Research

이진원 교수팀, 10nm급 오염물질 없애는 '나노탄환' 개발 (2012.4.19)

머리카락의 1/12,000 굵기의 눈으로는 볼 수 없는 오염물질을 없애려면 어떤 방법이 필요할까? 향후 10년간 반도체나 나노기술의 성공과 실패를 좌우할 이 미세 오염물질을 제거할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다. 기계공학과 이진원 교수팀은 아주 작은 ‘나노 탄환’입자를 생성, 이를 초고속으로 오염입자에 충돌시키는 획기적인 방법을 이용해 최근 10nm 크기의 오염물질을 완벽하게 제거하는 실험을 시도, 세계 최초로 성공했다. 지금까지 완벽제거에 성공한 것은 30nm 크기에 불과했다. 나노기술분야 권위지인 ‘나노스케일 연구(Nanoscale Research Letters)’ 최신 온라인판에 게재된 이번 연구는 특히 최근 선진국들이 경쟁적으로 개발에 나서고 있는 10나노급 반도체 생산에 필수적인 기술이어서 더욱 주목을 끌고 있다. 반도체의 크기는 그대로 유지하면서 그 저장용량을 늘리기 위해서는 내부회로의 선폭이 가늘어져야 하는데, 이때 발생하는 오염입자의 크기도 동시에 작아지게 된다. 크기가 작아질수록 제거하기가 어려워 그 제거효율도 급속히 감소해, 성능에 영향을 미칠 수밖에 없다. 특히 우표만한 크기에 최신 반도체의 3배의 기억용량을 가지고 고화질 영화를 100편 가량 담을 수 있을 것으로 기대를 모으는 10나노급 반도체의 경우 아직까지 10nm 수준의 오염입자를 제거할 수 있는 기술이 개발되지 않아 양산에 걸림돌이 되고 있었다. 연구팀은 지난 2010년에도 저온 입자빔기술을 이용해 20nm급 오염제거 기술 개발에 성공한 바 있지만 이번 기술은 상온에서도 사용할 수 있는 입자빔기술로 훨씬 빠르고 편리하게 오염제거를 할 수 있어 실용성과 산업화 가능성을 높였다. 또, 이 기술은 오염제거설비를 제품화해 새로운 산업을 창출하는 효과도 기대할 수 있으며 생체재료의 제거와 조직 처리를 위한 기술로도 응용이 가능해 나노기술 뿐만 아니라 다양한 생체조직 이용기술 분야로도 활용할 수 있다. 이진원 교수는 “나노급 반도체는 물론 나노크기의 장치의 생산성을 좌우하는 나노오염제어기술이 완성됨으로써 나노기술을 응용한 제품의 생산성도 획기적으로 향상될 것으로 기대된다”며 “이 기술은 반도체 뿐 아니라 생체공학, 재료가공 등 다양한 나노가공공정에 두루 응용이 가능하다”고 밝혔다. 한편, 이 연구성과는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업(도약연구)’의 지원을 받아 수행되었다.

차형준·조동우 교수팀, 홍합 이용해 손상된 뼈조직 재생 기술 개발 (2012.4.25)

