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POSTECH, “세상에 없던 칼릭스 화합물 합성 성공”

POSTECH, “세상에 없던 칼릭스 화합물 합성 성공” 음이온을 잡아내는 ‘성배모양’의 화합물…“다양한 분야 응용 기대” 생체 내 요오드, 불소, 단백질의 카복시레이트, DNA의 인산, 환경오염이나 불의의 사고로 배출되는 유해물질, 등 우리 주변에는 우리에게 유익하거나 유해한 음이온들이 다양하게 존재한다. 이 같은 음이온을 보다 정확하게 검출해 의학과 환경분야 등 다양한 분야에 활용할 수 있는, ‘성배’ 모양의 세상에 없던 새로운 화합물이 우리나라 국가과학자의 손으로 만들어졌다. POSTECH 화학과 김광수 교수․전영 연구원 팀은 지금까지 없었던 새로운 칼릭스계 화합물인 칼릭스이미다졸륨(calix-imidazolium)을 합성하는데 성공, 세계적 권위지인 네이처커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 30일자(현지시간)를 통해 그 결과를 발표했다. 도핑테스트, 유해물질 센서나 의약 진단 연구에 응용되는 분자들은 특정한 물질을 잘 잡아낼 수 있도록 특이한 구조체를 가지고 있다. 그 중에서도 ‘성배(聖杯)’모양을 띄고 있어 칼릭스(Calix, 라틴어로 성배, 컵을 의미)라는 이름을 가진 분자는 다른 분자들과 달리 형태가 고정되어 있어 센서 등에 다양하게 응용되고 있다. 하지만 지난 100 여 년간 화학계에서는 칼릭스계의 분자로는 칼릭스아렌(calix-arene)과 칼릭스파이롤(calix-pyrrole) 2가지만 알려져 있다. 2005년 김광수 교수팀은 ‘전구체(precursor)’*1를 만들어내면서 새로운 분자의 합성 가능성을 처음으로 제기하며 이러한 상황에 새로운 전기를 마련했다. 그리고 드디어 기존의 중성 칼릭스분자계와는 달리 양이온 분자계로 음이온을 선택해 결합시킬 수 있는 강점을 가진 이미다졸륨을 이용, 칼릭스이미다졸륨을 합성하는데 성공했다. 연구팀은 이 분자계를 이용해 수용액에서 불소 이온이나 불용성인 ‘나노의 축구공’ 플러렌*2을 검출하는데 성공했다. 이외에도 음이온 검출을 필요로 하는 의약진단기나 환경오염 센서 등 광범위하게 활용될 것으로 전망되고 있다. 연구를 주도한 POSTECH 김광수 교수는 “이 분자계는 분자크기를 늘리면 보다 큰 음이온을 검출할 수도 있을 뿐 아니라 플러렌이나 그래핀, 탄소나노튜브 등 탄소물질과 관련된 나노물질 연구 등에 응용할 수 있을 것”이라며 “지금까지 없던 세 번째 종류의 칼릭스 화합물인 만큼 그 활용도도 예상 이상으로 다양할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구성과는 미래창조과학부와 한국연구재단이 운영하는 국가과학자 사업 지원으로 수행됐다.

