Research

기계 조동우 교수팀, ‘인공망막’으로 난치성 실명 정복 나선다

[POSTECH·은평성모병원·한국외대 연구팀, 3D 프린팅으로 망막정맥폐쇄 체외에서 재현] 기계공학과 조동우 특임교수 연구팀, 은평성모병원 안과 원재연 교수 연구팀, 한국외대 생명공학과 김정주(前 POSTECH 기계공학과 박사) 교수 연구팀이 3D 바이오프린팅 기술로 ‘망막-온-어-칩(retina-on-a-chip)’ 제작과 이를 기반으로 망막정맥폐쇄 질환을 체외에서 재현하는 데 성공했다. 이번 연구는 소재, 나노공학 분야 국제 학술지 중 하나인 '어드밴스드 컴포짓 앤드 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)'에 게재됐다. ‘망막정맥폐쇄’는 고혈압과 당뇨 등 질환으로 망막 혈관이 막혀 시력이 손상되는 주요 실명성 질환이다. 아파트 수도관이 막혀 물이 역류하듯, 망막의 정맥이 좁아지면 혈액이 흐르지 못하고 망막이 부어오르며 염증과 신생혈관이 생겨 결국 시력을 잃게 된다. 그러나 기존 치료법은 증상을 완화할 뿐 근본적 해결책이 없고, 재발률도 높았다. 또한, 기존 망막정맥폐쇄 연구는 주로 동물실험과 2D 세포 배양에 의존해 동물과 사람의 생리적 차이가 너무 크고 평면 배양만으로는 복잡한 망막의 3차원 구조나 혈관 협착 현상을 제대로 구현하기 어려웠다. 연구팀은 3D 바이오프린팅 기술로 이 한계를 극복했다. 실제 망막 조직에서 세포만 제거하고 남은 세포외기질로 ‘하이브리드 바이오잉크’를 제작해, 망막 고유 생화학적 신호를 그대로 반영한 미세환경을 구현했다. 또한 다중 노즐과 삼중 동축 프린팅 기술을 결합해 망막의 혈관·세포층·혈액망막장벽을 동시에 구현하고, 일부 혈관을 인위적으로 좁혀 질환의 병리적 진행을 재현했다. 그 결과, 혈관 협착에서 허혈·염증·혈관 누출·망막 기능 저하에 이르는 질환의 전 과정을 실험실 칩 위에서 그대로 관찰할 수 있었다. 실제 환자와 유사하게 염증성 사이토카인 분비, 내피세포 손상, 장벽 붕괴 등의 현상이 확인됐다. 또한, 기존 항염증제나 항혈관신생제를 투여했을 때도 실제 환자와 비슷한 반응을 보였다. 아스피린은 손상 억제 효과를 보였고, 덱사메타손과 베바시주맙*1 투여 시 염증과 신생혈관이 줄어 실제 약물이 칩 위에서 정확하게 반응하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 신약 평가와 환자 맞춤형 치료 플랫폼으로서 활용 가능성을 입증했다. 조동우 교수는 “실험실에서 실제 환자와 유사한 망막정맥폐쇄 병변을 재현할 수 있게 되어 신약 개발의 전임상 단계를 훨씬 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다. 은평성모병원 원재연 교수는 “임상 현장에서 망막정맥폐쇄 환자의 병리 과정을 직접 추적하거나 약물 효과를 예측하기 어려웠는데, 이번 연구가 그 한계를 넘어서는 새로운 연구 도구를 제시했다”라며, “앞으로 환자 맞춤형 치료 전략을 세우는 데에도 큰 도움이 될 것”이라고 전했다. 한국외대 김정주 교수는 “망막 특이적 세포외기질(ECM)을 활용해 복잡한 병리 환경을 칩 위에서 재현한 점에서 큰 의미가 있다”라며, “앞으로 당뇨망막병증이나 황반변성과 같은 다른 실명성 질환 모델로도 확장해 정밀의료의 기초를 마련할 수 있을 것”이라고 말했다. 한편, 이 연구는 산업통상자원부 알키미스트 프로젝트, 범부처 재생의료기술개발 사업, 한국연구재단 신진연구, 한국외국어대학교 교내연구 지원으로 이뤄졌다. DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-025-01455-2 1. 덱사메타손(dexamethasone)과 베바시주맙(bevacizumab): 실제 임상에서 망막정맥폐쇄 환자 치료에 자주 사용되는 대표적인 약물

