Research

물리 염한웅, 김태환 교수 공동연구팀, 인공지능 시대 위한 신개념 '4진법' 연산소자 구현

기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단 염한웅 단장과 물리학과 김태환 교수 공동연구팀이 '0'과 '1'의 두 상태를 나타내는 '2진법 소자'를 넘어서 4진법 연산이 가능한 전자소자를 제안했다. 이를 활용하면 향후 두뇌 신경망을 구현한 인공지능 컴퓨터에 새로운 소자로 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 공동 연구팀은 초미세 인듐 원자선 안에서 전자처럼 움직이는 세 종류의 '카이럴 솔리톤'이 서로 연산을 할 수 있다는 사실을 처음으로 발견했다. 연구팀은 2015년 선행 연구를 통해 1나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ) 폭의 인듐 원자선에서 서로 다른 세 종류의 솔리톤(전자를 1개씩 안정적으로 전달하는 공간)을 발견하고, 이를 '카이럴 솔리톤'이라 명명한 바 있다. 원자선 내 세 종류의 솔리톤 안에는 각각 1개의 전자만을 가두고 있어, 방향성만 바꿔주면 전자를 1개씩 이동할 수 있다. 기존 도선 안에서 움직이는 전자는 한 번에 수십∼수백개씩 움직이기 때문에 전력 소모가 크고 효율이 낮았지만, 인듐 원자선을 이용해 하나의 전자로 정보를 처리하는 것이 가능하다. 연구팀은 이번 연구를 통해 세 종류의 카이럴 솔리톤이 서로 전환, 즉 연산이 가능하다는 사실을 밝혀냈다. 이 세 종류의 솔리톤이 존재하는 상태와 존재하지 않는 상태인 '0'을 조합하면 4진수 연산이 가능해 진다. 이 다진법을 이용하면 기존 2진수 연산밖에 할 수 없는 전자 소자에 비해 훨씬 방대한 양의 정보를 저장할 수 있을 뿐 아니라 정보처리(연산)까지 동시에 처리할 수 있어 기존 2진수 컴퓨터 성능을 훨씬 뛰어넘는 컴퓨터의 개발이 가능하다. 염한웅 단장은 “1차원 인듐 원자도선에서 다른 종류의 카이럴 솔리톤 간의 충돌을 통해 제3의 카이럴 솔리톤이 만들어질 수 있음을 실험적으로 보였다”며 “앞으로 더 다양한 위상학적 연산을 구현해, 카이럴 솔리톤을 이용한 정보전달 및 연산 소자를 구현할 계획”이라고 말했다. 이번 연구 결과는 과학학술지 '네이처 피직스'(Nature Physics) 온라인 판에 7일 게재됐다. * 본 보도자료는 기초과학연구원(IBS)에서 작성 되었습니다.

기계 이상준 교수 연구팀, 바다식물 '맹그로브' 뿌리 모방한 해수담수화 기술 개발

기계공학과 이상준 교수 연구팀이 바다 염생식물 뿌리의 메커니즘을 모방해 별도 후처리 공정이 필요없는 생체모방형 해수담수화 기술을 개발했다. 연구팀은 염분이 많은 해안지역에서 자라는 대표적인 염생식물인 맹그로브 뿌리를 생체모방해 실험한 결과, 96.5%의 염분 제거가 가능한 물 정화 성능을 보였다고 밝혔다. 이는 기존의 해수담수화 기술과 유사한 수준이다. 맹그로브 뿌리는 나트륨이온을 필터링할 수 있는 기능을 갖고 있어 해수 소금기 약 90%를 걸러내는 것으로 알려졌다. 하지만 이를 응용한 기존 해수담수화 방법은 에너지 비용이 많이 드는 데다 제3국가나 오지에 설치하기 어렵다는 한계가 있었다. 이에 연구팀은 인공적으로 제작한 PET 멤브레인(여과막)에 양전하와 음전하를 갖는 물질을 층층, 적층 방식으로 씌워서 맹그로브 뿌리와 유사한 정전기적 특성을 갖는 생체모방형 담수화 멤브레인을 제작했다. 연구팀은 이 멤브레인을 이용해 100밀리몰(mM)의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 필터링한 결과, 약 96.5%의 염분이 걸려졌다. 실험이 진행된 3일간 토출 유량(막을 통과해 나오는 유체 양)이 7.6리터(단위면적, 단위시간당, m2h)로 거의 일정하게 유지됐다. 이는 여과막에서 여러 가지 원인에 의해 막이 오염되거나 막히는 현상인 파울링으로 인한 유량 감소가 발생하지 않는다는 사실을 나타낸다. 또 이 멤브레인으로 필터링 횟수를 늘리면 실제 바닷물(약 310mM)도 토출 유량 2.3리터(단위면적, 단위시간당, m2h)로 담수화 시킬 수 있음을 확인했다. 이상준 교수는 “이번 연구는 막의 막힘, 높은 에너지 소비 등의 문제점들이 발생하지 않는 지속 가능한 해수담수화 기술을 구현한 것”이라며 “향후 해수 담수화를 통해 생활용수, 농업용수, 식수를 바닷물로부터 보다 효과적으로 얻을 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 또 “기존 해수담수화 기술 보다 제작과정이 간단하고 작은 규모의 설비로 구동이 가능해 개발도상국, 오지와 같은 작은 마을에서도 활용이 가능하다”고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 미래창조과학부・한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행되었으며, 국제 학술지 ACS Nano를 통해 발표됐다.

