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- 화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 질환치료용 줄기세포 효능 극대화를 위한 미세구조 패치 개발
- 화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 질환치료용 줄기세포 효능 극대화를 위한 미세구조 패치 개발 - 2, 3차원 동시 세포배양 미세구조 패치 제조 기술 - 최적화된 광 조사 기반 세포 치료능 강화 및 기전 규명 ▲ (왼쪽부터) 방석호 교수(교신저자), 서인우 석사과정생(제1저자), 김성원 박사 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀은 줄기세포의 2차원 및 3차원 동시 세포배양과 전달이 가능하고, 최적화된 광 조사를 통한 줄기세포의 질환치료 효과가 증진되는 미세구조 패치를 개발하였다. 줄기세포치료 분야에서 세포 스페로이드(spheroid)는 다수의 세포가 응집된 형태를 가진 구형의 세포 집합체로서, 우수한 세포 생존율과 혈관신생 특성으로 인해 조직공학 연구 전반에 활용되고 있다. 하지만 낮은 세포외기질(extracellular matrix) 특성으로 인해 조직 치유 효과가 저해된다는 문제점이 있었다. 방석호 교수 연구팀은 세포외기질 보존 특성을 가진 세포 시트(cell sheet)와 스페로이드를 결합하여 기존 스페로이드 치료의 생착률을 증가시키고 치료적 한계를 극복하는 방법을 개발하였다. 방 교수 연구팀은 생체적합 폴리머 폴리디메틸실록산(PDMS) 소재와 미세 제조기술을 활용하여 줄기세포 시트-스페로이드 복합체를 한 번에 배양하고, 형태를 유지할 수 있는 마이크로 구조 패치를 적용했다. 2차원 세포 시트에 수백 개의 3차원 스페로이드가 결합된 형태의 줄기세포 복합체는 높은 세포 담지 효율을 보였으며, 혈관내피 성장인자 및 저산소증 유발 인자 등의 세포 내 메커니즘을 활성화시켜 조직 치유 효과를 향상시킬 수 있었다. 연구팀이 개발한 이중 구조 줄기세포 복합체는 우수한 항산화 능력으로 인한 높은 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 내성을 보였다. 이에 연구팀은 최적화된 적색광 조사를 적용함으로써, 세포독성 없이 ROS 수준을 제어하고, 줄기세포의 생존력과 혈관신생 효능을 한층 더 강화할 수 있는 치료기법을 확립했다. 또한 대표적인 세포외기질 인자인 피브로넥틴(fibronectin)의 상향 조절과 관련된 분자생물학적 치료효능 강화기전을 이번 논고를 통해 규명하였다. 방석호 교수 연구팀은 다양한 파장대의 빛을 세포에 적용하여 세포 미세환경을 제어하고, 질환 치료효능을 향상시키는 연구를 수행하고 있으며, 다양한 변수의 제어를 통해 최적화된 광 조사 기법을 제시한 바 있다. 동물모델의 상처 부위에 줄기세포 복합체를 담지한 마이크로 패치를 부착한 결과, 세포 분리과정의 단계를 배제시킨 효율적인 전달이 가능하였으며, 비약적으로 증진된 세포 생존 및 혈관신생능으로 인해 조직 재생효과가 크게 증가되었다. 방석호 교수는 “본 연구를 통해 개발된 패치-세포 전달 플랫폼은 기존 세포 치료제의 한계를 극복하고, 다양한 허혈성 질환으로 적용 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 해당 연구 결과는 ACS Applied Materials & Interfaces(IF: 10.383)에 2월 22일(수) 게재되었다. ※ 논문제목: Fibronectin-enriched interface using spheroids converged cell sheet for effective wound healing ※ 저널: ACS Applied Materials & Interfaces ※ DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.2c20597
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- 작성일 2023-03-23
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- 화학공학과 김다완 박사, 한국교통대 전자공학과 조교수 임용
- 화학공학과 김다완 박사, 한국교통대 전자공학과 조교수 임용 화학공학과 방창현 교수 BMIL연구실의 김다완 박사가 2023년도 한국교통대 전자공학과 조교수로 임용되었다. 김다완 박사는 2010년 우리 대학 화학공학부 입학, 2016년 동대학 화학공학과 석박통합과정을 거쳐 2022년 2월 화학공학 박사학위를 받았으며 유연 생체전자소자 및 소프트 로봇에 관한 연구를 중점적으로 진행하고 있다. 김 박사는 전자재료 분야 최우수 논문(상위 5%이내) 1저자 4편을 포함한 다수의 SCI 논문(총 21편) 발표와 국내 7건, 국제 2건의 특허를 출원하였다. 또한 연구책임자로 한국연구재단 및 일자리진흥원 과제 4건 수주 및 1건의 기술이전을 진행하였다. 이러한 우수한 연구성과를 인정받아, 2023년 한국교통대 전자공학과 조교수로 만 31세의 나이로 임용되었다.
