크라운 에테르 공정으로 효율·안전 동시 해결해 상용화 촉진 기대미래 신소재로 주목받고 있지만 미흡한 장기 구동안정성과 납 유출 문제로 활용이 지체돼 온 ‘고효율 페로브스카이트 태양전지’의 안전성(Safety)과 안정성(Stability)을 동시에 해결할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다.우수한 광전자 특성을 지닌 페로브스카이트 태양전지는 차세대 에너지원으로 큰 관심을 모으고 있다. 하지만, 상용화에 적합한 높은 전력 변환을 달성하고도 디바이스 안정성이 좋지 못해 이를 해결하는 것이 주요 과제로 남았다. 또한 페로브스카이트 광활성층에 사용되는 납 성분의 독성은 환경에 부정적인 영향을 미치며, 특히 수분이 페로브스카이트의 상 분해를 유도해 납 누출을 증가시킬 수 있다는 점도 적극적인 활용에 걸림돌이 돼 왔다. 이에, 나노에너지공학과 서지연(사진) 교수 연구팀은 새롭게 개발한 납 포획 기술을 통해 납을 효율적으로 포획해 태양전지 모듈이 손상을 입어 외부에 노출되더라도 납을 고정함으로써 누출을 방지할 수 있도록 했다. 계면(界面)의 결함을 효율적으로 치유해 태양전지 광전변환 효율도 향상시켰다. 【크라운 에테르 물질의 효율적인 납 포획 기능과 태양전지의 장기 수분안정성 향상】연구팀은 벤조-18-크라운-6 에테르(Benzo-18-crown-6 ether)와 같은 크라운 에테르(crown ether, 고리형 폴리에테르) 물질을 이용한 간단한 용액 공정을 통해 납-할라이드 페로브스카이트의 계면 패시베이션(Interfacial passivation)*을 시도했다. * 계면 패시베이션((Interfacial passivation): 물리적 또는 화학적 방법을 사용해 물질의 표면 또는 계면을 안정화시키는 과정.그 결과 전력 변환 효율의 증가를 달성해 계면 패시베이션의 효능이 강조됐고, 크라운 에테르가 납 이온과의 호스트-게스트(host-guest) 복합체* 형성을 통해 납 누출을 저지할 뿐만 아니라, 계면 처리한 필름은 수분에 대한 강한 저항성을 가져 높은 습도 환경에서도 기존 대비 향상된 장기 안정성을 보임을 확인했다.**호스트-게스트(host-guest) 복합체: 호스트 분자가 일종의 컨테이너 역할을 하고, 게스트 분자는 호스트 분자 내부에 들어가거나 호스트 분자의 표면에 결합해 형성된 안정된 복합체.이는 상용화 및 신재생 에너지 응용을 발전시킬 준비가 된 지속가능한 페로브스카이트 태양전지에 대한 납 누출 및 장기 안정성을 동시에 해결하는 크라운 에테르의 가능성을 보여준 것이다.서지연 교수는 “이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지 활용에 발목을 잡고 있는 안정성과 안전성을 동시에 해결해 상용화를 촉진시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.【제1저자 김선주 석박사통합과정생】이번 연구는 한국연구재단 기본연구사업과 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원의 국제공동기술개발사업 지원을 받아 부산대 BK21 에너지융합기술교육연구단 소속 석박통합과정생 김선주 학생이 제1저자, 나노에너지공학과 서지연 교수가 교신저자로 수행했다. 스위스 로잔연방공대학(EPFL) Kevin Sivula 교수팀, 스위스 프리브룩대학(University of Fribourg) Jovana Milic 교수도 참여했다.해당 논문은 국제 학술지 『Journal of Energy Chemistry』 5월호에 게재됐다.- 논문 제목: Interfacial engineering through lead binding using crown ethers in perovskite solar cells(크라운 에테르를 이용한 납 결합을 통한 페로브스카이트 태양전지의 계면 설계)- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.01.042 [Abstract]IIn the domain of perovskite solar cells (PSCs), the imperative to reconcile impressive photovoltaic performance with lead-related issue and environmental stability has driven innovative solutions. This study pioneers an approach that not only rectifies lead leakage but also places paramount importance on the attainment of rigorous interfacial passivation. Crown ethers, notably benzo-18-crown-6-ether (B18C6), were strategically integrated at the perovskite-hole transport material interface. Crown ethers exhibit a dual role: efficiently sequestering and immobilizing Pb2+ ions through host-guest complexation and simultaneously establishing a robust interfacial passivation layer. Selected crown ether candidates, guided by density functional theory (DFT) calculations, demonstrated proficiency in binding Pb2+ ions and optimizing interfacial energetics. Photovoltaic devices incorporating these materials achieved exceptional power conversion efficiency (PCE), notably 21.7% for B18C6, underscoring their efficacy in lead binding and interfacial passivation. Analytical techniques, including time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), time-resolved photoluminescence (TRPL), and transient absorption spectroscopy (TAS), unequivocally affirmed Pb2+ ion capture and suppression of non-radiative recombination. Notably, these PSCs maintained efficiency even after enduring 300 h of exposure to 85% relative humidity. This research underscores the transformative potential of crown ethers, simultaneously addressing lead binding and stringent interfacial passivation for sustainable PSCs poised to commercialize and advance renewable energy applications. * Reference- Authors (Pusan National University) · First author: Sun-Ju Kim (Department of Nano Fusion Technology) · Corresponding author: Prof. Ji-Youn Seo (Department of Nanoenergy Engineering)- Title of original paper: Interfacial engineering through lead binding using crown ethers in perovskite solar cells- Journal: Journal of Energy Chemistry- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.01.042

