Research

창의IT 김철홍-신소재 한세광 교수 공동연구팀, 빛과 소리(광음향)로 간 질환 찾는다

[히알루론산 결합한 실리카 나노입자로 ‘간 ’촬영] 우리나라는 경제협력개발기구 (OECD) 국가 중 간 질환 사망률 1위다. 일반적으로 간은 초음파 영상, 컴퓨터 단층 영상 (CT), 자기 공명 영상(MRI)로 진단하는데 최근에는 안전한 데다 저렴하고 초기 간 질환도 찾을 수 있는 광음향 영상을 많이 사용하고 있다. 하지만 간은 광음향 영상 빛을 흡수하는 물질이 없는 데다 비교적 몸에서 깊이 위치해 있고, 갈비뼈에 가려져 있어서 광음향 영상 촬영이 힘들었다. 부작용 없이 쉽고 빠르게 간을 촬영할 수 있는 기술 개발이 꼭 필요했다. 창의IT융합공학과 김철홍 교수는 신소재공학과 한세광 교수, 숙명여대 화공생명공학부 권우성 교수와의 공동 연구를 통해 생분해성 히알루론산을 결합한 실리카 나노 입자를 이용해 광음향 간 영상 촬영에 성공했다. 이 기술이 발전한다면 향후엔 간 질환을 안전하고 빠르게 확인할 뿐 아니라 나노입자에 치료제를 실어보내 치료까지 바로 할 수 있는 길이 열릴 전망이다. 광음향 영상은 어떤 물질에 레이저를 쏘고, 이 빛을 흡수한 물질들이 각기 다른 음파로 광음향 신호를 만들어 내 그 차이로 물질을 진단한다. 연구팀은 효과적으로 간을 관찰하기 위해 나노입자에 히알루론산과 실리카를 결합해 조영제 역할을 담당하게 했다. 이 나노입자를 정맥을 통해 주사하면 몸속을 돌아다니다가 히알루론산으로 인해 간에만 반응하게 된다. 이때 실리카 성분이 잉크 역할을 해 조직을 더 잘 보이게 도와주게 되는 원리다. 특히 촬영 후 히알루론산 실리카 나노입자 복합체가 더 이상 몸 속이나 다른 장기에 남아있지 않고 소변을 통해 배출된 것을 확인 할 수 있어서 이 기술이 확장된다면 더 안전하고 정밀하게 광음향/초음파 촬영을 할 수 있게 됐다. 김철홍 교수는 “히알루론산과 실리카 나노 물질을 접합해 간 특정 표적 나노입자를 개발해 광음향 영상에 적용했다”라며 “앞으로 나노 입자에 복합체를 더 만들면 진단과 동시에 치료도 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 이 연구는 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)지에 속 표지로 게재됐으며, 미래창조과학부 IT명품인재양성사업, 보건복지부 보건의료기술 연구 개발 사업, 미래창조과학부 기초연구사업, KIST 주요사업의 지원으로 수행됐다.

