Research

화공 김진곤 교수팀, 자외선으로 패턴 다양하게! 고성능 반도체용 리소그라피 기술 개발

[빛으로 다중 나노 패턴 제작 쉽고 간단하게 차세대 반도체 패턴화 기술 개발] 고성능 반도체 개발을 위해선 작은 기판 위에 패턴을 매우 작고 다양하게 만드는 기술이 필요하다. 반도체 기판 위에 패턴을 새기는 공정을 리소그라피라고 하는데 지금까지는 자기조립에 의해 하나의 기판 위에 두 가지 이상의 패턴을 구현하는 것이 어려웠다. POSTECH 연구팀은 자외선 빛을 이용해 한 기판 위에서 다양한 나노 패턴을 제작하는데 성공했다. 화학공학과 지능형 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수, 석·박사 통합과정 최청룡씨는 자외선을 이용해, 자외선을 쬔 부분의 패턴을 변화시키는 간단한 방법을 통해 한 기판 위에 여러 형태의 나노 구조를 동시에 구현하는 시스템을 개발했다. 이 연구는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판을 통해 발표됐다. 연구팀은 반도체 소자에 작고 다양한 패턴을 많이 넣기 위해 블록공중합체의 자기조립 성질에 주목했다. 그러나 블록공중합체는 단 하나의 나노구조만 가지기 때문에 그 동안 다양한 패턴을 만들기 위해선 많은 비용을 들여 복잡한 절차를 거쳐야 했다. 연구팀은 자외선을 통해 이 한계를 넘었다. 분자 설계 자체를 자외선을 받으면 변화하도록 설계했고 반도체 기판에 자외선을 쬐어주자 패턴이 변하는 것을 확인했다. 특히 포토마스크를 통해 빛 쬐는 부위를 자유자재로 조정할 수 있어서 이 기술을 이용하면 특정 부분은 점(Dot) 형태, 다른 부분은 선(Line) 형태를 지닌 나노 패턴을 동시에 제작할 수 있게 된다. 연구를 주도한 김진곤 교수는 “이 연구는 점점 소형화, 고집적화되는 반도체 제작에 필요한 다양한 나노구조를 하나의 기판에서 동시에 구현할 수 있어서 차세대 반도체 패턴화 기술 발전에 큰 도움 줄 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부의 ‘창의적 연구진흥 사업’ 과 LG화학의 지원으로 수행됐다.

화학 임현석 교수팀, “아토피 멈춰” 몸 속 교통경찰이 부작용 없이 아토피 잡는다!

[펩타이드 물질 활용해 아토피 치료제 개발, 면역력 담당 STAT6,NCOA1 상호작용 통해 아토피 유발 물질 억제 확인] 쉽게 낫지 않고 재발률이 높아 대표적 난치성 질환 중 하나로 손꼽히는 아토피 피부염은 뚜렷한 치료법이 없는데다 부작용 때문에 약의 장기 투여가 힘들기 때문에 치료에 한계가 있다. 국내 연구진이 아토피 피부염 원인 중 하나인 과도하게 활성화된 아토피 피부염 유발 물질을 선택적으로 억제해 몸 속 교통경찰 역할을 담당할 물질 개발에 성공해 효과적이면서도 부작용이 없는 아토피 치료제 개발에 한 발 다가서게 됐다. 화학과 임현석 교수․박사과정 이영주 씨 연구팀은 대구경북첨단의료산업진흥재단의 송재영 박사 연구팀, 기초과학원 임신혁 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 비정상적인 단백질 상호작용을 조절해 아토피 피부염을 유발하는 원인을 억제하는 물질 개발에 성공했다. 우리 몸은 해롭다고 생각되는 물질이 들어오면 스스로 제거하려는 움직임, 즉 면역반응을 일으킨다. 그런데, 환경적 또는 유전적인 원인에 의해 면역반응이 비정상적으로 활성화될 경우 유해물질이 아닌 꽃가루 같은 것에도 면역반응을 일으켜 아토피와 같은 알레르기성 염증 질환을 유발하게 된다. 이러한 아토피성 피부염의 치료를 위한 기존의 방식은 스테로이드 제제를 사용해 염증을 제거하거나 면역반응을 억제하는 방법을 사용했다. 이 방법들은 근본적인 치료가 아닐 뿐 아니라 스테로이드로 인한 부작용과 병에 대응하는 면역력 약화 등의 문제가 있었다. 면역기능을 잃지 않으면서 아토피를 일으키는 부분만 억제할 방법은 없을까. 연구팀은 면역반응을 시작하라는 신호를 담당하는 STAT6 라는 단백질이 몸속에서 과도하게 활성화되면 알레르기성 염증 질환을 유발한다는 점에 주목했다. 또한 STAT6가 면역반응을 유발하기 위해서 NCOA1이라는 단백질과의 상호작용이 필요하다는 점에 착안하여 이들 상호작용을 막는 펩타이드 기반의 약물을 개발했다. 펩타이드는 단백질을 구성하는 아미노산이 두 개 이상 연결된 것으로, 인체와 분자 구조가 유사해 거부반응이 없는 인체 친화적인 물질이다. 이 펩타이드를 사용했을 때 STAT6의 면역반응 신호와 알레르기성 염증 질환 유발 물질 생성을 선택적으로 억제하는 것을 세포 실험으로 확인했다. 두 단백질 간 상호작용의 저해를 통해 아토피를 일으키는 면역반응 신호만 억제하기 때문에 부작용 없는 치료가 이뤄지게 돕는 메커니즘이다. 이 물질을 이용해 치료제를 개발할 경우 부작용 없이 안전한 아토피성 피부염 치료제는 물론이고 천식과 같은 알레르기성 염증 질환 치료제 개발도 가능할 것으로 기대된다. 논문의 제1저자인 화학과 박사과정 이영주 씨는 “이번 연구 성과는 세계 최초로 STAT6와 NCOA1간 단백질 상호작용을 저해함으로써 알레르기성 염증반응을 효과적으로 억제할 수 있음을 증명했다”라며 “앞으로 획기적인 아토피 치료제로 개발 될 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 이 연구결과는 화학분야 권위지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판에 게재됐다.

