Research

신소재 오승수 교수팀, 더 강력해진 코로나19 변이도 “확실히” 잡는다

[오승수 교수팀, 알파부터 오미크론까지…변이 따라 점점 더 강해지는 코로나19 중화제 개발] 끝날 듯 끝나지 않는 코로나19 대유행. 예측할 수 없는 변이가 더욱 강해진 감염력과 함께 등장하며 전 세계를 뒤흔들고 있다. 현재까지 보고된 오미크론 변이도 300여 종에 달하는 상황. 제각기 다른 이 변이를 꼼짝 못 하게 할 만능 치료제가 등장할 수 있을까? 신소재공학과 오승수 교수 연구팀은 변이에 스스로 적응해 더 강한 효과를 내는 맞춤 성장형 코로나19 중화제를 개발했다. 이 중화제는 바이러스의 진화를 역이용해, 변이가 거듭될수록 더 우수한 효과를 내도록 설계됐다. 코로나19 바이러스가 변이를 거듭하며 감염력이 점점 증가하는 이유는 세포 표면 단백질인 안지오텐신 전환효소(hACE2) 수용체와의 상호작용이 강해지도록 구조를 바꾸며 진화하기 때문이다. 기존 치료제·중화제 기술들은 이처럼 새롭게 등장하는 변이에 바로 대응하기 어렵다는 치명적 한계를 갖는다갖는다. 연구팀은 바이러스와 hACE2 수용체 사이의 ‘핫스팟(결합 주요 부위)’ 상호작용 원리를 모방, 세포 감염을 획기적으로 억제할 수 있는 방법을 찾았다. 단백질 조각과 핵산으로 구성된 하이브리드 중화제가 마치 미끼처럼 수용체 대신 바이러스와 강력히 결합함으로써 바이러스의 세포 침투를 막는 것이다. 이 중화제는 ‘HOLD(Hotspot-Oriented Ligand Display)’라고 불리는 연구팀의 독자적인 시험관 진화 기술을 기반으로 개발돼 눈길을 끈다. HOLD는 10조 개에 이르는 수많은 후보물질 중 바이러스 결합에 가장 적합한 물질이 자동으로 선별되는 기술로, 자연계에서 환경에 적합한 개체가 더 잘 살아남는 자연선택 이론과도 유사하다. 연구 결과, 이 중화제는 알파, 베타, 감마, 델타 변이뿐만 아니라, 전염력이 가장 높다고 알려진 오미크론 변이에 대해서도 우수한 중화 효과가 있는 것으로 조사됐다. 특히, 오미크론 변이에 대한 중화 성능(평형해리상수*1)은 1.209 나노몰(nM, 1nM=10억분의 1몰)로, 초기 코로나바이러스에 대한 중화 성능(5.702 nM)보다도 5배 가량 더 우수한 것으로 밝혀졌다. 오승수 교수는 “변이 발생에 맞춰 더 우수한 성능을 갖도록 스스로 진화하는 중화제 개발 플랫폼 기술을 세계 최초로 개발했다는 데 중요한 의미가 있다”고 평가하고, 통합과정 이민종 연구원은 “코로나19 바이러스뿐만 아니라, 인플루엔자나 한타바이러스 등 다양한 형태의 치명적 바이러스로 인한 차세대 팬데믹에 대응할 수 있는 핵심 기술로 확장해 나갈 계획”이라고 말했다. 한편, 세계적 권위의 다학제적 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 26일(미국 현지시간) 발표된 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 평형해리상수(Equilibrium Dissociation Constant) 중화제의 성능을 평가하는 수치로, 수치가 낮을수록 더욱 적은 바이러스 양에도 결합 효능이 있음을 의미한다.

