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Research Highlights
- 환경 조강우 교수팀, 수소 생산을 위한 “싸고 빠른” 촉매 개발
- [POSTECH-GIST 공동 연구팀, 니켈-철 스피넬 산화물의 이리듐 도핑을 통한 산소발생 활성과 안정성 향상]
세계 곳곳에서는 나타나고 있는 이상기온 현상이나 가속화되는 지구온난화를 막을 방법은 없다. 그 속도를 늦추는 것이 인류의 과제라 해도 과언이 아니다. 그만큼 온실가스의 주성분인 이산화탄소를 배출하는 화석연료 대신 수소를 에너지원으로 사용하는 기술이 요구되고 있다. 그중에서도 물 분자(H₂O)에 전류를 흘려 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해해 수소를 생산하는 ‘수전해 기술’은 청정에너지 기술로 주목받고 있다.
최근 POSTECH-GIST 공동연구팀에서 수전해 기술을 통해 효율적으로 수소를 얻을 수 있는 안정적이고 대량생산 가능한 촉매를 내놓았다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 2023년 1월 뒷표지(back cover) 논문으로 게재됐다.
수전해 과정에서는 물을 전기분해하면 산소발생반응과 수소발생반응이 동시에 일어나는데 전체 반응이 속도가 비교적 느린 산소발생반응에 맞춰 진행된다. 산소발생반응이 느려질수록 수소 생산 속도도 느려지기 때문에 산소반응발생의 속도를 올려주는 촉매를 사용하는 것이 필수적이다. 일반적으로 백금이나 이리듐 등 귀금속 촉매를 사용하는데 가격이 비싸 상용화를 제한한다는 단점이 있다. 저가 금속 기반의 촉매들이 개발됐지만 귀금속 촉매보다 반응이 느리다는 한계가 있었다.
환경공학부 조강우 교수 연구팀은 GIST 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀과 함께 니켈-철 스피넬 산화물에 소량의 이리듐 도핑을 통해 이리듐 산화물보다 높은 활성과 기존 니켈-철 산화물보다 우수한 안정성을 가진 산소발생반응용 촉매 개발에 성공했다.
연구팀이 이번에 개발한 촉매는 대량생산이 가능한 졸겔법(sol-gel)을 사용했다. 높은 전류 밀도 조건에서 이리듐 산화물보다 과전압이 40mV 이상 낮고, 130일 이상 구...
2023-02-01
- 화공 이준구 교수팀, 세포 밖에서 단백질 아닌 ‘고분자’ 합성한다
- [POSTECH 연구팀, 무세포 시스템에서 리보솜을 이용한 피리다지논 올리고머 합성]
우리가 쉽게 구할 수 있는 진통제, 감기약, 소화제, 항생제와 같이 여러 화학 물질을 적절히 배합해 화학반응을 이용하여 합성한다. 이런 소형 화합합성 의약품은 파마코포어(pharmacophore)라고 하는 약효를 내는 부분이 필요한 것으로 알려져 있다. 하지만 의약품 분자내에 파마코포어를 도입하게 되면 전체의 합성과정이 보다 복잡하고 어려워진다는 한계가 있다.
화학공학과 이준구 교수 연구팀이 노스웨스턴대학교(Northwestern University)와 텍사스대학교(University of Texas) 연구팀과의 공동연구를 통해 이러한 파마코포어를 단백질 번역과정의 생화학적 반응을 통해 세포 밖에서 합성하는 새로운 사실을 밝히고, 그 연구성과를 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 발표했다.
리보솜은 수십억 년간 세포 내에서 진화해 온 거대분자로, 전사된 mRNA를 인식하고 서열 정보에 부합하는 L-알파-아미노산을 순차적으로 중합하여 단백질 (또는 펩타이드)로 변환하는 분자 중합 기계이다. 최근 합성생물학 분야에서는 이러한 리보솜의 중합 능력을 이용하여 자연계에 존재하지 않는 비천연 아미노산의 중합 연구를 수행하고 있다.
연구팀은 비천연아미노산이 아닌 새로운 형태의 비천연 기질이 연속적으로 리보솜 내에 도입될 경우, 현존하는 화학합성법으로 구현할 수 없는 고분자 중추구조의 구현이 가능할 것이라는 가정하고, 다양한 비천연 아미노산을 합성하고 세포 밖에서(무세포 시스템)에서 리보솜을 이용해 이들을 중합하려는 시도를 이어왔다.
