NanoBio Chemistry Lab
배터리소재화학공학과
김종호
나노바이오화학연구실은 유·무기 나노소재의 합성, 표면 기능화 및 바이오 응용을 중심으로 첨단 융합 연구를 선도하고 있습니다. 본 연구실은 나노입자, 전이금속 디칼코게나이드(TMD), 공유결합 유기골격체(COF) 등 다양한 나노소재를 설계·합성하여, 바이오센서, 면역치료제, 차세대 에너지 저장장치 등 다양한 분야에 혁신적 기술을 개발하고 있습니다.
특히, 표면 증강 라만 산란(SERS) 기반의 나노바이오센서 및 진단 플랫폼 개발에 강점을 가지고 있습니다. 알츠하이머, 췌장암 등 난치성 질환의 조기 진단을 위한 초고감도 SERS 나노프로브, 멀티플 바이오마커 진단 플랫폼, 자성-증강 SERS 기술 등은 기존 진단법의 한계를 극복하며, 실제 임상 샘플에서 우수한 성능을 입증하였습니다. 이러한 기술은 비침습적 혈액검사를 통한 질병 조기 진단 및 예후 모니터링에 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.
에너지 분야에서는 전고체 리튬메탈 배터리의 상용화를 위한 고체 전해질 소재 개발에 집중하고 있습니다. 세계 최초로 양쪽성 이온 구조를 도입한 공유결합 유기골격체 기반 고체 전해질(Zwitt-COF)을 개발하여, 상온에서 높은 이온전도도와 안정성을 확보하였으며, 반복 충·방전 후에도 우수한 성능을 유지하는 차세대 배터리 기술을 선도하고 있습니다. 이러한 연구는 Advanced Materials 등 세계적 학술지에 상위 2% 논문으로 선정되는 등 국제적으로도 인정받고 있습니다.
또한, 나노면역치료 및 인공항체 기술을 통해 암, 패혈증, 류마티스 관절염 등 다양한 질환의 치료에 새로운 접근법을 제시하고 있습니다. TMD 나노시트 기반 인공항체, 면역스위치, 광열치료·면역관문 억제제 등은 기존 항체 기반 치료제의 한계를 극복하며, 실제 동물 모델에서 우수한 치료 효과와 안전성을 입증하였습니다. 다수의 원천특허와 국가 과제를 통해 기술의 독창성과 실용성을 확보하고 있습니다.
이 외에도, 미세유체 칩 기반의 고감도 박테리아 검출, 항균·항산화 나노소재, 화장품 소재, 금속-공기 전지용 촉매 등 다양한 융합 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 나노바이오화학연구실은 기초과학과 응용기술의 경계를 허물며, 미래 바이오·에너지·의료 산업을 선도하는 창의적 연구를 지속적으로 추진하고 있습니다.
Next-Generation Batteries
Next-generation Battery
Functional Organic Materials
나노바이오센서 및 질병 조기 진단 기술
나노바이오화학연구실은 나노입자 및 유·무기 나노소재의 합성과 이들의 표면 기능화 기술을 바탕으로, 다양한 질병의 조기 진단을 위한 첨단 바이오센서 개발에 주력하고 있습니다. 특히 표면 증강 라만 산란(SERS) 기술을 활용하여 극미량의 바이오마커를 고감도로 검출할 수 있는 나노프로브를 설계하고, 항원-항체 반응의 특이성을 이용해 알츠하이머, 췌장암 등 난치성 질환의 조기 진단 플랫폼을 구축하고 있습니다. 이러한 기술은 기존의 형광/흡광 기반 진단법에 비해 월등한 민감도와 다중 검출 능력을 제공하며, 혈액 등 복잡한 생체 시료에서도 신뢰성 높은 결과를 도출할 수 있습니다.
연구실은 실리카 코어 기반의 은 나노갭 쉘(Ag Nanogap Shell) 구조체, 자성-증강 SERS 나노프로브 등 다양한 혁신적 나노소재를 개발하여, 실제 임상 샘플에서 췌장암 바이오마커 CA19-9, 알츠하이머 바이오마커 Aβ40/42 등 다수의 표적을 동시에 초고감도로 검출하는 데 성공하였습니다. 이와 같은 기술은 비침습적 혈액검사를 통한 질병의 조기 진단 및 예후 모니터링에 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.
또한, 연구실은 플랫폼 기술로서 모든 항원-항체 조합에 적용 가능한 멀티플 바이오마커 진단 시스템을 구축하고 있습니다. 이를 통해 췌장암과 같이 단일 바이오마커로 진단이 어려운 질환에서도 다중 바이오마커 기반의 정밀 진단이 가능해졌으며, 국가 과제 및 다수의 특허를 통해 기술의 우수성과 실용성을 입증받고 있습니다.
