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화학공학/고분자공학부 박호석 교수
2차원 그래핀/포스포린 에너지저장 메카니즘 세계 최초 규명
고성능 리튬황 2차전지용 황 담지용 다공성 그래핀볼 개발 - 수명 사이클 500 이상, 사이클 당 용량 감소율 0.08% - 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀이 냉동 분무 방법을 통해서 황이 담지된 계층적 다공성 미세 그래핀볼 합성법을 개발하여 충방전 500회에도 사이클 당 용량 감소율 약 0.08%인 고용량․고안정성의 리튬황전지용 양극소재를 개발하여 리튬황배터리가 갖는 근본적인 문제를 해결할 수 있는 기반이 마련되었다. 최근 전기자동차, 신재생에너지 저장, 스마트 그리드 등이 각광을 받으면서 리튬이온전지의 에너지밀도 (약 570Wh/kg)를 극복할 수 있는 차세대 이차전지에 대한 연구가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, 리튬황전지는 리튬이온전지 대비 약 5배에 달하는 높은 이론 에너지 밀도 (약 2600Wh/kg)를 갖고 있으며, 양극재로 사용되는 황은 자원이 풍부하고, 가격이 저렴하다는 점에서 전지의 원가 절감을 할 수 있다는 장점으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 상용화에 대한 몇 가지 기술적 한계점이 있다. 양극 활물질로 사용되는 황은 매우 낮은 전기전도성을 갖으며, 충ㆍ방전 과정에서 생성되는 황의 중간 생성물이 전해질에 쉽게 녹아나오면서 심각한 용량 및 수명 손실을 가져온다. 또한, 고에너지 밀도를 달성하기 위해서 황이 포함된 전극의 두께를 증가시키고 대면적으로 제작하면서도 황 고유의 높은 용량을 잃어버리지 않는 전극 공정 기술이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 소재 및 공정적인 관점에서 다양한 연구가 시도되고 있다. 본 연구팀에서는 이를 해결하기 위해서 분무 입자화 기술과 얼음 주형법을 결합한 냉동 분무(Spray Frozen, SF) 합성법을 세계 최초로 고안하였다. SF 조립법은 나노소재의 종류에 무관하게 마이크로 크기의 볼 형태로 2차 입자화가 가능하고 동시에 볼 입자 내부의 개방형 다공성 구조와 볼의 형태를 제어할 수 있는 소재 신기술이다. SF 조립법의 우수성을 보여줄 수 있는 모델 시스템으로 고용량 황과 고전도성 그래핀을 혼합하여서 마이크로 볼 입자를 합성하였고, 이를 통해서 고용량․고안정성의 리튬황전지용 양극소재를 개발할 수 있었다. 박호석 교수는 “이 연구는 리튬황전지용 황이 담지된 계층적 다공성 미세 그래핀볼 합성법을 개발한 것이다”라며 “향후 주행거리 향상을 위한 전기자동차, 드론 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행되었다. 나노과학기술 분야 세계 저명 학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano) 표지논문으로 3월 12일 온라인 게재되었다. 그림1. 황이 담지된 계측적 방사형 그래핀볼 복합체 조립 과정 그림2. 황이 담지된 계층적 방사형 그래핀볼 복합체의 구조 및 복합체의 사이클 안정성 고주파수 유연슈퍼커패시터 개발 - 웨어러블 및 IoT 전자회로의 소형화 파워소자 응용 - 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀은 다공성 2차원 멕센(MXene)/전도성고분자 복합체 전극소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 제조해서, 고주파수 영역에서도 높은 체적용량을 발현할 수 있는 유연슈퍼커패시터를 개발하였다. 최근 웨어러블 전자소자, 사물인터넷(IoT), 자가발전 스마트 센서 등이 각광을 받으면서 전자회로를 가볍고, 유연하면서, 초소형화하기 위한 파워장치(power device)의 개발은 매우 중요하다. 현재 전자회로의 교류 필터링(AC filtering) 파워장치로 사용되는 전해콘덴서는 KHz의 고주파수 영역에서도 동작이 가능하기 때문에, 에너지발전 혹은 수확장치에서 교류 형태로 발생하는 전압이나 전기공급 시에 발생하는 전압 노이즈(noise)나 잔물결(ripple)을 여과해서 일정한 전압을 전자기기에 공급할 수 있다. 하지만, 상용화된 전해콘덴서는 낮은 체적용량으로 인해서 전자 회로 내에서 많은 부피를 차지하면서 무게를 증가시키고 있다. 반면, 배터리와 같은 에너지저장장치는 용량은 높지만 느린 전하수송속도로 인해서 높은 주파수에서 에너지를 저장 못 하고 열로 발산하는 문제점이 있다. 이는 에너지저장장치가 안고 있는 용량과 주파수거동 간의 물성 딜레마에 기인한다. 