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환경/시스템생명/융합 황동수 교수·환경 최지민 교수 연구팀, 물속에서도 척척 붙는 비밀, 복털조개에서 찾았다

[POSTECH 황동수·최지민 교수팀, 수십년 간 풀리지 않았던 EGF 수중 접착 메커니즘 규명] 최근 환경공학부 · 시스템생명공학부 · 융합대학원 황동수 교수, 환경연구소 최지민 연구교수팀이 복털조개 연구를 통해 강력한 수중 접착력의 메커니즘을 밝혀냈다. 이번 연구는 기존 수중 접착 원리와 달리 산화 반응에 영향을 받지 않으며, 가역적이고 견고한 접착력을 보여주며 학계의 주목을 받았고, ‘네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)’ 온라인판에 게재됐다. 홍합, 따개비 등 해양 생물은 습한 환경에서도 강력한 접착력을 발휘하며 생존을 위한 중요한 기술로 이를 활용한다. 이러한 접착력의 비밀은 약 40년 전, 홍합의 접착 단백질에서 처음 발견된 ‘상피세포 성장 인자 도메인(Epidermal Growth Factor Domain, 이하 EGF 도메인)’과 관련이 있다. 이후 다양한 해양 생물과 달팽이, 거미 등 곤충에서 EGF 또는 EGF와 유사한 도메인을 가진 단백질의 정확한 수중 접착 메커니즘에 대해서는 밝혀진 바가 없었다. POSTECH 연구팀은 그간 연구된 적이 없던 복털조개에서 이 미스터리의 단서를 찾았다. 이 조개는 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)이 풍부한 족사*1를 갖고 있는데, 연구팀은 이 GlcNAc 기반의 고분자와 EGF 또는 EGF와 유사한 단백질이 결합해 수중에서도 뛰어난 접착력을 만든다는 사실을 확인했다. 이 접착력은 기존 홍합 단백질(mefp-5), 거미 단백질(suckerin)에 비해 접착력이 3배 이상 우수했다. 더 놀라운 점은 연구팀이 발견한 이 접착 메커니즘이 기존의 대표적 수중 접착 원리인 DOPA*2 기반 접착제와는 달리 산화 반응에 의존하지 않는다는 것이다. 그로 인해 접착력이 가역적이고 견고하며, 이는 건조하거나 습한 환경 등 모든 환경에서 우수한 접착력을 유지할 수 있음을 의미한다. 논문 1저자인 최지민 연구교수는 “GlcNAc는 생체 조직과 바이오 필름에서 흔히 발견되는 성분으로, 바이오 전자 장치, 조직 공학, 방오 코팅 기술 등 다양한 분야에서 활용될 것”이라고 밝혔다. 또한, 황동수 교수는 “이번 연구는 지속가능하고 강력한 수중 접착제와 의료용 생체 접착제 개발의 중요한 첫걸음이 될 것이다”라고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 및 2022년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55476-4 1. 족사(Byssus) 다양한 종류의 이미패류가 표면 부착을 위해 분비하는 필라멘트 다발. 2. DOPA(Dihydroxyphenylalanine) 타이로신(tyrosine)에 수산화기가 하나 더 붙은 형태의 아미노산이다.

