우리 학과 한순규 교수가 2022년도 제26회 젊은과학자상(대통령상)을 수상했다. 

한 교수는 생합성 가설에 기반한 획기적인 합성전략과 새로운 합성방법론의 개발을 통해 기존에는 합성할 수 없던 초복잡 알칼로이드의 화학합성에 성공한 점을 인정받아 젊은과학자상 수상자로 선정되었다. 

한 교수 연구팀은 연구호흡이 길고 난이도가 극히 높은 천연물 합성분야에서 젊은 연구자임에도 불구하고 우수한 연구성과를 거뒀다. 특히 이합체 및 고산화준위 세큐리네가 알칼로이드와 포스트-이보가 알칼로이드 합성분야를 개척하고 선도하였다. 대개의 경우 천연에서 극소량만 얻어지는 고부가가치 천연물의 화학합성 경로 구축을 통해 유도체 합성 및 추가적인 생리활성 연구가 가능해지고 이를 통한 신약개발 연구가 가능하다. 

한 교수는 “수상은 기쁘면서도 다른 쟁쟁한 화학자들에게 민망하고 송구한 마음이다”라며 “본 상은 연구실 팀원, 가족, 학과 및 학계 동료의 지지 없이는 불가능했음을 알고 막중한 학자적 책임감을 갖고 더욱 성장하도록 하겠다”고 밝혔다.

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< 사진 1. (왼쪽부터) KAIST 나노과학기술대학원 박순모 석박사통합과정, 화학과 윤동기 교수, 화학과 이창재 박사과정 >

우리 대학 화학과 윤동기 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST)김선준 박사 공동연구팀이 성균관대학교 구종민 교수와 고려대학교 강윤찬 교수팀과의 협업으로 전자파 차폐·흡수가 가능한 차세대 신소재인 맥신(MXene)을 세계 최초로 수직으로 세우고 한 방향으로 배향하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 

종이 한 장 혹은 여러 장을 평평한 바닥에 수직으로 세우는 일은 불가능하다고 사람들은 말한다. 왜냐하면 얇고 유연하기 때문이다. 윤동기, 김선준 공동연구팀은 일반 종이의 만분의 일보다 더 얇고 유연한 맥신 나노 시트를 수직, 일렬 정렬시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

맥신이란 전이 금속인 티타늄과 유기물인 탄소로 이루어진 이차원 물질이다. 전기적인 특성이 뛰어난 그래핀과 비슷하게 전도성이 좋으면서 가볍다는 특징 이외에도, 다양한 용매들에 잘 녹아 가공성이 좋다는 장점이 있지만, 종잇장과 같은 성질로 인해 수평으로만 배향된 연구가 지금까지 이뤄져 온 것이 지배적이었다. 이번 연구에서는 친환경 용매인 물에 분산된 맥신 나노 시트에 교류 전기장을 인가하면 전기장을 따라 일렬로 정렬되는 현상에 연구팀은 주목했다. (그림 1)

이때 맥신의 표면은 강한 음전하를 띠기 때문에, 100마이크로미터 두께의 얇은 셀에서 서로 최대한 멀어지기 위해서 맥신 시트는 수평이 아닌 수직으로 배열된다. 그리고 물에 분산된 맥신 나노 시트의 수직 배열은 전기장의 유무에 따라 가역적으로 조절될 수 있다. 

전기장이 인가된 상태에서 맥신을 순간적으로 얼린 뒤 승화 현상을 이용해 건조시키는 동결 건조 방법을 사용할 경우, 맥신 나노 시트들이 나노미터(머리카락 두께의 십 만분의 1) 수준의 얇은 모서리로 바닥을 딛고 수직으로 서 있는 모습을 전자 현미경을 통해 직접 확인할 수 있다. (그림 2)

< 그림 2. 전기장을 이용한 맥신 나노 시트의 수직 정렬 >

기존의 다른 연구들에서는 이를 수직으로 세우기 위해 다른 첨가물을 혼합해야 했기에 맥신이 가진 특성을 활용하기 어려웠고, 마이크로미터 단위의 매우 좁은 영역에서만 원하는 수직 배열이 만들어지는 한계점들이 있었다. 전기장을 사용하는 이번 연구 방식은 순수한 맥신으로 센티미터 단위의 대면적 제작이 가능하고 자동화 공정에도 유리하다는 장점이 있다. 

게다가 수직으로 정렬된 맥신의 배향은 전기장의 방향에 따라서 자유롭게 조절할 수 있다. 연구팀은 전극을 다양하게 디자인함으로써 풍차 모양을 만들 수 있고, 심지어는 글자까지 쓸 수 있다는 것을 연구팀은 최초로 선보였다. (그림 3)

< 그림 3. 전극 디자인을 통해 만들어진 다양한 수직 정렬 맥신 패턴 >

현재, 맥신을 수직으로 세우는 일은 이온의 빠른 이동을 유도해 높은 정전 용량을 가진 축전지를 제작할 수 있기에 많은 주목을 받고 있다. 이번 연구 결과를 통해 가역적 조절, 대면적 제작, 방향성 제어 등의 장점들을 이용하면 고용량 축전지 뿐만 아니라, 맥신의 가장 널리 알려진 응용처인 우수한 전자파 차폐 특성도 필요에 따라 가역적으로 조절할 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 이 외에도 광학, 센서, 전자 패키징 등 더 다양한 분야에 수직 정렬 맥신을 응용할 수 있을 것이다. 

화학과 윤동기 교수는 "이차원 물질들이 전자파를 막을 수 있는 얇은 선글라스용 렌즈라고 했을 때, 기존의 연구는 수평으로 정렬된 맥신 시트들이기에 일반 선글라스와 마찬가지의 성능을 나타냈다면 이번 연구 결과를 통해 렌즈를 수직으로 세워서 그 방향으로 전자파를 흡수, 혹은 차폐시키는 효과를 낼 수 있기에 기존의 한계점들을 극복하면서 이차원 물질들의 장점을 극대화할 수 있을 것ˮ이라며, "이번 연구는 불가능하다고 여겨졌던 이차원 물질의 수직 정렬을 구현할 수 있는 효율적이면서 어디에나 쉽게 적용 가능한 혁신적인 플랫폼을 개발한 것이라고 볼 수 있다ˮ고 연구의 의의를 설명했다. 

우리 대학 화학과 박사과정 이창재 학생, 나노과학기술대학원 석박사통합과정 박순모 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)'에 게재됐고 해당 저널에서 우수성을 인정받아 에디터 하이라이트(Editors’ Highlights)에 소개됐다. (논문명: Field-induced orientational switching produces vertically aligned Ti₃C₂T_x MXene nanosheet) 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

< (왼쪽부터) 화학과 서명은 교수, 화학과 이해신 교수 >

우리 대학 화학과 서명은 교수와 이해신 교수가 주도한 공동연구팀이 와인의 떫은맛 성분인 탄닌산(tannic acid)과 생체적합성 고분자를 섞어 생체친화적 접착제를 개발했다고 21일 밝혔다. 