창의IT 백창기 교수팀, 차세대 초저전력 실리콘 기반 트랜지스터 개발

[코어-셸 나노선 구조와 터널링 방식의 동작 원리 통한 초저전력・고성능 트랜지스터 개발] 누구나 하나쯤은 가지고 있는 스마트폰이나 노트북, 태블릿PC등의 휴대용 전자기기를 더 오래 사용할 수 있도록 하는 차세대 초저전력 트랜지스터¹*가 개발됐다. 창의IT융합공학과 백창기 교수, 미래IT융합연구원 윤준식 박사, 김기현 박사 연구팀은 기존 학계에서 발표된 실리콘 나노선 터널링²* 트랜지스터보다 대기전력을 줄일 수 있으면서 최소 3배 이상 더 빠른 동작속도를 자랑하는 코어-셸³* 수직 실리콘 나노선 터널링 트랜지스터를 개발했다. 이 기술은 기존의 반도체 설비를 이용할 수 있어 제작 단가를 낮출 수 있을 뿐 아니라, 대량 생산도 가능할 것으로 기대된다. 전류나 전압흐름을 조절하는 신호 증폭, 스위치 역할을 하는 트랜지스터는 전자기기의 성능을 좌우하는 스마트폰의 AP나 노트북의 CPU 등에 들어가는 핵심 소자다. 그 중 터널링 트랜지스터는 기존 트랜지스터의 동작과 달리 얇은 에너지 장벽을 통과하는 터널링 방식으로 동작하기 때문에 전력 소모를 줄일 수 있다는 장점이 있어 많이 연구되어 왔다. 하지만 전자의 통과를 방해하는 높은 에너지 장벽과 제한된 터널링 면적으로 인한 작은 동작 전류로 성능을 향상시키기가 어렵다는 단점이 지적되어 왔다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 실리콘 터널링 트랜지스터를 기반으로 단순한 수직 나노선 대신 코어-셸 구조를 나노선에 도입하였다. 이를 통해 에너지 장벽을 효과적으로 제어하고 터널링 면적을 더 넓게해 휴대용 전자기기의 대기전력을 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 이번 연구로 차세대 저전력, 고성능 로직소자 기술을 개발했다는데 큰 의미가 있다고 설명했다. 특히, 이 기술은 국내 실리콘 반도체 공정 기술인 탑다운(Top-down) 방식을 그대로 적용할 수 있어 제작 단가를 낮추면서도 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 연구팀은 실리콘 소재를 기반으로 신기술개발과 산업화에 목표를 두고 지속적으로 연구하고 있다. 이번에 발표한 코어-셸 나노선 터널링 트랜지스터를 포함하여 에너지 변환 신기술인 나노선 태양전지(Solar cell) 및 열전소자(Thermoelectric device), 바이오 센서(Bio-sensor) 및 나노선 광소자(Photo-detector), 나노선 레이저(laser diode) 등 실리콘 나노선과 어레이 제작기술을 중심으로 한 다수의 원천특허를 보유하게 되어 향후 미래기술에 다양하게 접목시킬 수 있는 상용화 연구에 기반을 마련하게 됐다. 연구를 주도한 백창기 교수는 “실리콘 나노 원천 기술이 향후 국가경쟁력을 제고하는데 기여할 것”이라며 “기존 반도체 분야 뿐 아니라 신에너지, 미래자동차 및 의료·환경용 센서 등 다양한 미래 유망 신산업에 접목시킬 수 있다”고 말했다. 한편 이번 연구는 ‘네이처’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'지를 통해 발표됐다. 1. 터널링(Tunneling) 양자 역학에서 원자핵을 구성하는 핵자가 그것을 묶어 놓은 핵력의 포텐셜 장벽보다 낮은 에너지 상태에서도 확률적으로 원자 밖으로 튀어 나가는 현상 2. 트랜지스터(Transistor) 반도체를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소로서 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 한다. 3. 코어-셸(Core-shell) 나노선 중심부 및 중심부를 둘러싸는 주변부로 이루어진 나노 구조체

