나노소재 기반 약물전달 기술이 항암 치료와 정밀의학의 핵심 플랫폼으로 떠오르고 있지만, 실제 생체 내에서 어떤 조직/어떤 세포가 어떻게 반응하는지까지 정밀하게 확인할 수 있는 안전성 평가 체계는 아직 충분하지 않다. 기존 독성 평가는 주로 생존율, 형태 이상, 조직 손상 등 개체(whole organism) 또는 조직 수준 지표에 의존해 왔기 때문에, 나노입자 특성에 따라 달라질 수 있는 세포 유형별 반응과 분자 수준 변화를 놓치기 쉽다는 한계가 있었다.

이에, 융합의과학과 오창규 교수와 김윤학 교수 연구팀은 다공성 실리콘 나노입자(porous silicon nanoparticles, pSiNPs)의 생체적합성을 개체에서 단일세포 해상도까지 한 번에 연결해 분석하는 다중 스케일(multi-scale) 전략을 제시해 관심을 모으고 있다. 연구팀은 투명하고 발달이 빠르며 독성·발생 연구에 널리 활용되는 제브라피시 배아(zebrafish embryo) 모델을 이용해 pSiNPs 노출 후 생존율, 형태학적 변화, 장기 발달, 심박수 등 거시적 지표를 먼저 평가했다. 이어 동일 조건에서 확보한 시료를 대상으로 단일세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq)을 수행해, 개별 세포 단위에서 유전자 발현 변화를 정밀하게 추적했다.

특히 이번 연구의 핵심은 개체 수준에서 관찰되는 표현형(phenotype)과 단일세포 전사체 변화(transcriptomic response)를 유기적으로 연결해, 조직 및 세포 유형별 반응을 한눈에 볼 수 있는 고해상도 ‘생체적합성 지도(biocompatibility atlas)’를 구축했다는 점이다. 

분석 결과, pSiNPs는 전반적으로 높은 생체적합성을 보였으며, 단일세포 수준에서도 세포 구성 및 유전자 발현 변화가 거의 관찰되지 않았다. 특히 산화 스트레스, 면역 반응, 세포 사멸 등 독성과 관련된 주요 경로에서도 유의한 변화가 확인되지 않아, 세포 유형 전반에 걸쳐 안정적인 생체 반응을 나타냈다.

【연구진 왼쪽부터 오창규 교수, 권은정 박사후연구원, 김예진 박사과정생】

연구팀은 이번 플랫폼이 특정 소재(pSiNPs)에만 국한되지 않고, 향후 다양한 나노소재에도 적용 가능한 체계적 생체적합성 스크리닝 프레임워크가 될 수 있다고 강조했다. 개체 수준 독성 결과와 단일세포 전사체 데이터를 통합해 해석함으로써, 나노소재 기반 치료제 개발 과정에서 안전성 평가의 기준을 고도화하고, 세포 유형별 반응 메커니즘을 바탕으로 한 정밀한 설계·개선 전략 수립에도 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 경희대와의 공동연구로 수행됐으며, 융합의학과 오창규 교수와 의학과 및 융합의과학과 김윤학 교수가 공동 교신저자, 의학연구원 소속 권은정 박사후연구원, 융합의과학과 김예진 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 국제 학술지 『Biomaterials』 온라인 3월 12일자에 소개됐으며, 8월호에 게재될 예정이다.

- 논문 제목: A Multi-Scale Biocompatibility Atlas of Porous Silicon Nanoparticles: From Whole Embryo to Single-Cell Resolution(다공성 실리콘 나노입자의 생체 적합성 아틀라스: 개체 수준에서 단일 세포 해상도까지의 통합적 분석)

- 논문 링크: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41833253 

* 상단 연구 이미지: pSiNP의 다중 스케일 생체 적합성 지도: 전체 배아에서 단일 세포 해상도까지

[Abstract]

The clinical translation of nanomedicines, such as porous silicon nanoparticles (pSiNPs), requires rigorous and multidimensional safety evaluation that extends beyond conventional in vitro assays, which often fail to capture complex in vivo interactions. Here, we establish a multi-scale assessment pipeline employing the zebrafish (Danio rerio) model, integrating whole-organism phenotyping with single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) for high-resolution biological profiling. Zebrafish embryos demonstrated exceptional tolerance to pSiNPs, with no observable changes in survival, developmental morphology, or overall growth. Transient and mild reductions in cardiac and locomotor activity observed 2 h post-exposure were fully restored within 24 h, indicating minimal physiological perturbation. At the molecular level, unbiased scRNA-seq analyses revealed a largely quiescent transcriptomic landscape: pSiNP exposure did not disrupt cellular composition or activate gene programs related to stress, toxicity, or inflammation. This integrative, organism-to-single-cell blueprint of biocompatibility provides compelling evidence supporting the safety of pSiNPs and highlights their potential as a robust platform for next-generation drug delivery and theranostic applications.

- Authors (Pusan National University)

∙ First authors: Eun Jung Kwon (Medical Research Institute), Yejin Kim (Department of Convergence Medical Sciences, School of Medicine)

∙ Corresponding authors: Yun Hak Kim (Department of Anatomy, School of Medicine), Chang-Kyu Oh (Department of Biochemistry, School of Medicine)

- Title of original paper: A Multi-Scale Biocompatibility Atlas of Porous Silicon Nanoparticles: From Whole Embryo to Single-Cell Resolution

- Journal: Biomaterials

- Web link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41833253

- Contact e-mail: Chang-Kyu Oh (ck1988@gmail.com)

응용화학공학부 성동기 교수 연구팀이 항공우주 부품에 요구되는 경량화와 고내열성, 제빙 및 전자파 차폐(遮蔽) 성능을 동시에 갖춘 탄소섬유 복합재료를 높은 에너지 효율로 제조하는 기술을 개발했다. 이 기술을 적용하면 기존 대비 단 5% 수준의 에너지로도 가볍고 튼튼한 소재를 만들 수 있어, 항공우주를 비롯한 다양한 첨단 산업의 혁신이 기대된다.

연구팀은 탄소나노튜브(CNT) 필름을 이용한 줄가열 공정을 개발해, 기존의 고분자 재료가 가진 내열성의 한계를 극복해 고온에서 안정할 뿐 아니라 항공우주 부품에 필수적인 제빙과 전자파 차폐 성능까지 갖춘 항공우주용 경량 탄소섬유 복합재료를 친환경적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다.

섬유강화 복합재는 가볍고 강도가 우수해 항공기, 우주 구조물, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 특히 탄소섬유 복합재는 강철보다 가벼우면서도 높은 비강도(比强度)와 강성을 가져 차세대 항공우주 산업의 핵심 소재로 주목받고 있다. 

최근 항공우주 분야에서는 엔진 구조물, 고온 환경에 노출되는 외장재 등 고온에서도 기계적 성능과 구조적 안정성을 유지할 수 있는 복합재에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나, 이를 위해서는 내열성이 우수한 폴리이미드 등 고내열 수지를 사용한 300℃ 이상의 고온 공정이 필요해 에너지 소모가 크고 높은 점도로 인해 고품질의 복합재 제작이 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 기존처럼 금형 외부를 전체 가열하는 방식 대신 탄소나노튜브 필름을 탄소섬유에 배치해 전류를 흘려 직접 발열시키는 줄가열 공정을 제안했다.  

이 기술은 전기에너지를 열에너지로 변환해 필요한 부위에 열을 직접 전달함으로써, 고온 프레스 장비를 쓰는 기존 공정 대비 약 5% 수준의 에너지만으로도 제조가 가능하고, 수지 함침성(含浸性)을 크게 높여 내부 기공을 효과적으로 억제했다. 그 결과 기계적 강도와 구조적 신뢰성이 향상됐으며, 유리전이온도 약 362 ℃ 수준의 고내열 특성을 확보해 고온 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 확인했다. 

