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주요 연구성과

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이재현 교수팀, 미세균열 제어를 통한 무결점 그래핀 박리법 개발 위치 확인

우리 학교 이재현 교수가 차세대 전자소재인 흑연으로부터 그래핀을 결점 없이 떼어내는 새로운 박리법을 개발했다.이재현 교수(신소재공학과, 사진)와 목포대 손석균 교수, 삼성디스플레이 조성호 상무가 참여한 공동 연구팀은 층수가 제어된 대면적 그래핀 박리법을 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘Layer-engineered large-area exfoliation of graphene’이라는 논문으로 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)>10월28일 자에 게재됐다. 우리 학교 문지윤 학생과 맨체스터대학교 김민수 박사는 제1저자로 참여했다.고무처럼 잘 휘어지고 투명한 소재인 그래핀은 뛰어난 전기전도성 덕에 두루마리처럼 둘둘 마는 TV나 스마트폰 등에 응용될 수 있는 꿈의 소재로 주목받아왔다. 그러나 그래핀은 탄소가 벌집모양으로 결합한 단일층의 평면으로 10만층을 쌓아야 머리카락 굵기가 될 정도로 매우 얇다. 그동안 탄소가 층층이 결합한 흑연의 표면을 테이프로 반복해 떼어내서 그래핀을 얻었으나, 반복작업인데다 작업자의 숙련도에 의존할 수밖에 없어 그래핀의 면적과 층수, 수율을 제어하는 것이 사실상 불가능했다. 이재현 교수 연구팀은 이에 착안해 테이프로 떼어낼 때 생기는 균열의 크기와 방향을 원자 수준에서 제어해 원하는 면적과 층수의 그래핀을 얻는데 성공했다. 흑연 위에 특정 성질의 필름을 증착해, 균열의 깊이와 방형을 무작위가 아니라 선택적으로 제어한 것.연구팀이 개발한 방법을 이용하면 수 mm면적의 단일층부터 이중층, 그리고 최대 40층까지 층수가 제어된 그래핀을 얻을 수 있다. 기존 박리법과 비교해 약 4200배 넓은 면적의 단일층 그래핀을 얻어낸 셈이다. 또 단위면적당 단일층 그래핀의 밀도가 최대 6000배 가량 증가할 정도로 높은 수율도 확보해냈다. 이번 연구를 통해 그래핀의 산업적 응용에 한계로 여겨져 왔던 무결점 그래핀 확보를 위해 새 대안이 제시될 수 있을 전망이다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업과 생애 첫 연구의 지원으로 수행됐다.
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약대 전상민 교수팀, 암 유발 유전자 NRF2 역할 새 패러다임 제시 위치 확인

우리 학교 전상민 교수 연구팀이 참여한 국제 공동 연구진이 그동안 암 예방 및 치료에 도움을 주는 것으로 알려졌던 특정 유전자가 실제 암을 유발하는 역할을 하고 있음을 규명해냈다. 전상민 교수(약학과, 사진)는 종양 억제 유전자로 알려졌던 NRF2가 실제 암 발생을 촉진할 뿐 아니라 암 환자의 나쁜 예후와도 관련이 있음을 확인했다고 밝혔다. 관련 논문은 ‘NRF2 활성화의 공격적 폐암 발생 촉진 및 나쁜 임상 결과와의 관련성 규명(NRF2 activation promotes aggressive lung cancer and associates with poor clinical outcomes)’으로 <클리니컬 캔서 리서치(Clinical Cancer Research)> 10월 19일자에 게재됐다.이번 연구에는 아주대 전상민 교수와 박사과정 최은지 학생, 미국 제넨텍(Genentech) 바이오테크와 존스홉킨스 의대 연구진이 참여했다. 보건복지부 암 정복 추진 연구개발 사업과 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인기초연구)의 지원을 받았다.NRF2(Nuclear factor E2-related factor 2)는 항산화 작용을 하는 전사인자로 활성화되면 활성산소를 줄여 암 예방과 치료에 도움을 주는 종양 억제 유전자로 알려져 왔다. 그러나 최근 암 유전체 연구를 통해 폐암을 비롯한 다양한 암에서 NRF2가 활성화되어 있는 것으로 밝혀지면서 오히려 암을 유발하는 종양 촉진 유전자일 수 있다는 가능성이 제기되어 왔다. 