Research

물리 김범준 교수팀, 우주 탄생의 비밀 밝힐 힉스 입자, 응집 물질에서 찾았다

[세계 최초로 이차원 양자 자석에서 힉스 입자의 붕괴 과정 관측] 힉스 입자는 신이 모든 생명체에게 생명을 부여하듯 소립자에 질량을 부여해 ‘신의 입자’라는 별명을 가지고 있다. 소립자는 힉스 입자의 붕괴를 통해 질량을 갖는다. 때문에 힉스 입자를 증명하기 위해서는 붕괴 과정의 규명이 중요하다. 이 과정에서 우주 기원의 수수께끼를 풀 수 있을 것으로 기대된다. 국내 연구팀이 이차원 전자계에서 힉스 입자를 처음으로 관측했다. 이는 입자 물리에 대한 이해가 작은 실험실에서 구현됐다는 점에서 큰 의미가 있다. 물리학과 김범준 교수팀이 네이처가 발간하는 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’지를 통해 이차원 양자 자석에서 힉스 입자를 관측하고 그 붕괴과정을 밝혀내는데 최초로 성공했다고 밝혔다. 점이나 면 같은 저차원계에서는 힉스 입자가 특히 빨리 붕괴되기 때문에 관측하기 어렵다. 입자물리에서 힉스 입자는 직접 관측되는 것이 아니라 그 붕괴 잔해를 통해서 확인할 수 있어 붕괴 과정의 연구는 곧 힉스 입자 발견의 토대가 된다. 하지만 지금까지 응집물리 분야에서 이를 직접 다룬 연구결과는 아직 없었다. 연구팀은 물질 내 스핀파*1의 개형*2 분석 실험을 통해 그래핀(Graphene)과 같이 단일 층만으로도 물성이 완성되는 이차원 양자 자석에서 스핀파의 가로 방향 진동을 관측하고 이 힉스 입자가 한 쌍의 종파(縱波)로 붕괴된다는 사실을 밝혀내는데 성공했다. 연구를 주도한 김범준 교수는 “힉스 입자의 붕괴과정이 응집물리 분야에서 관측된 것은 이번이 처음”이라며 “특히, 우주의 탄생을 밝히는 힉스 입자 관측이 대형 인프라 없이 작은 실험실에서 구현됐다는 점에서 높은 평가를 받고 있다”고 의의를 밝혔다. 한편 이번 연구는 독일 막스플랑크 연구소와 공동연구로 수행됐다. 1. 스핀파(Spin Wave) 강자성체 등의 스핀이 질서 있는 배열을 이루는 결정 속에서 바닥상태에서 들뜬 상태로 전이하면 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생한다고 생각되는 파동 2. 개형(Abstract Shape) 결정체 안의 공간이 결정면에 의하여 완전히 둘러막히지 않은 형태의 결정형

POSTECH, 버려지는 폐열 이용한 발전시스템 상용화 나선다

[미래부 '스마트 산업에너지 ICT융합 컨소시엄' 선정 2년간 총액 89억원 투입] POSTECH은 철강산업, 열병합발전, 열화학공정에서 버려지는 폐열을 회수해 전기를 만들어내는 친환경 기술을 바탕으로 하는 ‘ICT융합 미이용 에너지 열전발전 시스템 개발’에 나선다. '열전발전’은 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 기술로, 고온부분과 저온부분 사이 온도차에 의해 열이 이동하려고 하는 에너지를 전기에너지로 변환(발전)하는 것을 말한다. 미래창조과학부는 창의IT융합공학과 백창기 교수, 김기현 연구교수, 김민성 연구교수, RIST 강덕홍 박사 연구팀이 제안한 “스마트 산업에너지 ICT융합 컨소시엄” 사업을 2017년 신규 ICT융합 컨소시엄 사업으로 선정, 발표했다. 이에 따라 국비 37억원을 포함한 총액 89억원이 투입, 미이용 에너지 회수 및 활용을 목표로 하는 ICT융복합 신에너지발전시스템 상용화 사업에 착수하게 된다. 신재생 에너지 후보 기술 중 하나인 ‘열전발전’은 산업 배·폐열을 회수해 전기를 생산함으로써 에너지 소비효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 태양열, 지열, 도시배열, 해양 온도차 등 자연에너지원으로도 전기를 얻을 수 있어, 최근 신재생 에너지원으로서 크게 주목받고 있다. 태양광 및 풍력과는 달리 ‘열전발전’은 24시간 발전시킬 수 있어 출력안정성이 높고, 발전량 예측이 가능할 뿐 아니라 무소음, 무진동, 무탄소배출 기술이면서 유지보수가 거의 없는 친환경 에너지 기술이다. ‘스마트 산업에너지 ICT 융합 컨소시엄’ 사업은 반도체ICT원천기술을 활용한 하향식 ‘실리콘 열전모듈’을 이용해 폐열 회수용 열전발전 시스템을 구축, 이를 세계 최초로 상용화하는 것을 목표로 한다. 이 방법은 폐열원의 회수 효율을 높이는 것은 물론 가격경쟁력에서도 크게 기대를 모으고 있다. 또, 산업용 용광로, 가열로, 소각로, 열병합발전소 등의 에너지 재활용은 물론 자립화가 필요한 공장과 지역에너지 발전사업에 적용, 국가분산전력망으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 향후에는 가정용 보일러에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 성과는 오는 24일 서울 COEX에서 개최되는 월드 IT 쇼에서 미래부 명품ICT인재양성사업의 대표부스로서 시연될 예정이기도 하다. 백창기 교수는 “대전나노종합기술원와 포항나노용합기술원, RIST와의 협업과 포항시의 지원하에 포스코 철강공정과 충남도시가스 열병합발전소에서 실증연구를 진행하며 기술상용화를 앞당길 계획”이라며 “친환경에너지기술개발을 통해 온실가스배출 감축, 에너지 효율 향상에 기여하고 세계에너지 신시장을 선점하는 것을 목표로 할 것"이라고 밝혔다.

