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그래핀 이용한 인공근육형 작동장치(actuator) 개발
〈 오 일 권 교수〉
우리 대학 기계공학과 오일권(43) 교수 연구팀이 화학적 도핑된 그래핀을 이용해 고성능의 인공근육형 작동장치(actuator)를 개발했다.
이번에 개발된 인공근육 작동장치는 기존 기술보다 3배 이상의 굽힘 변형을 보이고, 5시간 이상 구동해도 성능을 유지할 수 있다.
이번 연구는 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 12월 15일자 온라인 판에 게재됐다.
최근 플렉서블, 웨어러블 소자에 대한 연구가 활발해지며 인간과 기계 사이의 햅틱(촉각 효과) 기능을 위한 능동형 유연 작동기(soft actuator)가 핵심 부품으로 각광받고 있다.
특히 유연성이 떨어져 첨단 전자제품에 적용이 어려운 기존의 기계식 작동기를 대신해 인간의 근육을 모방한 전기에 반응하는 인공근육형 작동기가 관심을 받고 있다.
그러나 기존의 백금이나 금을 기반으로 제작한 인공근육형 작동기는 제작 기간이 일주일 가까이 소요되고 실용성이 떨어지는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 그래핀과 화학물질, 전도성 고분자를 이용했다. 황과 질소를 그래핑에 도핑하고 전도성 고분자와 함께 섞어 부드럽고 전도성이 탁월한 유연 전극을 제작했다. 그리고 이를 바탕으로 고성능 인공근육형 작동기를 개발했다.
기존의 금속 기반 작동기가 일주일 이상의 제작 기간이 소요되는데 반해 연구팀이 개발한 그래핀-전도성 고분자 전극 적층 방식의 유연 작동기는 2시간 이내 제작할 수 있는 장점을 갖는다.
또한 황과 질소 등 화학물질을 도핑하는 작업으로 기존 그래핀에 비해 1.5~2배 이상 전기화학 성능이 향상됨을 삼전극 전기화학 테스트를 통해 확인했다.
연구팀은 이번에 개발한 작동기는 0.5V와 1V의 낮은 인가전압에서도 대 변형 구동이 가능하고, 기존 대비 3배 이상의 변형을 보이면서도 장시간 성능 지속이 가능하다고 밝혔다.
이 원천기술은 향후 ▲소프트 로보틱스(soft robotics)▲3D 프린팅 된 작동기▲부드러운 햅틱 디바이스▲웨어러블 전자소자▲유연 디스플레이전자소자▲생체 의료기기 등 각광받는 차세대 기전소자로 응용될 것으로 기대된다.
오 교수는 “고성능 인공근육형 작동기 기술은 향후 첨단 기전소자의 핵심 요소가 될 것이다”며 “특히 3D프린팅 기술과 함께 발전하면 차세대 웨어러블 소자로 상용화 가능성이 높을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 KAIST 김재환 박사과정, Kotal 박사가 공동 1저자로 참여했고, 네바다 주립대학 라스베가스(UNLV) 기계공학과 김광진 교수팀과의 공동연구를 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 도핑된 그래핀 기반 인공근육형 작동기의 단면 이미지
그림2. 인공근육형 작동기 구동 사진
그림3. 황과 질소가 동시에 도핑된 그래핀의 원소 매핑 이미지
그림4. (a) 도핑된 그래핀의 굽힘 성능 및 (b) 성능 지속성 평가
2016.01.07
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단일 분자로 두 가지 빛 발현 기술 개발
우리 대학 신소재공학과 김보현, 전석우 교수 연구팀이 그래핀을 이용해 단일 분자에서 두 가지 빛을 번갈아 발현하는 기술을 개발했다.
이번 연구결과는 신소재 전문 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 12월 17일자 온라인 판에 게재됐다.
이번 기술은 HD TV 등의 디스플레이 제품과 바이오, 광통신 등 다양한 분야에서 폭넓은 활용이 가능할 것으로 기대된다.
모든 물질이 빛을 내는 원리는 동일하다. 바닥상태에 있던 전자가 에너지를 받아 들뜬 상태로 올라간 후, 다시 안정적인 바닥상태로 돌아가면서 얻었던 에너지를 열에너지나 빛에너지로 돌려주는 것이다. 이때 빛에너지로의 전환 비율이 열에너지보다 높으면 흔히 보는 디스플레이 화면이 된다.
들뜬 전자가 빛을 낼 때 높은 에너지 상태로 올라갔다가 바로 떨어지는 것을 형광, 좀 더 낮은 에너지 상태로 이동했다가 서서히 떨어지는 것을 인광이라 부른다.
일반적으로 양자역학 및 광화학적 조건 때문에 에너지가 다른 두개의 빛을 단일 분자에서 번갈아 구현하는 것은 불가능하다고 여겨졌다. 한번 낮은 에너지 상태로 이동한 전자가 외부 자극 없이 다시 높은 곳으로 되돌아갈 수 없기 때문이다.