화공 김진곤 교수팀, ‘하이브리드’로 뻣뻣한 알루미나 주형(鑄型) 롤(roll)에 감았다

[다공성 알루미나 이용한 나노패턴 연속공정기술 개발] 스마트폰이나 웨어러블 기기에 들어가는 첨단 소자들에는 나노미터(nm)크기의 복잡한 패턴들이 새겨져 있다. 전자기기의 크기도 기술의 발전에 따라 작아짐에 따라 소자들은 더욱 작으면서도 고도화된 기능을 수행해야 하는 어려운 도전에 봉착해 있다. 머리카락 굵기보다 작은 크기의 패턴을 만들어내기 위해 다양한 방법이 연구되고 있으며, 그중에서도 기판 위에 패턴을 깎아내듯 찍어내는 나노임프린트 리소그라피는 저렴한 생산비용과 효율적인 생산성으로 각광을 받는 기술 중 하나다. 그중에서도 알루미늄을 산화시켜 만드는 다공성(多孔性) 알루미나는 평방 센티미터당 10억개 이상의 나노 기공이 규칙적인 벌집모양으로 배열되어 있어 널리 활용되는 주형(鑄型) 소재다. 그러나, 이 주형은 세라믹의 잘 부서지는 성질을 가지고 있어 공정이 끝나면 표면에 균열이 생기고, 평평한 기판에서만 제조할 수 있다는 한계가 있었다. 화학공학과 김진곤 교수, 통합과정 김상훈 씨 연구팀과 한국표준과학연구원(KRISS) 이우 박사팀은 롤투롤(Roll-to-roll) 공정에 적용할 수 있는, 다공성 알루미나와 유연한 성질을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS)을 화학적으로 적층시킨 하이브리드 주형을 제작해 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’지 속표지 논문으로 발표했다. 연구팀은 다공성 양극산화 알루미나 주형에 실리콘의 일종인 폴리디메틸실록산을 합치자, 낮은 압력에서도 기판과 완전하게 접촉할 수 있었고 압력을 높이거나 구부려도 힘을 분산시켜 주형에 균열이 일어나는 것을 방지하는 결과를 얻었다고 밝혔다. 이 주형은 평평한 기판 외에도, 곡면을 가진 기판에서도 나노 구조체를 만들 수 있었을 뿐 아니라, 롤에 끼워 연속적으로 나노 패턴을 전사하는 롤투롤 공정에도 적용하였다. 연구를 주도한 김진곤 교수는 “이번 연구는 나노임프린팅의 주형으로 사용해오던 다공성 알루미나 주형의 문제점을 유연한 고분자 탄성체와 화학적으로 하이브리드 형태로 적층하여 해결했다는 점에 의의가 있다”며 “다양한 크기와 모양의 나노 구조체를 쉽게 제조할 수 있어 나노 임프린팅 공정 발전에 큰 도움을 줄 것”이라고 설명했다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부의 창의적 연구진흥사업의 지원 아래 수행됐다.

화학 이은성 교수팀, 아세틸렌을 저렴하고 정확하게 분리하는 기술 개발

[3차원의 다공성 양이온 구조체 합성 성공] 아세틸렌은 산소와 혼합하여 용접에 사용되기도 하며, 합성섬유나 합성고무의 원료, 유기용매의 제조 등 공업적으로 용도가 다양한 물질이다. 하지만 다른 기체원료에 불순물로 존재할 때 아세틸렌은 폭발성이 매우 높고, 촉매활성을 저해시키기 때문에 아세틸렌 분리는 매우 중요하다. 특히 이산화탄소와 에틸렌의 경우 분자의 크기와 물리적 성질이 비슷하기 때문에 이 기체들로부터 아세틸렌을 분리하기가 매우 어려웠다. 화학과 이은성 교수, 통합과정 이재철 씨는 난양공대 배태현 교수, 기초과학연구원 김기문(화학과) 교수와의 공동연구를 통해 JCM-1이라는 새로운 3차원의 다공성 양이온 구조체를 합성해 이산화탄소와 에틸렌으로부터 아세틸렌을 쉽고 빠르게 분리하는데 성공했다. 그 동안 아세틸렌을 분리하기 위해서는 상압 증류법을 많이 사용했는데, 온도를 높이기 위해서 많은 에너지가 필요하다. 세계적으로 이 과정에 사용되는 에너지의 양은 영국의 총 에너지 소모량에 해당될 만큼 막대하다. 연구팀은 에너지 소모를 줄이기 위해 흡착 기반 방법에 주목했다. 금속-유기 구조체(MOFs)라는 다공성 물질에 작용기를 도입하여 활용하면 원하는 특정 분자만을 선택해서 흡착해 포획 할 수 있다. 기존에는 한 가지 기체에서만 아세틸렌을 분리해낼 수 있었지만 새로운 3차원의 양이온 다공성 구조체인 JCM-1을 활용하면 이산화탄소와 에틸렌 모두에서 아세틸렌을 정확하게 분리할 수 있었다. 또 기존의 증류법과 달리 상온에서도 사용할 수 있어서 분리 공정에서 사용할 때 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있어 산업 현장에서 유용하게 활용할 수 있게 됐다. 이은성 교수는 “천연가스, 이산화탄소 등의 원료에 불순물로 포함돼 있는 아세틸렌을 정확하게 분리해낼 수 있게 됐다”며 “안정성도 높고 에너지 소모도 적은 만큼 실제 분리 공정에 활용될 가능성이 높다”고 말했다. 한편, 이번 연구성과는 세계적인 화학분야 학술지 안게반테 케미(Angewandte Chemie)에 게재됐다.