기계・화공 노준석 교수팀, ‘한 땀 한 땀’ 만들던 하이퍼렌즈, 대량생산이 눈 앞에 보인다!

[초고해상도 광학현미경 실용화 공정 개발] 생명체의 탄생과 소멸을 함께하는 미생물부터 투명망토와 같은 꿈의 기술을 현실로 만드는 나노물질까지. 작디작은 미세물체들은 인간의 눈엔 보이지 않지만 세상을 움직이는 중요한 존재들이다. 현미경의 발명으로 이런 물체들을 수천~수백만배까지 확대해서 볼 수 있게 되면서 더욱 더 작은 세상을 들여다보려는 연구자들의 시도는 계속 되어왔다. 한계를 뛰어넘는 기술 개발만큼 쉽고 간단한 공정으로 그 기술을 구현하는 실용화도 큰 과제이다. 기계공학과․화학공학과 노준석 교수와 고려대 신소재공학과 이헌 교수 공동연구팀은 나노임프린팅*1 방법을 기반으로 대면적(大面積)의 하이퍼렌즈(hyperlens)*2를 간단하게 제작하는 공정 방법을 개발, 초고해상도 이미징 기술의 실용화에 한걸음 더 다가섰다. 흔히 알려진 현미경은 유리렌즈를 사용하는 광학현미경이다. 광학현미경의 문제는 빛 파장의 절반보다 작은 물질은 볼 수 없다는 점인데, 이를 ‘회절한계’라고 한다. 회절한계를 극복하고 그보다 작은 물질을 볼 수 있게 하는 ‘하이퍼렌즈’는 광학 이미징 기술 분야의 돌파구로 여겨지며 많은 기대를 모으고 있다. 그러나 하이퍼렌즈의 활용은 공정 과정의 어려움으로 인해 아직 요원한 일이다. 가느다란 이온이나 전자 빔을 쏘아 반구(半球) 모양의 렌즈를 일일이 깎아내듯 만드는 공정은 그야말로 장인이 ‘한 땀 한 땀’ 수작업 하듯 많은 시간과 노력이 들기 때문이다. 더욱이 그런 방법으로 넓은 면적에 여러 개의 하이퍼렌즈를 연속적으로 정렬하여 만들기란 가능하지 않았다. 노 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 방식에서 벗어나 하이퍼렌즈의 정렬틀 모형을 만들고 도장 찍듯이 다량으로 찍어내는 새로운 접근법을 제시했다. 특히 하이퍼렌즈의 실용화를 가로막는 어려움 중 하나는 살아있는 세포 등 관찰하고자 하는 샘플을 원하는 위치에 정확히 배치하는 것인데, 연구팀은 대면적 하이퍼렌즈 제작을 통해 이 문제 역시 간단히 해결했다. 다수의 하이퍼렌즈들이 일정하게 정렬된 기판을 만들어 기판 어느 곳에 샘플을 놓아도 가시광선 영역에서 회절한계 이하의 작은 물체를 관찰할 수 있게 한 것이다. 네이처가 발행하는 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’지를 통해 최근 발표된 이 연구성과는 간단한 공정으로 제작 비용이나 시간을 1만 배 이상 크게 단축할 뿐더러, 특히 제작된 하이퍼렌즈 정렬체를 일반 현미경에 탈착 및 결합하는 일이 가능해 하이퍼렌즈를 이용한 초고해상도 현미경의 실용화를 성큼 앞당길 것으로 기대된다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “이번 연구는 하이퍼렌즈 공정의 어려움을 극복하고 다양한 분야에서 사용될 수 있는 실용 가능성을 확인했다는 것에 큰 의의가 있다”며 “이 성과를 바탕으로 초고해상도 현미경이 광학, 생물학, 약학, 나노기술을 비롯한 여러 분야에서 널리 사용될 수 있는 기반을 마련했다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 신진연구자 프로그램, 선도연구센터 ERC 프로그램, 글로벌프론티어 프로그램, 미래유망파이오니아사업의 지원으로 수행됐다. 1. 나노임프린팅 (Nanoimprinting) 도장을 만들어 매번 같은 모양을 찍어내듯이, 나노사이즈의 미세패턴으로 해당 구조를 반복적으로 찍어내 한 번에 크고 많은 나노패턴을 만들 수 있는 나노구조제작 방법 2. 하이퍼렌즈 (Hyperlens) 물질의 유전율(permitivity)을 인위적으로 조절할 수 있는 쌍곡선형 메타물질을 이용하는 렌즈. 작은 정보를 먼 거리까지 전달하는 소멸파(evanescent wave)를 진행파(propagating wave)로 변환시켜 정보의 손실없이 전달함.

