Research

이정수 교수팀, 벌집모양 응용해 ‘조류독감’ 찾는 나노 그물망 개발

전자 이정수 교수팀, 美 NASA와 국제공동연구 성과 최근 자주 발생하면서 토착화 우려를 낳고 있는 ‘조류독감’을 보다 빠르고 정확하게 진단해낼 수 있는 3차원 나노 그물망이 POSTECH(포항공과대학교)과 미국 NASA 연구팀을 통해 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 전자전기공학과 이정수 교수와 박사과정 김기현씨 연구팀은 NASA 연구팀과 함께 나노선 센서에 벌집모양의 3차원 부유 그물망 구조를 적용, 기존의 직선형 센서에 비해 정확하게 검출해낼 수 있는 새로운 구조의 나노선 바이오센서를 개발했다. 이와 같은 3차원 부유 구조는 직선으로 되어 있는 다른 센서와 달리 주변 기판의 불순물 등의 영향을 크게 받지 않아 감도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있지만 높이가 길이에 비해 너무 높기 때문에 나노선이 쓰러지거나 서로 달라붙는 현상이 일어나 구조물 제작에 어려움을 겪었다. 연구팀은 Y자가 반복되는 벌집모양을 응용, SOI*1 웨이퍼 위에 30나노미터(nm) 너비를 갖는 3차원 부유 그물망을 만들었으며, 이 구조는 안정성을 향상시키는 한편 직선구조에 비해 넓은 표면적을 가질 수 있는 구조라고 밝혔다. 이와 함께 연구팀은 개발된 소자로 전기적 특성과 수소 이온 검출 실험을 수행, 고감도 바이오 센서로 응용할 수 있는 가능성을 입증하기도 했다. 연구를 주도한 이정수 교수는 “벌집 모양의 구조를 응용, 안정적인 고감도 3차원 나노센서를 만드는 것이 핵심 기술”이라며 “이 기술은 질병 진단 등 의료 분야부터 환경이나 식품 등에 필요한 센서에 다양하게 응용이 가능하며 이번 연구를 바탕으로 질병이나 유해물질을 더욱 빠르고 정확하게 진단해낼 수 있는 제품을 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 연구팀은 이 연구결과를 바탕으로 조류독감 진단 센서와 심장병 조기 진단 센서 등에 응용하는 연구를 실행할 예정이다. 한편 이번 연구는 영국물리학회(Institute of Physics)가 발간하는 ‘나노테크놀로지(Nanotechnology)’를 통해 발표되었으며 주목받는 논문(Featured Article)과 표지논문으로 선정되며 학계로부터 큰 기대를 모으고 있다. 1. SOI (Silicon-on-Insulator) 실리콘 기판 위에 절연막과 실리콘 층을 더 쌓아 만든 샌드위치 구조로, 이 기술을 이용하면 아주 작은 집적회로를 만들 수 있다. 흔히 SOI라는 약어로 불린다.

