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융합생명공학과 박우람 교수, 기능성 지질나노입자 활용 간암 표적형 면역세포치료제 개발
융합생명공학과 박우람 교수, 기능성 지질나노입자 활용 간암 표적형 면역세포치료제 개발 - 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈에 지난 7일 논문 게재 ▲ 융합생명공학과 박우람 교수(왼쪽)와 신하은 박사(오른쪽) 융합생명공학과 박우람 교수 연구팀은 자연살해세포(NK세포)를 활성화하고 동시에 유전적 엔지니어링이 가능한 기능성 지질나노입자(Lipid nanoparticle, LNP)의 개발을 통해 NK세포 기반 간암 표적형 면역세포치료제를 구축하여 효능이 뛰어난 간암 치료용 면역세포치료제를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 면역세포치료제는 우리 몸의 면역세포를 이용해 암세포를 공격하는 혁신적인 치료법으로 알려져있다. 그중 NK세포는 특별한 항원 없이도 암세포를 직접 인식하고 살상할 수 있다. 이 치료법의 큰 장점은 건강한 사람의 NK세포를 사용할 수 있어 환자 자신의 세포를 이용하는 것보다 세포 확보가 쉽고 비용이 낮으며 효율과 안정성이 높다는 점이다. 이 때문에 NK세포 기반 면역세포치료제는 암 치료 분야에서 매우 유망한 치료 전략이다. 하지만 암 치료에 활용되는 NK세포의 유전자 조작이 어려워 국내외 연구자들은 이를 극복하기 위해 노력하고 있다. NK세포에서는 암세포를 표적으로 하는 Chimeric Antigen Receptor(CAR)이라는 특별한 수용체의 유전자의 전달이 제한되어 이를 엔지니어링하는 데 어려움이 있다. 박우람 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 NK세포에 유전자를 효율적으로 전달할 수 있고 동시에 NK세포의 암 치료 능력을 향상시킬 수 있는 기능성 지질나노입자를 개발하는 데 성공했다. 연구진은 이 기능성 지질나노입자를 사용하여 유전자가 NK세포 내에서 높게 발현되고, 암세포를 더 효과적으로 사멸시킬 수 있는 간암 치료용 NK세포 기반의 면역세포치료제를 만들었다. 연구팀은 개발한 기능성 지질나노입자를 이용하면 생쥐와 사람 유래 NK세포에서 암을 공격하는 수용체가 더 많이 만들어지고 암세포를 더 잘 죽일 수 있게 되었다는 것을 확인했다. 삼성서울병원 의학과 조덕 교수팀과의 공동 연구를 통해 이 기술이 사람 유래 NK세포에서도 효과가 있음을 확인하여 임상 적용 가능성을 보여주었다. 이 새로운 NK세포 치료제는 생쥐 실험에서 간암뿐만 아니라 복막암까지 효과적으로 없애는 것을 확인했으며 간 기능도 정상으로 돌아오는 것을 확인할 수 있었다. 이는 연구팀이 만든 암 표적형 NK세포 치료제가 암을 효과적으로 치료할 가능성이 크다는 것을 의미한다. 박우람 교수는 “기존의 면역세포치료제로는 치료하기 어려웠던 고형암을 목표로 삼아, 새로운 치료제 개발에 착수했다. 이 과정에서 COVID-19 백신 개발에 사용된 지질나노입자 기술을 응용하여 효과적인 NK세포 기반의 면역치료제를 만드는 데 성공했다”며 “앞으로도 생명공학, 나노기술, 면역학, 및 의료영상학 등 여러 분야의 전문 지식을 결합하여 난치성 질환을 치료할 수 있는 새로운 나노의약품 개발에 전념할 계획”이라고 밝혔다. ▲ 생쥐 간암 모델에서 NK세포 면역세포 치료제의 암 표적형 면역항암치료 한국연구재단 및 한국보건산업진흥원이 추진하는 연구사업으로 수행된 이번 연구 결과는 생체재료 분야 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19, JCR: 4.21%)에 3월 7일 온라인 게재되었다. ※ 논문 제목: Enhancing CAR-NK cell against solid tumors through chemical and genetic fortification with DOTAP-functionalized lipid nanoparticles, ※ 저널: Advanced functional materials (Impact factor: 19) ※ 게재일: 2024년 3월 7일(온라인) ※ 제1저자: 신하은 박사, 교신저자: 박우람 교수 ※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202315721
2024-03-19
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SAINT 전일 교수 공동연구팀, 친환경 투명유연전극 고분자 기판 개발을 통한 폴더블 페로브스카이트 태양전지 구현
