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연세대 홍진기 교수팀, 기체방출 입자의 운동성 향상 특성을 활용 표적 기능이 향상된 급성 감염성 폐질환 개선용 다중약물 전달 시스템 개발. 산화질소를 점액 층 통과를 위한 운동성 향상 및 염증조절 용 약물로 사용한 최초 보고. Professor Jinkee Hong’s group at Yonsei University developed a novel multi-drug delivery system to treat acute infectious lung d
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 감염성 폐질환으로 대표되는 급성 호흡곤란 증후군 (ARDS)의 효과적인 치료를 위하여 양쪽성 이온 표면 개질과 산화질소 도입을 통한 치료제를 개발 하였다. 중증 급성 호흡기 증후군 (SARS-CoV-2)에서 파생된 많은 합병증 중에서 급성 호흡곤란 증후군(ARDS)은 다양한 병원체의 침입에 반응하여 발생할 수 있는 가장 심각한 형태의 합병증 중 하나이다. 급성 호흡곤란 증후근은 과도한 염증과 폐에 체액의 축적을 유발하는 것이 특징으로, 이는 폐포의 손상을 유발하고 호흡 부전으로 이어질 수 있으며, 코로나 19환자의 주요 사망원인이다. 그러나, 급성 호흡곤란 증후근의 치료에 대한 다양한 시도에도 불구하고, 기계적인 환기나 보조적인 치료 외에 적합한 치료법이 없고, 기계적 환기를 통한 치료는 폐에 추가적 손상을 초래할 수 있다. 또한 이를 해결하기 위한 약물의 전달 역시 기도에 존재하는 점액층에 의해서 전달효율이 매우 떨어지고, 폐포 내 축적된 체액으로 인해 치료효과가 매우 낮다. 연세대 홍진기 교수팀이 개발한 다중약물 전달 시스템은 약물 전달체의 표면을 양쪽성 이온과 산화질소 방출이 가능한 표면으로 개질하여, 점액층에서의 제거를 방지하고, 방출되는 산화질소에 의한 운동성 향상으로 폐포에 도달하였을 때, 표적 세포로의 전달효율을 증가 시켰다. 또한 코르티코스테로이드 약물인 덱사메타손과 산화질소의 염증조절 기능을 통하여 다중약물 치료를 통한 효과적인 증상완화를 가능하게 하였다. 연구팀은 다공성 나노 입자의 표면을 정전기적 인력을 통하여 양전하를 띄고, 다량의 아민 그룹을 포함하는 폴리에틸렌이민(branched)으로 코팅하고, 프로판술톤으로 개질하여 양쪽성 이온표면을 형성하였다. 이를 통해, 입자의 표면에 강력한 수막을 형성하여 약물전달시 표면에 단백질 등의 흡착으로 인한 생체내 제거를 방지하였다. 최종적으로 산화질소 가스를 방출할 수 있는 작용기로 입자를 개질 함으로써, 입자에서 방출되는 기체에 의한 운동성 향상을 유도하였고, 실제 점액층 모사 조건하에서 입자의 운동성이 현저하게 증가하는 것을 입증하였다. 최종적으로, 해당 입자의 성능을 실제 급성 감염성 폐질환 동물실험 모델에서 검증함으로써, 다중약물 전달 시스템을 통한 치료제가 동물 모델의 호흡을 정상화하고, 감염성 인자와 염증반응 수치를 효과적으로 감소시키는 것을 확인하였다. 특히, 약물전달 시스템을 거치지 않고 단일 약물 처리 실험군과 비교하였을 때, 확연하게 개선된 효과를 나타내었고, 이를 통하여 양쪽성 이온과 산화질소를 통한 약물전달 시스템의 효과를 검증하였다. 연세대 홍진기 교수는 “급성 호흡곤란 증후군과 같은 감염성 폐질환을 효과적으로 치료하기 위한 방법이 매우 제한적이고 그 효과가 매우 미미하였지만, 해당 연구를 통하여 개발된 치료제는 점액층을 통과하고 폐포 내 체액으로 인한 전달 한계점을 개선한 약물 전달체로, 산화질소의 항염증 조절 및 운동성 향상 특성을 동시 도입한 최초의 연구로써 추후 다양한 감염성 질환에 타겟한 연구가 이루어 질 것으로 기대된다"고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 홍진기 교수 연구팀의 박경태 박사(공동 제1저자), 정성원 박사(공동 제1저자) 와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘머테리얼즈 투데이(Materials Today)’에 12월 12일자(현지시간)로 온라인 게재됐다. Yonsei University’s (President Seung-Hwan Seo) department of chemical and biomolecular engineering Professor Jinkee Hong's research team developed an effective treatment for acute respiratory distress syndrome (ARDS), a representative infectious lung disease. The treatment involves modifying the surface with bipolar ions and introducing nitric oxide. Among the many complications derived from severe acute respiratory syndrome (SARS-CoV-2), ARDS stands out as one of the most severe conditions, responding to the invasion of various pathogens. ARDS is characterized by excessive inflammation and fluid accumulation in the lungs, leading to cell damage, respiratory failure, and, notably, being a major cause of death in COVID-19 patients. Despite various attempts to treat ARDS, there is a lack of suitable methods beyond mechanical ventilation and supportive therapies, with the latter potentially causing additional lung damage. Drug delivery to address this issue is hindered by the mucous layer in the airways, resulting in low delivery efficiency, and the accumulated fluid within lung cells diminishes treatment effectiveness. The multi-drug delivery system developed by Professor Hong Jin-ki's team involves modifying the drug delivery particle's surface to enable bipolar ions and nitric oxide release. This modification prevents removal in the mucous layer and enhances mobility through nitric oxide release, thereby increasing the efficiency of reaching target cells. Incorporating the anti-inflammatory properties of corticosteroid drug dexamethasone and nitric oxide enables effective symptom relief through multi-drug therapy. The team modified the surface of porous nano-particles by inducing a positive charge through electrostatic forces, coating them with polyethyleneimine containing numerous amine groups, and further modifying with propionylketone to create a bipolar ion surface. This strong membrane formation on the particle surface prevents biological removal due to protein adsorption during drug delivery. Finally, the introduction of a gas-releasing functional group through propionylketone modification induces improved mobility in the released gas, as demonstrated under simulated mucous layer conditions. The performance of these particles was validated in a real animal model of acute infectious lung disease. The multi-drug delivery system effectively normalized breathing, significantly reducing infectious factors and inflammation responses compared to a control group treated with a single drug. This demonstrated a clear improvement, confirming the effectiveness of the drug delivery system incorporating bipolar ions and nitric oxide. Professor Jinkee Hong expressed optimism about the study's implications, stating, "Effective treatments for infectious lung diseases such as ARDS have been limited and minimally effective. However, our developed treatment overcomes barriers like the mucous layer and cell fluid accumulation, serving as a drug delivery system that improves upon existing limitations. It is the first study to simultaneously introduce the anti-inflammatory regulation and enhanced mobility characteristics of nitric oxide. We anticipate further targeted research for various infectious diseases based on this foundation.“ This research, conducted with the support of the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea, was published online in the prestigious scientific journal 'Materials Today' on December 12th. (local time) Materials Today (2023) (IF: 24.2)Published: December 12, 2023 (In press)https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.11.011
연세대 김대우 교수팀, 절연성 금속 유기구조체 개질화를 통한 고민감 NO2 선택탐지 전기화학 센서 개발. Prof. Dae Woo Kim and his team developed an electrochemical sensor for selective detection of NO2 by modifying the surface structure of metal organic frameworks.
김대우 교수와 이우영 교수 (신소재 공학) 연구팀이 절연성 금속 유기구조체(ZIF-8)을 표면 개질화하여, 이산화질소(NO2) 가스의 고민감, 고선택 탐지가 가능한 전기화학 센서를 개발하였다. 이 연구에서 개발된 소재는 part per billion(ppb) 미만 수준의 극미량 가스를 감지할 수 있을 정도로 높은 민감도를 갖추었으며, 여러 분자가 포함된 혼합가스에서도 이산화질소만 선택적으로 감지할 수 있는 특징을 보여 향후 산업, 의료 진단 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이산화질소는 대기 중에서 발생하는 중요한 대기오염물질 중 하나로, 주로 자동차 및 산업에서의 연소과정에서 발생하며, 공기 중에 배출되는 먼지, 승용차 배기가스, 발전소에서의 연소 등이 주된 원인이다. 이산화질소는 매우 강력한 산화가스로 100 ppm 정도의 농도만으로도 호흡기에 해로울 수 있으며, 대기 중 오존 생성의 전구물질로 작용하여 스모그의 주요 구성 요소가 될 수 있다. 현재 환경 및 인간 건강에 미치는 영향을 모니터링하고 예방하기 위해 이산화질소 농도를 측정하는 센서 및 모니터링 시스템이 사용되고 있으나, 기존 가스 감지 소재의 낮은 가스 감지 선택성과 높은 검출 한계로 가스의 정확한 감지 및 분석에 많은 어려움이 있다. 공동연구팀이 개발한 가스 감지 소재는 금속 유기구조체(ZIF-8)가 2~3nm 수준 산화물층(ZnO)으로 둘러싸인 코어쉘(core-shell) 구조로 전기가 흐르지 않는 유기구조체 소재에 전도도를 부여하여 반도체성 전자소자로 활용할 수 있다. 금속 유기구조체의 매우 높은 표면적으로 인한 가스흡착 특성과 나노스케일 산화물층의 가스 감지 특성이 시너지 효과를 내어 수 백도에 달하는 기존 금속 산화물 센서의 작동온도를 150℃로 낮췄을 뿐만 아니라 130ppm-1 수준의 높은 민감도를 가져 약 0.63ppb 수준의 뛰어난 검출한계를 보여주었다. 특히, 이 소재는 기존 가스 센서와 다르게 수분이 있는 환경에서 민감도가 두 배 이상 증가했고, 유기 리간드의 화학적 특성으로 인해 이산화질소에 높은 반응 선택성을 보여주었다. 이는 복잡한 가스 필터 과정 없이 다양한 대기환경 및 습도에서도 안정적으로 이산화질소 가스를 감지할 수 있음을 보여준다. 또한, 대면적 금속 유기구조체 필름 제조와 마이크로 공정 기반의 센서 제작 방식은 센서의 수율을 극대화할 수 있어 센서의 생산 단가도 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 연세대 김대우 교수는 “금속 유기구조체 기반 소재는 뛰어난 가스 분석 소재임에도 불구하고, 전도성의 조절이 쉽지 않아 전기화학 가스탐지 소자로서 활용되기 어려웠다. 이 연구에서 개발한 소재 개질 공법은 ZIF-8 뿐만 아니라 다양한 시리즈의 금속 유기구조체에 확장 가능하고, 향후 다양한 소재 및 응용 분야로의 적용이 이뤄질 것으로 기대된다”고 전했다. 연세대 이우영 교수는 “호기 가스 내 질병 바이오마커 분자를 감지하는 기술에 대한 관심이 급증하고 있다. 이산화질소의 고민감 선택탐지 기술은 산화질소가 바이오마커인 천식, 만성 폐질환 및 특정 유형의 암과 같은 특정 염증성 질환의 조기진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다. 본 연구는 산업통상자원부 초임계재료산업기술센터 및 키우리 사업, 교육부 기초과학연구사업과 과학기술정보통신부의 개인기초연구 및 나노소재기술개발 사업으로부터 지원받았으며, 이우영 교수 연구팀의 민혜기 박사(공동 제1저자), 권오찬 박사(공동 제1저자)가 수행하였다. 본 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 12월 온라인 게재되었다. A research team led by Prof. Dae Woo Kim and Prof. Woo Young Lee (Material Science Engineering) has developed an electrochemical sensor for the sensitive and highly selective detection of nitrogen dioxide (NO2) gas by surface modification of an insulating metal organic framework (ZIF-8). The material developed in this study is highly sensitive enough to detect ultra-trace gases at levels below parts per billion (ppb) and can selectively detect only nitrogen dioxide even in mixed gases containing multiple molecules, which is expected to be utilized in future industrial and medical diagnostic fields. Nitrogen dioxide is one of the important air pollutants in the atmosphere, mainly generated by combustion processes in automobiles and industries, and is mainly caused by dust emitted into the air, passenger vehicle exhaust, and combustion in power plants. Nitrogen dioxide is a very potent oxidizing gas and can be harmful to the respiratory system at concentrations as low as 100 parts per million, and it acts as a precursor to ozone formation in the atmosphere, making it a major component of smog. Currently, sensors and monitoring systems that measure the concentration of nitrogen dioxide are used to monitor and prevent environmental and human health impacts, but there are many difficulties in accurately detecting and analyzing the gas due to the low gas detection selectivity and high detection limit of existing gas sensing materials. The gas sensing material developed by the research team consists of a core-shell structure in which a metal inorganic framework (ZIF-8) is surrounded by a 2-3 nm layer of zinc oxide (ZnO), which can be used as a semiconductor electronic device by imparting conductivity to the inorganic framework material without electricity. The synergistic effect of the gas adsorption properties of the very high surface area of the metal organic structure and the gas sensing properties of the nanoscale oxide layer not only reduces the operating temperature of conventional metal oxide sensors of hundreds of degrees to 150°C, but also provides a high sensitivity of 130 ppm-1, showing an excellent detection limit of about 0.63 ppb. In particular, unlike conventional gas sensors, this material more than doubled the sensitivity in the presence of moisture and showed high reaction selectivity to nitrogen dioxide due to the chemical properties of the organic