이종람 교수팀, 나노 패턴이 형성된 ‘투명전극’으로 휘어지는 태양전지 만든다

이종람교수팀, 광 투과도와 전기 전도도 향상 기술 개발 입는 컴퓨터나 손목시계처럼 두를 수 있는 스마트 기기 등 웨어러블(wearable)기기가 각광을 받음에 따라 이에 적용할 수 있는 다양한 소자들이나 태양전지에 대한 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있다. 특히 무게가 가볍고 유연성이 좋은 유기태양전지는 간편하게 충전하면서 사용할 수 있는 새로운 기기에 적용될 것으로 기대를 모으고 있다. POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 이종람 교수․박사과정 함주영씨 연구팀은 이처럼 휘어지는 태양전지에 적용할 수 있는 투명전극 기술을 개발했다. 스탬프에 찍어내는 것처럼 간단한 공정을 이용한 이 기술은 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’지 10월호 표지논문으로 선정돼 학계의 주목을 끌었다. 현재 유기태양전지에 사용되는 투명전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어지고 있는데 이 물질은 저항이나 투과도면에서 다른 소재에 비해 우수하지만, 제조 시에 300℃가 넘는 온도를 필요로 하고, 구부리기도 쉽지 않아 휘어지는 전지에 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있었다. 연구팀은 고분자의 유연성을 이용해 휘어지도록 할 뿐 아니라 도장 찍듯이 찍어내는 나노임프린트(nanoimprint) 기술을 이용해 나노패턴을 고분자에 형성시켜 광 산란을 극대화하는 방법을 이 투명전극에 활용했다. 이와 함께 고분자 층에 금속박막을 만들 때 일어나는 광흡수현상이 고분자와 금속의 경계면에서 일어나는 플라즈몬 현상에 의해 발생되며, 고분자 층의 표면에너지를 증가시킴으로써 플라즈몬 발생을 억제할 수 있음을 포항방사광가속기를 통해 규명하였다. 그 결과 8nm에 불과한 아주 얇은 금속박막 두께에서도 기존에 사용되던 170nm의 인듐 주석 산화물(ITO)전극보다 우수한 전기 전도도를 얻는데 성공했다. 연구팀은 이 전극을 이용해 유기 태양전지를 제작한 결과 기존 보다 광전류 밀도를 17% 이상 향상시키는데 성공, ITO를 대체하는 다른 전극을 사용한 유기태양전지 가운데 가장 우수한 결과로 평가받기도 했다. 연구를 주도한 이종람 교수는 “유기태양전지는 물론 휘어지거나 접을 수 있는 소자에 적용 가능한 기술로,잘 구부러지거나 몸에 입을 수 있는 전자기기의 상용화를 앞당기는데 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

POSTECH 박찬언 교수-영남대, 유기박막트랜지스터 안정시킬 ‘벽’ 찾았다

유기박막트랜지스터 구동안정성 원리 규명도 한 쪽으로 살짝 구부러진 화면의 스마트폰, 손목에 감을 수 있는 화면을 가진 새로운 스마트기기 등에 활용되는 유기박막트랜지스터는 필수적인 부품임에도 불구하고, 장기간 사용 시 성능이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 이러한 불안정한 부품을 안정시킬 수 있는 ‘벽’을 국내 연구팀이 찾아냈다. POSTECH 화학공학과 박찬언 특임교수․통합과정 김지예씨, 영남대 나노메디컬유기재료공학과 김세현 교수팀은 플렉서블․웨어러블 디스플레이용 유기박막 트랜지스터의 구동안정성 저하의 발생 원인을 규명하고 보다 안정적인 트랜지스터를 개발하는데 성공했다. 재료분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 최신호 표지논문으로 게재된 이 성과는 기존의 유기박막트랜지스터를 장기간 사용했을 때 일어나는 바이어스 스트레스 영향(bias-stress effect)의 메커니즘을 물리화학적으로 규명해 최근 특히 많이 개발되고 있는 플렉서블․웨어러블 디스플레이나 RFID, 스마트 카드 등 여러 기술의 개선을 기대할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 유기박막트랜지스터는 다른 기술과 달리 저온에서 생산할 수 있으며 가볍고 구부리거나 휘어진다는 특성 때문에 다양한 유기전자기기의 핵심 소자로 주목을 모아왔다. 하지만, 안정성이 낮아 상용화의 필수 조건 중 하나인 장시간 구동에 한계를 가지고 있었다. 더욱이 이에 대한 원인도 정확하게 밝혀지지 않은 상태다. 연구팀은 전압에 의해 발생하는 고정전하와 안정성의 연관성에 주목, 트랜지스터 내에 있는 반도체와 절연막의 경계에 에너지로 되어 있는 장벽이 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 전압을 트랜지스터에 가하면 반도체의 전하가 전압에 의해 이 에너지 장벽을 넘어가면서 구동 전류가 감소해 안정성이 떨어진다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구팀은 이 결과를 바탕으로 절연막의 표면을 바꿔 에너지를 높임으로써, 전하가 에너지로 만들어진 이 장벽을 넘어갈 수 없도록 조절했으며 이를 이용, 오랜 시간 사용해도 안정적인 유기박막트랜지스터를 개발하는데 성공했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업․신진연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