이번 연구를 통해 연구팀은 '감마-케토산'과 '하이드라지노산'이 리보솜 내부에 연속적으로 도입될 경우, 파마코포어로 자주 사용되는 '피리다지논(pyridazinone)'이라는 6각 고리형 구조가 형성되는 것을 확인하였다. 연구팀은 나아가 6각 고리를 연속으로 도입하여 고분자 형태내 중추구조...
2023-01-31
- 신소재 김용태 교수팀, 수전해조 열화, ‘희생금속’으로 막는다
- [김용태 교수팀, 부하변동시의 수전해조 역전류로부터 열화를 방지하는 간단하면서도 효과적인 시스템 개발]
“야구는 유일하게 희생을 덕목으로 하는 스포츠”라는 말이 있다. 희생번트, 희생플라이와 같이 다른 스포츠와 달리 경기 중 자신을 죽이고 타인을 살리는 전략이 있기 때문이다. 이처럼, 금속의 부식을 막기 위해서도 ‘희생’이 필요하다. 부식을 막기 위한 금속보다 쉽게 산화되는 금속, 즉 ‘희생금속’을 사용해 부식시키는 것이다. 가로등 기둥이나 가전제품의 금속판 등에 사용되는 아연도금이 대표적인 사례로, 이미 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 고전적인 기술이다. 이를 이용해 청정수소를 얻을 수 있는 수전해조의 고질적 문제를 해결할 수 있는 기술이 제안돼 눈길을 끌고 있다.
신소재공학과 김용태 교수, 석사과정 김윤아, 정상문 박사팀은 알칼리 수전해 셀에 전력 공급이 중단될 경우 생기는 역전류로부터 환원극이 열화되는 메커니즘을 밝히고, 이를 방지할 수 있는 새로운 해결책을 제시했다.
수전해조는 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술로, 알칼리 수전해와 고분자 전해질막 수전해로 나뉜다. 그중 알칼리 수전해 기술은 대규모 공장에서 활용할 수 있어 장점이 많고, 2020년에는 전 세계에서 가동되는 장치 중 알칼리 수전해 기술이 60% 이상을 차지하는 것으로 조사되기도 했다.
문제는 이 장치에 전원공급이 중단될 경우 장치 내에서 역전류가 발생하면서 구성품이 열화된다는 점이었다. 지금까지 이 열화현상에 대한 메커니즘이나 해결책도 알려진 바가 없었다.
김용태 교수팀은 신재생에너지의 부하변동에 의해 알칼리 수전해조에 전원이 차단되어 역전류가 발생할 때, 니켈(Ni) 환원극(음극) 촉매가 산화되면서 성능이 열화된다는 메커니즘을 밝혀내는 한편, 금속의 반응성 차이를 이용, 금속의 부식을 막는 음극방식법(Cathodic Protection)을 이용한 해결책도 함께 제시했다.
음극방식법은 이미 오래전부터 다양한 분야에서 활용되고 있는 기술로, 연구팀은 ...
2023-01-30
- 신소재 한세광 교수팀, 녹내장 안압 진단 및 치료 스마트 콘택트렌즈
- [한세광 교수팀, 녹내장 환자 안압 모니터링 및 조절에 대한 새로운 패러다임 제시]
녹내장은 안구 내 안압 조절에 문제가 생겨서 높아진 안압에 의해 시신경의 기능에 이상이 생기고 이로 인해 주변 시야부터 좁아지다가 악화되어 심할 경우 시력을 잃게 되는 대표적인 안질환이다. 따라서, 녹내장 환자들은 평생 안압을 관리해야 되는데 녹내장 환자의 안압을 자동으로 모니터링하여 조절할 수 있다면 삶의 질이 크게 개선될 수 있다.
최근 녹내장의 안압 측정과 안약 투여를 관리해주는 안압 센서와 약물전달시스템이 통합된 무선구동 '스마트 콘택트렌즈' 기술이 POSTECH 연구팀에 의해 개발됐다.
