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전이금속 산화물에 숨겨진 물질상태 예견 및 구현

예견한 물질의 상태를 박막 표면에 실험적으로 구현

신소재공학부 이재찬 교수 · 정봉욱 연구원

전자전기공학부 손동희 교수

초박막 유기절연소재 이용, 대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발

전자전기공학부 손동희 교수 연구팀(이성준 박사과정생)은 KAIST 임성갑 교수 연구팀(강주연 박사과정생) 및 서울대학교 김대형 교수 연구팀(구자훈 박사)과의 공동연구를 통해 진공 증착으로 제작 가능한 나노스케일 두께의 내열성·내화학성 초박막 유기절연소재를 개발하여, 이를 기반으로 기존 반도체 전자소자 제작에 활용하는 마이크로 패터닝 공정프로토콜과 호환 가능한 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 개발하였다. (그림 1) 물리적인 형태의 변형이 가능한 유연 전자소자는 크게 ‘구부러뜨릴 수 있는 전자소자(flexible electronics)’와 그보다 더 상위의 개념인 ‘신축성이 있는 전자소자(stretchable electronics)’로 구분할 수 있다. 유연 전자소자는 기존의 소자들로는 불가능했던 새로운 기능들을 구현할 수 있어 2000년대서부터 집중적으로 연구, 개발되고 있다. ▲(그림1) iCVD 공정으로 제작한 최초의 나노스케일 초박막 유기절연소재와 이를 기반으로 한 대면적 신축성 전자소자 집적기술 개발 유연 전자소자 구현을 위해 가장 많이 연구되고 있던 방법은 전자소자에 쓰이는 물질들의 두께를 매우 얇게 만들어 유연성을 부여하는 방법과 개별 소자들을 탄성 기판(elastomeric substrate) 위에 섬 형태(active island)로 제작하고 이들 사이를 필라멘트 형태의 배선으로 연결해 외부에서 가해지는 응력을 배선에서 효과적으로 해소하는 방법이다. 이러한 방식은 전자소자에 사용되고 있는 물질들을 그대로 사용할 수 있다는 측면에서 소자의 전기적 성능이 보장되는 장점이 있지만, 외부 응력에 의해 소자가 부서질 수 있고 복잡한 회로의 설계가 불가능해, 소자의 밀도 및 집적도를 높일 수 없다는 단점이 있다. 따라서 근래에는 전자소자를 구성하는 물질들을 본질적으로 유연한 물질로 대체하는 방식의 연구가 대두되고 있으며, 이러한 물질들은 기존의 소재보다 물리적/기계적 특성은 우수하지만 전기적/화학적 성능은 다소 떨어져 이들의 전기적/화학적 성능 향상을 위한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 개시제를 이용한 화학기상증착(initiated chemical vapor deposition, iCVD) 공정을 기반으로 최초의 신축성 초박막 유기절연막을 개발하였다. 연구팀은 부드러운 물성 및 변형 특성에 기여하는 단량체와 가교제를 적절히 배합한 증착 공정을 통하여 신축성과 절연특성을 겸비하며 100나노미터 두께에서도 균일한 막질로 조성된 고분자 초박막을 제조하였다. 개발된 신축성 유기절연막(k = 3.59)은 높은 파괴전압(2.3 MV/cm-1)을 보유하였으며, 약 160나노미터의 두께에서 최대 40%의 반복 인장 변형 특성을 보유하였다. 300°C 내외의 온도에서 이루어지는 열처리 공정에 내구성을 가져 기존의 반도체 전자소자 집적공정 프로토콜과도 호환할 수 있도록 개발되었다. (그림 2) ▲(그림2) 신축성 초박막 유기절연소재의 우수한 내열성 및 내화학성 연구팀은 개발된 신축성 전극 및 절연막을 기반으로 네트워크 구조의 탄소나노튜브(CNT) 반도체를 채널로 사용하여 대면적 신축성 전자소자 집적기술을 구현하였다. 마이크로 패터닝 공정과 높은 호환성을 가지므로 개발된 신축성 트랜지스터 소자는 4인치 웨이퍼 스케일 면적에서도 높은 균일도를 보였다. 또한 10μm 채널 길이에서 14.05cm2/Vs의 반도체 모빌리티, 265mV/dec의 서브 문턱 스윙 (subthreshold swing, SS), 2.47 V의 문턱전압(threshold voltage, Vth), log(Ion/Ioff) = 4.63의 on/off 전류비 등의 전기적 성능을 구현하였으며, 최대 40%의 인장 변형 범위에서 1,000회의 반복 신축에도 동작 특성이 일정하게 유지되는 안정성을 보여주었다. (그림 3) ▲(그림3) iCVD 신축성 유기절연막을 이용한 4인치 웨이퍼 스케일의 대면적 신축성 전자소자 집적기술 구현 연구팀은 그동안 마이크로 두께 이하에서 안정적인 절연 성능 및 변형 특성을 구현하지 못했던 기존의 기술적 장벽을 깨트리며 200나노미터 미만의 두께에서 안정적으로 작동하고, 대면적 집적을 구현하며, 초박막 두께 구현에 의한 높은 커패시턴스 및 저전압 구동 특성에 의하여 동일한 채널 면적에서 가장 높은 출력 전류를 제공하는 신축성 전자소자를 구현하였다. 연구팀은 확립된 iCVD 유기절연소재 기반의 저전압 신축성 전자소자 집적기술을 기반으로 최대 40% 인장 변형에도 동작 성능이 일정하게 유지되는 디지털 단위 블록 기술을 구현하였다. 손동희 교수는 “신축성 전자시스템 기술 분야의 주요 병목이었던 기존 절연 소재의 한계를, 대면적 저전압 구동 신축성 전자소자 집적기술 개발을 통해 혁신적으로 극복해내었다”며 “향후 저전력 신축성 전자시스템의 대규모 집적화를 통하여 고도화된 차세대 인공전자피부 및 휴대용 웨어러블 어플리케이션의 구현을 가능케 하는 핵심원천기술로 자리할 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 공동 연구팀의 연구결과는 전자공학분야 국제 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF: 33.255, JCR 0.18%)에 2월 3일(금) 자로 게재되었다. 본 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단기초연구사업, 기초과학연구원(IBS-R006-A1 and IBS-R015-D1), 한국연구재단기초연구사업(2021R1I1A1A01060389), 삼성미래기술육성사업(SRFC-IT2102-04)의 지원을 받아 수행되었다. ※ 논문명: A vacuum-deposited polymer dielectric for wafer-scale stretchable electronics ※ DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-023-00918-y
- No. 224
- 2023-02-27
- 7935
성균나노과학기술원 안성필 교수 ·전일 교수, 김기용/이상수 연구원

