Research Stories 게시판목록

전이금속 산화물에 숨겨진 물질상태 예견 및 구현

예견한 물질의 상태를 박막 표면에 실험적으로 구현

신소재공학부 이재찬 교수 · 정봉욱 연구원

물리학과 안종열 교수 ·안성준 박사

상대론적 디랙 전자구조를 가지는 12각형 그래핀 준결정에 관한 연구

준결정(quasicrystal)은 노벨 화학상 수상자인 Dan Shechtman 박사에 의해서 1980년대에 처음 실험으로 관측된 특이한 고체의 상태이다. 일반적인 고체의 경우, 구성 원소들이 격자(lattice)구조라고 하는 일정한 주기성을 가지며 배열되어 있고, 이 경우에는 병진대칭성(translational symmetry)과 회전대칭성(rotational symmetry)을 모두 가지게 되는 반면, 준결정의 경우에는 회전대칭성 만을 가지는 특이한 구조를 지니게 된다. 또한 준결정은 자기복제성(self-similarity)을 가지는 프랙탈(fractal) 구조를 따르게 된다. 이처럼 준결정은 일반적인 고체결정과 다른 특성을 지니며, 이와 관련된 수많은 실험적, 이론적인 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 또한, 두 층의 그래핀 사이에서의 상호작용에 관한 많은 이론적 실험적 연구들이 있어왔지만, 최근까지도 Mott insulator나, 초전도 현상과 같은 특이한 물리적인 현상들이 계속 학계에 보고되고 있다. 이런 연구 동향에 발맞춰 두 층의 그래핀을 이용한 2차원 준결정에 관한 연구를 최근에 발표하게 되었다. 본 연구에서는 두 층의 그래핀을 각각 박리하여 포개는 방법 대신, 서로 30도의 회전 각도를 가지는 두 층의 그래핀을 에피택셜(epitaxial)한 방법으로 성장시킴으로써 2차원 그래핀 준결정을 합성할 수 있었고, 이를 통해 디랙 전자(Dirac electron)구조를 가지는 특수한 준결정을 최초로 발견하게 되었다. 합성된 그래핀 준결정은 아래의 그림 에서와 같이 일반적인 결정구조에서는 볼 수 없는 30도 회전대칭성(12-fold symmetry)과 프랙탈(fractal) 구조를 지니는 것을 확인하였다. 이러한 2차원 준결정은 4차원 양자 홀 효과 (4-Dimensional Quantum Hall Effect)로 대표되는 4차원 공간의 물리학을 관측할 수 있는 창의 역할을 하게 될 것으로 기대된다. 이 연구는 2018년 8월 24일자로 Science지에 게재되었고, 표지논문으로 선정된 바 있다. 논문명 : Dirac electrons in a dodecagonal graphene quasicrystal Science 24 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6404, pp. 782-786 DOI: 10.1126/science.aar8412
- No. 92
- 2018-10-29
- 9583
약학과 정가영 교수 ·김희령 석박통합학생

Wnt 신호전달의 작용기전 규명

약학과 정가영 교수팀(김희령 석박통합학생 제1저자 참여, Global PhD Fellowship 학생)은 서울대학교 생명과학부 최희정 교수팀 및 서울대학교 화학과 석차옥 교수팀과 공동연구를 통해 Wnt 신호전달의 작용기전을 규명하였다. Wnt 신호전달은 Wnt라 불리는 일종의 호르몬이 배아의 발생, 암의 발생, 조직의 재생 등을 조절하는 우리 몸의 주요 신호전달 기전으로 Wnt 신호전달 기전에 대한 정확한 이해는 특히 항암제 개발에 큰 도움을 줄 것으로 예상되고 있다. 이러한 Wnt 신호전달은 GPCR이라 불리는 수용체군 중의 하나인 Frizzled 수용체를 통해 이루어진다. GPCR 수용체군은 시각, 후각, 심혈관, 뇌, 면역, 대사 등 우리 몸의 다양한 기능을 조절하며, 현재 사용되고 있는 약의 40%가 GPCR 수용체군에 작용한다. 이러한 이유로 GPCR 수용체군의 작용기전을 연구한 과학자들이 1971년 노벨생리의학상, 1994년 노벨생리의학상, 2012년 노벨화학상을 수상하였다. GPCR 수용체군 중 Frizzled 수용체는 병태생리학적 중요도에 비해 작용기전이 거의 규명되지 않고 있었다. 본 연구는 구조규명질량분석기법, 컴퓨터모델링, 세포생물학적 기법 등 다양한 기술의 융합을 통해 Wnt 호르몬이 Frizzled 수용체에 결합하는 원리와 하위신호전달이 일어나는 원리를 규명하였다. 본 연구는 세계적 권위지인 Proceedings of the National Academy of Science USA (Impact Factor: 9.504) 8월 28일자로 게재되었다. *논문명: Biophysical and functional characterization of Norrin signaling through Frizzled4
- No. 91
- 2018-10-16
- 10605
화학공학/고분자공학부 김동환 교수 ·문병석 연구원

