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- 신소재공학부 김상우 교수, 나노코리아 2021 연구부문 국무총리상 수상
- 신소재공학부 김상우 교수, 나노코리아 2021 연구부문 국무총리상 수상 김상우 성균관대학교 신소재공학과 교수는 마찰전기 발전소자 신소재 개발과 에너지 하베스팅 기술을 스마트 웨어러블 소자, 사물인터넷(IoT) 센서, 입체 삽입형 의료전자기기에 적용하는 연구로 나노코리아 2021 연구부문 최고상인 국무총리상을 수상했다. 김 교수는 초음파로 체내에서 마찰전기를 발생시켜 배터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 연구는 체외에서 인가된 초음파로 피부층 아래에 있는 마찰 소재의 기계적 변형과 변형에 따른 마찰 수준, 그리고 이에 따른 마찰전기 현상을 이론적으로 확인하고 인체에 무해한 초음파를 통해 마찰전기를 발생시켜, 발전과 충전이 동시에 가능한 ‘초음파 구동 마찰전기 하베스팅 디바이스’를 제안했다. 초음파 기반 생체 삽입형 마찰전기 에너지 하베스팅 기술은 배터리 방전으로 인한 인체 삽입형 의료기기의 주기적인 배터리 교체의 한계점을 해결함으로써 향후 인체 삽입형 의료 분야 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대를 모았다.
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- 작성일 2021-07-29
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- 화학공학/고분자공학부 박남규 교수 과기부 리더연구 선정
- 화학공학/고분자공학부 박남규 교수 과기부 리더연구 선정 [그림] 2021년 리더연구자, 선도연구센터 선정결과 과학기술정보통신부는 국내 최고수준의 연구자 및 연구 집단을 지원하는 리더연구, 선도연구센터 사업을 선정했다고 27일 밝혔다. 리더연구와 선도연구센터 사업은 1990년대부터 추진해온 기초연구 지원 사업으로, 상위 0.3% 이내의 연구자 및 연구 집단이 지원받는 사업이다. 지난해 11월 공고를 하여 66명의 연구자와 59개의 연구그룹을 대상으로 해외평가, 토론평가, 발표평가 등이 이뤄졌다. 이 과정을 거쳐 자연과학, 생명, 의약학, 공학, ICT·융합 분야에서 14명의 리더 연구자와 17개의 선도연구센터가 선정됐다. 선정 연구자·기관에는 총 329억원이 지원된다. 리더연구의 경우 새로운 반도체 소재 개발을 위해 반결합제어 결정을 연구하는 ICT·융합분야의 성균관대 박남규 교수, 이차전지·반도체 산업에 활용 가능한 탄소다양성구조를 연구하는 화학분야의 UNIST 신현석 교수 등 향후 반도체·소재분야의 초석이 될 수 있는 연구들이 선정됐다. 이외에도 건설교통, 에너지융합, 화학, 물리 분야에서 선정된 과제들은 스마트 그린 시티, 실내 환경 질 개선, 고효율 촉매 개발 등이다. 선도연구센터의 경우 이학분야(SRC), 공학분야(ERC), 기초의과학분야(MRC) 등 학문분야별 연구집단뿐만 아니라, 지역대학의 연구역량을 강화하고 지역 특화 분야와 연계하는 지역혁신분야 선도연구센터(RLRC)도 선정됐다. 올해는 양자컴퓨팅에 응용 가능한 '신개념 에피성장 양자 신소재 연구센터'를 포함한 4개의 이학분야 선도연구센터와 자율주행, 반도체공정, 광학 등에서 활용 가능한 주파수 기술을 연구하는 '컬러변조 초감각 인지기술연구센터' 등 5개의 공학분야 선도연구센터가 선정됐다. 기초의과학 분야에서는 염증성 질환, 지방간, 암, 퇴행성 뇌질환, 종양, 치의학 등 다양한 질병 및 건강 관련 연구를 하는 4개의 연구센터가 선정됐다. 지역혁신분야 선도연구센터의 경우 4개의 권역별 지역 산업과 연계한 센터들이 각각 선정됐고, 각 지역에 특화된 바이오산업(경상대, 원광대, 고려대(세종)), 차세대 에너지소재·시스템산업(경북대) 등과 연계해 각 지역의 혁신성장분야의 연구역량 강화에 기여할 것으로 기대된다. 이창윤 과기정통부 기초원천연구정책관은 "기초연구의 성과는 단기간에 나타나지는 않지만 새로운 변화는 기초연구에 대한 꾸준한 지원으로 시작된다"며 "정부는 2017년부터 연구자들이 안정적으로 연구에 몰입할 수 있도록 기초연구 예산을 대폭 확대해 왔다. 지원이 혁신적 성과로 이어질 수 있도록 연구 현장의 의견을 반영해 기초연구 지원의 다음 단계도 준비할 계획"이라고 밝혔다.