조길원 교수팀, ‘주름’ 이용해 나노선 정렬하는 기술 최초 개발

POSTECH, “주름잡아” 나노선 만든다 조길원 교수팀, ‘주름’ 이용해 나노선 정렬하는 기술 최초 개발 인간의 피부는 자외선과 활성산소에 장시간 노출되면 ‘노화의 상징’ 주름이 생긴다. 같은 방식으로 PDMS(polydimethysiloxane)라는 고무에 인위적인 주름을 만들어 단 1분 만에 반도체나 센서에 활용되는 ‘나노선(nanowire)’을 손쉽게 배열할 수 있는 방법이 세계 최초로 개발됐다. POSTECH 화학공학과 조길원 교수(56)․이승구 박사(32) 연구팀은 나노선이 섞여 있는 알코올 용액을 주름진 표면에 떨어뜨려, 나노선이 주름 사이에 들어가게 한 다음 용액을 증발시켜 나노선을 원하는 모양으로 정렬시키는 새로운 방법을 개발, 재료분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 표지논문을 통해 발표했다. 나노선은 지름 100nm이하의 극미세선으로 광학소자는 물론 센서나 전지, 촉매 등 다양하게 활용된다. 하지만 나노선을 이용한 기술들을 상용화하기 위해서는 이 나노선들을 효율적으로 원하는 모양대로 정렬하는 기술 개발이 반드시 필요하다. 연구팀은 자외선과 산소만 있으면 균일한 주름을 만들 수 있고, 쉽게 주름을 펼 수도 있는 실리콘 고무, PDMS에 눈길을 돌렸다. 우선 이 고무에 미세한 주름을 만들어준 다음 나노선이 분산된 에탄올용액을 떨어뜨린다. 이때 표면장력이 작은 에탄올은 주름으로 갈라져 들어가고, 빠르게 증발하면서 고무의 주름 사이에 나노선을 남기게 된다. 그리고 용액이 증발된 뒤 주름을 펴주면 나노선은 처음에 만든 주름모양 그대로 남아있으며, 이 나노선을 실제로 사용하고자 하는 반도체 표면 등에 스탬프처럼 찍어주면 된다. (첨부그림 참조) 연구팀이 원하는 모양대로 정렬된 나노선을 얻는데 걸리는 시간은 고작 1분여로, 실제 상용화에 사용되는 센서 등의 크기에도 이와 같은 시간이 걸리는 것으로 알려졌다. 또, 주름의 모양이나 찍는 조건을 조금 바꿔주는 것만으로도 나노선의 밀도나 모양을 마음대로 제어할 수 있는데다, 고온이나 별도의 독특한 공정을 사용하지도 않는 등 조건도 단순해 나노선 제작비용과 시간을 크게 절감할 수 있을 것으로 연구팀은 내다봤다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구결과는 나노선을 정렬하고 모양을 만드는 간단하고 새로운 기술을 개발한 것 뿐만 아니라, 미세구조를 가지고 있는 표면 위에 떨어뜨린 액체방울이 증발하면서 액체 속 물질이 이동하고 자리를 잡아가는 현상을 이해하는데 기여한 것에도 학계의 높은 평가를 얻었다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 소프트일렉트로닉스 연구단의 지원으로 수행됐다.

POSTECH 김무환․이재성 교수팀, 세계최초 ‘핵비등’이용한 3차원 그래핀 합성 성공

POSTECH, 용액 끓여 10분이면 ‘그래핀 스펀지’ 만든다 POSTECH 김무환․이재성 교수팀, 세계최초 ‘핵비등’이용한 3차원 그래핀 합성 성공 ‘꿈의 신소재’로 각광받으며 전세계적으로 활발하게 연구가 진행되고 있는 ‘그래핀’을 끓이는 방법으로 단 10분이면 간단하게 ‘스펀지’로 만들 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다. POSTECH WCU 첨단원자력공학부 김무환 교수, 안호선 박사(현 인천대)․화학공학과 이재성 교수, 장지욱 박사팀은 ‘핵비등(nucleate boiling)’*1이란 방법을 이용해 스펀지 형태의 3차원 그래핀을 합성하는데 성공했다. 7일 세계적인 과학저널 네이처(Nature)의 자매지 ‘사이언티픽리포트(Scientific Reports)’ 온라인판에 게재된 이 연구는 합성시간을 획기적으로 앞당겼을 뿐 아니라 방법 역시 아주 간단해 그래핀을 이용한 전극을 대량 생산하는데 큰 도움을 줄 것으로 전망된다. 그래핀은 흑연의 얇은 한 겹, 즉 평면으로 되어 있는 물질로 그래핀이 가진 우수한 전도성이나 강도를 활용하기 위해서는 이 그래핀을 입체구조로 만들어야 한다. 이를 위해 대표적으로 활용되고 있는 것이 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition)*2으로, 1,000℃에 달하는 고온의 환경이 필요하고 완성된 뒤에도 틀로 사용된 구리 스펀지를 녹여내고, 만들어진 그래핀 스펀지를 원하는 기판에 옮기는 복잡한 과정이 추가됐다. 또, 이 방법을 이용하려면 1,000℃도 견딜 수 있는 설비를 필요로 하는 것은 물론, 합성시간도 20시간에 달해 대량생산의 걸림돌로 지적되어 왔다. 연구팀은 단순하게 그래핀 용액을 끓여, 이 때 생기는 기포를 이용해 원하는 기판 위에 바로 스펀지 형태의 그래핀을 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 이 기술은 200℃의 저온에서 별다른 추가 공정 없이 단 10분 만에 스펀지 형태의 그래핀으로 만들 수 있으며, 이렇게 만들어진 그래핀은 전도도가 높고 표면적이 넓어 양자점 감응 태양전지*3의 환원 전극으로 응용할 수 있다. 특히 가격이 저렴하고 효율이 좋아 태양전지의 전극으로 사용되던 값비싼 금이나 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이 그래핀 스펀지는 이외에도 슈퍼 축전기(Super capacitor), 연료전지에도 활용이 가능하다. POSTECH 김무환 교수는 “그간 복잡하게만 알려졌던 3차원 그래핀 합성법을 간소화 시켰을 뿐 아니라 시간 역시 크게 단축한 점에서 학계의 관심이 높다”며 “이 방법을 이용하면 간단하고 효율적일 뿐 아니라 아주 저렴한 그래핀 전극을 대량 생산할 수 있게 된다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 WCU 사업과 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 핵비등 열을 전달하는 면(전열면)을 사이에 두고 액체를 가열할 경우, 액체 온도가 높아져 포화온도에 이르면 이 전열면에서 끓어오르는 상태를 의미한다. 이 때 기포방울의 발생 위치나 수는 면의 거칠음 정도나 열전달속도에 따라 달라진다. 2. 화학기상성장법 화학 증착법으로도 불리며, 기체 상태의 원료물질을 기판위에 올려놓고 기판 표면에서의 화학반응에 따라 만들고자 하는 화합물을 합성하는 방법. 3. 양자점 감응 태양전지 나노크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료감응 태양전지. 기존의 유기염료 대신 반도체 양자점을 이용, 제조과정이 간편하고 저렴할 것으로 기대되며, 미래 태양전지 기술로 각광받고 있다.

