원병묵 교수 연구팀, 세포 골지체 노화 메커니즘 발견

성균관대, 골지체 노화 메커니즘 발견 - 골지체 노화에 의한 세포내 시그널과 후성 유전 조절 교란 메커니즘 규명 우리 신체는 하나의 세포로부터 탄생하고 성장하여 어른이 되고 노화되는 ‘다양한 발달’ 과정을 겪는다. 성균관대학교 신소재공학부 연성물질물리 연구실의 박사후연구원 소피아 브리토 박사(제1저자)와 원병묵 교수(교신저자)는 세포가 노화되면서 점차 외부 시그널에 반응하지 못하는 생물학의 오랜 난제를 규명하였으며, 연구 결과는 발달 생물학 분야 최우수 저널인 Developmental Cell에 2025년 1월 6일자 온라인 게재되었다. 이번 연구에서 세포내 소기관인 ‘골지체 노화’를 처음으로 관찰하고 그 원인으로 ‘아연 항상성 변화’ 메커니즘을 규명하였다. 이를 바탕으로 노화는 생체 분자들이 열역학 제2법칙을 따라 움직이는 필수 불가결한 비가역적 현상임을 제안하였다. 인간의 세포는 끊임없이 대사를 하고 있다. 대사 과정에서, 다양한 세포내 물질들의 평균적 무질서도가 끊임없이 증가한다. 세포내 필수 미네랄인 ‘아연’의 무질서도도 증가한다. 세포 노화가 진행되면, 단백질에 고르게 존재해야 할 아연이 무질서하게 바뀌어 세포내 아연 결핍 부분과 아연 과잉 부분이 늘어난다. 특히, 골지체 아연 결합 단백질에서 발견되는 불균일한 아연 분포가 ‘골지체의 노화’를 유도한다. 그 결과, 골지체에서 만드는 세포내 물질의 이동 통로인 ‘미세소관’ 구조가 무너지고, 다양한 외부 신호를 전달하는 운반체인 단백질이 정상적인 위치로 이동하지 못한다. 결국, 세포는 더 이상 대사 제어가 안 되어 다양한 노인성 질환을 일으키고 마침내 죽음에 이른다. 세포 골지체 노화 제어는 노인성 질환 예방 또는 건강 수명 연장을 위해 주목해야 할 새로운 연구 주제이다. 기존의 피부 노화에서 단순한 콜라겐 생성 유도가 아닌 새로운 피부 항노화 전략으로서 골지체 노화 제어가 앞으로 더욱 주목받을 것으로 기대한다. 본 연구는 가톨릭대학교 의과대학 약리학 교실(김지훈 교수, 공동교신), 아주대학교 항노화 연구실(빈범호 교수, 공동교신)과 공동으로 진행되었다. ※ 저널: Developmental Cell, 발달 생물학 분야 상위 4% 저널(IF = 10.7) ※ 제목: Age-associated interplay between zinc deficiency and Golgi stress hinders microtubule-dependent cellular signaling and epigenetic control ※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.12.024 ※ 제1저자: Sofia Brito 박사 ※ 지도 교수: 원병묵 교수 (성균관대학교 신소재공학부)