탄닌산은 폴리페놀의 일종으로 과일 껍질, 견과류, 카카오 등에 많이 들어 있다. 접착력과 코팅력이 강해 다른 물질과 빠르게 결합하기 때문에, 와인을 마시면 떫은맛을 느끼는 이유는 탄닌산이 혀에 붙기 때문이다. 물에 녹는 고분자와 탄닌산을 섞으면 마치 젤리와 같이 끈적이는 작은 액체 방울을 말하는 코아세르베이트(coacervate)가 가라앉는 경우가 생기는데, 몸에 쓸 수 있는 생체적합성 고분자를 사용하면 독성이 낮은 의료용 접착제로 응용할 수 있다. 그러나 코아세르베이트는 근본적으로 액체에 가까워 큰 힘을 버틸 수 없어 접착력을 향상하는 데 한계가 있었다. 

연구팀은 두 종류의 생체적합성 고분자를 조합해 구조를 설계함으로써 접착력을 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 이하 PEG)과 폴리락틱산(polylactic acid, 이하 PLA)은 모두 미국식품의약국(FDA)에서 인체 사용을 허가받은 물질이다. 안약, 크림 등에 많이 사용되는 PEG가 물에 잘 녹는 반면, 젖산(lactic acid)에서 유래한 바이오플라스틱으로 잘 알려진 PLA는 물에 녹지 않는다. 이들을 서로 연결한 블록 공중합체(block copolymer)를 만들고 물에 넣으면, 물에 녹지 않는 PLA 블록이 뭉쳐 미셀(micelle)을 만들고 PEG 블록이 그 표면을 감싸게 된다. 미셀과 탄닌산이 섞여 만들어지는 코아세르베이트는 단단한 PLA 성분으로 인하여 고체처럼 거동하며, PEG 대비 천 배 넘게 향상된 탄성 계수(elastic modulus)를 보여 접착 시 훨씬 강한 힘도 버틸 수 있다.

< 그림 1. (위) 폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(락틱산) 이중블록 공중합체와 탄닌산을 물에서 섞어 만들어지는 생분해성 접착제의 원리. 블록 공중합체 미셀과 탄닌산 사이의 수소결합을 통해 노란색 코아세르베이트가 침전되고, 접착력을 나타낸다. 열처리를 거치면 수소결합이 재배열되어 접착력이 더욱 향상된다. (아래) 접착력 비교. 폴리(에틸렌 글리콜) 고분자 사용시(왼쪽)에 비해 블록 공중합체 사용시(중간) 10배 이상의 무게를 지탱할 수 있으며, 열처리 이후(오른쪽)에는 60배의 무게를 버틸 수 있다. 표시된 G’값은 재료의 탄성 계수를 나타낸다. >

연구팀은 나아가 마치 금속을 열처리하듯 온도를 올렸다 내리는 과정을 반복하면 물성이 백 배 이상 더욱 향상되는 것을 관찰했고, 이는 정렬된 미셀들과 탄닌산 사이의 상호작용이 점차 견고해지기 때문임을 알아냈다. 

연구팀은 피부 자극이 적고 체내에서 잘 분해되는 소재 특성을 이용, 모발의 끝에 이 접착제를 발라 피부에 심는 동물실험을 통해 모발 이식용 접착제로서 응용 가능성을 보였다. 탄닌산을 비롯한 폴리페놀의 접착력과 저독성에 주목해 의료용 접착제, 지혈제, 갈변 샴푸 등 다양한 응용 분야를 개척해 온 KAIST 이해신 교수는 모낭을 옮겨심는 기존의 모발 이식 방식이 여러 번 시행하기 어려운 한계를 보완하는 새로운 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대했다.

< 그림 2. (위) 모낭을 포함하는 모발을 이식하는 기존의 모발 이식 방식(왼쪽) 대비 생분해성 접착제를 이용한 모발 이식 방식(오른쪽)의 개요. 모발 끝에 접착제를 도포한 후 피하주사를 통해 이식함으로써 피부에 고정하며, 반복 시술이 가능하다. (아래) 초기 동물실험 결과. 15가닥의 모발을 이식한 후 1일 경과한 상태에서 12가닥의 모발이 남아있다. 3가닥의 모발을 잡아당기면 몸 전체가 끌려올라오는 것으로 보아 피부에 견고하게 이식된 것을 알 수 있다. 접착제를 사용하지 않으면 모발이 남지 않으며, 열처리하지 않은 접착제의 경우 1/7 수준의 효율을 보였다. >

우리 대학 화학과 서명은 교수 연구팀의 박종민 박사(現 한국화학연구원 선임연구원)와 이해신 교수 연구팀의 박은숙 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도하고 우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀과 생명화학공학과 최시영 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지 Au(JACS Au)'에 8월 22일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Biodegradable Block Copolymer–Tannic Acid Glue) 

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 보호연구사업과 선도연구센터지원사업(멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터), 산업통상자원부의 생분해성 바이오 플라스틱 제품화 및 실증사업, 한국화학연구원 기관고유사업의 지원을 받아 진행됐다.

우리 학과 한순규 교수가 대한화학회(회장 신석민)가 수여하는 2022년 KCS-Wiley 젊은화학자상 수상자로 선정되었다. KCS-Wiley 젊은화학자상은 화학관련 분야에서 연구업적이 탁월하며 학문적 창의성과 잠재력이 있는 박사학위 취득 후 10년 이내로, 시상일 기준 만 45세 이하의 젊은 화학자에게 수여된다. 올해 한교수는 부산대학교 최정모 교수와 함께 본상 수상자로 선정됐다.

한순규 교수는 2014년 우리 학과에 부임이래 천연물 전합성 연구를 중점적으로 수행하였다. 한순규 교수의 연구팀은 소중합체 및 고산화준위 세큐리네가 알칼로이드, 포스트-이보가 알칼로이드등 구조적으로 복잡한 천연물을 창의적인 전략과 새로운 반응성의 개발을 통해 선택적이고 효율적으로 합성하여 주목받아 왔다.  

한 교수는 “난이도가 높은 전합성 연구를 성공적으로 이어갈 수 있는 것은 저의 능력보다는 도전적인 문제를 함께 탐구해나간 그룹원 덕분이다”라며 한 교수 실험실 구성원에게 감사를 전했고 “또한 동료 교수님 및 학과의 지원과 격려 없이는 지금까지의 성과가 불가능했을 것이다”라며 KAIST 화학과에 고마움을 표시했다.

2022년 젊은화학자상 시상식은 10월 20일 경주화백컨벤션센터(경주 HICO)에서 개최될 예정이다.

< 사진 1. (왼쪽부터) 화학과 서명은 교수, 신민중 석박사통합과정 >

우리 대학 화학과 서명은 교수 연구팀이 물에 녹는 부분과 녹지 않는 부분이 무작위로 섞여 있는 고분자가 물에서 처음 보는 규칙적 구조를 만드는 것을 발견하고, 무질서로부터 질서가 출현할 수 있는 새로운 원리를 제시했다고 11일 밝혔다. 