화공 김진곤 교수팀, 버려지는 양파 껍질로 전기 만든다

[양파껍질 셀룰로스 성분으로 스마트 압전소자 개발, 인체무해한 압전소자로 안전하게, 기침하거나 걷기만 해도 전기 생성 가능] 눈을 깜박이고 기침을 하고, 무언가를 잡고 걷는 등 움직임을 통한 압력이 전기 에너지가 되는 압전소자 기술은 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 압전소자를 만들 때 꼭 필요한 결정 물질이 PZT*1와 BTO*2와 같은 유해물질이어서 연구자 건강뿐 아니라 환경오염 문제가 해결 과제였다. POSTECH 연구팀은 셀룰로스 섬유질로 이뤄진 양파껍질을 이용해 인체에 무해한 데다 몸속에 부착해도 거부반응이 없고 효율까지 높은 압전소자를 개발했다. 화학공학과 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수, 산딥 마이티(Sandip Maiti) 박사 연구팀은 인도 카락푸르공대 카투아(Khatua) 교수 연구팀과 공동으로, 화학 처리가 필요하지 않은 양파 껍질을 사용해 높은 전력 효율을 만드는 압전소자를 개발했다. 이 연구는 에너지 분야 권위지인 나노 에너지(Nano Energy) 온라인판을 통해 발표됐다. 압전나노발전소자는 힘이나 자극이 가해졌을 때, 압력을 전기로 바꿔주는 소자를 일컫는다. 보통 힘을 가하면 양과 음으로 전하가 나뉘고, 표면의 전하 밀도가 변하면서 전기가 흐르는 압전 효과가 발생한다. 압전소자로 양전하와 음전하 위치가 쉽게 어긋나 편극이 변화하는 결정 물질을 사용하면 일정한 방향에서 양과 음의 전하의 이동 변화가 나타나 효율이 높은 전기를 생성할 수 있다. 압전소자 기술을 적용되면 소자를 신체나 기기에 부탁해 사람의 움직임이나 바람, 진동 등 일상에 다양하게 존재하는 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있다. 하지만 기존의 유해물질 방식을 이용한 소자로는 생분해성, 생체적합성, 물질합성이 모두 어렵고 비용까지 많이 든다는 한계가 있었다. 연구팀은 셀룰로스 섬유질의 정렬로 인한 결정성이 압전효과를 낼 수 있을 것으로 보고, 셀룰로스 섬유질이 있는 성분 중 쉽게 얻을 수 있는 양파 껍질에 주목했다. 실험 결과 양파 껍질을 통해 에너지를 얻을 수 있음을 확인했고, 가벼운 나뭇잎 정도의 움직임만으로도 전기를 생산할 수 있을 만큼 민감하고, 내구성도 뛰어나며 효율도 높은 소자를 개발할 수 있었다. 연구를 이끈 김진곤 교수는 “이번 연구 성과는 환경오염을 시키지 않는 자연 원료 자체로 전력 생산할 수 있는 발전 소자를 개발했다는 것에 큰 의미가 있다”라며 “앞으로 웨어러블 기기와 같은 차세대 디바이스 에너지 공급원 개발 기반이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥 사업’ 지원으로 수행됐다. 1. PZT 지르콘산염 PbZrO3과 티탄산염 PbTiO3의 고용체의 총칭. 화학식의 머리글자를 따서 PZT라 한다. 2. BTO BaTiO3 화학식을 갖는 무기화합물

