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.

김민호 박사와 창원대 김원준 교수가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Societry)’ 1월 10일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : uMBD: A Materials-Ready Dispersion Correction that Uniformly Treats Metallic, Ionic, and van der Waals Bonding)

새로운 기능성 소재 개발의 중요성이 커지면서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 소재 물성을 정확히 예측해 새로운 소재를 설계하는 기술이 주목받고 있다. 소재 시뮬레이션 기술은 실제로 소재를 합성하고 평가하기 전에 가상 실험으로 다양한 소재 물성을 예측 및 설계하는 기술로, 주로 밀도범함수 이론(Density functional theory)이라는 양자 이론에 바탕을 두고 있다. 기존의 밀도범함수 이론은 소재 계면에서 반데르발스 힘을 정확하게 설명하지 못한다는 문제가 있었다. 반데르발스 힘은 전하의 일시적 쏠림으로 인해 분자가 순간적으로 극성을 띠면서 나타나는 당기는 힘을 뜻하는데, 이를 정확히 기술하지 못하기 때문에 소재 물성 예측 정확도가 떨어진다는 한계가 있다.

연구팀은 반데르발스 힘을 정확하고 효과적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발하고, 이를 밀도범함수 이론에 접목해 소재 시뮬레이션 기술의 정확도를 한층 높이는 데 성공했다. 연구팀은 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했다. 특히 반데르발스 힘은 분자 소재부터 금속 및 반도체 소재에 이르기까지 거의 모든 재료 내에서 소재 물성을 결정하는 데 중요한 역할을 해, 연구팀의 새로운 이론은 다양한 차세대 기능성 소재 설계 연구에 적용 가능할 것으로 기대된다. 실제로 연구팀의 새 시뮬레이션 방법을 통해 리튬 이온 배터리 물질의 전압이나 2차원 소재의 박리 에너지를 예측하는 과정에서 높은 정확도를 보인 것으로 확인됐다.

김형준 교수는 “소재 개발 연구에 있어 경쟁력 강화를 위해서 기초 연구의 중요성이 점차 커지고 있다”라며 “새로 개발한 소재 시뮬레이션 기술을 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 것이다”라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업과 선도연구센터 지원 사업 (SRC)의 지원을 통해 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 새롭게 개발한 이론 (uMBD)을 이용한 소재 시뮬레이션 기술과 기능성 소재 설계

〈 윤동기 교수, 박원기 박사과정 〉

우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀이 나선 나노 구조체를 만드는 액정 물질을 이용해 광결정(photonic crystal) 필름을 제작하고, 이를 이용해 식품이나 약물 등에 함유된 카이랄 물질을 별다른 기기 없이 눈으로 검출하는 데 성공했다.

이번 연구를 통해 기존의 광 식각공정(photolithography)으로 제작이 어려웠던 나노미터 크기의 카이랄 광결정 제작에 성공했으며, 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 이바지할 것으로 기대된다. 박원기 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)’ 8월 16일 자 온라인판과 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 12월 4일 자 표지논문에 게재됐다. (논문명 : Directed self-assembly of a helical nanofilament liquid crystal phase for use as structural color reflectors/Direct visualization of optical activity in chiral substances using a helical nanofilament (B4) liquid crystal phase)

잘 정렬된 나선형 나노 구조체를 만드는 일은 산업적 및 학문적으로 수요가 높은 기술로 여겨져 디스플레이 산업 및 광학 분야에서 꾸준히 연구되고 있다. 바나나 모양의 굽은형 액정분자는 고온에서 서서히 냉각될 때 무작위로 배향된 나선형 구조체를 형성한다. 이들을 잘 정렬할 수 있다면 카이랄 광결정으로 이용할 수 있으나, LCD용 액정 재료와는 달리 굽은형 액정분자를 정렬할 방법이 존재하지 않았다. 복잡한 분자구조의 액정 재료를 활용하기 위해선 극한으로 분자들의 거동을 제어하고 균일한 배향을 유도하는 기술이 필요하지만, 관련 기술의 부재로 응용되지 못했다. 연구팀은 LCD의 핵심 재료로 사용되는 일반형 액정분자보다 분자구조가 더 복잡한 굽은 형태의 액정분자가 형성하는 200~300나노미터의 나선 주기를 갖는 나선형 나노 구조체를 대면적에서 배향하는 데 성공했다. 이를 통해 빛을 반사하는 광결정을 제작했다.

다음으로 연구팀은 이들 분자를 제어하고 응용하기 위해, 빛에 의해 분자의 모양 및 배향이 바뀌는 현상인 광이성질체화(photoisomerization)를 유도할 수 있는 광 반응성 굽은형 액정분자를 설계했다. 연구팀은 이 액정분자들이 마치 해바라기가 빛을 따라가듯이 빛에 나란히 배향한다는 점에 착안해, 이들이 형성하는 나선 나노 구조체도 빛의 방향에 따라 매우 균일하게 세워질 수 있도록 제작했다. 이렇게 방향이 제어된 나선 나노 구조체는 분자의 길이에 따라 다양한 색을 보여 푸른색에서 초록색의 빛을 선택적으로 반사하는 일종의 카이랄 색상 거울로 활용할 수 있었다. 이러한 거울을 이용하면 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는 일상생활 속의 다양한 화학물질, 한 예로 설탕을 이루는 과당과 포도당의 경우 별다른 도구 없이 왼쪽 혹은 오른쪽의 카이랄성을 갖는다는 점을 관찰할 수 있었다.

윤동기 교수는 “의약품 및 관련 화학산업에서 물질의 카이랄성은 독성 및 부작용과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 60여 년 전에 임산부 입덧 방지용으로 쓰이던 탈리도마이드(thalidomide)라는 약은 카이랄성이 다를 경우 기형아를 유발할 수 있다는 점 때문에 금지된 바가 있는데, 이번 연구를 통해 카이랄성에 따라 부작용을 갖는 화학약품들을 제조단계에서부터 실시간으로 검출할 수 있게 될 것이다”라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 전략과제, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 교육부의 글로벌연구네트워크 사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈 표지

그림2. 배향된 액정필름을 이용하여 카이랄 시료를 검출하는 모식도

우리 화학과 임미희 교수 연구팀이 손상된 마이크로글리아의 식세포 작용을 회복시킬 수 있는 ‘가장 작은 합성 분자’를 발견하고, 알츠하이머 동물 모델들의 치료까지 입증해 세계적으로 주목받고 있다.