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- 작성일 2023-03-23
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- 화학공학과/고분자공학부 김태일 교수, 제25회 송곡과학기술상 선정
- 화학공학과/고분자공학부 김태일 교수, 제25회 송곡과학기술상 선정 한국과학기술연구원(KIST)은 제25회 송곡과학기술상에 김태일 성균관대 화학공학과 교수를 선정한다고 8일 밝혔다. 송곡과학기술상은 KIST 초대 소장이자 과학기술처 초대 장관을 지낸 송곡(松谷) 최형섭 박사 업적을 기리고자 1999년 제정된 상이다. 세계 정상 수준의 신소재를 개발했거나 과학기술 정책에 관한 학문적 연구 등을 통해 국가 과학기술과 경제·산업 발전에 기여한 과학기술자를 발굴해 시상하고 있다. 김태일 교수는 국내를 대표하는 바이오 전자소자 전문가다. 최근 생체모방 바이오 전자소자인 '거미 감각기관을 모사한 초고민감도 센서' 개념을 발표했다. 특히 거미의 진동 감각기관 주변의 노이즈를 제거하고 필요한 신호만 전달할 수 있는 점탄성 패드(cuticular pad) 기관을 모사한 소자를 세계 최초로 개발한 공로를 인정받았다. 이 외에도 거미의 진동 감각기관 모사 센서의 센싱 메커니즘을 밝히고 센서 최적화에 필요한 구조를 연구했다. 이를 통해 생체모방 전자소자와 차세대 웨어러블(Wearable·착용할 수 있는) 의료기기 연구에 기여했다. 김 교수는 수상 소감으로 "작은 곤충이라고 할지라도 사람이 상상할 수 없는 기능을 가지고 있다"며 "곤충의 진동흡수 능력을 모사한 소재는 층간소음, 자동차 진동 등 실생활의 다양한 소음과 진동을 제거할 수 있다"고 말했다. 그러면서 "앞으로도 신소재를 활용한 생체모방 바이오 전자소자 연구를 선도적으로 수행하겠다"고 밝혔다. 송곡과학기술상 시상식은 오는 10일 서울 성북국 KIST 본원에서 열리는 제57회 개원기념식에서 진행된다. 김 교수에게 상장과 상금 2000만원이 수여될 예정이다.
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- 작성일 2023-03-23
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- 신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 마찰 전하 유동(Drift) 현상 세계 최초로 밝혀
- 신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 마찰 전하 유동(Drift) 현상 세계 최초로 밝혀 - 마찰 전하의 유동 현상 규명을 통해 전하 밀도의 이론적 수치에 근접 - 국제적 학술지 Energy & Environmental Science 2023년 1월 온라인 게재 신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 마찰 전하의 유동(Drift) 현상을 세계 최초로 규명하였으며 이를 통해 세계 최고 출력의 마찰 발전기를 개발하였다. 서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 접촉 대전(contact electrification) 현상을 이용하여 주변의 기계적인 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 마찰 발전기는 소형전자기기의 전원공급에 이용됨을 입증했으며, 또한 전자 피부, 터치 스크린, 의료 기기 및 보안 시스템에서 순간적인 자극을 감지하는 데에도 사용되고 있다. 그러나 두 표면 사이의 물리적 접촉에 의해 생긴 마찰 전하는 그 밀도가 낮아 소자 출력이 적고 생성된 전하 또한 대부분 표면에 존재해 온도, 습도 등의 외부의 환경적 요인에 의해 그 수치가 급격히 낮아지는 문제점이 제기되어 왔다. 위의 한계를 돌파하고자, 백정민 교수 연구팀은 실리카(SiO2) 나노입자와 2차원 소재인 몰리브덴 설파이드(MoS2)로 구성된 새로운 양전하 대전체를 제조하여 이론적인 수치에 매우 근접한 세계 최고 수준의 전하 밀도(1,072 uC/m2)를 달성하였다. 이는 실리카와 몰리브덴 설파이드 계면에 존재하는 포텐셜에 의해 마찰 전하가 유동하여 계면에 전하가 축적되는 현상에 기인한 것이다. 이는 방사광 광전자 분광법(Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy, SRPES)을 통해 실리카와 몰리브덴 설파이드 계면에 전기 포텐셜(Potential)이 생기고, 이로 인해 마찰 전하가 유동하여 계면에 전하가 축적되는 현상에 의한 것임을 세계 최초로 밝혔다. 