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주요 연구성과

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아주대·건국대 공동 연구팀, 고분자 순차적 연속 도핑 기술 개발 위치 확인

아주대학교와 건국대학교 공동 연구팀이 분자 도핑에 영향을 미치는 동역학 및 열역학 인자 규명을 통해 새로운 고분자 도핑 전략을 개발하는 데 성공했다.아주대 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)와 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽) 그리고 김봉기 건국대 교수(화학공학부) 팀이 함께 한 이번 연구 내용이 담긴 논문은 재료과학 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 머터리얼즈(Advaned Materials, Impact Factor:27.398)>의 12월 10일자 표지 논문(front cover page)으로 선정됐다. 김종현 교수, 서형탁 교수와 김봉기 교수가 교신저자로 참여했고, 아주대학교 대학원 분자과학기술학과에 재학 중인 윤상은 학생(석박사 통합과정)이 제1저자로 참여 했다.논문 제목은 ‘분자 도판트 기반 캐스캐이드 도핑을 통한 공액고분자의 전기전도도 향상( Improvement of Electrical Conductivity in Conjugated Polymers through Cascade Doping with Small-Molecular Dopants)’ 이다.유기반도체인 공액고분자에 대한 그동안의 활발한 연구는 전하 이동도의 비약적인 개선을 확보할 수 있었지만, 전기 전도도에 동등하게 영향을 미치는 도핑에 의한 전하 생성 부족으로 인해 우수한 전기 전도도 달성에는 한계가 있었다. 분자도핑의 효율은 전자를 제공하는 공액고분자의 HOMO(highest occupied molecular orbital)준위와 전자를 받는 도판트의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)간의 에너지 오프셋(energy off-set, HOMO-LUMO) 정도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 LUMO 준위가 서로 다른 도판트들을 연속적으로 사용하였을 때 도핑 효율이 더욱 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 전략을 통해 600 S/cm 이상의 분자 도핑 기준 세계 최고 수준 전기 전도도를 확보할 수 있었다.특히 공액고분자와 에너지 오프셋이 큰 도판트를 사용한 경우 도핑 효율이 낮은 원인이 동역학적 원인에 기인하는 것을 규명했다. 이러한 경우 공액고분자와 에너지 오프셋이 낮지만 동역학적으로 도핑 효과가 우수한 분자도판트를 통해 1차 도핑을 진행한 후 에너지 오프셋이 높은 2차 도판트를 활용하는 경우 도핑 효과가 급격히 증가할 수 있음을 밝혔고, 이러한 원인은 분자 도핑과 관련된 활성화 에너지 감소에 기인하는 것으로 확인되었다. 김종현 교수는 “이번 연구는 다양한 분자형 도판트들의 에너지 준위, 동역학·열역학적 평형상태 및 최종 도핑된 고분자의 전기전도도에 대한 심층적 고찰과 효과적인 분자도핑 전략을 제공하고 있다”며 “유사한 전략을 활용한다면 답보 상태에 있는 유기 전도체의 전기전도도 추가 향상을 기대할 수 있다”고 설명했다.또한 개발된 순차적 연속도핑 전략 및 신규 소재 개발이 병행된다면 기존의 금속 및 산화막 형태의 무기물 전도체를 대체할 수 있는 수준의 유기물 기반 고유연·고신축 전도체 개발도 가능할 전망이라고 연구팀은 전망했다.
