교원정보

에너지과학과 명창우 교수 연구팀, 대규모 원자 모델링 AI 개발

에너지과학과 명창우 교수 연구팀, 대규모 원자 모델링 AI 개발 - 대규모 원자 모델링 통해 얼음 상태도 등 다양한 재료 응용 가능성 선보여 ▲ (왼쪽부터) 에너지학과 명창우 교수, 유수행 연구교수, 김동건 석사과정생, Radhakrishnan Sundheep 연구원 에너지과학과 명창우 교수 연구팀(제1저자: 유수행 연구교수)이 대규모 원자 모델링을 위한 새로운 인공지능(AI) 기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술을 통해 얼음의 상태도, 질화 붕소 액체상, 리튬 고체 전해질 등 다양한 재료의 물리적 성질을 정확하게 예측하는 데 성공했다. 기존에는 슈뢰딩거 방정식*을 이용해 재료의 물리적/화학적 성질을 예측해왔으나, 많은 계산량으로 인한 한계가 있었다. 그러나 이번에 개발된 베이지안* 위원회 머신(Bayesian Committee Machine, BCM) 포텐셜*을 통해 더 빠르고 효율적인 시뮬레이션이 가능해졌다. 이는 에너지, 반도체, 바이오 등 여러 산업에 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다. * 슈뢰딩거 방정식: 전자 및 원자의 거동을 기술하는 양자역학 방정식 * 베이지안: 기존의 확률예측을 새로운 정보를 기반으로 지속적으로 업데이트하는 머신러닝 학습의 한 가지 방식 * 포텐셜: 원자 및 분자가 어떻게 상호작용하는지 예측하는 모델 BCM 모델은 압력을 학습하는 커널 기반 머신러닝 기술을 사용하여, 분자동역학 시뮬레이션을 실시간으로 학습하며 수행할 수 있다. 이를 통해 얼음의 상태도와 같은 복잡한 물리적 현상도 정확하게 예측할 수 있게 되었으며, 리튬 고체 전해질과 질화 붕소 액체상의 특성도 재현할 수 있다. ▲ 실시간 대규모 원자 시뮬레이션 AI 모델 개략도 연구에 참여한 유수행 연구교수는 “이번에 개발된 머신러닝 포텐셜은 앞으로 118종의 원소를 제1원리 수준에서 시뮬레이션할 수 있는 범용 기술의 기초가 될 것”이라고 밝혔다. 명창우 성균관대 교수는 “제1원리 계산은 많은 시간과 컴퓨팅 자원이 소요되지만, 범용 머신러닝 포텐셜을 사용하면 계산 시간을 대폭 줄일 수 있어 배터리, 태양전지, LED와 같은 에너지 소재를 더 빠르고 효율적으로 개발할 수 있을 것"이라고 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 한국과학기술정보연구원(KISTI), 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지 Physical Chemistry Chemical Physics(PCCP)에 7월 31일 게재되었다. 같은날 명창우 교수는 동 학술지에서 차세대 신진연구자로 선정되었다. ※ 논문명: Active sparse Bayesian committee machine potential for isothermal-isobaric molecular dynamics simulations ※ 논문링크: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/cp/d4cp01801j ※ 저자명: Soohaeng Yoo Willow, Dong Geon Kim, R. Sundheep, Amir Hajibabaei, Kwang S. Kim and Chang Woo Myung

