[연구]세계 최고 전기차 이차전지 수명 획기적 연장​

< 사진 1. 생명화학공학과 최남순 교수 >전기차 시대의 가속화에 따라 1회 충전에 긴 주행거리를 가능하게 하거나 전 세계 평균 기온에 속하는 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 충전과 방전을 할 수 있는 고용량, 고에너지밀도 이차전지 개발의 중요도가 커지고 있다.우리 대학 생명화학공학과 최남순 교수 연구팀이 넓은 온도 범위에서 리튬금속 전지의 높은 효율과 에너지를 유지하는 세계 최고 수준의 전해액 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 개발된 전해액은 기존에 보고되지 않은 새로운 *솔베이션 구조를 형성했으며 안정적인 전극-전해질 계면 반응을 확보할 수 있는 첨가제 기술을 통해 리튬금속 전지의 수명 특성을 획기적으로 향상시켰다.☞ 솔베이션 구조 : 일반적으로 염(이온성 화합물) 농도가 낮은 전해액에서는 양이온이 전하를 띠지 않은 용매에 의해 둘러싸여 동심원의 껍질(Shell)을 형성하는데 이를 솔베이션 구조라고 함. 이러한 솔베이션 구조 개선 기술은 염 농도를 증가시키지 않고 배터리의 작동 온도 범위를 넓히는 매우 중요한 인자임. 최남순 교수 연구팀은 기존에 보고된 전해액 내 리튬 이온의 이동이 제한적이고 구동할 수 있는 온도 범위의 한계가 있는 전해액들과는 달리 넓은 온도 범위(-20~60도)에서 안정적으로 작용할 수 있는 용매 조성 기술과 전극계면 보호기술을 적용해 기존 연구 결과보다 현저하게 향상된 *가역 효율 (영하 20도 300회 99.9%, 상온 200회 99.9%, 고온 45도 100회 99.8%)을 달성했다.☞ 가역 효율 : 매 사이클마다 전지의 방전용량을 충전용량으로 나누어 백분율로 나타낸 값으로 배터리의 가역성을 의미함. 가역 효율이 높을수록 매 사이클마다 배터리 용량 손실이 적음을 의미함. 아무리 높은 용량을 구현하는 배터리라도 가역성이 높지 않다면 실용화가 어려움. < 그림 1. (상단) 전해액의 솔베이션 구조의 변화와 (하단) 개발 전해액 조성의 작동 메커니즘 모식도 >또한, 완전 충전-완전 방전조건에서 첫 사이클 방전 기준 용량 80%가 나오는 횟수까지를 배터리 수명으로 보고 있는데 개발된 전해액 기술은 상온(25도)에서 200회 충·방전 후에 첫 번째 사이클의 방전용량 대비 85.4%의 높은 방전용량 유지율을 보였다. 또한, 고온(45도)에서 100회 충·방전 후 91.5% 발현, 저온(영하 20도) 구동에서도 300회 충·방전 후 72.1% 발현하는 등 완전 충전-완전 방전조건에서 기존 상용 기술 대비 약 20% 높은 용량 유지율을 보여줬다. 이번 연구에서 개발된 새로운 솔베이션 구조를 가지는 전해액(partially and weakly solvating electrolyte; PWSE) 기술은 리튬 코발트 산화물 양극을 사용해 영하 20도에서 60도의 넓은 온도 범위에서 극대화된 성능을 얻었다는 점에서 그 의미가 크다. 여기에 더해 60도와 80도 고온 저장에서도 저장 성능이 유지됨도 확인했다. 특히 리튬금속 전지용 전해액 기준 프레임을 제시한바, 이는 리튬이차전지 전해액 시장에서 게임 체인저가 될 것이라고 연구진은 설명했다.< 그림 2. 전해액의 솔베이션 구조 모식도. (좌측) 저농도 전해액, (우측) 부분적 약한 용매화 전해액 (신규 보고 솔베이션 구조) >이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 생명화학공학과 김세훈 박사과정은 "새로운 솔베이션 구조에 의한 리튬 이온의 이동도 향상과 구동 온도 범위의 확장 그리고 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과에 의해 기존에 보고된 리튬금속 전지용 전해액 기술 개발의 한계를 뛰어넘는 기술을 개발하게 됐다ˮ라고 말했다. 최남순 교수는 "개발된 전해액 기술은 기존에 보고된 전해액들과는 달리 리튬이온을 끌어당기는 힘이 다른 두 개의 용매를 사용하여 리튬이온이 잘 이동하게 하고 전극 표면에서도 원하지 않는 부반응을 감소시키는 새로운 솔베이션 구조를 형성해 리튬금속 전지 구동 온도 범위를 넓힌 획기적인 시도ˮ라며 "이러한 솔베이션 구조 개선 기술과 전해액 첨가제에 의한 안정적인 전극-전해질 계면 형성의 시너지 효과는 고에너지 밀도 리튬금속 전지에서의 난제들을 효과적으로 해결하고 전해액 설계에 있어서 새로운 방향을 제시했다ˮ라고 연구의 의미를 강조했다.< 그림 3. 전해액 조성과 평가 온도에 따른 Li/LiCoO2 셀의 방전용량 (discharge capacity)과 가역효율 (쿨롱효율, Coulombic efficiency) 그래프. (상단) 영하 20도 구동, (중간) 25도 구동, (하단) 45도 구동 본 연구를 통해 개발된 전해액 조성 (부분적 약한 용매화 전해액 + 반응형 첨가제 조합; PWSE + LiFMDFB + AgNO3)은 4.4 V의 고전압 구동에도 불구하고 저온 (영하 20도) 300회 충·방전 후 기존 용량의 72.1%, 상온 (25도) 200회 충·방전 후 기존 용량의 85.4%, 그리고 고온 (45도) 100회 충·방전 후 기존 용량의 91.5%의 높은 용량 유지율을 보여주었다. >생명화학공학과 최남순 교수와 김세훈, 이정아, 김보근, 변정환 연구원과 경상국립대학교 나노신소재융합공학과 이태경 교수, UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수, 백경은 연구원, 이현욱 교수, 김주영 연구원 진행한 이번 연구는 국제 학술지 `에너지 & 인바이론멘탈 사이언스 (Energy & Environmental Science)'에 9월 13일 字로 온라인 공개됐다 (논문명 : Wide-temperature-range operation of lithium-metal batteries using partially and weakly solvating liquid electrolytes). 한편 이번 연구 수행은 솔베이 스페셜티 폴리머즈 코리아 (Solvay Specialty Polymers Korea)의 지원과 ㈜후성으로부터 첨가제 합성 지원을 받아 수행됐다.< 그림 4. 전해액 조성 별 Li/Li 셀 사이클에 따른 실시간 광학 현미경 분석. (상단) 저농도 전해액, (중간) 부분적 약한 용매화 전해액 (PWSE), (하단) 개발 전해액 (부분적 약한 용매화 전해액 + 반응형 첨가제, PWSE + LiFMDFB + AgNO3) (상단)의 저농도 전해액의 경우 불안정한 전극-전해질 계면 형성으로 인해 지속적인 전해액과 리튬금속 음극 간의 반응이 일어나 수지상 리튬의 형성이 관측되며 (5번째 사이클) 7번째 사이클에서는 전기적 단락이 일어남. 반면 (하단)의 개발 전해액의 경우 안정적인 전극-전해질 계면 형성으로 인해 전해액과 리튬금속 음극 간의 지속적인 반응이 억제되고 이에 따라 수지상 리튬의 형성 또한 억제됨. 시각적으로도 20번째 사이클까지 수지상 리튬의 형성이 보이지 않음. >