광메카트로닉스공학과 김승철 교수팀과 나노에너지공학과 오진우 교수팀은 초분광 측정* 및 딥러닝 분석 방식을 통해 진보된 비색 전자코 센서 시스템 개발에 성공했다.* 초분광 측정(Hyperspectral measurement): 2차원 이미지에 수백 개의 파장 정보를 저장할 수 있는 측정 기술로, 물질마다 존재하는 고유의 광학적 특성을 분석한다.‘전자코’는 인간의 후각 기관을 모방해 다양한 화합물을 탐지하고 식별하는 기술이다. ‘비색 전자코(colorimetric electronic nose)’는 이러한 전자코에 색의 농도나 변화를 측정하고 분석하는 과학적 기법인 ‘비색(比色, Colorimetry)’ 센서를 결합한 장치다. 색의 변화를 이용해 냄새를 더 정확하게 구분할 수 있는 신기술로, 복잡한 냄새 분석이나 의료 진단 등에 유용하게 쓰일 전망이다.이번 연구에서 비색 전자코 물질로 활용된 ‘M13 박테리오파지(M13 bacteriophage)’는 유전공학 방법으로 바이오 물질의 DNA를 조작해 원하는 화학 특성, 가스 선택성을 부여할 수 있는 나노바이오 물질이다. 유전자 조작된 M13 박테리오파지의 반응성은 파지가 외부 물질(VOCs, 휘발성 유기화합물)과의 흡착 친화도에 비례하며, 물질의 흡착 정도가 변하면서 비색 센서의 색 변화가 정량적으로 유도된다. * M13 박테리오파지: 외가닥 DNA 바이러스 중 하나인 M13 박테리오파지는 폭 6.6nm, 길이 880nm인 바이오 물질이며 2,700여 개의 표면 단백질이 중심의 외가닥 DNA를 나선형으로 감고 있다. 각각의 표면 단백질은 양 끝단에 DNA 조작을 통해 원하는 아미노산을 배치할 수 있으며 이로 인해 각각의 유전자 type M13 파지는 특유한 반응성을 보유한 수용체로 작동할 수 있다.【시간 분해 초분광 측정 및 데이터 처리 순서의 작동 원리】가스 분자에 의해 자극되는 비색 1D 라인 어레이 센서를 사용한 시간 분해 초분광 측정 프로세스의 개략도.각 파지 센서에서 조명된 백색광(WL)의 회절 각도는 대상 가스에 의해 자극된 파지 다발의 빠른 확장으로 인해 변경됨.연구팀은 M13 박테리오파지 기반의 비색 센서 어레이(array, 배열)의 실시간 가스 반응을 감지하기 위해 2D 공간정보, 1D 분광정보를 측정하는 기존 초분광 측정법을 변형해 공간정보, 분광정보, 시간정보로 이뤄진 3차원 초분광 데이터 측정법을 개발했다. 해당 방법은 1D 공간정보를 통해 얻어지는 비색 센서 어레이에서의 가스 반응에 따른 스펙트럼 변화를 딥러닝 분석으로 분석 가능하다. 또한 RGB 센서와의 비교분석을 통해 비색 센서가 가스와 반응하며 발생하는 스펙트럼의 변화가 특정 조건에서 RGB 센서에 존재하는 R(Red), G(Green), B(Blue) 컬러 필터의 넓은 스펙트럼 대역폭으로 인해 색 변화가 감지되지 않는 상쇄(Canceled out) 현상이 발생함을 확인했고, 이러한 한계를 초분광 측정을 통해 해결할 수 있음을 증명했다.연구팀은 측정된 3D 초분광 데이터를 분석하기 위해 다중 채널 2D 스펙트로그램으로 변환해 컨볼루션 신경망(Convolution neural network)을 통해 계층적 분석을 수행했다. 상대습도(Relative humidity) 농도 분류를 초분광과 RGB 측정 및 각각의 컨볼루션 신경망 제작을 통해 분류 성능을 평가했고, 초분광 시스템은 97.5%의 분류 정확도를 보이는 반면, RGB 모델은 동일한 조건에서 72.5%의 분류 정확도를 나타냄을 확인함으로써 초분광 시스템의 적용을 통한 진보된 비색 센서 구현이 가능함을 보여줬다.김승철 교수는 “이번 연구는 초분광 측정 및 분석 방법을 차세대 비색 전자코 소재인 M13 박테리오파지에 적용해 진보된 비색 전자코 시스템 구현이 가능함을 확인한 것”이라며 “이는 다양한 비색 소자 측정에 활용 가능해 복합가스 분석, 고정밀 의료용 진단 플랫폼 등에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오기술개발사업과 산업통상자원부 초고난도 자율주행모빌리티 인지예측센서 기술개발 사업, 부산대 BK21 FOUR 대학원혁신지원사업의 지원을 받아, 인지메카트로닉스공학과 정태인 박사과정생과 BIT research institute의 Thanh Mien Nguyen(탄 미엔 응우옌) 박사후 연구원이 공동 제1저자, 김승철 교수와 오진우 교수가 공동 교신저자로 수행했다. 【왼쪽부터 공동 교신저자 김승철 교수와 오진우 교수, 공동 제1저자 정태인 박사과정생과 탄 미엔 응우옌 박사후 연구원】초분광 측정 및 분석 방법을 적용해 성능을 향상시킨 비색 전자코 시스템을 개발한 이번 연구 성과는 분석화학 분야의 세계적인 학술지인『ACS sensors』 3월 28일자 표지 논문으로 게재됐다.- 논문 제목: Myltichannel hierarchical analysis of time-resolved hyperspectral data for advanced colorimetric e-nose(시간 분해 초분광 데이터의 다중 채널 계층 분석을 적용한 전자코)- 논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssensors.3c02663 * 상단 이미지: 초분광 측정 기반 비색 전자코 센서 시스템 개략도. 『ACS sensors』표지 이미지 일부.[Abstract]The colorimetric sensor-based electronic nose has been demonstrated to discriminate specific gaseous molecules for various applications, including health or environmental monitoring. However, conventional colorimetric sensor systems rely on RGB sensors, which cannot capture the complete spectral response of the system. This limitation can degrade the performance of machine learning analysis, leading to inaccurate identification of chemicals with similar functional groups. Here, we propose a novel time-resolved hyperspectral (TRH) data set from colorimetric array sensors consisting of 1D spatial, 1D spectral, and 1D temporal axes, which enables hierarchical analysis of multichannel 2D spectrograms via a convolution neural network (CNN). We assessed the outstanding classification performance of the TRH data set compared to an RGB data set by conducting a relative humidity (RH) concentration classification. The time-dependent spectral response of the colorimetric sensor was measured and trained as a CNN model using TRH and RGB sensor systems at different RH levels. While the TRH model shows a high classification accuracy of 97.5% for the RH concentration, the RGB model yields 72.5% under identical conditions. Furthermore, we demonstrated the detection of various functional volatile gases with the TRH system by using experimental and simulation approaches. The results reveal distinct spectral features from the TRH system, corresponding to changes in the concentration of each substance.* Reference- Authors (Pusan National University) · First authors: Tae-In Jeong (Department of Cogno-mechatronics Engineering), Thanh Mien Nguyen (Bio-IT fusion technology research institute) · Corresponding authors: Seungchul Kim (Department of Optics and Mechatronics Engineering), Jin-Woo Oh (Department of Nano fusion technology)- Title of original paper: Multichannel Hierarchical Analysis of Time-Resolved Hyperspectral data for Advanced Colorimetric E-nose- Journal: ACS sensors- DOI: https://doi.org/10.1021/acssensors.3c02663

