Research

IT융합‧전자 김철홍 교수팀, '빛' 이용해 몸속 깊은 곳 고통 없이 들여다보자

[김철홍 교수팀, 계면활성제 제거된 반도체 고분자 이용한 광음향 영상법 개발] 빛을 이용해 몸속 깊은 곳을 고통 없이 들여다볼 수 있는 길이 열렸다. 레이저를 생체 조직에 쬐었을 때 생기는 초음파를 이용해 몸속을 볼 수 있게 하는 광음향 영상은 고통을 주지 않는 영상 장비로 주목받고 있다. 다만 아직까지 광음향 영상으로 생체의 심부(深部) 조직까지 보기는 어려워, 이를 개선하고 임상에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. IT융합공학과‧전자전기공학과‧기계공학과 김철홍 교수·박별리 박사 연구팀은 중국 톈진대학교 유미아오 장(Yumiao Zhang) 교수·박사과정 위안멍 딩(Yuanmeng Ding) 씨 연구팀과의 공동연구를 통해 생체의 심부 조직을 볼 수 있는 광음향 영상법을 제안했다. 이 연구성과는 계면활성제를 제거한 반도체 고분자 미셀(micelle) 입자*1 기반의 조영제와 1,064나노미터(nm) 레이저를 이용해 쥐의 생체 내 최대 5.8cm 깊이에서 위장과 방광을 성공적으로 관찰한 결과다. 이는 전세계 광음향 전임상 연구 중에서 가장 깊은 영상 침투 깊이라는 점에서 의의가 있다. 조영제는 광음향 영상을 더 선명하게 볼 수 있도록 도와주는 물질을 말한다. 광음향 영상은 빛을 흡수한 조직이 순간적으로 열팽창하면서 발생하는 음파(광음향) 신호를 초음파 센서로 감지해 영상화하는 원리를 이용한다. 쉽게 얘기하면 번개나 천둥의 원리와 같다. 광학을 이용하는 영상 기술로는 1mm 미만의 얕은 깊이만을 볼 수 있지만 광음향 영상으로는 인체 조직 내 수 cm까지 볼 수 있다. 심부 조직에 위치한 장기를 더 자세히 볼 수 있게 하는 광음향 조영제에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있지만, 지금까지 활용된 650~900nm의 단파장 빛은 생체 깊은 곳까지 전달하기 어렵다는 한계가 있었다. 김철홍 교수팀은 1,064nm의 장파장 빛을 강하게 흡수하는 반도체 고분자 미셀 입자에서 계면활성제를 제거한 후 광음향 조영제로 사용했다. 반도체 고분자가 생체적으로 안전함을 검증했으며, 쥐의 위장관, 방광에 조영제를 주입해 최대 5.8cm 깊이에서 광음향 영상을 확인했다. 김철홍 교수팀의 광음향 영상법은 방사선을 이용하는 컴퓨터단층촬영(CT) 등과 다르게 피폭 위험 없이 심부 조직에서 생긴 질병의 진단을 도울 수 있다. 더해서, 1,064nm 파장의 레이저는 비교적 가격이 저렴하고 일반 상용 초음파 장비와 함께 사용할 수 있다는 장점이 있다. 김철홍 교수는 “이번 연구는 최대 5.8cm로 가장 깊은 깊이의 생체 내 광음향 영상을 확인하는 데 성공했다는 점에서 기술적 가치가 크다”며 “이와 같은 전임상 연구는 향후 사람을 대상으로 한 임상 연구를 위한 필수 관문으로, 향후 광음향 영상의 임상 적용을 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소지원사업, 중견연구자지원사업, BK21 FOUR 지원사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 나노 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 지난 1일 게재됐다. 1. 반도체 고분자 미셀 입자 반도체 고분자는 반도체의 전기적 특성을 보이는 탄소 화합물을, 미셀은 계면활성제가 일정 농도 이상에서 모인 집합체를 말한다.

