서울공대 재료공학부 김진영 교수팀, 박막 탠덤 태양전지 광발전성능 신기록 달성

서울공대 재료공학부 김진영 교수팀, 박막 탠덤 태양전지 광발전성능 신기록 달성 NREL 차트 공식 등재 쾌거…차세대 태양광 기술 주도권 확보 기대 ▲ (좌측부터) 서울대학교 재료공학부 김진영 교수, 서울대학교 재료공학부 박소정 연구원, 한국과학기술연구원 정증현 박사, 한국과학기술연구원 최은평 연구원 국내 연구진이 페로브스카이트/CIGS(copper indium gallium selenide, 구리 인듐 갈륨 셀레늄) 탠덤 태양전지* 분야에서 광발전성능** 신기록을 달성하며 한국의 독보적인 기술력을 입증했다. * 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 : 서로 다른 광에너지를 흡수할 수 있는 두 종류의 얇은(박막) 태양전지를 2층으로 겹쳐 만든 태양전지로, 기존 단일 태양전지보다 훨씬 더 많은 전기를 만들 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있음** 광발전성능 : 빛을 전기로 바꾸는 효율  한국연구재단(이사장 홍원화)은 서울대학교 재료공학부 김진영 교수팀과 한국과학기술연구원(이하 KIST) 차세대태양전지연구센터 정증현 박사팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지의 에너지 손실을 줄일 수 있는 기술을 개발, 이 분야에서 26.3%의 광발전성능 신기록을 달성했다고 밝혔다. 2050년 탄소중립 목표를 위해 태양광 발전은 필수적이지만, 우리나라는 인구밀도가 높고 국토 면적이 협소해 대규모 태양광 발전소를 위한 부지 확보에 큰 어려움을 겪고 있다. 이러한 상황에서 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지는 가볍고 잘 휘어지는 특성 덕분에 건물 외벽이나 창문, 자동차 지붕, 방음벽 등 다양한 곳에 스티커처럼 쉽게 붙일 수 있어 국토의 효율적 이용을 극대화할 훌륭한 대안으로 꼽히고 있다. 공동연구팀은 만들기 쉽고 비용이 저렴한 페로브스카이트 태양전지와 더 넓은 영역의 빛을 흡수하는 CIGS 태양전지를 결합하는 방법을 고안, 실리콘 기반 탠덤 태양전지와 대등한 수준의 고효율을 박막 형태로 구현할 수 있는 기술을 개발해 냈다.먼저, 서울대 연구팀은 거친 표면의 CIGS 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 안정적으로 쌓아 올릴 수 있도록 특수 소재와 공정을 개발, 이를 통해 두 태양전지가 빈틈없이 완벽하게 붙어 최고의 성능을 낼 수 있도록 만들었다. KIST 연구팀은 두 태양전지를 연결하는 부분에서 에너지 손실이 거의 없도록 다리 역할을 하는 연결층을 최적화해 태양전지가 제 성능을 100% 발휘할 수 있도록 지원했다. 이를 통해 26.3%의 광발전성능 신기록을 달성했으며, 이는 이전 독일 연구소의 최고 기록(24.6%)을 1.7%나 뛰어넘는 쾌거이기도 하다. 이번 기록은 세계적인 태양전지 연구기관인 미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 공식 효율 차트(NREL chart)에 올 4월에 처음으로 등재됐다. 이번 연구성과에 대해 정증현 박사는 “최고 수준의 효율을 달성하면서도, 기존 실리콘 기반 고효율 기술로는 적용이 어려웠던 건물, 자동차, 우주 항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 박막 탠덤 기술의 잠재력을 증명했다”라고 평가했다.  그리고 김진영 교수는“이번 NREL 차트 등재를 계기로 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지 기술의 주도권을 한국이 확보하고, 다소 더디게 성장해 온 해당 분야의 기술 개발을 더욱 가속화하는 전환점이 될 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 단계도약형 탄소중립기술개발사업 및 기후변화대응 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. (그림1) NREL의 태양전지 최고효율 차트 (2025. 