POSTECH-영남대, 유기박막트랜지스터 안정시킬 ‘벽’ 찾았다

유기박막트랜지스터 구동안정성 원리 규명도 한 쪽으로 살짝 구부러진 화면의 스마트폰, 손목에 감을 수 있는 화면을 가진 새로운 스마트기기 등에 활용되는 유기박막트랜지스터는 필수적인 부품임에도 불구하고, 장기간 사용 시 성능이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 이러한 불안정한 부품을 안정시킬 수 있는 ‘벽’을 국내 연구팀이 찾아냈다. POSTECH 화학공학과 박찬언 특임교수․통합과정 김지예씨, 영남대 나노메디컬유기재료공학과 김세현 교수팀은 플렉서블․웨어러블 디스플레이용 유기박막 트랜지스터의 구동안정성 저하의 발생 원인을 규명하고 보다 안정적인 트랜지스터를 개발하는데 성공했다. 재료분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials) 최신호 표지논문으로 게재된 이 성과는 기존의 유기박막트랜지스터를 장기간 사용했을 때 일어나는 바이어스 스트레스 영향(bias-stress effect)의 메커니즘을 물리화학적으로 규명해 최근 특히 많이 개발되고 있는 플렉서블․웨어러블 디스플레이나 RFID, 스마트 카드 등 여러 기술의 개선을 기대할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 유기박막트랜지스터는 다른 기술과 달리 저온에서 생산할 수 있으며 가볍고 구부리거나 휘어진다는 특성 때문에 다양한 유기전자기기의 핵심 소자로 주목을 모아왔다. 하지만, 안정성이 낮아 상용화의 필수 조건 중 하나인 장시간 구동에 한계를 가지고 있었다. 더욱이 이에 대한 원인도 정확하게 밝혀지지 않은 상태다. 연구팀은 전압에 의해 발생하는 고정전하와 안정성의 연관성에 주목, 트랜지스터 내에 있는 반도체와 절연막의 경계에 에너지로 되어 있는 장벽이 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 전압을 트랜지스터에 가하면 반도체의 전하가 전압에 의해 이 에너지 장벽을 넘어가면서 구동 전류가 감소해 안정성이 떨어진다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구팀은 이 결과를 바탕으로 절연막의 표면을 바꿔 에너지를 높임으로써, 전하가 에너지로 만들어진 이 장벽을 넘어갈 수 없도록 조절했으며 이를 이용, 오랜 시간 사용해도 안정적인 유기박막트랜지스터를 개발하는데 성공했다. 한편, 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업․신진연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