2024-10-02

정치외교학과 윤비 교수, 아테네의 이집트 원정과 대전략을 재조명한 연구 발표

정치외교학과 윤비 교수, 아테네의 이집트 원정과 대전략을 재조명한 연구 발표 정치외교학과 윤비 교수가 고대 그리스 정치사의 기존 해석을 뒤집는 관점을 제시하는 논문을 발표했다. 윤 교수의 이번 논문은 동 저널 최신 아티클 분야에서 가장 많이 읽은 논문으로 수주째 1위를 달리고 있다. 이 논문에서 윤 교수는 아테네가 동부 지중해에서 패권을 확립하려 했던 이집트 원정의 실패가, 그들의 대전략에 어떻게 결정적 전환점을 가져왔는지 설명하고 있으며 하버드대 그레이엄 앨리슨 교수의 투키디데스 함정론에 대한 결정적인 반박이라는 평가를 받고 있다. 이 논문은 아테네가 스파르타와의 경쟁보다는 동부 지중해에서의 영향력 확대를 목표로 삼았으며, 이집트 원정 실패 후 아테네가 헬라스 내부에서 새로운 전략을 채택하게 된 과정을 분석한다. 윤 교수는 이를 통해 전쟁이 단순히 불가피한 결과가 아니라, 정치적 선택과 외부 요인에 의해 조정될 수 있었음을 강조한다. 특히, 그동안 펠로폰네소스 전쟁의 필연성을 주장해 온 역사적 해석에 대한 비판적 검토를 통해, 아테네와 스파르타 사이의 충돌이 불가피한 것이 아니었음을 입증한다. 윤 교수는 "이집트 원정의 실패가 아테네의 대전략을 재정립하고, 결국 헬라스 내에서의 권력 다툼을 촉발시켰다"며, 이 사건이 전쟁으로 이어진 복잡한 과정을 밝힌다. 이 연구는 고대 그리스 역사 및 국제 관계에 관심이 있는 학자들에게 새로운 시각을 제공하며, 펠로폰네소스 전쟁의 원인에 대한 논쟁에 중요한 기여를 할 것이라는 평가를 받고있다. 논문은 지난 2024년 3월 The International History Review에 온라인으로 출간된 이래 현재까지 1,100 조회수를 기록하고 있으며 오픈 액세스가 아님에도 오픈 액세스로 출간된 다른 논문들을 큰 격차로 제치고 가장 많은 뷰를 기록하고 있다. ※ 논문명: Was the Peloponnesian War Inevitable? Athens’ Campaign to Egypt (460-454 BCE) and the Evolution of its Grand Strategy(펠로폰네소스 전쟁은 불가피했는가? 아테네의 이집트 원정(기원전 460-454년)과 대전략의 진화) ※ 저널: The International History Review ※ 논문링크: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/07075332.2024.2319181

2024-09-26

건설환경공학부 이제찬 교수, ‘이산화탄소 줄이기 위한 새로운 나노소재’ 논문 발표

건설환경공학부 이제찬 교수, ‘이산화탄소 줄이기 위한 새로운 나노소재’ 논문 발표 - 이산화탄소 포집과 활용을 위한 나노실리카(DFNS) 소재 활용 전략 제시 - 화학 분야 최상위 학술지 ‘케미컬 소사이어티 리뷰’에 논문 게재 건설환경공학부 이제찬 교수 연구팀이 기후변화 문제 해결을 위한 새로운 나노 기술을 개발했다고 19일 전했다. 연구팀은 이산화탄소를 효과적으로 포집하고 이를 다양한 고부가가치 화합물로 전환할 수 있는 ‘수지형 섬유상 나노실리카(DFNS)’라는 나노소재를 이용한 연구 성과를 발표했다. 이번 연구는 탄소 배출 문제 해결과 더불어 지속 가능한 에너지원 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구에서 제시된 DFNS는 독특한 원뿔형 열린 기공 구조를 가지며, 이산화탄소 포집, 전환 시 표면적 및 기공 부피 감소를 최소화할 수 있다. 또한, DFNS는 합성조건을 변경하여 표면적과 기공 부피 등 질감 특성을 목적에 맞게 제어가 가능해 여러 CCUS(탄소 포집·활용·수집) 반응 중 원하는 반응에 최적화된 특성을 가지도록 조절이 용이하다. 이런 특성으로 인해 DFNS 소재는 이산화탄소 포집제, 이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환반응 촉매 등 다양한 CCUS 분야에 응용이 가능하며, 특히 높은 효율성과 안정성, 스케일업의 상대적 용이성 등 향후 산업적으로 확대 적용될 경우 기후변화에 대응하는 핵심 기술로 자리 잡을 수 있을 뿐만 아니라, 지속 가능한 에너지 자원 생산에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다. 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 세계적으로 권위 있는 학술지 Chemical Society Reviews에 게재되었다. 이 저널은 화학 분야 최상위 저널 중 하나로 영향력 지수(2023 Impact Factor) 40.4를 기록하며, 전 세계 화학 저널 중 상위 0.7%에 속할 만큼 영향력이 크다. 이제찬 교수는 “DFNS 기반의 CCUS 기술은 기존 CCUS 기술의 한계를 극복할 수 있는 높은 가능성을 보여주었으나, 아직 개선해야 할 점도 분명히 존재한다”며 “지속적이고 체계적인 연구를 통해 이 기술이 다양한 산업에 적용되어 지속 가능한 발전을 이루는 데 기여하기를 바란다”고 말했다. 연구팀은 본 논문에 발표한 결과를 기반으로 앞으로도 DFNS 소재를 활용한 CCUS 기술 개발을 지속하며 이를 다양한 분야에 확장·적용할 수 있도록 후속 연구를 진행할 계획이다.

