의생명융합공학부 서민호 교수 연구팀이 장시간 안정적으로 수소 가스 농도를 무선으로 검출하는 고민감도 센서 기술 개발에 성공했다.

‘수소 가스’는 에너지 효율이 뛰어나고, 연소 시 오직 물만 배출하는 친환경 연료로 각광받고 있다. 그러나 무색·무취의 수소는 4% 농도 이상일 때 극도로 위험한 폭발성을 띠어 안전 관리가 필수적이다. 이를 위한 초고감도 수소 감지 센서 개발이 요구되는 상황에서 연구팀이 장시간 성능이 유지되는 팔라듐 기반의 고성능 센서를 개발해 차세대 에너지 산업 혁신이 기대된다.

은백색 금속인 팔라듐(Pd)을 이용한 기존 수소 감지 센서는 민감도가 뛰어나지만, 대기 중에 노출되면 오염돼 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다. 그러나 이번 연구에서는 팔라듐 표면 오염의 근본 원인을 밝히고, 이를 완벽히 제거하는 방법까지 제시했다. 

【제안하는 팔라듐 수소 가스 센서 성능 회복 방법 컨셉(a~c)과 실제 제작된 팔라듐 나노와이어 수소 센서(d~g)】

연구팀은 양자역학 기반의 밀도 범함수 이론(DFT)과 실험 분석을 통해 대기 중 이산화탄소(CO₂)가 팔라듐 표면을 오염시키는 주범임을 밝혀냈고, 200℃의 열로 오염 물질을 제거해 팔라듐의 초기 성능을 완벽히 회복시키는 기술을 개발했다.

이 기술을 바탕으로 반도체 기반 마이크로기계전자시스템(MEMS)을 적용해 손톱 크기의 초고성능 팔라듐 수소 센서를 제작, 2달 이상 대기 중 방치된 후에도 열처리만으로 초기 성능을 완벽하게 되살리는 데 성공했다. 

이번 연구를 주도한 서민호 교수는 “이번 성과는 수소 가스 누출 사고 예방과 수소 에너지의 안전성 강화에 획기적인 전환점을 제공하며, 수소 경제의 핵심 기술로 자리잡을 것”라고 전망했다.

해당 연구 결과는 ‘Long-term reliable wireless H₂ gas sensor via repeatable thermal refreshing of palladium nanowire(팔라듐 나노와이어의 열 회복 매커니즘을 통한 장시간 지속 가능한 무선 수소 가스 센서)’라는 제목으로 국제 학술지 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』온라인판 10월 9일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53080-0 

이번 연구는 2024년도 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 중견연구지원사업과 혁신연구센터지원사업의 지원을 받아, 부산대 의생명융합공학부 서민호 교수팀과 나노에너지공학과 강준희 교수팀, 한국과학기술원(KAIST) 윤준보 교수 연구팀 공동으로 진행됐다.

* 상단 인물 사진: 왼쪽부터 강준희 교수와 서민호 교수 

[Abstract]

The increasing significance of hydrogen (H₂) gas as a clean energy source has prompted the development of high-performance H₂ gas sensors. Palladium (Pd)-based sensors, with their advantages of selectivity, scalability, and cost-effectiveness, have shown promise in this regard. However, the long-term stability and reliability of Pd-based sensors remain a challenge. This study not only identifies the exact cause for performance degradation in palladium (Pd) nanowire H₂ sensors, but also implements and optimizes a cost-effective recovery method. The results from density functional theory (DFT) calculations and material analysis confirm the presence of C = O bonds, indicating performance degradation due to carbon dioxide (CO₂) accumulation on the Pd surface. Based on the molecular behavior calculation in high temperatures, we optimized the thermal treatment method of 200℃ for 10 minutes to remove the C = O contaminants, resulting in nearly 100% recovery of the sensor’s initial performance even after 2 months of contamination. 

* Reference

- Authors (Pusan National University)

· Min-Ho Seo (School of Biomedical Convergence Engineering)

· Joonhee Kang (Department of Nanoenergy Engineering)  

· Ki-Hoon Kim (Department of Information Convergence Engineering)

- Title of original paper: Long-term reliable wireless H₂ gas sensor via repeatable thermal refreshing of palladium nanowire 

- Journal: Nature Communications

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-53080-0 

물리학과 김지희 교수 연구팀은 잔류물 없는 나노미터급 고해상도 공정을 구현할 수 있는 ‘반데르발스 금속 마스크(van der Waals Metal Mask)’ 기술을 개발해 2차원 물질 기반 소자 제작의 혁신적인 접근법을 제시했다. 이 기술은 기존 공정의 한계를 뛰어넘어 다양한 2D 물질 소자의 정밀 제작과 신뢰성을 대폭 향상시킬 것으로 기대된다.

기존 2차원 반도체 소자 제작 공정 과정에서 가장 문제로 꼽히는 표면 유기 잔류물(Organic residue) 문제를 완전히 해결하면서, 다양한 2차원 물질의 고해상도 공정을 구현하는 새로운 방식을 제안한 것이다. 연구팀은 금(Au)과 은(Ag)으로 구성된 금속 필름을 탐침(Tip)을 이용해 전사하는 탐침 기반 전사 기술(probe tip-assisted metal film transfer technique)을 개발해(그림1), 1-μm 이하의 정밀한 패턴 전사가 가능함을 입증했다(그림2). 이 기술은 기존 기술과 달리 유기 잔류물이 남지 않으며, 다양한 물리적, 전기적 소자 제작의 가능성을 열었다. 

【(상단)그림1. 탐침 기반 금속 필름 전사 기술 / 그림2. sub-1 μm의 금속 전극 패턴 전사 결과】

이번 연구 결과는 ‘Robust van der Waals Metal Mask for Residue-Free and All-Solid 2D Material Engineering(잔류물 없는 2D 물질 공정을 위한 강력한 반데르발스 금속 마스크)’이라는 제목으로 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 11월 12일자에 게재됐다.

- 논문 링크: http://doi.org/10.1002/adfm.202407821 

전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichacogenides)와 그래핀을 포함하는 2차원 물질은 높은 전기적 이동도와 강한 빛-물질 상호작용으로 광전소자 및 나노소자 개발에서 주목받고 있다. 그러나 기존 리소그래피 기반 공정에서 발생하는 유기 잔류물이 반도체 표면이나 반도체-금속 전극 계면에 남아 소자 특성 측정 결과에 큰 영향을 미친다. 또한, 고가의 장비 의존성은 연구와 응용을 제한하는 주요 장애물로 작용한다. 이에 따라, 잔류물 없이 간단하면서도 비용 측면에서 효율적인 고해상도 금속 전극 공정의 필요성이 대두됐다.