환경 민승기 교수팀, 열대지역 넓어지는 이유는 '인간 탓' 첫 발견

[인간 활동에 의한 해들리순환 확대 밝혀] 우리가 살고 있는 지구 속 생태계는 지구 전역의 대기의 순환에 따라 유지되고 있다. 그리고, 급격한 기후변화는 생태계의 혼란은 물론, 우리 삶에도 큰 영향을 미치고 있다. 특히 지구의 대기 대순환을 주도하고 있는 ‘해들리순환(Hadley cell)’이 확대되면서 지구 기후의 급격한 변동이 예상되고 있다. 이러한 변화에 대해 누구나 인간의 무분별한 활동들이 영향을 미치고 있다고 알고 있기는 하지만, 추측만 할 뿐 실제로 인간의 활동이 어떤 영향을 미치고 있는지는 증명해내지 못했다. 환경공학부 민승기 교수팀은 저위도지역에서 나타나는 해들리순환의 팽창 원인이 인간이 생성하여 배출한 ‘프레온가스’로 불리는 염화불화탄소 등의 “오존층 파괴물질”이라는 점을 처음으로 밝혀내는데 성공했다. 특히 남반구 지역에서의 해들리 순환 확장을 연구한 이 성과는 미국지구물리학회(American Geophysical Union, AGU)에서 주요 논문으로 선정해 소개하며 학계의 관심을 모으고 있다. 해들리순환은 저위도지방에서 일어나는 강력한 연직 순환으로 적도 부근에서 가열된 대기가 대류활동으로 상승하면서 발생한다. 이 순환은 지구 전체의 열과 물의 순환을 주도하며 지역별 기후대를 결정하는 매우 중요한 역할을 한다. 상승기류가 나타나는 적도부근은 강수대가 위치하고, 하강기류가 나타나는 아열대 중위도에는 건조기후대가 형성되는데 해들리 순환의 바깥 경계선에 해당된다. 최근 이 해들리 순환의 경계선이 점차 극쪽으로 이동함에 따라 건조지역의 확장이 확인되고 있다. 연구팀은 이러한 해들리순환의 변화가 인간활동에 의한 것인지, 아니면 지구의 자연 변동에 의한 것인지에 관심을 가졌다. 연구팀은 1979년부터 2009년까지 30년 간 남반구의 여름에 나타난 해들리순환의 경계 변화 원인을 관측과 모델을 비교하여 분석했다. 그 결과 해들리순환의 경계는 대서양과 인도양 지역에서 극쪽으로 확장되었고, 이러한 팽창은 인간의 영향, 즉 인간이 배출한 염화불화탄소가 성층권의 오존을 감소시키면서 일어났다는 것을 밝혀냈다. 이는 인간 활동이 지역규모의 대기 순환에도 영향을 미치고 있음을 처음으로 제시한 연구이며, 또한 남반구의 기후변화에서 성층권 오존감소가 중요한 요인임을 다시 한 번 확인한 성과로 학계의 주목을 받고 있다. 1987년 몬트리올 의정서 체결 이후 염화불화탄소의 사용이 규제되면서 성층권 오존은 향후 수십 년에 걸쳐 점차 회복될 것으로 전망된다. 연구팀은 앞으로 미래의 해들리순환과 그에 따른 기후변화에 대해서 연구할 계획이다. 한편, 기상씨앗(SEE-AT) 기술개발사업의 지원으로 수행된 이 연구는 서울대 연구팀과 공동으로 수행되었으며, 미국지구물리학회가 발간하는 지구물리학연구지(Geophysical Research Letters)에 게재됐다.