고투명·다기능성 웨어러블 나노발전기 개발

운동에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있는 압전나노발전기는 화석연료를 필요로하지 않은 차세대 친환경 에너지기술로써 최근 크게 주목받고 있다. 기존 연구들과는 달리 본 압전 나노발전기는 우수한 투명성 및 기계적 내구성을 포함하고 있어 다양한 산업분야에 널리 활용될 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 신체 굽힘 움직임 등을 통해 전기에너지를 생산하는 본 압전나노발전기는 자가발전형태의 고감도 움직임 감지 센서로써 활용될 수 있으며, 이를 통해 차세대 헬스케어 웨어러블 전자기기 관련 분야에 사용될 수 있을 것이라 예상된다. 성균나노과학기술원 안성필 교수 및 전일 교수 공동연구팀(제1저자 성균나노과학기술원 김기용 박사과정, 공동 제1저자 이상수 박사과정)은 압전고분자 나노섬유와 고순도 탄소나노튜브가 코어(core)물질로 구성된 실리콘 탄성중합체 기반의 에너지 수확이 가능한 다기능성 투명 복합소재를 개발했다고 밝혔다. 기존 연구들에서는 투명 나노발전기를 제작하기 위해 은 나노와이어 또는 전기전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 전극으로써 사용하였다. 그러나, 금속 기반 복합소재는 본연의 빛 반사 및 산란으로 인한 불투명성 이슈를 지니고 있으며, 고분자 기반 복합소재는 전기전도성과 기계적 강성이 부족한 재료 역학적 한계를 보여왔다. 안성필 교수와 전일 교수 공동연구팀은 압전 고분자 P(VDF-TrFE)를 전기방사기술로 머리카락 굵기의 200분의 1 수준인 직경 500 nm의 나노섬유를 제작한 후, 실리콘 기반 탄성중합체(PDMS)와 혼합하여 고투명 복합소재를 개발하였다. 그리고 통상적인 방법과 차별화된 에어로졸-화학기상증착(CVD) 합성법으로 제작된 투명 CNT 필름을 전극 소재로 활용하여 고투과성 및 우수한 기계적 특성을 가진 나노발전기를 개발하였다. 본 연구에서 사용된 전기방사 기술과 에어로졸-CVD 합성법은 제조 방법이 간편할 뿐만 아니라, 공정 규모를 다른 기술들에 비해 쉽게 확장가능하다. 이러한 우수한 공정 이점들을 기반으로 앞으로 관련 기술 상용화에도 유리하게 작용할 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 이번 연구에서 간단한 화학적 도핑법으로 CNT 전극의 전도성을 약 3.1배 향상할 수 있었다. 이번에 개발한 고투명 압전 나노발전기는 상대적으로 약한 외력(운동에너지 F = 10 N)에서도 10 V 이상의 준수한 전압을 발생하는 에너지 수확 성능을 보였다. 더불어, 약 50,000회 이상의 반복적인 외력 조건에서도 높은 에너지 수확 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성과 안정성을 입증하였다. 또한, 마찰 양전하 성질을 지닌 신체 부위를 통해 외력을 인가했을 시에는 마찰전기에 의한 추가적인 에너지 수확을 통해 최대 26.8 V의 높은 에너지 발전 성능을 나타내었다. 신체 여러 부위에 부착하여 움직임을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 변화하는 외력에 따라 전압 신호 또한 민감하게 발생하기 때문에 실시간으로 미세한 인체 움직임을 감지할 수 있다. 즉, 현재 활발하게 연구개발 및 상용화가 진행되고 있는 메타버스 및 가상/증강현실 분야에서 활발하게 응용될 것으로 기대된다. 안성필 교수는 “성균나노과학기술원(SAINT)에는 연구 활동이 활발한 젊은 교수진들이 우애 깊은 관계를 맺고 있어 다양한 방향으로 공동연구가 진행되고 있으며, 본 연구 성과 또한 그중 하나로 앞으로 더욱 혁신적인 연구 성과가 기대된다.”라고 말했다. 또한, 전일 교수는 “본 공동연구는 각기 다른 장점을 지닌 두 연구실이 하나의 새로운 연구 분야로 기술을 융합할 수 있는 인상적인 기회였으며, 안성필 교수 연구진은 「CNT 기반의 투명전극」, 전일 교수 연구진은 「압전 에너지 하베스팅 소자」로 연구 분야를 확장할 수 있는 계기가 되었다. ”라고 말했다. 마지막으로 이번 연구의 제1저자인 김기용 박사과정 학생은 “압전나노발전기는 발전성능을 향상시킬 수 있는 가능성이 앞으로 무궁무진하며 다양한 관점으로 연구가 진행되어야 한다.”며, 공동 제1저자 이상수 박사과정 학생은“본 연구는 CNT가 나노발전기의 단일전극으로 활용된 첫 보고이며, 투명 나노발전기 연구의 새로운 방향성을 제시해 주길 바란다.”고 말했다. 본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(2021R1F1A1061404), 우수신진연구사업(2021R1C1C1009200)의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구는 SKKU 논문대상에서 우수상을 수상했던 성과를 기반으로 재료 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)에 1월 18일 게재되었으며, 본 SCI 논문의 주저자는 박사과정 초년생이기에 앞으로 이들의 연구 활약이 더욱 기대된다. ※ 논문명: Highly Transparent and Mechanically Robust Energy-harvestable Piezocomposite with Embedded 1D P(VDF-TrFE) Nanofibers and Single-walled Carbon Nanotubes (저널: Advanced Functional Materials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213374) ▲ 투명 압전 나노발전기 사진 및 공정 방법 ▲ 고투명 압전, 전극 소재 사진 및 다기능성 나노발전기 성능 결과
- No. 223
- 2023-02-15
- 8630
화학공학/고분자공학부 박남규 교수 ·마춘칭 박사

크리스탈 패싯에 숨겨진 비밀을 찾다 페로브스카이트 태양전지 수분 안전성을 획기적으로 향상

화학공학과 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자)는 화학공학과 권석준 교수(공동 교신저자), 스위스 로잔연방공대 그랏첼 교수(공동 교신저자)와 함께 페로브스카이트 크리스탈 패싯에 따른 수분 안정성의 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 (111) 패싯을 위주로하는 필름 제작에 성공, 2,000시간의 수분 노출 실험에서 95% 이상 초기효율이 유지되는 안정한 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 사이언스지(Science)에 1월 13일(현지 시각) 연구결과를 발표하였다. 페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발, ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하였다. 태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용하여 150도씨 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 일반적으로 알려진 용액공정을 이용하면 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정 패싯도 잘 발달하여 있지 않다. 박남규 교수팀은 첨가제 공법을 이용하여 (100)과 (111) 결정 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름을 제작하는 데 성공하여, 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝힌 바 있다(2022년 11월 16일 Joule(IF: 46.048)에 발표). 이번 연구에서는 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견하였다. 특히 (100) 패싯은 수분에 매우 취약하지만 (111) 패싯은 수분에 안정적이라는 점을 발견해내었다. (111) 패싯이 (100) 패싯 보다 수분 안정성이 우수한 이유는 물의 젖음에너지가 (111) 패싯에서 상대적으로 낮기 때문이라는 사실을 이론계산을 통해 밝혔다. 또한 수분에 취약한 (100) 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겨 알파에서 델타 상으로 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃게 된다는 사실을 분광분석과 엑스선 회절을 이용하여 알아내었다. 패싯에 따른 수분안정성의 차이점에 대한 원인 규명을 기반으로, 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성을 향상하기 위해서는 (111) 패싯으로 구성된 필름 제작 기술이 필수적인데, 박남규 교수팀은 사이클로헥실아민 이라는 첨가제를 이용하여 (111) 패싯이 98% 차지하는 페로브스카이트 필름 제작에 성공하였다. 30-40% 상대습도 환경에서 약 2,000시간(1,938시간) 수분 안정성을 테스트한 결과, (111) 패싯 위주의 페로브스카이트 필름으로 만든 태양전지는 초기효율의 95% 이상을 유지하였다. 이번 연구 결과는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 개선하여 상용화에 이바지할 것으로 예상한다. ※ 논문명 : Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells ※ 저널: Science 게재 내역
- No. 222
- 2023-02-03
- 9372
바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 ·황보한준 · 이형진

