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이동성 교수, 국가 재난상황에서 정부의 리더십에 대한 대중의 평가에 대한 실험 연구 발표

국정전문대학원 이동성 교수, 국가 재난상황에서 정부의 리더십에 대한 대중의 평가에 대한 실험 연구 발표 - 정치·행정학분야 국제학술지 및 국립세종도서관 발간자료 소개 국정전문대학원 이동성 교수가 전 국민을 대상으로 대표 샘플링을 통해 실시한 설문 실험조사를 통해, 국가 재난상황에서 국민들이 원하는 장관 리더십의 유형은 무엇인지 규명하는 연구 결과를 발표했다. 이동성 교수는 해당 연구를 정치·행정학 분야의 저명한 국제학술지인 Public Administration에 게재하였고, 국립세종도서관 월간자료에도 주요 내용이 번역되어 게재되었다. 국가적 재난상황에서 대통령이 정부를 이끌어갈 핵심 인사를 누구로 임명하는가는 대단히 중요한 일이다. 행정학 및 정치학 학자들은 효과적인 장관 리더십을 구성하는 요소에 대해 다양한 관점에서 논의해왔다. 그러나 선행연구에서 간과한 점이 있는데, 바로 시민의 관점이다. 대통령의 입장에서는 최적의 인물을 임명하였다고 생각하지만, 정부 정책의 수요자로 외부에서 정부 대응을 바라보는 국민들도 과연 그렇게 생각하는지를 알 필요가 있다. 또한, 위기 상황에서 정부에 대한 국민의 강력한 지지가 있는지는 국가 대응 전략의 성공에도 큰 영향을 미치기 때문에, 시민의 관점에 대한 연구가 필요하다. 이동성 교수는 이번 연구에서 코로나19가 전국적으로 확산이 되었지만 지역적 확진자 수 차이가 명확했던 2020년 6-7월 전국 1,201명을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 이를 통해, 코로나19의 영향에 대한 지역적 차이와 지지하는 리더십 유형의 관계에 대해 설문실험을 통해 추출된 데이터를 통계적 방법으로 분석하였다. 실험 설계는 설문을 통해, 재난 상황에서 정부의 대응에 대한 응답자들의 평가(통제집단)와, 같은 상황에서 '다양한 경력 배경을 가진 장관이 이끄는' 정부의 대응에 대한 응답자들의 평가(실험집단)를 비교하여 실험 효과를 측정하였는데, 실험 조건인 장관의 경력 배경은 현실 상황을 반영하여 국회의원(Legislator), 공무원(Bureaucrat), 기술전문가(Technocrat) 출신의 세 가지로 구분하였다. 그리고 정부의 대응에 대한 응답자들의 평가(종속변수)는 정부 대응의 전반적인 성과에 대한 평가(Job Performance)와 정부 대응에 대한 신뢰도(Trustworthiness)로 측정하였다. 분석 결과를 종합하면, 첫째, 장관의 기술적 전문성과 관료 관리 능력을 바탕으로 한 리더십에 대한 대중의 지지가 장관의 정치적 영향력에 바탕을 둔 리더십보다 크다는 것을 확인하였다. 전자의 두 유형은 정부 대응에 대한 성과 평가 및 신뢰도 측면에서 대체적으로 대중의 긍정적인 평가를 받았으나, 후자의 유형은 대중으로부터 부정적인 평가를 받았다. 둘째, 코로나19가 미치는 영향이 심각해질수록(확진자 수의 지역적 차이에 근거) 기술적 전문성을 바탕으로 한 장관 더십이 여타 배경을 가진 장관들의 그것보다 대중의 지지를 더 많이 얻는 경향이 있음을 발견하였다. 구체적으로, 위기상황이 심각해질수록 장관의 정치적 영향력에 바탕을 둔 리더십은 점점 부정적인 평가를 받은 반면, 관료 관리 능력을 바탕으로 한 리더십에 대해서는 점점 긍정적인 평가가 뒤따랐지만, 기술적 전문성을 바탕으로 한 리더십의 영향력에는 미치지 못하였다. 이 교수는 본 연구는 전염병 확산을 바탕으로 한 국가 재난 상황에서 실시되었지만 경제 위기와 같은 다른 유형의 국가 재난 상황에서도 적용 가능하다고 밝혔다. 국제학술지에서 다뤄진 연구 결과는 국립세종도서관 발간자료 5월호에도 한글로 번역되어 수록되었다. ○ 국립세종도서관 발간자료 '정책이 보이는 도서관' 5월호: https://sejong.nl.go.kr/webzine/ecatalog5.jsp?Dir=97 (52쪽) ※ 논문명: Public Assessments of Ministerial Leadership in Times of National Crisis: The Case of the Pandemic Crisis ※ 저널: Public Administration ※ DOI: https://doi.org/10.1111/padm.12910