나노에너지공학과 서지연 교수팀과 유기소재시스템공학과 김효정 교수팀은 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL) 마이클 그라첼 교수와의 국제공동연구를 통해 소량의 첨가제로 페로브스카이트 결정립 성장을 조절함과 동시에 결함을 패시베이션함으로써 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 열 안정성을 향상시킬 수 있음을 규명했다.* 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells): 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지. ‘페로브스카이트(perovskite)’는 ABX₃구조를 갖는 대부분의 물질을 칭함.‘페로브스카이트 태양전지(PSCs)’는 높은 효율과 낮은 비용으로 인해 차세대 태양전지의 유망한 후보로 부상했다. 이번 연구에서 서지연 교수팀과 김효정 교수팀은 온도 감응형 첨가제 엔지니어링을 활용해 결정성장 조절 기술과 태양전지 안정성을 확보하는 데 성공했다. 첨가제 엔지니어링은 오랫동안 PSCs의 성능을 향상시키기 위한 핵심 전략으로 인식돼 왔다. 제1저자로 참여한 나노융합기술학과 김선주 박사과정생은 소량의 CH3NH3+NO3- (Methylammonium Nirtate, MAN)을 페로브스카이트 전구체 용액에 도입해 결정립 성장을 조절하고 결정립계의 아이오딘 빈자리를 대체함으로써 페로브스카이트 활성층의 태양광 특성을 성공적으로 개선했다. 유기소재시스템공학과 김효정 교수와 공동 제1저자인 나노반도체공정·장비계약학과 조인화 연구교수는 ab initio 계산과 함께 in situ XRD 및 UV-visible 분광을 포함한 심층 분석을 통해 MAN 첨가제를 사용한 PSCs의 향상된 성능 및 안정성의 기초가 되는 메커니즘을 밝혀냈다. 이러한 발견은 온도에 민감한 첨가제 엔지니어링이 효율적이고 내구성이 뛰어난 PSCs 기술 개발을 촉진할 수있는 가능성을 강조한다.【페로브스카이트 결정립 경계에서의 첨가제 거동 및 역할】첨가제의 온도 민감성에 대한 추가적인 통찰은 다양한 기후, 특히 온도가 상승된 지역에서 PSCs의 성능 및 안정성을 향상시키는 데에 있어 귀중한 개발 방향성을 제공했다. 이 획기적인 연구는 지속 가능하고 신뢰할 수 있는 재생 가능한 에너지원을 찾는 데 중요한 진전을 의미한다. 연구팀은 온도에 민감한 첨가제 공학의 힘을 활용해 페로브스카이트 태양전지를 통해 더 밝고 친환경적인 미래를 향해 길을 열고 있다.나노에너지공학과 서지연 교수는 “이번 연구 결과는 첨가제들이 고온에서 페로브스카이트 태양전지 결정 내에서 어떠한 기능을 하는지 메커니즘을 최초로 규명한 것”이라며 “향후 페로브스카이트 태양전지가 옥외에 사용될 때 고온 환경에서도 안정하게 작동할 수 있는 기술로 상용화되는 데 기여할 수 있다”고 말했다. 해당 논문은 국제 학술지 『ACS Energy LETTERS』 4월 12일자에 게재됐다.- 논문 제목: Methylammonium Nitrate-Mediated Crystal Growth and Defect Passivation in Lead Halide Perovskite Solar Cells(질산메틸암모늄을 매개로 한 페로브스카이트 태양전지에서의 결정 성장과 결함 패시베이션)- 논문 링크: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00154이번 연구는 교육부가 지원하는 한국연구재단의 기초과학연구 프로그램 지원과 산업통상자원부와 한국기술진흥원의 국제협력연구개발 프로그램을 통해 재정지원을 받았다.* 인물 사진: 왼쪽부터 (아래) 서지연 교수, 김효정 교수, (위) 김선주 박사과정생, 조인화 연구교수.[Abstract]Additive engineering has been a crucial strategy to improve photovoltaic properties by reducing carrier trap centers or increasing carrier diffusion lengths in the lead halide perovskite active layer. We introduced a small amount of CH3NH3+NO3- (methylammonium nitrate, MAN) to a pristine MAPbl3 precursor solution as an agent for controlling the grain growth rate and healing iodine vacancies at grain boundaries of a perovskite film. With an addition of MAN, the larger grains were formed, confirmed by surface morphology images, and higher environmental stability was evidenced by in situ impedance spectroscopy results. For the optimized sample with an addition of 0.3 mol % MAN, high power conversion efficiency (PCE) of 20.5% (18.7% for the pristine sample) was successively demonstrated. In addition, the remnant NO3 ions were identified at the perovskite grain boundaries at room temperature and inside the unit cell at high temperature, as evidenced by results of in situ X-ray diffraction and in situ UV?visible spectroscopy measurements. Temperature dependence behaviors of the additive provide an in-depth understanding for designing and selecting additives to increase the PCE and stability of the perovskite solar cells.* Reference- Authors (Pusan National University): · First author: Sun-Ju Kim (Department of Nano Fusion Technology), In Hwa Cho (Semiconductor Process and Equipment Contract Department) · Corresponding authors: Prof. Hyo Jung Kim (School of Chemical Engineering), Prof. Ji-Youn Seo (Department of Nano Fusion Technology)- Title of original paper: Methylammonium Nitrate-Mediated Crystal Growth and Defect Passivation in Lead Halide Perovskite Solar Cells - https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00154 - Journal: ACS Energy Letters?