이번 연구는 세계적 과학 학술지인 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences of Prospects of the United States of America’ 저널에 11월 4일자로 게재됐다. 언론매체도 하이라이트 되고 있음 (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-11/potn-naa103019.php).

퇴행성 뇌 질환인 치매의 일종으로, 알츠하이머 병은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다고 제시됐다. 따라서, 이 질병을 치료하기 위해서 병의 원인을 정확히 파악하고 그에 맞는 치료제들을 개발하는 것이 무엇보다 중요하다.

아밀로이드-베타 펩타이드는 알츠하이머 병과 밀접한 관계가 있다고 보고되어왔다. 뿐만 아니라, 뇌의 신경 세포이며 면역 세포인 마이크로글리아는 신경염증반응을 하는데 중추적인 역할을 한다고 알려져 있다. 최근 들어, 아밀로이드-베타 펩타이드와 마이크로글리아의 신경염증 반응 사이의 상관관계가 알츠하이머 병을 일으킬 수 있는 주요한 원인으로 주목받고 있다.

본 연구팀은 알츠하이머 동물 모델들에 개발한 가장 작은 합성 분자를 주입한 후, 동물들의 인지 능력과 뇌 속에 존재하는 아밀로이드-베타 펩타이드의 양을 관찰하고, 병의 치료제로서 유효한 효과가 어떤 기작에 의해 발생하는지 조사하였다. 연구 결과, 본 연구팀이 보고하는 ‘가장 작은 합성 분자’는 NF-kB 경로의 억제를 통해 NLRP3 염증조절복합체를 구성하는 단백질인 ASC와 NLRP3의 발현을 억제시켜 마이크로글리아의 식세포 능력을 다시 회복시키는 것으로 나타났다. 정상적으로 회복된 마이크로글리아는 식세포 작용을 통해, 뇌 속에 존재하는 아밀로이드-베타 펩타이드의 양을 감소시켜, 알츠하이머 동물 모델들의 손상된 인지능력을 다시 향상시키는 것으로 보인다.

임미희 교수는 “이 연구는 마이크로글리아의 식세포 작용 손상을 복구시켜 알츠하이머 병을 치료할 수 있다는 것”을 보여주며, 더욱 나아가 “이번 연구에서 발견된 합성 분자를 바탕으로 다양한 퇴행성 뇌질환의 치료제 개발에 더욱 박차를 가할 것이다”라고 밝혔다. 이번 연구는 경북대학교 배재성 교수, 진희경 교수 연구팀과 함께 공동연구로 진행되었고. 한국연구재단, 한국과학기술원, 한국보건산업진흥원, 국가과학기술연구회 지원으로 수행되었다.

[그림] ‘가장 작은 합성 분자’를 통한 알츠하이머 병 치료 도전

우리 대학 화학과 김현우 교수 연구팀이 핵자기공명(NMR) 분광분석기를 통해 알코올 화합물의 광학활성을 간단히 분석할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 빠르고 간편한 분석 방법을 가지고 있어 다양한 알코올 화합물의 광학활성뿐만 아니라 비대칭 합성반응의 모니터링까지 폭넓게 응용 및 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

장수민 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 셀의 자매지 ‘아이 사이언스 (iScience)’ 9월 27일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : A Gallium-Based Chiral Solvating Agent Enables the Use of 1H NMR Spectroscopy to Differentiate Chiral Alcohols)

광학이성질체는 오른손과 왼손의 관계처럼 서로 같은 물질로 이뤄져 있으나 거울상 대칭이 되는 화합물을 말한다. 우리 몸의 필수 구성요소인 아미노산과 당은 하나의 광학이성질체로 이뤄져 있어, 새 화합물이 생체 내에 들어가면 그 화합물의 광학활성에 따라 서로 다른 생리학적 특징을 나타내기 때문에 신약개발에서 광학활성을 조절하고 분석하는 연구가 필수적이다. 광학활성을 분석하는 방법으로 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)가 주로 사용되며, 이를 통한 광학활성 분석 시장은 일본이 전체의 50% 이상을 차지하고 있다. 하지만 고성능 액체크로마토그래피는 분석에 30분에서 1시간이 소요되고 분석물이 발색단(發色團)을 가져야 분석 가능하다는 단점이 있다. 이에 비해 화합물의 분자 구조를 분석하는 데 많이 활용되는 핵자기공명(NMR) 분광분석기는 1~5분의 분석시간을 가지고 있으나, 광학활성 화합물의 신호를 분리하는 효과적인 방법이 규명되지 않았다.

김 교수 연구팀은 갈륨금속 중심의 음전하를 띤 금속 화합물을 합성하고 핵자기공명(NMR) 분광분석기를 활용해 효과적인 광학활성의 분석 방법을 개발했다. 연구팀은 금속 화합물과 광학활성 알코올 화합물 간 비공유 상호작용을 통해 핵자기공명 분광분석기의 신호가 구별돼 광학활성을 분석할 수 있는 원리를 이용했다. 기존 핵자기공명(NMR) 분광분석기를 통한 광학활성 분석은 알코올의 상온 분석 방법은 보고되지 않았다. 이번 연구는 다양한 작용기를 포함하고 있는 알코올 화합물의 상온 광학활성을 규명했다는 의의를 갖는다. 이번 연구에서 개발된 방법은 많은 신약 및 신약후보 물질의 광학활성 분석에 활용될 수 있으며, 특히 일본의 의존도가 높은 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)를 이용한 광학활성 분석 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 “핵자기공명 분광기를 활용한 광학활성 분석 관련 최고 수준의 기술이며, 신약개발에 필요한 광학활성 분석에 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 김현우 교수 연구성과 개념도

우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 대한민국 최고과학기술인상 상금 1억 원을 KAIST 발전기금으로 기부했다. 유기화학 분야의 세계적 권위자인 장석복 교수는 탄화수소 활성화 과정의 메커니즘 규명 및 이를 이용한 전이금속 촉매반응 개발에서 새로운 영역을 개척하고 발전시킨 공로를 인정받아 지난 7월 4일 대한민국 최고과학기술인상을 수상했다.

