것”이라고 말했다. 표지논문, RNA만으로 이루어진 하이드로겔을 이용하여 적은 비용으로 빠르게 기능성 단백질의 대량 생산이 가능
- No. 188
- 2022-04-18
- 3384
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미디어커뮤니케이션학과 백태현 교수
‘자부심과 감사’라는 심리적 특성을 고려한 소셜미디어 기부광고 메시지 전략 제시
미디어커뮤니케이션학과 백태현 교수는 자부심(pride)과 감사함(gratitude)의 감정 경험이 소셜미디어 기부광고 캠페인의 메시지 효과에 어떠한 영향을 미치는가를 살펴보는 연구결과를 Journal of Business Research (IF = 7.550, Business & Marketing 분야 Q1 저널)에 논문으로 게재하였다. 본 연구는 소셜미디어 기부광고에서 자신에게 혜택을 주는 개인 편익 소구 (self-benefit appeals)와 도움이 필요한 다른 사람에게 혜택을 주는 타인 편익 소구 (other-benefit appeals)의 필요성을 제시하는 한편, 기부를 통한 개인의 자부심과 감사함의 긍정적인 감정경험의 효과에 대해서도 주목했다. 연구결과, 자부심의 감정을 경험한 실험 참여자는 타인 편익 소구보다 개인 편익 소구를 이용하는 트위터 (실험 1) 와 인스타그램 (실험 2, 실험3) 기부광고 메시지를 선호했고 더 많은 기부금액과 긍정적인 기부의도를 보여주었다. 한편, 감사함의 감정경험을 했을 때 개인 편익과 타인 편익 소구유형에는 동일한 설득효과의 결과가 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구는 기부동기를 이용한 소셜미디어 광고 메시지 유형이 기부행동에 미치는 영향에 대한 개인이 경험한 자부심과 감사함의 심리적 변수의 조절효과를 밝힘으로써 소셜미디어 기부광고 메시지의 설득효과 연구에 실증적으로 기여하였다. 백태현 교수는 비영리 단체의 실무자들에게 소셜미디어 기부광고 캠페인에 관한 전략적인 가이드라인을 제시하였다는 점에서 연구의 의의가 있다고 설명하였다. 페이스북, 인스타그램, 트위터에 기부광고 캠페인을 하는 비영리 단체들은 자선 기금 모금자들과 잠재적 기부자들을 대상으로 그들의 자부심과 감사함의 긍정적인 감정을 체험할 수 있는 다양한 소셜 미디어 컨텐츠를 만들어 해시태그(#proud #grateful) 또는 개인화된 미디어 콘텐츠 (personalized media content) 소통방식을 이용할 수 있다 라는 점에서 실무적 시사점을 제공하였다. 백태현 교수는 디지털광고, 인공지능과 소비자행동, 친사회적 커뮤니케이션 캠페인 전략 등을 주제로 연구를 수행해왔으며, 그 결과 40편 이상의 논문을 국제저명학술지에 출판한 바 있다. 현재 Journal of Advertising (IF = 5.522, Communication 분야 Q1 저널) 및 International Journal of Advertising (IF = 4.620, Communication 분야 Q1 저널)의 편집위원이며, Journal of Current Issues and Research in Advertising (ESCI, Scopus)의 부편집장으로 활동하고 있다.