2024-09-19

SAINT 안성필 교수 연구팀, 기존 배터리의 2배 성능을 지닌 고에너지·고출력 리튬이온 배터리 개발

SAINT 안성필 교수 연구팀, 기존 배터리의 2배 성능을 지닌 고에너지·고출력 리튬이온 배터리 개발 - 유연한 3차원 퍼콜레이티브 금속 구조를 통해 배터리 성능 획기적 향상 - 세계적 학술지 어드밴스드 머티리얼즈에 논문 게재 성균나노과학기술원(SAINT)의 안성필 교수 연구팀이 고에너지 밀도(208Wh/kg)와 고출력 밀도(1,048W/kg)를 가진 유연한 리튬이온 배터리를 개발했다고 11일 발표했다. 이번 연구는 3차원 금속 구조를 사용하여 기존 배터리의 성능을 크게 향상하였다. 기존의 리튬이온 배터리는 외부 충격이나 변형에 취약하여 폭발 위험이 따르고, 이러한 안전성 문제가 늘 해결 과제로 남아 있었다. 또한, 전통적인 배터리 제조 방식(슬롯 다이(Slot die) 공정)은 평평한 전극 구조에 전극 소재를 코팅하는 방식으로, 유연성이 떨어지고 배터리 성능이 제한되는 문제를 가지고 있었다. 특히, 전극이 두껍게 코팅되면서 전기화학적 성능이 떨어질 수 있으며, 물리적 변형 시 배터리 성능이 저하되거나 단락(쇼트)이 발생할 위험이 있다. 안 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전기방사(electrospinning)와 전기도금(electroplating) 기술을 활용하여 3차원 퍼콜레이티브 금속 마이크로 웹 기반의 초경량 배터리 전극을 개발했다. 또한, 새로운 코팅 방식인 정전기 스프레이 기술(electrostatic spraying)을 도입해 3차원 구조에서도 전극이 잘 코팅되도록 했다. 이렇게 만들어진 3차원 전극은 기존의 2차원 전극에 비해 무게가 4배 이상 가벼워졌으며, 반복적인 변형에도 전기적 특성이 거의 변하지 않는 높은 내구성을 보여주었다. 또한, 3차원 구조 덕분에 전극과 전해질의 접촉 면적이 크게 증가해 리튬이온의 이동성과 전자의 이동 속도가 각각 6배, 4배 이상 향상되었다. ▲ 3차원 퍼콜레이티브 금속 마이크로웹 기반 고에너지 및 고출력 밀도의 플렉서블 리튬이온 배터리의 제조 공정과 본 개발된 전극의 초경량성 및 기계적 특성 이번 연구를 통해 개발된 배터리는 기존 상용 배터리보다 2배 이상 뛰어난 성능을 자랑하며, 특히 웨어러블 전자기기와 같은 차세대 기기에 적합한 에너지 솔루션으로 주목받고 있다. 배터리는 굽히거나 잘라도 안정적인 성능을 유지하여, 안전성 또한 크게 향상되었다. ▲ 3차원 전극 구조의 Half-cell 성능 결과와 리튬이온확산 및 전자이동도 등의 전기화학적 및 시뮬레이션 안성필 교수의 이번 연구는 차세대 유연한 전자기기에 필수적인 배터리 기술을 크게 발전시킨 성과로, 기존 배터리 기술의 한계를 극복하는 중요한 계기가 될 것으로 기대된다. 이 연구는 과학기술정보통신부의 연구 지원을 받아 수행되었으며, 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재되었다. ▲ 3차원 전극 구조의 full-cell 성능 및 고분자 젤 전해질 기반 전고체 플렉서블 리튬이온배터리 성능 ※ 논문명: Percolative Metal Microweb-Based Flexible Lithium-Ion Battery with Fast Charging and High Energy Density ※ 저널: Advanced Materials ※ DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202407719