인체에 안전하면서도 접착력과 코팅력이 뛰어난 홍합접착단백질을 이용해 손상된 뼈 조직을효과적으로 재생하는 ‘기능성 3차원 지지체’가 국내 연구진에 의해 개발되었다. 차형준 교수와 조동우 교수 및 가톨릭대학교 이종원 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 생체소재 분야의 권위 있는 학술지인 ‘ActaBiomaterialia’지에 온라인으로 (4월 2일자) 게재되었다. (논문명: Enhancement of bone regeneration through facile surface functionalization of solid freeform fabrication-based three-dimensional scaffolds using mussel adhesive proteins) 연구팀은 손상된 뼈 조직을 재생하기 위해 3차원 지지체에 줄기세포를 표면에 부착했다. 이때, 지지체 표면에 줄기세포의 견고한 접착을 위해 홍합접착단백질이 사용되었고, 특히, 줄기세포가 뼈로 분화가 잘 되도록 기능성 펩타이드*를 첨가하였다. 이를 동물실험(쥐 실험)에 적용한 결과, 뼈 재생 효과가 기존보다 4배 이상 향상되는 효과를 보였다. ※ 생체기능성 펩타이드 : 2～20개의 짧은 특정 아미노산 서열로, 인체의 조직을 구성하는 세포의 활성을 도와 공학적으로 광범위하게 이용되고 있음 지지체는 이식된 세포가 조직에 효과적으로 자리 잡을 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 세포가 효율적으로 조직을 재생할 수 있도록 유도하는 중요한 역할을 담당한다. 지지체는 대표적으로 손상된 연골, 피부, 혈관과 같은 조직 치료를 위해 광범위하게 활용되고 있다. 특히 3차원 지지체는 조직재생에 적합한 구조적인 이점 때문에 최근 각광을 받고 있지만, 고분자(polymer)로 이루어진 지지체 표면에 특정 기능을 부여하는 것이 쉽지 않고 효율적이지 못해, 전 세계 연구팀들은 이보다 쉽고 효율적인 방법(표면개질)을 개발하고자 꾸준히 시도해왔다. 차 교수팀은 지난 2010년 9월에도 교과부와 연구재단의 지원으로 홍합접착단백질에 세포를 활성화시키는 생체기능성 펩타이드를 결합하여 세포의 특성을 그대로 살리면서도 접착력이 뛰어난 기능성 세포접착제를 개발한 바 있다. (Biomaterials지, 2010년 9월) 연구팀은 이를 기반으로 손쉬운 표면개질방법을 이용해 뼈 세포를 활성화시키는 펩타이드가 표면에 효율적으로 노출되도록 유도하여 효과적으로 뼈 조직을 재생하는 3차원 지지체를 구현하였다. 특히 이번에 개발된 3차원 지지체는 사람의 지방으로부터 추출한 줄기세포(stem cell)가 잘 붙고 성장하며 뼈 조직으로 분화되도록 도와준다는 사실을 확인하였다. 또한 연구팀은 파손된 쥐의 두개골에 3차원 지지체를 이식하자, 아무 것도 이식하지 않은 것에 비해 4배 이상 높은 뼈 재생효과가 있지만, 어떠한 부작용도 없음을 확인하였다. 차형준 교수는 “이번 연구는 연구팀이 자체 개발한 재조합 홍합접착단백질이 조직공학용 생체소재로서 실제 활용될 수 있음을 동물실험을 통해 확인한 첫 번째 사례로서, 향후 다양한 인체 조직재생을 위한 기능성 지지체 코팅소재로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

이건홍 교수팀, 새로운 청정에너지 상용화 기술 개발 (2012.4.27)