화학 정성기-융합 김경태 공동연구팀, 한 번 실패했던 알츠하이머 치료제, ‘트로이 목마’로 “살렸다”

우리 몸속에도 적게 존재하는 사일로이노시톨(scyllo-inositol)은 알츠하이머를 앓고 있는 환자의 뇌에 모여 뇌세포를 죽게 하는 베타아밀로이드(β-amyloid) 단백질의 응집을 억제하는 효과를 가지고 있어 알츠하이머 치료제로 기대를 모으던 물질이었다. 하지만, 임상실험에서 높은 농도로 투여할 경우 심각한 신장독성을 일으킨다는 결과를 얻고 결국 실패하고 말았다. POSTECH 연구진이 한 번 실패했던 이 물질을 혈뇌장벽을 통과할 수 있는 ‘트로이목마’와 연결하는 새로운 방법으로, 치료제로서의 가능성을 다시 열었다. 화학과 정성기 명예교수, 융합생명공학부 김경태 교수팀은 뇌조직과 뇌모세혈관 사이에서 뇌를 지키는 혈뇌장벽(blood-brain-barrier)을 손쉽게 투과할 수 있는 약물전달체 기술을 이용, 독성으로 임상실험에서 실패한 ‘사일로이노시톨’을 개량한 새로운 약물 AAD-66을 개발해 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)를 통해 발표했다. 흔히 치매로도 알려진, 퇴행성 뇌질환 알츠하이머병은 고령화 시대가 열림에 따라 치료약물 개발에 많은 노력이 진행되고 있지만 아직까지도 효과적인 치료제는 개발되지 않은 상태다. 알츠하이머병 치료제는 뇌조직에 약물이 전달되어야 하고, 장기간 섭취가 필요해 독성이나 부작용을 최소화시켜야 한다는 조건이 붙는다. 그러나, 약물의 흡수를 철통같이 막고 있는 혈뇌장벽 때문에 대부분의 치료약물은 뇌세포 근처에도 가보지 못하고 후보물질에 그치고 있다. 연구팀은 임상실험 과정에서 실패해 모두가 후보물질에서 제외했던 사일로이노시톨에 다시 관심을 가졌다. 이미 이 연구팀이 개발한 혈뇌장벽 투과 약물전달체를 이용하면 굳이 농도를 높이지 않더라도 좋은 치료 효과를 기대할 수 있을 뿐 아니라, 고농도 투여에 따른 부작용도 피할 수 있을 것으로 예상한 것이다. 혈뇌장벽 투과 약물전달체를 사일로이노시톨과 연결한 형태의 AAD-66는 혈뇌장벽을 쉽게 투과할 수 있을 뿐 아니라, 투여 농도를 사일로이노시톨의 1/10로 낮췄음에도 알츠하이머병을 앓고 있는 동물의 학습과 기억능력을 회복시킬 수 있었다. 실제로 알츠하이머병 여부를 알 수 있는 베타아밀로이드, 신경아교증(gliosis) 분석에서도 더욱 좋은 효능으로 나타낸 것으로 확인됐다. 정성기 명예교수는 “사일로이노시톨이 실패한 것은 약물의 농도를 높일수록 생겨나는 독성 때문이었지만, 혈뇌장벽을 극복할 수 있는 약물 전달체가 이를 해결했고 그 결과 치료효과도 더욱 향상시킬 수 있었다”며 “이번 결과는 지금까지 혈뇌장벽을 통과하지 못해 후보물질로만 그쳤던 다양한 약물들을 알츠하이머병 치료제로 개발할 수 있는 가능성을 획기적으로 높였다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 글로벌프론티어사업, 뇌과학원천기술개발사업, BK21플러스사업, 농촌진흥청 차세대바이오그린21사업의 지원으로 수행됐다.