물리 윤건수 교수팀, 안전한 ‘인공태양’에 한걸음 더

[플라즈마 경계면 폭발 전 ‘섭동’ 현상 발견] 태양이 1초 동안 만들어내는 에너지는 지구 상의 모든 발전소가 만들어내는 발전용량의 1조 배나 많은 에너지다. 이 에너지를 만들어내는 핵융합 현상을 모방해 만들어내는 ‘인공태양’은 언젠가 고갈될지 모를 화석연료, 그리고 항상 수많은 논란의 중심에 있는 원자력을 대체할, 고효율적이고 친환경적인 대체 에너지 자원으로 전 세계의 협력 아래 연구되고 있다. 이 핵융합 장치의 핵심은, 강력한 자기장을 이용해 수억도에 이르는 초고온 상태의 플라즈마를 가두는 토카막 장치다. 여기에서 일어나는 불안정한 상태를 규명하는 새로운 연구가 나와 학계의 관심을 모으고 있다. 물리학과․첨단원자력공학부 윤건수 교수 팀은 UNIST 물리학과 박현거 교수 팀, 국가핵융합연구소(NFRI) KSTAR 연구센터와 함께 토카막 내부에서 플라즈마 경계면 폭발 현상이 일어나기 직전에 발생하는 고립 섭동¹* 현상을 발견하고 그 발생 과정을 규명하였다. 이는 플라즈마 경계면 폭발이 고립 섭동에 의해 유발된다는 새로운 해석으로서 기존의 고유 모드²*에 기반한 해석의 한계점을 명확히 밝혔다는 점에서 학계의 주목을 모으고 있다. 지구에서 태양과 같은 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 만들기 위해서는 태양보다 더 뜨거운 초고온의 플라즈마가 필요하다. 이 플라즈마는 기체가 이온화된, 물질의 네 번째 상태다. 태양은 중력이 강해 태양 내부의 높은 밀도와 압력을 통해 이 제멋대로인 플라즈마를 가둘 수 있지만, 태양과는 상황이 다른 지구에서는 플라즈마가 전하를 띠고 있다는 성질을 이용해 자기장으로 도넛 형태의 장치 속에서 끊임없이 돌아가도록 하는 토카막이라는 장치를 이용해 플라즈마를 가둔다. 문제는, 갇혀있는 이 플라즈마가 바깥과의 압력과 온도차이 때문에 경계면의 상태가 불안정해진다는데 있다. 상태가 불안정해지면 상당한 양의 플라즈마 입자와 열이 밖으로 한 번이 빠져나가는 ‘플라즈마 경계면 폭발현상’이 발생한다. 그리고 이 폭발현상은 크기에 따라 플라즈마를 가두는 토카막 내벽에 심각한 손상을 입힐 수 있는 위험을 안고 있다. 많은 연구자들이 이를 해결하기 위한 연구를 진행하고 있지만, 빠르게 일어나는 폭발현상을 제대로 이해하기는 어려웠다. 연구팀은 고속 밀리미터파 카메라와 초고속 전자기파 검출기를 개발, 우리나라의 ‘인공태양’ KSTAR에 설치해 경계면 폭발현상을 관측했다. 그 결과 경계면 폭발 직전에 고립 섭동현상이 일어난다는 것을 발견하는데 성공했다. 지금까지 발표된 이론으로는 이 현상을 설명할 수 없는 상황으로 향후 플라즈마 유체이론, 수치 시뮬레이션 연구에 활용될 수 있을 뿐 아니라, 지금까지 핵융합 관련 연구의 난제 중 하나로 손꼽혀 왔던 플라즈마 경계면 폭발 메커니즘을 이해할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 연구팀은 다른 형태의 플라즈마 경계면에서 발생하는 폭발적 붕괴 현상과 토카막 내에서 일어나는 폭발 현상의 유사성에 착안, 고립 섭동의 발생 조건에 대한 수학과 황형주 교수팀과의 공동연구로 이론적 모델도 이끌어내었다. 이와 함께 경계면 폭발과 함께 생겨나는 강력한 전자기파에 대한 해석 연구를 후속 연구로 진행하고 있다. 네이처가 발행하는 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)를 통해 발표된 이 연구는 미래창조과학부 핵융합연구개발 사업 및 Max Planck POSTECH/KOREA Research Initiative 프로그램, 그리고 교육부 BK21플러스 사업 지원을 통해 수행됐다. 1. 섭동(perturbation) 어떤 역학적 평형을 이루고 있는 주요 힘들 외에 작용하고 있는 부차적인 힘, 또는 그 힘에 의하여 평형 상태로부터 벗어난 교란된 상태. 2. 고유 모드 (eigen mode) 어떤 시스템 내부의 규칙적인 패턴으로 나타나는 자연스러운 진동 상태.