6.) https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency (This plot is courtesy of the National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO.)미국의 신재생에너지연구소에서 작성하는 태양전지별 세계 최고 효율을 보여주는 차트로, 서울대와 한국과학기술연구원의 공동연구로 Perovskite/CIGS 탠덤 태양전지 효율을 2025년 6월, 26.3%로 갱신하여 등재되었다. (그림2) 그림 1의 NREL의 태양전지 최고효율 차트 (2025.6.) 중 최근 2005년 이후 등재 결과만을 포함하여 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 기록을 확대한 수정 이미지. 서울대와 한국과학기술연구원의 공동연구 성과(26.3%)가 SNU/KIST로 명기돼 있다.(그림3) 세계최고효율 페로브스카이트/CIGS 탠덤태양전지(그림4) 세계 최고 효율 페로브스카이트/CIGS : (좌) 탠덤태양전지의 도식도 및 (우) 투과전자현미경 단면 사진 [문의]서울대학교 재료공학부 박소정 연구원 / szpark@snu.ac.kr

서울공대 재료공학부 강승균 교수팀, 항암치료 부작용 최소화하는 전기-이온 이중영동 항암치료 기술 개발

서울공대 재료공학부 강승균 교수팀, 항암치료 부작용 최소화하는 전기-이온 이중영동 항암치료 기술 개발 - 전기장과 이온 흐름 활용해 암 조직 깊숙이 약물 침투시켜 - 최소한의 항암제로 기존 대비 4배 높은 치료 효과 보여 - 세계적 학술지 Science Advances 논문 게재 ▲ (좌측부터) 한국과학기술연구원 생체재료연구단 최성근 박사 (前 서울대학교 재료공학부 박사과정), 경상국립대학교 약학대 김성찬 교수, 광운대학교 전자융합공학과 김정현 교수, 한국과학기술연구원 생체재료연구단 이효진 책임연구원, 서울대학교 재료공학부 강승균 교수  서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수팀이 한국과학기술연구원(KIST) 이효진 박사팀, 광운대학교 김정현 교수팀, 경상국립대학교 김성찬 교수팀과의 공동연구를 통해, 항암제를 암 조직 중심부에 정확히 도달시켜 부작용 없이도 고형암을 효과적으로 치료하는 항암치료 기술을 개발했다고 밝혔다. 강 교수팀은 이온 전기동역학 원리(Ion Electrokinetics)를 활용해 약물의 저장·방출·침투를 동시에 제어할 수 있으며, 체내에서 무선 소자를 통해 작동하는 ‘이중-영동 약물전달 시스템(Dual-Phoretic Wireless Drug Delivery System, DPw-DDS)’을 제시했다. 암 조직의 생물학적 장벽을 극복한 이 기술은 항암치료의 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다. 이번 연구 성과는 지난 7월 10일 세계적 권위의 학술지 ’사이언스 어드밴시스(Science Advances)‘에 게재됐다.■ 연구 배경기존에는 환자의 병든 인체 조직 중 세포가 조밀한 조직은 그 안에서 약물이 퍼지기 힘들어 약물 치료가 어려웠다. 그 특성상 조직이 치밀한 고형암을 치료하기 위해 항암제를 투여 시, 약물이 암 조직 깊숙이 침투하지 못해 약효가 저하되는 사례가 대표적이다. 이때 약효를 높이기 위해 고용량의 항암제를 반복 투여할 경우, 항암제의 독성이 오히려 주변의 정상 부위에 퍼져 심각한 부작용이 수반된다. 또한 약물에 대한 인체의 내성을 급속도로 올려 약효가 빠르게 저하되는 문제도 초래한다.이를 해결하기 위해, 항암제를 암 조직에 정확히 도달시키기 위한 약물전달 기술이 그간 활발히 연구됐다. 그 중 ’주사형‘ 기술은 약물을 암 부위까지 ‘전달’하는 기능에 많이 집중됐고, ‘이식형’ 기술은 약물의 ‘저장’과 ‘방출’에 초점이 맞춰졌다.그러나 고형암처럼 조밀한 조직을 치료하려면 약물의 전달·저장·방출에 더해, 약물을 암 조직 내부로 효과적으로 밀어 넣어 퍼뜨리는 기술이 필수적이다. 