창의IT 정성준・화공 조길원 교수팀, 잉크젯프린터로 만든 3차원 유기반도체 회로 제작 성공

팔에 차는 스마트워치, 반지처럼 끼울 수 있는 스마트기기 등 웨어러블 스마트기기의 변신은 끝이 없다. 이런 스마트기기의 주요 부품인 트랜지스터를 가정에서도 쉽게 볼 수 있는 잉크젯프린터로 찍어낼 수 있게 된다면? 그 가능성을 연 기술이 POSTECH 연구팀을 통해 발표됐다. 창의IT융합공학과 박사과정 권지민씨, 정성준 교수, 화학공학과 조길원 교수 연구팀은 유기박막 트랜지스터의 회로를 인쇄공정을 통해 3차원으로 쌓고 이를 이용해 컴퓨터의 기본 연산단위 회로를 제작하는데 성공해 학계의 주목을 끌고 있다. 유기 박막 트랜지스터는 기판의 부드러운 유연성 때문에 스마트기기의 발달과 함께 끊임없이 연구되어온 분야다. 특히, 주로 사용되는 플라스틱 기판이 열이 가해지면 변형될 우려가 있어 인쇄방식을 이용해 저온에서도 제작할 수 있는 이 트랜지스터 개발에 대한 경쟁도 치열했다. 하지만, 이렇게 만들어진 전자회로는 기존의 실리콘 반도체에 비해 집적도가 낮아 복잡한 기능을 요구하는 기기에 활용하기는 어려웠다. 더욱이, 소자의 특성이 고르게 나타나지 않아 수율도 낮을 뿐 아니라, 물질이 산화되면서 오랜 기간 사용할 수 없다는 점 때문에 스마트워치와 같은 일반 기기에 활용하기 어렵다는 지적을 받아왔다. 연구팀은 잉크젯프린터로 여러 차례 인쇄하는 방식으로 회로를 수직으로 쌓아 3차원의 유기 박막 트랜지스터 회로를 만드는데 성공했다. 연구팀이 만든 이 소자는 소자의 특성이 일관되게 나타나고, 최대 8개월까지 정상적으로 동작할 수 있어 대량제작이나 상용화에도 적합한 것으로 알려졌다. 또, 이 트랜지스터를 이용해 컴퓨터의 기본 연산 단위 회로인 가산기(덧셈기)를 제작, 정상적으로 작동하는 것을 확인해 향후 상용화 가능성을 더욱 높였다. 저온에서, 간단한 인쇄공정 만으로도 트랜지스터를 제작할 수 있기 때문에 낮은 비용으로 고성능 웨어러블 기기를 만들어낼 수 있을 뿐 아니라, 연구팀이 개발한 3차원 집적방식은 웨어러블 기기나 컴퓨터, 바이오센서 등에 활용될 수 있을 것으로 전망되고 있다. 연구를 주도한 정성준 교수는 “이번 성과는 그간 상용화에 걸림돌이 되었던 유기박막 트랜지스터의 집적도 문제를 해결해 복잡한 성능을 필요로 하는 기기에도 활용할 수 있는 가능성을 보였다는 점에서 의의가 있다”며 “초박막 기판에 이를 적용하는 후속연구를 진행 중이며, 이 기술을 이용하면 몸에 붙일 수 있는 혁신적인 스마트 기기 제작도 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다. 미래창조과학부의 IT명품인재양성사업과 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단', X-프로젝트의 지원으로 이루어진 이 연구성과는 ACS Nano지의 표지논문으로 선정돼 발표됐으며, 세계적인 학술지 사이언스(Science)지를 통해 화제를 모았다.

