지속 가능 촉매 연구실은 2022년 1월 카이스트에서 문을 열어 박윤수 교수님의 지도하에 현재 두 명의 석사과정 학생, 열 명의 석박사 통합과정 학생으로 구성되어 있습니다. 우리 연구실은 다양한 차세대 에너지를 기반으로 유기화학, 유기 금속화학, 광화학 분야에 새로운 개념 정립을 목표로 하고 있습니다. 전통적인 정밀 화학 공정의 근본적인 단점을 해결 할 수 있는 지속 가능한 촉매와 새로운 합성법을 개발 중이며, 교수님의 지도 아래 연구실 구성원들은 협력하여 다양한 연구 과제들을 해결해 나가고 있습니다.
연구 비전
1. 단일 원자 편집을 통한 유기합성법 연구
유기 화학에서의 단일 원자 편집기술(single-atom edit- ing)은 화학 구조의 개별 원자를 정밀하게 추가, 제거, 및 교 정하는 방법으로, 약물의 골격을 편집(skeletal editing)하여 효능을 극대화하고 부작용을 최소화하는 데 핵심이 되는 원 천 기술입니다. 이 기술은 특히 후기 단계 기능화(late- stage functionalization)와 결합되어, 합성 과정의 마지막 단계에서 기존 분자의 구조를 유지하면서 다양한 화학적 변형을 추가할 수 있습니다. 이를 통해 신약 후보물질 개발의 효율성을 높이고, 고부가가치 화합물을 설계하는 데 기여할 수 있습니다.
효율적인 단일 원자 편집 기술은 의약 화학, 재료 과학 및 촉매 개발 등 다양한 분야에서 응용될 수 있습니다. 특히, 이 러한 방법은 자원 고갈 문제에 대한 해결책을 제시하고, 더 지속 가능하고 경제적인 화학 합성을 촉진할 수 있습니다. 또 한, 연구자들은 이러한 기술을 통해 맞춤형 약물을 설계하거나, 특정 질병에 대한 치료제를 개발하는 데 필요한 새로운 가능성을 열어 가리라 기대됩니다.
이러한 맥락에서 최근 우리 연구실에서는 청색광과 광촉매를 사용해 5원자 고리 화합물에서 산소 원자를 질소로 치환 하는 새로운 반응을 발표했습니다. 온화한 조건에서 퓨란(furan)을 피롤(pyrrole)로 전환하는 반응을 통해 높은 수율 을 달성했으며, 이는 기존 연구들을 개선한 결과입니다. 이 연구는 퓨란을 포함하는 천연물 및 생체 활성 물질을 피롤 유 사체로 정밀하게 전환할 수 있는 새로운 역합성법을 제시했습니다. 이를 통해 신약 라이브러리 구축, 새로운 재료 물질 의 설계 등 다양한 응용 분야에서 잠재력을 지니고 있습니다.
2. 차세대 발광 물질의 개발
OLED와 광촉매에 사용되는 발광 물질은 주로 이리듐, 백 금, 루테늄과 같은 귀금속을 기반으로 하는데, 이는 비용이 많이 들고 자원이 한정되어 있어 미래에 고갈될 가능성이 있습니다. 우리 연구실에서는 귀금속이 필수적이라는 전통적인 개념에 도전하여, 지각에서 풍부하게 존재하는 전이 금속을 활용한 차세대 발광 물질과 광촉매를 개발하는 데 중점을 두 고 있습니다. 이를 위해, 금속과 공유 결합된 리간드를 정밀 하게 설계하여 차세대 발광 소재를 만드는 것이 목표입니다. 우리 연구실의 핵심 접근법은 두 가지로 요약할 수 있습니다. 첫째, 지각에서 쉽게 구할 수 있는 금속을 사용하여 자원 고갈의 위험을 줄이는 지속 가능한 접근 방식을 추구한다 는 점입니다. 둘째, 이러한 금속과 정교하게 결합된 리간드 를 설계함으로써, 귀금속에 의존하지 않고도 우수한 성능을 발휘할 수 있는 새로운 발광 및 촉매 소재를 창출하는 데 있습니다. 궁극적으로, 지각에 풍부한 전이 금속 기반의 신소 재가 미래의 OLED와 광촉매 기술에 있어 중요한 역할을 하 리라 믿고, 이러한 기술을 통해 보다 지속 가능하고 경제적인 해결책의 도출을 목표하고 있습니다.
3. 데이터 과학을 기반으로 한 촉매 설계
유기화학 반응의 선택성은 주로 복잡한 메커니즘적 인자에 의해 결정됩니다. 반응의 화학 선택성, 위치 선택성, 거울 상 선택성을 극대화하기 위해선 그 메커니즘을 정성적 및 정량적으로 이해하고, 최적의 촉매를 도출해야 합니다. 우리 연 구실에서는 직접 디자인한 촉매, 리간드, 재료 물질의 특성 들의 실험적 특성을 측정하고, 이를 직접 계산 화학적으로 모델링함으로써 더 나은 분자 구조를 예측하는 연구를 수행 중입니다. 합성 화학, 계산 화학을 비롯해 통계 분석까지 연 구실 내에서 직접 진행함으로써, 실시간 피드백을 바탕으로 한 시너지 효과를 기대하고 있습니다.
구체적으로, 직접 수집한 데이터를 바탕으로 다변량 회귀 분석 및 기계 학습 알고리즘 등을 사용하여 반응 선택성을 예측하는 모델을 구축합니다. 이 과정에서 반응 생성물의 비율과 그 원인(구조적 특징, 반응 조건 등)을 파악하는 데 기여하는 중요 특징을 추출합니다. 겉으로는 쉽게 파악할 수 없는 물리 유기 화학적 인자들을 도출하여, 촉매 및 재료 물질 설계의 새로운 접근법을 제시하는 것이 최종 목표입니다.