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[연구]인공지능으로 조현병 원인치료의 실마리 찾다​

< (왼쪽부터) 바이오및뇌공학과 이도헌 교수, 한국한의학연구원 조유상 선임연구원 >정신분열증으로도 알려진 조현병은 환청, 환영, 인지장애 등의 증상으로 대표되는 정신질환이다. 국내 연구진이 인공지능을 활용해 그동안 증상 억제만이 가능했던 조현병의 원인을 치료할 수 있는 실마리를 찾았다. 우리 대학 바이오및뇌공학과 이도헌 교수 및 한국한의학연구원(원장 이진용) 공동연구팀이 미국 스탠리 의과학연구소(이하 스탠리연구소) 와의 국제공동연구를 통해 인공지능으로 개인의 유전형과 조현병 사이의 선천적 병리 모델과 조현병 예측 마커를 발굴했다고 27일 밝혔다. 조현병은 2016년 강남역 살인사건, 2019년 진주 방화사건, 2023년 대전 칼부림 사건 등 일부 환자들의 강력범죄와 환자에 대한 사회적 낙인으로 인해 조현병은 심각한 사회적 문제가 되었다. 그러나 이러한 심각성에도 불구하고 조현병의 원인은 명확히 밝혀지지 않아, 리스페리돈(risperidone), 클로자핀(clozapine) 등 항정신병제에 의한 증상의 억제만이 가능한 실정이다. 이도헌 교수 연구팀은 미 스탠리연구소의 다수준 뇌 조직 데이터에 최근 주목받는 인공지능 기술인 `설명가능한 심층학습' 기술을 접목해, 선천적 유전형과 조현병 사이의 병리를 설명하는 인공신경망 모델을 구축했다. 그리고 모델을 해석하여, 선천적 유전형이 유전자·단백질 발현 조절을 통해 뇌의 전전두엽피질, 안와전두엽피질 신경세포의 발생을 변화시켜 조현병 취약성을 결정한다는 사실을 밝혀냈다. 또한, 뇌의 신경세포 밀도를 감소시키는 유전형 조합을 조현병 예측 마커로 제시해, 개인화된 조현병 예측과 세포 치료 등을 통한 조현병 원인치료의 가능성을 열었다.< 그림 1. 본 연구로 밝혀낸 조현병 예측 마커와 조현병을 유발하는 원리 >이도헌 교수는 바이오의료 분야는 `속내를 알 수 없는 인공지능'보다는 `속내를 해석가능한 인공지능'이 꼭 필요한 분야라고 강조하면서, “기존의 인공지능과 비교했을 때 이번 연구에서는 인공신경망의 중간 노드에 유전자 이름, 세포의 상태와 같은 구체적인 생물학적 의미가 부여된 노드를 배치하고 그들간의 연결관계를 기계학습기법으로 분석했다”라고 말했다. 바이오및뇌공학과 이도헌 교수, 조유상 박사(現 한국한의학연구원 선임연구원), 미 스탠리연구소 김상현 박사, 마리 웹스터 박사가 공동으로 진행한 이번 연구는 영국 옥스퍼드대학교에서 발간하는 세계적 학술지인 `기능유전체학 브리핑(Briefings in Functional Genomics)'지 2023년 9월호에 게재됐다.