폐암에서 NRF2의 활성화는 다른 종양 억제 유전자인 STK11/LKB1의 돌연변이와 함께 발생한다는 보고도 있었다. 이에 공동 연구팀은 유전자 변형 폐암 마우스 모델(Kras/Keap1/Stk11-KO)을 확립하여 실험을 진행하고, 최근 대규모로 실시된 폐암 임상시험(OAK, IMpower131) 결과도 분석했다. 연구팀은 유전자 변형 마우스 모델에서 NRF2 활성화가 폐암 발생을 촉진 시키고, 생존율을 감소시킴을 확인했다. STK11 돌연변이는 활성산소를 증가시키고 폐암 발생 역시 촉진 시키는 것으로 나타났다. STK11 돌연변이와 NRF2 활성화를 동시에 유발시킨 경우 활성산소 증가를 억제해 폐암 발생을 더욱 촉진했고 생존율도 크게 감소했다. 이를 통해 연구팀은 폐암에서 NRF2 활성화와 STK11 돌연변이가 동시에 발견되는 이유는 NRF2 활성화가 STK11 돌연변이에 의한 산화 스트레스를 줄여 폐암 세포의 생존 및 성장에 시너지 효과가 있기 때문임을 밝혀냈다. 즉, 이번 연구를 통해 기존 ‘암 억제 유전자’로 알려졌던 NRF2는 ‘암 유발 유전자’임을 증명한 것. 또 최근 임상시험을 분석해 NRF2가 활성화되어 있는 폐암 환자는 그렇지 않은 환자 보다 항암 화학 요법 및 면역 요법에 대한 예후가 나쁘고 생존율도 크게 떨어지는 것을 확인했다.전상민 교수는 “이번 연구는 암에서 NRF2의 역할에 대해 기존과 다른 새로운 패러다임을 제시하는 것”이라며 “그동안 암의 예방과 치료를 위해 NRF2 활성화 약물을 개발하기 위한 시도가 많았지만, 이제는 전 세계적으로 NRF2 억제제 개발에 관심이 높아지고 있다”고 설명했다.전상민 교수 연구팀은 NRF2 억제제를 세계 최초로 발굴하기 위한 노력을 이어가고 있다. 전상민 교수는 최근 자체 발굴한 NRF2 억제 후보물질의 임상개발을 위해 바이오 벤처 ㈜에스씨엘테라퓨틱스를 공동 설립해 전임상 시험을 진행하고 있다.
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분자과학기술학과 김종현 교수팀, 신개념 고분자 도핑 기술 개발 위치 확인

우리 학교 김종현 교수가 포함된 국내 연구진이 신개념의 도핑 공정 개발에 성공했다. 전자재료로 널리 활용되고 있는 유기 반도체 물질인 공액 고분자의 광학적·전기적 성능을 획기적으로 개선할 수 있어, 앞으로 차세대 전자기기 및 에너지 소재로 활용될 것으로 기대된다.김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)는 김봉기 건국대 교수(유기나노시스템공학과) 연구팀과 함께 새로운 개념의 도핑 공정을 개발해 관련 내용이 담긴 논문이 <어드밴스드 펑셔날 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 10월15일자 표지 논문으로 선정되었다고 밝혔다.논문 제목은 ‘공액고분자 박막의 전영역 도핑이 가능한 하이브리드 도핑: 공액고분자의 광전기적 성능 및 열전성능 최적화를 위한 새로운 도핑전략(Exploring Wholly Doped Conjugated Polymer Films Based on Hybrid Doping: Strategic Approach for Optimizing Electrical Conductivity and Related Thermoelectric Properties)’이다.김종현 교수가 교신저자로 참여했고, 아주대 대학원 분자과학기술학과 윤상은 학생(석박사 통합과정, 사진 오른쪽)이 제1저자로 함께 했다. 우리 학교 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)도 연구에 참여했다.유기 반도체 물질인 공액 고분자는 용액 공정이 가능해 공정 비용을 절감할 수 있고, 유연하고도 가벼운 휴대용 전자 소자로 활용될 수 있어 주목받고 있는 차세대 소재다. 유기 반도체를 널리 활용하기 위해 다양한 연구들이 진행 중이며, 그 중 전기 전도도 개선과 관련해서는 도핑(Doping) 공정을 통한 시도가 가장 활발하다. 그러나 전기 전도도를 확보하기 위한 방안에 있어, 복잡하고 친환경적이지 못한 도핑 공정과 도핑 후 박막의 대기 불안정성 등의 문제가 한계로 지적되어 왔다.