2023-05-26

박남규 교수, 차세대 태양전지 환경오염 가능성 사전차단… 산산조각나도 납 안 샌다

차세대 태양전지 환경오염 가능성 사전차단… 산산조각나도 납 안 샌다 <조선비즈, 2023.05.25.> 국내 연구진이 차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트의 단점인 환경 오염 문제를 해결할 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지에 들어있는 납 성분이 밖으로 빠져나오지 않도록 원천적으로 차단할 수 있는 기술로, 향후 상용화에 필수적으로 적용될 기술이 될 것으로 기대된다. 박남규 성균관대 화학공학과 교수 연구팀은 25일(한국 시각) 국제학술지 네이처에 페로브스카이트 태양전지에 들어간 납 성분 유출을 원천 차단하기 위한 4단계의 제조 공정을 논문에서 제안했다고 밝혔다.

2023-05-25

약학과 윤유석 교수, 적혈구 생체 모사 광감작형 종양사멸 유도 헤모글로빈 마이크로겔 개발

약학과 윤유석 교수, 적혈구 생체 모사 광감작형 종양사멸 유도 헤모글로빈 마이크로겔 개발 - 저산소증 난치암의 새로운 치료법 제시 ▲ 김한주(제1저자), 윤조현(제2저자), 윤유석 교수(교신저자) 약학과 윤유석 교수 연구팀(제1저자 김한주 박사과정 연구원)이 적혈구 생체모사 광감작형 종양사멸 유도 헤모글로빈 마이크로겔을 개발하여 저산소증 종양(hypoxic tumors) 치료법을 제시하였다. 암 형태의 대부분을 차지하는 고형암은 비정상적이고 복잡한 혈관 구조 때문에 세포에 충분한 산소를 공급할 수 없어 수많은 저산소 영역을 가지고 있다. 정상 조직의 산소 수치가 보통 30~52mmHg(3.9~6.8%)인데 비해서 저산소증 종양 조직은 5mmHg(<0.7%) 미만으로 매우 낮으며, 이러한 저산소 상태는 항암활성 발현에 산소가 반드시 요구되는 많은 화학요법제, 방사성의약품 및 감광제와 같은 항암제 치료 효율을 크게 떨어트려 치료의 중대한 장애요인이다. 따라서 저산소증 종양을 치료하기 위해서는 충분한 산소 공급이 필수적이며, 학계에서는 그간 저산소증으로 인한 암 치료 내성을 극복하기 위해 조직 내 산소 레벨을 높이는 전략이 연구되어 왔다. 윤유석 교수 연구팀은 고효율 산소운반 능력과 근적외선 조사에 의한 광열성을 지니는 적혈구 헤모글로빈(Hb) 내 heme(iron protoporphyrin IX)의 특성에 기인하여 (i)열을 방출할 수 있고 (ii)산소를 공급하고 (iii)근적외선 레이저 조사에 반응하여 활성산소(ROS; 1O2)를 생성할 수 있는, 적혈구와 동일한 크기(5~6μm)를 갖는 생체모사 헤모글로빈 마이크로겔을 설계 및 제조하였다. 헤모글로빈 마이크로겔은 혈청 알부민, chlorine e6(Ce6) 및 808nm 근적외선광을 660nm 가시광선으로 효과적으로 변환하는 업컨버전 나노입자로 구성된다. 업컨버전 현상은 장파장을 단파장으로 변환시켜 두꺼운 종양조직의 투과를 개선하는 역할과 Ce6의 활성산소 발생에 필요한 단파장으로의 효율적 전환을 촉진하는 역할을 한다. 아울러 heme의 광흡수 현상을 이용하여 근적외선의 조사량과 조사 시간을 조절해 열방출과 온도상승을 유도하여 저산소증 종양의 혈관을 확장하여 산소이동을 개선하는 방식으로 산소분압을 높이거나 심한 고열을 유발하여 종양 자체를 아폽토시스 기전으로 직접 사멸할 수 있는 두 가지 기능을 헤모글로빈 마이크로겔에 추가로 탑재시켰다. 연구팀은 완성된 업컨버전 나노입자 봉입 헤모글로빈 마이크로겔의 산소공급, 활성산소 발생 및 광열성 유도라는 세 가지 기능을 통해 저산소증 암세포가 이식된 마우스의 종양 성장과 증식을 효율적으로 사멸 억제하였다고 밝혔다. 결과적으로 in situ 주사 가능한 적혈구 크기의 마이크로겔(5–6μm) 플랫폼 제제로서 국소주입형 항암 주사제의 새로운 가능성을 제시할 것으로 전망한다. 이번 연구성과는 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업 및 선도연구센터지원사업(MRC) 지원으로 수행되었으며, 소재과학 분야 세계적 학술지인 Bioactive Materials(IF: 16.874, JCR ranking 2.0%) 2023년 4월호에 게재되었다. ※ 논문명: Upconverting nanoparticle-containing erythrocyte-sized hemoglobin microgels that generate heat, oxygen and reactive oxygen species for suppressing hypoxic tumors ※ 논문링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22004169

