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

나노에너지공학과 박민준 교수 연구팀이 차세대 ESS(에너지저장장치)용 레독스* 흐름 전지 가격의 40%를 차지하는 이온교환막**을 제거한 새로운 ‘장수명 저비용 아연-망간 레독스 흐름 전지’를 개발했다.

* 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery): 환원(Reduction) + 산화(Oxidation) + 흐름(Flow) + 전지(Battery).

** 이온교환막: 레독스 흐름 전지의 작동을 위해 매개하는 이온(양성자/수소이온)을 선택적으로 투과하는 고분자 막.

최근 ESS 수요가 높아지고 있는 가운데, 대표적으로 사용되는 리튬 이온 전지에서 지속적으로 화재 사고가 발생해 이를 대체하거나 안전성을 높이려는 시도가 이어져 왔다. 

대안으로 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)가 활발히 개발되고 있으며 용량과 출력을 별개로 설계할 수 있는 특성과 장수명 및 안전성으로 ESS에 적합한 이차전지로 주목받고 있다. 

【(왼쪽부터) 이번 연구를 수행한 박민준 교수, 강준희 교수】

레독스 흐름 전지는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 충전식 배터리의 한 종류다. 대규모 에너지 저장이 필요한 분야에서 특히 유용하다. 태양광·풍력 발전과 함께 사용해 전력 공급을 안정화하거나, 전력 피크 시간에 공급을 조절해 효율적으로 운영하고, 병원·데이터 센터 등에 장시간 전력 공급이 가능하게 해준다.

기존 리튬 이온 배터리가 고체 전극에서 반응이 일어나는 과정 중 열이 쌓여 과열·발화 가능성이 있고 충·방전을 반복하면서 전극이 손상돼 합선 위험이 있는 반면, 레독스 흐름 전지는 액체 전해질을 사용해 과열되지 않으며 폭발 위험이 없고 전해액(용액) 속에서 화학 반응이 일어나기 때문에 전극이 손상되지 않는다.

하지만 레독스 흐름 전지는 높은 가격으로 상용화가 제한적이었다. 이에, 레독스 흐름 전지 가격의 40% 이상을 차지하는 이온교환막을 제거한 ‘이온교환막 없는 레독스 흐름 전지’에 대한 선행 연구가 있어 왔지만, 대용량화를 위한 펌프 순환형 스택 구조에 대한 체계적인 연구가 부족한 실정이었다.

레독스 흐름 전지는 전해액이 들어있는 배터리다. 일반 배터리는 상자처럼 고정된 형태로 안에서만 반응이 일어나지만, 레독스 흐름 전지는 액체(전해액)가 계속 흐르면서 반응하는 구조다. 이 전해액을 잘 순환시키는 방식이 중요한데, 그 핵심 기술이 ‘펌프 순환형 스택 구조’다. 

전해액은 저장하는 큰 탱크가 따로 있어 펌프가 전해액을 전지 내부로 보내 화학 반응을 일으키면서 전기를 생산한다. 반응이 끝난 전해액은 다시 탱크로 돌아가고 재사용된다. 전해액이 계속 순환하면서 균일한 반응을 유지하고, 전해액을 바꿔주면 쉽게 새것처럼 사용 가능하다. 배터리 크기를 키우지 않아도 전해액 탱크만 키우면 용량이 늘어날 수 있어 대용량화가 가능해진다.

그러나 기존 연구에서는 이온교환막 없이는 펌프 순환 시 전해액이 섞이고, 전극이 불안정해지는 문제를 해결하지 못해 상용화가 어려웠다. 

이번 연구는 기존에 발표된 이온교환막 없는 레독스 흐름 전지에서 구현되지 않았던 펌프 순환형 스택 구조를 3D 프린터로 설계한 격막으로 구현했다.  

【멤브레인(이온교환막)이 없는 아연-망간 레독스 흐름 전지용 아미노산 첨가제의 역할】

또한, 기존에 널리 사용돼 온 바나듐계 레독스 흐름 전지에서 높은 비용을 차지했던 고가의 양이온교환막 및 바나듐 전해액의 사용을 배제하고, 대신 저비용의 아연과 망간을 사용했다. 

아연과 망간은 레독스 흐름 전지의 양극과 음극에서 핵심적으로 사용된다. 아연은 전자를 주고(음극) 망간은 전자를 받으며(양극) 전기를 만든다. 기존 바나듐보다 비용이 저렴하고 안정적이라 화재 위험이 낮다.