지금까지의 관련 연구는 전기 전도도 향상을 위해 신규 고분자 물질과 도판트 소재 개발에 주로 초점이 맞춰져 왔다. 이에 반해 고분자 박막의 도핑 영역을 확장하려는 연구는 거의 전무, 그동안 고분자 박막의 일부분만 도핑이 가능한 수준에 머물러 왔다. 이에 공동 연구팀은 기존에 잘 알려진 범용 공액 고분자를 사용하되, 박막의 전체 영역에 도핑이 가능한 신개념의 도핑 공정 개발에 착수했다.도핑은 도판트 분자가 고분자 박막 내부로 침투하면서 이뤄지는데, 공동 연구팀은 고분자 박막 내부의 결정성 영역과 비결정성 영역 모두에 도판트 분자가 확산될 수 있는 하이브리드 도핑 공정을 설계했다. 이를 통해 일부 영역에의 도핑에만 의존해오던 기존 공정 대비 40배 이상 증진된 전기 전도도와 87% 이상의 가시광 투과도를 나타냄을 확인했다. 뿐만 아니라 산소에 대한 저항성 개선효과로 대기안정성이 획기적으로 개선되는 등 우수한 광전기적 특성을 보였다.김종현 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 도핑 공정은 방법이 매우 간단하면서도 전기 전도도와 광 투과도 면에서 성능이 우수하다”며 “이 공정을 활용해 제작하는 전도성 투명 고분자 필름이 차세대 전자기기의 유연하고 신축성 있는 투명전극 및 열전변환소재로 응용될 수 있으며, 이는 기존의 고가 투명전극 및 에너지 소재들을 대체할 수 있을 것”이라고 전망했다.이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터)의 지원을 받아 수행되었다.
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서형탁 교수팀, 자가치유 가능하고 신축성 있는 복합 소재 및 센서 개발 위치 확인

우리 학교 서형탁 교수 연구팀이 손상이 발생하면 스스로 치유할 수 있는 복합 전자 소재와 센서를 개발하는 데 성공했다. 전기 전도성과 신축성 또한 매우 높아 앞으로 웨어러블 전자 기기, 소프트 로봇, 인공 피부 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 초분자 고분자와 구리 마이크로 입자로 구성된 복합 소재를 이용하여 손상을 자가 치유할 수 있는 전자 소재 기반의 웨어러블 스트레인 센서를 개발했다. 관련 내용은 ‘구리 마이크로 입자가 혼입된 초분자 고분자를 이용한 신축성 자가 치유형 전도성 복합 재료(Intrinsically Stretchable and Self-Healing Electroconductive Composites Based on Supramolecular Organic Polymer Embedded with Copper Microparticles)’라는 논문으로 소재 분야 국제 학술지 <어드밴스드 일렉트로닉 매터리얼즈(Advanced Electronic Materials)> 9월7일자 온라인판의 표지논문으로 선정됐다. 아주대 대학원 박사과정의 야스민 루바야 학생이 제1저자로 참여했다. 인간의 피부는 손상을 빠르게 감지해 손상이 악화되는 것을 막고 가능한 빨리 손상을 복구한다. 이에 인간 피부를 비롯한 생물학적 시스템의 자연 치유 메커니즘에서 영감을 얻어 자가 치유와 자가 복구가 가능한 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 재료 플랫폼은 새로운 유형으로 전기 전도성과 신축성, 자가 치유 특성을 동시에 통합·구현할 필요가 있다. 외부 진단이나 인위적인 외부 공정 없이 자동으로 재료 손상을 복구할 수 있는 능력이 내장된 전자 재료를 개발하는 것은 고난도의 기술이며 큰 파급력을 지니고 있다. 연구팀은 이 연구에서 초분자 유기고분자 초분자 유기고분자와 구리 마이크로(1μm=1E-6m, 머리카락은 평균 100μm 두께임) 입자의 복합 소재를 활용했다. 연구팀이 개발한 이 복합 소재는 졸-겔 공정을 통해 대량 생산이 가능하며, 구리 농도를 바꾸어 전도도를 조정할 수 있다. 복합 소재에서 초분자 고분자는 신축성과 치유력이 있는 수소 결합을 제공한다. 또 반도체와 전도체의 전기적 특성을 구리 입자 농도로 제어할 수 있다. 연구팀은 여러 번의 재료 절단-치유 주기에서도 회복될 수 있도록 소재의 전기적 특성을 최적화하였다. 