단일 파장대역에서만 발광하는 새로운 상향변환 호스트 물질 개발

상향변환(upconversion) 현상은 낮은 에너지를 갖는 광자를 연속적으로 흡수하여 더 큰 에너지를 갖는 광자를 방출하는 현상으로, 햇빛에 풍부하게 존재하는 적외선 빛을 가시광선으로 변환하여 태양전지의 효율을 높이거나, 생체투과성이 높은 적외선 빛을 뇌조직 내부에서 가시광선으로 전환하여 효과적인 광자극을 주는 등 지난 반세기 동안 다양한 응용 분야에서 꾸준한 관심을 이끌어왔다. 상향변환 현상은 무기체 호스트 물질(inorganic host material)에 도핑된 란탄족 이온(Ln3+)에서 발생하며, 호스트 물질과 란탄족 이온 간의 복잡한 상호작용의 결과로 상향변환 효율 및 발광 스펙트럼이 결정된다. 하지만상향변환 효율과 스펙트럼 순도가 낮아, 이를 극복할 수 있는 새로운 호스트 물질의 개발이 요구된다. 공과대학 화학공학/고분자공학부김동환 교수 연구팀은 레이저를 이용해 호스트 물질을 액화-급랭(liquid-quenching)시켜 단거리 배열(short range order, 1st coordination order)이 존재하지 않는 새로운 호스트 물질을 개발함으로써, 란탄족 이온과의 상호작용을 극대화하였으며, 이를 통해 단일 파장대역에서만 발광하는 고효율의 상향변환 물질을 개발하는데 성공했다. 본 연구 결과는 자연계에서 안정적인 배열을 갖는 기존 호스트 물질들의 재료적 한계를 극복하였기에 큰 의미를 가진다. 본 연구에서 개발된 물질은 첨단 레이저 분야 및 광집적회로 소자 분야 등에 활용될 예정이다. 한국연구재단의 지원으로 수행된 본 연구는 그 중요성을 인정받아 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.06.20.)
- No. 90
- 2018-09-14
- 9740
의학과 이기영 교수 ·민윤 연구원

자가 소화작용 조절이 암세포 형성에 미치는 영향 규명

의학과 이기영 교수 연구팀이 선천면역 신호에 의한 자가 소화작용 조절이 암세포 형성에 미치는 영향을 규명함으로써 암질환 및 염증성 질환 제어에 기여할 수 있는 연구결과를 얻어냈다. 자가 소화작용과 선천면역에 관한 기존 연구는 많았으나, 선천면역 수용체 신호에 의한 자가 소화작용 조절이 암질환에 미치는 연구는 부족했다. 이에 연구팀은 이들 상호간 분자조절기능에 관한 기전연구를 진행하고, 나아가 자가 소화작용이 암질환의 질환과정 분석 및 제어에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다. ※ 자가 소화작용(Autophagy) : 세포 내 단백질 및 세포질 구성성분의 제거 및 재활용을 통하여 세포의 항상성 유지에 중요한 역할을 한다. 신경질환, 노화, 간질환, 당료, 감염 및 면역질환, 암질환 등 다양한 질환들에 있어서 자가 소화작용의 기능이 보고되고 있다. ※ 선천면역 : 다양한 외부 감염체로부터 인체를 보호하는 중요한 역할을 하며, 선천면역 수용체를 통한 신호전달은 선천면역 조절 및 활성화에 큰 기여를 한다. 그 결과, 연구팀은 세포내 항산화 단백질로서 그 기능이 잘 알려진 퍼록시리독신1 (Peroxiredoxin1)이 선천면역신호에 있어서 중요한 트래프6 (TRAF6) 단백질의 기능을 조절함으로써 선천면역신호 및 자가 소화작용 활성화에 미치는 새로운 기전을 제시하였다. 또한 이러한 조절기능이 자가 소화작용에 의한 암 형성 과정[암세포 이동(Cancer migration) 및 암세포 침입(Cancer invasion)]에 기여하는 것을 밝혀냈다. 이기영 교수는 “선천면역신호를 통한 자가 소화작용 활성화 기전은 향후 암 형성 과정을 이해하는데 중요한 기반이 될 수 있으며, 또한 암질환 및 선천면역신호에 의한 염증성 질환 제어에 기여할 수 있는 있는 의미 있는 결과”라며“현재 이를 위한 후속연구를 진행하고 있다”고 밝혔다. 이번 연구에는 교신저자로 이기영 교수(성균관대학교 의과대학), 제1저자로 민윤 학생(성균관대학교 의과대학 석/박 통합과정)이 참여하였으며, 연구 성과는 국제학술지 오토파지(Autophagy, IF 11.10) 7월호에 게재됐다. ※ 논문명: Inhibition of TRAF6 ubiquitin-ligase activity by PRDX1 leads to inhibition of NFKB activation and autophagy activation. [그림 1] 퍼록시리독신 1이 결여된 면역세포에서 선천면역신호 자극에 따른 자가 소화작용 형성을 분석하여 퍼록시리독신 1이 선천면역신호 자극에 의한 자가 소화작용 형성에 영향이 있음을 확인할 수 있었다. [그림 2] 퍼록시리독신 1이 결여된 암세포주를 제작하여 암세포의 전이 (Metastasis)를 평가하기 위한 방법으로 암세포 침입분석 (Invasion assay)을 수행하였음. 이를 통하여 퍼록시리독신 1이 자가 소화작용 형성을 조절하여 암세포 침입에 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
- No. 89
- 2018-09-04
- 9223
신소재공학부 조형균 교수 ·김영빈 연구원