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- 작성일 2021-07-29
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- 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발
- 신소재공학부 김상우 교수 연구팀, 정전기를 활용한 공기 중 병원체 제거 기술 개발 - 정전기와 나노와이어 기반 자가발전형 공기 중 병원체 제거 기술 개발 - 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중 병원체 제거 - 향후 실내외 공조시스템 및 마스크 방호복으로 활용 [그림 1] 신소재공학부 김상우 교수, 김영준 연구원 우리 대학은 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 정전기와 나노와이어를 활용하여 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체(바이러스, 박테리아)를 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이로써 우리 주변에 흔히 존재하지만 사용되지 못하고 버려지는 진동 등의 운동 에너지를 수확(energy harvesting)하여 정전기를 발생시키고 실내외 병원체를 단기간에 제거할 수 있게 되었다. 공기 중으로 전염되는 병원체는 폐렴, 천식 및 인플루엔자 감염 등이 대표적이며 사스, 메르스, 신종플루 등 신종 감염병의 확산에 따라 심각한 사회적·경제적 손실이 발생하고 있다. 특히 현재 전 세계적인 팬데믹을 일으키고 있는 COVID-19도 공기 중으로 전염되는 바이러스 병원체로 수많은 감염자와 사망자를 발생시키고 있다. ㅇ 백신 개발에 필요한 시간을 고려하였을 때 전염병 확산 방지를 위한 초기 선제적 대응 기술이 요구되지만, 공기 중 병원체 제거를 위한 필터는 단순히 물리적으로 입자를 포집할 뿐, 자체로 병원체를 제거(비활성화)하지 못하며 압력강하 및 이에 따른 유량 저하 등의 문제가 있다. 또한 전기집진기의 경우 오존이 발생하고 수 kV 수준의 고전압을 필요로 하기 때문에 위험성이 있다. 연구팀은 일상생활에서 흔히 존재하는 정전기와 나노와이어 구조에서 힌트를 찾았다. 정전기를 통해 전기장을 형성시키고, 이를 나노와이어를 통해 극대화시킴으로써 공기 중에 존재하는 병원체를 전기천공법(electroporation)을 활용해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 연구진은 설계된 유로 내에 박테리아인 대장균과 간균 및 바이러스인 MS2를 노출시켜 병원체 제거 효율을 확인하고, 나노미터 수준의 바이러스부터 마이크로미터 수준의 박테리아까지 실제 병원체를 정전기를 통해 손쉽게 제거할 수 있음을 입증했다. 나아가 2m/s의 높은 유속에서도 수십 나노미터의 크기를 갖는 매우 작은 MS2 바이러스도 99.99% 이상의 효율로 제거할 수 있음을 확인했다. 이는 상업용 공기청정기에 활용되는 H13 등급 필터와 비교했을 때 유사한 수준이지만 차압은 50배 이상 낮으며, 0.025초라는 짧은 시간 안에 별도의 전력공급 없이 공기 중에 존재하는 병원체를 제거할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다. 