또한, 탄소나노튜브 필름 도입으로 항공기 구조물에 필요한 제빙 및 전자파 차폐 성능을 동시에 확보했다. 특히, 성형 공정 중 탄소나노튜브 필름의 균일한 발열 특성은 복합재 두께 방향의 온도 편차를 최소화해 구조적 안정성을 향상시켰으며, 대면적 구조물로의 확장이 가능한 에너지 효율적 공정임을 검증했다. 

이번에 개발한 복합재 제조 기술은 항공기 외장재, 엔진 구조물 등 300℃ 이상의 고내열·다기능 특성이 요구되는 항공 우주 분야를 비롯해 에너지 효율적 대면적 구조물 제조가 필요한 다양한 첨단 산업 분야로의 확장이 기대된다.

성동기 교수는 “탄소섬유 복합재료는 높은 강도를 가진 경량소재로서 다양한 산업에 적용되고 있지만, 내열성이 낮아서 고온 환경에서의 적용성은 제한적이다. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 필름을 활용한 새로운 줄가열 공정을 통해 고내열 탄소섬유 복합재료를 기존 기술 대비 낮은 에너지로 제조하는 공정 기술을 제안했다. 특히 유리전이온도 362 ℃ 수준의 고온 안정성과 제빙·전자파 차폐 기능을 하나의 구조 내에 통합함으로써, 항공기 외장재와 우주 구조체 등 극한 환경용 차세대 구조물에 적용 가능한 핵심 기술로 발전할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 

【연구진: 왼쪽부터 성동기 교수, 정미주 석사 졸업생, 김송희 석사과정생, 김다영 석박사통합과정생】 

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 성동기 교수가 교신저자, 정미주 석사 졸업생, 김송희 석사과정생, 김다영 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행했으며, 한국재료연구원과 미국 텍사스주립대(The University of Texas at Austin)가 공동연구로 참여했다.

해당 연구 성과는 학술지 국제 학술지 『Composites Part B: Engineering』 4월호에 게재됐다.

- 논문 제목: CNT film-integrated polyimide composites: Scalable joule heated infusion process and multifunctional aerospace applications(탄소나노튜브필름이 통합된 폴리이미드 복합재료: 확장 가능한 줄 가열 공정 및 다기능 항공우주 응용)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113471

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업 및 미래기술연구실 지원을 받았다. 

※ 용어 설명

  - 탄소섬유: 탄소 함량이 매우 높은 가볍고 강한 섬유로서 고강도·고탄성 특성이 필요한 항공우주, 자동차, 스포츠용품 등에 널리 사용됨.

  - 탄소나노튜브 필름: 탄소나노튜브를 얇은 필름 형태로 집적한 전도성 소재로, 우수한 전기·열 전도성과 경량 특성을 동시에 가져 다양한 기능성 응용 분야에 활용됨.

  - 줄가열 공정: 전도성 물질에 전기를 가하면 열이 발생하는 원리를 이용하여 고분자 재료를 녹이고 경화하는 공정으로 비싼 장비없이 낮은 전기에너지로 복합재료 생산이 가능함. 

* 상단 연구 이미지: CNT 필름 기반 줄가열 공정을 이용한 탄소섬유 복합재료 제조공정 및 항공우주 응용. CNT 필름을 줄가열 장치로 활용해 높은 에너지 효율로 폴리이미드를 녹이고 경화함으로써 고내열 탄소섬유 복합재료를 제조하는 공정 기술(위)과 이를 이용해 다양한 항공우주 산업에 적용할 수 있는 응용 분야(아래)를 나타냄.

[Abstract]

Researchers at Pusan National University have developed a carbon nanotube (CNT) film based Joule heating infusion process for manufacturing high-temperature carbon fiber-reinforced polyimide composites for aerospace applications. By directly converting electrical energy into heat through CNT films, the process enables uniform thermal delivery, significantly reducing void formation and improving mechanical reliability. The resulting composite achieved a glass transition temperature of approximately 362 ℃ while requiring only about 5% of the energy consumption of conventional hot pressing. Furthermore, the integrated CNT film provides additional multifunctional properties, including de-icing capability and enhanced electromagnetic interference shielding. This study presents an energy-efficient and scalable manufacturing platform for high-performance, multifunctional aerospace composites.  

- Authors (Pusan National University)

 · Co-first authors: Mi Ju Jeong, Song Hee Kim, Dayoung Kim (School of Chemical Engineering)

 · Corresponding author: Dong Gi Seong (Department of Polymer Science and Engineering / School of Chemical Engineering) 

- Title of original paper: CNT film-integrated polyimide composites: Scalable joule heated infusion process and multifunctional aerospace applications

- Journal: Composites Part B: Engineering

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113471

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

기관지 CT 영상에서 전문가(의사/연구자)가 ‘이 부분이 기도(airway)’임을 표시해 둔 ‘주석’이 없는 부분은 대개 배경으로 인식돼 기도의 말초 가지를 놓치기 쉽다. 이에 주석이 빠져 있는 아주 작은 말초 기도까지 AI가 새로 찾아내 끊긴 기도 길을 이어줌으로써, 내비게이션 기관지내시경의 정확도를 향상할 수 있는 모델이 부산대와 양산부산대병원 연구진에 의해 개발돼 관심을 모으고 있다.

의생명융합공학부 김민우 교수 연구팀은 양산부산대병원 호흡기내과 설희윤 교수팀과의 공동연구를 통해, CT 주석이 누락된 말초(peripheral) 기도 분지까지 AI(인공지능)가 발견하고 연결성을 복원해 내비게이션 기관지내시경에서 환자 맞춤형 기도 지도(airway map)의 완성도와 시술 정확도를 향상시킬 수 있는 AI 모델을 개발했다. 

폐 말초 병변의 진단과 치료에서 내비게이션 기관지내시경은 점점 더 중요해지고 있다. 시술의 핵심은 환자 CT로부터 3차원 기도 지도를 만들고, 입(기관)에서 목표 병변까지 이어지는 경로를 정확히 계획하는 것이다. 하지만 실제 임상 환경에서는 말초로 갈수록 기도가 가늘어지고 기도벽이 얇아져 CT 대비가 낮아지면서, 말초 기도 분지가 영상에서 잘 보이지 않는 문제가 반복돼 왔다.

이 한계는 AI 학습 과정에서도 그대로 드러났다. 인공지능 학습에 널리 활용되는 공공 데이터셋의 기도 주석(라벨)은 실제 임상 CT 기반으로 만들어졌지만, 말초 분지에서는 누락이 빈번하다. 그 결과, 분할(segmentation) 모델이 제공된 라벨만을 ‘정답’으로 학습할 경우 실제로 존재하는 말초 기도를 과소 분할하는 경향이 생기고, 특히 내비게이션에 중요한 ‘분지 연결성(연속성)’이 약화될 수 있다는 지적이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 불완전한 주석 환경에서도 말초 기도 가지의 연속성을 보존할 수 있도록 설계된 딥러닝 기반 기도 분할 프레임워크를 제안했다. 기존처럼 라벨에 최대한 근접한 정밀 분할에만 초점을 두기보다, 내비게이션 기관지내시경의 임상 요구에 맞춰 센터라인 기반의 연결성과 말초 분지까지의 경로 지속성을 더 중요한 목표로 재정의했다.

연구팀은 해부학적 맥락 정보를 활용해 말초 후보 영역을 더 효과적으로 탐색하고, 얇은 말초 구조에서 발생하는 불확실성을 낮추는 한편, 말초 분지 및 중심선 연결성에 유리한 학습 제약을 적용해 누락 라벨에 과도하게 맞추며 실제 기도를 놓치는 현상을 완화했다. 또한 CT 해상도와 슬라이스 두께 변동으로 말초 분지가 소실되는 상황에도 강인하도록 설계해, 다양한 임상 조건에서의 활용 가능성을 높였다.