기계・화공 노준석 교수팀, 휴대폰 플래시에서도 선명한 홀로그램이 ‘차세대 에코 디스플레이’ 만든다

[실리콘 이용한 유전체 메타홀로그램 개발] 신용카드 뒷면에 붙은 무지개빛의 스티커나, 5만원권 지폐에 길게 붙은 은선은 모두 홀로그램을 이용한 위조방지 장치다. 이러한 홀로그램 기술은 공연이나 영상에도 활용되지만, 무엇보다 광원이 없이 외부의 빛을 그대로 반사해 영상을 띄우는, 차세대 ‘반사형 디스플레이’ 기술에 핵심적인 역할을 한다. 반사형 디스플레이는 화면에 영상을 내보내는 전력이 필요 없어 전기 소모가 적은 ‘에코 디스플레이’로도 알려져 있다. 실제로 아마존의 전자책인 ‘킨들’이 바로 이 디스플레이를 사용해 주목을 받은 바 있기도 하다. 기계공학과/화학공학과 노준석 교수팀이 실리콘의 이중 자기공명 현상*1을 이용하여 휴대폰 플래시 같은 간단한 조명으로도 홀로그램 이미지를 만들어내는 메타 홀로그램을 구현하는 데 성공, 학계는 물론 산업계로부터도 크게 화제를 모으고 있다. 특히 이미 다양한 전자소자로 활용되고 있는 실리콘을 이용했기 때문에 기존의 공정을 이용해 빠르게 상용화에 들어갈 수 있다는 점이 큰 장점으로 꼽힌다. 메타물질로 만들어진 홀로그램, ‘메타 홀로그램’은 이론적으로 광학적 특성을 조절할 수 있기 때문에 기존의 홀로그램과 달리 가시광선 모든 영역에서 작동할 수 있는 홀로그램이지만, 금속을 이용할 경우에는 일부 손실이 일어나는 단점이 있었다. 연구팀은 가시광선 파장의 1/4 두께의 실리콘 나노구조를 이용, 이중자기공명 현상을 일으키는 플랫폼을 구현했다. 그 결과 높은 효율을 가지는 반사형 홀로그램을 만들어낼 수 있었을 뿐 아니라, 자연광과 같은 특정 조명은 물론, 휴대폰 플래시 같은 간편한 조명에도 홀로그램이 선명하게 나타나는 결과를 얻었다. 이 연구결과는 광원을 필요로 하지 않는 반사형 디스플레이 개발에도 접목될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 특히 이 연구성과가 매력적인 이유는 어떤 조명환경에서도 작동할 수 있다는 점이다. 아주 적은 빛에서도 홀로그램이 나타나기 때문에 전쟁터와 같은 극한 환경에서 활용할 수 있는 군사용 디스플레이는 물론, 특정 조명에서만 홀로그램이 나타나도록 하게 되면 위조 방지나 정보 보안 기술에도 활용할 수 있게 된다. 세계적 나노분야 학술지 ACS Nano 지에 게재된 이번 연구는 싱가포르국립대(National University of Singapore)와 중국 우한대(Wuhan University)와의 공동 연구로서, 포스코의 그린 사이언스 프로그램, LG디스플레이 인큐베이션 프로그램, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 또, 이 연구는 POSTECH 산학일체교수 1호로 부임한 김욱성 교수가 과거 LG디스플레이에서 인큐베이션 프로그램 리더를 맡아 반사형 디스플레이 연구로서 방향을 이끌었던 인연이 있다는 점에서도 눈길을 모은다. 1. 이중 자기공명 (Double Magnetic Resonance) 상호작용하는 두 자기모멘트가 물질 속에 있을 때 두 전자기파를 써서 이들의 자기공명을 동시에 일으키는 방법, 반도체나 이온 결정 내의 불순물 등을 조사하는 데 활용된다.

