우수선도연구기관 나노입자 응용 통해 세계적 나노과학기술국가로 발돋움 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 연구단장 현택환 교수(서울대 화학생물공학부) 주소 서울시 관악구 관악로 1 서울대학교 공과대학 화학생물공학부 전화 02)880-7150 이메일 thyeon@snu.ac.kr 홈페이지 http://nanomat.ibs.re.kr 임인재 객원기자 / mimohhh@naver.com 2015. 05 화학세계 45
우수선도연구기관 기초과학연구원 (IBS) 은세계최고수준의연구단들로구성된, 국제적수준의연구환경을갖춘전문연구기관으로지난 2011 년에설립됐다. 총 25개의연구단이수학, 물리, 화학, 생명과학등기초과학과이들의융합연구를진행하고있다. 25 개의연구단중 4개연구단이서울대에유치되었으며나노입자연구단 ( 단장현택환, 서울대교수 ) 이그중하나이다. 나노입자연구단은서울대화학생물공학부의현택환교수를단장으로해총 9명의교수를포함, 현재 100 명이넘는연구전문인력으로구성되어있다. 나노입자연구단은나노입자와그응용에대한연구를수행하고있다. 다양한나노입자를합성하고생성메커니즘을밝히는연구를시작으로하여합성된나노입자를생명 의학분야, 에너지 촉매분야, 웨어러블전자소자분야, 유기합성용촉매등에응용하고있다. 구체적으로연구단은 나노입자그룹 ( 제1그룹 ), 전기화학 에너지그룹 ( 제2그룹 ), 나노메디신그룹 ( 제3그룹 ) 등총 3개연구그룹으로나뉘어진다. 나노입자그룹 ( 제1그룹 ) 에서는나노입자에대하여전반적인기초연구를수행한다. 나노입자의화학적인합성및물리적성질을탐구하고형성기작을규명한뒤이를촉매와의료분야에응용하는연구를진행하고있다. 이그룹의구성원은연구단장인현택환교수를포함해서울대화학생물공학부김대형교수, 이지화교수, 정인교수, 서울대의대영상의학과최승홍교수, 서울대화학부홍순혁교수, 김명수교수등이다. 전기화학 에너지그룹 ( 제2그룹 ) 은나노입자를디자인하고조립 (assemble) 하여연료전지, 2차전지등의전극물질이나다양한디바이스에응용하는연구를수행한다. 이그룹은서울대화학생물공학부성영은교수와서울대재료공학부강기석교수로구성되어있다. 3그룹인 나노메디신그룹 은나노입자그룹의재배치조직으로이분야에서는서울대의대최승홍교수를중심으로현택환단장, 김대형교수가공동연구를진행하고있다. 이세개그룹은나노분야의기초에연구바탕을두고다양한연구협력체계를구축해융합적인연구를수행하는것을목표로삼고있다. CMP siurry Biosensors Using Quantum dots LED Lasers Display Mult Terabitin in2 Magetic Stronge Media MRI contrast agent 그림 1. 나노입자연구단의구성 그림 2. 다양한분야로이용가능한나노입자를보여주는모식도 나노입자그룹 ( 제1그룹 ) 생명과학, 의학, 에너지등다양한분야에나노입자를실질적으로응용하기위해서는우선균일한크기의나노입자를합성할수있어야한다. 나노입자의물리적, 화학적성질은크기에따라변하기때문에크기분산도 (size distribution) 가넓은나노입자를응용분야에적용하는것은한계가있다. 나노입자그룹은균일한산화물나노입자를합성할수있는새로운합성법인 가열공정 (heat-up process)" 을개발했다. 이기술은일정한크기의나노입자를배치 (batch) 당킬로그램단위로생산할수있는유일한합성법이다. 46 화학세계 2015. 05
기초과학연구원 (IBS) 나노입자연구단 나노입자그룹은투과전자현미경 (TEM; transmission electron microscopy) 을이용한방법뿐만아니라, 분광학적 (spectroscopy) 방법, MALDI-TOF 질량분석법 (MALDI-TOF MS; matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry), 초전도양자간섭장치 (SQUID; superconducting quantum interference device magnetometer), 전기화학적인분석법 (EIS; electrochemical 그림 3. 