김상우 교수는 “본 연구는 정전기 기반의 자가발전형 병원체 제거 기술로 공기 중에 존재하는 병원체를 물리적으로 단순히 포집한다는 기존의 필터가 가지는 한계를 극복한 기술이다”며 “높은 병원체 제거 효율에도 압력손실이 매우 낮아 순환시스템의 에너지효율을 극대화한 실내외 공조기술로 사용될 수 있으며, 추후 후속연구를 통해 마스크 및 방호복에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 경기도 지역협력연구센터 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 17일(목) 온라인 게재되었다. ※ 논문명 : Triboelectrification induced self-powered microbial disinfection using nanowire- enhanced localized electric field ※ 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 김영준 연구원(제1저자, 성균관대 박사과정), Zheng-Yang Huo 박사(제1저자, 성균관대 연구교수), 서인용 연구원(참여저자, 성균관대 석사과정), 이동민 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 이정환 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원), Ye Du 박사(참여저자, Sichuan University), Si Wang 연구원(참여저자, UESTC), 윤홍준 박사(참여저자, 성균관대 박사후연구원, 현 Northwestern University 박사후연구원) [그림 2] 전기장이 극대화된 나노와이어 근처에서 전기천공법에 의한 박테리아 사멸 [그림 3] 병원체 제거 시스템의 작동 원리 [그림 4] 정전기 에너지 하베스터의 구조 및 공진에 따른 출력 증가 [그림 5] 공기 중 바이러스 및 박테리아 제거 효율 [그림 6] 대전부 설계에 따른 제거 효율 및 상용화된 필터와 차압 비교
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- 작성일 2021-07-15
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- 화학공학/고분자공학부 방창현 교수 공동 연구팀, 물방개 수중점착컵 본뜬 무전원 피부부착형 패치 개발
- 화학공학/고분자공학부 방창현 교수 공동 연구팀, 물방개 수중점착컵 본뜬 무전원 피부부착형 패치 개발 국내 연구진이 물방개의 점착기관을 모사해 피부의 산성도(pH)나 유수분량을 모니터링할 수 있는 피부부착형 패치를 개발했다. 17일 한국연구재단에 따르면 △성균관대 방창현 교수 △연세대 조승우 교수 공동연구팀이 수컷물방개 앞발에 있는 점착컵의 구조·원리를 규명하고, 이를 본떠 무전원 방식의 신속 체액 포집 피부 모니터링 패치를 개발했다. 수중곤충 물방개는 암수를 구별할 수 있는 독특한 특징을 가지고 있는데, 바로 물방개의 앞발에 존재하는 둥근 점착컵이다. 이 점착컵은 수중 교미과정에서 암컷의 둥글고 거친 등 표면에 잘 달라붙고 교미과정 중 필요한 화학물질을 감지하는 역할을 하며, 수컷물방개 종만이 가지는 고유한 진화의 산물이다. 산성도 등 피부상태 모니터링을 위해 눈물 등 체액을 수집하는 피부부착형 웨어러블 패치들이 개발되고 있으나, 체액포집 속도와 모니터링 정확도를 높이기 위한 별도의 전원이 필요했다. 또, 화학점착제는 체액포집시 피부자극 및 각질손상이 유발될 수 있어 반복사용이나 장시간 부착이 어렵다. 이에 연구팀은 물방개의 점착컵을 모사, 내부 흡인력을 이용해 피부에 점착됨과 동시에 체액을 포집하고 모니터링 할 수 있는 마이크로 크기의 인공점착컵을 제작했다. 이어 점착컵 내부에 체액 흡수력이 높고, 산성도 변화에 따라 색이 변하는 하이드로젤을 넣어 포집된 체액의 산성도를 별도의 전원장치 없이 분석할 수 있도록 했다. 또, 머신러닝 기반 분석 애플리케이션 개발을 통해 모바일기기로 이미지를 촬영하고, 촬영한 하이드로젤의 색 이미지 데이터(RGB)를 기계학습해 피부 산성도를 높은 정확도로 추적할 수 있도록 했다. 나아가 연구팀은 이 패치를 산성도 변화가 동반되는 여드름 질환 모델에 적용, 육안관찰을 바탕으로 약물 처치시점을 판단한 경우보다 더욱 빠른 피부 정상화가 가능함을 확인했다. 한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 17일자에 게재됐다. [그림] 물방개의 수중 점착컵을 모사한 피부 모니터링 패치의 개념도