이러한 우수한 특성을 바탕으로 세계 최고 수준의 출력(14.75 W·m-2)을 달성하였으며 기존 마찰 발전기 보다 10배 이상 충전 속도를 향상시켰다. 백정민 교수는 “이 연구는 기존 마찰 발전기의 근본적인 한계인 낮은 전하밀도를 소재원천 기술을 통해 획기적으로 개선했다는 데서 큰 의미가 있으며, 안정적이고 높은 소자 출력을 통해 에너지 하베스팅 뿐만 아니라 다양한 센서 기술에도 응용이 가능하다 ”라고 밝혔다. 백정민 교수팀은 이미 관련 국내·외 특허 2건을 출원한 상태이며, 향후 관련 기술을 이용해 다양한 분야에서의 상용화 연구를 진행 중이다. 백정민 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 12월 삼성미래육성사업 후속과제에 의해 지원되었으며, 연구결과는 국제적 학술지인 Energy & Environmental Science (IF = 39.714)에 2023년 1월 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Electric-field-driven interfacial trapping of drifting triboelectric charges via contact electrification ※ DOI: 10.1039/D2EE03114K
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- 작성일 2023-02-28
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- 크리스탈 패싯에 숨겨진 비밀을 찾다 – 페로브스카이트 태양전지 수분 안전성 획기적 향상
- 크리스탈 패싯에 숨겨진 비밀을 찾다 – 페로브스카이트 태양전지 수분 안전성 획기적 향상 - 수분에 가장 안정한 (111) 패싯 발견, 美 주간 과학전문 저널 사이언스지 단독 게재 - 박남규 교수팀, 수분에 안정한 페로브스카이트 크리스탈 패싯(결정 노출면) 최초 발견 - 2,000시간의 수분 노출 실험에서 초기효율의 95% 이상 유지 ▲ (왼쪽 상단부터) 마춘칭 박사, 박남규 교수, (왼쪽 하단부터) 권석준 교수, 마이클 그랏첼 교수 화학공학과 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자)는 화학공학과 권석준 교수(공동 교신저자), 스위스 로잔연방공대 그랏첼 교수(공동 교신저자)와 함께 페로브스카이트* 크리스탈 패싯**에 따른 수분 안정성의 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 (111) 패싯을 위주로하는 필름 제작에 성공, 2,000시간의 수분 노출 실험에서 95% 이상 초기효율이 유지되는 안정한 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 사이언스지(Science)에 1월 13일(현지 시각) 연구결과를 발표하였다. * 페로브스카이트: ABX3라는 화학식을 갖는 결정. 페로브스카이트 결정에서 A와 X는 12배위를 하고 B는 X와 6배위를 한다. ** 크리스탈 패싯: 원자의 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 가지는 결정에서 기하학적 모양의 평평한 면. 페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발, ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하였다. 태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용하여 150도씨 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 일반적으로 알려진 용액공정을 이용하면 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정 패싯도 잘 발달하여 있지 않다. 박남규 교수팀은 첨가제 공법을 이용하여 (100)과 (111) 결정 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름을 제작하는 데 성공하여, 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝힌 바 있다(2022년 11월 16일 Joule(IF: 46.048)에 발표). 이번 연구에서는 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견하였다. 