【CT로부터 3차원 기도 지도를 생성하는 모델 개요와 내비게이션 기관지내시경에서의 활용】

이를 통해 시술 전 계획 단계에서 더 완성도 높은 기도 지도 생성과 경로 추출이 가능해지고, 내비게이션 신뢰도를 높여 말초 병변 접근 효율 개선으로 이어질 것으로 전망된다.

전문가가 말초 분지를 추가 보강한 데이터로 평가한 결과, 제안 방법은 말초 기도 복원 성능이 우수했으며, 공공 데이터뿐 아니라 양산부산대병원 데이터에서도 검증해 일반화 성능을 확인했다. 특히, 중국 상하이교통대 Institute of Medical Robotics와 상하이흉부병원 Department of Respiratory and Critical Care Medicine이 공동 주최한 MICCAI 2022 공식 국제 의료영상 AI 챌린지인 ‘Airway Tree Modeling Challenge’(ATM22, https://atm22.grand-challenge.org)에 해당 연구 방법을 직접 보내 평가받은 결과, 말초 기도를 더 깊숙이 찾는 평가지표에서 48개 비교군 중 현재까지 세계 1위를 기록하고 있다. 

해당 연구는 국제 학술지 『IEEE 트랜잭션 온 메디컬 이미징(IEEE Transactions on Medical Imaging)』 3월 9일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Discovery of Peripheral Airway Beyond Incomplete CT Annotations for Navigational Bronchoscopy(불완전 CT 주석을 넘어 내비게이션 기관지내시경을 위한 말초 기도 발견)

- https://ieeexplore.ieee.org/document/11426976 

이번 연구는 부산대 김민우 교수와 양산부산대병원 설희윤 교수가 공동 교신저자, 부산대 정보융합공학과 AI전공 이시열 박사과정생과 서민경 박사과정생이 공동 제1저자로 수행했다. 해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기본연구, 정보통신기획평가원의 인공지능융합혁신인재양성사업 지원을 받았다.

공동 교신저자인 김민우 교수와 설희윤 교수는 “이번 연구의 핵심은 말초 폐암 진단을 위한 내비게이션 기관지내시경의 정확도를 높이는 환자 맞춤형 기도 지도 완성도 향상에 있다”며 “특히 CT 주석이 불완전한 학습 데이터를 활용하면서도 말초 기도 분지의 연결성을 정밀하게 복원할 수 있는 인공지능 모델을 개발했다는 점이 큰 의미”라고 밝혔다. 

이어 “자동차 내비게이션처럼 목표 지점까지의 경로를 제시하고 시술 중에도 상대적 위치를 지속적으로 안내할 수 있는 통합 내비게이션 플랫폼으로 확장해 나갈 수 있는 기반을 마련했다”고 덧붙였다.

연구팀은 향후 이 접근법이 기도 구조뿐 아니라 혈관, 신경 등 얇은 관 구조물처럼 주석 누락이 잦은 다양한 의료영상 영역으로 확장될 수 있다고 보고 있다. ‘완벽한 라벨’이 전제되기 어려운 임상 현실을 고려할 때, 제한된 주석만으로도 실제 구조를 더 잘 찾아내고 연결성을 보존하는 실용적 AI 개발 방향을 제시할 것으로 기대된다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 김민우 교수, 이시열 박사과정생, 서민경 박사과정생, 설희윤 교수.

[Abstract]

Navigational bronchoscopy relies on patient-specific airway maps derived from preoperative CT to plan and guide access to peripheral lung lesions. However, public CT airway datasets often contain incomplete annotations, especially in thin, low-contrast distal branches, so conventional deep-learning models trained to match these labels tend to under-segment the periphery, reducing branch continuity and navigation reliability.

In this work, we present a deep learning x-x-framework that discovers and recovers peripheral airways beyond incomplete CT annotations, prioritizing topology and centerline connectivity that are most relevant for bronchoscopy guidance. The proposed approach improves peripheral branch reconstruction and demonstrates robustness across diverse scan conditions, validated on public data and an independent clinical dataset from Yangsan Pusan National University Hospital. Looking ahead, we aim to integrate this airway mapping technology with ongoing work on respiration-induced map deformation correction and endoscopic tool localization to build a navigation-like guidance platform that continuously informs operators of the optimal path and the tool’s relative position during procedures.

- Authors (Pusan National University)

 · Co-first authors: SiYeoul Lee, Minkyung Seo (Department of Information Convergence Engineering)

 · Co-corresponing authors: HeeYun Seol (Department of Internal Medicine, Division of Pulmonary and Critical Care Medicine, Pusan National University Yangsan Hospital, Pusan National University School of Medicine), MinWoo Kim (School of Biomedical Convergence Engineering)  

- Title of original paper: Discovery of Peripheral Airway Beyond Incomplete CT Annotations for Navigational Bronchoscopy

- Journal: IEEE Transactions on Medical Imaging

- Web link: https://ieeexplore.ieee.org/document/11426976 

- Contact e-mail: mkim180@pusan.ac.kr

첨단융합학부 광메카트로닉스공학전공 정세영 명예교수와 김승철 교수 연구팀이 기존 박막 성장 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 초고품질 금속 박막 성장 개념인 ‘Homoepitaxy-like Heteroepitaxy*’를 제시하고, 이를 통해 결함 없는 초평탄 은(Ag) 박막 구현에 성공했다. 이렇게 성장된 은 박막은 반사율이 99.7%에 이르며 결함이 없어, 금속 박막을 새로운 기능성 플랫폼으로 재정의할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다. 연구팀의 박막 성장기술(epitaxy**)은 특정 기판에 제한되지 않고 다양한 재료 시스템으로 확장 가능하다는 점에서 산업적 파급력 또한 클 것으로 전망된다.

* Homoepitaxy(호모에피택시): 기판과 동일한 물질 위에 같은 물질을 결정성 있게 성장시키는 에피택시 방법 / Heteroepitaxy(헤테로에피택시): 기판과 서로 다른 물질을 결정 정렬을 유지하며 성장시키는 에피택시 방법.

** Epitaxy(에피택시): 기판(substrate)의 결정 구조를 그대로 따라가며 결정 방향이 정렬된 단결정 박막을 성장시키는 기술.

최근 반도체 기술은 초고속화와 고집적화가 동시에 요구되면서 기존 금속 배선과 박막 소재의 구조적 한계가 점차 뚜렷해지고 있다. 특히 금속 박막 내부의 낱알경계(grain boundary), 표면 거칠기, 구조적 결함은 전기적 성능 저하와 신뢰성 약화의 주요 원인으로 지적돼 왔다. 이에 따라 단결정 수준의 고품질 금속 박막 성장 기술은 차세대 반도체·광전자 소자 구현을 위한 핵심 연구 과제로 부상하고 있다.

연구팀은 이번 연구에서 기존 박막 성장 개념을 확장한 새로운 접근법인 ‘Homoepitaxy-like Heteroepitaxy’를 제안했다. 이는 단결정 구리(Cu) 박막을 버퍼층으로 활용해, 서로 다른 기판 위에서도 마치 동일 물질 위에서 성장한 것과 유사한 결정성을 확보하는 기술이다.

이 기술은 연구팀이 보유한 Atomic Sputtering Epitaxy(ASE) 기술을 기반으로 한다. 스퍼터링 과정에서 원자들을 개별 원자 단위로 공급함으로써, 서로 다른 기판 위에 금속 박막을 성장시키면서도 원자 배열과 성장 동역학을 정밀하게 제어할 수 있도록 설계됐다. 이를 통해 기존 heteroepitaxy에서 불가피하게 발생하던 격자 불일치와 계면 응력 문제를 최소화하고, 표면 확산과 핵 생성 과정을 정밀하게 조절해 초평탄 표면과 높은 결정성을 동시에 확보했다.

그 결과 연구팀은 낱알경계가 없는 초고품질 은(Ag) 박막을 구현하는 데 성공했다. 이렇게 성장된 은 박막은 반사율이 99.7%에 이르며, 구조적 결함이 거의 없는 수준의 단결정 특성을 보였다. 특히 기존 다결정 금속 박막에서 나타나던 전기적 산란 요인을 크게 줄일 수 있어, 고속·고신뢰성 금속 배선 및 광학·전자 소자용 핵심 소재로 활용될 가능성이 높다.