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- 작성일 2021-07-15
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- 화학공학과 박재형 교수 연구팀, 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔주는 표적형 줄기세포 치료 기술 개발
- 화학공학과 박재형 교수 연구팀, 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔주는 표적형 줄기세포 치료 기술 개발 류마티스 관절염은 관절부위에 통증, 부종, 변형을 초래하는 염증성 자가면역질환으로 전 세계 인구 약 2.5%가 고통을 겪고 있는 난치성 질환이다. 하지만 아직까지 근본적인 치료가 가능한 약물은 개발되지 못했다. 이런 가운데 국내 연구진이 류마티스 관절염의 염증성 관절 부위를 찾아가 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔주는 표적형 줄기세포 치료 기술을 개발했다. 한국연구재단은 성균관대학교 화학공학과 박재형 교수 연구팀이 체내를 순환하면서 염증이 있는 관절부위에 선택적으로 축적된 후, 염증성 대식세포를 항염증 타입으로 재편하는 표적형 줄기세포 엑소좀을 제안했다고 6일 밝혔다. 염증성 대식세포란 염증을 유발하는 대식세포로 M1 대식세포라고도 불리며 류마티스 관절염의 악화에 주요한 원인을 제공한다. 세포 밖으로 분비되는 작은 주머니, 엑소좀에는 DNA와 단백질은 물론 마이크로 RNA 등 여러 생체물질이 다량 함유되어 우리 몸의 다양한 생리현상에 관여한다. 특히 줄기세포 엑소좀은 염증성 대식세포를 항염증성으로 바꿔줄 수 있다고 알려졌지만 체내에서 빨리 분해되어 사라지는 데다 염증부위가 아닌 간에 주로 축적되어 효과가 제한적이었다. 연구팀은 줄기세포 엑소좀이 염증이 있는 관절 부위를 표적할 수 있도록 표면개질을 시도했다. 염증부위에 존재하는 염증성 대식세포 표면에 많이 생성되는 수용체(SR-A 수용체)와 결합할 수 있는 덱스트란 설페이트가 줄기세포 엑소좀 표면에 도입될 수 있도록 한 것이다. 나아가 표적성 부여를 위한 당대사공학 및 생물직교성 무동 클릭화학 기반의 세포 표면개질이 엑소좀 내부의 생체물질에는 영향을 미치지 않았다는 설명이다. [그림] 세포 및 생쥐모델에서 표면 개질된 엑소좀의 대식세포 분극화 및 류마티스 관절염 치료효능. 실제 정맥주사를 통해 생쥐에 이렇게 만들어진 줄기세포 엑소좀을 투여하자 염증이 있는 부위에 엑소좀이 상대적으로 집중돼 축적되는 것을 광학영상장치를 통해 확인할 수 있었다. 특히 염증부위에 표면개질 엑소좀이 축적된 생쥐의 경우 대조군에 비해 관절염 수치가 현저하게 낮아진 것으로 나타났다. 기존 엑소좀 대비 10분의 1 용량에도 비슷한 정도의 관절염 수치를 보였다. 박재형 교수는 “당대사공학 및 클릭화학 기술로 엑소좀 고유기능에는 영향을 주지 않으면서 관절염 부위에 대한 표적 지향성을 부여한 것”이라고 말했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 6월 2일 게재됐다.
