광메카트로닉스공학과 김승철 교수 연구팀이 유연한 고분자 소재를 활용해 작은 손톱만 한 칩 크기의 장치로 뛰어난 분해능의 주파수 빗(Frequency comb)을 구현하는 새로운 분광 기술(Spectroscopy)을 개발했다.

주파수 빗은 서로 일정한 간격을 둔 다양한 색의 빛을 생성하는 기술이다. 생성된 빛의 주파수들이 빗살처럼 일정한 간격으로 배열돼 ‘주파수 빗’이라는 이름이 붙었다. 주파수 빗은 마치 빛으로 만든 정밀한 눈금자처럼 작동하며 물질의 성분이나 구조를 정밀하게 분석할 수 있다. 이를 활용한 분광 기술은 빛의 주파수 정보를 바탕으로 분자나 원자의 특성을 파악하는 분석 방법으로 다양한 과학·산업 분야에 쓰이고 있다.

연구팀은 유연한 실리콘 고분자인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 기반으로 한 칩 스케일 음향-광 위상 변조(acousto-optic phase modulation) 기술을 통해 0.5 MHz 간격의 고분해능 인터리브 주파수 빗(interleaved frequency comb)을 구현하고, 이를 플라즈모닉 나노소자와 결합해 차세대 고정밀 직접 주파수 빗 분광(direct frequency comb spectroscopy) 플랫폼의 가능성을 입증했다.

고분해능 분광은 원자 및 분자의 양자역학적 상태를 파악하는 핵심 기술로, 정밀 계측, 화학 반응 분석, 양자광학 등 다양한 분야에 활용된다. 기존 회절격자 기반의 분광기는 크기와 복잡성, 그리고 수 MHz 이하의 분해능 구현에 한계가 있어, 최근에는 주파수 빗 기반의 직접 분광 기술이 대안으로 주목받고 있으나, 주파수 빗의 모드 간 간격이 수십 MHz~GHz로 분해능 향상이 제한적이었다.

연구팀은 이러한 기술적 제약을 해결하기 위해 기존 고체 기반(SiO₂, TeO₂ 등) 위상 변조기를 대신해 연성 소재인 PDMS를 음향-광 위상 변조 매질로 처음 도입했다. PDMS는 낮은 탄성계수와 높은 탄성-광 계수(elasto-optic coefficient), 넓은 광 투과 범위(가시광~중적외선)를 갖추고 있어 고효율 위상 변조에 최적화된 소재다.

연구팀은 0.2~2.0 MHz의 변조 주파수 범위에서 기존 대비 4배 이상 향상된 위상 변조 지수를 확보하고, Fabry-Pérot 간섭계를 활용해 0.5 MHz 간격의 인터리브 주파수 빗의 성능을 증명했다. 이는 기존 주파수 빗 분광법 대비 약 200배 이상의 분해능 향상을 이룬 것이다.

【플라즈모닉 나노소자가 결합된 칩 스케일 PDMS 음향-광 위상 변조기와 고분해능 직접 주파수 빗 분광 과정】 

위상 변조 지수가 향상되었다는 것은, 빛의 위상 변화 폭이 커져 보다 넓은 대역에 걸쳐 많은 수의 인터리브 주파수 모드를 생성할 수 있음을 의미한다. 그 결과, 위상 변조 기반으로 생성되는 인터리브 주파수 모드들이 더 많고 균일하게 형성될 수 있게 되었다. 기존에는 모드 간격이 수십~수백 MHz로 커서 좁은 주파수 차이를 구분하지 못했지만, 이번 연구처럼 그 간격을 0.5 MHz 수준까지 줄이면, 아주 미세한 분광 스펙트럼 차이까지 구분 가능해지고 결과적으로 더 높은 분해능을 달성하게 된다. 분해능이 높아지면, 아주 미세한 차이도 구분할 수 있어 더 정밀한 분석·측정·감지가 가능해지고, 소형화된 고성능 장비로 발전할 수 있다.

또한, 압축 변형 상태(~8%)에서도 성능이 유지되는 PDMS의 기계적 유연성을 활용해 변형 환경에서도 안정적인 위상 변조 성능을 확인했다. 해당 플랫폼은 플라즈모닉 나노소자와의 결합을 통해 실시간 정밀 스펙트럼 분석, 플라즈모닉 분광, 고정밀 캐비티 감지 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 보였다.

【플라즈모닉 나노소자와 결합된 PDMS를 이용한 다중음향-광 위상 변조 기반 sub-MHz 인터리브 주파수 빗 생성 및 패브리-페럿 공진기 길이 변화 모니터링 메커니즘】 

PDMS 기반 음향-광 위상 변조 기술은 칩 스케일로 소형화가 가능하고, 단순한 주조 공정을 통해 저비용으로 제작할 수 있어 차세대 유연 광학 소자 및 휴대형 분광기 기술로의 확장이 기대된다. 

이번 성과는 기존 고정형·고가 광학 시스템을 대체할 수 있는 새로운 패러다임을 제시함과 동시에, 향후 양자 분광, 실시간 고정밀 센서, 의료용 광진단 기기, 정밀 통신소자 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 소형 다기능 분광 모듈 기술의 핵심 기반이 될 것으로 기대된다.

김승철 교수는 “PDMS라는 저비용·유연·고투과성 소재로 기존 고체 기반 위상 변조기보다 훨씬 우수한 성능을 구현할 수 있었다”며 “이번 연구는 주파수 빗 기반의 고분해능 분광 기술에 연성 소재를 처음 적용한 사례로, 기존보다 훨씬 작은 칩 스케일에서 sub-MHz 수준의 정밀한 스펙트럼 분석이 가능하다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

이번 연구는 광메카트로닉스공학과 김승철 교수가 교신저자, 인지메카트로닉스공학과 김산 박사과정생이 제1저자로 수행해, 국제 학술지 『PhotoniX』 4월 14일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Interleaved frequency comb by chip-scale acousto-optic phase modulation at polydimethylsiloxane for higher-resolution direct plasmonic comb spectroscopy (PDMS 기반 칩 수준의 음향-광 위상 변조를 이용한 인터리브 주파수 빗 생성 및 고분해능 직접 플라즈모닉 빗 분광법)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1186/s43074-025-00170-x

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김승철 교수, 김산 박사과정생.

[Abstract]

High-resolution spectroscopy unveils the fundamental physics of quantum states, molecular dynamics, and energy transfers. Ideally, a higher spectral resolution over a broader bandwidth is the prerequisite, but traditional spectroscopic techniques can only partially fulfill this requirement even with a bulky system. Here we report that a multi-frequency acousto-optic phase modulation at a chip-scale of soft polydimethylsiloxane can readily support a 200-times higher 0.5-MHz spectral resolution for the frequency-comb-based spectroscopy, while co-located plasmonic nanostructures mediate the strong light-matter interaction. These results suggest the potential of polydimethylsiloxane acousto-optic phase modulation for cost-effective, compact, multifunctional chip-scale tools in diverse applications such as quantum spectroscopy, high-finesse cavity analysis, and surface plasmonic spectroscopy.