【Ag/Cu 이종구조에서 급격히 변하는 계면 구조 및 기판 수직 방향에서 관찰한 평면구조】

이번 기술의 가장 큰 강점은 특정 기판에만 국한되지 않고 다양한 재료 시스템으로 확장 가능하다는 점이다. 기존 heteroepitaxy 방식이 가진 구조적 불안정성을 최소화하면서도, 다양한 기판 환경에서 금속 박막을 결함 없는 단결정으로 구현할 수 있어 산업적 파급력이 매우 클 것으로 기대된다. 연구팀은 이번 성과가 다양한 초고품질 금속 박막 성장 영역을 새롭게 개척하는 계기가 될 것으로 보고 있다.

정세영 교수는 “이번 연구에서 개발된 은 박막은 거의 완벽에 가까운 박막”이라며 “이 연구는 금속 박막을 단순한 전도층이 아닌 고기능성 소재로 확장시키는 새로운 방향을 제시한다”고 말했다. 이어 “향후 원자층 단위 성장 제어 기술과 결합될 경우, 차세대 광전자 소자, 고주파 통신 기술, 첨단 반도체 공정 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라며 “앞으로도 연구실이 보유한 금속 단결정 박막 성장 기술을 바탕으로 새로운 금속 단결정 박막 개발을 지속해 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 금속 박막의 성장 메커니즘을 근본적으로 재정의하며, 금속 박막의 물리적 특성과 응용 가능성을 획기적으로 확장한 성과로 주목받고 있다. 연구팀은 이번 성과를 통해 차세대 반도체, 광전자, 고주파 통신 분야에서 요구되는 초고품질 금속 소재 개발을 선도할 것으로 기대하고 있다.

【연구진: 왼쪽부터 정세영 명예교수, 김승철 교수, 김수재 박사, 정태인 박사졸업생】

부산대-성균관대 공동으로 수행된 이번 연구는 정세영 명예교수와 김승철 교수가 공동 교신저자, 단결정은행연구소 김수재 박사와 인지메카트로닉스공학과 정태인 박사졸업생이 공동 제1저자로 참여했다. 해당 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지 『Reports on Progress in Physics』 2월 23일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Homoepitaxy-like heteroepitaxy via monolayer interface achieves grain-boundary-free ultraflat silver thin films (단원자층 계면 제어로 낱알경계 없는 초평탄 은 박막을 구현한 새로운 Homoepitaxy-like Heteroepitaxy 기술)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae3e3d 

* 상단 연구 이미지: Homoepitaxy-like Heteroepitaxy 성장한 Ag 박막

[Abstract]

Wafer-scale growth of metallic films into single crystals is challenging due to large lattice mismatches and uncontrollable atomic stacking during deposition. Here, single-crystalline Ag(111) films are grown on atomically flat Cu(111) buffer layers using atomic sputtering epitaxy, despite the significant Ag/Cu lattice mismatch (about 13%). The mismatch strain is confined to the first Ag monoatomic interface layer and does not spread into the adjacent Ag layers. This effective strain relaxation occurs through regulated in-plane displacements of Ag atoms where Ag and Cu atoms meet periodically. Although the grain-boundary-free Ag thin films initially exhibited twin boundaries, we successfully demonstrated conditions that significantly reduced them—a feat considered challenging in thin film growth technology. The resulting films have inherently flat surfaces with occasional monoatomic steps, making them ideal for use as reflectors and plasmonic devices.

- Authors (Pusan National University)

· Su Jae Kim (Crystal Bank Research Institute)

· Tae-In Jeong (Department of Cogno-mechatronics Engineering)

· Seungchul Kim, Se-Young Jeong (Department of Cogno-mechatronics Engineering, Department of Optics and Mechatronics Engineering, Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology)

- Title of original paper: Homoepitaxy-like heteroepitaxy via monolayer interface achieves grain-boundary-free ultraflat silver thin films

- Journal: Reports on Progress in Physics

- Web link: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae3e3d 

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

유독성 용매를 쓰지 않으면서도 15cm×15cm 크기의 대면적 기판에 결함 없는 균일 박막을 코팅하는 기술이 개발돼, 페로브스카이트 태양전지 상용화의 난제로 꼽혀 온 ‘공정 친환경성’과 ‘확장성(스케일업)’ 문제가 동시에 해소될 전망이다.

첨단융합학부 서지연 교수와 유기소재시스템공학과 김효정 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 대면적 제조 공정에서 필수로 사용돼 온 유독성 ‘항용매(Anti-solvent)’*를 완전히 제거하면서도 고품질 박막을 구현할 수 있는 ‘시드 프라이밍 진공 결정화(S-VAC)’** 공정 기술을 개발했다.

* 항용매(Anti-solvent): 페로브스카이트 물질을 녹이지 않는 용매로, 박막 코팅 중 빠르게 결정을 형성시키기 위해 떨어뜨리는 액체. 주로 클로로벤젠 등 유독성 발암물질이 사용돼 환경 및 안전 문제가 제기됨.

** S-VAC(Seed-primed Vacuum-Assisted Crystallization): 연구팀이 개발한 기술로, 용액 안에 미리 결정의 씨앗(Seed)을 형성시킨 뒤 진공 장비를 이용해 이를 수직으로 성장시켜 박막을 만드는 공정.

특히 이번 성과는 부산대·한국전력연구원 등 국내 연구팀과 태양전지 분야의 세계적 석학인 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 마이클 그라첼(Michael Grätzel) 교수의 국제 공동연구로 수행돼, 기술의 신뢰도와 재현성을 높이는 동시에 향후 실증·사업화 및 글로벌 확산 가능성까지 끌어올릴 전망이다.

앞서, 지난 2월 4일 마이클 그라첼 교수는 부산대가 올해 개교 80주년을 기념해 마련한 해외석학 초청특강에 초청돼, 분자 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 기술의 과학적 진전 및 산업적 가능성을 국내 연구진과 공유하기도 했다. 부산대는 마이클 그라첼 교수와의 지속적인 후속 연구를 통해 차세대 에너지 전환 연구 지평의 확대와 글로벌 협력 네트워크가 강화될 것으로 기대하고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 소면적(단위 셀)에서는 높은 효율을 보이지만, 면적이 커질수록 코팅 불균일과 결함 증가로 효율이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 기존 스핀코팅 기반 공정은 빠른 결정화를 유도하기 위해 클로로벤젠 등 유해 물질을 포함하는 항용매를 사용해야 했고, 이는 환경 규제와 작업자 안전 문제는 물론 대면적 공정에서의 균일도 확보를 어렵게 만들었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 전구체 용액에 올레일아민(Oleylamine)을 첨가해 용액 내부에 나노 크기의 ‘광활성 시드(Seed)’를 균일하게 미리 형성한 뒤, 진공 공정으로 용매 거동을 제어하며 시드를 수직 방향으로 성장시키는 방식으로 치밀하고 균일한 박막을 구현했다. 이로써 항용매를 전혀 사용하지 않는(Anti-solvent-free) 공정임에도 대면적 박막 품질을 확보할 수 있었다.

실증 결과, 연구팀은 15cm×15cm 크기의 대면적 기판에서도 용액공정으로 결함 없이 균일한 페로브스카이트 박막을 제조했으며, 이를 적용한 미니 모듈은 19.1%의 광전변환 효율을 달성했다. 또한 1년 이상의 실외 구동 테스트에서도 초기 효율의 94% 이상을 유지해 장기 안정성까지 입증했다. 