생명 김경태 교수팀, ‘히비스커스’로 알츠하이머성 치매 물리친다

[김경태 교수팀, ‘고시페틴’으로 면역세포 활성화…알츠하이머성 치매 유발하는 베타 아밀로이드 잡아먹어] 붉은빛의 히비스커스차는 추운 날씨에 몸을 녹여줄 뿐만 아니라, 면역력 향상과 혈압 관리, 체중 감량 등 다방면에 효능이 있다고 알려져 있다. 이 히비스커스로 미지의 질병인 알츠하이머성 치매까지 물리칠 수 있다면? 생명과학과 김경태 교수·통합과정 조경원 씨는 히비스커스 함유 물질인 ‘고시페틴(Gossypetin)’이 뇌 면역세포인 미세아교세포(Microglia)를 활성화함을 밝혔다. 또, 이 면역세포가 베타 아밀로이드를 잡아먹어 알츠하이머성 치매 환자의 인지 기능을 회복시킨다는 사실을 규명했다. 알츠하이머성 치매는 독성을 가지는 베타 아밀로이드와 같은 단백질 응집체가 뇌세포에 쌓이며 시작된다. 미세아교세포는 이러한 단백질 응집체를 먹어 치우며 뇌를 지켜주는 중요한 역할을 한다. 단, 미세아교세포가 감당할 수 없을 정도로 단백질 응집체가 많이 생기면 오히려 만성 염증반응이 일어나 신경세포가 손상된다. 환자의 인지 기능과 기억력이 점차 떨어지는 것은 물론이다. 연구팀은 알츠하이머성 치매 치료제 개발의 가장 큰 장애물 중 하나인 부작용을 최소화하기 위해 천연 물질인 플라보노이드(Flavonoid)*1 화합물, 특히 로젤(학명: 히비스쿠스 사브다리파, Hibiscus sabdariffa)이라고 불리는 식물에 함유된 고시페틴에 주목했다. 이 화합물을 알츠하이머성 치매에 걸린 마우스 모델에 3개월간 경구투여한 결과, 치매로 인해 떨어진 기억력·인지 기능이 정상 마우스만큼 회복됐다. 알츠하이머성 치매 환자의 뇌 조직에서 공통으로 발견되는 다양한 형태의 아밀로이드 베타 응집체가 줄었을 뿐만 아니라, 만성염증 반응도 감소했다. 추가적으로 연구팀은 생명과학과 김종경 교수 연구팀과 단일 세포 RNA 염기서열(Single cell RNA sequencing) 분석을 진행했다. 분석에 따르면 고시페틴에 의해 만성염증을 일으키는 신경교증(gliosis)*2 관련 유전자들의 발현은 줄어든 반면, 베타 아밀로이드를 잡아먹는 유전자들의 발현은 늘었다. 이는 고시페틴의 영향으로 미세아교세포가 베타 아밀로이드를 더 빠르게 제거할 수 있음을 의미한다. 김경태 교수는 “뇌 조직에 쌓이는 아밀로이드 단백질 응집체를 효과적으로 제거하는 방법이 치매 예방과 치료에 효과적임을 확인했다”며 “히비스커스에서 추출할 수 있는 고시페틴은 향후 알츠하이머성 치매로 고통받는 환자를 위한 안전하고 저렴한 치료제가 될 것”이라고 말했다. 국제 학술지 ‘알츠하이머 리서치 엔 테라피(Alzheimer’s Research & Therapy)’에 최근 게재된 이 연구는 ㈜노브메타파마와의 공동연구와 지원을 통해 이뤄졌고, 고시페틴을 활용한 치매 예방과 치료제 개발을 위한 임상시험을 계획 중이다. 1. 플라보노이드(Flavonoid) 식물 또는 균류의 2차대사산물의 일종으로 항알레르기, 항염증, 항암, 항산화 효과와 낮은 독성으로 인체에 유익한 효과를 가지는 화합물. 2. 신경교증(gliosis) 뇌 혹은 척수의 손상된 부위에서 발생하는 별 아교 세포의 이상 증식.

