우리얘기

압전 에너지 발전소자는 기존의 태양전지, 풍력, 연료전지등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임과 같은 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경에너지 발전소자로서 자연계에 존재하는 미소에너지원을 활용할 수 있는 장점이 있다. 

전 세계적으로 압전 에너지 발전소자의 출력 향상을 통해 차세대 에너지원으로서의 응용을 위한 실용화 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 낮은 출력을 나타내고 있다. 그 중 무기물 압전 반도체를 기반으로 한 압전 에너지 발전소자의 경우, 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자가 기계적 응력에 의해 발생되는 압전 포텐셜을 감소시켜 압전 효율이 감소하는 것으로 알려져 있다. 

이번 연구는 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자를 효과적으로 제거하여 고효율의 압전 에너지 발전소자를 구현하기 위한 효과적인 방법으로, n형의 무기물 압전 반도체 물질인 산화아연(ZnO)과 p형의 P3HT(Poly(3-hexylthiophene))를 나노구조로 제어·접합시켜, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유전자를 결합시켜 제거하고, 추가적으로 압전 포텐셜에 의한 유·무기물 계면에서 페르미준위(Fermi Level)의 변화를 유도하여 압전 효율을 크게 증가시켰다.
뿐만 아니라 출력향상을 위해 전도성 폴리머인 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)과 P3HT를 섞어 압전 포텐셜에 의해 추가적인 전하가 공급될 수 있도록 소자를 설계하여 압전 출력을 대폭 향상시켰다.
유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자는 기존 무기물 압전 반도체만을 이용한 압전 에너지 발전소자와 비교하여 0.068%의 기계적 응력 하에서 압전 전압 및 전류밀도가 각각 18배(1.45V), 3배(6.05μA/cm2)로 증가하였고, 에너지 변환효율이 0.5%에서 18%로 36배(0.88W/cm3) 이상 대폭 증가되었다.
이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 배터리와 같은 외부의 전력공급원 없이 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자만으로 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED)를 구동시킴으로써 차세대 에너지 기술 분야에서 획기적인 결과를 거둔 것으로 평가받고 있다.

그림 2. n형 무기물 압전 반도체인 산화아연(ZnO)과 P형 P3HT 기반 유·무기물 하이브리드 구조의 압전 에너지 발전소자의 구조(a) 및 에너지 발전 메커니즘(b), 측정된 압전 전압(c), 전류밀도(d)

그림 3. n형 산화아연과 P3HT:PCBM 기반 유·무기물 하이브리드 구조의 압전 에너지 발전소자의 구조 및 에너지 발전 메커니즘(a), 측정된 압전 전압(b), 전류밀도(c)

그림 4. 유·무기물 하이브리드 구조 기반 압전 에너지 발전소자의 직·병렬 연결에 통한 측정 전압(a), 전류밀도(b) 및 LED 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED) 구동

3. 경력사항
○ 2004년 ~ 2005년 : University of Cambridge, Research Associate 
○ 2005년 ~ 2009년 : 금오공과대학교 전임강사, 조교수
○ 2009년 ~ 현  재 : 성균관대학교 신소재공학부 조교수, 부교수

4. 주요연구업적
○ "Large-Scale Synthesis of High-Quality Hexagonal Boron Nitiride Nanosheets for Large-Area Graphene Electronics", K. H. Lee, H. J. Shin, J. Y. Lee, I. Y. Lee, G. H. Kim, J. Y. Choi, and S.-W. Kim, Nano Lett., 12, 714 (2012)
○ "Controlled Growth of Semiconducting Nanowire, Nanowall, and Hybrid Nanostructures on Graphene for Piezoelectric Nanogenerators", B. Kumar, K. Y. Lee, H.-K. Park, S. J. Chae, Y. H. Lee, and S.-W. Kim, ACS Nano, 5, 4197 (2011)
○  "Sound-Driven Piezoelectric Nanowire-Based Nanogenerators", S. N. Cha, J.-S. Seo, Seong Min Kim, H. J. Kim, Y. J. Park, J. M. Kim, and S.-W. Kim, Adv. Mater., 22, 4726 (2010)
○  "Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes", D. Choi, M.-Y. Choi, W. M. Choi, H.-J. Shin, J.-S. Seo, J. Park, S.-M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. Kim, Adv. Mater., 22, 2187 (2010)
○ "Mechanically Powered Transparent Flexible Charge-Generating Nanodevices with Piezoelectric ZnO Nanorods", M.-Y. Choi, D. Choi, M.-J. Jin, I. Kim, S.-H. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, J. M. Kim, and S.-W. Kim, Adv. Mater., 21, 2185 (2009)