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[연구]유독물질 뺀 초고해상도 QLED 신기술 개발​

< (왼쪽부터) 신소재공학과 조힘찬 교수, 이재환 석사과정 >디스플레이 패널에 쓰이는 차세대 발광소재로 양자점(Quantum dot)이 각광을 받고 있다. 특히, 카드뮴이나 납과 같은 유독성 물질을 포함하지 않는 친환경 인듐 포스파이드(InP) 양자점이 주목을 받고 있으나 현재 기술로는 초고해상도 구현이 어려워 양자점 LED(QLED) 디스플레이 및 안경형 증강현실/가상현실 기기 적용에 있어 한계를 지닌다. 우리 대학 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 친환경 InP 양자점의 우수한 광학적 특성을 유지하며 초고해상도 패턴을 제작하는 신기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 현재, 국제 유해물질 제한지침 (RoHS, Restriction of Hazardous Substances) 규정을 만족하지 못하는 제품은 많은 나라에서 판매가 금지되므로, 최근 많은 디스플레이 기업은 환경친화적인 특성을 갖춘 InP 양자점을 디스플레이에서의 빛 방출 소재로 채택하여 TV 등 중대형 디스플레이에 적용하기 시작하였다. 그러나 InP 양자점은 외부 환경에 매우 민감한 성질을 가지고 있어 픽셀을 만드는 패터닝 공정 적용시 소재의 광학적 특성이 크게 저하되는 단점이 있어 우수한 광학적 및 전기적 특성이 동시에 요구되는 QLED 디스플레이나, 기존 TV 대비 수십배의 초고해상도를 필요로 하는 안경형 증강현실/가상현실 기기 적용에 어려움이 있었다.< 그림 1. 제시된 공정을 통해 제작된 다양한 패턴. 친환경 나노 발광소재의 표면 물성을 변화시켜 모양에 상관없는 균일한 패턴을 제작할 수 있음. 해당 기술은 웨이퍼 규모의 대규모 패터닝부터 RGB 패터닝, 그리고 발광다이오드 등 다양한 분야에 적용 가능함 >조 교수 연구팀은 자외선을 받으면 산을 발생시키는 광산 발생기(photoacid generator)의 원리를 활용하여 초미세 양자점 패턴을 제작하였다. 양자점이 자외선을 받은 경우, 생성된 산에 의해 양자점 표면이 변화하면서 자외선을 받지 않은 부분 대비 용해도 차이가 생겨 패턴 형성이 가능해지는 원리이다. 연구팀은 패터닝시 손상된 InP 양자점의 발광 효율을 획기적으로 높일 수 있는 양자점 표면 치료법을 개발하였다. 양자점에는 양자점을 둘러싸고 있는 표면 리간드(ligand)들이 있는데, 이 리간드들에 의해 양자점의 발광 효율이 큰 영향을 받는다. 연구팀은 친환경 InP 양자점의 표면 리간드를 개질할 수 있는 맞춤형 후처리 공정을 개발하였고, 이를 통해 최종적으로 높은 발광 효율을 가지는 1 마이크로미터(μm)급 초미세 양자점 패턴을 구현할 수 있었다. 이는 기존의 디스플레이 (TV, 스마트폰, 모니터 등)에서 일반적으로 요구되는 픽셀 너비와 비교했을 때 수십 배 작은 패턴으로 증강현실/가상현실 기기 적용 가능성을 크게 높였다고 할 수 있다. 또한 연구팀은 정밀한 분석을 통해 개발된 광산 발생기 기반의 패터닝 기술의 반응 원리를 규명했고, 개발된 기술이 양자점 LED나 대면적 공정에 쉽게 적용될 수 있음을 증명하였다.< 그림 2. 광산발생기 기반 직접 광학 패터닝의 원리 및 공정 개요도. 연구팀은 광산을 활용한 리간드 치환 공정을 통해 친환경 InP 양자점의 패터닝을 진행하였다 >조힘찬 교수는 “이번에 개발한 친환경 InP 양자점 패터닝 기술은 높은 발광 효율과 초고해상도 패턴 제작을 동시에 가능하게 하여 차세대 양자점 LED 기반 디스플레이, 증강현실 기기, 이미지 센서 등 다양한 산업에 실제로 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다”라고 언급했다. KAIST 신소재공학과 이재환 석사과정 학생이 제1 저자로, 미국 시카고 대학교의 Dmitri V. Talapin 교수가 공동교신저자로, KAIST 생명화학공학과 이도창 교수 연구팀이 공동저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 에너지 레터스 (ACS Energy Letters)' 에 출판됐다. (논문명 : Direct Optical Lithography of Colloidal InP-Based Quantum Dots with Ligand Pair Treatment)< 그림 3. 광산발생기 기반 직접 광학 패터닝시 발생하는 발광효율 저하 원인과 표면 치료법의 개요도. 연구팀은 발광효율 저하의 주 원인인 밴드갭 내부의 트랩을 표면 치료법을 통해 제거하는 기술을 개발함 >한편 이번 연구는 한국연구재단 및 삼성전자, 중소벤처기업부 그리고 KAIST의 지원을 받아 수행됐다.

