보도자료
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고성능·고안정성 유기태양전지 구현하는 새로운 고분자 복합소재 개발
- 유기 태양전지 내 정공수송층으로 쓰이는 전도성 고분자 대체할 신소재 물질 개발 - 안정적 성능 보장, 향후 플렉시블 태양전지 및 유기 광전자 소자에 응용 기대 KIST 연구진이 유기태양전지의 높은 효율과 동시에 높은 안정성을 갖는 태양전지를 구현할 수 있는 새로운 고분자 물질을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 유기태양전지의 핵심 구성요소인 정공수송층(Hole Transport Layer)*으로 널리 사용되는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’를 대체할 수 있는 새로운 고분자 복합소재를 개발했다. *정공수송층(Hole Transport Layer) : 유기태양전지의 정공(Electron Hole)을 전달하는 역할을 하는 층 유기태양전지는 값이 저렴하고 대면적화가 비교적 용이하며 플렉서블한 태양전지 생산이 가능한 장점을 가지고 있다. 태양전지 내의 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층의 소재로 쓰이던 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’는 유기태양전지에 널리 사용되고 있지만 강한 산성수용액으로 인한 전극 분해현상, 제한된 용매사용, 낮은 전도성으로 인해 효율저하 및 짧은 수명을 야기해 이를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있었다. KIST 백경열 박사팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 전도성을 가지는 블록공중합체와 카본소재를 복합화한 복합소재를 개발, 기존 정공수송층의 문제를 보완하면서 향상된 성능을 지닌 새로운 정공수송층 소재를 개발했다. KIST 연구진이 개발한 새로운 고분자 소재는 산성이 아닌, 중성상태에서 다양한 용매에 대한 용해도를 가지고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능하고, 기존의 산성수용액에 의한 전극의 부식 현상을 극복함으로써 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있는 안정성을 부여 할 수가 있다. 새롭게 개발된 정공수송층 소재는 용액공정 이후에 간단한 열처리 공정을 통하면 전도성고분자의 도핑 현상을 유도함으로써 기존 정공수송층 소재와 유사한 일함수(5.1 eV)를 가지면서 기존 대비 5배 향상된 전기전도도를 가지는 것으로 나타났다. 또한 열처리시 동시에 불용의 물리적 가교가 형성되어 추가적인 용액공정 시 높은 내화학성**을 가지는 장점이 있어 용액공정을 다변화와 유기태양전지의 성능 안정성과 에너지변환 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. **내화학성 : 물질이 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도 KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 새로운 정공수송층 소재는 유기 태양전지 내의 정공수송층의 문제를 보완하면서 에너지변환 효율을 높일 수 있을 것으로 전망한다”라며, “향후 유기태양전지 뿐만 아니라 다양한 유기광전자소자에도 널리 활용 가능한 소재가 될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 산업통상자원부(장관 성윤모) 지원으로 소재부품기술개발사업과 KIST의 기관고유사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 국내특허(10-1681186)와 미국특허(9260572)에 등록이 되었으며, 재료과학 및 복합체 분야의 국제 학술지인 ‘Composites Science and Technology’ (IF : 5.160, JCR 상위 1.923%) 최신호에 게재되었다. *(논문명) Potentially self-dopable poly(3-hexylthiophene) block copolymers/carbon nanotubenanocomposites for enhanced processibility and electrical properties - (제1저자) 한국과학기술연구원 조계용 박사((현)Texas A&M University) 한국과학기술연구원 김현지 박사((현)삼성 SDI 연구소) - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 <그림설명> <그림 1> (위) 전도성고분자를 기반으로 하는 블록공중합체와 카본 소재와의 복합화를 통해 얻어진 중성의 정공수송층 소재 모식도와 열처리 이후 도핑효과를 통해 얻어진 기존 정공수송층(PEDOT:PSS) 대비 유사한 일함수값과 5배 높아진 전기전도도. (아래) 개발 소재의 중성적 특성으로 인하여 다양한 유기용매에 대한 용해도를 갖고 있으나 용액공정 이후 열처리로 인한 불용의 물리적 가교가 형성됨으로써 다양한 용액공정의 적용이 가능.