ligand. This shows that nitrogen dioxide gas can be reliably detected in various atmospheric environments and humidity levels without the need for complex gas filters. In addition, the large-area metal-organic film fabrication and micro-process-based sensor fabrication method can maximize the yield of the sensor, which is expected to reduce the production cost of the sensor. "Although metal-organic framework-based materials are excellent gas analysis materials, it has been difficult to utilize them as electrochemical gas detection devices due to the difficulty in controlling their conductivity. The material modification process developed in this study is scalable not only to ZIF-8 but also to various series of metal-organic frameworks, and is expected to be applied to various materials and applications in the future," said Prof. Dae Woo Kim of Yonsei University. "There is a surge of interest in detecting disease biomarker molecules in exhaled gas," said Prof. Woo-Young Lee of Yonsei University. This technology is expected to be utilized for early diagnosis of certain inflammatory diseases such as asthma, chronic lung disease, and certain types of cancer for which nitric oxide is a biomarker." The research was supported by the Ministry of Trade, Industry and Energy's Supercritical Materials Industry Technology Center and KIURI Project, the Ministry of Education's Basic Science Research Project, and the Ministry of Science and ICT's Individual Basic Research and Nanomaterial Technology Development Project, and was conducted by Dr. Hye-Ki Min (co-first author) and Dr. Oh-Chan Kwon (co-first author). The results of the study were published online in December in Advanced Materials, one of the world's leading materials science journals. Advanced Materials (2023) (IF: 29.4)Published: December 02, 2023https://doi.org/10.1002/adma.202309041
연세대 홍진기 교수팀, 구강 미생물과 건강하게 소통하여 잇몸과 뼈를 동시에 재생시키는 치과 임플란트용 멤브레인 개발. Professor Jinkee Hong's team at Yonsei University developed a dental implant membrane enabling the spontaneous regeneration of soft tissue and hard tissue
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 연세대학교 치과대학 최성환, 차재국 교수와 공동 연구를 통해 구강 미생물 군집을 정상화시키는 특별한 메커니즘을 기반으로 잇몸과 뼈의 재생 속도를 동시에 향상시킬 수 있는 치과용 차폐막 (occlusive membrane, 이하 멤브레인)을 개발했다. 현재 치과에서는 치아 손실, 발치 또는 임플란트 후 연조직인 잇몸과 경조직인 뼈를 구분해 각 조직을 선택적으로 재생시키기 위해서 골유도재생술(guided bone regeneration)을 보편적으로 수행한다. 여기서, 골유도재생술이란 세포별 증식 속도 차이를 고려해, 성장 속도가 느린 뼈세포 이외의 피부 혹은 혈관 세포가 결손부위에 들어오지 못하도록 하여 결손부위에 뼈세포만 증식-분화될 수 있도록 하는 기법이다. 이때 경조직-연조직 재생의 경계면에 세포 교차 이동 차단막인 멤브레인을 도입하여 선택적 조직 재생을 구현하는 이 기술의 핵심이다. 그러나 도입된 멤브레인은 우리 구강 환경에 공생하는 다양한 미생물에 의해 쉽게 오염돼 오히려 치주 조직 재생을 방해한다. 연세대 홍진기 교수 연구팀은 치아 최외각층인 에나멜(enamel)이 미생물에 의한 치아 부식 및 오염을 물리적으로 방어하는 기전에서 착안하여 문제를 해결하였다. 특히, 치아 성장 과정 중 생광물화 메커니즘을 모사하여 치아 에나멜의 고밀도 수산화인회석 (hydroxyapatite) 구조를 멤브레인에 구현하였다. 연구팀의 치아 에나멜 모사 멤브레인은 사람 침에 존재하는 미생물 군집 중 위험한 미생물은 선택적으로 억제하며 건강한 미생물만 우선적으로 성장시키는 놀라운 결과를 보였다. 이런 미생물 군집 정상화 특성이 중동물 구강 환경에서도 작동하는 것을 확인하였다. 최종적으로, 개발된 멤브레인을 활용해 심하게 감염된 구강 조직에 골유도재생술을 수행한 결과, 잇몸과 뼈를 동시에 재생시키는 이상적인 치료 성능을 확보하였다. 연세대 홍진기 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 연조직과 경조직을 성공적으로 재생시킬 수 있는 신규 치과 멤브레인을 개발하였다. 특히, 멤브레인에 도입된 수산화인회석이 연조직 재생과는 전혀 관련이 없는 것으로 알려진 것을 고려하면, 건강한 미생물 환경이 우리 인체의 조직 재생 능력 유지 및 향상에 핵심이라는 새로운 패러다임을 제시한다. 연세대 홍진기 교수는 “이번 연구는 생물학적 마이크로바이옴 분석과 공학적 재료 설계를 융합해 수산화인회석의 신규 생체 활성 기능을 최초로 발견한 우수한 융합 연구 결과물”이라고 평가하며, “미생물 군집 특성 정상화를 통해 재생을 유도하는 메커니즘이 상태가 악화된 환자 혹은 고령 환자에게도 효과적일 것으로 기대돼 연세대 치과대학 병원과 임상 연구를 기획 중”이라고 덧붙였다. 본 연구는 한국연구재단(NRF), 국방기술진흥연구소(KRIT), 한국산업기술평가, 한국산업기술평가관리원(KEIT), 한국보건산업진흥원(KHIDI)과 연세대 IPY 지식융합 Seed Grant 사업의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 홍진기 교수 연구팀의 최우진 박사과정생(제 1저자)이 연세대학교 치과대학 만갈웃커시 박사(제 1저자)와 진행했으며, 국제 학술 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 11월 24일자(현지시간)로 게재됐다. A research team led by Prof. Jinkee Hong of the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University (President Seung-Hwan Seo) and Prof. Sung-Hwan Choi and Prof. Jae-Kook Cha of Yonsei University College of Dentistry has developed a dental occlusive membrane (hereinafter referred to as a membrane) that can simultaneously improve the regeneration efficiency of gingival gums and alveolar bones based on a special mechanism to normalize oral microbiome communities. Currently, dental clinics perform guided bone regeneration to selectively regenerate each tissue by separating soft tissue (gums) and hard tissue (bones), after tooth loss, extraction, or implantation. The guided bone regeneration is a technique that prevents fibroblast and epithelial cells from invading the bone defect region so that only osteoblast can be proliferated-differentiated in this defect area. Therefore, occlusive membranes are introduced to inhibit the penetration of fibroblasts and epithelial cells and retain the space for osteoblast growth. However, the introduced membrane is easily contaminated by various microorganisms symbiotic in our oral environment, thereby interfering with periodontal tissue regeneration. Prof. Jinkee Hong research team resolved the problem by devising the mechanism by which enamel, the outermost layer of teeth, physically prevents tooth caries and contamination by microorganisms. In particular, the high-density hydroxyapatite structure of tooth enamel was implemented on the membrane by simulating the biomineralization mechanism during the tooth growth process. When this tooth enamel emulating membrane was exposed to the human saliva, the membrane showed remarkable performance in selectively suppressing pathogenic microorganism growth and growing healthy microorganisms preferentially. This normobiosis induction effect was further confirmed in the oral environment of middle-sized animals in vivo. Finally, when the guided bone regeneration on severely inflamed oral tissues was performed with the help of the developed membrane, the gingival gums and alveolar bones of canine were generated at the same time. In this study, Prof. Jinkee Hong research team has developed a ideal dental membrane capable of successfully regenerating soft and hard tissues. In particular, given that hydroxyapatite of the membrane is known to have no relation to soft tissue regeneration, Prof. Jinkee Hong research team suggested a new paradigm in regenerative medicine that a healthy microbiome environment is essential to maintaining and improving the regeneration capacity of our human body. Prof. Jinkee Hong said, "This study is the outstanding multidisciplinary study to discover the new bioactive function of hydroxyapatite by combining biological microbiome analysis and biomaterials engineering science," adding, "We are planning clinical research with Yonsei University College of Dentistry because the mechanism to induce regeneration through microbiome normobiosis would be effective for patients with deteriorated conditions or elderly patients.“ This research was conducted with the support of NRF, KRIT, KEIT, KHIDI, and Yonsei Unversity Seed Grant Project Y. The study was conducted by Woojin Choi (first author, PI: Prof. Jinkee Hong) with Dr. Utkarsh Mangal (first author) of Yonsei University College of Dentistry, and was published in the prestigious journal, Nature Communications, on November 24 (local time). Nature Communications (2023) (IF: 16.6)Published: November 24, 2023https://www.nature.com/articles/s41467-023-43428-3
연세대 함승주 교수팀, 자성 입자 활용, 자화도 차이에 따른 유방암 특이적 엑소좀 (HER 2 positive exosome) 다중 분리 칩 기술 개발. Professor Seungjoo Haam's team at Yonsei University developed a microfluidic chip for HER2-Positive cancer-derived exosomes isolation and detection
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀이 자성 입자 활용, 유방암 특이적 엑소좀을 다중 분리할 수 있는 미세 유체 칩을 개발했다. 엑소좀은 세포 내에서 생성 되어 외부로 방출되는 소포체의 일종이다. 엑소좀은 세포간 정보 교환을 위해 분비되며 이에 따라 단백질, RNA, DNA 등의 생체물질이 담겨 있다. 엑소좀은 크기가 30nm~150nm로 형성 되어 있는 것을 특징적으로 언급하며 체내에서 매우 안정적이다. 환자 체액 내 엑소좀 분석은 체액 내 엑소좀 분석은 최근 혁신적이고 유망한 액체 생검 방법으로 최근 주목 받고 있다. 그러나 분석에 적합한 농도의 엑소좀을 불순물로부터 얻는 것은 기존 방식의 한계였다. 연세대 함승주 교수팀이 개발한 미세 유체 칩은 자성체 크기에 따른 자화도 차이를 보이고 이를 활용하여 질환 특이적 엑소좀을 분리한다. 이에 따라, 기존의 엑소좀을 무작위르 분리하는 것과 달리 특정 마커가 노출되어 있는 엑소좀을 특이적으로 분리할 수 있다. 질환 특이적 엑소좀은 검진하고자 하는 질환의 특징적인 생체 분자 (단백질, RNA, DNA)를 함유 하고 있으며 정확한 질환 진단에 활용 가능하다. 연구팀은 자성체 차이에 의한 미세 유체칩을 개발하기 위해, 200nm 및 400nm 크기의 자성체를 제작하였으며 이를 실리카 개질하여 항체를 결합하였다. 여기서 항체는 유방암 특이적 마커인 HER2 단백질의 항체를 사용하여 진행하였다. 이를 통해 소변 내 HER 2가 발현된 엑소좀을 특이적으로 분리 및 검출함으로써 유방암 여부 및 치료약에 따른 유방암의 진행 정도를 파악 할 수 있음을 확인하였다. 특히, 이번 연구의 핵심은 기존에 복잡한 과정을 최소화 하여 진행할 수 있으며 비침습적으로 샘플을 분리 및 진단 할 수 있다는 점이다. 본 연구의 효과를 확인 하기 위해 실제 쥐 모델을 활용하여 암 세포 크기 및 진행 정도에 따른 소변을 채취하여 검증하였을 때 유방암 진행 정도에 따라 특이적으로 신호가 발현 되는 것을 확인하였다. 이 연구를 통해 소변을 활용한 암 진단이 가능해 질 뿐만 아니라 암의 진행 정도를 파악 할 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서 진행한 유방암 뿐만 아니라 항체를 변경하여 복수의 암 진단에 활용 할 수 있으며 암 뿐만 아니라 엑소좀을 활용해 진단 가능한 다양한 불치병에 적용 가능할 것으로 판단된다. 