IT융합/기계/전자/융합 박성민 교수팀, 혈당 예측은 기본, 저혈당까지 잡는 똑똑한 AI

[POSTECH, 누구나 사용할 수 있는 ‘혈당 예측+저혈당 감지’ DA-CMTL 모델 개발] 하루에도 여러 번 손가락을 찔러 혈당을 확인하고 인슐린을 주사해야 하는 당뇨 환자들에게 희소식이 전해졌다. POSTECH 연구진이 혈당 변화를 예측하고 위험한 저혈당까지 감지할 수 있으며, 다양한 환자에게 적용할 수 있는 인공지능 기술을 개발했다. 이번 연구는 세계적인 학술지 ‘네이처(Nature)‘ 파트널 저널인 ‘npj Digital Medicine’에 지난 16일 게재됐다. 혈당은 식사나 운동에 따라 끊임없이 변한다. 건강한 사람은 췌장에서 인슐린이 분비되어 혈당이 일정하게 유지되지만, 제1형 당뇨병 환자는 그렇지 않다. 췌장 세포가 손상되어 인슐린 분비가 거의 이루어지지 않기 때문이다. 결국 환자 스스로 혈당을 관리해야 하는데, 혈당이 과도하게 떨어지는 ‘저혈당’이 발생하면 의식을 잃거나 심정지로 이어질 수 있어 매우 위험하다. 인공지능을 활용한 혈당 관리 연구는 꾸준히 이어져 왔지만 한계가 있었다. 기존 기술은 특정 환자 데이터를 기반으로 만들어져 다른 환자에게 적용하기 어려웠고, ‘혈당 예측’과 ‘저혈당 감지’를 각각 따로 처리해야 해 의료 현장에서 사용하기에 불편함이 컸다. IT융합공학과·기계공학과·전자전기공학과·융합대학원 박성민 교수, 황민주 석사 연구팀은 ‘DA-CMTL(Domain-Agnostic Continual Multi-Task Learning)’이라는 인공지능 모델을 개발했다. 이름은 조금 복잡하지만, 쉽게 말해 ‘누구나 사용할 수 있는 혈당 관리 AI’다. 이 모델은 환자들이 팔에 붙이는 ‘연속혈당측정기(CGM*1)’에서 5분마다 기록되는 혈당 수치와 인슐린 주입 데이터를 학습한다. 이렇게 축적된 데이터를 바탕으로 혈당 변화를 예측하고, 동시에 저혈당 발생 가능성까지 계산해 낸다. 특히, 연구팀은 세 가지 기술을 결합해 성능을 높였다. 첫째, ‘지속 학습(Continual Learning)’을 통해 환자마다 다른 데이터를 차례대로 학습해도 안정적인 성능을 유지하도록 했다. 이어서, ‘다중 작업 학습(Multi-Task Learning)’을 적용해 혈당 예측과 저혈당 감지를 동시에 수행하는 통합 구조를 구현했다. 마지막으로, 가상 환경에서 학습한 지식이 실제 환자 데이터에서도 효과를 내도록 ‘가상-현실 전이(Sim2Real Transfer)’ 기법을 더했다. 실험 결과, 이 모델은 혈당 예측 정확도를 나타내는 RMSE(평균제곱근오차)에서 14.01mg/dL를 기록하며, 기존 모델보다 5.12mg/dL 더 정확한 성능을 보였다. 또한, 전임상 실험을 넘어 실제 실시간 인공췌장 시스템에서도 뚜렷한 개선 효과를 보여, 의료 현장 적용 가능성까지 확인됐다. 이번 연구의 가장 큰 성과는 특정 환자에만 국한되지 않고 다양한 환자군에 폭넓게 적용할 수 있다는 점이다. POSTECH 박성민 교수는 “이번 연구로 차세대 인공췌장 기술로 발전할 수 있는 토대를 마련했다”라며, “이를 통해 당뇨 환자의 치료 방식과 삶의 질을 획기적으로 개선할 수 있기를 바란다”라고 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견사업, 과학기술정보통신부 IP스타과학자 사업, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의 인공지능핵심고급인재양성 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://www.nature.com/articles/s41746-025-01994-4 1. CGM: Continuous Glucose Monitoring, 연속혈당측정기로 혈액 속 포도당 수치를 5~15분 단위로 기록하고, 스마트폰이나 전용 수신기로 데이터를 전송한다.