2023-05-24

생명과학과 양시영 교수, 퇴행성관절염 억제하는 항체치료제 개발 성공

퇴행성관절염 연골주사 대신 항체치료제로 치료한다 <조선비즈, 2023.05.21.> ※ 저널: Advanced Science

2023-05-23

융합생명공학과 김희권 교수, 차세대 프라임에디터 유전자가위 설계 인공지능 개발

융합생명공학과 김희권 교수, 차세대 프라임에디터 유전자가위 설계 인공지능 개발 융합생명공학과 김희권 교수 연구팀(공동저자 김지윤, 김지성 학생)은 연세대학교 의과대학 김형범 교수 연구팀과 함께 차세대 유전자가위인 프라임에디터를 설계하는 세계 최고 수준의 인공지능 모델 개발에 성공하였다. 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘셀 (Cell)’에 2023년 5월 11일 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단 우수신진연구 지원사업 (2020R1C1C1003284), 국가신약개발사업 (HN22C0571) 등의 지원을 받아 수행되었다. 유전자가위(CRISPR-Cas9)는 원하는 유전자 부위를 손쉽게 절단하고 원하는 형태로 교정할 수 있는 인공효소로서, 유전자치료제 개발의 원천기술, 유전자교정 동식물 개발, 유전체 스크리닝 기술의 핵심 도구이다. 유전자가위를 이용한 유전자교정기술을 개발한 과학자들이 2020년에 노벨화학상을 수상하였으며, 현재 유전자가위를 이용한 여러 유전자치료제의 임상연구가 진행되는 등 전세계적인 관심을 받고 있다. 기존 유전자가위기술은 DNA이중가닥절단에 의해 나타나는 세포독성, 비특이적 유전자교정과 같은 부작용이 나타나는 단점이 있다. 최근에는 DNA이중가닥을 완전히 자르지 않고 한 가닥만 자르면서, 절단 부위에 새로운 유전정보를 채워넣는 프라임에디터 유전자가위가 개발되었으며, 기존 유전자가위보다 훨씬 안전하고 효율적인 기술로 주목받고 있다. 하지만 프라임에디터 유전자가위 시스템은 기존 유전자가위보다 구조적으로 복잡하고, 설계할 수 있는 경우의 수도 수 백배 다양하기 때문에 효율이 높고 정밀한 유전자가위를 설계하는 데에 어려움이 있다. 따라서 프라임에디터 유전자가위를 임상 연구와 치료목적으로 사용하려면 어떤 조건에서 최적의 유전자 교정이 일어나는지 정확히 파악하는 것이 필요하며, 이를 위해서 대규모 실험데이터 확보 및 분석이 필수적이다. 이에 연구팀은 2020년부터 약 3년 동안 33만개 이상의 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 측정한 데이터를 확보하였다. 이는 그동안 학계에 보고된 측정 데이터 중 가장 규모가 큰 결과이다. 측정한 데이터를 분석한 결과, 연구팀은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율을 결정하는 주요 기전과 영향을 밝혀내는데 성공하였다. 이에 그치지 않고, 연구팀은 분석한 데이터를 인공지능을 통한 학습과정을 거쳐 교정을 원하는 유전자 서열정보 등을 입력하면 활용 가능한 프라임에디터 유전자가위의 효율과 정확성을 예측하는 인공지능 모델들(DeepPrime, DeepPrime-FT, DeepPrime off)을 제작하였다. 이번에 제작한 모델은 프라임에디터 유전자가위의 교정효율 및 안전성에 대해 세계최고 수준의 예측 성능을 보인다. 기존에는 프라임에디터 유전자가위를 활용하기 위해 매번 수 십에서 수 백개 이상의 프라임에디터 유전자가위를 제작하고 실험적으로 검증하는 과정이 필요했으나, 이번에 연구팀이 구현한 기술을 이용하면 빠르고 정확하게 프라임에디터 유전자가위를 설계할 수 있어 향후 유전자치료 분야에서 높은 활용도가 기대된다.