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 주관하는 나노소재기술개발사업, 바이오·의료기술개발사업, 신변종감염병대응플랫폼핵심기술개발사업, 환경부에서 추진하는 생물학적위해인자관리기술개발사업의 지원으로 함승주 교수 연구팀의 문병걸 연구원(제1저자), 한국생명공학연구원의 임은경 박사(공동 교신저자)과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘바이오 센서 앤 바이오 일렉트로닉스 (Biosensors & Bioelectronics)’에 11월 1일자(현지시간)로 게재됐다. A research team led by Prof. Seungjoo Ham of the Department of Chemical and Biological Engineering at Yonsei University (President Seung-Hwan Seo) has developed a microfluidic chip that utilizes magnetic particles for multiple isolation of breast cancer-specific exosomes. Exosomes are a type of endoplasmic reticulum that is produced inside the cell and released to the outside. Exosomes are secreted for information exchange between cells and contain biomaterials such as proteins, RNA, and DNA. Exosomes are characterized by a size of 30 nm to 150 nm and are very stable in the body. The analysis of exosomes in patient body fluids has recently gained attention as an innovative and promising liquid biopsy method. However, obtaining the right concentration of exosomes for analysis from impurities has been a limitation of existing methods. The microfluidic chip developed by Seungjoo Ham and colleagues at Yonsei University shows differences in magnetization depending on the size of the magnet and uses this to isolate disease-specific exosomes. As a result, exosomes with specific markers can be specifically isolated, unlike the random isolation of existing exosomes. Disease-specific exosomes contain biomolecules (proteins, RNA, DNA) characteristic of the disease to be examined and can be used for accurate disease diagnosis. In order to develop a microfluidic chip based on the difference in magnetic materials, the research team fabricated magnetic materials of 200 nm and 400 nm size and combined them with antibodies by modifying silica. In this case, the antibodies were directed against the HER2 protein, a specific marker for breast cancer. The results showed that by specifically isolating and detecting HER2-expressing exosomes in urine, it is possible to determine the presence of breast cancer and its progression in response to treatment. In particular, the key point of this study is that it can be carried out by minimizing the complexity of the existing process, and the sample can be separated and diagnosed non-invasively. To verify the effectiveness of this study, we used a rat model to collect urine according to the size and progression of cancer cells, and found that the signal was expressed specifically according to the progression of breast cancer. This study is expected to enable the diagnosis of cancer using urine, as well as to identify the extent of cancer progression. In addition to breast cancer, this study can be used to diagnose multiple cancers by changing antibodies, and it is believed that it can be applied to various incurable diseases that can be diagnosed using exosomes, not just cancer. The research was supported by the Nanomaterial Technology Development Project, Bio-Medical Technology Development Project, Emerging Infectious Disease Response Platform Core Technology Development Project, and Biological Risk Factor Management Technology Development Project promoted by the Ministry of Science and ICT, and was conducted by Dr. Byeonggeol Mun (first author) along with Professor Seungjoo Ham's research team and Dr. Eun-kyung Lim (co-corresponding author) of the Korea Biotechnology Research Institute and published on November 1 (local time) in world's leading scientific journal Biosensors & Bioelectronics. Biosensors and Bioelectronics (2023) (IF: 12.625)Published: november 01, 2023https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115592
연세대 조정호 교수팀, 상온에서 프린팅 공정이 가능한 고성능 CuI p-type 투명 트랜지스터 소자 개발. Professor Jeong Ho Cho’s team at Yonsei University developed a printable P-type CuI transistor with high-performance fabricated at room temperature
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 조정호 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 CuI (구리요오드화물) 기반 p-type 투명 트랜지스터 전자소자를 개발했다. 이러한 CuI 트랜지스터는 투명 소자의 핵심 반도체로서, 차세대 디스플레이 및 다양한 전자제품에 혁신적인 응용 가능성을 제시하고 있다. 투명 소자의 연구는 수십 년간 계속되어왔으며, 이는 디스플레이 뿐만 아니라 여러 차세대 투명 전자제품의 발전을 촉진할 중요한 기반을 마련할 것으로 기대된다. 현재까지 상용화된 것은 n-type 산화물 반도체인 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)뿐이며, 투명 로직 회로 등을 가능하게 하기 위해서는 이를 보완하는 투명 p-type 반도체 소자가 필요하다. CuI는 투명 p-type 반도체 소자로서 이론적으로 뛰어난 성능을 가질 수 있다는 잠재력을 지니고 있다. 그러나 공정 중에 반도체 내부 결함이 많이 발생하여 이론적인 성능에 비해 실제 성능이 떨어지는 문제가 있다. 특히, 강한 휘발성을 가진 요오드 원자가 증발하여 반도체 내부에 요오드 공극을 형성하면 이것이 반도체 내부의 결함으로 작용해 전하의 이동을 방해하는 문제가 있다. 연세대 조정호 교수 연구팀의 연구에서는 용매의 휘발성을 조절하여 CuI 반도체 박막의 형상 제어와 함께 요오드 공극의 양을 제어하였다. 용매의 휘발성에 따라 용액으로 제조한 박막에서 일어나는 결정핵의 생성과 성장의 과정을 제어하여 박막의 형상을 제어할 수 있었다. 이렇게 제어된 형상에 따라 요오드 공극이 생기는 양이 달라지게 되며 이를 미세하게 제어하는데 성공함으로써 CuI 트랜지스터 소자의 성능을 최적화하는데 성공했다. 요오드 공극의 제어와 함께 높은 유전상수를 가지는 이온이 주입된 금속산화물 유전체를 활용하여 트랜지스터 소자의 성능을 끌어올렸다. 이온이 주입된 금속산화물 유전체는 외부에서 전압이 인가되면 이온이 이동하여 전기 이중층을 생성한다. 이렇게 생성된 전기 이중층은 반도체 내부의 전하를 많이 끌어당길 수 있게 해주며, 전하들이 반도체 내의 결함들을 채워주어 전하의 이동을 더 용이하게 만들어주는 효과가 있다. 연세대 조정호 교수는 “CuI 소재의 높은 잠재력을 최대한 끌어내기 위한 투명 p-type 반도체 소재에 대한 연구를 통해 다양한 차세대 투명 전자제품의 개발이 가능해질 것으로 기대된다"고 설명했다. 이는 향후 투명 전자제품의 혁신적인 발전을 이끌어낼 것으로 전망된다. 이번 연구는 한국연구재단과 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT)의 지원으로 조정호 교수 연구팀의 권용현 연구원(제1저자)과 성균관대 조새벽 교수(공동교신저자)가 함께 진행했으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘어드밴시드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 11월 3일자(현지시간)로 게재됐다. Yonsei University's Department of Chemical and Biomolecular Engineering, under the leadership of Professor Jeong Ho Cho, has successfully developed the world’s highest-performing p-type transparent transistor electronic component based on CuI (copper monoiodide). These CuI transistors serve as crucial semiconductors in transparent devices, holding promising applications for next-generation displays and various electronic products. Research on transparent electronics has been ongoing for decades, laying a vital foundation not only for displays but also for the advancement of various next-generation transparent electronic devices. Currently, the only commercially available material is the n-type oxide semiconductor IGZO (Indium-Gallium-Zinc-Oxide), necessitating the development of complementary p-type semiconductor components for transparent logic circuits and other functionalities. CuI demonstrates theoretical excellence as a transparent p-type semiconductor. However, during the manufacturing process, the semiconductor often exhibits internal defects, leading to a performance gap compared to its theoretical capabilities. Particularly, the evaporation of highly volatile iodine atoms, forming iodine vacancies within the semiconductor, hampers the movement of charge carriers. In the research led by Professor Jeong Ho Cho's team at Yonsei University, the control of solvent volatility was employed to manage both the morphology of the CuI semiconductor film and the quantity of iodine vacancies. By regulating the process of nucleation and growth of crystals in the solution-processed film based on solvent volatility, the team successfully controlled the film's morphology. This precise control influenced the amount of iodine vacancies, optimizing the performance of CuI transistors. In conjunction with iodine vacancy control, the team enhanced the performance of the transistors by utilizing a metal oxide dielectric with a high dielectric constant, infused with ions. When an external voltage is applied, these ions move, creating an electrical double layer. This generated electrical double layer attracts substantial amount of charge carriers within the semiconductor, effectively filling defects and facilitating the movement of charges. Professor Jeong Ho Cho expressed optimism, stating, "Through research on transparent p-type semiconductor materials, unlocking the high potential of CuI, we anticipate the development of various next-generation transparent electronic products." This breakthrough is poised to drive innovative advancements in transparent electronic products in the future. Supported by the Korea Research Foundation, the Ministry of Trade, Industry and Energy, and the Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT), this collaborative research involved Yong Hyun Kwon, a researcher in Professor Jeong Ho Cho's team, and Professor Sae Byeok Jo of Sungkyunkwan University as a co-corresponding author. The findings were published in the prestigious scientific journal 'Advanced Materials' on November 3rd (local time). Advanced Materials (2023) (IF: 32.086)Published: November 03, 2023https://doi.org/10.1002/adma.202307206
연세대 정윤석 교수팀, 황화물계 및 할라이드계 고체전해질 대기안정성 향상을 위한 초박막, 초소수성 코팅 기술 개발. Professor Yoon Seok Jung's team at Yonsei University developed ultrathin and superhydrophobic coatings for enhanced air stability of sulfide- and halide- solid electrolytes
연세대학교 (총장 서승환) 화공생명공학과 정윤석 교수 연구팀은 황화물계 및 할라이드계 고체전해질의 대기안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 초박막, 초소수성 코팅 기술을 개발하였다. 리튬이온전지는 스마트폰에서 전기자동차에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되며, 우리나라의 주력 산업 중 하나로 자리매김하고 있다. 하지만, 기존 리튬이온전지는 인화성의 유기계 액체전해질을 사용하기에 발화 및 폭발 등 안전성의 문제가 있다. 특히, 수백, 수천 개의 리튬이온전지가 밀집되어 있는 전기자동차 및 대용량 에너지저장장치의 사고는 막대한 재산 및 인명 피해를 초래할 수 있다. 전 세계적으로 ‘꿈의 배터리’로 평가되는 전고체전지 개발이 이러한 문제점을 해결하기 위해 진행 중이다. 전고체전지는 발화시 연료가 되는 유기계 액체전해질을 난연성의 고체전해질로 대체함으로써 높은 안전성을 제공한다. 또한 다수의 단위셀을 촘촘하게 붙일 수 있는 바이폴라 (Bipolar) 구조 설계가 가능하며 고용량 리튬금속 음극 적용 가능성 덕분에 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있다. 이로 인해 고에너지 밀도 및 고출력 전지 제작이 가능하다. 무기계 고체전해질 중, 황화물계 및 할라이드계 고체전해질은 액체전해질과 유사한 높은 이온전도 특성(1~10 mS/cm)을 가지며 무른 기계적 물성으로 입자 간 접촉면 형성이 용이해 핵심 고체전해질 소재로 여겨지고 있다. 하지만, 황화물계 및 할라이드계 고체전해질은 화학적 안정성이 취약하여 대기 중 수분과 반응하여 독성 물질인 황화수소 및 염화수소를 발생시키며 빠르게 퇴화하는 문제가 있다. 현재까지 황화물계 고체전해질의 대기 안정성을 향상시키기 위해 첨가제 복합화, 조성 제어 및 표면 처리를 통해 대기안정성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 비전도성 첨가제 복합화에 따른 이온전도도 하락, 독성 원소의 사용, 두꺼운 피막 형성으로 인한 이온전도도의 하락 등 한계점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 할라이드계 고체전해질의 대기 안정성을 향상시키기 위한 선행 연구 사례는 부족한 상황이다. 연세대학교 정윤석 교수 연구팀은 초소수성 고분자 Polydimethylsiloxane (PDMS)를 기상 증착법을 이용하여 황화물계 (Li6PS5Cl) 및 할라이드계 (Li2.5Zr0.5In0.5Cl6) 고체전해질 표면에 코팅하는 기술을 개발하였다. 용매를 사용하지 않는 제조법과 5 nm 이하의 매우 얇은 코팅층 형성을 통해 코팅 이후에도 최대 92%에 달하는 리튬 이온전도도 보존율을 달성할 수 있다. 초소수성 코팅층은 대기 중에 수분에 의한 열화를 효과적으로 억제할 뿐만 아니라, 표면에 흡착되어 있는 수분을 효과적으로 제거하는 역할을 통해 열처리 후 높은 리튬 이온전도도 회복율을 달성할 수 있다. 또한, 전고체전지의 대면적화 및 상용화를 위해서는 드라이룸 공정이 필수적인데, 초박막, 초소수성 코팅 고체전해질을 사용할 경우 드라이룸에 장기간 노출 후에도 우수한 전기화학적 성능을 달성할 수 있다. 본 연구에서는 Cryo-TEM 및 XPS를 활용하여 고체전해질 표면에 5 nm 이하의 초박막, 초소수성 코팅층이 형성된 것을 확인하였다. XRD, TGA-MS 및 Raman 고도분석을 활용하여 고체전해질의 열화 억제 및 표면에 흡착된 수분의 제거 원리를 규명하였다. 이를 통해 황화물계 및 할라이드계 고체전해질 기반 전고체전지의 상용화를 위한 기반을 마련하였다. 연세대학교 정윤석 교수는 “이번 연구는 대기에 불안정한 고체전해질에 적용될 수 있는 일반적인 방법론을 제시한 결과로서, 전고체전지 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.”라고 전했다. 본 연구는 삼성SDI, 한국연구재단 단계도약형 탄소중립기술개발과 한국산업기술기획평가원 리튬기반 차세대이차전지 성능 고도화 및 제조기술개발 지원으로 연세대 김규태 박사과정생이 1저자로 참여했고, 세계적인 에너지 기술 분야 국제 저명 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 10월 2일 (현지시간) 게재됐다. Professor Yoon-Seok Jung`s research team (Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University) has developed a groundbreaking ultrathin and superhydrophobic coating technology that can dramatically enhance the air stability of sulfide- and halide-based solid electrolytes. Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used in various fields, ranging from smartphones to electric vehicles, and have become one of South Korea’s leading industries. However, conventional lithium-ion batteries using flammable organic liquid electrolytes pose safety issues such as ignition and explosions. Accidents involving hundreds or thousands of lithium-ion batteries densely packed in electric vehicles and large-scale energy storage systems could result in significant property and human casualties. Globally, the development of all-solid-state batteries (ASSBs), often referred to as the "dream batteries," is underway to address these issues. ASSBs offer high safety by replacing flammable organic liquid electrolytes (LEs) with inorganic solid electrolytes (SEs) that eliminate the risk of combustion. Additionally, they enable the design of dense multi-cells through a bipolar electrode design, and the utilization of high-capacity lithium metal anodes maximizes the energy density per volume. As a result, it becomes possible to create batteries with high energy density and high-power output. Among inorganic SEs, sulfide- and halide-based SEs possess high ionic conductivity similar to LEs (1-10 mS/cm) and are considered vital SE materials due to their soft mechanical properties that facilitate interparticle contact interfaces. However, these materials suffer from rapid degradation caused by their weak chemical stability, reacting with moisture in the atmosphere to produce toxic substances like hydrogen sulfide and hydrogen chloride. Recently, extensive research is ongoing to improve the air stability of sulfide-based SEs through additive compounding, composition control, and surface treatments. However, this approach faces limitations such as reduced ionic conductivity due to non-conductive additive compounds, usage of toxic elements, and decreased ionic conductivity caused by the formation of thick coatings. Moreover, there is a lack of prior research on enhancing the air stability of halide-based SEs. Professor Yoon-Seok Jung's research team at Yonsei University has successfully developed a technology to coat sulfide-based (Li6PS5Cl) and halide-based (Li2.5Zr0.5In0.5Cl6) SE surfaces with superhydrophobic polymer polydimethylsiloxane (PDMS) using a vapor deposition method. Through solvent-free fabrication and the formation of ultrathin (less than 5 nm) coating layers, they achieve up to 92% preservation of lithium-ion conductivity even after coating. The superhydrophobic coating not only effectively inhibits degradation due to moisture in the atmosphere but also facilitates efficient removal of surface-adsorbed moisture, enabling high recover rates of lithium-ion conductivity after heat treatment. Furthermore, for the large-scale implementation and commercialization of all-solid-state batteries, a dry room process is essential. Using ultrathin and superhydrophobic coated SEs, excellent electrochemical performance can be achieved even after prolonged exposure to dry room. In this study, Cyro-TEM and XPs confirmed the formation of ultrathin (less than 5nm) and superhydrophobic coating layers on the SE surface. Utilizing XRD, TGA-MS, and Raman spectroscopy, they elucidated the principles behind inhibiting degradation of SEs and removing surface-adsorbed moisture. This groundwork paves the way for the commercialization of sulfide- and halide-based SE-based ASSBs. Professor Yoon-Seok Jung stated, “This research presents a general methodology applicable to unstable SEs in the air and is expected to contribute to the commercialization of ASSBs.” This research was supported by Samsung SDI, by the program of Phased Development of Carbon Neutral Technologies through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science and ICT, and by the technology innovation program funded by the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE, Korea). Advanced Energy Materials (2023) (IF: 27.8)Published: 2 October 2023https://doi.org/10.1002/aenm.202301600
연세대 박종혁 교수팀, 높은 구동 안정성을 가지는 정공 수송체 코팅 기술 개발. Professor Jong Hyeok Park’s team at Yonsei University developed an operation stable hole transporting layer for perovskite solar cell
연세대학교 박종혁 교수(화공생명공학과) 연구팀은 안정적이고 고효율의 페로브스카이트 태양 전지를 위한 분자 간 상호작용이 강화된 정공 수송층 (HTL) 제작 기술을 개발했다. 이 연구는 쉽고 새로운 방식으로 spiro-OMeTAD 기반 정공 수송층의 구동 안정성을 향상시킬 수 있다는 점에서 의의가 있다. 연구팀은 tris(4-methoxyphenyl)amine (TCM)을 spiro-OMeTAD 용액에 5 몰% 비율로 혼합함으로써 TCM과 spiro-OMeTAD 간의 분자 간 상호작용을 강화시킬 수 있음을 발견하고, 이 상호 작용은 정공 수송층 내에 리튬 이온과 tert-butyl pyridine (tBP)와 같은 도펀트들의 균일한 도핑 효과를 가능하게 하고 정공 수송 능력 또한 향상 시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인해 일정한 태양광 조사와 양의 전압 인가 조건 속에서도 도펀트가 정공수송층 거의 분리되지 않으며 궁극적으로 페로브스카이트 태양 전지는 안정적인 전력 출력을 보였다. 추가적으로, 강화된 분자 간 상호작용은 spiro-OMeTAD의 산화를 기존보다 더 촉진 시켰고 이는 페로브스카이트 태양 전지의 초기 광전 변환 효율 (PCE)을 24% 이상 달성할 수 있게 했다. 결과적으로, 봉지화 기술 없이 페로브스카이트 태양 전지는 1200 시간 동안 구동하면서 초기 광전 변환 효율의 90% 이상을 유지했고 대조군은 1200 시간 동안 70% 이상을 유지했다. 연세대 박종혁 교수는 “이번 연구는 쉽고 효과적인 기술을 통해 spiro-OMeTAD 기반 정공수송층의 구동 안정성을 향상시킬 수 있음을 보이고 이 기술은 추후 최고 효율의 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는데 적용될 것”이라고 전했다. 이 연구는 박종혁 교수 연구팀의 이정환 연구원 (제 1저자)과 함께 진행됐으며, 국제 학술 권위지인 ‘ACS Energy Letters (IF=22)’에 8월 28일 게재됐다. A research team led by Professor Jong Hyeok Park from Yonsei University's Department of Chemical and Biomolecular Engineering has developed a molecular interaction enhanced hole-transporting layer (HTL) for stable and efficient perovskite solar cell. This research presents a new and simple pathway for fabricating spiro-OMeTAD based hole-transporting layer with excellent operational stability. The research team found out that by simply mixing 5 mol% of tris(4-methoxyphenyl)amine coupled material (TCM) in spiro-OMeTAD solution can enhance intermolecular interaction between the TCM and spiro-OMeTAD. The enhanced interaction enabled uniform doping of lithium ions and tert-butyl pyridine (tBP) within the HTL film and facilitate efficient hole transporting layer. Due to these characteristics, even with constant light illumination and positive voltage biasing, i.e. operating condition, the dopants nearly segregated from the HTL which ultimately exhibit stable power output of perovskite solar cell. Additionally, enhanced molecular interaction enabled oxidation of spiro-OMeTAD to further extent which increased initial power conversion efficiency (PCE) of perovskite solar cell over 24%. Consequently, the perovskite solar cell without encapsulation retained 90% of the initial PCE after 1200 hours of operation while the control device retained 70% of the initial PCE after 1200 hours of operation. Professor Jong-hyeok Park of Yonsei University said, “This research offers a simple and efficient strategy to increase the operational stability of the spiro-OMeTAD based HTL and could potentially be used in state-of-art perovskite solar cell fabrication.” This work was supported by the YonseiProfessor Jong-hyeok Park of Yonsei University said, "This study presented a novel approach to overcome the challenges faced by current dry process techniques and could potentially be used in all-solid-state battery electrode fabrication processes." This research was conducted by Jung Hwan Lee (first author) and was published online on August 28 in the international academic journal of ‘ACS Energy Letters, (IF:22)’. ACS Energy Letters (2023) (IF: 22)Published: August 28, 2023https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01016
연세대 홍진기 교수팀, 전기/세포 에너지 동시 생성 원천 기술 개발, 인체를 매개하여 배터리, 전선, 심지어 발전기도 필요없는 동기식 전기 자극/발전 구현. Professor Jinkee Hong's team at Yonsei University implemented synchronous generation of electrical and cellular energies via body-mediated energy transfer the need for
연세대학교 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀은 중앙대학교 이상민 교수팀과 공동연구를 통해 인체로 전자기파가 전달될 때 국소 부위에 전기장이 집중된다는 현상을 발견하고, 이를 통해 배터리, 전선, 심지어 발전기도 필요없이 자체적인 전기 자극으로 세포 에너지를 생산 하면서 동시에 전기 에너지를 생산할 수 있는 신기술을 개발했다. 비침습적이며 화학물질을 사용하지 않는 전기 자극 기술은 노령화 시대에 맞추어 가장 유망한 바이오 헬스케어 분야로 간주된다. 그러나 일상생활 속 전기자극을 구현하기에는 배터리나 전선 등 사용자의 불편함을 초래하는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위한 소형/나노발전기들이 개발되어 왔으나 부수적인 발전기의 설치나 자극부와의 전선 연결 등 여전한 한계점이 존재했다. 한편 인체는 세포질, 세포외액 등 복합적인 물질로 이루어져 있으며 높은 유전율을 갖기 때문에 전자기파를 손쉽게 전달할 수 있다. 인체의 전자기파 전달 특성을 활용하여 인체 무선 통신 기술이나 인체 매개 에너지 발전 기술들이 제시되어 왔으나, 이러한 인체 매개 기반 에너지 활용 기술이 생체조직에 미치는 영향은 확인된 바가 없었다. 결국 인체에 미치는 영향이 제대로 확인되지 않아 관련 기술들의 파급력이 저하되는 등 많은 한계에 부딪혀 왔다. 연세대 홍진기 교수팀과 중앙대 이상민 교수팀은 스마트폰과 같은 주변 전자기기나 신발, 옷 등에서 발생하는 정전기가 인체를 통해 전달될 때 국소적으로 전기장을 집중시키지만, 이것이 오히려 긍정적인 생리적 효과를 가져온다는 것을 밝혀냈다. 이러한 전기장은 임상에서 근육 피로를 줄이는 효과를 가져왔으며, 피로 감소율은 6.4%에 이르렀다 (P-값 = 0.020). 이러한 전기장의 파형 (교류 및 직류) 및 세기(~3000 mV/mm)는 목적 (유용성, 에너지 세기)에 따라 여러 변수 (접지 방법, 외부 저항, 충전 커패시터)를 통해 조절할 수 있음을 보여주었다. 또한 피부 아래에서 전기 자극이 이루어짐과 동시에 피부 바깥에서는 새로운 전기에너지가 생성되며 소형 디스플레이(1.5 mW)가 반영구적으로 구동될 수 있음을 보였다. 전기자극을 통한 세포 에너지(ATP)와 피부 바깥에서 생성되는 전기 에너지의 동기식 생성은 추가적인 배터리나 와이어링을 필요로 하지 않으며, 소형/나노발전기도 필요가 없다. 특히, 이번 연구의 핵심은 자극부의 설치된 전극을 제외하고 그 어떠한 부수적인 장치가 필요 없다는 점이고, 전기 자극 뿐만 아니라 동시에 소형 전자기기를 충전시킬 수 있다는 점이다. 전기 자극을 하고 싶은 부위에 간단한 전극을 붙인 뒤에, 핸드폰을 잡거나, 걸으면 자연스럽게 전기 에너지와 세포 에너지가 동시에 생성된다. 연세대 홍진기 교수는 “이번 연구는 전원 공급과 전기 배선이 필요한 기존 웨어러블 기술과 비침습적 전기 자극 치료의 한계를 동시에 해결할 수 있기 때문에 두 기술 모두의 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대하며, 이러한 결과가 과학계에서 즉시 활용될 것으로 믿습니다. 또한, 이 결과가 모든 인체 매개 관련 연구의 잠재력을 높일 수 있다고 강조합니다.”