수소가스 생산을 위한 반도체 광양극 소재개발

신소재공학과(AMSE) 조형균 교수 연구팀의 김영빈 연구원(석박통합 5학기)이 광전기화학물분해의 핵심 요소 중 하나인 양극 소재의 선정에서 작은 밴드 갭 및 작은 일함수를 갖는 물질의 중요성을 설명하고, 전기화학적 물 분해 과정 중 발생하는 표면 전하의 강반전 거동 기구를 새롭게 제안했다. 이를 검증하기 위해 신소재 이원계 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3)의 합성 공정을 제어하여 n형 광양극 소재를 개발했으며, 기준 조명(1태양) 및 기준 전압(표준 수소 전극 기준 1.23V) 하에서 5mA/cm2의 매우 높은 전류 밀도를 발생시켰다. 이 과정에서 물질의 표면 전하 축적 개념을 제안 및 분석하여 강반전이 일어나는 영역에서부터 높은 전류 밀도가 관찰됨을 확인했다. 석유 에너지를 대체할 신재생 에너지로써 친환경적이며 높은 효율을 보이는 수소 에너지와 빛을 이용해 전기화학적으로 물에서 수소와 산소를 발생시키는 연구가 최근 주목 받고 있다. 이에 따라 태양광 하에서 높은 전류를 발생시키는 양극소재에 대한 연구가 진행되어 왔으나, 기존 연구는 주로 밴드갭이 넓어 가시광 영역을 활용하기 어려운 산화물에 집중되었다. 이러한 산화물은 촉매 물질 없이는 가시광 영역에서 매우 낮은 효율을 보이고 있다. 본 연구에서는 가시광을 활용할 작은 밴드 갭의 칼코제나이드 신소재 개발에 집중해 광양극으로의 활용을 가능하게 했다. 연구팀은 칼코제나이드 물질의 전도성 결정에 영향을 미치는 결함을 제어하도록 공정 분위기 조절로 광양극의 조성을 제어했다. 그 중에서도 셀레늄(Se)원소의 결함이 전도성을 크게 좌우함을 이론적으로 확인했고, 그 함량이 증가할수록 p형 전도성을 억제할 수 있음을 파악했다. 이러한 정보를 기반으로 공정 중 쉽게 발생하는 셀레늄(Se) 손실을 막기 위해 셀레늄(Se) 함량이 높은 전구체를 준비해 n형 전도성을 갖는 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3)를 구현했다. 이로써 기존의 n형 반도체가 갖는 가시광 흡수 효율을 개선할 수 있게 되었다. 뿐만 아니라 현재 보고된 n형 반도체 물질 중에서도 가장 높은 수준의 광전류 밀도가 발생함을 확인했다. 김영빈 연구원은 “광전극 소재의 표면에서 발생하는 표면 전하의 축적 상태(강반전)에 따라 발생하는 광 전하의 분리 및 이동 효율이 향상됨을 관찰했고, 이러한 개념을 해석하기 위해 표면 전하 축적 상태를 측정하여 n형 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3)의 에너지 밴드 구조를 구현했다.”며, 이를 통해“표면의 강반전 상태와 광전류의 급증 영역이 일치함을 확인했다.”고 전했다. 연구팀은 가해진 전압과 빛의 유무에 따른 에너지 밴드 구조의 굽힘 현상의 변화를 디자인해 강반전 상태를 구현하기 위해 필요한 조건(작은 밴드 갭과 일 함수)을 제시했다. 신소재공학과 석박통합과정 김영빈 연구원이 수행한 본 연구는 소재과학(material sciences)분야의 세계적인 학술지인 '에너지 & 인바이런먼탈 사이언스 (Energy & Environmental Science, IF 30.067)에 온라인 게재되었다. (2018.06.20.)
- No. 88
- 2018-08-27
- 9156
신문방송학과 김정탁 교수