신소재공학과 한세광 교수, 김태연 박사 연구팀은 녹내장의 안압 진단 센서 및 안압 조절용 유연성 약물전달시스템이 장착된 무선 구동 테라노스틱 (theranostic)*1 스마트 콘택트렌즈를 개발했다. 이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communication)’지에 최근 게재됐다.
지금까지 녹내장의 안압을 모니터링하기 위한 안압 센서는 미국 FDA 승인을 받아 상용화된 사례가 있지만, 안압 수준에 반응하여 적절한 약물 치료를 병행할 수 있는 기술은 전세계적으로 개발된 바가 없다.
이번에 연구팀이 개발한 스마트 콘택트렌즈는 금 할로우 (hollow) 나노와이어 기반 고민감도 안압 센서, 유연성 (flexible) 약물전달시스템, 무선 전력-통신 시스템뿐만 아니라 녹내장의 안압 모니터링·제어를 위한 집적 회로 칩이 정밀하게 통합되어 있다. 특히, 금 할로우 나노와이어 기반 안압 센서는 높은 민감도, 화학적 안정성과 생체 적합성을 보여준다. 게다가, 유연성 약물전달시스템은 안압 조절을 위한 티몰롤(timolol)*2의 맞춤 약물 전달에 사용될 수 있다.
연구팀은 이번에 개발된 테라노스틱 스마트 콘택트렌즈를 녹내장이 유발되어 안압이 높아진 토끼 실험을 통해 검증했다. 본 실험에서 스마트 콘택트렌즈를 통해 안압 상태를 실시간으로 파악하...
2023-01-26
- POSTECH-건국대, ‘각막궤양’ 각막 이식 없이 빛으로 꽉 채워 치료한다
- [POSTECH 조동우, 장진아‧건국대 김준영 교수팀, 각막재건 위한 세포외기질 기반 점착성 실란트 개발]
콘택트렌즈는 우리나라 인구의 약 10%(5~600만명, 대한안과학회 통계)가 사용하는 대중적인 시력 교정기구다. 콘택트렌즈 사용자가 흔히 저지르는 실수가 바로 렌즈를 낀 상태에서 잠을 자는 행위인데, 이는 눈 각막 상피의 저항력을 약화시켜 감염을 일으키고, 정도가 심해지면 각막의 일부가 움푹 파이는 각막 궤양으로 악화될 수 있다. 이런 각막궤양은 심각한 경우 각막 이식으로 치료하기도 하는데, 국내 연구진이 패인 각막에 채워 넣고 빛을 쬐기만 해도 각막이 복구되는 새로운 점착성 실란트를 개발했다.
기계공학과 조동우 교수‧김현지 박사, IT융합공학과 장진아 교수, 건국대 수의과대학 김준영 교수‧장제환 씨 팀은 각막 재건을 위한 세포외기질 기반의 점착성 실란트(sealant)를 개발하는데 성공했다. 이 기술은 점착성 실란트 적용 이후 가시광으로 3분 쬐는 것만으로도 잃어버린 조직을 재건할 수 있고, 기존에 개발된 접착제와 달리 흉터없이 주변 조직과 잘 융화된다는 장점을 지니고 있다.
점착성 실란트는 외과 수술시 봉합이나 상처 치료에 활용될 가능성이 높은 치료제지만, 주변 조직과 물성이 일치하지 않아 생체 내에서 융화되지 못하거나 접착 형성을 마음대로 조절할 수 없다는 한계가 있어 아직까지 조직을 재건하는 시술로는 활용되지 않고 있다.
연구팀은 세포와 조직 사이의 공간을 채움으로써 세포를 보호하고 지지해주는 역할을 하는 세포외기질을 여기에 응용하기로 했다. 세포외기질은 조직 구성과 발달을 담당하는 생체분자들을 포함하고 있어, 조직 재건에 도움을 줄 수 있다고 판단했다. 이 전제를 바탕으로, 각막에서 유래한 세포외기질을 이용해 각막 재건에 활용할 수 있는 새로운 조직 실란트 ‘젤코드(GelCodE)’를 개발했다.
동물을 이용한 실험 결과, 이 젤코드를 패인 환부에 채워 넣고 빛(가시광)을 3분간 쬐면, 패인 환부가 돌아오는 것은 물...
2023-01-19