화학 안교한 교수팀, 치매 발병여부와 진행경과 알려주는 생체표지 물질 발견

세계보건기구(WHO)의 전망에 따르면 2050년 세계 치매 인구는 현재의 3배를 넘어 무려 1억3500만명에 육박할 예정이다. 그 중 70~80% 가량이 알츠하이머 환자인데, 발병 원인이 정확히 밝혀지지 않은 알츠하이머 질환은 조기 진단을 통한 완화치료가 유일한 해결책으로 알려져 있다. 화학과 안교한 교수팀과 서울대 묵인희 교수팀이 이광자 현미경¹*을 이용한 생체 내 영상화(in vivo two-photon microscopy imaging)로 알츠하이머 질환 여부와 진행도를 나타내는 새로운 생체표지 물질 발견에 성공했다. 알츠하이머에 연관된 또 다른 물질은 모노아민 옥시데이즈(Monoamine Oxidase, 이하 MAO)라는 효소이다. 이 물질은 알츠하이머 질환과 밀접한 상관관계가 있는 것으로 추측되어 왔지만 기존의 단편적인 연구 결과로는 이 사실을 입증하기에 충분치 않았다. 베타아밀로이드는 물론이고 아직 잘 알려지지 않은 MAO를 기존의 생체 내 영상으로 관찰하기란 매우 까다로워, 뇌를 적출하여 효소의 양을 정량하거나 활성도 분석을 통한 체외 연구가 대부분이었기 때문이다. 안 교수와 공동연구팀은 이광자 현미경을 사용해 이런 문제를 해결했다. 투과력이 좋은 이광자 현미경은 살아있는 조직 내부에서 일어나는 현상을 오랫동안 실시간으로 관찰할 수 있고, 긴 파장을 이용해 빛의 손실 없이 초점 부위에 집중되어 뛰어난 고화질의 영상을 얻을 수 있다. 연구팀은 베타아밀로이드와 MAO를 감지할 수 있는 이광자 형광체를 개발, 진단에 적용하는 이광자 형광 프로브(probe, 탐침) 방식으로 알츠하이머와의 상관관계를 증명했다. 연구팀은 이 기법을 사용해 살아있는 쥐의 뇌 속에서 알츠하이머의 진행에 따라 MAO가 점차 활성화 되는 모습을 실시간으로 추적하는데 성공했다. 베타아밀로이드와 MAO를 동시에 관찰한 결과, 알츠하이머가 진행 될수록 아밀로이드 플라크²*가 늘어나고 그 주변에 MAO의 분포도 더욱 활발해 진다는 사실을 최초로 밝혀낸 것이다. 특히, 연구진에 의하면 알츠하이머 질환의 경과에 따라 MAO의 활성 또한 초기-활성화-포화의 세 단계로 진행된다는 것이 알려졌다. 이번 연구는 MAO가 알츠하이머의 발병 여부 뿐만 아니라 진행경과도 나타내는 ‘바이오 마커’로서 조기 진단에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 성과를 인정받아 연구팀의 결과는 미국화학학회(American Chemical Society)의 주요 학술지 중 화학, 의학, 생물 등 학제 간 연구 분야에서 주목할만한 중요한 연구 성과를 다루는 ‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’에 최근 게재되었다. 이 연구를 주도한 안교한 교수와 김도경 박사는 “이번 결과를 바탕으로 알츠하이머 진단을 위한 생체 표지 물질 연구와 관련 메커니즘의 규명, 나아가 치료제의 개발 등 관련 후속 연구가 더욱 활발해질 것으로 기대한다”고 이 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실과제, 뇌과학원천기술개발사업, 중견연구자지원사업의 지원 및 보건복지부, 캘리포니아주립대 선도 연구 장학 프로그램의 지원을 통해 수행됐다. [사진설명] 이광자 분자 프로브를 이용해 알츠하이머 질병을 유발시킨 살아있는 쥐의 뇌 속을 실시간 이광자 현미경으로 영상화한 자료임. 밝은 점들은 이 질병이 진행함에 따라 생성되는 아밀로이드 플라크이며, 나머지 배경은 분자 프로브가 모노아민 옥시데이즈 효소와 반응하여 생성된 화합물을 보여주고 있음. 이들 영역의 신호(형광 세기)를 분석 비교함으로써 두 인자 사이에는 매우 밀접한 상관관계가 있고, 질병이 진행될수록 모두 증가하는 것을 밝힘. [용어 설명] 1. 이광자 현미경(two-photon microscopy) 파장이 길고 에너지가 낮은 광자(photon) 두 개를 동시에 흡수하여 들뜬 상태에 도달한 후 방출하는 형광을 이용한 현미경으로 세포 및 생체 내의 생명현상을 분자수준으로 관찰할 수 있다. 2. 아밀로이드 플라크(amyloid plaque) 베타아밀로이드(beta-amyloid)의 축적으로 이루어진 끈적끈적한 단백질 덩어리. 뇌세포 사이의 의사소통을 차단해 알츠하이머의 주요 증상인 치매를 유발한다.