신소재 김연수 교수팀, 스스로 생각하고 움직이는 젤, 미래 소프트 로봇 이끈다

[POSTECH, 생명체 모방한 ‘자가조절 하이드로겔’ 원리 제시, 차세대 소재·로봇 응용 기대] 근육이 스스로 수축하고 이완하듯, 외부 자극 없이도 알아서 반응하는 소재가 있다면 어떨까. 최근 신소재공학과 김연수 교수, 정태훈 박사, 통합과정 최재원 씨 연구팀이 ‘스스로 움직이는’ 하이드로겔 기술의 원리와 설계, 응용, 향후 연구 방향을 종합적으로 정리한 리뷰 논문을 미국화학회(ACS)의 최상위 학술지인 ‘케미컬 리뷰스(Chemical Reviews)’ 온라인판에 게재했다. ‘하이드로겔(hydrogel)’은 물을 머금은 젤리 같은 물질로 온도나 빛, 화학 반응에 따라 팽창하거나 투명도가 달라진다. 여기에 생명체가 스스로 상태를 조절하는 ‘자가조절(self-regulation)’ 개념을 접목한 ‘자가조절 하이드로겔’은 외부의 자극 없이 스스로 팽창·수축하고 투명도를 바꿀 수 있는 차세대 스마트 소재다. 여기서 핵심은 ‘음성 피드백 루프(negative feedback loop)*1 ’다. 이 구조 덕분에 단순히 ‘켜고 끄는’ 방식으로만 반응하는 기존 하이드로젤 소재와 달리 자가조절 하이드로젤은 살아 있는 조직처럼 반복적 변화를 만드는 ‘물리적 지능(physical intelligence)’ 구현이 가능하다. 이번 논문에서 연구팀은 ‘자가조절 하이드로겔’을 두 가지 유형으로 분류했다. ‘연속 조절(sustained regulation)형’은 일정한 자극에서 기계적 루프(겔이 굽혔다 펴지는 반복 운동), 광학적 루프(빛의 차단·통과 반복), 화학적 루프(pH 변화나 특수 화학 반응을 통한 리듬 생성) 등 지속적인 움직임을 만들어 내는 방식이다. 이에 반해, ‘단주기 조절(one-cycle regulation)형’은 한 번 변화한 뒤 원래 상태로 돌아오는 단발성 반응 특성을 갖는다. 연구팀은 이러한 자가조절 하이드로겔의 자율적이고 반복적인 움직임 구현 능력이 향후 다양한 스마트 소재로의 확장을 가능하게 할 것으로 내다봤다. 예를 들어, 스스로 걷는 ‘자율 보행 겔’은 외부 전원이 없이도 스스로 이동하여 환경 모니터링용 로봇이나 약물 전달 플랫폼에 활용될 수 있으며, ‘광주성 로봇’은 전기없이 빛에 따라 스스로 이동하며 에너지 효율적 소프트로봇 기술의 토대를 마련할 수 있다. 또한 하이드로겔 내부의 주기적 나노구조 변화에 따라 색이 자율적으로 진동, 변조될 수 있는 특징을 이용하여 무전원 색 센서, 위장 소재, 인터랙티브 디스플레이로 응용이 가능하다. 이처럼 자가조절 하이드로겔은 생명체의 자율적 반응을 모사하는 미래형 소프트 로보틱스 및 스마트 소재 플랫폼으로 주목받고 있다. 또한, 상처를 임시로 봉합하거나 약물을 자동으로 방출하는 ‘치료용 겔’, 일정 시간이 지나면 흔적 없이 사라지는 정보 저장 장치 등 의료 및 정보 분야에서도 유망한 응용 가능성을 보여준다. 연구를 이끈 김연수 교수는 “자연계 자가조절 원리를 모사한 하이드로겔은 단순 모방을 넘어 실생활에 필요한 지능형 소재로 확장될 것”이라며 기대를 밝혔다. 정태훈 박사는 “차세대 스마트 소재와 소프트 로보틱스 개발을 위한 중요한 가이드라인을 제공할 것”이라며 이번 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 ERC, 나노 및 소재기술개발사업, 우수신진연구사업과 한국도레이과학진흥재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5c00358 1. 음성 피드백 루프(negative feedback loop): 변화가 지나치게 커지지 않도록 억제하고 안정적으로 유지시키는 방식을 말한다. (예: 체온 조절.)