이에, 연구팀은 금속 필름(Au/Ag)을 탐침 기반으로 전사해, 유기 화학물질을 사용하지 않고도 2차원 물질의 표면에서 나노미터급 정밀 전극을 가공할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

탐침을 이용한 금속 필름 전사로 기존 리소그래피 공정에서 발생하는 유기 잔류물로부터 완전히 자유롭고, 1-μm 이하 고해상도 공정 구현 및 유연소자 제작에 용이한 이 기술은 WSe2, MoS2 등 다양한 2차원 물질에 적용 가능하며, 특히 고성능 광전소자 제작에 적합하다. 

기존 리소그래피 대비 공정 단순성과 비용 효율성에서 우수하며, 유기 잔류물 없는 반도체-금속 계면 처리로 신뢰도 높은 소자 특성을 구현했으며, 스퍼터나 E-beam 증착법을 이용하는 기존 금속 전극 제작 방식에서 고질적으로 발생하는 2차원 반도체 물질의 표면 결함 문제도 최소화할 수 있다.

이번 논문의 교신저자인 김지희 교수는 “반데르발스 금속 마스크를 활용한 탐침 기반 전사 기술을 제안한 이번 연구는 기존 리소그래피 공정을 대체할 수 있는 혁신적인 접근법이다. 유기 잔류물 문제를 완전히 배제하는 금속 전극 공정을 구현함으로써 2D 물질 연구와 소자 제작의 새로운 가능성을 열었다. 다양한 2D 광전소자뿐만 아니라 유연한 호기 센서, 광통신, 원격 감지, 비침습적 질병 진단 모니터링과 같은 첨단 산업 전반에 걸쳐 폭넓은 파급 효과를 가져올 것으로 기대된다”고 말했다. 

[Abstract]

The van der Waals (vdW) contact, characterized by its bondless interactions, opens up exciting possibilities in cutting-edge mask technology. It enables incredibly close proximity to samples at the atomic level while facilitating non-destructive engineering. In this study, the concept of a vdW metal mask using the template striped ultra-flat Ag/Au film is introduced. The probe tip-assisted metal film transfer under an optical microscope is employed to showcase all-solid and residue-free engineering on 2D materials. The robust nature of the vdW metal mask allows for various treatments, including gas, liquid, solid, plasma, and light, making it a universal tool for fabricating 2D material-based devices and samples with sub-1 μm resolution, all without the need for lithography technologies. With the superiority in simple sample fabrication, ultra-clean surfaces, and robustness under harsh conditions, the technique is believed to flourish in the 2D material research field.

* Reference

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

- Title of original paper: Robust van der Waals Metal Mask for Residue-Free and All-Solid 2D Material Engineering

- Journal: Advanced Functional Materials

- DOI: http://doi.org/10.1002/adfm.202407821 

미생물학과 이은희 교수팀은 환경 물질의 영향을 받지 않으면서 해수와 담수에서 분변 오염의 주요 지표로 활용되는 장구균(Enterococcus)을 선택적으로 검출할 수 있는 새로운 분석법을 개발했다.

‘장구균(Enterococcus, 엔터로코커스)’은 인간과 동물의 소화계에서 흔히 발견되는 미생물로, 해수와 담수를 포함한 다양한 수환경에서 분변(糞便) 오염의 주요 지표로 활용된다. 

기존 Enterococcus 검출 방법으로는 미생물 생장 기반의 배양법, 유전자 분석 기반의 PCR, 색변화, 전기신호 변화를 이용하는 센서 등이 알려져 있다. 이러한 검출법은 높은 감도를 보이지만, 전처리와 배양에 시간이 소요되며 환경 내 다양한 물질로부터 영향을 받을 수 있다는 한계가 있다. 이러한 점에서 외부 환경 요인에 간섭을 받지 않으면서도, 전처리가 필요하지 않고 신속 정확하게 Enterococcus를 검출할 수 있는 새로운 방법 개발이 필수적이다.

이번에 개발된, 환경 물질의 간섭을 받지 않는 새로운 Enterococcus 검출법은 금 나노입자, 스트렙타비딘, 바이오틴화된 Enterococcus 항체 등을 사용한다. Enterococcus 검출은 금 나노입자의 응집 정도를 측정하는 방식으로 진행된다. Enterococcus가 존재할 경우, 스트렙타비딘과 바이오틴화된 항체 간의 상호작용이 억제돼 금 나노입자가 응집되지 않고, Enterococcus가 존재하지 않으면 금 나노입자가 응집되도록 설계됐다. 

이를 통해 3시간 이내에 10-10⁷ CFU/mL 범위의 Enterococcus를 측정할 수 있었으며, Escherichia coli와 같은 다른 장내 세균이 공존하는 조건에서도 Enterococcus만을 선택적으로 검출해 냈다. 실제 해수와 담수를 대상으로 한 조사에서도 다른 세포나 환경 요인에 의한 간섭은 발견되지 않았으며, 기존 Enterococcus 검출 표준방법과 유사한 결과를 보여 높은 신뢰성을 입증했다.

【간섭 저항성 금 나노입자 기반 장구군 검출법 모식도】

(a-b) Enterococcus가 존재하지 않을 때 반응 및 신호 변화 (c-d) Enterococcus가 존재할 때 반응 및 신호 변화

금 나노입자 기반의 측정법은 복잡한 전처리 과정 없이 빠르고 선택적으로 Enterococcus를 검출할 수 있어, 실시간 수질 모니터링에 적합하다. 또한, 해수 및 담수 환경에서 다른 세균이나 환경 물질에 간섭받지 않고 Enterococcus만을 선택적으로 검출할 수 있다는 점은 매우 실용적이다. 이번 연구결과는 수질 관리와 오염 감지 시스템의 효율성을 크게 향상시킬 수 있으며, 장기적으로는 공중 보건 향상과 환경 보호에 기여할 것으로 기대된다.