신소재공학과 강주훈 교수, 2024년 국가연구개발 우수성과 100선 선정

2024년 국가연구개발 우수성과 100선에 성균관대 연구 4건 선정 - 기계·소재 분야에 강주훈 교수, 생명해양 분야에 조한상, 손동희 교수, 에너지·환경 분야에 윤성민 교수 각각 선정 ▲ (왼쪽부터) 신소재공학부 강주훈, 생명물리학과 조한상, 전자전기공학부 손동희, 건설환경공학부 윤성민 교수 과학기술정보통신부에서 발표한 ‘2024년 국가연구개발 우수성과 100선’에 우리 대학 연구자의 연구성과 4건이 선정되었다. ‘국가연구개발 우수성과 100선’은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대한 국민들의 이해와 관심을 제고하고 과학기술인들의 자긍심을 고취하고자, 범부처적으로 우수한 국가연구개발 성과를 선정하는 제도로서, 올해로 19년째를 맞이하였다. 신소재공학부 강주훈 교수는 2차원 소재 대면적 프린팅 기반 초고성능 반도체 소자 개발에 성공하며, 차세대 반도체 기술의 핵심을 이루는 연구 성과를 발표하였다. 이 연구는 기계·소재 분야에 선정되었으며, 상용 프린팅 공정을 활용하여 5인치 웨이퍼 스케일에서 고성능 2차원 반도체 소자를 구현하였다. 기존 대비 월등히 높은 평균 전하 이동도(80cm2V-1s-1)를 달성하였으며, 낮은 공정 온도(<250℃)로 기존 CMOS 공정과 호환 가능성을 보였다. 본 기술은 인공지능, 5G 통신, 자율주행차량 등 미래 산업에 필수적인 원천기술로 글로벌 경쟁력 확보와 신산업 창출에 기여할 전망이다. 생명물리학과 조한상 교수는 인간 치매뇌 생체조직칩을 개발하고 이를 활용한 뇌질환 신약 유효성 평가 서비스 사업화에 성공했다. 이 연구는 생명해양 분야에서 우수 연구로 선정되었으며, 인간 뇌신경세포와 뇌면역세포를 기반으로 한 3차원 인간 뇌조직 모델을 개발해 치매 치료 기전 분석과 신약의 신속하고 대량 평가를 가능하게 했다. 연구팀은 세계 최초로 인간 알츠하이머 치매(APPSL)의 전주기 병리 모델을 구현했으며, 다양한 비유전적 치매 모델을 안정적으로 재현하는 데 성공했다. 특히 뇌면역세포의 Nrf2를 통한 항산화 기전 연구는 새로운 치매 치료제 개발에 기여할 것으로 기대된다. 이번 성과는 치매로 인한 사회적 문제 해결과 국민 복지 향상에 크게 기여할 것으로 전망된다. 전자전기공학부 손동희 교수는 심장 질환 진단과 치료를 위한 바느질 없이 부착 가능한 바이오전자 스티커 기술을 개발하였다. 이 연구는 생명해양 분야에 선정되었으며 부드럽고 신축성 있는 고분자 소재를 활용하여 심장의 반복적인 움직임에도 안정적으로 작동할 수 있는 체내 이식형 전자소자를 구현하였다. 자가치유 고분자 기판층과 하이드로젤층으로 구성된 바이오전자 스티커는 4주 동안 안정적으로 심장 신호 계측과 전기 자극을 수행하며 조직 손상을 유발하지 않았다. 본 연구는 부정맥 및 심근경색 진단과 치료에 적용 가능하며 다양한 장기에 활용할 수 있는 신축성 전자약 플랫폼으로 확장될 가능성이 크다. 건설환경공학부 윤성민 교수는 세계 최초, 건물운영단계에서 자가진화하는 디지털 트윈 가상센싱 기술 개발을 통해 건설 및 건물부문에서 새로운 모델링 방법론과 알고리즘을 제시하였다. 이 연구는 에너지·환경 분야에 선정되었으며, 실험실이 아닌 실제 건물 운영 단계에서 자율적이고 현장 중심의 모델링을 구현하였다. 연간 실증을 통해 온도 RMSE 0.27℃, 유량 MAPE 1%의 높은 정확성을 확보하였으며, 초기 투자비용을 절감하면서도 실물-가상 센싱 환경을 구축하였다. 이를 통해 디지털 트윈 기반의 지능형 건물 운영 관리 기술이 건물부문 탄소중립과 한국형 탄소중립 100대 핵심기술에 기여할 것으로 기대된다. 유지범 총장은 “우리 대학 연구진의 뛰어난 성과가 국가 연구개발 우수성과로 선정된 것을 매우 뜻깊게 생각한다”며, “앞으로도 성균관대학교는 세계적 수준의 연구 역량을 기반으로 인류와 미래사회에 기여하는 혁신적인 연구를 지속적으로 지원하겠다”고 밝혔다. ○ 관련 언론보도 - 성균관대, 2024년 국가연구개발 우수성과 100선에 4건 선정 <전자신문, 2024.12.23.> - 성균관대 2024 국가연구개발 우수성과 100선에 4건 선정 <베리타스알파, 2024.12.23.> - 성균관대, 2024년 국가연구개발 우수성과 100선에 4건 선정 <이뉴스투데이, 2024.12.23.> - 성균관대, ‘2024 국가연구개발 우수성과 100선’에 4건 선정 <대학저널, 2024.12.23.> - 성균관대, 2024년 국가연구개발 우수성과 100선에 4건 선정 <뉴스티앤티, 2024.12.23.> - 성균관대, ‘2024년 국가연구개발 우수성과 100선’에 4건 선정 <핀포인트뉴스, 2024.12.23.>

정현석 교수 연구팀, 고분자 가교 중합을 이용한 수분에도 안정한 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발