생명 황일두 교수팀, 식물 생산성 높이는 에너지 분배 단백질 규명

[체관 수 조절로 생산성 대폭 늘려… 식량 부족 문제 해결 실마리 제시] 식물 체내의 에너지 이동 통로 숫자를 늘려서, 더 많은 열매를 맺도록 유도하는 방법이 보고되었다. 생명과학과 황일두 교수, 조현우 박사, 박사과정 조현섭 씨는 식물 속 광합성 산물이 지나가는 체관*1 발달을 조절하는 과정을 규명했다. 지구온난화에 따른 식량부족 문제에 대응하여, 식물의 생산성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존 연구는 주로 광합성 산물의 생산량이나 저장량을 늘리는 방식으로 진행되어 왔다. 반면 이번 연구에서는 광합성 산물이 분배되는 과정에 주목하여 생산성을 획기적으로 향상시키는 새로운 기술을 개발했다. 연구팀은 애기장대, 담배와 같은 관다발 식물의 체관 발달에 관여하는 특정 단백질을 발견하고, 우리말로 ‘줄기(JULGI)'라고 명명했다. 이 단백질을 제어하여 체관 수가 늘어난 식물은 생산성이 최대 40%까지 증가하였다. ‘줄기’ 단백질의 구체적인 제어 과정도 밝혀졌다. ‘줄기' 단백질은 체관 발달을 유도하는 특정 RNA가 접혀 있는 구조(G-쿼드러플렉스*2)에 결합함으로서, 체관 발달을 억제한다. ‘줄기’ 단백질과 목표 유전자들의 체관 발달 조절은, 지구 식생의 대부분을 차지하는 관다발 식물의 진화에 결정적인 기능을 했을 것으로 여겨진다. 황일두 교수는 “지금까지 이론상으로만 제안되어 온 식물 체내의 에너지 수송(분배) 능력과 생산성 사이의 연관성을 최초로 증명한 것”이라며, “기후 변화에 따른 식물 생산성 저하 문제를 해결하는 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 농촌진흥청 우장춘프로젝트 지원으로 수행되었다. 식물 분야 최고 권위지인 네이처 플랜트(Nature Plants) 5월 28일 자에 게재되었고, 6월호 표지논문으로 선정되었다. 1. 체관(sieve tube) 식물의 체내 연결 통로. 광합성을 통해 잎에서 만들어진 에너지. 즉, ‘당’이 체관을 통해서 줄기, 뿌리, 어린 잎 등 필요한 기관으로 분배됨. 2. G-쿼드러플렉스(G-quadruplex) 단일가닥 RNA가 접혀서 만들어진 특수 구조.

화공 이진우 교수팀, 500회 충전해도 초기 성능 유지하는 이차전지 개발

[안정적 수명 지닌 리튬-황 이차전지 독보적 기술 확보] 화석연료로 움직이는 일반자동차와 달리 전기자동차는 이차전지가 전원을 공급해 모터를 움직이기 때문에 이차전지가 매우 중요하다. 짧은 시간에 충전이 되면서 오래 사용할 수 있고, 시간이 지나도 계속 초기의 성능을 유지할 수 있는 이차전기를 개발하는 일은 전기자동차 뿐 아니라 신재생 에너지 전력의 안정적인 공급을 위해서도 꼭 필요하다. 국내 연구팀이 리튬과 황을 함께 이용해 기존보다 6배 이상 효율이 높으면서 더 오랫동안 사용할 수 있는 리튬-황 이차전지를 개발해 주목을 모으고 있다. 화학공학과 이진우 교수팀은 통합과정 임원광 씨, 한정우 교수팀과 함께 메조 다공성 탄소 마이크로스피어를 통해 황(sulfur)을 안전하게 제어해 효율이 높고 가격도 저렴한 리튬-황 이차전지 개발에 성공했다. 이 연구 성과는 나노 분야 세계적 권위지인 ACS Nano지를 통해 발표됐다. 우리가 흔히 사용하는 이차전지는 리튬으로 만든 것인데, 과학자들은 리튬전지의 양극 물질로 황을 이용하려는 시도를 계속해왔다. 황을 양극으로 사용하면 에너지 효율이 획기적으로 좋아지기 때문이다. 하지만 황은 사용하다 보면 부풀어 오르거나 흘러나와 수명이 줄어들게 돼 상용화가 힘들었다. 황을 흘러나오지 않게 담아두면서 많이 담아 에너지 효율이 높이는 기술이 필요했다. 연구팀은 기공 부피가 크고 균일한 메조 다공성 탄소 마이크로스피어 합성으로 황을 안전하게 많이 담아내는 데 성공했다. 메조 다공성 탄소 마이크로스피어를 사용하면 충전과 방전을 계속해도 황이 빠져나가지 않게 꽉 잡아둘 수 있고, 기공 부피 공간이 커서 황을 많이 담을 수도 있어서 전지의 수명과 효율을 함께 높일 수 있다. 기존의 탄소 소재는 극성을 띠지 않기 때문에 물질 간 상호작용이 없어서 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이것을 해결하기 위해 탄소 표면에 Fe-N-C(철-질소-탄소)를 균일하게 분포했는데 이 물질이 촉매점이 돼 황의 산화에 영향을 미쳐 전기화학적 반응을 빠르게 해 효율을 한 번 더 높일 수 있었다. 특히 Fe-N-C 촉매는 가격도 싼데다가 소량(0.33%)만 써도 고밀도 전극(5.2 mg/cm²)을 구현할 수 있고, 단 5분 동안 빠르게 충전과 방전해도 최대 500번 까지 초기 용량(384mAh/g)의 84%를 유지할 수 있어서 반복해서 오래 사용할 수 있게 된 점도 획기적이다. 이진우 교수는 “신재생 에너지 전력의 안정적인 공급과 전기 자동차의 효율적인 구동을 위해 고용량 리튬-황 이차전지 양극 소재 개발은 반드시 이뤄져야 했다”라며 “안정적인 수명을 지닌 양극 소재 개발의 독보적인 기술을 확보했다”고 말했다. 한편 이 연구는 LG화학과 이공분야기초연구사업의 ‘중견연구자지원사업’의 전폭적인 지원을 통해 수행되었다.