물리 이후종∙이길호 공동연구팀, 전사(傳寫)에 의한 그래핀 초전도접합 첫 실현

[결맞음성이 강한 그래핀 양자소자 활용 기대] 초전도 물질 사이에 얇은 전도체를 끼워 넣으면 서로 떨어져 있는 초전도 물질 사이에도 전기저항이 없는 초전류가 흐르게 된다. 이러한 조셉슨 초전도접합구조는 전도체에 초전도체를 여러 단계로 진공증착시키는 과정을 통해서만 제조가 가능하였다. 본 연구에서는 단층 그래핀에 van der Waals 적층형 NbSe2 초전도물질을 나노 스케일에서 전사하는 간편한 방식으로 강한 결맞음 특성을 가지는 초전도접합을 구현하였다. 물리학과 이후종∙이길호 교수 연구실의 김민수 박사(현 맨체스터대학 박사연구원)는 박건형, 이종윤, 박진호, 이현우, 이재형 박사와 공동으로 그래핀과 NbSe2 초전도물질을 차례로 전사하여 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣은 수직형태의 초전도접합을 실현하였다. 이렇게 제작된 초전도접합은 초전도 전극간에 그간 보고된 적이 없는 강한 연계성과 양자간섭 특성을 보여 단위 큐빗소자나 양자간섭소자 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 이후종 교수는 “이번 연구성과는 그래핀-초전도 양자소자 개발은 물론, 그래핀을 기반으로 한 다양한 van der Waals 물질 양자접합소자 응용에 실질적인 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이 연구는 한국연구재단 SRC 사업의 지원으로 수행되었으며, 나노레터스(Nano Letters) 최신호에 발표되었다.

화공 박태호 교수팀, 구리로 태양전지 고질병 ‘히스테리시스’ 잡다

[Cul(요오드화제일구리) 코팅으로 태양전지 효율 높여] 수도꼭지를 틀 때, 수돗물이 조금 늦게 나오고, 잠그고 나서도 남은 물이 조금 떨어지는 이와 같은 지연 현상을 히스테리시스라 부른다. 이 현상이 태양전지에서 일어나게 되면 효율이 낮아지게 되는데 POSTECH 연구팀이 요오드화제일구리(CuI) 코팅이라는 단 한 번의 공정으로 이 문제를 해결하고 효율도 높였다. 화학공학과 통합과정 김태완씨, 박사 후 연구원 마디 말레샤이 바이란반드(Mahdi Malekshahi Byranvand)씨와 박태호 교수는 평평한 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 전자 전달층인 티타늄산화물에 요오드화제일구리(CuI)를 코팅해 씌웠다. 간단한 원스텝 스핀 코팅 방법으로 에너지 레벨이 높아지고, 요오드화제일구리의 전류를 끌어당기는 성질로 인해 전자를 더욱 빠르게 이동할 수 있게 됐다. 특히 요오드화제일구리가 전자 이동 경로의 작은 구멍들을 막아줘 전자가 원래 자리로 되돌아가지 못하게 해 재결합률을 낮췄고, 전자 추출 능력이 19.0%로 높은 효율을 보였다. 그동안 평평한 타입의 페로브스카이트 태양전지는 전자를 옮기는 전달층으로 티타늄산화물(TiO₂)을 사용했다. 투명해서 햇볕을 잘 받지만, 낮은 전자이동도와 전자가 다시 원래 위치로 되돌아가려는 성질인 재결합률이 높은 점, 잔류 현상과 같은 히스테리시스로 효율이 낮아지는 문제가 있었다. 연구팀은 요오드화제일구리를 입혀 이 문제를 해결했고, 히스테리시스가 거의 없어 동일한 효율이 나오는 것을 확인했다. 연구를 이끈 김태완 씨는 “요오드화제일구리는 싸고 안정적이면서도 티타늄산화물이 가지는 대부분의 문제를 한꺼번에 해결이 가능하다”며 “지금까지 알려진 어떠한 소자 연구에서도 사용된 바가 없어 앞으로 태양전지 뿐 아니라 대다수 전자소자에 널리 응용이 가능할 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이번 연구는 이 연구는 에너지 분야 권위지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)을 통해 발표됐으며, 한국연구재단의 기초연구사업 지원으로 수행됐다.