따라서 여러 빛이 필요한 디스플레이는 각각의 빛을 내는 소자나 빛을 걸러주는 필터가 필요하게 된다.
김 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 그래핀과 포르피린이라는 두 물질을 샌드위치 쌓듯이 번갈아 적층하는 방법을 사용했다. 강한 인광을 내는 포르피린을 그래핀 위에 얇게 올리면 그래핀 플라즈몬(빛에 의한 전자의 집단 진동)과 포르피린의 공명에 의해 형광이 강하게 발현되고 더불어 인광도 동시에 증폭되는 원리를 이용한 것이다.
연구팀은 실험을 통해 그래핀과 백금 포르피린 복합체가 기존의 백금 포르피린에 비해 형광은 최대 29배, 인광은 최대 7배 이상 증폭되는 효과를 확인했다. 또한 그래핀 층 숫자를 조절해 빛의 세기 증가, 형광과 인광의 발광 비율 조절 등이 가능함을 증명했다.
유연한 그래핀과 포르피린 복합체를 이용하면 단일 분자로도 두 개 이상의 색을 발현할 수 있기 때문에 디스플레이의 유연성, 회로 효율 등이 매우 높아진다. 예로 TV 안에 각각의 색을 내기 위한 물질의 숫자를 절반 이상 줄임으로써 소자를 단순화하고 효율을 증가시킬 수 있는 것이다.
연구팀은 이 기술이 디스플레이 뿐 아니라 광통신 분야에 사용되는 레이저 기술, 포르피린과 혈액 내 금속의 결합을 색으로 발현시켜 신체 상태를 파악할 수 있는 바이오 기술 등에도 접목이 가능할 것이라고 밝혔다.
김 교수는 “이 기술을 통해 인광 물질인 백금 포르피린에서 형광이 강하게 증폭되게 할 수 있다”며 “이는 단일 발광 소재에서는 한 종류의 빛만 발현 가능하다는 이론을 뛰어넘는 큰 발견이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 글로벌프론티어 사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 그래핀-백금 포르피린 복합 소재와 단일 백금 포르피린에서 다른 파장의 빛이 나오는 모식도와 실제 측정 결과
그림2. 그래핀-백금 포르피린 적층 구조에서 형광과 인광이 층수에 따라 조절됨을 보여주는 측정 결과
그림3. 실제 그래핀-백금 포르피린 복합체가 적층된 소자
2015.12.21
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이희승 교수, 펩타이드 자기 나침반 개발
〈이 희 승 교수〉
우리 대학 화학과 이희승(47) 교수 생체모방 유기분자 연구팀이 순수 유기화합물만으로 구성된 펩타이드 자기 나침반을 개발했다.
이번 성과는 네이처(Nature) 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 10월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
금속화합물, 산화금속과 같은 강자성(ferromagnetic) 및 상자성(paramagnetic)을 갖는 자성물질은 이들의 자기적 특성을 이용해 다양하게 응용되고 있다.
반면, 펩타이드와 같은 반자성(diamagnetic) 유기분자들은 금속성 물질에 비해 자기민감성(magnetic susceptibility)이 현저히 낮아 수 테슬라(Tesla) 이상의 강한 자기장에도 반응하지 않기 때문에 비 자성(non-magnetic) 물질로 취급됐다.
또한 반자성 특성은 분자수준에서 관찰이 어렵고 효율성이 낮아 한계가 있는 것으로 여겨졌다.
물론 이론적으로는 반자성 분자라도 열에너지를 극복할 수 있는 다수의 분자가 일정한 규칙으로 정렬된 집합체가 되면 반자성 정렬(diamagnetic alignment)이 가능하다. 따라서 외부자기장의 변화에 실시간으로 반응하는 분자기계의 개발이 가능하지만, 이를 실험적으로 증명한 예는 없었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 폴덱쳐(foldecture)라고 이름 지은 독창적인 나선형 펩타이드 분자 자기조립체를 개발했다. 이는 독특한 3차원 모양의 일정한 크기를 갖는 비금속 유기물질이고, 반자성 특성을 갖지만 이를 구성하는 펩타이드 분자들이 높은 결정성과 일정한 규칙성을 갖도록 설계됐다.
이러한 규칙성과 결정성 등의 특징은 펩타이드 자기조립체가 외부 자기장 방향을 따라 정렬할 수 있게 만들었다.
또한 MRI 장비의 자기장 세기보다 낮은 1 테슬라 이하의 회전자기장에서도 폴덱쳐들이 실시간으로 감응하며 정렬해 수용액상에서 실시간 회전운동도 가능함을 최초로 증명했다.
연구팀은 체내에 마그네토좀이라는 자기나침반을 지닌 주자성 박테리아(magnetotactic bacteria)의 행동 양식에 착안해, 순수 유기화합물질인 폴덱쳐를 이용해서 외부 자기장의 방향 변화를 민감하게 가리킬 수 있는 수 밀리미터 크기의 하이드로겔 나침반을 구현하는데 성공했다.