물리학과 이종봉 교수팀, 국제공동연구팀과 염기쌍 복구 단백질들의 상호작용 원리 네이처(Nature)지서 발표

[물리 이종봉 교수팀, DNA의 오류를 스스로 복원하는 원리 30여년 논쟁에 마침내 종지부를 찍다.] 또 하나의 생명의 신비가 밝혀졌다. 물리학과 이종봉 교수팀과 미국 오하이오 주립대 리차드 피셸 (Richard Fishel) 교수팀이 단백질 효소 간의 신호 전달로 DNA 염기쌍의 오류를 바로잡는 메커니즘을 밝히며 수십 년간 논란이 되어온 큰 난제를 풀어냈다. 인체의 유전정보를 담은 DNA는 세포분열 시 일어나는 복제 과정이나 일상생활 등에서 손쉽게 훼손되어 대장암과 같은 각종 질병의 원인이 된다. 다행히 우리 인체에는 손상된 유전정보를 스스로 인식하고 복원하는 단백질 효소들이 있는데 학계에선 이런 단백질 효소들 간의 상호작용과 생명의 신비라 할 수 있는 복구 메커니즘에 관해 수많은 주장과 논쟁이 이어져왔다. 공동연구팀은 개별 생체분자의 움직임을 나노미터의 정확도로 추적하는 단분자 이미징 기법으로 염기쌍 오류 복구 단백질 각각의 움직임을 실시간으로 관찰하여 염기쌍 오류를 수정하는 과정을 밝혀냈다. 이로써 염기쌍 오류 복원 시스템이 발견된 이래 지난 30여 년간 의견이 분분했던 논란에 종지부를 찍게 된 것이다. 이 성과는 세계 최고 권위의 과학전문지인 ‘네이처(Nature)’ 온라인판 (한국시간 17일)에 게재되었다. 연구팀이 발견한 바에 의하면, 염기쌍의 불일치 오류를 인식하고 신호를 보내는 센서 역할을 하는 MutS 단백질은 ATP¹와 결합을 한 후 매개체 역할을 하는 MutL 단백질을 불러들인다. 이 두 단백질의 복합체는 DNA상에서 결합과 분리를 반복하며 이동하게 되는데, 복합체일 경우에는 DNA 나선을 따라 느리게 움직이고 분리 된 상태에서는 매우 빠르게 무작위로 운동한다. 특이한 점은 이 단백질들의 움직임이 결합된 ATP의 가수분해² 에너지를 사용하지 않고, 잉크가 물에 퍼져나가는 것과 같이 DNA상에서 생체분자의 확산 운동에 의해 이루어진다는 점이다. 이렇게 확산운동을 하며 이동하는 이 두 단백질의 복합체에 또 다른 단백질효소인 MutH가 매개체 MutL에 결합하면서 신호 전달과 오류 복구의 시작 메커니즘이 완성된다. MutH는 오류 염기쌍으로부터 천여개 정도의 염기쌍만큼 떨어진 곳의 DNA 가닥을 잘라 염기쌍 오류 복구를 촉발하는 역할을 하는데, MutS-MutL-MutH 복합체가 DNA 나선 구조를 따라 이동하면서 적정 타깃을 찾아내는 것이다. 기존에는 MutH 혼자 타깃이 있는 위치로 이동하여 신호를 받은 후 DNA 가닥을 자르는 것으로 알려져 있었으나, 이번 연구를 통해 세 단백질이 결합 후 별도의 화학적 에너지 없이 물리적인 확산운동만을 통해 DNA 나선을 따라서 이동한다는 사실이 또한 새롭게 밝혀졌다. 이종봉 교수팀은 지난 2011년에도 MutS 단백질이 어떻게 염기쌍 오류를 감지하고 DNA상을 이동해 오류를 알리는지에 대한 연구로 ‘네이처(Nature)’의 자매지에 논문을 게재한 바 있다. 이번 연구는 선행 연구에 이어 MutS 단백질만이 아닌 오류 복구 시작에 관여하는 모든 단백질들에 대한 작동 메커니즘과 그들의 상호작용을 규명함으로써 DNA 염기쌍 오류 복구 시작에 대한 원리를 완벽히 설명한 것이다. 논문의 공동 교신저자로 이 연구를 주도한 이종봉 교수는 “이처럼 경이로운 생명현상의 원리를 명확히 이해하는 것은 학문적 성취일 뿐만 아니라 나아가 유전자 결함과 관련된 질병의 발생 원인을 알아내고 궁극적으로 질병 치료 방법을 찾는데 기여할 것으로 기대한다”고 이 연구의 의의를 밝혔다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(우수신진연구자지원사업)의 지원을 통해 수행됐다. 1. ATP [adenosine triphosphate] 아데노신에 인산기가 3개 달린 유기화합물로 아데노신3인산이라고도 한다. 모든 생물의 세포 내 존재하여 에너지 대사에 매우 중요한 역할을 함. 2. 가수분해 자연계의 화학반응 중에 물분자가 작용하여 일어나는 분해반응이다. 금속염이 물과 반응하여 산성 또는 알칼리성 물질이 되는 반응이나 사람의 소화기 내에서 음식이 소화되는 과정 등이 대표적인 가수분해이다.

