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2020-07 22 중요기사

[학술][이달의 연구자] 공구 교수, CTGS 웹 애플리케이션으로 유방암 표적 유전자를 선별하다

유방암은 다양한 아형이 존재해 치료 및 예후 확인을 위한 표적 유전자가 서로 다르다. 공구 의학과 교수는 표적 유전자 후보를 쉽게 찾을 수 있도록 CTGS(Cancer Target Gene Screening) 웹 애플리케이션을 개발했다. ▲공구 의학과 교수는 표적 유전자 후보를 찾아 유방암을 치료하는 데 도움을 주기 위해 CTGS 웹 애플리케이션을 개발했다. 유방암은 여성 암 사망률 1위로 다양한 아형이 존재하는 질병이다. 아형은 임상 특징과 치료 방법에 따라 에스트로겐 수용체 양성(ER+), HER2 양성(HER2+), 삼중음성유방암(TNBC)으로 구분된다. 각각의 아형은 생물학적 병리학적으로 독특한 특징을 지녀 위험 요인, 조직 병리 특징, 치료에 대한 반응이 다르다. 유방암을 정확하게 진단하기 위해선 아형별 표적 유전자를 분석하는 것이 필요하다. 공구 의학과 교수는 지난 88년 한양대 의학과를 졸업한 후 병리과로 진학해 평생 유방암 연구에 전념했다. 공 교수는 이질적인 특성으로 정밀의료(맞춤치료)가 필요한 유방암을 정확히 진단하고 치료하기 위해 560여 개 유방암을 선별해 해당 유전자 맵을 완성했다. 그 후 560여 개의 유전자를 분석해 정밀의학을 할 수 있는 발판을 마련하고자 지난 15년 김형용(생물정보학 박사과정) 씨와 함께 CTGS 웹 애플리케이션 개발에 박차를 가했다. ▲해당 사진은 CTGS 웹 애플리케이션. CTGS는 유방암 데이터에 대한 접근을 용이하게 했다. (공구 교수 제공) 아형별 표적 유전자를 분석 및 탐색하기 위해 주로 멀티오믹스(multi-omics)자료를 활용한다. 멀티오믹스는 두 개이상의 체(ome)을 이용해 세포, 개체, 집단을 연구하는 체학의 한 분야다. 공 교수는 웹 환경에서 멀티오믹스 자료를 분석하고, 아형별 표적 유전자를 탐색하기 위해 CTGS(Cancer Target Gene Screening) 웹 애플리케이션을 개발했다. CTGS는 METABRIC, TCGA, GEO와 같은 멀티오믹스 자료의 접근성을 높였고, 자료 간의 빠른 계산을 가능하게 했다. 공 교수는 “CTGS를 통해 유방암 특정 아형에 대한 표적 유전자를 쉽게 발견해 치료제를 개발할 수 있다”고 말했다. 또 “CTGS 플랫폼을 통해 다른 암 종류의 데이터 셋에도 적용할 수 있다”고 덧붙였다. IT(정보기술)와 BT(생명공학기술) 간의 융합으로 유방암 치료의 효율성을 높인 것이다. 공 교수는 이번 프로젝트에서 남다른 감회를 느꼈다. 공 교수는 “평생 유방암 연구에 몰두해 수많은 업적을 남겼지만 다른 학문을 융합해 프로젝트를 진행한 것은 처음이였다”며 “지도 학생이 다른 학문을 전공한 터라 어려움이 많았지만, 의미 있는 프로젝트였다”고 말했다. 공 교수는 향후 유방암의 진단과 예방 연구에 주력할 예정이다. 끝으로 공 교수는 “좋아하는 일을 하면 어느샌가 그 분야의 전문가가 되어있을 것”이라고 의미 있는 메시지를 전달했다. “좋아하는 일을 찾아 그 일에 몰두하는 한양인이 되길 바랍니다.” 글/권민정 기자 mj0863@hanyang.ac.kr