【연구의 핵심 성과(고효율 대면적 모듈)를 증명하는 데이터 모음】

이번에 개발한 기술(S-VAC)이 작은 셀뿐만 아니라, 큰 태양전지 판(모듈)으로 만들었을 때도 세계 최고 수준의 성능을 냈음을 나타냄.
기존 기술 대비 향상된 성능을 볼 수 있으며, 국내 인증기관에서 측정한 태양전지 성능곡선은 15×15㎠ 면적에서 19.1%의 효율을 보여줌.

이번 연구에는 부산대 첨단융합학부 서지연 교수와 유기소재시스템공학과 김효정 교수, 스위스 로잔연방공대 마이클 그라첼 교수, 한국전력연구원 김도형 수석연구원이 교신저자로 참여했으며, 부산대 나노융합기술학과 김선주 박사과정생과 권동건 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행했다.

서지연 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 최대 걸림돌이었던 ‘대면적 균일 코팅’ 과 ‘공정의 유독성’ 문제를 동시에 해결한 획기적인 성과”라며 “향후 친환경적이고 효율적인 대량 생산 공정 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

해당 연구 결과는 에너지 소재 분야의 국제 학술지 『Advanced Energy Materials』 1월호에 게재됐다. 

- 논문 제목: Uniform Monolithic Perovskite Films for Scalable Modules: Anti‐Solvent‐Free Crystallization via Seed Priming and Vacuum Processing[대면적 모듈을 위한 균일 페로브스카이트 박막: 시드 프라이밍 및 진공 공정을 통한 무(無) 항용매 결정화 기술]

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202506521 

* 상단 연구진 사진: 지난 2월 4일 부산대 80주년 기념 해외석학 초청특강을 위해 부산대를 방문한 스위스 로잔연방공대 마이클 그라첼 교수와 국내 연구진이 부산대에서 개발한 페로브스카이트 공정 기술로 제작한 미니 모듈을 들고 기념 사진을 촬영하고 있다. 왼쪽부터 부산대 권동건 석박사통합과정생, 부산대 김효정 교수, 한화큐셀 문수진 연구소장, 로잔연방공대 마이클 그라첼 교수, 한국전력연구원 김도형 수석, 부산대 서지연 교수. 

[Abstract]

The scalable fabrication of perovskite solar modules (PSMs) is currently hindered by the difficulty of controlling crystallization over large areas and the reliance on toxic anti-solvents. To address these challenges, we report a novel Seed-primed Vacuum-Assisted Crystallization (S-VAC) strategy that enables the formation of high-quality perovskite films without the use of anti-solvents. By introducing oleylamine (OAm) into the precursor solution, we induced the formation of stable $\alpha$-phase seeds, which serve as templates for crystal growth. Subsequent vacuum processing facilitates the vertical growth of these seeds, resulting in dense, uniform, and pinhole-free films across large substrates. Consequently, the fabricated perovskite mini-modules achieved a power conversion efficiency (PCE) of 19.1%. Notably, the modules exhibited exceptional long-term stability, retaining over 94% of their initial efficiency after one year of outdoor testing. This eco-friendly and scalable approach offers a promising pathway for the commercialization of high-performance perovskite photovoltaics.

- Authors (Pusan National University): Sun-Ju Kim (Department of Nano Fusion Technology), Ji-Youn Seo (Department of Nanoenergy Engineering), Hyo Jung Kim (Department of Organic Material Science and Engineering)

- Title of original paper: Uniform Monolithic Perovskite Films for Scalable Modules: Anti-Solvent-Free Crystallization via Seed Priming and Vacuum Processing

- Journal: Advanced Energy Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/aenm.202506521 

- Contact e-mail: j-y.seo@pusan.ac.kr

부산대 연구실에서 개발된 ‘빛으로 봉합하는’ 의료용 신소재가 기술이전을 거쳐, 실제 수술 현장에 쓰일 ‘경막 봉합용 듀라 실란트’로 탄생해 상용화 단계에 성큼 다가섰다.

부산대기술지주 제17호 자회사인 ㈜에스엔비아에 2024년 이전된 교내 우수 연구성과인 ‘의료용 광가교 소재(HAMA-PA)’ 기술이 의료기기인 ‘경막봉합용 광경화(Photocurable) 듀라 실란트(Dura Sealant)’ 개발로 이어져 비임상 완료 단계에 진입했으며, 연내 상용화를 위한 의료기기 임상시험 신청까지 진행할 예정이다.

이 기술은 바이오소재과학과 양승윤 교수가 개발한 것으로, 기존 조직봉합의 한계를 보완하고, 의료현장의 미충족 수요를 해소할 수 있는 새로운 ‘패치형 조직봉합 기술’로 주목받고 있다.

최근 이 기술에 관한 연구 논문은 세계적인 화학공학 분야 국제 학술지 『Chemical Engineering Journal』에 게재(2026.1.1.)됐고, 앞서 산업통상부로부터 ‘신기술(New Excellent Technology, NET)’ 인증(2025.12.10.)을 받는 등 대학에서 창출된 우수한 연구성과의 성공적 사업화 사례를 기록하며 의료기기 산업 및 임상 의료 생태계 혁신을 가속화할 것으로 기대되고 있다.

특히 해당 연구는 부산대와 부산대병원, ㈜에스엔비아 및 (재)대구경북첨단의료산업진흥재단 등이 공동으로 수행한 산·학·연·병 협력 연구의 결과물로서, 국내 의료기기 기술의 임상 진입 속도를 높이고 상용화 성공 가능성을 키우는 유의미한 이정표가 될 전망이다.

머리(뇌) 또는 척추 수술 과정에서 절개되는 경막(Dura mater, 뇌척수막 중 가장 바깥쪽에 있는 막)은 수술 종료 후, 뇌척수액 유출을 방지하기 위해 수밀봉합(Water-tight suture)*이 반드시 필요하나, 기존의 봉합사를 이용한 봉합법은 시술 시간이 길고 바늘로 인한 추가적인 조직 손상으로 인해 수술 후 지속적인 뇌척수액 유출 위험도 존재한다.

* 수밀봉합(Water-tight suture): 피부나 조직을 완전히 밀폐하도록 봉합해 체액이 외부로 누출되지 않게 하는 수술적 기법. 특히, 신경외과 수술 후 뇌척수액 누출을 방지하기 위해 필수적으로 시행되는 봉합 방법을 의미한다.

또한, 현재 많이 사용되고 있는 수입산 경막봉합용 액상 실란트는 처치 시간을 단축할 수 있으나, 출혈 환경에서 접착력 저하 및 과도한 팽윤으로 중추신경계에 부담을 줄 수 있다는 한계가 지적되고 있다.

반면, 연구팀이 개발한 ‘경막봉합용 광경화 듀라 실란트’는 윤활성과 생체적합성이 우수한 ‘광가교 히알루론산(HAMA-PA)’을 기반으로 해 동결건조 패치 형태로 제조된다. 젖은 조직 환경에서도 체액 흡수를 통해 빠르게 조직에 밀착되고, 광경화 이후 한쪽 면은 강한 접착력을, 다른 한쪽 면은 윤활성을 띄는 ‘야누스(Janus)’ 표면 특성을 가진다.

특히, 저출력 가시광을 이용하기 때문에 5초 이내에 신속한 봉합이 가능해 수술 시간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 체내에서 팽윤이 발생하더라도 무게 증가가 0.1g 이하로 제한돼 후유증을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

【광경화성 히알루론산 기반 야누스(Janus) 패치의 개략도】

동결건조된 광경화성 히알루론산 패치는 체액을 흡수하며 빠르게 조직 표면에 밀착되고,

 광경화 이후 한쪽 면은 강한 접착력을, 다른 한쪽 면은 우수한 윤활성을 갖는 ‘야누스(Janus)’ 표면 특성을 나타낸다. 

이러한 특성은 수술 시간을 단축하고 뇌척수액 누출을 효과적으로 억제해 수술 후 합병증 감소 및 환자 예후 개선에 기여할 것으로 전망된다.