화공 차형준 교수팀, 철 이온 결합에 따라 표면 접착력 변화되는 홍합 접착 메커니즘 규명

[바다 속 홍합이 표면에 붙을 수 있는 접착단백질 메커니즘 최초로 밝혀] 부러진 플라스틱 제품을 다시 붙이고 싶을 때 우리는 보통 본드를 포함한 다양한 접착제를 사용한다. 인체에 사용할 수 있는 생체접착제도 있는데 이는 찢어진 장기 접합과 같은 수술에 사용된다. 더 나아가 철 이온 결합에 따라 접착력을 스스로 조절할 수 있는 메커니즘이 밝혀져 향후 생체 접착 소재 활용에도 기대할 수 있을 전망이다. 차형준 교수 연구팀은, 바다의 홍합이 표면에 붙을 때, 도파-철 이온 결합과 수소 이온 농도 (pH)¹에 따라 홍합이 더 강하게 달라붙을 수 있다는 사실을 최초로 밝혀내었다. 홍합은 자체적으로 분비하는 여러 종류의 접착단백질 덕분에 바다 속 바위 표면에 붙어 부력에도 완강하게 버틸 수 있다. 이러한 홍합의 성질을 이용해 보다 안전하고 효과적인 생체접착제를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 홍합의 접착에는 도파(Dopa)²라는 아미노산의 역할이 중요하다. 그중에서도 도파와 철 이온이 결합할 때 구조와 특성을 원래대로 유지하려는 자가복원 특성을 가지고 있어 접착단백질이 더 잘 작용할 수 있도록 기여하는 것으로 알려져 있다. 하지만 실제 홍합 접착이 일어나는 면과 면 사이에서는 어떠한 역할이 이루어지는지 밝혀지지 않고 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해, 철 이온과 홍합의 접착에 큰 역할을 하는 도파를 접목 시킬 때 더 단단하게 뭉친다는 성질을 활용하여, 도파-철 이온 결합과 pH 정도에 따라 접착단백질들끼리 서로 뭉치려는 힘(응집력)과 표면에 붙으려는 힘(표면접착력)에 미치는 영향을 연구하였다. 접착을 위해서는 응집력과 표면접착력 모두가 중요하며, 초기에는 표면접착력이, 나중에는 응집력이 큰 영향을 미친다. 그 결과, pH가 높아지면 도파-철 이온 결합으로 접착력이 향상되어 더 강하게 달라붙는 것을 확인했다고 연구팀은 밝혔다. 즉, 실제 알려진 것처럼 홍합은 접착단백질을 분비하여 표면에 붙는 동안에는 낮은 pH 환경을 만들어 표면접착력을 좋게 유지하고, 이후에는 바닷물의 높은 pH에 맞춰 스스로 도파-철 이온결합을 통해 응집력을 좋게 함으로써 더 강하게 붙는다는 것이다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “이번 연구는 그동안 알려지지 않았던 접착 면에서의 도파-철 이온 결합 역할을 규명함으로써 홍합 접착 메커니즘을 이해하는 데 중요한 단서를 제공했다”며 “특히, pH에 반응하여 접착력을 조절할 수 있는 새로운 생체접착소재로서의 활용 가능성도 기대된다”고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 해양수산부가 추진하는 해양수산생명공학사업의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’의 지원을 받아 수행됐으며, 화학분야의 권위지인 ‘케미스트리 오브 머터리얼즈(Chemistry of Materials)’를 통해 발표되었다. 1. pH (pH value) pH는 물의 산성이나 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로서 수소 이온 농도의 지수이다. 2. 도파 (Dopa) 실제 홍합의 접착 메커니즘에 가장 큰 역할을 한다고 알려진 도파(Dopa)는 단백질을 구성하는 아미노산 중 하나인 타이로신(tyrosine)에 수산화기가 하나 더 붙은 형태의 아미노산이다.