2020-07 19 중요기사

[학술][이달의 연구자] 박성욱 교수, 가솔린 자동차에서 배출되는 미세먼지 저감에 기여해

사람들은 흔히 경유 자동차가 미세먼지의 주범이라고 생각한다. 가솔린 자동차도 마찬가지다. 가솔린 자동차의 GDI 엔진에서 배출되는 미세먼지의 양도 상당하다. 박성욱 서울캠퍼스 기계공학부 교수는 가솔린 자동차에서 배출되는 미세먼지의 저감에 관한 연구를 진행하고 있다. ▲ 박성욱 서울캠퍼스 기계공학부 교수의 모습. 박 교수는 자동차 미세먼지 배출을 저감하기 위한 연구를 진행했다. 박 교수는 자동차 엔진의 효율 향상과 자동차로 인한 미세먼지 저감에 대해 연구하고 있다. 박 교수의 이번 연구도 자동차 미세먼지 배출과 관련이 있다. 현재 대부분의 가솔린 엔진은 연료를 연소실 내로 직접 분사하는 GDI(Gasoline Direct Injection) 방식이다. 연소실 내로 분사된 연료 분무의 거동을 ‘Spray behavior’이라고 한다. 이 분무는 연소실 내 주위 공기와 혼합하게 되는데, 이때 발생하는 주위 공기의 유동을 in-cylinder flow라고 한다. 박 교수의 연구에는 이러한 개념들이 중요하게 사용됐다. 박 교수는 약 5년간 이러한 연료분사 전략을 최적화해 GDI 엔진의 미세먼지를 줄이고자 연구를 진행했다. 현대자동차, 현대케피코, 환경부, 산업부 등 여러 기관의 꾸준한 지원 덕분에 안정적으로 연구를 진행할 수 있었다. 박 교수는 해당 연구를 통해 연료를 고압으로 분사할 경우 연소실 내의 유동이 강화되고, 연료 분무의 미립화가 촉진돼 미세먼지가 저감된다는 것을 규명했다. 실제로 관련 기업들은 연료 분사 압력 상승을 활용해 자동차의 연비 향상과 미세먼지 배출 저감을 위한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 그는 연료를 늦게 분사할 경우, 분사 입력이 미세먼지 배출 증가를 야기할 수 있다는 점도 규명했다. 향후 전기자동차, 연료 전기자동차 등의 보급은 증가할 가능성이 높다. 상당 기간 자동차 업계 이익의 대부분은 순수 내연기관 자동차나 하이브리드 자동차 판매를 통해 창출될 것이기 때문에 자동차의 내연기관은 여전히 중요한 연구 분야다. 자동차에서 배출되는 미세먼지를 가장 효과적으로 감소시키는 방법은 내연기관에서의 미세먼지 배출량을 줄이는 것이다. 박 교수는 “미세먼지를 더 감소시키기 위해 앞으로도 내연기관의 연비향상, 배기 배출물 저감에 관한 연구를 꾸준히 진행해 자동차 산업 발전에 기여하고 싶다”고 말했다. ▲박 교수가 김동환(융합기계공학과 4) 씨에게 연구를 설명하고 있다. 이번 연구에서 엔진의 연료혼합기 형성 과정과 화염 전파 과정을 고속 카메라로 촬영했다. 단기통 엔진 구성에 어려움이 많았지만 관련 기업 전문가들과의 협력을 통해 해결할 수 있었다. 박 교수는 연구진에게 감사의 인사를 전했다. “이 연구를 통해 배출된 5명의 우수한 박사가 학계, 산업계, 연구소에서 활발하게 활동하고 있습니다. 연구에 기여한 제자들에게 감사의 말을 전합니다” 글/김수지 기자 charcoal6116@hanyang.ac.kr

