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화학과 배한용 교수 연구팀, 새로운 시너지 유기촉매 반응 시스템 세계 최초 개발

화학과 배한용 교수 연구팀, 새로운 시너지 유기촉매 반응 시스템 세계 최초 개발 - 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 5.16(월) 발표 - 새로운 친환경 의약품 원료물질 합성방법 개발 [사진] 배한용 교수, 프리트위시 고스와미 박사, 박진현 박사과정생, 조성연 석사졸업생(왼쪽부터) 성균관대학교(총장 신동렬) 화학과 배한용 교수 연구팀이 물에서 가속화되는 새로운 시너지 유기촉매 반응(syngergistic organocatalysis) 시스템을 세계 최초로 개발했다. 3개의 탄소 치환기와 단일 아민 작용기로 연결된 사치환된 탄소원자인 알파-삼차아민 작용기는 다양한 의약품과 천연물의 중요한 구조임에도 불구하고, 화학구조에 대한 합성법은 매우 어려운 난제로 여겨졌으며 그 방법이 많지 않았다. 이에 연구진은 생체촉매반응을 모방해 물에서 작동하고 반응의 속도가 현저히 빨라지는 알릴화 유기촉매반응에 의해 알파-삼차아민을 매우 획기적으로 합성하는 방법론을 고민했으며, 친환경적이며 높은 효율로 생성물을 만들어 낼 수 있음을 밝혔다. 특히 손쉽게 입수할 수 있는 케톤을 시작물질로 하여 소수성 브뢴스테드-산과 스퀘어아마이드 촉매의 시너지 활성화에 의한 강력한 촉매 시스템을 개발했다. 또한 향후 이를 실제 제약산업에 적용할 수 있도록 효율적인 확장을 가능하게 했다. 배한용 교수는 “물에서 금속을 전혀 포함하지 않으면서도 알릴기를 지닌 알파-삼차아민을 합성할 수 있는 촉매반응기술은 획기적인 결과이다. 특히 생체반응과 같이 수소결합 공여체가 반응의 가속화에 있어서 매우 중요한 역할을 하는데, 본 연구실에서는 이러한 시너지 유기촉매에 의한 활성화 연구를 중점적으로 진행할 예정이다”고 밝혔다. 또한 "2021년 노벨화학상 수상에서 알 수 있듯이 의약품 합성에서 유기촉매의 중요성이 강조되고 있다. 비독성이고 환경친화적인 본 연구결과가 다양한 제약 및 화학산업에 널리 활용되기를 기대한다"고 밝혔다. 본 연구에는 공동1저자로 프리트위시 고스와미 박사, 조성연 석사졸업생, 박진현 박사과정생이 참여했으며, 연구 성과는 과학분야 세계적 권위의 학술지인 Nature Communications에 5월 16일(월) 게재되었다. ※ 논문 : Efficient Access to General α-Tertiary Amines via Water-Accelerated Organocatalytic Multicomponent Allylation" Nature Communications 2022, 13, 2702

2022-05-24

김윤석(신소재공학과), 김영민(에너지과학과) 교수, 이온빔 활용 차세대 반도체 소재 고성능화 최초 구현해 사이언스지에 발표

김윤석(신소재공학과), 김영민(에너지과학과) 교수, 이온빔 활용 차세대 반도체 소재 고성능화 최초 구현해 사이언스지에 발표 - 반도체 소자의 초고집적화를 위한 응용 가능성 열어 - [사진] 김윤석 교수, 김영민 교수(왼쪽부터) 신소재공학과 김윤석 교수 및 에너지과학과 김영민 교수 연구팀[공동교신저자 허진성 박사(삼성전자 종합기술원), Sergei Kalinin 박사(미국 오크리지 국립연구소)이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해서 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다. 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구, 기본연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지인 사이언스(Science)에 5월 13일 게재되었다. 강유전성이란 외부 자기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하게 되는 성질을 말하며, 강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있게 된다. 이러한 강유전성을 지니는 물질을 사용할 경우, 나노미터의 매우 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 통해 반도체 소자의 집적도를 높일 수 있다는 아이디어가 이미 40여 년 전에 제안되었으나, 최근 새로 도입된 소재인 하프늄옥사이드에서도 강유전성 증대를 위한 후처리과정이 추가로 필요하고 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미치는 등 실제 적용에는 공정상 큰 한계점이 있어 실제로 구현되지는 못했었다. 이에 연구팀은 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정 없이, ‘이온빔’이라는 하나의 변수만으로 하프늄옥사이드의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 강유전성의 발현 정도는 산소 공공(산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리)과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 연구팀은 이에 착안하여 이온빔을 이용한 산소 공공의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다. 연구팀은 이온빔을 적용한 결과, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈으며, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있었다. 김윤석 교수는 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”며 “현재의 방법론적 연구 결과를 토대로 실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다”고 말했다.

2022-05-16

화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀, 세계적 학술지 Science에 진동노이즈 선택적 제거 연구결과 발표

화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀, 세계적 학술지 Science에 진동노이즈 선택적 제거 연구결과 발표 - 차세대 웨어러블, 삽입형 소자를 위한 발걸음 - 거미 다리의 패드를 모사해 전자 소자 개발 [사진] 김태일 교수, 박병학 박사 성균관대학교(총장 신동렬) 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. [연구그림 1] 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤 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. [연구그림 2] 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤 생체 응용 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.

2022-05-09