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- 작성자물질구조제어연구센터 백경열 박사팀
- 작성일2019.04.11
- 조회수12679
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분리막 오염 관측하여 차세대 담수화 기술 상용화 앞당긴다
- '막 증발법' 담수화 기술에서 유발되는 분리막 오염의 실시간 관측 시스템 개발 - 향후 막 젖음과 막 오염 현상의 연관성을 규명할 것으로 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 바닷물을 담수화 하는 기술 중 하나인 막 증발법*에서 막 젖음을 유발하는 막 오염을 실시간으로 관측하는 시스템을 개발했다고 밝혔다. *막 증발법(Membrane distillation,MD) : 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술 물 부족 문제로 인해 1970년대부터 해수를 담수화 하는 기술이 상용화되었으며, 이 기술의 에너지 및 비용을 절감하기 위한 노력이 지속되고 있다. 그 중 막 증발법은 태양열 및 지열과 같은 신재생에너지를 적용하여 막 증류 공정을 상용화 하게 된다면 해수담수화 비용을 약 0.3 $/m3까지 절감할 수 있을 것으로 보여 차세대 담수화 기술로 주목받고 있다. 막 증발법으로 담수를 생산하는 과정에서 해수와 접촉하는 분리막에 오염 물질(입자, 유·무기물 등)이 부착 또는 침투하게 되면, 분리막의 틈이 막혀 담수 생산 속도가 느려지거나 수증기만 통과해야하는 소수성 분리막을 해수가 직접 통과하게 되어 생산된 담수의 수질이 나빠질 수 있다. 이렇게 분리막이 막히는 것을 ‘막 오염(fouling)’이라고 하며, 해수가 소수성 분리막을 직접 통과하는 것을 ‘막 젖음(wetting)’이라고 한다. 막 오염과 막 젖음은 서로 연관이 있는 것으로 많은 연구를 통하여 알려져 왔으나, 막 젖음이 막 오염이 일어난 지점에서 발생하는 지에 대해서는 확인된 바가 없었다. 막 젖음을 확인하는 기존 기술은 생산된 담수에 해수가 섞이는 경우 이온의 농도가 증가하는 것을 측정하는 방식이었기 때문에 분리막의 어느 지점에서 막 젖음이 발생했는지에 대한 확인이 불가능하였다. KIST 연구진은 막 증류 분리막에 막 오염이나 막 젖음 현상이 발생하는 경우 광원이 있을 때 막 오염은 어둡게, 막 젖음은 밝게 나타나는 광학적인 차이가 있는 것을 확인하고, 이를 이용하여 실시간으로 모니터링 가능한 장치를 개발하였다. 이 장치를 이용하면 실시간 모니터링 장치를 부착하여 분리막을 지속적으로 관찰하였을 때, 막 젖음이 확인되는 시점에 막 젖음이 분리막의 어느 위치에서 발생하고 어떻게 변화하는지 시각적으로 확인할 수 있다. 또한, 서로 다른 막 오염 및 막 젖음이 발생할 수 있는 다양한 온도 조건에서 실험을 수행하여, 막 오염과 막 젖음 현상을 실시간으로 확인 가능하다. KIST 정성필 박사는 “다양한 조건에서 실험을 하여 분리막의 막 젖음이 주로 발생하는 원인을 규명하여 막 오염과 막 젖음을 최소화할 수 있는 막 증류 공정 운영 조건을 확보하여 막 증류 공정의 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Desalination’ (IF : 6.603, JCR 분야 상위 1.667%)에 최신호에 게재되었다. * (논문명) Evaluation of a real-time visualization system for scaling detection during DCMD, and its correlation with wetting - (제1 저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원, 이석헌 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 막증발법과 관측시스템의 통합 모식도 <그림 2> 관측시스템의 초기 이미지와 20시간 이후의 이미지 결과
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- 작성자물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀
- 작성일2019.03.26
- 조회수9917
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치매치료제, 기존 약물의 한계를 극복할 열쇠를 찾다
- 치매DTC융합연구단, 한계 극복한 새로운 패러다임의 치매 치료약물 개발 - 기존 약물의 실패 원인을 밝히고 이를 해결할 신규 치료 기전 규명 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 치매DTC융합연구단 박기덕 박사 연구팀은 반응성교세포연구단 이창준 박사 연구팀(현, IBS)과의 융합연구를 통해 알츠하이머성 치매를 극복할 수 있는 새로운 패러다임의 연구결과를 발표하였다. KIST 연구진은 기존 약물의 한계를 극복 할 수 있는 신규 치매 치료 약물을 개발하였다. 