2020-05 31

[학술][이달의 연구자] 박재우 교수, 광촉매 전하수송층 개발해 광촉매 효율 높이다

촉매는 화학 반응 속도를 높여주는 물질을 말한다. 화학반응의 수율(반응물 대비 생성물의 수)을 높이기 위해 사용된다. 그 중 광촉매는 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 물질로 유해물질을 물과 탄산가스로 변환시켜 무독, 무취의 물질로 분해하는 역할을 한다. 광촉매는 별도의 에너지나 물질 없이 빛을 이용해 유, 무기 화학물질을 분해할 수 있어 효과적인 기술이다. ▲ 박재우 건설환경공학과 교수는 환경 전반에 걸쳐 오염물질을 제어 및 정화하는 다양한 연구를 수행하고 있다. 광촉매 반응은 전자와 정공(전자의 구멍)에 의한 산화 환원 반응을 기본으로 하기에 산화 환원 반응이 관여하는 모든 분야에 적용할 수 있다. 현재 광촉매는 수질 정화, 탈취, 항균 등 환경 분야와 물 분해를 이용한 수소 에너지원 생산에 활용되고 있다. 광촉매 반응은 형성된 전자와 정공이 불안정한 상태이기에 다시 원상태로 돌아가려는 전자-정공 재결합 현상(재결합)이 발생한다. 재결합은 광촉매 반응 활성을 낮추는 주요 원인 중 하나다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 광촉매 개선 연구들이 재결합 억제에 초점을 맞추고 있다. 박재우 건설환경공학과 교수 연구팀은 기존 방법과 다른 전하 전달체 수송 층(Charge carrier transfer layer, CTL)을 이용해 전자를 정공으로부터 분리하는 방법을 개발했다. (Applied Cataltsis B: Environmental, 265, 15 May 2020, 118564) 재결합을 막기 위한 기존 연구는 전자와 정공을 완전히 분리하는 것이 아닌 재결합 경로를 연장해 속도를 늦추는 방법이었다. 이는 수명을 늘릴 수는 있어도 재결합을 근본적으로 막지는 못했다. ▲CTL을 이용한 광촉매의 구조, 광촉매(황색층)에서 발생한 전자는 CTL(녹색층)을 거쳐 전하수집체(청색층)에 축적된다.(Elsevier 제공) CTL을 활용한 광촉매는 크게 3가지 구조로 나뉜다. 빛을 받아 전자-정공 쌍을 형성하는 광촉매, 전자를 선택적으로 이동시키는 CTL, 이동한 전자를 축적하고, 저장하는 전자 수집체다. 여기서 핵심이 되는 CTL은 전자를 수송하면서 정공의 통과는 억제한다. 이로 인해 전자는 광촉매에서 전자 수집체로 이동하며 재결합이 억제된다. 전자는 전자수집체에 정공은 광촉매 표면에 축적된다. 기존 연구와 달리 박 교수 연구팀의 방법은 기존 재결합을 늦추는 것에 그치지 않고 전자 분리 후 역이동을 차단해 재결합을 방지하기에 높은 촉매 반응 활성을 유지할 수 있다. ▲박재우 교수의 연구팀 모습. 박 교수(앞줄 왼쪽에서 세번째)는 "이번 이달의 연구자로 선정된 것은 연구팀의 노력 덕분이다"고 말했다. 박 교수팀의 결과로 촉매 시스템에 CTL이 포함되면 수소의 생성 및 오염물질 분해 가능성이 높아질 수 있음이 밝혀졌다. 박 교수는 “CTL을 이용한 촉매는 가시광선 조사하에서 기존 촉매보다 78% 높은 수소 수율을 보였다”며 “CTL을 이용한 촉매는 환경 분야와 에너지 분야에서 광범위하게 적용할 수 있다”고 말했다. 박 교수는 이달의 연구자로 선정된 것에 “여러 훌륭한 교수님들도 많으신 데 이달의 연구자로 선정돼도 되는지 모르겠다”며 “함께 연구하는 대학원생들의 수많은 고민과 노력이 없었다면 이번 연구 결과도 없을 것”이라고 겸손한 자세를 보였다. 덧붙여 박 교수는 “이번 논문은 파키스탄 국비유학생으로 박사졸업을 앞둔 하산 안와르(Anwer, 건설환경공학과 박사과정) 학생이 주 연구자로서 노력한 결과이며, 하산 학생의 노력에 큰 박수를 보내고 싶다” 고 학생에게 공을 돌리며 소감을 밝혔다. 글/박지웅 기자 jiwoong1377@hanyang.ac.kr

2019-04 01

[학술][이달의 연구자] 성명모 교수(화학과)