본 연구팀에서는 이를 해결하기 위해서 100nm 이하의 2차원 Ti3C2 멕센 나노시트와 PEDOT:PSS 전도성고분자를 스프레이 공정에 의해서 대면적 유연 필름 형태의 전극을 제조하였고, 자기조립에 의해서 다공성 구조를 나노스케일로 정밀제어 함으로써 높은 전자전도도와 이온확산채널을 확보하였다. PVA(polyvinyl alcohol)과 PHEMA(poly hydroxyethyl methacrylate) 고분자를 이중가교(double networking)시킨 후에 고농도 황산수용액을 네트워킹 구조 내에 격리시켜서 기계적 물성이 뛰어나면서 이온전도도가 높은 젤 전해질(gel electrolyte)를 합성하였다. 이러한 전극과 전해질 소재의 구조 제어를 통해서 전하저장능력과 전기전도도를 극대화시켜서, 1000 V/s의 초고속 속도와 60~10000 Hz 주파수 영역에서도 뛰어난 에너지저장특성을 보여줄 수 있었다. 특히, 120 Hz에서 현재 보고된 수치 중 최고 면적 및 부피당 용량(0.56 mF/cm2, 24.2 F/cm3)을 달성하였고, 또한 높은 체적당용량으로 인해서 기존 전해콘덴서 부피를 1천배 이상 감소시킬 수 있고, 멕센과 고분자 젤의 뛰어난 기계적 물성으로 인해서 응용분야에 따라서 다양한 형태 변형이 가능하며, 휘어진 상태에서도 3만 회 이상의 장기충방전이 가능하였다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 방사선기술개발사업, 해외우수신진연구자유치(KRF)사업 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 줄(Joule)에 1월 게재되었다. 그림1. (A,B) 스프레이 코팅법에 의해서 제조된 다공성 Ti3C2 멕센/PEDOT:PSS 고분자 복합체 유연 전극 제작 모식도 및 다공성 구조 제어에 의한 전자/이온수송, Ti3C2 멕센/PEDOT:PSS 고분자 복합체 전극과 PVA-PHEMA 젤 전해질로 제작된 유연 슈퍼커패시터 모식도와 (C) 전극의 다양한 형태 변형과 대면적화 사진. 그림2. (A) 유연 슈퍼커패시터를 이용한 교류 필터링 실험, (B) 교류 전압 입력값을 필터링 후에 얻은 전압 출력값 데이터, (C) 소자 벤딩 후에 30000 회 장기충방전 안정성 2차원 그래핀/포스포린 에너지저장 메카니즘 세계 최초 규명 - 상용활성탄 대비 4배 용량 및 50,000회 충방전 용량 91% 유지- 박호석 교수(성균관대학교) 연구팀은 배터리 소재로만 알려진 흑린(black phosphorus)의 2차원 나노구조화 및 표면 화학 제어를 통해서 2차원 그래핀/포스포린의 표면산화·환원 반응에 의한 슈퍼커패시터 메카니즘으로의 전이현상을 세계 최초로 규명하였다. 최근 차세대전자기기, 전기자동차, 신재생에너지 저장 등이 각광을 받으면서 에너지저장장치의 에너지밀도를 향상시키기 위해 고용량 신소재 개발이 매우 중요해졌다. 포스포린의 경우, 2600mAh/g 정도로 상용 흑연 대비 7배 정도의 고용량을 보이고, 흑연에서 그래핀으로 박리하는 것과 같이 층상 구조에서 2차원 나노구조 제조하면 우수한 물리적 성질을 보여주기 때문에 주목받고 있는 물질이다. 하지만, 300% 이상의 큰 부피팽창과 낮은 전기전도도로 장기 충방전과 율속 특성이 낮다는 단점이 있다. 본 연구팀은 2차원 포스포린의 산화·환원 반응이 가능한 분자레벨의 관능기를 나노시트 표면에 노출시킴으로써 2차원 그래핀/포스포린을 제조하였다. 이는 기존 포스포린 소재의 성능적 한계를 극복하여 상용 활성탄 대비 4배 정도인 최대 478F/g 용량을 보여주었고, 50,000회 장기 충방전 후에도 약 91%의 높은 장기안정성을 보여주었다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 방사선기술개발사업, 산업통상자원부·에너지기술평가원 에너지기술개발사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구지원사업의 지원으로 수행되었다. 재료분야 최고학술지 ‘네이처 머트리얼(Nature Materials)’에 게재되었다. [Nature Materials, 2019, 18, 156] 그림1. 2차원 그래핀/포스포린 복합체 제조 과정 및 전기화학 테스트 그림2. 2차원 그래핀/포스포린 복합체의 에너지저장 모식도 및 in-situ 분광학 결과
- No. 116
- 2019-08-05
- 9626
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화학과 허준석 교수
분자 바이브로닉 스펙트럼 계산을 위한 양자알고리즘
자연과학대학 화학과(SAINT 겸임) 허준석 교수와 인텔 연구소 니콜라스 사와야 박사의 양자알고리즘관련 공동연구 결과가 물리화학분야 저명한 국제학술지인 'Journal of Physical Chemistry Letters (IF=8.709, 물리, 원자, 분자 및 화학분야 JCR 상위 6.76% 저널)'에 논문이 2019년 6월 11일자에 온라인으로 게재되었다. 최근 학계 뿐 아니라 구글, 아이비엠, 인텔과 같은 산업계에서 양자컴퓨터에 대한 관심이 높다. 앞으로 10년내에 양자컴퓨팅의 우월성을 시현할 수 있는 양자기기가 등장할 것으로 예상되는 가운데 그 중요 응용분야로 양자계산화학이 예상된다. 허준석교수는 그동안 분자분광학 양자 시뮬레이션(비범용 양자컴퓨터) 관련연구를 수행해왔다. 이번 연구에서는 범용 양자컴퓨터에서도 구동할 수 있고 비조화진동자까지 확장 가능한 효율적인 quantum phase estimation기반의 양자 알고리즘이 개발되었다. 분자 바이브로닉 스펙트럼 계산을 위한 양자알고리즘 양자컴퓨터를 이용한 분자 바이브로닉 스펙트럼 계산 예상 결과