SAINT 전일 교수 공동연구팀, 친환경 투명유연전극 고분자 기판 개발을 통한 폴더블 페로브스카이트 태양전지 구현 - Carbon Energy 게재 ▲ (왼쪽부터) 김언수 박사, 남정석 박사과정생, 윤정진 박사, 서울대 최만수 교수, 성균관대 전일 교수 SAINT 전일 교수 연구팀이 서울대학교 최만수 교수 연구팀과 공동으로 용액 공정 탄소나노튜브 소재가 적용된 친환경의 투명유연전극 고분자 기판을 개발하고 이를 이용해 폴더블 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다고 밝혔다. 휴대용 에너지 기술의 수요는 최근 스마트 디바이스의 발전 방향에 상응하여 개발되어야 한다. 예를 들면 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 다양한 폼팩터 또는 바이오(건강), 드론과 관련된 다양한 애플리케이션들이 이에 해당한다. 따라서 에너지 디바이스는 높은 에너지의 생산과 저장 성능이라는 본질적인 성능 요건뿐만 아니라 이러한 변화에 대응할 수 있는 기계적인 유연성 및 대면적 생산에 대한 호환성 등의 요건들을 추가로 갖추어야 한다. 페로브스카이트 태양전지는 유/무기 혼합 페로브스카이트 결정을 광 흡수체로 활용하는 차세대 태양전지로 기존 실리콘 태양전지가 가지지 못하는 유연성 특성을 가진다. 그래서 다양한 애플리케이션을 가지는 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 유연 디바이스 구현을 위해서는 투명 전극 소재와 이를 포함하는 유연 기판이 가장 중요하다. 기존의 널리 사용되고 있는 전극 소재인 인듐주석산화물(indium tin oxide, 이하 ITO)는 광학적·전기적 특성이 우수하나 기계적 유연성이 떨어진다. 또한 폴리머 기반전극 소재인 PH1000(PEDOT:PSS)는 화학적인 안정성이 떨어져서 아직 실생활의 적용에는 적합하지 않다. 또한, 태양광 기술의 대면적화(태양광 모듈/패널 구현)을 위해서는 전극층을 비롯한 특정 층들을 레이저로 가르는 공정이 필수적이며 이 과정에서 디바이스가 열손상을 입을 수 있다. 유연 디바이스의 경우 열적 안정성이 높지 않은 플라스틱 소재를 주로 사용한다. 이러한 점에서 유연 디바이스의 전극/기판 측의 선택에 있어서 뛰어난 광/전기적 특성, 높은 기계적 유연성, 열적 안정성의 요건들이 중요하게 고려되어야 한다. 탄소나노튜브-패릴린C “전극/기판” 복합체 개발일반적으로 탄소나노튜브를 전극층으로 사용하는 디바이스의 경우, 디바이스의 제작은 탄소나노튜브 전극층을 형성하고 그 위에 이루어지게 된다. 용액 공정으로 도포되는 탄소나노튜브는 그 형태를 유지하기 위한 유기 바인더(binder)가 존재하는데 이 바인더 물질이 탄소나노튜브 층의 표면으로 몰리려는 성향이 있다. 이 바인더는 전기적으로 절연체의 특징을 가지기 때문에 태양전지를 비롯한 디바이스의 입장에서는 성능을 낮추는 요인 중의 하나이기도 하다. 연구팀은 용액 공정이 가능한 이중벽탄소나노튜브(double-walled carbon nanotubes, 이하 DWNT)를 전극 소재로서 폴리카보네이트 층에 도포하고, 그 위에 실제 기판으로 사용될 패릴린-C 폴리머를 저온 CVD로 형성하였다. 이 상태에서 DWNT의 바인더는 DWNT의 표면에 해당되는 DWNT와 패릴린-C의 계면에 몰리게 된다. 그 다음 유기 용액 공정을 통해 폴리카보네이트를 선택적으로 제거하면, DWNT가 패럴린-C에 도포된 형태의 투명전극이 만들어진다. 해당 투명전극은 태양전지가 형성될 DWNT면에 바인더가 거의 없는 상태가 되어 태양전지를 제작했을 때 전기적인 손실을 획기적으로 감소시킨 것이 이 전극/기판 복합체의 핵심이다. 개발된 복합체는 다음과 같은 2가지의 특장점을 가지고 있다. 1. 태양전지 효율 및 기계적 유연성 연구팀은 제작된 복합체를 활용한 유연 페로브스카이트 태양전지가 18.11%의 효율을 나타낸다고 밝혔다. 이는 기존 ITO 소재를 활용하는 태양전지 효율인 18.89%에 근접한 효율이며, 지금까지 보고된 탄소나노튜브 투명 전극 기반 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 성능이다. ▲ 제작된 복합체를 활용한 유연 페로브스카이트 태양전지의 구조와 디바이스 특성 유연 태양전지의 기계적 유연성 테스트(굽힘 테스트) 결과 ITO 기반 디바이스의 경우 해당 조건에서 몇 차례의 굽힘 사이클만으로도 효율(PCE, power conversion efficiency)이 급격하게 떨어진다. 이는 ITO 전극 소재가 낮은 기계적인 유연성을 가졌기 때문이다. 반면 DWNT와 폴리머 전극(PH1000) 디바이스는 10,000회의 사이클에도 안정적으로 성능을 유지하여 전극 소재로서 우수한 기계적 유연성 특성을 보였다. ▲ 3가지 타입의 유연전극 소자의 10,000회 굽힘 테스트에 따른 효율 변화 2. 대면적화 공정 적합성 – 열적 안정성 마지막으로 연구팀은 태양전지 기술의 대면적화 공정 적합성을 비교하기 위하여 레이저 공정에 대한 취약성 테스트를 수행하였다. 