우리 주변 전자제품에 사용하는 반도체의 경우 대부분 무기 반도체다. 간혹 유기 반도체를 전자제품에 사용하기도 한다. 그러나 무기 반도체에 비해 전하이동도가 느리기 때문에 거의 사용하지 않는다. 성명모 화학과 교수는 ‘PCDTPT’라는 단결정 고분자 나노 와이어 개발로 기존 유기 반도체 전하이동도를 10배 이상으로 높였다. 유기 반도체에서 무기물만큼의 전도성을 나오게 한 것이다. 보통 사용하는 무기물을 유기 반도체로 대체할 가능성이 높아져, 실질적인 대체 사용 시점에 가까워졌다. 지난 1997년 유기 반도체에도 전도성이 있다는 사실이 밝혀졌다. 이후 유기 반도체로 전자제품을 만드는 혁신적인 시도가 계속됐다. 시도를 거듭하며 스마트 워치, 삼성의 OLED 제품 등 플렉서블 디스플레이(Flexible display)로 불리는 유기 반도체 전자 제품들이 시중에 나오기 시작했다. 유기물질로 이뤄진 제품들이 속속 출현하면서 점차 유기 반도체의 실용화를 입증했다. 하지만 무기 반도체에 비해 상당히 낮은 전하이동도를 가진 유기반도체만을 사용한 제품을 생산할 경우 동작 속도가 매우 느리고 안전성이 입증되지 않아 여러 가지 문제점이 나타나고 있다. 전하이동도는 제품의 동작 속도를 결정짓기 때문에 중요하다. 따라서 보통은 유기 반도체와 무기 반도체를 같이 사용해 제품을 생산한다. ▲ 성명모 화학과 교수는 “유기반도체가 더 활성화되기 위해 전도속도가 높고 안전한 유기반도체를 만들어야 한다”고 말했다. 이렇듯 유기 반도체는 성능과 안정성이 떨어져 사용이 제한돼 있다고 알려져 있다. 성 교수가 10년간 연구 중 개발한 ‘PCDTPT’ 단결정 나노선으로 이 판도를 뒤집었다. ‘PCDTPT’ 단결정 나노선은 단결정 고분자 나노 와이어로, 가볍고 뛰어난 성능과 함께 넓은 면적과 저렴한 비용으로 쉽게 생산할 수 있다. 저렴한 대형 전자제품 분야에서도 응용 가능성이 매우 크다. 또 단결정형 PCDTPT 나노 와이어는 소형 분자 유기 반도체에 비해 대기 조건에서 양호한 환경안정성을 보인다. 성 교수는 유기 반도체의 가장 큰 단점인 전하이동도를 기존의 10배 이상으로 높였다. 개발 전 10정도의 모빌리티(전자를 움직이는 속도)였다면 개발 후 100에 도달하는 모빌리티를 기록했다. 지금까지 이렇게 높은 이동도를 가질 수 없다고 알려졌지만 성 교수가 이를 해결했다. 10배 이상으로 이동도를 증가시킬 수 있었던 이유는 ‘PCDTPT’ 나노선의 독특한 분자 구조에 있다. 일반적인 유기반도체 나노선은 분자판이 나란히 배열돼 있다. 전하는 배열된 방향을 따라 움직인다. 그러나 ‘PCDTPT’ 나노선은 그와 다르게 90도 다른 방향으로 전하가 움직인다. 이 때문에 폭발적으로 고성능을 발현할 수 있었다. ▲ (a) PCDTPT(단결정 나노 와이어)를 만드는 기술 과정. (b) 만들어진 결과의 모습이다. 마지막 사진에 단결정 나노 선 한 줄 씩 보인다. (논문명: Single-Crystal Poly[4-(4,4-dihexadecyl-4H-cyclopenta[1,2-b:5,4b′]dithiophen-2-yl)-alt-[1,2,5]thiadiazolo[3,4‑c]pyridine] Nanowires with Ultrahigh Mobility) ▲단일 결정의 전도 속도 변화를 한 눈에 볼 수 있는 사진 자료. (a)전형적인 나노 와이어의 소자 구조. 전극 사이의 잘 정렬된 단일 나노 와이어를 보여준다. (b)단일 결정 PCDTPT 나노 와이어의 일반적인 배출 전류-배출 전압(ID/VD) 출력 곡선. (c)단일 결정 PCDTPT 나노 와이어의 일반적인 배출 전류-게이트 전압(ID/VG) 전송 곡선(VD = -80 V). (d) 주변 조건에서 단일 결정 PCDTPT 나노와이어의 빨라진 전도 속도를 보여주는 그림. 성명모 교수는 “유기 반도체 중 최고의 이동도가 나온 것”이라고 말하며 “이 기술로 모든 디스플레이를 한층 더 유연한 제품으로 만들 수 있는 가능성을 제시했다”고 덧붙였다. 추가로 유기 반도체에 잉크젯을 넣는 연구도 병행하고 있다. OLED를 고가의 포터 장비대신 잉크젯으로 만들면 훨씬 저렴하고 유연하게 움직이는 디스플레이를 구현할 수 있다. 성 교수는 “이번 연구를 통해 유기 반도체의 무한한 가능성에 한 발 더 접근한 것”이라고 말했다. ▲ 오랜 시간 묵묵히 연구에 매진하고 있는 성명모 교수는 “유연한 소자를 통해 새롭고 인류적인 유용한 것들을 만드는게 목표”라고 말했다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-01 29

[학술][우수R&D] 윤태현 교수(화학과)