- Authors (Pusan National University): San Kim (Department of Cogno-Mechatronic Engineering), Seungchul Kim (Department of Optics & Mechatronics Engineering) 

- Title of original paper: Interleaved frequency comb by chip-scale acousto-optic phase modulation at polydimethylsiloxane for higher-resolution direct plasmonic comb spectroscopy

- Journal: PhotoniX

- Web link: https://doi.org/10.1186/s43074-025-00170-x 

- Contact e-mail: s.kim@pusan.ac.kr

응용화학공학부 정용철 교수 연구팀이 차세대 탄소포집 기술 개발의 핵심이 될 수 있는 새로운 금속-유기골격체(MOF) 데이터베이스인 ‘CoRE MOF DB* 2024’를 공개했다. 

* CoRE MOF(Computation-Ready, Experimental Metal-Organic 𝖥ramework) DB: 실험적으로 합성된 금속-유기골격체(MOF) 구조 데이터베이스. 

이 데이터베이스는 기계학습 기반의 자동화된 결정 수집, 정제, 분류 워크플로우 개발을 통해 4만 개의 MOF 물질 중 고성능 탄소포집 후보를 빠르게 선별할 수 있어, 기존보다 훨씬 효율적인 소재 탐색을 가능하게 한다. 뿐만 아니라 연구팀은 이를 활용한 탄소포집 흡착순환 공정을 시뮬레이션해 기존 고성능 소재를 능가하는 차세대 MOF 소재 12종을 새롭게 발굴해 소개했다.

기후변화 대응의 핵심기술 중 하나로 꼽히는 ‘탄소포집’은 이산화탄소를 다른 기체들로부터 효율적으로 포집 및 정제하는 기술이다. ‘MOF’는 다공성 구조를 가진 소재로, 이산화탄소 같은 기체를 잘 흡착하는 성질이 있어 탄소포집 기술의 유망한 후보로 주목받고 있다. 하지만 기존의 CoRE MOF 데이터베이스는 수많은 MOF 구조를 포함하고 있음에도 불구하고, 구조 정보만 단순히 제공돼 실제 공정이나 경제성 분석에 바로 활용하기 어려운 한계가 있었다. 

이를 개선하기 위해 연구팀은 수집된 소재들을 분자모델링과 탄소포집 공정 시뮬레이션을 연계해 다양한 성과를 도출했다. 

【CoRE MOF 데이터베이스(DB) 구축 및 CO₂ 포집 소재 스크리닝 워크플로】 

연구팀은 MOF 데이터의 신뢰도를 높이기 위해 결정 구조 자동 수집, 정제, 분류 워크 플로우를 구축하고, 이를 통해 연례적으로 데이터베이스를 최신 상태로 유지할 수 있는 기반을 마련했다. 소재의 열적 안정성, 열용량 등 MOF의 성능을 평가하는 데 중요한 6가지 핵심 물성을 기계학습 모델을 활용해 예측했고 부여함으로써 실험 없이도 빠르게 후보 물질을 흡착순환공정 모델링을 통해 평가할 수 있도록 했다.

한편, 많은 계산 자원이 소모되는 밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT) 연산으로 부분 전하(DDEC06)를 계산하는 대신, 고정밀 기계학습 모델로 대체해 수많은 MOF에 신속하게 적용할 수 있도록 했으며, 대표적인 탄소포집 공정인 온도순환흡착 공정(TSA, Temperature Swing Adsorption) 시뮬레이션을 통해 현재 상용화된 고효율 MOF 소재인 CALF-20보다 다양한 이산화탄소 조성에서 포집 효율이 뛰어난 MOF 12종을 새롭게 발굴했다.

전체 프로젝트를 이끌어 온 정용철 교수는 “AI 및 데이터 기반 신소재 연구가 도래함에 따라 소재 구조 데이터베이스 구축이 점점 중요해지고 있다. 또한, 소재 자체의 성능을 넘어 소재가 쓰이는 공정이나 디바이스 수준에서의 성능을 연계하여 예측하는 멀티스케일 모델링 방법론이 중요해지고 있다. 이번 연구는 새로 구축한 MOF 데이터베이스를 활용하여 소재 스크리닝과 공정 시뮬레이션을 하나로 연결해, 복잡하고 시간이 많이 걸리던 신소재 탐색 과정을 단축시키는 방법을 보여주었다”며 ”소재 자체의 성능뿐 아니라 실제 산업 공정에서의 적용 가능성까지 함께 평가하여, 이러한 소재-공정 연계 평가 기법들은 앞으로 탄소중립 핵심기술 및 신소재의 산업 도입 속도를 높이는 데 기여할 것”이라고 내다봤다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구 및 미래수소원천기술사업, 과학기술혁신인재양성사업(데이터사이언스)의 지원을 받아, 부산대 응용화학공학부 및 데이터사이언스대학원 정용철 교수가 교신저자, 자오 구오빈(Guobin Zhao) 박사과정생이 윤성현 박사과정생과 김해원 석사과정생의 도움을 받아 제1저자로 수행했다. 부산대를 비롯해 Northwestern, University of Minnesota - Twin Cities, Oak Ridge National Laboratory, University of California - Berkeley, Georgia Tech, MIT (미국), University of Toronto (캐나다), CNRS (프랑스), IMDEA Materials Institute (스페인) 등 국내외 11개 기관이 연구에 참여했으며, 국제 학술지 『Matter』 6월 4일자에 논문이 소개됐다.

- 논문 제목: CoRE MOF DB: a curated experimental metal-organic 𝖿ramework database with machine-learned properties for integrated material-process screening(CoRE MOF DB: 소재‑공정 연계 스크리닝을 위한 정제된 금속‑유기 골격체 데이터베이스)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102140 

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 윤성현 박사수료생, 김해원 석사과정생, 정용철 교수, 자오 구오빈 박사과정생.

[Abstract]

We introduce CoRE MOF DB 2024, an openly accessible database of ∼14 k computation‑ready metal‑organic 𝖿ramework structures enriched with machine‑learned properties (stability metrics, heat capacities, DDEC06 charges, etc.). An upgraded MOFid 2.0 encodes metal nodes, organic linkers, and network topologies. Coupling the database with high‑fidelity temperature‑swing adsorption simulations enabled integrated material‑process screening for diverse CO₂‑capture scenarios, identifying a dozen MOFs predicted to outperform industrial benchmark CALF‑20. The automated curation pipeline allows continuous updates and can accelerate data‑driven discovery across adsorption‑based separations.