이 신약은 알츠하이머 치매환자의 뇌에서 과생성되는 가바(GABA)*의 양을 줄일 수 있는 물질로, 가바로 인한 치매환자의 기억력 저하 및 인지 장애를 획기적으로 개선할 수 있는 치료 후보약물이다. *GABA : 포유류의 중추신경계에 생기는 억제성 신호 전달 물질로써, 반응성 성상교세포에서 가바가 과생성되면 기억력 저하나 인지 장애를 유발한다. KIST 연구진은 기존 약물들은 초기에는 가바의 양을 줄여주어 인지기능을 개선시킬 수 있었지만, 장기간 투여 시 생체 내 대체기전**이 작동하기 시작하면서 가바의 양이 다시 증가하고 인지 장애가 다시 생긴다는 사실을 규명했다. **대체기전 : 생체 내 주요 역할을 담당하는 기전이 억제되어 기능을 상실하였을 때 이를 대신해서 같은 역할을 할 수 있도록 작동되는 생체 내 보상기전 반면에, KIST 연구진이 개발한 후보약물은 장기간 투여 시에도 이러한 대체기전을 작동시키지 않음으로써 장기간 동안 지속적으로 인지기능을 개선시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 알츠하이머병에 걸린 유전자 변이 실험용 쥐에 투여하여 다양한 행동실험을 통해 인지기능이 회복된 것을 확인했을 뿐 아니라, 적은 용량으로 장기간 투여한 시험에서도 월등한 인지기능 개선 효능을 확인하였다. 특히, 약물로서의 적합성(ADME/Tox)을 검증한 결과 이 신약 후보약물은 인체의 뇌 속으로 매우 높은 효율로 전달되었으며, 다른 신경계에 부작용이 없는 뛰어난 약물성을 나타냈다. 이번 연구결과는 과거 임상에서 단기적 효능을 보였음에도 결국 승인되지 못한 기존 약물의 실패 원인을 규명하였을 뿐만 아니라, 이러한 한계를 극복할 수 있어 주목받고 있다. KIST 박기덕 박사는 “개발된 후보약물은 치매에 의한 인지장애를 장기간 동안 지속적으로 개선시킬 수 있음이 확인되었다”며, “후보약물의 우수한 효능 뿐만아니라 뇌 투과율 및 인체 안전성이 뛰어나 장기간 진행되는 치매 치료약물 임상 시험에서 좋은 결과를 얻을 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이는 국가과학기술연구회(NST, 이사장 원광연)에서 시행한 융합연구사업 가운데 KIST 치매DTC융합연구단 사업(단장 배애님)으로 수행되었다. 이번 연구결과는 세계적 학술지 사이언스의 자매지인 ‘Science Advances’ (IF: 11.51, JCR 분야 상위 5.47%) 최신호에 온라인 게재되었다. 본 후보약물은 2017년 ㈜메가바이오숲에 기술이전(선급금 5.5억원, 정액기술료 60억원, 경상기술료 3%) 되었으며, 현재 글로벌 신약개발을 위한 영장류 기반 전임상 시험이 진행 중이고, 2019년 하반기에 임상 시험 승인을 신청할 계획이다. *(논문명) Newly developed reversible MAO-B inhibitor circumvents the shortcomings of irreversible inhibitors in Alzheimer’s disease - (제1저자)한국과학기술연구원 박종현 연구원 - (교신저자)한국과학기술연구원 이창준 책임연구원(現 IBS 인지 및 사회성 연구단 공동단장) - (교신저자)한국과학기술연구원 박기덕 책임연구원 <그림설명> <그림1> 기존 약물의 단기 효능 한계와 이를 극복한 신규 치료약물의 지속적 효능 <그림2> 대체기전에 의한 기존 약물의 한계 및 이를 극복한 신규약물의 치료기전
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- 작성자치매DTC융합연구단 박기덕 박사팀
- 작성일2019.03.25
- 조회수11659
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코딩없이 볼 트래핑하는 로봇 개발
- 근육 표면 근전도 신호로 사람의 움직임을 따라하게 하여 로봇을 학습 - 축구 선수처럼, 떨어지는 공을 트래핑 하도록 로봇을 학습시키는데 성공 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 지능로봇연구단 김기훈 박사팀은 표면 근전도 신호*를 이용하여 사람이 시연을 통해 “유연한 로봇”을 학습시키는 방법을 개발하여, 로봇이 마치 축구 선수처럼 떨어지는 공을 트래핑하도록 학습시키는데 성공했다. *표면 근전도 신호(surface electromyogram) : 근육이 수축할 때 발생하는 내부의 전기 신호를 피부 표면에서 측정한 생체 전기 신호 최근 등장한 유연한 로봇은 기존의 단단한 로봇과는 다르게 사람의 근육이나 관절처럼 유연한 탄력을 가져 로봇의 새로운 시대를 열었다. 이 유연한 로봇은 마치 사람처럼 달리고, 점프를 하여 장애물을 넘고, 스포츠를 함께 즐길 수 있을 것으로 기대되었다. 그러나 이런 동작이 가능해진 유연한 로봇에게 이런 기술을 가르쳐줄 수 있는 방법은 아직 개발된 바가 없었다. KIST 연구팀은 이런 유연한 로봇에게 사람의 생체 근육 신호를 이용하여 새로운 동작을 직접 가르칠 수 있는 기술을 최초로 개발했다. 사람이 운동을 할 때 발생하는 근육의 전기 신호인 표면 근전도 신호로부터 자세뿐만 아니라 유연성을 함께 측정할 수 있는 기술을 바탕으로, 사람이 운동을 직접 로봇에게 시연하여 가르칠 수 있게 된 것이다. KIST 김기훈 박사팀은 이를 이용해 로봇이 마치 축구 선수처럼 빠르게 떨어지는 공을 단단한 부분 위에 공이 크게 튀지 않도록 트래핑하는 기술을 학습시키는데 성공했다. 사람의 팔에 표면 근전도 센서를 부착하여 위아래로 빠르게 움직이는 로봇의 위치와 유연성 두 가지를 동시에 제어할 수 있게 하고, 빠르게 떨어지는 공을 보고 사람이 직접 로봇에게 시연하여 트래핑하는 방법을 학습시켰다. 학습된 로봇은 사람 없이도 떨어지는 공을 능숙하게 트래핑하는데 성공하였다. 이번 연구 성과는 유연한 로봇의 작업을 수학적으로 일일히 계획하고 프로그래밍하는 것이 아니라 사람이 직관적으로 직접 학습시킬 수 있어 주목받고 있다. 