이에 전기장을 통해 약물을 암 조직 내부로 침투시키는 연구도 발표됐으나, 이 기술은 감염 위험과 환자 관리의 어려움으로 임상 적용에 큰 제약이 있었다. 소자를 인체 내에 완전히 삽입하는 형태가 아닌, 투석처럼 체외로 통하는 연결관을 사용하는 방식이었기 때문이다. ■ 연구 성과이에 연구진은 무선 소자를 체내에 삽입한 뒤, 소자가 방출한 약물이 전기장을 통해 암 조직 방향으로 선택적으로 이동해 암 조직 내부로 효과적으로 침투할 수 있는 정밀 약물전달 플랫폼을 개발했다. 이온 다이오드를 이용한 ‘약물 방출 제어 기술’과 전기장을 통한 ‘조직 침투 기능’을 통합해 하나의 무선 이식형 디바이스에 구현한 **‘이중영동 약물전달 시스템(DPw-DDS)’**을 고안한 것이다. 전기-이온 영동 원리에 기반한 이 시스템은 전압 조절만으로 약물을 정량적·펄스형(pulsatile)·반복적으로 방출(전기영동)할 수 있으며, 생성된 전기장을 통해 약물을 암 조직의 깊숙한 중심부까지 침투(이온영동)시킬 수 있다. 또한 **근거리 무선 통신(NFC)**을 통해 외부 전원 연결 없이도 무선 구동되고, 단일 기기로 저장·방출·침투·정량 제어까지 통합 수행이 가능하도록 설계되어 치료 편이성도 갖췄다.연구진은 이 시스템을 동물실험에 적용한 결과, 기존 약물 주사 방식과 대비해 4배 이상 높은 약물 전달 효율, 종양 크기를 50% 이하로 줄이는 뛰어난 치료 효과를 입증했다. 5주 간의 체내 이식 실험에서도 간·신장 등 주요 장기와 정상 조직의 손상이 전혀 관찰되지 않아, 기존 항암치료의 부작용도 발견되지 않았다.■ 기대 효과이처럼 암 환자들이 항암치료 부작용으로 겪는 고통을 최소화하고, 최소한의 항암제로 최대한의 치료 효율을 보일 것으로 기대되는 ‘이중영동 약물전달 시스템’은 구토, 탈모, 면역력 저하 등의 부작용을 겪던 암 환자들에게 큰 희망이 될 수 있다. 또한 약물을 새로 개발하거나 재설계하지 않고도 전달 효율을 획기적으로 높일 수 있어, 신약 개발 비용 및 시간을 줄일 것으로 기대된다. 그리고 암 외에도 염증, 희귀난치성 질환 등 정밀한 약물 조절이 필요한 다양한 질환에도 적용될 예정이다. 아울러 무선으로 작동하는 이식형 시스템은 나노의약품, 단백질, mRNA 등 차세대 약물에도 활용될 수 있는 범용성을 갖췄다는 평가를 받고 있다. 앞으로 이 시스템의 소재가 생분해성 소재로 확장될 경우, 체내 회수 없이 작동을 마치는 비회수형 의료기기 개발로도 이어질 수 있다. ■ 연구진 의견강승균 서울대 재료공학부 교수는 “약물의 저장, 방출, 침투를 하나의 이식형 무선 시스템에 통합한 이번 기술은 향후 정밀하고 효과적인 암 치료를 가능케 할 전망”이라며 “다양한 질환에 적용 가능한 플랫폼으로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.이효진 한국과학기술연구원(KIST) 박사는 “본 기술은 치료 효율을 높이면서도 부작용을 최소화할 수 있는 실질적인 약물전달 솔루션”이라고 설명하며 “상용화와 임상 적용을 위한 후속 연구도 적극적으로 추진 중”이라고 전했다.■ 연구진 진로이번 연구논문의 주저자인 최성근 박사는 지난 2024년 2월 서울대 재료공학부에서 박사학위를 취득 후, 현재 한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구센터에서 박사후연구원으로 재직 중이다. 향후 ‘이중영동 약물전달 시스템’의 임상 적용을 위한 확장 연구를 지속할 예정이다. 특히 바이오 일렉트로닉스에 기반한 정밀의료 분야로의 진출을 목표로, 생분해성 소재의 비회수형 이식형 디바이스 개발과 나노의약품, 단백질, mRNA 등 다양한 약물에 대한 적용성 확대를 위한 후속 연구를 계속 이어나갈 계획이다.     [참고자료]- 논문명/저널 : “Dual-phoretic wireless device for directionally oriented and carrier-free targeted drug delivery”, Science Advances- DOI : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads9269[문의]서울대학교 공과대학 재료공학부 강승균 교수 / 02-880-7162 / kskg7227@snu.ac.kr