동전을 던져서 앞면과 뒷면이 나올 확률이 똑같다면, 아주 많이 동전을 던졌을 때 앞면이 나온 경우는 전체 중 반에 가까울 것이다. 그렇다고 해서 앞면만 연달아 나올 확률이 없는 것은 아니다. 사실 이 확률은 앞면과 뒷면이 번갈아 가며 나올 확률과 정확히 똑같다. 동전을 여러 번 던질수록 앞뒷면이 나오는 순서의 가짓수는 기하급수적으로 증가하는데(60차례 던지면 10¹⁸=100경 가지보다 많은 서열이 생겨난다), 이 서열을 보고 무작위한 과정을 통해 만들어졌는지 판별하기는 생각보다 어렵다. 반대로 온전히 무작위로 난수를 만드는 방법은 전산과학과 보안 등에서 중요한 문제다. 

서명은 교수 연구팀은 무작위한 서열 사이의 짝맞추기 문제에 주목했다. 물에 녹는 부분과 녹지 않는 부분을 무작위하게 도입해서 고분자를 만들면 마치 비누에 들어있는 계면활성제나 세포막 이중 층을 이루는 지질처럼 양친매성을 띠어, 물에 넣으면 물에 녹지 않는 지용성 부분끼리 뭉치고 이를 물에 녹는 수용성 부분이 감싸는 형태로 저절로 조립된다. 이때 각 사슬의 서열은 모두 다르므로, 두 사슬이 서로 만나 지용성 부분끼리 뭉칠 때 정확히 들어맞는 짝은 그 수많은 사슬 중 한 쌍밖에 없다.

 < 그림 1. 수용성 부분과 지용성 부분이 무작위로 배열된 고분자의 형성 과정과 가능한 서열의 예시 >

연구팀은 이 고분자를 고농도로 물에 녹이면 세포막에서 관찰되는 것과 같은 이중 층들이 반복적으로 접히면서 켜켜이 쌓이는 새로운 판상 구조를 만드는 것을 발견했다. 세포는 필요에 따라 세포막을 접어 골지체와 같은 구조를 만들지만, 이중 층 구조 자체를 안정하게 규칙적으로 접을 수 있다는 것은 처음 밝혀지는 것이다. 무작위한 서열에서는 지용성 부분이 몰려 있는 구간이 상당히 큰 확률로 발생하기 때문에, 연구진은 사슬들이 만날 때 필연적으로 짝이 맞지 않는 부분들이 생겨 평평한 판상 구조가 접히는 것으로 이 현상을 설명했다. 

연구진은 "흔히 무질서하다고 간주되는 무작위 서열 속에서 어떻게 질서가 태동할 수 있는지 하나의 가능성을 엿볼 수 있었다ˮ며, "무작위성에 대한 이해를 토대로 물리적 복제방지기술(PUF)로 응용함과 아울러 구조적인 특성을 활용하여 인공 근육 등에 쓸 수 있는 나노 연성 구조 소재로 확장할 가능성을 향후 연구하고 싶다ˮ고 소감을 밝혔다. 

< 그림 2. 이중층 판상 접힘 구조 >

우리 대학 화학과 신민중 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 연구를 주도하고 포항가속기연구소 안형주 박사, 우리 대학 화학과 윤동기 교수 연구팀, GIST 이은지 교수 연구팀이 협업한 이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 5월 4일 字로 온라인 게재됐다. (논문명 : Bilayer-folded Lamellar Mesophase Induced by Random Polymer Sequence)

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 보호연구사업과 선도연구센터지원사업(멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터), KAIST의 그랜드 챌린지 30 프로젝트의 지원을 받아 진행됐다.

우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 '2022 삼성호암상 과학상 화학∙생명과학부문'에 6일(수) 선정됐다. 삼성호암상은 1990년 故 이건희 삼성 회장이 호암 이병철 선생의 인재제일과 사회공익 정신을 바탕으로 제정했다. 올해 제32회 시상까지 학술·예술 및 사회발전에 인류복지 증진에 탁월한 업적을 이룬 총 164명의 수상자들에게 307억 원의 상금을 수여했다.

금년도 6명의 수상자는 국내외 학자 및 전문가로 구성된 46명의 심사위원과 47명의 해외 석학 자문위원이 참여하여 4개월에 걸친 심사 과정을 통해 선정됐다. 

수상자 장석복 특훈교수는 반응성이 낮은 탄소·수소 결합(C-H) 분자를 고부가가치 물질로 변환시키는 전이금속 촉매 반응을 개발하는 등 유기화학 분야에서 국제적으로 인정받고 있다. 장석복 특훈교수가 개발한 고효율 촉매 합성법은 전 세계 많은 연구자들이 활용하고 있으며, 향후 신약 개발 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 제시하여 유기화학 합성 분야의 발전에 기여한 공로를 인정받았다. 

삼성호암상 심사위원들은 "올해 수상자는 특히 글로벌 영향력을 인정받고 있는 전문가들과 단체이다. 학술부문 수상자는 기초과학, 산업, 바이오 의학 분야에서 전 인류에 혜택을 주는 과학적 업적들이 돋보인다" 라고 평가했다. 

호암재단 김황식 이사장은 "호암재단은 삼성호암상을 통하여 글로벌 영향력이 탁월한 수상자들을 앞으로도 지속 발굴하여 인류 문명의 발전에 앞장서겠다" 라고 전했다.

한편, 부문별 수상자에게는 상장과 메달, 각 상금 3억 원이 수여되며 시상식은 5월 31일(화)에 개최 예정이다. 

(※ 호암재단 수상자 발표 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=hMKBDx5HffU)

왼쪽부터 장석복 KAIST 화학과 특훈교수, 안현실 한국경제신문 AI경제연구소장·논설전문위원, 성환호 피에스텍 대표이사, 박학규 삼성전자 사장. KAIST 제공.

장석복 KAIST 화학과 특훈교수와 박학규 삼성전자 사장, 성환호 피에스텍 대표이사, 안현실 한국경제신문 AI경제연구소장·논설전문위원이 ‘2021년 KAIST 자랑스런 동문상’을 받았다. KAIST는 지난 25일 서울 소공동 롯데호텔에서 열린 KAIST 총동문회 총회에서 시상식을 진행했다고 밝혔다. 

KAIST 자랑스런 동문상은 국가와 사회 발전에 공헌하거나 뛰어난 학문적 성취 및 사회봉사 등으로 모교의 명예를 빛낸 동문에게 수여하는 상으로 KAIST 총동문회가 1992년부터 시상해 왔다. 

화학과 석사 85학번인 장석복 KAIST 화학과 특훈교수는 기초과학 분야인 ‘탄소·수소 결합 촉매 반응 개발’ 분야에서 새로운 영역을 개척하고 발전시켰다. 2015년 제14회 한국과학상, 2018년 제1회 한국도레이 과학기술상, 2019년 대한민국최고과학기술인상 등을 수상했다. 

경영과학 석사 86학번인 박학규 삼성전자 사장은 반도체 분야 글로벌 사업 확장을 통해 국가 경쟁력 향상에 기여했다. 반도체 계약학과(성균관대·연세대·KAIST·POSTECH)와 반도체 트랙 과정(서강대·서울대·KAIST ·POSTECH)을 국내 대학에 설치하는 등 전문 인력 육성을 위한 기반도 마련했다. 강소 소재·부품·장비 기업에 조건 없는 지분 투자를 실행하는 등 국내 반도체 상생 시스템을 구축한 주역으로 평가된다. 