기계 김동성 교수팀, 이종 나노섬유 매트로 ‘펄떡펄떡’ 뛰는 인공 심장 근육 패치 개발

[김동성 교수팀, 아주 얇은 두께의 이종 나노섬유 매트 이용해 심장 근육 패치 개발] 끊임없이 수축과 이완을 반복하며 혈액을 전신으로 공급하는 심장은 심근의 3차원 이방성 구조를 통해 공간을 ‘쥐어짜는‘ 수축 기능을 구현한다. 이러한 심장의 쥐어짜는 기능을 구현하기 위해 3차원 심근조직을 모사하려는 시도가 있었지만 그 복잡성으로 인해 인공적으로 3차원 심근조직을 재건하기가 어려웠다. 최근 연구팀이 심장처럼 몸 밖에서도 펄떡펄떡 뛰는 수축 기능을 가진 심장 근육 패치를 최초로 개발해, 심근경색 환자의 심장 기능을 되살릴 수 있는 가능성을 제시했다. 기계공학과 김동성 교수·통합과정 엄성수 씨, IT융합공학과·기계공학과 장진아 교수 연구팀은 아주 얇은 두께의 이종 나노섬유 매트를 이용해 심장 근육 패치를 개발했다. 이 나노섬유 매트는 10μm(마이크로미터, 1μm=100만분의 1m; 머리카락 두께의 10분의 1 크기) 두께의 얇은 천으로, 영양분이나 산소만 통과시켜 심장의 심근세포가 매트 밖으로 빠져나가지 못하게 해 정렬된 심장 근육 패치 구현이 가능해진다. 연구에서 김동성 교수팀은 빼빼로를 차곡차곡 모으듯 나노섬유 여러 개를 한 방향으로 정렬시켜 모았다. 그리고 다른 각도로 정렬된 나노섬유 매트들을 입체적으로 쌓아 심근의 3차원 이방성 구조를 재현했다. 심근의 3차원 이방성 구조란 심장 근육이 일정 방향으로 정렬된 구조의 결들이 입체적으로 겹쳐 있는 구조를 의미한다. 심장의 심근세포는 이 정렬된 나노섬유 매트를 따라 자라나면서 근육에 일정 방향의 결을 만들게 된다. 이 얇은 매트들을 3차원으로 쌓아 올려 심장 근육의 입체적 결을 재현시킴으로써 손상된 심장 근육의 수축 기능을 다시 살릴 수 있는 것이다. 실제로 인간유도 만능줄기세포로부터 분화된 심근세포를 정렬시켜 배양한 후 이를 3차원으로 쌓아 올려 펄떡이는 수축 기능을 모사할 수 있음을 확인하였다. 이 결과는 심근세포가 배열되는 나노섬유 매트의 중심부를 아주 얇은 두께로 유지하면서도 주변부의 기계적인 안정성을 확보해 입체적인 심장 근육 패치를 개발한 최초의 성과다. 그동안 한 방향으로 정렬된 나노섬유 매트가 심장 근육 재생에 큰 잠재력이 있다고 여겨졌으나, 기계적인 안정성이 부족해 실제로 수축성이 있는 심장 근육 패치로 활용되지는 못해왔다. 김동성 교수팀은 정렬된 나노섬유 매트를 중심부에, 무작위로 쌓인 나노섬유 매트를 주변부에 패터닝한 이종 나노섬유 매트를 제작해 이를 동시에 해결할 수 있었다. 김동성 교수는 “이 기술은 향후 심장 질환이 일어나는 원인을 연구하는 인공 심장 질병 모델을 구축하거나 급성 심근경색으로 인해 손상된 심장을 재생하는 데 활용이 가능할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 재료과학·복합소재 분야 최상위 국제학술지인 ‘복합재료 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’에 온라인으로 게재됐다.