- Authors (Pusan National University): Guobin Zhao, Haewon Kim, Sunghyun Yoon, Yongchul G. Chung (School of Chemical Engineering, Graduate School of Data Science)

- Title of original paper: CoRE MOF DB: a curated experimental metal‑organic 𝖿ramework database with machine‑learned properties for integrated material‑process screening

- Journal: Matter

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102140 

- Contact e-mail: drygchung@gmail.com

광메카트로닉스공학과 이건희 교수 연구팀은 액체금속의 전자소자 활용에 있어 최대 난제였던 불안정성 문제를 고분자 복합화를 통해 해결하고, 이를 기반으로 전자섬유와 유연회로를 동시에 제조하는 프린팅 기술이 개발됐다. 

이건희 교수팀은 서울대·카이스트 및 미국 카네기멜론대학교 연구팀과의 공동 연구를 통해, 이 같은 연구성과를 담은 3편의 논문을 국제 학술지 『Nature Communications』5월호에 2편, 『Science Advances』 5월호에 1편 각각 발표하며 액체금속 기반 차세대 전자소자 구현 가능성을 대폭 앞당겼다.

‘액체금속’은 고전도성과 유연성을 동시에 지닌 차세대 전자소자 소재로 주목받고 있다. 그러나 물리적 유출, 산화로 인한 성능 저하, 기계적 불안정성과 같은 치명적인 단점 때문에 실제 제품화에 어려움이 많았다.

이번 연구들의 핵심은 이러한 액체금속의 단점을 고분자 기반 복합체로 안정화한 뒤, 이를 프린팅 공정으로 제조에 활용한 데 있다. 특히 『Nature Communications』에 게재된 2편의 논문은 이 기술을 기반으로 (1) 신축성과 인성을 동시에 갖춘 전도성 섬유와 (2) 다층 유연 회로를 한 번의 프린팅으로 제작하는 방법을 각각 제시했다.

【이건희 교수】

[논문1] 미터급 전자섬유, 실제 의류까지 구현 성공

- https://www.nature.com/articles/s41467-025-59703-4

5월 9일 발표된 첫 번째 논문인 ‘Meter-scale heterostructure printing for high-toughness fiber(지능형 디지털 의류용 고인성 섬유 전극을 위한 미터 규모 이종 구조 프린팅)’에서는 고분자 섬유 내부에 액체금속 입자를 이종구조로 프린팅하고, 이후 소결 및 꼬기 공정을 통해 높은 전기적 안정성과 기계적 인성을 갖춘 전자섬유를 구현했다.

기존 전자섬유 기술은 실험실 수준에서 소규모로 구현됐으며, 장기간 사용 시 피로 파괴, 액체금속 누출, 낮은 신호 안정도 등 다양한 문제가 있었다. 그러나 이번 연구는 실제 의복에 적용 가능한 미터급 길이의 섬유를 안정적으로 제작하며, 낮은 게이지 팩터를 통해 신호의 정밀도까지 확보한 것이 특징이다.

[논문2] 절연과 전도층이 ‘동시에’ 프린팅되는 회로 기술

- https://www.nature.com/articles/s41467-025-60118-4

두 번째 논문은 ‘Self-packaged stretchable printed circuits with ligand-bound liquid metal particles in elastomer(리간드 부착 액체금속을 이용한 자가 조립형 신축형 전자소자 제작)’에 관한 내용으로, 자가포장형 유연회로 인쇄 기술을 제시했다. 연구팀은 리간드(ligand)로 안정화한 액체금속 입자 잉크(LB-LMP)를 고분자 탄성체에 분산시킨 후, 이를 단일 프린팅 공정으로 인쇄함으로써, 전도층과 절연층이 동시에 형성되도록 했다.

기존 신축성 회로 제작은 전극 인쇄, 절연층 형성, 수직 연결 구조(VIA) 제작 등 복잡한 공정이 필수였으나, 이 기술은 이러한 모든 단계를 단 한 번의 프린팅으로 구현할 수 있어, 다층 구조 회로의 제작 비용과 공정을 획기적으로 줄일 수 있다.

[논문3] 원하는 형태로 자유자재로 바뀌는 전자소자 개발

- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4921 

5월 30일자 『Science Advances』에는 ‘Phase-change metal ink with pH-controlled chemical sintering for versatile and scalable fabrication of variable stiffness electronics(가변강성 전자 장치의 다목적 확장 가능한 제작을 위한 pH 제어 화학 소결을 사용한 상변화 금속 잉크)’ 제하의 논문을 게재했다. 이번 연구에서는 액체금속이 쉽게 고체-액체상태로 변하는 점을 이용해 단순한 유연전극이 아닌, 강성(剛性)이 자유롭게 변화되는 전자소자가 가능함을 보였다. 상온에서 마이크로 스케일(머리카락보다 얇은 구조)의 미세 선폭 회로 인쇄가 가능하고 온도에 따라 딱딱함과 부드러움을 자유자재로 조절할 수 있는 액체금속 전자잉크를 개발한 것이다. 

【프린팅으로 제작된 액체금속 기반 전자섬유】

각 연구들은 서로 다른 응용 분야에서 큰 파급력을 가진다. 안정적인 유연전극 기술은 웨어러블 센서, 스마트 의류, 바이오 신호 측정 장비 등에 응용될 수 있으며, 자가포장 유연회로 기술은 신축 가능한 디스플레이, 인체 삽입형 전자기기, 소프트 로봇 회로 등에 바로 적용 가능하다.

특히 해당 기술들은 프린팅 기반 공정으로 구현됐기 때문에, 기존 반도체 공정보다 제조가 간단하고 대량 생산이 용이하다는 장점도 함께 갖췄다. 이는 산업계에서 실제 제품화까지 이어질 가능성을 높이는 중요한 요소다.

이건희 교수는 “이 3편의 연구는 액체금속을 실질적으로 사용할 수 있는 단계로 끌어올린 성과로, 최상위 저널에 잇달아 게재된 것이 연구의 중요성을 보여주는 방증”이라며 “유연 전자소자 및 웨어러블 디바이스의 패러다임을 전환할 기술적 토대가 될 것”이라고 기대했다.

* 상단 연구 이미지: 프린팅으로 제작된 액체금속 기반 전자회로.