전기및전자공학 석사 88학번, 박사 90학번인 성환호 피에스텍 대표이사는 전력전자 전문회사를 20여 년간 운영하며 해외 기술에 의존하던 전원 장치 국산화에 성공하고 반도체·디스플레이 등 신산업에 적용할 수 있는 성능을 구현한 전원 장치를 세계 최초로 개발한 공로를 인정받았다. 안현실 한국경제신문 AI경제연구소장은 4차산업혁명 시대 정책 대변을 위한 언론의 역할에 기여했다. 

박건형 석박사통합과정, 박혜원 석박사통합과정,

제28회 삼성휴먼테크 논문대상에서 우리 대학 화학과 박건형, 박혜원 석박사통합과정(지도교수: 화학과 윤동기 교수)이 금상을 수상했다.

삼성휴먼테크논문대상은 과학기술 분야의 주역이 될 젊고 우수한 과학자를 발굴하기 위해 1994년부터 시행 중이며 과학기술정보통신부와 중앙일보가 후원하고 있다. 

이번 제28회 대회에는 114개의 대학이 참여했으며, 에너지 및 환경, 회로설계, 신호처리, 네트워크, 기계공학, 재료과학, 기초과학, 생명과학 등 10개 분야 총 2,105편의 논문이 접수됐다.

박건형, 박혜원 학생은 유기분자의 자가조립 시 발생하는 자발적 대칭파괴를 이용하여 복제 불가 기술을 새로이 제안한 점을 인정받았다. 이번 연구에서 기존에 널리 사용되는 액정영상표시장치(liquid crystal display; LCD)의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자가 아닌 굽은 모양 액정 물질을 이용해 3차원 나선형 구조체를 제작했다. 이 분자는 분자구조 내에 카이랄 중심을 포함하지 않기 때문에, 오른손성과 왼손성 나선형 구조체가 같은 확률로 생성된다. 하지만 형성되는 위치와 같은 방향의 구조체가 형성하는 도메인의 모양 및 크기는 매우 무작위로 형성된다. 연구팀은 이러한 자발적으로 발생하는 무작위한 패턴을 이미지처리를 통해 디지털 방식으로 인식하는 개발하여 이를 지문과 같이 응용하여 복제 불가능한 보안 코드로의 사용 가능성을 제시하였다.

< 그림 1. 박건형, 박혜원 학생이 제안하는 굽은 액정분자의 자가조립 시 발생하는 무작위성을 이용한 보안코드 개발방법 모식도 >

커피얼룩 효과를 이용한 고분자 배향 기술 개발

• -소프트리소그래피 기반 고배향 유기 반도체 소자 제작 -
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□ 일상생활에서 쉽게 관찰되는 커피 얼룩효과를 이용해 유기고분자의 방향을 제어하는 연구가 각광받고 있다.

○ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤동기 교수, 김형수 교수(KAIST), 김봉수 교수(UNIST) 연구팀이 커피 방울이 종이에 떨어지면 방울 끝으로 커피 알갱이가 모여 방울의 외곽부분에 커피 얼룩이 생기는 커피링(coffee-ring) 효과를 이용하여 반도체 고분자 구조의 배향(orientation)을 조절했다고 밝혔다.

※ 배향 : 막대기 보양의 분자가 일정한 방향으로 배열되어 있는 것을 뜻하며, 한 방향으로 나란히 있을수록 배향도가 높다고 한다. 배향에 따라 구조체의 광학적, 전기적 성질이 다르다.

□ 사물인터넷(IoT)용 유연소자는 유연한 유기반도체(유연성)를 용액상, 액체상태에서 고체인 박막으로 만들어 패터닝하는 기술이 중요하다.

○ 하지만 용매가 증발하면서 용질인 유기반도체 분자들의 배열이 달라질 수 있어 이에 대한 정확한 이해가 필요한 상황이었다.

□ 연구팀은 용매만 통과할 수 있는 소재로 만들어진 마이크로 크기의 벽과 벽의 공간 사이에 유기반도체 용액을 채워 넣고, 벽 사이 폭을 5마이크로미터와 10마이크로미터로 다르게 했을 때,

○ 용매의 확산속도가 달라진다는 점에 착안하여 용매와 함께 움직이는 긴 사슬모양의 반도체 고분자가 벽에 수직, 수평방향으로 달라짐을 관찰했다.

□ 그 결과 폭이 좁을수록 용매의 확산이 빨라지면서 빠르게 용매가 흡수되면서 채널에 수직한 방향으로 유기고분자가 배열했다.

○ 이는 마치 연필들을 굴리면 연필의 길이방향이 아니라 그 수직 방향으로 굴러가고, 연필들을 손가락으로 살살 긁으면 연필이 길이방향으로 제어되는 것과 비슷하다.

□ 실제 이를 이용해 만들어진 트랜지스터*는 전하이동성을 좌우하는 전기적 이방성*이 높게 나타났다. 고분자 사슬이 정렬되는 방향에 따라 고분자와 고분자 사이에 전하가 잘 이동할 수 있는 분자체의 실제적 거리가 가까워지면서 일어나는 현상이다.

※ 유기 전계효과 트랜지스터: 전류의 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 트랜지스터 소자의 활성층에 유기 반도체 물질을 사용하여 만든 반도체 소자

※ 이방성 : 방향에 따른 물질의 다른 성질. 동그란 공의 성질을 등방성이라고 하면, 연필처럼 가로와 세로 길이가 다른 성질을 이방성이라고 한다.

□ 기존 한 방향으로 배열된 유기반도체 고분자가 아니라 다양한 방향으로의 고분자 집합체 배향이 가능함을 보여, 향후 유기반도체가 활용되는 디스플레이 소자, 광학소자, 화학센서 등에 도움이 될 것으로 기대된다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 10월 16일 온라인에 게재되었다.

우리 대학 화학과 변혜령, 김우연 교수 공동연구팀이 유기 분자로 이루어진 다공성 골격구조체를 이용해 높은 사이클 성능을 가지는 리튬-유기 하이브리드 전지를 개발했다고 20일 밝혔다. 

변 교수 연구팀은 두 개의 질소 원소가 이중 결합을 가지는 아조(azo, N=N) 그룹을 레독스(산화․환원) 코어로 가지면서 벤조싸이아졸 링커로 분자들을 엮어 거대한 다공성 구조체를 설계했다. 이러한 거대 유기체 전극은 현재 무기 산화물 기반의 전극을 대체해 유연하고 가벼운 전지의 개발에 활용될 것으로 전망된다. 

우리 대학 화학과 비크람 싱아(Vikram Singh) 박사와 김재욱 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)' 5월 11권 17호에 지난 6일 字 출판됐다. (논문명 : Thiazole-linked covalent organic framework promoting fast two-electron transfer for lithium-organic batteries) 

이번 연구는 유기 분자들을 디자인해 거대 골격체로 만들 때 조절되는 분자 간의 상호작용 및 전자구조를 이용해 화학적 안정성, 불용성, 그리고 전기/이온 전도성을 향상할 수 있음을 증명했다. 그리고 6분에 한 번씩 충전․방전하는 빠른 속도에서도 약 1,000 사이클 이상 구동이 가능한 유기계 전극을 개발할 수 있었다. 

