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연구성과
김상룡 교수팀, ‘척수소뇌실조증’ 최신 유전자 치료 연구 동향 및 치료 전략 종합 분석… 차세대 치료 방향 제안
국내 연구진이 희귀·난치성 뇌질환 중 하나인 ‘척수소뇌실조증(Spinocerebellar ataxia, SCA)’의 최신 유전자 치료 연구 현황을 종합적으로 분석한 리뷰논문을 발표하고, 유전자 도입 및 발현 제어에 기반한 미래 유전자 치료 전략의 중요성을 제시했다. 소뇌실조증은 소뇌의 위축이나 기능 이상으로 인해 보행 장애, 균형 감각 저하, 발음 이상, 운동 조절 장애 등이 점진적으로 나타나는 대표적인 난치성 신경퇴행성 질환이다. 이 가운데 척수소뇌실조증은 다양한 유전자 변이에 의해 발생하는 유전성 질환군으로, 발병 원인에 따라 여러 아형으로 세분화된다. 현재 치료는 주로 증상 완화와 재활에 의존하고 있으며, 질병의 진행을 근본적으로 억제하거나 중단할 수 있는 치료법은 현재까지 개발된 바 없다. 따라서, 각 질환 아형의 유전적 원인과 병리 기전에 기반한 정밀 치료 전략의 개발이 절실히 요구되고 있다. 생명공학부 김상룡 교수 연구팀이 주도한 이번 논문은 척수소뇌실조증의 최신 유전자 치료 연구 동향을 종합적으로 분석했다. 연구진은 질환의 세부 유형별 발병 원인과 병리 기전을 바탕으로 기존 치료 전략의 성과와 한계를 검토하는 한편, 유전자 도입 및 발현 제어 기술을 활용한 차세대 맞춤형 유전자 치료 전략을 소개했다. 특히 안티센스 올리고뉴클레오타이드(ASO), RNA 간섭(RNAi), 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집, 아데노연관바이러스(AAV) 기반 유전자 보충 등 최신 유전자 치료 기술의 작용 원리와 적용 가능성을 종합적으로 분석했다. 이와 함께, 단순한 기술 소개를 넘어 기술별 적용 가능한 질환 유형과 전임상·임상 연구 현황을 비교·분석해 질환 아형별 맞춤형 치료 전략의 필요성과 향후 연구 방향도 제안했다. 아울러 뇌 조직 내 정확한 전달을 위한 전달체 개발, 치료의 안전성 및 표적 특이성 확보, 장기적인 치료 효과 등 실제 치료제 개발 과정에서 해결해야 할 핵심 과제도 함께 제시했다. 교신저자인 김상룡 교수는 “이번 리뷰논문은 척수소뇌실조증의 다양한 유전적 원인과 병리 기전을 바탕으로 유전자 치료 전략의 현재 수준과 향후 발전 방향을 체계적으로 정리했다는 점에서 의미가 크다. 향후 치료 표적 선정과 전달체 개발, 안전성 평가 및 임상시험 설계에 실효적인 도움을 줄 것으로 기대한다.”라고 말했다. 경북대 생명공학부 석·박사통합과정 어혜미 학생이 제1저자로 참여하고, 한국뇌연구원 김형준·김재광 박사가 공동 교신저자를 맡았으며, 경북대 의과대학 석경호·이호원 교수도 공동저자로 참여한 이번 리뷰논문은 약리학 및 약학 분야의 최고 권위 국제학술지인 ‘트렌즈 인 파마콜로지컬 사이언스(Trends in Pharmacological Sciences, IF 24.0, JCR 상위 0.4%)’에 7월 9일 온라인 게재됐다. *Title of original paper: Gene therapy for spinocerebellar ataxias *Abstract Spinocerebellar ataxias (SCAs), rare neurodegenerative disorders characterized by progressive cerebellar degeneration, cause impaired balance and motor dysfunction. Although most cases are inherited, sporadic forms also occur, and effective disease-modifying therapies remain unavailable despite advances in understanding their genetic and molecular mechanisms. This unmet need is particularly significant because many SCAs are monogenic disorders caused by well-characterized mutations, making them promising candidates for gene- and RNA-based therapies. Recent advances in antisense oligonucleotides, RNA interference, vector engineering, and genome editing have increasingly enabled the alignment of therapeutic strategies with specific mutational architectures. Therefore, this review aims to examine how genetic subclassification informs platform selection, summarize recent advances in gene- and RNA-based therapeutics, and outline key translational barriers to clinical implementation in SCAs. *Journal: Trends in Pharmacological Sciences *Web Link: https://doi.org/10.1016/j.tips.2026.06.008 <사진 왼쪽부터 김상룡 교수, 어혜미 석·박사통합과정생>
2026-08-04
화학교육과 여현욱 교수팀, 재가공 가능한 차세대 액정 고분자 소재 개발
가루로 부수고 다시 성형해도 액정 질서 유지… 방열 소재·유연전자·소프트 로보틱스에 활용 가능한 차세대 재활용 액정 고분자 기술 제시
화학교육과 여현욱 교수팀이 가루 형태로 분쇄한 뒤 다시 성형해도 액정 고분자의 핵심 질서를 유지하는 차세대 재활용 액정 고분자 소재를 개발했다. 이번 연구는 한 번 굳으면 다시 가공하기 어려운 기존 액정 고분자 네트워크의 한계를 넘어, 열과 압력을 가해 재가공하면서도 액정 특유의 스멕틱 질서와 형상기억 특성을 유지할 수 있는 액정 탄성체 비트리머(LCE-v)를 구현했다는 점에서 주목된다. 향후 방열 필름, 유연 전자소자, 소프트 로보틱스, 재활용 가능한 고성능 코팅 등 첨단 기능성 소재 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 액정 고분자 네트워크는 분자들이 규칙적으로 배열돼 있어 높은 기계적 안정성, 열전달 특성, 자극응답성 등을 나타낼 수 있다. 그러나 일반적인 액정 고분자는 한 번 가교되면 구조가 고정돼 손상되거나 폐기된 뒤 다시 가공하기 어렵다. 반대로 재가공 가능한 동적 고분자 네트워크를 도입하면 소재를 다시 성형할 수 있지만, 이 과정에서 액정 분자의 질서가 무너져 기능성이 저하되는 고질적인 상충 관계가 있었다. 여 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 하나의 분자 안에 두 개의 액정 단위를 갖는 ‘트윈-메조겐(twin-mesogen)’ 구조를 설계했다. 트윈-메조겐 구조는 액정 단위 사이의 협동적 상호작용을 강화해 외부 정렬 공정 없이도 소재 내부에 스멕틱 액정 질서가 형성되도록 돕는다. 연구팀은 여기에 열에 의해 재배열될 수 있는 동적 공유결합 네트워크를 결합해, 재가공성과 액정 질서 유지라는 두 가지 특성을 동시에 구현했다. 연구팀은 설계된 액정 단량체를 티올–엔 클릭 반응을 통해 용매 없이 열경화시켜 액정 탄성체 비트리머를 제조했다. 이 소재는 열을 가하면 내부 네트워크가 서서히 재배열되며 응력을 완화하고, 잘게 부순 뒤 다시 압축 성형해도 하나의 필름 형태로 재가공됐다. 특히 기존 재가공성 액정 탄성체에서 흔히 필요한 기계적 재연신이나 전기장·자기장 기반 외부 정렬 공정 없이도, 액정의 핵심적인 1차 스멕틱 층 구조가 유지된다는 점이 핵심이다. 실험 결과, 개발된 소재는 가루 형태로 분쇄한 뒤 200 °C에서 열과 압력을 가해 재가공한 후에도 열전도도가 0.428 W m⁻1 K⁻1에서 0.416 W m⁻1 K⁻1로 거의 유지됐다. 이는 재가공 과정에서 고분자 네트워크가 재배열되더라도 액정 기반의 열전달 경로가 크게 손상되지 않았음을 보여준다. 또한 2회 반복 재가공 후에는 파단신율이 초기 약 14.5%에서 최대 약 125%까지 증가해, 단순히 재활용되는 수준을 넘어 보다 유연한 네트워크 구조로 재구성될 수 있음을 확인했다. 형상기억 성능도 뛰어났다. 연구팀은 소재를 U자 형태로 변형한 뒤 고정하고, 다시 열을 가해 원래 형태로 회복시키는 실험을 5회 반복했다. 그 결과 형상 고정률은 약 99.4–100% 수준을 유지했으며, 형상 회복률은 반복 실험 전 과정에서 100%를 나타냈다. 이는 소재가 반복적인 열자극과 변형에도 안정적으로 임시 형상을 기억하고 원래 형태로 되돌아갈 수 있음을 의미한다. 여현욱 교수는 “이번 연구는 액정 고분자가 가진 높은 기능성과 비트리머의 재가공성을 하나의 소재 안에서 구현한 사례”라며 “특히 재가공 과정에서도 액정의 핵심 질서를 유지할 수 있다는 점에서 기존 재활용 고분자 소재와 차별화된다”고 설명했다. 이어 “향후 고효율 방열 소재, 플렉서블 전자소자, 재활용 가능한 고성능 코팅, 소프트 로보틱스 등 다양한 첨단 산업 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 화학교육과 기능성유기재료연구실 연구진이 주도했으며, 교신저자는 여현욱 교수와 구교선 연구초빙교수, 제1저자는 Thu Loan Dang 석박사통합과정생이다. 연구 결과는 세계적 권위의 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 12.5)’에 10월 1일자 게재 예정이다. *Title of original paper: Spontaneous Order-Preserving Liquid-Crystalline Elastomeric Vitrimers *Abstract The realization of covalent adaptable networks (CANs) that can be dynamically reconfigured while preserving structural order remains a fundamental challenge for ordered polymer networks. Liquid-crystalline networks (LCNs) exhibit mesogenic ordering; however, their irreversibly fixed topologies restrict reprocessability and structural adaptability. Although vitrimer chemistry enables thermally activated bond exchange without loss of crosslink density, its integration into LC systems is nontrivial because network rearrangement can disrupt long-range ordering. Herein, we report a LC elastomeric vitrimer (LCE-v) that combines dynamic adaptability with retention of structural organization. An allyl-functionalized