IT융합‧전자‧기계 김철홍 교수팀, ‘빛나는 섬유’로 몸속 세계 탐험한다

[김철홍·노준석 교수팀, 근접장으로 얻은 광음향 신호 영상화 최초 성공] [“렌즈 대신 광섬유 적용…초고해상도 광음향 현미경 개발의 새 지평 열어”] 현미경 덕분에 우리는 맨눈으로 볼 수 없는 아주 작은 세계를 탐험할 수 있다. 특히나 최근, 빛이 흡수될 때 생기는 진동을 이용해 세포나 혈관을 촬영하는 광음향 현미경이 개발되며 조영제 없이도 몸속을 속속 들여다볼 수 있다는 기대감이 고조되고 있다. 다만 현미경의 렌즈로는 빛을 작은 크기로 한 점에 모으기 어려워 선명한 영상을 구현하는 데 한계가 있었다. POSTECH 연구팀은 렌즈 대신 ‘빛나는 섬유’를 현미경에 적용, 초고해상도 광음향 현미경 개발 가능성의 새 지평을 열었다. IT융합·전자전기·기계공학과 김철홍 교수·IT융합공학과 박별리 박사·통합과정 한문규 씨 기계·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 김홍윤 씨 연구팀은 광섬유의 근접장으로 얻은 광음향 신호를 영상화하는 데 최초로 성공했다. 광음향 현미경을 사용할 땐 일반적으로 광원과 샘플 사이에 일정 거리를 두고 렌즈로 빛을 모으는데, 회절 한계*1로 인해 빛을 한 점에 모으기 어려웠다. 연구팀은 이러한 회절 한계를 뛰어넘기 위해 지름이 수십 나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 단위인 끝이 가늘어지는 광섬유를 사용해 광원과 샘플의 거리를 회절 현상이 나타나지 않는 근접장 범위(수십 nm)로 유지하는 현미경 시스템을 개발하였다. 특히, 광섬유를 둘러싼 금속을 제거함으로써 최초로 광음향 현미경에 적용했다는 점에 주목할 만하다. 기존 끝이 가늘어지는 광섬유는 금속의 영향으로 정확한 광음향 신호를 얻을 수 없어 광음향 현미경에 활용되지 못했다. 연구 결과, 광섬유 끝에서 소멸파*2 형태의 빛이 발생했으며, 샘플이 1.0±0.3마이크로미터(μm, 1μm=100만분의 1m)의 해상도로 영상화됨을 확인했다. 이는 적혈구를 영상화할 수 있을 정도의 해상도다. 이 결과는 광섬유를 활용한 초고해상도 광음향 현미경 개발의 초석이 될 연구성과로, 향후 실혈관 질환 및 암 등을 비롯한 다양한 질환의 근간이 되는 기초 생명 현상 연구기기로 활용이 기대된다. 한편, 국제 학술지 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser and Photonics Reviews)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 중견기술, BRIDGE융합연구개발사업, 미래유망융합기술 파이오니어사업, 글로벌프런티어사업, 범부처전주기의료기기연구 개발사업, 산업혁신인재성장지원(R&D), BK21 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 회절 한계 진행 중에 슬릿이나 장애물을 만난 파동이 퍼져서 진행하는 현상을 회절이라고 하며, 회절 한계는 빛의 회절 현상에 의한 광학 현미경 해상도의 한계를 말한다. 2. 소멸파 매우 짧은 거리에서만 존재하는 회절 한계보다 작은 고해상도 정보를 전달하는 파동.

화학 박수진 교수팀, “물, 마시지 말고 ‘배터리’에 양보하세요”