이은희 교수는 “수질 관리 및 공중 건강을 위해 신속하고 정확한 분변 오염 모니터링은 반드시 필요하다. 이번 연구는 다양한 환경 방해 인자가 존재하는 조건에서도 Enterococcus를 선택적으로 검출할 수 있는 신규 기법으로, 기존 배양 기반의 Enterococcus 검출법을 대체해 분변 오염을 신속하게 감지할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

【왼쪽부터 이은희 교수, 장윤수 박사과정생】

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 G-램프사업 지원을 받아, 미생물학과 이은희 교수가 교신저자, 장윤수 박사과정생이 제1저자로 수행해 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 10월 5일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Interference-resistant gold nanoparticle assay for detecting Enterococcus in fresh and marine waters(해수 및 담수 속 Enterococcus 검출을 위한 간섭 저항성 금 나노입자 기반 분석법)

- 논문 링크:  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389424020429 

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135463 

[Abstract]

Enterococci are common indicators of fecal contamination and are used to assess the quality of fresh and marine water, sand, soil, and sediment. However, samples collected from these environments contain various cells and other factors that can interfere with the assays used to detect enterococci. We developed a novel assay for the sensitive and specific detection of enterococci that is resistant to interference from other cells and environmental factors. Our interference-resistant assay used 30-nm gold nanoparticles (AuNPs), streptavidin, and a biotinylated Enterococcus antibody. Enterococci inhibited the interaction between streptavidin and biotin and led to the disaggregation of AuNPs. The absence of enterococci led to the aggregation of AuNPs, and this difference was easily detected by spectrophotometry. This interference-resistant AuNP assay was able to detect whole cells of Enterococcus in the range of 10 to 10⁷ CFU/mL within 3 h, had high specificity for enterococci, and was unaffected by the presence of other intestinal bacteria, such as Escherichia coli. Our examination of fresh and marine water samples demonstrated no interference from other cells or environmental factors. The interference-resistant AuNP assay described here has the potential to be used as a rapid, simple, and effective method for monitoring enterococci in diverse environmental samples.

* Reference

- Authors (Pusan National University) 

 · First author: Yunsoo Chang (Department of Microbiology)

 · Corresponding author: Eun-Hee Lee (Department of Microbiology, Institute for Future Earth)

- Title of original paper: Interference-resistant gold nanoparticle assay for detecting Enterococcus in fresh and marine waters

- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389424020429 

- Journal: Journal of Hazardous Materials

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135463

우리나라를 포함해 세계 공통적으로 월요일과 새해 첫날에 자살 위험이 가장 높다는 부산대 연구 결과가 나왔다. 자살 예방을 위한 효과적인 맞춤형 행동 계획 수립에 도움을 줄 전망이다.

정보의생명공학대학 의생명융합공학부 이환희 교수 연구팀이 요일·공휴일별 자살 위험 패턴과 관련해 한국·일본 등 26개국의 1971년부터 2019년까지 49년간 170만여 건의 자료를 바탕으로, 모든 국가에서 월요일 자살 위험이 가장 높고 새해 첫날 또한 자살 위험이 증가한다는 분석 결과를 얻었다.

※ 분석 대상 26개국: 캐나다, 미국, 코스타리카, 과테말라, 멕시코, 브라질, 칠레, 에콰도르, 파라과이, 오스트레일리아, 남아프리카, 중국, 일본, 한국, 필리핀, 대만, 베트남, 체코, 에스토니아, 핀란드, 독일, 이탈리아, 루마니아, 스페인, 스위스, 영국

자살은 전 세계적으로 주요한 공중 보건 문제로, 특히 15세에서 29세 사이의 젊은 층에서는 네 번째로 높은 사망 원인이다. 자살의 시간적 변동을 이해하는 것은 이러한 심각한 문제에 대응하고, 효과적인 예방 전략을 마련하는 데 필수적인 요소다.

그동안 자살 위험의 시간적 변동을 다룬 연구들이 있었지만, 대부분 서구권에 편중돼 그 결과를 다양한 문화권에 적용하는 데 한계가 보였다. 특히, 아시아를 포함한 서구권 이외의 국가들을 대상으로 한 포괄적인 연구는 매우 부족한 실정이었다. 이러한 공백을 해소하기 위해 부산대 연구팀은 한국과 일본을 포함한 여러 국가의 데이터를 바탕으로 요일 및 국가 공휴일에 따른 자살 위험 변동 연구를 수행했다.

이를 위해 이환희 교수팀은 26개국 740개 지역에서 수집된 데이터를 활용해 자살 위험 패턴을 조사했다. 연구는 다국가 다도시 협력 연구 네트워크(Multi-City multi-Country, MCC)의 데이터베이스를 기반으로 1971년부터 2019년까지의 일별 자살 건수와 일평균 기온 데이터를 포함한 170만 건 이상의 자살 사례 분석으로 진행됐다.

연구 결과, 모든 국가에서 월요일에 자살 위험이 가장 높았다. 이러한 결과는 ‘깨진 약속 효과(Broken Promise Effect)*’가 가장 유력한 가설로 설명될 수 있으며, 사람들이 새로운 주기가 시작될 때 절망감이 커져 자살 위험이 급격히 상승할 수 있다는 것이다. 반면, 주말의 영향은 국가마다 다르게 나타났다. 

* 깨진 약속 효과(Broken Promise Effect): 사람들이 주말이나 연말처럼 한 주기가 끝날 때 새로운 시작을 기대하며 자살을 미루다가, 월요일이나 새해 첫날처럼 새로운 주기가 시작되면 더 큰 절망감을 느끼며 자살 위험이 증가하는 현상.

새해 첫날에도 모든 국가에서 자살 위험이 크게 증가하는 경향이 나타났다. 크리스마스의 경우 국가마다 자살 위험의 패턴에 차이가 있었으며, 많은 국가에서 공휴일 이후 자살 위험이 상승하는 경향을 보였다.  

또한, 남성이 여성보다 월요일과 새해 첫날 같은 특정 시점에 자살 위험이 더 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 성별에 따른 자살 예방 전략의 필요성을 시사한다.

월요일과 새해 첫날에 자살 위험이 가장 높다는 분석 결과는 자살 예방 전략 수립 시 특정 요일과 시기에 맞춤형 개입의 필요성을 제시한다. 이번 연구는 자살 위험이 시간적·문화적 요인에 따라 달라질 수 있다는 중요한 통찰을 제공하며, 각국이 자살 위험이 높은 시기에 효과적이고 시기적절한 대응책을 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다. 

【이환희 교수】

이번 연구는 부산대 의생명융합공학부 이환희 교수, 서울대 보건대학원 강신우 박사과정생, 일본 도쿄대 글로벌환경보건학과 김윤희 교수가 주도해 다국가 다도시 협력 연구 네트워크(MCC)로 구성된 국제 연구팀과 함께 공동으로 진행했다.

해당 연구결과는 세계적인 국제 학술지 『The BMJ(British Medical Journal)』 10월 23일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Association of holidays and the day of the week with suicide risk: multicountry, two stage, time series study (공휴일 및 요일과 자살 위험의 연관성: 다국가, 2단계, 시계열 연구) 

- 논문 링크: https://www.bmj.com/content/387/bmj-2024-077262.full 

연구를 주도한 이환희 교수는 “이번 연구는 다양한 국가에 통합된 접근 방식을 적용함으로써, 요일 및 휴일에 따른 자살 위험이 공간적·문화적 요인에 따라 어떻게 변하는지를 심층적으로 이해할 수 있는 중요한 자료를 제공한다”며 “이를 바탕으로 근거 기반의 자살 예방 이론이 더욱 강화되고, 효과적인 자살 예방 전략이 마련되는 계기가 되길 바란다”고 말했다.