첨단 장비가 함께하는 연구실
우리 연구실은 유기 및 무기 화합물의 합성 및 분석에 필 요한 최첨단 실험 장비를 보유하여, 다양한 분야의 연구를 수행할 수 있는 최적의 환경을 갖추고 있습니다. 특히, 물과 공기에 민감한 금속을 다루기 위한 4대의 글러브 박스와 유 기화합물 합성 후 자동으로 분리할 수 있는 액체크로마토그 래피(MPLC), 그리고 광물리적 특성의 측정을 위한 UV-VIS 분광광도계와 광발광측정장치 등을 구비하고 있습니다. 또한, 우리 랩만의 특징으로는 0.001 torr까지 압력을 낮추어 수분을 완벽히 제거할 수 있는 홈메이드 high vacuum line을 갖추고 있다는 점 입니다. 이 외에도 광화학 반응을 위한 광 반응기, 기계화학 반응을 위한 볼밀(ball-mill), 전기화학 실험을 위한 포텐시오스텟(potentiostat) 등을 갖추고 있어, 폭 넓은 연구 분야를 지원하는 탄탄한 인프라를 자랑합니다.
서로 배우고 소통하는 연구실
우리 연구실은 구성원들이 다양한 연구 분야에 걸쳐 협력 할 수 있는 환경을 조성하고 있습니다. 매주 서브 그룹 미팅 (위클리 미팅)과 그룹 미팅 및 Safety talk을 통해 서로의 연구 분야를 공유하고 논의하는 시간을 가지며, 연구적 발전을 위해 적극적으로 질문하고 의견을 나누고 있습니다. 또한, 정해진 시간 외에도 교수님께서 실험실에 직접 방문하시거나 연구 소통 메신저인 Slack을 활용해 지도와 피드백을 주셔서 활발한 토론과 협력이 이루어지고 있습니다. 오피스 내부 에는 별도로 마련된 디스커션 룸이 있어, 그룹 간의 토론이 진행되는 동안 다른 구성원들이 방해받지 않고 연구에 집중 할 수 있습니다. 이 디스커션 룸에는 테이블, 화이트보드, 그리고 Zoom 프로젝터가 갖춰져 있어 회의 및 논의에 최적화 된 공간으로 활용되고 있습니다.
즐거운 연구실 연구 활동 외에도 우리 연구실은 화목한 분위기로 학과 내 에서 유명한데요. 연구 외적인 친목 도모 활동도 자주 진행 하는 것이 그 이유라고 생각됩니다. 그중 하나가 매년 1박 2일로 진행되는 워크숍입니다. 몸으로 말해요, 음악 맞추기 등 다양한 게임과 활동을 통해 구성원들 간의 유대감을 높이고, 올해는 여수 아쿠아리움을 방문하는 등의 활동을 즐겼습니 다. 매년 봄에는 카이스트에서 판매하는 딸기를 사서 딸기파티를 엽니다. 4월이 되면 아름다운 벚꽃 나무 아래에서 돗자 리를 펴고 둘러앉아 이런저런 얘기를 나누면서 맛있는 음식을 먹기도 했습니다. 특히 올해는 교수님께서 대전의 명물인 성심당 딸기시루를 사 오셔서 모두 함께 맛보는 특별한 경험을 했습니다. 작년 연말에는 시크릿 산타라는 마니또와 같은 프로그램을 통해 서로를 위한 재밌는 선물을 준비하여 즐거운 시간을 가지기도 하였습니다.
글로벌한 연구실
우리 연구실의 또 다른 특징 중 하나는 국제 연구 교류를 활발히 진행하고 있어, 외국인 학생들이 교환학생으로 자주 방문을 한다는 것입니다. 지난 2년 반 동안 캐나다 워털루 대학, 일본 도쿄 공대, 싱가포르 난양 공대 등 전 세계 다양한 학교에서 11명의 학생들이 우리 연구실을 방문하여 함께 연구를 진행했습니다. 이 과정에서 뛰어난 외국인 학생들과 협력을 통해 연구적 성장을 이룰 뿐만 아니라, 영어 회화 능력을 향상시키고 다양한 문화를 배우는 기회도 제공받았습니다. 외국인 학생들이 방문할 때는 한국 음식 문화를 경험 할 수 있도록 맛집 탐방을 하거나 카이스트 기념품을 선물하는 등의 활동을 통해 따뜻한 환영과 송별회를 준비해주고 있습니다. 이러한 활동들은 외국인 학생들이 우리 실험실을 찾아오는 원동력이 되고 있습니다.
외국 학생들이 우리 연구실에 방문할 뿐만 아니라, 우리연구실에서도 미국 Caltech 대학과의 협력 프로그램을 통해 학생들이 몇 개월간 Visiting Student로 연구에 참여할 수 있는 기회를 가집니다. 이를 통해 랩 구성원들은 세계적인 연구 환경에서 경험을 쌓고, 새로운 연구 환경과 기술을 경 험하면서 연구 역량을 확장할 수 있습니다.
우리 연구실은 서로 다른 분야를 연구하는 구성원들이 협력하고, 함께 성장하며, 친목을 다질 수 있는 환경을 제공함으로써, 학문적 성취와 따뜻한 유대감을 모두 추구하는 이상 적인 연구실입니다. 이러한 분위기를 만들어 주신 박윤수 교수님께 깊은 감사의 말씀을 드리며, 글을 마칩니다.
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