[박수진 교수팀, 수계 전해질에서 구동하는 아연 전지 시스템 개발] [“고분자 보호층으로 전지 안정성 극대화”] 공기 없이 3분, 물 없이 3일, 그리고 배터리 없이 3시간을 버틸 수 있을까? 무게가 가볍고 고용량인 리튬이온전지는 우리가 일상에서 숨 쉬듯 사용하는 휴대전화, 노트북에 널리 사용되고 있다. 다만, 유기 전해질 기반의 기존 리튬이온전지는 화재나 폭발과 같은 안전사고가 일어날 수 있다는 치명적인 한계가 있다. 특히 일상과 맞닿아 있는 리튬이온전지는 사고 발생 시 소비자에게 직접적인 피해를 입힐 수 있기 때문에 안전한 전지 시스템 개발의 필요성이 더욱 강조됐다. 화학과 박수진 교수·송규진 박사후연구원·첨단재료과학부 통합과정 이상엽 연구팀은 물을 사용한 수계 전해질에서 안정적으로 구동하는 아연 전지 시스템을 개발했다. 전지 시스템에 도입한 고분자 보호층이 전극의 부식을 막고 아연 음극의 안정성을 높여, 기존의 수계 아연 전지보다 안정적으로 구동한다는 게 특징이다. 전지 내부에서 이온을 이동시키는 통로 역할을 하는 전해질은 유기 용매로 구성돼 있어 필연적으로 화재 위험이 뒤따른다. 화재 위험성이 없는 수계 전해질 기반의 전지 개발이 활발히 이뤄지고 있는 이유다. 다만, 수계 전해질에 활용되는 전극 물질인 아연 음극은 전지가 구동할 때 생기는 아연의 수지상 성장(zinc dendrite)*1과 내부 부반응으로 인해 실제 사용에 적합하지 않다는 어려움이 있었다. 연구팀은 블록 공중합체(Block Copolymer)*2를 활용해 다기능성 보호 코팅층이 있는 아연 음극을 개발했다. 이 고분자는 늘어나는 성질이 있어 충·방전 과정에서 생기는 음극의 부피 변화를 견딜 수 있었다. 이러한 고분자 보호층은 내부 아연 이온의 균일한 분포를 유도하고 수지상 성장을 억제해 아연 음극의 수명을 연장시키는 것으로 조사됐다. 또, 전극 표면에서 일어나는 전해액의 불필요한 화학·전기화학적 반응을 억제해 전극의 안정성을 높였다. 나아가, 연구팀은 비행시간형 이차이온질량분석기술(TOF-SIMS)를 활용해 보호 코팅층 내부 아연 이온의 움직임을 밝혔다. 기존 연구에서 밝혀지지 않았던 아연 이온의 움직임을 이미지화함으로써, 향후 전지 음극의 표면 특성 연구 활성화에 기여할 것으로 기대된다. 한편, 국제 학술지 ‘셀 리포트 피지컬 사이언스(Cell Reports Physical Science)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 나노소재원천기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 수지상 성장 전지가 충·방전을 거듭하면서 음극 표면에 아연이 바늘처럼 자라나는 현상으로, 배터리의 성능과 안전성을 해친다. 2. 블록 공중합체 두 가지 이상의 고분자 사슬이 공유 결합으로 연결된 형태의 고분자.

전자 최수석 교수팀, “앗, 눈부셔”…자유자재로 옷 바꿔 입는 스마트 윈도우

[최수석 교수팀, 산란 없이 투명·밝기 자유자재로 조절하는 스마트 윈도우 개발] [상용 디스플레이 수준인 20V 전압으로 작동…응답속도도 12ms에 불과] 햇빛이 강한 한낮에는 투명한 유리창을 통해 맞은편 건물에서 반사되는 햇빛이 들어와 눈이 부실 때가 있다. 매번 햇빛이 비치는 시간에 따라 블라인드를 조절하기도 번거롭다. 블라인드를 치고 나면 바깥이 전혀 보이지 않아 금세 답답해지기도 한다. ‘창문’만으로도 햇빛이 투과하는 양을 조절할 수 있다면? 전자전기공학과 최수석 교수·이재욱 석사· 박사과정 남승민 씨 연구팀은 산란 없이 투명상태가 유지되고 투명한 밝기를 자유자재로 조절하는 스마트 윈도우(Smart Window)를 개발했다. 적은 전압으로도 빠르게 반응해, 기존 스마트 윈도우와 달리 상용화된 디스플레이의 회로 구동 부품을 그대로 사용할 수 있다는 게 특징이다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘옵티컬 머터리얼스 익스프레스(Optical Materials Express)’ 표지논문으로 최근 선정 발표되었다. 기존의 고분자 산란이나 입자 산란 방식으로 만든 스마트 윈도우는 불투명한 특성으로 맑은 창의 투명상태를 저감하고, 구동 시 100볼트(V)에 가까운 높은 전압이 필요했다. 전기 변색 방식 스마트 윈도우의 경우도 화면이 커질수록 특성이 저하돼 큰 화면을 구현하기 어렵고 반응 속도가 느리다는 한계가 있었다. 연구팀은 카이랄 게스트 호스트라는 독특한 기술의 최적화된 설계와 소자·소재 개발을 통해서 이러한 한계를 모두 뛰어넘은 스마트 윈도우를 선보였다. 이 윈도우는 구동 전압이 20V로 기존의 5분의 1 수준일 뿐만 아니라, 12밀리초(ms, 1ms=1,000분의 1초)의 빠른 응답속도를 자랑한다. 이는 일반적인 디스플레이의 구동 전압 조건과 60헤르츠(Hz)급의 화면 전환 동작을 만족하는 조건이다. 특히, 산란 없이 투명도가 유지되고 대면적으로 제작할 수 있는 데다가, 디스플레이 구동환경과 호환된 자유로운 투명·밝기 조절이 특징이다. 이 기술은 디스플레이 부품과 구동 기술을 활용해, 향후 투명한 디스플레이, 증강현실(AR) 기기, 자율주행 자동차, 기능성 건물 등 다양한 융합산업 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이 연구는 한국산업기술평가관리원, 산업기술 혁신 디스플레이 혁신공정 사업, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