아래 이미지는 전도성 원자 힘 현미경(c-AFM) 데이터로, 표면의 전기 전도성 분포를 파악하는 데 이용된다. 레이저 공정 후 두 가지 전극(DWNT, 폴리머 PH1000) 표면에 대한 c-AFM 데이터를 통해 DWNT/패릴린 복합체의 경우 레이저 공정 후에도 밝은 영역들이 유지되는 것을 보였으며 이는 DWNT 전극이 레이저 공정 후에도 전극으로서의 기능을 잘 유지하고 있음을 의미한다. 반면 폴리머 전극인 PH1000의 경우 밝은 영역들이 존재하지 않는 것을 보여, PH1000 전극은 기계적인 유연성을 가지고 있으나 열적 안정성이 떨어져서 대면적화에는 적합하지 않음을 의미한다. 연구팀은 이를 통해 이 연구에서 개발된 DWNT/패릴린 복합체가 유연 태양전지의 유연성과 대면적화 측면에서의 문제점들을 해결하고 개발을 가속화할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다. ▲ 레이저 공정(P2, P3)이후의 C-AFM 이미지 ▲ 용액형 탄소나노튜브 투명전극 기반 대면적 폴더블 태양전지 모듈의 모식도 ※ 논문명: Enhanced Performance of Solution-Processed Carbon Nanotube Transparent Electrodes through Vertical Separation of Binders by using Eco-friendly Parylene Substrate: Prospects for Laser-Scribing Perovskite Solar Modules ※ 학술지: Carbon Energy(IF: 21.556) ※ 저자: 김언수 박사(공동 제1저자, 서울대 멀티스케일 에너지 연구단/프런티어 에너지 솔루션), 남정석 연구원(공동 제1저자, 성균관대 SAINT 나노공학과 박사과정), 윤정진 박사(공동 제1저자, 펜실베니아주립대학교 재료공학과), 한지예 박사(성균관대 SAINT 나노공학과), 최만수 교수(공동교신저자, 서울대 멀티스케일 에너지 시스템 연구단/프런티어 에너지 솔루션), 전일 교수(공동교신저자, 성균관대 SAINT 나노공학과)
2024-03-08
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의과대학 정밀의학교실 김근형 교수 연구팀, 인공 장기 제작용 신개념 바이오프린팅 플랫폼 기술 개발
의과대학 정밀의학교실 김근형 교수 연구팀, 인공 장기 제작용 신개념 바이오프린팅 플랫폼 기술 개발 - 미세 인체 조직의 계층구조 모사를 가능하게 하는 신개념의 바이오프린팅 플랫폼 개발 ▲ 김근형 교수(왼쪽)과 구영원 박사과정생(오른쪽) 바이오프린팅은 의료 목적의 인공 조직/장기를 세포가 포함된 바이오잉크와 3차원 프린터를 이용하여 제작하는 기술로, 현재 이식용 인공장기 제작뿐 아니라 암 조직을 모사한 인공 암 모델 등 암 기전 연구 등 다양한 재생·진단·응급 의료 분야 연구에 활발히 활용되고 있다. 바이오잉크는 세포 운반체임과 동시에 세포가 자라는 스케폴드이기 때문에 주로 하이드로젤로 제작되며, 특히 콜라겐과 같은 생체 유래 하이드로젤을 사용해야 세포 활성 및 분화에 유리하다. 하지만 이 같은 생체 유래 하이드로젤은 낮은 가공성 때문에 실제 바이오프린팅에 적용하는데 한계가 있으며, 이를 극복하기 위한 연구가 진행됐다. 세포가 포함된 지지체는 원활한 산소 및 영양분 공급을 위해서는 배양액이 순환할 수 있는 통로 역할을 하는 마이크로공극 구조가 필수적이다. 그러나, 대부분의 기존 제작 방법은 세포 활성이 제한적이거나 주입된 공기에 의한 물성 감소 등 한계점이 명확하였으며, 특히 뼈의 계층구조 및 혈관화와 같은 생체조직의 미세구조를 제대로 모사하는 데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 의학과 김근형 교수 연구팀(1저자: 구영원)은 마이크로 공극 구조를 가지면서 3차원 형상 가공성이 크게 향상된 콜라겐 기반 바이오잉크를 개발하였다. 김근형 교수는 “본 연구의 의의는 기존 바이오잉크의 한계를 극복하고 바이오잉크의 가장 중요한 두 가지 특성, 즉 가공성과 생물학적 특성 사이의 밸런스가 잘 잡힌 신개념 바이오잉크를 개발한 것이며, 이 바이오잉크를 통해 기존에는 어려웠던 혈관화된 생체 장기의 세부 묘사 및 3차원 구조 모사가 가능할 것으로 생각된다. 향후에는 우수한 물성 및 생물학적 특성으로 더 다양한 조직 관련 재생 연구 및 암발생 환경을 모사한 바이오칩을 포함한 다양한 질병 연구에도 직접적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 위 연구는 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 바이오산업핵심기술개발사업과 질병관리청 사업을 통해 지원받아 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지인 Advanced Functional Materials (주저자: 구영원, IF: 19.0)에 2월 28일 온라인 발표되었다. ※ 논문명: An Approach for Fabricating Hierarchically Porous Cell‐Laden Constructs Utilizing a Highly Porous Collagen‐Bioink