이번 연구에서 밝혀진 펩타이드 자기조립체의 반자성 정렬 현상은 반자성 물질 연구에 대한 새로운 시각을 제시했을 뿐 아니라 폴대머 및 펩타이드 자기조립 연구와 자극반응성 분자기계, 유기나노물질의 움직임 제어 등 다양한 관련 응용연구 분야에 영향을 끼칠 것으로 기대된다.
이 교수는“이번 성과를 통해 자기제어가 가능한 생체 친화적 유기 나노/마이크로소재 연구개발이 활성화될 것으로 기대된다”고 말했다.
KAIST 화학과 권선범 박사가 제 1 저자로 참여한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐고, KAIST EEWS 대학원 김형준 교수팀, 화학과 최인성 교수의 세포피포화 연구단과의 공동연구를 통해 진행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 주사전자현미경을 통해 관찰된 폴덱쳐의 자기정렬 현상
그림2. 펩타이드 1 및 2 의 분자구조식과 이들의 자기조립을 통해 합성된 폴덱쳐의 전자현미경 사진
2015.12.02
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5단 수직 적층 반도체 트랜지스터 개발
우리 대학 전기 및 전자공학부 이병현 연구원(지도교수 최양규)과 나노종합기술원(원장 이재영) 강민호 박사가 실리콘 기반의 5단 수직 적층 반도체 트랜지스터를 개발했다.
그리고 반도체 트랜지스터를 이용한 비휘발성 메모리 개발에 성공했다.
이번 연구는 나노 분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 11월 6일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 트랜지스터 분야는 모든 전자기기의 핵심 구성요소로 국내 산업과 경제 발전에 큰 영향을 끼쳤다.
세계적 추세에 따라 치열한 소형화를 통해 생산성과 성능의 향상을 거듭했으나 최근 10나노미터 시대에 접어들며 제작 공정의 한계 및 누설전류로 인한 전력소모 문제가 커지고 있다.
학계 및 산업계는 문제 해결을 위해 전면-게이트 실리콘 나노선 구조를 개발했다. 이는 누설전류 제어에 가장 효과적인 구조로 저전력 트랜지스터 개발에 이용됐다. 그러나 이 역시 소형화에 따른 나노선 면적 감소로 성능 저하의 한계가 있었다.
연구팀은 전면-게이트 실리콘 나노선을 수직으로 5단으로 쌓아 문제를 해결했다. 이 5단 적층 실리콘 나노선 채널을 보유한 반도체 트랜지스터는 단일 나노선 기반의 트랜지스터보다 5배의 향상된 성능을 보였다.
또한 수직 적층 나노선 구조는 말 그대로 위로 쌓기 때문에 단일 구조와 달리 면적이 증가되지 않아 집적도 향상에도 기여할 수 있다.
나노선 수직 적층은 개발된 ‘일괄 플라즈마 건식 식각 공정’ 방식을 통해 이뤄졌다. 이 공정은 고분자 중합체를 이용해 패턴이 형성될 영역에 미리 보호막을 친 뒤 등방성 건식 식각을 통해 나노선 구조를 형성하는 기술이다. 수직 적층 나노선 구조는 이 기술의 연속 작용을 통해 확보한 결과물이다.
이 기술은 지속적 소형화로 인해 기술적 한계에 부딪힌 반도체 트랜지스터 분야에 새로운 돌파구를 제시할 것으로 기대된다.
관련 연구가 이전부터 진행됐지만 더 간단한 공정기술을 이용해 가장 많은 나노선 채널의 적층에 성공했기 때문에 비용절감 및 제작 시간 단축, 반도체 트랜지스터의 성능 향상으로 인한 상용화 등에 크게 기여할 것으로 예상된다.
연구팀은 건식 식각 공정 기술이 기존 방법보다 간단하고 안정적으로 수직 적층 실리콘나노선 구조 제작을 가능하게 함으로써 고성능 트랜지스터 개발에 응용 가능할 것이라고 밝혔다.
이병현 연구원과 강민호 박사는 “이번 기술 개발은 미래창조 국가 나노기술 인프라 기관 나노종합기술원의 훌륭한 반도체 연구 기반과 김진수 부장 포함 관련 연구진들의 우수한 공정 능력이 뒷받침돼 가능했다”고 소감을 말했다.
이번 연구는 글로벌프론티어사업 스마트IT융합시스템 연구단의 지원을 받아 수행됐다.
연구를 주도한 이병현 연구원은 우리 대학 최양규 교수 지도하에 박사과정을 수행 중이며, 삼성전자 메모리 사업부의 책임 연구원으로 재직 중이다.
□ 그림 설명
그림1. 일괄 플라즈마 건식 식각 공정 과정의 모식도.
그림2. 서로 다른 방향에서 단면을 관찰한 주사 전자 현미경 사진 및 투과 전자 현미경 사진
2015.11.24
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광섬유로 300조분의 1초 오차의 클럭 개발
〈김 정 원 교수〉
우리 대학 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술로 수백조분의 1초 오차를 가지는 클럭(clock) 원천기술을 개발했다.