라고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 기초연구실지원사업과 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부 공동으로 추진하는 국가신약개발사업의 지원으로 연세대 용형석 박사, 송현희 연구원 및 중앙대 김동창 연구원이 공동 1저자로 참여했고, 세계적인 에너지 기술 분야 국제 저명 학술지 (IF=23.991) ‘ACS Energy Letters’에 표지논문으로 게재 되었다. Professor Jinkee Hong's research team in the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University, in collaboration with Professor Sangmin Lee's team from Chung-Ang University, found that electric fields are concentrated locally when electromagnetic waves are transferred to the human body. With this discovery, they has developed a remarkable technology that enables the synchronous generation of cellular and electrical energies without the need for batteries, wiring, or even generators. Electrical stimulation, which is non-invasive and chemical-free technology, has been considered the most promising solution for bio-healthcare field with the aging era. However, implementing electrical stimulation in daily life has caused inconvenience to users such as batteries and wiring. To overcome this, small/nano-generators have been developed but there are still limitations such as installation of additional generators or wire connection with the stimulation part. On the other hand, the human body is made of complex substances such as cytoplasm and extracellular fluid and has a high permittivity, so electromagnetic waves can be easily transmitted. Human body communication technologies or body-mediated (body-coupled) energy generation technologies have been proposed using the electromagnetic wave transmission characteristics of the human body, but the impact of these human-body-mediated energy utilization technologies on living tissues has not been confirmed. In the end, the impact on the human body has not been properly confirmed, and the ripple effect of related technologies has been reduced, which has faced many limitations. Professor Jinkee Hong of Yonsei University and Professor Sangmin Lee of Chung-Ang University found that electric field is concentrated inevitably and locally under the skin when electromagnetic waves and static electricity (triboelectrification) generated from nearby electronic devices such as smartphones, shoes, and clothes is transmitted through the human body. However, this electric field concentration leads to positive physiological effects. These electric fields had the effect of reducing muscle fatigue (up to 6.4% with P-value = 0.020). It has been shown that the waveforms (AC and DC) and intensity (~3000 mV/mm) of these electric fields can be adjusted through several variables (grounding method, external resistance, charging capacitor) depending on the purpose (usefulness, energy intensity). In addition, it was shown that while electrical stimulation occurs beneath the skin, a new electrical energy is simultaneously generated outside the skin, allowing for the operation of small displays (1.5 mW) semi-permanently. This synchronous generation of cellular energy (ATP) and electrical energy does not require additional batteries or wiring, nor does it require small/nano-generators. In particular, the core of this study is that no additional device is required except for the electrodes installed in the stimulation part, and it is possible to charge small electronic devices as well as electrical stimulation at the same time. After attaching a simple electrode to the area where you want to stimulate electricity, holding smartphone or walking naturally generates electrical energy and cellular energy simultaneously. Professor Jinkee Hong said, "We believe that this study can contribute to the commercialization of both existing wearable and non-invasive electrical stimulation technologies that require power supply and electrical wiring at the same time. Furthermore, we emphasize that our results can boost the potential of all body-mediation-related studies by enhancing their usability and impact." This research was supported by Basic Research Laboratory (BRL) grant from the National Research Foundation and Korea Drug Development Fund funded by Ministry of Science and ICT, Ministry of Trade, Industry, and Energy, and Ministry of Health and Welfare. Dr. Hyungseok Yong, Song Hyun-hee, and Chung-Ang University's Dongchang Kim participated as first authors. The research was published as a cover paper in ‘ACS Energy Letters’, the internationally renowned academic journal in the field of energy. ACS Energy Letters (2023) (IF:23.991)Published: June 9, 2023https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00708
연세대 홍진기 교수팀, 나노플라스틱의 특성에 따른 인체 세포 흡수 메커니즘 및 전주기적 유해성 제시. Professor Jinkee Hong's team at Yonsei University presented the human cell uptake mechanism and potential life cycle risks caused by the characteristics of nanoplastics.
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 생활 속 발생한 나노플라스틱의 특성에 의한 인체 세포 흡수의 메커니즘 및 유해성에 대하여 제시했다. 플라스틱은 가벼운 무게와 저렴한 가격, 성형 용이성 등 장점을 지녀 전세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 소재로, 매년 3억 8천만 톤 이상이 생산되고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 플라스틱은 분해되는데 최소 500년이 걸리며, 파도, 바람, 햇빛 등 환경 노출 시 매우 작은 입자로 분해되어 플라스틱 조각을 형성한다. 젖병, 장난감, 베이비로션 등 유아용품에서 수많은 플라스틱 입자가 검출되었으며, 갓 태어난 아이에 대한 플라스틱 입자의 예상 노출량은 무려 연간 160만개 이상으로 밝혀졌다. 이 외에도 우유, 담배, 물병, 티백 등 생활용품에서도 플라스틱 입자가 발견되었으며, 최근에는 코로나 바이러스로 인한 마스크 및 배달용기의 사용으로 인해 공기 및 해양에서 다수의 섬유 형태 플라스틱 입자가 검출되었다. 이에 따라 해당 입자들은 인체의 눈, 코, 입, 피부 점막 등과 같은 경로를 통해 체내로 흡수되게 되며, 인간은 출생부터 노년기까지 다양한 플라스틱으로 제조된 생활용품으로 인해 시시각각 노출되어 있다. 해당 플라스틱 입자들은 모두 미세플라스틱으로 불리고 있으며, 미세플라스틱은 인체의 건강에 영향을 미칠 것이라는 수많은 연구들을 통해 단 5년 만에 전세계에 큰 충격을 안겨주었다. 그러나 미세플라스틱은 실질적으로 인체에 악영향을 크게 미치지는 못한다. 미세플라스틱은 1 μm 이상의 크기를 지니고 있으며, 인체의 폐, 간, 신장 등에 축적되거나 대부분 체외로 배출이 가능하다. 그러나 나노 크기의 플라스틱 입자는 축적될 시 배출되지 않고 지속적으로 체내 혈액에서 순환하며 존재할 수 있다. 또한 미세 크기의 플라스틱 입자에 비하여 나노 크기의 플라스틱 입자는 오염 물질 및 미생물 병원균에 대한 친화력이 더 높고, 세포의 지질 이중층에 대한 친화력이 강하여 큰 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구팀은 나노 크기로 인하여 세포에 흡수가 용이하므로 인체에 장기간 영향을 미칠 수 있는 플라스틱 입자를 “나노플라스틱”으로 정의하여 해당 입자의 유해성 및 그 메커니즘을 제시하였다. 연구팀은 인체가 나노플라스틱을 섭취하고 이가 모세 혈관을 통과해 폐로 향할 시, 나노플라스틱이 혈액 순환 과정 중 체내 여러 세포와 접촉한 후 세포 내 리소좀에서 축적되어 세포 크기의 증가, 염색체 DNA 분할로 인해 열분해 및 염증을 유발하고, 이로 인해 세포독성을 일으키는 메커니즘을 제시했다. 또한 나노플라스틱의 크기, 모양, 표면 특성, 환경 노출 시간, 종류 등 여러 고분자 특성이 세포에 미치는 영향을 설명하였다. 연세대 홍진기 교수는 “나노플라스틱은 미세플라스틱과 함께 정의될 수 없으며, 인체에 더 큰 영향을 미칠 것이다. 그러므로 나노플라스틱은 미세플라스틱과 분리되어 정의되어야 한다. 나노플라스틱은 이미 당뇨병, 암, 불임, 자폐증 등 질병을 일으키는 것으로 알려져 있다. 따라서 나노플라스틱의 여러 특성에 따른 인체에 대한 영향을 연구자들이 인지하는 것은 필수 불가결이며, 향후 나노플라스틱의 질병 유발 가능성, 체내 검출 및 제거 공정 연구에 큰 기여를 할 것이다’ 라고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 바이오의료사업, 신약개발 사업과 환경부가 주관하는 환경오염관리기술개발사업의 지원으로 홍진기 교수 연구팀의 이유진 연구원 (제 1저자)의 주도 하에 진행됐으며, 세계적인 환경 과학 분야 권위지 ‘Environmental Pollution’에 4월 20일자(현지시간)로 게재됐다. Yonsei University’s (President Seung-Hwan Seo) department of chemical and biomolecular engineering Professor Jinkee Hong's research team has presented the mechanism of cellular uptake and the harmful effects of nano-plastics in the human body caused by the characteristics of nano-plastics generated in daily life. Plastics are widely used globally due to their lightweight, low cost, and ease of molding, with over 380 million tons being produced annually. However, plastics take a minimum of 500 years to degrade, breaking down into very small particles when exposed to environmental factors like waves, wind, and sunlight, forming plastic particles. Numerous plastic particles have been detected in infant products such as milk bottles, toys, and baby lotions. The estimated exposure to plastic particles for newborns is more than 1.6 million particles per year. Additionally, plastic particles have been found in daily-use products like milk, cigarettes, water bottles, and tea bags. Recently, due to the use of masks and delivery containers amid the COVID-19 pandemic, numerous fiber-shaped plastic particles have been identified in the air and oceans. As a result, these particles can be absorbed into the body through various pathways such as the eyes, nose, mouth, and skin, leading to continuous exposure to plastic-made consumer goods from birth to old age. These plastic particles are collectively referred to as microplastics. Despite the significant impact they have made worldwide within just five years, microplastics do not pose substantial threats to human health. Microplastics are larger than 1 μm and can be accumulated in organs like the lungs, liver, and kidneys or eliminated from the body. However, nano-sized plastic particles, unlike micro-sized ones, can circulate within the bloodstream without being excreted if they accumulate, leading to potential long-term effects. Moreover, nano-sized plastic particles have stronger affinities for pollutants and microbial pathogens and exhibit greater affinity for the lipid bilayers of cells, potentially causing significant harm. Consequently, the research team defines plastic particles that can have lasting impacts on the body due to their ease of cellular absorption at the nano scale as "nano-plastics," presenting their harmfulness and mechanism. The research team has proposed a mechanism in which nano-plastics, after being ingested by humans and passing through the microvasculature to reach the lungs, accumulate within various cells during the bloodstream circulation process. This accumulation leads to increased cell size, chromosome DNA division, heat-induced degradation, inflammation, and subsequent cellular toxicity. Additionally, they explained the influence of various polymer characteristics of nano-plastics, such as size, shape, surface properties, exposure time, and types, on cells. Professor Jinkee Hong from Yonsei University emphasized that “Nano-plastics cannot be defined alongside microplastics and will have a more significant impact on human health. Recognizing the effects of nano-plastics on the human body based on their unique properties is essential, as these particles are already known to cause diseases like diabetes, cancer, infertility, and autism. Therefore, it is indispensable for researchers to recognize the effects on the human body according to the various characteristics of nanoplastics, and our research will make a great contribution to the studies on the potential diseases caused by nanoplastics, and also the detection and removal processes of nanoplastics in vivo in the future.’This research was conducted with Researcher Yoojin Lee (first author) of Professor Jinkee Hong’s research team with the support of the Bio & Medical Technology Development Program and Korea Drug Development Fund by Ministry of Science & ICT, and Ecological Imitation-based Environmental Pollution Management Technology Development Project through by the Ministry of Environment. The work was published in the prestigious journal of ‘Environmental Pollution’ on April 20 (local time). Environmental Pollution (2023) (IF: 9.988)Published: April 20, 2023https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121668
연세대 홍진기 교수팀, 인체 매개 에너지 전달 기술을 통한 비침습적 세포 전기자극 시스템 개발. Professor Jinkee Hong's team at Yonsei University developed a non-invasive cell electrical stimulation system through human body-mediated energy transfer technology.