2024-09-11

약학과 신주영 교수 연구팀, 대사이상 지방간질환 환자 대상 SGLT2 억제제의 효과 연구 발표

약학과 신주영 교수 연구팀, 대사이상 지방간질환 환자 대상 SGLT2 억제제의 효과 연구 발표 - SGLT2 억제제, Thiazolidinedione 대비 주요 간 질환 예방에 효과적 - 의학분야 권위 학술지 Gut에 연구 결과 게재 ▲ (왼쪽부터) 약학과 신주영 교수, 배성호 박사, 고화연 박사과정생 약학과 신주영 교수 연구팀이 대사이상 지방간질환(Metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease, MASLD) 환자에서 SGLT2 억제제의 효과를 Thiazolidinedione 및 GLP-1 수용체 작용제와 비교한 연구 결과를 발표했다. 연구팀은 국민건강보험공단의 빅데이터를 활용해 40세 이상의 MASLD 환자들을 대상으로 2014년부터 2022년까지의 처방 기록을 분석했다. 이 연구 결과는 의학 분야에서 권위 있는 학술지 Gut(IF:23.0, JCI Ranking 상위 2.4%)에 9월 6일 온라인 게재되었다. MASLD는 지방간과 관련된 대사 이상으로 인해 발생하는 질환으로, 전 세계적으로 그 발병률이 급증하고 있다. 특히 제2형 당뇨병 환자의 약 60%가 MASLD를 앓고 있을 정도로 유병률이 높다. 이 질환은 초기에는 특별한 증상이 없어 치료 시기를 놓치기 쉽고, 병이 진행되면 간경변, 간부전 등 심각한 간 질환으로 이어질 수 있기 때문에 조기 치료와 예방이 중요하다. 하지만 지금까지 MASLD 환자에서 간질환 사건을 예방할 수 있는 혈당강하제에 대한 연구는 충분하지 않았다. 이번 연구에서는 SGLT2 억제제와 GLP-1 수용체 작용제, 그리고 Thiazolidinedione 계열, 세 가지 혈당강하제의 효과를 비교했다. 연구 결과, SGLT2 억제제와 GLP-1 수용체 작용제는 간 질환 예방 효과에서 큰 차이가 없는 것으로 나타났으나, SGLT2 억제제는 Thiazolidinedione보다 간 질환 발생 위험을 23% 낮추는 것으로 확인됐다. 특히 SGLT2 억제제의 효과는 여성과 65세 미만 환자에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. ▲ 대사이상 지방간질환 환자에서의 SGLT2 억제제 사용과 주요 간 질환 사건 예방 간의 비교 효과성 연구 결과 신주영 교수는 이번 연구가 MASLD 환자에게 주요 간 질환 예방을 위한 적합한 혈당강하제 선택에 중요한 근거를 제공했다며, 특히 SGLT2 억제제가 Thiazolidinedione 대비 간 질환 예방에 효과적이라는 점이 큰 의미를 가진다고 설명했다. 또한 연구진은 아직 국내에서 사용량이 낮은 최신 GLP-1 수용체 작용제에 대해서도 후속 연구가 필요하다고 강조했다. 신주영 교수 연구팀의 이번 연구는 서울대학교병원 내분비대사내과 배재현 교수, 조영민 교수, 강북삼성병원 장유수 교수, 류승호 교수, 영국 University of Southampton의 Christopher Byrne 교수 연구진과 공동으로 수행되었으며, 국민건강보험공단의 맞춤형 전수자료를 활용하였다. 또한, 환자중심 의료기술 최적화 연구사업단의 지원을 받아 진행됐다. ※ 논문명: Risk of hepatic events associated with use of sodium-glucose cotransporter-2 inhibitors versus glucagon-like peptide-1 receptor agonists, and thiazolidinediones among patients with metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease ※ 저널: Gut(IF: 23.0) ※ DOI: doi.org/10.1136/gutjnl-2024-332687