부산대가 ‘제19회 부산미래과학자상’에 박사과정 최우수상 김민수(응용화학공학) 학생 등 총 9명(7팀)의 수상자를 배출했다.‘부산미래과학자상’은 부산과학기술협의회와 부산시가 지역 우수 과학 인재 발굴 및 육성을 위해 2005년 제정해 시상하고 있는 상으로, 올해 총 35팀이 수상했다.공학부문 최우수상을 수상한 김민수 씨는 생물전기화학 반응으로 이산화탄소를 고부가가치 화학전구물질로 전환하는 미생물전기합성셀 개발과 미생물과 전극 간의 전자전달을 향상시키는 전략개발 등과 관련해 SCI급 논문 8편의 연구 성과가 호평을 받았다.제19회 부산미래과학자상 시상식은 12월 13일 오전 부산시청 12층 국제회의실에서 열렸다.◇ 제19회 부산미래과학자상 부산대 수상자 명단대학원생 연구업적상 박사과정▷공학 최우수 김민수(응용화학공학)▷이학 우수 김기훈(의학), 진영록(물리학)대학원생 연구업적상 석사과정▷이학 최우수 김지현(생명환경화학)대학생 논문상▷이학 최우수 박강진(물리학), 우수-이수현 등 3명(의학)▷공학 우수 박선우(나노에너지공학)

[대담한K] 1,000조 시장을 잡아라…2차전지 산업 과제와 전망은?출처 : 네이버TV - https://naver.me/xVAses2A

PNU 리서치메인으로 이동연구/산학PNU 리서치나노에너지공학/광메카트로닉스공학과 황윤회·김규정 교수팀, 빛으로 세포 움직이는 '광학 집게' 기술로 암세포 전기적 특성 분석암세포-정상세포 구분하는 '비침습적 바이오센서'…다양한 생물학적 응용 전망작성자 홍보실 / [홍보실] 작성일자 2023-06-05 조회 176레이저 빛으로 세포를 집어 움직이거나 포획할 수 있는 ‘광학 집게’ 기술을 이용해 세포의 커패시턴스(전기용량) 변화를 측정함으로써 단일 암세포의 표면 특성 변화를 분석하는 바이오센서가 개발됐다. 특히 이 시스템은 세포에 상처를 내지 않고도 시행 가능한 비침습법으로, 배양 중인 단일 세포와 외부 인자의 실시간 상호작용을 지속적으로 측정해 암세포와 정상세포 사이의 특정 반응을 구별해 다양한 생물학적 응용이 가능할 것으로 전망된다.나노에너지공학과 황윤회 교수와 광메카트로닉스공학과 김규정 교수 연구팀이 단일 세포의 세포 특성을 정략 분석하는 시스템을 개발한 이번 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 SCI급 국제 저널인 『Biosensors Bioelectronics』 온라인 4월 15일자(오프라인 8월호)에 게재했다.- 논문 제목: Quantitative comparison of EGFR expression levels of optically trapped individual cells using a capacitance biosensor(커패시턴스 바이오센서를 사용한 광학 포획된 단일 세포의 성장 인자 수용체 발현 수준의 양적 비교)- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115320연구팀은 단일 세포의 ‘성장 인자(EGF)’의 결합 친화도에 따른 커패시턴스(capacitance·전기용량, 물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량) 변화를 기반으로 알려지지 않은 세포 유형에서 ‘성장 인자 수용체(EGFR)’의 발현 수준을 정확하게 측정하고 정량화하는 시스템을 고안했다.최근, 생물 의학, 임상 진단, 약물 발견 등 다양한 분야에서는 단일 세포를 비침습적으로 감지하고 라벨*(표지물)* 없이 분석할 수 있는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 연구는 정확한 진단 및 치료 도구 개발을 위해 필수적이며, 세포의 이질성에 의해 변화한 세포 특성을 파악할 수 있어 이전보다 더욱 정교한 분석이 가능하다. * 라벨: 세포 내부의 구성요소를 식별하고 추적하기 위한 표지물. 특정 단백질, 핵산 또는 다른 분자를 라벨로 사용할 수 있다.종양 조직 내에서 서로 다른 특성을 가진 암세포들이 함께 존재하는 것을 세포의 ‘이질성’이라 하며, 이에 따른 암세포의 특성을 정확히 파악하는 것은 암 치료 전략 개발에 있어 중요한 역할을 맡는다.이번 연구에서는 광학 집게 기술과 커패시턴스 측정 기술을 결합해 새로운 바이오센서 시스템을 개발해, 비침습적으로 단일 세포의 표면 특성을 측정할 수 있다. ‘광학 집게’ 기술은 레이저 빛을 이용해 세포를 붙잡을 수 있는 기술이다. 빛은 한 초점에 모으면 그 주변에 끌어당기는 힘이 작용하는데, 이를 이용해 세포나 원자와 같은 작은 물질을 집어 이동시키거나 포획할 수 있다. 이 시스템은 세포의 크기와 생존력을 고려해, 측정하려는 세포를 선택할 수 있다. 또한, 세포가 외부 분자와 결합할 때 나타나는 커패시턴스 변화를 측정해 세포 표면 특성을 정량화할 수 있다. 광학 집게 및 커패시턴스 측정 통합 시스템의 개요도 (좌)세포주에 따른 성장 인자 수용체 발현 정도에 비례해 변화하는 커패시턴스 변화 정도(우)연구팀은 이번에 개발한 시스템을 사용해 다양한 세포주에서 성장 인자와의 결합 정도에 따른 성장 인자 수용체의 발현 수준을 측정하고, 경향을 도식화해 미지의 세포가 가진 성장 인자 수용체의 발현 정도를 높은 정확도로 추정했다. 이러한 연구결과는 세포 이질성 및 질병 진행에 대한 이해를 더욱 깊이 있게 제공할 수 있으므로, 생물 의학, 임상 진단 및 약물 발견 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 새로운 질병 진단 및 치료 전략 개발에도 기여할 수 있다.