[Abstract]

Liquid metals offer high conductivity and stretchability, but their instability limits practical applications in flexible electronics. We present two complementary approaches to overcome these challenges by integrating liquid metal particles with polymers via printing-based fabrication. First, we demonstrate meter-scale electronic fibers with high toughness and conductivity using heterostructure printing and post-processing. Second, we develop a self-packaged stretchable circuit, where a single printing step yields both conductive and insulating layers using ligand-bound liquid metal particles. These scalable, material-efficient strategies enable robust, wearable, and soft electronic systems. The findings, published in Nature Communications and Sciecne Advances (May 2025), highlight new pathways toward simplified manufacturing of stretchable devices.

- Author (Pusan National University): Gun-Hee Lee(Department of Optics and Mechatronics Engineering)

- Title of original paper • Journal, Web Link

1) Meter-scale heterostructure printing for high-toughness fiber electrodes in intelligent digital apparel

  • Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-025-59703-4 

2) Self-packaged stretchable printed circuits with ligand-bound liquid metal particles in elastomer 

  • Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-025-60118-4 

3) Phase-change metal ink with pH-controlled chemical sintering for versatile and scalable fabrication of variable stiffness electronics

  • Science Advances, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4921

- Contact e-mail: gunheel@pusan.ac.kr

물리학과 이재광(사진) 교수 연구팀이 산화물 내에서 강유전성(전기 신호에 따라 극성이 바뀌는 성질)을 원자 수준까지 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원리를 규명했다.

이번 연구에서는 물질 내 ‘포논(phonon)’이라는 미세한 격자 진동이 서로 분리돼 개별적으로 움직일 수 있는 분리(decoupling) 메커니즘을 이론과 실험을 통해 밝혀냈다. 향후 차세대 양자 트랜지스터, 초고밀도 메모리, 인공지능 소자 개발 등 다양한 활용이 기대된다.

물질 내 격자(원자들이 공간 속에서 규칙적으로 반복되는 배열)들은 정지해 있는 것이 아니라 마치 서로 스프링으로 연결된 듯 진동한다. 이 격자의 진동을 물리학에서는 ‘포논’이라 부른다. 지금까지는 이 포논들이 서로 얽혀 움직이기 때문에 개별적으로 제어하기 어렵다고 알려져 있었다.

하지만 이번 연구에서는 포논들이 서로 분리돼 원자 수준에서 독립적으로 움직일 수 있는 메커니즘을 밝혀낸 것이다. 특히 강유전체 물질 내 포논은 ‘강유전성’과 관련 있어 포논을 정밀하게 제어하면 전기적인 성질도 원하는 대로 조절할 수 있게 된다.

‘강유전성(ferroelectricity)’이란 외부 전기장에 의해 물질 내부의 전하 분포가 바뀌고, 전기장을 제거해도 그 상태가 유지되는 특성이다. ‘전기를 기억하는 성질’로 볼 수 있다. 정보를 저장하거나 지우는 메모리 소자의 핵심 원리다. 따라서 원자 수준 내 독립적 포논 제어로 원자 수준의 강유전성 제어와 이를 기반으로 새로운 형태의 초고집적 양자 소자 개발이 가능하게 되는 것이다.

이번 연구에서 연구진은 브라운밀러라이트(brownmillerite) 구조를 가진 SrFeO_2.5라는 산화물을 이용했다. ‘브라운밀러라이트’는 산화물 결정구조의 한 종류로, 특정 산소 원자가 결핍된 구조를 갖고 있다. 규칙적으로 배열된 벽돌집(결정구조)에서 일부 벽돌(산소)이 빠져 있고, 그 빈자리를 활용해 전기적·자기적 성질을 바꿀 수 있는 ‘스마트 집’ 같은 구조라고 보면 된다.

SrFeO2.5는 팔면체(Octahedral, Oh)층과 사면체(Tetrahedral, Th)층이 교대로 연결돼 있는 산화물로, SrFeO2.5의 강유전성은 상대적으로 가벼운 산소 변위에 의해 결정된다. SrFeO2.5의 격자는 Oh 산소와 Th 산소, 그들 사이의 산소, 그리고 그들이 각각 서로 다른 스프링(spring) 상수 α1, α2로 연결돼 원자 4개로 이뤄진 1차원 모델로 표현이 가능하다.

이재광 교수팀은 모델 분석과 전자구조 계산을 통해, 특정 조건(두 가지 원자 간 연결 세기의 비율이 2 이상)이 충족될 때, 격자 진동이 분리돼 독립적으로 움직인다는 사실을 밝혀냈다.

【원자 수준 강유전성 제어 phonon decoupling 메커니즘 규명】

이재광 교수는 “이번 연구는 원자 수준까지도 강유전성이 제어되는 새로운 형태의 포논 분리(phonon decoupling) 메커니즘을 밝혀낸 연구 성과로, 향후 초고집적 양자 소자 개발 연구에 핵심 이론이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 

이번 논문은 부산대 물리학과 진영록 석박사통합과정생이 제1저자, 이재광 교수가 교신저자로, 성균관대·포항공대 공동연구로 수행됐다.

- 논문 제목: Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling(포논 분리 기반 단위격자보다 작은 규모의 브라운밀러라이트 산화물 내 강유전성)’이라는 제목으로 국제 학술지 『Nature Materials』 온라인 5월 20일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02233-7 

해당 연구는 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 기초연구실(BRL) 사업과 교육부 재원의 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥세터 지원을 받았다.

[Abstract]

The ultimate scaling limit in ferroelectric switching has been attracting broad attention in the fields of materials science and nanoelectronics. Despite immense efforts to scale down ferroelectric features, however, only few materials have been shown to exhibit ferroelectricity at the unit-cell level. Here we report a controllable unit-cell-scale domain in brownmillerite oxides consisting of alternating octahedral/tetrahedral layers. By combining atomic-scale imaging and in situ transmission electron microscopy, we directly probed sub-unit-cell-segmented ferroelectricity and investigated their switching characteristics. First-principles calculations confirm that the phonon modes related to oxygen octahedra are decoupled from those of the oxygen tetrahedra in brownmillerite oxides, and such localized oxygen tetrahedral phonons stabilize the sub-unit-cell-segmented ferroelectric domain. The unit-cell-wide ferroelectricity observed in our study could provide opportunities to design high-density memory devices using

phonon decoupling.

- Authors (Pusan National University): Yeongrok Jin, Prof. Jaekwang Lee (Department of Physics)

- Title of original paper: Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling

- Journal: Nature Materials

- Web link: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02233-7 

- Contact email: jaekwangl@pusan.ac.kr

반도체에 쓰이는 탄소나노튜브로 햇빛만 쬐어도 99.8% 바이러스가 제거되고, 1만 번 이상 접었다 펴도 사용 가능한 친환경 마스크가 개발돼 의료 및 산업 분야에 혁신적인 방역 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

해당 마스크는 기존 일회용 마스크의 환경오염 문제를 해결할 뿐만 아니라 재사용이 가능하고, 호흡 센서나 습기 감지와 같은 스마트 기능까지 탑재할 수 있어 경제성과 지속가능성, 제품화 가능성을 동시에 갖춘 차세대 기술로 평가받고 있다.