서울공대 기계공학부 고승환 교수팀, 반창고처럼 피부에 붙여 실시간 연속 측정하는 웨어러블 혈압계 개발

서울공대 기계공학부 고승환 교수팀, 반창고처럼 피부에 붙여 실시간 연속 측정하는 웨어러블 혈압계 개발 - 커프 방식 혈압계 대비 정확도·편의성 높인 웨어러블 전자소자 구현 - 고혈압 등 만성질환자 조기 진단 및 스마트 헬스케어 보편화 기대돼 ▲ (좌측부터) 서울대학교 기계공학부 박정재 연구원(공동 제1저자), 서울대학교 기계공학부 홍상우 연구원(공동 제1저자), 서울대학교 기계공학부 김민우 박사후연구원(공동 교신저자), 서울대학교 기계공학부 고승환 교수(교신저자)  서울대학교 공과대학은 기계공학부 웨어러블 소프트 전자소자 연구실(Wearable Soft Electronics Lab)의 고승환 교수 연구팀이 반창고처럼 피부에 부착해 장기간에 걸쳐 혈압을 실시간 연속 측정할 수 있는 웨어러블 전자소자를 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 팔에 공기주머니를 감아 압력을 가한 뒤 혈압을 측정하는 기존 커프(Cuff) 방식과 달리, 작고 부드러운 전자소자만으로 혈압 변화를 지속적으로 측정할 수 있다는 강점 덕분에 세계적 주목을 받고 있다.서울대학교 해외 첨단 공동연구센터 설립 사업의 지원으로 미국 카네기멜론대학교(Carnegie Mellon University)와 함께 수행한 이번 공동연구의 결과는 재료과학 분야의 국제 저명학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF 19.0, JCR 상위 4.9%) 온라인판에 게재됐다. ■ 연구 배경전 세계적으로 13억 명에 달하는 고혈압 환자 중 불과 21%만 질환을 효과적으로 관리 중인 현실은 심각한 건강 문제를 초래하고 있다. 그러나 현재 널리 사용되는 커프 기반 혈압 측정 방식의 경우, 측정이 일회성에 그쳐 연속적 측정이 어려울 뿐 아니라, 크기에 따른 불편함으로 일상생활 중 장기간의 혈압 모니터링에 부적합하다. 또한 환자가 부정확한 위치에서 측정하거나 심리적으로 긴장하면 측정 정확도가 저하되는 문제도 있다. 이처럼 개인의 건강 상태와 생활 습관에 따라 다이나믹하게 바뀌는 혈압의 동적 변화를 파악하지 못하는 기존의 측정법은 심혈관계 질환의 조기 진단 및 예방에 한계를 보인다. 따라서 환자가 소자를 피부에 부착해 편안하게 사용하면서 연속적으로 혈압을 측정할 수 있는, 새로운 형태의 혈압 모니터링 기술의 개발이 시급한 실정이다. ■ 연구 성과이 문제의 해결에 나선 연구팀은 심장에서 동시에 발생하는 전기적 신호(심전도)와 기계적 신호(맥박)가 손목에 도달하는 시간이 혈압에 따라 달라지는 점에 착안해, 연속 혈압 모니터링 기술을 고안했다. 전기적 신호는 심장이 뛰는 순간 신체를 따라 빠르게 전달되기 때문에, 거의 즉시 손목에서 감지된다. 반면, 기계적 신호는 심장이 수축하며 혈액이 밀려오는 과정에서 전달이 지연되므로, 심장이 뛴 후 손목 피부가 미세하게 움직이기까지 어느 정도의 시간이 걸린다.이 시간차는 혈압과 직접적으로 연관되어 있는데, 혈압이 높으면 혈류 속도가 빨라져 두 신호의 도달 시간 차이가 짧아지고, 반대로 혈압이 낮으면 차이가 더 길어진다. 연구팀은 이 원리를 바탕으로 매 심장박동마다 두 신호를 정밀하게 감지하고 그 결과를 분석해, 수축기·이완기 혈압을 연속 측정하는 모델을 구현했다.▲ 그림 1. 실시간 연속혈압측정이 가능한 웨어러블 전자소자의 원리 및 주요 특성그런데 혈액의 흐름에 따라 나타나는 피부의 미세한 변화를 포착하기란 쉽지 않다. 이에 연구팀은 다음 단계로, 액체금속(Liquid Metal)이라는 독특한 소재를 활용해 환자의 피부에 자연스럽게 밀착되는 전자소자를 고안했다. 상온에서도 액체 상태를 유지하면서 전기가 잘 흐르는 액체금속은 마치 피부처럼 늘어나는 특성도 지녀 이 전자소자의 소재로서 적합했다.그러나 액체금속은 표면 장력이 매우 높아, 회로를 정밀하게 그리거나 고정된 형태로 만들기 매우 어려웠다. 