석유나 석탄에 비해 이산화탄소 발생량이 적고, 엄청난 매장량으로 인해서 미래의 에너지로 각광받는 가스하이드레이트*1. POSTECH 연구팀이 작은 수정을 이용해 이 가스하이드레이트 상용화에 필수적인 기술을 전혀 새로운 방식으로 접근, 기존 방식에 비해 30배 가량 가속시킬 수 있는 연구성과를 내놔 미국과 캐나다 등에서 크게 주목을 끌고 있다. 화학공학과 이건홍 교수, 이보람 박사·전상민 교수팀은 최근 가스하이드레이트 기술에서 핵심적인 기술로 연구되고 있는 상평형*2 측정의 새로운 방법을 발표했다. 캐나다 에너지 컨설팅 회사 ‘리뉴어블 에너지 글로벌 이노베이션(Renewable Energy Global Innovation)’이 중요 논문으로 선정, 소개하며 학계의 화제를 모으고 있는 이 기술은 기존의 열역학을 사용하는 방법과 달리 수정진동자(Quartz Crystal)*3을 이용해 상변화*4에 따른 진동주파수와 저항 변화를 측정하는 혁신적인 방법이다. 가스하이드레이트의 형성은 가스의 조성, 온도와 압력에 영향을 받는다. 특히, 가스하이드레이트 관련 공정의 경제성은 압력에 좌우되므로, 압력을 낮출 수 있는 첨가제에 따른 상평형의 변화를 측정하는 기술은 가스하이드레이트 분야의 핵심적인 기술이다. 기존에 사용되어온 열역학 기반의 측정방식은 정확성은 좋지만, 시간이 너무 많이 필요하다는 단점이 있었다. 하지만 POSTECH 연구팀이 개발한 새로운 기술은 정확성을 유지하면서도 기존의 방식보다 30배나 빠르게 측정할 수 있어 새로운 표준기술로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 이 기술은 가스하이드레이트 분야에서 세계 최고의 위치를 차지하고 있는 미국 콜로라도 광업대학(Colorado School of Mines)의 하이드레이트연구소(Center for Hydrate Resarch)가 기술 이전을 희망해왔고, 미국 에너지 사업을 총괄하는 에너지국(Department of Energy․DOE) 산하 국립 에너지기술연구소(National Energy Technology Laboratory)에서도 크게 관심을 보이고 있는 것으로 알려졌다. 이건홍 교수는 “가스하이드레이트는 청정에너지 뿐 아니라 이산화탄소 저장이나 수소 저장 등 중요한 활용 분야가 많아, 정확하고 빠르게 하이드레이트의 상평형을 측정해내는 기술은 특히 중요한 기술”이라며 “이번 연구성과가 기존 기술과 더불어 가스하이드레이트의 빠른 상용화에 기여할 수 있기를 바란다”고 밝혔다. 1. 가스 하이드레이트 천연가스가 저온․고압 상태에서 물과 결합해 형성된 고체 에너지원으로 러시아, 알래스카 등 심해저에 주로 분포하고 있다. 이 형태로 저장된 메탄의 양이 석유나 천연가스, 석탄을 합한 양의 2~3배에 달하는 것으로 알려져 있다. 특히 메탄은 연소시 발생하는 이산화탄소 양이 20%나 적어 화석연료의 대체 청정에너지로 관심을 모으고 있다. 2. 상평형(相平衡) 온도와 압력에 따른 물질의 상태 관계. 3. 수정 진동자 수정(水晶)은 특별한 각도로 잘라내 압축하거나 늘리면 전기를 띄게 되며, 여기에 전압을 가하면 휘는 성질을 가진다. 이 성질을 이용해 판 모양으로 절단한 것으로, 연구팀은 이를 이용해 질량 변화를 측정하는 계측용 소자를 만들어 연구에 활용했다. 4. 상변화 (相變化) 물질이 하나의 상에서 다른 상으로 변화하는 것을 말한다. 예를 들면 기체가 온도를 내리면 액체로 변화하는 것, 액체의 온도를 내리면 고체로 변화하는 것은 모두 상변화다.

이남기 교수팀, 뇌신경세포의 신호 전달 원리 규명 (2012.3.21)