화학 김원종 교수 연구팀, 부작용 없는 류마티스 관절염 치료제 개발 가능성 제시

POSTECH 연구팀이 대표적 자가면역 질환인 류마티스 관절염의 새로운 치료제 개발 가능성을 제시했다. 화학과 김원종 교수, 통합과정 박정홍 씨는 하이드로젤을 통해 자가면역 질환에 사용할 수 있는 약물 전달 플랫폼을 개발했다. 일산화질소에 감응할 수 있는 하이드로젤을 류마티스 관절염 부위에 주입하면 주변 일산화질소를 선별적으로 제거해 자가면역 이상 반응을 억제할 것으로 기대된다. 특히 대식세포를 통해 하이드로젤의 효과를 입증했는데 이 물질의 경우 생체 독성이 매우 낮은 고분자 물질로 이뤄져서 부작용이 거의 없는 것이 장점이다. 이 약물전달 플랫폼을 통해 류마티스 관절염과 같은 자가면역 질환 치료에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다. 연구를 주도한 김원종 교수는 “이번 결과는 일산화질소 감응형 하이드로젤 개발을 통한 자가면역질환 관련 질병 치료의 선행연구”라며, “현재는 실제 류마티스 관절염에 걸린 쥐를 대상으로 그 효과를 입증하는 단계”라고 설명했다. 본 연구결과는 2017년 10월, 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스 (Advanced Materials)에 게재되었으며 표지논문으로 선정됐다.

화학 김기문∙화공 오준학 공동연구팀, 분자인지와 유기반도체 소자 기반 고감도 휴대용 마약 센서 개발

[필로폰 등 암페타민 계열 마약 감지, 기존 분석기 보다 만 배 정밀] 암페타민 계열 마약*1은 강력한 중추신경 흥분제로 합성이 쉽고 저렴해 불법 유통이 늘고 있다. 최근 주의력결핍과잉행동장애(ADHD) 치료제인 ‘애더럴’은 국내 판매 허가가 나지 않았음에도 집중력을 높이는 약으로 알려져 운동선수부터 수험생에 이르기 까지 사회전반에 침투하고 있다. 현재 마약 검출은 면역분석기나 질량분석기 등의 값비싼 대형 장비가 동원된다. 정확도가 높지만 전처리*2 과정이 복잡하고 결과를 얻는데 수 시간에서 하루이상 소요된다. 휴대용 마약 분석기는 1 ppm*3 이하의 농도는 검출이 어렵다. 기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 김기문 단장(화학과) 연구팀과 화학공학과 오준학 교수 연구팀은 극미량의 샘플로도 암페타민 계열의 마약을 검출하는 고감도 휴대용 마약 검출 센서(이하 마약 센서)를 개발했다. 상용화로 이어질 경우 음주단속처럼 간단하게 마약 단속이 이뤄질 전망이다. 마약 센서는 소변이나 땀 또는 침 한 방울이면 초미량의 마약을 신속하고 정확하게 검출한다. 센서의 크기는 1.5㎝×3.5㎝(가로×세로)에 불과하며, 휴대가 간편한 스마트밴드 형태로도 만들었다. 스마트폰과 연동하여 검출 결과를 실시간으로 확인할 수 있다. 연구팀은 유기반도체*4 소자에 분자인지*5를 적용하는 획기적인 방법을 고안했다. 유기반도체 소자 표면에 암페타민 계열 마약 분자를 선택적으로 인지하는 쿠커비투[7]릴(cucurbit[7]uril, 이하 쿠커비투릴)*6의 분자층을 3~4겹 코팅하는 방식이다. 만약 암페타민 분자가 쿠커비투릴과 결합하면, 쿠커비투릴의 전하 배치가 미세하게 바뀐다. 반도체 소자는 이에 민감하게 반응해 전기 신호를 내보내며, 신호의 세기는 암페타민 분자의 농도에 비례한다. 마약 센서의 민감도는 물의 경우 0.1 ppt*3, 소변의 경우 0.1 ppb*3의 농도로 기존 휴대용 분석기가 소변에 반응하는 것보다 만 배 이상 높다. 분자인지에 기반해 필로폰이나 엑스터시와 같은 암페타민 계열 마약은 모두 검출한다. 화학구조를 일부 변형시킨 변종마약에도 빠르게 대응해 맞춤형 센서를 제작하기 쉽다. 연구진은 이 연구로 확보한 기술로 환경호르몬이나 독성·위험 물질을 감지하는 센서 제작에 나설 예정이다. 김기문 교수는 “마약 검출 방식의 패러다임을 바꿀 연구결과로 학계를 넘어 사회 전반에 영향을 미칠 것으로 보인다”고 말했다. 공동교신저자인 오준학 교수는 “수용액 환경에서도 안정적으로 전기가 흐르는 유기 트랜지스터와 분자인지의 완벽한 결합으로 고감도 마약 센서 제조 원천기술을 확보했다”고 밝혔다. 본 연구는 IBS와 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 Cell의 자매지인 Chem 온라인판에 우리시간 9월 29일 공개되었다. * 본 보도자료는 기초과학연구원(IBS)에서 작성 되었습니다. 1. 마약 암페타민 계열 마약(암페타민, 필로폰, 엑스터시 등)은 합성이 쉽고 저렴하여 헤로인이나 코카인 등을 빠르게 대체하며 최근 대마와 더불어 세계에서 가장 많이 남용되고 있는 마약 2. 전처리 샘플 속에 있는 마약을 정확히 검출하기 위해 불순물을 제거하고 순도를 높이는 작업 3. ppm, ppb, ppt 농도의 단위. ppm = 백만분의 일, ppb = 십억분의 일, ppt = 일조분의 일 4. 유기반도체 주로 탄소 기반 화합물로 이루어진 반도체 물질 5. 분자인지 분자들이 서로 짝을 알아보고 합쳐지는 것으로 수소결합, 소수성 상호작용, 반데르발스 힘 등과 같은 약한 상호작용으로 인해 발생 6. 쿠커비투릴 호박 모양으로 생긴 속이 비어있는 고리형 화합물. 친수성의 입구와 소수성의 텅빈 내부가 존재하며, 분자인지 현상을 통하여 특정한 화합물과 결합하여 초분자를 형성.