기계·화공 노준석 교수팀, 360° 볼 수 있는 자율주행 자동차의 ‘눈’

[연구팀, 전 영역 동시에 인식하는 고정형 라이다 센서 개발] 빛을 쏴서 물체를 인식하는 라이다(LiDAR) 센서는 자율주행 자동차가 주변 물체와의 거리를 파악하고 주행 속도나 방향을 판단할 수 있도록 돕는 ‘눈’ 역할을 한다. 예측 불가능한 도로 상황에 민감하게 대응하기 위해선 정면뿐만 아니라 옆이나 뒤를 함께 살펴야 하는데, 현재는 회전하는 라이다 센서를 사용하기 때문에 전·후방을 동시에 파악할 수는 없었다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 김경태·김예슬·윤주영 씨, 성균관대 생명물리학과 김인기 교수 연구팀은 공동연구를 통해 360° 전 영역을 볼 수 있는 고정형 라이다 센서를 개발했다. 이 센서는 머리카락 두께 1,000분의 1 크기에 불과한 초박형 평면 광학소자인 메타표면으로 만들어져, 초소형 라이다 센서를 구현할 수 있는 원천 기술로 더욱 눈길을 끈다. 메타표면을 이용하면 라이다의 시야각을 대폭 넓힐 수 있을 뿐만 아니라 물체를 입체적으로 인식할 수 있다. 연구팀은 메타표면을 구성하는 나노 구조체의 설계와 주기적 배열 방식을 조절해 라이다 센서의 시야 각도를 360°까지 넓히는 데 성공했다. 메타표면에서 방사된 10,000개 이상의 점 구름(빛)이 물체에 조사되고, 조사된 점 패턴을 카메라로 촬영하면 360° 영역에 있는 물체 정보를 3차원(3D)으로 파악할 수 있다. 이러한 방식의 라이다 센서는 아이폰 얼굴인식 기능(Face ID)에도 사용되고 있다. 아이폰은 점 구름을 만들기 위해 점 생성기(Dot projector) 장치를 사용하지만, 점 패턴의 균일도와 시야각이 제한적인 데다가 부피가 크다는 한계가 있었다. 이번 기술은 핸드폰, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 안경, 무인 로봇이 주변 환경의 3D 정보를 인식하는 기술을 나노 광학 소재로 구현했다는 데 의의가 있다. 나노 임프린트 기술을 활용, 안경과 같은 곡면이나 유연 기판과 같은 다양한 표면에도 손쉽게 프린팅할 수 있어 미래 디스플레이의 핵심으로 알려진 AR 글래스 등에 적용하기에 용이하다. 노준석 교수는 “기존 메타표면 장치보다 고도화된 기술을 개발, 모든 각도에서 빛의 전파를 조절할 수 있음을 입증했다“며 “이는 초소형·고(高) 시야각 깊이 인식 센서 플랫폼을 구현할 수 있는 원천 기술이 될 것”이라고 말했다. 한편, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재된 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다.