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀은 중앙대학교 이상민 교수팀과 공동연구를 통해 외부 전력원 없이 일상 생활에서 사용되는 전자제품으로부터 발생하는 전기에너지를 인체의 세포 자극 전력원으로 활용할 수 있는 인체 매개 에너지 전달 시스템 (Body-mediated energy transfer, BmET)을 개발하였다. 전기 자극은 비침습적으로 인체에 존재하는 다양한 세포의 활성 및 기능을 조절할 수 있어 의료산업에서 각광받는 기술이다. 최근에는 나노발전기 등을 활용하여 자체 전력 생산 기술을 도입함으로써 전력 공급원의 소형화를 통해 보다 편리한 인체 전기 자극 시스템이 보고되고 있다. 그러나, 여전히 발전기의 설치 및 자극부와의 전선 연결 등이 필요한 까닭에 의료 산업에서 전기 자극 시스템은 상용화가 어려운 측면이 존재한다. 또한, 전기 자극 시스템에서 형성되는 자극 에너지가 실제로 세포 단위에서 동일하게 전달되는지 미지수이기 때문에 이에 대한 검증이 필요하였다. 연세대 홍진기 교수팀과 중앙대 이상민 교수팀이 공동개발한 BmET 기술은 일상에서 활용되는 전자제품을 통해 발생하는 전기에너지를 인체를 매개로 하여 세포에 전달하기 때문에 비침습적이며 발전기의 설치나 전선 연결이 필요 없는 자극 시스템이다. 연구팀은 해당 시스템을 통해 약 100 mV/mm 크기의 교류 전기장을 인체의 원하는 부위 어디에든 전달할 수 있음을 확인하였으며 인체의 가장 바깥 부분인 피부를 자극하였을 때 피하의 지방, 근육, 뼈 조직까지 자극이 가해질 수 있음을 확인하였다. 그러나, BmET의 전기장이 생체 조직에 전달될 때 세포의 기능을 활성화할 만큼 유효한 세기로 전달되는지에 대한 검증이 필요했다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 BmET를 통해 생체 조직에 전달되는 전기 자극 세기와 동일한 세기로 골세포에 자극을 주었을 때 세포 거동 변화를 확인했다. 그 결과, 전기 자극을 적용한 골세포의 증식 기능이 20% 증가하였고, 분화 기능은 최대 40% 까지 향상되었다. 이를 통해 연구팀은 BmET 시스템의 전기에너지가 세포를 자극할 수 있는 유효 전력원으로 활용할 수 있음을 검증하였다. 이번 연구의 핵심은 불편의한 발전기 설치 및 전선 연결 없이 세포의 기능을 조절할 수 있는 생체 전기 자극 시스템을 개발하였다는 점이다. 뿐만 아니라, 전기 자극 에너지가 실제 인체의 다양한 조직에 도달할 때의 자극 세기를 확인하고, 해당 세기가 세포의 기능을 조절할 만큼 유효한 지 검증함으로써 기술의 신뢰성을 높였다. 연세대 홍진기 교수는 “의료 산업에서 생체 전기 자극 시스템은 즉각적으로 효과를 볼 수 있는 강력한 치료법 중 하나로 주목받고 있지만, 외부 전력원이 필요하다는 불편함과 자극 에너지가 인체의 어디까지 도달하여 자극할 수 있는지, 실제 세포 활성화나 기능 조절 등에 효과가 있는 것인지 불분명하다는 한계점이 있었다. 우리 연구진은 해당 연구를 통해 기존의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 생체 전기 자극 시스템 기술을 확보하였고, 해당 기술이 골 재생 분야 등 헬스 케어 산업에서 폭넓게 상용화될 수 있을 것으로 기대한다.” 고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 기초연구실지원사업과 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부 공동으로 추진하는 국가신약개발사업, 교육부가 주관하는 한영 협력 개발 프로그램의 지원으로 홍진기 교수 연구팀의 정성원 연구원, 이미래 연구원과 중앙대학교 이상민 교수 연구팀의 용형석 박사가 공동 1저자로 참여하였으며, 세계적인 과학 분야 권위지 (IF=19.0) ‘Advanced Functional Materials’에 7월 4일자(현지시간)으로 게재됐다. Professor Jinkee Hong's research team in the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University, in collaboration with Professor Sangmin Lee's team from Chung-Ang University, developed a body-mediated energy transfer (BmET) system that can utilize electrical energy generated from electronic products used in daily life as a power source for stimulating cells in the human body without an external power source. Electrical stimulation is a technology that is in the spotlight in the medical industry because it can non-invasively control the activity and function of various cells present in the human body. Recently, a more convenient human body electric stimulation system has been reported through the miniaturization of a power supply source by introducing its own power generation technology using a nanogenerator. However, electrical stimulation systems are difficult to commercialize in the medical industry because they still require installation of generators and wire connections with the body part that is to be stimulated. In addition, since it is unknown whether the stimulation energy formed in the electrical stimulation system is effectively transmitted to the cells, verification was necessary. BmET technology developed by Professor Jinkee Hong of Yonsei University and Professor Sangmin Lee of Chung-Ang University is a non-invasive stimulation system that does not require the installation of a generator or wire connection because it transmits electrical energy generated through electronic products used in daily life to cells through the human body. The research team confirmed that the system could transmit an alternating electric field of about 100 mV/mm to any desired part of the human body, and when the skin, the outermost part of the human body, was stimulated, subcutaneous fat, muscle, and bone tissue were also stimulated. However, it was necessary to verify whether the electric field of BmET is transmitted with an effective intensity sufficient to activate cell functions. To solve this problem, the research team confirmed changes in cell behavior when bone cells were stimulated with the same intensity as the electrical stimulation intensity transmitted to living tissue through BmET. As a result, the proliferation of the bone cells stimulated with electrical stimulation increased by 20%, and the differentiation improved by up to 40%. Through this, the research team verified that the electrical energy of the BmET system can be used as an effective power source to stimulate cells. The key to this research is the development of a bioelectrical stimulation system that can control cell functions without inconvenient generator installation and wire connection. In addition, the reliability of the technology was increased by confirming that the intensity of the BmET’s electrical energy transmitted through the living tissues can effectively regulate the cell functions of the human body. Professor Jinkee Hong said, “In the medical industry, the bioelectrical stimulation system is attracting attention as one of the most powerful treatments that can be effective immediately, but there were definite limitations such us the inconvenience of requiring an external power, and the unclearance of how far the stimulation energy can reach to stimulate the human body. Also, it was unclear whether the stimulation is effective to the cells. Through this research, our research team has developed a new bioelectrical stimulation system technology that can overcome the existing limitations. We expect that this technology will be widely commercialized in the health care industry, such as in the field of bone regeneration." This research was supported by Basic Research Laboratory (BRL) grant from the National Research Foundation, Korea Drug Development Fund funded by Ministry of Science and ICT, Ministry of Trade, Industry, and Energy, and Ministry of Health and Welfare, and Korea-England Cooperative Development Program through by the Ministry of Education. Researcher Sungwon Jung and Milae Lee of Professor Jinkee Hong’s research team and Dr. Hyungseok Yong of Professor Sangmin Lee’s research team of Chung-Ang University participated as first authors. The work was published in the prestigious journal of ‘Advanced Functional Materials’ on July 4th (local time). Advanced Functional Materials (2023) (IF: 19.0)Published: July 04, 2023https://doi.org/10.1002/adfm.202302465
연세대 조정호 교수팀, 인공지능 소자의 물리적 학습기술 구현…인공지능 기술의 웨어러블 디바이스 적용 기대. Professor Jeong Ho Cho's team at Yonsei University developed a Physically defined long-term and short-term synapses for the development of reconfigurable analog-type operators capable of performi
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 조정호 교수와 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology) 의공학과 웨이 가오(Wei Gao) 교수 공동 연구팀이 이온-젤 시냅스 소자의 이온 거동 현상을 광 가교제 반응을 통해 성공적으로 구현했다. 최근 우리 뇌의 데이터처리 구조인 시냅스의 가소성(plasticity)을 모사해 뇌처럼 학습할 수 있는 뉴로모픽(neuromorphic)칩에 대한 연구가 활발하다. 전기적 신호의 흔적(기억)을 토대로 비정형 데이터의 패턴을 인식하고 처리할 수 있기 때문이다. 그 가운데 뉴로모픽칩의 효율과 활용성을 높일 소자 제작 및 학습기술이 소개됐다. 광 가교제 반응을 통해 인공 시냅스 소자의 장기 가소성 특성을 반복된 학습 없이도 물리적으로 제어할 수 있도록 한 것이다.기존 인공 시냅스 소자는 인체 시냅스와 같이 단기 가소성(Short-term plasticity)과 장기 가소성(Long-term plasticity) 특징을 모두 보이며, 뉴로모픽 칩을 비롯한 각종 인공지능 장치에서 정보처리 장치 및 기억 장치 역할을 동시에 수행하고 있다. 하지만 소자가 장기 가소성 특성을 보이기까지 반복된 전기 자극이나 높은 입력 전압이 필요하다. 이는 인공지능 장치의 전력 소모량 증가, 처리속도 지연과 방대한 사전 입력 데이터의 필요로 이어질 수 있다. 이에 연구팀은 고분자 가교제를 활용하여 유기 반도체 채널 사이에서 이동하는 이온의 거동을 제어함으로써 반복 학습 이후 나타나는 인공 시냅스 소자의 장기 가소성 특징을 물리적으로 구현해 내는 것에 성공했다. 핵심은 고분자의 광 가교 반응을 통한 고분자 반도체의 자유 부피를 제어한 것이다. 이온-젤을 활용한 고분자 반도체 소자의 전기적 특성은 이온이 고분자 채널의 자유 부피를 통해 이동함으로써 나타나는데, 광 가교제 분자를 고분자 사슬에 결합해 이온 이동을 물리적으로 제어한 것이다. 나아가, 연구진은 물리적으로 구현된 장기 특성 인공 시냅스와 단기 특성을 보이는 인공 시냅스를 조합하여 상황에 따라 다르게 동작할 수 있는 논리회로를 제작하고 여기에 단순화된 헬스케어 알고리즘을 이식했다. 인공지능 장치를 단순화하는 한편 웨어러블 헬스케어 기술의 대중화를 향한 실마리도 찾아낸 것이다. 조정호 교수는 “이번 연구는 대면적 용액공정이 가능한 고분자 반도체와 이온-젤을 이용하므로, 인공지능을 활용한 다양한 전자기기로의 폭넓은 응용에도 유리할 것”이라고 연구 의의를 전했다.한편, 이번 연구성과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 '헬스케어 작업을 수행할 수 있는 재구성 가능한 아날로그 유형 연산자 개발을 위한 물리적으로 정의된 장기 및 단기 시냅스(Physically defined long-term and short-term synapses for the development of reconfigurable analog-type operators capable of performing health care tasks-다운)'란 제목으로 지난 5일 게재됐다. A joint research team led by Professor Cho Jung-ho from Yonsei University (President Seo Seung-hwan) in the Department of Chemical and Biomolecular Engineering and Professor Wei Gao from the Department of Engineering at the California Institute of Technology has successfully implemented ion behavior in ion-gel synaptic devices through a photo-crosslinkable conjugated polymer. Recently, research on neuromorphic chips that can mimic the plasticity of synapses in our brains, allowing brain-like learning, has been actively pursued. These chips are crucial as they can recognize and process patterns of unstructured data based on the traces (memory) of electrical signals. Among them, the development of efficient and practical components and learning techniques to enhance the efficiency and utilization of neuromorphic chips has been introduced. The research team achieved physical control of long-term plasticity characteristics in artificial synaptic devices using photo-crosslinkable conjugated polymers without the need for repetitive training. Conventional artificial synaptic devices exhibit both short-term and long-term plasticity characteristics similar to those in human synapses and perform the role of both information processing and memory in various artificial intelligence devices, including neuromorphic chips. However, achieving long-term plasticity in these devices requires repeated electrical stimulation or high input voltage, which can lead to increased power consumption and processing delays in AI devices, as well as a need for vast amounts of pre-input data. In this context, the research team succeeded in physically implementing the long-term plasticity characteristics of artificial synaptic devices by controlling the movement of ions between organic semiconductor channels using a photo-crosslinkable conjugated polymer as an ion-gel. The key was to control the free volume of the polymer semiconductor through the photo-crosslinking reaction of the polymer chain, allowing ion movement to be physically regulated. Furthermore, the researchers combined physically implemented long-term synaptic characteristics with short-term synaptic characteristics to create a reconfigurable analog-type operator capable of operating differently depending on the situation. They also transplanted a simplified healthcare algorithm into this system. This approach not only simplifies AI devices but also provides insights into popularizing wearable healthcare technology. Professor Cho Jung-ho stated, "This research uses organic semiconductors and ion-gels that enable large-area solution processes, making it advantageous for various applications of AI-based electronic devices." The research results were published in the international academic journal "Science Advances" under the title "Physically defined long-term and short-term synapses for the development of reconfigurable analog-type operators capable of performing health care tasks" on the 5th of july, 2023. Science Advances (2023) (IF: 14.136)Published: July 05, 2023https://doi.org/10.1126/sciadv.adg5946