- No. 187
- 2022-04-11
- 2287
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성균나노과학기술원 이진욱 교수 ·박건우 석박통합과정생
페로브스카이트 태양전지 내 이종 접합 계면 제어를 통한 수명 향상 기술 개발
성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 내 이종 접합 계면 에너지밴드구조 제어를 통해 태양전지의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술 개발에 성공하였다. 관련 연구 논문이 세계적인 학술지 Nature지에 3월 15일 온라인 게재되었다. 페로브스카이트 태양전지는 25% 이상의 의 높은 에너지변환효율을 가지면서 저가 용액 공정으로 생산 가능하여 다가오는 탄소중립 시대를 위한 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 국내외 학계와 산업계에서는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 연구과제 중 하나인 구동 수명 개선을 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 고효율 장수명 페로브스카이트 태양전지 제작을 위해서는 페로브스카이트 박막 내부와 표면에 존재하는 결정 결함의 농도를 최소화하는 것이 필수적이다. 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에 알킬 암모늄 할라이드 표면 결함 치료 층을 도입하는 기술은 에너지변환효율 향상에 기여하는 것으로 알려져 있으나, 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에서의 에너지밴드구조를 왜곡시켜 빛에 의해 생성된 전하의 흐름을 방해하여 계면에서의 전하 축적을 유도하고, 태양전지의 수명을 저하시킬 수 있다. 앞선 연구들에서는 태양전지 효율 개선을 위해 사용된 표면 치료 층의 효율 향상 효과에만 주목을 하였으며, 동반하는 계면 에너지밴드구조에 의해 발생할 수 있는 부작용에 대한 연구는 미흡하였다. 이진욱 교수 연구팀은 기존에 널리 사용되는 페로브스카이트 박막 결함치료 소재가 태양전지 소자 내 계면 에너지 밴드구조를 왜곡시키고, 빛에 의해 생성된 전하 수집을 방해하여 페로브스카이트 태양전지의 수명을 저해하는 사실을 밝혀냈다. 나아가 기존 표면 결함 소재에 의해 발생하는 페로브스카이트 태양전지 수명 저하 부작용을 없애고, 태양전지의 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 표면 결함치료 기술을 개발하였다. 실제 본 연구를 통해 개발된 표면 결함치료 층이 도입된 페로브스카이트 태양전지는 세계 최고 수준의 효율과 수명을 달성하였다. 이진욱 교수팀의 연구는 페로브스카이트 박막의 일함수 변화 및 이에 따른 이종 접합에서의 에너지밴드 구조 변화에 대한 근본적인 이해를 발전시켰으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명 문제 해결을 위한 중요한 단서를 제공하여 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다. 앞서 이진욱 교수는 페로브스카이트 소재 내 ‘A’양이온에 대한 리뷰 논문을 세계적인 학술지 Science지에 게재하였으며, 클레리베이트 애널리틱스에서 논문 인용지수를 바탕으로 선정하는 세계에서 가장 영향력 있는 연구자 1% (HCR 2021 in the field of cross-field)에 선정된 바 있다. ※ 관련 논문 및 홈페이지 1) Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics, Nature, 2022, doi.org/10.1038/s41586-022-04604-5. (교신저자-이진욱, 공동저자 박건우 석박통합과정생) 2) Rethinking the A cation in halide perovskites, Science, 2022, 375,835. (제 1저자-이진욱 교수) 3) 이진욱 교수 연구실 홈페이지: https://jwlee870217.wixsite.com/mysite 그림 1. 표면 결함 치료 이온에 의한 페로브스카이트 박막 표면에서의 전하 재배치 그림 2. 기존 결함 치료 기술과 본연구에서 개발된 표면 결함 치료 기술을 활용한 태양전지 수명
- No. 186
- 2022-04-04
- 5575