한편, 이번 연구 성과는 한국연구재단의 기초연구실지원사업 지원을 받아, 광메카트로닉스공학과 강태영(17학번) 박사과정생이 제1저자, 황윤회 교수와 김규정 교수가 교신저자로 수행했다.* 상단 인물사진: 왼쪽부터 교신저자 황윤회 교수, 김규정 교수[Abstract]In this study, a research team presented a new biosensor system based on the integration of optical trapping technology and capacitance measurement technology for non-invasive measurement of single-cell surface properties. The system allows for the selection of cells to be measured based on their viability and size, and quantifies the surface properties of cells by measuring the capacitance changes that occur when they bind to external molecules. Using this system, they measured and quantified the expression levels of the epidermal growth factor receptor (EGFR) in response to binding with the growth factor (EGF) in various cell lines, and accurately estimated the expression levels of EGFR in unknown cells. This could provide a more detailed understanding of cellular heterogeneity and disease progression, making it of significant importance in various fields such as biomedical research, clinical diagnosis, and drug discovery. The developed technology has the potential to lead to the development of new diagnostic and therapeutic strategies for various diseases.* Reference- Authors· First author: Tae Young Kang (Department of Cogno-Mechatronics Engineering)· Corresponding Authors: Prof. Kyujung Kim (Department of Cogno-Mechatronics Engineering), Prof. Yoon-Hwae Hwang (Department of Nano Energy Engineering)- Title of original paper: Quantitative comparison of EGFR expression levels of optically trapped individual cells using a capacitance biosensor- Journal: Biosensors Bioelectronics- DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115320

나노에너지공학과 박민준(사진) 교수팀이 촉매 제조 시 발생하는 불순물을 제거하기 위해 초임계 유체*를 활용해 이중 원자 촉매(Fe-N₄와 Cu-N₄) 구조를 갖는 고순도 질화탄소 나노튜브(FCN₄-CNNT)를 개발했다.* 초임계 유체: 임계점 이상의 온도와 압력 조건에 있는 물질 상태. 이를 이차전지에 활용해 고성능 아연-금속 전지용 이중 기능성 (Bi-functional) 산소 촉매로 적용하면 아연-공기 전지의 수명과 에너지 밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.‘아연-공기 전지’는 전기차 등에 쓰이는 리튬이온 배터리보다 5배 이상 많은 에너지를 저장하고 폭발 위험도 낮아 차세대 전지로 주목받고 있다. 음극은 아연, 양극은 공기 중의 산소를 이용하는데, 저렴하면서 이론적인 에너지 밀도가 높은 ‘아연’(~1,360 Wh/kgzn?1)과 공기 중의 풍부한 ‘산소’의 전기화학 반응으로 에너지를 생산한다. 또한 수계 전해질을 사용하므로 폭발 위험성이 낮아 안전하다는 장점도 있다.* Wh/kg: 에너지 밀도의 단위. kg당 와트시(Wh, 전력량, 전력×시간)로 측정한다.그러나 아연-공기 전지는 양극 반응인 산소 환원반응(ORR)과 산소 발생반응(OER)의 느린 반응 역학 때문에 실제 에너지 밀도가 제한된다. 해결책으로 ORR과 OER의 반응 속도를 높여주는 이중 기능성 촉매가 필요하지만, 기존의 귀금속 촉매들[Pt(백금), Ru(루테늄), Ir(이리듐)]은 가격이 비싸기 때문에 낮은 비용과 높은 수율로 이를 대체할 수 있는 새로운 촉매 개발이 필요한 실정이다.박민준 교수팀이 개발한 것이 바로 이 새로운 촉매다. 연구팀은 고압 초임계 반응을 통해 CNNT(질화탄소 나노튜브)를 철 프탈로시아닌(FePc) 및 구리 프탈로시아닌(CuPc) 나노로드와 합성해, CNNT 내부에 Fe-N₄ 및 Cu-N₄ 이중 원자 촉매가 원자적으로 분산돼 존재하는 FCN₄-CNNT(고순도 질화탄소 나노튜브)를 개발했다. 초임계 방식을 통한 나노 로드 형태의 질화탄소 나노뷰트 합성 과정 탄소 나노튜브(CNT)는 금속 기반 촉매를 보호하기 위해 쓰이는데, 내부 구동 시 고온 열분해 등으로 불순물이 많이 생겨 부작용을 일으킬 수 있다. 