차세대 전고체 배터리 및 고체 전해질 소재 개발
연구실은 에너지 저장 분야에서 차세대 전고체 배터리의 핵심인 고체 전해질 소재 개발에 집중하고 있습니다. 기존 리튬이온 배터리의 액체 전해질이 갖는 폭발 및 화재 위험, 낮은 열적·전기화학적 안정성 문제를 극복하기 위해, 공유결합 유기골격체(Covalent Organic Framework, COF) 기반의 고체 전해질을 세계 최초로 개발하였습니다. 특히 양쪽성 이온(Zwitterion) 구조를 도입한 Zwitt-COF 고체 전해질은 상온에서 매우 높은 이온전도도와 우수한 열적·전기화학적 안정성을 보이며, 리튬메탈 전고체 배터리의 상용화에 중요한 돌파구를 마련하였습니다.
이러한 고체 전해질은 리튬 이온의 효과적인 해리와 빠른 확산을 가능하게 하여, 반복적인 충·방전 후에도 높은 에너지 밀도와 안정적인 성능을 유지합니다. 또한, 다공성 유기 골격체의 구조적 특성을 활용해 전극과의 접촉 저항을 최소화하고, 덴드라이트 및 불균일한 SEI층 형성 등 기존 고체 전해질의 한계점을 극복하였습니다. 연구실의 고체 전해질 기술은 Advanced Materials 등 세계적 학술지에 상위 2% 논문으로 선정되는 등 국제적으로도 그 우수성을 인정받고 있습니다.
전고체 배터리 연구는 전기차, 에너지 저장 시스템 등 미래 에너지 산업의 핵심 기반 기술로, 연구실은 고체 전해질의 합성 공정 최적화, 다양한 이온전도성 복합체 도입, 실제 배터리 셀 적용 등 실용화 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 이를 통해 안전성과 성능을 동시에 만족하는 차세대 배터리 상용화에 기여하고 있습니다.
나노면역치료 및 인공항체 기반 치료 기술
나노바이오화학연구실은 나노소재를 활용한 혁신적 면역치료 기술 개발에도 앞장서고 있습니다. 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 나노시트 기반의 인공항체 및 면역스위치 기술을 통해, 기존 단백질 항체 기반 면역항암제의 한계를 극복하고 치료 효능을 극대화할 수 있는 새로운 치료 전략을 제시하고 있습니다. TMD 나노시트 표면에 다양한 트리펩타이드 또는 지방산을 기능화하여, 암세포 표면의 PD-L1 등 면역관문 단백질에 선택적으로 결합하거나, 대식세포의 M1/M2 분극을 유도하는 면역스위치로 활용하고 있습니다.
이러한 나노면역치료 기술은 암, 패혈증, 류마티스 관절염 등 다양한 질환의 면역 미세환경을 리프로그래밍하여, 체내 면역 시스템을 활성화하고 항암·항염증 효과를 극대화합니다. 실제 동물 모델에서 우수한 치료 효과와 안전성을 입증하였으며, 광열치료와 면역관문 억제 효과를 동시에 갖는 멀티모달 치료제 개발에도 성공하였습니다. 또한, 기존 항체 대비 높은 구조적 안정성, 저비용, 우수한 재현성 등 실용화 측면에서도 큰 장점을 보유하고 있습니다.
연구실은 다수의 원천특허와 국가 과제를 통해 나노면역치료 및 인공항체 기술의 독창성과 실용성을 확보하였으며, 향후 다양한 암 및 자가면역질환, 감염병 치료에 적용 가능한 차세대 치료 플랫폼으로 발전시키고 있습니다.
1
Functional Nanosheet Immunoswitches Reprogramming Innate Macrophages for Immunotherapy of Colorectal Cancer and Sepsis
소윤희
ACS Nano, 2025
2
Multi-component Covalent Organic Framework Solid Electrolyte Allowing Effective Li-ion Dissociation and Diffusion for All-Solid-State Batteries
이준형
ACS Nano,
3
Zwitterionic covalent organic framework (Zwitt-COF) 고체 전해질 관련 논문
김종호 교수 연구팀
Advanced Materials, 2023
1
퇴행성 신경질환 진단용 광섬유 LSPR 다중 센싱부품 개발
2
병변 특이적 면역 미세환경 리프로그래밍이 가능한 나노면역스위치 기반 암 및 자가면역질환 치료기술 연구
3
다중모드 암 면역치료를 위한 광감응성 나노클러스터 인공항체