신소재/융합 이준민 교수팀, 내 피부로 만드는 ‘나만의 인공피부' 시대

[POSTECH·이화여대·고려대, 환자의 세포와 피부조직으로 맞춤형 인공피부 개발] 심한 화상이나 만성 상처로 피부를 잃은 사람들은 지금까지 다른 사람들의 피부 조직, 인공 재료에 의존해 왔다. 그런데 최근 ‘내 몸이 기억하는 재료’로 ‘나만의 새살’을 길러내는 기술이 등장했다. 신소재공학과·융합대학원 이준민 교수, 시스템생명공학부 통합과정 강래희 씨 연구팀이 이화여대 박보영 교수, 고려대 김한준 교수와 함께 환자 본인의 세포와 조직으로 맞춤형 인공피부 이식재를 제작하는 혁신 기술을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 최근 소개됐다. 화상이나 만성 상처 치료에 주로 사용되는 ‘자가피부 이식법’은 이식에 필요한 건강한 피부가 부족하고, 수술 후 흉터가 남는 한계가 있다. 이에 대한 대안으로 ‘무세포 진피 매트릭스(Acellular Dermal Matrix, ADM)’나 세포 주사 요법 등이 떠오르고 있지만, 인공 재료의 경우 환자 개개인의 특성을 반영하기 어려우며, 세포 주사는 생존율이 낮아 효과가 제한적이었다. 연구팀은 해답을 ‘몸이 스스로 알아보는 재료’에서 찾았다. 집을 리모델링할 때, 다른 집 벽돌을 쓰지 않고, 원래 집의 설계도, 자재를 그대로 활용하는 방식처럼 말이다. 연구팀은 환자 피부에서 세포를 제거한 탈세포화 세포외기질*1 을 만들고, 이를 같은 환자에게서 얻은 각질형성세포, 섬유아세포와 함께 3D 바이오프린팅 기술로 다시 조합했다. 즉, 환자의 단백질 조성과 미세구조를 그대로 보존하고 있는 본인의 조직을 다시 그 환자의 피부 재생에 쓰이도록 한 것이다. 연구팀이 만든 맞춤형 이식재는 실제 피부와 유사한 복잡한 단백질 환경을 재현했다. 진피층 섬유아세포의 콜라겐 생성량이 기존 대비 2.45배 증가했으며, 혈관 연결점과 혈관망 형성은 각각 1.27배, 1.4배로 증가하며 산소 공급을 위한 새로운 혈관이 활발히 자라났다. 동물실험에서도 염증을 크게 줄이면서 2주 만에 완전한 피부 재생이 이뤄졌다. 표피 이동 길이는 기존 대비 약 3.9배, 진피 두께도 눈에 띄게 향상됐다. 대조군이나 일반 젤라틴 기반의 하이드로젤을 쓴 경우와 달리, 출혈·울혈 없이 안정적으로 자리를 잡았다. 무엇보다, 몸이 이식재를 ‘내 것’으로 인식한 덕분에 면역 거부나 흉터 형성 없이 빠르고 안정적인 봉합이 가능하며, 특히 ‘당뇨발(당뇨 합병증)’과 만성 염증성 상처 등 치료가 까다로운 질환에도 새로운 치료 대안이 될 것으로 기대된다. 이준민 교수는 “환자에게서 얻은 재료를 다시 그 환자의 치료에 활용한다는 점에서 맞춤형 재생 치료의 혁신을 보여주는 성과”라고 강조했다. 이화여대 박보영 교수는 “환자 맞춤형 이식재로서 분명한 차별성과 경쟁력을 갖춘 연구”라고 전했으며, 고려대 김한준 교수도 “환자 특성을 반영한 맞춤 재생의 모범 사례”라고 이번 연구의 의의를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202511889 1) 탈세포화 세포외기질(Decellularized Extracellular Matrix, ECM): 조직 속의 세포를 제거하고 뼈대 역할을 하는 단백질 및 섬유 구조만 남기는 과정을 통해 얻어지는 생체 유래 재료로, 세포 부착과 성장에 적합한 생리적 환경을 제공한다.

화공/배터리 김원배 교수팀, "수소 없이도 괜찮아" 암모니아가 직접 전기 만든다

[POSTECH, 복잡한 수소 저장·운송 없이 암모니아 직접 사용하는 연료전지 성능 25% 향상] 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 통합과정 하중섭 씨 연구팀은 암모니아를 직접 연료로 사용하는 ‘고체산화물 연료전지(DA-SOFC1))’ 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 수소 대신 암모니아를 바로 연료로 사용하는 이 기술은 탄소 배출 없는 전력 생산의 길을 열며, ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 현지시각으로 지난 15일 게재됐다. ‘고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)’는 연료의 화학에너지를 전기로 바꾸는 친환경 발전 장치다. 가장 흔히 쓰이는 수소는 극저온(-253℃)에서 액화하거나 고압으로 저장해야 해, 비용과 인프라가 많이 든다. 반면 암모니아는 상온에서도 액화가 쉽고 에너지 밀도가 높아 저장과 운송이 간편하며, 탄소를 포함하지 않아 연소 시 이산화탄소가 발생하지 않는다. 암모니아를 연료로 사용하려면 전극 표면에서 암모니아가 빠르게 분해돼야 하고, 고온 부식 환경에서도 전극이 버텨야 한다. 그러나 기존 니켈 전극은 암모니아와 반응하면서 금속 입자가 뭉치고 전극이 갈라져 성능이 저하되는 문제가 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 ‘바륨(Ba)’과 ‘철(Fe)’을 활용했다. 바륨은 강한 염기성을 가진 물질로, 철 나노입자에 전자를 공급하여 암모니아 속 질소 원자를 쉽게 떼어내는 역할을 한다. 암모니아가 전기로 변하기 위해서는 질소와 수소로 분해되어야 하는데, 그중 질소를 떼어내는 과정이 가장 어렵다. 바륨은 이 과정을 촉진해 반응 속도를 높이는 것이다. 또한, 바륨은 전극 격자 구조를 단단하고 넓게 만들어 철 나노입자가 고르게 자리 잡을 수 있는 환경을 제공한다. 철 나노입자는 전극 표면에서 촉매 역할을 하며, 암모니아가 전기로 바뀌는 반응을 돕는다. 게다가 바륨이 표면의 염기성을 강화해 반응물이 철 나노입자 표면에서 더 잘 분해되도록 도와 전체 반응 효율을 높일 수 있다. 실험 결과, 바륨이 도입된 전극은 기존 전극보다 약 25% 높은 최대 전력밀도 1.02W/㎠(단위 면적당 와트)를 기록했다. 또한, 내구성도 뛰어나 200시간 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지했으며, 특히 투입된 암모니아가 모두 반응해 하나도 남지 않는 100% 분해 효율을 달성했다. 이번 연구는 복잡한 수소 저장·운송 없이, 전지 발전 효율과 수명을 함께 확보했다는 점에서 의의가 크다. POSTECH 김원배 교수는 "바륨 도입과 철 나노입자 형성을 결합은 연구팀의 전극 촉매 설계는 암모니아 연료전지 성능과 내구성을 동시에 끌어올릴 성과"라며 "암모니아의 손쉬운 저장·운송 특성을 고려하면, 이번 기술은 탄소 제로 전력 생산을 실현하는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 전했다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부 중견연구사업과 그린 암모니아 사이클링 선도연구센터의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168167