다양한나노입자의조립과적층을통한의학및에너지기술로의응용 그림 4. 나노소재화학의개요 impedance spectroscopy) 등다양한분석법으로나노입자의특성을연구하고있다. 금속및금속산화물, 반도체등다양한소재를사용해다양한구조를가진나노입자연구도진행하고있다. 특히연구그룹은기존금속-금속에서만가능하던갈바닉치환반응을산화금속 -산화금속사이에서도가능하게해산화망간산화철산화코발트등으로나노입자합성을성공시키는성과를내놓았다. 이연구결과는지난 2013 년 사이언스 (Science, Galvanic Replacement Reactions in Metal Oxide Nanocrystals, 2013.5.24) 지에발표되었다. 전기화학 에너지그룹 ( 제2그룹 ) 높은에너지변환효율과환경친화성이장점인전기화학소자 ( 디바이스 ) 는전자소자에비해재료의문제로인해그발전속도가늦다. 이에전기화학 에너지그룹은나노재료를전기화학에너지소자에응용하는연구를추진하고있다. 나노재료는에너지저장및변환소자에적합한특성을가지고있다. 첫째, 나노입자고유의독특한촉매성질들 ( 활성이전혀없는벌크상태의금이 2-3 nm 나노입자상태에서는엄청난활성을보인다 ) 이나반도체나노입자의양자제한효과등특이한성질은에너지변환효율을크게향상시킬수있다. 둘째, 아주넓은표면적은적은양의재료로높은에너지변환효율과촉매활성을확보할수있게한다. 이러한성질을토대로전기화학 에너지그룹은나노입자와나노구조물질들을제조하고다양한에너지저장및변환장치, 촉매에응용하고자한다. 이연구그룹은나노입자소재의표면에서일어나는전기화학적현상에관한고찰과반도체나노입자가가지는광전그림 5. 나노입자를이용한에너지촉매분야의응용 2015. 05 화학세계 47
우수선도연구기관 기화학특성연구를진행한다. 또, 나노입자를적용한전기화학에너지소자를개발하는것을연구목표로한다. 연구그룹은연료전지 (fuel cells), 첨단배터리 (advanced batteries), 나노태양전지 (nano-solar cells) 의세부분야로나뉘어있으며고출력 고용량에너지저장물질의제조, 반도체나노입자의태양전지분야응용, 나노입자의열전소자응용, 나노입자와나노구조물질을이용한촉매개발등에대한연구를수행하고있다. 제일계산 (first-principle calculation) 을통한첨단배터리물질설계및특성분석연구를하고있는강기석교수팀과전기화학적에너지변환및저장장치 소자를개발하고있는성영은교수팀은전기자동차에응용이가능한고용량, 고출력, 고안정성배터리및연료전지시스템구축을목표로공동연구를진행하고있다. 이들연구성과는지난 2013 년 나노레터스 그림 6. 나노소재를이용한에너지저장기술의개발 (Nano Letters, Self-Assembled Fe 3 O 4 Nanoparticle Clusters as High-Performance Anodes for Lithium Ion Batteries via Geometric Confinement, 2013.7.31) 지에게재됐다. 나노메디신그룹 ( 제3그룹 ) 나노메디신그룹은 MRI 조영제와약물전달체등다양한생명의학분야에나노입자들을응용하는연구를수행하고있다. 나노입자는생명과학및의료분야에응용가능성이높은것으로평가받고있다. 나노입자는체내를순환하고세포에침투하며생체분자와직접상호작용을할수있는이상적인플랫폼이다. 또한나노입자는입자표면개질을통해표적물질을부착할수있다는장점으로인해약물전달과생체조영등다양한영역에적용될수있다. 나노메디신그룹은생체친화적인나노입자를제조하기위한연구를진행해왔다. 암조직주변에형성된혈관들을통과할수있는나노입자를이용해생그림 7. 균일한나노입자를통한조기진단과치체표지자가암세포에만선택적으로결합할수있는능동표적 (active targeting) 료방법의개발방법을연구중이다. 이와더불어생체적합성리간드및표면개질, 나노입자를이용한새로운 MRI 조영제및광학이미징프로브연구, 난치성질환의조기진단및치료용나노메디신에대한연구도진행하고있다. 특히 MRI 조영제와나노입자를이용한항암제형은학계에서많은주목을받았다. 이그룹의연구는지난 2013 년 네이처머터리얼스 (Nature Materials, High-Resolution Three-Photon Biomedical Imaging using Doped ZnS Nanocrystals, 2013.2.17), 2014 년 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society, Multifunctional Tumor ph-sensitive Self-Assembled Nanoparticles for Bimodal Imaging and 그림 8. 크기범위에따라달라지는산화철나노입자의 MR 조영효과 48 화학세계 2015. 05