* 상단 그림: 요일 및 공휴일에 따른 자살 위험 변화

이번 연구는 월요일과 새해 첫날에 자살 위험이 가장 높다는 사실을 여러 국가에서 밝혀냈다. 이러한 발견은 자살 예방을 위한 더 효과적이고 맞춤형 행동 계획 수립에 기여할 수 있다.

[Abstract]

Pusan National University Researcher Unveil That Mondays and New Year’s Day Have Highest Suicide Risk

Researchers investigated temporal variations in suicide risk across multiple countries, revealing crucial insights for improved prevention strategies

Suicide, a leading global health concern, ranks fourth among young people. Although many studies have reported temporal variations in suicide risk, most are limited to Western countries. Addressing this gap, researchers from Korea and Japan in collaboration with other countries conducted a multi-country multi-city study to investigate variations in suicide risk based on the day of the week and national holidays, revealing key insights that could help form effective and targeted suicide prevention action plans.

Suicide is a pressing global public health concern, claiming around 700,000 lives in 2019 according to the World Health Organization, making it the fourth leading cause of death among young people aged between 15 and 29 years. Understanding the mechanisms of suicide is, therefore, essential for creating effective prevention strategies.

Research has shown that suicide rates vary with the time of the year. Several studies have also reported short-term variations based on the day of the week and holidays. The “broken-promise effect theory” has been widely adapted to explain these variations. This theory states that people may postpone suicides in hopes of a new beginning when a cycle ends, such as on weekends or at the end of the year, while they may feel more vulnerable and hopeless at the start of a new cycle, such as on Mondays or New Year’s Day. However, these findings cannot be generalized, as existing studies mainly focus on Western countries.

To address this gap, an international research team consisting of Whanhee Lee (Assistant Professor, the School of Biomedical Convergence Engineering at Pusan National University, South Korea), Cinoo Kang (Doctoral Student, the Graduate School of Public Health, Seoul National University, South Korea), Yoonhee Kim (Associate Professor, Department of Global Environmental Health, The University of Tokyo, Japan), and the Multi-City multi-Country (MCC) Collaborative Research Network investigated short-term variations in suicide risk concerning the days of the week and national holidays across various countries. 

“Applying a unified approach to various countries allows us to provide comparable results and better understand how suicide risk changes across different timescales and diverse cultures,” explains Dr. Lee. Their study was published in The BMJ on date month, year.

The researchers used an advanced statistical technique called standardized two-stage time series analysis to investigate suicide risk patterns. They analyzed data from 740 locations across 26 countries, gathered from the Multi-country Multi-city Collaborative Research Network database. This dataset comprised 1.7 million suicide cases, including daily suicide counts along with daily mean temperature data spanning from January 1971 to December 2019. 

The results revealed that suicide risk was highest on Mondays across all countries, though the effect of weekends varied. New Year’s Day was associated with an increase in suicide risk in all countries, while Christmas showed a mixed pattern. Although there was an overall decreasing trend in suicide risk on other national holidays, the risk tended to increase after these holidays in most countries. Notably, the findings also showed that men are more vulnerable to variations related to the day of the week and New Year’s Day compared to women.

Highlighting the importance of this study, Dr. Lee remarks “Our findings provide a better understanding of the temporal variations in suicide, which can lead to better evidence based-suicide theories.” 

We hope that this large-scare study can lead to timely interventions, potentially saving countless lives. 

* Reference

- 1st author (Pusan National University): Whanhee Lee (School of Biomedical Convergence Engineering)

- Title of original paper: Association of holidays and the day of the week with suicide risk: multicountry, two stage, time series study

- https://www.bmj.com/content/387/bmj-2024-077262.full 

- Journal: The BMJ 

- DOI: 10.1136/bmj-2024-077262

- About the author

Dr. Whanhee Lee is an Assistant Professor at the School of Biomedical Convergence Engineering at Pusan National University. He has a Ph.D. in Public Health (Biostatistics major) from Seoul National University and his main research interests include climate change, air pollution, health disparities, and planetary health. He can be reached at whanhee.lee@pusan.ac.kr.

- Lab website: https://www.whanheelee.com 

- ORCID id: 0000-0001-5723-9061

융합의과학과 홍창완 교수 연구팀이 CAR-T 세포의 항암 면역반응에서 활성산소(Reactive Oxygen Species, ROS)에 반응하는 Nrf2 전사인자*의 역할을 규명하고, 기존 혈액암뿐만 아니라 고형암에도 적용 가능한 CAR-T 세포 치료기술의 가능성을 확인했다. 혈액암에 대한 면역치료법으로 알려진 ‘CAR-T 세포 치료법’을 전체 암의 90%를 차지하는 고형암에도 효과적으로 적용할 수 있는 길이 열린 것이다.

* 전사인자(transcription factor): 세포 내에서 유전자 발현을 조절하는 단백질.

연구팀은 활성산소에 반응해 항산화 기능을 활성화하는 Nrf2 전사인자가 CAR-T 세포의 암세포 공격 기능을 방해한다는 사실을 밝혀냈다. 기존 CAR-T 세포 치료는 혈액암에서 큰 성과를 거뒀으나, 고형암의 경우 면역억제 환경으로 인해 효과가 제한적이었다. 연구팀은 Nrf2 전사인자를 억제함으로써 항암 면역세포인 CD8⁺ T 세포와 CAR-T 세포의 활성이 유지되고, 이를 통해 고형암에서도 항암 효과가 크게 향상됨을 확인했다.

CAR-T 세포는 암세포를 공격하도록 특별히 제작된 T 세포다. ‘CAR’는 키메라 항원 수용체(Chimeric Antigen Receptor)의 약자로, CAR-T 세포는 T 세포에 이 수용체를 인공적으로 도입한 것이다. 이 수용체는 암세포를 정확하게 인식하고 공격할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 

CAR-T 세포 치료는 환자의 혈액에서 T 세포를 추출해 유전자 조작을 통해 CAR를 도입하고, 이를 다시 환자에게 주입하는 방식으로 이뤄진다. 이렇게 변형된 CAR-T 세포는 암세포를 찾아내 공격할 수 있어 기존의 치료법이 잘 듣지 않는 암에도 효과가 좋은 새로운 면역치료법으로 주목받고 있다.

CAR-T 세포를 이용한 항암 면역치료는 특히 혈액암에서 획기적인 성과를 거두며 암 치료의 새로운 지평을 열었다. 그러나 이 치료법은 전체 암종의 10%에 해당하는 혈액암에만 효과적이라는 한계가 있었다. 나머지 90%를 차지하는 고형암에 대한 CAR-T 세포의 효과를 높이기 위해 많은 연구자들이 노력하고 있지만, 고형암 특유의 면역억제 환경으로 인해 성과를 내기 어려운 상황이었다. 