이는 클럭 발진기(oscillator)의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천 기술로 성과를 인정받아 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 11월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
클럭 발진기는 일정한 시간 간격의 주기적 신호를 발생시켜 전자시스템이 신호에 맞춰 정확하게 동작하도록 만드는 장치이다. 음악 연주에서 메트로놈과 같은 역할을 한다.
이 클럭 발진기는 오늘날 각종 정보통신 시스템 뿐 아니라 입자가속기나 천체관측장치 같은 거대 과학시설, 초정밀 계측 장비, 레이더, GPS 및 위성항법 시스템 등 전 분야에 걸쳐 핵심적 역할을 하고 있다. 따라서 클럭 발진기에서 발생하는 주기적 신호의 시간 오차를 줄인다면 각종 시스템들의 획기적인 성능 향상과 이전에는 불가능했던 기술 개발도 가능해진다.
기존에는 특수 제작된 공진 회로를 이용한 라디오파 혹은 마이크로파 발진기를 사용하거나 광공진기의 주파수 나눔을 이용한 방식의 기술을 사용했으나, 이 방식은 크기가 클 뿐 아니라 기계적 안정도가 떨어지고 수억 원 이상의 고가였기 때문에 실험실 밖에서의 응용 등에 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 신뢰성이 높고 가격경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 부품을 활용한 새로운 방식의 클럭 발진기를 개발했다.
기술의 핵심은 초고속 광섬유 레이저에서 발생하는 넓은 스펙트럼 내의 두 광주파수(optical frequency) 차이를 이용한 것이다. 기존 전자 발진기는 기가헤르츠(GHz, 1초에 109회 진동) 영역에서 동작하지만, 이 기술은 이보다 테라헤르츠(THz, 1초에 1012회 진동) 주파수를 이용하기 때문에 약 1000배 민감한 시간 차 측정이 가능하다.
또한 광섬유 케이블에서 빛이 전파되는 시간이 매우 일정하게 유지되기 때문에 테라헤르츠 주파수를 이용해 높은 분해능으로 측정된 시간차를 광섬유 케이블 내에서의 빛의 전파 시간에 정확하게 맞췄다.
그 결과 국제전기통신연합(ITU)에서 정의한 클럭 신호원의 성능을 나타내는 0.1초 동안의 시간오차인 타이밍 지터(timing jitter)가 3펨토초(333조분의 1초)로 측정됐으며, 이는 환산하면 100만년 동안 1초의 오차를 갖는 성능에 해당한다.
이를 통해 별도의 특수 제작된 고가 소자 없이도 세계적 수준의 클럭 발진기 성능을 얻을 수 있고, 상용화 시 제작비용을 기존 최고 성능 발진기의 10분의 1 이하 수준으로 낮출 것으로 기대된다.
연구팀은 이 기술의 성능과 안정성이 아날로그-디지털 변환기나 고성능 신호 분석기와 같은 ICT 시스템, 레이더, 원격 탐사, 위성항법 등 국방, 우주, 환경 기술 분야에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것이라고 밝혔다.
김 교수는 “이 기술은 군용 레이더, 보안 분야와의 연관성 때문에 주요 장비들의 수출이 금지된 경우가 많아 순수 국내 기술로 자체 개발한 것은 그 의의가 크다.”며 “향후 유리기판 위에 시스템을 구현해 칩 스케일의 고성능 클럭으로 발전시킬 계획이다”고 말했다.
KAIST 기계공학과 정광연 박사과정(1저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 수백조분의 1초 오차의 광섬유 클럭 발진기 개념도
2015.11.12
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화합물의 광학 활성 분석 기술 개발
〈 김 현 우 교수〉
우리 대학 화학과 김현우 교수 연구팀이 핵자기공명 분광분석기(NMR)를 통해 전하를 띠는 화합물의 광학 활성을 간단히 분석할 수 있는 기술을 개발했다.
연구 결과는 화학분야 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 10월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
오른손과 왼손처럼 같은 물질이지만 거울상 대칭이 되는 화합물을 광학 이성질체라고 한다.
지구상의 생명체를 이루는 아미노산과 당은 하나의 광학 이성질체로 이뤄져 있어 새로운 화합물이 생체에 들어갈 때 광학 활성에 따라 서로 다른 생리학적 특징을 나타낸다. 따라서 신약을 개발할 때 광학 활성을 조절하고 분석하는 연구는 필수적이다.
광학 활성의 분석 방법으로 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)가 주로 사용되는데, 고가의 부품을 구비해야 하고 30분에서 1시간 정도의 시간이 소요되는 단점이 있다.
또한 신호의 감도 및 분해 기능이 떨어지고 사용할 수 있는 용매가 무극성에 한정되는 점 때문에 활용에 한계가 있었다.
반면 화합물의 분자 구조 분석에 활용되는 핵자기공명(NMR) 분광분석기는 1~5분 정도의 빠른 분석속도를 갖고 있다. 또한 화학 분야에서 분자의 구조를 확인하기 위한 필수 장비이기 때문에 대부분의 연구실에서 구비된 상태다.