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, “주머니에 쏙!” 동전 크기 분광기로 빛의 색과 회전 방향 알아내는 분광기 나왔다

[POSTECH, 빛의 파장과 편광 동시에 분석하는 초소형 분광기 세계 최초 개발] 최근 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박유진 씨 연구팀이 기존 분광기보다 훨씬 더 작으면서도 빛의 색(파장)과 회전 방향(편광)을 동시에 측정할 수 있는 세계 최초의 메타렌즈형 초소형 분광기를 개발했다. 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 현지 시각으로 지난 1일 게재됐다. 빛 속에는 많은 정보가 담겨 있다. 분광기는 이 빛을 분석해 물질의 성분이나 상태를 알아내는 도구다. 병원의 혈액 검사, 음식 안전성 검사, 공기나 물의 오염 측정 등 다양한 분야에서 활용된다. 하지만 지금까지의 분광기는 크기가 크고 복잡한 장비가 필요했다. 특히 빛의 색뿐만 아니라 회전 방향(편광)까지 동시에 분석하려면 더 많은 장비가 요구돼, 마치 라디오 하나 들으려 방 하나를 가득 채우는 셈이었다. POSTECH 연구팀은 이를 ‘메타표면(metasurface)’ 기술로 해결했다. 메타표면은 나노미터(nm) 크기의 아주 작은 기둥 수십만 개가 정밀하게 배열된 구조다. 각 기둥은 특정한 각도로 비틀어져 있어, 빛을 자유자재로 조절할 수 있다. 연구팀은 이 기둥들을 서로 다른 방향으로 회전시켜 배치함으로써, 같은 색의 빛이라도 편광 방향에 따라 초점이 맺히는 위치가 달라지도록 설계했다. 이 위치 정보를 바탕으로 빛의 색과 회전 방향을 동시에 판별할 수 있는 것이다. 마치 교통 경찰이 차량의 종류와 방향에 따라 다른 길로 안내하듯, 이 작은 기둥들이 빛을 나누는 셈이다. 특히, 질화규소(Si₃N₄)를 사용해 자외선 영역에서도 안정적으로 작동하도록 구현했다. 질화규소는 반도체나 스마트폰 제조에 널리 쓰이는 CMOS 공정과 호환할 수 있어 상용화 가능성도 높다. 실제로 연구진은 기준이 되는 4가지 파장(320, 370, 405, 450nm)에 대해서 실험을 진행해, 빛이 어느 방향으로 회전하느냐에 따라 다른 위치에 초점이 생기는 현상을 관찰했다. 이를 통해 색과 편광 정보를 동시에 정확하게 측정할 수 있음을 확인했다. 지금까지 손톱보다 작은 분광기(칩스케일 분광기)는 대부분 색깔만 구분할 수 있었고, 편광을 측정하려면 추가 장치가 필요했다. 하지만 이번 연구에서는 하나의 장치로 두 가지 정보를 동시에 측정할 수 있는 초소형 분광기를 세계 최초로 구현한 데 큰 의미가 있다. 노준석 교수는 “향후 휴대형 진단기기나 환경 센서, 생체검사 시스템 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다”라고 밝혔다 한편, 이번 연구는 POSCO 홀딩스 N.EX.T Impact 사업, 과기정통부/한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 교육부 석사장려금의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202507112