연구팀은 양극과 음극에 동시에 작용 가능한 친환경 다기능 아미노산 첨가제를 전해액에 적용해 양극과 음극 모두의 수명과 용량을 끌어올렸다. 

이 같은 연구 결과, 동일 용량의 아연-망간 레독스 흐름 전지 중 최고 수명인 선행 연구 대비 10배의 에너지 밀도를 기록했다. 전지 성능이 10배 높아진 것이다.

【멤브레인(이온교환막)이 없는 아연-망간 레독스 흐름 전지】

박민준 교수는 “이번 연구는 화재 위험이 없는 안전한 ESS의 보급을 위한 큰 도약이 될 것”이라며 “친환경 수계(水系) 레독스 흐름 전지 상용화에 한발 가까워질 것으로 기대한다”고 말했다.

이온교환막 없는 아연-망간 레독스 흐름 전지를 3D 프린터를 활용한 설계로 구현해 초저비용 스택을 설계하고, 친환경 아미노산 첨가제(Aspartic acid)를 사용해 전지의 수명과 용량을 대폭 향상시킨 이번 연구는 에너지 분야 상위 2.9%, IF(Impact Factor, 피인용지수) 24.4인 국제 학술지 『Advanced Energy Materials』 3월 3일자 표지논문(상단 이미지)으로 게재됐다. 

- 논문 제목: Revisiting Membrane-Free Zn-Mn Redox Flow Batteries: An Innovative Universal Aspartic Acid Additive for Superior Stability(이온교환막 없는 아연-망간 산화환원 흐름 전지 재검토: 뛰어난 안정성을 위한 혁신적인 범용 아미노산 첨가제)

- 논문 링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500621?af=R 

이번 연구는 2024년도 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수신진연구 사업의 지원을 받아, 부산대 나노에너지공학과 박민준 교수팀과 강준희 교수팀, 국립부경대 오필건 교수 연구팀이 공동으로 진행했다.

[Abstract]

An all-aqueous membrane-free Zn–Mn redox flow battery utilizing deposition chemistry could be an excellent alternative to conventional aqueous redox flow batteries for reducing costs and improving stability. In the neutral/mildly acidic electrolyte environment of aqueous Zn–Mn redox flow batteries, the anode still suffers from issues such as zinc dendrite growth and corrosion, while the cathode struggles with poor reversibility. The same issues arise in membrane-free Zn–Mn redox flow batteries that use a combined electrolyte, where both anolyte and catholyte are combined. Therefore, it is possible to simultaneously address the issues of both the anode and cathode by using a single additive in the combined electrolyte. Here, we introduce aspartic acid as a universal additive for all-aqueous membrane-free Zn–Mn redox flow battery. In the combined electrolyte, aspartic acid bonded to the Zn anode surface, Zn2+ ions, and Mn2+ ions, resolving almost all the side reactions. Impressively, membrane-free Zn–Mn redox flow battery with aspartic acid demonstrated remarkable cycling stability of 300 cycles at an areal capacity of 10 mAh cm–2. We propose a new efficient strategy for controlling overall side reactions by the simple addition of a single additive in the integrated electrolyte with this report.

- Authors (Pusan National University): Hyeokjun Jang (Department of Nano Fusion Technology), Minjoon Park (Department of Nanoenergy Engineering)

- Title of original paper: Revisiting Membrane-Free Zn-Mn Redox Flow Batteries: An Innovative Universal Aspartic Acid Additive for Superior Stability

- Journal: Advanced Energy Materials

- Web link: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202500621?af=R 

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

지구 온난화 및 기후 위기의 영향이 전 세계적으로 미치고 있는 가운데, 우리나라에서 여름철·겨울철 극한 온도에 따라 응급실을 찾는 비율이 취약계층인 의료급여*수급권자 청년-중년층(19~64세)이 비수급권자에 비해 30% 이상 많다는 연구 결과가 발표돼, 대응책 마련이 요구되고 있다.

* 의료급여: 생활유지 능력이 없거나 생활이 어려운 저소득 국민의 의료문제를 국가가 보장하는 공공부조제도로, 건강보험과 함께 국민 의료보장의 중요한 수단이 되는 사회보장제도.

의생명융합공학부 이환희 교수 연구팀이 전 세계적으로 진행되고 있는 지구 온난화와 기후 위기와 관련해, 여름철과 겨울철의 극한 고온 및 극한 저온 노출에 따른 건강 위험이 취약계층일 가능성이 높은 의료급여수급권자에서 비수급권자에 비해 청년 중년층(19~64세)의 경우 약 30% 이상 높다는 연구결과를 발표했다.