나노에너지공학과 이형우 교수 연구팀이 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정*으로 이번에 제작한 탄소나노튜브(CNT) 기반의 재사용 가능한 친환경 마스크에 대한 설명이다.

* 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정: 연속적으로 회전하는 롤 표면에 소재를 코팅하거나 전사해 대면적으로 생산할 수 있는 공정 기술로, 생산성이 높고 대량 제조에 적합해 필름, 센서, 마스크 필터 등 다양한 분야에 활용된다.

코로나19 팬데믹을 계기로 마스크 착용이 일상화됐지만, 기존 일회용 마스크는 플라스틱 폐기물과 같은 환경문제와 1회 사용 이후 바이러스를 차단하는 성능이 현저하게 저하된다는 한계가 있었다. 이에 따라 재사용이 가능하며 성능을 유지할 수 있는 고효율 마스크 필터 개발이 요구돼 왔다.

연구팀이 개발한 신형 마스크는 건식 방사가 가능한 탄소나노튜브를 합성, 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 적용이 가능해 대면적 생산이 가능하고 접착제를 사용하지 않고도 탄소나노튜브와 폴리프로필렌 섬유를 결합할 수 있어 기존 제조 방식 대비 높은 산업적 활용성을 갖췄다.

【탄소나노튜브 마스크 제작 공정 모식도】

기존 일회용 마스크의 환경문제와 기능적 한계를 극복하기 위해 개발된 이 마스크는 초소수성(超疏水性)을 갖는 탄소나노튜브(접촉각* 175.53도)를 마스크에 적용해 탄소나노튜브가 갖는 우수한 특성을 그대로 사용할 수 있도록 제작됐다.

* 접촉각: 고체 표면 위에 놓인 액체 방울이 이루는 고체-액체-기체 경계면의 각도로, 표면의 젖음성을 나타내는 지표다. 일반적으로 접촉각이 클수록 소수성, 작을수록 친수성을 의미하며, 150도 이상이면 초소수성으로 분류된다.

연구팀이 개발한 마스크는 수직 배열 탄소나노튜브의 정렬 구조를 통해 뛰어난 통기성을 가져 마스크 내부의 습기 관리가 가능하다. 뿐만 아니라 탄소나노튜브가 갖는 특성에 의해 태양광 또는 전기적 가열(Joule heating*)을 통한 바이러스 비활성화 효과(99.8% 바이러스 제거)도 확인했다.

* 전기적 가열(Joule heating): 전류가 도체를 통과할 때 발생하는 저항에 의해 열이 생성되는 현상으로, ‘저항 가열’이라고도 불린다. 외부 열원이 없이도 전기만으로 물체를 가열할 수 있어, 발열 소재나 자가 소독 시스템에 널리 활용된다.

【탄소나노튜브 마스크 특성 그래프】

또한, 마스크 착용 후 호흡 시 탄소나노튜브의 저항 변화를 통해 스마트 기능(호흡 센서, 습기 감지 기능) 제공이 가능하며, 1만 회 이상의 굽힘 시험 후에도 특성이 변하지 않는 높은 내구성을 갖추고 있어 기존 마스크의 단점을 보완해 차세대 의료 및 산업용 방역 마스크로의 적용 가능성이 기대된다.

이형우 나노에너지공학과 교수는 “이번 연구를 통해 환경친화적이고 재사용이 가능한 고성능 마스크를 개발했으며, 향후 실용화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 부산대·성균관대·고려대 공동연구로, 나노에너지공학과 이형우 교수가 교신저자, 에너지융합기술연구소 우채영 박사후 연구원이 제1저자로 수행했다. 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 지원(중견연구, 글로벌 선도연구센터)과 정보통신기획평가원의 정보통신연구센터 과제 지원을 받았다.

해당 논문은 국제 학술지 『SusMat』에 3월 10일자로 게재됐다. 

- 논문 제목: Advanced Facial Mask Using Roll-to-Roll Processed Superhydrophobic Vertically Aligned Carbon Nanotubes for Enhanced Antiviral Effects and Reusability (롤투롤 공정 기반 초소수성 수직 배열 탄소나노튜브를 활용한 고성능 항바이러스 및 재사용 가능한 마스크)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/sus2.70001 

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 이형우 교수, 우채영 박사후 연구원.

[Abstract]

The COVID-19 pandemic has exposed the limitations of traditional preventative measures and underscored the essential role of face masks in controlling virus transmission. More effective and recyclable facial masks using various materials have been developed. In this work, vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) are employed as effective facial mask filters, particularly aimed at preventing SARS-CoV-2 virus infection in preparation for future COVID-19 pandemics. This study assesses six critical aspects of facial masks: hydrophobicity, industrial viability, breathability, hyperthermal antiviral effect, toxicity, and reusability. The VACNT alone exhibits superhydrophobicity with a contact angle of 175.53˚, and an average of 142.7˚ for a large area on spun-bonded polypropylene. VACNTs are processed using a roll-to-roll method, eliminating the need for adhesives. Due to the aligned tubes, VACNT filters demonstrate exceptional breathability and moisture ventilation compared to previously reported CNT and conventional filters. Hyperthermal tests of VACNT filters under sunlight confirm that up to 99.8% of the HCoV 229E virus denatures even in cold environments. The safety of using VACNTs is corroborated through histopathological evaluation and subcutaneous implantation tests, addressing concerns of respiratory and skin inflammation. VACNT masks efficiently transmit moisture and rapidly return to their initial dry state under sunlight maintaining their properties after 10,000 bending cycles. In addition, the unique capability of VACNT filters to function as respiratory sensors, signaling dampness and facilitating reuse, is assessed, alongside their Joule heating effect.

- Authors (Pusan National University): Chae Young Woo (Research Center of Energy Convergence Technology), Hyung Woo Lee (Department of Nanoenergy Engineering)

- Title of original paper: Advanced Facial Mask Using Roll-to-Roll Processed Superhydrophobic Vertically Aligned Carbon Nanotubes for Enhanced Antiviral Effects and Reusability

- Journal: SusMat

- Web link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sus2.70001

- Contact e-mail: LHW2010@pusan.ac.kr

광메카트로닉스공학과 이휘돈 교수 연구팀이 망막의 미세혈관 영상의 대비를 획기적으로 향상시킴으로써 안과 질환 조기 진단이 가능한 새로운 영상 시스템을 개발했다. 