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[연구]반도체 기술로 75배 향상된 초고효율 수소 생산 성공

< (왼쪽부터) 신소재공학과 정연식 교수, 이규락 박사과정, KIST 김진영 박사, KIST 김동훈 박사 >반도체 공정기술을 활용하여 세계 최고 수준의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지하는 기술이 개발되어 화제다. 우리 대학 신소재공학과 정연식 교수·KIST(원장 윤석진) 김진영 박사·김동훈 박사 공동 연구팀이 수소 생산 촉매가 반응 중 잃어버리는 전자를 신개념 산화물 반도체로부터 보충받는 새로운 원리를 활용해 고효율 및 고내구성 수소 생산 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 고순도 그린 수소를 생산하기 위해 신재생에너지로 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용하게 된다. 이때 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매의 경우 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율과 고내구성을 동시에 달성할 수 있게 된다. 하지만 일반적으로 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응의 특성 때문에 효율과 수명이 현저히 저하되는 고질적인 문제가 있었다.< 그림 1. “전자 저장소”를 함유한 3차원 네트워크 구조의 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매: “전자 저장소”의 역할을 하는 산소 이온을 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물(ATO) 표면에 고농도로 분포하도록 정밀 제어하고 그 위에 이리듐(Ir) 촉매를 형성하여 위 모식도와 같은 헤테로 구조를 이루는 형태이다. 이리듐(Ir) 촉매가 반응 도중 잃어버리는 전자를 산화물 반도체로부터 지속적으로 보충받는 새로운 원리를 구현하였다. >KAIST-KIST 공동 연구팀은 초미세 패턴을 적층하여 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 활용하였다. 이때 사용한 물질은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물이며, 이 산화물 표면에는 ‘전자 저장소’역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용하였다. 이 독특한 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 이리듐(Ir) 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해 줌으로써 촉매의 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지해 주게 된다. 연구팀은 이를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 이리듐(Ir) 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성함과 동시에 높은 전류 밀도에서 장시간 구동하는 우수한 내구성 또한 확보했다.< 그림 2. “전자 저장소”를 함유한 산화물 반도체를 지지체로 사용한 수소생산 촉매 성능: 제작한 수소생산 촉매를 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치에 적용한 결과, 기존 상용 촉매 대비 최대 75배의 성능 향상을 달성하였고, 높은 전류 밀도에서 250시간 이상 안정하게 구동하였다. >우리 대학 정연식 교수는 “일반적으로 반도체 기술과 수소 생산은 크게 다른 분야로 여겨지지만, 기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 정밀 반도체 공정 기술로 구현함으로써 높은 효율을 달성할 수 있었고, 이는 기술 분야 간 융합의 중요성을 잘 보여주는 연구 사례”라고 덧붙였다. KIST 김진영 박사는“기존 귀금속 촉매량의 1/10 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 언급했다. 신소재공학과 이규락 학생, KIST 김준 박사, 홍두선 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 9월 5일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Efficient and sustainable water electrolysis achieved by excess electron reservoir enabling charge replenishment to catalysts) 이번 연구는 산업자원통상부 에너지혁신인재양성사업, 과학기술정보통신부 미래수소원천기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 나노소재기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

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[연구]인간의 뇌를 모방한 3차원 집적 뉴로모픽 반도체 개발​