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화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 ·김예은 석박사통합과정, 최승우 박사
국소 스테로이드제가 필요없는 아토피 치료용항산화 하이드로겔 패치 개발
화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제1저자 김예은 석박사통합과정, 최승우 박사)이 국소 스테로이드제의 사용 없이 아토피 염증 부위의 유해 활성산소종을 효과적으로 제거해 아토피 피부염을 치료하는 항산화 하이드로겔 패치를 개발했다. 연구팀은 이전에 안구건조증 치료용 항산화 콘택트렌즈를 개발한 바 있다. 아토피 피부염 치료를 위해 국소 스테로이드제가 주로 사용되고 있으나, 장기간 사용 시 피부 부위의 국소 부작용 뿐 아니라 소아 발육 부진이나 쿠싱증후군 등 전신 부작용을 유발하는 문제점이 있다. 아토피 피부염은 만성 질환으로 발전하는 경우가 많아 안전하면서도 지속적인 치료가 가능한 치료법이 필요한 실정이다. 연구팀은 해조류에서 유래한 생체 친화적인 알긴산 하이드로겔에 활성산소종을 제거하는 촉매 기능을 지닌 세리아 나노입자를 포함시켜 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치를 구현하였다. 아토피 피부염이 발생하면 활성산소종이 과생성되는데 이는 다시 염증을 악화시키는 악순환이 발생한다. 아토피 피부염 부위에 부착된 항산화 하이드로겔을 부착하면, 염증 부위의 유해활성산소종이 하이드로겔 내부로 확산된 후 세리아 나노입자에 의해 인체에 무해한 물과 산소로 전환되어, 결과적으로 염증 부위의 산화스트레스 및 염증성 면역반응을 효과적으로 낮추는 원리이다. 아토피 피부염을 유발한 동물모델에 항산화 하이드로겔 패치를 부착하여 치료를 진행한 결과, 아토피 발현 부위의 활성산소종의 양이 현저히 줄어들었으며, 아토피 피부염의 대표적인 증상인 두꺼워진 표피층이 얇아졌고, 아토피와 관련된 면역학적 요소인 염증 유발 세포(비만세포)의 숫자와 염증성 사이토카인(신호전달물질)의 수치가 감소하여, 아토피 피부염의 증상이 현저히 호전됨을 확인하였다. 하이드로겔 패치는 부드럽고 유연한 소재이기 때문에 굴곡이 있는 아토피 피부염 부위에 적용이 용이하며, 하이드로겔의 높은 수분 함유도는 건조한 아토피 피부 관리에 필수적인 보습에 도움이 된다는 부가적인 장점을 지니고 있다. 또한 세리아 나노입자는 하이드로겔 내부에 완전히 갇혀 있는 형태로 나노입자가 하이드로겔이 부착된 피부 부위로 방출되지 않는 안전성을 보여주었다. 김재윤 교수는 “향후 후속 연구를 통해 다양한 피부 염증 질환 및 피부 관리 분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 설명했다. 아토피 치료용 하이드로겔 패치 논문: “Therapeutic Hydrogel Patch to Treat Atopic Dermatitis by Regulating Oxidative Stress”, Nano Letters, published online (2022) 안구건조증 치료용 콘택트렌즈 논문: “Therapeutic Contact Lens for Scavenging Excessive Reactive Oxygen Species on Ocular Surface, ACS Nano, 14, 2483-2496 (2020) 아토피 치료용 항산화 하이드로겔 패치
- No. 185
- 2022-03-28
- 3523
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에너지과학과 윤원섭 교수 ·정미희 연구원, 이원태 연구교수
니켈 소량 사용으로도 고에너지밀도를 구현하는 고전압 구동 니켈계 양극소재에 대한 연구 발표
에너지과학과(DOES) 윤원섭 교수 연구팀이 리튬이온이차전지 핵심 요소 중 하나인 니켈(Ni)기반 양극소재에서 낮은 니켈 함량으로도 전지 구동 설계에 따라 고(高)에너지, 장(長)수명, 열적 고(高)안정성을 확보할 수 있다는 사실을 규명하였다. 탄소중립선언과 함께 화석연료기반 내연기관의 종식이 가속화되며 전기차(electric vehicles)의 시대가 앞당겨지고 있다. 이에 따라 고함량 니켈계 층상구조 양극소재는 장거리 주행에 있어 전기차용 리튬이온이차전지 핵심 소재로서 주목받고 있다. 하지만 니켈 함량이 높아질수록 저장할 수 있는 에너지량은 증가하나 열안정성이 낮아지는 소재의 고유한 특성으로 인해 안전과 직결되는 화재의 위험에 노출되어 있다. 연구팀은 니켈 함량이 낮은 층상구조 소재를 높은 작동전압으로 전지 구동 조건을 설계해 높은 니켈 함량의 소재와 동일한 방전용량으로 설정한 뒤 다양한 구조적, 전기화학적, 열분해 특성을 조사하였다. 