하지만 이 핵자기공명 분광분석기를 통해 광학 활성 화합물의 신호를 분리하는 효과적인 방법은 보고되지 않았다.
연구팀은 기존에 알려지지 않은 음전하를 띠는 금속 화합물과 핵자기공명 분광분석기를 이용해 분석 방법을 개발했다.
음전하를 띤 금속 화합물이 양전하 및 음전하를 갖는 광학활성 화합물과 이온성 결합을 하면 핵자기공명 분광분석기를 통해 신호가 구별돼 광학 활성을 분석할 수 있는 원리이다.
이 방법을 사용하면 구조적 제약 없이 다양한 화합물을 분석할 수 있고, 비극성 및 극성 용매에 모두 적용 가능하다는 장점을 갖는다.
연구팀은 다양한 신약 및 신약후보 물질들은 전하를 띨 수 있는 작용기를 포함한 경우가 많아 연구팀의 새로운 분석 방법이 신약 개발에 직접적으로 활용 가능할 것으로 기대된다고 밝혔다.
김 교수는 “간단한 화학적 원리를 통해 기존의 틀을 깨는 혁신적 분석방법을 만들었다”며 “이 방법이 신약개발에 많이 활용되길 기대한다”고 말했다.
화학과 서민섭 박사과정(1저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단과 슈퍼컴퓨팅연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 금속 화합물과 이온성 상호작용으로 광학활성을 가진 화합물의 NMR 신호가 분리되는 현상
그림2. 다양한 광학활성 물질이 분리되는 그림
2015.11.10
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고효율의 하이브리드 자동차 구동 시스템 개발
〈윤 용 산 교수〉
우리 대학 기계공학과 윤용산 교수 연구팀이 클러치 페달 없이 수동 변속이 가능한 독자적 구동시스템의 시작품(Prototype) 제작에 성공했다.
이 기술로 기존 하이브리드 자동차보다 높은 효율의 자동차 개발이 가능할 것으로 보인다. 연구팀의 하이브리드 자동차는 구조가 간단해 기존 자동차에 약간의 변형을 주는 것으로도 구현이 가능하며, 제작비용이 저렴하고 운전이 용이하다는 장점을 갖는다.
이 구동시스템은 ‘대화형 수동변속기를 갖는 하이브리드 차량 및 이의 제어 방법’으로 작년 5월 국제특허(PCT)로 등록됐고, 지난 5월 경기도 고양에서 열린 제 28회 국제 전기자동차 심포지엄 및 전시회에 발표됐다.
하이브리드 자동차는 내연기관 엔진과 변속기에 모터와 발전기를 결합시켜 공해와 연료 소모를 최소화하는 차량이다. 미국에서 발표하는 에너지 아웃룩(Energy Outlook)에 의하면 25년 후에도 하이브리드 자동차가 친환경 자동차 시장을 주도할 것으로 예상하고 있다.
그러나 일본의 자동차 기업이 하이브리드 자동차 관련 특허를 대량으로 선점해 기술 개발에 어려움을 겪고 있는 현실이다.
또한 한때 개발된 컴퓨터에 의한 반자동 수동변속기나 일본 회사의 수동변속기에 모터를 단순 부착한 제품은 비용이나 편의 측면에서 한계가 있었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 비용이 제일 저렴한 수동변속기에 모터 발전기를 부착해 독창적인 방식의 비용절감 효과가 큰 하이브리드 자동차 시스템을 구현했다.
연구팀은 수동변속기의 클러치판을 없애고 그 기능을 모터발전기로 대신해 저속에서는 모터발전기로만 운행하게 만들었다.
이를 통해 기존 수동변속기 차량의 문제점인 엔진 꺼짐이나 번거로운 클러치 조작에서 벗어날 수 있다. 또한 변속 시간, 중량이 줄고 구동시스템의 내구성이 향상된다.
윤 교수는 “기존 방식과 달리 모터발전기가 클러치판을 대신해 엔진을 조절하기 때문에 기어 변경이 부드럽게 이뤄질 수 있다”며 “저속에서는 모터발전기에 의해서만 구동되므로 수동변속기의 문제점을 상당부분 해결할 수 있다”고 말했다.
기계공학과 손희운 석사과정 학생의 주도로 진행된 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업, 일반연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 클러치를 제거하고 일방향 클러치와 모터발전기를 첨가해 반자동의 실용적인 하이브리드 구동시스템을 구현한 모습
2015.11.04
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대장균의 생물막 형성 제어 기술 개발
〈이 영 훈 교수〉
우리 대학 화학과 이영훈 교수 연구팀이 작은 RNA(small RNA : sRNA)의 발현을 조절해 대장균의 생물막 형성을 제어할 수 있는 기술을 개발했다.
연구 결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 10월 15일자에 게재됐다.