화공 오준학 교수팀, 웨어러블 스마트기기 상용화 앞당길 수 있는 원천 기술 개발

[포토리소그래피 적용 가능한 고분자 반도체 개발] 종이처럼 접히는 전자책, 팔찌처럼 편리하게 몸에 찰 수 있는 스마트 기기에 들어가는 반도체는 유연하게 구부러지는 소재로 만들어져 있다. 이러한 스마트기기가 소형화되고 더 많은 기능을 탑재하게 됨에 따라, 고성능 차세대 반도체를 개발하기 위한 경쟁이 계속되고 있다. 특히 핵심소재로 각광받고 있는 고분자 반도체는 무기 반도체와 달리 화학 용매에서 불안정해 기존 설비를 이용하기 어려운 단점을 가지고 있다. 화학공학과 오준학 교수팀․UNIST 양창덕 교수 공동연구팀은 빛과 그림자를 이용하는 간단한 포토리소그래피 공정¹*을 적용할 수 있는, 내성이 강한 고분자 반도체를 개발하고 이를 이용해 대면적(大面積) 화학센서를 만드는데 성공했다. 재료과학분야의 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’지 최신호 표지논문으로 게재된 이 연구성과는 특히 이미 상용화된 공정에 바로 적용이 가능하고, 제작 비용이나 제작 시간도 크게 단축하면서도 고분자 반도체로서의 장점은 그대로 유지해 상용화를 성큼 앞당길 것으로 기대된다. 틀에 빛을 쪼여 생기는 그림자의 모양대로 회로가 새겨지도록 하는 포토리소그래피 공정은 특히 전자회로를 만들 때 미세패턴을 구현하기 위해 널리 활용되어 왔지만, 고분자 반도체에 적용하면 반도체의 성능이 급격하게 저하된다는 단점이 있었다. 이 때문에 불소를 분자 구조에 넣거나, 보호막을 만드는 등 다양한 방법이 이용됐지만, 두 방법 모두 합성이 어려워지거나, 제작비용 상승으로 이어졌다. 그 대안으로 잉크젯 프린터를 이용하는 방법도 있었지만, 미세한 패턴을 만들기 어렵거나 패턴이 균일하게 인쇄되지 않는 등 어려움이 많았다. 연구팀은 물을 튕겨내는 성질과 함께 화학물질에 대한 내성이 강한 실록산(siloxane)기를 포함한 양극성 고분자 반도체²*를 개발했다. 상온에서 용액상에서 만들어진 이 고분자 반도체 박막은 열처리 후에 녹지 않는 특성을 지녔다. 여기에 그래핀 전극을 붙임으로써 통상 사용하는 금 전극에 비해 50배 이상 전자이동도를 향상시켜 고성능 양극성 유기 트랜지스터 회로를 구현하는데 성공했다. 이 회로는 물이나 에탄올, 아세톤과 같은 다양한 유기용매에 담가두어도 전기적 성능이 그대로 유지되는 등 화학적 내성이 강하여 고성능 가스센서로 응용될 수 있었다. 연구를 주도한 오준학 교수는 “이번 결과는 상용화된 공정에 적용 가능한 안정성이 높은 고분자 반도체 소재와 센서 회로 응용에 관한 것으로, 차세대 웨어러블 스마트기기 상용화를 앞당길 수 있는 원천 기술”이라고 의의를 설명했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부의 글로벌 프런티어 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다. 1. 포토리소그래피 마스크(Mask) 상에 설계된 패턴을 웨이퍼 상에 구현하는 공정. 원하는 회로설계를 유리판 위에 금속패턴으로 만들어 놓은 마스크(mask)라는 원판에 빛을 쬐어 생기는 그림자를 웨이퍼 상에 전사시켜 복사하는 기술이며, 반도체의 제조 공정에서 가장 중요한 공정. 2. 양극성고분자 반도체 정공과 전자를 모두 구동전하로 활용하는 고분자 반도체. 양극성 특성은 p-n 접합 및 상보회로 제조 등에 있어 제조 공정의 단순화 및 소자안정성 극대화의 장점을 가져올 수 있음.