POSTECH, 나노 패턴이 형성된 ‘투명전극’으로 휘어지는 태양전지 만든다

이종람교수팀, 광 투과도와 전기 전도도 향상 기술 개발 입는 컴퓨터나 손목시계처럼 두를 수 있는 스마트 기기 등 웨어러블(wearable)기기가 각광을 받음에 따라 이에 적용할 수 있는 다양한 소자들이나 태양전지에 대한 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있다. 특히 무게가 가볍고 유연성이 좋은 유기태양전지는 간편하게 충전하면서 사용할 수 있는 새로운 기기에 적용될 것으로 기대를 모으고 있다. POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 이종람 교수․박사과정 함주영씨 연구팀은 이처럼 휘어지는 태양전지에 적용할 수 있는 투명전극 기술을 개발했다. 스탬프에 찍어내는 것처럼 간단한 공정을 이용한 이 기술은 재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’지 10월호 표지논문으로 선정돼 학계의 주목을 끌었다. 현재 유기태양전지에 사용되는 투명전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 만들어지고 있는데 이 물질은 저항이나 투과도면에서 다른 소재에 비해 우수하지만, 제조 시에 300℃가 넘는 온도를 필요로 하고, 구부리기도 쉽지 않아 휘어지는 전지에 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있었다. 연구팀은 고분자의 유연성을 이용해 휘어지도록 할 뿐 아니라 도장 찍듯이 찍어내는 나노임프린트(nanoimprint) 기술을 이용해 나노패턴을 고분자에 형성시켜 광 산란을 극대화하는 방법을 이 투명전극에 활용했다. 이와 함께 고분자 층에 금속박막을 만들 때 일어나는 광흡수현상이 고분자와 금속의 경계면에서 일어나는 플라즈몬 현상에 의해 발생되며, 고분자 층의 표면에너지를 증가시킴으로써 플라즈몬 발생을 억제할 수 있음을 포항방사광가속기를 통해 규명하였다. 그 결과 8nm에 불과한 아주 얇은 금속박막 두께에서도 기존에 사용되던 170nm의 인듐 주석 산화물(ITO)전극보다 우수한 전기 전도도를 얻는데 성공했다. 연구팀은 이 전극을 이용해 유기 태양전지를 제작한 결과 기존 보다 광전류 밀도를 17% 이상 향상시키는데 성공, ITO를 대체하는 다른 전극을 사용한 유기태양전지 가운데 가장 우수한 결과로 평가받기도 했다. 연구를 주도한 이종람 교수는 “유기태양전지는 물론 휘어지거나 접을 수 있는 소자에 적용 가능한 기술로,잘 구부러지거나 몸에 입을 수 있는 전자기기의 상용화를 앞당기는데 중요한 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

3D프린터로 함몰된 광대뼈 완벽 재생

- 포스텍-서울성모병원-․티엔알바이오펩 공동 연구 ‘결실’ - 얼굴모양 완벽 복원 성공, 1년 뒤면 실제 뼈 재생 기대 3D프린팅 기술로 만든 특수 인공구조물의 인체 이식을 통해 실제 뼈로 재생되도록 하는 프로젝트가 국내 연구진에 의해 성공리에 수행되었다. 포스텍 기계공학과 조동우 교수 연구팀은 서울 성모병원 성형외과 이종원 교수, 티엔알바이오펩(주) 윤원수 박사와의 공동 연구를 통해 눈을 지탱하고 있는 안면골의 뼈가 심하게 함몰되고 복원 성장이 더딘 환자를 대상으로 실제 정상 부분(환자의 왼쪽 안면)과 일치하는 구조물을 3D프린터로 제작, 인체에 이식하는데 성공했다. 이 보형물의 재료는 몸 안에서 안전하게 분해되고 뼈 재생을 촉진하는 특수 원료로서, 서서히 녹으면서 실제 뼈가 자라며 바뀌게 된다. 조동우 교수 연구팀은 환자 CT 사진을 정밀 분석해 핵심기술인 3D프린터를 이용해 재생용 구조체의 디자인을 맞춤형으로 완벽히 설계하고 재현해 내었다. 또, 인체 이식용 구조물 재료로서의 안전성이 보장되는 제작을 위해 티엔알바이오펩의 도움을 받았다. 이 환자는 서울성모병원에서 수술 후 외형상으로 정상적인 눈 위치를 회복했음은 물론 실생활에 불편함 없이 정상적인 생활이 바로 가능하였다. 앞으로 환자 몸에서 완벽히 재생하는 기간은 1년 정도로 연구진은 예상하고 있다. 3D프린팅을 이용한 인공기관이나 재생용 구조체 제작 연구는 지금까지 여러 나라에서 활발히 진행되어 왔으나, 실제 사람에게 이식한 사례는 단 몇 건에 불과할 뿐이고 이처럼 외모 향상을 위해 섬세한 형상을 요구하는 3D프린터를 이용한 수술은 세계 최초라 할 수 있다. 지난 9월초 진행된 이 수술 프로젝트가 1년여 후 완벽히 성공한 것으로 입증되면, 3D프린트의 의료기술 활용에 있어 핵심 관건인 맞춤형 제작 및 조직 재생을 현실화 하는 전기를 마련하게 되는 셈이다. 즉, 기존 환자의 늑골 채취와 같은 추가적 수술 요구나 수공 가공, 성형 등 전적으로 의사의 감각에 의존하던 치료방식을 탈피, 정교한 형상 복원 뿐만 아니라 손상 부위를 자기 조직으로 재생시키는 맞춤형 의료행위가 가능해지는 것이다. 공동 연구팀은 “환자 상태를 지속적으로 살핀 후 학계에 공식 보고할 예정”이라며, “지금까지 SF영화에서나 보던 상상속의 이야기인 의료용 3D프린트 기술의 상용화와 보편화를 가속화 하며, 국제 경쟁력을 확보할 수 있게 될 것이다”고 말했다.