[그림] 신소재공학부 정현석 교수 · Guo He 연구원 (왼쪽부터) 고분자 가교 중합을 이용한 수분에도 안정한 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 이 연구는 할라이드 페로브스카이트 박막의 입계 결함과 격자 변형 문제를 효과적으로 해결하여 상용화 가능성을 높인데 학술적 의의가 있다. 신소재공학부 및 성균에너지과학기술원 소속 정현석 교수가 이끄는 공동연구팀이 페로브스카이트-폴리머 복합체를 활용하여 고효율 및 고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다고 밝혔다. 할라이드 페로브스카이트 박막은 기판과의 열팽창 계수 불일치에 의해 결정 성장 과정 중 격자 변형이 발생하고 박막 내 잔류 응력을 유발한다. 이는 이온 이동 활성화 에너지를 감소시켜 페로브스카이트 분해를 가속하는 문제가 있어 안정성 확보를 위해 관련 기술 개발이 요구되었다. 또한 할라이드 페로브스카이트 물질은 수분에 매우 취약하여 상용화를 위해 수분 안정성 확보 또한 지속적으로 요구되어 왔다. 이에 정현석 교수 연구팀은 이러한 고효율 태양전지의 상용화에 큰 장애물로 작용해 온 페로브스카이트의 불안정성을 극복할 수 있는 혁신적인 방법을 개발했다. 연구팀은 비정질 페로브스카이트 박막과 아크릴아미드(Acrylamide) 단량체에 빛을 조사하여 교차결합시켜 안정적이고 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제작했다. 이 방법은 박막 내에서 결정 성장 및 결정 간의 교차결합을 촉진시켜 페로브스카이트 박막의 안정성을 크게 향상시켰다. 특히, 아크릴아미드 단량체는 페로브스카이트 박막의 결정립 크기를 확장시키고, 결정의 선호 방향성을 유도하며, 교차결합층은 페로브스카이트 박막을 수분에 의한 열화로부터 보호함을 밝혀냈다. 연구팀은 이번 연구를 통해 개발된 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 장기적인 안정성을 확보하는 데 큰 성과를 거두었다고 밝혔다. 연구 결과에 따르면, 제안된 전략을 사용하여 제작된 소자는 24.45%의 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)과 1.199 V의 개방 회로 전압(VOC, Open Circuit Voltage)을 달성했으며, 이는 TiO2로 구성된 전자 수송층(Electron Transport Layer)을 포함한 할라이드 페로브스카이트 태양전지 분야에서 보고된 최고 VOC이다. 또한 고습 환경에서의 높은 안정성(700시간 후 초기 성능의 80% 유지) 및 광안정성(1,008시간 후 초기 성능의 80% 유지)를 확인했다. 페로브스카이트 박막 내 압력 결함 제어 및 고결정 페로브스카이트 박막 형성 과정 추가적으로, 연구팀은 제안된 전략을 활용하여 대면적 PSC 모듈을 제작했으며, 이 모듈은 33cm²의 활성 면적에서 77.1%의 높은 필팩터(Fill factor), 20.31%의 전력 변환 효율과 뛰어난 저장 안정성을 보여 대면적 소자로의 확장 가능성 또한 입증했다. 이 연구는 할라이드 페로브스카이트 박막의 입계 결함과 격자 변형 문제를 효과적으로 해결하여 상용화 가능성을 높인데 학술적 의의가 있다. 정현석 교수는 "아크릴아미드 단량체를 사용한 새로운 접근법이 격자 변형을 완화하고 페로브스카이트 박막의 결정 성장을 제어하여 고품질 박막을 생산할 수 있으며 박막의 소수성 특성을 확보하여 할라이드 페로브스카이트 소재의 오랜 문제인 수분 안정성에 대한 문제를 해결하는 등 상용화에 기여할 수 있는 기술로 기대된다."고 설명했다. 본 연구 성과는 에너지, 연료(Energy&Fuels) 분야 상위 3% 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 표지 논문으로 2024년 1월 5일에 게재되었다. ※ 저널명: Advanced Energy Materials ※ 논문명: In Situ Polymerization of Cross-Linked Perovskite–Polymer Composites for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells ※ DOI: 10.1002/aenm.202302743 ※ 저자 - 교신저자: 정현석 교수(성균관대학교 신소재공학부 / 성균에너지과학기술원), 한길상(한국화학연구원) - 제1저자: Guo He(성균관대학교 신소재공학과 박사과정) - 공동저자: 윤건우(성균관대학교 신소재공학과 석박통합과정), Zi Jia Li(China New Energy R&D Center), 윤영훈 박사, 이상욱 교수(이하 경북대학교 신소재공학부), 서유현 박사, 전남중 선임연구원(이하 한국화학연구원)