신소재 김종환 교수팀, ‘무어의 법칙’ 넘어설 스핀-밸리 전류 찾았다

[POSTECH-美 UC버클리, 스핀-밸리 전류 시공간 분해 측정 성공…‘사이언스(Science)’ 지] 2년마다 마이크로칩의 성능이 두 배로 증가한다는 ‘무어의 법칙’. 처음 제안된 1965년에는 “일시적인 현상”이라는 평가가 있었지만 1975년부터 비교적 최근까지 주기에 맞게 발전해오며 반도체 산업의 중요한 기준이 되어 왔다. 하지만, 이를 제안했던 고든 무어는 IEEE(국제전기전자기술자협회) 저널 인터뷰를 통해 “10년 전후로 무어의 법칙이 사라지게 될 것 같다”고 말하며 마이크로칩 기술의 진보가 정체될 것이라고 예견했다. 실제로, 노트북과 스마트폰, 웨어러블 기기의 보급으로 크기는 작더라도 성능이 좋은 칩의 개발이 요구되기 시작하면서 무어의 법칙은 점차 의미를 잃기 시작했다. 학계도 지금까지와는 전혀 다른 형태로 정보를 저장하고 처리하는 차세대 반도체 소자를 경쟁적으로 연구하고 있다. 이러한 가운데 등장한 것이 스핀소자나 밸리 전자소자를 이용하는 스핀트로닉스(spintronics)와 밸리트로닉스(valleytronics)다. 스핀트로닉스는 전자(電子)의 자기적 회전을 제어해 반도체의 성능을 높이는 기술이며 밸리트로닉스는 전자들의 파동형 움직임을 이용하는 기술이다. 두 분야 모두 흔히 알려진 ‘양자컴퓨터’ 등 차세대 컴퓨터 개발을 위해 필요한 새로운 반도체 개발에 필수적인 전자공학 분야다. 여기에는 텅스텐, 황, 셀레늄 등이 속한 전이금속 칼고지나이드계 화합물(TMDC)이 각광을 받고 있다. 그래핀처럼 2차원 구조로 되어 있어 전기‧화학적 특성이 우수할 뿐 아니라, 밴드갭이 없어 치명적인 단점을 갖는 그래핀과 달리 TMDC는 큰 밴드갭을 갖고 있어 여러 반도체 소자로 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있었다. 문제는 정작 소자 구동의 핵심이 될 스핀과 밸리 전류를 만들어내기 어렵다는 점이었다. 신소재공학과 김종환 교수와 미국 캘리포니아대 버클리캠퍼스(UC Berkeley) 물리학과 펭 왕(Feng Wang) 교수팀은 이런 TMDC 물질에서 순수한 스핀과 밸리 전류의 생성이 가능하다는 사실을 확인, 과학기술계 최고 권위지 중 하나인 사이언스(Science)지 24일자(현지시간)를 통해 발표했다. 연구팀은 TMDC 물질을 헤테로 구조로 만들면 빛으로 스핀 전류와 밸리 전류를 효율적으로 생성할 수 있다는 사실을 밝혀냄과 동시에, 최초로 시공간적으로 스핀 전류와 밸리 전류의 확산된 길이, 이동도를 측정하는데 성공했다. 또, 이를 게이팅 전압을 통해 쉽게 제어하는 방법도 발견해 편리하게 스핀과 밸리를 이용해 정보를 저장하고 관리할 수 있는 원천기술을 개발했다. 1저자인 김종환 교수는 “독특한 전자구조 때문에 밸리 전류를 효율적으로 생성하고 멀리 흘려보낼 수 있다”며 “이 연구를 바탕으로 밸리 전자의 물리적 특성 연구는 물론 광소자로 활용할 수 있는 원천 기술을 개발할 수 있다는 점에서 학계의 주목이 크다”고 설명했다.