화학 박선아 교수팀, 반도체 공정으로 금속 유기 골격체 전기 전도도 “73배” 높였다

[연구팀, 화학기상증착법 활용해 2차원 전도성 금속 유기 골격체 합성…최초로 박막 제작 성공] [전기 전도도 획기적으로 높여…기존 합성법의 약 73배] 금속 유기 골격체(MOF, Metal-Organic Framework)*1는 독특한 다공성 구조 때문에 물질을 분리하거나 흡수하기 쉬워, 가스 분리·저장이나 약물 전달, 촉매 등 다방면으로 활용될 수 있는 핵심 소재로 급부상하고 있다. 이 물질을 전자 소자에 적용하기 위해선 전기가 통하는 금속 유기 골격체가 필요한데, 기존의 방법으로는 분말 형태로만 만들 수 있어 전자 기기에 적용시키기 어려웠다. 화학과 박선아·최희철 교수·통합과정 최명근 씨, 화학과·첨단재료과학부 심지훈 교수 연구팀은 일본 도쿄공업대학과의 공동연구로 화학기상증착법(single-step all-vapor-phase chemical vapor deposition)을 활용해 2차원 전도성 금속 유기 골격체의 박막을 합성하는 데 최초로 성공했다. 기존의 전도성 금속 유기 골격체는 주로 용매열 합성(solvothermal synthesis)법으로 만들어졌다. 다만 이 방법으로는 골격체를 분말 형태로만 얻을 수 있어, 산업에 적용 가능한 박막 형태로 제작하기 위해선 복잡한 과정을 거쳐야 했다. 연구팀은 반도체 산업에서 박막을 합성하는 데 주로 쓰이는 화학기상증착법을 적용, 기상 반응을 통해 면적이 큰 전도성 금속 유기 골격체(Cu3(C6O6) 박막을 합성하는 데 성공했다. 특히, 이 박막은 두께가 균일하게 증착될 뿐만 아니라, 표면이 매끄러워 전자 소자를 만들 때 성능을 극대화할 수 있다. 연구 결과, 박막으로 만든 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 크기의 전자 소자는 92.95S/cm(지멘스/센티미터)의 높은 전기 전도도(Electrical Conductivity)를 기록했다. 용매열 합성법으로 만들어진 전도성 금속 유기 골격체 전기 전도도(1.26 S/cm)의 약 73배에 달한다. 이 결과는 그간 분말 형태에서 낮게 나타났던 전기 전도도를 획기적으로 높인 성과로, 전도성 금속 유기 골격체의 잠재적 특성을 정확히 파악하는 실마리가 될 것으로 기대된다. 또, 박막 형태로 만들어져 전계효과 트랜지스터, 화학저항 센서, 전기화학 촉매 등 다양한 전자 소자 제작에 유용하게 활용될 수 있다. 한편, 국제 학술지 ‘JACS(Journal of the American Chemical Society)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 삼성전자의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 금속 유기 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 금속 이온과 유기 분자가 서로 연결되어 만들어진 다공성 물질.

화공 조길원 교수팀, “단 한 마디도 놓치지 않게”…마스크 써도 잘 들리는 똑똑한 마이크로폰

[조길원 교수팀, 시끄러운 환경에서도 목소리 정확히 감지하는 피부 부착형 마이크로폰 패치 개발] [“재난 대응 시 의사소통용 마이크로폰으로 활용…향후 호흡기 질환 진단용 헬스케어 기기로 응용 기대”] 최근 마스크 착용이 일상화되면서 의사소통에 불편함을 겪는 경우가 적지 않다. 소리가 정확하게 들리지 않아 큰 소리로 반복해서 이야기하다 보면 금세 목이 아파진다. 특히나 병원이나 화재 현장과 같이 긴급한 상황에서 의사소통이 잘 이뤄지지 않으면 사고에 빠르게 대응하기가 더욱 어렵다. 이러한 어려움을 한결 덜 수 있는 ‘똑똑한’ 마이크로폰이 나왔다. 화학공학과 조길원 교수·이시영 박사·노하정 연구원 연구팀은 시끄러운 환경에서도 목소리를 정확하게 감지하는 피부 부착형 마이크로폰을 개발했다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 표지 논문(Back Cover)으로 최근 발표됐다. 전화기, 무전기와 같은 마이크로폰은 일상생활이나 작업 현장에서 널리 사용되고 있다. 하지만 기존의 마이크로폰은 주변의 소음이 크거나 바람이 강하게 부는 경우, 마스크로 입을 가려야 하는 경우엔 소리를 정확하게 감지하지 못했다. 연구팀은 일렉트릿(Electret)*1 고분자 재료에 미세전자기계시스템(MEMS, Microelectromechanical System) 기술을 접목해 얇은 패치 형태의 마이크로폰을 제작했다. 일렉트릿 고분자 진동판으로 이뤄진 이 마이크로폰은 별도 배터리 사용의 필요성을 줄였을 뿐만 아니라, 목 피부에 붙이기만 하면 돼 사용자의 편의성을 극대화했다. 개발된 마이크로폰은 사람이 말할 때 발생하는 목 피부의 진동을 이용해 목소리를 감지한다. 콘서트장과 같이 시끄러운 공간에서나, 방독면으로 사용자의 얼굴을 완전히 덮는 상황에서도 마이크로폰을 이용하면 소리를 정확하게 들을 수 있다. 이 기술은 코로나19와 같은 호흡기 질환 유행 시 방호복을 입은 의료진과 소음이 큰 사고 현장에서 방독면·방화복을 착용한 소방관의 의사소통을 도울 수 있어 재난 대응용 기술로 눈길을 끈다. 나아가, 기침의 횟수나 크기를 실시간으로 감지해 호흡기 질환을 진단하거나, 목소리 사용 패턴을 감지해 성대 건강을 진단하는 헬스케어 모니터링 기기로도 응용이 기대된다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 일렉트릿(Electret) 반영구적 분극을 가진 유전체.