화공 김동표 교수팀, 효율 높은 이산화탄소 동시 포집•전환시스템 개발

[액체-기체의 ‘계면흐름’으로 ‘온실가스’를 바로 자원으로 만든다.] 전 세계적으로 연간 10기가톤이나 발생하는 이산화탄소는 수많은 기상이변을 일으키는 지구온난화의 주범 ‘온실가스’로 더 잘 알려져 있다. 이산화탄소 배출을 줄이고자 하는 노력과 함께, 최근에는 이산화탄소를 이용해 에너지를 만드는 식물처럼 이산화탄소로 자원을 만들기 위한 기술이 활발하게 연구되고 있다. 하지만, 메탄올과 같은 화합물로 전환하는 기술은 상용화하기에는 지나치게 까다로운 조건을 요구했던 것도 사실이다. 화학공학과 김동표 교수팀은 기체와 액체의 층을 만들어 이들의 ‘흐름’을 이용해 보다 손쉬운 조건에서 높은 효율로 이산화탄소를 전환시킬 수 있는 화학공정을 개발하는데 성공했다. 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지를 통해 발표된 이 연구는 무엇보다 화력발전소에서 발생되는 가스를 바로 고부가가치 제품으로 전환할 수 있어 환경 문제 해결은 물론 이를 이용한 수익창출까지 기대할 수 있도록 하는 ‘일석이조’ 기술로서 관심을 모으고 있다. 연구팀은 물과 기름을 강하게 반발시키는 실리콘 나노와이어(나노선, nano wire) 구조체를 만들고, 상단에는 이산화탄소를 포집하는 용매 역할을 하면서 동시에 화학적으로 전환시키는 촉매를 고정시켰다. 이 구조체에 이산화탄소를 포함한 기체를 흘려보내면 액체가 구조체 위를, 기체는 구조체의 틈새를 흘러나가며 생기는 기체와 액체의 안정적인 ‘계면흐름’이 물질전달을 촉진시켜 전환반응이 잘 일어나게 된다. 액체와 기체의 계면에 고정된 촉매가 이산화탄소의 포집과 전환을 동시에 일어나게 하는 이 시스템은 보통의 기압과 상온에서도 81~97%의 반응수율이 나오는데다 전환 즉시 분리공정으로 연결해 원하는 생성물을 자동으로 분리해낼 수 있도록 하는 자동 공정 시스템을 구축한 것이어서 향후 이산화탄소를 이용한 자원 전환 기술의 실용화를 기대하게 한다. 연구팀은 이산화탄소를 포함한 천연가스를 이용한 실험에서 11%의 이산화탄소를 포집했고, 모은 이산화탄소 중 최대 97%를 의약품 원료물질로 전환하는데 성공했다. 이 연구를 주도한 김동표 교수는 “고농도 이산화탄소를 고부가가치를 가진 자원으로 만들어 낼뿐만 아니라, 이산화탄소가 혼합된 천연가스를 정제할 수 있어, 후속연구를 통해서 경쟁력이 떨어졌던 이산화탄소 기반 화학 분야에 한층 힘을 불어넣을 것으로 기대한다”고 의의를 밝혔다. 한편 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.