기초과학 분야에서 좋은 평가를 받게 되어 큰 영광으로 생각한다고 소감을 밝힌 장 교수는 “저의 대표 연구 업적을 포함한 모든 성과는 졸업생 및 재학생들이 만들어내 결과물로 저는 그저 우수한 구성원을 만난 행운이 있었을 뿐이다. 그런 면에서 좋은 연구 여건을 마련해준 제가 속한 이 곳에 대한 조그마한 감사를 드리고 싶었다”고 전했다. 장 교수는 2013년 경암상과 2018년 도레이 과학기술상 및 각종 과학상으로 받은 상금의 일부를 학과에 꾸준히 기부해왔다.

이번에 약정한 발전기금은 화학과 미래장학기금 및 류근철 스포츠컴플렉스 기금으로 각각 5000만 원씩 사용될 예정이다. 신성철 총장은 “의미 있는 수상금을 발전기금으로 흔쾌히 쾌척해 주셔서 감사드린다”며 “장 교수의 기부금은 세계적인 수준의 근접한 화학과의 발전에 기여함을 물론이고, 학생 및 교직원의 건강 증진에 도움을 주고 있는 류근철 스포츠컴플렉스의 운영에도 큰 도움이 될 것”이라고 말했다. 장 교수는 현재 KAIST 화학과 특훈교수와 더불어 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단장으로 재직 중이다.

우리 학과 박윤수 박사 (27, 지도교수: 장석복)가 화학분야 우수 신진연구자로 연달아 선정되며, 국제 과학계의 주목을 받고 있다. 화학분야 세계 최대 학술단체인 미국화학회(ACS)와 세계 최대 과학출판사인 엘스비어(Elsevier)는 젊은 연구자 상 최종 수상자로 박윤수 박사를 선정했다고 각각 밝혔다.

박 박사는 미국화학회가 지난 5월 15일 발표한 ‘2019 카스 퓨처 리더스(CAS Future Leaders) 최종 명단에 이름을 올렸다. 올해로 10회를 맞이한 카스 퓨처 리더스는 화학 및 관련 연구 분야에서 두각을 드러내고 있는 박사 및 박사후연구원에게 주어지는 상이다. 차세대 리더로써 잠재력을 갖춘 연구자를 선정해, 그들이 날개를 펼칠 수 있도록 네트워킹 등을 지원한다. 올해는 35개국 171명의 지원자 중 29명의 연구자가 최종 선발됐으며, 한국인은 박 박사가 유일하다.

한편, 엘스비어는 ‘2019 리액시스 PhD 프라이즈(2019 Reaxys PhD Prize)’ 수상자로 박윤수 연구위원이 선정됐다고 7월 30일 밝혔다. 2010년 출범한 리액시스 프라이즈는 최고 수준(best of the best)의 연구 역량을 갖춘 화학분야 연구자에게만 수여되는 상으로 명성이 높다. 올해는 360여 명의 후보자의 연구 성과 및 성장 가능성을 종합적으로 평가해 45명의 수상자를 뽑았다. 최종 수상자들은 ‘리액시스 프라이즈 클럽(Reaxys Prize Club)’의 평생회원이 돼 화학분야의 국제적인 석학들과 함께 연구를 공유하며, 공동연구를 모색할 수 있는 기회가 주어진다.

박윤수 박사는 한국과학기술원(KAIST) 화학과 학부 재학시절부터 장석복 IBS 분자활성 촉매반응 연구단장 지도하에 새로운 유기화학 반응개발을 중점적으로 연구 해왔다. 백무현 IBS 부연구단장의 공동 지도하에 양자화학적 계산을 이용한 새로운 촉매 설계에 성공하기도 했다. 대표적인 성과로 2018년 국제학술지 ‘사이언스(Science)’와 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 연달아 보고한 연구가 있다. 이 연구에서 연구진은 석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 유용한 의약품 및 화학소재 원료물질인 락탐을 합성하는데 성공했다. 이 외에도 박사과정으로 재학한 5년 동안 ‘미국화학회지(JACS)’를 포함해 저명한 국제학술지에 11편의 논문을 주저자로 게재했다.

박 박사는 “장석복, 백무현 교수님의 끊임없는 지도와 더불어 중장기적인 관점에서 연구를 지원하는 IBS의 정책 덕분에 연구에만 온전히 집중할 수 있었던 것 같다”며 “향후 유용성에도 불구하고 비싼 가격으로 인해 사용이 어려웠던 촉매의 가격을 낮추는 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 과학기술정보통신부와 한국과학기술단체총연합회의 2019년 ‘대한민국최고과학기술인상’ 수상자로 선정됐다.

장석복 특훈교수는 기초과학 분야인 ‘탄소-수소 결합 활성화 촉매 반응개발’ 분야에서 선도적인 업적을 달성하고 그 연구결과를 사이언스(Science), 네이처 케미스트리(Nature Chemistry), 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 등에 발표해 전 세계적 연구 방향을 주도하는 등 우리나라 자연과학의 위상을 세계적으로 드높이는데 크게 기여했다. 장 교수는 탄소-수소 결합으로부터 탄소-탄소 결합을 형성하는 전이금속 촉매반응 개발을 선도했으며, 탄소-수소 결합의 활성화를 통해 탄소-질소 결합을 형성하는 독창적인 로듐 촉매반응 개발, 이를 바탕으로 거울상 선택적으로 락탐 구조를 합성하는 획기적인 비대칭화 이리듐 촉매 반응을 개발해 학계의 오랜 난제를 해결했다. 장 교수의 탄소-질소 결합 형성 촉매 반응개발에 관한 일련의 선도적인 연구는 전 세계 대학과 기업의 합성․의약․재료 연구실에서 벤치마킹하고 있으며, 후속연구를 통해 국가 산업발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 장 교수는 2015～18년 동안 4년 연속 세계 1% 최상위 피인용 연구자로 선정되기도 했다.