기초과학연구원 (IBS) 나노입자연구단 Treatment of Resistant Heterogeneous Tumors, 2014.4.1.) 와 ACS Nano ( ph-sensitive Nanoformulated Triptolide as a Targeted Therapeutic Strategy for Hepatocellular Carcinoma, 2014.8.5) 등저명학술지에게재됐다. 그룹간융합연구 연구단내모든그룹은 웨어러블기기관련소재기술과합성 전환반응촉매 에대한학제간연구도활발히진행하고있다. 연구단은현재뇌종양치료를위한생흡수성능동전자패치, 심장신호측정 치료를위한심장제세동전극매시 (mesh), 다기능성소자제작기술, 웨어러블디스플레이소자, 투명그래핀기반센서시스템등웨어러블기기에특화된소재개발에집중하고있다. 웨어러블기기에대한융합연구결과는 2014 년 네이처나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders, 2014.3.30.) 에게재됐으며, 최근 네이처커뮤니케이션스 (Nature Communications, Stretchable Silicon Nanoribbon Electronics for Skin Prosthesis, 2014.12.9.) 등에실렸다. 또한연구단은새로운로듐나노촉매의합성과친환경적유기반응에의응용, 배기가스로부터포집한이산화탄소를화합물전환반응에의응용, 나노촉매를이용한이산화탄소의고분자화, 이산화탄소수소화를통한메탄올생성반응등과같은친환경기술에도주목하고있다. 그림 9. 인공피부를적용한의수 연구단의첫번째목표는나노입자를제조해의료분야, 에너지분야에응용하는것입니다. 두번째는나노입자분야의세계적연구자들을양성하는것입니다. 마지막으로아시아권나노입자연구분야의허브역할을우리연구단이수행하는것입니다. >> 기초과학연구원 (IBS) 나노입자연구단은... > 현택환단장 나노입자연구단을이끌고있는현택환단장은 우리나라가세계적수준의나노과학기술선도국가로발돋움하는데연구단이크게기여할것 이라고연구단목표를밝혔다. 현단장은서울대화학과를졸업한후미국일리노이대학에서박사학위를취득했으며노스웨스턴대학에서박사후연구원으로재직했다. 1997 년서울대에부임한후현재까지화학, 화학공학, 재료과학, 나노분야세계적잡지에 230 편이상의논문을발표했으며이논문들은 2만6000 회이상인용됐다. 2010 년부터미국화학회지부편집장을역임하고있으며현재영국왕립화학회 (Royal Society of Chemistry) 석학회원, 미국재료연구학회 (Materials Research Society) 석학회원으로도활동하고있다. 그는젊은과학자상 (2002 년 ), 듀폰과학기술상 (2005 년 ), 포스코청암과학상 (2008 년 ), 교육과학기술부대표우수성과 60선 (2009 년 ), Top 100 Chemists of 2000-2010 (37위 ) (UNESCO & IUPAC, 2011 년 ), 호암상 (2012 년 ) 등다양한상을수상했다. 2012 년 8월에출범한나노입자연구단은 2014 년말까지 113 편의 SCI 급논문을발표했다논문인용지수 (IF) 10 이상의학술지에 20편논문을게재했으며이중 3편은 IF 30 이상의학술지에발표됐다. 연구단은 9명의교수와 14명의박사, 55명의박사과정연구원, 33명의석사과정연구원, 그리고 24명의연구지원인력 ( 기술인력, ( 보조 ) 연구인력, 행정인력 ) 총 135명의인력으로구성되어있다. 2015. 05 화학세계 49