POSTECH, 벌집모양 응용해 ‘조류독감’ 찾는 나노 그물망 개발

전자 이정수 교수팀, 美 NASA와 국제공동연구 성과 최근 자주 발생하면서 토착화 우려를 낳고 있는 ‘조류독감’을 보다 빠르고 정확하게 진단해낼 수 있는 3차원 나노 그물망이 POSTECH(포항공과대학교)과 미국 NASA 연구팀을 통해 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 전자전기공학과 이정수 교수와 박사과정 김기현씨 연구팀은 NASA 연구팀과 함께 나노선 센서에 벌집모양의 3차원 부유 그물망 구조를 적용, 기존의 직선형 센서에 비해 정확하게 검출해낼 수 있는 새로운 구조의 나노선 바이오센서를 개발했다. 이와 같은 3차원 부유 구조는 직선으로 되어 있는 다른 센서와 달리 주변 기판의 불순물 등의 영향을 크게 받지 않아 감도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있지만 높이가 길이에 비해 너무 높기 때문에 나노선이 쓰러지거나 서로 달라붙는 현상이 일어나 구조물 제작에 어려움을 겪었다. 연구팀은 Y자가 반복되는 벌집모양을 응용, SOI*1 웨이퍼 위에 30나노미터(nm) 너비를 갖는 3차원 부유 그물망을 만들었으며, 이 구조는 안정성을 향상시키는 한편 직선구조에 비해 넓은 표면적을 가질 수 있는 구조라고 밝혔다. 이와 함께 연구팀은 개발된 소자로 전기적 특성과 수소 이온 검출 실험을 수행, 고감도 바이오 센서로 응용할 수 있는 가능성을 입증하기도 했다. 연구를 주도한 이정수 교수는 “벌집 모양의 구조를 응용, 안정적인 고감도 3차원 나노센서를 만드는 것이 핵심 기술”이라며 “이 기술은 질병 진단 등 의료 분야부터 환경이나 식품 등에 필요한 센서에 다양하게 응용이 가능하며 이번 연구를 바탕으로 질병이나 유해물질을 더욱 빠르고 정확하게 진단해낼 수 있는 제품을 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 연구팀은 이 연구결과를 바탕으로 조류독감 진단 센서와 심장병 조기 진단 센서 등에 응용하는 연구를 실행할 예정이다. 한편 이번 연구는 영국물리학회(Institute of Physics)가 발간하는 ‘나노테크놀로지(Nanotechnology)’를 통해 발표되었으며 주목받는 논문(Featured Article)과 표지논문으로 선정되며 학계로부터 큰 기대를 모으고 있다. 1. SOI (Silicon-on-Insulator) 실리콘 기판 위에 절연막과 실리콘 층을 더 쌓아 만든 샌드위치 구조로, 이 기술을 이용하면 아주 작은 집적회로를 만들 수 있다. 흔히 SOI라는 약어로 불린다.