로봇과 사람의 상호작용을 발전시켜 로봇을 우리의 생활 속으로 한 발짝 더 가깝게 만들 수 있을 것으로 기대된다. KIST 김기훈 박사는 “이번 성과는 로봇에게 사람의 능숙한 기술을 학습시키는 방법으로 앞으로 로봇과 사람이 상호작용하는데 중요한 계기가 될 것” 이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 받은 한국연구재단 글로벌프론티어 사업으로 수행되었다. KIST와 POSTECH 정완균 교수팀의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 제어분야 국제 저널인 ‘IEEE Transactions on Industrial Informatics’ (IF: 5.430, JCR 분야 상위 1.06%) 최신호(VOL.15, 2월호)에 게재되었다. * (논문명) Programming by Demonstration Using the Teleimpedance Control Scheme: Verification by an sEMG-Controlled Ball-Trapping Robot - (제1 저자) 한국과학기술연구원 박성식 연구원(포항공과대학교 기계공학과 박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 김기훈 책임연구원 - (공저자) 포항공과대학교 정완균 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 사람의 시연을 통한 로봇의 임피던스 프로그래밍 방법 모식도 (b) 성공적인 시연을 통해진 경로와 임피던스 정보를 학습하는 방법
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- 작성자지능로봇연구단 김기훈 박사팀
- 작성일2019.03.19
- 조회수9684
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차세대 증강현실(AR) 기술, 이제 4K HMD로 본다
- 국내 최초 홀로그래픽 광학 소자를 적용, 경량화/소형화된 AR HMD 개발 - 세계 최고 수준의 고해상도, 고시인성, 광 시야각의 4K급 증강현실 영사구현 홀로렌즈(HoloLens), 매직리프(Magic Leap) 등으로 대표되는 차세대 증강현실(AR) HMD* 기술과 이를 기반으로 한 서비스 개발에 관심이 증대되고 있다. 전 세계적으로 홀로그래픽 광학기술을 결합한 차세대 증강현실 플랫폼 고도화를 위한 시도가 증가하고 있지만, 국내의 경우 고해상도 AR HMD 관련 연구는 시작단계에 불과하고 핵심기술인 홀로그래픽 광학 소자가 AR HMD에 적용된 사례는 전무한 실정이다. **HMD(Head Mounted Display) : ‘머리착용 디스플레이’, 안경처럼 착용하여 AR,VR 등을 볼 수 있는 모니터 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 박민철 박사팀은 연구 참여기관인 ㈜에픽옵틱스, ㈜미래기술연구소, ㈜에스시전시문화, 세종대(김태근 교수), 전자부품연구원(홍성희 박사)과 공동으로 세계 최고 수준의 고해상도, 원거리에서도 식별이 쉬운 고시인성, 광(廣) 시야각의 4K급 투시형 증강현실 영상구현을 위한 AR HMD 개발에 성공하였다. 기존의 AR HMD는 크기가 크고 무거울 뿐만 아니라 상대적으로 저해상도의 디스플레이를 탑재한 반면, 본 기술은 홀로그래픽 광학 소자**를 이용한 초박형 고효율의 조명 광학 시스템을 이용하여 전체적인 부피와 무게를 혁신적으로 줄이고, 초정밀 비구면 플라스틱 컴바이너 설계기술을 바탕으로 4K급 해상도의 선명한 영상을 사용자의 눈앞에 생성하여 증강현실 구현이 가능하도록 하였다. **홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element, HOE) : 홀로그래피 기술을 이용하여 제작된 일종의 회절 광학소자로, 홀로그램에 기록된 파형을 재생시키거나 변형시켜서 투과되거나 반사된 빛의 형태를 원하는 형태로 만들고자 제작된 광학소자. 현재 개발된 기술은 무엇보다도 국내 최초로 홀로그래픽 광학 소자를 이용하여 AR HMD를 구현함으로써, 크기는 작고 가벼우면서 세계 최고 수준의 고해상도 영상을 제공할 수 있게 되었다는데 큰 의미를 둘 수 있다. 이는 향후 완전한 홀로그래픽 3D 영상을 HMD 상에서 구현할 수 있는 기술적 토대를 마련하였다는데 의의가 있다. 또한, 고해상도 AR HMD의 국산화를 통해 외산 대비 가격 측면에서도 독보적인 경쟁력을 확보하였다. 최근 공중파 드라마의 소재로 등장할 만큼 대중적으로 잘 알려진 증강현실, 즉 AR(Augmented Reality)은 실제 공간이나 사물에 3차원 가상 이미지를 덧씌워 다양한 영상 정보를 제공하는 방식으로 완전한 가상의 공간이나 사물을 구현하는 VR(Virtual Reality)에 비해 현실감을 증대시킬 수 있어 방송, 교육, 제조, 광고, 의료, 자동차 등 국가산업전반에 걸친 주요 분야에서 큰 파급효과가 기대된다. 특히, CG기술을 활용한 뮤지컬, 연극과 같은 문화예술 공연이나, 증강현실 콘텐츠를 기반으로 한 체험형 게임과 테마파크, 그리고 각종 스포츠 분야에서의 활용이 기대된다. ㈜에픽옵틱스의 김동하 연구소장은 “본 기술을 통해 세계 최고 수준의 체험형 게임 시장 선점이 가능할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. KIST 박민철 박사는 “홀로그래픽 광학 소자 기반의 고해상도 AR HMD 개발을 통해 기존 한계를 벗어난 세계 최고 수준의 홀로그램 서비스를 제공할 수 있는 기틀을 마련할 수 있게 되었다.”라고 말하며, “KIST의 차세대 기술들이 국내 기업과 연계되어 다양한 분야에서 세계적인 기술 경쟁력을 확보할 수 있도록 적극 지원할 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 문화체육관광부(장관 박양우)의 지원으로 한국콘텐츠진흥원(원장 김영준) 문화기술연구개발 사업(과제명: 홀로그램 카메라 및 홀로그램 기반 AR 플랫폼 기술 개발)으로 수행되었다. <그림설명> <그림1> 4K급 고해상도 투시형 증강현실(AR) HMD (프로토타입) <그림2> HMD로 본 AR영상 <그림3> 4K급 고해상도 투시형 증강현실(AR) HMD로 증강현실을 체험중