3. 경력사항
○ 2006년 ~ 2006년 : 포항공과대학교 시스템바이오다이나믹스 센터 박사후 연구원
○ 2007년 ~ 2008년 : University of California at Berkeley (UC-Berkeley), Bioengineering, Berkeley Sensor and Actuator Center (BSAC), Biomolecular Nanotechnology Center (BNC) 박사후 연구원
○ 2008년 ~ 2010년 : 삼성종합기술원, Flexible Electronics Group 전문연구원
○ 2010년 ~ 현  재 : 경희대학교 기계공학과 전임강사, 조교수

4. 주요연구내용
○ "Control of naturally coupled piezoelectric and photovoltaic properties for multi-type energy scavengers", D. Choi, K. Y. Lee, M. J. Jin, S. G. Ihn, S. Y. Yun, X. Bulliard, W. Choi, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J. Y. Choi, J. M. Kim, Z. L. Wang, Energy Environ. Sci., 4, 4607 (2011)
○  "Charge-Generating Mode Control in High-Performance Transparent Flexible Piezoelectric Nanogenerators", H.-K. Park, K. Y. Lee, J.-S. Seo, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, D. Choi, and S.-W. Kim, Adv. Funct. Mater., 21, 1187 (2011)
○  "Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes", D. Choi, M.-Y. Choi, W. M. Choi, H.-J. Shin, J.-S. Seo, J. Park, S.-M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. Kim, Adv. Mater., 22, 2187 (2010)
○ "Self-organized Hexagonal Nanopore SERS", D. Choi, Y. Choi, S. Hong, T. Kang, and L. P. Lee, Small, 6, 1741 (2010)
○ "Additional Amplification of SERS via Optofluidic CD-based Platform", D. Choi, T. Kang, H. Cho, Y. Choi and L. P. Lee, Lab on a Chip, 9, 239 (2009)

3. 경력사항
○ 2011년 ~ 현  재 : 교육과학기술부, 한국연구재단 글로벌박사펠로우쉽(Global Ph.D. Fellowship) 선정·수행 중

4. 주요연구내용
○ "Controlled Growth of Semiconducting Nanowire, Nanowall, and Hybrid Nanostructures on Graphene for Piezoelectric Nanogenerators", B. Kumar, K. Y. Lee, H.-K. Park, S. J. Chae, Y. H. Lee, and S.-W. Kim, ACS Nano, 5, 4197 (2011)
○ "Control of naturally coupled piezoelectric and photovoltaic properties for multi-type energy scavengers", D. Choi, K. Y. Lee, M. J. Jin, S. G. Ihn, S. Y. Yun, X. Bulliard, W. Choi, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J. Y. Choi, J. M. Kim, Z. L. Wang, Energy Environ. Sci., 4, 4607 (2011)
○ "Charge-Generating Mode Control in High-Performance Transparent Flexible Piezoelectric Nanogenerators", H.-K. Park, K. Y. Lee, J.-S. Seo, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, D. Choi, and S.-W. Kim, Adv. Funct. Mater., 21, 1187 (2011)
○ "Piezoelectric touch-sensible flexible hybrid energy harvesting nanoarchitecture", D. Choi, K. Y. Lee, K. H. Lee, E. S. Kim, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, and J. M. Kim, Nanotechnology. 21, 405503 (2010)

A role for O-GlcNAcylation in setting circadian clock speed Kim, E.Y. et al. (Genes and Development - 2012. 3.1. 출판)

이 지구상에 존재하는 모든 생명체들은, 생체시계를 통하여 지구의 자전결과 나타나는 낮/밤의 변화, 그리고 더 나아가서는 일 년을 주기로 나타나는 계절의 변화를 미리 예측하고 이에 맞게 행동할 수 있게 되었다. 
따라서 인간의 수면/기상 주기와 같은 여러 가지 행동 및 생리적인 현상 등이 24시간의 주기를 갖는 생체리듬을 나타낸다.