연세대 조정호 교수팀, 대면적에 적용 가능한 이차원 고성능 반도체 전자소자 개발. Professor Jeong Ho Cho's team at Yonsei University developed a Wafer-scale transistor arrays fabricated using slot-die printing of molybdenum disulfide and sodium-embedded alumina
고집적 한계에 직면한 실리콘 반도체 소자를 대체할 대면적 고성능 이차원 반도체 전자소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국연구재단은 조정호 연세대학교 교수와 강주훈 성균관대학교 교수 공동연구팀이 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 이차원 반도체 전자소자 개발에 성공했다고 24일 밝혔다. 두께가 원자 단위인 이차원 반도체 소재는 고집적도의 칩 생산이 가능하지만 이론 대비 성능이 낮고 대면적 제작이 쉽지 않아 제품화에 어려움이 있었다. 연구팀은 전기적 특성이 우수하고 대면적 생산이 가능한 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)에 이온이 주입된 절연층(SEA)을 도입한 고성능 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 개발하여 문제해결의 실마리를 찾았다. 고성능 MoS2를 용액공정으로 대량 합성하고 잉크형태로 제작 후, 반도체 산업에서 활용하는 슬롯 다이 코팅 기법으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발했다. 연구팀이 이온이 주입된 절연층을 활용해 고성능 MoS2 트랜지스터 전자소자의 구동을 확인한 결과 최고 전하이동도가 100 cm2 V-1 s-1 이상이었다. 이는 기존 용액공정 기반 MoS2 트랜지스터들의 전하이동도가 산화실리콘 기판에서 약 1~5 cm2 V-1 s-1임과 비교해 최고 100배 이상 향상됐다.또한 높은 전하이동도의 원인을 밝히기 위해 전하수송 현상과 절연 소재의 일함수를 분석한 결과, MoS2/SEA 반도체 전자소자에서 전하의 이상적인 이동을 관찰했다. 연구팀은 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 활용해 다양한 로직 회로를 구현하여 실제 전자 제품에 응용 가능성을 입증했다. 조정호 교수는 “이번에 개발한 전자소자는 대면적에 코팅한 MoS2 트랜지스터 중 최고 성능을 달성하여 이차원 반도체 소재의 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시하고, 이차원 반도체 소자의 실용화 가능성을 높였다”고 말했다. 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 조정호 교수 연구팀의 권용현 연구원 (공동 1저자)와 성균관대학교 강주훈 교수 연구팀의 김지현 연구원 (공동 1저자)의 주도 하에 진행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’ 6월 9일 게재됐다. Molybdenum disulfide (MoS2) is a 2D semiconductor that has been long researched due to their potential to overcome the performance of conventional silicon based electronics. However, the unscalable nature and low performance than expectancy has hindered its emergence as the next generation semiconducting material. Researchers at Yonsei university and Sungkyunkwan university report wafer-scale MoS2 electronics that show high performance. The study is reported in the journal ‘Nature Electronics’. Although high performing MoS2 electronics have been reported, MoS2 electronics produced in a scalable manner show low performance. To overcome this issue, a sodium embedded alumina (SEA) dielectric was developed and both MoS2 and SEA layers were fabricated by slot-die coating method, which is a scalable and industry-friendly technique. The researchers fabricated a transistor device, which exhibited high electron mobility of 80 cm2 V-1 s-1. This mobility value is remarkably enhanced compared to solution processed MoS2 transistors fabricated on conventional SiO2 dielectrics. To prove the applicabiltiy, various logic circuits were fabricated and operated with the proposed devices. The researchers further analyzed the fabricated transistor device to explore the cause of high performance. As a result of thorough chemical and electrical analyzing, it has been proved that the SEA dielectric enables efficient charge transport through the MoS2 channel layer. "We showed, for the first time, scalable MoS2 electronics with comparable performance to the conventional silicon based electronics". "Our study is expected to provide a new pathway to enhance the performance of practical MoS2 electronics for the research community“, Prof. Cho and prof. Kang said. Nature Electronics (2023) (IF: 33.255)Published: June 08, 2023https://doi.org/10.1038/s41928-023-00971-7
연세대 김한성 교수팀, 효율적인 수소 생산을 위한 전기화학 촉매 개발. 금속-유기 골격체에서 유도된 NiMo-MoO3-x 다공성 나노로드 개발을 통해 백금 촉매와 동등한 세계 최고 수준의 성능 및 내구성 구현. Professor Hansung Kim's team at Yonsei University developed metal-organic framework-derived NiMo-MoO3-x porous nanorod for highly effect
연세대학교 (총장 서승환) 화공생명공학과 김한성 교수의 연구팀이 세계 최고 수준의 비백금계 금속 (NPGM) 기반 다공성 나노로드를 개발하여 효율적인 전기화학적 수소 발생 반응 (HER)을 성공적으로 구현했다. 기후변화로 인한 환경오염 우려가 증가함에 따라 기존 화석 연료에 대체될 수 있는 재생 가능하고 지속 가능한 에너지원의 필요성이 강조되고 있다. 수소는 높은 질량 에너지 밀도와 물 이외에는 오염물질을 배출하지 않는 다는 점에서 미래 에너지원으로 관심을 받고 있다. 특히 물의 전해 과정을 통해 생산된 “Green" 수소는 “Blue" 수소 (탄화수소의 증기 개질로 생성)와 달리 온실가스를 전혀 배출하지 않기 때문에 궁극적인 친환경 에너지이다. 본 연구에서는 Green 수소를 생산하기 위해 수소발생반응 (hydrogen evolution reaction, HER)용 전기화학 촉매로 NiMo-MoO3−x porous nanorod (NiMo-MoO3−x−PNR) 를 개발하였다. NiMo-MoO3−x−PNR은 알카라인 용액에서 우수한 HER 성능을 나타내었으며 가장 HER 성능이 우수한 것으로 알려진 백금촉매의 성능과 대등하였다. 또한, 100,000 cycle동안에도 성능을 유지하는 높은 내구성을 보여주었다. 특히 본 연구의 핵심은 수소 분해 (H---O-H)를 책임지는 MoO3−x 입자와 수소 발생을 촉진하는 니켈(Ni0) 입자의 이중 기능성을 가진 NiMo-MoO3−x 다공성 나노로드의 제조에 있으며 이러한 반응 메커니즘을 DFT 연구를 통해 증명하였다. 연세대학교 김한성 교수는 “전기화학적 물 분해를 통한 그린 수소 생산을 위해서는 현재 사용중인 귀금속 백금 HER 촉매를 대체할 수 있는 전기화학 촉매의 개발이 필수적으로 요구되고 있다고 밝혔다. 본 연구를 통해 개발된 새로운 다공성의 HER 전기화학 촉매는 Ni, Mo 기반의 저가형 금속을 이용하기 때문에 비용 절감에 유리할 뿐 아니라 촉매 활성과 내구성이 높아 현재 상업적으로 사용되고 있는 고가의 백금 촉매를 대체할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.. 본 연구는 한국연구재단의 중점연구소사업과 한국산업기술평가관리원의 산업기술거점센터육성시범사업의 지원으로 연세대학교 김한성 교수 연구팀의 싱구발시돌루 박사후연구원(제1저자), 부산대학교 장준경 교수, 한화솔루션이 공동 참여하였으며, 세계적인 에너지환경 분야 JCR 상위 0.93% 저널인 Applied Catalysis B: Environmental에 2023년 7월 5일 일자로 게재되었다. Yonsei University (President Seo Seung-hwan) Department of Chemical and Biomolecular Engineering Professor Kim Hansung's research team developed the world’s best performance non-platinum metal (NPGM)-based porous nanorods and successfully realized an efficient electrochemical hydrogen generation reaction. As concerns about climate change due to environmental pollution increase, the need for renewable and sustainable energy sources that can replace existing fossil fuels is emphasized. Hydrogen is attracting attention as a future energy source because it has a high mass energy density and does not emit pollutants other than water. In particular, “Green” hydrogen produced through the water electrolysis process is the ultimate eco-friendly energy because it does not emit greenhouse gases at all, unlike “Blue” hydrogen (produced by steam reforming of hydrocarbons). In this study, NiMo-MoO3−x porous nanorods (NiMo-MoO3−x−PNR) hydrogen evolution reaction (HER) electrochemical catalysts were developed based on Ni-Mo-metal organic framework nanorods to produce green hydrogen. NiMo-MoO3−x−PNR showed excellent HER performance in 1 M KOH solution, which was comparable to that of platinum catalyst. In addition, it showed high cyclic stability and strong durability that maintained its performance even during 100,000 cycles. In particular, the core of this study is the preparation of NiMo-MoO3−x porous nanorods with dual functionality of MoO3−x particles responsible for hydrogen decomposition (H---O-H) and nickel (Ni0) particles that promote hydrogen generation, and this reaction mechanism was demonstrated through DFT studies. Professor Kim Hansung of Yonsei University said, “For the production of green hydrogen through electrochemical water splitting, it is essential to develop an electrochemical catalyst with high performance and durability that can replace platinum, a precious metal. The new porous HER electrochemical catalyst developed through this research is not only advantageous for cost reduction because it uses low-cost metal, but also has high durability, so it is expected to be able to replace expensive platinum catalysts currently used commercially.” This study was conducted with the support of the National Research Foundation of Korea's Key Research Institute Project and the Korea Evaluation Institute of Industrial Technology's Industrial Technology Base Center Fostering Demonstration Project, with postdoctoral researcher Singu Dolu (first author) of Professor Kim Hansung's research team, Professor Jang Joon-kyung of Pusan National University, and Hanwha Solutions. Applied Catalysis B: Environmental (2023) (IF: 24.319)Published: July 05, 2023https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122421
연세대 홍진기 교수팀, 폐 전달 효율 증대를 위한 양쪽성이온이 포함된 생분해성 마이크로 약물 전달체 개발 및 복합 약물 전달의 시너지효과를 통한 대식세포의 세포 유형 조절 가능성 확인. Professor Jinkee Hong's team at Yonsei University developed a zwitterion microparticle for synergistic therapy and reprogramming of macrophage phenotyp
연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀이 기존의 폐 전달 (Pulmonary delivery)의 낮은 전달 효율의 한계점을 극복할 수 있는 양쪽성이온이 포함된 생분해성 PLGA 마이크로입자 (Microparticle)를 개발하고, 복합 약물을 전달함으로써 마크로파지의 세포 유형을 조절할 수 있는 기술을 보고하였다. 폐 관련 질병들은 최근 코로나-19 발발과 함께 집중 조명 받고 있으며, 다양한 질병들 (폐섬유증, 급성 호흡곤란 증후군 등)의 치료를 위한 다수의 연구들이 보고되고 있다. 폐 전달 을 위한 약물전달체의 경우에는 폐포까지의 도달을 위한 최적화된 입자의 사이즈를 보유하고, 네뷸라이저 (Nebulizer)를 통한 inhalation 등에 대한 안정성 확보 등 검증이 필요하다. 그 외에도, 폐 내부에는 외부에서 유입된 물질의 배출을 유도하는 점액층 (Mucus)이 존재하여, 약물을 담지한 약물전달체의 폐 전달 효율을 대폭 감소시거나 폐 내부에 존재하는 대식세포에 의해 약물전달체가 분해되는 등의 문제점이 존재한다. 연세대 홍진기 교수팀이 개발한 PLGA 마이크로입자는 입자 표면에 양쪽성이온이 기능화되어 폐 내부 점액층에 대한 항부착 (Anti-adsorption)기능을 부여한다. 점액층에 대한 항부착 기능은 기존 입자에 비해 약 1.5배 증가된 점액층 투과 효율을 가지며 대식세포 제거 효율도 대폭 감소함을 확인하였다. 연구팀은 PLGA 마이크로입자 표면 양쪽성이온 기능화를 위해 원자이동라디칼중합 (Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP)반응을 이용하였다. 해당 과정의 주안점은, 유기용매에 낮은 안정성을 가지는 PLGA 마이크로입자의 표면 및 고분자 특성을 해치지 않고 표면에 양쪽성이온을 기능화한 점이다. ATRP 반응에 사용한 양쪽성이온은 sulfobetaine 계열의 물질과 phosphorylcholine 계열의 물질 2가지를 각각 기능화하여 확인하였으며, 기존 입자의 특성을 변성시키지 않고 안정적으로 표면에 기능화됨을 확인하였다. 특히, 이번 연구의 핵심은 폐전달 효율을 증대시키는 입자의 개발 뿐만 아니라, 기존에 폐 치료용 목적으로 사용되고 있는 2가지의 서로 다른 약물인 덱사메타손 (Dexamethasone)과 퍼페니돈 (Pirfenidone)을 동시에 같이 전달함으로써, 마크로파지의 세포 유형을 폐 질병 치료에 적합하게 활용이 가능하다는 점이다. 연세대 홍진기 교수는 “코로나로 인한 폐 관련 질병 치료 방법이 주목받고 있는 가운데, 폐 전달 효율이 증대된 새로운 폐 전달 약물 전달체의 수요가 증가하고 있다. 