국내 연구진이 융합과학을 이용해 뇌신경세포에서 신호를 전달하는 과정을 단계별로 정확히 측정하여 치매 등 질환에 뇌신경세포가 손상되는 원인을 규명할 새로운 가능성을 열었다. I-Bio 이남기 교수와 신연균 교수(미국 아이오와주립대, KIST)가 공동 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 분자생물학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘유럽과학지(EMPO Journal)'에 온라인 속보(3월 10일)로 게재되었다. (논문명: Solution single-vesicle assay reveals PIP2-mediated sequential actions of synaptotagmin-1 on SNAREs) 이남기, 신연균 교수 연구팀은 단일분자관측 방법으로 기존에 알려지지 않은 신경세포의 신경물질전달 과정을 단계별로 명확히 규명하는데 성공하였다. 뇌신경세포는 기억, 인지, 운동조절 등의 기능을 수행한다. 뇌신경세포가 이러한 기능을 수행하기 위해서는 다른 신경세포와의 교감이 필요한데, 이 때 사용하는 방법이 ‘신경전달물질’이라는 화학물질을 분비하는 것이다. 이러한 화학물질 분비는 세포막 융합*이라는 독특한 방법으로 이루어지는데, 이 현상이 어떠한 과정으로 조절되는지 지금까지 명확히 밝혀지지 않았다. * 세포막 융합 : 두 개의 세포막이 합쳐지는 과정으로, 이를 통해 세포막 안에 있던 화학물질이 세포막 밖으로 방출됨 연구팀은 화학물질분비 과정에서 생체막 단백질(시냅토태그민)이 세포막의 특정 지질(PIP2) 및 세포막 융합 단백질(SNARE)과 단계적으로 결합하면서 세포막 융합을 조절한다는 사실을 밝혀냈다. 특히 이번 연구는 물리학에서 활용하는 단일분자 방법과 신경분자생물학에서 사용하는 세포막 융합 방법을 이용해 도출한 연구성과로 그 의미가 크다. 신연균, 이남기 교수는 “이번 연구는 뇌세포의 신경전달과정을 명확히 규명한 성과로서, 향후 이 방법을 통해 뇌신경세포가 손상되는 치매 등 뇌질환의 정확한 발병원인을 규명할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.

이태우 교수팀, 그래핀 활용 고효율 OLED·플렉서블 조명 제작 성공 (2012.1.9)

국내 공동연구팀이 꿈의 신소재로 불리며 다양한 첨단산업에 활용될 것으로 기대를 모으고 있는 그래핀을 이용해 형광등보다 높은 효율을 갖는 유기발광다이오드(OLED)를 만드는데 성공하는 한편, 백색의 휘어지는 조명을 만드는데 세계 최초로 성공했다. 신소재공학과 이태우 교수·통합과정 한태희, 성균관대 안종현 교수·박사과정 이영빈, 서울대 홍병희 교수로 이루어진 이 연구팀은 지금까지 OLED에는 효율적으로 활용되지 못하던 그래핀에 자기조립 고분자 정공 주입층을 도입, 발광효율이 높은 OLED를 제작하는데 성공했다. 세계적인 학술지 네이처의 광학분야 자매지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 온라인 속보를 통해 공개되는 이 기술은 새로운 형태의 인테리어 조명은 물론 말아서 가지고 다닐 수 있거나 잡아당겨서 보거나 입을 수 있는 디스플레이, TV, 휴대용 컴퓨터 등의 신개념 전자 소자에 다양하게 활용될 수 있으며 지금까지의 그래핀 활용 기술에 비해 상대적으로 상용화에 근접한 기술로 평가받고 있다. 지금까지 그래핀 필름은 일함수가 낮고 시트저항이 높아 OLED 적용시에 기존 소자의 성능을 넘어서지 못하는 것으로 알려져 있었다. 공동연구팀은 자기조립 고분자 정공 주입층을 통해 일함수를 개선하고, 화학적 도핑작업을 함으로써 전기 전도도를 향상시켰다. 이 그래핀을 전극으로 활용한 OLED의 발광효율은 102.7 lm/W로, 백열등(16 lm/W), 형광등(85 lm/W)보다 월등히 높은 것으로 조사됐다. 또, 일반적으로 사용되는 ITO전극을 사용하는 OLED(85.6 lm/W)에 비해서도 약 20%나 발광효율을 높였다. 이와 함께 연구팀은 그래핀 전극을 이용해 백색 OLED를 제작하는 한편, 이를 이용해 휘어지는 조명도 만드는 데도 성공했다. 연구를 주도한 이태우 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 유기 전자 소자를 만드는데 필요한 플렉서블 투명 전극으로서 그래핀의 높은 활용 가능성을 다시 한 번 입증했다”며 “학계가 플렉서블 광전소자에서 그래핀 전극을 사용하여 기존 소자의 성능을 뛰어 넘을 수 있다는 가능성을 증명하는 연구결과를 고대했던 만큼 이번 성과는 향후 관련 연구에 큰 밑바탕이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 지원을 통해 이루어졌다.