화학 김원종-화공 이진우 교수팀, 암 깊숙이 침투해 항암제 폭탄 투여하는 미사일 역할의 나노머신 개발

[나노입자 담긴 큰 나노입자 전략으로 암 공략] 항공모함에서 전투기를 발사하고, 전투기가 표적을 향해 미사일을 발사해 명중시키듯 우리 몸속 암세포를 표적으로 깊숙이 파고들어 암 속에 항암제 폭탄을 투여하는 나노 머신이 개발돼 나노입자 항암치료의 새로운 대안으로 떠올랐다. 화학과 김원종 교수와 화학공학과 이진우 교수는 김진환 박사, 조창신 박사와 함께 암조직 내부 깊숙이 침투할 수 있는 나노 구조체를 개발했다. 크기가 작은 나노입자(15nm)를 담고 있는 큰 나노입자(150nm) 전략을 활용하면 암 조직 주변에서 한 번, 암 내부에서 또 한 번 항암 약물을 방출할 수 있어서 효과적으로 암을 치료할 수 있는 길이 열릴 예정이다. 이 연구는 재료과학 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials) 온라인판에 소개되며 학계에 높은 관심을 받았다. 암 조직은 빽빽하게 서로 연결된 세포와 혈관이 복잡하게 뭉쳐진 3차원 조직이다. 현재까지 개발된 나노 약물들은 몸속에 주입된 후, 혈관을 따라 돌아다니다가, 암 조직 주변에 선택적으로 약물을 전달하는 시스템으로 이뤄져 있다. 하지만 기존의 방식은 혈관 주변에 있는 암세포에만 약물이 주입되기 때문에 일시적으로는 효과를 보이는 듯하지만, 3차원 암 조직의 깊숙한 곳까지 골고루 약물이 침투하지는 못해, 재발하는 경우가 많았다. 즉, 나노 약물을 암 조직까지 전달하는 것뿐만 아니라 깊숙이 침투하게 만드는 기술 개발이 절실했다. 연구팀은 처음으로 작은 나노입자를 담은 큰 나노입자 전략을 이용해 3단계로 추진되는 나노입자를 개발했다. 큰 나노입자는 혈류를 타고 몸속을 돌아다니다가 목표로 하는 암 조직에 선택적으로 도착한다. 이후 미세 산성 환경(pH=6.5)을 띠는 암 조직에 반응해 작은 나노입자를 방출하게 되고, 방출된 작은 나노입자는 암 조직 내부로 깊숙하게 들어가 항암제를 암 조직 중심부에 투여하게 되는 원리다. 이 같은 작동 원리는 항공모함에서 미사일을 발사하는 원리로 비유할 수 있다. 전투기를 탑재하고 원하는 위치까지 전투기를 운반하는 항공 모함이 큰 나노입자이고, 전투기가 작은 나노입자이며, 표적에 도달한 전투기가 미사일을 발사해 목표를 파괴하듯 항암제를 투여해 암을 사멸시키는 것이 마지막 시스템이다. 김원종 교수는 “암에 침투하면서 서로 다른 산성 환경에 따라 움직이도록 정밀하게 프로그램화돼서 부작용이 적다는 것이 큰 장점”이라며 “암의 재발을 억제하고 광열 치료, 이미징 등 여러 복합 치료로의 확장도 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

생명 김상욱 교수팀, 정확한 질병 동물모델, 빅데이터‧유전자 스위치는 ‘알고 있다’