장자 내편

이 책은? 동아시아 고전을 제대로 해석하려면 역·주·해·소·논의 과정을 거쳐야 한다. 역(譯)이란 우리가 흔히 말하는 번역이다. 그런데 동아시아 고전은 번역만으로는 내용 파악이 쉽지 않기 때문에 모내기를 할 때 물을 주듯 번역한 글에도 물을 대주어야 한다. 그래야만 글이 살아나는데 이것이 주(注)다. 해(解)는 해석을 뜻한다. 역과 주를 통한 글이라도 여전히 거칠거나 딱딱하므로 해석이 이루어져야 글의 의미를 제대로 깨달을 수 있는데 이것이 해(解)다. 그렇더라도 이 내용이 오늘날 어떤 의미를 지니는지를 밝혀야 하는데 이것이 통한다는 의미를 지니는 소(疏)이다. 마지막으로 이 내용에 대한 비판도 이루어져야 하는데 이것이 논(論)이다. 이런 일련의 과정을 거쳐야 동아시아 고전의 내용이 제대로 밝혀진다. 장자가 직접 쓴 글로 여겨져 장자사상을 이해하는 데 반드시 읽어야 할 내용이 장자의 내편이다. 이 책은 장자의 내편을 재해석한 것으로, 내편은 <소요유(逍遙遊)>, <제물론(齊物論)>, <양생주(養生主)>, <인간세(人間世)>, <덕충부(德充符)>, <대종사(大宗師)>, <응제왕(應帝王)>으로 구성되어 있다. <소요유>는 내편의 총론에, <제물론>은 이론적 틀에 그리고 <양생주>, <인간세>, <덕충부>, <대종사>, <응제왕>은 각론에 해당한다고 할 수 있다. 저자가 보기에 장자의 텍스트는 다른 어떤 제자백가의 것보다 짜임새가 있고, 치밀하게 구성되어 있기 때문에 핵심에 이르기까지는 역(譯)·주(注)·해(解)·소(疏)·논(論)의 과정을 거쳐야 하는데, 이러한 일련의 과정을 거쳐 장자를 재해석했고, 이 책에선 내편 역·해·소를 수록했다. 왜 장자인가? 저자가 이 책을 준비하면서 가장 많이 받는 질문이 ‘왜 장자인가’였다. 저자가 보기에 이 질문엔 두 가지 뉘앙스가 있는데 하나는 ‘유가(儒家)’가 아니라 왜 ‘도가(道家)’인가이고, 다른 하나는 커뮤니케이션 전공자로서 왜 장자를 선택했느냐는 것이다. 이에 대에 저자는, “장자는 인류 역사상 어느 누구와도 비교할 수 없을 정도로 위대한 소통의 사상가이다. 그러므로 커뮤니케이션을 전공하는 학자로서 장자를 연구하는 건 지극히 당연한 일이다”고 확언한다. 저자는 오히려 장자의 이런 면모가 지금까지 드러나지 않았다는 점을 안타까워하며, 적극적으로 많은 사람들에게 알리려는 노력을 꾸준히 해오고 있다. 소통 사상가로서의 면모는 장자가 시작되면서부터 펼쳐진다. 첫 편 <소요유>가 큰 앎(大知)을 상징하는 대붕과 작은 앎(小知)을 상징하는 작은 새를 비교함으로써 소통의 중요성을 제기한다면 뒤이은 <제물론>에선 작은 말(小言) 대신 큰 말(大言)을 사용함으로써 소통에 이르는 방법론을 제시한다. 장자에서 내편만이 유일하게 장자가 쓴 것으로 보이고, 또 내편 중에서 <소요유>와 <제물론>이 장자사상의 뼈대를 형성한다는 점을 감안하면 장자 내용 전개의 핵심은 ‘소통’이라고 할 수 있다. 세계는 탈산업사회를 맞이해 산업사회에서 강조되던 조직의 논리가 후퇴하고, 이 빈자리를 개인의 창의가 메우고 있다는 측면에서 본다면 일(work)도 놀이(play)로 바뀌어야 한다. 일 대신 놀이가 이루어지려면 장자의 ‘유(遊)’의 가치에 새삼 주목해야 한다. 장자는 인간의 모든 행위를 유로 표현한다. 그래서 노는 것도 유이지만 일하는 것도 유이고, 공부하는 것도 유이고, 사랑하는 일도 유이고, 여행하는 것도 유라고 말한다. 논어의 인(仁)이 공동체의 선을 목표로 한다면, 장자의 유(遊)는 개인의 자유와 행복을 목표로 하는데, 오늘날 개인의 창의가 중요시된다는 점을 감안하면 지금 시점에서 유의 의미를 새롭게 주목할 필요가 있다. 사람과 자연과의 소통으로 귀결되는 장자 사상의 핵심, <내편> 장자는 사람들 간의 소통을 목표로 시작했지만 결국 사람과 자연과의 소통으로 귀결된다. 첫 편인 <소요유>의 주제가 소통이고, 또 뒤이은 <제물론>이 ‘호랑나비의 꿈’으로 끝나는 것을 보면 알 수 있다. ‘호랑나비의 꿈’은 사람들이 꿈과 현실의 차이를 느끼지 않는 데서 출발해서 결국 삶과 죽음의 차이도 없다는 걸 보여준다. 그럼으로써 사람과 자연 간 소통의 가능성을 활짝 열어준다. 그리고 무위자연에 입각한 삶이 얼마나 보람된 삶인지를 우리로 하여금 실감케 한다. 내편 중에서 소요유제물론인간세로 이어지는 축이 소통의 문제를 본격적으로 다룬다면 양생주덕충부대종사응제왕으로 이어지는 축은 무위자연(無爲自然)에 따른 삶을 소개한다. 즉 <양생주>는 무위자연에 따라 생명을 온전히 보존하는 방법을, <덕충부>는 자연스런 덕이 충만한 사람의 모습을, <대종사>는 무위자연에 따라 살아가는 사람의 모습을, <응제왕>은 무위자연에 따라 천하를 다스리는 방법을 각각 설명한다. 그런데 무위자연에 따른 삶이라도 자연과 소통하지 않을 수 없다. 이런 점에서 보면 소요유제물론인간세의 축이 ‘인간과 인간과의 소통’을 다룬다면 양생주덕충부대종사응제왕의 축은 ‘인간과 자연과의 소통’을 다룬다고 말할 수 있다. 그렇다면 장자는 인간끼리의 소통을 넘어서서 인간과 자연과의 소통까지를 목표로 하는 셈이다. 이럴 때 인간은 비로소 죽음을 극복할 수 있다. 이 점이 절대자에 의존해서 죽음을 극복하려는 서구의 유일신 종교가 추구하는 방식과 크게 다르다. 오늘날 우리 사회는 이전과 비교할 수 없을 정도로 크고 복잡해졌다. 부작용이 생기면 과거와 견줄 수 없을 정도로 커진다. 게다가 지금 우리는 위험사회에 그대로 노출되어 있어 부작용이 생기면 그 결과를 쉽게 예측할 수 없다. 따라서 일을 추진하는 단계에서부터 그 부작용을 염두에 두고 기획해야지 과거처럼 목표를 달성한 후에 부작용을 처리한다는 식으로 접근해선 안 된다. 만약 그렇게 접근하다간 부작용 처리를 위한 비용도 만만치 않아 결코 경제적이라고 할 수 없다. 그러니 경제적이란 소리를 듣기 위해서라도 부작용 방지를 처음부터 염두에 둬야 하는데 무위자연의 원리에 따라 일을 기획하고 실행하면 이런 목표에 어렵지 않게 도달할 수 있다. 커뮤니케이션을 전공한 저자가 새로운 시각으로 재해석한 장자 내편, 이 책을 통해 인류 역사상 가장 위대한 소통의 사상가를 만난다!
- No. 87
- 2018-08-16
- 10712
신소재공학부 하마드코티바 교수 ·주진호 교수