김기문 교수팀, 쿠커비투릴 이용 벨크로보다 14배 강한 초분자 벨크로 개발

물 속에서 힘 발휘하는 ‘인공호박’ POSTECH 김기문 교수팀, 쿠커비투릴 이용 벨크로보다 14배 강한 초분자 벨크로 개발, “학계 화제” 끊임없이 물과 싸워야 하는 선박, 물속에서 사람을 대신해 해저를 탐사하거나 쓰레기를 치울 수 있는 수중 로봇, 수술할 때 수술부위를 봉합할 수 있는 의료용 접착제에 도입될 수 있는 새로운 기술이 개발됐다. 지금까지 관련연구에서 홍합과 같은 해양생물을 이용한 연구가 발표된 것과는 달리, ‘인공호박(쿠커비투릴)’으로 불리는 초분자를 이용한 이 연구는 발표되자마자 수많은 저명 해외저널들이 앞다투어 ‘주목할 만한 논문’으로 소개하며 화제를 모으고 있다. POSTECH 화학과 김기문 교수(58)․박사과정 안영주씨(30) 팀은 속이 빈 호박 모양을 하고 있는 화합물 ‘쿠커비투릴’과 페로센의 인공결합쌍의 강한 결합력을 이용, 새로운 접착물질인 초분자 벨크로(Velcro, 속칭 찍찍이)를 개발했다. 자연계에서 가장 강한 결합쌍으로 알려진 아비딘-바이오틴의 결합력과 동등한 것으로 알려진 쿠커비투릴과 페로센을 이용한 이 벨크로는 그 독특한 원리 뿐 아니라 물속에서 2kg까지 견뎌낼 수 있을 뿐 아니라, 실제 벨크로에 비해 14배에 달하는 접착력을 보여주는 등 의미있는 성과로 평가돼 화학분야의 세계적인 권위지 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 3월호 뒷표지논문으로 선정됐다. 지금까지의 접착제들은 생체에 유해한 물질을 기반으로 하고 있는데다 물속에서는 접착력이 저하되거나 없어지는 문제점을 안고 있었다. 생체 속, 혹은 해양 등 대부분이 물로 이뤄진 환경에서도 우수한 접착성능을 보일 수 있는 접착제 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있으며, 최근에는 홍합 등을 이용한 연구결과가 발표되어 왔다. 그러나 이런 결과들은 접착이 반복될수록 약해지거나, 외부의 자극을 통해 접착을 자유자재로 조절할 수 있는 것은 아니었다. 김 교수팀은 이러한 한계점들을 극복하기 위해 쿠커비투릴과 페로센의 화학적 결합력을 벨크로에 응용했다. 물 속에서 쿠커비투릴로 이루어진 표면과 페로센으로 이루어진 표면을 손으로 누르면 벨크로처럼 붙는다. 이때, 페로센이 갈고리와 같은 역할을, 쿠커비투릴이 걸림고리와 같은 역할을 하고 있지만, 물리적으로 갈고리에 걸리는 벨크로와는 달리 소수성 상호작용과 이온-쌍극자간의 결합력 등 화학적인 결합을 통해 작동하는 것이 특징이다. 연구팀이 개발한 이 벨크로는 물속에서 약 2kg의 무게를 견디고, 공기중에서는 4kg까지 견딜 수 있다. 이는 우리가 실생활에 사용하고 있는 벨크로의 14배에 달한다. 또, 이 초분자 벨크로는 실제 벨크로처럼 반복해 접착할 수 있으며, 전기적 산화에 따라 페로센과 쿠커비투릴과의 결합이 달라지는 점을 이용, 스위치를 만들어 자유자재로 벨크로를 붙였다 뗐다할 수 있다. 이 벨크로는 수술용 봉합제(의료용 접착제), 또는 수중용 밴드나 치과치료는 물론 선박 수리, 수중로봇 등 의료부터 첨단 IT기술까지 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 연구내용이 온라인을 통해 발표된 직후, 영국왕립화학회가 발행하는 권위지 ‘케미스트리월드(Chemistry World)’를 비롯한 다수의 화학지 및 나노 관련 저널이 이 연구를 주목할 만한 성과로 선정, 보도에 나서고 있다.