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 최양규 교수, 명현 교수, 신소재공학과 이건재 교수 >< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 한준규 박사, 이정우 박사과정, 김예은 박사과정, 신소재공학과 김영빈 박사과정 >우리 대학 전기및전자공학부 최양규 교수, 명현 교수, 그리고 신소재공학과 이건재 교수 공동연구팀이 ‘인간의 뇌를 모방한 3차원 집적 뉴로모픽 반도체’를 개발하는 데에 성공했다. ‘인간의 뇌를 모방해 동일평면 상에 수평 집적한 뉴로모픽 반도체’를 개발(2021년 Science Advances 게재)하는 데에 성공했던 연구팀은, 뉴런 소자와 시냅스 소자를 상하부에 3차원 방식으로 수직 집적해, 보다 높은 집적도와 전력 효율을 가지는 뉴로모픽 반도체를 구현할 수 있음을 처음으로 보였다. 전기및전자공학부 졸업생 한준규 박사, 전기및전자공학부 이정우 박사과정과 김예은 박사과정, 그리고 신소재공학과 김영빈 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘Advanced Science’ 2023년 9월 온라인판에 출판됐다. (논문명 : 3D Neuromorphic Hardware with Single Thin-Film Transistor Synapses Over Single Thin-Body Transistor Neurons by Monolithic Vertical Integration). ‘Advanced Science’는 재료과학, 물리학, 화학, 생명과학, 엔지니어링 분야의 기초 및 응용 연구를 다루는 학제 간 오픈 액세스 저널이다. (impact factor : 17.521)< 개발된 3차원 집적 뉴로모픽 반도체 >뉴로모픽(neuromorphic) 하드웨어는, 인간의 뇌가 매우 복잡한 기능을 수행하지만 소비하는 에너지는 20와트(W) 밖에 되지 않는다는 것에 착안해, 인간의 뇌를 모방해 인공지능 기능을 하드웨어로 구현하는 방식이다. 뉴로모픽 하드웨어는 기존의 폰 노이만(von Neumann) 방식과 다르게 인공지능 기능을 초저전력으로 수행할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 뉴로모픽 하드웨어를 구현하기 위해서는 생물학적 뇌와 동일하게 일정 신호가 통합되었을 때 스파이크를 발생하는 뉴런과 두 뉴런 사이의 연결성을 기억하는 시냅스가 필요하다.< 3차원 집적 뉴로모픽 반도체를 이용한 수화 패턴 인식 >연구팀은 단일 박막 트랜지스터(thin-film transistor) 기반 시냅스 소자를 단일 트랜지스터 기반 뉴런 소자 위에 3차원 방식으로 수직 집적해, 높은 집적도와 전력 효율을 가지는 3차원 집적 뉴로모픽 반도체를 개발했다. 아래층 뉴런 소자의 손상 없이 위층 시냅스 소자를 제작하기 위해, 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing) 기법을 활용했다. 또한, 아래층 뉴런 소자의 손상 없이 위층 시냅스 소자의 내구성을 향상시키기 위해, 소자 내부의 줄열(Joule heat)을 이용한 자체 어닐링 기법도 제안했다. 이러한 뛰어난 내구성을 바탕으로, 이벤트 카메라(event camera)를 기반으로 제작된 손동작 기반의 수화 (手話) 패턴을 높은 성공률로 인식할 수 있음을 보였다.

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[연구]10배 이상 생체신호 정밀 측정 ‘SUPPORT’ 개발​

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 윤영규 교수, 엄민호 박사과정, 한승재 박사과정 >최근 유전공학 기술의 발전으로 형광현미경을 활용해 살아있는 생체조직 내 신호를 형광신호로 변환하여 연속적으로 촬영하고 측정하는 기술들이 개발되어 활용되고 있다. 그러나, 생체조직에서 방출되는 형광신호가 미약하기 때문에 빠르게 변화하는 신경세포의 전기신호 등의 신호를 측정할 경우, 매우 낮은 신호대잡음비를 가지게 되어 정밀한 측정이 어려워지게 된다.우리 대학 전기및전자공학부 윤영규 교수 연구팀이 기존 기술 대비 10배 이상 정밀하게 생체 형광 신호 측정을 가능하게 하는 인공지능(AI) 영상 분석 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 윤 교수 연구팀은 별도의 학습 데이터 없이, 낮은 신호대잡음비를 가지는 형광현미경 영상으로부터 데이터의 통계적 분포를 스스로 학습해 영상의 신호대잡음비를 10배 이상 높여 생체신호를 정밀 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 이를 활용하면 각종 생체 신호의 측정 정밀도가 크게 향상될 수 있어 생명과학 연구 전반과 뇌 질환 치료제 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 윤 교수는 “이 기술이 다양한 뇌과학, 생명과학 연구에 도움이 되길 바라는 마음을 담아 ‘서포트(SUPPORT, Statistically Unbiased Prediction utilizing sPatiOtempoRal information in imaging daTa)라는 이름을 붙였다”며, “다양한 형광 이미징 장비를 활용하는 연구자들이 별도의 학습 데이터 없이도 쉽게 활용가능한 기술로, 새로운 생명현상 규명에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.< 그림 1. 서포트 기술의 개념도 > 공동 제1 저자인 엄민호 연구원은 "서포트(SUPPORT) 기술을 통해 관측이 어려웠던 생체 신호의 빠른 변화를 정밀하게 측정하는 것에 성공하였고, 특히 밀리초 단위로 변하는 신경세포의 활동전위를 광학적으로 정밀하게 측정할 수 있어 뇌과학 연구에 매우 유용할 것이다”라고 하였으며, 공동 제1 저자인 한승재 연구원은 “서포트 기술은 형광현미경 영상 내 생체 신호의 정밀 측정을 위해 개발됐지만, 일반적인 타임랩스 영상의 품질을 높이기 위해서도 폭넓게 활용가능하다”라고 말했다.< 그림 2. SUPPORT를 활용한 초정밀 신경세포 전압 측정 >이 기술은 전기및전자공학부 윤영규 교수팀의 주도하에 신소재공학과 장재범 교수, 의과학대학원 김필한 교수, 충남대학교, 서울대학교, 하버드대학(Harvard University), 보스턴대학(Boston University), 앨런 연구소(Allen Institute), 웨스트레이크대학(Westlake University) 연구진들과 다국적, 다학제간 협력을 통해서 개발됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 `네이처 메소드(Nature Methods)'에 9월 19일 자로 온라인 게재되었으며 10월호 표지 논문으로 선정됐다. (논문명 : Statistically unbiased prediction enables accurate denoising of voltage imaging data)< 그림 3. SUPPORT를 활용한 생쥐의 생체 귀 조직 형광 이미지 개선 >< 그림 4. SUPPORT를 활용한 생쥐의 생체 근조직 형광 이미지 개선 >