특히 (100) 패싯은 수분에 매우 취약하지만 (111) 패싯은 수분에 안정적이라는 점을 발견해내었다. (111) 패싯이 (100) 패싯 보다 수분 안정성이 우수한 이유는 물의 젖음에너지가 (111) 패싯에서 상대적으로 낮기 때문이라는 사실을 이론계산을 통해 밝혔다. 또한 수분에 취약한 (100) 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겨 알파에서 델타 상으로 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃게 된다는 사실을 분광분석과 엑스선 회절을 이용하여 알아내었다. 패싯에 따른 수분안정성의 차이점에 대한 원인 규명을 기반으로, 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성을 향상하기 위해서는 (111) 패싯으로 구성된 필름 제작 기술이 필수적인데, 박남규 교수팀은 사이클로헥실아민 이라는 첨가제를 이용하여 (111) 패싯이 98% 차지하는 페로브스카이트 필름 제작에 성공하였다. 30-40% 상대습도 환경에서 약 2,000시간(1,938시간) 수분 안정성을 테스트한 결과, (111) 패싯 위주의 페로브스카이트 필름으로 만든 태양전지는 초기효율의 95% 이상을 유지하였다. 이번 연구 결과는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 개선하여 상용화에 이바지할 것으로 예상한다. ※ 논문명 : Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells ※ 저널: Science ○ 관련 언론보도: 조선비즈, 성대 박남규 교수 연구팀, 수분 안정성 획기적으로 높인 태양전지 개발(2023. 1. 13.)
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- 작성일 2023-01-26
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- SAINT 임용택 교수 연구팀, 동력학적으로 작동하는 면역 기능 조절 약물 세계 최초 개발
- SAINT 임용택 교수 연구팀, 동력학적으로 작동하는 면역 기능 조절 약물 세계 최초 개발 성균나노과학기술원(SAINT) 임용택 교수 연구팀(제1저자 진승모, 유연정 박사과정생)이 치료용 면역 세포들이 탈진(exhaustion)을 최소화하면서, 효과적인 항종양 면역을 생성할 수 있게 하도록, 동력학적으로 활성화 기능이 조율된 나노 아주번트(kinetically activating nanoadjuvant; K-nanoadjuvant)를 세계 최초로 개발하였다. 해당 연구 결과는 다학문적 과학 분야 국제 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF: 39.213)에 게재되었다. 암 면역 요법을 강화하려면 다양한 면역억제 인자들로 이루어진 암 환경에서 면역세포가 탈진 없이 암세포의 특이적인 정보를 갖고 최적으로 활성화 되어 있어야 한다. 이를 위하여 톨-유사 수용체 작용제(toll-like receptor agonist; TLR agonist)와 같은 선천적 면역을 효과적으로 유도할 수 있는 다양한 약물들이 개발되어 왔지만, 이러한 약물들은 면역 독성 및 면역 세포들의 탈진을 유도하여, 효과적이지 못한 암 면역 요법을 초래하였다. 이는 면역 관문 억제제(immune checkpoint inhibitor)와 같은 최신 항암면역치료제의 효율이 5-30%에 머무는 이유이기도 하다. 임용택 교수 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위하여 역세포의 엔도/리소좀(endo/lysosome)에 존재하는 특이 감마-인터페론-유도성 리소좀 티올 환원 효소(gamma-interferon-inducible lysosomal thiol reductase; GILT)에 선택적으로 반응하는 링커(linker)를 이용하여 신개념 아주번트소재를 개발하였다. 