twin-mesogen architecture was rationally designed and polymerized via solvent-free bulk thermal curing using thiol-ene click chemistry, enabling rapid and selective network formation under controlled kinetics. This approach minimizes disruption of mesogenic organization while generating a structurally uniform dynamic network without photopolymerization or solvent-based processing. The resulting LCE-v exhibits thermally activated stress relaxation, reprocessability, and recyclability via associative bond exchange while retaining the primary smectic ordered structure, even after repeated reprocessing cycles. Furthermore, the LCE-v demonstrates thermally triggered shape-memory behavior arising from stable mesogenic ordered domains. Overall, this study establishes a general design framework for order-preserving dynamic networks and provides guidelines for the design of next-generation materials with high performance, reconfigurability, and sustainable processability. *Journal: Chemical Engineering Journal *Web Link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178899 <사진 왼쪽부터 여현욱 교수, 구교선 박사, Thu Loan Dang 석박사통합과정생>
2026-08-03
김경진 교수팀, PET 분해효소 성능 좌우하는 ‘효소 표면의 두 원리’ 규명
표면 밀착 각도’와 ‘전하 특성 조절’로 분해 속도 2.8배 향상 및 공정 비용 절감
생명공학부 김경진 교수팀이 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 플라스틱을 분해하는 효소(PETase)의 성능을 좌우하는 새로운 원리를 잇달아 규명했다. 페트병, 의류, 자동차 내장재 등에 두루 쓰이는 PET를 효소로 분해해 원료 물질로 되돌린 뒤 무한 재활용하는 ‘바이오촉매 재활용(BR)’ 기술은 ‘효소 성능’이 핵심이다. 효소 성능이 높을수록 같은 양의 플라스틱을 처리하는 데 드는 효소 사용량과 반응 시간, 즉 공정 원가를 직접적으로 낮출 수 있기 때문이다. 지금까지 효소공학은 플라스틱 사슬을 직접 잘라내는 촉매 부위, 이른바 ‘가위’에 해당하는 영역을 개량하는 전략에 주로 집중해 왔다. 이에 김 교수팀은 촉매 부위뿐만 아니라 효소의 ‘표면’ 역시 성능을 좌우하는 핵심 요인임을 새롭게 제시했다. 우선 연구팀은 CaPETase(칼디셀룰로시루프루스 유래 페타제) 분해효소 표면에 존재하는 SEC-loop(작은 고리 구조)가 효소의 PET 접근을 방해한다는 사실을 밝혀냈다. 이 돌출된 구조를 줄이자 분해 속도가 최대 2.8배 빨라졌다. 이는 효소가 붙는 양이 아니라 ‘제대로 된 각도’로 밀착하는 것이 관건임을 입증한 결과로, 쿠부(Kubu-P), LCC 등 대표적인 분해효소 전반에 통하는 공통 원리로 확인됐다. 이어 연구팀은 효소의 입체 구조뿐만 아니라, 표면의 ‘전하 특성’을 조절해 반응 환경의 한계를 극복하는 데도 성공했다. 우수한 PET 분해효소들은 대부분 알칼리성(pH 8~9)에서 작동하지만, 분해 과정에서 반응액이 산성화되어 지속적인 염기 용액 투입에 따른 공정 비용과 탄소 배출 부담이 컸다. 연구팀은 효소 표면의 전하 환경을 조정해 알칼리성 조건에서 PET 표면과 발생하던 정전기적 반발력을 제거했으며, 이를 통해 더 넓은 pH 범위에서 높은 활성을 유지할 수 있는 효소 설계 기술을 확보했다. 이번 연구 성과는 효소 표면 개량이 바이오촉매 공정의 비용과 탄소 배출을 줄이는 새 전략이 될 수 있음을 시사한다. 앞서 김 교수팀이 발굴·개량해 세계적 학술지인 사이언스(Science)’에 발표한 바이오촉매 ‘쿠부M12(Kubu-PM12)’를 비롯한 다양한 분해효소에 활용될 수 있다. 김 교수가 대표로 있는 경북대 기술지주 자회사 ㈜자이엔은 바이오촉매 재활용 기술의 실증(POC) 연구를 진행하며 사업화 가능성을 검증하고 있다. 김경진 교수는 “이번 연구들은 그동안 주목받지 못했던 효소 표면의 구조와 전하가 플라스틱 분해 성능을 좌우할 수 있다는 점을 보여준다. 촉매 부위에 더해 효소 표면까지 활용하는 새로운 설계 전략을 통해 더 적은 효소로 더 빠르고 저렴하게 플라스틱을 되살리는 기술을 현실로 만들어 가겠다.”라고 밝혔다. 관련 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 15일, ‘저널 오브 해저더스 머티리얼즈(Journal of Hazardous Materials)’에 4월 21일 각각 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 바이오·의료기술개발사업, 한국산업기술진흥원과 산업통상부의 산업기술혁신사업 등의 지원으로 수행됐다. *논문 정보 1. Mechanistic insights into modulation of productive substrate accessibility for efficient PET depolymerization (Nature Communications, 2026) - Web Link: https://www.nature.com/articles/s41467-026-74839-7 2. Effect of surface electrostatic potential on pH-activity profile in PET depolymerases (Journal of Hazardous Materials, 511, 2026) - Web Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438942601157X
2026-08-03
신효근 교수팀, 부식에 강한 3차원 다층 유연 바이오전자 플랫폼 개발
웨어러블·이식형 의료기기 및 장기 신경 인터페이스 적용 가능성 제시
전자공학부 신효근 교수팀이 기존 구리 기반 유연 회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board)의 생리학적 환경에서 부식 문제를 해결하고, 전자회로와 바이오센서를 하나의 유연한 기판에 집적할 수 있는 3차원 다층 유연 바이오전자 플랫폼을 개발했다. 향후 웨어러블·이식형 의료기기나 장기 신경 인터페이스, 폐쇄루프(closed-loop) 바이오전자 시스템 등 차세대 바이오전자 시스템 분야에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다. 최근 몸에 붙이거나 이식하는 의료기기가 발전하면서, 전기회로와 바이오센서를 단일 기판에 통합하는 유연 바이오전자 기술이 주목받고 있다. 특히 의료기기의 소형화와 고기능화를 위해서는 다층(Multi-layer) 구조를 이용한 고집적 회로 구현이 필수적이다. 그러나 기존 유연 회로기판은 주로 구리 배선을 사용해 체액 등 전해질 환경에서 쉽게 산화·부식되는 한계가 있었다. 이 때문에 바이오센서로 직접 활용하기 어려웠으며, 다층 구조 제작 시 복잡한 반도체 공정이 필요해 제작 비용과 공정 난이도가 높았다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 은 나노와이어와 탄소나노튜브를 레이저 유도 그래핀(LIG, Laser-Induced Graphene)과 결합한 ‘하이브리드 전도체’를 제안했다. 이 하이브리드 전도체는 기존 단일 LIG 배선보다 전도도를 4.5배 높였고, 구리 배선의 산화·부식을 효과적으로 억제했다. 장기간의 생리학적 환경과 반복적인 굽힘 변형, 다양한 pH 조건에서도 높은 기계적·화학적 안정성을 확보했다. 이어 연구팀은 단일 레이저 장비만 이용해 전도체 형성, 회로 패터닝, 층간 연결을 수행하는 전(全) 레이저 공정을 구현했다. 포토리소그래피나 클린룸 공정 없이도 다층 플렉서블 회로를 손쉽게 제작할 수 있게 된 것이다. 이러한 고전도성 배선 기술과 레이저 공정을 바탕으로, 연구팀은 하나의 기판 위에 전자회로와 바이오센서를 동시에 구현하는 ‘3차원 유연 바이오전자 플랫폼’을 최종 완성했다. 연구팀은 개발된 플랫폼을 이용해 무선 블루투스 기반 LED 제어 회로를 제작하고, 안정적인 전기적 연결과 층간 절연 특성을 확인했다. 생쥐 대상 뇌파(EEG) 측정 실험에서는 상용 FPCB 전극 수준의 신호 기록 성능을 확인했으며, 다층 구조에서도 신호 감쇠나 층간 간섭 없이 안정적으로 뇌 신호를 기록했다. 또한 동일한 플랫폼의 각 층에 효소 기반 바이오센서를 독립 집적해 포도당과 젖산을 동시에 측정하는 다층 전기화학 바이오센서를 구현했다. 실험 결과 생리학적 농도 범위에서 높은 민감도와 선택성을 나타내, 기존 구리 기반 FPCB에서는 구현하기 어려웠던 전자회로와 바이오센서의 통합 플랫폼 구현 가능성을 입증했다. 신효근 교수는 “이번 연구는 기존 구리 기반 유연 회로기판이 생리학적 전해질 환경에서 쉽게 산화·부식되어 바이오센서로 활용하기 어려웠던 한계를 개선하고, 전자회로와 바이오센서를 하나의 유연한 다층 플랫폼에 통합했다는 점에서 의미가 크다. 향후 웨어러블 헬스케어 기기뿐만 아니라 이식형 의료기기, 장기 신경 인터페이스 및 폐쇄루프 바이오전자 시스템 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 이번 연구의 교신저자는 신효근 교수, 제1저자는 전자전기공학부 김기헌 박사과정생이다. 