이를 통해 니켈함량이 낮은 소재가 과충전(overcharge) 영역에서 이방성 격자 왜곡이 적고, 리튬 이온이 이동하는 통로 (lithium ion channel)가 더 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 더욱이 장기간 수명평가 후 열화(degradation)된 상태에서 저함량 니켈 소재의 경우 고함량 니켈 소재 대비 입자내 균일한 화학적 상태 분포와 함께 입자 분쇄 및 미세 균열이 적음을 관찰하였다. 또한 소재의 열분해 메커니즘 (thermal decomposition mechanism)분석을 통해 저함량 니켈 소재의 경우 고함량 니켈 소재보다 높은 전압조건의 충전상태임에도 불구하고 더 나은 열적안정성을 보여줌으로써 화재 위험이 낮은 리튬이온이차전지를 디자인 할 수 있는 새로운 가능성을 입증하고 있다. 해당 연구를 통해 높은 구조적, 화학적, 열적 안정성을 가지는 저함량 니켈기반 층상구조 양극 물질이 전지구동조건 설계에 따라 기존의 높은 열적 불안정성을 지닌 고함량 니켈기반 층상구조 양극소재의 대안이 될 수 있다는 사실을 규명함과 동시에, 더 나아가 리튬이온이차전지 설계 요소를 확장시킬 수 있는 합리적인 전략을 제공하였다. 이원태 연구교수는 “장거리 주행과 안전성이 확보된 전기차를 위해 이차전지 분야에서 다양한 에너지 저장 소재들이 연구·개발되고 있다. 본 연구는 전략적 접근을 통해 기존 소재로도 경쟁력 있는 이차전지를 구현할 수 있다는 것을 규명함으로써 고(高)에너지 소재 개발에 초점이 맞추어져 있던 연구 기조를 환기하고 이차전지 설계 요소를 다양화하는 계기가 될 것이다.”라고 연구 의미를 설명했다. 에너지과학과 (DOES) 윤원섭 교수와 정미희 연구원, 이원태 연구교수가 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 29.368) 에 표지(back cover)로 선정되었다. (2022.02.24.) [그림 1] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 리튬 함량에 따른 결정구조 변화 비교. [그림 2] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 초기 및 400회 충-방전 이후 입자내 화학적 상태 분포. [그림 3] 저(低)함량 및 고(高)함량 니켈기반 층상구조 소재의 열분해 메커니즘 비교.
- No. 184
- 2022-03-18
- 3556
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화학공학/고분자공학부 김지용 교수 ·Do Thai Ngan, 유찬희 연구원
탄소 중립을 위한 최적 탄소자원화 기술 규명
화학공학부 김지용 교수 연구팀(공동 제1저자 Do Thai Ngan, 유찬희 연구원)이 탄소중립을 위한 최적 탄소 자원화 경로를 규명했다. 이는 최근 활발히 진행되고 있는 탄소 중립 실현 관련 다양한 정책과 기술 개발의 정량적 목표와 연구 전략 수립에 큰 기여를 할 것으로 기대를 모으고 있다. 탄소 중립이란 인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 포획, 제거 또는 재활용함으로써 실질적인 배출량이 0(Zero)가 되는 개념이다. 최근 전 세계적으로 파리 협정 등 기후 변화 대응을 위한 탄소 중립 체제 구현에 많은 노력을 가하고 있다. 특히, 해외 에너지 의존도가 높고, 이산화탄소 배출량이 상대적으로 많은 국내 에너지 구조의 특징으로 인해, 탄소를 이용하여 에너지를 재생산하는 이른바, “탄소자원화”전략은 탄소 중립을 실현하는 가장 적극적인 기술이다. 이에, 정부 주도의 R&D 및 국내 많은 에너지 기업들은 탄소 자원화를 위하여 다양한 기술을 개발 및 실증화하고 있다. 현재 개발 중인 탄소자원화 기술은 촉매반응 전환 , 열화학적 및 전기화학적 분해 방법 등 매우 많은 종류의 전환기술이 있으며, 생산 가능한 고부가가치 물질 또한 메탄올, 올레핀, 휘발유 등 매우 다양하다. 즉 2050 탄소 중립을 위한 실효적인 탄소자원화 목표와 전략 수립이 매우 시급한 반면, 다양한 기술들의 경제적 경쟁력과 환경적 효과는 아직 규명되지 못하고 있는 실정이다. 이에 김지용 교수 연구팀은 전 세계적으로 그 효과가 탁월한 70개의 모든 탄소자원화 경로를 분석하였으며, 공정 모델 개발을 통해 각 기술들의 경제적, 환경적, 에너지 관점에서 수준과 한계를 정량적으로 분석하였다. 특히, 국내 에너지 구조 분석을 통하여 최적화 모델 기반 국내 실정에 가장 적합한 탄소 자원화 기술을 규명하였다. 