이를 인체 내 안정성이 증명된 나노 리포솜에 적용하여 특정 장소와 시간에서 작동하는 TLR7/8 agonist(timely-activating TLR7/8a, t-TLR7/8a)를 신규 합성하고, 다양한 톨-유사 수용체 아고니스트들과의 조합을 통해 동력학적으로 면역 활성화 기능이 조율된 나노 아주번트인 K-nanoadjuvant를 개발하였다. K-nanoadjuvant는 서로 다른 신호전달 루트를 통해, 면역세포를 활성화하는 두 가지의 면역 활성화 약물의 작용 기전을 시간(time), 순서(order), 및 조합 코드(combinatorial code)의 최적화를 통해 동력학적으로 조율함으로써, 비특이적 독성문제를 최소화하면서도 면역세포의 활성화를 극대화할 수 있을 뿐 아니라, 과도한 면역반응에 의해 유도되는 면역세포의 탈진 현상을 극복할 수 있는 나노 리포솜 기반의 신규 면역기능 조절 물질이다. K-nanoadjuvant는 지속적으로 인터루킨 12(interleukin 12, IL-12)의 분비를 유발하는 비탈진 수지상 세포(non-exhausted dendritic cell)를 효과적으로 유도할 뿐만 아니라, 비탈진 세포독성 T 세포(cytotoxic CD8+ T cell)와 자연 살상 세포(natural killer cell)의 생성을 유도하였다. K-nanoadjuvant는 3가지 종양 모델(피부암, 폐암, 유방암)에서 단독 요법으로 사용하거나, 면역 관문 억제제인 항 PD-L1 또는 항암제(독소루비신, doxorubicin)와의 병용 요법을 통해, 면역독성 없이 강력한 항종양 면역 효과를 보여주었다. 이 기술은 국내 벤처기업 프로지니어㈜에 기술 이전되어 현재 항암면역 치료제 및 감염성 질환 백신으로 신약 개발 중이다. 임용택 교수는 “K-nanoadjuvant는 면역 독성 문제를 해결하면서 효능을 극대화할 수 있는 플랫폼 기술이며, 인체 내 안전성이 증명된 나노 리포솜 기반의 약물로, 임상 적용 가능성이 매우 높다”며 “종양의 재발/전이를 방지할 수 있는 차세대 항암 면역 치료제로 활용될 가능성이 있다.”고 말했다. ※ 논문명: A nanoadjuvant that dynamically coordinates innate immune stimuli activation enhances cancer immunotherapy and reduces immune cell exhaustion ※ 저널: Nature Nanotechnology
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- 작성일 2023-01-26
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- 조새벽 교수 공동 연구팀, 인쇄 가능한 초고속 3진법 반도체 소자 기술개발
- 조새벽 교수 공동 연구팀, 인쇄 가능한 초고속 3진법 반도체 소자 기술개발 화학공학/고분자공학부 조새벽 교수는 연세대 화공생명공학과 조정호 교수와 공동으로 인쇄공정을 통해 대량생산이 가능한 고성능의 3진법 전기화학 반도체 소자 기술을 개발했다. 공동 연구팀은 이같은 내용을 재료기술 분야의 세계적 학술지 어드밴스드 머티리얼스(IF: 32.086)에 발표했다. 1965년 고든 무어가 ‘18-24개월마다 반도체 성능은 2배로 증가할 것이다’라는 무어의 법칙(Moore’s Law)를 제안한 이후로 지난 50여 년간 반도체 기술은 이에 맞추어 꾸준히 진보해 왔다. 그러나 반도체 공정의 선폭이 수 나노미터(10억분의 1m) 수준까지 내려오면서, 급격히 높아지는 공정단가와 단위소자 당 전력소모로 인해 기술의 발전 속도를 유지하는 데 많은 어려움이 있다. 이에 고집적화를 넘어 기존과 다른 방식으로 한계를 돌파하고자 하는 비욘드 무어(Beyond Moore) 반도체 기술이 주목받고 있다. 비욘드 무어 기술의 큰 갈래로서, 기존의 ‘0’과 ‘1’을 기반으로 하는 2진법 소자가 아닌 3진법 이상의 정보를 단일연산으로 처리할 수 있는 다진법 소자 기술이 활발하게 연구되고 있다. 이러한 기술은 선폭을 줄이지 않고도 정보의 집적도를 50% 이상 끌어올릴 수 있으며 높은 집적도를 구현하기 어려운 생체형 전자소자 및 유연 전자소자 기술의 고성능화에 특히 더 크게 기여할 수 있다. 따라서 이를 구현해내기 위한 새로운 반도체 소재 및 소자 구조의 개발에 많은 연구역량이 집중되고 있다. 연구팀은 유기물 기반의 반도체 소재를 사용하게 되면 이들의 화학구조에 따라 산화 전위를 제어할 수 있으며, 산화 환원 상태에 따라 전도성이 크게 변화하는 점에 착안하였다. 서로 다른 두 개의 반도체 소재에 순차적인 전기화학적 반응을 유도하는 방식을 통해 3개의 전기화학적 논리상태를 구현할 수 있었다. 또한 반도체 소재의 약간의 화학적 변형만으로도 전기적인 특성을 세밀하게 제어할 수 있어 최적의 논리상태의 안정적인 구동이 가능하였다. 또한 전자적인 구동방식에 비해 상대적으로 느린 전기화학적 반응의 한계를 극복하기 위해 각각의 반도체 소재를 나노미터 수준의 박막으로 수직으로 적층한 새로운 반도체 소자 구조를 제안하였으며, 이를 통해 10MHz 이상의 고속 삼진법 논리 연산을 구현하였다. 새롭게 개발된 반도체 소자는 대면적의 고집적화를 위한 공정 기술 개발에도 유리하다. 