유기 골격구조는 유기 단분자들의 공유 결합을 통해 2차원 필름을 형성하고 이들이 파이-파이 결합으로 3차원으로 성장할 수 있는 다공성 결정체다. 골격구조의 디자인은 분자 간의 상호작용 및 안정성을 극대화하고 수 나노미터 크기의 기공 채널을 규칙적으로 형성해 이온들의 이동을 원활하게 할 수 있어 유망한 유기 전극체로 디자인할 수 있다. 

리튬-이온 전지의 전극으로 활용할 유기 골격구조체는 리튬 이온과 전기화학 반응을 할 수 있는 레독스 코어와 다공성 골격체를 형성하는 링커로 구성되어 있다. 공동연구팀은 레독스 코어로 낮은 전위에서 *2개의 전자전달(2e^-)이 가능한 아조(azo)그룹을 사용했다.

(※ 기존의 리튬-이온 전지는 일반적으로 전자전달 수가 1보다 작다. 요즘 개발되는 차세대 전지의 경우 에너지 밀도를 높이기 위해 다중 전자전달이 가능한 물질을 찾고 있으며, 아조 그룹이 그중 하나다. R-N=N-R + 2e^- + 2Li⁺ R-LiN-NLi-R, 형식전위: 1.65 V vs. Li/Li⁺, 여기서 R은 분자 링커) 

벤조싸이아졸 링커를 포함하는 유기 골격구조는 다른 물질과는 달리 2전자 전달이 동시에 빠르게 발생해 우수한 충․방전 율속 특성 및 긴 사이클 성능이 평가됐다. 이는 벤조싸이아졸이 가지는 비 편재화 전자의 결합구조가 유기 전극의 안정성을 높이기 때문이다. 연구팀은 실시간 라만 분광 관찰을 통해 전극에서 아조 그룹의 가역적인 전기화학 반응을 직접적으로 증명할 수 있었다.

이와 함께 공동연구팀은 밀도범 함수 계산을 통해 두 개의 리튬(Li) 이온이 아조 그룹과 빠르게 회합(association)함을 증명했다. 아울러 벤조싸이아졸 기반의 아조 유기 골격구조체가 가지는 약 3나노미터(nm) 이하의 다공성 채널로 리튬(Li)이온이 골격체 내부까지 쉽게 통과할 수 있어 이온 전도성 또한 확보함을 실험적으로 규명했다.

< 그림 1. 아조 레독스 코어를 가지는 벤조싸이아졸 링크의 다공성 유기골격체구조 및 리튬-하이브리드 전지 성능. (a) 2차원 유기골격체. 중앙은 반복되는 구조 유닛 (unit). (b) 3차원 골격체 구조. 기공크기는 2.8 nm이며 층간 간격은 약 0.35 nm. (c) 1C에서 정전류의 100번 사이클 그래프. (d) 0.5C에서 40C까지 율속특성. (e) 20C에서 1000번 사이클 평가. nC는 전지가 완전히 충전 혹은 방전되는데 걸리는 시간으로 1시간/n을 의미. Q는 단위 무게당 용량, CE는 쿨롱 효율을 나타냄. >

< 그림 2. 밀도범함수 계산 및 실시간 라만분광관찰. (a) 세 층의 유기골격체의 프론티어 오비탈 모델. (b) 아조-벤조싸이아졸 유기골격체구조의 밴드 구조. (c) 실시간 라만분광셀에서 전극 횡단면의 광학 현미경 사진. (d-e) 실시간 라만 스펙트럼의 (d) 방전 및 (e) 충전과정. >

공동연구를 주도한 변혜령 교수는 "아조 화합물 기반의 유기 골격구조체는 리튬-하이브리드 전지의 높은 율속 특성 및 긴 사이클 성능을 증명해, 향후 유기 기반 가볍고 휘어지는 전극의 실용화 가능성을 제시한다ˮ며 "개발한 벤조싸이아졸 기반의 유기 골격체 구조의 디자인은 향후 다양한 유기 전극 개발 시 유연한 디자인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 말했다. 

한편, 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단, KISTI 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

우리 대학은 `현우 KAIST 학술상' 수상자로 화학과 백무현 교수를 선정했다고 24일 밝혔다. 시상식은 이달 25일 오전 10시 KAIST 학술문화관 정근모 홀에서 개최된다.

올해 처음 시행되는 `현우 KAIST 학술상'은 현우문화재단 곽수일 이사장(서울대학교 경영대학 명예교수)이 KAIST에서 우수한 학술적 업적을 남긴 학자들을 매년 포상하고자 기부한 재원을 통해 신설된 상이다.

우리 대학은 현우재단 선정위원과 KAIST 교원포상추천위원회의 엄격한 심사를 거쳐 KAIST를 대표할 수 있는 탁월한 학술 업적을 이룬 교원을 매년 1명 선정해 시상할 계획이다.

올해의 수상자로 선정된 백 교수는 2020년 화학 반응을 제어하는 획기적인 신기술을 발견하여 이를 `전기적 유도 효과'로 명명하고 세계 최고의 학술지인 Science 본지에 발표했다.

종래 화학 학계에서는 작용기를 도입해 분자에 `유도 효과'를 부여하는 방법이 분자의 특성을 변경할 수 있는 유일한 방법으로 알려져 왔다. 하지만 백 교수는 분자를 전극에 공유 결합한 후 전압을 적용하는 방법으로 작용기가 아닌 전극을 활용함으로써 동일한 유도 효과가 가능함을 발견했으며, 이는 화학 연구를 결정적으로 변화시킬 수 있는 기술이다.

`전기적 유도 효과'를 거대 규모의 화학 합성으로 확장하는 경우, 여러 화학 반응에서 기능화된 다양한 분자나 촉매들을 준비하는 복잡한 과정이 사라지게 될 것이기 때문이다.

백 교수는 이와 함께 `전기적 유도 효과' 발견의 우수성을 인정받아 국가의 위상을 드높이는 한국인 과학자에 수여하는 2021년 포스코 청암상을 수상했으며, 2020년 한 해 동안 `앙게반테 케미(Angewandte Chemie)' 등 최고의 화학 저널에 총 32편의 논문을 발표하며 전례 없는 연구 성과를 거두고 있다.

우리 대학 화학과 이해신 교수 연구팀이 홍합 모사 접착성 지혈제를 이용해 혈액 응고 장애 환자에게 효과적인 지혈을 성공시켰다고 16일 밝혔다. 

이해신 교수는 수년 전 세계 최초로 홍합 모사 접착물질을 의료용 지혈 물질로 상용화시킨 바 있다. 그는 이노테라피와 수년간의 추가적인 분자기작 연구와 환자를 대상으로 한 임상 연구를 통해 이 홍합 모사 접착성 지혈제의 지혈 성능을 밝혔고, 그 결과를 권위가 있는 국제 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 지난달 24일 발표했다.