세균들은 외부의 여러 환경으로부터 스스로를 보호하기 위해 다량체로 이뤄진 세포성분을 분비한다. 이로 인해 고체 표면이나 살아있는 생물 조직에서 생물막(biofilm)이라는 3차원 구조물이 형성된다.
이 생물막은 제거가 어려울 뿐 아니라 세균의 생체 내 증식, 치석, 의료기기 오염, 수도관, 정수기 등에 분포해 각종 산업시설에서 광범위한 문제를 일으키고 있다.
특히 생물막을 형성하고 있는 세균들은 항생제에 매우 높은 내성을 가질 수 있어 슈퍼박테리아의 항생제 내성의 주요 원인이기도 하다.
생물막 형성에 크게 관여하는 세균 내의 sRNA는 표적 메신저 RNA(mRNA) 또는 단백질과 상호작용해 세포대사를 조절하는 핵심 요소로 기능한다. 학자들은 생물막 형성의 원리를 규명하기 위해 이 sRNA를 연구해 왔다.
현재 대장균에서는 100여 종의 sRNA가 보고됐다. 연구팀은 이 중 99종을 분석해 각각의 대장균 sRNA를 발현할 수 있는 라이브러리를 구축했다. 이후 이를 통해 환경적 스트레스 대응과 밀접한 관련성을 가져 생물막 형성에 핵심이 되는 sRNA를 탐색했다.
그 결과로 연구팀은 생물막 형성에 관여하는 sRNA를 새롭게 발견했고, 생물막 형성을 위한 생리적 변화(세포운동성, I형 핌브리아 형성, 컬리핌브리아 형성)를 일으키는 sRNA들을 분석하는 데 성공했다.
이 분석 방식은 기존의 유전체적 분석을 통한 sRNA 작용 원리 규명 연구에 비해 이 교수 연구팀은 특정 sRNA의 기능을 직접 분석할 수 있어 신속하고 효율적으로 작용 원리를 규명할 수 있다는 장점을 갖는다.
이번 연구를 통해 생물막 형성과정에 관여하는 신호 전달체계를 이해하는 후속 연구 뿐 아니라, sRNA를 진단 마커나 약물 타겟으로 삼아 세균의 병원성 제어에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 교수는 “세균의 생물막 형성과 분해를 원하는 방향으로 제어할 수 있게 됐다”며 “향후 99종의 sRNA 각각에 대한 돌연변이 균주도 확보해 함께 활용할 예정이다”고 말했다.
화학과 박근우, 이정민 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(지능형 바이오시스템 설계 및 합성 연구), 기초연구실 지원사업, 중견연구자 지원사업(도약연구)을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1 . 세균 생물막 형성과정의 모식도
그림 2. sRNA의 발현양에 비례하여 생물막 형성의 억제. 생물막 형성이 많을수록 진한 보라색
그림 3. 99종의 대장균 sRNA와 라이브러리 구축에 사용된 pHMB1 플라스미드의 구조
2015.10.28
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빛을 이용한 실리카 구조체 가공 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수, 박정기 교수 공동 연구팀이 단순한 빛 조사만으로 실리카(유리)와 같은 단단한 세라믹 구조체의 모양을 정교하게 제어할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 성과는 재료과학분야의 국제 학술지 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’ 9월 21일자 온라인판에 게재됐다.
실리카 구조체는 유기물 구조체에 비해 고온, 고압 및 바이오 물질과의 안정성이 좋고 내화학성, 투명성 등이 높아 미세 유체칩 내부 채널, 태양전지 기판 등에 폭넓게 이용되고 있다.
그러나 실리카 특유의 높은 경도 때문에 실리카 구조체의 모양과 크기를 변화시키기 어려웠다. 특히 나노 스케일 구조 가공은 매우 어려운 것으로 여겨졌다.
연구팀은 문제 해결을 위해 아조 분자(질소 원자 두 개가 이중 결합된 아조기 양 끝에 벤젠링이 결합된 형태의 분자)를 이용했다. 아조 분자는 빛을 받았을 때 빛의 방향과 나란히 배열돼 편광 방향과 동일한 방향으로 움직이는 특성을 갖는다. 이를 응용하면 아조 분자와 결합된 실리카 전구체 분자가 빛의 방향에 따라 움직이는 특성을 갖게 된다.
연구팀은 이 아조 분자와 결합된 실리카 전구체를 용액-마이크로 임프린팅 기법의 잉크로 사용해 도장처럼 찍혀 나오듯 정해진 패턴의 형태로 제작했다.
이후 제작된 물질을 빛으로 가공한 뒤 열처리 하면 아조 분자가 포함된 유기물이 열분해돼 사라지게 된다. 결과적으로 무기물 전구체들만 남아 반응해 유리 구조체가 완성되는 것이다.
이 방법을 통해 30나노미터 이하 크기의 나노 구조를 갖는 대 면적 실리카 구조체를 제작했다. 또한 원형의 홀에 빛을 조사해 타원형의 홀 및 기둥 구조를 구현했다.