전극이 수평으로 배치된 기존의 반도체 소자에 비해, 모든 구성 요소를 수직으로 배치하면 단위면적당 반도체 소자의 개수를 큰 폭으로 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라 사용한 반도체 소재 및 절연체 소재가 모두 유기물이기 때문에 이들을 잉크형태로 제조할 수 있으며, 이를 통해 인쇄하듯 찍어내는 방식으로 대면적의 대량 생산하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로 인쇄된 반도체 웨이퍼는 다양한 다진법 논리연산을 균일하게 구현할 수 있었다. 조새벽 교수는 “본 연구는 생체친화성과 유연성을 모두 가지는 고성능, 고집적도의 3진법 소자를 인쇄공정만으로 구현할 수 있는 가능성을 열었다”며“이 기술은 향후 4차 산업혁명 시대에 걸맞는 고기능성 인쇄전자 분야의 주요 원천기술이 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다. ※ 논문명: Monolithic Tandem Vertical Electrochemical Transistors for Printed Multi-valued Logic ※ 저널: Advanced Materials ※ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202208757
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- 작성일 2023-01-18
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- 신소재공학부 김윤석 교수, 이달의 과학기술인상 1월 수상자 선정
- 신소재공학부 김윤석 교수, 이달의 과학기술인상 1월 수상자 선정 - 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인 규명 신소재공학부 김윤석 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 선정하는 ‘이달의 과학기술인상’ 1월 수상자로 선정되었다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다. 김윤석 교수는 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(HfO2)의 강유전성* 발현 원인을 밝히고, 이온빔을 이용해 HfO2의 강유전성을 높이는 기술을 개발하여 반도체 소자 기술 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가받아 이달의 과학기술인상으로 선정되었다. * 강유전성: 외부 전기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하는 성질. 각각의 분극 방향은 메모리에서 데이터를 저장하는 기본 구조인 ‘0’과 ‘1’에 대응될 수 있다. 강유전성이 큰 반도체 소재는 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다. HfO2는 수 nm의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보여 메모리, 트랜지스터 등의 기존 산화물을 대체할 초고집적 차세대 반도체 소재로 꼽힌다. 하지만 아직까지 HfO2의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않았으며, HfO2의 강유전성 증대를 위해 반복적인 전기장 인가 같은 복잡한 공정이 필요해 실제 전자소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다. 김윤석 교수는 강유전성 발현 정도는 산화물 재료 결정구조의 산소 공공* 과 밀접한 관계가 있음에 착안하여, 이온빔**으로 산소결함을 정량적으로 조절하여 HfO2의 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다. * 산소공공: 산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리 ** 이온빔 : 전기장이나 자기장으로 전하를 띤 원자(이온)의 방향을 정렬해 만든 흐름 연구팀은 가볍고 미세 제어가 가능한 헬륨이온빔을 HfO2 기반 강유전체에 조사해 산소 공공을 형성함으로써 기존의 복잡한 공정과 후처리 과정 없이 이온빔 조사밀도 조절만으로 강유전성을 강화하였다. 원자힘현미경으로 HfO2 기반 강유전체를 관찰한 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가하였음을 확인하였다. 더불어 주사투과전자현미경을 이용하여 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 규명하였다. 이온빔이라는 하나의 변수만으로 강유전성을 향상시키는 기술은 현재 반도체 공정에 패러다임 변화 없이 적용 가능한 장점이 있다. 관련 연구성과는 국제학술지 사이언스(Science)지에 2022년 5월 게재됐다. 김윤석 교수는 “이번 연구는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인을 밝혀 강유전소재의 고성능화를 구현했다는데 의의가 있다”라며 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