(논문명: Coagulopathy-independent, bioinspired hemostatic materials: A full research story from preclinical models to a human clinical trial) 

연구팀은 이번 연구를 통해 홍합 모사 지혈제가 혈액 응고 장애 환자에게서도 작동 가능하다는 것을 동물실험뿐 아니라 임상 연구로 입증했다. 연구에 따르면 접착성 지혈 물질인 카테콜아민 고분자는 혈액 응고 장애 환자나 정상인의 혈액에 공통으로 존재하는 알부민과 같은 혈장단백질과 빠르고 강하게 결합해 접착막을 형성한다. 

이번 연구에서 연구팀은 카테콜아민 고분자가 혈액응고인자와 상관없이 혈액 단백질과 결합해 수 초 내에 빠르게 단단한 지혈 막을 형성하는 메커니즘을 규명했다. 나아가 이 지혈제가 혈액 응고 장애를 동반한 출혈 동물모델에서 우수한 지혈 효과를 나타내었을 뿐만 아니라, 간이식/간 절제 환자들을 대상으로 한 임상실험에서도 우수한 효과를 입증했다. 

이해신 교수는 지혈 물질 협력 연구 과정에서 2017년 네이처 머터리얼즈(Nature Materials)에 무출혈 주삿바늘 논문을 발표한 바 있으며, 이에 멈추지 않고 바이오 벤처기업 이노테라피와 더욱 깊이 있는 임상 연구를 진행해 이번 성과를 얻었다. 10여 년에 걸친 협력 연구를 통해 과학적 성과뿐만 아니라, 논문에 발표한 물질이 주성분으로 포함된 이노씰 제품이 최근 3월 30일 유럽허가(CE 인증)를 취득해 차후 제품 글로벌 상용화도 가능하게 됐다.

< 그림 1. 비임상시험에서 키토산-카테콜 지혈제의 지혈 효과 >

< 그림 2. 간 절제 환자 대상 임상시험에서 키토산-카테콜의 지혈 효과 >

이해신 교수는 "그동안 KAIST가 이노테라피와의 모범적 협력모델을 구축했고, 최근 이노테라피의 기부를 통해 KAIST가 진행 중인 중/대동물 연구센터 건립에 작은 힘이나마 도움을 받았다ˮ고 말했다. 

㈜이노테라피 이문수 대표는 "앞으로도 KAIST와 적극적인 협력을 추진할 계획ˮ이라 밝혔다. 화학과 학과장 이영민 교수도 "이노테라피와 화학과가 앞으로 바이오 분야 상업화에 있어서 협력을 확대하면 좋겠다ˮ고 말했다. 우리 대학은 지혈제 외에도 유전자 치료제 등 신약 개발에 있어 산학협력을 확대할 예정이다.

김상규 자연과학연구소장 (화학과 교수)이 오는 4월 21-23일 수원 컨벤션센터에서 온라인으로 개최하는 대한화학회 학술발표회에서 학술상 (Excellence Academic Award)를 수상한다. 대한화학회는 매년 탁월한 논문을 발표하여 화학의 학문적 발전에 크게 기여한 1인을 선발하여 학술상을 수여하고 있다. 김상규 교수는 실험물리화학분야 중 들뜬 상태 반응동역학 분야를 오랫동안 연구하여, 특히 비단열동역학 (Nonadiabatic Dynamics) 중 일어나는 화학반응의 자세한 전모를 분자수준에서 기술한 점이 인정되었다. 수상 후 4월23일 “Nonadiabatic Reaction Dynamics in the excited states of polyatomic Molecules”라는 주제로 기념강연을 가질 예정이며 online을 통해 학술발표회 참가자들에게 중계될 예정이다.

포스코청암재단은 지난달 26일 이사회를 열어 올해 포스코청암상 수상자로 과학상에 백무현 우리 대학 화학과 교수, 교육상에 경남 사천 용남중학교, 봉사상에 사단법인 아동복지실천회 세움, 기술상에 정한 아이쓰리시스템㈜ 대표이사를 각각 선정했다고 2일 밝혔다.

과학상 수상자인 백무현 우리 대학 화학과 교수(IBS 부연구단장)는 전이금속 촉매를 매개로 일어나는 화학반응의 반응 원리를 밝히고, 더 나은 촉매개발을 가능하게 하는 원리를 정립한 화학자다. 특히 컴퓨터와 이론·계산화학 연구 방법을 이용하여 화학반응을 예측하고 설계할 수 있음을 실증한 변혁적 연구의 선구자다.

백무현 교수는 2016년에 계산화학으로 메탄가스를 활성화시킬 수 있는 촉매 후보 물질을 예측했고, 2020년에는 유기화합물의 전기적 성질을 결정짓는 원자단을 전압의 미세한 차이를 이용해 자유자재로 조절할 수 있는 ‘만능 작용기’의 가능성을 제시했다. 특히 만능 작용기 연구는 기존의 패러다임을 대체할 수 있는 혁신적 성과라는 높은 평가를 받고 있으며, 향후 연구성과가 화학산업에 적용될 경우 파급효과가 클 것으로 기대되고 있다.

교육상 수상기관인 경남 사천 용남중학교는 2011년까지 사천시 인구감소로 인한 학생 수 급감으로 폐교 위기에 놓였으나 교사들이 앞장서 혁신을 주도하고 학생, 학부모, 지자체가 적극적으로 참여·지원하며 교육공간 혁신에 성공하면서 우리나라 교육계가 주목하는 혁신학교로 탈바꿈했다.

봉사상 수상기관인 사단법인 아동복지실천회 세움은 국내최초로 아동인권의 관점에서 ‘수감자 자녀가 당당하게 사는 세상’을 지원하기 위해 2015년 설립되었으며, 수감자 자녀 및 그 가족의 일상적 삶을 지원하는 활동과 더불어 사회구조 및 제도의 변화까지 추구하며 지속가능한 통합적 지원 플랫폼을 구축한 점을 높게 평가받았다.

기술상 수상자인 정한 아이쓰리시스템㈜ 대표이사는 30여년간 오로지 적외선 영상센서 개발에만 전념해 온 국내 적외선 영상센서 분야 1세대 연구자이다. 우리 대학에서 박사학위를 취득 후, 1998년에 회사를 세우고 본격적인 적외선 영상센서 개발에 박차를 가해 우리나라가 세계 7번째로 적외선 영상센서 양산국가로 발돋음 하는데 핵심적인 역할을 했다.

포스코청암재단은 포스코 창업이념인 창의·인재육성·희생·봉사 정신에 대한 국민적 관심과 참여를 확산시켜 국가발전에 기여하고자 2006년 포스코청암상을 제정해 '더불어 함께 발전하는 기업시민' 실현에 앞장서고 있다.

포스코청암상은 과학, 교육, 봉사, 기술 4개 부문을 시상하며 부문별로 상금 2억 원을 각각 수여한다. 과학상은 국내에 활동기반을 두면서 자연과학과 공학분야에서 창의적인 업적을 이룩해 국가 위상을 드높이고 과학기술 발전에 기여한 한국인 과학자에게 시상한다. 교육상은 창의적인 교육프로그램을 체계적으로 구현하고 교육계 전반에 확산시킨 인사나 단체를, 봉사상은 인류사회의 삶의 질 향상을 위해 헌신적으로 사랑과 나눔을 실천하는 인사나 단체에게 시상하며 재단의 핵심사업인 아시아펠로십과 연계하여 수상자격을 아시아 지역까지 확대하여 운영한다. 기술상은 산학연 각 분야에서 세계적 수준의 기술을 직접 개발하고 사업화하여 국가산업 발전에 기여한 인사에게 시상한다.