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- 작성일 2021-07-15
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- 건설환경공학부 장암 교수 연구실, 과기정통부 ‘건강한 연구실’에 선정
- 건설환경공학부 장암 교수 연구실, 과기정통부 ‘건강한 연구실’에 선정 건설환경공학부 장암 교수 연구실이 과학기술정보통신부가 건강한 연구실 문화를 확산하기 위해 선정한 국내 연구실의 모범이 될 수 있는 「건강한 연구실」에 포함되었다. 과기정통부는 2020년부터 연구실 문화, 연구관리, 연구성과가 모두 우수한 연구실을 선정하여 지원함으로써, 건강한 연구실의 우수사례를 공유하고 확산해 오고 있으며, 올해는 접수된 89개 연구실(20개교) 중에서 서면 및 발표평가를 거쳐 건강한 연구실 총 10개 연구실을 선정하였다. ※ (선정기준) 연구실 문화(혁신, 조직문화), 관리(성과관리, 안전), 연구성과(인력양성) 장암 교수의 <지속가능 수처리 연구실>은 다국적 학생들과 함께 생활하면서 화합하는 분위기 조성, 상호 존중 분위기 추구, 길잡이(멘토)-멘트 제도로 연구 주제 탐색, 학교 및 연구실 생활 도움, 장비 사용 교육 진행 등 화합하는 연구실 문화 분위기로 우수한 평가를 받았다. 또한 모든 학생이 1개의 연구과제 담당, 논문 작성 시 특전(인센티브) 지급, 평균 1인당 등록금을 전액 감면하여 학비 부담 절감 등 연구실 학생들을 지원하고 관리하는 부분에서도 인정을 받았다.
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- 작성일 2021-07-09
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- 화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구팀, 신규 판상연결형 페놀계 분자를 이용한 이차전지 전극 소재 및 수전해 촉매기술 개발
- 화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구팀, 신규 판상연결형 페놀계 분자를 이용한 이차전지 전극 소재 및 수전해 촉매기술 개발 - 에너지 산업용 흑연소재 구조 제작을 위한 차세대 이흑연화성 분자 전구체의 개발 - 화학공학/고분자공학부 유필진 교수 연구팀(공동 제1저자 최관현 박사, 남명균 박사과정생)은 대표적인 폴리페놀 분자인 탄닌산을 유기 반응을 통해 2차원 형태의 판상형 분자 구조를 갖는 페놀계 소재로 재구성하여, 기존 석유계 방향족성 전구체에만 의존했던 이흑연화성 탄소(soft carbon) 전구체 합성기술을 페놀 계열 분자에서 구현하는 기술을 세계 최초로 개발했다. * 이흑연화성 탄소(soft carbon): 2000도 이상의 열탄화공정에서 탄소 전구체가 흑연결정으로 변할 수 있는 전구체로 석유코크스, 피치코크스 등이 대표적임. 흑연결정은 우수한 전기적, 전기화학적 특성을 갖는 소재로 각광받고 있으나, 코크스 재료의 오염 특성 및 타소재와 쉽게 혼성되지 않는 특성으로 인해 사용에 제약이 있었음. * 전구체(precursor): 고온열처리의 탄화공정을 적용하기 이전상태의 소재 [그림] 분자 구조 설계, 탄화체 구조 제어, 금속종 도입을 통한 탄소/금속 혼성재 제작 및 이의 구조화를 통한 리튬 이온 전지 음극재 및 수전해 촉매 응용을 포함한 연구의 전체 흐름 모식도 층상 구조의 흑연소재 인공 합성에 있어서는 고온 탄화과정에서 전구체 구조가 2차원 판상형태로 정렬이 될 수 있는 분자들이 사용되어 왔다. 3차원 형태의 복잡한 분자 구조를 갖는 전구체의 경우, 탄화 과정 중 모든 방향의 비선택적인 경화가 발생하여, 고온공정에서 최종적으로는 비흑연계 무정형 탄소(난흑연화성 탄소, hard carbon)를 형성한다. 