Research

국가과학자 김광수 교수·황인철 교수팀, 비소 99.9% 제거 기술 개발 (2010.7.20)

국가과학자 김광수・황인철 교수팀, 비소 99.9% 제거 기술 공동 개발 자석으로 낚시하듯 비소를 제거하는 간단한 방법으로 해외 관련 매체서도 “눈길” 최근, 각종 중금속에 의한 수질오염이 문제가 되고 있는 가운데 미래정보기술을 이끌 신소재로 각광받고 있는 그래핀(graphene)을 이용해 대표적인 환경독소인 ‘비소’를 99.9%까지 제거할 수 있는 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 해외 학계의 주목을 모으고 있다. 화학과 김광수 교수(국가과학자)・황인철 교수팀은 한국연구재단과 POSCO의 지원으로 자철석-산화그래핀(magnetite-RGO) 혼성화합물을 개발해, 수중의 비소 농도를 10억분의 1(1 ppb) 미만으로 줄일 수 있다는 사실을 발견했다. 나노기술 관련 권위지인 미국화학회지 ACS Nano를 통해 최근 공개된 이 기술은 기존의 비소 제거기술과는 달리, 강처럼 흐르는 물에도 사용할 수 있으며, 99.9%까지 비소를 제거할 수 있다. 지금까지 자철석을 이용한 비소제거 방법이 활용되어 왔지만, 자철석 입자들은 공기에 노출됐을 경우 빠르게 산화되어 고인 물에서만 사용이 가능해 효율성이 낮다는 단점이 있었다. 비소는 대표적인 발암물질이자 환경독소로 알려져 있으며, 식수나 식품을 오염시키기 쉽기 때문에 대만, 방글라데시, 파키스탄 등의 비소 오염도가 높은 국가에서는 비소 중독으로 인한 사망사고가 자주 발생할 정도로 위험성이 높은 독성물질이다. 김 교수팀이 개발한 이 기술은 10나노미터(nm) 크기의 자철석-산화그래핀 화합물을 비소가 오염된 물에 분사시키고, 자석으로 분리하는 방법으로, 고기를 낚아채는 것처럼 비소를 전자석으로 물 밖으로 순간적으로 건져 올려 물을 정화시키는 기술이다. 김광수 교수는 “이번 기술은 흔히 사용되던 자철석에 산화그래핀 필름을 이용해 안정성을 높이고 비소흡착면적을 증대시켰다는 점에서 눈여겨볼만 하다”며 “이 기술을 활용하면 독성이 강한 것으로 알려진 비소 3가와 5가 화합물을 강하게 흡착해 물을 깨끗하게 정화할 수 있다”고 밝혔다. 이번 연구성과는 또, 그 활용성을 인정받아 발표 이후 해외의 과학관련 매체들이 큰 관심을 보이고 있는 것으로 전해졌다.

POSTECH, '이글아이'처럼 스스로 판단하는 감시 카메라 개발 (2010.7.26)