물 (H2O)로부터 수소 (H2)에너지 생산기술

청정에너지 수소를 태양광/물을 원료로 생산, 미래 에너지 문제 해결 기대 국내 연구진이 햇빛 (태양광에너지)*을 활용하여 물을 분해할 수 있는 신규 나노소재를 개발했다.물을 분해하면 수소**와 산소가 생산이 가능한데 수소는 차세대 에너지중 가장 청정한 에너지로 각광받고 있어 미래 인류의 에너지 문제를 해결 할 수 있는 핵심 원천 기술이 될 것으로 기대된다. * 태양광에너지: 태양으로부터 매일 지구로 125,000 테라와트의 광에너지가 유입됨. 이는 매일 지구에 있는 전 인류가 소비하는 에너지의 약 만배에 해당하는 막대한 에너지임. ** 수소: 휘발류 및 경유와 유사하게 에너지원으로 사용이 가능하며 특히 연료전지를 활용하게 되면 환경오염 없이 전기에너지를 생산이 가능하게 됨. 현재의 수소생산은 화석연료로부터 생산되기 때문에 청정에너지원이라 볼수 없음. 성균관대학교 화학공학부 박종혁 교수팀 (시신건 석사과정)과 포스텍 신소재 공학과 김종규 교수팀 (최일용 박사과정)이 공동으로 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)지 온라인판 9월 2일자에 게재되었다. (논문명: Efficient photoelectrochemical hydrogen production from bismuth vanadate-decorated tungsten trioxide helix nanostructures) 태양광을 활용하여 물분해 수소생산은 Holy grail* (중세의 전설로, 그리스도가 최후의 만찬에서 썼다는 술잔)이라 불리며 1970년대부터 연구되어 왔지만 효율이 낮아 상업화 가능성이 매우 낮았다. * Holy grail: 지구 어디에나 있는 물을 가치가 있는 수소 에너지로 마법같이 변환한다는 뜻으로 holy grail로 불림. 연구팀은 텅스텐 산화물과 비스무스 바냐듐 산화물을 나노 꼬임 구조를 갖게 하는 핵심 기술로 태양광 물분해 효율을 6% 이상 올릴 수 있음을 확인하였다. * 물분해 효율 (solar-to-hydrogen conversion efficiency): 태양광 에너지를 100으로 보았을 때 생산할 수 있는 수소의 총 에너지. 6%는 태양광 에너지의 6%에 해당하는 에너지를 수소에너지로 변환이 가능하다는 의미임. 비스무스 바냐듐 산화물은 태양광을 잘 흡수하지만 수소생산 효율이 낮다는 단점을 가지고 있었으나 본 연구에서는 독특한 나노꼬임 구조의 텅스텐 산화물 표면에 비스무스 바냐듐 산화물을 나노미터 수준의 두께로 코팅함으로써 태양광으로부터 생성된 전자*와 정공**의 분리가 매우 효율적으로 일어나며 이로 인하여 물을 산소와 수소로 변환하는 효율을 혁신적으로 높일 수 있었다. *: 반도체 소재가 태양광의 흡수하게 되면 소재에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 전자(-) 및 정공(+)이 생성되게 됨. 특히 텅스텐 산화물의 나노꼬임 구조는 태양광의 흡수 효율을 거의 100%로 올려줌으로써 고효율의 수소 생산이 가능할 수 있다는 새로운 사실을 전세계 연구진에게 알려주는 계기가 되었다. 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지의 경우, 생산된 전기를 바로 사용하지 않으면 사라지지만 태양광 에너지를 화학에너지인 수소로 변환하는 경우 기존의 휘발유나 LPG가스처럼 저장 및 수송이 가능하기 때문에 관련 연구가 활발해질 것으로 기대된다. 박종혁 교수는 “이번 연구를 통해 태양광/물을 이용하여 수소에너지 생산기술의 상업화 기회를 높일 수 있는 중요한 초석이 세워졌다”고 밝혔다.