생체시계의 분자생물학적인 작용 기전은 아주 하등한 단세포 동물로부터 사람에 이르기 까지 종간 진화적 보존성이 매우 높은데 특히 사람을 포함하는 포유류의 생체시계에 관한 이해는 초파리를 모델로 한 일련의 연구로부터 가능하였다.
전사인자인 dCLOCK (dCLK)과 CYCLE (CYC) 단백질이 dPERIOD (dPER)와 TIMELESS (TIM) 단백질의 발현을 촉진하고 dPER 단백질은 TIM 단백질과 이합체 (dimer)를 이루어 dCLK과 CYC의 활성을 저해하여 자신의 발현을 억제함으로써 생체시계 유전자 및 생체시계의 조절을 받는 유전자의 발현이 진동 (oscillation) 하도록 하는 Tranascriptional/Translational Feedback Loop (TTFL)이 생체시계 작동의 분자적 기전이다.
특히 dPER 단백질은 많은 Ser/Thr 잔기에서 시간에 따라 인산화가 조절되고, 그 결과 dPER 단백질의 양, 활성, 그리고 핵 안으로의 이동 등이 조절됨으로써 생체시계 시스템에서 시간을 알려주는 분자적 지표로 인식되고 있다.

앞서 언급한 TTFL에 의해 생체시계 유전자들이 24시간의 주기를 가지고 발현이 진동 (oscillation) 하기 위해서는 dPER 단백질이 합성된 후 바로 dCLK/CYC의 활성을 억제하지 않고 어느 정도 시간이 경과한 후 dCLK/CYC의 활성을 억제하는 것이 필요하다.
따라서 dPER 단백질이 합성된 후 세포질에서 어느 정도 머물러 있다가 특정 시간에 핵 안으로 이동하도록 조절하는 것이 동물이 24시간의 생체리듬을 갖도록 하는데 중요한 조절 기전이 될 것임이 제시되어 왔으나 어떤 시그널이 dPER가 일정 시간 동안 세포질 안에 머무르도록 하는지에 대해서는 알려진 바가 없었다.
본 연구에서는 단백질의 O-GlcNAc 수식화가 Ser/Thr 잔기에 일어나고 인산화와 다양한 상호작용을 통해 단백질의 활성을 조절한다는 사실에 기반을 두어 O-GlcNAc 수식화가 생체시계의 작동에 영향을 미칠 수 있는지 조사하여 본 결과, dPER 단백질이 O-GlcNAc 수식화될 수 있음을 처음으로 밝혔다.
더욱이 초파리를 이용한 다양한 유전학적인 연구기법을 이용하여 O-GlcNAc 수식화가 dPER 단백질의 안정성 및 핵 안으로 이동하는 타이밍을 조절함으로써 생체시계가 24기간의 주기를 유지할 수 있도록 한다는 것을 개체수준에서 입증하였다.

매우 흥미롭게도 초파리에서 dPER 단백질의 O-GlcNAc 수식화는 시간에 따라 조절되었다.

dPER 단백질의 O-GlcNAc 수식화가 dPER 단백질에 어떠한 영향을 미치는가, 그리고 어떠한 기전을 통하여 생체시계의 속도를 조절하는가를 조사해 본 결과 먼저 O-GlcNAc 수식화는 dPER 단백질을 안정화 시킨다는 사실을 발견하였다 (그림 3, A 와 B).
초파리 뇌에서 생체시계는 약 150개의 신경세포들에 의해서 조절되며, 특정 그룹들의 신경세포들이 생체리듬의 서로 다른 특징들을 조절하는 것으로 잘 알려져 있다.
특히 small ventral lateral neuron (sLNv)은 외부에서 오는 시간의 정보가 없을 때 초파리의 행동이 생체리듬을 유지하도록 하는데 중요한 기능을 담당한다. 이 신경세포에서 dPER 단백질의 시간에 따른 세포내 분포정도를 조사해 본 결과, ogt의 발현이 저하되어 O-GlcNAc 수식화가 적게 일어난 dPER 단백질은 합성된 후 세포질 내에 머무르지 못하고 이른 시간에 핵 안으로 이동하는 것을 확인할 수 있었고 (그림 3, C와 D), 반면에 ogt의 발현이 증가하여 O-GlcNAc 수식화가 많이 된 dPER 단백질은 오랜 시간 세포질 내에 머무르며 핵 안으로 이동이 더뎌지는 것을 확인할 수 있었다.
이는 생체시계 세포에서 ogt의 발현 정도에 따라 생체리듬의 주기가 빨라지거나 느려지는 것과 일치하는 결과이다.