연구 결과는 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)에 7월 16일 게재됐다. *Title of original paper: Monolithic all-laser fabricated 3D bioelectronic platforms with multilayer hybrid interconnects for multimodal sensing *Abstract Soft, flexible biointerfaces are attractive tools for tracking both biophysical and biochemical signals, yet conventional two-dimensional (2D) planar electrode arrays suffer from limited functional density, and standard metallic interconnects undergo bio-corrosion and oxidation in physiological fluids. Here, we report a monolithic, all-laser manufacturing strategy for 3D-integrated, multilayered flexible biointerfaces based on a structurally doped silver-nanowire/carbon-nanotube–laser-induced-graphene (AgNW/CNT–LIG) hybrid. Produced by a single-instrument, maskless, cleanroom-free workflow, the hybrid conductor attains an intrinsic electrical conductivity of 16.5 ± 1.04 kS/m—a 4.5-fold gain over pristine LIG—with mechanical durability under bending deformation over 2000 cycles. During laser sintering, the porous graphene matrix structurally encapsulates the AgNWs, shielding the metal from the electrolyte and providing markedly superior long-term stability in 1× PBS at 37 °C and against pH-induced corrosion relative to bare AgNW and Cu traces. Vertically stacking the channels into a four-layer architecture interconnected by laser-drilled vias yields ∼5 MΩ/cm interlayer isolation with uniform, reproducible trace resistance, eliminating the lateral crosstalk of coplanar arrays. We demonstrate the platform through three functions on a single architecture: a wirelessly operated flexible circuit, in vivo electroencephalography, and simultaneous electrochemical sensing of glucose (1.167 μA/mM) and lactate (1.081 μA/mM). This scalable route establishes a high-performance foundation for next-generation 3D bioelectronics and implantable closed-loop systems. *Journal: Biosensors and Bioelectronics *Web Link: https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.119033 <사진 왼쪽부터 신효근 교수, 김기헌 박사과정생>
2026-07-29
김웅 교수팀, 독성 용매 없앤 차세대 기능성 소재 ‘DES-MOF’ 리뷰 논문 발표
온실가스 포집·오염물질 제거 등 다양한 산업 분야 적용 가능한 차세대 친환경 기술 제시
김웅 교수팀이 독성 유기용매를 대체할 친환경 용매인 심층 공융용매(DES)를 활용한 차세대 기능성 소재인 ‘DES-MOF(Deep Eutectic Solvent-engineered Metal-Organic Framework)’의 설계 원리와 제조 메커니즘, 미래 응용 가능성을 체계적으로 정리한 리뷰논문을 발표했다. 이번 연구는 기존 소재의 독성과 구조적 불안정성 한계를 극복하고, 온실가스 포집·오염물질 제거·센서·에너지 등 다양한 산업 분야에 적용 가능한 친환경 소재 정밀 설계의 학문적·기술적 토대를 제시했다. 금속-유기 골격체(MOFs, Metal-Organic Frameworks)는 금속 이온과 탄소 기반 유기 연결체를 결합해 만든 나노 수준의 입체 구조체다. 넓은 내부 표면적과 조절 가능한 기공 구조를 갖춰 온실가스 포집이나 오염물질 흡착용 기능성 소재로 주목받아 왔다. 그러나 기존 제조 공정에서는 독성이 강한 유기용매가 다량 사용되며, 수분이나 화학적 환경에 대한 안정성이 낮을 뿐만 아니라 높은 생산 비용이 상용화의 한계로 지적돼 왔다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 생분해성이 우수하고 제조가 간단하며 독성이 낮은 ‘심층 공융용매(DES, Deep Eutectic Solvents)’를 활용한 DES-MOF 기술에 주목했다. DES는 MOF의 구조적 안정성과 기능성을 향상시킬 수 있는 친환경 용매로 평가된다. 이번 연구에서 연구팀은 지난 10년간 발표된 DES-MOF 관련 연구를 체계적으로 분석해 친환경 합성, 결정 및 기공 구조 제어, 표면 기능화, 흡착·센서 및 환경·에너지 분야의 응용 기술 등을 종합 정리했다. 아울러 DES가 MOF의 결정 성장과 활성점 형성, 구조적 결함 및 표면 특성 제어에 미치는 작용 메커니즘을 종합적으로 제시했다. 이를 바탕으로 DES-MOF가 이산화탄소 등 온실가스 선택적 포집, 휘발성 유기화합물(VOCs) 제거, 중금속 및 난분해성 오염물질 제거, 의약품·식품 유해물질 검출용 고감도 센서, 차세대 에너지 저장 및 촉매 소재 등 다양한 분야에 적용될 수 있음을 제시했다. 연구팀은 DES-MOF 기술이 단순한 친환경 용매 활용을 넘어 소재의 결정 구조와 물성을 정밀하게 설계하는 플랫폼 기술로 발전할 가능성이 높다고 평가했다. DES가 금속 이온과 유기 연결체의 결합 환경을 조절해 원하는 구조와 기능을 구현함으로써 기존 소재의 한계를 극복할 수 있다는 설명이다. 김웅 교수는 “이번 연구는 친환경성과 기능성을 동시에 확보할 수 있는 DES-MOF 기술의 미래 발전 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 탄소중립 사회 구현을 위한 환경·에너지 소재 개발뿐만 아니라 바이오 및 반도체 소재 분야까지 활용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 화학공학 분야 세계적 국제학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 7월 13일 게재됐다. 제1저자는 대학원 건설환경에너지공학부 비슈와짓 차브다(Vishwajit Chavda) 박사후연구원, 교신저자는 환경공학과 김웅 교수다. *Title of original paper: Deep eutectic solvent engineered metal-organic frameworks (DES-MOFs): A green pathway toward next-gen advanced functional materials *Abstract Deep eutectic solvent-engineered metal–organic frameworks (DES-MOFs) are a new class of hybrid materials that combine the flexible structure of MOFs with the tunable properties of DESs, enabling the development of next-generation functional materials. This review presents recent progress from basic design to practical applications, focusing on synthesis methods, coordination chemistry, and performance. DES-based preparation routes, such as ionothermal synthesis, solvent-directed crystallization, and post-synthetic modification, are discussed with respect to their effects on crystal growth, metal-ligand interactions, and structural stability. The role of DESs in modifying MOF structures is explained through hydrogen bonding, polarity control, and defect formation, which influence pore structure and active sites. Applications of DES-MOFs include adsorption of inorganic gases, hydrocarbons, and volatile organic compounds (VOCs), as well as sorptive extraction methods such as solid-phase microextraction (SPME), solid-phase extraction (SPE), and magnetic solid-phase extraction (MSPE). Their use in detecting pharmaceuticals, heavy metals, pesticides, dyes, and food contaminants using fluorescence and electrochemical techniques is also summarized. Finally, the potential environmental advantages, scalability challenges, and cost aspects of DES-MOF systems are critically evaluated. While selected DESs can improve MOF structure and performance through modulation of the coordination environment, their overall sustainability depends on the composition of the DES, solvent recovery, toxicity profile, and life-cycle considerations. *Journal: Chemical Engineering Journal *Web Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726068178 <사진 왼쪽부터 김웅 교수, 비슈와짓 차브다 박사후연구원>
2026-07-29
김명진 교수팀, 텅스텐 단원자로 물 해리·수소 흡착 상충관계 극복