[질병 동물모델 정밀 제작 위한 유전자 스위치 진화원리 규명] 당뇨 치료제를 찾거나 우리 몸에 부작용이 없는 다이어트 방법을 찾을 때는 어떤 방법을 사용할까? 쥐와 같은 동물의 유전자를 편집해 당뇨를 앓거나 비만인 동물, 즉 질병 동물모델을 만들어내는 것에서 시작한다. 그런데, 질병을 유발하는 유전자를 조작하더라도, 실제로 똑같이 병을 앓지 않는 경우가 많다. 의도한 병을 앓지 않는 동물모델은 대부분 ‘실패’로 생각하고 그대로 끝나버려 그 원인을 찾기 쉽지 않았다. 생명과학과 김상욱 교수‧박사과정 한성규 씨는 빅데이터 분석을 통해 유전자 스위치 진화 원리를 이용, 동물모델이 인간의 질병을 정확하게 나타낼 수 있도록 유전자를 선택하는 기술을 개발했다. 진화 연구분야 권위지인 ‘분자생물학과 진화(Molecular Biology and Evolution)’지 속보를 통해 발표된 이 성과는, 다양한 질병 동물모델을 정밀하게 제작해 신약 개발이나 효과적인 치료방법을 탐색하는데 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 연구팀은 우선 특정 질병을 앓게 한 동물모델인 쥐와 환자에게서 관찰된 질병 증상을 모아 빅데이터 분석을 실시했다. 그림, 문서, 생체 활력 징후 등 여러 정보를 온톨로지(Ontology) 체계로 정리했다. 온톨로지는 다양한 형태의 정보를 컴퓨터가 처리할 수 있도록 만들어주는 일종의 지식표현으로 흔히 컴퓨터의 자동번역이나 인공지능에 많이 활용된다. 이러한 방식으로 연구팀은 동물모델과 환자에게서 나타나는 질병 증상 차이를 정량적으로 계산, 둘 사이의 차이점을 체계적으로 분석해냈다. 이와 함께 특정 유전자의 기능을 발현하거나 멈추게 하는 ‘유전자 스위치’가 수많은 동물모델이 실패하도록 한다는 사실도 설명해냈다. 여기에 활용된 유전자 발현 스위치 진화이론은 질병의 발현을 조절하는 유전자 스위치의 변이가 다양한 척추동물의 진화에 기여한다는 이론이다. 연구를 주도한 김상욱 교수는 “큰 가시고기의 진화나 유인원 간 발가락 구조 차이 규명과 같은 진화 연구가 현대 의생명과학이 풀지못한 난제의 해결책이 될 수 있다”며 “질병 동물모델 제작 실패와 성공사례의 광범위한 빅데이터 분석, 종간 유전자 비교분석이 더 정확한 질병 모델을 만드는데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