기계/화공/전자/융합 노준석 교수팀, AI의 손끝에서 탄생한 3D 메타물질, 산업과 미래를 재구성하다

[노준석 교수팀, 우주에서 의료까지 초경량·초강도 소재의 새로운 가능성 열어] 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과 · 융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 박정훈 · 노재범, 인공지능대학원 통합과정 신제현 씨 연구팀은 인공지능(AI)을 활용하여 3D 기계적 메타물질*1 설계 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 과학 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 지난 9일 오프라인 게재됐다. 카이랄(chiral)*2 기계적 메타물질은 비대칭 구조를 가진 인공 물질로 기존 소재가 가진 물리적 한계를 뛰어넘는 독특한 특성이 있다. 예를 들어 압력을 가했을 때 예상치 못한 방향으로 변형되거나 특정 주파수의 파동을 차단할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 새로운 형태의 센서나 에너지 흡수 장치 등 첨단 기술 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 그러나 3차원 메타물질 설계는 고려해야 할 변수가 많고 조건이 복잡해 원하는 특성을 가진 구조를 찾아내기 매우 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 AI 기술 중 하나인 ‘조건부 생성적 적대 신경망(이하 c-GAN)’을 활용해 3D 카이랄 기계적 메타물질을 역설계*3하는 혁신적인 방법을 개발했다. c-GAN은 진동 감쇠와 응력 분포 같은 정적·동적 특성을 동시에 고려해 복잡한 구조를 효율적으로 설계하는 AI 기술이다. 연구팀은 이 네트워크를 변형해 진동 감쇠와 압축 및 전단 하중 응력 분포를 동시에 반영하도록 알고리즘을 최적화해 원하는 기계적 특성을 가진 기계적 메타물질을 설계하는 데 성공했다. 이어 연구팀은 AI로 설계한 메타물질 구조를 3D 프린터로 만들고, 실험을 통해 성능을 입증했다. 제작된 메타물질은 광범위한 진동 감쇠 특성, 낮은 응력 집중을 통한 안정성 강화 특성, 다양한 비선형 강성 특성을 보였다. 이 기술은 초경량·고강도 소재, 완벽한 진동·충격 흡수 장치와 구조물 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크며 특히 우주 산업(우주 탐사선)과 국방 기술(방탄복), 의료 기기(임플란트) 같은 극한 환경과 특수한 성능이 필요한 분야에서 혁신적인 변화를 일으킬 것으로 기대된다. 연구를 이끈 노준석 교수는 “높은 자유도의 복잡한 3D 메타물질을 창의적이며 효율적으로 설계할 수 있게 되었다”라며, “이 기술이 다양한 첨단 제품에 적용될 수 있도록 후속 연구를 이어 나가겠다”라는 말을 전했다. 이번 연구는 (주) 포스코 홀딩스 [N.EX.T IMPACT] 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 한국연구재단 우수연구-중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202412901 1. 기계적 메타물질 특별히 설계된 주기적인 구조를 통해 독특한 기계적 특성을 나타낸다. 2. 카이랄 물체나 시스템이 그 거울상과 겹쳐질 수 없는 성질을 말합니다. 쉽게 말해, 왼손과 오른손처럼 서로 대칭이지만 완전히 같지는 않은 구조를 말한다. 3. 역설계 새로운 것을 처음부터 설계하는 과정이 아니라, 목표로 하는 결과나 특성을 먼저 정한 뒤, 이를 달성하기 위한 구조를 거꾸로 찾아내는 과정을 의미한다.

전자/IT융합/기계/융합 김철홍 교수팀, AI로 비표지 광음향 영상을 공초점 현미경 영상처럼: 세포 이미징 기술의 새로운 지평

[POSTECH 김철홍·장진아 교수팀, 딥러닝 기반 고해상도·가상염색 영상 기술 개발] 최근 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 기계공학과·생명과학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수, IT융합공학과 박사과정 박은우 씨, IT융합공학과 삼파 미스라(Sampa Misra) 박사, 바이오프린팅 인공장기 응용기술센터 황동규 박사 연구팀은 기존 영상 기술의 한계를 극복하고 세포를 안정적이고 더욱 정밀하게 영상화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 생명과학 분야 연구에서 널리 사용되는 ‘공초점 형광 현미경(이하 CFM*1)’은 고해상도의 세포 이미지를 제공하지만 형광 염색 과정이 필요하며, 이 과정에서 광표백과 광독성 등 문제로 세포에 손상을 줄 수 있다. 반면, ’중적외선 광음향 현미경(이하 MIR-PAM*2)‘은 염색 및 표지(labeling) 없이 세포 이미지를 얻을 수 있지만 긴 파장의 물리적 한계로 인해 해상도가 낮아 세포의 세부 구조를 정확히 파악하기 어려운 문제점이 있었다. POSTECH 연구팀은 ‘설명가능한 딥러닝 (이하 XDL*3)’ 기법을 활용해 ‘가상염색·고해상도 중적외선 광음향 현미경 영상 기술’을 개발했다. MIR-PAM 이미지를 마치 표준이 되는 CFM에서 얻은 이미지처럼 변환하여 두 영상 기술의 장점을 융합하며, XDL은 기존 딥러닝 기술과 달리 변환 내부 과정을 시각화해 학습에 반영할 수 있어 더욱 신뢰성 높은 결과를 제공한다. 연구팀은 단일 파장의 MIR-PAM 시스템을 구축하고, 별도의 염색 없이 얻은 이미지를 CFM 스타일의 고해상도 이미지로 바꾸는 딥러닝 기반 영상 처리 기술을 개발했다. 이 기술은 두 단계로 나뉘는데, '해상도 향상' 단계에서는 세포핵과 필라멘트 액틴 등 세포 내 구조를 선명하게 구분할 수 있도록 저해상도 이미지를 고해상도로 바꿔준다. 이후 두 번째 ‘가상 염색’ 단계에서는 마치 형광 염색 과정을 진행한 것처럼 이미지를 생성했다. 인공지능을 활용해 세포 손상 없이 염색된 고해상도 이미지를 얻는 데 성공한 것이다. 김철홍 교수는 “서로 다른 영상 기술의 물리적 한계를 극복하고 상호보완적인 효과를 발휘할 수 있는 도메인 간 영상 변환 기술을 개발했다"라며 “XDL 기법이 비지도 학습의 안정성과 신뢰성을 크게 향상했다"라고 전했다. 그리고, 장진아 교수는 "이번 연구로 무표지 고해상도 다중화 세포 영상화가 가능해짐에 따라 살아있는 세포에서 질병 모델 분석 등 다양한 연구에서 새로운 가능성을 열어줄 것"이라고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 교육부와 과학기술정보통신부, 범부처전주기의료기기연구개발사업, 범부처재생의료기술개발사업, 한국산업기술진흥원, POSTECH 인공지능대학원사업, BK21 FOUR 사업, 글로컬대학30프로젝트의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55262-2 1. MIR-PAM Mid-infrared photoacoustic microscopy 2. CFM Confocal fluorescence microscopy 3. XDL Explainable deep learning