대한민국 최고과학기술인상은 우리나라를 대표할 수 있는 업적이 뛰어난 과학기술인을 발굴해 명예와 자긍심을 높이고 연구개발에 전념할 수 있는 환경을 조성하기 위해 2003년부터 시상해 온 명실상부한 우리나라 최고의 과학기술인을 위한 상이다. 그동안 수상한 과학기술인은 총 42명(‘19년 수상자 포함)으로 자연(이학) 15명(36%), 생명(의약학, 농수산) 14명(33%), 공학 13명(31%)이며, 수상을 통해 연구개발에 매진해 국가발전 및 국민 복지 향상에 크게 기여한 바 있다.

과학기술정보통신부는 오는 7월 4일(목) 한국과학기술단체총연합회가 주최하는 2019년 대한민국과학기술연차대회 개회식에서 수상자들에게 대통령 상장과 상금 3억 원을 수여할 계획이다.

우리 대학 기계공학과 민범기 교수, 화학과 한순규 교수, 생명과학과 이승재 교수가 제2회 한성과학상 수상자로 선정됐다.

한성손재한장학회(이사장 손재한)가 제정한 한성과학상은 발전 가능성이 큰 젊은 과학자들을 매년 발굴해 포상함으로써 연구자의 사기를 높이고 그들의 연구성과물이 대한민국 및 인류복지증진에 이바지하기 위해 만들어졌다.

매년 물리, 화학, 생명과학 분야에서 각 1명씩 선정해 상패와 상금 5천만 원을 수여한다. 올해는 우리 대학에서 모든 수상자가 배출됐다. 시상식은 오는 8월 16일 경기도 화성 YBM 연수원에서 열린다.

화학 분야 수상자인 한순규 교수는 역대 수상자 중 최연소로(만 36세) 천연물 전합성 분야에서 두드러진 연구 결과와 장래성을 인정받아 수상자로 선정됐다. 자연에서 추출되는 복잡한 구조의 천연물을 실험실에서 인공적으로 만드는 천연물 전합성 분야는 연구의 난도가 높고 연구의 호흡이 길어 젊은 과학자가 도전하기에는 상당한 어려운 분야이다. 한 교수는 생합성 가설에 기반한 합성전략을 통해 난제로 여겨진 포스트-이보가 및 이합체 세큐리네가 천연물의 화학적 합성에 성공했다. 한 교수의 연구 결과는 마약중독 치료제 및 항암제 등의 후보물질 개발에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

화학 분야 수상자인 한순규 교수는 “한성과학상의 제정 취지가 젊은 과학자를 격려해 우리나라에서도 노벨상 수상자가 나올 수 있는 분위기를 조성하는 것이다”라며 “인류에 도움이 되는 새로운 학문 분야를 개척할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.

우리 대학 화학과/나노과학기술대학원 윤동기, 기계공학과 김형수 교수 공동 연구팀이 마이크로 크기의 DNA 2차원 마이크로패치 구조체를 제작하고 이를 제어, 응용하는 기술을 개발했다.

윤 교수 연구팀은 커피가 종이에 떨어지고 물이 마르면 동그랗게 환 모양이 생기는 이른바 ‘커피링 효과’라 불리는 현상을 DNA 수용액에 적용해 세계 최초로 DNA 기반의 마이크로패치를 제작했다. 차윤정 박사, 박순모 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 7일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Microstructure arrays of DNA using topographic control)

유전 정보를 저장하는 기능을 하는 DNA는 이중나선 구조와 나노미터 주기의 규칙적인 모양을 가져 소재 분야에서 일반적인 합성방법으로는 구현하기 힘든 정밀한 구조재료이다. 정밀한 DNA 합성과 오리가미(Origami) 기술을 이용해 스마일 패치(smile patch) 등의 재미있는 모양을 구현해 왔지만, 재료의 가격이 높아 실제 응용에 어려움을 겪었다. 윤 교수 연구팀은 이를 극복하기 위해 연어에서 추출한 DNA 물질을 이용해 기존보다 1천 배 이상 저렴한 비용으로 잘 정렬된 뜨개질(knit) 혹은 아이스크림콘 모양의 기존에 없던 마이크로패치 구조체를 대면적에서 구현했다.

연구팀은 DNA가 물에 녹으면 마치 물풀과 끈적끈적해지면서 서로 적당한 힘으로 끌어당기며 일정한 방향으로 정렬하는 액정상(liquid crystal phase)을 보인다는 점에 주목했다. 액정 표시장치(LC display 혹은 LCD)에서 액정분자들이 전기장을 통해 방향성이 제어되는 것처럼 수용액 상태의 DNA 액정상이 두 기판 사이에서 문질러지며 물의 증발이 이뤄질 때 DNA 나노 구조체들이 원하는 방향으로 정렬하게 된다. 과일 잼을 식빵에 바르면 과일 알맹이(pulp)가 한 방향으로 잘 펴 발라지면서 마르는 현상과 유사하다. 연구팀은 DNA가 한 방향으로 문질러져서 마를 때 바닥에 평평한 기판 대신 일정한 모양을 갖는 수 마이크론 크기의 기둥(혹은 요철)들이 있는 기판을 사용하면 2차원의 뜨개질 모양, 아이스크림콘 모양 등 좀 더 흥미로운 들을 제작할 수 있음을 확인했다. 또한, 금 나노막대와 같은 플라즈몬 공명(plasmon resonance)을 나타내는 소재와 결합해 디스플레이 소자에 응용을 시도했다. 플라스몬 공명은 금속으로 만들어진 기판에 빛을 쪼일 때 그 표면 위에서 전자가 일정하게 진동하면서 자신의 에너지와 일치하는 빛에만 반응하는 현상으로 특정한 색만 반사하여 선명도와 표현력을 높이는 데 사용된다.