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- 작성일 2023-01-11
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- 화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 종양 제거 및 검출용 전도성 하이드로겔 개발
- 화학공학/고분자공학부 방석호 교수, 종양 제거 및 검출용 전도성 하이드로겔 개발 - 활성산소 반응성 하이드로겔 기반 종양 제거 기술 - 전도성 기반 기계 및 전자제어를 통한 무선 모니터링 구현 ▲ 화학공학/고분자공학부 방석호 교수(왼쪽, 교신저자)와 임광범 박사(오른쪽, 제1저자) 화학공학/고분자공학부 방석호 교수 연구팀(제1저자 임광범 박사)이 한국교통대 박성영 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 활성산소 반응성 기계 및 전자 제어가 가능한 전도성 하이드로겔 센서를 개발하였다. 암은 발병률과 치사율이 높기 때문에 인간의 건강에 심각한 위협이 된다. 조기 진단과 암 예방이 전 세계적으로 주요한 목표이며, 외과적 수술을 통해 모든 악성 조직을 감지하고 제거하기가 어려움이 존재한다. 면역 센서 및 면역 분석과 같은 종양 마커를 기반으로 하는 기존의 암 세포 검출 기술은 정교한 기술을 사용하는 임상 실험실에서 측정이 수행되기 때문에 임상 사용에 적합하지 않으며, 체액 수집과 결과 기록 사이에 적지 않은 시간이 소요된다. 따라서, 전문지식이나 특별한 지식 없이도 신속하고 구체적인 결과를 얻을 수 있는 새로운 방법에 대한 필요성이 대두되며, 현 연구에서는 휴대용 검사를 통해 암 환경을 선택적이고 정확하게 감지할 수 있는 휴대용 감지 방법에 대한 연구가 진행되었다. 하이드로겔은 대표적인 생체 적합성 소재로 유체 흡수를 위해 기공 크기를 조정할 수 있는 장점으로 바이오센싱에 이용되었다. 특히, 하이드로겔에 나노입자가 혼입된 전도성 하이드로겔은 온도, 산화환원, pH, 빛, 압력, 변형률 등 다양한 자극에 대한 전자신호를 감지할 수 있다. 그러나 세포외 pH 및 글루타티온(GSH)에 반응하는 하이드로겔에 기반한 의학적 진단 검사에 초점이 맞춰진 전례가 거의 없었으며, 압력-변형을 감지하는 하이드로겔을 기반으로 암 미세환경에 대한 연구가 진행된 전례가 없었다. 방석호 교수 연구팀은 ROS 반응성 디셀레나이드 탄소 도트 하이드로겔(dsCD-Hydrogel)을 기반으로 한 암 미세환경 선택적 전도성 하이드로겔 센서를 개발하였다. 이 센서는 높은 활성산소를 함유한 종양 미세 환경 속에서 디셀레나이드 결합을 파괴하여 암 선택성을 제공한다. 암세포의 존재는 정상 세포보다 더 큰 압력 및 변형 감지 반응을 모니터링하여 식별할 수 있다. 또한, dsCD-Hydrogel은 무선 감지 장치와 함께 사용되어 종양 보유 마우스에서 하이드로겔의 감지 기능을 모니터링할 수 있으며 스마트폰을 사용하여 현장 및 현장 외 감지 데이터를 수집할 수 있다.(그림1) ▲ 방석호 교수 스마트폰을 이용한 모니터링이 가능한 하이드로겔 기반 감지 시스템 연구팀이 개발한 하이드로겔은 dsCD의 활성산소 소거 및 광열 효과는 각각 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 및 저산소증 유발 인자 1α(HIF-1α)를 하향 조절하고 종양 세포 제거를 유도하여 종양 크기를 감소시키는 것으로 확인됐다.(그림 2) ▲ 마우스 내 활성산소 소거 및 광열효과에 대한 자료 방석호 교수와 박성영 교수는 “후속 연구를 통해 암치료에 적합한 하이드로겔 센서 시스템을 구축하고, 이후 종양에 대한 신속 검출을 위한 실제 응용 가능성을 확인할 예정이다.”고 설명했다. 해당 연구 결과는 화학공학분야 세계권위지인 케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, IF: 13.273)에 12월 5일 온라인 게재되었다. ※ 논문제목: ROS-responsive mechanically and electronically controllable conductive hydrogel sensor with NIR modulated photothermal therapy ※ 저널: Chemical Engineering Journal ※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140729