물리/첨단원자력 윤건수 교수·기계 진현규 교수 공동 연구팀, 청정 수소, 전자렌지로 단 몇 분만에 만든다

[POSTECH, 마이크로파를 이용한 청정 수소 생산 기술로 새로운 전환점 제시] 물리학과 · 첨단원자력공학부 윤건수 교수, 박사과정 유재민 씨, 기계공학과 진현규 교수, 통합과정 이동규 씨 연구팀은 마이크로파를 이용하여 청정 수소 생산 기술의 한계를 극복할 기술을 개발하고, 그 메커니즘을 규명했다. 이번 연구는 재료 화학 분야 국제 학술지인 ‘재료화학회지 A(Journal of Materials Chemistry A)’의 내부 표지 논문(Inside front cover)으로 게재됐다. 전 세계적으로 화석 연료를 대체할 청정 에너지 기술 개발이 절실한 가운데 탄소 배출이 없는 ‘청정 수소’가 중요한 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 현재 물을 분해하여 청정 수소를 생산하는 공정은 높은 비용과 낮은 에너지 효율로 상용화에 어려움을 겪고 있으며, 특히 금속 산화물의 산화-환원 반응을 활용한 열화학 공정은 약 1,500℃에 달하는 고온이 필요해 현실적인 도입에 제약이 많았다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 우리가 일상에서 사용하는 전자레인지의 에너지원인 ‘마이크로파*1’를 활용했다. 마이크로파는 음식 가열뿐 아니라 다양한 화학 반응에서도 유용한 에너지원으로, 연구팀은 이를 통해 가돌리늄(Gd)이 도핑된 세륨 산화물(CeO2)의 환원 온도를 600℃ 이하까지 낮출 수 있음을 입증했다. 이는 마이크로파의 전기적 에너지가 반응에 필요한 열에너지의 75%를 대체할 수 있음을 보여주는 결과다. 또한, 마이크로파 기술은 물을 분해하여 수소를 생산하는데 매우 중요한 ‘산소 공공(Oxygen vacancy)*2’ 형성에서도 강점을 보였다. 기존 방식에서는 금속 산화물 내부의 산소가 환원 반응을 통해 빠져나가며 산소 공공이 형성되는데, 이러한 과정은 고온에서 수 시간이 걸렸다. 그러나 연구팀은 600℃ 이하의 온도에서 단 몇 분 만에 산소 공공을 만드는 데 성공했으며, 화학 평형 모델로 그 메커니즘을 분석했다. 이는 고온에 의존했던 청정 수소 생산 공정을 저온에서 실현한 것으로 마이크로파 기반 접근법은 청정 에너지 시장에서 큰 전환점을 마련할 것으로 기대된다. 진현규 교수는 “이번 연구는 기존 열화학적 수소 생산 기술의 상용화 가능성에 변화를 일으킬 것이며, 향후 마이크로파 기술을 활용한 새로운 물질 개발에도 큰 도움이 될 것이다”라며 연구의 의의를 전했다. 또한, 윤건수 교수는 “마이크로파를 이용한 새로운 메커니즘 제시와 기존 공정의 한계 극복이 중요한 성과이며, 이는 연구팀의 긴밀한 다학제적 협업의 결과”라고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 동그라미재단 혁신과학기술프로그램사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 기초과학연구소, 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1039/D4TA05804F 1. 마이크로파(Microwaves) 300 MHz부터 300 GHz 사이의 주파수를 가지는 전자기파로, 주로 무선통신, 레이더, 전자레인지 등에서 에너지를 전달하거나 물질을 가열하는 데 사용된다. 2. 산소 공공(Oxygen vacancy) 물질 내부에서 산소 원자가 빠져나가 빈자리가 생긴 상태를 말한다. 이 빈자리는 전자의 흐름이나 화학 반응성을 높이는데 중요한 역할을 한다.