연구진은 이러한 전구체 분자 구조특성이 탄화과정 중 분자 배향 및 최종적인 탄화구조에 영향을 주는 것에 주목하였고, 기존에는 활용이 불가능했던 3차원 구조의 탄닌산 분자를 2차원 형태의 판상형 구조로 새롭게 재구성하고 합성하는 신기술을 최초로 개발했다. 연구진은 흑연 단층 구조가 그래핀과 같은 육각형의 탄소 고리로 배열되어 있는 점에 주목하여, 단일 구성 분자가 육각형 탄소 구조를 가지면서도 단계적 유기 반응을 통해 육방정계 구조로 확장되어 성장할 수 있는 신규반응을 설계했다. 이를 위하여 대칭적인 작용기를 갖는 페놀계 분자체의 형성을 유도할 수 있는 탄닌산 분자를 사용하여 판상형 형태의 신규 페놀계 분자 구조를 합성하고자 하였다. 나아가 연구진은 단위체를 순차적으로 키워나가는 모듈화 합성 전략을 통해 판상연결형 페놀계 분자를 합성하는데 성공했다. 또한 원재료로 사용되는 탄닌산은 과일, 식물 등에서도 쉽게 조달이 가능하며 비용이 저렴한 자연계에서 풍부하게 얻을 수 있는 대표적인 폴리페놀 분자로, 실제 산업기술에 적용이 가능한 공정성 및 경제성을 함께 확보했다. 이렇게 합성된 판상형 페놀계 분자 전구체의 경우, 기존 석유계 이흑연화성 탄소 전구체에서는 불가능했던 분자 단위에서의 금속과의 혼성 결합이 가능하였다. 이를 통해 제작된 탄소/금속 혼성재의 경우, 기존 단독 탄소재 대비 비약적으로 향상된 전기화학적 특성 및 기계적 물성을 갖는 것을 확인하였고, 이를 리튬이온 이차전지(에너지 저장) 및 수소연료 생산을 위한 수전해 전기촉매(에너지 생산) 등 광범위한 분야로의 응용이 가능한 기초소재 플랫폼으로 활용할 수 있었다. 특히 본 연구는 삼성 SDI 연구소와의 공동산학연구를 통해, 산업계 수준에서의 2차 전지 구동 조건 하에서의 전극 시험을 진행함으로써 실제 양산화 된 전극소재로 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다. 개발된 기술은 국제특허로 출원되었으며, 향후 이차전지 신규 음극재 연구 개발을 통한 산업발전에도 직접적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구는 한국연구재단의 중견연구자사업 및 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행되었으며, 재료/화학 분야의 세계적 권위지인 영국 왕립학회지의 Energy and Environmental Science (Impact Factor: 30.289, JCR 환경과학분야 상위 0.37% 저널)에 5월 1일자로 게재되었다. ※ 논문명 : Modularly aromatic-knit graphitizable phenolic network as a tailored platform for electrochemical applications
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- 작성일 2021-07-08
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- 2021 제1회 화학공학/고분자공학부 총동문회장 장학금 수여식 개최
- 2021 제1회 화학공학/고분자공학부 총동문회장 장학금 수여식 개최 2021 제1회 화학공학/고분자공학부 총동문회장 장학금 수여식이 5월 25일(화) 성균관대학교 제2공학관 25309호에서 교수 및 학생들이 참여한 가운데 거행되었다. 화학공학/고분자공학부 총동문회장 장학금은 화학공학/고분자공학부 18대 총동문회장 (주)코리아마니또 하재준(화공80) 대표이사의 모교에 대한 열정으로 마련된 기금이다. 수여 대상자는 화학공학/고분자공학부 학부생 김재현(16학번), 김준희(19학번), 문지원(17학번), 박시헌(18학번), 안준영(15학번)이며, 수여자들에게는 각 200만원의 장학금이 전달되었다. 이날 행사에는 화학공학/고분자공학부 총동문회장 하재준 회장, 이태식 부회장, 오한상 총무, 박재형 화학공학/고분자공학부 학부장, 화학공학/고분자공학부 교원이 참석해 학생들을 축하하였다.