Polylactic acid 혼합물: The future of green, light and tough

신소재공학부 하마드코티바 교수는 Progress in Polymer Science라는 저널에 “Polylactic acid blends: The future of green, light and tough(Polylactic acid ” 라는 리뷰페이퍼를 개재하였다. (IF: 24.558, Five years IF: 32.833) Polylactic acid (PLA)는 지난 십여년간 수많은 응용을 위하여 연구되어온 생물학적 제품이며 생분해성 지방족 폴리에스테르이다. PLA의 강도, 완고함, 그리고 가스 투과성과 같은 특성들은 기존의 석유화학기반의 폴리머들에 필적하는 것으로 밝혀졌다. 반면에, PLA 기반 물질들은 낮은 생분해율, 높은 비용, 그리고 낮은 파괴인성값등의 실질적 적용에 어려운 한계를 보여왔다. PLA의 생의학적 적용에 알맞은 특성을 얻기위해 PLA를 다른 폴리머와 혼합하는 방식으로 수정해 나아가는 빈번한 수요가 있어왔다. (Fig. 1). 본 리뷰는 PLA 혼합물의 준비, 특성화 및 적용에 대한 상세한 개요를 제공하고 이러한 혼합물들에 대한 현재 상태 및 향후 트렌드에 대한 정보를 제공하기 위해 작성되었다. Fig. 1. PLA polymer blend studies, as reported in Web of Science between 2007 and 2016. 논문의 리뷰는 생분해성 폴리머와 생분해성이 아닌 폴리머들을 PLA와 혼합해내는 방식과 그 과정에 사용된 전략에 대하여 논하고있다. 이에 더하여 구조적, 기계적, 유동학적과 열적 특성, 또한 혼합물들의 잠재성과 같은 다양한 컨셉들의 개요를 서술하고있다. 조직 지지체(tissue scaffolding) 등 과 같은 생의학적 적용을 위한 PLA 혼합물을 통한 계층형 다공 물질의 생산 또한 소개되고있다. 본 논문에 제시된 지식은 생분해성 폴리머와 생분해성이 아닌 폴리머들과의 혼합을 통한 PLA 혼합물의 제조, 특성 그리고 응용이 미래에 계속하여 성장할 것이라는 것을 보여주고있다. 연구팀은 “본 논문은 PLA 기반 재료에 대한 미래의 연구에서의 상당한 이정표를 제시하였다.”라고 연구의 의의를 설명했다. - Field of specialization: Advanced engineering materials - Publications: https://scholar.google.co.uk/citations?user=2qMywJ0AAAAJ&hl=en
- No. 86
- 2018-08-06
- 12997
약학과 김인수 교수