무단 방치・도난 물체 자동 검출하는 기술 개발··· 지하철, 공항 등 테러・범죄 방지 기대 D.J. 카루소의 2008년 영화 <이글아이>에서는 인공 지능을 갖춘 컴퓨터가 전세계에 설치된 CCTV를 통해 상황을 분석해 감시하고 통제한다. 이처럼 스스로 상황을 판단해 테러, 절도 등의 범죄를 예방할 수 있는 감시 카메라가 등장한다. 컴퓨터공학과 김대진 교수팀은 지하철 역, 공항 등과 같은 공공장소에 무단 방치된 물건을 발견하거나, 공공장소에서 일어나는 도난 사고를 자동으로 찾아내는 기술을 개발했다. 이 기술은 공공기관이나 공공시설에 설치된 감시카메라에 적용, 폭탄 테러 등의 범죄를 사전에 차단하고, 전시물이나 귀중품에 대한 도난 여부를 사고 발생 즉시 알아내 범죄자를 신속하게 검거하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 이외에도 쓰레기 무단 투기 등 실생활에서 공공연하게 일어나는 경범죄 예방은 물론 지뢰, 폭탄을 검출하거나 적군의 매복을 탐지하는 등 군사적 목적에도 활용될 수 있다고 연구팀은 밝혔다. 김 교수팀이 발표한 ‘무단방치・도난 물체 검출 기술’은 입력되어 있는 영상에서 기존과 다른 ‘전경영역’을 검출하고, 그 중 움직임의 변화가 없는 정지영역만을 가려낸 다음, 정지 영역 속 물체가 방치된 물체인지 도난된 물체인지를 판단하는 기술이다. 이 기술은 감시 성능을 높이기 위해 먼저 최대한 많은 정지 영역을 찾은 다음, 다른 이동 물체에 가려진 정도, 색상 정보 차이의 정도, 2차 움직임 등을 이용하여 최종적으로 정지영역을 찾는 단계적(coarse-to-fine)선택 전략을 이용하고 있다. 김대진 교수는 “이번에 발표한 기술은 이미 상용화된 미국 기술에 비해 성공률을 평균 20% 이상 향상시켰을 뿐만 아니라, 오작동률 역시 15% 이상 낮췄다는 점에서 높은 평가를 받고 있다”며 “현재 이 기술은 고정된 감시 카메라에서 적용되고 있으나, 후속 연구를 통해 움직이는 능동 카메라나 모바일 감시 로봇 등에도 적용할 수 있어 보다 넓은 지역에 대한 감시가 가능할 것”이라고 밝혔다. 이 기술은 감시 카메라 전문 생산 기업인 (주)삼성 테크윈(대표이사 오창석)의 비디오 보안 및 감시 사업팀, 컴퓨터 비전의 세계적 석학으로 알려진 미국 카네기 멜론대 가나데 다케오 교수와 함께 WCU(World Class University) 공동 연구를 통해 개발되었으며, 내년 상반기에 출시 예정인 삼성 테크윈사의 미래형 첨단 감시 카메라에 탑재되어 지능형 감시가 필요한 여러 분야에 적용될 예정이다.

POSTECH 공동연구팀, '모래시계'개념 약물전달장치 개발 (2010.7.29)

한 번 체내 투여로 2달간 지속적 약물 전달 가능··· 성장호르몬, 항암 치료에 큰 도움 학제간 융합연구로 성과 올려··· 美 ACS Nano 7월호 ‘우수 성과’로 소개 ‘모래시계’처럼 일정한 양의 단백질 약물이 2달 이상 지속적으로 흘러 나오도록 하는 새로운 약물전달 장치가 국내 연구진들에 의해 개발됐다. 이 장치는 매일 인간성장 호르몬을 투여해야 하는 왜소증 환자이나 인터페론 등의 약물을 일주일에 3회 이상 투여해야 하는 항암치료에도 효과적으로 이용될 것으로 기대된다. 화학공학과 김진곤 교수, 화학공학과 박사후연구원 양승윤・한세광 교수, 신소재공학과 박사과정 양정아・생명과학과 최관용 교수 공동연구팀은 나노미터 크기의 원통형 나노 채널을 제작하고, 이를 서방형 단백질 약물전달 실험에 이용해 일정한 속도로 2달 이상 지속적으로 단백질 약물을 방출시키는데 성공했다. 미국화학회가 발행하는 나노 분야 권위지 ACS Nano 7월호에 게재됐으며 게재된 논문들 가운데 우수한 연구성과를 골라 향후 응용분야를 설명하는 ‘퍼스펙티브(Perspective)’란에 별도로 소개되며 학계의 관심을 모으고 있다. 세계적 다국적 제약회사 호프만-라로쉬(Hoffman-La Roche) 사가 개최하는 ‘로쉬 마르코폴로 학술대회(Roche Marco Polo Symposium)’에서 우수연구논문상을 수상하여 연구의 우수성과 산업적 가치를 인정받은 이번 연구결과는 비용절감 효과뿐만 아니라 매일 번거롭게 약물을 투여해야 했던 환자들의 편이성 향상에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 지금까지 인간성장호르몬이나 항암치료제인 인터페론과 같이 단백질 약물을 반복적으로 투여해야하는 경우 생분해성 고분자 내에 약물을 충전하는 방법을 사용해왔지만, 이 방법은 고분자가 분해될 때 약물의 변성이 일어나 약효가 저하되거나 면역반응이 발생하는 등의 부작용을 야기하는 것으로 알려져 있었다. POSTECH 공동연구팀이 개발한 이 기술은 블록공중합체의 자기조립 성질을 이용해 원통형의 나노경로(channel)를 가지는 나노기공막을 만들어, 단백질 약물 크기의 1.7배 정도로 경로의 크기를 조절해 모래시계의 작동원리와 같은 ‘직선형 확산 (single file diffusion)’을 유도했다. 이 방식을 이용하면 한 번에 한 개의 단백질 입자만 경로를 통과할 수 있기 때문에 모래시계처럼 저장부에 있는 약물의 양에 관계없이 일정한 속도로 단백질이 체내로 방출된다. 또한, 단백질의 방출이 압력이나 외부 힘에 의한 것이 아니기 때문에 단백질 약물의 변성이 일어나지 않아 부작용도 줄일 수 있다. 연구를 주도한 화학공학과 김진곤 교수는 “이번에 개발된 약물전달장치는 다양한 단백질 의약품 및 바이오시밀러 약물 전달에 효과적으로 적용될 수 있을 뿐만 아니라 여러 의료기기에도 간편하게 장착될 수 있다”며 “매일 투약해야 했던 환자들의 편의성을 획기적으로 개선할 수 있으며 경제적인 면에서도 파급효과가 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 ‘창의적 연구 진흥사업’, ‘신기술융합형 성장동력사업’, ‘지역혁신인력양성사업’, 신풍제약의 지원 아래 수행됐다.

