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2016년, KAIST를 빛낸 연구 성과(3)
[428호] 2016년 11월 22일 (화) 심혜린, 곽대현, 임성민, 김승후 기자 shrin11@kaist.ac.kr

[항공우주공학과]
항공우주공학과 이지윤 교수 연구팀이 전리층 변화에 선제 대응해 GPS 사용자의 안전을 보장하는 기술을 개발했다. 이번 연구는 각각 지구물리학 분야와 위성항법 분야의 국제학술대회인 지구물리학협회(AUG) 학회와 항법협회(ION) 학회에서 발표되었다.
전리층(ionosphere)이란 상공 약 50km에서 약 1000km 고도에 존재하는 대기층으로, 전자 또는 양이온이 많이 존재한다. 전리층은 전파를 반사하거나 굴절시킬 수 있으므로 전자 밀도의 변화 등 전리층의 환경 변화는 GPS(Global Positioning System) 신호를 교란시킬 수 있어 GPS 사용자의 안전에 큰 위협을 초래한다.
항공항법 및 무인시스템 응용 시 사용자 안전을 보장하기 위해서는 신뢰할 수 있는 시스템이 구축되어야 한다. 따라서 최악의 전리층 상황을 가정한 뒤 시스템에 발생할 수 있는 위협을 모니터링하는 기술이 개발되었다. 하지만 기존 연구는 안전성이 보장되는 대신 시스템의 가용성이 크게 떨어졌다.
연구팀은 우주기상 예측 정보를 이용해 실시간으로 전리층의 위협을 예상함으로써 시스템 성능을 크게 향상시켰다. 우주기상이란 태양 활동으로 변화하는 전리층, 지구 자기권의 전자 밀도, 플라스마 밀도 변화 등 우주 공간의 물리현상을 말한다. 연구팀이 개발한 시스템은 1m 이내의 정확도로 실시간 정보를 제공해 항공기의 정밀하고 안전한 항행을 할 수 있다.
연구팀은 ▲우주기상과 전리층 위협 관계규명 ▲우주기상 예측 불확실성 모델링 ▲우주기상 예측 오차 한계 설정 ▲실시간 전리층 위협 모델 구축 등 네 단계를 통해 우주기상 예측 신뢰성을 확보하고, 기존 기술보다 효율적으로 전리층 위협을 예측했다.
연구팀이 제시한 전리층 대응 방법론은 GPS 기반 항법 시스템의 안전성을 보장하는 동시에 가용성을 극대화한다는 점에서 의의가 있다. 특히 전리층 현상이 극심한 지자기 저위도 지역에서의 GPS 시스템 이용에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

[생명화학공학과]
생명화학공학과 김희탁 교수, 박정기 교수 공동 연구팀이 리튬 금속에 보호막을 씌워 수명을 증가시킨 리튬공기전지를 개발했다. 이번 연구 결과는 지난 2월 3일 <어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)> 표지 논문으로 선정되었다.
리튬공기전지는 전기화학적 반응을 통해 리튬과 산소로부터 Li2O2를 형성하고 분해함으로써 에너지를 변환하는 차세대 이차전지다. 리튬공기전지는 기존 리튬전지보다 에너지 밀도가 10배 높아 전기자동차에서 리튬이차전지를 대체할 가장 유망한 전지시스템으로 주목받고 있다. 그러나 이는 전지 충전 시 높은 과전압이 필요해 전지 효율이 낮고 수명이 짧다. 방전 과정에서 생성되었다가 충전 시 분해되는 Li2O2의 전기 전도도가 낮아 분해하기 어렵기 때문이다.
일반적으로 전지의 과전압을 막을 때는 Li2O2의 분해를 돕는 산화 환원 매개체(redox mediator)를 사용한다. 산화 환원 매개체는 전해질에 녹은 상태로 자유롭게 움직이다 탄소로 이루어진 전극 표면에서 산화된 후, Li2O2 표면에서 환원된다. 이 과정에서 Li2O2가 전자를 잃으며 분해되는 것이다. 하지만 전해질에 용해된 산화 환원 매개체는 리튬 금속 음극과도 반응할 수 있다. 이 경우 리튬 금속 표면이 산화될 뿐만 아니라 산화 환원 매개체가 소모돼 매개 역할이 약화되어 전지의 수명이 줄어든다.
연구팀은 리튬 금속 표면에 무기물과 고분자를 섞어 만든 유무기 복합보호층을 형성해 이 문제를 해결했다. 보호층은 리튬 금속과 산화 환원 매개체의 반응뿐만 아니라 리튬전지의 단점으로 꼽히는 리튬 퇴적물 형성도 막는다. 높은 강도를 가진 무기물인 Al2O3가 음극을 기계적으로 눌러 리튬 퇴적물의 침상구조 형성을 억제하며, 고분자는 Al2O3를 고정하고 리튬 이온이 전도될 수 있게 돕는다.
연구팀이 제작한 리튬공기전지는 수명 특성이 기존 리튬공기전지의 3배로, 기존 전지가 60회 충•방전할 수 있었던 데 반해, 180번까지 충•방전이 가능해졌다. 이번에 개발된 기술은 리튬공기전지의 수명 개선과 실용화에 핵심적으로 작용할 것으로 기대된다.