화공 정규열 교수팀, 제철소 부생가스의 화려한 변신…바이오 플라스틱 소재 만든다

[한국·스페인 공동연구팀, 인공효소 이용한 이타콘산 대량 생산법 개발] [“제철소 부생가스 발효산물·농수산 부산물 등 값싼 원료 활용…생산비용 대폭 낮춰”] 간편하고 맛있는 배달 음식. 하지만 음식을 먹고 난 뒤 쌓이는 플라스틱은 환경을 급속도로 오염시키며 우리의 미래를 위협하고 있다. 그 대안으로 떠오른 것이 일명 ‘썩는 플라스틱’이라고 불리는 바이오 플라스틱이다. 친환경 원료를 사용하는 바이오 플라스틱은 생산 과정에서 공해 물질을 적게 배출하거나 자연에서 잘 분해된다는 특징이 있다. 최근 한국·스페인 공동연구팀이 쓸모없는 제철소 부생가스 발효산물을 이 바이오 플라스틱으로 재탄생시켰다. 화학공학과 정규열 교수·박사과정 예대열 씨· 노명현 박사· 박사과정 문조현 씨 연구팀은 스페인 농업유전체학연구소(CRAG, Centre for Research in Agricultural Genomics)와의 공동연구로 대장균에서 인공효소를 생성하는 기술을 개발했다. 또, 대장균과 제철소 부생가스 발효산물인 아세트산을 결합해 바이오 플라스틱 소재인 이타콘산을 대량 생산하는 데 성공했다. 이 연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 게재, 우수성을 인정받아 저널 편집자가 선정한 영향력 있는 논문(Editors’ Highlights)으로 소개됐다. 막성 세포소기관을 가진 곰팡이에서 생산하는 이타콘산은 다양한 플라스틱뿐 아니라 화장품, 향균제의 원료로 쓰인다. 올해 세계시장규모가 약 1,300억 원에 이를 만큼 시장 가치가 매우 높지만, 복잡한 공정의 한계와 높은 생산 비용 때문에 생산과 활용이 제한적이었다. 이 때문에 대장균과 같은 산업용 미생물로 이타콘산을 생산하려는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 대장균은 값싼 원료를 활용할 수 있고 배양이 쉽지만, 막성 세포소기관이 없어 이타콘산을 생산하기 위해선 추가적인 원료나 공정이 필요했다. 연구팀은 합성생물학 기술로 인공효소를 개발, 막성 세포소기관이 없는 대장균에서 대장균 성장에 필요한 추가적인 원료 공급 없이 이타콘산을 생산할 수 있는 길을 열었다. 연구 결과, 해당 대장균 내에서 만들어지는 신규 효소가 아세트산에서 부터 이타콘산을 합성하는 효율성을 더욱 높이는 것으로 조사됐다. 이 기술을 활용하면 값싸고 다양한 원료로 이타콘산을 손쉽게 생산하는 미생물 세포공장을 세울 수 있다. 이번 연구성과는 제철소 부생가스 발효산물을 비롯해, 해조류, 목질계 바이오매스(Biomass)*1와 같은 농수산 부산물인 아세트산을 비롯한 여러 부산물로 이타콘산을 생산할 수 있는 핵심 원천 기술로 평가받는다. 석유 화학 물질의 원료를 이타콘산으로 대체함으로써 탄소 중립 사회에 기여하고, 이타콘산 시장 규모를 대폭 확대할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 C1가스리파이너리사업, 중견연구자지원사업, 이공분야 학문후속세대양성사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 바이오매스 생물로부터 얻은 에너지. 나무, 꽃, 풀, 고래기름, 조류와 같은 동·식물 자원에서부터 축산분뇨, 음식물쓰레기, 톱밥에 이르기까지 유기성 폐자원을 모두 포함하는 개념.