이번에 개발된 소재의 가장 중요한 특징은 높은 신축성과 손상 치유 능력을 통합하여 피부와 유사한 특성을 구현했다는 점이다. 이 소재는 잘 찢어지지 않으며 원래 길이의 120%까지 늘릴 수 있다. 또한 소재가 가진 전기적 및 기계적 특성이 재료 손상 후에도 자동으로 치유되어 연구팀은 손상 5분 이내에 주변 환경 조건에서 기계적 특성의 90%와 전기적 특성의 100%를 회복할 수 있음을 확인했다. 아주대 연구팀은 이 소재를 이용해 자가치유형 웨어러블 스트레인 센서를 개발했다. 연구팀은 센서를 손가락에 부착하여 손가락 동작 감지를 성공적으로 시연해냈다. 또 센서를 부분적으로 절단, 의도적으로 센서를 손상 시킨 뒤 센서 반응을 조사해 센서의 자가 치유 기능이 작동함을 확인했다. 서형탁 교수는 “이번에 개발한 자가 치유 소재는 고가의 소재나 복잡한 제조 공정이 아닌 저비용 재료와 공정을 이용했다”며 “인체에 부착하는 웨어러블 센서뿐 아니라 신축성이 필요한 사물인터넷 센서와 소프트 로봇, 산업 장치 등에 적용이 가능할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 해외우수신진인력지원사업, 기초연구지원사업, BK21 Four사업의 지원으로 수행됐다.
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안영환 교수팀, 차세대 태양전지 물질 이용 새로운 양자 에너지준위 구현 위치 확인

우리 학교 안영환 교수 연구팀이 차세대 태양전지에 널리 활용되고 있는 물질에서 새로운 양자 에너지 준위를 구현해냈다. 안영환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀의 이번 연구 성과는 <나노 레터스 (Nano Letters), IF 12.344> 9월호에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘Phonon-Polaritons in Lead Halide Perovskite Film Hybridized with THz Metamaterials(페로브스카이트-메타물질 하이브리드 구조의 테라헤르츠파 포논-폴래리톤 발생)’이다. 이번 연구에는 우리 학교 물리학과 하나영 교수, 박지용 교수, 이순일 교수와 UNIST 김대식 교수가 참여했다. 우리 학교 물리학과 대학원 박사과정의 김환식 학생은 제1저자로 참여했다. 연구팀은 페로브스카이트 박막과 투명 망토 제작에 활용되는 메타물질을 결합한 하이브리드 소자를 제작하고, 적외선과 마이크로파 사이에 존재하는 테라헤르츠파(THz) 영역의 광 특성을 관측했다. 실험에는 차세대 고효율 태양전지로 각광받고 있는 납 할라이드(laed halide) 계열의 페로브스카이트 소재가 활용되었다.이에 페로브스카이트 물질의 진동 모드가 메타구조에 집속된 전자기파와 강하게 반응, 포논-폴래리톤(phonon-polariton)이라고 부르는 새로운 에너지 준위(energy level)를 구현하였다. 에너지 준위는 원자와 분자가 가지는 에너지의 값으로, 전자가 에너지를 흡수하거나 방출하면서 가지는 에너지 수준을 말한다. 연구팀은 새로이 발견한 에너지 준위가 여러 조건에 따라 가변성을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 그 중 가장 큰 영향을 미치는 조건은 무엇보다 페로브스카이트 박막의 결정성으로 나타났다. 연구팀은 나노 결정의 성장 차원(1차원, 2차원, 3차원)에 따라 포논-폴래리톤의 에너지 준위 동역학이 달라진다는 사실을 최초로 발견했다. 또 시간에 따라 성장하는 나노결정과 빛의 상호작용을 기술하는 새 모델을 도입하는 데 성공했다. 안영환 교수는 “이번 연구 성과가 차세대 태양전지 박막의 결정성 평가 및 태양전지 효율 최적화에 활용될 수 있을 것”이라며 “페로브스카이트-메타물질 하이브리드 구조에 대한 후속 연구를 통해 차세대 양자광학 광원으로 활용도 가능할 전망”이라고 설명했다.이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.페로브스카이트 박막과 메타물질의 결합을 통해 구현한 새로운 양자준위 구현 원리도
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