연구팀은 전이금속을 탄소 나노튜브에 잘 충전되도록 해 고순도를 확보하고자 초임계 유체를 사용했다. ‘초임계 유체’는 온도와 압력이 임계점에 도달해 있기 때문에 열이나 압력을 가해도 변하지 않는다. 액체의 밀도와 기체의 확산성을 갖고 있어 제로 표면 장력, 고속 확산성, 높은 용매화(solvation) 등에서 힘을 발휘하는 것이다. 이번 연구에서는 맞춤형 고압 원자로의 진공 환경을 조정해 질소가스를 사용한 벤젠을 초임계 유체로 썼다.연구팀이 구현한 이중 기능성 촉매의 특성을 확인하기 위한 방전 심도(DOD, ~1.0%) 평가에서, FCN₄-CNNT를 사용한 아연-금속 전지는 100 주기 후 Pt/C와 IrO₂촉매 혼합물의 과전압*(885 mV)보다 매우 낮은 617 mV을 기록했으며, 190 주기 후에도 709 mV의 과전압과 72.3%의 에너지 효율을 유지했다.* 과전압: 정격 전압보다 높은 전압이 공급되는 현상. 과전압으로 생기는 전기 에너지는 열 손실로 이어지므로 낮은 것이 좋다.나아가 실용성 평가에서 FCN₄-CNNT를 사용한 아연-금속 전지는 Pt/C와 IrO₂촉매 혼합물의 에너지 밀도(844 Wh/kgzn?1)보다 높은 918 Wh/kgzn?1의 에너지 밀도를 달성하며 우수한 내구성과 전기화학적 성능을 나타냈다. (a) 촉매별 산소환원 특성, (b) 촉매의 전자 이동 특성, (c) 질화탄소 나노뷰트 촉매의 10,000 사이클 내구성 테스트 이번 연구에서 주목할 점은 in situ XAS분석을 통해 질화탄소 나노튜브 내부에 새롭게 생성된 배위의 측면에서 이중 기능성 ORR(산호 환원반응) 및 OER(산소 발생반응) 활동을 연구한 내용이다. XANES 스펙트럼에서 Fe(Ⅱ) 피크의 강도는 ORR 영역에서 증가(산화)하고 OER 공정 동안 회복(환원)되는데, 이는 전기 촉매 작용 동안 Fe-N₄ 활성 자리의 철 이온의 가역적 산화환원 반응을 의미한다. 대조적으로, Cu(Ⅱ) 피크의 강도는 ORR 영역에서 감소(환원)하고 OER 공정 동안 회복(산화)함을 보였다. 이는 FCN₄-CNNT의 내부에 원자적으로 존재하는 Fe-N₄ 및 Cu-N₄ 자리가 촉매 효과의 기원임을 나타내며, Fe(Ⅱ)과 Cu(Ⅱ)가 서로 반대의 가역적인 산화환원 메커니즘을 통해 효율적인 이중 기능성 산소 활동이 가능함을 의미한다. 해당 성과는 국제 저명 학술지인 『Energy Storage Materials』 1월호에 게재됐다.- 논문 제목: Molecular engineering of atomically dispersed Fe-N₄ and Cu-N₄ dual-sites in carbon nitride nanotubes for rechargable zinc-air batteries- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.12.007이번 연구는 나노에너지공학과 박민준 교수가 교신저자, 박지한 석박사 통합과정생이 공동저자로 수행했으며, UNIST와 POSTECH이 공동으로 참여했다.한편 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실(BRL)사업, 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원 지원을 받아 수행됐다(20214000000140, 청정에너지 융합 발전 융합대학원).

부산대 LINC 3.0 사업단과 기술지주㈜(단장·대표이사 최경민 산학협력단장)가 교육부 주최, 한국연구재단 주관의 ‘2022 산학협력 EXPO’에서 각각 캡스톤디자인 경진대회 우수상과 산학협력 우수사례 경진대회 우수상을 수상했다.LINC 3.0 사업단은 11월 2일 수원컨벤션센터에서 열린 ‘2022 산학협력 EXPO’ 내 LINC 3.0 사업(기술혁신선도형) 캡스톤디자인 경진대회에서 ‘안질환센서’팀(지도교수 오진우, 나노에너지공학과 임지수·김영화 학생)이 ‘금 나노 입자의 플라즈모닉 특성 기반 안과 질환 진단용SERS 센서의 임상 적용 테스트’ 아이템으로 우수상에 선정됐다.수상팀은 한 번 손상된 시신경은 회복하기가 힘든데 안과 질환을 스스로 진단해 조기에 치료할 수 있다면 안과 질환 예방률이 높아질 것이라는 점에서 아이디어를 얻어 안질환 센서 키트를 고안해 호평을 얻었다.또 부산대기술지주㈜는 ‘대학발(發) 기술사업화 선순환 플랫폼 구축 및 운영’으로 2022년 산학협력 우수사례 경진대회에서 우수상을 수상했다. 기술창업플랫폼인 PNU AVEC 운영과 기술창업주간(PNU Tech Biz Week) 운영을 통해 기술사업화 환경에 선제 대응하고 수익 다각화 방안을 창출한 점에서 높은 평가를 받았다.최경민 단장은 “부산대는 대학이라는 연구의 보고에서 유망기술을 발굴하고 창업 보육, 네트워킹 지원, 투자 연계에 이르기까지 아낌없이 지원하는 기술사업화 컨트롤타워로서의 역할을 탁월하게 수행하고자 노력하고 있다”며 “학생들의 수상 또한 캡스톤디자인 교과목으로 아이디어를 도출하고 구체화시키는 과정을 통해 연구역량과 다양한 경험을 쌓아 거둔 성과로 더욱 뜻깊다”고 말했다.* 사진: 위쪽부터 캡스톤디자인 경진대회 우수상을 수상한 부산대 LINC 3.0 사업단 ‘안질환센서’팀 임지수·김영화 학생, 산학협력 우수사례에 선정된 부산대기술지주 우수상 수상팀