이 방식에서 가장 중요한 점은 어떤 방향으로 금 나노막대가 정렬하는지를 나타내는 배향(orientation)이다. 즉 막대들이 한 방향으로 나란히 정렬될 때 광학·전기 특성이 극대화된다. 윤 교수 연구팀은 이러한 점에 착안해 DNA 마이크로패치를 일종의 틀로 삼아 금 나노막대들을 독특한 형태로 배향하고 플라즈몬 컬러 기판을 제작하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 DNA 2차원 마이크로패치 제작 기술은 DNA를 구조재료 및 전자소재로써 활용할 수 있는 단서를 마련했을 뿐 아니라 증발 현상과 DNA 액정물질이 접목될 때 나타나는 독특한 형태의 복잡한 분자 거동 해석에 대한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 윤 교수는 “연구를 통해 밝힌 것처럼 DNA가 금 나노막대와 같은 광학 소재와 복합체를 쉽게 만들 수 있는 만큼, 자연계에 무한히 존재하는 DNA를 디스플레이 관련 분야의 신소재로서 응용할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 전략과제, 멀티스케일 카이랄 구조체 연구센터, 미래유망 융합기술 파이오니아사업과 신진연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. DNA 분자 배향 모식도

그림2. DNA-금 막대 입자 복합체의 배향 양상과 나타나는 플라즈모닉 광학 현상

우리과에 재직 중인 임미희 교수가 Royal Society of Chemistry 학술지인 Chemical Science (IF=9.063) Editorial Advisory Board로 선정되었습니다. Prof. Mi Hee Lim was selected as a member of the Editorial Advisory Board of Chemical Science.

화학과 송현준 교수 연구팀이 이산화탄소를 70% 이상 에틸렌으로 변환하면서 수소가스 외에 부산물이 발생하지 않는 전기화학 나노촉매를 개발했다.

이번 연구는 중성 탄산수 전해질을 이용해 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 70% 이상의 높은 선택성으로 제조하면서 수소 외의 부산물이 나오지 않아 다양한 에너지 제조 및 저장 반응에 이용 가능할 것으로 기대된다. 김진모, 최웅 박사가 공동 1 저자로 참여하고 박준우, 김민준 박사과정, 베를린공대 김청희 박사가 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of The America Chemical Society)’에 4월 9일자로 게재됐다.

태양광과 바람으로 대표되는 신재생 전기에너지는 공급량과 수요량의 차이가 있어 과잉 공급량을 보관할 대용량 저장장치가 필요하다. 이에 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장하는 전기화학 프로세스가 대안으로 떠오르고 있다. 전기에너지를 이용한 이산화탄소 변환기술은 태양광을 이용한 광촉매보다 에너지 효율이 뛰어나고 메탄뿐 아니라 에틸렌, 에탄올 등의 탄소화합물을 만들 수 있어 활용가치가 높다. 특히 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 생성할 수 있어 해당 분야에서 크게 주목받고 있다. 이 기술은 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있다는 장점이 있지만, 현재까지 개발된 전기화학 촉매는 선택성이 떨어지고 다양한 혼합 생성물이 제조돼 추가 분리 과정이 필요하다는 한계가 있다.

문제 해결을 위해 연구팀은 구리(I)산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지 모양의 구리(II)산화물 나노입자로 합성했다. 이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극 물질로 활용했고, 이를 중성 수용액에서 반응 실험한 결과 이산화탄소에서 70% 이상의 에틸렌을 얻었다. 연구팀은 부산물 발생을 억제하기 위해 구리산화물이 전기에너지에 의해 환원될 때 그 구조가 작은 결정 크기를 갖도록 유도했다. 이를 통해 형성된 4~5나노미터 크기의 구리산화물 구조는 표면 반응성이 크게 향상되는 동시에 탄소 물질에 의해 안정화된 이상적인 촉매 구조를 갖게 됐다. 그 결과로 나노입자 촉매 중에서는 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보였다.

송현준 교수는 “전기에너지를 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응은 높은 효율에 비해 선택성이 낮았으나, 이번 연구처럼 촉매 구조를 나노 수준에서 균일하게 조절하는 경우 반응 특성을 크게 높일 수 있다.”라며 “이번 연구는 나노 수준의 촉매 디자인이 고효율 에너지 제조 촉매 개발에 필수적인 역할을 하고 있음을 보여준다.”라고 말했다.

이번 연구는 차세대 탄소자원화 사업단과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

제목: Tunable regulatory activities of 1,10-phenanthroline derivatives towards acid sphingomyelinase and Zn(II)–amyloid-β

내용: The cover image shows 1,10-phenanthroline derivatives as chemical modulators for acid sphingomyelinase, Zn(II)-bound amyloid-β, or both. Utilizing such chemical modulators, both the aggregation and clearance of Aβ could be controlled. This work was mainly carried out by two graduate students, Yelim Yi and Jiyeon Han, from Professor Mi Hee Lim’s group.

우리 대학 나노융합연구소(연구소장 정희태)는 3월 25일 본교 KI 빌딩 패컬티 컨퍼런스룸에서 제 9회 ‘KINC 융합연구상’ 시상식을 개최했다.

‘KINC 융합연구상’은 참여 교수들의 융합 연구를 장려하고 연구 의욕을 고취하기 위해 제정되었다. 전년도 실적을 기준으로 나노융합연구 업적이 우수한 연구자를 포상해 융합연구 분위기를 더욱 북돋으려는 취지다.

9회째를 맞는 올해는 수상 부문을 ‘최다수 융합논문’ 부문과 ‘최우수 융합논문’ 부문으로 나눠 진행했다.

교내‧외 다양한 연구진과 공동 연구한 융합논문 실적수가 가장 많은 연구자를 선발하는 ‘최다수 융합논문’ 부문에는 신소재공학과 김일두 교수가 최우수상 수상자로 선정되었으며, 나노과학기술대학원 서명은 부교수, 신소재공학과 전석우 교수가 우수상을 수상했다.

행사를 주최한 나노융합 연구소 정희태 소장(생명화학공학과 교수)은 “융합은 미래 사회와 산업에 혁명을 일으킬 핵심 키워드로 이번 시상이 연구자들에게 융합 연구의 중요성을 보다 강조할 수 있는 계기가 되길 바란다”며, “앞으로도 융합연구가 발전할 수 있는 연구 환경을 조성하기 위해 나노융합연구소가 앞장서겠다.”고 밝혔다. 
  