- No. 115
- 2019-07-24
- 8676
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의학과 강경진 교수 ·두은조 연구원
친핵성 감지의 새로운 생물학적 의미 발견: 광독성물질/감광제 감지 능력 부여
화학적 반응성에 대한 감지 기전은 통각 기전으로써 조직손상을 일으킬 수 있을 정도로 강한 화학적 반응성을 갖는 화합물을 느끼고 회피하게 한다. 화학적 반응성은 크게 친전자성(electrophilicity)과 친핵성(nucleophilicity)으로 나눌 수 있다. 지난 10여년 동안 화학적 통각은 TRPA1이라는 수용체를 통해 이 두가지 반응성 중에 주로 친전자성만을 느끼는 것으로 알려져 왔으나, 본 연구실에서는 친핵성을 느끼는 species-specific한 TRPA1들을 최초로 발견하였으며 (eLife, 2016) 이 기능이 갖는 생물학적인 의미에 대한 연구를 진행중이다. 이번 논문은 이러한 노력에 대한 하나의 결실로, TRPA1 [구체적으로 초파리 및 모기TRPA1(A) isoform]이 친핵성을 느끼는 기능을 갖을 때에만, 빛에 반응하여 전자를 내어 줄 수 있는 색소분자(광독성분자)들을 빛이 없는 조건에서도 선별적으로 감지할 수 있다는 것을 밝혔다. 이 결론은 역으로 광독성을 나타내는 색소분자들이 공통적으로 친핵성을 갖는 친핵체(nucleophiles)라는 것을 의미하며, 이는 최초로 광독성이 친핵성과 관련되어 있음을 보인 것이다. 흥미로운 점은 인류의 화학적인 지식의 발전에도 불구하고 광독성을 갖는 분자들에 대한 확실한 분류 방법이 이 연구 이전에는 미비하였다는 것이다. 본 연구는 신약개발 과정 중에 광독성 분자들을 제외하는데 유용할 수 있으며, 반대로 암 같은 질병에 대한 광역학적인 치료법에 유용할 수 있는 광독성 색소를 더 효율적으로 찾을 수 있으리라 생각된다. 여기에 더하여 우리는 이전 연구(eLife 2016)를 통해 TRPA1(A)가 친핵성 감지 기능을 통해 광화학 반응에 의해 생겨나는 free radicals를 느끼는 것을 발견한 바 있다. 따라서 TRPA1(A)가 광화학독성의 결과물인 free radical 뿐만 아니라, 하나의 원인이 되는 광독성 분자를 감지함으로써 생체내에서 광화학적 독성을 감지하고 회피하게 하는 sensory nexus로 작용함을 종합적으로 파악할 수 있었다. Figure 1. 광독성분자인 riboflavin에 의해 빛 조건에 관계없이 TRPA1(A)가 활성화 됨. Figure 2. 여러가지 광독성을 갖는 색소들이 친핵성을 느끼는 TRPA1(A)를 특이적으로 활성화 시킴.
- No. 114
- 2019-07-12
- 6745
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SKK GSB 얀보왕 교수
주가 상승을 노린 CEO들의 언론 플레이
분기별 회계 보고, 합병 계획, 행사 등 기업에 관한 기사는 기업에 큰 영향을 끼치곤 한다. 기업의 CEO들은 이러한 내용이 주가에 영향을 준다는 사실을 잘 알고 있다. Alex Edmans, Luis Goncalves-Pinto, Yanbo Wang, Moqi Xu가 발표한 “Strategic News Releases in Equity Vesting Months” (NBER Working Paper No. 20476) 논문에 따르면 CEO들은 그들에게 이미 지급된 주식의 행사권이 발생하는 시기에 즈음하여 긍정적인 기사를 의도적으로 배포한다. 이러한 전략으로 보유 주식을 처음으로 매각할 수 있는 시점에 맞춰 지분의 가치를 높이곤 한다. 통상적으로 모든 투자자들에게 공정한 기회를 제공하기 위한 목적으로, 모든 상장 기업들은 규제 기관에 의해 기업의 재무/회계 관련 정보나 연례적인 주주총회 관련 사항들은 주기적으로 공개하도록 요구 받고 있다. 기존 연구에 의하면 이러한 기업의 비선택적(비자발적) 정보 뿐만 아니라 선택적(자발적) 정보 제공은 그 기업의 기업가치, 유동성 그리고 주가를 높인다는 것이 증명되었고 이러한 정보 제공 과정에서 CEO들의 역할도 일부 규명되었다. 본 연구에서는 CEO의 선택적 정보 공개가 그들이 보유하고 있는 주식의 행사권이 처음으로 발생되는 시점과 관련이 있는지 확인하고자 했다. 주식 행사권 시점은 일반적으로 이미 수 해 전에 주식 소유권이 주어졌을 때 당사자들에 의해 정해진 사항으로 이러한 시점을 파악하기 위해 2006년부터 2011년간 Equilar의 데이터와 1994년부터 2005년까지 기록된 위임장과 SEC 파일을 토대로 CEO들의 지분 지급월을 예측하였다. 