극한 온도에 따른 우리나라 의료급여수급권자의 응급실 방문 자료를 분석해 건강 위험과 비용의 이중 격차를 평가한 이번 논문은 역학 분야의 저명한 국제 학술지인 『International Journal of Epidemiology』 온라인 3월 27일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Double disparities of the excess risks and costs of extreme temperatures on hospitalization between medical aid and non-medical aid populations in South Korea (한국 의료급여수급권자의 비의료수급권자 대비 극한 온도로 인한 응급실 방문 초과 위험 및 비용의 이중 격차)

- 논문 링크: https://academic.oup.com/ije/article/54/2/dyaf027/8098158 

【이환희 교수】 

최근 심각해지고 있는 지구 온난화와 기후 위기에 전 세계적인 대응이 촉구되고 있다. 여름철 무더위 및 겨울철 강추위는 조기 사망 및 건강 악화로 인한 응급실 방문 위험을 높이는 것으로 알려져 왔다.

특히, 경제적 취약계층은 비취약계층에 비해 극한 온도에 따른 영향에 더욱 취약한 것으로 알려져 있는데, 이러한 차이가 연령-성별-장애여부-응급실 방문 원인에 따라 더욱 심화될 수 있다는 이중격차에 대한 연구는 세계적으로도 매우 드물었다. 

연구팀은 이러한 제한점에 주목해 한국건강보험자료를 이용, 2010년부터 2019년까지 10년간의 의료급여수급권자 전수를 대상으로 고온 및 저온 노출에 따른 응급실을 경유한 입원 위험을 분석했다.

경제적 취약계층의 경우, 극한의 온도에 대비할 수 있는 냉난방시설 접근성이 낮고 온도 노출이 많은 실외근로의 가능성이 높으며, 경제적 제한으로 인해 의료시설 접근성이 일반적으로 비취약계층에 비해 낮은 경향을 보여 왔다. 하지만 기존의 연구들은 대부분 경제적 취약계층 여부에만 관점을 두고 취약계층과 비취약계층의 정량적 차이에만 주목했을 뿐, 그 차이가 어떤 요인에서 더 두드러지는지 정보를 줄 수 있는 ‘이중 취약성(double disparities)’에 대한 연구는 국내외적으로 부족한 실정이었다. 연구팀은 이번 연구의 필요성이 여기에 있다고 설명한다.

분석 결과, 비수급권자 대비 의료급여수급권자의 고온으로 인한 응급실 경유 입원 위험도는 18세 이하 연령군에서 50% 이상, 19~64세 연령군에서 30% 이상 높은 것으로 확인됐다.

의료급여수급권자의 저온으로 인한 응급실 경유 입원 위험도는 18세 이하 연령군에서 약 10%, 19~64세 연령군에서 약 30% 정도 높았다. 

또한, 장애가 있거나 정신질환으로 인한 입원 위험도에서 수급권자와 비수급권자의 격차는 저온에서는 30% 이상, 고온에서는 20% 이상 높은 것으로 나타났다.

고온 및 저온으로 인한 응급실 경유 입원 초과의료비용의 경우에도 의료수급권자와 비의료수급권자의 초과비용 격차는 64세 이상 연령군에서 더 두드러졌다. 특히, 저온일 때 65~84세 연령군에서 수급자의 초과비용이 2배가량 많았다.

한편, 이번 연구는 노년층일수록 극한 온도에 취약할 것이라는 기존의 인식과는 달리, 청년-중년층(19~64세) 인구에서 더 많이 발생할 수 있는 실외 및 직업활동, 음주, 경제활동 취약요인(더 좋지 않은 작업 환경, 더 빈번한 야외근로 및 직장 내 격차로 인한 스트레스 등)이 고온 및 저온의 위험도 격차를 더욱 두드러지게 만들 수 있는 요인일 가능성을 제시했다.  

이번 연구는 부산대 의생명융합공학부 이환희 교수 연구팀과 서울대 보건대학원 김호 교수 연구팀이 국민건강보험 청구 자료를 활용해 공동 연구로 진행했으며, 이환희 교수가 교신저자, 서울대 보건대학원 김아영 박사과정생이 제1저자로 수행했다. 해당 연구는 한국연구재단 글로벌 기초연구실 및 한국환경산업기술원의 지원을 받았다.