화학 김원종 교수팀, 고분자 전달체, mRNA치료제의 판도 바꾸다

[김원종 교수팀, 생분해성 고분자로 차세대 mRNA 백신 전달체 개발] 화학과 김원종 교수 연구팀이 질병관리청과 공동으로 mRNA를 효율적으로 전달할 수 있는 생분해성 고분자 기반의 전달체를 개발했다. 이 연구는 생체재료 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’ 온라인판에 최근 게재됐다. 코로나19 팬데믹 이후, 전 세계는 mRNA 백신의 잠재력에 큰 관심을 기울이고 있다. 특히, 기존 백신에서 주로 사용된 지질 나노입자(LNP)는 높은 전달 효율로 핵심적인 역할을 하지만, 치명적인 단점도 존재한다. 주사 후 체내로 퍼진 LNP는 간으로 이동한 다음 축적되면서 독성을 유발하거나 과도한 면역 반응을 일으켜 아나필락시스와 같은 심각한 부작용을 초래할 위험이 있기 때문이다. 이에 POSTECH 연구팀은 대안으로 생분해성 고분자인 ‘폴리 베타-아미노에스터 (Poly β-amino ester, 이하 PBAE)’를 활용한 연구에 나섰다. PBAE는 이미 siRNA, DNA, mRNA 전달에 사용되어 온 고분자로 체내에서 안전하게 분해되는 특성을 가진다. 연구팀은 이번 연구에서 55종의 PBAE 고분자를 합성하고 이를 활용해 새로운 고분자 나노입자(PNPs)를 설계했다. 실험 결과, 연구팀이 개발한 특정 고분자는 기존의 LNP를 능가하는 mRNA 전달 효율을 보였다. mRNA 발현도 최대 4주 이상 지속됐는데, 이는 LNP의 평균 발현 기간인 5일을 크게 뛰어넘는 수치다. 특히 새로 개발된 고분자는 주사 부위에서만 mRNA가 발현되었고, 간에서 발현이 전혀 없어 독성이 관찰되지 않았다. 또한, 면역 반응 실험에서도 연구팀의 고분자는 T세포 면역 활성을 효과적으로 유도했고, 코로나19 바이러스에 대한 중화 항체 생성에서도 기존 LNP와 비슷한 수준의 성능을 보여주었다. 이처럼 안전성과 효율성을 모두 갖춘 고분자 기반 전달체는 차세대 mRNA 백신뿐만 아니라 유전자 치료제 개발에서도 다양하게 활용될 가능성을 열어주고 있다. 김원종 교수는 “기존의 LNP 기반 전달체는 발현 기간이 짧아 치료를 목적으로 사용하기 어렵지만 연구팀이 개발한 고분자 전달체는 최대 한 달까지 발현이 지속되어 치료용 mRNA전달에 적합하다”라며 “이번 연구는 해외에 선점된 LNP 특허를 대체할 수 있는 독창적인 고분자 소재를 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”라는 말을 전했다. 한편, 이번 연구는 국립보건연구원 질병관리청 신기술 기반 백신 플랫폼 개발 지원 사업, 한국연구재단 과학기술정보통신부 연구사업 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122896