포스텍, 세포치료제 전달용 하이드로젤 개발

포스텍 신소재공학과 한세광 교수 연구팀이 세포치료제를 체내에 효과적으로 전달하여 난치성 질환의 치료효율을 획기적으로 개선될 수 있게 하는 재생의약용 하이드로젤에 관한 연구결과를 정리해 발표했다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 세계 최고 수준의 학술지인 ‘프로그레스인폴리머사이언스(Progress in Polymer Science, IF = 26.854)’ 최신호에 온라인 게재되었다. ‘재생의약용 주사가능형 하이드로젤’이라는 제목으로 소개된 이번 논문에서는 난치성 질환 세포치료제의 체내 안정성을 높여 치료 효능을 장기간 지속시키기 위한 여러 가지 최첨단 고분자 하이드로젤 기술들을 소개하고 있다. 특히, 한세광 교수팀이 하바드 의과대학과 공동으로 개발하여 Nature Photonics에 게재한 체내 빛 전달용 하이드로젤을 이용한 진단 및 치료기술을 심도 있게 소개하고 있다. 체내에 빛을 전달하기 위해 광학특성이 우수한 하이드로젤을 개발한 이번 연구에서는 빛에 의해 유전자 발현이 조절되어지는 광유전학적 세포 (optogenetic hydrogel)를 하이드로젤 내에 넣어 체내에 투입한 다음 빛을 쬐어 혈중 당 농도를 제어할 수 있는 인슐린을 생산하게 함으로써 당뇨병 치료에 효과적으로 적용할 수 있음을 세계최초로 보고하였다. 이와 함께 빛을 조사하여 몸속의 독성 중금속 함량을 시각적으로 분석할 수 있는 기술도 함께 개발하여 학계의 주목을 받았다. 또한, IBS 김기문 단장 (포스텍 화학과 교수) 연구팀과 공동으로 개발한 자기조립 하이드로젤을 이용한 세포치료제 전달기술도 비중 있게 소개하고 있다. 암, 뇌졸중, 심근경색 등과 같은 난치성 질환을 치료하기 위해 유전적으로 변형된 줄기세포를 주사가능형 하이드로젤에 넣은 다음 체내에 투여하였을 때 항암 단백질이 생합성되어 암 세포 성장을 억제함으로써 생존율이 현저하게 개선되어지는 것을 동물실험을 통해 확인하였다. 현재, 공동연구를 수행했던 (주)제넥신(대표이사 성영철 포스텍 생명과학과 교수)과 기술이전 계약을 체결하고 세포치료제 전달시스템의 사업화를 본격적으로 추진하고 있다. 이번 연구는 미래창조과학부 바이오의료기술개발사업단의 세포재생기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다. 한세광 교수는 “이번에 제안한 재생의약용 주사가능형 하이드로젤 기술을 이용하면 기존에 개발되어진 다양한 난치성질환 세포치료제의 효능을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. [용어 설명] 1. 재생 의약 (regenerative medicine) 난치성 질환을 치료하기 위한 세포치료기술 및 손상된 신체 장기의 생물학적 기능을 재생하기 위한 조직재생기술을 이용한 새로운 개념의 의약품 2. 세포치료기술 (cell therapy) 암, 뇌질환, 허혈성 심장질환 등과 같은 난치성 질환을 치료하기 위하여 면역세포 및 유전자변형(줄기)세포를 이용하는 새로운 개념의 치료기술 3. 하이드로젤 (hydrogel) 고분자가 망상구조 (network) 형태로 가교된 물질로 약물전달 및 조직공학용 세포전달을 위해 폭 넓게 활용되고 있다