기계 이상준 교수팀, 바닷물을 '초고속'으로 식수로 만든다

[이상준 교수 연구팀, ‘태양열+전기열’로 해수 담수화 속도 크게 높여] 기계공학과 이상준 교수, 미래기계기술 프론티어 리더 양성 교육연구단 히긴스 윌슨(Higgins Wilson) 박사 연구팀이 낮과 밤, 날씨에 상관없이 바닷물을 더 빠르게 식수로 바꿀 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전 세계적 ‘물 부족’ 문제 해결에 실질적인 해법이 될 것으로 기대를 모으며 최근 '커뮤니케이션즈 엔지니어링(Communications Engineering)'에 게재됐다. 우리가 살고 있는 지구는 표면의 70%가 바다지만, 마실 수 있는 담수는 전체의 2.5%에 불과하다. 이 때문에 바닷물을 식수로 바꾸는 담수화 기술은 인류가 직면한 핵심 과제 중 하나다. 최근에는 태양열을 활용한 계면증발(ISG*1)’ 기술이 물-공기 계면의 물 분자만을 가열하는 특성 탓에 증발 성능이 우수하여 활발히 연구되고 있지만, 날씨와 낮·밤 변화에 따라 성능이 크게 달라지는 문제가 있었다. 연구팀은 여기에 5V(볼트) 이하의 낮은 전압의 전기를 이용한 '줄(Joule) 가열' 방식을 결합했다. 이는 전기가 흐를 때 발생하는 열을 이용하는 방법으로, 전기장판이 따뜻해지는 원리와 같다. 태양열과 전기열을 동시에 사용하면 낮에는 두 가지 에너지를 모두 쓰고, 밤에는 전기만으로도 작동해 하루 종일 안정적으로 담수를 생산할 수 있다. 핵심은 빠른 증발과 함께 높은 내구성을 확보할 수 있는 소재다. 연구팀은 구멍이 촘촘한 수세미 구조의 '유리질 탄소 스펀지(glassy carbon foam)'를 활용했다. 이 소재는 가볍고 튼튼하며 고온에서도 안정적이다. 그리고, 이 소재에 ‘티올(thiol)'이라는 화학물질로 처리해 물 흡수력을 높이고 전기저항을 약 0.75Ω(옴)까지 낮춰 전기가 잘 흐르도록 했다. 그 결과는 놀라웠다. 순수한 물을 증발시키는 실험에서 증발기 표면 온도가 빠르게 물의 비등점에 가까운 약 98°C에 도달했고, 시간당 205kg/㎡의 수분을 증발시켰다. 이 증발률은 기존 세계 최고 기록보다 두 배 이상 높은 수치이다. 특히 농도(3.5wt%)의 바닷물 조건에서는 증발이 일어나는 표면에 염이 석출되어 증발 속도가 크게 느려지지만 시간당 18kg/㎡를 처리하며 전례 없는 담수화 성능을 입증했다. 연구팀이 개발한 기술의 강점은 안전성과 실용성이다. 날씨나 낮·밤에 상관없이 일정한 성능을 유지해 사막이나 해안 지역 등 물 부족 지역에서 활용도가 높다. 빠른 고온 가열이 가능해 살균이나 공기 중 수증기를 포집해 식수로 전환하는 기술에도 응용할 수 있다. 이번 연구를 이끈 이상준 교수는 “이번 연구는 계면 증발식 담수화가 직면한 성능 한계를 뛰어넘은 혁신”이라며, “급속 고온 가열 전략은 담수화뿐만 아니라 살균이나 물 수확 등 다양한 분야에서도 활용할 수 있을 것”이라고 전했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-025-00498-z 1. ISG(Interfacial steam generation): 물-공기 계면에서 증기를 직접 생성하는 기술로 수처리, 해수 담수화 기술에 활용되고 있다.

기계 안지환 교수팀, 원자층 증착의 한계 돌파: POSTECH·UNIST, 플라즈마 기반 유전막 신공정 제시

[플라즈마 기반 원자층 정밀 공정 기술로 세계 최고 수준의 고성능 유전막 기술 개발] 최근 기계공학과·반도체대학원 안지환 교수 연구팀과 UNIST 반도체소재부품대학원 김병조 교수 공동 연구팀이 차세대 반도체 소자의 성능을 높일 새로운 공정 기술을 개발했다. 스마트폰, 노트북, 슈퍼컴퓨터까지 모든 전자기기에는 데이터를 잠시 저장하는 작은 공간이 필요하다. DRAM*1과 같은 메모리 반도체 소자가 이러한 역할을 담당하는데, 반도체 소자가 점점 작아지고 더욱 얇은 막으로 제작되다 보니 전기가 새거나 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. DRAM 속 커패시터라는 작은 부품은 데이터를 담는 전기 그릇과 같다. 이 그릇이 전기를 잘 저장하려면 전기를 효율적으로 담을 수 있는 ‘고유전막’ 벽이 필요하다. 그 중에서도 ‘알루미늄이 도핑된 산화 티타늄(Al-doped TiO₂, ATO)’은 유전율이 높고, 전류의 누설도 막아줄 수 있는 소재이다. 하지만, 기존 ‘원자층 증착(ALD, Atomic Layer Deposition)’ 공정으로 제작할 경우, 도핑된 알루미늄으로 인해 격자 구조의 정렬이 저하되고 산소 결함이 생기면서 소재가 불안정해지고 전류가 새는 문제가 발생했다. 연구팀은 ‘포스트 도핑 플라즈마(Post-Doping Plasma, 이하 PDP) 공정’을 새롭게 도입했다. 원자층 증착된 산화 티타늄 유전막 위에 산화 알루미늄 원자층을 한 층 증착한 뒤, 표면에 아르곤(Ar)과 산소(O₂) 플라즈마(번개처럼 기체가 전기적으로 활성화되어 이온 등 활성종으로 존재하는 상태)를 노출시켰다. 그러자 플라즈마 이온의 운동 에너지가 박막 표면에 전달되어 알루미늄 원자가 유전막 내부로 퍼지고 흐트러졌던 격자 구조의 재정렬을 유발하는 동시에 산소가 부족한 자리도 채워졌다. 마치 전자를 담는 그릇의 벽이 단단하고 매끄럽게 정렬됨과 같은 효과가 일어난 것이다. 실험 결과, 이 공정을 거친 DRAM 커패시터는 전기를 저장하는 능력인 유전율이 약 30% 높아지고, 전류가 새는 양(누설전류)은 최대 40배 가까이 줄었다. 이어, 연구팀은 시뮬레이션을 통해 플라즈마 속 아르곤 이온이 유전막 표면에 에너지를 전달하여 알루미늄 원자가 격자 구조 내 제자리를 찾아가 결정 구조를 재정렬하는 원리까지 밝혀냈다. 이는 단순히 소자의 성능을 높이는 것을 넘어, 원자 수준에서 소재의 움직임과 구조를 이해하고 이를 실제 반도체 제작 공정에서 구현했다는 점에서 큰 학술적/실용적 의미가 있다. 안지환 교수는 “이번에 개발한 원자층 공정 기술은 DRAM뿐 아니라 차세대 전자 소자와 에너지 저장 장치에도 폭넓게 활용할 수 있다”라며, “세계적인 반도체 경쟁에서 한국의 기술력을 강화하는 기반이 될 것”이라고 강조했다. UNIST 김병조 교수는 “플라즈마와 물질이 상호작용하는 원리를 원자 수준에서 밝혀낸 것 자체가 의미가 크다”라며, “이번 성과는 글로벌 반도체 경쟁 속에서 우리나라 공정 기술의 경쟁력을 높이는 계기가 될 것”이라고 전했다. 한편, 이번 연구는 극한 제조 분야 최우수 국제 학술지인 International Journal of Extreme Manufacturing에 게재됐으며, 삼성전자, 교육부 대학중점연구소, 산업통상자원부 산업혁신인재성장지원사업, 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅센터 및 UNIST 슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae037b 1. DRAM: Dynamic Random Access Memory