O-GlcNAc 수식화의 기질이 되는 UDP-GlcNAc 이 포도당으로부터 만들어지기 때문에 단백질의 O-GlcNAc 수식화는 세포에서 영양 상태를 감지하는 시그널로 알려져 있다. 생체시계는 빛 자극 뿐 아니라, 영양/대사에 의해서도 영향을 받는 것이 잘 알려져 있다.
본 연구에서 생체시계의 핵심 단백질인 dPER 단백질이 O-GlcNAc 수식화에 의해 조절되고, 이러한 조절이 생체시계의 속도를 바꿀 수 있음을 밝혀냄으로써 영양/대사에 의해 생체시계가 조절 되는 신호체계를 이해하는데 실마리를 제공하였는데 매우 의의가 크다고 하겠다.

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4. 주요성과 
1.  Kim, E.Y.*, Jeong, E.H., Park, S., Jeong, H.J., Edery, I., Cho, J.W.* (2012) A role for O-GlcNAcylation in setting circadian clock speed. Genes Dev. 26(5):490-502 (*Co-corresponding author)
2.  Sun, W.C., Jeong, E.H., Jeong, H.J., Ko, H.W., Edery, I., Kim, E.Y. (2010) Two distinct modes of PERIOD recruitment onto dCLOCK reveal a novel role for TIMELESS in circadian transcription. J. Neurosci. 30(43):14458-69.
3.  Ko, H.W. *, Kim,E.Y.*, Chiu,J., Vanselow,J.T., Kramer,A., Edery,I. (2010) A hierarchical phosphorylation cascade that regulates the timing of PERIOD nuclear entry reveals novel roles for proline-directed kinases and GSK-3beta/SGG in circadian clocks. J. Neurosci. 30(38):12664-75. (*Co-first author)

2. 학력사항
  1977.3 - 1982.2   연세대학교 생물학과 학사   
  1982.3 - 1984.2  연세대학교 생물학과 석사  
  1987.3 - 1993.1  Univeraity of California, Davis PhD 

3. 경력사항
  1993.2 - 1996.2   SUNY Stony Brook 박사후연구원  
  1996.3 - 현재 연세대학교 시스템생물학과/융합오믹스 의생명과학과 교
  현재            융합오믹스 의생명과학과 학과장, 한국당과학회 회장, 한국분자세포생물학회 교육위원장, International Glycoconjugates Organization 한국대표, 4th ACGG Symposium 조직위원장, 24th International Symposium on Glycoconjugates 조직위원장 
4. 주요성과
1. Won Ho Yang, Ji Eun Kim, Hyung Wook Nam, Jung Won Ju, Hoe Suk Kim, Yu Sam Kim, and Jin Won Cho (2006) Modification of p53 with O-linked N-acetylglucosamine regulates p53 activity and stability. Nature Cell Biology 8: 1073-1084
2. Won Ho Yang, Sang Yoon Park, Hyung Wook Nam, Do Hyun Kim, Jeong Gu Kang, Eun Seok Kang, Yu Sam Kim, Hyun Chul Lee, Kwan Soo Kim, and Jin Won Cho (2008) NFκB activation is associated with its O-GlcNAcylation state under hyperglycemic conditions. P Natl Acad Sci USA 105:17345-17350
3. Sang Yoon Park, Hyun Sil Kim, Nam Hee Kim, Suena Ji, So Young Cha, Jeong Gu Kang, Ichiro Ota, Keiji Shimada, Noboru Konishi, Hyung Wook Nam, Soon Won Hong, Won Ho Yang, J?rgen Roth, Jong In Yook, Jin Won Cho (2010) Snail1 is stabilized by O-GlcNAc modification in hyperglycemic condition. EMBO J 29, 3787-3796

Digital Selective Growth of ZnO Nanowire Arrays from Inkjet-Printed Nanoparticle Seeds on a Flexible Substrate S.H. Ko et al. (Langmuir - 2012. 3.14. 출판)

최근 나노선 (nanowire), 나노튜브 (nanotube), 나노입자 (nanoparticle) 등의 나노구조물을 이용한 다양한 기능성 소자의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

이는 기존의 스케일에서 볼 수 없었던 새로운 전기적, 광학적, 기계적, 화학적 성질을 나노스케일에서 발견할 수 있고, 이를 이용해 성능이 뛰어난 소자를 제작할 수 있기 때문이다.