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- 작성일 2021-07-02
- 조회수 1743
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- 신소재공학과 김선국 교수, 착용형 웨어러블 다채널 근전도 센서 개발
- 신소재공학과 김선국 교수, 착용형 웨어러블 다채널 근전도 센서 개발 - 국제학술지 IEEE Transaction on Industrial Electronics 5.10(월) 온라인 게재 신소재공학과 김선국 교수 연구팀(제1저자 Srinivas Gandla 박사)이 로봇암을 원거리에서도 사람의 팔처럼 제어할 수 있는 착용형 웨어러블 다채널 암밴드 센서를 개발했다고 밝혔다. 기존의 암밴더는 장시간 사용이 불편하거나 피부에 완전히 밀착되지 않아 정확한 근전도 센서값을 모니터링하는 데 한계가 있었다. 이에 연구진은 사람 팔 근육의 미세한 근전도신호를 읽을 수 있는 착용형 웨어러블 암밴더를 개발하고 사람의 제스처에 따라 로봇암이 움직일 수 있는 시스템을 구축했다. 연구진은 장시간 움직이는 착용자의 팔 근육 동작을 안정적으로 포착하기 위해, 자연의 형상을 기반으로 서펜타인과 키리가미 구조를 응용한 신디자인 전극패턴으로 x, y, z축에 대해 응력의 최대 150%까지 힘을 가해도 기계적․전기적으로 안정성을 갖는 신축성 전극 구조를 갖춘 고감도 생체신호 모니터링 센서를 개발했다. ※ 키리가미(Kirigami) : 자르다를 의미하는 일본어 ‘kiri’와 종이를 뜻하는 ‘gami’가 합쳐져, 특정 패턴이나 모양으로 자른 뒤 접었을 때 입체 형상을 나타내는 형태 [그림 1] 원격으로 로봇을 조정하기 위한 착용형 웨어러블 암밴더 센서 시스템 본 기술은 언택트산업, 로봇산업, 의료산업에서 사람과 디지털기기를 연결해 줄 수 있는 수단으로 사람의 “제스처”를 생체신호, 즉 근전도를 통해 수신해 디지털 기기의 제어 신호로 활용 가능하다. Gandla 박사는 성균관대 해외우수신진연구자 사업의 지원을 받아 본 연구에 참여했으며, 연구의 핵심 기술인 신축성 전극 소재 기술은 2021년 티앤엘(사)의 ‘스마트 온도계’ 제품 개발에 응용되어 기술이전을 진행했다. [그림 2] 착용형 암밴의 제어 시스템 Gandla 박사는 “향후 아이언맨의 전자슈트와 결합해 착용자의 생체신호를 직접적이고 안정적으로 생체신호정보를 전달할 수 있는 인공 근전도 센서시스템에 활용되길 기대한다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구사업(2021R1A2B5B02002167)과 경기도 지역협력연구센터사업(GRRC 2017-B06)의 지원을 받았으며, 세계적으로 권위 있는 학술지 중의 하나인 IEEE Transaction on Industrial Electronics (전자분야 상위 5% 이내) 5.10(월) 온라인 게재되었다.