나노에너지공학과 이형우 교수 연구팀과 한국재료연구원(KIMS), 한국과학기술정보연구원(KISTI) 공동 연구팀이 특정 가스에 노출될 때 결정 구조가 변하는 친환경 신소재를 합성하고, 이를 기반으로 색과 저항이 동시에 바뀌는 ‘다중 응답형 가스 센서’를 세계 처음으로 개발했다. ‘가스 센서’는 인류의 건강을 증진시키고 산업체의 대기 오염으로부터 환경을 보호하는 데 활용 가능한 환경 정보를 제공할 수 있어 학계 및 산업계의 관심이 높다.※ 가스 센서의 활용: 가스누출경보기, 화재경보기, 알코올검출기, 엔진연소가스검지기 등기존의 반도체 방식을 이용한 가스 센서는 센서 표면에 가스가 흡착됐을 때 나타나는 전기적 저항 변화를 통해 가스를 검출한다. 하지만, 물리적 흡착-탈착 메커니즘을 활용할 수밖에 없어 작동 온도가 높아야 한다. 가스의 물리적 흡착에 기초한 센서는 높은 전력 소비량뿐만 아니라 낮은 선택성의 문제점을 가진다. 또한, 전기적 특성 변화라는 단일 지표만을 사용해 그 활용성에도 한계가 있다. 이에, 연구팀은 독성이 없는 구리(Cu) 기반의 친환경 메탈 할라이드 박막 소재인 Cs3Cu2I5를 합성했다. Cu(I)계 가스 센서는 각종 독성 및 대기 가스 중 수산기(基)[-OH. 즉, 한 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자로 이루어진 1가(一價)의 기(基)로, ‘하이드록실기’라고도 함] 검출에 대한 선택성이 크며, 그 중 물에 대한 감도가 가장 높다. 물에 감도가 높은 Cu(I)계 가스 센서는 사람의 호흡에 있는 수분도 감지할 수 있을 정도로 민감하기 때문에, 의료(호흡기 질환) 및 환경 모니터링 분야에 응용이 가능하다. 연구팀이 합성한 Cs3Cu2I5 소재는 하이드록실 가스에 노출되면 CsCu2I3로 상전이[외부 조건에 따라 한 상(相, phase)에서 다른 상으로 바뀌는 현상]가 일어나는데, 이때 소재의 광학적 특성과 전기적 특성 또한 변한다는 것을 슈퍼컴퓨터 기반 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 규명했다. 연구 이미지 (a) 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈 표지 (b) 가스 센서의 매커니즘 (c) 가스 센서의 가소크로믹한 센싱 특성(d) 하이드록실 가스의 on-off에 따른 반도체 센싱 특성 (e) 하이드록실기의 극성에 따른 전기적 및 광학적 반응즉, 단일 지표만 사용하는 것이 아니라 전기적 및 광학적 모드를 동시에 활용할 수 있어 고선택성 다중 응답형 가스 센서로 응용 가능하다. 실제로 이 센서는 하이드록실 가스에 노출된 뒤, 광학 적색편이*를 방출하는 데 단 5초, 전기 저항 증가로 가스 검출이 가능하기까지는 1분밖에 걸리지 않았다. ‘고선택성’이란 광학적·전기적 두 반응이 모두 나타나기 때문에 가스 검출의 정확도를 높일 수 있다는 뜻이다. * 적색편이(赤色偏移): 물체가 내는 빛의 파장이 늘어나 보이는 현상. 일반적으로 가시광선에서 파장이 길수록 붉게 보이기 때문에 물체의 스펙트럼이 붉은(赤色) 쪽으로 치우쳤다(偏移)는 의미.또한, Cs3Cu2I5 기반의 가스 센서는 기존의 메커니즘과 달리 가역적인 상전이 메커니즘을 이용하기 때문에 추적 관찰 결과, 1년 동안 높은 안정성을 가지며 상온에서 1V(볼트)의 낮은 작동 전압을 통해 반복적으로 작동이 가능한 것으로 나타났다.이형우 교수는 “이번 연구를 통해 기존의 반도체 기반 센서와는 달리 향후 반도체·의료·농축산 등 다양한 첨단 산업 분야에 적용 또는 응용될 것으로 기대되는, 세계 최초의 결정 구조 변화형 친환경 소재의 상전이를 통한 다중 응답형 가스 센서 개념을 선보였다”고 말했다.해당 논문은 소재 분야의 세계적인 학술지인 『Advanced Functional Materials』에 ‘친환경 비납계 금속 할라이드 상전이를 활용한 다중 응답형 하이드록실기 가스 센서(Multimodal Gas Sensor Detecting Hydroxyl Groups with Phase Transition Based on Eco-Friendly Lead-Free Metal Halides)’라는 제목으로 7월 11일자에 게재됐고, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(Inside front cover)으로 선정됐다. 연구에는 대학원 나노융합기술학과 이다슬(20학번) 박사과정생이 제1저자, 이형우 교수가 교신저자로 참여했다. - 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202202207 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 KIMS 주요사업, KISTI 국가슈퍼컴퓨터 5호기 연구개발(R D)혁신지원프로그램, 과학기술정보통신부 기초연구사업 등의 지원을 받아 수행됐다.* 인물 사진: 오른쪽부터 교신저자 이형우 교수, 제1저자 이다슬 박사과정생[Abstract]An electrical and optical responsive chemical-semiconductor gas sensor is developed using Cu(I) halides with a phase transition mechanism. Cu(I) materials exhibit reversible phase transitions between the Cs3Cu2I5 and CsCu2I3 with different properties, owing to the formation/destruction of the Cs?I and Cu?Cu bonding when the hydroxyl groups are attached/detached. Among various toxic and atmospheric