기존 산업에서 생산 중인 제품 성능을 혁신적으로 향상할 수 있는 기술로 나노 기술이 주목받고 있다. 나노 소재와 기술들은 이미 반도체, 자동차, 화장품, 의료, 섬유 등 우리 생활 속에 깊숙이 자리하고 있다. 다만 나노 기술의 장점을 최대한 활용하면서 잠재적인 인체 유해성이나 과도한 투자 비용 등 초래할 수 있는 단점들을 줄이기 위한 노력은 여전히 필요하다. 이를 위해 윤태현 화학과 교수는 유럽연합(EU)의 연구혁신분야 재정지원 프로그램 'EU Horizon2020' 사업 중 하나인 ACEnano 국제 컨소시엄에 참가해 연구를 수행 중이다. 기업과 사용자를 위해 필요한 나노 안전성 검증 최근 나노 기술 분야는 나노 소재 연구 개발 단계에서 상업화 단계로 전환에 돌입했다. 그간의 연구개발 성과를 기반으로 향후 나노 산업의 급격한 팽창이 예상된다. 그러나 나노 소재의 안전성 검증 및 규제 대응을 위한 전문성은 여전히 부족한 실정이다. 나노 기술을 이용한 제품이 폐기되는 경우 발생하는 악영향은 엄청나다. 제품 개발 과정에서 인체와 환경에 대한 고려가 없으면 각종 사고가 일어날 수 있다. 실제로 국내에서 가습기 살균제 사고가 있었고, 일본에서는 미나마타병과 같은 화학물질에 의한 질병이 발생했다. 그렇기 때문에 나노 기술 개발에 대한 사전검증 및 규제는 필요하다. 우수한 제품을 개발하더라도 한국과 EU 등 국가별로 법제화돼 있는 각종 안전 규제를 통과해야 시장 판매가 가능하다. 이에 대비하지 못한 기술들이 빛을 보지 못하는 경우도 허다하다. EU에서는 이미 지난해부터 나노물질에 대한 안전성 검증과 규제 등록이 시작된 상태고 한국에서도 2023년부터 시행을 계획하고 있다. 일정에 따라 규제 대응 시스템은 일부 적용 가능한 부분부터 2~3년 이내에 상용화할 수 있을 것으로 보인다. ▲ 윤태현 화학과 교수는 “일반 중소기업은 모든 국가에서 기술 개발 관련 규제가 엄격하고 이에 대해 적절히 대응하는 것이 매우 어렵다”며 “이러한 부분에서 도움을 주기 위해 연구 개발 및 국제 공동협력을 진행하고 있다”고 설명했다. 세계적 장비기업이 다수 참여하는 산학연구협력 윤 교수가 참여하는 ‘ACEnano Toolbox’ 개발 연구는 측정 분석, 시험 지침, 관련 데이터, 나노 소재 및 제품의 등록, 허가 등에 관련된 다양한 나노 안전성 콘텐츠들을 사용자 필요에 맞게 제공하는 전문가 시스템이다. 영국 버밍엄 대학을 중심으로 오스트리아, 스위스, 독일 등 유럽 국가를 중심으로 구성돼 연구한다. 한국에선 한양대학교와 함께 ㈜TO21이 참여한다. ACEnano 컨소시엄은 학교와 연구소뿐 아니라 나노 입자 분석 장비를 직접 연구·개발하고, 제조 판매하는 세계적 장비 기업들이 다수 함께해 진정한 산학연구 협력을 진행 중이다. 본 사업에서 개발한 기술은 국내외 중소기업이 나노 소재의 안전성을 제품 개발 단계에서 미리 확인하는데 도움을 준다. 나노 물질의 물리화학적 특성 및 세포 독성 데이터베이스와 이러한 데이터 세트 기반의 나노 안전성 예측 모델을 만들어 선제적으로 안정성에 대응할 수 있다. 인체와 환경에 미칠 수 있는 큰 악영향 예방도 가능하다. 이를 통해 제품개발 비용 절감은 물론, 효율적이고 친화적인 제품을 만들게 되는 것이다. 장기적으로는 전문가 시스템을 만들어 유럽연합 신화학물질관리제도(EU REACH)와 화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률(화평법)에 대한 규제 대응 전략으로 적용할 것으로 기대된다. 본 연구진은 상기 성과를 기반으로 유럽의 국제 공동 연구 컨소시엄인 ACEnano 및 NanoSolveIT 참여를 통해 국제 공동 협력 연구 및 시스템 개발 역량을 강화할 계획이다. 더불어 사업의 성과물인 S2NANO(Safe & Sustainable Nanotechnology) 포털(클릭 시 이동)을 나노 소재의 물리화학적 특성 측정부터 유해성 예측까지 전 과정에 대한 실무자 교육, 컨설팅 서비스 등을 제공하는 국제적인 수준의 나노 안전성 종합 포털로 확대할 예정이다. 포털은 올해부터 공식적인 시범서비스를 진행 중이다. ▲ 윤태현 화학과 교수는 연구를 하는 학생들에게 새로운 물질이나 기술에 대한 조심스럽고 유연한 대처와 개발을 강조했다. 더 큰 미래 나노 산업에 대응하는 유연한 연구 자세 윤 교수는 “우리의 건강과 환경보호를 위하여 나노물질을 포함한 화학물질의 관리 및 규제가 필요하다”며 “다만 이러한 규제가 불합리한 근거에 기반하거나, 불필요한 과정 등을 포함하여 산업의 발전에 저해요인이 되는 것 또한 바람직하지 않은 일”이라고 덧붙였다. 그는 연구는 합리적인 최소한의 규제 적용과 대응을 통해 우리의 건강과 환경보호뿐 아니라 새로운 기술 개발 및 산업발전을 촉진할 수 있도록 해야 한다고 말했다. 윤 교수는 마지막으로 학생들에게 “새로운 기술들은 항상 장점과 잠재적 위험을 동시에 지니고 있다”며 “장점을 극대화하고 단점을 최소화하는 방향으로 최적점을 찾는 유연한 접근과 연구를 하길 권한다”고 말했다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr

2018-06 19

[학술][우수R&D] 송태섭 교수 (에너지공학과)

식재재를 포장할 때 진공포장 기술을 많이 사용한다. 대기 중 산소의 수분과 식자재가 반응해 음식이 상하거나 신선도가 떨어지기 때문이다. 전자재료도 마찬가지. 산소와 수분의 접근을 차단하기 위한 배리어 필름은 디스플레이, 태양전지 등의 전자재료 분야에서 필수 기술이다. 특히 디스플레이 산업에 사용되는 배리어 필름은 더욱 높은 기술을 요구한다. 이에 송태섭 교수(에너지공학과)와 연구팀은 새로운 배리어 필름 기술 개발에 박차를 가하는 중이다. 배리어 필름(barrier firm), 기체와 수분을 차단하는 보호막 필름 기체 및 수분의 투과를 차단(barrier)하기 위한 배리어 필름 개발 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 대표적인 예로 식품 포장용, 진공단열재의 용도로 많이 사용되어 왔다. 디스플레이의 경우 그 소재로 유리기판을 사용하였지만, 경량화가 어렵고 유연성을 부여하기가 어렵다는 단점이 있다. 최근에는 플라스틱 기판이 사용되고 있는데, 플라스틱 기판은 상대적으로 기체 및 수분 투과가 취약하여 디스플레이의 화면 품질에 적합하지 않았다. 이에 송태섭 교수(에너지공학과)는 플라스틱 기판에 기체 및 수분투과 방지막을 도포할 수 있는 ‘유무기 복합소재 코팅액’을 개발해 해결책을 제시했다. ▲ 송태섭 교수(에너지공학과)가 지난 14일 자신의 연구실에서 배리어 필름 연구에 대해 말하고 있다. 최근 양자점 TV의 상용화 및 태양전지, OLED(Organic Light Emitting Diode, 유기발광 다이오드, 형광성 유기화합물에 전류가 흐를 때, 빛을 내는 자체 발광현상을 이용하여 만든 디스플레이) 제품 개발이 가속화되면서, 식품 포장용보다 훨씬 높은 기체 차단성을 요구하는 배리어필름이 요구되고 있다. 이는 기존 식품 포장용 필름을 제조할 때 사용되고 있는 기술로는 구현이 불가능하다. 차세대 제품의 수요에 맞춰 송 교수는 유기물질과 무기물질을 배합한 고정밀 코팅액 제조 기술 연구에 박차를 가하고 있다. ▲ 실제 식품 포장용으로 사용되기 위해서는 수증기 투과율(WVTR)이 102~10-1 g/m2 · day 수준의 차단능력으로 충분했지만, 양자점 TV(Quantum Dots TV)에 적용되기 위해서는 10-4~10-2 g/m2· day 수준의 높은 수분 차단성과 동시에 대면적화, 높은 가시광 투과율이 요구된다. (송태섭 교수 제공) 코팅액 제조 기술은 응집력이 있는 무기 입자를 유기용매에 골고루 분산시키고, 최종적으로 기판 위에 고르게 도포하는 것이 중요하다. 