이번 연구의 분석 결과는 향후 국가 단위의 기후 위기 대응 수립 시 경제적 취약 집단을 더욱 정밀히 고려할 필요가 있음을 의미한다. 국내외적으로 더욱 포괄적이고 정의로운 기후 위기 대응 정책 수립을 위한 중요한 과학적 근거가 될 것으로 기대된다. 

이환희 의생명융합공학부 교수는 “기후변화의 건강영향은 인구에 불균형적으로 작용하며, 이러한 불균형을 해소하는 맞춤형 대응 정책이 필요하다”며 “이번 연구 결과를 바탕으로 데이터 기반 경제적 취약계층 및 격차 완화를 위한 기후변화 대응 정책이 활발히 논의됐으면 하는 바람”이라고 말했다.

* 상단 연구 이미지: 의료급여수급권자와 비수급권자별 온도에 따른 응급실 경유 입원의 위험도(오즈비*)

- 점선: (왼쪽부터) 1%, 10% (저온), 90%, 99% (고온) 온도 분위

* 오즈비(Odds ratio): 두 오즈(Odds)의 비율. 오즈(Odds, 승산)는 어떤 집단 내에서 특정한 사건이 발생할 확률(P)을 그 사건이 발생하지 않을 확률(1-P)로 나눈 값이다.

[Abstract]

This study examined (1) the differences heat- and cold-related risks on hospitalization between people eligible and non-eligible for the medical aid system in the national health insurance service system and (2) differences of the heat- and cold-related risk and cost differences by specific subgroups in South Korea. We collected population-based longitudinal cohort data from the National Health Insurance Service-National Health Insurance Database (NHIS-NHID) from 2010 to 2019. The data included all individuals who were eligible for the Korean Medical Aid (MA) system during the study period, and we used their data on hospitalization through the emergency department. As a control group, we collected age-sex-residential address matched individuals who were not eligible for the MA system. Results: During the study period, 509480 hospital admissions to the emergency department (ED) were recorded among 1466176 beneficiaries eligible for MA. Among MA beneficiaries, the estimated risk for ED admission attributable to heat was 1.19 (95% CI: 1.14-1.24) and the risk attributable to cold temperature was 1.52 (95% CI: 1.43-1.61), which were both higher than those of the control groups incorporating matched beneficiaries who were not eligible for MA. For both heat and cold, the difference between MA and non-MA was prominent in non-elderly populations, males, people with disabilities, and admissions with mental and cardiovascular diseases. This study revealed the hypothesis that the differences in heat and cold-related risks in the socially marginalized population existed and suggested the disparities might be also disproportionate by socioeconomic and demographic statuses. 

- Author (Pusan National University): Whanhee Lee (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Double disparities of the excess risks and costs of extreme temperatures on hospitalization between Medical Aid and non-Medical Aid populations in South Korea

- Journal: International Journal of Epidemiology

- Web link: https://academic.oup.com/ije/article/54/2/dyaf027/8098158 

- Contact email: whanhee.lee@pusan.ac.kr

※ 핵 그림자(Nuclear Shadow): 핵 능력을 보유한 국가가 핵무기 사용 가능성을 내보이며 상대국의 대응을 제한하거나 위축시키는 전략적 개념. 

정치외교학과 로버트 E. 켈리(Robert E. Kelly) 교수는 경희대 연구팀과의 최신 논문을 통해 “도널드 트럼프 대통령은 미국의 동맹국을 위해 싸우지 않을 것이다. 이제는 한국이 독자적인 핵 억제력을 갖춰야 할 때”라며 “한국은 핵무기를 만들어야 한다”고 진단했다. 

북한의 핵 위협 속에서 한국의 핵무장이 불가피할 수 있으며, 미국도 결국 이를 수용할 가능성이 높다는 것이다. 연구진은 한국의 핵 보유는 한미 동맹을 파기할 정도로 위협적이지 않으며, 핵 비확산* 우려도 과장됐다고 평가했다.

* 핵 비확산(Nuclear Non-Proliferation): 핵무기의 확산을 방지하고, 기존 핵무기의 감축 및 폐기를 추진하며, 평화적인 원자력 이용을 촉진하는 국제적 노력. 관련 설명 링크- 외교부 https://bel.mofa.go.kr/www/brd/m_3988/view.do?seq=304175

로버트 켈리 교수와 경희대 정치외교학과 김민형 교수가 한국 핵무장에 대한 핵심 주장과 미국의 반론에 대한 반박을 종합해 발표한 이번 영문 논문은 공신력 있는 주요 영문 매체인 SSCI 국제 학술지 『Foreign Affairs』 1/2월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Why South Korea should go Nuclear(한국이 핵무장을 해야 하는 이유)