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[연구]고용량 배터리 수명 증대 영상화하다​

< (왼쪽부터) 신소재공학과 홍승범 교수, 박건 박사 >전기자동차에서 볼 수 있는 고용량 배터리에 사용되고 있는 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200 mAh/g)을 갖고 있으나, 충전 및 방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창/수축률이 배터리 수명에 악영향을 미치고 있다. 이를 해결하기 위해서 단일벽 탄소나노튜브를 소량 첨가해 수명 특성이 향상되는 결과를 얻었는데, 이런 향상이 어떻게 가능한지 나노스케일에서 영상화한 연구 결과가 공개됐다. 우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션과 협업해 배터리의 수명 특성 향상 메커니즘 영상화 결과를 국제학술지‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, Impact Factor: 22)’에 게재했다고 19일 밝혔다. (논문명: Spatially Uniform Lithiation Enabled by Single-Walled Carbon Nanotubes) 연구팀은 이전에는 실리콘 활물질이 충·방전을 거치면서 전자 전도 네트워크가 열화되는 과정을 영상화하였는데, 이번 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브의 존재로 인해서 그 형태를 유지하고 있는 전자전도 네트워크가 활물질 내에 균일한 충·방전이 가능하도록 기능하고 있음을 보여 수명 증대 메커니즘을 검증했다.< 그림 1. (a) SiO 활물질의 표면전위를 측정하고 있는 켈빈 프루브 현미경(KPFM) 탐침의 도식화된 그림. (b−d) 초기 상태의 SiO/흑연 복합 음극의 형상 및 표면전위 영상 >구체적으로 연구팀은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy) 기반의 켈빈 프루브 현미경(Kelvin Probe Force Microscopy)를 이용해 1회 및 90회 충·방전 싸이클 후의 전극 내 천연흑연과 실리콘 산화물 입자에서의 표면 전위를 측정 및 영상화했다. 이를 통해 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SW-CNT)가 첨가된 전극에서는 활물질 내 표면 전위가 균일하게 분포하고 있는 반면, 첨가되지 않은 기존 전극의 경우에는 90회 충·방전 후에 불균일한 표면전위를 보여, 전자 전도 네트워크가 제대로 기능을 발휘하지 않아 불균일한 충·방전이 됨을 연구팀은 확인했다. 이처럼 활물질 내부의 표면 전하를 영상화할 수 있는 기술은 실리콘 활물질 뿐만 아니라, 다양한 전극 시스템에 적용될 수 있으며, 향후 배터리 충전 및 방전 상태 균일성을 확인하고 수명 향상 연구로 발전할 수 있다.< 그림 2. 단일벽 탄소나노튜브가 첨가된 전극(SWCNT)과 첨가되지 않은 기준 전극(Reference) 간의 형상(a, c, e, g)과 표면전위(b, d, f, h) 영상 비교. 90회 충방전 싸이클 후, (a, b, c, d) 방전 및 (e, f, g, h) 충전 상태를 보여줌 >이번 연구의 제1 저자인 신소재공학과 박건 연구원은 “충·방전 시 수반되는 실리콘 계열 활물질의 급격한 부피 변화에도 불구하고 가느다란 탄소나노튜브가 전자 전도 채널을 유지하고 이로 인해 전극 내에 균일한 충·방전을 가능케하는 것이 매우 신기한 일이었는데, 이를 나노스케일에서 직접 영상화해 그 역할을 미시세계에서 이해할 수 있었던 것이 큰 의미가 있다”라고 말했다. 교신 저자인 홍승범 교수는 “원자간력 현미경을 활용해서 나노스케일에서 일어나는 전기화학적인 현상을 영상화하고 이를 통해서 배터리 성능 및 수명을 향상할 수 있는 혁신적인 아이디어를 창출할 수 있게 되어 매우 기쁘다”라고 말했다. 이번 연구는 LG에너지솔루션, LG에너지솔루션-KAIST Frontier Research Lab.과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행됐다.