물리학과 염한웅 교수, 빛처럼 빠른 실리콘 소자 실현기술 개발 (2010.6.17)

국내 연구진이 반도체 소자기술의 새로운 미래를 여는 세계에서 가장 빠른 실리콘 소자를 가능하게 하는 원천기술개발에 성공하였다. 염한웅 교수(POSTECH 원자선 원자막 연구단장)의 주도 하에, 김근수 박사, 강명호 교수와 공동으로 진행한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘리더연구자지원 사업(창의적 연구)’의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 물리학 분야에서 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’誌 6월 18일자에 게재되고, 국제특허출원도 준비하고 있다. 염한웅 교수 연구팀은 금속 단원자막과 실리콘의 계면을 활용하여 기존의 실리콘 반도체 소자 속도를 수십 배 이상 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발하는데 성공하였다. 반도체 소자의 속도는 전기신호를 운반하는 전자의 유효질량에 의해 결정되는데, 유효질량이 작을수록 전하가 빨리 움직여 소자의 속도도 빨라진다. 그러나 전자의 유효질량은 각각의 물질이 가진 고유한 성질로, 학계에서는 유효질량을 제어하는 것은 사실상 불가능하다고 여겨져 왔다. 그리하여 이동통신 등에서 활용되는 고속소자들은 실리콘보다 전자 유효질량이 훨씬 적은 화합물 반도체를 이용해왔다. 우리나라의 실리콘 소자 기술은 선진국에 비해 앞서 있으나, 화합물 반도체를 기반으로 한 고속소자기술은 원천특허의 부족으로 후진국 수준이며, 대부분 수입에 의존하고 있다. 이번에 개발된 원천기술은 학계에서 지금까지 불가능하다고 여긴 실리콘의 유효질량을 1/20이하로 크게 줄이는 전혀 새로운 방법이다. 염한웅 교수팀은 단원자막 두께인 0.3nm(나노미터)의 매우 얇은 금속막을 실리콘과 접합시키면, 금속의 전자와 실리콘 계면의 전자가 서로 영향을 주고받아, 실리콘 전자의 유효질량을 크게 줄인다는 사실을 실험과 이론을 통해 밝혀냈다. 일반적인 실리콘 반도체 물질에서 기존의 유효질량보다 1/20이 가벼우며, 초고속으로 움직이는 전자를 발견한 것은 이번이 처음이다. 이와 같이 적은 유효질량에 의해 초고속으로 움직이는 전자는 최근 그래핀이라 불리는 탄소 단원자막에서 발견되어 학계와 산업계의 비상한 관심을 불러 모았으나, 기존의 반도체 기술과의 연결이 어려워 상용화가 지연되고 있다. 특히 이번에 측정된 실리콘 전자의 유효질량은 지금까지 알려진 어떠한 화합물 반도체보다 작고, 상용화가 쉬운 실리콘을 활용한다는 점에서, 기존의 고속전자소자를 뛰어넘는 초고성능의 소자를 조기에 실현할 수 있는 중요한 원천기술로 평가된다. 염한웅 교수는 “이번 연구성과는 일반적인 실리콘을 기반으로 고속 소자를 만들 수 있는 새로운 길을 열어, 선진국에 비해 앞서 있는 국내 실리콘 소자기술을 활용하여 차세대 고성능 소자 개발 경쟁에서 국제적으로 유리한 위치를 선점하는데 기여할 수 있다”라고 연구 의의를 밝혔다.