화공 김진곤-기계·화공 노준석 교수팀, 나노 아코디언으로 ‘투명망토’ 더 간단히 만든다

[블록공중합체 이용 메타물질 제작법 개발] 유명 판타지 소설 ‘해리포터’ 시리즈에 등장하는 마법 물품 중 하나인 ‘투명망토’는 오랜 시간 SF소설 속에나 등장하는 존재였다. 하지만, 최근에는 자연계에는 존재하지 않는 인공물질인 메타물질이 그 꿈을 이뤄줄 물질로 떠오르고 있다. 특히 금속으로 만들어진 메타물질은 자기공명이나 음의 굴절률을 조절하는 등 독특한 광학 성질을 가질 수 있어 학계와 산업계의 관심이 높다. 하지만, 이 물질은 전자빔이나 레이저로 식각하는 리소그라피 방식에 의존해와 제작 비용이나 시간이 많이 들어갈 뿐 아니라, 큰 면적으로 제작할 수 없다는 점이 문제로 제기되어 왔다. 화학공학과 김진곤 교수‧통합과정 김무성씨 연구팀은 화학공학과/기계공학과 노준석 교수‧통합과정 문정호씨 연구팀과 함께 블록공중합체의 자기조립 현상을 응용, 메타물질 기판을 만들 수 있는 은(銀) 아코디언 구조를 개발했다. 네이처가 출판하는 ‘NPG 아시아 머터리얼스(NPG Asia Materials)’지 온라인판을 통해 발표된 이 연구성과는 지금까지 메타물질 제작에 적용하기 어려운 것으로 알려졌던 블록공중합체를 사용한 점에서 관심을 모으고 있다. 블록공중합체는 단순한 나노구조로 되어 있어, 구조나 배열을 조절하면서 광학적 성질을 가지도록 하는 메타물질에 사용하기에는 어려움이 있었다. 이런 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 블록공중합체에 가둠효과를 주는 방법을 선택했다. 나노 튜브 모양의 양극산화알루미늄 형판에 블록공중합체를 가두어 자기 조립하도록 하면, 두 개의 다른 나노 판상이 교대로 적층되는 막대기로 배열된다. 여기에 은을 증착하면 한쪽 나노판에만 은이 올라가 나노 크기의 아코디언 기판을 만들 수 있다. 이 구조는 은 반구와 은 줄무늬를 갖는 독특한 모양 때문에 가시광선과 적외선에서 빛의 투과도를 조절할 수 있게 된다. 연구를 주도한 김진곤 교수와 노준석 교수는 “이 기술은 메타물질 연구의 난제 중 하나로 손꼽히는 가시광선-적외선 영역에서 사용할 수 있는 광학 메타물질을 더 쉽게 대면적으로 만들 수 있는 기술”이라며, “앞으로 음의 굴절률을 조절할 수 있는 연구를 진행해, 이를 이용한 투명망토 상용화에도 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥 사업’, ‘전략연구사업(산업수학, 엑스프로젝트)’, ‘선도연구센터사업’, ‘글로벌프론티어사업’의 지원으로 수행됐다.