[바이오및뇌공학과]
바이오및뇌공학과 최정균 교수 연구팀이 기계학습을 이용해 정크 DNA의 암 유발 돌연변이를 찾아내는 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난달 10일 <네이처 제네틱스(Nature Gene-tics)>에 게재되었다.
정크 DNA(junk DNA)는 단백질을 부호화하지 않고 있는 DNA로, 인간 유전체의 90% 이상을 차지한다. 정크 DNA가 유전자 발현 조절에서 중요하다는 것이 알려지면서, 유전자 발현 조절 문제로 암을 유발하는 정크 DNA 돌연변이가 많을 것으로 예측된다. 하지만 정크 DNA를 분석해 중요 발암인자를 찾기는 어려웠다.
특정 돌연변이가 암 발병과 연관되었는지를 알아보려면 그것이 여러 암 환자에서 반복적으로 나타나는 돌연변이인지 확인해야 한다. 하지만 전사나 단백질 번역이 일어나지 않는 정크 DNA 분석에는 시간과 비용이 많이 드는 전유전체 염기서열 분석(whole ge-nome sequencing)이 필요해, 많은 환자를 대상으로 연구하기 어려웠다.
연구팀은 기계학습 및 DNA의 3차원 구조 분석 기술을 이용해 정크 DNA에 존재하는 중요 발암인자를 예측하는 방법을 개발했다. 기존에 알려진 정크 DNA 상의 암 유발 돌연변이가 가진 특성을 학습시켜, 그와 유사한 돌연변이를 찾아내게 한 것이다. 이 방법을 이용해 연구팀은 돌연변이와 암의 연관성에서 돌연변이의 물리적인 위치보다 3차원 구조상에서의 위치가 더 중요하다는 것을 밝혔다. 정크 DNA에서 각기 멀리 떨어져 있는 여러 부분은 3차원 구조를 형성해 특정 유전자와 상호작용한다. 연구팀은 정크 DNA에서 암 유발 돌연변이 하나가 알려져 있을 때, 그와 위치는 달라도 같은 유전자의 발현을 조절하는 부분에 돌연변이가 생기면 암 발생의 원인이 될 수 있다는 것을 밝혔다.
이번에 개발된 기술은 많은 환자의 DNA를 해독하지 않아도 발암인자로 작용하는 돌연변이를 예측할 수 있다는 점에서 큰 의의를 가진다. 기존에 알려지지 않았던 암의 원인을 찾을 수 있게 함으로써, 암에 대한 정밀의료가 많은 환자에게 적용되는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.

[EEWS대학원]
EEWS대학원 오지훈 교수 연구팀이 광전기화학적 이산화 탄소 변환을 위한 나노 다공성 금 박막 촉매와 새로운 광전극 구조 개발에 성공했다. 이번 연구는 <어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)> 지난달 25일 자 온라인판에 게재됐다.
광전기화학적 이산화 탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화 탄소를 연료와 화학물질의 기본 요소로 변환시키는 기술이다. 일반적으로 이산화 탄소를 일산화 탄소로 환원시키는 촉매로는 금을 사용한다.
하지만 기존 금 박막은 과전압이 높다는 단점이 있다. 과전압이 높으면 환원을 위해 가해야 하는 전압이 높아 효율이 떨어진다. 또한, 금이 수용액 속에서 전기화학적 반응을 일으키면 물 환원 반응과 이산화 탄소 환원 반응이 동시에 일어나므로 이산화 탄소 환원의 효율을 선택적으로 높일 필요가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 표면에 산화 피막을 처리한 금 박막을 환원시켜 나노 다공성 금 박막을 제작했다. 이렇게 제작된 박막의 이산화 탄소 환원 효율은 480mV의 과전압 조건에서 약 100%에 달했다. 또한, 기존의 박막은 두께가 0.1mm 정도였지만 연구팀이 제작한 박막은 200nm다. 이에 금 사용량이 5만 배 정도 감소해, 박막 제작 비용을 크게 줄일 수 있다.
또한, 연구팀은 이 나노 다공성 금 박막이 잘 작용할 수 있는 새로운 광전극 구조를 개발했다. 기존에는 촉매 입자가 기판에 직접 붙어있는 구조라, 촉매를 활성화하는 전기화학적 처리에 기판도 영향을 받았다. 연구팀은 금 박막을 기판과 떨어져 있는 그물 구조로 제작해서 광전극에 영향을 미치지 않고 박막 표면에만 전기화학적 처리를 할 수 있게 했다.
이번 연구는 다양한 반도체 및 촉매 재료에 적용이 가능한 일반적 플랫폼의 역할을 할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 연구팀은 앞으로 태양광과 이산화 탄소만으로 에너지를 만들어내고, 그것을 저장, 활용할 수 있는 연구를 진행할 예정이다.
 

 

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