gases, a Cu(I)-based gas sensor has high selectivity in detecting the hydroxyl group, and the highest sensitivity to water. The reactivity is determined by the polarity, where water with the largest polarity has the strongest attraction for Cu+ and I- ions, letting phase transition occur easily. The multimodal sensor red-shifts emission from 445 to 575 nm when it detects hydroxyl gas, and the moisture-sensitive sensor visually confirms response to breaths in less than 5 s and recovery in the air in less than 30 s. The gas sensor can operate at room temperature while applying a constant bias voltage of 1 V, and it also shows excellent sensitivity in a relative humidity range of 15?75%. Furthermore, the sensor maintained ?90% of its initial responsivity over 1 year.- Paper Title: Multimodal Gas Sensor Detecting Hydroxyl Groups with Phase Transition Based on Eco-Friendly Lead-Free Metal Halides- First Author: Daseul Lee(Pusan National University, KIMS), Seung-Jea Lee, Jae Ho Kim(KIMS) - Corresponding Author: Hyung Woo Lee(Pusan National University), Han Seul Kim(KISTI), Jin Woo Choi(KIMS)- URL: https://doi.org/10.1002/adfm.202202207

정부가 신산업 분야 등 산업·경제 구조 변화에 대응하는 혁신 인재 양성을 위해 추진하는 「2022년 부처 협업형 인재양성 사업」에 기계공학부의 미래형자동차 기술융합혁신인재양성사업을 비롯, 반도체·이차전지·차세대바이오헬스·의료인공지능 등 5개 분야 세부사업이 선정됐다.「부처 협업형 인재양성사업」은 교육부와 산업통상자원부·과학기술정보통신부·보건복지부·환경부·국토교통부·개인정보보호위원회·특허청 등 7개 관계부처가 국가적으로 전문 인재 양성이 요구되는 신기술 분야를 육성하기 위해 공동으로 기획·운영하는 사업이다. 2025년까지 3년간 추진되며, 올해 420억 원의 예산이 투입된다.이번에 선정된 부산대 세부사업은 △ 미래형자동차 기술융합혁신인재양성사업(산업통상자원부) △ 반도체 전공트랙사업(산업통상자원부) △ 이차전지산업 기술인력양성사업(산업통상자원부) △ 차세대 바이오헬스산업 혁신인재양성사업(산업통상자원부) △ 의료인공지능 융합인재양성사업(보건복지부) 등 5개 분야다.미래형자동차 기술융합혁신인재양성사업(사업책임자 전충환 교수)은 기계공학부가 주관학과로, 전기공학과·재료공학부·나노메카트로닉스공학과·광메카트로닉스공학과가 참여한다. 친환경차, 자율주행자, 자동차 및 제조·생산 기술에 특화된 지역산업체 수요밀착형 기술융합 미래인재를 양성해 자동차 산업 발전과 미래자동차 강국 실현에 앞장선다.반도체 전공트랙 사업(사업책임자 남일구 교수)에 선정된 전기공학과(주관)와 전자공학과(참여)는 반도체 전공트랙을 신설하고 실무 중심의 반도체 인재를 양성한다. 산업계 수요를 반영한 실무 중심의 교과목 개발·운영, 반도체 교육 인프라 구축, 산학 프로젝트·인턴십 등을 통해 실무 경쟁력을 갖춘 시스템반도체 소자·회로·시스템 설계 인력을 양성함으로써 4차 산업혁명의 핵심 기술인 시스템반도체의 국내 경쟁력을 강화할 계획이다.나노에너지공학과가 주관해 이차전지산업 기술인력양성사업(사업책임자 조채용 교수)도 추진한다. 이차전지 제조기업의 셀 사업부에서 진행하는 전지 제조 기술, 개발 부서에 필요한 양산 제조 기술, 맞춤형 인재 양성을 위한 이차전지 특화 교육 과정 개발 등을 목표로 이차전지 산업을 주도할 문제 해결 기반 제조공정 및 맞춤형 융합 인재를 양성한다.차세대 바이오헬스산업 혁신인재양성사업(사업책임자 정준수 교수)은 의생명융합공학부 주관으로, 광메카트로닉스공학과·기계공학부·간호학과가 참여한다. 의생명 분야에 특화된 부산대 양산캠퍼스를 중심으로 바이오헬스 디바이스와 바이오헬스 데이터 모두에 높은 역량을 지닌 디바이스+데이터 융합형 바이오헬스 인재를 키워 내 디지털 헬스케어 산업에 대응할 전망이다.의료인공지능 융합인재양성사업(사업책임자 최병관 교수)은 의과대학이 주관해 간호대학·정보의생명공학대학·치의학전문대학원·한의학전문대학원이 참여한다. 이 사업단은 보건의료 현장에서 발생하는 각종 문제를 데이터 기반 인공지능 역량을 적용해 해결할 수 있는 융합형 인재를 양성해 인공지능 의료기술 개발을 선도하는 국제적 수준의 융합 창의 인재로 배출한다.향후 부처별로 대학 인건비 지원과 기자재 구입, 소관부처와 교육 프로그램 공동 개발·운영 등 세부적인 추진에 들어가 해당 분야의 대학 체질 개선과 특성화를 지원할 계획이다.* 사진: 연구에 몰두하고 있는 부산대 학생들