종양미세환경에서 CAR-T 세포의 항암 작용을 방해하는 중요 요소 중 하나가 바로 활성산소다. 활성산소는 세포 대사 과정에서 생성되는 산소 분자로, 적정 수준에서는 세포 신호 전달과 면역반응에 중요한 역할을 하지만, 과도하게 생성되면 암세포의 증식과 전이를 촉진하고 면역세포의 활성을 저해하는 것으로 알려져 있다. 특히, 활성산소에 의한 산화 스트레스는 대표적인 항암 면역세포인 CD8+ T 세포의 활성을 억제해 암 치료의 효능을 저하시킬 수 있다. 

또한, 고형암에서는 이러한 활성산소가 과도하게 생성되는데, 이는 면역세포의 기능을 억제하거나 변형시켜 암세포가 면역체계의 공격을 피하게 만든다. 이 때문에 고형암에서 CAR-T 세포의 효과를 높이는 데 어려움이 있는 것이다.

【Nrf2 제어 CAR-T 세포의 항암 면역반응】

고농도 활성산소의 종양미세환경에 노출된 기존의 CAR-T 세포에서 항산화 인자로 알려진 Nrf2가 

오히려 세포의 활성을 저해해 최적의 항암 효능을 보이지 못한 반면, Nrf2를 제어한 CAR-T 세포는 

고농도 활성산소 환경에서도 정상적으로 강력한 항암 면역반응을 유도했다.

이번 연구에서 홍창완 교수팀은 활성산소에 반응해 항산화 기능을 활성화하는 Nrf2 전사인자가 오히려 CAR-T 세포에서는 활성을 저해해 CAR-T 세포의 종양 살상 기능이 약화된다는 사실을 밝혀냈다.

반대로 Nrf2가 억제되면 고형암의 종양미세환경 내에서 CD8⁺ T 세포의 활성이 유지됐으며, CAR-T 세포 또한 그 활성이 유지된다는 것을 확인했다. Nrf2 발현 억제를 통한 활성 유지는 CAR-T 세포의 항암 효능을 고형암에서 현저히 향상시키는 결과로 이어졌다.

홍창완 교수는 “이번 연구는 CAR-T 세포 치료의 적용 범위를 혈액암에서 고형암으로 확장하는 데 크게 기여할 수 있는 중요한 성과”라며, “앞으로 Nrf2를 표적으로 하는 CAR-T 세포 치료제가 개발돼 더 많은 암 환자들에게 새로운 희망이 되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 네오이뮨텍의 NT4010 산학협력 연구개발사업의 지원을 받아, 부산대 의과대학 홍창완 교수가 교신저자, 조유나 박사가 제1저자, 심주아 박사와 이소민 박사과정생, 서울대 김찬혁 교수가 주요 공동연구자로 수행했다. 

항산화 인자(Nrf2)의 항암 반응 억제 기전을 밝힌 이번 연구는 치료제 분야에서 세계적으로 인정받는 『셀(Cell)』 자매지인 『몰리큘라 테라피(Molecular Therapy)』온라인판 8월 22일자로 게재됐다.

- 논문 제목: Targeting ROS-sensing Nrf2 potentiates anti-tumor immunity of intratumoral CD8⁺ T and CAR-T cells (활성산소 반응 Nrf2 제어가 종양 내 CD8⁺ T 세포와 CAR-T 세포의 항암 면역반응을 향상시킨다)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2024.08.019

【조유나(왼쪽) 박사가 ‘Cytokines 2024 & KAI 2024’에서 연구 내용을 발표하고 있다】

한편, 이번 연구는 10월 20일부터 23일까지 서울 코엑스에서 개최된 ‘Cytokines(국제사이토카인학회) 2024 & KAI(대한면역학회) 2024’ 학술대회에서 ‘KAI & ICIS Travel Award’를 수상했다. 이 행사는 40여 개국 2,500여 명의 학자들이 한자리에 모여 전 세계 면역학 분야의 최신 연구 성과를 공유하고 토론한 중요 행사였다. 

또한, 연구팀의 신기술은 생명공학 회사인 네오이뮨텍으로 기술이전돼, 향후 임상적용 치료제 개발에 활용될 전망이다.

* 상단 사진: 오른쪽부터 홍창완 교수, 조유나 박사 

[Abstract]

Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) play a crucial role in cancer rejection. However, CTLs encounter dysfunction and exhaustion in the immunosuppressive tumor microenvironment (TME). Although the reactive oxygen species (ROS)-rich TME attenuates the CTL function, the underlying molecular mechanism remains poorly understood. The nuclear factor-erythroid 2-related-2 (Nrf2) is ROS-responsible factor implicated in increasing susceptibility to cancer progression. Therefore, we examined how Nrf2 is involved in anti-tumor responses of CD8⁺ T and chimeric antigen receptor (CAR)-T cells under ROS-rich TME. Here, we demonstrated that tumor growth in Nrf2-/- mice was significantly controlled and was reversed by T cell depletion and further confirmed that Nrf2 deficiency in T cells promotes anti-tumor responses using adoptive transfer model of antigen-specific CD8⁺ T cells. Nrf2-deficient CTLs are resistant to ROS, and their effector functions are sustained in TME. Furthermore, Nrf2 knockdown in human CAR-T cells enhanced the survival and function of intratumoral CAR-T cells in solid tumor xenograft model and effectively controlled tumor growth. ROS-sensing Nrf2 inhibits the anti-tumor T cell responses, indicating that Nrf2 may be a potential target for T cell immunotherapy strategies against solid tumors.

* Reference

- Authors (Pusan National University): 

 · 1st author: Yuna Jo (Department of Anatomy and Department of Convergence Medical Science)

 · Corresponding author: Changwan Hong (Department of Anatomy and Department of Convergence Medical Science)

- Title of original paper: Targeting ROS-sensing Nrf2 potentiates anti-tumor immunity of intratumoral CD8⁺ T and CAR-T cells  

- Journal: Molecular Therapy

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2024.08.019

광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수와 물리학과 옥종목 교수 연구팀이 KAIST 및 미국 미시시피주립대학교 연구진과 함께 아주 얇고 고르게 만들어진 구리 박막에서 전자가 아닌 양공(hole)*이 주로 전류를 운반한다는 사실을 밝혀내, 도체인 구리가 반도체 기능까지 할 수 있는 가능성을 제시했다.

* 양공(hole): 응집물질물리학에서 양공(陽孔, electron hole) 또는 정공(正孔)은 반도체 (혹은 절연체)에 대해(원래 전자로 채워져 있어야 됨) 원자가띠(Valence Band, 전자가 존재하는 가장 높은 전자 에너지 범위)의 전자가 부족한 상태인 준입자. 양공은 이 전자의 부족으로부터 생기는 구멍(상대적으로 양의 전하를 갖고 있는 것처럼 보임)이다.