한편, 나노융합연구소(KAIST Institute for the NanoCentury, KINC)는 나노과학기술분야에서 학과 간의 경계를 허물어 진정한 학제 간 공동연구를 촉진하고 창조적인 융합연구를 추진하기 위해 지난 2006년 6월 KAIST 연구원 산하 조직으로 설립되었다. KAIST의 대표적인 융합연구소로 자리 잡은 나노융합연구소는 14개 학과 100여 명의 교수가 참여하고 있으며, 세계를 선도하는 나노융합연구 허브대학연구소를 목표로 활발한 연구 성과를 배출하고 있다. 

자연계의 많은 분자들은 자신과 똑 닮은 ‘쌍둥이 분자’를 갖고 있다. 이들은 구성하는 원소의 종류와 개수가 같아도 서로 완전히 다른 성질을 나타낸다. 특히 쌍둥이 분자가 서로를 거울에 비친 모습과 같은 형상을 띈 경우를 ‘거울상 이성질체’라고 한다.

우리 대학 화학과 장석복 교수(IBS 분자활성 촉매반응 연구단장)와 IBS 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류의 분자만을 선택적으로 합성할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 또 이 촉매를 이용해 자연에 풍부한 탄화수소화합물을 의약품의 필수재료인 카이랄 락탐으로 제조하는 데도 성공했다.

거울상 이성질체는 왼손과 오른손처럼 서로를 거울에 비춰보면 같은 모양이지만, 아무리 회전시켜도 겹칠 수 없는 이성질체를 말한다. 거울상 이성질성 또는 카이랄성(Chirality)이라고 불리는 이 특성은 의약품 개발에도 매우 중요하다. DNA, 단백질 등 생체물질 역시 카이랄성을 지녀 개발된 약물의 유형에 따라 각각 다른 생리활성을 나타내기 때문이다. 또 한 쪽 유형이 유용할지라도, 다른 유형의 이성질체는 독약이 될 수도 있다. 하지만 유용한 이성질체만을 선택적으로 합성하는 비대칭반응(asymmetric synthesis)은 아직까지 현대 화학의 난제로 꼽히고 있다.

연구진은 새로운 촉매 개발로 이 난제를 해결했다. 연구팀은 2018년 3월 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 자연계에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 감마-락탐 화합물로 전환시키는 이리듐 촉매 개발 성과를 발표한 바 있다. 하지만 당시 개발된 촉매 역시 두 가지 형태의 거울상 이성질체가 선택성 없이 모두 얻어진다는 단점이 있었다.

이번 연구에서 연구진은 수십여 개의 후보 촉매 중 카이랄 다이아민(Chiral Diamine) 골격을 포함한 이리듐 촉매가 99% 이상의 정확도로 거울상을 선택할 수 있음을 발견했다. 개발된 촉매는 필요에 따라 카이랄성 감마-락탐을 골라서 합성할 수 있다. 왼손잡이성 이리듐 촉매를 사용할 경우엔 왼손잡이성 감마-락탐이, 오른잡이성 이리듐 촉매를 사용하면 오른손잡이성 감마-락탐을 제조할 수 있다.

이후 연구진은 계산화학 시뮬레이션 연구를 통해 높은 선택성의 원인을 분석했다. 가령, 왼손잡이성 촉매를 사용한 경우에는 락탐의 합성과정에서 카이랄 다이아민 촉매와 탄화수소화합물 사이에는 일시적인 수소 결합이 발생하고, 이로 인해 왼손잡이성 락탐 형성이 촉진된다는 사실을 확인했다.

연구진은 개발한 촉매를 통해 다양한 구조를 갖는 카이랄 락탐 화합물을 합성하는 데도 성공했다. 이렇게 합성된 카이랄 락탐은 독특한 입체적 특성 때문에 생체 단백질과의 상호작용이 유용하다. 특히 우리 신체를 구성하는 아미노산 유도체나, 천연물도 모두 카이랄성 분자인 만큼, 신체 내 생리활성을 효과적으로 높인 약물 개발이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구를 이끈 장석복 단장은 “약효를 갖는 의약품의 핵심 단위만 선택적으로 제조할 수 있는 기술로 향후 유기합성 및 의약분야 연구로 이어져 부작용을 덜고 효과는 높인 신약개발까지 이어지리라 기대한다”며 “자연계에 풍부한 탄화수소화합물을 재료로 고부가가치 원료를 제조할 수 있다는 경제적 효과도 있다”고 말했다.

연구성과는 화학분야 권위지인 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 2월 19일자(한국시간) 온라인 판에 실렸다.

그림1) 개요

그림2) 카이랄 락탐을 응용한 실제 의약품과 거울상 이성질체에 대한 예시

그림3)새로운 이리듐 촉매 반응 메커니즘 연구

우리대학 화학과 임미희 교수가 1월 21일 서울 양재동 엘타워에서 개최된 2019년 한국과학기술한림원이 신년하례식, 신입회원 수여식에서 2019년도 한국차세대과학기술한림원 신입 회원으로 상을 수여했다.

우리 학교 이지운 교수(수리과학과)와 변혜령 교수(화학과), 김호민 교수(의과학대학원)가 과학기술정보통신부로부터 2018년 올해의 젊은과학자상 수상자로, 그리고 이해신 교수(화학과)는 올 10월 ‘이달의 과학기술인상’ 수상자로 각각 선정돼 지난 14일 국립과천과학관에서 열린 ‘2018 우수 과학자 포상’ 통합시상식에서 수상했다.

올해의 젊은과학자상을 수상한 이지운 교수는 랜덤행렬 이론 분야에서 지난 수십 년 간 연구돼온 난제를 해결했고, 변혜령 교수는 표면·계면에서 발생하는 전기화학반응을 통해 에너지 저장시스템 분야에서 성과를 냈으며, 김호민 교수는 패혈증 발병기전과 치료제 개발에 기여했다.

이와 함께 이해신(화학과) 교수는 세계 최초로 ‘무출혈 주사바늘’을 개발해 에이즈, 에볼라, 간염 바이러스 등 환자 혈액에 따른 2차 감염 문제를 근본적으로 방지하는데 기여한 공로를 인정받아 이달의 '과학기술인상' 10월 수상자로 선정돼 14일 열린 통합시상식을 통해 함께 수상했다.