- 논문 링크: https://www.foreignaffairs.com/north-korea/why-south-korea-should-go-nuclear-kelly-kim

두 연구자는 “북한은 미국이 전쟁에 참전할 경우, 전쟁에서 미국을 상대로 핵무기를 사용할 것이다. 따라서 한미 동맹은 더 이상 미국의 한국전 참전을 보장해 줄 수 없다”며 “북한의 핵무기는 미국 엘리트들의 의사결정을 불가피하게 변화시킬 것이며 도널드 트럼프 대통령은 이 상황을 더욱 악화시키고 있다. 이제는 한국이 미국의 핵우산*에만 의존하는 것이 너무 위험한 때”라고 언급했다.

* 핵우산(Nuclear Umbrella): 핵무기를 보유한 국가가 동맹국에게 핵 공격으로부터 보호를 제공하는 전략.

이번 연구에서는 미국이 한국의 핵무장을 반대하지만, 결국 이를 받아들일 가능성이 높고, 받아들여야 한다는 주장을 실었다.

【논문에 사용된 일러스트 이미지(Lily Qian)】

연구에 따르면, 북한의 핵 ICBM(대륙 간 탄도 미사일)은 미국의 확장된 억제력의 신뢰성을 영구적으로 감소시킨다. 따라서 한국은 미국의 포기에 대한 우려에 대응하기 위해 더욱 구체적인 안보 보장을 요구할 것이며, 도널드 트럼프 대통령의 등장으로 더욱 악화되고 있다.

미국은 북한의 핵 공격 위험을 고려할 때 한국의 핵무장을 무조건 막기 어렵고, 기존에도 전략적 이유로 동맹국들의 핵무장을 용인해 왔다.

한국의 핵무장은 북한의 지속적인 위협에 따른 현실적인 대응이며, 핵 비확산 우려도 과장됐다. 또한, 한국이 핵을 보유하더라도 그 규모는 제한적일 것이며, 한미 동맹이 파기될 가능성은 낮다고 봤다.

이 논문은 한국의 자주적 핵무장 논쟁에서 미국의 반응에 초점을 맞춘다. 미국은 한국의 핵무장에 반대하지만, 북한의 핵 위협과 미국의 확장 억제력 약화, 그리고 미국 내 고립주의* 부상으로 인해 결국 이를 마지못해 수용할 가능성이 높다는 것이다. 역사적으로 미국은 동맹국들의 핵무장을 원치 않았지만, 전략적 관계 유지를 위해 영국·프랑스·이스라엘·인도·파키스탄 등 용인한 사례가 있으며, 한국도 예외가 아닐 것이라는 분석이다. 

* 고립주의: 외국의 정치적·군사적 갈등에 개입하지 않고 자국의 이익을 우선시하는 외교 정책.

이와 관련해, 경험적·규범적 측면에서 두 가지 주장을 제시한다. 경험적 측면에서 보면, 미국은 한국의 핵 보유를 동맹 파기 없이 받아들일 것이다. 북한의 핵 ICBM 보유 이후 미국의 확장 억제력 신뢰성이 약화됐으며, 트럼프 이후 미국의 고립주의가 강화되면서 한국 포기 가능성이 커졌다. 

이에 따라 한국 내 여론과 엘리트층의 핵무장 지지가 확대되고 있으며, 미국 외교 정책 커뮤니티도 동맹 균열을 우려해 결국 한국의 핵 보유를 용인할 수밖에 없을 것이라는 예측이다.

규범적인 측면에서는 한국의 핵무장이 한미 동맹을 파기할 만큼의 파급력을 갖지는 않는다고 본다. 비확산 우려는 한국에 적용하기 어렵고, 한국은 민주주의 국가로서 책임 있게 핵을 관리할 것이다. 또한, 한국의 핵 보유가 일본·대만 등의 핵무장 연쇄를 촉발할 가능성도 낮다.

결론적으로, 한국의 핵무장은 북한과 중국의 핵 위협에 대응하는 정당한 선택이며, 한미 동맹을 반드시 약화시키는 요인이 되지는 않을 것이라는 주장이다. 연구진은 또한, 한국이 핵무장을 한다고 하더라도 그 규모가 작기 때문에, 미국과의 동맹이 파기되는 심각한 상황으로 치달을 가능성은 낮다고 결론지었다.