2023-05-19

화학과 김태연 교수, 펨토초 분광법을 통해 전자 전달 방향을 제어하는 쌓임체 구조 규명

화학과 김태연 교수, 펨토초 분광법을 통해 전자 전달 방향을 제어하는 쌓임체 구조 규명 화학과 김태연 교수는 펨토초 분광법을 이용해 전자 전달의 방향을 제어하는 쌓임체 구조를 규명하였다. 이번 연구는 노스웨스턴대 Wasielewski 교수 연구실의 분광학 실험과 Fraser 교수(2016년 노벨 화학상 수상자) 연구실의 초분자 합성을 기반으로 수행되었다. 유기 반도체에서 전하 전달(charge transfer) 경로를 설계하고 제어하는 것은 태양 에너지 응용에 매우 중요하다. 특히 태양 전지에서는 광자를 받아 생성된 엑시톤(exciton)이 전하 전달 상태로 전이된 후, 쿨롱적으로 결합된 전하 전달 상태가 자유 전하 운반체로 더 분리되어야 한다. 하지만, 상세한 전하 전달 상태의 이완 과정의 메커니즘적인 정보가 매우 부족하다. 이 논문에서는 바이올로겐의 중심 고리는 페닐렌(ExV2+) 또는 전자가 풍부한 2,5-디메톡시-페닐렌(ExMeOV2+)으로, 치환되지 않았거나 메톡시로 치환된 중심 고리를 갖는 두 개의 대칭 사이클로판(ExBox4+ 및 ExMeOBox4+)과 중심 바이올로겐 고리 중 하나만 메톡실화된 비대칭 사이클로판(ExMeOVBox4+)을 대상으로 연구를 수행했다(그림 1). 빛을 흡수해 들뜬 상태(excited-state)에 도달했을 때, 비대칭 호스트-게스트 복합체는 페릴렌 공여체와 사이클로판 수용체 사이의 강한 상호작용을 촉진하는 구조적 제한으로 인해 에너지적으로 불리한 메톡실화된 쪽으로 전하 전달 과정이 일어난다. 전하 전달 상태의 완화 경로는 사이클로판 전하 편재화(localization) 및 페릴렌-사이클로판의 비혼재화(dehybridization) 축을 따라 일어나며 이때 결맞음 전자-핵진동(coherent vibronic wavepackets)을 초고속 분광법을 사용하여 탐구하였다(그림 2). 특정 저주파 및 고주파 핵 운동은 비편재화된 전하 전달 상태와 전하 전달의 정도를 직접적으로 보여주는 지표로 작용했으며, 실험 결과는 전하 전달 경로와 전하 전달의 정도를 시간에 따라 추적하는 데 사용될 수 있다는 것을 보여준다. ▲ 호스트-게스트 복합체 시스템 및 전반적인 광유도 동역학 김태연 교수는 "일반적으로 에너지적으로 안정한 수용체로 전하가 전달되는데, 본 연구는 오비탈 중첩과 전하 전달 상호작용이 강하게 일어날 수 있는 구조적 제한이 에너지적으로 덜 안정한 수용체로 전하를 전달시킬 수 있다는 것을 밝혔으며, 이 연구는 미세한 화학적 조절을 통해 전하 전달 경로를 제어하고, 초고속 전자 전달 및 이완 과정을 전자-핵진동 신호를 통해 규명한 중요한 연구"라고 밝혔다. 또한 "전자 전달뿐만 아니라 펨토초에서 수 피코초에 이르는 초고속 시간 영역에서 일어나는 다양한 광유도 동역학의 메커니즘을 전자-핵진동 신호를 통해 지속적으로 탐구할 것"이라고 전했다. 본 연구는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 화학분야의 전통 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF: 16.383)’에 지난달(4월 19일 수요일) 논문으로 게재되었다. ▲ 전자 전달 상태의 이완 과정을 나타낸 호스트-게스트 복합체 시스템들의 퍼텐셜 에너지 표면