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- 작성자광전소재연구단 박민철 박사팀
- 작성일2019.03.12
- 조회수12829
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“빛으로 정보교환” 미래형 반도체 소자 개발
- 빛의 회전방향을 이용하여 정보를 교환하는, 광 컴퓨팅의 핵심 소자 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 임정아 박사팀은 거울상 대칭 구조를 갖는 카이랄 분자*와 반도체 소재를 이용하여, 원편광**을 회전방향에 따라 감지하는 반도체 소자를 개발했다. *카이랄 분자(Chiral molecule) : 마주한 양 손과 같이 구조적으로 거울상 대칭 구조를 가져 서로 겹쳐질 수 없는 분자 **원편광(Circularly polarlized light) : 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 진행하는 빛 최근 광통신, QR코드 등 빛을 이용한 기술이 나날이 발전하고 있다. 이제는 빛을 이용한 정보처리 기술인 광 컴퓨팅이 미래 기술로 각광받고 있다. 이 기술에 필수적인 원편광에 담긴 정보를 인지하는 반도체 소자를 KIST 연구진이 개발하여 주목받고 있다. 지금까지 개발된 원편광 감지용 반도체 소자는 고가의 장비를 이용하여 까다로운 공정을 거쳐 제작해야 했다. 또한, 이 소자들은 균일한 박막을 제작하고 반도체 소자로 직접 응용하는데 어려움이 있었다. KIST 임정아 박사팀은 이러한 한계를 극복하고, 쉽고 간단한 공정으로 실제 응용 가능한 소자를 만들어 냈다. KIST 연구진은 카이랄 분자와 고분자 반도체를 함께 녹인 용액을 도포하고 가열하여 특별한 박막을 만들었다. 이 박막은 카이랄 분자와 고분자 반도체 층이 분리되는 구조를 가진다. 카이랄 분자 결정은 원편광의 방향에 따라 빛을 흡수하는 양이 달라서, 빛을 흡수한 후 생성하는 전하의 양이 다르다. 이 점을 이용하여, 전하를 전달받은 반도체 층에서 빛의 방향을 감지할 수 있는 소자를 제작하였다. KIST 임정아 박사는 “이번 성과는 원편광 감응 반도체 박막을 손쉽게 제작할 수 있는 새로운 길을 제시한 것으로, 앞으로 원편광 응용 기술 상용화에 중요한 계기가 될 것” 이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST의 기관고유사업과 한국연구재단 신진연구자지원 사업으로 수행되었다. 고려대학교와의 공동연구로 진행된 이번 연구결과는 소재분야 국제 저널인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 13.325, JCR 분야 상위 3.767%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Chiroptical-Conjugated Polymer/Chiral Small Molecule Hybrid Thin Films for Circularly Polarized Light-Detecting Heterojunction Devices - (제1저자) 한국과학기술연구원 김나연 연구원(석사과정) 동국대학교 김지훈 연구교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 임정아 선임연구원 고려대학교 주병권 교수 <그림설명> [그림 1] (a) 고분자반도체와 카이랄 분자의 분자구조 및 이들 블렌드 용액의 블레이드 코팅 모식도 P3CT : 본 연구에서 사용한 고분자반도체, poly[3-(6-carboxyhexyl)thiophene-2,5-diyl] BN : 본 연구에서 사용한 카이랄 분자,1,1'-binaphthyl-2,2'-diamine (b) 고분자반도체/카이랄 분자 블렌드의 상분리로 유도된 반도체 박막의 특이구조를 활용한 원편광 감응 반도체 다이오드 소자 모식도(상단) (좌측 아래) 제작한 원편광 감응 다이오드의 원편광 회전 방향에 따른 광전류 신호. (우측 아래) 카이랄 분자 마이크로 결정이 박막 상부에 위치하고, 고분자반도체/카이랄 분자 헤테로 응집체가 아래 막을 형성하는 구조를 보여주는 전자현미경 사진
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- 작성자광전소재연구단 임정아 박사팀
- 작성일2019.02.19
- 조회수12007
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화학무기 독성제거가 가능한 고활성 제독촉매 개발, 화학전과 테러로부터 국민의 생명과 안전을 지킨다