이 한계를 뛰어넘기 위해 연구팀은 ‘레이저 소결(Laser-sinter)’이라는 독자적 공정을 고안했다. 미세하게 분산된 액체금속 입자를 순간 레이저로 가열해 서로 융합시키는 이 방식을 활용하면, 원하는 특정 위치에만 회로를 그릴 수 있기 때문이다. 마침내 연구팀은 해당 공정을 통해 별도의 화학물질 추가 없이, 우수한 전기 전도성을 지니면서 쉽게 변형 가능한 연속혈압측정 웨어러블 전자소자를 개발하는 데 성공했다. ▲ 그림 2. 액체금속 웨어러블 전자소자의 제작 과정 및 주요 특성a. 액체금속 입자의 레이저 소결 공정 개념도.b. 레이저 처리되지 않은 액체금속 입자의 모습.c. 레이저 소결된 액체금속의 모습.d. 레이저 처리 유무에 따른 라만 분광법 결과 비교.e. 머리카락보다 얇은 액체금속 회로의 최소 패터닝 해상도.f. 액체금속 회로를 피부에 부착하는 과정.g. 레이저 패터닝과 스크린 프린팅된 액체금속의 번짐 특성 비교.해당 전자소자는 전기적·기계적 성능이 모두 우수해, 심장에서 유래한 심전도와 맥박을 모두 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 연구팀은 실험을 통해 소자가 원래 길이의 700%까지 늘어나거나, 1만 번 이상 반복해 늘어나도 성능이 유지됨을 확인했다. 더불어 실제 운동 전후에 나타나는 혈압의 급격한 상승 및 회복 과정을 연속 측정하는 데 성공하며, 기존 커프 방식보다 더 섬세한 혈압 모니터링 능력을 입증했다. ■ 기대 효과 이번 연구에서 개발된 연속혈압측정 웨어러블 전자소자는 향후 일상 속 건강 관리 방식을 획기적으로 변화시킬 것으로 기대된다. 손목에 간단히 부착하는 것만으로도 혈압 변화를 실시간으로 확인할 수 있어, 이전처럼 병원이나 정적인 장소에서만 혈압 측정이 가능했던 번거로움을 줄일 수 있다. 특히 조용한 시한폭탄이라 불리는 고혈압과 같은 만성 질환을 가진 환자들에게, 언제 어디서나 현재 상태를 모니터링할 수 있는 전자소자는 실질적 도움이 된다. 그리고 운동 중 혈압의 급격한 변화나 회복을 추적할 수 있어, 개인 맞춤형 운동 처방이나 피트니스 코칭에도 활용 가능하다. 나아가 스마트워치, 패치형 의료기기, 통기성 의류형 센서 등 다양한 형태의 웨어러블 디바이스에 통합될 수 있는 핵심 기술로서의 산업적 잠재력도 지닌다. 장기적으로는 누구나 병원이 아닌 일상적 공간에서 질병을 예방하고 건강을 관리하는 스마트 헬스케어 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 예상된다.■ 연구진 의견연구를 이끈 고승환 교수는 “이번 연구성과는 혈압 측정은 귀찮고 번거로우며, 하루에 한 번 정도면 충분하다는 기존 인식을 전환시킬 것”이라며 “특히 비침습적 방식으로 신체의 생리 신호를 일상에서 실시간 감지하고 해석할 수 있는 헬스케어 인터페이스를 제시했다는 점에서 그 의미가 크다”고 밝혔다. 아울러 “이 기술은 중환자 모니터링, 작업자 안전 모니터링, 생활 건강 데이터 분석 등 다양한 분야로 확장 가능한 잠재력을 지녔으므로, 앞으로 현대인이 삶의 질을 향상하는 데 사용하는 실질적 도구로 자리매김할 것”이라고 덧붙였다.■ 연구진 진로이번 논문의 공동 제1저자인 박정재 연구원과 홍상우 연구원은 본 연구를 바탕으로 생체신호 기반 스마트 센서 기술을 한층 더 고도화하는 후속 연구에 정진하고 있다. 두 연구원은 향후 다양한 소재의 기판, 무선통신 기능, 인공지능 기반 데이터 분석 기술 등을 해당 기술에 통합해 실사용성과 확장성을 높이는 연구를 이어갈 계획이다. [참고자료]- 논문명/저널 : “Highly Sensitive Cuffless Blood Pressure Monitoring with Selective Laser-Sintered Liquid Metal Conductors”, Advanced Functional Materials- DOI : https://doi.org/10.1002/adfm.202505089[문의]서울대학교 기계공학부 웨어러블 소프트 전자소자 연구실 박정재 연구원 / pjj1115@snu.ac.kr