하지만 기존의 공정들은 진공, 고온상태에서 촉매와 유해한 기체화합물 전구체를 기본적으로 필요로 하기 때문에 고비용의 전구체와 진공장비의 필요성 때문에 합성에 필요한 비용이 굉장히 크고, 나노구조물을 합성하는 기판의 선택에 있어서 높은 온도에 견디지 못하는 플라스틱과 같은 물질을 이용하지 못하며, 환경 비친화적인 단점을 가지고 있다.

뿐만 아니라 전자 소자와 나노구조물 간의 기계/전기적 접합 성질 면에서 신뢰성이 뛰어나지 못하고, 정렬된 나노구조물의 정확한 방향성 및 균일성 등에 있어서 성능이 좋지 못하다. 따라서 실제 소자로의 응용 시 여러 가지 문제점들을 안고 있다. 

본 연구팀은 이러한 기존의 단점을 극복하기 위하여 디지털 직접 나노물질 성장법을 개발하였다.

잉크젯 장비를 이용하여 종이에 프린트하듯이 나노물질의 씨앗층(seed layer) 패턴을 기판위에 형성시키고 100℃ 이하의 저온에서 열수 화학반응 (hydrothermal reaction)을 이용하여 씨앗층에만 나노와이어를 선택적으로 성장시켜서 기존의 광식각 (photolithography)공정과 유전영동 (dielectrophoresis), 미세유체 흐름 (microfluidics), 미세접촉 인쇄기법 (micro contact printing) 등을 이용하지 않고 단일 공정으로 성장시키는 선택적 저온 성장법을 개발하였다.

따라서 고가의 후속 공정들이 없이도 대면적 플라스틱 기판에 나노물질을 단일공정을 통해 나노물질 합성과 패터닝을 동시에 수행할 수 있는 신개념의 공정을 개발할 수 있었고 전자소자와 나노구조물 간의 기계/전기적 접합 신뢰성 및 나노구조체 방향성 및 균일성을 극대화 시킬 수 있었다.

이와 더불어 원하는 위치에 직접 나노물질을 합성하고 패터닝하는 디지털 나노물질 직접 패터닝 기술은 공정변경이 굉장히 용이하여 초기 나노소자 개발에 걸리는 공정개발시간을 대폭 단축시킬 수 있으며,  저온공정 특성상 플라스틱 기판에 구현이 가능하며 현재 차세대 대량생산공정으로 가장 주목을 받고 있는 롤투롤(roll-to-roll)공정으로 적용이 용이하여 현재 나노소자의 가장 큰 걸림돌이었던 대량생산과 상용화의가능성을 제시한 획기적인 기술로 고성능 나노소자의 상용화에 필요한 핵심 기술이 될 것으로 기대된다. 

4. 주요성과 
1. S.H. Ko, D. Lee, N. Hotz, J. Yeo, S. Hong, K.H. Nam, C.P. Grigoropoulos, "Digital selective growth of ZnO nanowire arrays from inkjet printed nanoparticle seed on a flexible substrate", Langmuir, 28,4787-4792, 2012.
2. Y. Son, J. Yeo, H. Moon, T.W. Lim, K.H. Nam, C.P. Grigoropoulos, S. Yoo, D.-Y. Yang and S.H. Ko, "Nanoscale Electronics: Digital Fabrication by Direct Femtosecond Laser Processing of Metal Nanoparticles", Advanced Materials, 23, 3176-3181, 2011.
3. S.H. Ko, D. Lee, H.W. Kang, K.H. Nam, J.Y. Yeo, S.J. Hong, C.P. Grigoropoulos, H.J. Sung, "Nanoforest of Hydrothermally Grown Hierarchical ZnO Nanowires for a High Efficiency Dye-sensitized Solar Cell", Nano Letters, 11(2), 666-671, 2011.
4. I. Park, S.H. Ko, H. Pan, C.P. Grigoropoulos, A.P. Pisano, J.M.J. Frechet, E. Lee, and J. Jeong, "Nanoscale Patterning and Electronics on Flexible Substrate by Direct Nanoimprinting of Metallic Nanoparticles", Advanced Materials 20, 489-496, 2008.
5. S.H. Ko, I. Park, H. Pan, C.P. Grigoropoulos, A.P. Pisano, C.K. Luscombe, and J.M.J. Frechet, "Direct Nanoimprinting of Metal Nanoparticles for Nanoscale Electronics Fabrication", Nano Letters 7(7), 1869-1877, 2007