대부분의 망막 질환은 내부 미세혈관 문제로 발생하며, 망막 질환의 초기 발견 및 대처는 시력 보전에 필수적이다. 특히 황반변성, 당뇨망막병증 같은 망막 질환은 실명을 유발하는 질환으로 노화와 관련이 있어 고령화 시대에 지속적으로 증가하는 추세다. 

망막 미세혈관의 구조적 변화를 분석하는 것이 당뇨망막병증, 녹내장 등의 조기 진단과 진행 상태 평가에 중요한 역할을 하지만, 기존 혈관조영술은 조영제를 투입하는 침습적 방식이고, 깊은 미세혈관의 구조를 고해상도·고대비로 시각화하는 데 기술적 한계가 있었다. 이에, 보다 높은 대비와 정확도를 가진 새로운 영상 기술이 필요했다.

연구팀은 위상-잠금 시간-펼침 광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography, OCT)* 기술을 활용해 망막 미세혈관을 고대비로 시각화하는 새로운 이미징 기법을 제안했다. 파장 가변 레이저의 간섭 특성을 활용한 OCT 혈관조영술 기법을 이용해, 조영제 투여 없이(Label-free) 망막의 미세혈관을 더 선명하게 볼 수 있는 기술을 개발한 것이다.

* 위상-잠금(Phase-Locked): 신호 간 위상을 일정하게 유지해 영상의 안정성과 해상도를 높이는 기술

* 시간-펼침(Time-Stretch): 초고속 광학 신호를 시간적으로 늘려 더 정밀하게 분석할 수 있도록 하는 기술

* 광간섭 단층촬영(OCT): 빛의 간섭 현상을 이용해 생체 조직 내부의 단층 영상을 획득하는 의료 영상 기술

이 시스템은 5MHz A-line rate(깊이 방향 영상 획득 속도)와 0.31nm 수준의 변위 민감도를 갖추고 있으며, 102nm의 스펙트럼 대역폭과 약 10mm의 코히런스(Coherence, 결맞음) 길이를 확보했다. 최대 2mm의 공기 중 영상 심도를 가지며, 기존 대비 높은 영상 해상도와 안정적인 위상 민감도를 제공한다. 이러한 기술은 당뇨망막병증, 녹내장, 알츠하이머와 같은 다양한 안과 및 전신 질환의 조기 진단에 활용될 수 있어 향후 객관적인 진단 지표로서의 역할이 기대된다.

이번 연구 성과는 JCR 상위 3.2%의 세계적인 의과학 학술지 『IEEE Transactions on Medical Imaging』 온라인 3월 26일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Phase-Locked Time-Stretch Optical Coherence Tomography for Contrast-Enhanced Retinal Microangiography(위상-잠금 시간-펼침 광간섭 단층촬영을 이용한 초고해상도/고대비 망막 미세혈관 이미징)

- 논문 링크: https://dx.doi.org/10.1109/TMI.2025.3555112 

【(왼쪽부터) 이휘돈 교수, 김경훈 박사】 

해당 연구는 한국연구재단과 한국보건산업진흥원의 지원을 받았으며, 광메카트로닉스공학과 및 ERC 컬러변조 인지기술선도연구센터 이휘돈 교수가 교신저자, 인지메카트로닉스공학과에서 박사 학위를 취득하고 현재 하버드 의과대학에 박사후 연구원으로 재직 중인 김경훈 박사가 제1저자로 수행했다. 

또한, 의학과 김형회 교수와 ERC 컬러변조 인지기술선도연구센터의 김창석(센터장) 교수, 박성진 박사, 엄태중 광메카트로닉스공학과 교수와 한국광기술원 신준근 박사가 연구에 참여했다.

이휘돈 교수는 “이번 연구는 기존 광간섭 단층촬영의 한계를 극복한 획기적인 접근으로, 조영제 없이도 고해상도·고대비로 망막 미세혈관을 영상화할 수 있는 기술”이라며 “우리는 이 기술을 통해, 초고속(5MHz)으로 신호를 획득하고, 위상 안정성(4.8 mrad)을 유지하며, 고해상도(7.8μm 축 방향, 7.4μm 횡 방향) 영상을 구현했다. 기존 대비 2배 향상된 스펙트럼 샘플링 능력을 기반으로 3차원 구조에서의 망막 미세혈관 네트워크를 심층까지 시각화할 수 있었다”고 설명했다.

이어 이 교수는 “해당 기술을 안과 진단에 활용 시 망막 미세혈관의 정밀한 시각화가 가능해지므로, 안과 질환의 조기 진단, 특히 깊은 망막 층에서의 병변 모니터링이 더욱 정확해질 것으로 기대된다. 안과 질환의 조기 진단뿐 아니라, 전신 질환과의 연계 연구에서도 중요한 진단 도구로 활용될 수 있어 상용화와 국내 의료기기 산업 경쟁력 강화에도 이바지할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

* 상단 연구 이미지: 왼쪽부터 인간 망막 전영역의 in-vivo Depth-encoded 혈류 분포 영상, 망막 영상의 Segmentation 이후 각 Layer 별 혈관 분포 영상.

[Abstract]

Optical coherence tomography angiography has transformed retinal vascular imaging by providing non-invasive, high-resolution visualization. However, achieving an optimal balance between field of view, resolution, and three-dimensional microvasculature contrast, particularly in deeper retinal layers, remains challenging. A phase-locked time-stretch optical coherence tomography microangiography system is developed to address these limitations with a 5-MHz A-line rate and sub-nm phase sensitivity. Utilizing a dual chirped fiber Bragg grating architecture, the swept-source laser achieves an extended coherence length of ~10 mm and a 102-nm bandwidth. A time-stretch analog-to-digital converter overcomes the limitations of conventional multi-MHz optical coherence tomography systems, ensuring a 2-mm imaging depth in the air with high spatial resolution. The proposed system enables high-contrast, depth-encoded mapping of key retinal structures, including the superficial and deep capillary plexuses and the choriocapillaris. Compared to a state-of-the-art system, the proposed approach demonstrates enhanced resolution, improved contrast, and faster imaging speeds, enhancing its potential for diagnosing and monitoring retinal and systemic diseases like age-related macular degeneration, diabetic retinopathy, and Alzheimer’s disease.

- Authors (Pusan National University)

 · Corresponding author: Hwidon Lee (Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology & Department of Cogno-Mechatronics Engineering) 

 · First author: Gyeong Hun Kim (Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology & Harvard Medical School) 

- Title of original paper: Phase-Locked Time-Stretch Optical Coherence Tomography for Contrast-Enhanced Retinal Microangiography

- Journal: IEEE Transactions on Medical Imaging

- Web link: https://dx.doi.org/10.1109/TMI.2025.3555112 

- Contact email: hwidonlee@pusan.ac.kr

물리학과 김지희 교수 연구팀이 단순한 수직형 금속/2차원 반도체/금속(MSM) 구조로 고성능 광센서를 구현, 기존 실리콘 포토다이오드*에 필적하는 수준의 감도와 속도, 안정성을 달성했다. 복잡한 계면 엔지니어링 없이 2차원 소재로 실리콘 급 성능을 실현한 이번 연구는 차세대 유연 광전자 소자의 실용화를 앞당길 핵심 플랫폼 기술로 기대된다.