2024-03-07
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바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 공동연구팀, 핵산 증폭 오류 차단 기법을 이용한 팬데믹 바이러스 조기 변이 추적 센서 개발
고려대-성균관대-호서대-금오공대 센서공동연구팀, 세계 최초 핵산 증폭 오류 차단 기법을 이용한 팬데믹 바이러스 조기 변이 추적 센서 개발 <뉴스티앤티, 2024.03.06.>
2024-03-06
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SAINT 신성식 교수 연구팀, 세계 최초 가볍고 잘 휘어지는 대면적 페로브스카이트 태양전지 개발
SAINT 신성식 교수 연구팀, 세계 최초 가볍고 잘 휘어지는 대면적 페로브스카이트 태양전지 개발 - 롤투롤 공정을 통한 ‘유연한’ 태양전지 대량 생산 기대 - 에너지 분야 저명 국제학술지 Joule 게재 ▲ 성균나노과학기술원 신성식 교수(왼쪽, 교신저자)와 이다슬 박사(오른쪽, 제1저자) 성균나노과학기술원 신성식 교수 연구팀은 한국화학연구원(전남중 박사), 카이스트(서장원 교수)와의 공동연구를 통해 세계 최초로 900cm2 크기의 가볍고 잘 휘어지는 대면적 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 7일 밝혔다. 태양전지를 건물, 자동차, 항공기, 착용형(웨어러블) 기기 등에 활용하기 위해서는 가볍고, 유연한 형태의 태양전지가 필요하다. 성균관대 신성식 교수 공동연구진은 가볍고 잘 휘어지는 고분자 기판을 사용하여 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 유연한 태양전지의 경우 딱딱한 기판 위에서 제작된 태양전지와 비교해 상대적으로 효율과 안정성에 대한 연구가 부족했고 상용화를 위한 태양전지의 크기 확대에도 한계가 있었다. 연구진은 유연한 기판 위에 코팅되는 산화물 전자수송층이 션트(Shunt) 경로를 유발하고, 저항을 증가시켜 유연 태양전지의 효율, 안정성, 대면적화에 크게 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 전자 전달 특성은 향상시키면서 션트 경로는 최소화할 수 있는 새로운 형태의 전자수송층을 개발하는 데 성공했다. 이를 통해 유연 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있었고, 세계 최초로 상용화 가능 수준 크기인 900cm2의 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 특히, 개발된 900cm2 크기의 유연 태양전지 광·전 변환 효율은 16.4%로 ‘세계 최고 수준의 효율’이라고 연구팀은 밝혔다. 연구책임자인 신성식 교수는 “공개한 900cm2 크기의 가볍고, 휘어지는 페로브스카이트 태양전지 기술은 기존 일본의 도시바가 발표한 703cm2보다 크며, 롤투롤 공정을 통해 신문처럼 생산할 수 있어서 페로브스카이트 태양전지의 대량 생산화를 앞당길 수 있는 중요한 초석이 될 수 있을 것이다. 특히 지금까지 장비 문제로 대면적 연구에 제약이 있었지만, 현재 연구실 내에 대면적 관련 모든 인프라를 갖춰 심화하고 있는 일본, 중국과의 경쟁에서 원천기술 확보를 위한 연구에 박차를 가하고 있다”고 말했다. 제1저자인 이다슬 박사는 “대면적 유연 페로브스카이트 태양전지는 수백마이크로미터에 달하는 실리콘 태양전지에 비해 얇고 가볍고, 곡면에서 부착할 수 있어, 향후 자동차, 드론, 휴대용 전자기기에 등 광범위하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 우리 대학 성균나노과학기술원 신성식 교수 연구팀(이다슬 박사)의 주도 아래, 한국화학연구원의 전남중 박사와 서유현 박사, 카이스트의 서장원 교수와 김택수 교수, 고려대학교의 강윤묵 교수가 공동으로 참여했다. 이번 연구는 산업통상자원부의 신재생 에너지 핵심기술개발사업과 교육부와 한국연구재단이 주관하는 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀의 이번 연구성과는 에너지 분야 저명한 국제학술지인 Joule(IF: 39.8)지에 최근 게재되었다. ※ 논문명: Overcoming stability limitations of efficient, flexible perovsktie solar modules ※ 저자명: 신성식 교수, 서장원 교수, 전남중 박사(교신저자), 이다슬 박사(제1저자)