보통 도체인 금속에서는 전자가 전류를 운반하고, 도체와 부도체의 중간영역에 있는 반도체(半導體)에서는 전자와 양공이 전류를 운반한다. 전류를 다루는 전자공학 분야는 주로 반도체를 이용해 발전해 왔는데, 계속해서 전류가 흘러 조절이 어려운 금속과 달리 반도체는 어떤 특별한 조건에서만 전기가 통하는 물질이므로 필요에 따라 전류를 조절하기 쉽기 때문이다.

그런데 이번에 연구팀이 금속인 구리에서 전류 운반에 전자뿐 아니라 양공이 중요한 역할을 할 수 있음을 확인했다. 이는 반도체 없이 금속만으로도 전자공학을 구현할 수 있는 가능성을 제시한 것이다. 만약 구리 자체에서 양공이 만들어지면 반도체 없이 금속만으로 전자공학을 시도해 볼 수 있다. 

이번 연구를 통해 전극 소재인 도체 자체가 반도체 기능까지 하는 새로운 금속전자공학(metaltronics) 분야를 개척하는 계기가 될 것으로 기대된다.

연구팀은 아주 얇고 고른 구리 박막, 즉 결정립계*(결정 결함)가 전혀 없는 2차원 단결정 구리 박막에서 비선형적 홀 효과를 관측하고, 전자가 아닌 양공이 지배적으로 전류를 운반하는 역할을 함을 규명했다. 

* 결정립계(grain boundary, 結晶粒界): 다결정(polycrystalline)의 고체물질에서 물질을 구성하는 개별의 결정립들 사이의 계면 또는 경계. 결정립은 원자가 주기적으로 배열된 동일한 영역을 말하며, 결정립계는 서로 다르게 배열된 두 결정립 간의 경계에서 결정격자가 나란하지 않아 발생하는 2차원의 구조적 결함이다. 

전류가 자기장에 의해 한쪽으로 휘는 현상을 홀 효과라고 하며, 이는 전류를 이루는 전자들의 움직임에 의해 발생한다. 이번에 연구팀이 구리 박막에서 관측한 ‘비선형적 홀 효과’는 이와 같은 현상이 단순히 비례하지 않고 복잡한 형태로 나타나는 것을 말한다. 

흔히 전류는 전자가 움직이면서 생긴다고 생각하지만, 연구팀은 비선형적 홀 효과를 관측하고 구리에서 전자뿐 아니라 양공도 전류를 운반할 수 있는 주요 수송자임을 알아냄으로써 전기적 성질의 이해를 넓히고 전자소자, 나노기술, 재료과학 등 다양한 분야에서 혁신적인 발전을 이끌어 낼 수 있는 중요한 발견을 해냈다.

이번 연구에서 재발견한 재료는 구리다. 구리는 전자를 주 수송자로 갖는 대표적 물질이다. 보통 구리 내에는 입방(세제곱) cm당 약 1023개의 전자가 존재한다. 구리의 전자에 의한 수송은 높은 전기전도도와 낮은 저항을 제공하기 때문에 일반적인 생활 속에서 매우 중요한 도체로 활용돼 오고 있다. 그러나 이 구리가 수십 나노 두께로 얇아지고 결정립계가 완전히 제거되면 2차원적 특성을 나타내면서 전자들이 양공처럼 보이게 된다.

우리가 알고 있는 것처럼 3차원의 구리에서는 단결정이거나 다결정이거나에 관계없이 전자가 주된 수송자가 된다. 그러나 박막이 200nm(나노미터, 10억분의 1미터) 두께의 얇기에 이르면 서서히 전자가 양공으로 바뀌게 되고 낮은 온도에서는 이러한 현상이 더욱 두드러지게 나타난다. 40nm 두께 이하의 단결정 구리 박막에서는 95% 이상의 수송자가 양공이 된다. 

【구리의 페르미 표면】

a) ARPES 측정에 의해 얻어진 80 nm 두꼐의 페르미 표면 맵

b) 육각형과 삼각형 페르미면이 따로 존재함을 보여주는 (a)의 곡률 플롯

c) (a)에 표시된 주황색 화살표 선을 따른 밴드 분산

d) (b)의 점선을 따라 명확하게 분해된 두 개의 전자 및 양공 밴드를 보여주는 밴드 분산(위)과 곡률 플롯(아래)

연구팀은 Atomic Sputtering Epitaxy(ASE) 법에 의한 2차원 구리 박막의 성장을 통해 결정립계가 전혀 없는 단결정 박막을 구현했고, 여기서 Hall 측정과 추가적인 각도분해광전자방출분광법(ARPES) 관측을 통해 전자가 아닌 양공이 지배적 수송자로 나타남을 입증했다. 이 양공의 농도는 결정립계의 밀도에 의존함도 밝혀냈다.

연구팀은 구리와 같은 금속 내에서 결정립계에서의 수송자 산란으로 인해 수송현상의 본질적인 특성이 가려져 있었고, 결정립계가 전혀 없는 2차원 박막을 성장하는 데 성공함으로써 2차원 구리의 본질적 수송 특성은 양공에 의한다는 것을 입증했다고 설명했다.

2차원 구리에서 양공이 지배적인 수송자가 되는 기원을 밝힌 이번 연구는 ‘Hole-Carrier-Dominant Transport in 2D Single-Crystal Copper(2차원 단결정 구리에서 양공의 지배적 수송현상)’라는 제목으로 세계적인 재료과학 전문지인 『Advanced Materials』 온라인판 7월 18일자에 발표됐다. 

- 논문 링크:  https://doi.org/10.1002/adma.202403783 

【왼쪽부터 정세영 명예교수, 옥종목 교수】 

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부, 교육부의 핵심연구지원센터 조성지원사업 지원을 받아, 부산대 광메카트로닉스공학과 정세영 명예교수, 카이스트 물리학과 양희준 교수, 김용관 교수, 미국 미시시피주립대 김성곤 교수가 공동 교신저자, 부산대 물리학과 옥종목 교수, 성균관대학교 강경록 박사(현 삼성전자 책임연구원), 카이스트 현정훈 박사과정생이 공동 제1저자로 수행했다.

정세영 부산대 광메카트로닉스공학과 교수는 “이러한 획기적인 발견은 결정립계 엔지니어링을 통해 금속의 다수 캐리어 극성을 조작할 수 있는 가능성을 제시하며 앞으로 전자공학과는 또 다른 ‘금속전자공학(metaltronics)’이라고 하는 새로운 장을 여는 서막을 예고한다”고 밝혔다. 