효율적인 근육 재생을 위한 산소발생 바이오-잉크 개발 및 전기장 자극 세포-프린팅 기술 개발

조직공학 및 재생의학에서 근육 재생을 위한 근육 세포 구조체의 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)의 항상성 유지는 세포 생존, 성장 및 분화에 매우 중요한 요인이다. 하지만 기존 바이오잉크 및 바이오프린팅 공정으로 제작된 세포 함유 구조체는 낮은 산소 전달로 인해 세포 간 상호작용에 악영향을 미치고, 결국 줄기세포의 근육 형성과 관련된 다양한 신호전달 활성에 한계를 보인다. 또한, 세포의 지속적인 대사 활동에 의한 세포 구조체 내 산화 스트레스 유발과 활성산소종 축적으로 인해 결국 세포가 사멸하는 문제점이 있다. 바이오메카트로닉스학과 김근형 교수 연구팀 (공동 1저자: 황보한준, 이형진)은 식품생명공학과 우한민 교수 연구팀 및 의과대학 분자세포생물학 교실의 류동렬 교수 연구팀과 함께 광합성을 통해 산소를 발생시키는 시아노박테리아 함유 바이오-잉크를 개발하고 in situ 전기장 자극 세포-프린팅 기술을 개발하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다. 본 기술에서 연구팀들은 줄기세포의 최적화된 생존과 성장 유도를 위해 바이오-잉크 내 산소 발생이 가능한 시아노박테리아의 농도, 광합성 유도를 위한 빛의 세기, 그리고 세포-프린팅 공정 중 세포의 배열 유도를 위한 전기장 조건과 같은 복합적인 공정 제어를 통해 근육 재생에 효과적인 인공 근육 구조체를 제작할 수 있었다. 이를 통해 제작한 3차원 근육 세포 구조체는 세포에 지속적인 산소 공급이 가능하여 ROS 항상성 유지가 가능하였으며, 전기장의 바이오리액터 효과로 인해 세포-프린팅 공정 중 바이오잉크에 포함된 줄기세포의 신호 전달 체계 및 이온채널이 활성화되어 근섬유 형성 효율이 효과적으로 향상하였으며, 한방향으로 배열된 실제 근육을 모사한 근육 세포 구조체 제작이 가능하였다. 김근형 교수는 “본 연구를 통해 개발한 새로운 바이오잉크와 전기장 융합 세포-프린팅 기술은 기존 바이오잉크와 바이오프린팅 기술이 극복하지 못한 고질적인 세포 구조체 내 산소 공급 문제를 해결할 수 있었으며, 줄기세포의 배열된 근섬유 형성 유도를 바탕으로 동물 모델의 손상된 근육 조직의 완벽한 재생과 기능 회복이 가능한 기술이다”라고 말했다. 또한, “근육 조직에 국한하지 않고 산소 공급과 배열 유도 등을 필요로 하는 다양한 조직 재생을 위한 효과적인 인공 장기 제작 시스템으로도 충분히 활용이 가능하다”라고 말했다. 본 연구 성과는 및 한국연구재단-자연모사혁신기술개발사업 및 과학기술정보통신부의 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 재료과학응용 분야 국제학술지 어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced functional materials, Impact factor=19.924)에 게재되었다. ※논문명: Photosynthetic Cyanobacteria can Clearly Induce Efficient Muscle Tissue Regeneration of Bioprinted Cell-Constructs (https://doi.org/10.1002/adfm.202209157). 그림 1. 전기장을 활용한 배열된 인공 근육조직 제작 및 시아노박테리아에 의한 근육 세포 활성 관련 모식도와 제작한 인공 근육조직의 근육 형성 염색 사진
- No. 221
- 2023-01-20
- 6519
성균나노과학기술원 임용택 교수 ·진승모, 유연정 연구원

동력학적으로 작동하는 면역기능 조절 약물 개발로 항암면역치료제의 한계점 극복

성균나노과학기술원 임용택 교수 연구팀(제1저자 진승모/유연정 박사과정)이 치료용 면역 세포들이 탈진을 최소화하면서 효과적인 항종양 면역을 생성할 수 있게 하도록, 동력학적으로 면역 활성화 기능이 조율된 신규 개념의 나노아주번트 (Kinetically activating nanoadjuvant; K-nanoadjuvant)를 세계 최초로 개발하였다. 기존에 톨-유사 수용체 작용제 (toll-like receptor agonist; TLR agonist)와 같은 선천적 면역을 효과적으로 유도할 수 있는 다양한 약물들이 개발되어 왔다. 이러한 약물들은 면역 활성화에 기여하기도 하지만 면역 독성 및 면역 세포들의 탈진을 유도하여 효과적인 못한 암 면역 요법을 초래하였다. 임용택 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 특정 장소와 시간에 작동하도록 설계된 TLR7/8 agonist (timely-activating TLR7/8a, t-TLR7/8a)를 신규 합성하고, 다양한 TLR agonists 들과의 조합하여, K-nanoadjuvant를 제조함으로써, 그 효능을 입증하였다. K-nanoadjuvant는 서로 다른 신호전달 루트를 통해 면역 세포를 활성화하는 두 가지의 면역활성화 약물의 작용 기전을 시간(time), 순서(order) 및 조합 코드 (combinatorial code)의 최적화를 통해 조율함으로써, 면역 세포의 활성화를 극대화할 수 있는 플랫폼 기술로, 향후, 맞춤형 면역반응 유도를 위한 신규 아주번트 시스템 개발로 확장성이 클 뿐만 아니라, 과도한 면역반응으로 유도되는 면역 세포의 탈진 현상을 극복할 수 있는 신규 면역기능 조절 물질이다. K-nanoadjuvant는 3가지 종양 모델 (피부암, 폐암, 유방암)에서 단독 요법으로 사용하거나, 면역 관문억제제 (immune checkpoint inhibitor; ICBT)인 항 PD-L1 (anti-PD-L1) 또는 항암제 (독소루비신, doxorubicin)와의 병용 요법을 통해, 면역독성 없이, 강력한 항 종양 면역 효과를 보여주었다. 임용택 교수는 “K-nanoadjuvant는 현재 GSK를 포함한 다국적 제약회사에서 활발하게 개발 중인 면역활성화 아주번트 물질의 면역 독성 문제를 해결하면서, 효능을 극대화할 수 있는 플랫폼 기술이며, 인체 내 안전성이 증명된 나노리포좀 기반의 약물로, 임상 적용 가능성이 매우 높습니다.” 또한, “K-nanoadjuvant는 최신 항암면역치료제인 면역 관문 억제제의 미반응 환자군에 적용되어, 종양의 재발/전이를 방지할 수 있는 차세대 항암면역치료제로 활용될 가능성이 있습니다.” 라고 발표했다. 이 기술은 국내 벤처기업 (프로지니어㈜)에 기술 이전되어 현재 항암면역치료제 및 감염성 질환 백신으로 신약 개발 중이다. 특히, 이번 연구결과가 제1저자인 진승모/유연정 학생이 석박사 과정 동안 진행하여, 다학문적 과학 (multidisciplinary science) 분야 세계 최고 권위의 학술지인 ‘Nature Nanotechnology’에 1월 12일자 온라인 게재되는 성과를 달성한 점이 주목된다. 논문명: A nanoadjuvant that dynamically coordinates innate immune stimuli activation enhances cancer immunotherapy and reduces immune cell exhaustion (Nature Nanotechnology (IF=39.213)) https://www.nature.com/articles/s41565-022-01296-w 저자: 진승모 (제1저자, 박사과정), 유연정 (제1저자, 박사과정), 신홍식 (공저자, 석박사통합과정), 이상남 (공저자, 석박사통합과정), 배용수 (공저자, 성균관대 교수), 임용택 (교신저자, 성균관대 교수)
- No. 220
- 2023-01-13
- 28781
화학공학/고분자공학부 박남규 교수