2024-03-06
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소프트웨어학과 서의성 교수 연구팀, SSD 디스크 조각모음… 성능 향상과 관계없어
SSD 디스크 조각모음… 성능 향상과 관계없어 <동아일보, 2024.03.04.>
2024-03-06
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이영희 교수, “효율한계를 극복할 차세대 태양전지 세상 도래할 것”
이영희 교수, “효율한계를 극복할 차세대 태양전지 세상 도래할 것” - 이영희 성균관대 HCR석좌교수, 사이언스(Science) 지 논평 게재 - 그래핀/반데르발스 반도체 접합을 이용한 차세대 핫캐리어 태양전지 제시 그동안 실리콘, 유기물, 고분자, 페로브스카이트 등 다양한 태양전지 재료를 사용해 왔지만, 과연 단일물질에서 열역학적 한계인 태양전지효율 34%를 넘어설 수 있을까? 물리학과 이영희 HCR 석좌교수(나노구조물리연구단장)는 3월 2일 국제학술지 사이언스(Science, IF 56.9)의 전문가의 목소리(Expert Voices) 코너를 통해 태양전지 효율 개선에 관한 현주소와 나아가야 할 길을 짚어보는 논평을 게재했다. 전문가의 목소리는 세계 과학계에 반향을 일으키고 있는 분야를 선정해 이 분야를 선도하고 있는 연구자의 의견을 듣는 코너이다. 태양은 가시광선 이외에도 적외선, 자외선 등 다양한 빛에너지를 방출하며, 이중 지구 표면에 단위면적당 평균 0.1 와트(~0.1 W/cm2)가 도착한다. 지속 가능한 빛에너지를 전기로 전환하면 푸른 지구 환경을 개선하는 데 쓸 수 있다. 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지는 실리콘, 유기물, 고분자, 페로브스카이트 등 반도체 재료를 사용한다. 예를 들면, 실리콘을 이용한 p-n 접합 소자에 빛에너지를 조사시키면 전자를 여기시켜 전자-홀쌍을 만들고, p-n 접합에 이미 형성된 전압 때문에 전자와 홀을 분리시켜 광전류(전기에너지)를 만든다. 태양광이 입사하면 열손실 (30%), 투과도 (25%) 등으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 밴드갭이 1.3 eV인 경우, 이론적으로 쇼클리-퀘이저 한계인 최대 34% 태양전지효율을 구현할 수 있지만, 지금까지 실험적으로 단일물질에서 30% 이상의 태양전지효율을 보인 적은 없다. 태양전지 흡수체의 열손실을 회복시켜 과연 쇼클리-퀘이저 열역학적인 한계를 극복할 수 있을까? 여기에는 캐리어 증폭과 핫캐리어 추출의 두 가지 전략을 생각할 수 있다. 2배 이상의 밴드갭을 가진 빛에너지로 여기시킬 때, 흡수체 내에서 전자-전자 산란이 크거나 전자-포논 결합이 약하면 열손실없이 에너지보존법칙에 의해 전자-홀쌍을 추가적으로 발생하여 광전류를 증폭시켜, 결과적으로 태양전지효율을 이론적으로 44%를 구현할 수 있다. 더 나아가, 높은 빛에너지로 여기시킬 때 열손실이 발생하기 전에 높은 에너지를 가진 전자를 전극으로 추출하면 태양전지의 작동전압을 증가시켜 태양전지효율을 이론적으로 67%까지 올릴 수 있다. 보통 기존 물질에서는 캐리어-캐리어 산란이 너무 약하고 엑시톤 결합에너지가 낮아 캐리어 증폭과 핫캐리어 현상을 볼 수 없다. 그동안 PbSe, CdSe, Si 등의 양자점에서, 양자구속효과를 이용하여 캐리어-캐리어 산란을 증가시켜 캐리어 증폭을 만들 수 있었다. 하지만, 양자점을 필름으로 만들 경우, 광흡수도가 선택적이고 전극저항이 커서 태양전지효율을 개선하는 데는 한계가 있었다. 차세대 태양전지 물질로 MoTe2, WSe2 등과 같은 이차원 반데르발스 반도체물질이 최근 각광을 받고 있다. 특히 2배 이상의 밴드갭을 갖는 빛에너지를 조사하면 광효율을 200% 이상으로 증폭시켜 이상적인 태양전지물질이라는 것이 증명되었다. 반데르발스물질은 필름으로 존재하고 전도도가 높은 장점이 있지만 쇼트키장벽이 높아 여전히 효율 개선에 제한이 있다. 그럼에도 불구하고 반데르발스물질은 효율한계를 극복하여 차세대 태양전지를 구현할 가능성이 높다. 또한 그래핀은 반데르발스물질이면서 핫캐리어물질로 잘 알려져 있다. 그렇지만 흡수도가 ~3%로 낮고 금속이어서 직접 태양전지 흡수체로 쓰기는 어려웠다. 이영희 교수는 그래핀과 반데르발스 반도체 물질을 이종접합하면 차세대 태양전지를 구현할 수 있을 것이라고 예측했다. 