신소재 김종환 교수팀, 단원자에 기반한 양자 LED 기술 개발

[POSTECH-UTS 연구진, 상온에서 작동하는 hBN 점결함 기반 ‘양자 광원’ 기술 구현] 최근 POSTECH 신소재공학과 김종환 교수·통합과정 박규나 씨 연구팀은 시드니공대(University of Technology Sydney) 이고르 아로노비치(Igor Aharonovich) 교수팀과의 연구를 통해 단일 원자로 구성된 발광소재에 전하를 주입하여 빛을 만들어내는 ‘양자 LED 광원’ 기술을 개발했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 나노·양자 광학 분야 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’의 표지 논문(front cover)으로 최근 게재됐다. 빛은 정보 전달과 저장, 첨단 기술의 기반으로 우리 일상에서 빼놓을 수 없는 필수 요소다. 특히, 양자 컴퓨팅과 양자 통신 같은 미래 기술은 광자를 하나하나 정밀하게 방출하거나 여러 광자를 서로 얽힌 상태로 만들어 양자 정보를 전달하는 ‘양자 광원*1’ 발전에 크게 의존하고 있다. 그러나, 양자점에 기반한 현재의 기술로는 극저온으로 냉각을 해야만 이러한 LED 광원을 작동시킬 수 있어 상용화에 한계가 있었다. 이번 연구에서 연구팀은 ‘육각형 붕소질화물(이하 hBN)’을 활용하여 전기로 빛을 내는 ‘양자 LED 광원’ 기술을 구현했다. 전자를 개별 원자 수준의 극단적으로 작은 공간에 가두면 수백 개에서 수천 개의 원자로 구성된 양자점과 달리 상온에서도 우수한 양자 광원 특성을 발현시킬 수 있다. hBN은 소재 내부에서 발생하는 다양한 원자 결함에 전자를 안정적으로 가두어 둘 수 있는 흥미로운 발광소재로 주목을 받고 있다. 하지만 넓은 밴드갭(band-gap)*1 때문에 전기로 전하를 주입하기 어려워 그동안 LED 소자 구현이 어려웠다. 빛을 내려면 전자와 정공이 재결합해야 하는데, 전하가 충분히 주입되지 않으면 이 과정이 어려워져 빛 방출 효율이 떨어지기 때문이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 반데르발스 힘을 활용하여 각 층들을 안정적으로 결합한 ‘그래핀-hBN-그래핀’ 반데르발스 터널링 구조를 설계했다. 그래핀은 뛰어난 전기적 특성으로 전자를 hBN의 내부까지 빠르게 이동시킬 수 있으며, 도핑을 통해 전자의 에너지 상태를 조절하여 전하 주입 효율을 극대화한다. 또한, 주입된 전하가 hBN 내부의 원자 결함에 집중되도록 유도했다. 그 결과 전자와 전공의 재결합을 통해 가시광선부터 근적외선까지 폭넓은 파장에서 빛을 방출하는 데 성공했으며, 연구팀의 소자는 기술적 한계를 극복하고, 상온에서도 안정적으로 작동했다. 논문1저자인 박규나 씨는 “hBN 점결함에 전하를 주입하여 효과적으로 빛을 방출시킬 수 있는 LED 광원 기술을 구현했다”라며, “이 기술은 차세대 광전자 소자와 양자 기술의 응용에 새로운 가능성을 열어줄 것”이라며 이번 연구의 의의를 설명했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자사업, 기초과학연구원 (IBS), 정보통신기획평가원의 대학ICT연구센터육성지원사업 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03824 1. 양자 광원(Quantum light sources) 양자 광원은 양자 광학에서 고전적 빛(예: 레이저)과는 다른 특성을 가진 빛을 방출하는 광원을 의미한다. 이는 단일 광자 방출(single-photon emission), 양자 얽힘(quantum entanglement), 반중첩성(anti-bunching) 등의 양자적 특성을 가지며, 고전적 전자기파로는 설명할 수 없는 광학적 거동을 보인다. 이러한 광원은 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 암호화 등 차세대 양자 기술의 핵심 구성 요소로 활용된다. 2. 밴드갭(Band-gap) 전자들이 이동할 수 있는 에너지 범위와 이동할 수 없는 에너지 범위 사이의 차이를 말한다. 밴드갭이 넓으면 전자가 이 에너지 차이를 넘기기 어려워 전기가 잘 흐르지 않는다.