페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 상이점 발견

화학공학/고분자공학부 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원 원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자), 화학공학/고분자공학부 권석준 교수(공동 교신저자), 신소재공학부 양철웅 교수(공동 교신저자)로 구성된 공동연구팀이 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 차이점을 발견하고 이론계산 기반의 원인 규명을 통해 24.64% 고효율 패로브스카이트 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수 연구팀은 안정성과 효율성이 모두 높은 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발하여 “페로브스카이트 포토볼타익스”라는 새로운 학문 분야를 개척하였다. 페로브스카이트 광흡수층은 프리커스 용액을 스핀 코팅하여 필름 형태로 제작하는데, 섭씨 150도에서 짧은 시간 열처리하게 되면 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있다. 일반적으로 알려진 방법을 이용하여 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정면도 일정치 않다는 단점이 있다. 박남규 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 의존성을 예측하여, 패시터 표면 에너지 계산을 기반으로 (100) 과 (111) 결정 패시터가 발달된 페로브스카이트 필름을 첨가제 공법을 이용하여 제작하는 데 성공하였다. (그림 1 참조) 그림 1. (왼쪽) 기존 프리커서 용액을 사용할 때 얻어진 다결정 특성의 페로브스카이트 필름. (오른쪽) 첨가제 공법을 이용한 프리커서 용액에 의해 얻어진 결정 패시터가 잘 발달된 페로브스카이트 필름 광전류 원자력현미경 (photocurrent-AFM) 측정을 통해 (100)과 (111) 결정 패시터에서 높은 광전류가 발생하는 반면 (110) 면에서는 매우 낮은 광전류가 생성되는 것을 발견하였다. 이론계산 결과 상대적으로 큰 유전상수와 빠른 엑시톤 발생이 (100) 과 (111) 결정 패시터에서 높은 광전류 발생의 원인임을 밝혀내었다. (그림 2 참조) 그림 2. A. 광전류 원자력 현미경 사진 B. 결정 패시터에 따른 광전류 C. 파장에 따른 유전상수의 결정 패시터 의존성 D. 결정 패시터에 따른 엑시톤 발생 속도 결정 패시터에 따른 광전류 차이를 이용하여 광전류 생성이 우수한 (100)과 (111) 패시터가 발달된 페로브스카이트 필름 기반의 태양전지는 24.64%의 높은 효율을 보인 반면, 광전류 생성이 우수하지 않은 (110) 패시터로 구성된 페로브스카이트 태양전지는 21.67%의 낮은 효율을 보였다. 또한 1,000시간 연속 광(光)조사 실험에서 (100)과 (111) 패시터 페로브스카이트 태양전지는 (110) 패시터에 비해 더 우수한 장기 안정성을 보였다. 이러한 연구 결과는 30% 이상의 이론효율에 가까운 페로브스카이트 태양전지를 설계하는 데 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. (그림 3 참조) 그림 3. 전류-전압 그래프: A. (110) 패시터 필름의 페로브스카이트 태양전지, B. (100)/(111) 패시터가 발달된 필름의 페로브스카이트 태양전지 C. 1000 시간 연속 광조사에 의한 효율 변화. (100)/(111) 패시터 필름이 (110) 필름에 비해 더 우수한 광조사 안정성을 보임 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘줄 (Joule, IF=46.048)’에 11월 16일(6권, 페이지 2626-2643) 발표되었다. 본 연구는 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었다. ※ 논문명 : Photovoltaically top-performing perovskite crystal facets
- No. 219
- 2023-01-06
- 5604
사회학과 이해나 교수

납에 노출된 아동들이 나이 들면 치매증상 경험할 가능성 커

사회학과 이해나 교수가 어린 시절의 납 노출이 노년기 뇌 기능에 부정적 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과를 사이언스 자매지Science Advances에 게재했다 (IF: 14.14, multidisciplinary 분야 Q1 저널). 이는 한국 사회학자로써 최초이다. 이해나 교수는 미국국립보건원의 NIH K99/R00 Pathway to Independence Award에 선정되어 본 연구를 진행하였다. 납 등의 중금속은 몸에 한번 들어오면 밖으로 배출되지 않는다. 납이 체내 축적되면 장기 및 혈액 형성에 손상을 입히지만 무엇보다도 뇌에 손상을 준다. 미국 플린트시 납 수돗물 사태로 아동의 뇌 발달에 납이 부정적인 영향을 미친다는 사실이 확인되었다. 하지만 어린 시절 체내에 축적된 납이 청소년기, 성인기를 거쳐 노년기 뇌 기능에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 잘 알려진 바 없다. 납의 노출 경로는 다양하지만 20세기 초반 대다수의 사람들은 수돗물을 통해 납에 노출되었다. 20세기 초 많은 도시가 수돗물 공급 배관으로 납 파이프를 사용하였기 때문이다. 구리로 많든 배수관보다 인기가 많았던 이유는 납이 구리보다 내구성과 유연성이 좋기 때문이다. 납이 수돗물에 오염되기 위해서는 두가지 조건이 부합되어야 한다. 첫째 수돗물이 공급되는 배관이 납으로 만들어졌어야 하며, 둘째 물이 산성이거나 알카리성이어야 한다. 기존 고령층패널조사에는 노인들의 어릴 적 거주 환경에 대한 정보가 거의 수집되어 있지 않기 때문에 어릴 적 중금속 노출의 장기적 영향을 알아 볼 수 없었다. 이를 해결하기 위해 이해나 교수는 머신러닝을 사용해 미국고령자패널 (Health and Retirement Study)과 1940 미국 인구총조사를 결합하였다. 이 데이터와 역사적 수도관 자료와 수질자료를 사용해 연구팀은 미국 노인 1,089명 (1926-1940년생)이 자란 도시의 위치 및 납 수돗물 노출의 여부를 파악하였다. 그 결과 어린 시절 납 수돗물을 먹고 자란 노인은 그렇지 않은 노인들보다 노년기에 접어들어 현저히 낮은 인지능력을 경험한다고 밝혔다. 이는 개인의 교육수준, 소득수준, 기저질환 (뇌졸증)등을 통제하고도 나온 결과로, 어린 시절 납 노출이 영속적인 성격 (health-enduring effects)이 있다는 놀라운 결과를 도출했다. 본 연구는 전통적으로 개인적인 특성 (유전, 소득, 건강수준)을 통해 뇌 질환 및 노화를 규명하고자 하는 기존 연구를 보완하는데 의의가 있다. 머신러닝을 사회조사와 병합함으로써 건강사회학의 새로운 패러다임과 조사방법론의 융복합적 연구방법을 제시하였다. 본 연구는 미네소타 주립대학 사회학과 John Robert Warren교수, Mark Lee 박사와 노스웨스턴 대학 경제학과 Joseph Ferrie교수와 협업을 통해 이루어 졌다. 다음의 링크를 통해 논문을 다운 받을 수 있다 DOI: www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5164
- No. 218
- 2022-12-28
- 6140
심리학과 김민우 교수