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[연구]‘부의 불평등’ 문제를 해결하기 위한 새로운 경제모델 제안

< (왼쪽부터) 과학기술정책대학원 김형석 교수, 미국 컬럼비아대학 존 도널드슨 석좌교수 >우리 대학 과학기술정책대학원 김형석 교수와 미국 컬럼비아대학 경영대학 존 도널드슨(John B. Donaldson) 가벨리 석좌 교수가 공동교신저자 자격으로 참여한 논문 ‘이해관계자 균형의 거시경제학(The Macroeconomics of Stakeholder Equilibria)’에서 부의 불평등(wealth inequality) 문제를 해결하기 위한 혁신적인 경제모델을 제안하였다. 고용노동자의 고용계약의 전반적 ‘질’(직장내 갑질 및 따돌림 방지 등과 같은 전반적 직장환경개선 포함)을 개선하되, 기업의 투자의사결정은 전적으로 소수의 주주(shareholder)에게 위임하는, 노동자와 기업간 상호호혜적인 순수한 사적 금융계약 형태의 새로운 노동계약이론을 제시한다. 특히 최근 기업, 산업계 전반에서 논의되고 있는 ‘ESG(환경, 사회, 기업소유 및 경영구조 건전화)경영’에 관한 이론적 기초를 제시한 최초의 (거시)경제학 논문이다. 실제 연구논문은 동적계획법(dynamic programming)을 활용한 동태확률 일반균형(dynamic stochastic general equilibrium, DSGE) 방법론을 기반으로 진행되었다. 먼저 저자들은 지난 수십 년 동안 미국에서 주주가치(shareholder value) 극대화 중심의 경제가 부상한 것이 미국의 불평등 증가 현상과 결부되어 있다는 ‘관찰’에 주목한다. 즉 자본의 집중화가 급격히 진행된 경제에서 기업이 주주가치만을 우선시 할 때, 근로자의 장기적인 복지는 등한시될 수밖에 없다. 전통적인 기업이익극대화의 ‘자유’가 ‘환경오염’으로 인해 타자의 ‘행복권’을 침해하는 환경오염의 ‘외부효과(externality)’를 발생시킬 수 있는 것과 마찬가지로, 자본집중화상태에서의 주주이익극대화의 ‘자유’는 부지불식간에 근로자의 행복권을 침해할 수 있는 새로운 형태의 ‘외부효과(externality)’가 발생할 수 있다는 것이 저자들의 핵심논거이다. 따라서 이러한 ‘외부효과’로 인한 침해에 대해 법치주의에 입각한 ‘재산권(property right)’ 형태의 ‘보상’이 근로자의 노동계약에 반영되어야 한다. 저자들은 외부효과(externality)를 당사자간 협상을 통해 ‘재산권’ 부여방식으로 해결하는 ‘코즈정리(Coase theorem)’의 해법을 바탕으로 ‘외부효과의 (불)완전 내재화 측도’라는 새로운 개념을 도입하였다. 저자들의 연구에 따르면, 근로자와 경영진간 보다 이해관계자(stakeholder) 중심적인 노동계약을 선호하는 풍토를 조성하는 것만으로도, 부의 재분배를 위한 정부의 개입과 같은 급진적인 조치 없이도 주주가치 극대화로 인한 (투자)결정의 근로자에 관한 부작용, 즉 ‘외부효과(externality)’를 60%까지 제거할 수 있다고 주장한다. 실제 저자들은 ‘사고실험(thought experiment)’을 통해 1970년에서 2015년까지 미국경제에서 이러한 사적 노동계약의 개선만으로 주주의 독단적 (투자)결정으로 인한 음의 외부효과를 60% 제거하는 것이 가능했다고 주장한다. 그러나, 자본소유의 ‘중앙 집중화(Marxian centralization)’가 심화되면서 부의 불평등이 고착화됨에 따라, 이해관계자(stakeholder) 중심적인 노동계약 개선에 따른 주주의 독단적 (투자)결정의 부작용 제거효과는 50%로 하락할 수 있음을 논증하였다.“이 논문의 취지는 보다 포용적인 사회로 가는 한 가지 길을 제안”하는 것이라고 저자들은 주장한다. 저자들의 연구는 1950년대와 1960년대에 미국 기업들이 근로자와의 노사관계에서 보다 온정주의(溫精主義)적인 접근 방식(corporate paternalism)을 취했다는 경험적 증거에서 출발한다.연구진은 미국사회 인구의 10%에 불과한 자본소유자가 미국 대부분의 금융자산을 소유하는 실증적 결과를 바탕으로, 이해관계자(stakeholder)의 이익을 고려하는 사회를 지향하기 위한 보다 "균등주의적(egalitarian) 임금 협상 관행"이 필요하다고 제안한다. 