* 실리콘 포토다이오드: 실리콘으로 만든 빛 센서. 빛이 실리콘에 닿으면 전자가 이동하면서 전류가 발생하고, 이 전류를 통해 빛의 세기나 변화를 감지한다. 감도, 속도, 안정성이 뛰어나 카메라, 거리 센서, 의료기기, 광통신 등 다양한 분야에 널리 사용된다. 다만, 실리콘은 유연하지 않고 두께가 있어, 복잡한 회로 집적이나 고감도 맞춤형 설계가 요구되는 경우 비용과 설계 난이도가 높아질 수 있다. 

기존 2차원 광센서 구조는 전하 수송 거리가 길고 계면 결함에 의한 전하 손실이 커 초고속 응답과 고감도 구현에 제약이 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 단순 수직형 금속/2차원 반도체/금속(MSM) 접합 구조를 도입해, 기존 수평형 센서와 달리 전류가 수직 방향으로 짧게 흐르도록 유도했다. 

또한, 비대칭 전극을 활용해 전기장을 계면에 집중시켜, 광여기*된 핫캐리어(hot carrier)**가 짧은 경로를 따라 빠르게 추출되고, 손실 없이 전류로 전환될 수 있도록 했다.

* 광여기: 빛이 물질에 닿아 전자를 들뜨게, 즉 에너지를 높게 만드는 현상.

** 핫캐리어: 빛이나 전기 에너지를 받아 매우 높은 에너지를 가진 전자 및 정공.

그 결과, 0.8 pA의 낮은 암전류, 49%에 달하는 높은 외부양자효율(EQE), 337 ps의 초고속 응답 속도를 단일 구조에서 동시에 달성하며, 실리콘 포토다이오드와 대등한 수준의 성능을 2차원 소재 기반 광센서로 구현했다. 

기존 실리콘 포토다이오드가 3차원 실리콘을 사용해 딱딱하고 두꺼운 데 반해 2차원 광센서는 원자 한두 층 정도의 두께를 가진 얇고 유연한 2차원 소재를 기반으로 한다. 따라서 이번 연구 성과는 복잡한 계면 엔지니어링 없이도 실리콘급 성능을 달성했다는 점에서, 광센서의 소형화·집적화·유연화 등 차세대 초박막 2차원 광전자 소자의 실용화를 앞당길 수 있는 핵심기술로 평가된다. 

【실리콘 포토다이오드와 비교한 2차원 수직형 광센서의 구조 및 성능】

이번 논문은 ‘Silicon photodiode-competitive 2D vertical photodetector(실리콘 포토다이오드 수준의 2차원 수직형 광센서)’라는 제목으로 국제 학술지 『npj Flexible Electronics』 2월 24일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00386-8 

해당 연구는 올해 1월 『Science Advances』에 게재된 연구팀의 선행 논문 ‘Ultrafast Hot Carrier Extraction and Diffusion at the MoS₂/Au Van der Waals Electrode Interface’에서 제시한 핫캐리어 추출 메커니즘을 실제 소자 구현으로 확장한 것이다. 선행 연구에서는 금속-반도체 계면에 강한 화학 결합 대신 반데르발스(van der Waals) 접촉을 도입해 계면 결함을 최소화하고, 핫홀(hot hole)의 초고속 추출 및 sub-나노초 수준의 캐리어 수명을 확보함으로써 핫캐리어 손실 억제가 가능함을 실험적으로 증명했다.

이번 후속 연구에서는 이러한 핫캐리어 추출 메커니즘을 바탕으로, 소자 구조 설계 단계에서부터 계면의 전기장 집중과 결함 억제를 통해 핫캐리어가 빠르게 추출되고, 손실 없이 안정적으로 신호로 변환되는 경로를 최적화했다. 이를 통해 기존 수평형 2차원 광센서에서 해결되지 않았던 속도·감도·소형화의 삼중 과제를 동시에 해결했다.

이 기술은 단순한 광센서 응용뿐만 아니라, 양자 센서, 인공 후각 센서, 웨어러블 디바이스, 이론 한계를 뛰어넘을 핫캐리어 태양전지 등 초고속 반응성과 고감도를 동시에 요구하는 차세대 기능성 전자 소자와도 높은 기술 접점을 형성한다. 

이번 연구의 교신저자인 김지희(사진) 교수는 “이번 연구는 기초 물리 특성 분석에서 시작한 핫캐리어 제어 전략이 실질적인 소자 구현으로 확장되며, 양자정보 소자나 생체모방 센서 분야 등 차세대 기술과의 연결 고리를 명확히 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다. 

[Abstract]

Emerging two-dimensional (2D) materials offer significant potential for post-silicon photodetectorsbut often fall short of matching silicon photodiode performance. Here, we report a flexible, highperformance photodetector with a simple metal-2D semiconductor-metal structure by stacking Ti/WSe2/Ag layers on a mica substrate. The device demonstrates a low dark current of 0.8 pA, highexternal quantum efficiency of 49%, a broad linear dynamic range of 86 dB, wide spectral sensitivity(350–1200 nm), and ultrafast response speed (~1 μs rise/fall time by conventional measurement and337 ps via ultrafast photocurrent method). These advances originate from efficient photocarrierextraction via an ultrashort channel and Schottky barriers facilitated by van der Waals contacts.Additionally, the device’s ultrathin (~200 nm) profile ensures exceptional bending durability, whileencapsulation protects against ambient degradation. Our strategy here will promote the developmentof the post-silicon photodetector and foster next-generation flexible optoelectronic applications.

- Author (Pusan National University): Ji-Hee Kim (Department of Physics) 

- Title of original paper: Silicon photodiode-competitive 2D vertical photodetector

- Journal: npj Flexible Electronics

- Web link: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00386-8 

- Contact email: kimjihee@pusan.ac.kr

의생명융합공학부 정준수 교수와 전기전자공학부 엄경식 교수 연구팀은 ‘미세전자열성형(μETF)’이라는 혁신적인 방법으로 미세한 3차원 구조를 갖춘 유연한 신경 인터페이스를 제작해 뇌-컴퓨터 접속장치나 인공망막 장치의 신경 기록 및 자극 성능을 향상시키는 데 성공했다.