이종접합은 그래핀의 핫캐리어와 반데르발스 반도체의 높은 광효율을 쓰는 이득 이외에도, 이종접합시 결함을 최소화하여 캐리어 재결합 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. 더 나아가 그래핀 핫캐리어를 효율적으로 전극으로 추출하기 위해서 산화물과 같은 터널링 층을 도입하는 것을 제안하고 있다. 일반적으로 산화물은 트랩과 같은 장벽으로 작용하지만 두께가 나노미터로 얇으면 터널링 층의 역할을 한다. 예를 들어, 티타늄산화물의 경우 3가 및 4가 산화상태가 존재하고 그 관련 에너지 상태가 넓은 영역에 존재하여 광범위한 에너지 영역에서 핫캐리어를 추출할 수 있는 강점이 있어, 태양전지에서 높은 작동전압을 구현할 수 있다고 예측했다. 핫캐리어 태양전지의 이상적인 밴드갭은 0.7 – 0.9 eV이다. 좋은 소식은 이제까지 다양한 밴드갭을 가진 반데르발스 반도체 물질들이 존재한다는 것이다. 또 다양한 밴드갭을 가진 물질을 층상으로 텐덤구조를 만들면 이상적인 태양전지 흡수체를 만들 수 있다. 이 외에도 수직 결합구조를 사용하면 캐리어 확산길이가 짧아 트랩 유무에 관계없이 태양전지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 장점이 있다. 이영희 교수는 “그래핀/반데르발스 반도체 이종접합과 터널링층을 사용하고 더 나아가 탠덤구조를 만들면 가장 이상적인 차세대 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 예견된다”며 “그래핀 및 반데르발스 반도체물질을 웨이퍼 크기의 필름으로 합성할 경우, 조만간 세상을 바꿀 태양전지가 나올 것”이라고 말했다. ※ Expert Voices 제목: Beyond Schockley-Quisser Limit: Exploring New Frontiers in Solar Energy Harvest ※ 저자: 이영희
2024-03-05
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바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발
바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 측백나무 열매와 잔디 구조를 모방한 나노 구조체를 이용하여 잔류농약 성분으로 널리 알려진 티람(Thiram)을 기존 연구대비 1만 배가량 민감한 초고민감도 검출에 성공하였다고 밝혔다. 특히, 티람 누출 위험이 의심되는 경로(토양, 식수, 우유)에서 티람 검출을 성공적으로 수행한 연구팀은 이 같은 내용을 센서 장비(Instruments & Instrumentation) 분야 1위 국제학술지 Sensors and Actuators B – Chemical에 1월 26일자 온라인 출간하였다. 티람(Thiram)은 농작물의 다양한 곰팡이성 질병에 매우 효과적인 항진균성 살충제로, 작물을 보호하고 농업 생산성을 향상시키는데 큰 효능을 입증해 왔다. 하지만 티람을 작물에 사용할 때, 일부가 토양으로 침출되어 지하수에 침투하게 되고 잠재적으로 식수를 오염시킬 가능성이 있다. 또한 살충제가 사용된 지역에서 소들이 풀을 뜯거나 물을 마시면, 잔류 티람 성분이 우유에도 포함될 수 있다. 실제로 토양, 식수, 우유와 같은 다양한 환경에서 티람의 검출연구는 계속 보고되고 있고, 티람의 규제는 미국을 포함한 전 세계적으로 확산하는 추세이다. 연구에 따르면 티람이 체내에 축적될 경우 신경장애, 위장장애, 호흡기 문제, 피부 장애 등 다양한 질병 발생을 야기할 수 있어 다양한 환경 조건에서 잔류 티람을 고민감하게 검출하는 방법이 매우 중요하다. 연구팀은 물질에 고유 스펙트럼을 분석할 수 있는 라만 장비를 사용하여 티람 검출을 시도하였다. 특히, 라만 신호를 극대화하기 위해 표면 증강 라만 산란(SERS) 기법을 적용하였고, 이는 기판의 나노 구조 형상에 따라 그 성능이 결정된다. 이를 위해 본 연구팀은 측백나무 열매를 모방한 금 나노입자(TFNPs)와 잔디 형상을 모방한 나노 그래스 구조체(NG)를 제작하여 TFNPs@NG라 명명하는 기판을 제작하였고, TFNPs@NG 기판 위에서 티람의 라만 신호를 측정하여 초고민감도 검출에 성공하였다. * 표면 증강 라만 산란(SERS): Surface Enhanced Raman Scattering * 측백나무 열매 모방 나노입자(TFNPs): Thuja fruit-like nanoparticles * 나노 그래스 구조체(NG): Nanograss * 측백나무 열매 모방 나노입자 및 나노 그래스 구조체(TFNPs@NG): Thuja fruit-like nanoparticles@Nanograss 박진성 교수 연구팀은 티람 검출 성능을 높이기 위해 최적화 실험을 진행하였다. 