전상민 교수팀, POSCO·RIST와 함께 자연 금속부식 측정기술 개발 (2012.1.26)

수 개월이 걸리던 철강재료 자연 부식측정실험을 단 5시간 만에 해결할 수 있는 기술이 국내 연구진의 힘으로 탄생했다. 특히 자동차, 건축물, 군사시설이나 무기 등에 사용되는 철강재료나 금속물의 자연 부식 여부는 안전과도 직결되는 연구주제로, 내구성 강한 철강재료 개발에도 탄력을 줄 것으로 기대되고 있다. 화학공학과 전상민 교수․주진명 연구원, 화학과 김성지 교수, POSCO 기술연구원 정환교 박사, 포항산업기술연구원(RIST) 한건우 박사 연구팀은 자연상태에서의 금속 부식을 수 시간 이내에 재현해내는 기술을 개발, 영국왕립화학회가 발간하는 분석분야 세계적 권위지 애널리스트(Analyst)를 통해 발표했다. 기술의 혁신성을 인정받아 2월호 표지논문으로 소개되는 이 기술은 분석 시간도 단축했을 뿐 아니라 수 밀리그램(mg)의 미량으로도 정밀한 측정이 가능해 많은 주목을 받고 있다. 철강 재료에 있어 가장 큰 문제는 부식으로 인한 성능 저하로, 부식으로 인한 피해 방지를 위해 부식이 적은 철강 개발은 철강업계의 숙원 연구과제로 알려져 있다. 하지만 자연 상태에서 부식은 매우 느린 반응이기 때문에 측정에 긴 시간이 소요되는 기존의 방법으로는 새로운 소재 개발에 큰 어려움을 겪을 수 밖에 없었다. 느린 부식반응을 빠르게 유도하는 가속측정방법을 사용할 수도 있지만, 자연상태의 부식결과와는 달라 실질적인 적용에 한계가 있었다. 연구팀은 금속시편을 분쇄해 수백 나노미터(nm)의 입자로 만든 후 입자의 크기 변화를 측정하는 방법을 이용, 시간을 크게 단축할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했으며, 이 기술을 이용하면 미량의 시료로 수 시간 만에 측정할 수 있게 된다. 또 이 기술은 자동화도 가능해 한 번에 많은 시료들을 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 연구를 주도한 전상민 교수는 “자연 상태의 부식속도를 몇 시간 만에 측정할 수 있는 이 기술은 향후 새로운 금속합금의 개발에 유용하게 활용될 수 있을 뿐 아니라 향후 국제표준으로도 선정될 가능성이 높다”고 설명했다. 한편 이번 연구결과는 포스코와 한국연구재단의 지원으로 이루어졌다.

김상욱 교수팀, 신경질환 발생 메커니즘 규명 (2012.2.16)