알칼라인 수전해에서 물 분자의 해리와 수소 중간체 흡착에 서로 다른 전자구조가 요구돼 발생하는 반응 한계를 해결한 고효율 수소발생 촉매가 개발됐다. 에너지공학부 김명진 교수팀은 한양대학교 ERICA 김병현 교수팀과 공동으로 니켈수산화물 나노시트에 텅스텐 단원자를 도입해, 물 분자의 해리와 수소 중간체의 흡착을 서로 다른 활성점에서 효율적으로 수행하는 W-Ni(OH)2 촉매를 개발했다. 수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 친환경 수소 생산 기술이다. 그러나 알칼라인 환경에서 일어나는 수소발생반응은 먼저 물 분자를 분해해 수소 중간체를 생성한 뒤, 이를 촉매 표면에 적절히 흡착시켜 수소 기체로 전환해야 한다. 물 분자의 해리에는 전자가 부족한 활성점이 유리한 반면, 수소 중간체의 흡착과 방출에는 적절한 금속성이 필요해 하나의 활성점에서 두 조건을 동시에 만족시키기 어려웠다. 연구팀은 이러한 상충관계를 해결하기 위해 티타늄 폼 위에 형성한 니켈수산화물 나노시트에 텅스텐 원자를 개별적으로 분산시켰다. 전자가 부족한 6가 텅스텐 단원자는 물 분자를 강하게 분극시켜 산소-수소 결합의 분해를 촉진하는 역할을 수행한다. 동시에 텅스텐 단원자는 주변 니켈수산화물 격자를 압축해 니켈의 전자 궤도 구조를 변화시켰다. 이에 따라 인접한 니켈 활성점의 수소 흡착 세기가 최적화됐으며, 텅스텐에서 물이 해리된 후 생성된 수소 중간체가 주변 니켈 활성점으로 이동해 수소 기체로 전환되는 ‘활성점 분리형 협력 반응 메커니즘’이 구현됐다. 개발된 W-Ni(OH)₂ 촉매는 상용 백금 촉매와 유사한 수준의 수소발생 활성을 나타냈으며, 높은 전류 조건에서는 백금 촉매보다 우수한 성능을 보였다. 실제 음이온교환막 수전해 단전지에서도 상용 백금 촉매 기반 전극보다 낮은 전압으로 작동했으며, 500시간 이상 장시간 안정적인 수소 생산 성능과 약 99%의 패러데이 효율을 유지했다. 김명진 교수는 “이번 연구는 물 해리와 수소 흡착이라는 상반된 기능을 하나의 활성점에 동시에 부여하는 대신, 원자 수준에서 서로 다른 활성점에 분담시켜 알칼라인 수소발생반응의 근본적인 한계를 극복한 것”이라며, “단원자를 주된 반응점으로만 사용하는 기존 접근에서 나아가 주변 촉매의 구조와 기능을 조절하는 촉진제로 활용한 만큼 다양한 전기화학 촉매 설계에도 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구사업과 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 제1저자는 에너지공학부 정태영 박사이며, 김명진 교수와 한양대 ERICA 김병현 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제저명학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 19.7, JCR: 상위 1.7%)’에 6월 1일자로 온라인 게재되었으며 12월 15일자에 출판될 예정이다. *Title of original paper : Breaking the water dissociation–hydrogen adsorption trade-off through W single-atom engineering for alkaline hydrogen evolution *The sluggish kinetics of alkaline hydrogen evolution reaction (HER) arise from conflicting electronic demands of successive elementary steps, as Volmer water dissociation favors electron-deficient centers while optimal H* adsorption requires near-thermoneutral binding. Here, we address this trade-off by incorporating isolated tungsten single atoms into layered Ni(OH)2 nanosheets on titanium foam (W-Ni(OH)2). Structural and spectroscopic analyses reveal that W incorporation imposes compressive lattice strain, augmenting octahedral crystal-field splitting and elevating Ni eg-derived states. The cathode delivers superior HER performance in 1 M KOH (η10 = 44 mV, Tafel slope = 28 mV dec−1) and performs comparably to Pt/C at higher current densities (η50 = 82 mV). Operando spectroscopy and density functional theory substantiate a cooperative site-separated mechanism wherein electron-deficient W6+ centers facilitate near-barrierless water dissociation, while nascent H* migrates to neighboring Ni sites with near-thermoneutral adsorption energetics. An anion-exchange membrane water electrolyzer achieves 1.65 V at 1.0 A cm−2 and sustains 500 mA cm−2 over 500 h with minimal voltage drift and near-unity Faradaic efficiency. This work demonstrates that dual-role single-atom engineering offers a transferable strategy for overcoming intrinsic kinetic constraints in alkaline electrocatalysis. *Journal: Applied Catalysis B: Environment and Energy *Web Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337326006764 <사진 왼쪽부터 김명진 교수, 정태영 박사>
2026-07-24
김명옥 교수팀, 미세먼지 금속성분이 난자 미토콘드리아 기능 교란해 생식 독성 유발 규명
대학원 축산BT학과 김명옥 교수팀은 대기에 존재하는 미세먼지 금속 성분의 노출이 암컷 생식세포인 난자의 미토콘드리아 기능과 산화환원 항상성을 교란해 생식 독성을 유발할 수 있음을 규명했다. 이번 연구는 실제 환경 노출을 반영한 금속 혼합물 (metal mixture)이 난자 수준에서 어떤 세포·분자적 손상을 유도하는지를 체계적으로 분석했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 마우스 모델을 이용해 금속 혼합물에 노출된 난자를 분석한 결과, 미토콘드리아의 비정상적인 세포 내 분포와 함께 활성산소종(ROS)이 유의미하게 증가함을 확인했다. 또한 JC-1 염색 분석을 통해 미토콘드리아 막전위가 현저히 감소해 에너지 대사 기능이 손상됐음을 밝혔다. 이러한 결과는 미세먼지에 의해 암컷 생식 건강과 수정 능력 및 난임에도 영향을 미치는 잠재적 위험성을 평가하는 데 중요한 과학적 근거가 될 것으로 기대된다. 김명옥 교수는 “이번 연구는 미세 금속 혼합물 노출이 난자의 에너지 대사 조절과 세포 항상성 유지 기전에 미치는 영향을 단순한 형태학적 변화가 아닌, 미토콘드리아 기능, 대사 활성, 세포 내 항상성 관련 기능적 지표를 통해 분석했다는 점에서 기존 연구와 차별성을 갖는다. 이를 통해 미세먼지 금속 성분 노출 조건에서 난자 질 저하와 발달률 감소가 나타나는 원인을 기전적으로 이해할 수 있는 근거를 제시했다. 이러한 결과는 향후 생식 독성의 조기 예측 지표 발굴은 물론, 환경 유해 요인으로부터 난자의 기능을 보호하기 위한 표적 보호 전략 및 중재 기술 개발로 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)에서 지원하는 중견연구자지원사업과 대구RISE센터에서 진행된 지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 글로컬대학 30 및 경북RISE사업을 통해 수행됐다. 교신저자는 김명옥 교수이며, 제1저자는 대학원 축산BT학과 김채연 박사과정생과 박근혜 석사과정생이다. 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Journal of Hazardous Materials (IF=10.6, JCR: 상위 6.25%)’에 6월 12일 온라인 게재됐으며, 과정생으로서는 드물게 “한빛사 (한국을 빛낸 사람들)”에 나란히 이름을 올렸다. * Title of Original Paper: Effects of metal components in PM2.5 derived from pig farm exposure on ovarian function and oocyte quality *Abstract Particulate matter (PM2.5), an environmental pollutant composed of various components, can affect multiple organs. In particular, PM2.5 generated in pig farms contains substances produced in enclosed livestock environments, such as decomposed feed and manure, animal hair, and byproducts of animal activity. However, comprehensive studies investigating the effects of PM2.5 concentration, composition, and metal content on female reproductive function remain limited. In this study, we evaluated the impact of metal components in pig farm-derived PM2.5 on ovarian function and oocyte quality by exposing mice to intratracheal instillation. One week after exposure to metal components (calcium, iron, aluminum, zinc, and lead), ovarian development, apoptosis, and related molecular mechanisms were examined. We investigated their effects on oocyte maturation and developmental competence. The results showed that metal exposure induced ovarian inflammation and apoptosis via the PI3K/AKT signaling pathway. Furthermore, impaired oocyte maturation, spindle abnormalities, abnormal mitochondrial distribution, elevated reactive oxygen species (ROS) levels, and activation of mitochondrial membrane potential (MMP) and TGF-β were observed. In conclusion, our findings indicate that the metal components of PM2.5 from a pig farm can adversely affect ovarian function and oocyte maturation. * Journal: Journal of Hazardous Materials * Web Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389426016808 <사진 왼쪽부터 김명옥 교수, 김채연 박사과정생, 박근혜 석사과정생>
2026-07-23
경북대·ETRI·KAIST, ‘불 안 붙는 전해질’ 설계 원리 규명
전기차 배터리 화재 원인 잡았다!