물리 이길호 교수팀, 그래핀 숨은 경로 밝히고, 차세대 소자 혁신 가능성 열다

[POSTECH·日 NIMS, 이중층 그래핀의 가장자리 상태가 전자 이동에 미치는 영향 규명] 물리학과 이길호 교수, 통합과정 정현우 씨 연구팀이 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 와타나베 켄지(Kenji Watanabe) 박사, 타니구치 타카시(Takashi Taniguchi) 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 이중층 그래핀의 가장자리 상태와 전자의 이동 및 비국소 수송 메커니즘을 밝혀냈다. 이번 연구는 나노 기술 분야 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다. ‘이중층 그래핀’은 두 겹의 그래핀 층으로 구성된 소재로 외부 전기장을 이용해 전자의 이동에 중요한 밴드 간극(band gap)을 조절할 수 있다. 그 덕분에 기존의 트랜지스터를 뛰어넘는 차세대 정보 기술인 ‘밸리트로닉스(valleytronics)*1’의 핵심 소재로 주목받고 있다. 밸리트로닉스는 전자의 에너지 구조에서 특정 정보 저장 단위인 ‘계곡(valley)’을 활용하는 기술로 전하를 기반으로 한 기존 전자 소자나 스핀트로닉스(spintronics)보다 빠르고 효율적인 데이터 처리가 가능해 큰 기대를 모으고 있다. 밸리트로닉스에서 중요한 개념 중 하나는 ‘계곡 홀 효과(valley Hall effect)’*2다. 이는 전자가 물질 내부에서 특정 에너지 상태(계곡)를 따라 이동하며, 전자의 흐름 방향이 나뉘는 현상을 의미한다. 그로 인해, 전기가 흐르지 않아야 할 곳에서도 저항이 나타나는 ‘비국소 저항’이라는 독특한 현상이 발생한다. 기존 연구에서는 이 ‘비국소 저항’이 계곡 홀 효과의 증거로 여겨졌지만, 일부 학자들은 소자 가장자리의 불순물이나 제작 공정 등 외부 요인이 영향을 미쳤을 가능성을 제기하며 여전히 논쟁이 이어지고 있다. 연구팀은 이중층 그래핀의 비국소 저항 발생 원인을 밝히기 위해 이중 게이트*3 구조로 밴드 간극을 조절할 수 있는 그래핀 소자를 제작했다. 그리고, 자연적으로 형성된 가장자리와 ‘반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching)*4 공정’으로 가공된 깎아낸 가장자리를 비교해 전기적 특성을 분석했다. 그 결과, 자연적으로 형성된 가장자리에서는 비국소 저항값이 기존 예측값과 일치했다. 반면, 식각 공정으로 가공된 가장자리에서는 저항값이 예측값보다 무려 100배 이상 증가했다. 이는 제작 공정 과정에서 계곡 홀 효과와 관계없는 추가적인 전도 경로 때문으로, 이러한 경로는 기존 실험에서 이중층 그래핀 소자의 밴드 간극 감소 현상을 설명할 수 있다. 논문 1저자인 정현우 씨는 “소자 제작 과정에서 필수적으로 사용되는 식각 공정이 비국소 전송에 미치는 영향이 지금까지 충분히 고려되지 않았다”라며, “이번 연구는 이러한 문제를 재조명하고, 앞으로 밸리트로닉스 소자의 설계와 개발에 중요한 단서를 제공할 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 정보통신기획평가원, Air Force Office of Scientific Research, 기초과학연구원, 삼성미래기술육성사업, 삼성전자, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI), World Premier International Research Center Initiative(WPI) 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02660 1. 밸리트로닉스(Valleytronics) 전자의 계곡(Valley) 자유도를 활용해 정보를 처리하고 저장하는 신개념 전자기기 기술. 2. 계곡 홀 효과(Valley Hall effect) 그래핀과 같은 물질에서 K와 K' 계곡 전자가 서로 반대 운동량을 가지고 이동하며 카이럴(chiral) 전류를 형성하는 위상 수송 현상. 3. 이중 게이트 소자(Dual-gate device) 상부와 하부의 2개 전극을 통해 전기장을 제어하며, 전하 밀도와 밴드 간극을 독립적으로 조절할 수 있는 소자. 4. 반응성 이온 식각(Reactive ion etching) 플라즈마를 이용해 물질을 선택적으로 제거하는 미세 가공 기술로, 나노소자 제작에서 널리 사용됨.