韓·美 연구팀, 소형 해수담수화 장치 개발 (2010.3.22)

- 농도 분극 현상 활용한 새로운 메커니즘 개발…재난지역․군사용 활용 ‘기대’ - MIT-POSTECH 공동연구팀 개발…Nature Nanotechnology 온라인판 게재 아이티와 칠레가 연이은 강진으로 생활용수 공급에 곤란을 겪고 있는 가운데, 한-미 연구팀이 휴대용으로 제작 가능한 해수담수화 장치를 개발해 눈길을 모으고 있다. 미국 매사추세츠공대(MIT) 한종윤 교수와 김성재 박사(POSTECH 졸업)팀과 POSTECH 강관형 교수와 박사과정 고성희 씨가 개발한 이번 연구는 소금, 가성소다의 생산에 활용되고 있는 교환막 주변의 이온 농도 분극현상(ion concentration polarization)을 이용해 바닷물에서 전하를 띄고 있는 염분과 유해물질을 제거하는 기술이다. 이 연구팀이 개발한 이 기술은 기존 방식과는 달리 이온교환막*의 힘에 의해 전하를 띄고 있는 모든 물질을 밀어내는 방식으로 바닷물에서 담수를 분리해낸다. 이 때문에 에너지 효율이 높아져 물 1리터를 만들어 내는데 라디오보다 전력을 적게 소모하고, 최근 개발 중인 태양열 전지로도 구동할 수 있다. 또, 단위장치의 크기가 4mm×5mm로, 실용화 할 수 있는 기기의 크기가 일반 컴퓨터 본체 수준에 불과해 휴대용 해수담수화장치로 개발이 가능할 전망이다. 지금까지 해수담수화 장치는 공장 규모의 장치와 제반 시설의 건설을 필요로 하고 있어 현재 물 부족을 겪고 있는 빈곤국가와 재난을 겪고 있는 지역에서는 활용하기 어려웠다. 실험 결과, 이 장치의 수소 이온 농도(pH)는 7.0~7.5, 염분 농도는 3mM으로 세계보건기구(WHO)의 음용수 기준도 만족시키고 세균 등 미세 입자도 제거할 수 있는 것으로 측정됐다. POSTECH 강관형 교수는 “이번 장치는 기존 방식에 비해 생산되는 물의 양은 적지만 소비전력량이 적고 크기가 작아 휴대용 해수담수화 장치로 만들 수 있어 재난 지역 구제용이나 군사용으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이 연구 성과는 3월 21일(현지시간) 세계적 과학 저널 ‘네이처(Nature)’의 자매지이자, 나노 기술의 권위지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 온라인판을 통해 발표되었다.

POSTECH·표준연, 마그네슘 ‘그린카’ 길 열었다 (2010.5.3)

전 세계가 ‘저탄소 녹색성장’ 기술 확보를 위해 치열하게 경쟁하고 있는 가운데, POSTECH(포항공과대학교)과 한국표준과학연구원(이하 표준연) 공동연구팀이 마그네슘 ‘그린카’ 기술 개발을 한걸음 앞당기는 연구성과를 발표해 학계의 주목을 끌고 있다. 신소재공학과 이종수 교수․박사과정 박성혁씨, 표준연 홍성구․허용학 박사 공동연구팀은 경량금속으로 수송기기에 활용이 기대되고 있는 마그네슘 합금의 피로특성(Fatigue Characteristics) 이방성(異方性) 원인을 최초로 규명해냈다. 소재분야 권위지인 ‘저널오브 머터리얼스 리서치(Journal of Materials Research)’ 5월호 표지논문으로 발표되는 이번 연구성과는 마그네슘의 무궁무진한 활용가능성을 극대화시킬 수 있는 기초연구로서 더욱 눈길을 모으고 있다. 마그네슘은 알루미늄보다 30% 이상 가볍고, 견고해 자동차에 활용될 경우 연비를 6~8% 저감시킬 수 있어 ‘친환경 소재’로 관심을 모으고 있다. 하지만, 아직까지 마그네슘의 집합조직과 쌍정변형(雙晶變形)*때문에 내구성을 좌우하는 피로특성에 대한 연구가 진척이 없어 상용화에 큰 어려움을 겪어왔다. POSTECH․표준연 공동연구팀은 마그네슘 합금판재에 반복적으로 하중을 가한 뒤 변형거동을 분석해 마그네슘이 이방성의 피로특성을 가진다는 것을 분석해 냈을 뿐 아니라, 재료에 가해지는 하중의 방향에 따른 피로특성 변화를 밝혀냈다. 이 연구는 특히 마그네슘 합금의 피로특성을 향상시킬 수 있는 기초 연구로, 이들 공동연구팀은 관련연구를 통해 마그네슘의 피로특성을 기존보다 48% 향상시킬수 있는 기술을 개발해 국내외 특허 출원을 마치기도 했다. POSTECH 이종수 교수는 “마그네슘 합금을 이용한 그린카 개발에 있어서 피로특성은 사용자의 안전을 좌우하는 매우 중요한 특성”이라며 “이 연구 결과는 상용화에 있어 피로특성을 규명해 낸 이번 연구는 마그네슘합금을 활용한 친환경 수송기기 개발에 활력을 불어넣을 것”이라고 밝혔다. POSTECH·표준연 공동연구팀은 이번 연구를 바탕으로 마그네슘 합금의 상용화 연구를 지속적으로 진행할 계획이다.