2024-09-10

조새벽 교수 연구팀, 인쇄 가능한 고성능 나노박막 태양전지 분자수준 제어기술 개발

조새벽 교수 연구팀, 인쇄 가능한 고성능 나노박막 태양전지 분자수준 제어기술 개발 ▲ (왼쪽부터) 화학공학/고분자공학부 조새벽 교수, 권현민 박사과정생, 순일바마 박사과정생 국내 연구진이 광감응성 분자잉크의 나노박막 프린팅을 통해 기존 실리콘 수준의 높은 에너지 변환율을 구현할 수 있는 태양전지 소재를 개발했다. 화학공학/고분자공학부 및 성균에너지과학기술원(SIEST) 조새벽 교수 연구팀은 이 같은 내용을 에너지 소재 기술 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(IF: 24.4, 상위 3%)에 발표했다. 플라스틱 등 유기소재를 기반으로 하는 유기태양전지(Organic Photovoltaics, OPV) 기술은 차세대 친환경 유비쿼터스 에너지 생산 기술로, 지난 2000년 물리학자 앨런 히거(Prof. Alan J. Heeger)가 해당 분야의 신소재 발견을 통해 노벨 화학상을 수상한 이후 많은 주목을 받아왔다. 유기소재의 특성상 잉크형태로 제조할 수 있어 단순한 프린팅을 통해 저가의 대면적 대량생산이 가능하며, 유연한 기판 위에 인쇄하게 되면 깨지지 않고 유연한 초경량 태양전지를 구현할 수 있는 신기술로서 개발되고 있다. 그러나 이러한 특성들은 필연적으로 소재의 화학적인 복잡성과 높은 무질서도를 동반하며 빛을 전기로 변환하는 과정에서 많은 열 발생을 유도한다는 점이 고질적인 문제점으로 지적되어 왔다. 또한 태양전지로서의 성능이 프린팅 과정의 환경과 조건에 영향을 크게 받아 대량생산의 걸림돌이 되었었다. 조 교수 연구팀은 이러한 높은 열적 에너지 손실의 근본적인 원인이 광감응성 분자잉크에서 발생하는 빛에너지의 흡수 및 변환 과정에서 일어남에 주목하였다. 플라스틱과 같이 기계적으로 유연한 소재는 분자수준(나노미터 이하)에서도 높은 유연성을 가지는데, 이러한 소재가 빛을 흡수하게 되면 분자구조의 변형이 일어나게 된다. 이때 변형의 정도는 열의 전도를 매개하는 열진동자(포논, Phonon)라는 준입자와 유사한 에너지를 가지기 때문에, 분자의 구조적 변화가 커질수록 열진동자가 활발하게 형성된다는 점을 발견하였다. 연구팀은 피코초(10의 12제곱 분의 1초) 수준의 해상도를 가지는 초고속 레이저 분광학 인프라를 기반으로 이러한 전이 및 형성과정을 직접 관찰하였으며, 이들과 분자의 구조 간의 상관관계를 밝혀냈다. 또한 기존의 1차원 형태였던 광감응성 분자를 2차원의 구부러진 사다리 형태(Ladder-type)로 구현하고 이들 내부의 전자 분포를 화학적인 개질을 통해 제어함으로써 기존의 높은 광감응성과 유연성, 인쇄친화성은 그대로 유지하면서도 열진동자의 생성을 억제하는 분자의 설계 방법을 제안하였다. 연구팀이 이렇게 구현한 나노박막 태양전지는 인쇄 조건이나 환경에 의한 영향을 거의 받지 않으며 기존 무기소재 기반의 태양전지만큼 뛰어난 광에너지 전환율(>86%)를 구현할 수 있었다. ▲ 상용 무기소재, 기존 연구 및 본 연구의 에너지 변환율 비교 조새벽 교수는 “본 연구를 통해 기존의 친환경성 및 유연성을 유지한 채 성능을 높인 태양전지용 분자 소재의 설계 원리를 개발했다”며 “향후 범용적인 친환경 에너지 소재의 주요 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. ▲ 본 연구에서 사용된 분자의 구조와 열에너지 손실과정 해석 결과 본 연구는 화학공학과 권현민, 순일바마 박사과정생이 제1저자로 참여하였고, 한국연구재단의 우수신진연구사업의 지원으로 수행되었다. ※ 논문명: Molecular Design Motifs of Non-fullerene Acceptors for Mitigating All Inherent Non-Ideal Energy Losses in Organic Photovoltaics ※ 저자정보: 권현민 박사과정생(제1저자), 순일바마 박사과정생(제1저자), 조새벽 교수(교신저자) ※ 저널: Advanced Energy Materials(IF: 24.4) ※ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202304558