홍석봉 교수 연구팀, 제올라이트 촉매 구조형성 과정 규명

홍석봉 교수 연구팀, 제올라이트 촉매 구조형성 과정 규명 미국화학회지 표지 논문 선정, 제올라이트 결정화 메커니즘 연구에 새로운 비전 제시 국내 연구팀이 흡착제, 이온교환제, 석유화학 촉매 등으로 널리 사용되고 있는 대표적나노다공성 재료인 제올라이트 촉매의 구조형성 메커니즘을 규명해냈다. POSTECH 화학공학과/환경공학부 홍석봉 교수의 주도하에 박사과정 박민범씨가 제 1 저자로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자 지원사업(창의적연구)과 정유 및 석유화학 분야의 세계적 기업인 미국 UOP사의 지원으로 수행되었다. 특히 이번 연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 최신호(2월 13일자) 표지논문으로 소개되었고 같은 호 JACS Spotlights란에 별도로 소개되었다. (논문명 : Formation Pathway for LTA Zeolite Crystals Synthesized via a Charge Density Mismatch Approach) 제올라이트는 뛰어난 촉매활성으로 인해 석유화학 공정은 물론 합성세제와 농약, 냉매의 흡착제 등 화학산업 전체에서 고체 촉매 물질의 40%를 차지하는 것으로 알려져 있을 만큼 주목받는 물질이다. 하지만 복잡한 제올라이트 구조의 형성과정에 대해서는 많이 알려지지 않았다. 지금까지 개별적 구성단위로부터 결정화가 진행되어 제올라이트의 구조가 형성된다는 가설이 있었지만 이를 실험적으로 명확히 입증한 경우는 처음이다. 연구팀은 전하밀도 비대칭 합성법을 통해 제올라이트 구조형성 메커니즘을 규명해냈다. 여기에는 가장 잘 알려진 제올라이트 중의 하나인 제올라이트 A(LTA)의 일종인 제올라이트 UZM-9 이 이용됐다. 이를 통해 LTA 구조를 형성하는 기본구성단위(lta-, sod-, d4r-cage)중 가장 큰 lta-cage가 핵생성 과정에서 가장 먼저 형성된다는 사실을 실험적으로 명확히 입증해 냈다. 이는 이전 크기가 가장 작은 d4r-cage의 자기조립에 의한 LTA 구조의 형성과는 다른 새로운 결과이다. 합성 시 사용한 유기 구조유도물질과 LTA 구조를 형성하는 기본구성단위들과의 상호작용 차이를 탄소 고체 핵자기공명 분광법과 적외선 분광법 등을 통해 관찰함으로써 결정화 과정에 따른 기본구조를 구별할 수 있었다. 또한 핵형성 및 결정 성장 단계에서의 각 구조유도 물질들의 개별적 역할에 대해 명확한 근거를 제시할 수 있었다. 홍 교수는 “상업적으로 중요한 다른 제올라이트 촉매들의 구조형성을 이해하는데 중요한 단서를 제공할 수 있으며 더 나아가 새로운 물성을 갖는 맞춤형 소재를 디자인하기 위한 선행연구로서 매우 중요한 결과라고 할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.