김지용 교수는 “탄소 중립을 위한 정부 R&D 지원 정책의 선택과 집중을 지원함으로써 이산화탄소 저감 및 에너지 국산화에 가장 실효적인 정책을 수립할 수 있고, 국내 주요 에너지 기업들의 미래 에너지 시장에서의 사업 모델 구축 및 투자 전략 수립에도 큰 기여를 할 수 있을 것” 이라며 “ 현재 탄소 중립을 위한 다양한 정부 기관 및 기업들과의 협력을 통해 본 연구 성과의 확산에 집중하고 있다”연구 의의를 설명했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술 개발사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 에너지환경과학(Energy & Environmental Science, Impact Factor=38.53, JCR 환경과학분야 상위 0.1%)에 12월 20일(월)에 Advance Article 논문으로 출판되었다. ※ 논문명 : A CO2 utilization framework for liquid fuels and chemical production: techno-economic and environmental analysis ※ 저자 : 김지용 교수(교신저자, 성균관대학교 화학공학부), Do Thai Ngan 연구원 (공동 1저자, 성균관대학교 석박통합과정), 유찬희 연구원(공동 1저자, 성균관대학교 석박통합과정) ○ 이산화탄소를 이용한 고부가가치 물질 연료 생산 기술 개발 및 분석 본 연구에서는 최적화 기법을 이용하여 탄소 중립을 위한 최적 탄소자원화 기술을 규명하였다. 현재 적용 가능한 70여 종의 다양한 기술을 분석하고, 공정 모델을 자체 개발함으로써 엄격하고 공정한 기술 비교를 수행하였다. 특히, 기술의 경제성 및 이산화탄소 저감 효과 등 다양한 목적함수를 이용하여 국내 실정에 적합한 탄소자원화 전략을 수립하였다.
- No. 183
- 2022-03-04
- 4895
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기계공학부 김태성 교수 ·우건후 연구원
자가조립단분자막 도핑을 통한 부저항 특성의 고성능 광 센서 개발
기계공학부 김태성 교수 연구팀(제1저자 우건후 연구원)이 가천대학교 유호천 교수 연구팀과 자가조립단분자막을 활용한 원거리 도핑과정을 통해 고성능․다기능성의 광센서 소자를 개발했다. 최근 AI를 활용한 자율주행 시스템 및 사물인터넷 기술의 발달에 따라 보다 명확한 데이터 처리를 위해 고성능의 광센서에 대한 수요가 급증하고 있다. 특히 도핑은 반도체 특성을 조정할 수 있는 대표적인 방법으로 광특성을 향상시키기 위해 많이 활용되고 있다. 하지만 일반적인 도핑은 물질 내부에 불순물 형태의 도펀트를 삽입하여 반도체 특정 변화를 유도하기 때문에 전자 충동에 의해 전자이동도의 손실을 야기할 수 있다. 이에 연구팀은 실리콘 기판 위에 수 나노미터 두께의 비정질 산화물 반도체를 증착하여 이중접합구조를 제작하였고, 표면에 자가조립단분자막을 코팅 및 가열의 원거리 도핑과정을 통해 고성능의 광센서를 구현했다. 제작된 소자는 원거리 도핑 처리 전에 비하여 100배의 성능이 향상되었고, 높은 소자 안정성 및 성능 균일성을 나타냈다. 또한 원거리 도핑처리 후에 광 조사를 통해 실리콘 기판과 비정질 산화물 반도체의 접합면에서의 반도체 특성을 조정함으로써 부저항 특성을 가진 소자를 구현하여 향후 다진법 소자 및 신호 증폭기과 같은 다양한 어플리케이션에 대한 적용 가능성을 제시했다. 김태성 교수는 “자가조립단분자막 코팅을 통한 도핑과정은 간단한 처리 방법과 효과적인 성능 개선을 바탕으로 산업에서 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 예상되며, 본 성과를 바탕으로 향후 광센서 및 이미지 센서의 성능개선에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Advanced materials(Impact Factor=30.849)에 2021년 11월 3일(수) 출판되었다. ※ 논문명 : Energy-Band Engineering by Remote Doping of Self-Assembled Monolayers Leads to High-Performance IGZO/p-Si Heterostructure Photodetectors 도핑 처리 과정에 따른 IGZOSi 이종접합 다이오드의 광특성 향상 코팅 및 어닐링 과정에 따른 반도체 밴드 특성 변화
- No. 182
- 2022-02-17
- 3853
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