자연어처리 알고리즘으로 30년간 K-pop 히트곡 가사에 담긴 감정의 변화 추적

심리학과 김민우 교수는 조원광 교수(서울대학교)와 협력하여 K-pop 히트곡 가사에 담긴 감정과 정서가 지난 30년 동안 일관적으로 변화했다는 연구 결과를 발표했다. 대중가요, 특히 많은 사람들이 듣는 히트곡에는 그 사회의 구성원들이 선호하고 경험하는 감정이 담겨있다. 그렇기에 K-pop 히트곡을 분석하면 우리나라 사람들이 전체적으로 선호하는 감정이 어떻게 변화해왔는지 알 수 있으며, 이러한 양상이 우리나라의 사회문화적인 변화와 어떠한 관련이 있는지를 파악해볼 수 있다. 특히 K-pop은 그 어느 때보다도 국제적인 위상이 크게 올라갔으며, 이제는 명실상부한 메인스트림 음악으로서 더 이상 국내 팬들만의 전유물이 아니게 되었다. 세계 곳곳에 K-pop을 즐겨듣는 사람들이 많아지면서, K-pop 히트곡을 연구하는 것은 보다 글로벌한 함의를 갖게 되었다. K-pop 히트곡 가사에 담긴 감정을 분석하기 위해, 텍스트 마이닝과 자연어처리(natural language processing; NLP) 알고리즘을 활용하였다. 구체적으로, 노래 가사 내에 긍정적 또는 부정적 의미를 가진 형태소가 얼마나 자주 등장하는지 분석하였으며, 특정 감정을 담고 있는 주제가 얼마나 많이 존재하는지 토픽 모델링과 같은 계산과학적 기법을 사용하여 확인하였다. 1990년부터 2019년까지 멜론차트 탑100에 포함된 3000곡에 다다르는 K-pop 히트곡을 분석한 결과, 가사에 담긴 긍정적인 감정은 증가하였고, 부정적인 감정은 감소하는 추세가 30년 동안 꾸준하게 확인되었다. 놀랍게도, 이는 비슷한 시기에 미국이나 영국을 포함하는 서구권 히트곡들에서 발견되었던 감정의 변화양상과 정반대의 결과이다. 반면에, 원래 집단주의 문화권인 우리나라에서는 지난 30년 동안 개인주의적 성향이 서서히 강해지면서 개인의 꿈과 목표를 성취하기 위한 노력이 장려되는 등 개인주의 문화의 장점이 전면에 나타나고, 이에 K-pop 히트곡에서도 개인의 자신감과 자긍심을 담아내는 긍정적인 감정이 더 많이 드러나게 된다고 볼 수 있다. 이와 맞물려 같은 시기에 급성장한 우리나라의 경제력과 구매력 또한 K-pop 히트곡 가사에 갈수록 긍정적인 감정이 더 많이 담기는데 영향을 주었을 것으로 해석된다. 본 연구는 노래 가사와 같은 자연어 데이터베이스에 대한 계산과학적 분석을 통해 사회문화적인 시사점을 지닌 결과를 도출할 수 있다는 함의를 가진다. 이번 연구의 성과는 심리학 분야 국제학술지 ‘Emotion’에 게재되었다. *Tracking emotions from song lyrics: Analyzing 30 years of K-pop hits (Journal: Emotion, DOI: 10.1037/emo0001185)
- No. 217
- 2022-12-16
- 7878
화학공학/고분자공학부 이준영 교수 ·김정규 교수, Nguyen Duong Nguyen

신규 맥센-니켈인화물 하이브리드를 통한 그린수소 촉매 소재

화학공학과 이준영 교수 연구팀(제1저자 Nguyen Duong Nguyen)은 김정규 교수(성균관대학교)·신혜영 교수(충남대학교)와 협력하여 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 전이금속 기반 소재로서, 신규 2차원 소재인 멕센(MXene) 표면에 니켈인화물(Ni2P) 나노입자를 성장시킨 이종접합을 활용해 저비용·고성능으로 친환경 그린수소 생산이 가능한 전기촉매 소재 연구성과를 보고했다. 탄소배출 없는 친환경 그린수소 생산을 위해서는 전기화학적 물 분해반응을 활성화하는 저비용·고성능 전기촉매 소재 기술이 필요하다. 기존의 수소 발생 반응에는 활성이 우수한 귀금속 기반 촉매가 사용됐지만, 높은 가격이 산업화의 걸림돌로 작용한다. 그 대안으로 전이금속 기반 촉매 개발이 추진되고 있지만, 낮은 촉매 활성과 낮은 안정성이 한계로 지적됐다. 이에, 연구팀은 전기 전도도가 높고 전기화학적 안정성이 뛰어난 2차원 물질인 멕센 표면에 의도적인 결함을 일으키고, 그 위에 촉매 소재인 니켈인화물을 이종핵 성장(Heteronuclei growth)시키는 방법으로 수소 발생 성능이 우수한 금속인화물-멕센 하이브리드 수전해 촉매 소재를 합성했다. 그 결과 2,000회 반복 측정과 24시간 연속 구동에도 높은 안정성을 확보할 수 있었으며, 특히 산성과 중성, 알칼리 조건에서 모두 우수한 전기화학적 수소 발생 반응 성능을 보였다. 또한 시뮬레이션을 통해 니켈인화물 표면의 스트레인(strain)이 니켈인화물의 결합 길이를 변화시키고, 반응 중간 생성물의 흡착 에너지 변화를 촉진하여 고활성의 수소 발생 반응 촉매 활성을 효과적으로 유도함을 확인했다. 이번 연구성과는 물을 전기분해하여 탄소배출 없이 그린수소를 생산하는 미래에너지 기술을 제시한 것으로, 멕센의 가공법에 따라 기존 촉매 소재의 단점을 극복한 고활성·고안정성 촉매 소재 개발이 가능할 것으로 기대된다. 이번 연구의 성과는 나노소재 분야의 세계적인 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 9월 19일 온라인 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다. *Interfacial Strain-Modulated Nanospherical Ni2P by Heteronuclei-Mediated Growth on Ti3C2Tx Mxene for Efficient Hydrogen Evolution (저널: Small, DOI: 10.1002/smll.202204797) 2차원 판상 형태의 MXene 소재 표면에 0차원 구체 형태의 니켈인화물이 이종핵 성장하는 형태를 묘사한 것으로, 하이브리드 소재 계면에 스트레인 발생하여 우수한 그린수소 생산 성능을 확보함. Small 저널 2022년 11월에 표지논문으로 선정
- No. 216
- 2022-12-06
- 7669
의학과 이기영 교수 ·김미정, 이지수, 김지영 연구원