POSTECH-UNIST 연구팀, 주석전극 상용화 앞당길 ‘합성법’ 개발 (2013.02.13)

사용시간 2배 UP 長 수명 배터리 상용화 기술 나왔다 POSTECH-UNIST 연구팀, 주석전극 상용화 앞당길 ‘합성법’ 개발 스마트폰, 태블릿PC, 노트북 컴퓨터 등 모바일 기기 보급이 확대되면서 가장 큰 문제로 떠오른 ‘배터리’. 충전시간은 줄이고 사용시간을 높인 배터리 개발을 놓고 기업과 많은 연구자들이 경쟁을 펼치고 있는 가운데, 국내 연구진을 통해 충전시간은 크게 줄이고 사용시간은 높일 수 있는 배터리 상용화를 앞당길 기술이 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 이진우 교수(38), 박사과정 황종국(25)․UNIST(울산과학기술대학교) 친환경에너지공학부 이규태 교수팀은 독창적인 합성방법을 개발, 리튬이온 배터리의 음극에 사용되는 주석(Sn) 기반의 탄소-실리카 복합체를 '원-팟 (one-pot)' 방법으로 합성하는데 성공했다. 이 복합체를 이용하면 3~4시간 정도 충전해야 하는 리튬이온 배터리가 최대 1시간 이내에 충전이 가능하고, 용량이 그래파이트에 비해 2배로 커져 사용시간도 2배로 길어지게 된다. 우리가 사용하고 있는 배터리는 그래파이트(graphite)라는 물질을 음극으로 사용하고 있지만, 이 물질은 상대적으로 낮은 용량(372 mA h g-1)이 단점으로, 이를 대체할만한 보다 오래 쓸 수 있는 새로운 음극 소재 개발을 놓고 활발한 연구가 진행되어 왔다. 그 중 대체 물질로 제안된 것이 바로 주석. 이론적으로는 그래파이트에 비해 훨씬 높은 용량(992 mA h g-1)을 가지고 있어 연구자들의 주목을 받아왔다. 하지만 주석은 충전이나 방전과정에서 심각하게 부피가 팽창되거나 수축되어 전극 구조를 붕괴시키기 때문에 안정성이 낮고 수명이 짧을 뿐 아니라 합성과정이 복잡하고 시간 소요가 많아 상용화가 어려운 것으로 지적되어 왔다. 연구팀은 주석을 나노선, 나노입자의 형태로 탄소-실리카 구조체에 가두는 '원-팟 (one-pot)' 합성법을 개발, 응용한 결과 전극 특성 저하를 방지하는 것은 물론 성능도 안정적으로 유지되는 것을 확인했다. 무엇보다 연구팀이 개발한 합성법은 복잡한 합성과정 없이 블락 공중 고분자의 자기조립성질을 이용해 2주 가까이 걸리던 합성시간도 3~4일로 대폭 줄여 상용화를 앞당겼다는 점에서 크게 눈길을 모았다. 또 이 합성법은 단순히 배터리 뿐만 아니라 촉매 등 또 다른 신재생에너지로의 활용도 가능할 것으로 전망되고 있다. 연구팀은 앞으로 이 합성법을 이용, 용량을 10배까지 늘릴 것으로 예측되고 있는 실리콘을 배터리에 응용하는 연구를 진행할 계획이다. 한편 이 연구성과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 세계적 권위지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’지를 통해 발표됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하고 있는 ‘글로벌프론티어 사업’, ‘중견연구자지원사업 (핵심연구)’과 한국화학연구원 ‘OASIS’사업의 지원을 받았다.

POSTECH 이인수 교수팀, 나노입자 구조 조절 기술 개발 (2013.02.12)