기계 김동성 교수팀, 소금으로 친환경 초발수코팅제 개발

[기계 최동휘 박사 ・ 유재원 학생, 쉽고 빠르고 저렴한 초소수성 표면 제작공정 개발] 기계공학과 학부 4학년 유재원 학생이 김동성 교수와 최동휘 연구교수의 지도 아래 물을 흡수하지 않고 튕겨내는 초소수성 표면을 간단히 제작하는 방법을 개발했다. 연구팀은 우리 주변에서 손쉽게 접할 수 있는 소금과 물만을 활용한 친환경적인 방법을 이용해 복잡한 기존 공정의 한계를 극복했다. 소수성¹이 매우 강한 초소수성 표면의 대표적 사례는 진흙탕에서도 더럽혀지지 않는 연잎이다. 연잎은 미세한 돌기들로 덮여 있어 물이 스며들지 않고 동그랗게 뭉쳐 미끄러지는데, 이 과정에서 물방울이 표면에 붙은 오염물질을 닦아내며 항상 깨끗함을 유지한다. 이런 ‘연잎효과’를 본 딴 초소수성 표면은 음료를 쏟아도 손으로 털어내면 묻지 않는 옷이나 비가 오면 스스로 청소가 되는 건물의 외벽 등 실생활에서도 널리 응용될 수 있어 관련 연구가 활발히 진행되어 왔다. 자기세정 뿐만 아니라 산화방지능력이 뛰어나고 눈이나 서리 맺힘을 막을 수 있어 자동차와 섬유, 건설 등 다양한 산업 분야에서 파급효과가 기대되는 기술이다. 다만, 기존의 제작 방법으로는 고가의 장비를 이용하거나 독한 화학약품처리를 거쳐야 해 복잡한 공정 과정이 단점으로 지적되어 왔다. 물을 튕겨낼 수 있도록 낮은 표면에너지를 가진 물질 표면에 연잎 돌기처럼 마이크로와 나노크기를 번갈아 지닌 울퉁불퉁한 구조를 성형하는 과정이 까다로운 탓이다. 반면 연구팀의 기술은 소금을 이용해 환경 친화적이며, 비싼 장비나 복잡한 공정 없이 쉽고 빠르게 발수 코팅이 가능해 눈길을 끌고 있다. 김 교수팀은 표면에너지가 낮은 액상 실리콘, 폴리디메틸실록산(PDMS)의 표면 위에 소금을 뿌려 굳힌 후 물에 담가 녹여내어 소금이 있던 자리에 다양한 입자크기의 구조를 남기는 염용해식각법을 사용했다. 이 방법은 간편함은 물론, 큰 면적이나 3차원곡면의 기판 위에도 원하는 형상으로 초소수성 표면을 구현할 수 있어 활용 가능성이 매우 높다. 이러한 우수성을 인정받아 연구팀의 성과는 최근 관련 분야 상위 10% 내의 SCI급 국제저널인 ‘어플라이드 서피스 사이언스(Applied Surface Science)’에 게재 되었다. 특히, 학부 4학년인 유재원 씨가 학부생 연구참여 프로그램을 통해 얻은 결과로 연구교수인 최동휘 박사와 함께 공동1저자로서 논문에 참여했다는 점에서 주목을 받았다. 최동휘 박사와 유재원 씨의 지도교수인 김동성 교수는 “염용해식각법은 환경 친화적이며 비싼 장비나 복잡한 공정 없이도 곡면 등에 원하는 형상으로 초소수성 표면 제작이 가능해 다양하게 활용할 수 있다”고 의의를 밝혔다. 또, “학부생이 연구교수와 같이 좋은 연구를 수행하고 결과를 낸 것이 고무적이다”며 연구를 지도한 최 박사와 유 씨의 가능성을 높이 평가했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업)의 지원을 통해 수행됐다. 1. 소수성(hydrophobic) 물과 친하지 않은 성질

창의 김철홍 교수팀, 혈관수술 등 미세수술 적용 가능한 영상 시스템 기술 개발

[창의 김철홍 교수팀, 광음향 및 광간섭 두 가지 영상기술을 수술용 현미경과 결합한 영상 시스템 개발.. 영상 속도 개선한 광음향 현미경 개발에도 성공해] 녹내장이나 백내장과 같은 안과수술, 미세혈관수술, 신경수술과 같은 미세수술에 활용되는 수술용현미경은 이비인후과 수술에 사용된 이래 많은 수술에 활용되어 왔다. 하지만 이 현미경은 환부의 표면을 확대한 영상만 볼 수 있다는 한계가 있었다. 이런 영상을 확대영상 뿐만 아니라 암이나 혈관의 위치 같은 생체정보를 실시간으로 볼 수 있는 새로운 시스템이 김철홍 교수 연구팀에 의해 개발됐다. 김철홍 교수 연구팀은 광음향*¹과 광간섭 영상기술*²을 수술용 현미경과 결합하고 증강현실을 적용해 보다 정밀한 수술을 할 수 있게 돕는 수술용 광음향․광간섭 영상시스템을 개발, Nature의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’를 통해 발표했다. 이 기술을 이용하면 수술을 하는 의사에게 환부의 확대영상을 보여 줄 수 있을 뿐 아니라 표면 아래에 있는 암이나 혈관의 위치, 조직 구조 같은 생체정보를 실시간으로 제공할 수 있게 된다. 또 이 광음향과 광간섭을 통해 촬영한 영상을 현미경 렌즈에 바로 제공해, 의사가 굳이 모니터로 시선을 옮기지 않고도 두 가지 영상을 한꺼번에 볼 수 있어 더욱 정확한 수술이 가능하다. 연구팀은 이 시스템을 이용해 살아있는 쥐의 다리에 있는 피부암 절제술과 암 주위에 바늘을 삽입, 약물을 전달하는 실험을 진행해 향후 실용성을 검증했다. 연구를 주도한 김철홍 교수는 “이번 기술은 실제 수술에서 바로 적용할 수 있어 앞으로 안과수술이나 미세혈관 수술과 같은 미세수술에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이와 함께 범용적으로 널리 쓰이는 갈바노미터(galvanometer)를 비전도성 액체 속에서 작동시키는 간단한 방법으로 기존의 느린 영상 속도를 빠르게 개선한 광음향 현미경도 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’를 통해 발표했다. 갈바노미터는 흔히 쓰이는 일종의 모터인데 연구팀은 이를 액체 속에서 작동 시키는데 성공하였고 이를 통해 높은 감도를 유지하면서 영상 속도를 향상시켰다. 기존의 광음향 현미경이 널리 상용화 되지 못한 이유 중 하나가 느린 영상 속도였는데 이 문제를 해결함으로서 향후 보급에 유리해졌다는 것이 연구팀의 설명이다. 이 기술을 이용한 광음향 현미경(Optical-resolution photoacoustic microscopy, OR-PAM)은 초음파영상과 광학영상의 장점을 모두 가지는 미세영상 촬영 기술로 생체내부의 미세혈관에서부터 적혈구까지 넓은 범위에서의 해부학적, 기능적, 분자정보를 제공해준다. 1. 광음향 (photoacoustic) 번개가 치면 천둥소리가 들려오는 현상과 마찬가지로 물질이 빛을 흡수하면 광(光)에너지가 열로 변하는 단계에서 기체에 음파가 발생하는 현상 * 광음향 영상 (photoacoustic imaging) 빛을 받으면 열이 발생되는 광음향소재를 조영제로 이용하여 부작용 없이 생체조직을 의료영상 촬영하는 기술이다. 2. 광간섭 단층촬영 장치 (optical coherence tomography; OCT) 광의 간섭 현상과 공초첨 현미경 원리를 조합하여 생체조직 내부의 미세 구조를 영상화할 수 있는 높은 분해능을 가진 영상 진단 기기