생체 기능을 모방한 세계 최초 3상 분자컴퓨터 기반 연속화학반응 개발

생체 내 신호전달 체계를 모방한 인공 분자컴퓨터에 대한 연구는 세계적인 관심분야이다. 인공적인 컴퓨터 시스템에서는 전기적 신호를 바탕으로 연산 기능을 조절하지만 생체 내에서는 다양한 화학신호의 조절을 통하여 그 특수한 기능을 실현한다. 특히 생체 내 신호전달 과정은 각각 정렬된 방식으로 서로 통신하고 이를 활용하여 저마다의 특수한 기능을 구현하고 있으며, 이러한 기능을 인공 시스템에 적용하기 위한 많은 연구가 세계적으로 진행되고 있다. 본 연구팀은 세계 최초로 화학신호에 따른 분자인지(molecular recognition) 성질의 조절 및 대표적인 세 가지 전자전이 상태를 자유롭게 조절함으로써 인공 분자컴퓨터 개념을 실험적으로 구현하였다. 특히 개발된 삼상 분자컴퓨터는 연속단계 화학반응(cascade reaction)을 실행하여 고부가가치 유기물 및 기능성 고분자 합성에 적용되었다. 또한 생체 내 신호전달 체계를 모방한 인공 분자컴퓨터는 스마트 약물전달 시스템 구축에 기여하여, 향후 질병의 조기 진단 및 치료에도 활용될 수 있음을 제시하였다. 약학대학 김인수 교수 연구팀의 본 연구는 화학분야 세계적 학술지인 ‘JACS (Journal of the American Chemical Society, IF: 13.858)’ 6월호 표지 논문을 장식했다. 이 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 한국연구재단(이사장 배병수)이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL)의 지원으로 수행되었다.
- No. 85
- 2018-07-26
- 4726
에너지과학과 신현정 교수 ·서성록 연구원

페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상

성균관대학교 에너지과학과 (DOES) 석박통합과정 서성록 연구원과 신현정 교수 연구팀 그리고 박남규 교수는 공동으로 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술개발에 성공했다고 밝혔다. 페로브스카이트는 결정구조의 이름이며 최근의 차세대 태양전지로서의 유-무기 할라이드 원소를 사용한 특별한 조성의 물질군을 일컫는다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간 동안 광변환 효율 22%를 넘는 고 효율 보이는 광흡수층으로 전세계적으로 많은 연구자들에게 커다란 관심의 대상이다. 특히 작년에 박남규 교수는 해당 물질의 태양전지 연구의 선구자적인 업적을 인정받아 노벨 화학상 후보로 거론되기도 하였다. 이 소재는 매우 우수한 광전 특성을 가지며 동시에 저비용의 장점이 있으나 수분, 열, 빛, 그리고 전기장 등에 취약하여 짧은 소자 수명이 산업화의 걸림돌로 지적되었다. 본 연구에서 사용된 페로브스카이트 태양전지의 구조는 역전형 (inverted type) p-i-n 구조로 되어있으며 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 또 다른 물질들인 전하수송층을 무기계 소재로 구성함으로써 매우 안정한 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 전하수송층들은 모두 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 증착되었으며, 박막의 핀홀이 없이 균일하고 밀도 높은 막질을 형성하였다. 특히 무기계 전자수송층으로 Al이 도핑된 ZnO를(AZO) 채택하였고, 이 소재는 매우 우수한 전자수송 특성뿐만 아니라 아래에 있는 페로브스카이트 층을 보호하는 역할을 하였다. ALD - AZO는 외부 수분 및 산소의 페로브스카이트 층으로의 침투와 페로브스카이트의 휘발성 구성원의 증발을 방지함으로써 안정성을 향상 시킬 수 있음이 밝혀졌다. 특히 완성된 소자의 표면에서 진행되는 기존의 봉지기술과 차별화되는 특성으로, 전극/페로브스카이트의 사이에 존재하는 ALD - AZO 층은 전극/페로브스카이트 간의 상호확산 (interdiffusion)을 차단함으로써 태양전지의 작동환경 안정성을 획기적으로 개선하였다. 본 공동 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가에서 ADL-AZO 박막을 채택하지 않은 소자들은 빛을 조사하였을 경우 매우 빠른 속도로 소자의 열화가 진행되는 반면 ALD – AZO 박막을 채택한 소자는 500 시간 동안 초기 효율의 99.5 %의 특성을 유지하였음을 확인하였다. 이처럼 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지는 초기효율 18.45 %에서 시작하여, 고온 (85 oC) 및 대기환경 (ambient air)분위기, 모의 태양빛 (1-sun) 조사라는 극한 환경에서 500 시간 동안 86.7 %의 효율을 유지할 수 있어 페로브스카이트 태양전지의 산업화 가능성을 크게 높였다. 에너지과학과 신현정교수와 서성록 연구원, 화학공학과 박남규 교수가 수행한 본 연구는 한국연구재단 및 글로벌프론티어사업 (단장: 최만수 교수)의 지원으로 진행되었으며, 재료과학 (material science)분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 19.791)에 5월 23일자 온라인판에 게재되었다.
- No. 84
- 2018-07-04
- 5241
생명과학과 윤환수 교수