임금 협상에서는 실직, 근로 조건의 차이, 직장내 위계질서가 야기하는 위험 등과 같이 근로자가 주주에 비해 직면하는 다양한 위험 수준의 차이에 영향을 미치는 전반적인 모든 요인을 고려해야 한다고 연구진은 주장한다.연구진의 핵심적인 기여는 일단 이러한 “균등주의적” 협상을 통한 임금계약이 완료되면 기업이 이 계약을 자산증권화 또는 자산유동화하여 불안정할 수 있는 일련의 급여 흐름을 "확정금리부 금융자산(fixed-income security) 같은 임금자산"으로 전환할 수 있다는 발상이다. 이러한 자산유동화 과정을 통해 근로자는 지속적인 수입을 보다 안정적으로 확보하여 경기순환의 위험을 다각화 또는 헷지(hedge)할 수 있다. 이 자산은 금융시장에서 거래가 가능하며, 근로자는 미래의 수입원을 담보로 대출을 받아 주택 구입 자금을 마련하거나 긴급단기대출을 통해 경기 침체기를 극복하는 데 활용될 수 있다.연구결과는 이 모델에서 제시하는 이해관계자(stakeholder) 중심의 노사관계 채택 등과 같은 사회, 경제적 개입이 없다면 불평등은 더욱 더 심화될 것이라는 것을 시사한다. “임금 자산의 가치와 노동 생산성간 괴리현상이 심화되고 근로자들의 극단적인 ‘예비적(precautionary) 저축현상’이 동반되는 장기침체에 진입한 경제의 상황에 직면하게 된다”고 저자들은 예측한다. "후자의 현상은 놀랍게도 미국의 부의 불평등이 역사적으로 높았고 경제의 실질 이자율이 명백히 마이너스였던 2008~2015 년 금융 위기의 주요 특징과 유사하다"라고 연구자들은 주목한다. 실제 저자들의 모델 시뮬레이션 결과는 이를 뒷받침한다.연구진의 모델은 자본집중화 문제를 해결함에 있어서, 반독점법보다 ‘코즈정리(Coase theorem)’의 재산권 부여방식을 통한 법치주의에 입각한 새로운 노사관계 정립이 보다 효과적임을 시사한다. 또한 동시에 자본소득세의 대폭적인 삭감이 뒷받침 될 때, 자본집중화로 인한 경제성장의 기여를 모든 이해관계자가 혜택 받을 수 있는 ‘수정주의적’ 경제성장의 낙수효과(trickle-down effect)가 가능함을 주장한다. 따라서 프랑스의 저명경제학자 피케티(Piketty)가 주장하는 대규모 자본세 부여를 통한 급직적 재분배정책과는 궤를 달리한다. 몇 가지 작은 조치만으로도 보다 포용적인 사회를 구축할 수 있을지 모른다. 기업과 근로자 간의 보다 공평한 계약은 모두에게 더 공정하고 생산적이며, 경제 전반에 걸쳐 파급효과를 가져올 수 있다. 기업이 기존의 주급개념의 임금계약대신, 자산증권화가 가능한 이해관계자 중심적 장기노동계약을 보다 적극적으로 채택하려고 노력한다면, 기존 주주 또한 소유권을 포기할 필요 없이 근로자, 회사 주주 모두 이익과 위험을 공유할 수 있다. 또한 대규모 증세를 통한 정부의 급진적 재분배정책 없이, ‘코즈정리(Coase theorem)’의 정신에 따라, 법치주의에 근간한 민간의 자발적 협상 및 타협의 노력으로 부의 불평등 문제 해결이 가능하다. 해당논문 및 논문에 관한 보도자료는 미국 컬럼비아 대학 경영대학원 보도자료실에도 게시되었다(아래 링크 참조).https://business.columbia.edu/press-releases/cbs-press-release/new-study-proposes-unique-model-address-wealth-inequalityhttps://business.columbia.edu/research-brief/research-brief/my-work-my-bond-financial-asset-approach-wage-contracts-could-lessen https://business.columbia.edu/sites/default/files-efs/imce-uploads/Research/briefs/RiB-my-work-is-my-bond-1.pdf 미국 최상위 대학인 컬럼비아 대학은 연구수월성과 대학원 및 박사과정의 연구수준을 파악하는데 지표가 되는 유에스월드리포트 세계 연구대학 순위에서 꾸준히 6-7위를 기록하고 있으며, 역대 노벨상 수상자 102명을 배출하였다. 

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