Cereblon (CRBN)에 의한 폐암 발달 조절에 관한 새로운메커니즘 제시

폐암의 발병 및 발달은 암 미세환경 (Tumor microenvionment, TME)에 영향을 주는 다양한 외부 (External factors) 및 내부 인자 (Internal factors)들에 의해 조절된다. 정상세포와 비교하여 폐암세포에서 특정 유전자의 발현 감소 혹은 증가는 폐암의 발병 및 발달에 연루되어 있을 가능성이 아주 높다. 본 연구팀은 폐암환자 유래의 정상세포와 폐암 세포에서 발현되는 유전자 정보를 활용하여 Cereblon (CRBN) 유전자 발현이 폐암 세포에 현저하게 감소되어 있음을 확인하였다 (그림1 참조). 분자 및 세포 기전 연구를 통하여, CRBN 단백질은 폐암 세포 발달에 중요한 역할을 하는 톨유사수용체 (Toll-like receptor, TLR)에 의한 오토파지 (Autophagy, 자가소화작용) 활성화에 중요한 조절 기능이 있음을 제시하였다 (그림1). 톨유사수용체에 의한 오토파지 활성화는 폐암미세환경에 존재하는 암세포 및 암 줄기세포 (CSC, Cancer Stem Cell)의 증식 및 전이에 기여함이 보고되었으며, 이는 다양한 항암 치료에 대한 저항성의 원인 중 하나로 고려되고 있다. 본 연구에서 제시한 기전 연구는 폐암 발병 및 진행에 관한 병리학적 원인 규명 및 새로운 항암 치료 전략에 기여하리라 기대하고 있다. 본 연구실에서는 지난 6월에 폐암 발달을 조절하는 새로운 단백질 (Stratifin (SFN)의 기능을 임상 중개 의학 분야 저명 국제 학술지인 Clinical and Translational Medicine (IF: 11.492)에 보고한 바 있으며, 이번 연구결과 또한 9월에 같은 학술지인 Clinical and Translational Medicine (IF: 11.492)에 보고하는 성과를 얻었다. 이번 연구는 제1저자로 이지수 학생 (성균관대학교 의과대학 석사과정), 김지영 학생 (성균관대학교 의과대학 석박통합과정), 그리고 김미정 박사 (의과대학 BK21 신진 연구자)가 기여를 하였다. 논문명: CRBN is downregulated in lung cancer and negatively regulates TLR2, 4 and 7 stimulation in lung cancer cells. Clin Transl Med. 2022 Sep;12(9):e1050. doi: 10.1002/ctm2.1050. 저자: 김미정 (제1저자, 의과대학 BK Four 신진 연구자), 이지수 (제1저자, 석사과정), 김지영 (제1저자, 석박통합과정), 이기영 (교신저자, 성균관대 교수).
- No. 215
- 2022-11-28
- 5339
생명공학대학 이상섭 교수