‘웹상에서 개인 또는 집단 사이에 상호의존적인 관계를 통해 만들어지는 관계 구조’를 의미하는 소셜네트워크의 분석방법을 통해 간질 등 신경질환을 일으키는 치명적인 유전자 이상을 예측할 수 있다는 연구결과가 나와 학계의 눈길을 모으고 있다. WCU 정보전자융합공학부․생명과학과 김상욱 교수와 김진호 박사과정은 소셜네트워크 분석방법을 응용해 신경세포(neuron)의 신호전달에 중요한 PDZ 단백질의 네트워크 구축모델을 분석, 신경전달과 신경세포의 진화과정을 규명하고, 세포의 발생과 손상에 영향을 미치는 유전자 이상 여부를 분석할 수 있는 새로운 시스템을 개발했다. 기존의 게놈 유전자 분석(GWAS)은 유전자 이상은 다수 발견할 수 있지만 각 유전자의 이상과 특정 질병의 관련성을 밝혀내기 어려웠다. 우리 몸속의 세포는 세포 속 단백질이 신호를 서로 주고받으며 상호작용하며 기능한다. 특히 그 중에서도 PDZ단백질은 신경세포의 신호전달에 중요한 역할을 하는 단백질로, 연구팀은 이 단백질이 다른 PDZ 단백질과 상호작용하는 네트워크(PDZNet)를 구축해 동물 종간(種間)의 신호전달 회로의 차이와 역할에 대해 규명하는 한편 신경세포의 발생과 손상에 영향을 주는 유전자 이상을 분석할 수 있는 방법론을 제시했다. 특히 이 연구에서는 PDZNet에 속해있는 단백질들에 이상이 있으면 간질과 같은 신경질환을 일으키기 쉽다는 것을 밝혀내, ‘단백질 정량적인 상호작용 예측방법’을 통해 신경질환에 영향을 주는 단백질의 변화를 예측할 수 있다는 사실을 발견했다. 이번 연구는 혈우병, 색맹 등 다양한 유전질환의 단백질 서열 수준 연구와신약 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 연구를 주도한 김상욱 교수는 “이번 연구는 생명과학과 정보통신 융합기술을 응용한 새로운 질병 관련 유전자 이상 예측 방법으로 기존의 게놈 유전자 분석 방법과 함께 활용할 경우 신경질환 관련 유전자의 이상이 신경전달 회로 손상에 미치는 영향을 보다 정확하게 규명할 수 있다”고 설명했다. 한편, 이 연구는 교육과학기술부 세계수준연구중심대학(WCU) 사업, 미래기반 기술개발 사업, 시스템바이오다이나믹스 국가핵심연구센터의 지원을 받아 이루어졌으며, 연구결과는 세계적인 과학저널 공공과학도서관 유전학지(PLoS Genetics) 최신호를 통해 발표됐다.

강관형 교수팀, 액체방울 3D로 옮기는 이송기법 개발 (2012.2.29)

TV, 컴퓨터에 이어 칩 하나로 질병을 진단하는 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’에도 3D시대가 온다. 전도성 액체방울을 날아오르게 해 칩 속에서 액체를 3차원으로 옮기는 기법을 기계공학과 강관형 교수·박사과정 이승준·이상현 박사팀이 세계 최초로 개발해 화제를 모으고 있다. 응용물리학 분야 권위지인 ‘어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)’ 온라인판 최신호를 통해 발표된 이 기술은 특정 액체방울에 전압을 가했을 때 액체방울의 모양이 바뀌는 ‘전기습윤(electrowetting)’현상을 이용해 랩온어칩에서 시료를 3차원으로 이송시키는 방법이다. 피 한 방울만 떨어뜨리면 질병, 노화 등도 자가진단할 수 있는 랩온어칩은 500원 동전만한 칩 위에서 액체를 옮기거나 혼합시키고 분리하는 조작이 가능할 뿐 아니라 소량의 미세한 액체방울도 개별적으로 직접 실험하듯 조작할 수 있어 ‘칩 위의 실험실’로도 불리며 향후 차세대 헬스케어를 이끌 기기로 주목을 모으고 있다. 하지만 기존의 랩온어칩에서는 액체방울을 2차원적인 평면상에서만 움직일 수 있어, 교차오염으로 인해 잘못된 결과가 나오거나 감도가 저하되는 등 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 구부러지는 전극기판을 사용하는 방법 등이 고안되었지만, 전압이 너무 높아지거나 액체방울을 오일로 된 매질에 넣어야 하는 등 제약이 많아 실제로 응용하기는 어려웠다. 강 교수팀은 공진현상에서 착안해 바닥 평면에 놓인 액체방울이 아래에 놓인 기판에서 위 기판으로 수직으로 날아올라 옆으로 이동하도록 하는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 각각 다른 액체방울이 교차해야하는 상황에서 액체 방울 하나를 위 기판으로 옮겨 서로 섞이는 것을 방지할 수 있다. 이 기술은 기존의 전기습윤기반의 랩온어칩 시스템을 그대로 사용할 수 있을 뿐 아니라, 공기 중에서도 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 연구를 주도한 강관형 교수는 “이번에 개발된 기술은 널리 연구되고 있는 랩온어칩 장치에 바로 적용이 가능한데다 감도(sensitivity)를 높여 정확한 분석은 물론 분석에 걸리는 시간도 단축시킬 수 있다”며 “선진국들이 경쟁적으로 개발 중인 랩온어칩의 새로운 플랫폼 제시에 학계의 관심이 모이고 있다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업으로 수행됐다.