화학 김기문 교수팀, ‘단백질 낚시법’으로 고순도・고효율 단백질 정제

[초분자화학¹* 기반의 새로운 정제법... 신약개발, 약물기전 연구에 도움] 암과 같은 질병은 체내 단백질이 변형을 일으켜 생긴다. 질병을 치료하기 위한 원리와 발병 기작을 규명하기 위해서는 세포 내 존재하는 수많은 단백질 중 약물과 상호작용하는 특정 단백질을 선택적으로 얻는 과정이 필수적이다. 기존 단백질 정제법은 반응에 첨가되는 다량의 첨가물이 단백질 변성을 일으키거나 얻으려는 단백질 외 다른 단백질까지 추출되어 결과적으로 질병 진단과 치료의 정확도가 떨어지는 한계가 존재했다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문)은 분자 바구니 ‘쿠커비투릴(Cucurbit[n]urils)’²*을 이용해 특정 단백질만 고순도, 고효율로 얻을 수 있는 정제법을 개발했다. 기존 단백질 정제법 대비 이종 생물질 오염이 적고 제조, 사용, 보관이 용이하며 저렴하다. 향후 질병 기작 파악, 신약 개발, 약물 부작용 기전 연구에 유용하게 활용될 것으로 기대된다. 연구진이 활용한 쿠커비투릴은 속이 빈 호박 모양을 한 분자다. 쿠커비투릴은 작은 분자를 담을 수 있는 바구니 역할을 하는데, 화합물인 페로센³* 등 자기와 꼭 맞는 짝을 찾아 결합하는 특징을 갖고 있다. 연구진은 이러한 쿠커비투릴의 특징을 활용하여 미끼로 유인해 물고기를 잡는 낚시처럼 미끼 물질을 통해 특정 단백질을 얻는 ‘단백질 낚시법’을 새롭게 개발했다. 암의 일종인 피부T세포 림프종을 치료하는데 사용되는 사하(SAHA, Suberanilo-hydroxamic acid-ammonium-adamatane) 약물은 탈아세틸화효소에 선택적으로 상호작용해 병을 치료한다. 하지만, 아직도 이 약물의 작용 기작은 명확히 알려져 있지 않다. 연구진은 변형된 사하(SAHA) 약물을 탈아세틸화효소에 대한 미끼로 사용했다. 사하 미끼가 탈아세틸화효소와 결합하면 낚시 도구인 쿠커비투릴 수용체가 다시 이들과 결합하여 탈아세틸화효소를 농축한다. 이후 쿠커비투릴과 보다 강하게 결합하는 페로센 변형 화합물이 미끼인 사하 약물과 치환되면서 탈아세틸화효소만 남아 추출이 가능해지는 것이다. 이로써 초분자화학을 기반으로 탈아세틸화효소만 선택적으로 분리할 수 있음을 보였다. 또한 살아있는 세포 내에서도 모든 과정이 가능함을 증명했다. 김기문 단장은 “단백질 낚시법으로 사하 외 다른 약물을 분자 미끼로 이용한다면, 암을 비롯한 다양한 질병에 관여하는 단백질을 선택적으로 분리하고 분석할 수 있을 것이다”고 연구의 의의를 밝혔다. 또한 “단백질 낚시법은 기존의 주된 단백질 정제법과도 상호보완적으로 적용이 가능해 약물의 부작용을 낮추고, 신약을 개발하는 연구에 유용할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구결과는 화학분야의 세계적인 권위지인 안게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF 11.709) 2월 1일자 온라인판에 ‘주목할 만한 논문(hot paper)’으로 선정되었으며 2월 20일 논문으로 출판되었다. * 본 보도자료는 기초과학연구원(IBS)에서 작성 되었습니다. 1. 초분자화학(supramolecular chemistry) 분자와 분자 사이에 작용하는 수소결합, 정전기 상호작용, 소수성 결합 등 약한 힘을 이용해 형성한 분자 집합체를 초분자라고 부른다. 초분자형성에 대해 연구하는 화학의 한 분야이다. 2. 쿠커비투릴(Cucurbit[n]urils) 화합물인 페로센 혹은 아다만탄과 주인-손님 상호작용이라 불리는 비공유 결합을 한다. 이 결합은 비공유 결합임에도 매우 강력한데, 연구진은 이전연구에서 이 결합력이 자연계에서 가장 강한 결합쌍인 바이오틴(Bt)-스트렙타아비딘(SA) 결합력 이상임을 밝혀낸 바 있다. 3. 페로센(ferrocene) 매우 안정된 화합물로 쿠커비투릴과 주인-손님 상호작용에 의한 매우 강력한 결합을 한다는 것이 밝혀졌다.

화학 김성지 교수, 몸 속 깊은 곳에 숨은 암을 적외선으로 알려주는 퀀텀닷(양자점) 탐침 개발

[POSTECH-아산생명과학연구원 연구팀, 암 진단 양자점 탐침 개발] 최근 미세한 색 차이까지 정확하게 표현하는 등 뛰어난 화질로 프리미엄 TV에 활용되며 크게 주목을 모으고 있는 ‘퀀텀닷(quantum dot, 양자점)’은 형광을 내는 수십에서 수백 나노미터(nm) 크기의 반도체 결정을 의미한다. 이 퀀텀닷의 발광신호를 조절해 몸 속 깊은 곳의 암을 발견하면 적외선으로 알려주는 기술이 POSTECH-아산생명과학연구원 공동연구를 통해 개발됐다. 화학과 김성지 교수, 아산생명과학연구원 명승재 의생명연구소장 공동연구팀은 최근 퀀텀닷이 암을 발견하면 제2근적외선 발광신호로 알려주는 진단기술을 개발, 미국화학회(ACS)가 발간하는 ‘나노레터스(Nano Letters)’를 통해 발표했다. 퀀텀닷은 초고화질TV나 반도체, 태양전지 등에서 큰 주목을 모으고 있지만 의학계에서도 이를 조영제로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 밝은 적외선을 자유롭게 발광할 수 있는 성질 때문에 신경전달이나 줄기세포 분화, 암 전이 과정 등에 대한 정보를 손쉽게 얻을 수 있다는 장점 때문이다. 그러나 이러한 퀀텀닷의 발광신호를 선택적으로 조절하는 기술이 개발된 것은 이번이 처음이다. 연구팀은 퀀텀닷 표면의 유기물질과 퀀텀닷 사이의 빛을 유발하는 전자 이동을 이용, 제2근적외선 영역에서 빛을 내는 신호를 조절하는데 성공했다. 그리고 이 퀀텀닷과 암세포에서 과발현되는 유기물질을 펩타이드¹*로 연결, 평소에는 낮은 신호를 보이다가 암 조직 근처에서만 높은 발광신호를 보이는 퀀텀닷 프로브(probe)²*를 제작했다. 여기서 이용된 제2근적외선 영역은 기존의 근적외선 영역에 비해 생체조직에 의한 산란이 적게 일어나 이를 이용한 기술은 생체 깊숙한 곳의 생명 현상을 번짐 없이 관찰할 수 있는 기술로 각광받고 있는 기술이다. 연구의 1저자인 정상화 박사는 “수 센티미터(cm) 두께 이상의 조직 아래에서 일어나는 생명 현상을 확인하기 위해서는 제2근적외선 영역에서 활용할 수 있는 새로운 광학 프로브 개발이 필요하다”며 “이번 연구는 다른 단백질 효소나 생체 내 분자 농도를 검출할 수 있는 퀀텀닷 프로브의 개발로 이어질 것”이라고 전망을 밝혔다. 1. 펩타이드 아미노산이 한쪽 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이에서 물이 떨어져 나가고 차례로 연결해 사슬모양을 이룬채 화학결합한 것을 의미함. 2. 프로브(probe) 흔히 탐침으로 불리며 특정물질, 부위, 상태를 검출하는 물질을 통칭함. 항원, 항체반응의 결합을 이용, 특정한 항원을 검출하는 항체탐침이나 DNA 탐침 등이 있다.