- KIST, 간단한 구조제어로 최고 수준의 제독성능을 갖는 대용량 촉매 합성법 개발 - 향후 실증화로 차세대 보호복/방독면 및 산업폐기물 처리에 적용 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 원재료의 농도 및 산도(pH) 조절과 같은 간단한 방법을 통해 높은 효율을 보이는 나노미터 수준의 균일한 입자크기의 지르코늄(Zr) 기반의 제독 촉매를 대량으로 합성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 활성탄 기반의 제독제는 독성 화학물질을 흡착만 한다. 그렇기 때문에, 이 흡착된 독성 물질을 제거하는 재처리 과정에서 2차 오염 문제가 발생했다. 또한 기존의 제독촉매 소재는 복잡한 유기물을 합성하는 과정이 필요해 대량생산이 어려운 한계를 갖고 있었다. KIST 연구진은 기존 제독방법인 흡착의 한계를 넘은 직접 독성제거가 가능한 촉매 소재를 개발했다. 연구진은 금속유기물 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 중 가격이 저렴하고 제조방법이 간단한 ‘UiO-66’ 이라는 소재를 기반으로 약 100㎚ 입자크기의 MOF 합성에 성공했다. 새로 개발된 촉매는 기존 촉매의 1/6수준의 부피를 가지고 있어, 부피 대비 표면적이 높아 기존 소재보다 100배 이상 높은 반응효율을 기록하여 세계 최고 수준의 제독 성능을 보였다. 또한, KIST 연구진은 양자화학계산을 통해 기존의 촉매소재가 일회성 사용에 그쳤던 원인을 밝혀냈다. 이는 향후 지속 사용가능한 촉매 시스템을 개발하고, 실제 코팅소재 및 방독면 등에 응용할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대된다. KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 촉매소재는 화학무기의 독성을 근본적으로 제거하는 방법이다”라며, “기존의 제독제와 함께 사용하면 화학무기 또는 고위험성 화학물질로부터 보다 능동적으로 국민의 생명과 안전을 지킬 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 국가과학기술연구회(NST) 민군융합기술 연구사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ (IF : 11.698, JCR 상위 1.000%) 최신호에 온라인 게재되었다. * (논문명) Facile control of defect site density and particle size of UiO-66 for enhanced hydrolysis rates: insights into feasibility of Zr(IV)-based metal-organic framework (MOF) catalysts - (제1저자) 한국과학기술연구원 조계용 박사((현)Texas A&M University) 한국과학기술연구원 서진영 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 백경열 책임연구원 <그림설명> (a) 가격 경쟁력을 가지면서, 쉽고 간단한 방법으로 촉매활성을 극대화시킨 MOF 나노-촉매소재의 고용량 제조방법 개발을 통하여 본 소재의 실증화 가능성 규명 (b) 양자화학계산법을 기반으로 반응 에너지의 계산을 통하여 촉매 반응 메커니즘 규명 및 해석 (c) 기존과 달리 고성능의 촉매성능을 지속할 수 있는 제독 시스템 개발과 실증화된 코팅소재, 보호의 또는 방독면 등으로의 응용개발에 있어서 새로운가능성을 이론적으로 제시
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- 작성자물질구조제어연구센터 백경열 박사팀
- 작성일2019.02.12
- 조회수13067
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열 저장 캡슐을 온수관 속에, 혁신적인 난방 신기술 개발
- KIST 연구진, 상변화 캡슐 이용한 안전하고 효율적인 온수공급 핵심기술 개발 - 사계절 내내 적정온도 유지하는 ‘열에너지 플러스 빌딩’ 가능성 기대 2018년 12월, 경기도 고양시 백석역 인근에서 지역난방 공사 온수관 파열 사고가 발생했다. 이 사건으로 인해, 낡은 난방온수 공급 시스템의 개선이 국가적 이슈로 주목 받고 있다. 가정에서 사용하는 난방용수는 약 50도 정도로, 지역난방공사는 온수를 공급하는 과정에서 발생하는 열 손실이 크기 때문에 110도가 넘는 고온의 용수를 고압 배관을 통해 전달하고 있다. 현재는 위와 같은 사고를 방지하기 위해 고압, 고온을 버티는 노후배관을 전반적으로 교체하는 것이 당장의 유일한 대안이다. 하지만 문제를 해결하는 근본적인 대책은 아니기 때문에 새로운 난방 기술의 혁신이 시급한 시점이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 신유환 박사팀은 차세대 신 난방기술로써 PCM(Phase Change Material, 상변화 물질) 캡슐을 이용한 열 수송 기술을 제시했다. PCM의 대표적인 물질로는 양초의 재료인 파라핀 오일이 있다. 이러한 재료는 고체에서 액체로 상변화 시 열을 흡수하여 내부에 저장하고, 반대로 다시 고체로 변화 시에 저장된 열을 방출하는 특성이 있다. 본 기술의 핵심 아이디어는 열을 흡수시킨 PCM을 작은 타원형의 구슬모양으로 캡슐화하여 배관을 통해 이송시키는 것이다. 개발된 PCM 신 물질은 고체에서 액체로 상변화 시 약 50도로 온도를 유지한다. 이때, 같은 온도의 일반 물보다 70배 이상 많은 열을 내부에 저장할 수 있다. 따라서 PCM 캡슐을 활용하면, 기존에 110도로 수송해야 했던 온수를 50도로 수송할 수 있다. 수송하는 온수의 온도가 낮기 때문에 열 손실이 획기적으로 감소하고 배관의 안전성의 문제도 해결된다. 또한, 이 물질은 반영구적으로 사용 가능하여 환경적, 경제적 이점을 갖고 있어 차세대 난방 혁신 기술로 주목받고 있다. KIST 신유환 박사팀은 2017년부터 PCM 열 수송 기술을 개발, 연구를 진행 중이다. 이번 연구팀은 열 수송의 핵심 기술인, 기존의 딱딱한 구슬모양의 열 저장 용기를 아주 작은 마이크로 사이즈의 유연한 타원형 PCM 캡슐 형태로 바꾸면서 성능을 대폭 개선해 기존 대비 열전달 성능을 5.5배 증가시켰고, 열 저장 시 소요되는 시간을 50% 감소시키는데 성공하였다. 