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- 작성일 2021-06-25
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- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 고분자/무기입자 복합 층상구조 하이드로겔 개발
- 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀, 고분자/무기입자 복합 층상구조 하이드로겔 개발 - 전복껍데기 진주층을 모사하는 고분자/무기입자 복합 층상구조를 하이드로겔에 구현 - 우수한 기계적 물성과 열전도성의 하이드로겔 개발 [그림 1] 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수, 지동환 석박사통합과정생 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀(제 1저자 지동환 석박사통합과정)이 전복 껍데기에서 관찰되는 진주층(nacre)의 층상구조를 지닌 고분자/무기입자 복합 하이드로겔을 구현하여 우수한 기계적 물성과 열전도성을 지닌 하이드로겔을 개발했다고 밝혔다. 생체조직은 물을 다량으로 함유한 3차원 고분자 네트워크인 하이드로겔(hydrogel)로 구성되어 있다. 하이드로겔은 기계적 물성 관점에서 크게 두 가지로 분류되며, 뇌·근육·피부조직처럼 매우 부드러운 하이드로겔과 인대·힘줄·혈관조직처럼 질기고 강한 하이드로겔이 있다. 후자의 경우 노화되거나 손상을 입었을 때 자가치유 능력이 매우 낮아 원래 조직과 유사하게 높은 기계적 물성을 지닌 인공 하이드로겔로 대체하려는 시도가 진행되고 있다. [그림 2] 손상된 연골과 힘줄(생체 하이드로겔) 대체를 위한 인공 하이드로겔 개발의 필요성 최근 이러한 인공 하이드로겔 소재 위에 바이오전자소자를 결합하여 생체조직 혹은 장기의 정상적인 작동을 보조하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 하이드로겔의 기계적 물성들(강도, 탄성률, 파괴저항성 등)을 조직 및 장기와 유사한 수준으로 만드는 것이 매우 중요하다. 또한 바이오전자소자가 결합된 하이드로겔의 경우 소자 구동시 발생하는 열을 빠르게 확산시켜 소자의 작동성능을 유지할 필요가 있다. 이에 연구팀은 연체동물 혹은 전복 껍데기에서 관찰되는 우수한 기계적 물성의 진주층(nacre) 물질의 유기물과 탄산칼슘이 교대로 겹겹이 쌓인 층상구조에 착안하여, 고분자/무기입자 복합 층상구조를 지닌 하이드로겔을 개발했다. 그 결과 초기 하이드로겔은 매우 부드럽고 구성성분들이 무작위로 혼합된 구조를 가지지만, 단방향건조/수축과 추가가교/재수화 두 과정을 거친 하이드로겔은 고밀도의 고분자/무기입자 층상구조를 가지는 것을 확인했다. [그림 3] 자연모사 고분자무기입자 복합 층상구조 하이드로겔의 제작 과정 및 구조 이러한 고분자/무기입자 복합 층상구조 하이드로겔은 초기 하이드로겔과 비교할 수 없을 정도로 높은 강도(tensile strength, 10배), 탄성률(elastic modulus, 230배), 파괴저항성(fracture energy, 4배)을 보였으며, 하이드로겔 내부에 층상 배열된 판상형 무기입자로 인해 열전도도 또한 큰 폭(2.1배)으로 향상되었다. 이는 향후 다양한 유무기 복합 하이드로겔 개발의 초석이 될 것으로 보인다. 김재윤 교수는 “본 연구는 인대나 힘줄처럼 매우 질긴 생체조직과 유사한 하이드로겔 제작의 기초연구로, 우수한 기계적 물성과 더불어 높은 열전도성을 지닌 하이드로겔을 구현하여 향후 바이오전자소자 개발로 확장 적용될 수 있을 것이다”고 설명했다. [그림 4] 고분자무기입자 복합 층상구조 하이드로겔의 우수한 기계적 물성 (강도, 강성, 파괴저항성) 및 열전도도 본 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 Advanced Functional Materials (IF: 15.6, JCR 분야 상위 3%)에 4.28(수) 온라인 게재되었으며, 과학기술정보통신부/한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 산림청/임업연구원의 산림생명자원소재발굴연구사업과 산업통상자원부/한국산업기술진흥원의 혁신성장글로벌인재양성사업 지원으로 수행되었다. ※ 논문명 : Bioinspired Structural Composite Hydrogels with a Combination of High Strength, Stiffness, and Toughness
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- 작성일 2021-06-17
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