2021 포스코청암상 시상식은 오는 4월6일 서울 포스코센터 서관4층 아트홀에서 개최 예정이다. 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 여파로 시상식 규모를 대폭 축소해 운영하며, 시상식 전 과정은 포스코청암재단 유튜브 채널을 통해 실시간으로 생중계될 예정이다.

우리 과에 재직 중인 임미희 교수가 에쓰-오일 과학문화재단에서 수여하는 ‘제2회 에쓰-오일 차세대과학자상’ 화학 분야 수상자로 선정되어 2021년 02월 16일(화) 에쓰-오일 본사 3층 대강당 시상식에서 수상할 예정입니다.

2019년 신설된 차세대과학자상은 물리학·화학·생리의학·화학및재료공학·에너지·IT 등 총 6개 분야에서 최근 10년 이내 연구개발업적이 탁월한 만 45세 이하 젊은 과학자를 선정합니다.

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수상자 이효철 교수는 화학반응 중간체의 구조와 반응동역학을 동시에 연구하는 구조동역학 분야의 세계적 석학이다. 이 교수는 지난 20년간 화학 분야의 가장 중요한 과제인 화학반응에서 분자 내 화학결합 형성의 근본적 원리 규명에 매진하여 놀랄만한 연구 결과들을 발표함으로써 이 분야 연구의 세계적인 선두 주자가 되었다.

  용액 상 시간 분해 엑스선 회절 방법을 이용하여 용액 상태에서 일어나는 반응과 그에 수반되는 빠른 분자구조 변화를 규명할 수 있음을 밝혀 그 결과를 『사이언스Science』지에 발표하였다. 이는 기존의 학계에서 통용되던 고정 관념을 타파하는 혁신적인 연구 결과였다. 더 나아가 용액 상 시간 분해 엑스선 회절법과 엑스선 자유 전자 레이저를 이용하여 화학결합이 형성되는 과정을 실시간으로 관측하는데 성공하여 그 결과를 『네이처Nature』지에 발표하였다. 최근에는 기존의 시간 분해능보다 훨씬 향상된 시간 분해 엑스선 회절법과 국내에서 건설한 포항가속기 엑스선 자유 전자 레이저를 이용해 화학결합이 형성될 때 분자를 이루는 모든 원자들의 움직임을 파악함으로써, 화학계의 중요한 근본 문제 중 하나를 해결하는 동시에 한국 과학의 위상을 세계에 알리는데 크게 기여하였다.

  자신이 개척한 시간 분해 액체학을 단백질에 적용하여 그 분석에 최초로 성공하였고, 이를 발전 시켜 혈액 내 헤모글로빈의 구조 변화 과정에서 아단위亞單位 간의 협동작용을 규명하고, 박테리아 내에서 빛에 의한 자극을 생체 신호로 전환해주는 단백질의 신호 전달 과정에서의 구조 변화를 규명하는데 성공하였다. 또한 단백질 내에서 일어나는 반응의 경로를 밝혀내는 동시에, 단백질을 개조하여 그 반응경로를 제어할 수 있음을 보여줌으로써 광순환 단백질들의 신호 전달 체계 이해의 중요한 단서를 제시했다는 평가를 받고 있다.

  독창적인 그의 연구결과들은 150여 편의 논문으로 최고 권위의 학술지에 게재되었으며, 2016년부터 미국화학회의 영향력 있는 학술지인 『Accounts of Chemical Research』의 편집위원을 맡고 있다. 또 국제학술지 『Journal of Molecular Science』와 『Structural Dynamics』의 편집위원으로 활동하는 등 국제무대에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 

< 연구진 모습(앞줄 왼쪽 한상우 교수, 앞줄 오른쪽 백무현 교수) >

우리 대학 화학과 백무현 교수(기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 부연구단장) 연구팀은 한상우 우리 대학 화학과 교수(나노텍토닉스 창의연구단장)팀과의 공동연구를 통해 전압을 가하는 것만으로 분자의 반응성을 조절할 수 있는 ‘만능 작용기’를 개발했다.

연구진은 분자의 전기적 성질을 결정하는 원자단인 작용기^*를 전극이 대신할 수 있음을 증명하고, 전극을 활용해 다양한 화학반응을 제어하는데 성공했다. 여러 작용기의 역할을 대신할 수 있는 하나의 만능 작용기를 개발한 것이다.

* 유기화합물의 전기적 성질을 결정짓는 원자단. 에탄올(C₂H₅OH)의 하이드록시기(-OH), 아세톤(CH₃-CO-CH₃)의 카보닐기(-CO-) 등이 작용기에 해당한다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)는 이번 성과가 10월 9일 03시(한국시간) 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.845)에 게재되었다고 밝혔다.

작용기는 전자를 끌어당기거나/밀어내는 효과를 통해 분자의 전기적 특성을 조절한다. 전자밀도 분포를 조절하여 분자의 반응성을 결정하는 것으로, 이는 화학반응의 평형과 속도에 영향을 미친다.

1937년 미국의 화학자(루이스 하메트)가 작용기의 종류에 따른 분자의 전기적 성질 변화를 정량화한 공식을 만든 뒤, 80여 년 동안 화학반응을 이해하는데 이 공식이 활용되었다.

하지만 기존 밝혀진 작용기는 하나의 작용기가 정해진 특정 전기적 효과만을 줄 수 있어 분자의 전기적 성질을 세밀하게 조절하기 어려웠다. 또한, 복잡한 분자는 여러 단계를 거쳐 합성되는데, 각 반응마다 최적 효과를 줄 수 있는 작용기를 활용하는 것은 현실적으로 불가능했다.

연구진은 여러 종류의 작용기 대신, 하나의 작용기만으로 분자의 반응성을 자유자재로 조절할 수 있는 새로운 방법을 제시했다.

연구진이 제작한 작용기는 금 전극에 분자를 부착한 형태다. 전극에 전압을 가하면 분자 내 전자밀도 분포에 미세한 차이가 발생하고, 이로 인하여 분자의 전기적 성질에 변화가 생긴다.

전압을 바꿔가며 분자의 전기적 성질 변화를 관찰한 결과, 분자는 전극에 음(–) 전압이 걸렸을 때 전자가 풍부해지고, 양(+) 전압이 걸렸을 때 전자가 부족해지는 것을 확인했다.

이후 대표적인 유기화학 반응^*에 적용해본 결과, 전극에 전압을 걸어주는 것만으로도 여러 작용기의 효과를 낼 수 있어 기존 작용기의 효과적인 대체재로 사용될 수 있음을 확인했다.

* 에스터 가수분해, 스즈키-미야우라 교차 짝지음, 아미드화 등

< 그림 1. 만능 작용기의 모식도 >

< 그림 2. 기존 작용기의 역할과 만능 작용기의 구동 원리 >

이번 연구는 80여 년간 널리 사용돼 온 전통적인 화학적 실험법을 대체할 수 있는 새로운 아이디어를 제시했다는 학술적 의미가 있다.