또한, 독창적인 가시화 기법을 적용하여 최초로 그 원리를 규명했다고 밝혔다. KIST 연구진은 이 기술을 이용해 마치 주유소와 같이, 열 스테이션(heat station)을 분기점별로 조성하여 온수를 안정적으로 공급하는 아이디어를 제시했다. 현재 연구팀에서는 이를 건축물의 온도제어에 활용하는 일명 ‘열에너지 플러스 빌딩’ 응용연구를 진행 중이다. 여름철 건물 외벽의 뜨거운 열을 벽면 내부 PCM 캡슐에 저장한 뒤, 이를 건물 지하 20m 땅속에 단열하여 보관하고, 겨울철에 다시 꺼내 건물의 온도를 올리는데 쓸 수 있다. 마찬가지로 겨울철에는 냉기를 저장했다가 여름철에 냉방용으로 사용할 수 있다. 현재 KIST 국가기반기술연구본부는 차후 3년간 본 기술을 중점적으로 연구하여, 2025년까지 민간에 보급할 수 있는 수준으로 개발하는 것을 목표로 하고 있다. KIST 신유환 박사는 “본 연구를 통해 개발된 기술이 정부 및 산학연과의 협력기반을 마련하여 ‘PCM 열 수송’ 기술이 미래 신산업으로 발전되길 기대한다.” 고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제 저널인 ‘Energy Conversion and Management’ (IF : 6.377, JCR 분야 상위 1.87%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) A new type of heat storage system using the motion of phase change materials in an elliptical-shaped capsule - (제1저자) 한국과학기술연구원 신동호 박사 (Post-doc) - (교신저자) 한국과학기술연구원 신유환 박사 (선임연구원) <그림설명> <그림 1> PCM수송을 이용한 4세대 열에너지 네트워크 모식도 <그림 2> PCM을 이용한 온수 수송 원리
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- 작성자국가기반기술연구본부 신유환 박사팀
- 작성일2019.01.29
- 조회수12289
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고강도 초음파로 종양 조직 제거하는 메커니즘 최초 규명
- 수학적 모델링 개발, 실측·동물실험 검증으로 초음파의 연조직 제거 기작 규명 - 수술 없이 초음파로 원하는 세포만을 선택하여 제거하는 연구 기반 마련 초강력 초음파 에너지를 한 곳에 집중시켜 초점 부위 조직을 제거하거나 치료하는 고강도집속초음파기술이 차세대 의료기술로 주목받고 있다. 외과적 수술 없이 종양 제거가 가능해정상조직의 부작용이 적고 회복 시간도 빨라 실제 임상 적용을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 수학적 모델링 기법과 초고속카메라를 이용한 실험을 통해 집속초음파의 연조직 제거효과 메커니즘을 최초로 규명하여 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 바이오닉스연구단 박기주, 김형민 박사팀은 영국런던대학교(University College London) 기계공학과 사파리(Saffari) 교수팀과 공동 연구를 통해 강력한 초음파 영역에서 발생하는 음향 공동현상*을 예측하는 수학적 모델을 개발하고, 집속초음파의 연조직 제거효과 메커니즘을 학계 최초로 규명했다고 밝혔다. *음향 공동현상(acoustic cavitation): 액체 내 압력 변화에 의해 기포(버블, 공기방울)가발생하는 현상 또는 액체 내에 이미 존재하고 있는 기포가 압력 변화에 따라 진동 및 붕괴하는 현상. 대기압의 수백 배에 달하는 수십 메가파스칼(MPa)의 압력 세기를 갖는 고강도집속초음파는 1000분의 1초 남짓한 짧은 시간에 초점 부위의 온도를 끓는점까지 올릴 수 있다. 이때초점에서 발생한 수증기 기포의 운동에너지를 이용하면 주변 세포 조직을 물리적으로 제거할 수 있다. 이러한 원리를 이용한 다양한 의료기술이 연구되고 있지만 아직 관련 현상을 완벽하게 설명하는 메커니즘은 밝혀지지 않았다. KIST 연구팀은 먼저 강력한 초음파 영역에서 발생하는 음향 공동현상의 운동변화를 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하고 이를 이용해 세포 조직의 변형률을 계산했다. 이어 인체조직 모사실험을 수행하고, 이때 발생한 공동현상을 초고속카메라로 촬영했다. 연구진은 정확도를 검증하기 위해 수학적 모델을 이용해 예측한 값과 초고속카메라 촬영 결과를 동일조건에서 비교 분석했다. 그 결과, 기포의 운동에 의해 발생하는 강도는 연조직을파괴할 수 있을 만큼 강하면서, 혈관이 파괴될 수 있는 강도 보다는 약하다는 것을 밝혀냈다. 이 결과는 고강도 집속초음파의 연조직 제거효과의 메커니즘을 규명하는 것뿐만 아니라, 기포의 운동 변화 및 강도를 조절하면 원하는 세포조직만을 선택적으로 제거 할 수 있는가능성을 제시하였다. KIST 박기주 박사는 “이번 연구는 초음파를 이용한 연조직 제거 메커니즘을 학계 최초로규명한 것으로 수학적 모델링 기법으로 최적화된 초음파 조사조건을 찾으면 외과적 수술 없이도 종양치료 및 특정 세포만을 선택하여 제거하는 것이 가능할 전망이다.”