국내 공동 연구진이 고성능 전기차와 에너지저장장치(ESS)의 핵심 부품인 리튬이온전지의 화재 및 열폭주 위험을 크게 낮출 수 있는 전해질 기술을 개발했다. 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀은 KAIST 신소재공학과 서동화 교수팀, ETRI 이명주 박사팀과 공동연구를 통해 고에너지밀도를 유지하면서도 우수한 화재 안전성을 동시에 확보할 수 있는 비가연성 전해질 설계 기술을 개발했다. 리튬이온전지는 에너지 밀도가 높지만 화재와 열폭주 위험이 약점으로 지적돼 왔다. 특히 고성능 전기차용 고니켈 양극 배터리는 가혹한 구동 환경에서 화재 가능성이 커 안전성 확보가 필수적이다. 연구팀은 기존 전해질에 보편적으로 사용돼 단가 면에서 유리한 불소계 첨가제(FEC, Fluoroethylene Carbonate)에 자체 개발한 난연성 첨가제(P2PFS)를 최적 비율로 혼합 적용해 전지 수명 손실이 없는 비가연성 전해질 시스템을 설계했다. 최적화된 새로운 전해질 시스템은 발화 지연 능력을 평가하는 연소 시험에서 발화 지속 시간을 종전보다 절반 수준 이하로 크게 낮춰, 화염에 노출되어도 불이 거의 붙지 않는 비가연성에 가까운 특성을 구현했다. 동시에 연구팀은 개발한 전해질의 화학적 성능 유지 특성을 확인하기 위해 고온과 고전압 환경에서 구조가 매우 불안정해지는 ‘고니켈 양극(NCM955) 리튬전지’에 적용한 테스트를 진행했다. 그 결과 극도로 혹독한 구동 조건에서도 전해질이 파괴되지 않고 양극 표면을 안정적으로 보호하며, 200회 이상 급격한 충·방전을 거듭한 후에도 초기 용량의 83% 이상을 유지하는 우수한 수명 특성을 나타냈다. 특히 전지 열폭주의 주원인인 산소 발생을 효과적으로 억제하는 메커니즘을 규명했다. 충전 시 양극재에서 나오는 유해 산소를 자체 개발한 난연 첨가제가 포집해 안정한 물질로 전환함으로써 발화 원인을 억제하는 원리다. 연구팀은 이 기술을 실제 상용 제품 규격인 1Ah급 중대형 파우치셀에 적용해 실증에도 성공했다. 대용량 배터리 환경에서 750회 이상 충·방전한 후에도 초기 용량의 85.2%를 유지했으며, 특히 완전히 충전된 배터리를 못으로 찌르는 가혹한 관통 시험에서도 화재나 폭발 없이 최고 온도를 49도 수준으로 제어하며 높은 안전성을 입증했다. 또한, 시차주사열량계(DSC)와 질량분석기(MS) 테스트에서도 전지 열폭주의 원인 중에 하나인 전지 내 산소 발생이 적극적으로 억제됨을 실험적으로 검증했다. 오지민 교수는 “이번 연구는 단순히 난연 첨가제를 개발한 것이 아니라, 배터리 내부 산소 반응을 제어하는 열역학적 설계 원리를 제시한 연구다. 전기차, ESS, 로봇, 드론, 미래 항공 모빌리티 등 고안전성이 요구되는 다양한 분야에 적용 가능한 차세대 전해질 설계 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 지원을 받아 수행됐다. 교신저자는 경북대 오지민 교수와 KAIST 서동화 교수이며, 제1저자는 ETRI 이명주 박사와 KAIST 신욱선 연구원이다. 재료과학 분야 국제 저명 학술지인 ‘스몰(Small)’에 6월 18일 온라인 게재됐다. *Title of original paper: Combined Thermodynamic-Electrochemical Understandings of Non-Flammable Electrolyte for High-Nickel Lithium Batteries *ABSTRACT The high flammability of high-energy-density lithium batteries remains a critical safety challenge, while the low reduction potential and high cost of conventional flame-retardant materials limit their practical use. Here, we report a synergistic design strategy for non-flammable and fluorine electrolyte additive combinations that stabilize high-nickel layered cathodes and enable both high energy density and safety. Through a systematic additive screening and thermodynamic analysis based on Gibbs free energy–derived reduction potentials of P2PFS (4,4'-(propane-2,2-diyl) bis (4,1-phenylene) disulfo- fluoridate) and related species, we identified additive interactions that suppress exothermic decomposition of carbonate electrolytes. The optimized electrolyte exhibited near non-flammability, significantly improved cycle retention (83% after 200 cycles at 0.3 C), and enhanced interfacial robustness, as confirmed by XPS and TEM analyses. Moreover, 1 Ah-level Li (Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2‖graphite full cells demonstrated excellent long-term stability (>700 cycles) and no thermal propagation under nail penetration, validating the intrinsic safety of our formulation. The combined thermodynamic–electrochemical approach provides new insights into designing next-generation electrolytes that harmonize non-flammability, cost-effectiveness, and high-voltage stability for advanced lithium-ion batteries. *Journal: Small *Web Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.74256 <사진 왼쪽부터 오지민 교수, 서동화 교수, 이명주 박사, 신욱선 연구원>
2026-07-21
최윤자 교수팀, 코드로부터 상태 머신을 학습하는 기술 개발
소프트웨어공학 분야 세계 최고 권위 국제학술대회 FSE 2026에서 연구 성과 발표
컴퓨터학부 최윤자 교수팀이 프로그램 소스코드로부터 프로그램의 동작을 나타내는 오토마타, 즉 상태 머신을 효율적으로 자동 학습하는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 방대한 소스코드 전체를 일일이 읽지 않고도 프로그램이 어떤 입력에 반응해 상태를 바꾸고 어떤 결과를 출력하는지 압축된 행동 모델을 통해 파악할 수 있다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Proceedings of the ACM on Software Engineering (PACMSE)’에 게재됐으며, 2026년 7월 5일부터 9일까지 캐나다 몬트리올에서 열린 ‘ACM International Conference on the Foundations of Software Engineering (FSE 2026)’에서 발표됐다. FSE는 ICSE, ASE와 함께 소프트웨어공학 분야를 대표하는 세계 최고 권위의 국제학술대회로 평가받으며, 국내 BK21 사업에서도 최고 등급인 인정 IF 4의 최우수 국제학술대회로 지정돼 있다. FSE 2026 연구논문 트랙에는 총 920편의 논문이 제출됐으며, 엄격한 동료심사를 거쳐 211편이 최종 게재 승인돼 약 22.9%의 채택률을 기록했다. 이번 논문의 제1저자인 김요엘 박사과정생은 FSE 2024에 이어 두 번째 FSE 논문을 게재했다. 이는 최윤자 교수가 이끄는 소프트웨어안전공학 연구실이 소프트웨어공학 분야에서 지속적으로 세계적 수준의 연구 성과를 축적해 왔음을 보여준다. 자동차와 로봇, 엘리베이터, 드론 등의 제어 소프트웨어는 외부에서 입력되는 센서값이나 이벤트에 지속적으로 반응하면서 내부 상태를 변경하고 출력을 생성한다. 이러한 프로그램의 동작 정보는 수많은 함수와 변수, 조건문 등에 분산돼 있어 소스코드만으로 전체 동작을 파악하기가 어렵다. 오토마타 학습은 프로그램을 실행하거나 분석해 프로그램의 핵심적인 상태 변화와 행동을 상태 머신 형태로 자동 복원하는 소프트웨어 역공학 기술이다. 학습된 상태 머신은 원본 프로그램의 추상화된 행동 모델로 활용되며, 프로그램의 신뢰성을 검증하는 모형 검증, 프로그램이 지켜야 할 규칙을 추출하는 명세 마이닝, 행동 모델로부터 테스트를 생성하는 모델 기반 테스팅 등에 활용할 수 있다. 그러나 기존 오토마타 학습 기술은 프로그램에 포함된 변수의 수가 많고 각 변수가 정수, 실수, 열거형 등 넓고 다양한 값의 범위를 가질수록 학습 비용이 급격히 증가하는 한계가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘동적 심볼릭 매퍼(Dynamic Symbolic Mapper)’를 새롭게 제안했다. 동적 심볼릭 매퍼는 복잡한 프로그램 상태와 입출력 정보를 참과 거짓으로 구성된 불리언 벡터로 변환해, 오토마타 학습이 단순화된 불리언 벡터 공간에서 수행되도록 한다. 특히 학습 과정에서 아직 표현되지 않은 새로운 프로그램 동작이 발견되면 필요한 부분만 선택적으로 세분화하도록 추상화 수준을 동적으로 조정한다. 이를 통해 프로그램의 핵심 동작은 유지하면서도 불필요하게 복잡한 상태 공간을 탐색하는 비용을 줄였다. 연구팀은 SV-COMP 벤치마크 프로그램과 Simulink 모델 프로그램 및 자동차, 로봇, 엘리베이터, 드론, 인공위성 제어 프로그램 등을 포함한 총 120개의 반응형 C 프로그램을 대상으로 기술의 효과를 검증했다. 프로그램당 3시간의 제한 시간에서 제안 기술은 총 100개의 올바른 오토마타를 학습해 기존 최신 기술의 68개보다 32개를 추가로 학습했다. 또한 기존 기술과 비교해 평균 능동 학습 시간을 55.6% 단축해 제안 기술의 효율성과 실용성을 입증했다. 최윤자 교수는 “과거 C, Java, Python과 같은 고수준 프로그래밍 언어의 등장으로 개발자가 기계어와 어셈블리어의 세부 동작을 직접 다루지 않고도 소프트웨어를 개발할 수 있게 된 것처럼, 거대언어모델(LLM)은 소프트웨어 개발 과정을 다시 한번 높은 수준으로 추상화하고 있다.”라고 설명했다. 이어 “LLM이 수십만 줄의 코드를 빠르게 생성하는 시대에는 개발자가 생성된 코드 전체를 일일이 읽으며 동작을 이해하고 검증하는 방식만으로는 한계가 있다. 앞으로는 코드 자체보다 프로그램이 어떻게 행동하는지를 압축해 보여주는 행동 명세와 상태 머신의 중요성이 더욱 커질 것이다. 