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- 작성일2020-12-21
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조인선 교수팀, 태양광에서 수소를 생산하는 광전극 효율향상 기술 개발 위치 확인

우리 학교 조인선 교수 연구팀이 태양광으로부터 수소 에너지를 생산하는 광전극의 효율을 향상시키는 기술 개발에 성공했다. 태양광을 활용한 수소 생산 기술의 경제성을 높이며 태양전지, 연료전지 등 다른 에너지 분야에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.조인선 교수(신소재공학과, 사진)는 기존 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 수소 전극소재를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘High-performance Bulky Crystalline Copper Bismuthate Photocathode for Enhanced Solar Water Splitting’이라는 논문으로 에너지 분야 국제학술지 <Nano Energy(IF=16.602)> 11월호에 게재됐다. 한국화학연구원 신성식 박사와 아주대학교 석사과정 서갑경, 김빛나(공동 제1저자), 박사과정 황성원(공동 저자)이 함께 참여했다.화석연료 고갈 및 지구온난화 문제가 대두되며 탄소 발생 없이 태양광으로부터 물을 분해해 수소를 얻는 태양광-수소 생산 연구가 주목 받고 있다. 그러나 태양광을 수소에너지로 전환하는 광전환 효율을 상용화 수준으로 높이는 데 한계가 있었다. 이로 인해 저렴하면서도 효율적으로 태양광을 흡수해 전하 입자를 만드는 광전극 소재에 대한 관심이 높아지고 있다.지금까지의 광전극 소재 연구는 산화물 소재를 이용한 산소 생산용 광산화극 개발에 집중되어 있었다. 반면 물분해 반응으로 직접 수소를 생산하는 광환원극에 대한 연구는 상대적으로 드물었다. 이에 조인선 교수 연구팀은 구리 기반 화합물인 구리 비스무스 산화물(CuBi₂O₄)에 주목했다.구리 비스무스 산화물은 지표상 풍부한 원소로 경제성 측면에서 유리하고 유해성이 낮아 최적의 광환원극 소재로 꼽힌다. 또한 물 분해에 적절한 전도대 위치를 보이며 매우 낮은 밴드갭 에너지(1.6-1.8 eV)와 높은 내부전압(>1 V) 특성을 보여 이론 광전류값이 ~29 mA/cm²로 매우 높다. 그러나 불순물 등으로 인한 낮은 박막 품질로 전하이동도가 낮아 광전류 값 향상에 한계가 있었다.연구팀은 새로운 고품질 박막 제조공정인 EDC(Evaporation-Decomposition-Controlled) 방법을 개발했다. 저렴한 용액공정 기반인 EDC는 용액 제조공정 중 전처리 공정에서 용매증발속도를 제어함으로써 결정입자의 밀도와 성장 속도를 제어하는 방법이다. 이를 통해 치밀하면서도 큰 입계로 구성된 박막을 제조하여 전하이동 특성 향상 및 기존 대비 2배 이상 높은 광전류 값을 얻는 데 성공했다. 이는 전기영동법, 스프레이코팅법 등 기존 용액공정으로 만들어진 박막에 비해 광전환효율을 4배 가까이 향상시킨 결과이다.조인선 교수 연구팀은 더 나아가 구리 비스무스 산화물 전극 아래 구리산화물 나노입자층을 적층한 이종접합 구조의 광전극으로 표준 태양광 아래 3.5 mA/cm²의 높은 광전류 값을 얻었다. 이는 현재까지 보고된 모든 산화물수소 전극보다 높은 값이다.조인선 교수는 “상용화를 위해서는 추가적인 효율 향상과 안정성 향상, 대면적화 기술이 필요하다”며 “추가적인 연구개발을 통해 태양광-수소 생산 특성 향상 및 기술의 경제성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.조 교수는 “이번에 개발된 방법은 다양한 산화물 반도체 박막 합성을 위한 공정으로 확장될 수 있어 태양전지나 연료전지 등 다른 에너지 분야에서도 유용하게 사용될 것”이라고 전망했다.이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행되었다.용액공정(EDC 공정)으로 제조된 이종접합구조(CuBi2O4/CuO) 광전극 모식도증발속도 제어 용액공정(EDC 기법) 기반 구리 비스무스 산화물 박막 형성 효과
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- 작성일2020-12-07
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서형탁 교수팀, 인간 생체시각 모사한 환경적응형 광센서 개발 위치 확인