화학공학과 김진곤 교수 고집적 강유전 나노구조 구현 (2010.5.10)

블록 공중합체 나노 구조를 이용한 초고집적 강유전 나노 구조가 국내 연구진에 의해 구현되어, 강유전 기반 소자의 집적도 한계 극복에 한 걸음 더 다가서게 되었다. 화학공학과 김진곤 교수의 주도 하에, △김영석 석박사 통합 과정생 △백성기 교수(POSTECH 신소재공학과) △한희 박사 등이 참여하고, 독일의 막스플랑크 연구소 및 한국표준과학연구원 등과 공동으로 진행된 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단 (이사장 박찬모)이 추진하는 ‘리더연구자지원사업(창의적 연구)’, ‘2단계 BK21사업’ 및 독일 훔볼트 재단 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 나노 분야에서 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’誌 5월호 온라인 판에 게재되었다. 김진곤 교수 연구팀은 20nm(나노미터)의 매우 작은 크기에도 강유전체 고유의 특성을 그대로 유지하는 초고집적 강유전 나노 소자 개발에 성공하였다. 강유전체는 전기장이 없는 상태에서도 전기적 분극을 유지하는 물질로, 센서나 액추에이터 등에 활용되었지만, 최근에는 기존의 휘발성 정보저장 소자를 대체할 비휘발성 소자로 응용될 수 있는 가능성에 주목을 받았다. 비휘발성 정보저장 소자는 전원이 없이도 저장된 정보를 잃지 않는 특성이 있어, 전력 소모를 최소화하고 부팅시간을 단축하는 등 장점을 가지고 있다. 그러나 지금까지 강유전체 나노 구조 구현의 어려움과 현재까지 강유전성이 유지되는 크기가 60nm로 고집적화의 어려움 때문에 상용화할 수 있는 강유전 소자를 개발하지 못했다. 김진곤 교수팀은 블록 공중합체가 형성된 나노 구조에 강유전체를 포집(捕集)하여, 강유전성을 지닌 가장 작은 크기의 나노 입자 정렬 구조를 만들었다. 또한 블록 공중합체가 제거된 후에도 한 번 형성된 강유전체 나노 정렬 구조는 지속적으로 온전히 유지된다는 사실도 확인하였다. 김진곤 교수는 “이번 연구에서 구현된 강유전 나노 입자는 0.2Tb/in2 이상의 높은 집적도를 보였고, 블록 공중합체 나노구조의 간격을 줄일 경우, 최대 1.2Tb/in2까지 집적도를 높일 수 있는 가능성을 열었다. 이를 구현하면, 전원 없이도 저장된 정보를 잃지 않는 차세대 노트북, 컴퓨터 등을 개발할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 밝혔다.