2024-09-05

기계공학부 변도영 교수 연구팀, 세계 최초 변형 유도 일함수 특성 활용, 유연 나노발전기 설계

기계공학부 변도영 교수 연구팀, 세계 최초 변형 유도 일함수 특성 활용, 유연 나노발전기 설계 - 0.01Hz 수준의 초저주파 영역에서 2.3mA/m2 전력밀도 달성 - 에너지 분야 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 게재 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 변도영 교수(교신저자), 경상국립대 조대현 교수(교신저자), 성균관대 문준경 석박통합과정생(제1저자), 성균관대 임부시 석박통합과정생(공저자) 기계공학부 변도영 교수 연구팀은 경상국립대학교 조대현 교수(메카트로닉스공학부) 연구팀, 부산대학교 이승기 교수(재료공학부) 연구팀과의 공동연구를 통해 세계 최초 변형 유도 일함수 특성을 활용한 유연 나노발전기 개발에 성공했다. 생물의학 및 웨어러블 기술이 발전하고 디바이스 자체 전원 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 초저주파 진동으로부터 전기를 얻을 수 있는 효율적인 전력 생산 및 공급의 필요성이 대두되었다. 그러나 기존 마찰전기 나노발전기는 0.1Hz 이하의 초저주파에선 전력 생산 및 공급의 효율이 급격히 줄어드는 문제가 있었다. 변 교수 공동연구팀은 기계적 변형을 이용해 금과 유전체층 계면에서의 전위 평형 상태를 파괴, 유도된 일함수 변화에 대한 응답으로 전위 평형을 다시 맞추기 위해 전하 이동을 유도하는 메커니즘을 접목한 나노발전기를 세계 최초로 개발하였다. 이 나노발전기는 0.01 Hz 수준의 초저주파 영역에서 2.3mA/m2 전류밀도를 달성했고 0.5 Hz에선 4.8mA/m2를 달성하여 이전에 보고된 결과를 훨씬 능가한 최고 수준의 성능을 보여주었다. 또한, 기존 마찰전기 나노발전기의 접촉-분리 반복공정에 의한 마찰손상 문제를 배제, 1,000,000 사이클 후에도 성능저하 없이 안정적인 출력을 유지해 뛰어난 내구성을 입증하였다. 이 발전기는 일반적인 시계 끈에 장착할 수 있을 정도로 얇게 제작 가능하고, 손가락을 움켜쥐는 것만으로도 커패시터를 충전하여 LED 전원 공급 및 모스부호 신호 생성이 가능하다. 기존 전원을 사용할 수 없는 위급한 상황에서 비상 통신을 위한 전력을 생산할 수 있는 혁신적인 방법을 제시한 셈이다. 변도영 교수는 “변형에 의해 일함수가 조정될 수 있는 재료에 대한 폭넓은 선택성으로 인해 향후 연구 개발 방향은 무궁무진”하다며 “이번 기술이 나노발전기 연구의 획기적 발전을 촉진하고 기술 수준을 전례 없는 수준으로 끌어올릴 수 있을 것”이라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀의 이번 연구성과는 에너지 분야에서 권위있는 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’(IF: 32.4) 에 8월 23일자 게재되었다. ※ 논문명: Strain-induced electrification-based flexible nanogenerator for efficient harvesting from ultralow-frequency vibration energy at 0.5–0.01 Hz ※ 논문링크: https://doi.org/10.1039/D4EE02225D ※ 저자: 문준경 석박사통합과정(공동1저자, 성균관대 기계공학부), 이승기 교수(공동1저자, 부산대 재료공학과), 임부시 석박사통합과정(공저자, 성균관대 기계공학부), 변도영 교수(교신저자, 성균관대 기계공학부), 조대현 교수(교신저자, 경상국립대 메카트로닉스공학부)

2024-09-03

융합생명공학과 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발

융합생명공학과 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발 - 바이러스를 둘러싸 무력화하는 혁신적 저해제 개발 ▲ 융합생명공학과 정우재 교수(왼쪽)와 정진효 박사(오른쪽) 융합생명공학과 정우재 교수 연구팀이 인플루엔자 바이러스를 효과적으로 무력화할 수 있는 수용체 모방 나노필라멘트 항바이러스제를 개발했다. 포스트 팬데믹 시대를 맞아 학계에서는 호흡기 질환 바이러스의 신변종 출현에 신속히 대응할 수 있는 저해제 연구가 계속되고 있다. 이러한 연구는 바이러스 감염 기전을 근본적으로 차단하는 것을 목표로 하며 기존 치료법으로 대응이 어려운 변종 바이러스에도 효과를 발휘할 가능성을 지닌다. 이는 향후 공공 보건 시스템에 도입되면 팬데믹 대응 전략의 핵심 요소로 활용될 것으로 기대된다. 정우재 교수 연구팀은 바이러스가 사람의 세포에 감염되기 전에 이를 밧줄처럼 둘러싸 무력화시키는 ‘나노필라멘트 저해제’를 개발했다. 이 저해제는 인플루엔자 바이러스가 세포에 달라붙는 수용체를 모방한 화합물을 활용해, 바이러스가 숙주 세포에 침투하지 못하게 막는 혁신적인 방식이다. 제안된 소재는 시알산 수용체를 모방한 화합물을 M13 파지 표면에 고밀도로 도입하여 인플루엔자 바이러스와의 결합력을 극대화하고 저해효능을 강화하였다. 이 수용체 모방 나노구조는 다양한 인플루엔자 바이러스 종에 대해 효과적인 저해 효능을 보였다. 또한 동물실험을 통해 수용체-모방 M13 파지의 인플루엔자 치료 및 예방 효과와 안전성이 확인되었으며, 기존 치료제인 타미플루 성분인 오셀타미비르와 병용 투여했을 때 시너지 효과를 보였다. 종합하면 개발된 소재가 내성 발생의 위험을 줄이면서 다양한 인플루엔자 바이러스 종을 효과적으로 저해할 수 있는 저해제로서 활용 가능하다는 것이다. 정우재 교수는 “이번 연구는 기존의 항바이러스제와는 다른 혁신적인 방법으로 바이러스를 무력화하는 기술을 제시한 것”이라며, “향후 이 연구는 실제로 사용될 수 있는 치료제로 발전할 가능성이 크다”고 말했다. 정 교수는 “향후 인플루엔자뿐만 아니라 다양한 호흡기 질환 바이러스에 대한 대응 전략으로 확대될 가능성도 기대된다.”고 덧붙였다. 이번 연구는 한국보건산업진흥원 보건의료기술연구개발사업과 한국연구재단 중점연구소지원사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 생체 소재 분야 국제학술지 바이오머티리얼즈(Biomaterials)에 지난 8월 6일 게재되었다. ※ 논문명: Preventive and therapeutic effects of a super-multivalent sialylated filamentous bacteriophage against the influenza virus ※ 저널명: Biomaterials(IF: 12.8) ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122736 ○ 관련 언론보도 - 성균관대 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발 <이뉴스투데이, 2024.08.29> - 성균관대 정우재 교수, 바이러스 무력화하는 항인플루엔자 나노필라멘트 개발 <뉴시스, 2024.08.29.>