현재, 광경화 듀라 실란트는 비임상 시험을 통해 안전성과 유효성을 검증했으며, 연내 임상시험 신청을 앞두고 있다. 기존 광가교 소재와는 달리 인체 적용이 가능한 수준의 안전성을 확보함에 따라, 향후 국내 최초의 체내형 광경화 의료기기 개발로 이어져 신경외과 수술 시간을 단축하고 뇌척수액 유출을 차단함으로써 환자 예후를 개선할 것으로 전망된다.

한편, 바이오헬스 시장조사기관인 Market Intelo(2024)에 따르면 글로벌 듀라 실란트 시장 규모는 2024년 약 4억 달러로 추산되며, 2033년에는 약 두 배가량 성장해 약 8억 달러 수준으로 확대될 것으로 예측된다.

양승윤 교수는 “광경화 기술은 이미 산업적으로 검증된 플랫폼 기술이지만, 의료분야에서는 안전성 확보가 가장 큰 과제로 남아 있었다”며 “이번 연구는 광가교 히알루론산 소재(HAMA-PA)의 인체 적용 가능성을 실질적으로 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 강조했다. 또한 “해당 기술이 산업통상자원부로부터 신기술 인증을 받은 것은 기술적 완성도와 산업적 파급력을 동시에 인정받은 결과로, 향후 다양한 의료기기 및 치료 플랫폼으로 확장이 기대된다”고 덧붙였다.

공동연구자인 부산대병원 신경외과 남경협 교수(現 동의의료원)는 “경막봉합은 수술 성패와 직결되는 매우 중요한 단계로, 듀라 실란트는 안전성 확보 및 체내 시술 시 유효성 확보가 큰 과제였다”며 “이번에 개발된 듀라 실란트는 낮은 팽윤 특성과 우수한 생체적합성을 동시에 갖추고 있으며, 봉합에 필요한 시간이 단축되며 사용법이 용이해 실제 수술 현장에서 신경외과 의사들이 부담 없이 사용할 수 있는 현실적인 대안이 될 것”이라고 말했다.

에스엔비아 이강오 대표는 “부산대로부터 이전받은 기술을 기반으로 광가교 소재의 양산 시설을 구축했으며, 부산 공장 내에 의료기기 제조소도 확보했다”며 “중소벤처기업부(기술정보진흥원)가 지원하는 스케일업 팁스(TIPS) 과제를 통해 비임상시험을 완료하고 연내 임상시험계획서 제출을 위한 준비를 진행 중이며, 글로벌 파트너십 추진을 통해 광경화 의료소재 기반의 차세대 혁신의료기기 시장을 선도하겠다”는 포부를 전했다.

이번 연구는 부산대 바이오소재과학과 강수빈 연구원과 이혜선 박사가 공동 제1저자로 참여하고, 양승윤 교수가 교신저자를 맡아 부산대 제약학과 윤인수 교수, 부산대병원 남경협 교수와의 다학제 공동연구로 수행했다.

- 논문 제목: A monolithic Janus dural sealant with adhesive and lubricant surfaces activated by non-toxic visible light exposure(독성이 없는 가시광선에 의해 활성화되는 접착면과 윤활면을 동시에 가진 일체형 야누스 듀라 실란트)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171881

해당 연구는 중소벤처기업부 스케일업 팁스 및 과학기술정보통신부 글로벌기초연구실지원과제, 중견연구자지원과제 지원을 받았다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 양승윤 교수, 이혜선 박사.


[Abstract]

Developing Light-Activated Tissue Adhesive Patch for Rapid, Watertight Neurosurgical Sealing

Durotomy, a tear in the dura mater, is a common complication in neurosurgical procedures. The dura mater is a tough protective membrane that surrounds the brain and spinal cord, safeguarding the central nervous system. When this membrane is damaged, cerebrospinal fluid (CSF) can leak, leading to complications such as delayed wound healing, low-pressure headaches, and serious infections. Preventing CSF leakage, therefore, requires a reliable, watertight closure of the dura mater. 

Tissue adhesives are increasingly explored as alternatives to suturing for dural closure because they offer simpler and faster application. However, many existing glue-based sealants suffer from excessive swelling, leading to mass effect, and unwanted tissue adhesion, which can lead to postoperative complications. To address these limitations, researchers have investigated Janus tissue patches, which feature two distinct surfaces—one that adheres strongly to tissue and another that prevents unwanted adhesion. Unfortunately, most existing Janus patches rely on multiple materials and complex, multi-step fabrication processes, limiting their practical use.

In a breakthrough study, a research team from South Korea led by Professor Seung Yun Yang from the Department of Biomaterials Science at Pusan National University has developed an innovative light-responsive, monolithic Janus dural patch using photocurable hyaluronic acid (HA) through a simple approach. “Made from natural biopolymer hyaluronic acid, our dural patch provides strong wet adhesion, along with a lubricating surface that prevents unwanted tissue adhesion, after exposure to non-toxic visible light,” explains Prof. Yang. Their study was made available online on December 16, 2025, and published in Volume 527 of Chemical Engineering Journal on January 01, 2026. 

The researchers selected HA because of its excellent biocompatibility as well as its intrinsic anti-adhesive and lubricating properties. To enable light activation, HA was chemically modified with photocrosslinkable groups—methacrylate (MA) and 4-pentenoate (PA). The resulting HA-based solution was then lyophilized to form a patch with two distinct surfaces: a dense surface with a high polymer concentration and a porous surface with a lower polymer concentration. To further enhance conformal adhesion to wet tissues, the patch was compressed to a thickness of approximately 0.2 mm.  

Laboratory tests showed that the patch could fully seal the wounds within five seconds using low-energy visible light. The dense outer surface exhibited strong wet adhesion, achieving high burst pressure and approximately 50% lower friction than conventional dural sealants. Notably, the adhesion strength was up to ten times higher than that of commercially available tissue adhesives. Meanwhile, the porous surface efficiently absorbed fluids and helped prevent unintended tissue adhesion. The patch also demonstrated minimal swelling and a reduced mass effect—less than 200% swelling and an approximately 0.1 g increase in weight—along with high stretchability, flexibility, and excellent biocompatibility.

The team also tested the developed patch in a rabbit durotomy model, where it achieved rapid and effective dural closure without causing damage to the surrounding skull, dura mater, or brain tissue. This photocurable dural patch has been transferred to the biotech company SNvia, where large-scale manufacturing facilities for photocrosslinkable HA have been established. Nonclinical studies are scheduled to be completed in the first half of 2026, and preparations are underway for submission of a medical device clinical trial application to the Ministry of Food and Drug Safety (MFDS, South Korea) within the same year.

“Our technology will allow surgeons to seal wounds rapidly, significantly reducing the risk of postoperative cerebrospinal fluid leakage,” remarks Prof. Yang. “While photocuring technologies are already well established as industrial platform technologies, ensuring safety has remained a major challenge in medical applications. This study is significant in that it provides practical evidence for the clinical applicability of photocrosslinkable hyaluronic acid (HAMA-PA). Its strong adhesion to wet tissues also opens new possibilities for drug-delivery patches, cell-laden constructs, and artificial tissues.” 

Overall, this innovative dural patch holds great potential for use in diverse applications requiring rapid, watertight sealing.

- Author (Pusan National University): Seung Yun Yang (Department of Biomaterials Science)

- Title of original paper: A monolithic Janus dural sealant with adhesive and lubricant surfaces

- Journal: Chemical Engineering Journal

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171881  

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

부산대 국제공동연구팀이 사람 눈의 망막처럼 빛을 보자마자 신호를 스스로 키우고 기억하는 새로운 이미지 센서를 개발했다. 인간 망막의 신경 신호 전달 방식을 모사해 빛을 감지함과 동시에 신호를 증폭하고 기억하는 방식으로, 향후 인공지능 카메라와 자율주행·로봇 비전, 인공 시각 보조 기술 등 다양한 활용이 기대된다. 