* 상단 인물 사진: 로버트 켈리 교수(사진출처_채널PNU)

[Abstract]

North Korea’s nuclear and missile arsenal is growing; its weapons are becoming more powerful; and its threshold for nuclear weapons use is low. In any future Korean conflict, Pyongyang will almost certainly threaten nuclear strikes against American targets to deter US involvement, as America’s alliance commitment to South Korea requires. Those nuclear threats raise tough questions about how fully the US will meet that alliance commitment. (In the Ukraine war, Washington has not run a similar risk; Russian nuclear threats have successfully limited US support for Kyiv.) In America, Trump has so deeply remade the Republican party that any successor will likely share his disdain for US allies and commitments.

These accelerating trends have, unsurprisingly, accelerated ROK nuclear interest. Today, 71% of South Koreans support indigenous nuclearization. ROK elites are more divided, but the country’s foreign policy community – think-tanks, national security intellectuals, major op-ed pages – supports nuclearization more than at any time since indigenous nuclear weapons were first considered in the 1970s. That community is now engaged in extensive track II discussions with its American counterpart on this issue.

The US strongly opposes ROK nuclearization. It tried to allay Seoul’s fears with a recent joint statement – 2023’s ‘Washington Declaration.’ That reasserted US security commitments to South Korea, while reaffirming South Korean participation in the Nonproliferation Treaty (NPT). NPT membership prevents ROK nuclearization. But the declaration did not shift ROK public opinion nor slow elite drift toward nuclear options. US opposition is also unchanged. Track II discussions have suggested that the US might sanction South Korea to prevent its nuclearization. Indeed, American opposition is likely the primary reason South Korea is still in the NPT. An alliance collision looms.

This brewing confrontation is unnecessary. ROK nuclearization would be far less traumatic than Washington, especially the US nonproliferation community, thinks. The proliferation downsides are exaggerated; the local deterrence benefits, including to America itself, are underappreciated; and US liberal values – the very ideological commitments which distinguish US alliances – imply toleration of democratic partners’ national security choices, even when America dislikes them.

- Author (Pusan National University): Robert E Kelly (Department of Political Science and Diplomacy)

- Title of original paper: “Why South Korea Should Go Nuclear”

- Journal: Foreign Affairs

- Web link: https://www.foreignaffairs.com/north-korea/why-south-korea-should-go-nuclear-kelly-kim

나노플라스틱에 노출되면 적혈구 생성이 감소한다는 연구결과가 발표됐다. 

의생명융합공학부 정상화 교수와 융합의과학과 오창규 교수, 의학과 및 융합의과학과 김윤학 교수 연구팀은 미세플라스틱보다 최대 5,000배 작은 나노플라스틱*인 폴리스티렌 나노입자(PSNP)가 제브라피시** 배아의 적혈구 생성 과정에 미치는 영향을 단일세포 수준에서 분석해 PSNP가 적혈구 세포 분화에 미치는 독성 기전을 규명했다. 

* 나노플라스틱: 크기가 1㎛(마이크로미터, 1mm=1,000㎛=1,000,000nm) 이하인 플라스틱으로, 미세플라스틱(5mm 이하)보다 훨씬 작다. 주요 성분에 따라 폴리스티렌(PS, 단열재·용기), 폴리에틸렌(PE, 비닐·화장품), 폴리프로필렌(PP, 병뚜껑·의료기기) 나노입자(NP·Nanoparticles)로 나뉜다.

** 제브라피시: 쉽고 빠르게 기를 수 있어 최근 동물실험에 많이 활용되는 열대민물고기. 인간과 유전자가 70% 동일하며, 90%는 해부생리학적 기능이 동일해 자연과학뿐만 아니라 의과학 동물모델로 널리 사용되고 있다.

나노플라스틱이 면역세포에 미치는 영향은 지금까지 많은 연구가 이뤄져 왔으나, 적혈구에 미치는 영향에 관한 연구는 미흡했다. 이번 연구에서는 나노입자가 혈액세포에 미치는 독성 메커니즘을 단일세포 수준에서 규명해 환경 독성 연구 및 나노물질의 생체 안전성 평가에 기여할 것으로 기대된다. 특히 폴리스티렌 나노입자는 생체 내 축적 가능성이 높으며, 혈액 순환계에 미치는 영향이 큰 것으로 추정되고 있어 연구의 중요성이 부각된다.