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- 작성일 2023-01-10
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- 신소재공학부 김명길 교수 공동 연구팀, 멀티스케일 구조 조절기반 결정질 다공성 소재 개발
- 신소재공학부 김명길 교수 공동 연구팀, 멀티스케일 구조 조절기반 결정질 다공성 소재 개발 - 방사성 원소 제염을 위한 오염수 처리소재 기술 개발 신소재공학부 김명길 교수 연구팀이 기존 무질서한 표면으로 제한된 기능성을 가진 다공성 에어로겔 소재의 한계를 뛰어넘는 규칙적인 결정질 표면으로 이루어진 다공성 황화물 에어로겔 소재를 최초로 합성하고 이를 적용하여 방사성 원소 제염을 위한 오염수 처리소재 기술을 최초로 개발하였다. 연구팀은 이같은 내용을 과학기술 분야 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(IF: 17.69)에 발표했다. 다공성 무기 소재인 에어로겔은 넓은 표면적, nm에서 ㎛에 이르는 다양한 기공구조, 낮은 밀도를 가지는 새로운 기능성 소재로 고성능 단열소재, 화학공정 촉매소재, 청정 수소발생 촉매소재, 유해물질 제거소재등의 다양한 분야에 응용되고 있다. 일반적인 물질 내 원자배열의 규칙성은 소재의 유용한 특성을 결정한다. 예컨대 탄소의 경우 원자의 규칙적인 배열에 따라, 투명하고 단단하나 부도체인 다이아몬드 혹은 높은 전기전도도를 가지는 흑연이 될 수도 있다. 나아가 배열이 완전히 흐트러지면 모든 방향으로 균등한 성질을 가지나 낮은 전기전도도를 가지는 비정질 탄소가 될 수도 있다. 일반적인 에어로겔 소재는 원자 간 무작위 연결로 형성되며, 이에 따라 원자배열이 불규칙한 비정질 소재로 얻어진다. 이처럼 에어로겔 소재 자체의 원자 배열을 조절하지 못하면 광학적 성질의 조절, 도핑을 통한 반도체 및 촉매 특성의 조절과 같은 새로운 소재 물성의 개발이 어려운 한계가 있다. 연구진은 기존 에어로겔 소재의 한계를 극복하기 위하여 이차원 결정질 나노판상을 형성하며 동시에 다양한 기공구조의 형성이 가능한 주석 이황화물계 소재군 및 반응조절법을 개발하고 자세한 반응기작을 연구하였다. 이를 통해 기존 무질서한 비정질 에어로겔 소재와 차별화된 결정질 주석황화물계 에어로겔 소재를 개발하였다. 이 소재는 기존 사면체 구조가 유지되는 단순 복분해(metathesis) 반응과 달리 반응속도의 조절을 통하여 안정된 육면체 구조로의 변환이 가능하며, 나아가 결정질 나노판상 소재의 형성이 가능함을 발견하였다. 이를 이용하여 다양한 금속-주석황화물계 결정질 에어로겔 소재를 개발하였다. 또한 연구진은 Cs-137와 Sr-90과 같은 방사성 핵종 제거에 유용한 KMS-1 소재와 동일한 원자배열을 가지는 나트륨-망간-주석 황화물계 에어로겔 소재를 개발하여 다공성 구조를 통한 빠른 방사성 핵종의 제거가 결정질 에어로겔 소재를 통하여 가능함을 보여주었다. 이는 높은 표면적이 필요한 화학촉매, 신재생 에너지 생산, 유해물질 제거 등에 유용하게 활용 가능하다. 김명길 교수와 오영탁 박사는 “본 연구는 기존에 무질서한 원자들의 배열로 여겨져 왔던 다공성 에어로겔 소재에서 규칙적인 결정질 소재의 형성이 가능함을 보여주어 결정질 에어로겔 소재라는 새로운 소재군의 확립과 고기능성 촉매 소재, 에너지 소재, 환경 소재등의 다양한 응용에 대한 가능성을 열었다.”고 밝혔다. ※ 논문명: Multiscale structural control of thiostannate chalcogels with two-dimensional crystalline constituents ※ 저널: Nature Communications ※ DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35386-z
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- 작성일 2023-01-10
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