그 결과, 지분을 매각하지 않는 CEO도 있지만 다수의 CEO들이 주식 행사권이 파생하는 월에 실질적으로 보유 지분을 매각한다는 것을 확인하였다. 그런 다음 선택적/비선택적 정보 공개를 구별할 수 있는 데이터베이스를 이용하여 160,000개의 기업 정보 공개 표본을 추출하고 Thomson Reuters의 News Analytics를 사용하여 공개된 정보 내용이 해당 기업에 호의적인 내용이었는지 비호의적인지 살펴보았다. 그 결과 일반적으로 선택적으로 공개된 정보는 호의적인 내용을 담고 있다는 것을 밝혀내었다. 더 나아가 주식 행사권이 발생한 월에 주어진 선택적 정보 공개 이후 평균적으로 16일 동안의 주식 수익률은 28 BPS 이상의 비정상적 수익률을 나타냈으며 이는 통계적으로 의미있는 수치라고 밝혔다. 그리고 향후 31일 동안의 수익률은 줄어들었는데 이는 선택적 정보 공개가 매우 일시적인 효과를 보인다는 사실을 방증하였다. 또한 이러한 선택적 정보 공개는 주식 행사권이 발생하는 월에 평소보다 5 퍼센트 증가한다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 기업의 정보 공개 타이밍을 스톡옵션 행사 데이터에 적용한 결과, CEO들의 주식 행사권이 발생하는 월에 이뤄진 주식 매각은 평균적으로 선택적 정보 공개 시점에서 5일 이내에 이루어졌으며, 행사권 발생으로 행사할 수 있는 지분을 모두 매각한 CEO들만 살펴 보면 매각은 정보 공개 이후 7일내에 이루어짐을 밝혀냈다. 이 논문은 "경영진들이 지분 매각 시 전략적으로 기업의 정보 공개를 활용하고 있다."고 결론지었다. 그러한 정보 공개는 호의적인 언론 기사로 이어지고 이는 곧 일시적인 주가 상승과 유동성을 높이는 결과를 초래하는데 CEO들은 이러한 일시적인 현상을 추종했다고 볼 수 있는 것이다.
- No. 113
- 2019-06-28
- 9241
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화학과 이진용 교수 ·남연식 연구원
이산화티타늄 나노입자 산소결함 위치에 따른 광촉매 활성도 규명
자연과학대학 화학과 이진용 교수 연구팀은 미국 University of Sothern California대학교 Prezhdo 교수 연구팀과 공동으로 이산화티타늄의 나노입자의 산소 결함 위치에 따른 전자-정공의 재결합 속도 변화를 양자계산을 통해 규명하여, 물리화학분야 저명한 국제학술지인 ‘Journal of Physical Chemistry Letters (IF=8.709, 물리, 원자, 분자 및 화학분야 JCR 상위 6.76 % 저널)’에 논문이 2019년 5월 10일 자에 온라인으로 게재되었다. 이산화티타늄은 광촉매 소재의 원료 물질로서 학계 및 산업계에서 가장 많이 활용되고 있고, 통상 광촉매의 흡광 효율을 높이기 위하여 산소결함을 생성하여 사용하고 있다. 그러나 산소결함이 오히려 광촉매 효율을 저하시키는 모순적인 실험결과들이 알려지고 있다. 현재까지 이를 규명하려는 시도가 이루어져 왔지만, 실험적으로 산소결함의 농도 및 위치를 완벽하게 제어하는 것이 어렵고, 실험조건으로 인해 발생하는 이산화티타늄 나노입자 샘플의 불균일성으로 인해 지금까지 산소 결함의 효과에 대한 이해가 부족했다. 이진용 교수 연구팀은 양자계산을 활용해 표면에 생성된 산소결함은 전자-정공 재결합 속도를 촉진시켜 촉매 활성도가 감소하는 반면에 나노입자 내부에 생성된 산소결함은 재결합 속도를 늦춰 광촉매 효율을 높일 수 있음을 최초로 규명하였다. 이는 산소 결함을 갖는 이산화티타늄 나노입자의 광촉매 실험 결과들을 통합적으로 이해하는데 기여하고 광촉매 효율 향상을 위한 새로운 가이드 라인을 제시한다는 점에서 연구의 가치가 있다. 이러한 연구는 양자점의 들뜬상태 동역학에 대한 이해가 필요한 QLED 소재 개발에도 중요한 부분이다. 이번 연구를 주도한 성균관대 이진용 교수는 “본 연구가 이론적 예측 결과이지만 실제 실험 연구에서 보고되는 모순되는 결과들에 대한 이론적인 설명을 제공하고 있으며 우리가 최초로 규명한 산소 결함의 위치에 따른 전자-정공 재결합 속도 변화는 실제 실험에서 산소결함을 가진 이산화티타늄 샘플에 따라 변하는 광촉매 효율의 차이를 이해하는데 매우 유용한 기초 정보가 될 수 있을 것“ 이라고 전했다. 또한 “순수 이론 연구만으로 우수한 저널에 논문을 발표하는 것이 갈수록 힘들지만, 실험이 불가능한 영역에서 지속적인 노력을 통해 실험이 도전할 수 있는 근거를 제공하는 역할을 해야만 한다”라고 강조한다. 이 연구는 논문의 제 1저자인 남연식 박사과정 학생은 2016년 GPF에 선정되었고, 2017년에는 포스코청암펠로우에 선정되었으며 2019년 2학기에 박사학위를 마치고 UC, Irvine에서 박사후연구원으로 펨토초-아토초에서 일어나는 빠른 분자동역학 현상에 대한 새로운 연구를 개척하여, 미래에 교수가 되어 연구를 지속하는 꿈을 갖고 있다. *논문명: Strong Influence of Oxygen Vacancy Location on Charge Carrier Losses in Reduced TiO2 Nanoparticles