'원자시계’처럼 정밀하게 표면 플라즈몬 제어한다.

[ 김동언교수팀, 표면 플라즈몬 제어기술 개발 ] 원자가 복사하거나 흡수하는 에너지의 주기가 일정한 것을 이용해 만드는 현존하는 가장 정밀한 시계 ‘원자시계’. 김동언교수팀이 광학기술에 활용되고 있는 표면 플라즈몬을 레이저로 이 시계처럼 정밀하게 제어할 수 있는 현상을 확인하고, 이를 규명하는데 성공했다. 막스플랑크 한국-포스텍 연구소 김동언 교수팀은 레이저로 표면 플라즈몬을 유도하고 이 현상이 원자시계와 마찬가지로 정밀하게 움직이며 제어할 수 있다는 사실을 관찰했다. 금속에 레이저 빛을 조사(助射)하면 금속 위의 전자가 일정한 진동수로 진동하게 된다. 이를 표면 플라즈몬이라고 부르며, 표면 플라즈몬이 일어나면 진동수에 의해 특정한 에너지를 가지게 되는데 이 에너지와 파장이 일치하는 빛과만 상호작용한다는 특성이 있다. 이런 특성을 이용해 표면 플라즈몬은 광학 필터나 디스플레이, 리소그래피, 바이오 센서 등 다양한 나노‧바이오 광학기술에 활용되어 왔다. 최근에는 이 현상을 전자(電子)를 ‘찰나’의 시간으로 알려진 아토초 영역의 시간과 나노미터 크기의 공간에서 제어하는 초고속 광학연구에 활용하고 있지만, 이 표면 플라즈몬이 레이저 주파수에서는 얼마나 정확하게 움직이는지에 대해선 규명된 바가 없었다. 연구팀은 수천 개의 금속 나노구멍을 일정한 간격으로 배열한 구조를 만들고, 극고속 레이저광을 쐬어 표면 플라즈몬현상을 유도한 다음, 방출되는 광 주파수를 분석, 레이저 빛이 표면 플라즈몬으로 바뀌는 과장에서 광 주파수가 왜곡되지 않는다는 사실을 확인했다. 다시 말해, 표면 플라즈몬을 ‘원자시계’에 활용되는 레이저 빛 주파수의 높은 정밀도로 제어할 수 있다는 사실을 규명해낸 것이다. 이 실험을 주도한 막스플랑크 한국-포스텍 연구소 김승철 주니어그룹 리더는 “표면 플라즈몬을 아주 정밀하게 제어할 수 있다는 사실을 밝혀냄으로써, 앞으로 초고속 광학에서의 전자 제어 기술에 응용할 수 있으며, 초정밀 고속 분광기술이나 표면 플라즈몬을 이용한 바이오 센서 기술로도 발전시킬 수 있을 것”이라고 밝혔다. 한편, 이 성과는 네이처가 출판하는 네이처 커뮤니케이션즈지를 통해 게재됐다.