화공/융합 차형준 교수팀, 폐암 치료의 새로운 전환점, 홍합에서 영감을 얻다

[POSTECH · 경북대, 점막 접착성 나노입자를 활용한 흡입형 폐암 치료제 개발] 최근 화학공학과·융합대학원(의공학전공) 차형준 교수, 화학공학과 정연수 박사 연구팀은 경북대 첨단기술융합대학 의생명융합공학과 조윤기 교수 연구팀과 공동으로 연구를 진행해 홍합에서 유래한 접착단백질을 활용한 폐암 치료용 흡입형 생체 나노입자를 개발했다. 폐암은 세계에서 가장 치명적인 암 중 하나로, 한국에서도 암 발생률 상위권에 속한다. 특히, 전체 폐암 중 85%를 차지하는 비소세포 폐암*1은 초기에 발견하기 어려워 치료가 까다롭다. 기존 항암제는 일반적으로 정맥주사를 통해 전신에 투여되어 암세포뿐 아니라 정상 조직까지 영향을 미치면서 심각한 부작용을 일으킬 수 있어 최근 폐에 약물을 직접 전달하는 ‘흡입형 치료법’이 떠오르고 있지만, 폐의 점막 장벽과 면역세포가 약물 전달을 방해해 효과적인 치료가 어려웠다. 이번 연구에서 연구팀은 수중 접착력이 강한 홍합 접착단백질을 활용하여 폐암 치료에 적합한 점막 접착성 나노입자를 설계했다. 특히, 연구팀은 ‘산화·환원 반응성’을 가진 ‘족사단백질 6형(fp-6)’에서 영감을 받아 ‘족사단백질 1형(fp-1)’에 시스테인(cysteine)을 추가해 강한 접착력을 유지하며 폐암 미세환경에서 약물을 선택적으로 방출할 수 있도록 했다. 이 입자는 폐암 세포 주변의 환원 환경에서는 약물을 방출해 치료 효과를 높이고, 정상 조직에서는 방출을 억제해 부작용을 최소화한다. 또한, 홍합 단백질이 가진 생체적합성과 생분해성, 면역 적합성 덕분에 안전성을 확보하며, 항암물질의 체류시간을 획기적으로 늘리는 데 성공했다. 폐암 동물 모델 실험에서 연구팀이 개발한 나노입자와 그 안에 담긴 항암제는 네뷸라이저*2를 통해 폐로 이동한 뒤 점막에 오랫동안 머물며 암세포의 전이와 침윤을 억제하는 데 효과를 보였다. 특히, 이 기술은 환자가 병원에 가지 않고도 손쉽게 약물을 흡입을 통해 자가 투여할 수 있기 때문에 폐암 치료의 접근성을 높이고 삶의 질을 개선할 수 있는 잠재력이 있다. 연구를 이끈 차형준 교수는 “연구팀의 기술은 폐암 치료의 정밀성과 효율성을 향상하는 동시에 환자의 삶의 질을 높이는 데 크게 기여할 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 생체재료 분야 최고 국제학술지인 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’에 최근 온라인 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구사업, 보건복지부 치의학의료기술연구개발사업과 범부처 재생의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.123004 1. 비소세포 폐암 폐암은 크게 소세포성 폐암과 비소세포성 폐암으로 구분되며, 비소세포폐암은 비교적 암세포가 크고 선암, 편평상피세포암, 대세포암 등 유형이 다양하다. 각 유형의 분자적 특성 차이로 인해 효율성과 맞춤형 치료에 어려움이 존재한다. 2. 네뷸라이저 액체 약물을 미세한 입자로 변환하여 흡입할 수 있도록 돕는 의료기기로 주로 호흡기 질환을 치료할 때 사용되며, 약물이 폐나 기도에 직접 전달되도록 도와준다.

신소재 한세광 교수팀, 신경계와 면역계의 연결고리, 난치병 치료의 뉴패러다임 제시

[한세광 교수팀, 광소재와 디지털 의료기술을 융합한 차세대 치료 전략 제시] 신소재공학과·융합대학원 한세광 교수, 김성종 박사 연구팀은 미국 노스웨스턴대 존 라저스(John Rogers) 교수, POSTECH 생명과학과 김종신 교수와 함께 광(光) 소재와 디지털 의료기술을 융합한 차세대 치료 전략을 제시하는 논문을 발표했다. 이번 논문은 최근 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 게재됐다. 인간의 신경계와 면역계는 서로 밀접하게 연결되어 있어 자가면역질환, 신경퇴행성 질환, 암 등 난치성 질환의 발병과 진행에 중요한 역할을 한다. 하지만, 기존의 면역조절 치료는 약물 투여에 의존해 전신 부작용 및 제한적인 치료 효과라는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 최근 ‘광생체조절(photobiomodulation)’과 ‘광유전학(optogenetics)’이 주목받고 있다. ‘광생체조절’은 특정 파장의 빛을 이용해 신경계와 면역계를 조절하는 기술이며, ‘광유전학’은 빛으로 신경세포의 활성화를 조절하거나 억제하여 면역 반응을 정밀하게 제어하는 방법이다. 이번 논문에서 한세광 교수 연구팀은 두 기술을 기반으로 신경-면역 상호작용에 관한 기존 연구를 종합 분석하고 이를 바탕으로 ‘디지털 광의약 플랫폼’이라는 새로운 치료 패러다임을 제시하였다. 특히 생체적합성이 우수하고 적색광/근적외선에서 효과적으로 작동하는 광 나노소재 및 초음파에 반응하는 기계발광 나노소재를 활용하면 체내 깊은 조직까지 빛을 전달해 신경-면역 간 상호작용을 정밀하게 제어하여 난치 질환 치료에 적용가능하다는 것을 제시했다. 또한, 연구팀은 뇌, 폐, 피부와 같은 주요 신경-면역 장벽에서의 난치 질환 치료 가능성을 우선적으로 검증할 필요가 있다고 강조했다. 더불어, 웨어러블(wearable) 또는 생체이식형 광학 디바이스의 도입을 통해 신경-면역 상호작용을 조절하는 새로운 디지털 광 의약 플랫폼을 구현할 가능성도 제시했다. 이는 약물이나 전기 자극을 활용하는 기존 치료법의 한계를 넘어 신경-면역 상호작용을 효과적으로 제어해 의료 기술 혁신을 가속화할 것으로 기대된다. 한세광 교수는 “후속 연구를 통해 여러 질환 모델에서의 실험적 검증과 기술 상용화에 주력하겠다”라며, “의료 기술의 산업화를 통해 의료 혁신을 가속화하고, 우리나라 의료 기술의 글로벌 경쟁력을 높이는 데 기여할 것”이라는 말을 전했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 기초과학연구사업과 BRIDGE 연구사업, 범부처의료기기연구개발사업과 한국연구재단 B-IRC사업, 문화체육관광부가 지원하는 한국콘텐츠진흥원의 지원으로 수행됐다. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202413189