2023-05-18

융합생명공학과 김희권 교수 공동 연구팀, 세계최고 수준의 차세대 유전자 가위 설계기술 개발

융합생명공학과 김희권 교수 공동 연구팀, 세계최고 수준의 차세대 유전자 가위 설계기술 개발 - 정밀하고 안전한 맞춤형 유전자치료제 개발 가능성 열어(Cell 지 개제) ▲ 융합생명공학과 김희권 교수(왼쪽)와, 연세대학교 김형범 교수(오른쪽) 융합생명공학과 김희권 교수와 연세대학교 김형범 교수 공동 연구팀이 차세대 유전자 가위인 프라임 편집기를 정밀하고 안전하게 설계할 수 있는 인공지능 모델을 개발했다고 밝혔다. 과기정통부 기초연구사업(리더연구 및 선도연구센터) 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「셀(Cell)」에 4월 29일(현지시간 4.28.(금) 10시, EST) 게재되었다. * 논문명: Prediction of efficiencies for diverse prime editing systems in multiple cell types 널리 알려져 있는 유전자 편집기술 중 하나인 유전자 가위 크리스퍼 카스9(CRISPR-Cas9)은 원하는 유전자 부위를 손쉽게 절단할 수 있는 도구이다. 최근에는 유전자 절단뿐만 아니라 절단 부위를 채워줄 새로운 유전정보까지 포함하여 교정이 가능한 차세대 유전자 가위 프라임 편집기가 개발되었다. 프라임 편집기는 디엔에이(DNA) 이중가닥을 완전히 자르지 않고 한 가닥만 자르기 때문에 기존 유전자 가위보다 훨씬 안전한 기술로 주목받고 있다. 하지만 프라임 편집기는 새로운 유전정보를 포함하는 등 이전의 다른 유전자 가위보다 구조적으로 복잡하고 경우의 수도 다양하기 때문에 정밀하고 안전한 유전자 가위를 설계하는 데에 어려움이 있다. 또한, 이를 임상 연구와 치료 목적으로 사용하려면 어떤 조건에서 오류 없이 최적의 유전자 교정이 일어나는지 정확히 파악하는 것이 필요하며, 이를 위해서 대규모 실험데이터 확보 및 분석이 필수적이다. 이에 연구팀은 2020년부터 약 3년 동안 프라임 편집기 데이터 33만개 이상을 확보하고 각각의 프라임 편집기 효율을 실험적으로 측정했다. 이는 그동안 학계에 보고된 측정 데이터 중 가장 규모가 큰 결과이다. ▲ 크리스퍼 카스9 유전자 가위와 차세대 유전자 가위인 프라임 편집기의 유전자 교정 비교 측정한 데이터를 분석한 결과, 연구팀은 프라임 편집기의 성능을 결정하는 주요 기전과 그 영향을 밝혀내는 데 성공했다. 이에 그치지 않고, 연구팀은 분석한 데이터를 인공지능을 통한 학습과정을 거쳐 교정을 원하는 유전자 서열정보 등을 입력하면 활용 가능한 프라임 편집기의 효율을 예측하는 모델을 제작하였다. 이번에 제작한 모델은 세계 최고 수준으로 프라임 편집기의 정밀성 및 안전성에 대한 예측 성능을 보인다. 기존에는 프라임 편집기를 설계할 때마다 매번 수 십~수 백개 이상의 프라임 편집기를 실험해봐야 했으나, 이번에 연구팀이 구현한 기술을 이용하면 빠르고 정확하게 프라임 편집기를 설계할 수 있어 향후 유전자 치료 분야에서 높은 활용도가 기대된다. 김형범 교수는 "지금까지 밝혀진 프라임 편집기의 모든 요소를 반영한 가장 뛰어난 예측 모델"라며 "이제 프라임 편집기를 이용한 유전자 교정을 손쉽게 활용하게 되었다"고 연구 의의를 밝혔다. ○ 관련 언론보도 - 어떤 질병에 어떤 유전자 가위 써야 할까… AI로 맞춤형 치료법 찾는다 <조선비즈, 2023.05.16.> - 'AI'로 유전자가위 성능↑…개인 맞춤형 유전자치료제 나온다 <헤럴드경제, 2023.04.29.> - 유전자 치료제 개발에 한걸음 더… 프라임 편집기 설계기술 개발 <파이낸셜뉴스, 2023.04.29.>