화학/융합 김원종 교수팀, ‘가짜 표적’ 만들어 암세포 사냥한다

[POSTECH·美UCLA, 항원 없어도 암 치료가능한 ‘유니보디(univody)’ 플랫폼 개발] 최근 화학과·융합대학원 김원종 교수, 화학과 통합과정 강선우 씨 연구팀이 미국 UCLA 이준석 박사후연구원 연구팀과 함께 암세포에 ‘가짜 표적’을 달아 면역세포 공격을 유도하는 새로운 방식의 항암치료 전략을 제시했다. 이번 연구는 기존 암 치료의 한계를 해결할 열쇠로 나노의학 및 바이오소재 학계의 주목을 받으며 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 학술지 온라인판 표지(Supplementary cover)로 선정됐다. 암 치료에서 큰 난제 중 하나는 암이 면역체계의 눈을 피해 숨어버린다는 점이다. 우리 몸속의 면역세포를 활용하는 기존 ‘항체치료제’는 암세포 표면의 특정 항원을 찾아야 효과를 낼 수 있지만, 실제 종양에서는 항원 발현이 적거나 고르지 않다. 더 나아가 아예 항원이 없는 ‘항원 음성 종양’도 존재해 치료 효과가 제한적이었다. 연구팀은 항원이 없더라도 면역세포가 암을 공격할 수 있도록 종양의 표면에 ‘항체 조각(Fc*1)’을 붙이는 ‘유니보디(Univody, Universal Antibody)’ 기술을 개발했다. 항체 조각이 암세포의 표면에 안정적으로 자리 잡을 수 있도록 특수 유전자를 만들고, 선택적으로 이를 전달할 운반체인 ‘리포플렉스(LPP-PBA*2)’도 개발했다. 이 운반체는 암 표면에 많이 존재하는 ‘시알산’이라는 분자와 잘 결합해 암세포만 골라 유전자를 전달한다. 결과적으로 항원의 유무와 상관없이 암세포 표면에 항체 조각이 고르게 나타나도록 만든 것이다. 이렇게 항체 조각을 달게 된 암세포는 곧바로 면역세포의 공격 대상이 된다. 실험 결과, ‘NK 세포*3 자연 살해세포)는 항체 조각을 인식해 암세포를 직접 공격하고, 다른 면역세포 참여도 끌어내 강력한 면역반응을 유도했다. 동물 실험에서도 이 시스템은 유방암과 흑색종 모델에서 종양의 성장을 뚜렷하게 억제했다. 연구팀의 ’유니보디‘ 시스템은 기존 항체치료제와 달리 항원 없이도 면역세포가 암을 공격할 수 있는 새로운 면역치료 전략이라는 점에서 큰 의미가 있다. 이번 연구를 이끈 김원종 교수는 “항원 종류와 상관없이 적용할 수 있어 여러 암 치료에 폭넓게 활용될 것”이라고 전했다. UCLA 이준석 박사후연구원은 “암세포 표면에 항체 조각을 직접 붙이는 방식은 기존의 한계를 극복할 혁신적 기술”이라며 연구의 의의를 강조했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국연구재단이 수행한 리더와 IRC연구과제, 산업통상자원부·한국산업기술평가관리원 산업기술혁신사업(ITECH R&D 프로그램)의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c08128 1. Fc(Fragment crystallizable): 항체 줄기 부분으로, 면역세포가 항체를 인식할 수 있게 해주는 부분이다. 2. LPP-PBA(Phenylboronic acid-modified Lipopolyplex): 리포좀(지질막)과 PEI(양이온 고분자)를 기반으로 만든 ‘유전자 운반체‘로, 표면에 ‘페닐보로닉산(PBA)’이 붙어 있어 암 표면 특정 분자(시알산)와 잘 결합하기 때문에, 정상세포보다 암세포를 더 선택적으로 표적할 수 있다. 3. NK 세포(Natural Killer cell, 자연 살해세포): 체내 면역세포 중 하나로, 바이러스에 감염된 세포나 암세포를 별도의 준비 과정 없이 곧바로 공격할 수 있는 선천 면역세포다.