연구팀은 폴리스티렌 나노입자의 크기 및 물리화학적 특성을 동적 광산란(DLS) 및 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 투과전자현미경(TEM)으로 분석해 20nm 크기의 구형 폴리스티렌임을 확인하고, 제브라피시 모델에서 폴리스티렌 나노입자(PSNP)의 생체 내 축적 및 초기 독성 평가를 실시했다. PSNP를 실제 환경에서 노출될 수 있는 농도인 0.1~10mg/L로 조절해 제브라피시에 노출시킨 후 적혈구 형성 및 배아 생존율을 분석한 결과, 고농도(10mg/L)에서 나노입자가 배아 조직에 축적됨을 알 수 있었다.

10mg/L의 PSNP에 노출되더라도 제브라피시 배아의 생존율, 부화율, 전체적인 체형 변화 및 길이는 대조군과 유의한 차이를 보이지 않았으나, 심박수 상승이 관찰돼 나노입자가 배아의 초기 발달과정에 미세한 영향을 미칠 가능성이 제시됐다. 실제로 단일세포 전사체 서열분석*에서 PSNP 노출군의 적혈구 비율이 감소했으며, o-dianisidine 염색법으로 살펴본 제브라피시 배아에서의 적혈구 비율 또한 PSNP 노출군에서 감소했다.

* 단일세포 전사체 서열분석: 개별 세포의 유전자 발현을 분석하는 기술. 전사체(Transcriptome)는 세포 안에서 발현되는 모든 RNA의 총합을 뜻한다.

적혈구 세포군이 줄어드는 이유를 알아보기 위해 적혈구 그룹에서의 전사체 변화를 확인한 결과, 단백질 번역(translation)* 관련 유전자인 rps7(리보솜 단백질 유전자)의 발현이 감소하는 것을 관찰했다. 제브라피시 배아에서 rps7 유전자를 억제한 실험에서도 적혈구 수가 줄어들었다.

* 단백질 번역(Translation): 세포가 유전정보를 이용해 단백질을 만드는 과정.

연구팀은 적혈구 그룹을 세분화해 서브 클러스터링한 실험에서는 PSNP에 노출됐을 때 적혈구의 분화가 억제되는 것을 생명의료정보학 분석으로 검증했는데, 적혈구 전구세포(적혈구로 분화하기 전 미성숙한 세포) 단계의 비율이 증가하는 것으로 나타났다.

【폴리스티렌 나노입자가 적혈구 생성을 방해하는 기전: 실험적 접근법】

최종 산물인 적혈구의 상태가 정상인지 확인하고자 서브클러스터링을 시행해 최종 형태의 적혈구에서 산소 운반에 필수적인 분자인 헴(Heme)의 생합성 관련 유전자들이 억제되고 있음을 확인했다. 또한, 유전자 발현을 측정하는 RT-qPCR(Real-Time qPCR, 실시간 역전사 중합효소 연쇄반응)을 통해 제브라피시 배아에서 헴 합성의 주요한 효소인 alas2가 감소했고, 질량분석기를 이용한 대사체 분석 결과 제브라피시 배아에서 최종 산물인 헴의 양이 줄어드는 것을 관찰했다.

기존 연구들이 나노플라스틱 입자의 면역독성 및 신경독성에 초점을 맞춘 것과 달리, 이번 연구에서는 적혈구 분화 과정 및 헴 합성에 관한 독성을 규명했다. 앞서 수행된 환경독성학 연구들이 표현형(생존률, 부화율, 몸길이, 돌연변이율, 운동성 등)을 바탕으로 연구를 진행했다면, 이번에 부산대는 의과대학(융합의과학과)과 정보의생명공학대학(의생명융합공학부)의 융합연구를 통해 단일세포 수준에서 전사체의 변화를 바탕으로 독성 연구를 진행했다.

의생명융합공학부 정상화 교수팀은 폴리스티렌의 물성을 분석화학적 기법을 통해 동정했고, 융합의과학과김윤학 교수팀은 단일세포 전사체 서열분석으로 세포군별 유전자의 발현 차이를 발굴했다. 융합의과학과오창규 교수팀은 전체적인 연구의 방향성을 제시하고 동물실험을 통해 생명정보학적으로 연구 결과를 검증했다. 이번 연구를 위해 구축된 부산대 융합연구팀은 다양한 종류의 환경오염물질 및 신물질들이 인체 및 생명체에 미치는 영향에 관한 연구를 지속할 계획이다. 

오창규 교수는 “이번 연구는 폴리스티렌 나노입자가 적혈구 생성에 미치는 영향을 단일세포 해상도로 분석해, 나노플라스틱이 혈액학적 변화를 유발할 수 있음을 규명했다. 연구 결과, 나노플라스틱이 혈액세포 분화 과정에서 번역을 억제하고 미성숙 적혈구를 축적시켜 빈혈 등의 혈액 장애를 유발할 가능성이 있음이 밝혀졌다”고 말했다. 