2023-05-17

김선국, 박호건 교수 공동연구팀, 레이저 유도 탄화 기술을 이용한 제품 위조 방지 태그 기술 개발

김선국, 박호건 교수 공동연구팀, 레이저 유도 탄화 기술을 이용한 제품 위조 방지 태그 기술 개발 - 향후 디지털 암호화의 대체재로 사용될 수 있는 기술 - 다양한 산업분야 응용 기대 ▲ 신소재공학부 김선국 교수(왼쪽)와 소프트웨어학과 박호건 교수(오른쪽) 위조 시장이 계속해서 성장하고 있는 상황 속, 위조품과 진품의 구분은 전 세계의 관심사로 떠오르고 있다. 이를 위한 방법으로 위조 방지 태그가 주목받고 있는데 위조 방지 태그를 사용하려면 비용이 저렴하고 복제할 수 없어야 하며 간편하고 빠른 제조 공정이 필요하다. 신소재공학부 김선국 교수, 소프트웨어학과 박호건 교수 공동연구팀은 제품 위조 문제를 해결하기 위한 태그를 제작하는 독특한 레이저 유도 탄화 기술을 개발하였다. 연구팀은 레이저 유도 탄화(LIC) 기법을 이용하여 레이저 파장에 감응하는 폴리이미드(PI) 필름에 개별 크기의 LIC 스팟을 생성하고 이를 랜덤하게 배열하는 방식으로 태그를 제작하였다. 이 기술은 PI에서 LIC 스팟을 내재적으로 생성할 수 있으므로 별도의 외부에서 제작된 기능성 재료가 필요하지 않다. 또한 레이저 기술을 이용한 방식이기 때문에, 입력 설계 및 레이저 처리 매개 변수를 기반으로 원하는 출력 태그를 매우 짧은 시간 내에 달성할 수 있다. 고유한 특성을 가진 LIC 기반 태그는 연성 인쇄 회로 기판 산업에 적용하여 위조 문제 해결에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되고 있다. 레이저 유도 탄화(LIC) 기법을 이용하여 제작된 배열 형태의 고유한 스팟들은 다양한 알고리즘을 거쳐서 3단계(Ternary)(0, 1, 2) 비트로 변환된다. 이후 Intra·Inter Hamming Distance(HD), Uniformity, Uniqueness 및 Reproducibility 등 제작된 태그들의 특성을 분석하기 위한 테스트 과정을 거치게 된다. 다양한 통계적인 분석을 활용, 필요한 기준을 충족한 후에야 비로소 위·변조에 대응할 수 있는 태그로 사용되게 된다. 김선국 교수는 이와 관련하여 "이번 연구는 IoT(사물 인터넷) 시대의 중심인 위·변조 및 보안과 관련된 이슈를 해결할 수 있는 중요한 기술적 발전을 이루어냈다"며 "향후 디지털 암호화의 대체재로 사용될 수 있는 기술임과 동시에 산업에서 다양한 응용 분야로 확장할 수 있는 기술"이라고 설명했다. 연구팀의 이번 연구결과는 2023년 4월 25일, 세계적으로 권위있는 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Material) 지에 후면 내부 표지논문(Inside back cover)으로 채택되었다. 본 연구에는 신소재공학부 김선국 교수, 소프트웨어학과 박호건 교수가 공동교신저자로 참여하였으며, 김선국 교수 연구팀의 스리니바스 간들라 선임연구원이 제1저자로 참여하였다. 본 연구는 한국연구재단 미래기술연구실사업, 성균관대학교 연구자 펠로우십 프로그램의 지원을 통해 이루어졌다. ▲ 위조 방지 태그를 위한 레이저 유도 탄화 기술 및 태그 애플리케이션 모식도