해양홍조류의 유전체에서 후생성 유전자 조절기작 규명

2003년 인간게놈프로젝트 (Human Genome Project)가 완성되며 의학과 과학 분야에서 유전체 서열을 밝히는 연구가 많이 진행되고 있다. 유전체는 생물이 갖는 모든 유전자를 포함한 유전 정보의 총합으로 이를 해독할 경우 유전자의 종류나 기능은 물론 진화적 역사를 추정하여 다른 생물과의 관계도 밝힐 수 있는 수많은 정보를 알 수 있다. 이러한 장점으로 최근 정부의 여러 부처가 동시에 “다부처유전체사업”을 시작하였고, 해양수산부에서는 100여종의 해양생물의 유전체 해독을 목표로 사업을 시작하였다. 생명과학과 윤환수 교수 연구진은 미역이나 다시마류 및 홍조류를 포함한 다양한 해양식물 30종의 유전체 분석을 2014년부터 시작하였는데, 그 첫 결과로 홍조류 개꼬시래기 (Gracilariopsis chorda)의 전체 유전체 해독을 완성하여 진화생물학 분야 최고권위지인 “Molecular Biology and Evolution” (5년 IF 14.558)에 출판하였다 [중앙일보: http://news.joins.com/article/22571416]. 개꼬시래기는 김, 우뭇가사리 등과 함께 식용으로 쓰이는 대표적인 홍조류 중 하나이며, 최근 다이어트식품이나 고급샐러드의 재료 등으로 많이 활용이 되고 있다. 본 연구를 통해 밝혀진 개꼬시래기 (진정홍조강) 유전체 정보는 홍조류 7000여 종 중에서 두 번째로 밝혀졌다는 점에서 의의가 매우 크며, 홍조류의 특이적 유전자진화패턴과 후생성 유전자 조절 기작에 의한 유전체 조절기작을 밝힌 점에서 중요성을 인정받았다. 주요 해양생물자원의 유전체자료를 선점한다는 것 이외에도 유용한 기능성 유전자 발굴 및 활용을 위한 기반이라는 점에서 매우 중요하다. 실제로 본 연구를 통해 밝힌 개꼬시래기의 탄산무수화효소 유전자는 기존에 밝혀진 유전자보다 매우 효율이 좋다는 것을 포항공대 황인환 교수팀과의 공동연구를 통해 확인하여 대기중의 이산화탄소 제거시스템 구축하는 연구로 확장하고 있다. 또한 성균관대 약학대학의 곽종환 교수팀과의 공동연구를 통해 개꼬시래기의 추출물에서 당뇨병과 동맥경화증 완화에 효과가 있는 유효성분들을 분석해 특허를 출원한 상태이다. 이렇게 해양홍조류의 유전체정보는 학문적, 산업적으로 직간접적으로 이용되고 있다. 현재 윤환수 교수 연구진은 개꼬시래기 뿐만 아니라 산성이나 높은 온도 등의 극한환경에 적응하는 단세포성 홍조류나 곰팡이와 공생하는 대형 홍조류 등의 전체유전체분석을 수행하고 있으며, 미역 등과 같은 다시마류가 속해있는 갈조류의 유전체연구를 통해 우수품종연구, 개체군 유전체분석 등을 수행하고 있다. 그리고 다양한 광합성 미세조류의 유전체연구를 수행하여 해양 및 담수에 서식하는 수생조류의 유전체 진화연구와 유용유전자 발굴 연구를 수행하고 있다. 이러한 다양한 광합성 식물의 유전체 정보는 생물의 진화역사를 밝히고 산업적 응용연구에도 중요한 정보를 제공할 것이다. [연구실 홈페이지: http://bio.skku.edu/glter/wiki/Hwan%20Su%20Yoon]
- No. 83
- 2018-07-04
- 5254
바이오메카트로닉스학과 김근형 교수