이번 연구는 복잡한 코드로부터 이러한 추상 모델을 자동으로 학습해, 사람이 AI가 생성한 소프트웨어의 동작을 보다 쉽게 이해하고 검증할 수 있도록 하는 기반 기술이라는 점에서 의미가 있다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터(ERC) 사업의 ‘소프트웨어재난연구센터’ 지원을 받아 수행됐다. *Title of original paper: Active Learning of Symbolic Automata for Reactive Programs via Dynamic Symbolic Mapper *Abstract Active learning of formal behavior models from program source code is a powerful approach to support a wide range of software analysis, validation, and verification tasks, for example, understanding system intent, automating specification mining, generating test oracles, and checking formal properties. Recent advances in active learning of symbolic automata, powered by program synthesis and model checking, provide both rich expressiveness and soundness guarantees for the learned models. However, these techniques often encounter significant performance bottlenecks, particularly when dealing with reactive programs that expose many program variables spanning large value domains. This work introduces an extended active learning algorithm tailored for reactive programs by incorporating a novel dynamic symbolic mapper for learning symbolic automata. The mapper abstracts program behavior using predicates over program variables inferred by the learner, encodes each valuation of these variables as a Boolean vector induced by these predicates (Boolean abstraction), and dynamically refines the abstraction in response to missing behaviors revealed by the teacher. It is granularity-aware: for teaching, it employs the coarsest predicates sufficient to expose missing behaviors, enabling broad exploration; for learning, it refines only to the finest predicates necessary to resolve the uncovered gaps, trying to minimize the number of refinements that could have been triggered by coarse abstraction. We evaluated our approach on 120 benchmarks, including SV-COMP tasks, Simulink model-driven programs, LeetCode problems, and representative embedded control software. The results show that our method learns 32 more symbolic automata and reduces the average active learning time by 55.6% compared to the state-of-the-art. * Journal: Proceedings of the ACM on Software Engineering * Web Link: https://doi.org/10.1145/3808154 <사진 왼쪽부터 김요엘 박사과정생, 최윤자 교수>
2026-07-20
박상식 교수팀, 친환경 실크 단백질 보호막으로 차세대 아연 배터리 수명 약 5배 향상
나노신소재공학과 박상식 교수팀이 친환경 실크 단백질과 고분자 물질을 융합해 차세대 수계 아연 이온 배터리용 아연 음극의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 표면 보호막 기술을 개발했다. 현재 널리 쓰이는 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 꼽히는 수계 아연 이온 배터리는 폭발 위험이 없고 가격이 저렴해 대용량 에너지 저장 장치에 적합한 것으로 평가받는다. 그러나 배터리를 충·방전하는 과정에서 아연 표면에 나뭇가지 모양의 결정이 쌓이는 ‘덴드라이트’ 현상이 발생하고, 물 기반의 전해액 때문에 아연 금속 표면이 부식되거나 수소 가스가 발생하는 등 계면 부작용이 일어나 배터리 수명이 급격히 저하되는 치명적인 한계가 있다. 박상식 교수팀은 이를 해결하기 위해 생체 친화적 소재인 실크 피브로인(Silk Fibroin)과 폴리비닐알코올(PVA)을 복합화한 ‘SFP 보호막’을 아연 음극 표면에 도입했다. 연구 결과, 에탄올에 2시간 동안 담가 결정화 처리를 거친 SFP 보호막은 내부 구조가 매우 잘 정렬된 ‘베타 시트(β-sheet)’ 구조로 변화하는 것으로 나타났다. 이 구조는 아연 이온이 음극 표면에 균일하게 쌓이도록 유도하는 통로 역할을 수행해 이온의 이동 속도를 높였다. 동시에 보호막 자체의 기계적 강도와 단단함(경도)도 크게 향상시켜 거친 결정 성장을 물리적으로 억제하는 데 기여했다. 이번에 개발된 보호막의 효과는 실제 배터리 환경과 유사한 바나듐 산화물(V2O5) 양극 기반의 풀셀(Full-cell) 평가에서 명확히 입증됐다. 기존의 순수 아연 음극을 적용한 배터리는 충·방전을 반복했을 때 단 212회 만에 급격한 성능 저하를 보이며 방전됐다. 반면 연구팀이 개발한 보호막을 도입한 아연 음극 배터리는 1,000회가 넘는 극한의 충·방전 시험 이후에도 131.4mAh/g의 높은 용량을 안정적으로 유지했다. 이는 기존 대비 배터리 수명이 약 5배 수준으로 향상된 결과다. 박상식 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 보호막을 입히는 수준을 넘어, 보호막의 물리적인 결정화 상태에 따라 아연 음극 표면의 전기화학적 거동이 어떻게 달라지는지를 명확히 규명했다는 점에서 학술적·기술적 의의가 크다. 화재 위험이 낮은 차세대 수계 배터리의 안정성과 성능을 높이는 차세대 수계 배터리 음극 설계의 핵심 전략이 될 것이며, 향후 친환경 대용량 ESS 및 전기차 등 다양한 분야에 응용 가능한 원천 기술로 기여할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터(경북대 탄소중립지능형에너지시스템센터) 사업과 박사과정생 연구장려금 지원사업, 경상북도 앵커(구 라이즈) 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지인 ‘저널 오브 파워 소스(Journal of Power Sources)’에 7월 2일 온라인 게재됐다. *Title of original paper: Crystallinity-controlled silk Fibroin/PVA protective layer to fabricate stable Zn metal anodes *Abstract Zn is a highly promising anode material for aqueous Zn-ion batteries; however, the performance of Zn anodes remains limited by interfacial side reactions. Interface modification engineering is an effective approach to uniformize Zn2+ deposition and mitigate dendrite formation, corrosion, and the HER. Herein, a silk fibroin/poly(vinyl alcohol) (SFP) composite layer was coated on a Zn anode, and the crystallization of this layer was modulated via ethanol immersion and thermal annealing for various durations. Both crystallization treatments promoted the formation of a well-ordered β-sheet structure, concurrently enhancing Zn2+ diffusion kinetics and mechanical strength. The SFP specimen immersed in ethanol for 2 h (E2-SFP) demonstrated superior cycling stability. Subsequently, symmetric cells employing an E2-SFPllE2-SFP configuration exhibited extended cycle life exceeding 1000 h. Furthermore, E2-SFPllV2O5 full cells demonstrated improved cycling stability, maintaining a capacity of 131.4 mAh g−1 after 1000 cycles, unlike the rapid failure observed in bare Zn full cells after only 212 cycles. These results suggest that varying the crystallization state of the SFP protective layer strongly influenced the interfacial behavior of Zn anodes. This protection strategy advances the design of safe and high-performance protective layers for Zn anodes applicable to next-generation aqueous batteries. *Journal: Journal of Power Sources *Web Link: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.240860 <사진 왼쪽부터 박상식 교수, 원하연 연구원, 김민수 박사과정생>
2026-07-15
이상욱 교수팀, 멀티정션 태양전지 효율 저하 원인 규명… 차세대 접합 기술 방향 제시