2023-05-11

성균관대-포스텍 공동연구팀, 자유자재로 늘리고 접고 비틀어도 끄떡없는 반도체 기술 개발

성균관대-포스텍 공동연구팀, 자유자재로 늘리고 접고 비틀어도 끄떡없는 반도체 기술 개발 - 고신축성·고성능 반도체 고분자 유기반도체 기술 개발 ▲ SAINT 강보석 교수 자유자재로 늘리거나 접고 비틀어도 끄떡없는 스트레처블(stretchable) 전자소자의 개발을 위해서는 변형된 상태에서도 전기 성능이 떨어지지 않는 신축성 반도체 소재의 개발이 필수적이다. 그러나 전자소자를 늘리는 경우 단순히 구부리거나 돌돌 마는 경우와 비교해서 전자소자를 구성하는 반도체층에 10배 이상의 물리적 스트레스를 가하게 되어 심각한 전기 및 기계적 파괴를 일으킨다. 지금까지 유기 반도체 소재의 신축성 확보와 동시에 늘려진 상태에서 전기적 성능을 우수하게 유지하기 위한 연구는 꾸준히 진행됐으나, 신축성과 전하 이동 성능 측면에서 아직 초보적인 수준에 머물러 있다. 나노과학기술학과 강보석 교수와 POSTECH 화학공학과 조길원 교수 공동 연구팀은 신축성과 전기적 성능의 안정성을 동시에 향상할 수 있는 새로운 신축성 고분자 반도체 소재 기술 개발에 성공했다. 기존 고분자 반도체 소재는 늘렸을 때 서로 얽혀있던 고분자 사슬들이 비가역적으로 미끄러져 고분자 사슬 사이에 틈이 생기는데, 이에 따라 소재의 파괴가 일어나고 전기적 성능이 저하된다. 연구팀은 새로운 광가교제를 사용해 고분자 사슬 사이에 가교 그물 구조를 형성함으로써 고분자 사슬이 인장으로 인해 비가역적으로 미끄러지는 현상을 억제했다. 개발된 광가교제는 유연한 사슬 형태로 설계되었으며 분자의 양 끝에 아자이드* 반응기를 지니고 있어 자외선을 쪼이면 고분자 반도체와 가교 반응을 일으켜 그물 구조를 형성해 반도체 고분자 소재의 신축성을 증가시킨다. * 아자이드(Azide): 화학식에 N3−를 가지고 있는 등전자성의 선형 음이온. 하이드라조산(HN3)의 짝염기이며, 높은 반응성으로 인하여 주로 차량용 에어백의 추진제로 사용된다. 연구팀이 개발한 신축성 고분자 반도체 소재는 기존 반도체 소재 대비 인장 강도, 파괴 시의 연신율*, 반복 인장 안정성 등의 기계적 특성이 크게 향상됐다. 특히, 가교된 반도체 박막은 80% 늘린 상태에서도 전기적 특성을 최대 96% 보존하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 새로운 광가교 소재 기술은 패터닝 기술을 이용해 대면적 신축성 유기 반도체 패턴을 제작할 수 있어 차세대 신축성 전자소자 제작에 유용하게 활용될 것으로 기대된다. * 파괴 연신율(Fracture strain): 박막이 기계적 변형으로 인하여 찢어지는 그 순간의 인장 변형률 연구팀은 “고분자 유기 반도체 박막에 아자이드 광가교제를 도입하여 고분자 사슬 간의 상호 작용을 강화하는 가교 그물 구조를 형성함으로써 박막의 기계적 변형에 의한 큰 변형을 견디면서도 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있었다.”며 “고분자 반도체 소재의 신축성을 개선하는 간단한 방법을 제공할 뿐만 아니라 패터닝 기술에 접목하기 쉬워 향후 높은 산업적 효용을 지니고 있다.”고 말했다. 한편, 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 국제협력 네트워크 전략강화사업으로 수행한 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 상위 5% 이내 권위지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)지 표지논문으로 게재됐다.