- No. 112
- 2019-06-14
- 8005
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에너지과학과 정문석 교수 ·Ngoc Thanh Duong 연구원
빛에 따라 특성을 조절하는 카멜레온 반도체 나노 소자 개발
에너지과학과 정문석 교수와 Ngoc Thanh Duong 박사과정 연구원이 같은 학과 임성주 교수와의 공동 연구로 빛의 존재 유무에 따라 3진법과 2진법, 즉 최대 5진법의 출력이 구현 가능한 소자 기술을 개발하여 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 ACS Nano(IF=13.709)에 4월 23일 게재하였다 일반적인 집적회로는 1 또는 0, 2개의 출력을 하나의 비트에 저장하는 형태로 동작한다. 이는 일반 소자의 출력이 on과 off 상태인 2개의 출력으로 구분되기 때문이다. 만약 3진법 이상의 출력, 즉 0, 1, 2 이상의 출력이 가능한 소자가 구현 가능하다면 집적회로의 성능이 월등히 향상될 수 있다. 컴퓨터 정보처리의 최소 단위 1바이트(byte)는 8비트(bit)를 기본 단위로 한다. 1바이트를 기준으로 3진법을 통해 최대 구현 가능한 출력은 6561개로 256개의 출력을 갖는 2진법과 비교하였을 때, 약 25배 이상의 출력이 향상됨을 알 수 있다. 또한 연구팀에서 제시한 최대 5진법의 출력 인식이 가능할 경우, 그 성능은 하나의 바이트에서만 약 1000배 이상의 향상이 가능하다. 연구팀은 광 민감도가 우수한 2차원 물질인 이텔루륨화 몰리브덴(MoTe2)과 이황화 몰리브덴(MoS2) 화합물을 이용하여 반데르발즈 이종 접합 소자를 제작하였으며, 이 소자에서 발견된 부성미분전달컨덕턴스(negative differential transconductance) 현상을 이용하여 최대 5진법의 출력이 가능한 다진법 전자소자를 개발하였다. [그림] 레이저에 반응하여 3진법에서 2진법으로 특성이 바뀌는 inverter 소자 정문석 교수는 이번 연구를 통해 “2차원 물질의 유연하고 투명한 특성뿐만 아니라 전자 소자의 효율 측면에서도 그 성능을 크게 향상시킴으로써 4차 산업혁명의 핵심 주제인 빅데이터, 인공지능의 높은 전력소모와 정보처리 속도의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이 연구는 기초과학연구원과 한국 연구재단 중견연구과제 지원으로 수행되었다.
- No. 111
- 2019-05-31
- 6856
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약학과 정가영 교수
주요 의약품과 우리 몸 속 수용체가 작용해 신호전달에 관여하는 과정을 규명
약학과의 정가영 교수 연구팀(누엔민둑 박사-공동제1저자)이 2012년 노벨화학상 수상자인 Brian Kobilka 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 주요 의약품과 우리 몸 속 수용체가 작용해 신호전달에 관여하는 과정을 규명했다. 이 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 '셀(Cell)' 5월 9일에 게재되었다. ※ 논문명 : Assmbly of a GPCR-G Protein Complex ※ 주저자 : 정가영 교수(교신저자, 성균관대), 코빌카 교수(교신저자, 미국 스탠포드대), 로도스키 교수(교신저자, 미국 케이스 웨스턴 리저브대), 누엔민둑 박사 (제1저자, 성균관대), 양 박사(제1저자, 미국 스탠포드대), 라스무센 교수(제1저자, 덴마크 코펜하겐대) 2012년 노벨화학상을 받은 G단백질수용체(GPCR)*은 세포막의 문지기로서, 호르몬, 의약품 등을 세포 내로 전달해 적절한 반응을 유도하며 현재 사용 중인 의약품의 40%가 G단백질수용체를 통해 작용한다. * G단백질수용체(GPCR) : 외부 신호를 감지하면 세포 내부의 G단백질과 결합해, 세포의 신호전달계를 활성화시키는 역할을 한다. 시각, 후각, 심혈관, 뇌, 면역, 대사 기능 등 우리 몸의 다양한 기능을 조절한다. 연구팀은 G단백질수용체가 외부 신호와 결합해 세포 내 반응을 유도하기까지의 순차적인 구조 변화를 규명했으며, 나아가 약물 개발에 활용될 수 있는 G단백질수용체의 구조도 제시했다. 연구 결과, 노벨화학상을 받은 G단백질수용체의 구조는 G단백질과의 결합 후 형태로 효과적 신약개발을 위한 실제 세포 내 G단백질 결합과정을 규명하기에 적절한 모델이 아닐 수도 있으며, 이 연구에서 밝혀진 결합 초기 G단백질수용체 구조가 세포 내 반응을 유도하는 효과적인 신약개발 추진에 더 적합한 것으로 밝혀졌다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구‧집단연구)의 지원으로 수행되었다.