2024-08-29

성균나노과학기술원 김준기 교수, 스위스 취리히 연방공과대학과 양자컴퓨터 확장성 개선 국제 공동연구 출범

성균나노과학기술원 김준기 교수, 스위스 취리히 연방공과대학과 양자컴퓨터 확장성 개선 국제 공동연구 출범 - 주관기관인 성균관대 포함, 국내외 7개 기관 협력 연구 진행 - 2028년까지 총 90억 규모의 정부 지원 연구과제 수주 ▲ 성균관대 김준기 교수(좌), 취리히연방공과대 Jonathan Home 교수(우) 성균나노과학기술원 김준기 교수가 스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich) 물리학과의 Jonathan Home 교수와 공동으로 이온포획 양자컴퓨터의 확장성을 개선하기 위한 연구에 나선다. 본 연구과제(고안정성 3차원 이온포획 기반 다중 연산 영역 이온포획 양자컴퓨팅 개발)는 과학기술정보통신부로부터 2028년까지 총 90억 원의 연구비를 지원받아 국내 6개 기관(성균관대학교(주관), 이화여자대학교, 국민대학교, 서울대학교, 포항공과대학교, 한국기계연구소) 및 해외 협력기관(취리히 연방공과대학)과 함께 수행될 예정이다. 이번 공동연구는 양자컴퓨터의 성능과 확장성을 혁신적으로 개선하는 것을 목표로 한다. 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 고안정성 3차원 이온포획 기술을 개발하고 이를 기반으로 한 다중연산영역 구현을 통하여 양자컴퓨터 확장성 문제를 해결하기 위한 새로운 접근법을 모색한다는 계획이다. 이온포획 기술 전문가인 성균관대 김준기 교수는 활용 가능한 양자컴퓨팅 기술 개발을 목표로 다년간 연구를 이어왔으며 범용 양자컴퓨터 개발 과제를 성공적으로 수행한 바 있다. 김준기 교수는 “이번 연구가 양자컴퓨터의 실용화에 한 걸음 다가가는 것은 물론, 한국과 스위스 간의 과학기술 협력 강화를 위한 중요한 계기가 될 것”이라고 말했다. 한편 우리 대학은 이번 공동연구를 통해 양자컴퓨터 분야에서의 글로벌 연구 역량을 강화하고 양자컴퓨터의 실용화 및 상용화를 위한 연구 성과를 기대하고 있다. 앞으로도 우리 대학은 세계 유수의 연구기관과 협력을 통해 첨단 과학기술 연구를 선도해 나갈 계획이다.