환경미생물 자원 및 유전자 거점은행 선정

유엔 생물다양성협약(92년 6월)이 국가소유 생물자원에 대한 주권적 권리를 인정한 후, 생물자원은 식량과 에너지부족, 난치병, 환경문제 등 인류가 처해 있는 난제를 해결할 열쇠이자 막대한 경제적 가치를 지닌 보물로 각광받고 있어, 현재 세계적으로 연간 5천∼8천억달러 규모의 생물자원 전쟁이 벌어지고 있다. 우리나라도 자원개발에 대한 투자가 선진국 대비 많이 부족한 상황에서 최초로 정부가 모든 자원을 개발 관리하는 국가생명연구자원 선진화 사업을 시작하였다. 성균관대학교 환경미생물 및 유전자센터는 이상섭 교수가 1978년 이후 24,000여 균주의 환경미생물 자원을 다양한 생태계로부터 분리하여 생리, 생화학적 특성분석, 유전자 분석 등을 통한 생물정보 DB를 구축하고, 환경독성물질 (발암물질, 환경호르몬 등)을 분해할 수 있는 고효율 균주를 개발하여 국내외 유일한 환경미생물 및 유전자 은행을 설립하였다. (자원의 가치 100억) 2022년 9월에 환경미생물 자원 및 유전자 거점은행으로 선정되어 향 후 5년간 국가 White Bio 산업을 이끌 자원 개발 및 산업화를 위한 사업을 진행 할 예정이다. 환경미생물 센터는 년 평균 800균주 이상 새로운 균주개발 및 연평균 1,200 균주 이상을 분양하여 관련 연구자 연구 및 기술개발을 지원하고 있고, 최근 5년간 자원을 활용한 실적은 논문 총 128편 중 123편 SCI, 신종 논문 109편 특허등록 13건, 출원 8건, 해외특허 2건 등록 되었다. 1. 분양 및 확보실적 2. 자원 활용실적 ● 센터 자원활용 개발기술 실적 1. 국가 건설기술 발전 (콘크리트/바이오 융합소재 개발 및 활용) 분야 ▶ 콘크리트 기능을 향상 시키는 미생물/콘크리트 융합소재 개발을 위한 미생물제제 개발 및 융합 최적 조건 확립 - 옥상녹화, 에너지 저감, 탄소저감을 위한 테라콘 박테리아 개발 - 콘크리트 자기 치유를 위한 탄산칼슘 생산 박테리아 개발 - 해안 구조물 콘크리트 내염성을 강화시키는 박테리아 개발 - 산업단지 건물 및 축사 대기 독성물질 및 악취제어를 위한 콘크리트 융합 박테리아 개발 ▶ 박테리아 슬라임을 활용한 생태보수 모르타르 기술의 공동개발( 성대 이광명교수 사업단, 경기대 양근혁 교수) ; 기능성 박테리아 개발 및 융합 최적화 (미생물제제 상품화) - 연구결과는 해외저명학술지(SCI(E))에 발표되었으며, ‘기능성 박테리아를 활용한 하수 처리 콘크리트 시설물 단면 보수 공법’의 명칭으로 국토교통부 건설신기술 제 910호로 지정되었음. - 사업화 초년(2020년)의 사업화 매출액은 약 90억 원이었으며, 2021년에는 건설신기술 지정의 결과를 토대로 전국 대리점 확대를 통해 연간 매출액은 500억 원 이상으로 증가할 것으로 기대되고 있음. - 베트남 TKA-Vietnam 사와 기술이전 계약(20만 달러)을 체결하여 해외시장 을 진출하고 있으며, 중국, 홍콩, 및 캐나다에 기술이전을 추진하고 있음. - 2021년 국가연구개발 우수성과 융합부분 최우수 성과로 선정 2. 오염된 해양퇴적토 정화 및 시멘트 대체소재 개발 (해양환경공단 공동연구) - 전세계적으로 연안 의 해양 퇴적토 오염은 심각한 상황임. 육지에서 비점오염원을 통한 오염원 유입이 계속 증가하고 있고, 해양 양식장 등에 의한 오염도 빠르게 증가하고 있음. 더욱이 최근에 들어 해양유전, 선박사고, 송유관 사고 등에 의한 유류 오염이 자주 발생하여 바다 생태계를 심각하게 오염 시키고 있음. 따라서 전 세계적으로 수십조원의 정화사업이 시작되고 있음. - 지속적으로 해양 오염 퇴적토를 정화하고 먼 바다에 투기하였으나 이 또한 법 개정으로 금지 되었고, 차선책으로 매립장에 매립토로 사용하려 하였으나 매립토 조건을 만족 시키지 못해 문제가 되고 있음. - 해양환경 공단의 제안으로 우리나라 최초로 다양한 해양 오염원을 한 시스템에서 단계적으로 처리 가능한 기술, 국내 뿐 만 아니라 해외에서도 사용 가능한 융합시스템을 공동으로 개발 함. - 생물학적, 화학적, 물리학적 처리기술을 융합하여 유류(TPH, BTEX), 무기영양염류 (TN,TP) 중금속, 환경호르몬 등 이 복합오염 된 퇴적토를 정화하는 기술. - 개발된 기술 ; 입자 선별기, 대기오염 물질 정화 탈취탑, 오염수 정화 시스템, 탈수장치, 4기의 반응기가 다양하게 조합되어 복합 오염물질을 정화하는 정화시스템 등으로 구성되어 있음. - 해양환경공단과 공동 특허등록을 하였고, 미국, 캐나다 특허 등록 되어 사업화 추진 중에 있음. 3. 공공복지 안전연구사업 (적조방제 및 해양오염 정화기술); 어민들의 수익증대 ▶ 국민의 복지향상을 위하여 정부가 기획한 사업 - 향후 우리나라 수산업 발전 방향 : 잡는 어업에서 기르는 어업으로의 전환 - 우리나라 연안오염과 적조 상습 발생 : 양식업, 바다목장 사업에 큰 위협 ▶ 핵심사업 실적 - 해양 육상양식장 오염해수 정화 시스템 및 해양 적조 방제 시스템 개발 * 특허등록 ( 7건 ; 특허 목록참조 ) * 해양수산부 해양 분야 신기술(NET) 인증 (2017-02호) 신기술(NET) 인증 (2017-03호) * 2018년도 국가연구개발 우수성과 100 선정 4. 공공조달 연계형 국민생활연구 실증.사업화 지원사업 (해양수산물 식량 생산성 및 안전성 증대를 위한 폐쇄순환여과시스템 개발) - 우리나라 식량 자급도는 50% 수준이며, 식량 5,000만톤 중 10%가 수산물임. 우리나라 수산식품 수출입 역조는 년 3조원임 (수입5조원, 수출2조원) - 해양환경오염으로 인한 생산량 감소 및 안전성 문제 심각함. 육상과 해양양식장으로부터 오염물질 발생이 급속히 증가함에 따라 빈번하게 부영양화 및 빈산소수 등이 발생하고 질병이 만연하고 있음. 계절에 따른 태풍, 적조, 고수온, 냉수 등 자연재해가 빈번히 발생하여 피해가 큼. 또한 유류, 방사선, 미세플라스틱 오염 심각함. - 현재 해수오염으로 인한 해양수산물 생산성 감소 및 수산물 안전성 문제가 심각 한 지금 (미세플라스틱, 어류질병, 방사선물질) CRAS 시스템은 다양한 환경오염을 사전 방지해 생산성과 수산물 안전성을 증가시킬 수 있고, 어민과 거주민들의 삶의 질을 향상시켜 나갈 것임. - 과기부 최종 평가 우수를 받은 후 특허출원하고, 조달청 혁신제품 인증 신청 준비 중 ● 보유인프라 시설 및 장비
- No. 214
- 2022-11-18
- 6518
글로벌바이오메디컬공학과 박장연 교수