우리가 일부 자외선차단제 제품을 이용할 때, 흔들어 사용하는 이유는 입자가 용매에 골고루 분산되어 있지 못하기 때문이다. 송 교수는 코팅액의 분산성을 향상시키고, 기판 위에 코팅액을 균일하게 도포하는 공정에 초점을 맞췄다. 송 교수가 개발하고 있는 유무기 복합 코팅액을 이용한 배리어필름은 경제성과 대면적화에서 모두 장점을 가진다. 상대적으로 높은 수준의 기체 및 수분 차단성을 가질 뿐만 아니라, 더 저렴한 가격에 대면적 디스플레이 제조공정에도 적용할 수 있다. 현재는 양자점 TV 디스플레이용 보호막으로 배리어 필름이 적용되고 있지만, 앞으로의 차세대 제품군에 있어 플렉시블 디스플레이(flexible display), 태양전지, OLED 등에도 투입될 수 있도록 지속적인 연구개발을 진행할 예정이다. 수많은 시행착오에도 굴하지 않고 송 교수의 주전공은 무기재료 기반의 차세대 이차전지 분야이다. 디스플레이라는 새로운 응용 분야에 대한 생소함이 있었기에 연구에 대한 부담감은 컸다. “공대에서는 다양한 기술 간의 융∙복합이 빈번하게 일어납니다. 우리가 가지고 있던 소재 및 공정기술에 다른 분야의 기술을 접목해, 응용 분야를 확장해 나가는 것이죠.” 이번 배리어필름 연구는 기존의 연구와 핵심기술은 유사하게 하되, 적용 분야를 확장한 사례로 볼 수 있다. 기술의 융∙복합 이외에도 배리어 필름에 대한 연구에는 많은 어려움이 존재했다. “종래에 없던 기술을 새로 개발하는 것이 아니기 때문에, 기존 선행연구의 특허를 피해 제품 개발 전략의 차별성을 부여하는 것이 가장 어려웠죠.” 송 교수가 연구 초반에 부딪혔던 큰 어려움은 국내 및 국외 특허를 피해 기존 기술과의 차이점을 두는 것이었다. 하지만 국내 산업의 기반이 좀 더 탄탄해지고, 경쟁력 있는 고품질의 디스플레이 제품을 개발하기 위해서는 더욱 저렴하고 고성능의 배리어필름 개발이 필수적으로 수반되어야 한다. 그렇기에 그는 무수히 많은 시행착오를 겪으며 더 나은 기술을 위해 매진하고 있다. “학생 여러분들도 넓은 시야를 가지고, 자신의 전공에만 국한하지 않는 학제적인 인재가 되었으면 좋겠어요. 그 재능을 국가와 우리 사회에 환원하고 보탬이 될 수 있는 인재로 성장하길 바라요.” 송 교수가 한양대 재학생들에게 전하고 싶은 메시지다. ▲ 송태섭 교수와 배리어 필름연구를 함께 진행하고 있는 연구팀원들이 실험실에서 포즈를 취하고 있다. 글/ 황유진 기자 lizbeth123@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2018-01 31