2024-08-28

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 - DNA 최적화 기술과 이중 커피링 기술을 활용해 수은 등 독성 물질 검출 ▲ (왼쪽부터) 성균관대학교 바이오메카트로닉스학과 박주형 박사(제1저자), 채경환 석박통합과정(제1저자), 일리노이대학 김웅 박사(제1저자), 금오공과대학교 류준석 교수(교신저자), 고려대학교 나성수 교수(교신저자), 성균관대학교 박진성 교수(교신저자) 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 고려대 나성수 교수, 금오공대 류준석 교수 연구팀과 공동으로 세계 최초 DNA 염기서열을 최적화하고 이중 커피링* 농축 기술을 이용하여 식품 속 독성 중금속(수은) 이온의 초고민감도 검출에 성공하였다. 연구팀은 이 같은 내용을 저명한 분석화학분야 국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)에 게재하였다. * 커피링(coffee ring) 효과: 커피를 테이블에 흘리면 가장자리에 커피가루가 진하게 남는 현상. 커피 방울의 가장자리와 안쪽의 증발속도 차이로 인해 입자들이 가장자리로 농축되어 나타남. 수은은 아말감 합금 및 디스플레이 소재 등에서 광범위하게 사용되는 물질이나, 인체에 노출되면 중추신경계 마비와 폐 손상을 유발할 수 있는 위험한 독성 물질이다. 수은은 특히 화산 폭발과 같은 자연현상이나 발전소 등에서 배출된 증기가 비를 통해 이동하며 해양 생태계에 축적되고 있다. 이런 이유로 먹이사슬 상위에 있는 참치와 같은 어류에서 수은 농도가 높게 나타날 수 있고 이를 섭취한 인간에게도 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 식품 속 수은 함유량을 정확히 검출하는 기술이 매우 중요하다. 공동연구팀은 기존의 DNA 기반 수은 이온 검출 센서가 가지고 있던 한계를 극복하기 위해 새로운 접근법을 도입했다. 기존 센서들은 DNA 염기서열을 티민으로만 구성해 수은 이온과의 결합 효율을 높이려 했으나, 오히려 DNA 간의 반발력이 크게 작용해 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 수은 이온과 결합 효율이 우수한 DNA 염기서열을 최적화했다. 이 과정에서 연구팀은 PCR-melting curve를 사용하여 DNA와 수은 이온 간의 결합 효율을 극대화할 수 있는 서열을 선정하는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 이중 커피링 효과를 적용해 센서의 민감도를 크게 향상했다. 커피링 효과를 응용해 수은 이온과 최적화된 DNA가 센서의 가장자리로 농축되도록 함으로써 결합 효율을 더욱 높였다. ▲ 본 센서 기판의 최적화 과정과 이를 이용한 참치 속 수은 이온의 검출 메커니즘 모식도 연구팀은 특정 단일파장의 광원을 분석 시료에 조사하여 결합 상태에 따른 진동 에너지의 변화를 고유한 스펙트럼으로 확인하는 라만 분광 기술을 사용하였다. 특히 라만 신호를 극대화하기 위해 표면증강라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)을 적용하였고, 이는 분석 물질이 흡착된 기판의 나노 구조에 따라 성능이 결정된다. 이를 위해 연구팀은 바이메탈 나노 기둥 형태를 제작하여 SERS 기판으로 사용하였고 SERS 기판 위에 DNA를 고정해 수은 이온을 민감하게 검출하였다. * 바이메탈 : 서로 다른 2가지 종류의 접합된 금속 소재 조합을 의미함. 바이메탈 나노소재는 SERS 효과가 증가하는 것으로 알려져 있음. 연구팀은 최적화된 SERS 센서를 이용해 증류수에서는 극저농도인 208.7fM (femto molar, 10-15 M) 농도까지 검출하였고, 실제 수돗물과 식수에서는 각각 553.2fM, 950.2fM까지 검출가능하였다. 또한 참치캔과 참치회 추출물에서는 각각 9.9nM(nano molar, 10-9 M), 79.1nM 농도의 수은을 성공적으로 검출하였다. 교신저자인 우리 대학 박진성 교수는 “이번 연구에서 제안한 센서 기술은 DNA 서열 최적화와 커피링 농축 기술을 결합해 고민감도 SERS 센서의 원천기술을 제시한 것”이라며, “이 기술은 앞으로 독성 물질 검출뿐만 아니라, DNA 기반 바이오센서와 헬스케어 분야에서도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단(중견연구, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업)과 고려대학교의 지원을 받아 진행되었다. ※ 논문명: Highly enhanced Hg2+ detection using optimized DNA and a double coffee ring effect-based SERS map ※ 저널: Biosensors and Bioelectronics(IF: 10.7) ※ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116646 ○ 관련 언론보도 - 참치에 있는 중금속 수은, 초고민감도 센서로 잡아낸다 <조선비즈, 2024.08.26.> - 성균관대-고려대-금오공대 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 <한국대학신문, 2024.08.26.> - 성균관대, 이중 커피링 기술로 수은 초민감도 검출 성공 <뉴스1, 2024.08.26.> - 성균관대-고려대-금오공대 연구팀, 참치 속 수은 검출 센서 개발 <뉴데일리, 2024.08.26.> - 세계 최초 DNA 염기서열 최적화…“참치 속 중금속 검출” <대학저널, 2024.08.26.> - 성균관대-고려대-금오공대 공동연구팀 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 <베리타스알파, 2024.08.26.> - 성균관대 공동연구팀, 참치 속 독성 중금속 검출 센서 개발 <이뉴스투데이, 2024.08.26.>

2024-08-28