신소재공학부 이상욱 교수팀이 독일 뮌헨 루트비히막시밀리안대학교(LMU Munich) 에르칸 아이딘(Erkan Aydin) 교수팀과의 국제공동연구를 통해 페로브스카이트 멀티정션 태양전지의 효율 향상 둔화 원인을 분석하고, 핵심 구조인 재결합 접합부(Recombination Junction, RJ)의 차세대 기술 방향을 제시했다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 세계적 권위 학술지인 Energy & Environmental Science에 Perspective Review 논문으로 게재됐다. 현재 상용 태양전지는 태양광의 특정 파장만 흡수하기 때문에 나머지 에너지가 열로 손실되는 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 대안으로 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 여러 개의 태양전지를 적층하는 멀티정션 태양전지 기술이 차세대 고효율 태양전지로 주목받고 있다. 특히 페로브스카이트 기반 멀티정션 태양전지는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 구조를 통해 35% 이상의 높은 광전변환효율을 기록하고 있으며, 2050년까지 40% 이상의 에너지 변환 효율 달성을 목표로 하는 탄소중립 핵심 기술로 주목받고 있다. 이론적으로는 정션 수가 증가할수록 광 활용도가 높아져 효율이 지속적으로 향상돼야 한다. 그러나 최근에는 페로브스카이트 태양전지에서 3중접합 이상으로 정션 수가 늘어날 경우 오히려 2중접합보다 실험 효율이 낮아지는 현상이 보고되고 있다. 연구팀은 그동안의 공동연구 결과와 최신 연구 동향을 종합적으로 분석한 결과, 이러한 한계의 핵심 원인이 각 태양전지 층을 연결하는 재결합 접합부(RJ)에 있음을 밝혔다. RJ는 전자와 정공의 재결합을 유도하는 동시에 높은 광투과성, 용매 침투 차단, 기계적 안정성을 모두 확보해야 하는 핵심 구조다. 하지만 이 같은 기능을 각각 별도의 층으로 구현할수록 광학적 손실과 전기저항 증가, 공정 복잡성, 기계적 취약성이 함께 커지는 구조적 한계가 존재한다. 이에 공동연구팀은 페로브스카이트 계면공학과 다중접합 소자 설계 분야의 전문성을 바탕으로 페로브스카이트/실리콘 이중접합, 올-페로브스카이트 이중접합, 삼중·사중접합 등 다양한 멀티정션 구조의 RJ 기술을 체계적으로 비교·분석하고, 연구개발 성숙도(Technology Readiness Level)에 따라 정리했다. 이를 통해 현재 기술 수준과 한계를 진단하고 향후 연구개발이 나아가야 할 방향을 제시했다. 특히 연구팀은 기존처럼 기능별 소재를 여러 층으로 적층하는 방식에서 벗어나, 전하 수송과 계면 패시베이션, 용매 차단, 기계적 안정성 등 여러 기능을 하나의 소재가 동시에 수행하는 ‘다기능 통합형(Multifunctional Integrated) RJ’ 구조를 차세대 핵심 기술로 제안했다. 이는 제조 공정을 단순화하면서도 대면적 소자의 균일성과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 설계 전략으로 평가된다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업(우주용 솔라배터리)과 무탄소에너지핵심기술개발사업(삼중접합 태양전지)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 Energy & Environmental Science(impact factor 30.5, JCR 상위 0.8%) 온라인판에 2026년 6월 27일 게재됐다. *Title of original paper: Why more junctions do not yet deliver: interconnection challenges in perovskite multijunction solar cells * Broader context As traditional single-junction solar cells approach their theoretical efficiency limits, perovskite-based multijunction architectures have emerged as a transformative pathway toward high-efficiency, gigawatt-scale photovoltaic deployment. While the field has seen rapid progress in dual-junction tandems, extending these configurations to triple or quadruple junctions introduces significant mechanical and chemical hurdles. This perspective shifts the focus from purely electronic considerations to the critical physical challenges of sub-cell interconnection, such as interlayer dissolution during solution processing and strain-induced film defects like pinholes and delamination. By addressing these interfacial and structural integrity issues, this work provides a strategic roadmap for the development of robust, next-generation multijunction devices. These insights are essential for transitioning advanced perovskite architectures from laboratory-scale breakthroughs to durable, industrially viable energy solutions. *Journal: Energy & Environmental Science *Web Link: https://doi.org/10.1039/D6EE01631F <사진 왼쪽부터 이상욱 교수, Erkan Aydin 교수, 김선우·임도윤 석박사통합과정생>
2026-07-15
백문창 교수팀, 110종 식물 나노베지클 라이브러리 구축… 차세대 바이오약 플랫폼 연다
식물에서 ‘아스피린’을 넘어 RNA 바이오의약품의 새 시대를 열다
경북대 연구진이 식물 유래 나노베지클 라이브러리를 구축하고 대규모 기능 스크리닝 플랫폼을 개발해 차세대 RNA 바이오의약품 개발 기반을 마련했다. 의과대학·바이오융합연구원 백문창 교수팀은 식물 110종에서 유래한 나노베지클을 체계적으로 분리해 대규모 라이브러리를 구축하고, 이를 기반으로 대규모 기능 스크리닝이 가능한 플랫폼을 개발했다. 연구팀은 이 플랫폼을 통해 110종의 식물을 비교 분석한 결과, 부추(Allium tuberosum) 유래 나노베지클이 가장 우수한 면역 활성 효과를 나타냄을 확인하고 그 항암 작용 기전을 규명했다. 과거 인류는 버드나무 껍질의 살리실산(아스피린의 효시), 주목나무의 택솔(항암제), 개똥쑥의 아르테미시닌(항말라리아제) 등 식물에서 수많은 치료제를 찾아왔다. 하지만 이들은 대부분 크기가 작은 저분자 화합물이다. 최근 의약품 개발 트렌드가 단백질, mRNA 등 바이오의약품 중심으로 빠르게 전환되는 가운데, 경북대 연구팀은 “식물이 바이오의약품의 원천도 될 수 있지 않을까?”라는 질문에서 연구를 시작했다. 식물은 세포 간 신호 전달을 위해 머리카락 굵기의 1,000분의1 크기인 초미세 입자 ‘식물 유래 나노베지클(Plant-Derived Nanovesicles, PDNVs)’을 분비한다. 이 입자 내부에는 세포의 기능을 조절하는 RNA와 단백질, 지질 등 다양한 생리활성 물질이 담겨 있다. 그러나 기존 연구는 포도, 마늘 등 특정 식물 한두 종류의 나노베지클만 개별적으로 확인하는 수준에 그쳐, 어떤 식물이 가장 우수한 효능을 가졌는지 체계적으로 비교하기 어려웠다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 식용 식물 59종과 약용 식물 51종 등 총 110종의 식물에서 나노베지클을 표준화된 방식으로 분리해 대규모 라이브러리를 구축했다. 이어 이를 기반으로 기능 스크리닝을 수행해 면역 활성 효과가 우수한 후보를 선별했다. 이는 신약 개발에서 수천 개의 후보물질을 동시에 평가하는 스크리닝 개념을 식물 나노베지클 연구에 적용해 대규모 라이브러리 기반 기능 스크리닝을 수행한 첫 사례다. 이번 연구는 특정 식물의 일회성 효능 발견을 넘어, 여러 식물의 나노베지클을 동일 선상에서 평가할 수 있는 플랫폼을 마련했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다. 110종의 식물을 비교 분석한 결과, 부추(Allium tuberosum)에서 유래한 나노베지클이 가장 우수한 면역 활성 효과를 나타냈다. 부추 유래 나노베지클은 암세포를 직접 공격하는 것이 아니라 우리 몸의 면역세포인 대식세포(macrophage)를 활성화해 항암 면역반응을 높이는 것으로 확인됐다. 또한, 연구팀은 부추 나노베지클 내부의 작은 RNA인 ‘miR-488’이 면역 활성에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 이 RNA는 대식세포 내부의 ‘Bcl6’ 유전자를 조절해 대식세포를 항암 기능이 강화된 상태로 변화시키는 것으로 나타났다. 백문창 교수는 “20세기가 식물에서 얻은 저분자 의약품의 시대였다면, 21세기는 식물 유래 RNA 바이오의약품의 시대가 될 수 있다고 생각한다. 버드나무에서 아스피린이 탄생해 현대 의약품의 시대를 열었던 것처럼, 이번 연구는 식물이 RNA 기반 바이오의약품의 새로운 원천이 될 수 있음을 보여준 중요한 출발점이다”라고 연구 의미를 짚었다. 이어 “이번에 구축된 110종 식물 나노베지클 라이브러리는 향후 암 치료뿐 아니라 만성 염증성 질환, 자가면역 질환, 퇴행성 질환, 노화 관련 질환 등 다양한 질환에 적용 가능한 기반 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 핵심연구지원사업과 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 바이오·나노 소재 분야 국제학술지인 ‘바이오액티브 머티리얼즈(Bioactive Materials, IF=23.6)’에 6월 23일 온라인 게재됐다.
Professor Moon-Chang Baek's Team Establishes Library of 110 Plant-Derived Nanoparticles, Opening New Platform for Next-Generation Biopharmaceuticals