하나의 작용기는 하나의 전기적 효과만 줄 수 있다는 고정관념에서 벗어나, 이번 연구에서 제시한 만능 작용기는 화학반응이 진행되고 있는 도중에도 분자의 반응성을 바꿀 수 있다는 장점이 있다.

백무현 부연구단장은 “다양한 화학반응을 간단하게 조절할 수 있는 독창적인 아이디어를 제시한 것으로 학계의 다양한 후속연구를 견인할 수 있을 것”이라며 “산업 규모에서도 적용할 수 있는 ‘만능 작용기’ 개발을 위한 후속연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

우리 과에 재직 중인 임미희 교수가 2018년 Bioinorganic Chemistry 분야에서 Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC) Early Career Award에 이어 올해 2020년 Society of Asian Bioinorganic Chemistry (AsBIC)에서 The AsBIC James Hoeschele Award 최초 수상자로 선정되어 온라인 Award Lecture를 2020년 10월 26일 진행할 예정입니다.

The AsBIC James Hoeschele Award: 2018년 설립되어 2020년 처음 수장자 선정

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우리 학과 한순규 교수가 대한화학회 유기화학분과회가 수여하는 제9회 젊은 유기화학자상 수상자로 선정되었다. 젊은 유기화학자상은 유기화학 분야에서 우수한 연구성과를 낸 만 40세 미만 연구자 1인에게 매해 수여된다.

한순규 교수는 2014년 우리 학과에 부임이래 천연물 전합성 연구를 중점적으로 수행하였다. 한순규 교수의 연구팀은 스파이로 구조를 가진 PKS-NRPS 기반 천연물, 포스트-이보가 알칼로이드, 에폭시퀴노이드, 드리메인, 소중합체 및 고산화준위 세큐리네가 알칼로이드등 다양한 이차대사물의 합성에 성공하여 그 학문적 우수성을 인정받았다.

특히 우리 학과 홍승우 교수(제1회 수상자), 김현우 교수(제5회 수상자)에 이어 올해 한순규 교수가 젊은 유기화학자상 수상자로 선정되면서 KAIST 화학과의 연구 탁월성이 다시 한번 입증되는 계기가 되었다.

우리 연구진이 알츠하이머 발병 원인을 동시다발적으로 억제 가능한 치료제 개발 원리를 증명하고 또 동물실험에서 효능을 입증하는 등 알츠하이머병에 관한 새로운 치료제 개발에 대한 가능성을 제시함으로써 많은 주목을 받고 있다.

우리 대학 화학과 임미희 교수 연구팀이 알츠하이머 발병의 원인으로 알려진 ‘활성 산소종’과 ‘아밀로이드 베타’, ‘금속 이온’ 등을 손쉽고도 동시다발적으로 억제할 수 있는 치료제 개발 원리를 새롭게 증명하고 알츠하이머 질환에 걸린 동물 모델(실험용 쥐) 치료를 통해 이를 입증하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 백무현 교수와 서울아산병원 이주영 교수도 함께 참여했으며 저명 국제 학술지인 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 4월 1일 字에 게재됐다. 이 논문은 특히 4월 26일 字 ‘편집장 선정 우수 논문(Editors’Choice Paper)’으로 꼽혀 많은 주목을 받고 있다. (논문명 : Minimalistic Principles for Designing Small Molecules with Multiple Reactivities against Pathological Factors in Dementia)

알츠하이머병은 치매를 일으키는 대표적인 뇌 질환이다. 이 질환의 원인으로 다양한 요소들이 제시됐지만, 원인 인자들 사이의 원리들은 아직도 명확하게 밝혀지지 않고 있다.

알츠하이머병을 일으키는 대표적인 원인 인자로는, 활성 산소종과 아밀로이드 베타, 금속 이온이 알려져 있다. 이 요인들은 개별적으로 질병을 유발할 뿐만 아니라, 상호 작용을 통해 뇌 질환을 더욱 악화시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 이온들은 아밀로이드 베타와 결합해 아밀로이드 베타의 응집 속도를 촉진시킬 뿐만 아니라, 활성 산소종들을 과다하게 생성하여 신경독성을 유발할 수 있다. 따라서 이처럼 복잡하게 얽힌 여러 원인 인자들을 동시에 겨냥할 수 있는 새로운 알츠하이머병 치료제 개발이 필요하다.

임 교수 연구팀은 단순한 저분자 화합물의 산화 환원 반응을 이용해 알츠하이머병의 원인 인자들을 손쉽게 조절할 수 있음을 증명했다. 임 교수팀은 산화되는 정도가 다른 화합물들의 합리적 설계를 통해 쉽게 산화되는 화합물들은 알츠하이머 질병의 여러 원인 인자들을 한꺼번에 조절할 수 있다는 사실을 확인했다.

연구 결과, 임 교수 연구팀은 저분자 화합물의 산화 환원 반응으로 활성 산소종에 대한 항산화 작용의 가능성을 확인했을 뿐만 아니라 아밀로이드 베타 또는 금속-아밀로이드 베타의 응집 및 섬유 형성 정도 또한 확연히 감소되는 것을 실험적으로 증명했다.

이 밖에 알츠하이머병에 걸린 동물 모델(실험용 쥐)에 체외 반응성이 좋고 바이오 응용에 적합한 성질을 가지고 있는 대표 저분자 화합물을 주입한 한 결과, 뇌 속에 축적된 아밀로이드 베타의 양이 크게 줄어드는 현상과 함께 알츠하이머 동물 모델의 손상된 인지 능력과 기억력이 향상되는 결과를 확인했다.

이번 연구가 크게 주목받는 이유는 알츠하이머병을 치료하기 위한 화합물을 개발하는 데 있어 아주 단순한 방향족 저분자 화합물의 구조변화를 통해 산화 환원 정도를 조절하여 여러 원인 인자들을 동시에 조절할 수 있고 이러한 간단한 원리를 통해 누구나 손쉽게 치료제를 디자인할 수 있기 때문이다.

< 단순한 원리를 이용한 알츠하이머병 치료제 후보군 저분자 화합물의 개발 >

임미희 교수는“이번 연구는 아주 단순한 방향족 저분자 화합물의 산화 정도의 차이를 이용해 여러 원인 인자들과의 반응성 유무를 확연히 구분할 수 있다는 점을 증명한 데 의미가 있다”며, “이 방법을 신약 개발의 디자인 방법으로 사용한다면, 비용과 시간을 훨씬 단축시켜 최대의 효과를 가질 수 있다”고 덧붙였다. 임 교수는 이와 함께 “제시된 치료제의 디자인 방법은 다양한 퇴행성 뇌 질환 치료제들의 개발 성공 가능성을 높일 것으로 기대된다”라고 강조했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단, 기초과학연구원과 서울아산병원 등의 지원을 받아 수행됐다.

우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 소재 물성의 예측 오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄여 정확도를 한층 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술을 개발했다. 이번 기술 개발을 통해 기존 40%에 달했던 소재 물성 예측 오차율을 10% 내로 줄임으로써 소재 개발에 걸리는 시간과 비용을 크게 절약할 수 있을 것으로 기대된다.