한편, 정세영 교수는 “반도체에서의 전자가 전이해 양공을 남기고 에너지띠에서 띠간격(band gap)을 만듦으로써 반도체 소자로서 활용이 되지만 구리에서의 전자와 양공은 같은 페르미 표면*상에 존재한다. 즉, 반도체와 같은 밴드갭이 없다. 이를 반도체처럼 활용하기 위해서는 다른 일함수를 갖는 금속과 접목을 하거나 기하적 구조를 이용한 패터닝 기술이 접목되는 등 몇 가지 과정을 더 거쳐야 할 것”이라고 덧붙였다.

* 페르미 표면(Fermi surface): 응집물질물리학에서 페르미 표면은 절대 0도에서 점유된 전자 상태와 비어 있는 전자 상태를 분리하는 역격자 공간**의 표면이다. 즉 전자가 채워진 가장 높은 에너지 상태의 표면을 말한다. 

** 역격자 공간: 실격자는 결정계와 같은 물리적 공간의 주기 함수인 반면 역격자는 벡터 공간으로 간주되는 물리적 공간으로서 k 공간으로 알려져 있다. 역격자는 공간 주파수에 의한 수학적 공간으로 이해할 수 있다. 

* 상단 이미지: 구리의 3차원과 2차원 페르미 표면

a) 3차원 구리에 대해 계산된 페르미 표면 

b) 2차원 (111)면을 갖는 구리의 계산된 페르미 표면 

c) 주기적 도형으로 계산된 2차원 구리의 페르미 표면에서 전자 궤도와 양공궤도

[Abstract]

In 2D noble metals like copper, the carrier scattering at grain boundaries has obscured the intrinsic nature of electronic transport. However, it is demonstrated that the intrinsic nature of transport by hole carriers in 2D copper can be revealed by growing thin films without grain boundaries. Only when the grain boundaries are eliminated thoroughly, the hidden hole-like attribute of 2D single-crystal copper can be unmasked. Two types of Fermi surfaces, a large hexagonal Fermi surface centered at the zone center and the triangular Fermi surface around the zone corner, tightly matching to the calculated Fermi surface topology, confirmed by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements and vivid nonlinear Hall effects of the 2D single-crystal copper account for the presence of hole carriers experimentally. This breakthrough suggests the potential to manipulate the majority carrier polarity in metals by means of grain boundary engineering in a 2D geometry.

* Reference

- Authors (Pusan National University)

 · 1st author: Jong Mok Ok(Department of Physics)

 · Corresponding author: Se-Young Jeong(Department of Optics and Mechatronics Engineering, Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology)

- Title of original paper: Hole-Carrier-Dominant Transport in 2D Single-Crystal Copper

- Journal: Advanced Materials

- DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202403783 

유기소재시스템공학과 김효정 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 상온에서 안정적으로 페로브스카이트 박막 형성이 가능한 공정을 개발해, 기존의 20%에 머물러 있던 광전변환효율을 세계 최초로 24% 이상으로 획기적으로 향상시켰다.

* 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells): 페로브스카이트(perovskite)는 ABX₃ 구조를 갖는 물질로, 이러한 구조를 가지는 유·무기 페로브스카이트 물질을 광흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지. 상기 논문의 태양전지는 역구조 (p-i-n) 소자임.

최근 재생 에너지에 대한 수요가 증가하면서, 페로브스카이트 태양전지가 높은 광전변환효율과 롤투롤(roll-to-roll) 기술을 포함하는 프린팅 기반의 낮은 생산 비용 가능성으로 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 페로브스카이트 기반의 태양전지는 향후 웨어러블 소자, 건물결합형 태양전지(BIPV) 등 다양한 분야로 응용이 확장될 것으로 기대된다. 

그러나 기존의 페로브스카이트 태양전지 제작 공정은 CO₂ 배출에 따른 환경 파괴와 열처리로 인한 프린팅 공정 속도의 제약 등으로 적합성에 한계가 있었다. 특히, 고온 처리와 산 처리(계면층 제작 시) 등을 포함하기 때문에 공정 적용 자체가 제한적이며, 고분자 유연 기판에서의 높은 품질의 박막 형성이 불가능했다. 이러한 고온 및 반환경적인 페로브스카이트 공정은 응용의 확장성과 시장성을 제한해 왔다.

【기존 상온/저온 공정 연구 결과와 본 연구팀의 연구 결과 비교 차트】

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 상온에서 안정적으로 형성 가능한 계면 및 광활성 물질과 공정을 개발하고, 이를 통해 페로브스카이트 태양전지의 생산성과 활용성을 동시에 향상시켰다.

김효정 교수팀은 열처리 없이 상온에서 광활성(photoactive) 페로브스카이트 박막을 형성했음을 증명하기 위해 새로운 x-ray 측정 기법을 도입했다. 기존의 측정 방식은 고체 필름에서 수행되므로 구조 형성 역학을 실시간으로 이해하기 어려웠기 때문에, 실시간으로 페로브스카이트 박막 구조 형성을 관찰할 수 있는 측정 장치를 개발해 연구팀의 상온 공정이 추가적인 열처리가 필요하지 않다는 것을 증명했다. 

【나뭇잎 표면의 SEM 이미지(왼쪽), 나뭇잎과 100도에서 열처리한 나뭇잎 사진(중간), 

나뭇잎 위에 형성된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지(오른쪽)】

또한, 상온 공정의 타당성을 효과적으로 입증하기 위해 유연기판의 대표로 나뭇잎을 선택해 실험을 진행했다. 위 사진에서 볼 수 있듯 나뭇잎은 수많은 기공이 존재하는 거친 표면을 가지고 있고, 100도에서 단 20초 만에 손상됐다. 하지만 연구팀이 개발한 상온 공정을 통해 나뭇잎 표면을 성공적으로 커버했고, 그 위에 페로브스카이트 박막을 손상 없이 형성했다. 

김효정 교수는 “이번 연구는 태양전지 산업을 혁신적으로 바꿀 수 있는 중요한 성과로, 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.

【왼쪽부터 김효정 교수, 이아라 박사】

해당 논문은 국제 학술지 『Joule』 7월 17일자에 게재됐으며, 7월호 저널 표지로 선정됐다.

- 논문 제목: Room-temperature-processed perovskite solar cells surpassing 24% efficiency(24% 효율을 달성한 상온 가공 페로브스카이트 태양전지)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.002

이번 연구는 부산대 유기소재시스템공학과 김효정 교수가 공동 교신저자, 이아라 박사가 제1저자로 수행했으며, 한국전력연구원 김도형 박사와 미국 샌타바버라 캘리포니아 주립대(University of California, Santa Barbara, UCSB) Thuc-Quyen Nguyen 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 

* 상단 이미지: 『Joule』7월호 표지. 연구팀 논문 이미지가 저널 표지로 선정됐다.