전기전자공학부 심현석(사진) 교수 국제공동연구팀은 인간의 시각 경로(망막-뇌)처럼 빛을 ‘보고-처리하고-기억하는’ 기능을 하나의 구조에서 동시에 수행하는 차세대 곡면형 뉴로모픽(Neuromorphic·뇌신경모사형) 이미징 소자를 개발했다. 이번 성과는 기존 카메라 센서가 촬영(감지)과 처리·기억이 분리돼 전력 소모와 데이터 병목이 컸던 한계를 극복하고, 미래 저전력·고효율 인공지능 비전 시스템 구현을 앞당길 핵심 기술로 주목된다.

연구팀은 실리콘 태양전지(silicon solar cell)와 전해질 기반 시냅스 트랜지스터를 직렬로 연결한 캐스케이드(cascade) 광-전(optical-electrical) 시냅스 구조를 통해, 인간 망막에서 나타나는 시냅스 촉진(synaptic facilitation) 특성을 높은 수준으로 구현했다. 이 구조를 다수 집적하고, 키리가미(kirigami, 절개·접기) 구조 기반 설계를 적용해 사람 눈과 유사한 곡률의 곡면 뉴로모픽 이미저를 제작함으로써, 기존 이미지 센서와 달리 빛 감지와 동시에 신호 전처리 및 기억 기능 수행이 가능함을 실험으로 입증했다.

일반적인 이미지 센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 역할에 주로 머물며, 인식·판단 등 고차 처리는 별도의 인공지능 프로세서가 담당한다. 이 과정에서 데이터 이동이 과도해져 병목 현상, 전력 소모 증가, 처리 지연이 발생하는 문제가 꾸준히 제기돼 왔다. 반면 인간의 망막은 빛을 감지하는 동시에 신경 신호를 ‘전처리’하는 고효율 구조를 갖는다. 

연구팀은 이러한 망막 메커니즘에서 착안해, 태양전지가 빛을 전기 신호로 변환하고(1단), 해당 전기 신호가 시냅스 트랜지스터의 입력으로 다시 사용되는(2단) 캐스케이드 시냅스 메커니즘을 제안했다. 특히 태양전지-전기이중층(EDL) 커패시터 결합 구조에서 생성되는 전기 신호 자체가 PPF(짧은 시간 간격 자극이 누적돼 반응이 커지는 현상) 특성을 자연스럽게 포함해, 신호 전처리 단계에서부터 생물학적 시냅스와 유사한 시간적 누적 효과를 구현했다. 

그 결과 기존 단일 시냅스 소자 대비 신호 증폭률과 기억 특성을 크게 향상시키는 동시에, 선형적인 가중치 변화를 통해 뉴로모픽 학습의 정확도 또한 개선했다. 나아가 키리가미 구조로 구현한 곡면 설계를 통해 인간 눈과 유사한 형태의 뉴로모픽 이미징 시스템을 실현했다.

【캐스케이드 뉴로모픽 구조의 개념 및 공정 구현】

실리콘 태양전지 기반 광수용부–산화물 반도체 시냅스 트랜지스터 직렬 캐스케이드(광-전자-시냅스) 뉴로모픽 구조의 개념과 공정 흐름도를 보여주는 그림. 

(상단 좌측) 생물학적 시각 경로의 광-전기 변환 및 시냅스 전달·처리 과정을 개념적으로 도식화하고,
이를 모사해 실리콘 태양전지를 인공 광수용기로 사용해 생성 신호를 하부 시냅스 트랜지스터 입력으로 전달하는 구조를 제안함.

(상단 우측) 태양전지의 광유도 전압이 이미 시간적·전하적 전처리된 형태로 시냅스 트랜지스터 게이트에 인가되어,
추가 증폭 없이 PSP와 PSC를 효과적으로 유도하는 캐스케이드 원리를 회로 개념도로 설명한 그림.

(하단) 제안된 캐스케이드 구조를 표준 반도체 공정으로 구현한 결과를 제시함.
실리콘 태양전지-절연층-In₂O₃채널-금속 전극 적층 구조의 분해도와 소자 광학현미경 이미지, A-A′단면도를 통해
층 두께·정렬·전기적 연결을 확인함. 단일 플랫폼에서 광감지-신호 증폭-시냅스 동작을 통합해 뉴로모픽 이미징/인지 소자로의 확장 가능성을 보여줌.

한국을 비롯해 미국·중국·홍콩 등 글로벌 연구진이 참여한 이번 연구 성과는 향후 차세대 인공지능 카메라, 자율주행 및 로봇 비전, 인간-기계 인터페이스(HMI), 인공 시각 보조(시각 보철) 기술 등 다양한 분야에서 저전력·고효율 뉴로모픽 비전 플랫폼으로 활용될 것으로 기대된다.

심현석 교수는 “이번 연구는 소자 구조와 신호 전달 방식을 통합적으로 설계한 뉴로모픽 비전 플랫폼을 제안한 것으로, 인간의 시각 경로(망막-뇌)처럼 ‘보고, 처리하고, 저장하는’ 전자 시스템 구현에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 됐다”고 말했다.

이번 논문은 전기전자공학부 심현석 교수가 제1저자, 미국 일리노이대 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign, UIUC) 위춘장(Cunjiang Yu) 교수가 교신저자로 수행했으며, 세계적인 학술지 『네이처』의 자매지인 『Nature Electronics』 온라인판 1월 7일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: A neuromorphic imager based on a cascaded optoelectronic synapse(캐스케이드 구조의 광전자 시냅스를 이용한 뉴로모픽 이미지 센서)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41928-025-01540-w 

※ 용어 설명

  - 뉴로모픽(Neuromorphic): 뇌/신경계의 정보 처리 방식을 본떠, 적은 전력으로 빠르게 계산·학습하려는 기술/소자 설계 개념

  - 시냅스 촉진(Synaptic facilitation): 짧은 시간 간격으로 자극이 반복되면 신호 전달이 더 강해지는 현상(‘누적 효과’)

  - PPF(Paired-Pulse Facilitation): 두 번의 자극이 가까운 시간 간격으로 들어올 때 두 번째 반응이 더 커지는 시냅스 특성

  - 전기이중층(EDL, Electric Double Layer): 전해질-전극 경계에 전하가 얇게 쌓이며 큰 정전용량을 만드는 구조(작은 전압으로도 신호 변화를 크게 만들 수 있음)

  - 캐스케이드(cascaded) 구조: 2단 이상 기능을 직렬로 연결해, 앞단 출력이 뒷단 입력으로 이어지는 구성(여기서는 ‘빛→전기→시냅스’ 연쇄)

  - 키리가미(kirigami) 구조: 종이를 자르고 펼치듯, 절개 패턴을 이용해 평면 재료를 잘 휘어지게 만들어 곡면 형태로 구현하는 설계 방식

[Abstract]

The human retina can provide inspiration for the development of optoelectronic devices for artificial vision systems. It has, in particular, a curved geometry for low optical aberration imaging and is capable of signal preprocessing, in part due to its high synaptic facilitation. However, it remains challenging to create artificial synaptic devices with mechanical softness, curvilinear form factors and superior synaptic facilitation. Here we report a cascaded two-stage optoelectronic synapse that uses silicon photovoltaic cells to modulate sodium-alginate-gated synaptic transistors. The photovoltaic cells and an electric double-layer capacitor convert the initial light signal into a gate voltage (stage one), which then controls the postsynaptic current in the channel of the synaptic transistor (stage two). This cascaded synaptic signal transmission mechanism results in high synaptic facilitation of the postsynaptic signal. The system exhibits stable and long-term linearly potentiated characteristics, enhancing the accuracy of pattern recognition. We use an array of the cascaded optoelectronic synapses to create a curvy, kirigami-structured neuromorphic imager, which mimics the curved geometry and neural signal transmission of the human retina and provides visual information sensing and preprocessing functions.