특히 양쪽성이온을 포함한 폐 전달 약물체의 점액층에 대한 항부착성으로 인해 증대된 약물의 효과에 대한 연구는 많은 각광을 받고 있으며, 해당 연구를 통해 새로운 폐 전달입자의 원천기술을 확보하였고, 다양한 물질과 약물을 사용하는 새로운 양쪽성이온 약물전달체의 개발로 더 나아갈 수 있을 것”이라고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 바이오의료사업, 신약개발 사업과 교육부가 주관하는 한영 협력 개발 프로그램의 지원으로 홍진기 교수 연구팀의 정성원 연구원 (제 1저자)의 주도 하에 진행되었으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘Advanced Healthcare Materials’에 5월 11일자(현지시간)로 게재됐다. Yonsei University’s (President Seung-Hwan Seo) department of Chemical and biomolecular engineering Professor Jinkee Hong’s research team developed biodegradable PLGA microparticles functionalized with zwitterions that can overcome the low delivery efficiency of conventional pulmonary delivery system, and control macrophage cell types by delivering complex drug molecules. Lung-related disease have recently been spotlighted with the outbreak of COVID-19, and numerous studies have been reported for the treatment of various diseases (e.g. pulmonary fibrosis, acute respiratory distress syndrome, etc.). In the case of pulmonary drug delivery system, it is necessary to verify that it has an optimized particle size for reaching the alveoli and secures stability against inhalation through a nebulizer. In addition, there are significant problems that a mucus layer inside the lungs that induces the excretion of materials introduced from the outside, which significantly reduces the efficiency of drug delivery to the lungs or prevented by macrophage present in the lungs. The ZwPG developed by Professor Jinkee Hong's team at Yonsei University used atom transfer radical polymerization (ATRP) reaction for zwitterion functionalization on the surface of PLGA microparticles. The main point of the process is to functionalize the zwitterion on the surface of PLGA microparticles with low stability in organic solvents without harming the surface and polymer properties. The zwitterion used in the ATRP reaction was confirmed by functionalizing two different zwitterion monomer, sulfobetaine and phosphorylcholine zwitterions, respectively, and it was confirmed that they were successfully functionalized on the surface stably without denaturing the characteristics of the existing PLGA particles. In particular, the one another novelty of this study is not only the development of particles that could increase the efficiency of lung delivery, but also the simultaneous delivery of two different drug molecules, Dexamethasone and Pirfenidone, which are FDA-approved drug molecules for lung treatment. By doing so, it was possible to controlling the cell phenotype of macrophage suitably for the treatment of lung disease. Professor Jinkee Hong of Yonsei University replied, “While treatment method for lung-related disease caused by COVID-19 are attracting attention, demand for new pulmonary drug delivery carriers with advanced delivery efficiency is increasing. In particular, various studies on the enhanced effectiveness of drug delivery that are increased due to the anti-adsorption to the mucus layer in lungs, including zwitterions, are in the limelight. The development of various zwitterionic drug delivery carriers that uses other materials and drug molecules will enable us to go further.” This research was conducted by Researcher Sungwon Jung (First author) of Professor Jinkee Hong’s research team with the support of Bio & Medical Technology Development Program and Korea Drug Development Fund by Ministry of Science & ICT, and Korea-England Cooperative Development Program through by the Ministry of Education. The work was published in the prestigious journal of ‘Advanced Healthcare Materials' on May 11th (local time). Advanced Healthcare Materials (2023) (IF: 11.092)Published: May 11, 2023https://doi.org/10.1002/adhm.202300226
연세대 정윤석 교수팀, 할라이드계 고체전해질과 금속 산화물 계면 전도 현상 발견, 고이온전도성 금속산화물-고체전해질 나노복합체 개발. Professor Yoon Seok Jung's team at Yonsei University developed Halide Nanocomposite Solid Electrolytes with enhanced ionic conductivity through interfacial conduction effect
연세대학교 (총장 서승환) 화공생명공학과 정윤석 교수 연구팀은 울산과학기술원 (UNIST) 서동화 교수팀 및 동국대학교 남경완 교수팀과 공동연구를 통해서 할라이드계 고체전해질의 이온전도도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 계면전도 활성화 현상을 발견하고 고이전도성 할라이드계 금속산화물-고체전해질 나노복합체를 개발하였다. 리튬이온전지는 스마트폰에서 전기자동차에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되며, 우리나라의 주력 산업 중 하나로 자리매김하고 있다. 하지만, 기존 리튬이온전지는 인화성의 유기계 액체전해질을 사용하기에 발화 및 폭발 등 안전성의 문제가 있다. 특히, 수백, 수천 개의 리튬이온전지가 밀집되어 있는 전기자동차 및 대용량 에너지저장장치의 사고는 막대한 재산 및 인명 피해를 초래할 수 있다. 전 세계적으로 ‘꿈의 배터리’로 평가되는 전고체전지 개발이 이러한 문제점을 해결하기 위해 진행 중이다. 전고체전지는 발화시 연료가 되는 유기계 액체전해질을 난연성의 고체전해질로 대체함으로써 높은 안전성을 제공한다. 또한 다수의 단위셀을 촘촘하게 붙일 수 있는 바이폴라 (Bipolar) 구조 설계가 가능하며 고용량 리튬금속 음극 적용 가능성 덕분에 부피당 에너지 밀도를 극대화할 수 있다. 이로 인해 고에너지 밀도 및 고출력 전지 제작이 가능하다. 무기계 고체전해질 중, 황화물계 고체전해질은 액체전해질과 유사한 높은 이온전도 특성(1~10 mS/cm)을 가지며 무른 기계적 물성으로 입자 간 접촉면 형성이 용이해 핵심 고체전해질 소재로 여겨지고 있다. 하지만, 황화물계 고체전해질은 고전압 안정성 및 화학적 안정성이 취약하여 >4V 양극 적용이 어렵고 대기 중 수분과 반응하여 독성기체인 황화수소를 발생시키며 빠르게 퇴화하는 문제가 있다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 할라이드계 고체전해질은 황화물계와 비슷한 기계적 물성을 가지면서 황화수소 발생 문제가 없고, 이온전도도(0.1~1 mS/cm)가 준수하며, 우수한 고전압 안정성을 가지고 있어 4V급 양극 기반 전고체전지에 적용할 경우 우수한 성능을 발휘한다. 그러나, 고이온전도성 할라이드계 고체전해질은 희토류를 기반으로 합성되어 가격이 비싸며, 중국에 편중된 수입 공급망을 형성하고 있다. 또한, 할라이드계 고체전해질의 이온전도도를 황화물계 소재 수준까지 향상하기 위해 중심 금속 또는 음이온 치환 등 조성 제어 및 구조 탐색의 고전적인 방법론이 적용되었으나, 최고 이온전도도는 약 1 mS/cm에 머무르고 있다. 연세대학교 정윤석 교수 연구팀은 기계화학적 합성법을 이용하여 금속산화물-고체전해질 나노복합체(ACl-ZrO2-A2ZrCl6, A = Li+, Na+)를 성공적으로 제조하였다. 금속산화물-고체전해질 나노복합체는 계면 이온전도 현상을 이용하여 1 mS/cm 이상의 이온전도도 달성 가능할 뿐만 아니라, 우수한 전기화학-화학적 안정성까지 동시에 달성할 수 있다. 또한, Zr 기반의 금속산화물-고체전해질은 대표적인 황화물계 고체전해질 아기로다이트(Argyrodite, Li6PS5Cl)와 비교하여 가격 측면에서 우위를 점할 수 있어, 고체전해질 대량생산 관점에서 우수하다. 본 연구에서는 Cryo-TEM을 활용하여 고체전해질 내부에 나노구조의 금속산화물이 형성된 것을 확인하였다. 계산화학, X-선 및 NMR 고도분석을 접목하여 계면이온전도 활성화 현상의 원리를 규명하고, 금속산화물-고체전해질 나노복합체의 보편적인 설계원리를 확립하였다. 이를 통해 계면이온전도 활성화 현상이 다른 종류의 고체전해질에도 광범위하게 적용 가능한 기반을 마련하였다. 연세대학교 정윤석 교수는 “이번 연구는 고전적인 고체전해질 개발방식을 넘어서, 계면전도 현상을 활용해 고체전해질 개발에 새로운 차원을 확장시킨 결과로, 전고체전지 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.”라고 전했다. 본 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 단계도약형 탄소중립기술개발 지원으로 연세대 곽히람 박사, UNIST 김재승 박사과정생 및 동국대 한다슬 박사과정생이 공동 1저자로 참여했고, 세계적인 에너지 기술 분야 국제 저명 학술지 ‘Nature Communication’에 4월 28일 (현지시간) 게재됐다. Professor Yoon-Seok Jung`s research team (Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University) has collaborated with Professor Dong-Hwa Seo's team from Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) and Professor Kyung-Wan Nam's team from Dongguk University to enhance the ion conductivity of halide-based solid electrolytes (SEs) through the interfacial conduction effect and developed halide nanocomposite solid electrolytes (HNSEs). Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used in various fields, from smartphones to electric vehicles, and they have become a major industry in South Korea. However, conventional LIBs using flammable organic liquid electrolytes have safety issues such as ignition and explosion hazards. Accidents involving densely packed LIBs in electric vehicles and large-scale energy storage devices can result in significant property and human losses. Globally, the development of all-solid-state batteries (ASSBs), often referred to as the "dream batteries," is underway to address these issues. ASSBs offer high safety by replacing flammable organic liquid electrolytes with inorganic SEs that eliminate the risk of combustion. Additionally, they enable the design of dense multi-cells through a bipolar electrode design, and the utilization of high-capacity lithium metal anodes maximizes the energy density per volume. As a result, it becomes possible to create batteries with high energy density and high-power output. Among inorganic SEs, sulfide-based SEs are considered key materials due to their high ion conductivity (1-10 mS/cm), which is comparable to liquid electrolytes, and their mechanically soft properties that facilitate contact between the active materials and SEs. However, sulfide-based SEs suffer from limitations in high voltage stability and chemical stability. It is difficult to apply them as >4V cathodes, and they react with moisture in the atmosphere, generating toxic H2S gas and deteriorating rapidly. Recently, extensive research has been conducted on halide-based SEs, which possess similar mechanical properties to sulfide but without the issue of H2S gas generation. Halide-based SEs exhibit acceptable ion conductivity (0.1-1 mS/cm), excellent high voltage stability, and demonstrate superior performance when applied in 4V-class cathode-based ASSBs. However, highly conductive halide-based SEs are synthetized based on rare earth elements, making them expensive and reliant on import supply chains concentrated in China. Additionally, conventional compositional control and structural exploration methods, such as central metal or anion substitution, have been employed to enhance the ion conductivity of halide-based SEs to the level of sulfide-based materials, but the highest ion conductivity remains around 1 mS/cm. Professor Yoon-Seok Jung's research team at Yonsei University has successfully synthesized HNSEs (ACl-ZrO2-A2ZrCl6, A = Li+, Na+) using a mechanochemical synthesis method. These HNSEs not only achieve an ion conductivity of over 1 mS/cm through interfacial ion conduction phenomena but also exhibit excellent electrochemical and chemical stability simultaneously. Moreover, Zr-based HNSEs hold an advantage in terms of cost compared to the representative sulfide-based SE argyrodite (Li6PS5Cl), making them superior from the perspective of mass production of SEs. In this study, the formation of metal oxide nanostructures within the solid electrolyte was confirmed using cryogenic-transmission electron microscopy. By combining DFT calculation, X-ray, and NMR analysis, the principles of interfacial ion conduction were elucidated, and the universal design principles of HNSEs were established. Professor Yoon-Seok Jung from Yonsei University said, "This study goes beyond conventional approaches to solid electrolyte development and expands into a new dimension by utilizing interfacial ion conduction phenomena. We expect this to contribute to the commercialization of solid-state batteries." This research was conducted with the support of the Samsung Research Funding & Incubation Center of Samsung Electronics and the National Research Foundation of Korea (NRF), funded by the Ministry of Science, ICT & Future Planning. Dr. Hiram Kwak from Yonsei University, doctoral candidate Jae-seung Kim from UNIST, and doctoral candidate Da-seul Han from Dongguk University participated as joint first authors. The research was published in the internationally renowned energy technology journal 'Nature Communications' on April 28th (local time). Nature Communication (2023) (IF: 17.694)Published: 28 April 2023https://doi.org/10.1038/s41467-023-38037-z
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