티람과 TFNPs를 우선 반응 한 후 NG 기판에 도포하는 방식이 가장 민감한 신호를 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 방식을 이용하여 티람을 극저농도인 120 fM (femto molar, 10-15M)농도까지 검출하는 데 성공하였다. 또한, 실제 환경에서 티람이 누출 가능한 토양, 수돗물, 우유에서는 각각 1.09ng/g, 762fM, 142fM농도까지 검출하였다. 이러한 농도는 기존 연구대비 약 1만배가량 민감도가 개선된 결과이다. 본 연구의 교신저자인 박진성 교수는 “본 연구에서 제안하는 나노 구조체 기술은 잔류농약 성분 뿐 아니라 다양한 환경 독성 물질을 검출하기 위한 초석 연구로 활용될 가능성이 크다.”며 “향후 실제 환경에서 독성 물질 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용되기를 기대한다.”고 밝혔다. 이번 연구를 진행한 김우창 박사는 “이번 연구를 바탕으로 티람뿐 아니라 체내에 축적되어 다양한 질병을 유발하는 잔류농약 독성 물질들을 실제 환경에서 동시에 검출할 수 있는 멀티 센싱 플랫폼을 구축할 수 있도록 연구에 정진하고자 한다.”라고 포부를 밝혔다. 본 연구는 한국연구재단(기초과학연구, 중견연구)의 지원을 받아 진행되었다. ※ 논문명: Detecting and tracking thiram in leakage pathways using bioinspired nanograss with thuja fruit-like nanoparticles ※ 저널: Sensors and Actuators B – Chemical(IF : 8.4) ※ 링크 주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400524001345 ○ 관련 언론보도 - 성균관대 박진성 교수 연구팀, 잔류농약 검출센서 개발 <대학저널, 2024.02.23.> - 성균관대 "박진성 교수팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발" <에듀동아, 2024.02.23.> - 성균관대 박진성 교수 연구팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발 <교수신문, 2024.02.23.> - 성균관대 박진성 교수팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발 <이뉴스투데이, 2024.02.23.> - 성균관대 박진성 교수 연구팀 측백나무 열매/잔디 구조 모방 잔류농약 검출센서 개발 <베리타스알파, 2024.02.23.> - 성균관대 박진성 교수 연구팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발 <뉴스티앤티, 2024.02.23.> - 성균관대 박진성 교수 연구팀, 측백나무 열매와 잔디 구조 모방한 잔류농약 검출센서 개발 <팝콘뉴스, 2024.02.23.>
2024-03-04
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신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 이산화탄소 활용 에탄올 생산 전기화학촉매 개발
신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 이산화탄소 활용 에탄올 생산 전기화학촉매 개발 - 구리-도파민 복합체 및 수열합성기술을 활용한 고효율 촉매 개발 - 국제적 학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy 게재 ▲ (왼쪽부터) 성균관대 백정민 교수, 최재영 교수, 한국과학기술연구원 오형석 박사, 이동기 박사 신소재공학부 백정민 교수 연구팀과 최재영 교수 그리고 한국과학기술연구원의 오형석 박사, 이동기 박사 연구팀이 이산화탄소를 이용하여 에탄올을 생산하는데 있어서 낮은 전압에서 높은 패러데이 효율을 보이는 전기화학 촉매를 개발하였다. 전기화학적 이산화탄소 환원반응(CO2 RR)은 다른 고온에서의 비균일 촉매반응과 비교하여 수액상에서 이산화탄소를 연료로 변환하는 이점을 갖고 있는데 이를 통해 에탄올 및 아세테이트 등 경제적 가치가 높은 제품을 생산할 수 있다. 특히, e-에탄올은 친환경적이고 지속 가능한 연료 솔루션으로 주목받고 있어 향후 폭발적인 수요 증가가 예상되며, CO2 배출의 감소 효과도 크다. 하지만 다양한 촉매 개발에도 불구하고 C-C 결합에 대한 높은 에너지 장벽과 에틸렌에 대한 높은 선택성 등으로 인해 낮은 패러데이 효율을 보이며 Cu 소재의 불안정성으로 인해 내구성 또한 낮았다. ▲ 백정민 교수 연구팀이 이산화탄소를 이용하여 에탄올을 생산할 때, 낮은 전압에서 높은 패러데이 효율을 보이는 전기화학 촉매를 개발하였다. 