세상에서 가장 작은 '적혈구'만한 펌프 개발 (2010.5.17)

- POSTECH-미시건대 연구팀, 나노크기 절연체 전도현상 규명 및 전기운동학적 펌프 개발 - Nature Nanotechnology 16일 온라인판서 주목할 만한 연구로 선정돼 혈액 한 방울의 1%로 뇌졸중의 전조를 진단할 수 있는 마이크로 유체칩, 적혈구만한 작은 세포도 치료할 수 있는 치료기구 등 공상과학 영화에 나오는 이 모든 기술을 현실화할 수 있는 적혈구크기의 펌프(pump)가 한국-미국 공동연구팀에 의해 개발됐다. 기계공학과 이상현 박사・미국 미시건대 앨런 헌트(Alan Hunt) 교수팀은 나노 크기의 절연체*가 일반 반도체와 같은 전기 전도 현상을 갖는 것을 발견하고 그 근본 원리를 규명하는 한편, 이를 이용해 세상에서 가장 작은 적혈구 크기의 전기운동학적 펌프를 개발했다. 나노과학 분야의 세계적 권위지인 <네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)> 온라인판 17일자에서 주목할 만한 연구(Featured paper)로 선정된 이 연구결과는 특히, 마이크로 유체 분석칩(Lab-on-a-chip)이나, 나노크기의 반도체 등에 아주 쉽게 활용될 것으로 기대돼 더욱 눈길을 모으고 있다. 한-미 연구팀은 유리와 같이 전기를 전달하기 어려운 성질을 가진 절연체가 나노미터 크기로 작아지게 되면 아주 낮은 전압으로도 전류를 흐를 수 있게 되지만 이 현상이 가역적으로 일어날 수 있다는 사실을 규명하고, 이를 이용해 나노크기의 기기들의 전극으로 사용가능한 액체-유리-나노전극(nano-liquid-glass electrode)을 개발했다. 순수한 부도체인 유리로만 만들어진 이 전극은 도체와 부도체를 동시에 집적할 필요가 없어 마이크로 유체분석칩과 같은 작은 장치의 집적을 보다 쉽게 만들어 줄 수 있다. 연구팀은 이 전극을 이용해 세상에서 가장 작은 전기운동학적 펌프도 함께 발표했다. 이 기술은 동전만한 크기의 칩에 미세가공기술을 이용하여 화학 분석장치들을 집적해 놓아 혈액 한 방울의 1%로도 어디서나 질병을 분석해낼 수 있어 ‘칩 위의 실험실’로 불리는 마이크로 유체분석칩은 물론, 절연체의 전도성질 때문에 상용화 기술 개발에 어려움을 빚었던 나노크기의 반도체, 단일 세포를 치료할 수 있는 첨단 나노크기 의료장비에 활용될 것으로 전망된다. 특히 이 연구결과는 마이크로 유체칩 내부에 유체 보조 삼차원 펨토레이저 나노 가공 기술을 이용해 집적되어 있기 때문에 기존에 개발되어 있는 칩에도 바로 적용 가능하다는 점에서 학계의 관심을 모았다. 이상현 박사는 “지금까지 전기운동학적 동작체나 센서는 반드시 도체와 부도체를 동시에 집적해야 했기 때문에, 이를 이용한 마이크로 크기의 장치를 개발하는데 큰 어려움을 겪었다”며 “이번 연구성과는 생명공학 분야 뿐만 아니라 소형화 경쟁이 치열한 반도체 산업에도 도움이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

얼음이 햇빛과 결합해 바다에 철분을 공급하는 메커니즘 규명 (2010.6.1)