- No. 110
- 2019-05-16
- 9056
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에너지과학과 정문석 교수 ·이찬우 연구원
나노광학 측정 통해 2차원 반도체의 결함신호 세계 최초 발견
에너지과학과 정문석 교수 연구팀은 탐침 증강 라만 분광법 (tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)을 이용하여 2차원 단일 층 반도체인 이황화텅스텐 (WS2)의 결함 관련 라만 산란 신호를 검출 해내였다. 대표적 2차원 반도체인 단일 층 전이금속 칼코겐화합물은 매우 얇고 직접 밴드갭을 가져, 초소형 광전 소자와 투명 유연소자 등 여러 반도체 소자 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 특히 전이금속 칼코겐화합물 중에서 단일 층 이황화텅스텐은 높은 양자 효율을 가져 각광받고 있다. 고성능의 반도체 소자를 제작하기 위해선 결함이 없는 좋은 품질의 2차원 반도체가 필요하지만, 현재까지 이의 품질을 평가할 수 있는 기준이 모호한 실정이다. 따라서 같은 종류의 시료를 가지고 소자의 특성이 다르게 나오는 등 품질 평가 기준의 부재는 상용화에 매우 심각한 걸림돌이 되고 있다. 연구팀은 표면의 나노 구조 분석과 광학 실험이 동시에 가능한 탐침 증강 라만 분광법을 이용하여 결함이 다수 존재하는 영역에서 지금껏 관찰되지 않았던 새로운 신호를 검출하였다. 더불어 이 신호가 반도체의 결함 중 하나인 황(S) 원자의 공공(vacancy) 결함으로 나타난 신호임을 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산을 통해 확인하였다. 연구팀은 이를 결함에서 나오는 ‘D 모드’라 명명하고, 결함이 없는 영역에서 나타나는 신호의 세기와 비교하여 이황화텅스텐의 품질을 평가할 수 있는 기준을 제시했다고 보고하였다. 정문석 교수는 “이 연구는 2차원 반도체 물질의 결함에 관한 신호를 처음으로 검출해냈다는데 중요성이 있다”며 “앞으로 다양한 2차원 반도체 소재에 적용하여 품질평가 기준을 만들어 이를 통해 2차원 반도체의 상용화를 가속화시킬 수 있는 탁월한 연구결과”라고 의미를 설명했다. 본 연구 결과는 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야의 국제 학술지중의 하나인 ‘ACS Nano (IF = 13.709)’에 2018년 10월 23일 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단 중견연구자 사업 지원으로 수행되었으며 박사과정 이찬우 연구원 (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였고, 이승미 박사 (한국표준과학연구원)가 공동 교신저자로 참여하였다. (그림) 탐침 증강 라만 분광법을 이용하여 이황화텅스텐의 공공 결함을 측정하는 모습
- No. 109
- 2019-05-07
- 8939
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화학과 류도현 교수 ·심수용 연구원
지난 50여년 간 해결하지 못했던 비대칭 반응 세계 최초 개발
화학과 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 루이스 산 촉매를 이용한 사각 탄소 고리 케톤 화합물의 비대칭 합성법 개발에 성공하였다. 카이랄 사각 탄소 고리 화합물은 생리활성을 가지는 다양한 천연물의 핵심구조로써 학계 및 산업계로부터 많은 주목을 받고있다. 삼각고리 화합물로부터 고리 확장 반응을 통해 사각 고리 케톤 화합물을 효율적으로 합성할 수 있지만, 삼각고리 알데히드의 재배열 반응을 통한 사각 탄소 고리 화합물의 비대칭 합성의 예는 보고되어 있지 않다. 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 비금속 루이스 산 촉매를 이용하여 사각 탄소 고리 케톤 화합물을 삼각고리화/유사피나콜 재배열 (cyclopronation/semipinacol rearrangement) 연속반응을 통해 높은 수율과 입체선택성으로 합성할 수 있었다. 개발된 반응은 간단한 구조의 시작물질을 이용하고 질소 가스 부산물만 생성되기 때문에 원자경제성 (atom economy) 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구를 주도한 성균관대 류도현 교수는 "삼각고리 알데히드의 재배열 반응을 통한 카이랄 사각 탄소 고리 케톤 화합물의 합성은 지난 50여년 간 해결되지 못했던 과제"라며 "이번 연구의 의의는 이를 촉매를 이용하여 최초로 성공한 것이며 반응 메커니즘을 규명할 수 있는 실험결과를 제시했다는 점에서 연구 가치가 매우 크다"라고 밝혔다. 사각 탄소 고리 케톤 화합물은 내재된 고리 에너지 (ring strain)으로 인해 다양한 고리 확장 (ring expansion) 반응이나 고리 열림 (ring opening) 반응에 사용될 수 있는 유용한 화합물이기 때문에 본 합성법은 매우 유용한 합성도구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 화학분야 세계적 권위의 화학분야 학술지인 'Journal of the American Chemical Society (JACS; IF = 14.357)'에 2018년 8월 8일자에 게재되었고, 그 중요성을 인정받아 표지 논문 (cover paper)로 선정되었다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원으로 수행되었으며 심수용 박사 (성균관대 기초과학연구소)가 제1저자로 참여하였다. *논문제목 “Asymmetric Synthesis of Cyclobutanone via Lewis Acid Catalyzed Tandem Cyclopropanation/Semipinacol Rearrangement” (제1저자 심수용, 제2저자 최유나, 교신저자 류도현)