- Author (Pusan National University): Hyunseok Shim (School of Electrical and Electronics Engineering)

- Title of original paper: A neuromorphic imager based on a cascaded optoelectronic synapse

- Journal: Nature Electronics 

- Web link: https://www.nature.com/articles/s41928-025-01540-w

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

집을 사면 더 행복해질까? 도시공학과 최열 명예교수 연구팀의 분석 결과, 주택 소유가 삶의 만족도에 미치는 영향은 보편적이지 않으며 소득 수준과 생애주기에 따라 상이한 양상을 보이는 것으로 나타났다. 

특히 저소득 가구의 경우 장기적인 자가 거주는 삶의 만족도를 높이는 반면, 임차에서 자가로 전환되는 단기 시점에서는 재정 부담과 스트레스로 오히려 만족도가 낮아지는 것으로 분석됐고, 중·고소득 가구에서는 장기 자가 거주가 삶의 만족도와 부정적인 관계를 보였다.

연구팀은 2008년부터 2023년까지 16년에 걸친 한국복지패널(KOWEPS) 장기 추적자료를 활용해 주택 소유의 단기 효과와 장기 효과를 구분해 분석한 논문을 발표했다. 

주택은 단순한 거주 공간을 넘어 개인의 안정성, 자산 형성, 삶의 질을 좌우하는 핵심 요소로 인식돼 왔다. 특히 우리 사회에서는 ‘내 집 마련’이 삶의 만족과 직결되는 것으로 여겨지며, 주거정책 역시 자가 보유 확대를 주요 목표로 설정해 왔다. 그러나 주택 소유가 실제로 모든 계층과 생애주기에서 동일한 삶의 만족으로 이어지는지에 대해서는 장기적·실증적 검토가 충분히 이뤄지지 않았다.

기존 연구들은 주택 소유 여부와 삶의 만족도의 관계를 단면자료에 기반해 분석하거나, 자가와 임차를 단순 비교하는 데 그쳐 주택 소유의 시간적 효과와 집단 간 이질성을 충분히 설명하지 못했다. 주택 구입 과정에서 발생하는 재정적 부담과 스트레스가 단기적으로 삶의 만족도에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 장기적인 주거 안정이 실제로 누구에게 긍정적으로 작용하는지에 대한 실증 연구는 매우 제한적이었다.

이에 연구팀은 동일 개인을 장기간 추적할 수 있는 패널자료의 강점을 활용해, 주택 소유의 ‘단기 전환 효과’와 ‘장기 지속 효과’를 명확히 구분하는 분석틀을 적용했다. 연구팀은 최소 10년 이상 조사에 참여한 2,860명의 개인을 대상으로, 순서형 패널 로짓 모형과 Mundlak 보정을 활용해 개인 내 변화와 개인 간 구조적 차이를 동시에 고려하는 분석을 수행했다.

연구 결과, 전체 표본에서는 주택 소유 여부 자체가 삶의 만족도와 통계적으로 유의한 관련을 보이지 않았다. 그러나 소득 수준별 분석에서는 뚜렷한 차이가 나타났다. 

저소득 가구의 경우, 장기간 자가 상태를 유지하는 것은 삶의 만족도를 높이는 반면, 자가로 전환되는 단기 시점에서는 만족도가 유의하게 낮아졌다. 이는 주택 구입 과정에서 수반되는 대출 부담과 재정적 압박이 단기적으로 작용한 결과로 해석된다. 

반면 중·고소득 가구에서는 장기적인 자가 거주 상태 자체가 삶의 만족도와 오히려 부정적인 관계를 보이며, 주택 소유가 반드시 주관적 행복으로 이어지지 않는 양상이 확인됐다. 이는 시간이 지남에 따라 주거 수준에 대한 기대치가 높아지는 현상과 관련된 결과로 해석된다.

【소득 수준별 주택 소유의 단기·장기 효과 방향】

주택 소유가 삶의 만족도에 미치는 영향은 소득 수준에 따라 상이하게 나타남.
저소득 가구의 경우 자가 전환 직후에는 만족도가 감소하지만, 장기적으로는 자가 상태가 삶의 만족도를 유의미하게 높이는 반면,
중·고소득 가구에서는 장기 자가 상태가 오히려 삶의 만족도와 부정적인 관계를 보임.

한편, 이번 연구에서 가장 일관되게 강한 영향을 미친 요인은 주택 소유 여부가 아니라 근린 만족도였다. 거주 지역의 환경과 생활 여건에 대한 만족도가 높을수록 삶의 만족도 역시 크게 높아졌으며, 이러한 효과는 소득 수준과 생애주기에 관계없이 전 집단에서 공통적으로 관찰됐다. 이는 주거정책이 소유 중심 접근을 넘어, 지역 환경과 생활 여건의 질을 함께 고려해야 함을 시사한다. 

【삶의 만족도 주요 결정 요인의 단기·장기 효과 비교】

근린 만족도는 단기와 장기 모두에서 삶의 만족도와 가장 강한 양(+)의 관계를 보이는 반면, 

주택 소유 여부 자체는 유의미한 영향을 미치지 않음. 

장기적으로는 과도한 주거비 부담이 삶의 만족도를 유의하게 저하시키는 핵심 요인으로 확인됨.

이에 대해 최열(교신저자) 교수와 손희주(제1저자) 박사는 “이번 연구는 주택 소유의 효과가 획일적이지 않다는 점을 장기간 실증자료를 통해 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “주거정책은 단순히 자가 보유를 장려하는 방향이 아니라, 소득 수준과 생애주기에 따라 주거 안정이 실제 삶의 만족으로 이어질 수 있는 조건을 정교하게 설계할 필요가 있다”고 설명했다.

이번 연구에서 제시한 분석 방법과 결과는 주택 소유의 사회적 효과를 보다 입체적으로 이해할 수 있는 실증적 근거를 제공하며, 향후 주거복지 정책과 주택 공급 전략을 수립하는 데 있어 중요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.   

이번 연구는 도시·주거 분야의 대표적인 국제 SSCI 학술지인 『도시과학국제저널(International Journal of Urban Sciences)』 2026년 6월호에 게재될 예정이다.

- 논문 제목: The homeownership effect: understanding short- and long-term impacts on life satisfaction(주택 소유 효과: 삶의 만족도에 대한 단기 및 장기적 영향)

- 논문 링크(DOI): https://doi.org/10.1080/12265934.2025.2570435

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 최열 명예교수, 손희주 박사.

[Abstract]

While housing tenure has long been considered a key determinant of life satisfaction, its effects remain inconsistent across socioeconomic and demographic groups. Drawing on longitudinal data from the Korea Welfare Panel Study (KOWEPS), this study applies an ordered logistic panel model to examine how the relationship between housing tenure and life satisfaction varies by income level and life stage. Contrary to the common assumption that homeownership universally enhances well-being, the analysis finds no significant tenure effect in the full sample. 

However, disaggregated results reveal important heterogeneity. Among low-income households, long-term homeownership is positively associated with life satisfaction, while short-term transitions are linked to reduced well-being – likely due to debtrelated stress. In contrast, tenure has negligible or even negative effects among middle – and high-income groups. A life-course perspective further indicates that tenure benefits are most salient in midlife, with limited effects in early or later adulthood. 

Neighborhood satisfaction consistently emerges as a stronger predictor of well-being than tenure status itself, especially for low-income individuals. Moreover, a counterintuitive negative association is found between long-term housing adequacy and life satisfaction, particularly among higher-income respondents, reflecting rising expectations over time. These findings highlight the conditional and dynamic nature of housing effects on wellbeing.

Rather than promoting homeownership as a universal ideal, housing policy should be tailored to reflect the diverse needs of different socioeconomic and life-stage groups. The study contributes to the literature by integrating theoretical insights with panel-based empirical analysis, offering practical implications for more equitable and context-sensitive housing strategies.

- Author (Pusan National University): Yeol Choi (Department of Urban Planning and Engineering)

- Title of original paper: The homeownership effect: understanding short- and longterm impacts on life satisfaction

- Journal: International Journal of Urban Sciences

- Web link: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/12265934.2025.2570435 

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