From Plants to RNA Therapeutics: Beyond Aspirin toward a New Era of RNA-Based Medicines Researchers at Kyungpook National University (KNU) have established a comprehensive library of plant-derived nanoparticles (PNPs) and developed a large-scale functional screening platform, laying the foundation for the discovery and development of next-generation RNA-based therapeutics. A research team led by Professor Moon-Chang Baek of the KNU School of Medicine and the Institute of Biomedical Convergence Research systematically isolated PNPs from 110 plant species and established a comprehensive library. Using this resource, the team developed a systematic bio-discovery platform that combines standardized nanoparticle isolation with high-throughput functional screening, enabling large-scale comparative evaluation of the biological activities of PNPs. Through this platform, the researchers identified Chinese chive (Allium tuberosum)-derived nanoparticles (ANPs) as the most potent immunomodulatory nanoparticles and elucidated their underlying antitumor mechanism. Throughout history, plants have served as an abundant source of therapeutic agents, including salicylic acid from willow bark, which is the precursor of aspirin, paclitaxel (Taxol) from the yew tree, and artemisinin from sweet wormwood. However, these medicines are primarily small-molecule compounds. As modern drug development rapidly shifts toward biologics such as proteins, messenger RNA (mRNA), and RNA therapeutics, the KNU researchers asked a new question: Could plants also become a source of next-generation RNA-based medicines? Plants naturally secrete plant-derived nanoparticles (PNPs), nanosized extracellular particles approximately one-thousandth the width of a human hair, to facilitate intercellular communication. These nanoparticles carry diverse bioactive cargo, including RNAs, proteins, lipids, and metabolites that regulate cellular functions. Previous studies, however, focused on nanoparticles isolated from only one or two plant species, such as grapes or garlic, making it difficult to systematically compare their biological activities and identify the most promising therapeutic candidates. To overcome this limitation, the research team established a comprehensive library of PNPs isolated from 110 plant species, including 59 edible plants and 51 medicinal plants, using a standardized isolation protocol. They then performed high-throughput functional screening to identify nanoparticles with superior immunomodulatory activity. This study represents the first application of a large-scale, library-based functional screening strategy to plant-derived nanoparticles, extending the high-throughput screening concept widely used in conventional drug discovery to the field of plant-derived nanoparticles. Rather than reporting the biological activity of a single plant species, the newly developed platform enables the systematic comparison of PNPs across a broad range of plants, and provides a powerful platform for future biopharmaceutical discovery. Among the 110 plant species analyzed, Garlic chive (Allium tuberosum)-derived nanoparticles (ANPs) exhibited the strongest immunomodulatory activity. Rather than directly attacking cancer cells, ANPs enhanced antitumor immunity by reprogramming macrophages toward a pro-inflammatory phenotype, thereby strengthening the body's immune response against tumors. The researchers further demonstrated that miR-488, a small RNA contained within Garlic chive-derived nanoparticles (ANPs), plays a critical role in their immunomodulatory activity. This small RNA regulates the Bcl6 gene in macrophages, reprogramming them into a state with enhanced antitumor activity. "If the 20th century was the era of plant-derived small-molecule medicines, I believe the 21st century could become the era of plant-derived RNA therapeutics," said Professor Moon-Chang Baek. "Just as aspirin, discovered from willow bark, ushered in the age of modern pharmaceuticals, our findings provide an important starting point by demonstrating that plants can serve as a new source of RNA-based therapeutics." He added, "The library of 110 plant-derived nanoparticles established through this study is expected to serve as a foundational platform for developing novel therapeutics not only for cancer but also for chronic inflammatory diseases, autoimmune disorders, degenerative diseases, and age-related conditions." The study was supported by the National Research Foundation of Korea through the Basic Research Support Program and the Leading Research Center (LRC) Program. The findings were published online on June 23 in Bioactive Materials (Impact Factor: 23.6). *Title of original paper: Systematic discovery of immunomodulatory plant-derived nanoparticles reveals RNA-mediated macrophage reprogramming *Abstract Plant-derived nanoparticles (PNPs) have emerged as a promising class of bioactive nanomaterials with intrinsic immunomodulatory properties, offering a sustainable and biocompatible alternative to synthetic delivery systems. However, their systematic exploration has been hindered by a fragmented “one-plant-one-function” research paradigm. Here, we establish a comprehensive bio-discovery platform by constructing a taxonomically diverse library of 110 PNPs. Through integrated physicochemical characterization and high-throughput functional screening, we identify Allium tuberosum-derived nanoparticles (ANPs) as a potent bioactive nanoparticle that effectively promotes pro-inflammatory macrophage polarization. Mechanistically, we demonstrate that the bioactivity of ANPs is largely mediated by their endogenous RNA cargo, specifically ANP-miR-488, which modulates the Bcl6 signaling axis to initiate macrophage reprogramming. Furthermore, ANPs significantly sensitize cold tumors to immune checkpoint blockade therapy in a syngeneic LLC1 lung carcinoma model. This study not only provides a generalizable strategy for the systematic discovery of bioactive nanomaterials but also highlights the clinical potential of RNA-mediated PNPs as a promising platform for enhancing cancer immunotherapy. *Journal: Bioactive Materials *Web Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X26003701?via%3Dihub
2026-07-13
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