- No. 108
- 2019-04-24
- 8271
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화학공학/고분자공학부 배종욱 교수 ·함형원 연구원
이산화탄소를 석유화학 중간체로 전환 촉매 개발
이산화탄소를 활용해 청정연료 및 석유화학 제품을 생산할 수 있는 기반이 마련되었다. 배종욱 교수 연구팀이 균일한 중형 기공의 촉매를 이용해 이산화탄소로부터 유용한 석유화학 중간체를 생산하는 화학공정 기반기술을 개발하였다. 석유자원의 고갈 및 지구온난화에 따라 이산화탄소의 효율적 제거 기술의 필요성도 증대되고 있다. 이산화탄소로부터 메탄올, 디메틸에테르 등의 중간체를 거쳐 다양한 석유화학 원료를 합성하는 촉매기술이 연구되어 왔지만, 아직까지 촉매가 비활성화 되면서 효율이 저하되는 문제가 남아있있다. 연구팀은 알루미나와 구리 나노구조가 합성된 촉매를 개발해 이산화탄소에서 디메틸에테르를 합성할 수 있도록 유도했다. 5~8 nm(나노미터)의 기공이 규칙적으로 세공된 알루미나가 구리의 열적 안정성을 향상시켜 고온‧고압의 반응조건에서도 촉매가 안정적‧효율적이었다. 특히 갈륨 혹은 아연 산화물을 촉매에 보조적으로 포함시킴으로서 이산화탄소 전환율이 30% 이상 증대되었다. 나아가 연구팀은 구조적으로 안정한 중형 세공*의 알루미나 및 제올라이트 촉매를 제조해 디메틸에테르로부터 석유화학 기초유분(올레핀, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등)을 합성하는 기술도 개발했다. * 중형세공 : 약 5～8 nm 크기의 기공이 규칙적으로 1차원으로 세공된 불균일 촉매 배종욱 교수는 “이 연구는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 전환하는 새로운 안정화된 고효율 촉매기술이며, 향후 청정에너지 및 석유화학 중간체를 합성하는 기반 기술이 될 것”이라며 연구의 의미를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업의 지원으로 수행되었다. 화학분야 국제학술지 'ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)' 12월 10일에 논문으로 게재되었다. (그림) 개발된 촉매를 이용해 이산화탄소로부터 석유화학 중간체를 합성‧활용하는 과정
- No. 107
- 2019-04-10
- 7400
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화학과 송충의 교수
“생명의 비밀”에 대한 단서 물방울에서 찾다
화학과 송충의 교수 연구팀은 최근 “Hydrophobic chirality amplification in confined water cages”란 제목의 논문을 세계적 권위의 과학전문지인 ‘Nature Communications’ 에 발표하였다. 이 논문에서 송교수 연구팀은 물이 카이랄성 증폭기(chirality amplifier)로 작용할 수 있음을 발견하여 지구 생명체의 “단일카이랄성 (homochirality)”의 형성과정에 대한 새로운 시나리오를 제시하였다. 거울상 이성질체란 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 거울에 비친 형태를 가지는 분자로서 어떠한 경우에도 서로 겹칠 수 없는 분자를 말한다. 서로 겹칠 수 없는 이런 거울상의 관계를 “카이랄” (chiral)이라고 한다. 이러한 거울상 이성질체들은 동일 에너지를 가지고 있기 때문에 일반적인 화학반응조건 하에서는 두 개의 거울상 이성질체들은 반드시 같은 양의 짝으로 만들어진다. 하지만 놀랍게도 지구상의 모든 생명체는 두 개의 거울상 이성질체들의 짝으로 이루어진 것이 아니라 D-단당류, L-아미노산과 같이 단일 거울상 이성질체로만 이루어져 있으며, 이들 단일 거울상 이성질체 분자들이 생명의 기본 요소인 DNA, RNA, 단백질을 구성하고 있다. 즉, 모든 생명체는 “단일카이랄성”을 가지고 있으며, 따라서 단일카이랄성은 생명체 형성 및 생명현상유지에 필수요소이다. 하지만 들풀에서 인간에 이르기까지 지구상의 모든 생명체가 어떻게 동일한 단일카이랄성을 갖게 되었는지는 여전히 풀리지 않고 있는 과학계의 미스테리이다. 화학과 송충의 교수팀은 마이크로칩반응기 연속흐름장치 등을 사용하여 물을 비대칭 촉매반응의 반응매개로 사용할 때 소수성수화효과에 의해 반응의 광학선택성이 크게 증폭될 수 있음을 최초로 발견하였다. 