연구팀은 개발된 기술이 초소수성 기판, 미세유체칩 내의 미세채널 등 물리적 및 화학적 내구성이 요구되는 소자에 광범위하게 응용될 수 있을 것이라고 밝혔다.
김 교수는 “기존에 없었던 새로운 방식의 실리카 구조체 가공 방법을 개발했다”며 “세라믹을 나노 영역에서 다양한 형태로 구조 가공이 가능한 최초의 방식이다”고 말했다.
강홍석 박사 후 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 빛 조사 및 열처리를 통해 원형형태의 구조체로부터 타원형태의 실리카 구조체 제작
그림 2. 광학 사진 이미지. 전자현미경 사진을 통해 실리카 전구제 구조 변형 및 실리카 구조체 제작 확인
그림 3. 빛을 이용해 실리카 전구체 구조 가공 및 열처리를 통한 실리카 구조체 제작과정
2015.10.06
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바이오부탄올 핵심생산효소 구조 및 특성 규명
이 상 엽 특훈교수
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 교수 연구팀이 경북대학교 김경진 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 친환경 차세대 에너지인 바이오부탄올의 핵심 생산 효소인 싸이올레이즈(Thiolase)의 구조 및 특성을 규명했다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 9월 22일자 온라인 판에 게재됐다.
바이오부탄올은 바이오연료로 이미 사용되고 있는 바이오에탄올을 능가할 수 있는 친환경 차세대 수송용 바이오연료로 각광받고 있다.
바이오부탄올의 에너지 밀도는 리터당 29.2MJ(메가줄)로 바이오에탄올(19.6MJ)보다 48% 이상 높고 휘발유(32MJ)와 큰 차이가 없다. 또한 폐목재, 볏짚, 잉여 사탕수수, 해조류 등 비식용 바이오매스에서 추출하기 때문에 식량파동 등에서도 자유롭다.
바이오부탄올의 가장 큰 장점은 휘발유와 비교했을 때 공기연료비, 기화열, 옥탄가 등 연료 성능이 비슷해 현재 자동차 등에 사용되고 있는 가솔린 엔진을 그대로 사용할 수 있다는 점이다.
바이오부탄올은 클로스트리듐이라는 미생물로부터 생산이 가능하지만 클로스트리듐의 주요 효소의 구조 및 기작 등에 대한 연구는 체계적으로 이뤄지지 못했다.
이 교수 연구팀은 이 미생물의 성능 향상을 위해 바이오부탄올 생합성에 필요한 주요 효소 중 하나인 싸이올레이즈의 3차원 입체구조를 포항방사광가속기를 이용해 규명했다.
이를 통해 일반적인 미생물의 효소에서는 발견되지 않고 클로스트리듐 내의 싸이올레이즈에서만 관찰되는 산화-환원 스위치 구조를 발견했다.
또한 가상세포모델 등을 활용한 시스템대사공학 기법을 활용해 이 싸이올레이즈가 실제 미생물 내에서 산화-환원의 스위치로 작동한다는 것을 증명했다.
연구팀은 밝혀낸 싸이올레이즈 구조의 원천기술을 활용해 활성이 향상된 돌연변이 효소를 설계했다. 그리고 이를 이용해 바이오부탄올 생산 미생물의 대사회로를 조작해 바이오부탄올 생합성이 향상되는 결과를 얻었다.
이상엽 교수는 “바이오부탄올 생합성 대사회로에서 가장 중요한 효소의 구조와 작용 기작을 세계 최초로 밝혔다”며 “싸이올레이즈 관련 원천기술을 활용해 바이오부탄올을 더욱 경제적으로 생산할 수 있는 대사회로 구축에 응용하겠다”고 말했다.
김상우, 장유신, 하성철 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프런티어 차세대바이오매스사업단 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 바이오부탄올 생산 효소(thiolase)의 구조 및 산화-환원 스위치 작용기작
그림 2. 바이오부탄올 생산을 위한 포도당 대사회로에서 바이오부탄올 생산 효소(thiolase)의 산화-환원 스위치 작용기작
2015.09.22
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휘어지는 물질에서 증폭된 광전기 효과 발견
양 찬 호 교수
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 물질이 휘어질 때 광전기(光電氣) 효과가 증폭되는 것을 발견하고 그 원인을 규명했다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 8월 31자 온라인 판에 게재됐다.
광전기 효과는 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되는 현상으로 이 효과를 이용하면 온실가스 배출 없이 전기를 만들 수 있다. 따라서 전 세계적으로 안정적이고 저렴하며 효율이 높은 광전기 효과를 발생시키는 물질 및 구조를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존 태양광 소자들은 다른 물질을 붙이거나 P형-N형 반도체를 접합하는 등 두 개 이상의 물질을 이용하는 방식으로 광전기 효과를 일으켰다.
하지만 연구팀은 단일 물질에서도 휘어지는 변형이 발생했을 때 마치 두 물질의 경계면에서 광전기 효과가 일어나는 것과 흡사한 현상을 발견했다.