연구팀은 플라스틱 필름을 일회용 컵, 뚜껑 등 다양한 형태로 가공하는 열성형기술에서 영감을 얻어, 신경계를 효율적으로 기록·자극하기 위한 미세 3차원 구조의 유연성 신경접속장치를 제작하기 위한 ‘미세전자열성형(μETF: Microelectrothermoforming)’ 기술을 세계 최초로 개발했다. 

뇌, 척수, 망막 등 복잡한 형태의 신경조직에 맞춤 제작된 미세전자소자로 신경자극의 효율성과 정밀도를 높임으로써 뇌-컴퓨터 접속장치, 인공망막장치 등 다양한 뇌신경공학기술의 발전에 획기적 돌파구가 될 것으로 기대된다.

신경계와 접속해 신경신호를 기록하거나 자극해 다양한 질병과 장애를 치료하기 위한 신경공학기술에서는 생체전자소자와 신경세포의 밀접한 접촉이 매우 중요하다. 기존의 신경접속장치는 일반적으로 평면 구조를 가지고 있어 다양한 형태의 신경 조직에 밀착하는 데 한계가 있었으며, 3D 구조를 제작하기 위해서는 공정이 복잡해지고 디자인 형태가 제한되는 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 플라스틱 필름을 식품용기, 포장재 등 다양한 형태로 성형하는 플라스틱 열성형(thermoforming)에서 착안해, 이를 미세한 구조의 유연전자소자에 적용해 3차원 구조를 손쉽게 만들 수 있는 미세전자열성형(μETF: Microelectrothermoforming) 기술을 구현했다.

미세전자열성형 기술은 미세 전극이 내장된 얇고 유연한 폴리머 필름을 가열한 후 3D 프린팅된 몰드에 압착하는 방식으로 이뤄진다. 이 공정을 통해 정밀한 돌출 및 함몰 구조를 형성해 전극이 목표 신경에 보다 가깝게 배치되도록 하면서도 전기적 특성을 유지할 수 있다. 기존 미세 가공 방식과 달리, μETF는 공정을 단순화하면서도 복잡한 3D 구조를 단일 MEA 내에서 구현할 수 있다.

【왼쪽부터 교신저자 정준수 교수와 엄경식 교수, 제1저자 이동현 박사와 박영훈 박사과정생】

연구팀은 망막 자극을 최적화한 3D 전극을 개발해 시각장애인을 위한 인공망막장치 적용 가능성을 탐색했다. 컴퓨터 시뮬레이션과 망막 실험 결과, 3D 전극은 기존 평면 전극 대비 자극 임계값을 1.7배 낮추고 공간 해상도를 2.2배 향상시키는 것으로 나타났다. 엄경식 교수는 “우리의 3D 구조는 전극을 목표 신경에 더욱 가깝게 배치해 자극의 효율성과 정밀도를 높인다”고 소개했다.

연구팀은 이 기술이 뇌, 척수, 달팽이관(와우), 말초신경을 포함한 다양한 신경 인터페이스에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 정준수 교수는 “이 기술은 형태의 제약 없이 다양한 미세 3D 구조의 신경접속장치를 제작할 수 있어, 신경조직 특성 맞춤형 신경접속장치 설계가 가능하다”고 강조했다. 

개발 기술의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)다. BCI는 마비 환자의 움직임을 복원하는 데 활용될 수 있으며, 3D 신경 전극 어레이를 운동 피질에 이식하면 신경 신호를 해독해 로봇 팔이나 휠체어를 제어하는 등의 물리적 동작으로 변환할 수 있다. 연구팀은 웨어러블 전자 기기, 오가노이드 연구, 랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 시스템 등 다양한 분야에서 이 기술이 적용될 가능성을 탐색하고 있다. 

해당 기술은 신경 기록 및 자극을 향상시키면서도 제조 공정을 단순화할 수 있다는 점에서 신경공학 기술과 신경 재활 치료의 획기적인 발전을 이끌 것으로 전망된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구 및 기초연구실 지원사업을 통해 의생명융합공학부 정준수 교수와 전기전자공학부 엄경식 교수가 교신저자, 기계공학부 이동현 박사와 전기전자공학부 박영훈 박사과정생이 제1저자로 수행했다.

연구 결과는 JCR 1.8% 최상위 국제 학술지인 『npj Flexible Electronics』 온라인 1월 22일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Microelectrothermoforming (μETF): one-step versatile 3D shaping of flexible microelectronics for enhanced neural interfaces(미세전자열성형 기술을 통한 고성능 3차원 신경접속장치)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41528-024-00378-0 

- DOI: 10.1038/s41528-024-00378-0 

* 상단 연구 이미지: 미세전자열성형 기술을 통해 제작된 3차원 구조의 미세 신경접속장치 및 쥐 망막 실험을 통해 자극 효율성과 정밀도의 향상을 검증.

[Abstract]

Neural interfaces are crucial in restoring and enhancing impaired neural functions, but current technologies struggle to achieve close contact with soft and curved neural tissues. Researchers at Pusan National University have introduced an innovative method—microelectrothermoforming (μETF)—to create flexible neural interfaces with microscopic three-dimensional (3D) structures. Their findings show how this method improves neural recording and stimulation, with potential applications in artificial retina devices and brain-computer interfaces.

The μETF method involves heating a thin, flexible polymer sheet embedded with microelectrodes and pressing it against a 3D-printed mold. The researchers used liquid crystal polymer (LCP) as the substrate due to its mechanical strength, biocompatibility, and long-term stability. This process forms precise protruding and recessed structures, enhancing the electrode's proximity to target neurons while preserving its electrical properties. Unlike traditional micromachining approaches, μETF simplifies fabrication and allows for a wide range of complex 3D structures, including wells, domes, walls, and triangular features, all within a single MEA.

The versatility of μETF extends beyond neural interfaces. The research team is exploring its potential in wearable electronics, organoid studies, and lab-on-a-chip systems, where precise 3D microstructures could enhance device functionality. The next step includes refining fabrication techniques for broader medical applications.

With its ability to enhance neural recording and stimulation while simplifying fabrication, μETF represents a major advancement in neuroprosthetic technology and neural rehabilitation treatments.

- Authors (Pusan National University) 

· First authors: Dong Hyeon Lee (School of Mechanical Engineering), Younghoon Park (Department of Electronics Engineering)

· Corresponding authors: Kyungsik Eom (Department of Electronics Engineering), Joonsoo Jeong (Department of Information Convergence Engineering)

- Title of original paper: Microelectrothermoforming (μETF): one-step versatile 3D shaping of flexible microelectronics for enhanced neural interfaces

- Journal: npj Flexible Electronics

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41528-024-00378-0 

- Contact e-mail: joonsoo_jeong@pusan.ac.kr, kseom@pusan.ac.kr