물리 이길호 교수팀, 그래핀과 초전도체의 만남, 초전도 기술의 날개를 달다

[POSTECH · 日NIMS, 2차원 초전도 접합 기술로 차세대 전자기기 개발 가능성 열어] 물리학과 이길호 교수, 장성 연구원 연구팀이 일본 국립재료과학연구소(NIMS) 와타나베 켄지(Kenji Watanabe) 박사, 타니구치 타카시(Takashi Taniguchi) 박사 연구팀과 협력해 그래핀과 초전도 전극의 접합 특성을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 이번 연구는 나노 기술 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최근 게재됐다. ‘초전도체’는 특수한 조건에서 저항이 0이 되는 물질로, 일반 도체와 결합하면 초전도성이 도체로 전달되는 ‘근접효과(Proximity effect)’가 나타난다. 이 현상은 전자기기 성능을 극대화하는 핵심 기술로, 조셉슨 접합*1이나 위상 초전도*2 개발 등 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 그래핀은 전기 전도성이 우수하고, 전자 이동 속도가 빨라 초전도체와 도체를 연결하는 이상적인 재료로 주목받아 왔다. 하지만 기존 방식에서는 초전도체가 그래핀에 전자를 주입하는 과정에서 전자가 빠져나가 ‘홀 도핑(hole doping)’ 상태가 되었고, 그로 인해 초전도체와 그래핀 사이에 ‘PN 계면’이라는 경계가 형성되었다. 이 경계는 접합 투과도를 낮추고 근접 효과를 약화해 초전도체가 그래핀에 전기를 효율적으로 전달하는 데 방해가 되었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 그래핀의 전하 밀도*3를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 접합 방식을 개발했다. 연구팀은 그래핀을 보호하는 부도체인 ‘육방정계 질화붕소(h-BN)*4’ 특정 부분을 정밀하게 깎아내어 그래핀의 표면을 노출하고, 이 위에 초전도체를 접합했다. 이 방식은 기존 1차원 접합과 달리 그래핀 전하 밀도와 극성을 게이트 전압*5을 통해 조절할 수 있기 때문에 홀 도핑 상태에서도 초전도체와 그래핀 간의 원활한 연결이 가능해 강력한 초전도 근접 효과와 높은 접합 투과도를 유지할 수 있었다. 제1 저자인 장성 연구원은 “기존 1차원 접합 방식은 그래핀의 극성을 자유롭게 제어하기 어려운 한계가 있었다”라며, “이번 연구에서 개발한 2차원 초전도 접합 기술은 그래핀의 전기적 특성을 정밀하게 조절할 수 있어 새로운 전자 소자와 연구 분야를 열어줄 것”이라는 기대감을 나타냈다. 한편, 이 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 대학정보통신연구센터협의회, Air Force Office of Scientific Research, 기초과학연구원, 삼성미래기술육성사업, 삼성전자, 일본 학술진흥회(JSPS KAKENHI), World Premier International Research Center Initiative(WPI) 등의 지원을 받아 수행됐다. DOI: http://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03767 1. 조셉슨 접합(Josephson Junction) 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연층(혹은 비초전도체)을 삽입한 구조 2. 위상 초전도(Topological Superconductivity) 양자역학의 위상 물리학과 초전도체의 특성을 결합한 새로운 형태의 초전도 상태 3. 전하 밀도 단위 부피 또는 단위 면적당 존재하는 전하의 양을 나타내는 물리량이다. 4. 육방정계 질화붕소 붕소와 질소 원자가 육각형 벌집 구조를 이루는 2차원 물질로, 절연성과 높은 열적 · 화학적 안정성을 가진다. 5. 게이트 전압 전류의 흐름을 시작하거나 멈추는 등 전자의 흐름을 제어하기 위한 제어 전압이다.