POSTECH, ‘마르코프 과정’ 넘은 결어긋남 현상 극복 방법 제시

김윤호 교수팀, 마르코프 결어긋남 현상 극복 새 방법 제시 ‘미래는 현재의 한 시점에만 관계하고 있으며, 그보다 과거 상태에는 관계하지 않는다’는 ‘마르코프 과정(Markov process)’. 양자계의 여러 이론들을 우리 삶에 활용할 수 있기 위해서 넘어야 할 고비이기도 한데, 이러한 마르코프과정을 억제할 수 있는 방법이 POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 통합과정 이종찬․김윤호 교수팀을 통해 발표됐다. 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 최신호를 통해 공개된 이 연구성과는 마르코프 과정에 의한 결어긋남*1현상을 사후에 효과적으로 억제하는 방법으로, 결어긋남이 일어나기 이전에 억제해야 한다는 기존의 성과에서 한 단계 더 나아간 것이다. 양자통신, 양자컴퓨터 등의 양자정보기술 구현을 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보호돼야 한다. 하지만, 실제로는 양자계와 주변의 상호작용에 의해 결어긋남 현상이 일어나고, 이는 곧 양자정보기술 구현의 핵심요소인 양자 얽힘*2도 잃도록 해 양자정보기술 구현의 걸림돌로 알려져 있다. 김 교수팀은 이미 2011년과 2012년의 연구를 통해 약한 측정*3과 되돌림 측정*4을 이용, 이 같은 결어긋남 현상을 억제할 수 있는 방법을 제시한 바 있다. 하지만, 이 방법은 결어긋남 현상이 일어나기 전에 미리 영향을 덜받도록 변화시킨 다음 결어긋남 현상이 일어나면 그제야 초기상태로 회복시키는 것이었다. 연구팀은 양자측정을 결어긋남 현상이 일어난 이후로 지연시켜 결어긋남 현상으로부터 양자 얽힘을 효율적으로 보호하는 방법을 밝혀냈으며, 이는 마르코프 과정의 특성을 사후에 효과적으로 억제할 수 있는 방법이어서 더욱 눈길을 모았다. 사후에 결어긋남을 억제할 수 있기 때문에 기존에 결어긋남에 대한 정보가 없는 경우에도 그 크기를 가늠하고 효과적으로 이를 억제할 수 있기 때문에 특히 양자 연산이나 양자 통신에 이용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 연구를 주도한 김윤호 교수는 “양자통신 및 양자컴퓨터와 같은 양자정보기술은 아직 초기단계에 불과하지만 현대 정보사회의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성을 가지고 있다”며 “이 연구를 통해 결어긋남 현상을 보다 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 기대한다”고 의의를 밝혔다. 1. 결어긋남 결어긋남 현상이란 양자계가 결맞음을 잃어버리는 현상을 의미하며, 결어긋남 현상이 일어난 양자계는 양자정보처리에 사용할 수 없다. 2. 양자얽힘 양자 얽힘이란 여러 양자계 사이에 존재하는 비고전적인 상관관계이며, 양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 구현에 반드시 필요하다. 하지만 양자계가 주변환경과 필연적으로 상호작용을 하기 때문에 양자 얽힘을 유지하는 것은 양자 정보 기술의 구현을 위한 어려운 과제이다. 3. 약한 측정 흔히 알려진 양자 측정인 투영 측정(projection measurement) 또는 von Neumann 측정은 양자 상태를 측정 연산자의 하나의 고유 상태(eigenstate)로 투영(project)시키는데 반해 약한 양자 측정은 이보다 더 일반적인 측정을 의미한다. 측정 이전의 양자 상태를 회복하는 것이 불가능한 투영 측정(projection measurement)과는 달리 약한 양자 측정과정을 거친 양자 상태는 원래의 양자 상태로 되돌리는 것이 가능하다. 4. 되돌림 측정 되돌림 측정은 첫 약한 측정을 되돌리는 목적으로 시행되는 약한 측정의 일종이다. 약한 측정을 거친 양자 상태는 이 되돌림 측정을 통해 원래의 양자 상태로 되돌릴 수 있다.