얼음 속에 존재하는 산화철 분진입자가 햇빛에 의해 미세조류에게 필요한 철분으로 쉽게 변한다는 사실이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 환경공학부 최원용 교수·김기태(박사과정생) 팀이 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구), 우수연구센터(SRC)사업 및 극지연구소의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 환경 분야 최고 권위의 과학 전문지인 ‘환경과학과 기술(Environmental Science & Technology)’지 온라인 판(5월 6일자)에 발표되었고, 세계 최고의 과학 전문지인 ’사이언스(Science)‘지 최신호(5월 28일자)에 편집장 선정논문으로 소개되어, 최근 환경분야 연구결과 중 가장 혁신적인 성과로 평가되었다. 또한 미국화학회 소식지인 ‘화학과 공학 뉴스(Chemical & Engineering News)’지 최신호에도 ‘주목할 만한 연구'로 게재되었다. 최원용 교수 연구팀은 고층 대기나 극지방의 얼음에 갇힌 산화철 입자가 태양광과 반응하면, 미세조류가 필요로 하는 철분(Fe(Ⅱ))으로 빠르게 변환되며, 이 현상은 ‘결빙 농축 효과’에 의한 것임을 규명하였다. 산화철은 대기 중 미네랄 분진의 주성분으로, 해양 미생물에 철을 공급하는 주원천이지만, 미세조류가 섭취할 수 있는 철의 형태로 변환되기 위해서는 광화학적․생물학적 전환반응이 필요하다. 용액이 얼 때 산화철 입자들이 얼음결정 주위에 액체와 유사한 특성을 보이는 경계영역에 응집되는데, 이 때 햇빛이 비춰지면 산화철 입자들 간의 전자 전달이 쉬워져, “3가 철이온(Fe(Ⅲ))”이 미세조류가 먹을 수 있는 “2가 철이온(Fe(Ⅱ))”으로 환원되어 경계영역에 농축되어 있다가 (결빙 농축 효과) 얼음이 녹을 때 용액으로 녹아나오게 된다. 이번 연구결과는 산화철이 미세조류에게 필요한 철로 전환되는 과정에서 지금까지 전혀 알려지지 않은 ‘얼음’의 역할을 새롭게 규명했다는 점에서 의미가 크다. 특히 이번 연구는 대기 중의 이산화탄소를 바다로 흡수함으로써 해양 미세조류의 생산력에 영향을 미칠 수 있는 새로운 철분 공급 메커니즘을 규명했다는 점에서 의의가 있다. 최원용 교수는 “이번 연구성과는 산화철 입자가 미세조류에게 필요한 철로 전환되는 과정에서 학계에 전혀 알려지지 않은 ‘얼음’의 새로운 역할을 규명한 것으로, 이번에 밝혀낸 메커니즘이 최근 학계에서 주목하고 있는 기후변화에 따른 조류 광합성 생산력 변화 연구에 도움이 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

'스텐실'로 체외인공간 활성화 성큼 (2010.1.18)

기계 박재성 교수, 미세가공 스텐실 기법 이용해 간세포-비(非)간세포 세포층 구현 성공 기존 배양법보다 정확한 세포간 상호작용 구현… 약물검사・조직공학 활용 기대 ‘침묵의 장기’ 간의 조직 세포 사이의 상호작용을 판화, 염색에 활용되는 ‘스텐실(stencil)’ 기법을 이용해 정확하게 구현할 수 있는 기술이 개발됐다. POSTECH 박재성 기계공학과 교수와 하버드의대 등 한・미 공동연구팀은 미세가공기술(microfabrication)로 제작된 스텐실을 이용해 배양이 까다로운 간세포를 비(非)간세포(non-parenchymal cell)와 함께 세포층으로 구현해 그 상호작용을 관찰하는데 성공했다. 간 세포(primary hepatocyte)는 배양하기 까다롭고, 배양에 성공해도 세포 고유의 기능(hepatic function)을 유지하기 어려워 연구 결과의 실효성 여부가 논란이 되어 왔다. 기존에는 환경이 제어된 평면적인 배양접시에 간세포를 배양하고 간 조직의 세포 간 상호작용을 관찰해 연구를 진행해왔다. 하지만, 이 방법은 위치에 따라 간 세포들의 기능(hepatic functions)이 달라져 신뢰성을 확보하기 어려웠다. 공동연구팀은 이 같은 문제점을 개선하기 위해 폴리디메틸실록산(PDMS・polydimethysiloxane) 스텐실 판을 만들어 구멍 사이에 간세포와 비 간세포를 동시에 배양해 세포층(array)을 만들어 내는데 성공했다. 이 결과는 실제 간 조직 내의 동양혈관(sinusoid)을 그대로 모방해낸 것으로 이 혈관 속에서 일어나는 세포 사이의 입체적인 상호작용을 정확하게 구현해낸 것으로서, 기존의 방식보다 활발한 상호작용을 관찰할 수 있었다고 연구팀은 밝혔다. 특히 이번 성과로 체외 배양 결과와 체내 배양 결과의 차이를 줄여 간세포 연구의 신뢰성을 확보할 수 있게 됐다는 점은 주목할 만하다. 박재성 교수는 “이번 연구성과는 약물검사, 조직공학 등에 활용되며, 특히 이 연구방법을 바탕으로 현재 임상실험에 들어간 체외 인공간의 기술개발도 활성화시킬 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이번 연구성과는 오픈액세스 생명공학 저널인 바이오테크닉스지 최신호에 게재됐다.