머리카락 1만분의 1 나노입자 채웠다, 비웠다 ‘마음대로’ POSTECH 이인수 교수팀, 나노입자 구조 조절 기술 개발 머리카락의 1만분의 1, 너무 작아 눈에는 보이지 않지만 의약품 뿐 아니라 전자 소자 등 그 활용분야가 무궁무진할 것으로 기대를 모으고 있는 나노입자의 내부를 마음대로 조절할 수 있는 기술이 POSTECH 연구팀을 통해 처음으로 개발됐다. 이 연구는 화학분야 최고의 권위지로 손꼽히는 저널에 표지논문 및 주목할 만한 논문으로 선정되는 등 학계의 주목을 끌고 있다. POSTECH 화학과 이인수 교수․박사과정 김진구씨 팀은 산화망간(manganese oxide)과 실리카(silica)의 혼성나노입자를 이용, 외부의 환경에 따라 내부를 채웠다, 비웠다 전환할 수 있는 새로운 나노입자를 개발했다. 나노입자 중에서도 속이 빈 입자는 내부에 약물을 채워 암세포 등에 약물을 전달하는 약물전달체, 나노 반응기나 의료영상 촬영을 위한 보조물질 등에 활용될 수 있어 화학계에서도 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 속이 빈 나노입자는 나노입자의 내부를 다양한 화학적 방법을 통해 식각(etching)하는 방법으로 만들지만, 이렇게 속을 비운 나노입자의 속을 다시 채우는 방법은 거의 알려져 있지 않았다. 실리카에 둘러싸인 산화망간 나노입자에 수소상태에서 열을 가해주면 속에 든 산화망간이 껍질로 퍼지면서 내부가 텅 빈 실리케이트 나노입자가 만들어진다. 이 때 환경을 공기로 바꾸면 비어 있던 입자는 다시 원래의 산화망간으로 채워지게 된다. 연구팀은 이 나노 입자에 촉매가 활발하게 이루어지는 백금(Pt) 나노입자를 추가, 보다 낮은 온도에서도 쉽게 환원될 수 있도록 해, 주변의 기체 환경 변화에 따라 내부가 채워졌다 비워졌다를 반복하는 새로운 개념의 나노물질을 구현하는데 성공했다. 기체 환경 변화에 구조가 바뀌는 이 물질을 이용하면 주변 환경에 반응, 물질의 성능을 마음대로 조절할 수 있는 ‘스마트’한 신소재를 만들 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 또, 이 연구성과는 지금까지 나노크기의 작은 입자에서 일어나는 화학반응들을 이해하는데도 도움을 줄 것으로 전망돼 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society) 표지논문과 주목 할 만한 논문(Spotlights on Recent JACS Publications)으로 선정됐다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 기초연구 사업(중견연구자지원사업-도약연구)의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH 조길원교수팀, 세계최초 ‘볏잎효과’규명․인공볏잎 표면 제작 성공 (2013.02.07)

“볏잎에도 ‘자기세정’ 기능 있었네” POSTECH 조길원교수팀, 세계최초 ‘볏잎효과’규명․인공볏잎 표면 제작 성공 온도와 습도가 높은 지역에서 자라 언제나 병이나 곰팡이가 생길 위험이 큰 벼. 이 벼가 곰팡이의 포자나 병균, 먼지를 스스로 떼어낼 수 있을까. 흔히 알려진 연잎처럼 벼의 잎 역시 물방울이 잎의 길이 방향으로 쉽게 굴러가도록 함으로써 항상 깨끗한 상태로 유지하려고 하는 아주 작은 크기의 돌기와 주름이 있다는 사실이 국내 연구진을 통해 세계 최초로 밝혀졌다. POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원 교수(56)와 이승구 박사(31) 연구팀은 교육과학기술부 글로벌프론티어 소프트일렉트로닉스 연구단의 지원으로 벼의 자가세정 기능인 ‘볏잎효과’를 규명하고 이를 바탕으로 물방울의 흐름을 제어할 수 있는 새로운 개념의 기능성 표면을 개발하는데 성공했다. 재료분야의 세계적 권위지 ‘어드밴스드펑셔널머터리얼스(Advanced Functional Materials)’지 최신호 표지논문으로 선정된 이번 연구성과는 볏잎이 가진 자기세정 기능을 이용해 새로운 소재로의 응용가능성을 제시한 만큼 실생활에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 연구팀은 볏잎의 표면을 분석한 결과, 볏잎은 수백 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기의 왁스결정, 수 마이크로미터(100만분의 1미터) 크기의 돌기와 평행한 주름구조로 이루어져 있으며, 표면에 빽빽하게 자리잡은 왁스결정과 돌기가 물방울을 밀어내고 주름 사이에 공기가 끼어들어 물방울이 한쪽 방향으로 굴러가도록 한다는 사실을 밝혀냈다. 이렇게 굴러가는 물방울이 볏잎 표면에 붙은 곰팡이나 병균을 떨어뜨리며 항상 깨끗하고 건조한 잎의 상태를 유지하도록 한다는 점에 착안, 조 교수팀은 이 구조를 모방해 평행한 주름 표면에 물을 싫어하는 특성을 가진 나노입자와 고분자 전해질이 교대로 쌓인 구조로 만들어진 ‘인공볏잎 표면’을 만드는데 성공했다. 또, 이와 함께 주름 위의 미세 구조를 조절하거나 물방울의 크기를 바꾸면 물방울이 구르는 방향은 물론 각도를 제어할 수 있다는 사실도 최초로 밝혀냈다. 연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구성과는 자연계에 존재하는 다양한 생물 표면 위에 물방울이 맺히거나 구르는 특성을 이해하는데 도움을 줄 것”이라며 “또 미세표면 구조를 직접 조절할 수 있는 원리를 규명해 마이크로 유체 기기나 자기세정 표면, 물질이송관 코팅 등 액체의 이동제어기술 발전에 새로운 가능성을 열었다”고 의의를 밝혔다.