이는 유기용매 내에서 반응을 진행시킬 때 보다 물을 반응매개로 사용할 때 특정 거울상 이성질체가 훨씬 많이 생성됨을 뜻한다. 송충의 교수는 “이 연구결과로 미루어 볼 때 생명체가 존재하기 이전, 원시 지구의 안개, 구름, 물보라와 같은 에어로졸 형태의 아주 작은 물방울들이 카이랄성 증폭과정에 관여하여 현재의 지구 생명체의 근원인 단일카이랄성에 이르렀을 가능성이 있다. 즉 물방울 내에서의 화학반응이 생명의 기원에 대한 어떠한 단서를 제공할 수 있을지도 모른다”고 말했다. “뿐만 아니라, 이런 광학선택성 증폭 시스템의 새로운 발견은 비대칭 촉매화학과 같은 관련 연구에 획기적인 패러다임을 제공할 것으로 기대된다” 라고 말했다. *논문제목: Hydrophobic chirality amplification in confined water cages” Nature Communications, 10, 851 (2019) (DOI: 10.1038/s41467-019-08792-z). 그림 1. “On-water” 조건하에서의 비대칭 촉매반응 사진. a. 반응 전; b. 반응 중; c. 반응 후 그림 2. 마이크로칩 반응기 연속흐름장치 그림 3. (a) 마이크로칩반응기 연속흐름장치 모식도 (b) 물과 유기 반응 혼합물의 유속의 변화에 따라 유기 플러그의 크기가 달라지는 모습 (c) 유기 플러그의 부피가 작아질수록 비대칭 유기촉매반응의 광학선택성이 증폭되는 결과
- No. 106
- 2019-04-01
- 7658
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약학과 김기현 교수
신경전달물질 GABA 조절 장내미생물의 발견 및 장내미생물과 우울증 발병의 연관성 증명 연구
약학대학 김기현 교수 연구팀은 인간 장내미생물군으로부터 신경전달물질 GABA에 의존적으로 성장하는 특정 미생물을 확인함으로써 GABA를 생성하는 장내미생물이 인간 장내에 존재하는 것을 확인하고, 이들이 실제로 우울증 발병과 연관이 있음을 증명하는데 성공했다. 인간의 장내미생물군 (gut microbiota)는 면역반응과 신경계를 포함하는 다양한 기능에 영향을 주는 것으로 알려져 있지만, 23-65%의 장내미생물은 현재 배양이 안되고 있으며, 이는 장내미생물의 역할을 이해하는데 큰 장애물이 되고 있다. 배양의 어려움은 주변 박테리아로부터 제공되는 주요 성장 인자의 부재에 의한 것으로 파악되고 있다. 본 연구에서는 Bacteroides fragilis의 존재하에서만 성장하는 KLE1738로 명명한 장내미생물을 이용하는 co-culture 방법을 이용하고, Bioassay-driven purification 방법을 통하여 장내미생물 (KLE1738)의 주요 성장 인자가 γ-aminobutyric acid (GABA)라는 사실을 확인하였다. 대표적인 신경 전달 물질로 알려진 GABA가 장내미생물의 주요 성장 인자로 밝혀진 것은 놀라운 결과였고, GABA-dependent metabolism 기전 또한 유전체 분석에 의해 증명했다. 장내미생물 (KLE1738)을 이용하여 다양한 GABA-producing bacteria를 확인하였고, Bacteroides ssp.가 과량의 GABA를 생성하는 것을 알게 되었다. 그리고 Genome-based metabolic modeling 통하여 GABA를 생산하는 미생물과 소비하는 미생물을 예측 확인 하였고, 건강한 사람으로부터 기증 받은 대변 시료의 transcriptome 분석을 통하여 GABA 생성 경로가 Bacteroides, Parabacteroides, Escherichia species에 의한 것으로 증명되었다. 특히 GABA 관련 반응과 연관된 질환인 Major Depressive Disorder (MDD) 환자들의 functional magentic resonance imaging 분석을 통하여, GABA 생성과 관련된 Bacteroides 장내미생물의 상대적인 풍부함이 우울증과 관련된 뇌질환과 부정적으로 관련되어 있음을 증명하였다. 김기현 교수는 이번 연구결과에 대해 “장내미생물군의 상호작용이 특정 저분자 물질에 의해 이루어지며, 이를 이해하는데 미생물 배양 기술과 천연물 화학 분야가 융복합되어 응용된 첫 사례”로 강조하였고, “본 연구는 장내미생물의 상호작용을 이해함으로서, 특정 장내미생물이 실제로 우울증 발병에 영향을 준다는 점을 증명하였고, 이는 장내미생물을 이용하는 새로운 우울증 치료제 및 예방법의 개발 가능성을 제시할 수 있다”라고 설명하였다. 이 연구는 Northeastern University와 Harvard Medical School과의 공동 연구를 통하여 수행되었으며, 2019년 3월에 미생물 (Microbiology) 분야의 세계적인 학술지 Nature Microbiology (Impact Factor 14.174)에 발표되었다. Nature Microbiology, 4, 396–403 (2019). *논문명: GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota *공동 제1저자: 김기현 그림 1. Co-culture assay 그림 2. GABA 조절 장내 미생물 확인 분석 그림 3. Bacteroides 장내미생물의 풍부함과 우울증 환자의 뇌구조 분석
- No. 105
- 2019-03-20
- 10486