2023-05-08

김선국, 박호건, 윤경재 교수 공동연구팀, 표면 근전도 신호를 통한 18가지 손동작 인식 시스템 구현

김선국, 박호건, 윤경재 교수 공동연구팀, 표면 근전도 신호를 통한 18가지 손동작 인식 시스템 구현 ▲ (왼쪽부터) 김선국 교수(신소재공학부), 박호건 교수(소프트웨어학과), 윤경재 교수(의학과) 장시간 동안 착용해도 안정적으로 18가지 손동작을 구분할 수 있는 표면 근전도(sEMG) 센서와 AI 모델이 개발되었다. 의료 현장과 같은 특수한 상황에 주로 사용되는 기존 근전도 센서와 달리, 이 센서는 얇은 두께와 인체 친화적 패치를 활용하여 이질감을 최소화하였다. 또한 무선통신 모듈과 AI 모델을 결합한 데이터 처리를 통해 시간과 장소에 구애받지 않고 동작을 인식할 수 있어 혁신적 기술로 주목받고 있다. 신소재공학부 김선국 교수, 소프트웨어학과 박호건 교수 공동연구팀은 이러한 18가지 손동작을 정확하게 구분할 수 있는 AI 모델과 고신축 어레이 형태의 EMG 센서를 통합한 동작 구분 시스템을 개발하였다고 밝혔다. 표면 근전도 신호는 장애, 근육의 활성화 수준, 피로 및 신체의 움직임을 감지하거나 분석할 수 있는 신경 근육 활동의 측정 지표이다. 또한, 생체 의학적 특성 이외에도 근전도 신호는 의료보조기기나 인공 장치, 로봇 등을 제어하는 제어 신호로 활용될 수 있어 가치가 매우 뛰어난 신호이다. 그러나 주로 실생활에서 사용하는 근전도 센서는 단일 양극으로 되어있어, 특정 근육과 관련된 특정 동작만 인식할 수 있다는 한계가 있다. 또한, 하이드로젤 소재를 주로 사용하여 장시간 착용이 불가능하고 일회용이라는 치명적인 문제도 존재하여 특수한 상황에서만 활용이 되고 있었다. 이러한 허들을 뛰어넘기 위해 연구진은 폴리이미드 기반 유연 소재에 나노 두께의 금속을 증착한 필름을 제조하였다. 그뿐만 아니라 목적에 맞게 x, y, z축 방향으로 높은 신축성을 보이는 자연형상기반 키리가미-서펜타인(Kirigami-Serpentine) 복합 구조를 디자인하고, IR와 UV 영역 대의 레이저 공정을 활용하여 8채널의 대면적 어레이 타입의 표면 근전도 센서를 개발하였다.이렇게 개발한 표면 근전도 센서는 블루투스로 무선통신이 가능한 모듈과 연결하여 실시간으로 발생하는 신호를 소프트웨어로 전송할 수 있다. 이를 통해 한번에 8개의 채널에서 발생하는 표면 근전도 신호를 손쉽게 수집할 수 있게 되었고, 25회 이상 재사용이 가능하며, 72시간 동안 피부에 부착하여도 인체 부작용 없이 성능을 유지할 수 있는 센서 디바이스를 구현할 수 있었다. 이렇게 수집한 표면 근전도 신호는 인공지능(AI)기반 그래프 신경망(Graph Neural Network. GNN)을 통해서 분석되었다. 기존에는 근전도 신호를 수집하고 분석할 때, 반복적인 동작이나 움직임이 매우 큰 동작을 취하면 잘못된 신호, 즉 노이즈가 다른 정적인 동작들에 비해 더 많이 발생할 수 있고 해당 신호로 인해 근전도 신호를 분석하는데 많은 어려움이 있었다. 또한, 착용자에 따라서 수집되는 표적 근육 신호가 다르다는 문제도 존재하였다. 이러한 연구의 한계를 극복하기 위해서 인공지능모델의 내부에 시·공간 레이어를 구분하여 설계하였으며 공간정보를 분석하는 레이어의 경우, 자기집중 기반 그래프 신경망을 구축하였다. 이를 통해 인공지능모델을 훈련시킨 결과 18개의 정적/동적 동작을 약 95.9±2%의 평균 정확도를 보이며 구분할 수 있었다. 그뿐만 아니라, 동일한 센서로 각기 다른 성별과 체형을 가진 착용자에게서 유의미하게 높은 결과를 기록하며 모델의 강건함을 뒷받침했다. 마지막으로 이 센서를 72시간 동안 착용하였을 때도 약 94.8±3%이내의 높은 정확도를 유지하는 것을 관측했다. 이는 일반적으로 최대 24시간 동안 사용하였을 때 정확도가 유지되는 현재의 하이드로젤 기반 센서 기술을 넘는 수준이라고 볼 수 있다. 김선국 교수는 이와 관련하여 “이번 연구는 재활의학, 가상현실까지 효율적인 제어가 필요한 응용 분야로의 실현을 이루어냈으며, 청각장애 및 난청 환자들이 자주 사용하는 손 제스처나 시각적 의사소통을 할 수 있는 수화에도 적용될 수 있을 것이고, 더 나아가 최근 주목받고 있는 사물-인터넷-사람 모두가 연결되는 6G 만물 인터넷(IoE) 시대를 관통하는 주요한 기술이 될 것”이라고 설명했다. 공동연구팀의 이번 연구 결과는 2023년 4월 세계적으로 권위 있는 저널 npj flexible electronics지에 게재되었다. 본 연구에는 신소재공학부 김선국 교수, 소프트웨어학과 박호건 교수, 의학과 윤경재 교수, 스리니바스 간들라 연구원이 공동 교신저자로 참여하였으며, 신소재공학과 이혜윤 석사과정 학생, 김재성 석·박사통합과정 학생과 전기전자컴퓨터공학과 이소영 석사과정생, 인공지능학과 정희수 석사과정생이 제1저자로 참여하였다. 본 연구는 한국연구재단, 성균관대 연구자 펠로우십 프로그램과 과학기술정보통신부 인공지능대학원사업의 지원을 통해 이루어졌다. ▲ 고신축 대면적 다채널 어레이 EMG 센서 및 AI 기반 그래프 신경망 (Graph Neural Network. GNN) 모델 모식도

2023-05-02