[Abstract]

The growing demand for renewable energy has spotlighted photovoltaics (PVs), particularly perovskite solar cells (PSCs). However, current processes for manufacturing PSCs rely on high-temperature annealing and intricate post-treatments, thereby limiting their applicability. To address this challenge, we introduce a simple approach to produce high-quality perovskite films at room temperature (RT) by precisely regulating the perovskite composition (Especially, Cs) with the addition of an organic linker (OAm). This method enabled phase conversion to the stable α-phase without thermal annealing, as confirmed by in-situ x-ray monitoring. The optimized Cs10+OAm device achieved impressive efficiencies of 23.2% (24.4% with an anti-reflective coating), surpassing efficiencies attained by previous room/low-temperature processed PSCs. Additionally, we demonstrated the feasibility of fabricating perovskite films on unconventional substrates (natural leaves), showcasing the potential for versatile applications. These findings offer insights into stabilizing the perovskite structure at RT, promising advances in PV technology and sustainable light energy utilization.

* Reference

- Authors (Pusan National University)

 · First Author: Ahra Yi (Department of Organic Material Science and Engineering, School of Chemical Engineering) 

 · Corresponding Author: Hyo Jung Kim (Department of Organic Material Science and Engineering, School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Room-temperature-processed perovskite solar cells surpassing 24% efficiency

- Journal: Joule

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.002

미래 신소재로 주목받고 있지만 미흡한 장기 구동안정성과 납 유출 문제로 활용이 지체돼 온 ‘고효율 페로브스카이트 태양전지’의 안전성(Safety)과 안정성(Stability)을 동시에 해결할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다.

우수한 광전자 특성을 지닌 페로브스카이트 태양전지는 차세대 에너지원으로 큰 관심을 모으고 있다. 하지만, 상용화에 적합한 높은 전력 변환을 달성하고도 디바이스 안정성이 좋지 못해 이를 해결하는 것이 주요 과제로 남았다. 또한 페로브스카이트 광활성층에 사용되는 납 성분의 독성은 환경에 부정적인 영향을 미치며, 특히 수분이 페로브스카이트의 상 분해를 유도해 납 누출을 증가시킬 수 있다는 점도 적극적인 활용에 걸림돌이 돼 왔다. 

이에, 나노에너지공학과 서지연(사진) 교수 연구팀은 새롭게 개발한 납 포획 기술을 통해 납을 효율적으로 포획해 태양전지 모듈이 손상을 입어 외부에 노출되더라도 납을 고정함으로써 누출을 방지할 수 있도록 했다. 계면(界面)의 결함을 효율적으로 치유해 태양전지 광전변환 효율도 향상시켰다.

【크라운 에테르 물질의 효율적인 납 포획 기능과 태양전지의 장기 수분안정성 향상】

연구팀은 벤조-18-크라운-6 에테르(Benzo-18-crown-6 ether)와 같은 크라운 에테르(crown ether, 고리형 폴리에테르) 물질을 이용한 간단한 용액 공정을 통해 납-할라이드 페로브스카이트의 계면 패시베이션(Interfacial passivation)*을 시도했다. 

* 계면 패시베이션((Interfacial passivation): 물리적 또는 화학적 방법을 사용해 물질의 표면 또는 계면을 안정화시키는 과정.

그 결과 전력 변환 효율의 증가를 달성해 계면 패시베이션의 효능이 강조됐고, 크라운 에테르가 납 이온과의 호스트-게스트(host-guest) 복합체* 형성을 통해 납 누출을 저지할 뿐만 아니라, 계면 처리한 필름은 수분에 대한 강한 저항성을 가져 높은 습도 환경에서도 기존 대비 향상된 장기 안정성을 보임을 확인했다.

**호스트-게스트(host-guest) 복합체: 호스트 분자가 일종의 컨테이너 역할을 하고, 게스트 분자는 호스트 분자 내부에 들어가거나 호스트 분자의 표면에 결합해 형성된 안정된 복합체.

이는 상용화 및 신재생 에너지 응용을 발전시킬 준비가 된 지속가능한 페로브스카이트 태양전지에 대한 납 누출 및 장기 안정성을 동시에 해결하는 크라운 에테르의 가능성을 보여준 것이다.

서지연 교수는 “이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지 활용에 발목을 잡고 있는 안정성과 안전성을 동시에 해결해 상용화를 촉진시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

【제1저자 김선주 석박사통합과정생】

이번 연구는 한국연구재단 기본연구사업과 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원의 국제공동기술개발사업 지원을 받아 부산대 BK21 에너지융합기술교육연구단 소속 석박통합과정생 김선주 학생이 제1저자, 나노에너지공학과 서지연 교수가 교신저자로 수행했다. 스위스 로잔연방공대학(EPFL) Kevin Sivula 교수팀, 스위스 프리브룩대학(University of Fribourg) Jovana Milic 교수도 참여했다.

해당 논문은 국제 학술지 『Journal of Energy Chemistry』 5월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Interfacial engineering through lead binding using crown ethers in perovskite solar cells(크라운 에테르를 이용한 납 결합을 통한 페로브스카이트 태양전지의 계면 설계)

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.01.042  

[Abstract]

IIn the domain of perovskite solar cells (PSCs), the imperative to reconcile impressive photovoltaic performance with lead-related issue and environmental stability has driven innovative solutions. This study pioneers an approach that not only rectifies lead leakage but also places paramount importance on the attainment of rigorous interfacial passivation. Crown ethers, notably benzo-18-crown-6-ether (B18C6), were strategically integrated at the perovskite-hole transport material interface. Crown ethers exhibit a dual role: efficiently sequestering and immobilizing Pb2+ ions through host-guest complexation and simultaneously establishing a robust interfacial passivation layer. Selected crown ether candidates, guided by density functional theory (DFT) calculations, demonstrated proficiency in binding Pb2+ ions and optimizing interfacial energetics. Photovoltaic devices incorporating these materials achieved exceptional power conversion efficiency (PCE), notably 21.7% for B18C6, underscoring their efficacy in lead binding and interfacial passivation. Analytical techniques, including time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), time-resolved photoluminescence (TRPL), and transient absorption spectroscopy (TAS), unequivocally affirmed Pb2+ ion capture and suppression of non-radiative recombination. Notably, these PSCs maintained efficiency even after enduring 300 h of exposure to 85% relative humidity. This research underscores the transformative potential of crown ethers, simultaneously addressing lead binding and stringent interfacial passivation for sustainable PSCs poised to commercialize and advance renewable energy applications.

* Reference

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Sun-Ju Kim (Department of Nano Fusion Technology)

 · Corresponding author: Prof. Ji-Youn Seo (Department of Nanoenergy Engineering)

- Title of original paper: Interfacial engineering through lead binding using crown ethers in perovskite solar cells

- Journal: Journal of Energy Chemistry

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.01.042