기계・화공 노준석 공동연구팀, 펩타이드를 이용한 거울 대칭 금 나노 기하구조 합성

[자연계에 존재하나 금속에서 인공적으로 구현할 수 없었던 구조 국제적 주목 받는 중요 연구성과로 <네이처> 표지논문에 선정 차세대 광학 재료 및 촉매 분야의 학문적 진보] 기계·화공 노준석 교수팀, 전자 김욱성 교수, 서울대학교 남기태 교수팀, LG디스플레이 연구소 장기석 박사로 구성된 공동연구팀은 펩타이드를 이용하여 생체분자만의 고유 기하구조로 여겨졌던 거울상 대칭구조를 금 나노 입자에서 세계 최초로 구현했다. 연구진은 펩타이드와 금 특정 표면의 상호작용에 대한 이해를 바탕으로, 시계방향으로 뒤틀린, 반시계방향으로 뒤틀린 독특한 거울상 대칭 구조가 구현된 100 nm 크기의 균일한 금 나노 입자를 합성하고 그 원리를 규명하여 이 분야에 새로운 패러다임을 제시하였다. 이 연구 결과는 중요성을 인정받아 2018년 4월 19일 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐고 표지논문으로도 선정되었다. 또한 영향력이 큰 연구결과를 선정해 관련 분야 세계적인 과학자가 자세하게 논문의 의미와 가치 등을 설명하는 'News & Views' 섹션에도 소개 되었다. 오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만, 왼손용 야구 글러브를 오른손에 착용할 수는 없다. 이처럼 서로 거울 대칭상이지만 겹쳐지지 않는 특성을 ‘거울상 이성질’ 또는 ‘카이랄성’이라고 한다. 단백질의 기본 구조인 아미노산을 포함, 생명 현상에 관여하는 모든 분자는 카이랄 구조이다. 카이랄 구조 재료는 독특한 기하 구조에서 비롯되는 구조 선택성 및 광 제어 특성을 지니고 있어, 촉매 재료·광학 재료·센싱 플랫폼 개발을 포함 광범위한 분야에서 차세대 핵심 재료로 주목받고 있다. 그러나 무기 재료에서의 카이랄 구조 제작 및 제어는 공정의 복잡성 및 재료 안정성 등의 측면에서 문제점이 많아 난제로 여겨져 왔다. 연구팀은 문제 해결을 위한 돌파구로 거울상 구조를 포함하는 생체 분자 펩타이드를 무기 결정 합성에 이용, 독특한 기하 구조의 금 나노입자를 구현해 냈다. 연구팀이 개발한 입자는 한 변이 약 100 nm 인 정육면체의 각 면에 시계 또는 반시계 방향으로 뒤틀린 구조체가 존재하는 새로운 기하구조 형태의 나노 입자이다. 연구팀은 회전하는 빛에 대한 반응성 측정을 통해 이 나노입자가 거대한 카이랄성을 지닌구조(생체 분자 단백질의 약 100배)임을 입증했다. 또한, 이 나노입자의 거대 카이랄성이 가시광 영역대에 존재한다는 사실에 주목, 카이랄 구조 고유의 편광 제어 특성을 이용하는 광학 실험을 통해 다양한 색채를 구현하는 데에도 성공했다. 연구팀은 이번 연구를 통해 펩타이드 서열과 그에 따른 구조 및 카이랄성이 그대로 무기 재료 표면에 반영될 수 있음을 최초로 발견함으로써, 생체 분자를 이용한 재료 합성의 새로운 패러다임을 열었다. 또한, 연구팀이 개발한 합성법은 다양한 재료로의 확장 및 일반화가 용이함에 따라, 나노 재료 합성 분야의 원천 기술을 확보했다는 점에서도 큰 의미가 있다. 현재 국내 및 해외 특허 출원이 완료된 상태이다. 서울대 남기태 교수는 "생체 모방 원리를 이용해 자연계에 존재하나 인공적으로 구현할 수 없었던 구조를 가지는 카이랄 무기 나노결정을 세계 최초로 합성한 것"이라며 연구의 의의를 밝혔다. 또한 "합성된 입자는 디스플레이를 위한 새로운 개념의 가시광 편광소재로 바로 적용이 가능해 산업적으로 의미가 있다. 더불어 학문적으로는 무기 재료 및 카이랄 생체 분자의 상호작용 현상에 대한 근원적 이해를 획기적으로 진보 시킨 바, 향후 거울상 선택성 촉매 개발의 단초를 제공할 것으로 기대된다"고 전했다. LG Display 연구소 장기석 책임(박사)는 “본 연구에서 개발된 나노 입자는 차세대 디스플레이 재료로서 유연성을 가지는 초박막 형태의 디스플레이 장치 제작에 응용될 것으로 기대 한다”라고 밝혔다. 공동 교신 저자인 노준석 교수는 이 카이랄 기하 구조의 광특성을 분석 하였으며, 그 의미를 "거울상 기하 구조체는 광회전 선택성을 가지고 있어 이후 편광제어 광소자, 구조 색, 음의 굴절률 소재, 투명망토 및 바이오센싱 등의 분야에서 핵심 기술이 될 가능성을 가지고 있다" 고 말했다. 이번 연구는 화학공학과 문정호, 기계공학과 김민경을 비롯, 공동 제1저자인 서울대 이혜은 박사, 안효용, 이윤영, 조남헌 공저자들이 모두 국내 박사과정 중에 수행한 연구로, 우리나라 이공계 학생의 우수성을 전 세계에 입증한 연구라 할 수 있겠다. 소재 기술의 미래를 선도할 창의적 재료 합성법을 제시한 본 연구는 과학기술정보통신부 미래소재 디스커버리 사업 “d-오비탈 제어 소재 연구단”(단장 남기태), 글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수)과 파동에너지극한제어연구단(단장 이학주), 선도연구사업 광기계기술연구센터 (단장 강신일) 등의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구는 산학협력의 중요 결과로서 의미를 지닌다. 본 연구를 지원한 LG디스플레이는 지난 2015년부터 미래기술 발굴을 위한 산학 프로그램인 ‘LG디스플레이-SNU 인큐베이션 프로그램(센터장 박종래)’을 운영해오고 있다. LG디스플레이 CTO 강인병 부사장은, “이번 사례는 학계와 산업체 간의 긴밀한 공동연구를 통해 창의적 기초 연구를 비롯, 원천기술까지 확보한 산학협력의 성공적인 사례”라며, “이 결과가 차세대 디스플레이 연구의 중요한 밑거름이 될 수 있도록 공동의 노력을 다해 나갈 것”이라고 말했다. 생체 분자의 기하 구조 모사를 통해 세계 최초로 합성된 거울 대칭 금 나노 입자는 에너지 환경 촉매, 광 기반 커뮤니케이션, 홀로그램 등으로 이용될 수 있어 다양한 산업에 큰 파급력을 미칠 것으로 보인다. 펩타이드와 무기 재료 표면 간의 상호작용에 대한 이해를 높인 본 연구는 화학, 재료, 나노과학 등 여러 분야에서 학문적 깊이를 더해주고 더 나아가 생명 현상의 거울상 선택성을 이해하는 중요한 실마리를 제공할 것으로 생각된다.