POSTECH, 약물전달기술 이용한 퇴행성 신경질환 치료제 개발 (2013.02.04)

헌팅턴질환, 약물치료 가능한 시대 “눈앞” POSTECH, 약물전달기술 이용한 퇴행성 신경질환 치료제 개발 알츠하이머, 파킨슨, 루게릭병과 더불어 대표적인 퇴행성 뇌신경질환으로 10만명당 5~10명, 서양국가에서는 1만명당 1명 정도의 높은 발병률을 보이고 있는 헌팅턴질환(Huntington's disease)은 현재 치료제가 전무한 질환으로 잘 알려져 있다. 이 같은 헌팅턴질환의 치료제가 국내 연구팀의 연구를 통해 개발됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학과 정성기․생명과학과 김경태 교수팀은 자연에 존재하는 이당류, 트리할로즈와 약물전달체기술*1를 이용, ‘혈-뇌장벽(Blood-brain barrier)’*2을 통과 가능케 함으로써 직접 헌팅턴질환을 일으키는 단백질 응집체를 제거하는 약물치료제를 개발했다고 밝혔다. 영국 왕립화학회가 발간하는 세계적 권위지 ‘메디시널케미스트리커뮤니케이션(Medicinal Chemistry Communications)’지 2월호 표지논문으로 발표된 이 연구 성과는 지금까지 ‘약물치료’가 불가능하다고 여겨지던 헌팅턴질환의 치료에 새로운 전기를 마련할 것으로 기대된다. 연구팀은 이미 헌팅턴질환 완화에 효과가 있을 것으로 추정되었지만 ‘혈-뇌장벽’ 때문에 뇌조직으로 전달되기 어려워 치료제로 사용되지 못하는 트리할로즈(Trehalose)*3란 약물에 주목했다. 정성기 교수팀은 독자적으로 개발한 약물전달기술을 이용, 혈-뇌장벽을 통과할 수 있는 트리할로즈 유도체 TR-066을 설계, 합성했고, 이를 김경태 교수팀이 헌팅턴질환을 가진 생쥐에 투여했다. 그 결과, 이 약물이 헌팅턴질환을 유발하는 단백질 응집체(Huntingtin aggregates)를 효과적으로 제거해 증세가 호전되고 수명 역시 연장되는 것이 확인됐다. 퇴행성 뇌신경질환의 치료에는 파킨슨질환과 같은 경우 도파민이라는 신경전달물질의 양을 조절해 간접적으로 증상을 완화시키는 방법이 이용되고 있으며, 치료약이 전무한 알츠하이머나 헌팅턴질환 같은 경우에는 줄기세포를 이용한 새로운 치료법 개발에 많은 관심이 맞춰지고 있다. 이러한 가운데, 연구팀은 뇌신경세포를 사멸시키는 독성단백질 응집체를 제거하는 방법을 개발, 헌팅턴질환의 치료효과를 얻을 수 있었다. 이 연구 성과는 퇴행성 뇌신경질환 치료에 혈-뇌장벽이라는 매우 어려운 장애물을 극복할 수 있는 새로운 약물전달기술을 활용해 치료효과를 얻었다는데 큰 의의가 있으며, 이 기술은 헌팅턴질환 뿐만 아니라 알츠하이머, 파킨슨병과 같은 다른 퇴행성 뇌신경질환의 치료에도 응용될 수 있을 것으로 전망되고 있다. 이번 연구는 교육과학기술부 21세기 프론티어연구개발 및 우수유망기술도약지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 약물전달체 (Drug delivery vector) 높은 생리활성을 가진 대부분의 분자량이 높은 대부분의 유기질약물 (분자량>300)이나 단백질약물, 핵산 등은 혈-뇌장벽 (Blood-Brain Barrier)을 잘 통과할 수 없기 때문에 뇌질환 치료제로서 개발되기 어렵다는 사실이 잘 알려져 있다. 때문에 이를 극복할 수 있는 새로운 약물 전달방법은 뇌질환 치료제의 개발에서 가장 심각하고 절실한 문제로 대두되고 있다. 포항공대에서 개발한 ‘vector-mediated delivery’가 이 문제를 해결하는 유력한 방법으로 대두되고 있다. 2. 혈-뇌 장벽 (Blood-brain barrier, BBB) 뇌조직과 뇌모세혈관 사이에 있는 일종의 보호장치로서 분자 (예컨대 치료약물) 투과성이 매우 낮은 특수한 세포막 구조를 갖고 있으며, 이를 혈-뇌장벽 (BBB)이라고 부른다. 혈-뇌장벽 때문에 대부분의 화합물들 (알려진 모든 약물의 98%, 단백질, 핵산 등 고분자의 100%)은 혈관으로부터 뇌신경계로의 유입이 차단된다. 3. 트리할로즈 (Trehalose) 자연에 존재하는 이당류이며, 단백질이 응집하는 현상을 저해하거나 응집체를 제거하는 자가소화작용 (autophagy)의 활성화에 기여할 수 있어서, 특정의 퇴행성 뇌질환 치료에 효과를 보이는 것으로 알려져 있다.