라고 설명했다. KIST 김형민 박사는 “지속적인 연구를 통해 향후 항암면역치료와 세포이식술 분야 등에도활용되는 기술로 발전하길 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유사업 및 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (IF: 6.01, 음향 관련 연구 논문 분야순위 1위, JCR 분야 상위 1.61%)에 최신호에 게재됐다. *(논문명) Mechanical damage induced by the appearance of rectified bubble growth in a viscoelastic medium during boiling histotripsy exposure - (제1저자, 공동 교신저자) 한국과학기술연구원 박기주 포닥연구원(전문연구요원) - (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 선임연구원 <그림설명> <그림 2> 인체조직 모사 실험에서 측정한 수증기 기포의 크기와 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 예측한 기포 크기 비교 결과. <그림 3> 수증기 기포의 운동변화로 발생하는 세포 조직의 변형률을 나타내는 시뮬레이션 결과. G = 전단탄성률 (shear modulus) <그림 4> 집속초음파 연조직 제거효과(boiling histotripsy)에 의해 물리적으로 제거된 동물 간 조직
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- 작성자바이오닉스연구단 박기주, 김형민 박사팀
- 작성일2019.01.22
- 조회수11061
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현장에서 바로 조기 진단 가능한 조류인플루엔자(AI) 바이러스 검출 신기술 나왔다
- 기존보다 1,000배 이상의 고감도 검출 가능한 반도체 바이오센서 개발 - 이동식 AI 바이러스 진단 키트 개발, 신속한 오염현장 방역체계 기대 최근 조류인플루엔자(AI, Avian Influenza) 바이러스는 고전염성 호흡기 질병의 주요 원인으로, 국내에서도 매년 주기적으로 발생해 경제적 손실은 물론 국민 건강에 큰 위협이 되고 있다. 최근에는 2개 이상의 바이러스 유형이 동시에 발생하는 등 대규모 피해 사례가 증가하고 있어 조기 진단과 방역체계 구축이 시급하다. 이런 가운데 국내 연구진이 이동식 측정이 가능한 새로운 AI 바이러스 검출 방법을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 생체재료연구단 이관희 박사팀은 건국대학교 수의학과 송창선 교수팀과 공동 연구를 통해 이동식 측정이 가능한 전기 신호 기반의 반도체 바이오센서를 제작하고, 현장에서 안정적으로 AI 바이러스를 검출할 수 있는 진단 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 기존 현장 진단 키트로 사용하고 있는 금 나노입자 기반의 래피트 키트*는 육안으로 신호를 확인해 사용이 편리하지만, 감도가 낮고 검사용 대상에서 바이러스를 구별하기 어렵다는 단점이 있었다. 또 감도가 낮아 농가나 계류장과 같은 야외에서 AI 바이러스를 조기 검진하는 데 한계가 있었다. *래피트 키트 : 임신 진단기와 같이 현장에서 시료를 적용하면, 두 줄의 선이 나타나는지 확인하여 진단하는 현장 진단 키트. KIST 이관희 박사팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 검출 신호를 뚜렷하게 구별하고 인지할 수 있는 전기 신호 방식의 박막 반도체 바이오센서를 제조하고, 현장에서도 측정이 가능하도록 이동식 패키징에도 성공했다. 이렇게 개발한 바이오센서가 이동형이라는 강점을 활용하여 건국대학교 수의과대학 BSL(Bio Safety Level)-3* 시설로 측정 시스템을 운반해 측정한 결과, 기존 검출 키트에 비해 고위험군 AI 바이러스를 1,000배 이상 고감도로 검출할 수 있다는 사실을 확인했으며, 뉴캐슬 바이러스처럼 AI의 오진을 일으키는 유사 바이러스와도 구별이 가능하다는 것도 입증했다. *BSL-3 : 고위험군 바이러스의 경우 음압시설을 갖춘 BSL-3 등급의 실험실에서 실험을 진행해야 함. 기존의 전기신호 센서는 이동식 패키징이 되지 않아 저위험군 바이러스 검출에만 한정되어 있었음. KIST 이관희 박사는 “이번 연구를 통해 고병원성 AI 바이러스를 현장 시료에 영향을 받지 않고 안정적이고 고감도로 검출할 수 있는 플랫폼을 개발했다”라며 “이동식 전기신호 바이오센서 기술을 이용하여 신속성과 정확성, 경제성, 사용 편의성을 갖춘 보급형 이동식 센서를 상용화한다면 AI의 신속한 현장 진단 및 방역체계 구축에 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 한국연구재단 바이오의료기기개발사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노분야 권위지인 ‘ACS Nano’(IF: 13.709, JCR 분야 상위 4.035%) 최신호에 게재되었다. * (논문명) Fully-Packaged Portable Thin Film Biosensor for the Direct Detection of Highly Pathogenic Viruses from On-Site Samples - (제1저자) 최재원 연구원 (KIST 석사 연구원) 전민홍 박사(KIST 박사후 연구원, 현 BISTEP 선임연구원) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 책임연구원 <그림설명> <그림 1> 조류인플루엔자 바이러스의 고감도 현장검출을 위한 반도체 박막 바이오센서 진단플랫폼의 모식도 및 사진 <그림 2> 뉴캐슬바이러스 등 유사 바이러스에는 반응하지 않으나, 조류인플루엔자 바이러스는 102의 초고감도 현장검출 성능을 보인 반도체 박막 바이오센서의 테스트 결과
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- 작성자생체재료연구단 이관희 박사팀
- 작성일2019.01.21
- 조회수10797