차형준 교수팀, 이산화탄소 이용 탄소화합물 개발 성공 (2012.3.7)

국토해양부(장관 : 권도엽)는 탄산무수화효소*(carbonic anhydrase)를 이용하여 온실가스인 이산화탄소를 인공뼈 등 산업용으로 널리 활용 가능한 고부가가치 탄산화합물로 직접 전환하는 실제적인 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발되었다고 밝혔다. * 탄산무수화효소: 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 빠르게 전환시키는 효소로, 전환된 탄산은 양이온과 반응해 탄산화합물을 형성함 화학공학과/해양대학원 차형준 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 국토해양부가 추진하는 해양생명공학기술사업의 ‘해양바이오산업신소재기술개발’과 포항산업과학연구원의 그린사이언스 사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 환경분야의 저명학술지인 ‘케모스피어(Chemosphere)’ 온라인 속보(3월 5일)에 게재되었다. 이번 연구결과는 특허로도 출원되어 지식재산권이 확보되었다. 형성된 탄산화합물은 제지, 플라스틱, 고무, 시멘트, 페인트, 치약 등 다양한 산업용 소재로 활용될 뿐 아니라 칼슘보조제, 인공뼈 등의 건강 및 의료용 소재로도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이산화탄소 저감은 인류가 직면한 해결해야 할 중요한 문제로, 이를 해결하고자 화석연료가 처리되는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 대기로 방출되지 않도록 포집, 회수하여 격리하는 CCS(carbon capture and storage) 기술이 현재 많이 연구되고 있다. 그러나 최근에 들어 이산화탄소도 자원이라는 인식하에 단순 격리하는 방법 보다는 고부가가치의 소재로 전환하자는 인식의 전환이 시작되었다. 대기 중의 이산화탄소는 자연계에서 바이오미네랄화*를 거쳐 탄산화합물로 전환되어 저장된다. 차교수 연구팀은 이러한 바이오미네랄화 기작의 모방과 함께 분자생명공학기술을 접목하여 기존에 대기로부터 격리하고자 했던 이산화탄소를 부가가치가 높은 탄산화합물로 생물학적으로 전환하는 기술을 개발하였다. * 바이오미네랄화 : 생명체가 외부에서 유기물(단백질, 탄수화물 등)과 무기물(미네랄 등)을 받아들여 생리활성을 통해 구조물(해양생물의 껍질이나 포유류의 뼈 등)을 만드는 과정 이산화탄소를 탄산화합물로 전환시키는데 활용된 탄산무수화효소는 이산화탄소를 물과 반응시켜(수화, hydration) 탄산으로 전환시키며 지금까지 알려진 효소 중에서 가장 활성속도가 빠르다. 이산화탄소의 수화는 자연적으로는 매우 느리지만 탄산무수화효소는 이 반응을 약 천만 배 (~107) 빠르게 촉진시킨다. 그러나 기존의 탄산무수화효소는 소의 혈청에서 추출한 것으로서 그램 당 약 3백만원이라는 고비용으로 실제적으로는 활용되지 못하고 있다. 이번에 개발된 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 통한 이산화탄소 전환 기술은 기존 효소를 대체하여 저비용, 고효율로 대기 중의 이산화탄소를 저감하는데 활용될 수 있다. 연구팀은 나이세리아 고노레아(Neisseria gonorrhoeae)라는 미생물이 가진 탄산무수화효소가 높은 활성을 지니고 있다는 사실에 주목하였으며 이 효소의 유전자를 재설계하여 대장균에서 대량 생산하는 기술을 구축하였다. 이렇게 대량생산된 재조합 탄산무수화효소는 기존에 주로 상업적으로 사용되던 소 혈청의 탄산무수화효소와 유사한 높은 활성을 나타내었으며 기체 상태의 이산화탄소를 수용액 상에서 탄산칼슘 결정 침전물로 전환시키는 일련의 과정에 성공적으로 적용되었다. 또한, 정제하기 전 단계의 효소 혼합물도 정제된 재조합 탄산무수화효소와 비교할만한 높은 활성을 나타냄을 확인하였다. 이로써 추후 더욱 경제적인 재조합 생물촉매(biocatalyst)를 활용한 이산화탄소의 탄산화합물 전환 시스템을 구축할 수 있는 발판이 마련되었다. 차형준 교수는 “본 연구는 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치 탄산화합물로 실제적으로 직접 전환하는데 대량생산이 가능한 재조합 탄산무수화효소를 세계에서 처음으로 적용한 기술이다. 현재, 세포 자체를 촉매로 이용하는 재조합 전세포 촉매 개발이 성공적으로 진행 중에 있으며 이를 통하여 더욱 실제적이고 경제적인 이산화탄소 전환 공정의 개발이 이루어질 것이다.”라고 연구의의를 밝혔다.