생각의 흐름을 볼 수 있는 초고속 뇌 신경활동 영상기술 세계 최초 개발

글로벌바이오메디컬공학과 박장연 교수 연구팀은 수 밀리 초의 초고시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 직접 영상화할 수 있는 차세대 뇌기능 영상기술을 세계 최초로 개발하였다. 제안된 초고속 뇌 신경활동 영상기술의 주된 검증은 전기 생리학 연구 그룹인 고려대학교 곽지현 교수(현재 서울대학교 뇌인지과학과) 연구팀과의 협업으로 이루어졌다. 비침습적 뇌기능 영상(혹은 신경영상) 기법들은 생체 내 뇌기능이 어떻게 이루어지는지를 규명하는 데 큰 역할을 하고 있다. 하지만 현재 가장 널리 사용되고 있는 비침습적 뇌기능 영상들인 뇌전도(EEG)와 뇌자도(MEG), 그리고 기능적 자기공명영상(fMRI) 등은 시간 및 공간해상도 측면에서 뚜렷한 장단점들을 가지고 있어 생체 내 뇌 연구에 중요한 한계로 작용하고 있다. 예를 들어, EEG와 MEG는 높은 시간해상도(~밀리초)에도 불구하고 낮은 공간해상도(~센티미터)를 제공하고, fMRI는 높은 공간해상도(~밀리미터)에도 불구하고 낮은 시간해상도(~초)와 혈류 기반의 간접적인 신경활동 정보만을 제공한다. 박장연 교수 연구팀에서는 신경활동전위 변화시간에 버금가는 수 밀리 초의 시간해상도를 가지는 자기공명영상을 구현할 경우 직접적인 신경활동의 측정 및 영상화가 가능할 것이라 예상하였고, 영상 데이터를 쪼개어 얻는 방법을 이용해 밀리 초의 초고시간해상도를 가진 자기공명영상을 구현하였다. 연구팀은 이를 이용해 높은 시공간해상도로 신경활동을 직접적으로 영상화함과 동시에, 뇌 신경망에서의 신경활동이 전달되는 과정 또한 영상화하였다. 또한 이러한 직접적 신경활동영상의 새로운 신호 기전에 대해서도 중요한 가설을 제안하였다. 연구팀은 9.4T 동물용 MRI 장비에서 살아있는 마우스의 뇌를 이용해 개발한 초고속 뇌 신경활동 영상기술을 검증하였다. 마우스 수염 부위에 주기적인 전기 자극을 가하면서 시상(thalamus)과 일차 체성감각피질(primary somatosensory cortex, S1)을 포함하는, 0.22 밀리미터의 공간해상도와 5 밀리 초의 시간해상도를 가지는 신경활동의 시간열(time series) 영상을 획득하여 20-25 밀리 초에서 S1에서의 신경활동 반응을 확인하였다. 이와 더불어 S1에서의 신경활동 반응 전에 10-15 밀리 초 사이에서 나타나는 시상에서의 신경활동 반응 또한 확인하였고, 이를 통해 시상을 거쳐 S1에 이르는 시상-피질 신경전달경로 상에서 시간에 따른 신경전달이 어떻게 이루어지는 지를 영상화하였다. 또한 이러한 초고속 신경활동 영상의 새로운 신호 기전으로 신경활동 시 발생하는 세포막변위의 변화에 따른 T2 이완화 시간(relaxation time)의 변화를 제시하였다. 연구팀이 제안한 높은 시간 및 공간해상도를 가진 생체 내 초고속 뇌 신경활동 영상기술은 수 밀리 초의 초시간해상도로 생체 내 뇌 신경활동을 영상화함으로써, 신경활동의 직접적인 영상화와 함께 뇌 신경망에서 신경활동 신호의 전달이 어떻게 이루어지는지를 보여줄 수 있는 차세대 뇌기능 영상기법이라고 말할 수 있다. 이러한 차세대 뇌기능 영상기법을 통해 다양한 인지과정에서 뇌 기능이 실제로 어떻게 이루어지고 있는지를 반영하고 표상할 수 있는 실제에 가까운 다이내믹한 뇌 신경망 모델이 구현이 가능할 수 있을 것이며, 임상적인 측면에서는 퇴행성 뇌질환에서의 인지 손상이나 정신질환에 있어서 객관적이고 정량적인 평가를 가능하게 함으로써 현대 의학의 추세인 개인별 정밀 진단에 크게 기여할 수 있으리라 기대한다. 박장연 교수는 “본 연구는 뇌기능 영상 분야의 오랜 숙원이었던 높은 시간 및 공간해상도를 동시에 가진, 생체 내 뇌 신경활동 영상을 구현했다는 점에서 매우 큰 의미가 있다”며 “특히 초고시간해상도로 뇌 신경망에서 신경활동의 활성화 및 전달과정을 영상화할 수 있다는 것은 뇌 신경망에서 인지 과정에 따른 정보의 흐름 즉 생각의 흐름을 볼 수 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 뇌 기능의 위계적인 연결 구조를 규명함으로써 ‘생각하는 뇌’에 대한 실질적으로 깊이 있는 이해를 가능하게 할 수 있을 것”이라고 말했다. 덧붙여 “인간에게도 적용 가능하다는 것이 검증되면 뇌 과학 분야에 ‘Game Changer’ 가 될 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다. 이 연구 성과는 2022년 10월 14일 국제학술지 ‘Science’저널 (IF: 47.728) 에 Research Article로 게재되었으며, 주목할 만한 논문에 대해 실리는 논평 기사인 Perspectives와 함께 실렸다. 또한 논문 게재와 함께 Nature news에서도 논문에 대한 기사를 다루었으며, The Scientist(영국)와 STAT news (미국)에서도 논문에 대한 기사를 실었다. ※ 논문제목: “In vivo direct imaging of neuronal activity at high temporo-spatial resolution” ※ Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4340 [연구그림 1] 높은 시공간해상도의 DIANA 기술은 시상-피질 경로에서의 신경신호 전달을 영상화할 수 있음. A. 왼쪽: 시상(초록색)과 S1BF(자주색) 영역이 표시된 마우스 뇌의 지도. 오른쪽: DIANA 실험 모식도. B. 비교를 위해 DIANA 실험과 동일한 전기 자극으로 얻은 BOLD-fMRI 결과 (뇌 활성화 맵). C. 5 밀리 초 시간해상도의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열(time series) (대표 5마리 마우스 데이터). D. 시상과 S1BF 영역에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. E. 시상과 S!BF에서 DIANA 피크 신호가 나타나는 시간 (각 영역에서의 신경활동 활성화 시간)들의 평균을 나타내는 막대그래프. F. 위: DIANA 실험과 동일한 자극을 가진 전기 생리학 실험 모식도. 아래: 형광 염료를 이용해 시상과 S1BF 에서의 전극(electrode) 위치 확인. G - H. 시상(G)과 S1BF(H)에서 뉴런 스파이크들의 multi-unit activity (MUA) 분석과 single units 분석. I. 시상(위)과 S1BF(아래)에서 자극 후 시간에 따른 single units의 히스토그램과 DIANA 신호 변화(시상: 초록색 실선, S1BF: 자주색 실선)의 비교. J. 시상과 S1BF에서 single units 들의 피크 발화 율(firing rates)이 나타나는 시간들을 나타내는 막대그래프. [연구그림 2] 피질 층에서의 DIANA 활성화 맵은 기능적으로 뚜렷한 피질 층 관련 미세회로들을 보여줄 수 있음. A. 왼쪽: DIANA 실험 모식도. 오른쪽: 시상 내부 핵들(VPMd, VPMv, POM), S1BF과 S2의 피질 층들(L2/3, L4, L5, L6)이 표시된 마우스 뇌의 지도. B. 왼쪽: DIANA 실험과 동일한 자극을 가진 전기 생리학 실험 모식도. 오른쪽: 형광 염료를 이용해 시상 핵들과 S1BF 피질 층들에서의 전극 위치 확인. C. 왼쪽: 시상 핵들에서의 5 밀리 초 시간해상도 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: 시상 핵들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: 각 시상 핵에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. D. 왼쪽: 시상 핵들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵(heatmap) 시간열. 가운데: 시상 핵들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: 각 시상 핵에서의 피크 spike 발화 율의 평균. E. 왼쪽: S1BF 피질 층들에서의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: S1BF 피질 층들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: 각 피질 층에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. F. 왼쪽: S1BF 피질 층들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵 시간열. 가운데: S1BF 피질 층들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: S1BF 각 피질 층에서의 피크 spike 발화 율의 평균. G. 왼쪽: S2 피질 층들에서의 DIANA 뇌 활성화 맵 시간열. 가운데: S2 피질 층들에서의 시간에 따른 DIANA 신호 변화. 오른쪽: S1 각 피질 층에서의 피크 DIANA 신호들의 평균. H. 왼쪽: S2 피질 층들에서의 single units spike 발화 율의 히트맵 시간열. 가운데: S2 피질 층들에서의 시간에 따른 spike 발화 율 변화. 오른쪽: S2 각 피질 층에서의 피크 spike 발화율의 평균. * 기사 링크 Nature https://www.nature.com/articles/d41586-022-03276-5 TheScientist https://www.the-scientist.com/news-opinion/new-mri-technique-tracks-brain-activity-at-millisecond-timescales-70626 STAT news https://www.statnews.com/2022/10/13/faster-brain-imaging-seems-to-overcome-limitations-of-mri-scans/ 왕이신문 https://c.m.163.com/news/a/HJUQ2AP905349C3F.html?spss=newsapp&spsnuid=oZlx0DZd33OSWgG0kMOOUuM7BDC%2FiTfKiWqAqYquhrd6bSMjx5AhlFPCxNgjPPppLKLFB1b60t5bfMyo%2BfU9vA%3D%3D&spsdevid=01FAE289-ED08-4A0C-8400-E606EBBCD204&spsvid=&spsshare=wx&spsts=1666052754167&spstoken=SfdkYiZhpyVZWhpU%2BRUwim4QV5mcCcJr7ezvwp%2Fwwy%2FIAvHE%2BhK9eCCy270blp2R&spssid=2abc334fb2d6ee470fa4c0642a06a8a8&spsw=2&isFromH5Share=article
- No. 213
- 2022-11-07
- 7161