조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발

[그림] 김동수 박사, 오신영 연구원, 이학현 연구원 (왼쪽부터) 이산화탄소 분해해 재활용 가능한 신재생 에너지원 생산에너지 분야 국제학술지, 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 3월호 표지논문 선정 성균관대(총장 유지범) 신소재공학부 조형균 교수 연구팀(김동수 박사, 오신영, 이학현 연구원)이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 광전극과 나노입자 촉매 융합연구를 통하여 고부가가치 화합물로 제조할 수 있는 친환경 신재생 에너지 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 이산화탄소의 분해를 위해서는 외부로부터 많은 에너지가 요구되는데 광전기화학적 이산화탄소(CO2) 분해는 태양광을 활용하여 이산화탄소로부터 신재생 에너지원을 생성하는 기술로 친환경적인 미래 기술이다. 연구팀은 원자단위의 선택적 광환원 촉매 기술력을 반도체 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 탄소중립 달성 및 이산화탄소 분해 상용화의 가능성을 확인하였다. 무한한 청정에너지인 태양광을 활용하여 이산화탄소 분해에 필요한 에너지를 최소화하며 동시에 95% 이상 일산화탄소로(CO) 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이는 현재까지 논문으로 보고된 수치 중 가장 높은 결과값이다. 대기 중 온실가스를 제거함과 동시에 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있는 일산화탄소(CO), 에탄올(C2H6O), 메탄올(CH3OH), 개미산(HCOOH) 등의 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이지만 이산화탄소 분자는 화학적으로 높은 안정성을 지녀 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 큰 난제로 여겨지고 있다. 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 3월호 표지. 연구팀이 개발한 광전기화학적 이산화탄소 전환 및 분해 기술은 태양광과 전기를 활용해 온실가스인 이산화탄소를 재활용 가능한 신재생 에너지원인 탄소화합물로 바꾸는 기술이다. 이 기술은 지구온난화를 일으키는 온실가스의 감축을 위한 수단으로 최근 많은 주목을 받고 있다. 또한, 일산화탄소는 초산, 플라스틱을 비롯한 다양한 화학물질을 생산할 수 있으며, 합성 연료유, 메탄올과 같은 대체에너지원을 생산하는 데 필요한 원료 물질이다. 이산화탄소 광전기화학적 전환은 광흡수층과 촉매의 결합이 중요하다. 광전기화학 전환에 높은 활성을 보이는 금, 백금, 은과 같은 귀금속 촉매는 전환 비용이 높아 기술적 비용 절감에 한계를 겪고 있다. 따라서, 기존 귀금속 촉매 물질에서 저비용 촉매로의 변화와 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지원을 태양광으로 유도할 수 있는 적합한 반도체 광전극 및 시스템 개발이 필요한 실정이다. 연구팀은 저비용의 나노입자 구리(Cu) 촉매를 산화물 반도체(Cu2O) 흡수층으로부터 전기화학적 성장하여 촉매와 흡수층 사이 흡착력 증가 및 계면저항 감소에 대한 시너지 효과를 발생시켜 이산화탄소 분해에 사용되는 과전압을 줄임과 동시에 이산화탄소 분자를 보다 효과적으로 분해하여 95% 이상 일산화탄소로 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이에 연구팀은 산화구리(Cu2O) 흡수층의 본질적인 광환원 반응을 이용하여 제조된 나노입자 구리 촉매로 효율적인 이산화탄소 환원을 대면적, 저비용으로 가능하게 하는 혁신적인 2단계 촉매 생성 전략을 제안하였다. 이 접근법은 ▲물리적으로 밀도 높게 분산된 구리 나노입자의 성장과 ▲전기화학 구리 클러스터 촉매의 전기화학 결합으로 인하여 효과적으로 이산화탄소 분해를 달성하였다. 광흡수층(Cu2O)과 구리 촉매의 결합은 광부식 억제와 함께 0VRHE에서 -1.2mA/cm2의 광전류 성능을 보여주며 고순도 일산화탄소 생성물을 생성할 수 있다. 성균관대 조형균 교수 연구팀의 김동수 박사는 “무한한 태양광을 통해 지구온난화를 막아낼 이산화탄소 분해 촉매 형성의 새로운 발견이며, 고효율 이산화탄소 광전기화학 분해 연구의 초석이 될 것”이라며 “가장 시급한 글로벌 이슈인 탄소중립과 지속가능한 에너지원 발견에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 “광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 지난 1월 9일 온라인 게재 및 3월호 표지를 장식했다. ※ 논문제목: Harmonized Physical and Electrochemical Process Design for Densely Dispersed Cu Catalysts on Cu2O Absorbers for Efficient Photoelectrochemical CO2 Reduction Reaction 출처 : Usline(유스라인)(http://www.usline.kr)