우리 학과 임미희 교수는 한국인 최초 및 아시아 여성과학자 최초로 2018년 Society of Biological Inorganic Chemistry (SBIC) Early Career Award를 수상하였습니다. 이 상은 생무기분야에서 탁월한 연구와 발전에 공헌한 우수 연구자를 선정하여 격려하기 위해 2007년 Society of Bioinorganic Chemistry에서 수여하고 있습니다.

The award will be presented to an early career scientist (no more than 15 years post-Ph.D. at the nomination deadline) who has already accomplished distinguished research in Biological Inorganic Chemistry. The SBIC Early Career Award is the most competitive and valuable recognition of excellence in the field of Biological Inorganic Chemistry.

Society of Bioinorganic Chemistry: http://sbichem.org/SBIC-Awards.aspx

우리 대학 나노과학기술대학원/화학과 윤동기 교수 연구팀이 액정의 결함을 이용해 마이크론 크기의 공기 기둥을 만들고, 이를 이용해 모자이크 만화경(kaleidoscope) 패턴을 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 향후 자연계에서 존재하는 다양한 형태의 반복적 모자이크 구조의 형성에 대한 이해를 도울 수 있는 기초연구가 될 수 있을 것으로 기대된다. 이를 기반으로 액정기반의 나노 재료를 활용해 디스플레이, 광학 및 화학 센서 등의 응용기술에 다양하게 기여할 것으로 기대된다.

김대석 박사가 1저자로 참여하고 슬로베니아 루블라냐 대학(University of Ljubljana)의 우로스 트칼렉(Uros Tkalec) 교수와의 국제 공동 연구로 수행된 이번 연구는 국제 학술지 사이언스의 자매지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: (영문)Mosaics of topological defects in micropatterned liquid crystal textures, (국문)마이크로 패턴이 형성된 액정의 위상 결함 모자이크 패터닝) 액정 재료는 손쉬운 배향 제어, 빠른 반응 속도, 이방적(anisotropic)인 광학 특성으로 인해 액정표시장치(LCD), 광학 센서 등에 활용되는 대표적 유기 소재이다. 이때 액정의 결함을 최소화하는 것이 성능 유지를 위해 유리한 것으로 알려졌지만 물질의 특성상 액정의 결함은 불가피하게 발생한다. 그러나 최근 액정의 결함이 오히려 광학적, 구조적 및 탄성적 기능을 가진 것으로 주목받으면서 액정물질은 더 이상 LCD 광학 소재의 전유물이 아닌 전기광학 및 센서 분야를 포함한 다양한 분야에서 용용 가능성이 매우 큰 것으로 평가받고 있다. 하지만 액정물질은 물풀처럼 흐르는 특성과 마치 도미노처럼 한 부분의 영향으로 전 영역이 변하는 장범위 규칙(long range order)을 갖는 탄성 때문에 결함 구조를 대면적에 규칙적, 일관성 있게 패터닝 하는 것은 매우 어렵다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대기 상태의 공기층이 액정물질을 만났을 때 수직 배향을 유도한다는 사실에 주목했다. 이를 효과적으로 이용하기 위해 마이크로 크기 패턴의 기판과 유리기판 사이에 액정을 주입해 공기주머니를 자발적으로 형성함으로써 수십 마이크론 내에서 액정분자들을 사방으로 잡아주는(anchoring) 시스템을 개발했다. 이를 통해 효과적으로 액정의 결함 구조를 대면적에서 제어해 모자이크 문양의 패터닝에 성공했다. 이번 연구의 핵심기술은 액정물질이 공기층 패턴 내에서 온도에 따라 변하는 상전이(phase transition) 속도에 있다. 상전이 속도가 빠르면 빠를수록 액정이 급속으로 성장하며 더욱 균일한 패턴을 형성한다. 반면 느린 상전이 속도에서는 액정물질의 탄성과 공기층의 고정 에너지(anchoring anergy)의 균형이 비대칭적으로 전개되며 불균일한 결함 구조를 만든다.

연구팀은 이런 상전이 속도에 따른 비대칭 및 비가역적 결함 구조 형성은 다양한 비 평형적 자연현상에서도 유사한 패턴으로 관찰된다는 점에 착안해 물리적 경제적으로 거의 불가능한 자연현상에 대한 실험 모델로 이번 연구를 접목할 수 있다고 밝혔다. 예를 들어 반도체 물질의 결정 성장에서 형성되는 결함 구조, 블랙홀을 포함한 특이점(singularity)을 형성하는 중력 점 간의 형성 원리, 응집물리(condensed matter)에서 원자들 간 상호작용 등 넓은 범위의 자연현상에 대해 유사성을 표현할 수 있는 실험적 모델을 정립할 수 있을 것으로 기대된다. 윤 교수 연구팀은 위상결함(topological defect)의 밀도 조절을 통해 복잡하고 다양한 2차원 모자이크 패턴을 형성하는 기술도 선보였다. 위상학적 결함 구조는 마치 전기의 음양 전하처럼 위상학적 전하(topological charge)를 갖는 음양 결함으로 정의할 수 있다. 이때 항상 음과 양이 짝을 이루어 위상학적 중립을 가지려는 규칙을 갖는다.