생명 이승재 교수팀, RNA와 노화의 상관관계 규명

[RNA의 상태 관리가 장수에 필수적임을 최초로 밝혀내] 탱탱한 동안 피부를 위해서는 정기적인 피부 관리와 미용 시술이 필요하듯 늙지 않고 오래 살려면 우리 몸 속의 유전자도 관리가 필요하다고 한다. 유전정보전달물질인 RNA와 노화의 상관관계를 밝히는 새로운 연구결과가 나와 눈길을 끌고 있다. 생명과학과 이승재 교수와 박사과정 손희화씨, 서미화 박사는 기초과학연구원(IBS) 식물 노화·수명 연구단(단장 남홍길)과의 공동연구를 통해 RNA가 생명체의 노화에 관여하며, 체내의 RNA 상태를 최적화로 유지하기 위한 관리 작용이 수명 증가에 큰 영향을 미친다는 사실을 발견했다. RNA는 DNA, 단백질과 더불어 생명체의 유전정보 전달을 담당하고 있는 세 가지 중심물질 중 하나이다. 그간 많은 연구를 통해 노화가 진행되면 체내의 DNA와 단백질에 변이가 생기거나 기능이 저하된다는 사실이 널리 알려져 왔다. 반대로 DNA와 단백질의 상태가 나빠지면 병에 걸리거나 노화의 속도가 빨라지기도 한다. 이와는 달리 RNA의 경우 노화에 따라 상태가 변하는지 혹은 RNA가 노화 과정에서 어떠한 작용을 하는지에 대해서는 지금까지 알려진 바가 거의 없었다. 연구팀은 노화 연구에 널리 쓰이는 예쁜꼬마선충을 이용해 나이가 들수록 RNA가 손상되고, 따라서 RNA의 상태를 최상으로 유지하는 작용이 노화 방지에 반드시 필요한 일임을 밝혀냈다. RNA의 ‘품질 관리’는 NMD(nonsense-mediated mRNA decay)라 알려진 현상에 의해 이루어지는데, 기능이 떨어진 RNA나 비정상적으로 생성된 RNA를 분해하여 제거함으로써 세포 내 RNA상태가 일정하게 유지된다. 연구결과에 의하면 예쁜꼬마선충 중 건강하게 장수하는 돌연변이들은 노화가 진행되자 NMD작용이 활발해지면서 잘못된 RNA가 분해되어 사라지는 모습을 보였다. 연구팀은 특히 신경세포 안의 NMD 작용을 활성화하는 것이 수명 연장에 매우 중요하다는 결과를 얻었다. 이번 연구결과는 기존 연구에서는 알려진 바 없는 RNA의 품질 저하와 노화의 상관관계를 규명하고, RNA의 항상성을 유지하려는 작용이 장수의 비결이라는 사실을 밝혔다는 점에서 학계의 주목을 받았다. 더욱이 인간과 같은 고등동물도 NMD 작용을 가지고 있다는 사실로 보아, 향후 인간의 노화방지 및 수명 연장 연구에 적용될 수 있다는 가능성을 제시해 의미를 더했다. 이러한 성과를 인정받아 이번 공동연구는 세계적 권위를 지닌 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'지 최신호에 게재됐다. 논문 교신저자인 이 교수는 “생명체의 노화에 RNA의 역할을 증명해낸 것”이라며, “RNA의 품질을 잘 유지하는 것이 노화 방지에 필수적이란 사실을 처음으로 밝힌 이번 연구가 향후 노화와 수명조절에 중요한 실마리를 제공할 것으로 전망된다”고 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 보건복지부의 보건의료기술연구개발사업 및 POSCO의 Green Science Project, 기초과학연구원, 미래과학부의 지원으로 수행됐다.