P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일 물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인해 좀 더 효율적인 광전기 소자 제작이 기대된다.
물질의 일반적인 휘어짐으로는 얻을 수 있는 광전기 효과가 크지 않아 실용성이 없었다. 하지만 연구팀은 나노미터 크기의 구조까지 관찰해 물질이 자발적으로 매우 크게 휘는 구간을 발견했다.
그리고 수십 나노미터(1억분의 1미터)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 이 물질이 통상적인 물질에 비해 100배 증폭된 광전기 효과를 생성함을 규명했다.
광전기 효과가 증폭된 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있다. 물질이 빛을 받으면 원자에 묶여있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 되는데 일반적으로는 원자에 다시 속박된다.
하지만 물질이 휘어지는 구간에서는 전기장이 유의미한 강도로 세게 발생해 전자가 원자의 속박을 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있는 것이다.
특히 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔하게 존재하기 때문에 연구팀의 규명은 작은 나노소자 연구에 유용할 것으로 예상된다.
또한 연구팀은 물질 표면의 전기기계적 성질을 10나노미터의 해상도로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장 분포를 유추할 수 있어 다양한 나노스케일 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
양 교수는 “휘어진 정도가 큰 경우에 플렉소전기 현상의 비선형 움직임이 중요함을 제안했다.”며 “이러한 비선형 거동은 전기기계적 성질의 계보를 잇는 새로운 현상으로 학술적 가치가 높다”고 말했다.
이번 연구는 우리 대학 김용현 교수, 포항공대 조문호 교수, 오상호 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 재료연구소 최시영 박사 등과 공동으로 진행됐고, 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물질이 휘어질 때 광전기 효과가 발생함을 나타낸 개념도
2015.09.15
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빛과 물질의 성질 동시에 갖는 양자 입자 상온에서 관측
조 용 훈 교수
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 육각형의 반도체 막대 구조에서 빛과 물질의 성질을 반절씩 동시에 갖는 양자 입자를 상온에서 관측하는 데 성공했다.
연구 결과는 나노 분야 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 8일자에 게재됐다.
실생활에 응용되는 광소자는 빛과 물질의 상호작용을 기반으로 한다. 빛이 물질 내부에 충분히 오랫동안 머물 수 있는 적절한 조건을 만들면 서로가 강하게 상호작용을 하며 빛도 물질도 아닌 제 3의 입자가 생성되는데 이를 폴라리톤이라고 한다.
특히 반도체 내부에 존재하는 엑시톤과 빛을 강하게 결합시킨 경우를 엑시톤 폴라리톤이라 부른다.
이처럼 빛이 물질 내부에 충분히 머물기 위해선 좋은 품질의 거울 구조를 만드는 것이 필수적이다. 그러나 100%에 가까운 반사율을 갖는 거울 구조를 만드는 반도체 기술은 공정이 매우 복잡하고 제작 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 거울 대신 육각기둥모양의 질화물 반도체 마이크로막대를 이용했다. 이 막대를 사용하면 거울이 없어도 전반사의 원리로 인해 빛이 물질 내부에 갇혀 빛과 물질이 강한 상호작용을 하게 된다.
연구팀은 빛이 갇혀서 맴돌게 되는 위치에 질화물 반도체 양자우물을 성장시켜 기존 구조보다 약 5배 이상 강한 빛과 물질의 상호작용을 얻었다. 이를 통해 상온에서도 엑시톤 폴라리톤 입자가 형성됨을 검증했다.
새로운 입자인 엑시톤 폴라리톤은 빛과 물질이 지닌 장점을 동시에 갖는데, 빛으로부터 얻은 고유 특성으로 인해 전자에 비해 10만 배, 원자에 비해 10억 배 가벼운 질량을 갖게 된다.
이렇게 가벼운 질량은‘보즈-아인슈타인 응축’을 관측할 수 있는 임계온도를 올려주는 역할을 해 그 동안 절대영도(영하 273도) 근처에서 연구된 양자 현상들을 상온에서도 관측할 수 있는 가능성을 열어 준다.
또한 엑시톤으로부터 얻은 고유 특성으로 레이저, 광학 스위치 등 빛을 이용한 비선형 광학 시스템보다 10배 이상 낮은 구동 전류를 갖는 폴라리톤 기반의 신개념 광학 소자로도 응용이 가능하다.
조 교수는 “전통적 레이저의 문턱전류의 한계를 넘는 폴라리톤 레이저 개발로 이어질 수 있을 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 상온에서 작동이 가능한 양자 광소자로 활용되길 기대한다”고 말했다.
물리학과 공수현 박사(1저자), 고석민 박사(2저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 모험연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 반도체 코어-쉘 마이크로 막대 모식도
그림 2. 질화물 반도체 코어-쉘 마이크로 막대 구조 현미경 사진. 육각기둥모양(위)과 양자우물구조(아래)
그림 3. 코어-쉘 마이크로 막대 구조의 단면 굴절율 분포(위)와 마이크로 막대 구조 안의 전기장 분포(아래)
2015.07.15
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