연구팀은 이러한 액정결함의 물리적 현상을 바탕으로 상기 공기층과 기판의 화학처리를 결합해 규칙적인 배열을 유지하는 동시에 위상결함의 밀도를 조절해 기술을 완성했다. 이러한 면적분할(tiling) 기반의 모자이크 패턴은 다양한 산업 및 실용 디자인에 적용할 수 있는 예술적 가치를 가지고 있을 뿐 아니라 세포막의 이중구조, 유기탄화시료 및 다양한 무기 결정구조면 등에 활용 가능할 것으로 보인다.  윤 교수는 “우리나라가 액정 디스플레이 산업의 강국이지만 액정 기초연구는 세계적 수준에 비해 높지 않다”라며 “이번 연구를 계기로 국내 관련 기초연구 관심도가 높아지는 계기가 되길 바란다”라고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부와 더불어 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업과 전략연구과제의 일환으로 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. 공기 층의 사각 및 다이아몬드 패턴에서 형성 된 네마틱 액정의 편광현미경 사진

그림2. 액정패턴이 형성되는 편광현미경 이미지들 

광주과학기술원 신소재공학부 최창혁 교수(왼쪽)와 한국과학기술원 화학과 김형준 교수 [한국연구재단 제공]

한국연구재단은 광주과학기술원(GIST) 최창혁 교수·한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수 연구팀이 불균일 촉매에서도 일산화탄소로 백금 촉매 활성을 높이는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

산업용 촉매는 넓게 보면 균일계·불균일계 촉매로 나눌 수 있다. 촉매와 반응물의 상(phase)이 같으면 균일계, 서로 다르면 불균일계 촉매로 본다. 예컨대 촉매와 반응물이 모두 기체 상태라면 해당 촉매는 균일 촉매다. 연탄가스에 들어 있는 일산화탄소는 사람의 목숨을 앗아갈 정도로 독성을 지니고 있다. 그런데 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 같은 균일 촉매의 경우, 일산화탄소가 백금 촉매 촉진제로서 작용하기도 한다. 백금 촉매는 자동차 배기가스 유해 물질 제거나 수소연료전지 수소 생산 등에서 활용한다. 비싼 게 흠인데, 공정 단가를 낮추기 위해선 백금 촉매 성능 향상이 필수적이다.

[일산화탄소에 의해 활성이 촉진되는 백금 촉매 시스템 모식도]

연구팀은 불균일 백금 촉매에서도 일산화탄소가 촉매 활성을 돕는다는 현상을 규명했다. 전기화학적 수소 생산 반응에서 일산화탄소가 존재하면 백금 촉매 활성이 2배 가까이 늘었다고 연구팀은 설명했다. 이 현상은 단일 원자 백금이 황 원자로 둘러싸인 형태의 촉매일 때 관측된다. 분광 분석법으로 살핀 결과 일산화탄소 영향으로 단일 원자 백금과 황 원자 결합이 일부 끊어지고 일산화탄소와의 결합이 새로 생겼다.균일 촉매처럼 불균일 촉매에서 중심 금속과 리간드(중심원자에 결합한 이온이나 분자)와의 상호작용이 발생한 것이다.

 (a) 단일 원자 백금 촉매와 상용 백금 촉매의 전기화학적 수소 생성 반응성 그래프(b) 단일 원자 백금 촉매와 일산화탄소로 개질된 단일 원자 백금 촉매 구조 [한국연구재단 제공]

최창혁 교수는 "균일계 촉매에서 보이는 화학적 현상을 불균일계 촉매에서도 구현할 수 있는 시스템을 발견한 것"이라며 "균일계·불균일계 촉매 틈을 연결하고 장점만을 구현한, 새로운 형태의 촉매 개발을 지속해서 연구할 계획"이라고 말했다. 논문은 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society) 1일 자에 실렸다.

연합뉴스 발췌

우리 대학 화학과 한순규 교수 연구팀이 마약중독 치료제, 항암제 후보물질로 쓰일 수 있는 천연물을 인공적으로 합성하는 데 성공했다. 연구팀은 시중에서 구할 수 있는 카타란틴(catharanthine)을 원료로 해 산화와 재배열을 통해 7종의 이보가 및 포스트이보가 천연물을 합성해냈다. 이번 연구결과는 마약중독 치료제, 항암제 후보물질 생산의 원천기술이 될 것으로 기대된다.

성시광, 임형근 석박사통합과정이 공동 1 저자로 참여한 연구는 화학 분야 국제 학술지이자 셀(Cell) 자매지인 ‘켐(Chem)’ 11월 15일 자에 게재됐다. (논문명 : Biosynthetically Inspired Transformation of Iboga to Monomeric Post-Iboga Alkaloids, 생합성 가설에 기반한 이보가 알칼로이드의 단위체 포스트이보가 알칼로이드로의 변환) 

이보가 알칼로이드가 학계의 관심을 끈 이유는 이들의 천연물군이 마약중독 치료제로써 가능성을 보였기 때문이다. 또한 이보가 알칼로이드가 생 합성적으로 변형된 천연물 중 빈블라스틴(vinblastine)은 현재 항암제로 쓰이고 있다. 최근에는 이보가 알칼로이드로부터 자연적으로 파생된 다양한 형태의 천연물군이 대거 발견되며 학계와 산업계의 관심도 커지고 있다. 천연물 전합성(全合成)은 간단한 시작물질로부터 다단계의 화학반응을 통해 원하는 천연물을 합성하는 학문 분야이다. 그러나 이 다단계 화학반응을 거치는 과정에서 합성효율이 낮아지는 한계가 있다. 한 교수 연구팀은 이보가 알칼로이드 천연물인 카타란틴이 미 식품의약국(FDA) 승인 항암제인 나벨빈(Navelbine®)의 공업원료로 쓰여 시중에서 쉽게 구할 수 있다는 점에 착안했다. 산화와 재배열을 통해 카타란틴의 구조를 변형시켜 고부가가치의 포스트이보가 천연물을 효율적으로 합성했다. 연구팀은 이번 연구에서 이보가 알칼로이드에서 자연적으로 파생되면서 분자적 재배열을 이룬 천연물군을 ‘포스트이보가’ 알칼로이드라고 이름 지었다. 그리고 다양한 효소의 작용을 통해 식물 내에서 이뤄지는 이보가 골격의 분자적 재배열을 화학적으로 구현하는 데 성공했다. 한 교수팀이 합성에 성공한 포스트이보가 알칼로이드는 타버틴진(tabertinggine), 보아틴진(voatinggine), 디피닌(dippinine) B로 이 중 보아틴진과 디피닌 B는 최초의 합성이다. 특히 디피닌 천연물군은 30년 이상 학계의 관심을 받아왔음에도 정복하지 못한 난공불락의 천연물로 여겨졌는데 한 교수 연구팀이 이번에 최초로 합성에 성공했다.