POSTECH, 미생물 진화 조절 ‘스위치’ 개발, 바이오연료․바이오소재․의약품 연구에 활용 “기대감” (2013.01.30)

POSTECH, 미생물 진화 조절 ‘스위치’ 개발 바이오연료․바이오소재․의약품 연구에 활용 “기대감” 지구환경에서는 생존 경쟁력을 가지고 있는 생명체가 선택적으로 살아남는다. 생명체는 살아남기 위해 특정 화합물을 감지, 유전자의 발현을 조절해 환경에 적응할 수 있도록 하는 ‘스위치(Riboswitch)’를 가지고 있다. 이 ‘스위치’의 역할에 착안, 인공적으로 특정 미생물만을 골라 진화하게 만드는 ‘인공 스위치’를 국내 연구팀이 개발해 화제를 모으고 있다. POSTECH 화학공학과․시스템생명공학부 정규열 교수․양진아 박사과정 학생․서상우 박사는 세계 최고 권위의 과학 전문지 ‘네이처(Nature)’의 온라인 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 최신호를 통해 특정 화합물의 효과적 생산을 위해 미생물을 인위적으로 진화시키는 기술을 발표했다. 연구팀은 리보스위치의 특성에 착안해 합성 RNA*1 기반의 인공유전자 스위치를 개발하고, 이를 바탕으로 원하는 물질을 고효율로 생산하는 미생물 균주만을 선택적으로 진화시키는 ‘진화유도기술’도 발표했다. 이 기술은 스위치 역할을 하는 유전자를 미생물에 넣으면 필요로 하는 물질을 높은 효율로 생산하는 미생물만 살아남게 되는 것으로, 의약품이나 바이오연료, 바이오소재를 생산하는 고성능 균주에 활용할 수 있으며 이외에도 석유화학 제품을 생산하는 인공미생물공장에도 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 연구를 이끈 정규열 교수는 “이 연구는 미생물의 진화를 인위적으로 조작할 수 있는 기술로, 인간이 필요로 하는 다양한 물질을 생산할 수 있는 미생물을 자연계가 아니라 인공적으로 마음껏 얻을 수 있어 지금까지의 기술로는 얻을 수 없었던 고성능 균주를 효과적으로 개발할 수 있을 것”이라며 “전세계에서 진행되고 있는 화합물 생산용 미생물의 개량 속도 역시 획기적으로 향상시킬 것”으로 내다봤다. 또, “특히 같이 제안한 인공진화유도기술은 다양한 미생물을 이용한 친환경 산업에 적극 적용되길 기대한다”고 덧붙였다. 한편, 이번 연구성과는 교육과학기술부 글로벌프론티어사업 차세대 바이오매스 연구단과 국토해양부 바이오산업 신소재 기술개발 사업 해양바이오산업신소재 연구단 등의 지원을 받아 수행됐다.