물리 김동언 교수팀, 분광계 없이 찰나의 빛 포착한다

[POSTECH·MPK·부산대 공동연구팀, 펨토초(1,000조분의 1초) 단위 레이저 펄스 파헤치는 측정 기술 개발] 바쁜 일정에 쫓겨 정신없이 하루를 보내다 보면 빠르게 지나가는 1분 1초가 아깝게 느껴진다. 그보다 짧은 찰나의 순간에도 쉴 새 없이 벌어지는 일이 있다. 바로 전자, 원자, 분자의 움직임이다. 펨토초(fs, 1,000조분의 1초), 아토초(as, 100경분의 1초) 광원은 원자 또는 분자 단위의 미시 세계에서 촘촘하게 일어나는 자연 현상의 관찰을 가능케 했다. 물리학과·막스플랑크 한국-포스텍연구소(MPK) 김동언 교수, 부산대 광메카트로닉스공학과 김승철 교수·알렉산더 글리세린(Alexander Gliserin) 박사 공동연구팀은 분광계 없이도 펨토초 찰나 빛의 특성을 정확히 알 수 있는 펄스 측정 기술을 개발했다. 비용이 많이 드는 분광계를 사용하지 않아도 돼, 측정 비용과 절차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 기존에는 찰나의 빛의 특성을 알기 위해 하나의 펄스를 균일하게 둘로 쪼갬으로써 시간 정보를 간접적으로 확인하는 방법이 사용됐다. 다만 동일한 펄스 복사본을 사용하는 과정에서 펄스 스펙트럼*1 위상이 손실돼 구체적인 정보를 얻기 어려웠다. 이 때문에 추가적인 분광 측정 등으로 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하는 다양한 광학 계측 방법이 개발됐다. 현재는 FROG 또는 SPIDER 방법이 가장 널리 사용된다. 하지만 여전히 실험 과정이 복잡하고 분광계를 사용해야 해, 더욱 간단한 측정법의 개발은 숙제로 남아 있었다. 연구팀은 두 개의 펄스 중 하나를 약하게 만들어 동일성을 깨는 전략을 세웠다. 펄스의 세기를 불균형하게 만들어 동일성을 깨면, 위상 정보가 보존됨을 보이고, 이 위상 정보를 추출하여 완벽한 펄스 특성을 파악할 수 있음을 보였다. 이 기술로 6 펨토초의 레이저 펄스에 대한 측정 결과와 기존 FROG 기술로 측정한 값과 비교하여, 일치성이 매우 높은 것을 증명했다. 이 새로운 기술을 PENGUIN(Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced INtensity, 불균형세기 위상활용 비선형 추출)이라고 명명하였다. 이 새로운 기술을 도입하면 극고속 비방사 전기장을 정확히 측정할 수 있다. 극고속 비방사 전기장은 스펙트럼 정보를 알기 어려운 현상으로, 지금까지 정확한 측정이 불가능했다. 즉, 이번 연구성과는 스펙트럼 정보 없이도 찰나의 빛의 시간적 특성을 알 수 있도록 한 획기적인 결과로 이목을 끈다. 한편, 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 펄스 스펙트럼 펄스의 종축모드 성분의 주파수 분포 특성