신소재 한세광 교수팀, 수술 후엔 실 아닌 “빛”

[나노입자-빛으로 피부 접합하는 새로운 시스템 개발] SF영화나 애니메이션, 게임 속에서 주인공이 입은 깊은 상처는 언제나 성스러운 빛을 쐬고 나면 말끔하게 낫는다. 이런 판타지 같은 의료기술이 조금씩 현실로 다가오고 있다. POSTECH이 나노입자에 장(長)파장의 빛과 단(短)파장의 빛, 2가지의 빛을 이용해 상처를 치유하는 새로운 광의약 (photomedicine) 기술을 개발해 학계의 주목을 모으고 있다. 신소재공학과 한세광 교수․박사과정 한슬기씨는 화학공학과 차형준 교수 그리고 하버드 의과대학 윤석현 교수와 공동으로 근적외선을 쬐어 사고로 인한 상처를 치유하고 수술 후 잘린 피부를 효과적으로 접합시킬 수 있는 광의약 시스템을 개발했다. 연구팀이 관심을 가진 것은 눈에 보이지 않는, 하지만 피부 투과율이 높고 인체에 사용해도 전혀 문제가 없는 빛, 근적외선을 흡수해 가시광선을 방출하는 신개념의 광 나노소재, ‘상향변환 나노입자(upconversion nanoparticle; UCNP)’다. 연구팀은 녹색 파장의 빛을 흡수, 콜라겐이 잘 붙도록 유도하는 성질을 가진 염료제, 로즈벵갈(rose bengal)을 피부에 잘 투과되는 생체고분자 히알루론산에 붙인 다음 상향변환 나노입자와 섞어 복합체를 만들었다. 피부에 이 복합체를 바르고 근적외선을 쬐면, 우선 상향변환 나노입자가 녹색 파장의 빛을 방출하고 이 빛을 받은 로즈벵갈이 피부의 콜라겐을 서로 잘 붙도록 유도하여 피부접합이 빠르게 진행되는 것을 동물실험을 통해 확인했다고 연구팀은 밝혔다. 일반적으로 외과수술 후에는 실이나 스테이플링을 이용해 상처부위를 꿰매거나, 피부접착체를 사용해 상처를 붙이고 있다. 하지만, 이 방법을 이용하면 피부 깊은 조직에서 직접 콜라겐이 결합하도록 유도해 더 빠르게 피부가 붙게 되어, 무엇보다 흉터를 줄이고 감염 가능성을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 이 연구를 주도한 한세광 교수는 “이번 결과로 상향변환 나노입자의 탁월한 체내 광전달 특성을 다양한 광의약 기술에 접목할 수 있다는 가능성을 확인했다”며 “이를 이용, 새로운 패러다임의 광의료 기술을 개발해 나갈 계획”이라고 밝혔다. 한편 이 연구는 나노 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano에 게재되었다.