인간공학설계기술연구실, ‘PC기반 녹내장 검사기’ 개발 (2011.12.21)

가정에서 개인용컴퓨터(PC)를 이용하여 녹내장을 손쉽게 검사할 수 있는 시대가 왔다. 산업경영공학과 박사과정 이백희·석사과정 이지형 씨 연구팀(산업경영공학과 유희천, 경희대학교 의학전문대학원 강자헌 교수 공동지도)은 PC를 이용하여 본인의 시야(視野)를 간단하게 검사하고, 녹내장 진행 여부를 조기에 선별할 수 있는 ‘PC기반 녹내장 검사기’를 개발했다. PC용 진단 프로그램과 탈부착식 차광장치 등 간단한 장비로 구성된 이 시스템은 시력을 검사하듯이 간편하게 시신경 손상여부를 검사할 수 있다. 기존의 전문 녹내장 진단장비에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 녹내장을 조기에 검사할 수 있다. 녹내장은 비가역적인 시신경 손상 질환으로, 치료방법이 없어 조기 진단이 매우 중요하다. 현재 녹내장 진단에 사용되는 시야진단 시스템들은 크고 무겁고 가격이 매우 비싸서 안과전문병원 외에는 구입과 운용이 어려운 실정이다. 따라서 보건소와 같은 공공의료기관이나 노인복지시설 등에는 한정된 공간과 예산으로 인하여 시야진단 기회를 제공하지 못하고 있다. 이 시스템은 효과적인 시선고정 유도 방법과 간단한 분석방법을 적용하여 자신의 시야를 스스로 간편하게 검사할 수 있도록 하고, 측정된 시야를 분석하여 시신경 손상 정도를 평가함으로써 녹내장의 조기진단 및 진행 여부를 선별할 수 있는 발명이다. 연구팀은 특허등록과 함께 제품화를 모색하고 있다. 이백희 씨는 “기존의 시야진단 시스템에 비해 매우 저렴하게 보급할 수 있어서, 노인복지시설이나 보건소 등에 설치하면 저렴한 비용으로 녹내장 조기진단 및 치료에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 한편 이 시스템은 지난 12월 22일 서울 역삼동 한국과학기술회관에서 열린 ‘2011 대학창의발명대회’에서 최고상인 대상(국무총리상)을 수상하였다. 특허청․한국과학기술단체총연합회․한국창의재단이 공동주최하고, 한국발명진흥회가 주관하는 이 대회에는 122개 대학 2,360건의 발명품이 출품했다.