신소재/IT융합 정성준 교수팀, 3D 채널 바이오 반도체로 초고속 생체신호 측정 성공

[POSTECH·부경대·UNIST, 3D 채널 유기전기화학 트랜지스터로 고주파 신경 신호 측정 성공] 우리 몸의 신경은 끊임없이 전기 신호를 보내지만, 이를 정확히 측정하기 쉽지 않다. POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 기존보다 훨씬 빠르고 정확하게 신경 신호를 측정할 수 있는 새로운 전자 소자를 개발했다. 작은 신호 하나도 놓치지 않는 이 기술은 뇌와 신경 연구는 물론, 미래 의료 기술 개발에도 큰 도움이 될 전망이다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 현지시각으로 지난 26일 게재됐다. 신경은 매우 빠르게 전기 신호를 주고받는다. 특히 말초 신경은 근육이나 피부 등 몸 구석구석과 연결되어 있어, 미세하지만 중요한 신호를 전달한다. 이런 신호를 분석하면, 뇌·신경 질환 연구나 치료 기술 개발에 큰 도움이 된다. ‘유기전기화학 트랜지스터(Organic Electrochemical Transistor, OECT)’는 이런 신호를 잡는 데 적합한 소자다. 전해질 속 이온이 유기 반도체 채널 전체로 들어가 트랜지스터를 작동시키기 때문에, 높은 증폭 능력과 낮은 전력으로 구동할 수 있으며, 생체친화적이다. 하지만 문제점도 있었다. 채널이 두꺼워질수록 신호를 증폭하는 능력은 높아지지만, 이온이 이동하는 길이가 길어져 동작 속도가 느려지고, 결과적으로 신호를 빠르게 잡지 못했다. 신소재공학과·IT융합공학과 정성준 교수 연구팀은 부경대 정보융합대학 스마트헬스케어학부 송강일 교수, UNIST 전기전자공학과 권지민 교수와의 공동 연구를 통해 유기전기화학 트랜지스터 증폭 성능과 대역폭 간 근본적인 트레이드 오프(trade-off) 관계를 극복했다. 연구팀은 유기 반도체 채널에 나노 구조를 넣어, 전해질 속 이온이 채널 전 방향에서 들어오도록 3차원 구조를 설계했다. 이렇게 하면 채널 표면적이 늘어나고, 이온 이동 경로가 짧아져 채널이 두꺼워져도 빠른 동작과 높은 증폭 성능을 동시에 얻을 수 있다. 또한, 상용 전도성 고분자 재료인 PEDOT:PSS*1와 기존 반도체 공정을 활용해 신뢰성이 높고 대량 생산에도 적합한 소자를 만들었다. 이를 유연한 박막 기판 위에 집적해 생체 삽입용 신경 프로브를 제작하고, 쥐의 좌골 신경에 부착해 외부 자극에 따른 고주파 신호를 측정하는 실험도 성공적으로 수행했다. 그 결과, 기존 평면 구조 채널 소자와 달리 연구팀이 개발한 소자는 kHz(킬로헤르츠)*2 수준의 미세한 말초 신경 신호를 정확하게 잡아낼 수 있었다. 이는 향후 정밀 신경 신호 측정과 차세대 생체 의료 기기 개발에 활용될 가능성이 크다. 정성준 교수는 “이번 연구는 기존 유기전기화학 트랜지스터 한계를 뛰어넘어, 생체친화적이면서도 높은 성능을 요구하는 신경 인터페이스 기술의 핵심 플랫폼으로 활용되기를 바란다”라며, “또한, 이 기술은 특정 재료나 공정에 국한되지 않아 다른 기술과 결합하면 성능을 더욱 향상할 수 있을 것”이라는 기대를 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업, 중견연구사업과 교육부 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady0279 1. PEDOT:PSS: Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) 2. kHz(킬로헤르츠): Hz(헤르츠)는 1초에 한 번 진동하는 주파수를 나타내내며, 1kHz(킬로헤르츠)는 1초에 1,000번 전기 신호가 오가는 것을 의미한다.