4D 프린팅을 이용한 근육 섬유다발을 모사한 세포지지체 제작

4D프린팅 기술은 3D프린터를 통하여 기본 구조를 제작하고, 제작된 구조물이 또 다른 기능적인 구조물의 형태로 자가변환(self transformation)하게 하는 기술이다. 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀 (김원진, 김민성)은 다양한 형태의 구조체를 간단하게 제작 할 수 있는 4D 프린팅 기술을 기반으로 근육조직과 같이 미세한 근육섬유다발(Myofibril)이 한 방향으로 배열된 형태의 세포지지체(scaffold)를 제작해냈다. 제작한 세포지지체에 근육세포를 배양하였으며, 세포의 배열과 근섬유의 형성 및 분화에 효과적으로 영향을 주는 것을 확인하였다. 배열된 미세 섬유다발로 이루어진 3차원 구조체 제작은 근육 뿐만 아니라 신경, 힘줄, 방광 등 미세 섬유다발로 이루어진 구조를 갖는 인체의 여러 조직의 재생 등에 적용이 가능한 활용도 높은 기술로서, 배열된 미세 섬유다발을 제작하기 위한 기존의 복잡한 기술들에 비해 매우 효율적이며 간단한 방법으로 다양한 복합 구조체를 제작 할 수 있다. 김근형 교수는 “이 연구는 4D 프린팅기법을 이용하여 배열된 미세 섬유다발 구조체 제작에 있어서 기존의 까다롭고 복잡한 방식과 차별되는 매우 효율적인 방법”이라며 “수-마이크론 크기의 미세한 섬유다발을 동시에 제작 및 배열함으로서 근육조직 뿐만 아니라 미세 섬유다발로 이루어진 다양한 인체조직(심장근육 및 신경)의 재생에 활용될 수 있는 매우 중요한 기술이 될 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구는 교육과학기술부 한국연구재단 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원으로 수행되었다. 소재과학분야의 전문학술지 Advanced Functional Materials (Impact Factor 12.1)에 4월 on-line 게재되었다.
- No. 82
- 2018-07-04
- 4786
에너지과학과 신현정 교수 ·이선희 연구원

60도 회전 대칭을 갖는 새로운 결정구조의 금 나노와이어 합성에 성공

에너지과학과(DOES) 박사과정 이선희 연구원과 신현정 교수 연구팀은 나노스케일의 제한된 구조 내에서 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 금(Au) 나노와이어를 성장시켰으며, 그 안에서 새로운 결정구조, 즉 동질이상(同質異像, polymorph)을 발견하였다. 금은 백금(Pt)와 함께 구조적으로 가장 안정한 물질로 알려져 있으며, 지금까지 면심입방(face-centered cubic, fcc) 구조만이 보고되었다. 동질이상(polymorphism)은 화학 조성은 같지만 다른 결정구조를 갖는 것을 말한다. 결정구조의 미세한 변화는 광학적, 전기적 특성을 포함한 물리•화학적 특성 변화를 초래하기 때문에 동질이상의 제어는 기초 재료 과학 연구에 있어서 매우 중요하다. 동질이상은 물과 얼음, 다이아몬드와 흑연처럼 일상에서도 흔히 접할 수 있는 물질에서도 나타나며, 약학에서는 주로 부작용을 줄이기 위하여 연구되었다. 그러나 금, 은, 백금, 구리와 같은 귀금속에서는 거의 연구가 이루어 지지 않았으며, 아직도 미지의 영역으로 남아있다. 일반적으로 동질이상은 온도와 압력 등 주변 환경에 영향을 받으며 열역학적으로 가장 안정한 구조를 채택하지만, 신현정 교수 연구팀은 온도와 압력이 일정한 상태에서도 나노스케일의 제한된 구조가 새로운 준안정상(metastable phase)이 형성될 수 있는 환경을 제공 할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 이 준안정상은 투과전자현미경을 이용하여 60° 회전 대칭(6-fold rotational symmetry)을 갖는 육방비조밀충진(hexagonal non-close-packed) 구조로 확인되었다. 이 구조는 일반적인 육방조밀충진(hexagonal close-packed, hcp) 구조보다 큰 면간 거리를 가지며, 마치 층상구조인 흑연(graphite)과 매우 유사하다는 것을 밝혀내었다. 육방비조밀충전 구조는 기존의 면심입방(face-centered cubic) 구조에 상응하는 열적 안정성을 보였으며, 광학적 특성에서도 분명한 차이를 보였다. 본 재료과학 분야의 기초연구로 나노스케일에서의 동질이상 형성 메커니즘을 규명함으로써, 화학조성의 변화 없이 재료 고유의 물리•화학적 성질을 뛰어 넘는 새로운 소재 개발을 위한 발판을 마련하였다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 에너지과학과 신현정 교수와 이선희 연구원, 배창득 연구교수가 주로 수행한 본 연구는 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.04.20) 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.
- No. 81
- 2018-07-04
- 4679