백정민 교수 연구팀은 이러한 한계를 돌파하고자 구리-아민(Cu-도파민) 복합체와 저온(160℃) 수열합성 전략을 이용하여 카본 양자점에 원자 단위로 분산된 독립 구리 원자를 함유하는 촉매를 합성하는 방법을 개발하였고 낮은 전압(0.2V)에서 높은 패러데이 효율(>80%)과 안정성을 보여주었다. 특히, 일반적으로 Cu 금속과 유기 전구체를 혼합한 후 400~1,000℃의 고온 탄화 공정을 거치는데 반해, 이 촉매는 160℃의 낮은 온도에서 합성되어 가격 경쟁력이 매우 우수하며 촉매 내의 금속 고정 리간드를 안정화시키는 새로운 전략으로 기존 촉매보다 높은 Cu 함량 (>1.74 wt.%)을 얻을 수 있었다. 백정민 교수는 “다양한 금속 및 카본 전구체를 활용하여 안정적으로 에탄올 생산량을 증가시키는 연구를 진행하고, 향후 실증 실험을 통해 그 적용 가능성을 점검할 예정”이라고 밝혔다. 연구팀의 이번 연구 결과는 Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 22.1)에 발표되었으며, 2023년 선정된 한국연구재단 미래융합파이오니어 사업의 지원을 받아 수행되었다. ※ 논문명: Highly selective and low-overpotential electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by Cu-single atoms decorated N-doped carbon dots ※ 논문링크: doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123694
2024-03-04
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화학공학/고분자공학부 김재윤 교수, 염증성 장 질환 경구용 항산화 나노치료제 개발
화학공학/고분자공학부 김재윤 교수, 염증성 장 질환 경구용 항산화 나노치료제 개발 - 소화기관 내 높은 내구성을 유지하는 경구용 치료제 - 염증 조직 내 높은 접착성과 강력한 항산화 효과를 통한 치료 효과 검증 ▲ 김재윤 교수(왼쪽)와 민동광 석박통합과정생(오른쪽) 화학공학/고분자공학부 김재윤 교수 연구팀이 자가면역질환인 염증성 장질환 경구용 항산화 나노치료제를 개발하였다. 염증성 장 질환은 소화기관 중 소장이나 대장 내 과도한 면역반응으로 인해 생긴 자가면역질환 중 하나로 환경적, 유전적 요인 등의 복합적인 이유로 발생하며 정확한 질병의 원인이 명확하지 않다. 현재 의료계에서는 염증성 장 질환을 만성 질환으로 분류하고 지속적으로 환자의 증상을 모니터링하여 환부 부위의 염증반응을 줄이기 위한 다양한 약물치료가 행해지고 있다. 염증성 장 질환을 완치하는 치료법은 아직까지는 없는 것으로 알려져 있으며 현재는 주로 메살라진계 약물과 바이오 시밀러 약물 등으로 병의 진행이나 악화를 늦추고 증상을 조절하는 수준이다. 김재윤 교수 연구팀은 생분해성 다공성 실리카 입자에 강력한 항산화 효과를 갖는 세리아 나노입자를 탑재하고, 선별된 고분자 물질로 코팅한 경구용 치료제를 염증성 장 질환 동물에 투여하여 환부 부위 내 산화적 스트레스의 감소와 염증성 장 질환 동물 모델의 몸무게 및 대장 조직 길이의 증가를 확인하였다. 또한 환부 부위 내로 침입한 염증성 면역세포의 수가 감소하고 이를 통해 손상된 상피조직이 재생되는 것을 확인하였다. ▲ 자가면역질환인 염증성 장 질환 경구용 항산화 나노 치료제 치료 메커니즘 나아가 연구팀은 경구용 항산화 나노 치료제의 치료 메커니즘을 규명하기 위해 염증성 장 질환 동물에 치료제를 투여 후 조직을 분석해본 결과, 나노 치료제가 소화기관 밖으로 빠져나가지 않고 염증성 장 상피세포에 붙고 기저막 아래로 이동하여 조직 내 산화적 스트레스를 감소시키는 결과를 확인하였다. ▲ 나노 치료제의 염증성 조직과의 접착성 및 치료 효능 평가 김재윤 교수는 “개발된 경구용 항산화 나노 치료제 플랫폼에 다른 면역제제를 탑재하여 다양한 자가면역질환 치료에 확대 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 설명했다. 연구팀의 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구사업과 혁신형미래의료연구센터육성사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제저명학술지인 에이시에스 나노(ACS Nano)에 게재되었다. ※ 논문제목: Orally Administrated Inflamed Colon-Targeted Nanotherapeutics for Inflammatory Bowel Disease Treatment by Oxidative Stress Level Modulation in Colitis ※ 저널: ACS Nano ※ 논문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11089
2024-02-29