우리 학교 서형탁 교수팀이 인간 생체 시각을 모사해 다양한 환경에 적응할 수 있는 일체형 광전소자를 개발하는 데 성공했다. 이에 인공신경형 시각 장치 개발 뿐 아니라 지능형 광센서와 데이터 처리 및 로봇 공학 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)는 광시야각에 따라 차별적 정보 처리가 가능한 광센서 소자를 개발했다고 밝혔다. 관련 내용은 ‘환경적응형 광전자 결합 시야각 인지 시스템(Environment-Adaptable Photonic-Electronic Coupled Angular Perception System)’이라는 논문으로 나노 분야 국제 학술지 <ACS Nano(IF=14.588)> 10월호에 게재됐다. 아주대 김상완 교수(전자공학과)와 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 연구원(제1저자)이 함께 참여했다.인간의 시각 시스템은 광학 신호의 실시간 감지를 기반으로, 빛의 밝기를 비롯한 주변의 환경에 자체 적응할 수 있다. 또한 대상의 상하나 좌우 위치를 감안해 광시야각에 따라 신호를 차별적으로 인식하며 학습할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 인간의 시각은 광학 정보를 포착하여 광전 변환을 통해 적절한 크기의 전기 스파이크로 인코딩한다. 이 정보는 시각 피질로 전송되어 생체 시냅스 네트워크에 저장된다. 인간의 생체시각을 모사해 인공시각 기술을 구현하기 위해 그동안 많은 기술 개발이 진행되어 왔다. 그러나 간단한 구조와 합리적 전력에서 구동할 수 있는 인공시각 기술의 개발은 여전히 많은 한계를 보여왔다. 기존의 인공시각 회로 기술 대부분은 일반적인 빛의 세기 하에서 정보를 이해하고 시각화 하는데 중점을 두어왔다. 그러나 인공시각 기술을 구현하기 위해서는 넓은 시야에서 사물을 인식할 수 있는 시야각 인식기술이 필수적이다. 이를 바탕으로 궁극적으로는 기존의 복잡한 회로를 대체할 수 있을 만한 효과적이고 단순한 휴머노이드 광전자 회로를 설계하는 것이 기술적 과제다. 복잡한 회로를 단순화하기 위해서는 다양한 환경에 적응할 수 있고, 정보를 기억할 수 있는 메모리 저장의 기능이 통합되어야 함은 물론이다.아주대 연구팀은 다양한 환경에 적응할 수 있는 인간 신경계 모사 시각인지 광센서 소자를 개발하기 위해 고품질 이산화티타늄 산화물(TiO2) 나노 필름을 만들고, 그 위에 은나노선을 균일하게 배치하는 소자를 제조했다. 은나노 와이어(NW)를 통해 광시야각에 대한 광전효과를 극대화하여 넓은 시야각도(± 70º)에서 시각적 처리가 가능할 수 있도록 한 것. 또 은 나노선과 이산화티타늄 산화물의 쇼트키 접합 구조에 따른 효과적인 광전 수집 효과를 통해 광(자외선 영역) 신호를 높은 감도로 감지하게 했다. 이러한 소자의 구조는 간단하면서도 효과적인 생체시각 모사 접근 방식을 제공한다. 연구팀은 개발한 소자에서 3×3 어레이를 사용하여, 회로 수준에서 다양한 환경에서도 인지가 가능한 시각 인지 기술을 구현해냈다. 이를 통해 광신호 패턴이 같더라도 시야의 각이나 빛의 세기, 광신호의 지속 시간과 간격 등 여러 환경 변수에 따라 광신호에 대한 기억의 강도와 시간이 달라지는 것을 확인했다. 개발한 소자가 실제 인체의 시신경 및 시각피질과 유사한 기전으로 작동하는 것을 확인함과 동시에, 연구팀은 뉴로모픽 광신호 저장 매커니즘이 광-전기 결합에 의한 쇼트키 다이오드에서의 전하 축적-손실에 의한 것임을 또한 규명했다. 이는 광 흡수 정도에 따라 반도체에서 각기 다른 양의 광생성 전하(전자-정공 쌍)가 만들어질 때, 이산화티타늄 반도체에서 일정 시간 동안 저장된 이후 자연적으로 소멸되는 시간 또한 달라짐을 의미한다. 인체 신경의 기억-망각 시스템을 기존 스마트폰 등에 활용되는 이미지 센서와 저장을 위한 메모리에 추가한 것과 동일한 효과를 낼 수 있음을 밝혀낸 것. 서형탁 교수는 “인공시각 소자는 많은 요소 기술을 필요로 한다”며 “인공시각 소자에서 필수적인 환경적응형 광신호 감지를 단순하고 저전력으로도 구현이 가능한 투명 반도체 기반의 시각화 소자로 만들어 냈다는 데 이번 연구의 의의가 있다”고 말했다.서 교수는 “이번에 개발한 소자는 지능형 광센서와 데이터 처리, 로봇 공학 등의 분야에서 널리 활용이 가능할 것”이라고 전망했다.이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단주관 미래신소자기술원천기술개발사업 및 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다. a. 시야각에 따른 인체의 시각인지 개념도:　시야각에 따라 시각 정보의 강도가 다르게 시신경에서 인코딩되어 시각피질의 시넵스 신경다발에 저장된다. 강도가 강한 정보는 더 장기간 저장되고 약한 정보는 단기간의 저장주기를 보인다.b. 연구팀에서 모사한 환경적응형 광센서소자: 은나노선과 이산화티늄을 이용한 광다이오드 구조를 구현c. 시야각에 따른 광흡수도의 차이: 정면에서 입력된 광신호가 더 강한 광흡수를 보인다.
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- 작성일2020-11-17
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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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- 작성일2020-11-17
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