[학술][이달의 연구자] 홍진표 교수(물리학과)

손가락에 ‘스마트 반지’를 끼우면 수면시간과 신체 변화를 알 수 있다. 이렇듯 신체 착용 가능한 제품을 ‘웨어러블 기기(wearable device)’라 한다. 시장조사업체 IDC는 웨어러블 기기의 2021년 출하량이 올해 대비 2배 가까이 커질 것으로 전망했다. 장치의 수요가 증가함에 따라 에너지 사용량이 늘어나면서, 에너지를 발생시켜 효율적으로 저장할 수 있는 기술에 대한 필요성도 커졌다. 또한 디자인 변형이 자유로운 웨어러블 전자소자에 대한 관심이 증폭됐다. 이에 홍진표 교수(물리학과)는 신체의 움직임을 통해 에너지를 발생시킬 수 있는 ‘1차원 섬유 소재 기반 에너지 생산 소자’를 개발했다. ▲홍진표 교수(물리학과)를 지난 25일 연구실에서 만났다. ‘1차원 전도성 섬유 실 기반 에너지 수확 기술’을 개발하다 이번 연구의 핵심은 ‘1차원 전도성 섬유 실’을 이용하는 것이다. 기존 웨어러블 소자 연구에서는 2차원 섬유 소자를 이용했지만, 디자인 제약이 많고 에너지 효율이 균일하지 않다는 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위해 홍 교수는 세계 최초로 1차원 전도성 섬유 실을 기반으로 다양한 나노 구조물 성장 및 기능화를 이뤄냈다. 또한 '고분자 폴리머' 소재를 인위적으로 제어해 마찰개념을 도입한 새로운 에너지 발생 소자를 개발했다. 각각의 1차원 전도성 실들은 의복화 패키지 기술을 접목한 스마트 옷으로 제작시, 신체의 움직임으로 인한 표면 마찰 현상을 통해 200V 정도의 전압을 발생시킬 수 있다. 홍 교수는 두 물질 사이의 표면적을 넓히는 동시에 발생 전하량을 확대함으로써 에너지 변환 효율을 높였다. 물론 작고 가는 1차원 섬유 실에 용액 공정을 통하여 나노구조물을 넣는 것은 쉬운 일이 아니었다. 마찰이 생기면 실이 끊어질 수 있고, 가닥의 개수에 따라 에너지량이 달라질 수 있기 때문이다. 홍 교수는 이번 연구를 통해 이 문제점을 극복하는 기술과, 가닥의 개수에 따라 에너지량을 인위적으로 제어하는 기술을 확보했다. 겹겹이 층을 쌓아보고, 전기가 균일하게 발생될 수 있는지 구부림을 측정하는 등 다양한 시도를 거친 결과물이었다. ▲(왼쪽부터) 1차원 섬유소재의 구부림을 측정한 결과와 1차원 섬유소재의 신뢰도를 측정한 결과다. (출처: 홍진표 교수) 웨어러블 소자 연구는 현재 진행형 이번 연구는 기존 ‘2차원 섬유 소자’의 한계점과 문제점을 모두 극복하기 위해 2차원 섬유 대신 ‘1차원 섬유 소재’에 인위적인 기능을 부과하는 신개념을 도입했다. 궁극적으로는 2차원 및 3차원의 의복화 기술을 접목해 고효율의 에너지 생산 소자를 구현하는 것 목표다. 이러한 신개념 에너지 생산 소자는 현재 사용되고 있는 유선 전원 공급이나 충전 방식을 대체해 시공간 제약을 넘어 전선 없이(Wireless), 언제 어디서나 인체의 움직임으로 자가 발전이 가능한 ‘차세대 에너지 생산 소자’라고 할 수 있다. ▲표로 정리한 이번 연구의 개요 (출처: 홍진표 교수) 홍 교수는 “현재는 ‘1차원 전도성 섬유 실’을 통해 발생된 소자와 에너지를 함께 1차원 섬유 실에 저장하는 일을 연구하고 있다”고 말했다. 저장하는 방법으론 우리가 흔히 아는 보조배터리와 함께 ‘슈퍼 커패시터(Supercapacitor)’가 있다. 슈퍼 커패시터는 커패시터(축전기)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 강화한 것으로서, 홍 교수는 이를 중점적으로 연구했다. 보조배터리는 용량이 크지만 반응속도가 느린 데 비해 슈퍼 커패시터는 용량은 작지만 반응속도가 빠르다는 점을 이용한 것이다. 인체의 움직임으로 에너지를 저장하기 위한 연구의 특성상, 사람들의 움직임을 빠르게 저장하는 것에 주안점을 뒀다. 최종목표를 향해가다 홍 교수의 최종목표는 1차원 전도성 섬유 실로 에너지를 생성하고 저장한 뒤, 그 에너지를 가지고 IOT(Internet of Things, 사물인터넷) 센서 등을 독립적으로 작동하는 것이다. 사물인터넷은 사물에 센서를 부착해 실시간 데이터를 인터넷으로 주고 받는 기술이나 환경을 일컫는 말로서, 홍 교수는 1차원 섬유 실 기반으로 IOT에 부합하는 다양한 환경 센서 및 바이오 센서 제작을 계획하고 있다. 궁극적으로는 차후 ‘1차원 섬유 소재 기반 에너지 발생-저장-IOT 센서 일체화’ 기술로 활용할 계획이다. 또한 홍 교수는 현재의 연구 성과가 섬유산업, 의학, 전자산업 분야 등 다양한 분야에 중요한 변화를 일으킬 것이라고 말했다. “소방관 안전복에 화재 현장의 온도와 유독가스를 측정하는 센서를 부착하고, 소방관의 움직임으로 전기를 발생시켜 센서 장치의 유지를 돕는 세상이 올 것입니다. 새로운 에너지가 산업에 미치는 영향은 지대할 것으로 예측하고요.” 글/ 정민주 기자 audentia1003@hanyang.ac.kr 사진/ 이진명 기자 rha925@hanyang.ac.kr