이어 “단일세포 전사체 서열분석을 활용해 독성 메커니즘 규명 방식을 제시한 연구로, 향후 나노플라스틱 규제 강화 및 식품에 포함된 나노플라스틱의 안전 기준 마련에 과학적 근거를 제공하고, 나노물질의 생체 영향 평가 모델로 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 또한 공중보건 및 독성학 연구를 확장해 나노플라스틱의 장기적 건강 영향을 평가하는 기초 자료로의 활용도 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 기초과학연구원·한국연구재단(NRF) 지원 사업 및 부산대 박사후 연구 프로그램과 한국의학연구소 지원으로, 의생명융합공학부 정상화 교수와 융합의과학과 오창규 교수, 의학과 및 융합의과학과 김윤학 교수가 공동 교신저자, 의학연구원 소속 권은정 박사후연구원, 융합의과학과 성현미 석사과정생이 공동 제1저자로 수행했다.

해당 논문은 동물학 분야의 국제 학술지 『Zoological Research』 1월 18일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Deciphering the toxic effects of polystyrene nanoparticles on erythropoiesis at   single-cell resolution(단일세포 분석을 통한 폴리스티렌 나노입자의 적혈구 생성 독성 규명)

- 논문 링크: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846194  

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 뒷줄 오창규 교수, 김윤학 교수, 정상화 교수, 권은정 박사후연구원, 성현미 석사과정생.

[Abstract]

Research Background and Purpose

With increasing concerns regarding nanoplastic pollution, there is an urgent need to understand its biological impacts, particularly on hematopoiesis. While previous studies have focused on immune and neural toxicity, the effects of nanoplastics on erythropoiesis (red blood cell formation) remain largely unexplored. This study investigates the toxicity of polystyrene nanoparticles (PSNPs) on erythropoiesis using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to provide an in-depth analysis of their impact on red blood cell differentiation and function.

Key Findings

· Characterization of Polystyrene Nanoparticles (PSNPs)

 DLS (Dynamic Light Scattering) and TEM (Transmission Electron Microscopy) confirmed that PSNPs (~20 nm) exhibited a uniform size and shape, while FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) analysis identified surface modifications and possible oxidation that may influence their bioactivity.

· Impact of PSNPs on Erythropoiesis (Single-Cell RNA Sequencing Analysis)

 PSNP exposure resulted in a decreased proportion of mature red blood cells (RBCs), and rps7, a ribosomal protein gene, showed reduced expression, indicating translation inhibition in erythroid cells.

Pseudotime trajectory analysis revealed a blockage in RBC differentiation, with immature erythrocytes failing to transition into mature RBCs, and an increased fraction of CMP-like progenitor cells, suggesting delayed differentiation.

· Validation of Erythropoietic Disruption (Functional Assays)

 O-dianisidine staining demonstrated a significant reduction in hemoglobin synthesis following PSNP exposure, while qRT-PCR and in situ hybridization confirmed increased gata1a expression, indicating erythroid immaturity and differentiation arrest, and LC-MS/MS metabolomic analysis revealed a marked decrease in heme biosynthesis with downregulation of key genes (alas2, urod, hmbs).

Significance and Impact

 This study provides the first single-cell resolution analysis of nanoplastic-induced erythropoietic toxicity, highlighting translation inhibition, differentiation failure, and heme synthesis disruption as key mechanisms. These findings emphasize the potential hazards of environmental nanoplastics on vertebrate hematopoiesis and suggest the necessity for safety evaluation in nanomaterial applications. Through collaboration among multiple research teams at Pusan National University, this study integrates advanced single-cell transcriptomics, zebrafish models, and metabolomics to comprehensively evaluate PSNP toxicity in erythropoiesis. The results provide a valuable foundation for future studies on nanotoxicity and its implications in environmental and biomedical sciences.

- Authors (Pusan National University)

· First authors: Eun Jung Kwon (Medical Research Institute), Hyeon Mi Sung (Department of Convergence Medical Sciences)

· Corresponding authors: Sanghwa Jeong (School of Biomedical Convergence Engineering), Chang-Kyu Oh (Department of Biochemistry, School of Medicine), Yun Hak Kim (Department of Anatomy, School of Medicine)

- Title of original paper: Deciphering the toxic effects of polystyrene nanoparticles on erythropoiesis at single-cell resolution

- Journal: Zoological Research

- Web link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846194