물리 송창용 교수팀, 2m 길이 DNA가 100만분의 1 크기로 줄어드는 비밀 밝힌다

[송창용 교수팀, 방사광가속기 이용해 인간 염색체의 고해상도 입체 구조 관측] 실이나 이어폰 줄을 좁은 공간에 아무렇게나 두면 쉽게 꼬여버린다. 이와 달리 우리 몸의 DNA는 실처럼 길게 풀어져 있다가도 세포가 분열할 때 100만분의 1 크기인 막대 모양 염색체로 뭉치는 과정을 반복한다. 길이가 2미터(m)에 달하는 DNA에 그대로 세포 분열이 일어나면 유전 정보가 손상되거나 상실될 위험이 있기 때문에, 유전 정보를 정확하게 전달하기 위해선 염색체의 응축이 필수적이다. 물리학과 송창용 교수‧성대호 박사, 전재형 교수‧통합과정 임찬 씨, 광주과학기술원(GIST) 노도영 교수 연구팀은 3세대 방사광가속기의 엑스선을 이용해 뭉쳐 있는 상태의 인간 염색체를 나노미터(nm) 수준의 분해능으로 관측한 연구 결과를 미국국립과학원회보(PNAS)에 발표했다. 엉키지 않고 100만 분의 1 크기로 뭉쳐지는 염색체의 응축 과정과 이를 가능케 하는 염색체의 입체 구조는 지난 반세기 이상 많은 연구자의 관심을 지속적으로 불러 모았으나 염색체가 뭉쳐 있는 모습 그대로를 확인하기는 어려웠다. 염색체의 일부 성분만을 검출하거나 길게 풀려있는 상태를 보고 뭉친 상태를 추정해야 했던 것이다. 이번 연구는 염색체를 급속 냉동 후 극저온 상태를 유지한 뒤 첨단 방사광가속기에서 발생한 결맞는 엑스선을 활용해 염색체의 3차원 입체 구조를 선명하게 확인했다. 염색체를 얇게 자르거나 염색하는 기존의 기술적 방법과 달리 원형 상태의 염색체의 구조를 밝혀낸 연구 성과다. 이를 통해 연구팀은 염색체가 기존 연구로 알려져 있던 계층적 구조가 아닌 프랙탈 구조*1로 형성됐음을 확인했다. 이와 함께 염색체의 응축 과정을 보여주는 물리적 모형을 제시하기도 했다. 송창용 교수는 “첨단 방사광가속기의 결맞는 엑스선을 이용해 오래된 난제였던 염색체의 3차원 구조를 나노미터(nm) 수준의 고해상도 이미지로 밝혀냈다”며 “생명체의 중요한 특성인 유전 현상을 이해하는 실마리를 제공함과 동시에 연구에서 개발된 기법은 바이러스 입자 등 그 상세구조가 중요한 다양한 물질의 입체구조를 밝히는 데 활용될 예정”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구지원사업(SRC), 국제공동연구사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 PNAS에 16일자로 게재된다. 1. 프랙탈 구조 일부의 작은 조각이 전체와 비슷한 모양을 띤 구조

신소재 한세광 교수팀, 위(胃)에 ‘쏙’ 들어가서 ‘쑥’ 빠지는 경구 약물 전달용 모터 나왔다

[한세광 교수팀, 헬리코박터균 모사 마이크로모터 개발] 국내 연구팀이 위점막을 통과해 24시간 이상 위에 머물면서 약물을 전달한 후 완전히 몸 밖으로 배출되는 마이크로모터를 개발했다. 위점막과 점액 사이에서 기생하는 헬리코박터 파일로리균은 효과적으로 위점막을 통과하는 특성이 있다. 신소재공학과 한세광 교수, 최현식 박사 연구팀은 이러한 헬리코박터 파일로리균의 특징을 모사해서 위점막을 통과해 24시간 이상 약물을 위(胃)에 전달하는 요소분해효소(urease) 기반의 마이크로모터 약물전달체를 개발했다. 아주 작은 크기의 마이크로·나노모터는 추진력이 있어서 신개념의 약물전달체로 각광 받고 있다. 지금까지 연구, 개발된 마이크로·나노모터는 일반적으로 아연과 마그네슘과 같은 금속 성분으로 만들어져 몸속 장기의 수분과 반응해 생기는 과도한 추진력에 의해 일부 장기 손상을 야기할 수 있으며, 약물을 전달한 후 전달체가 분해되지 않은 채 몸속에 남는다는 문제가 있었다. 한세광 교수팀은 헬리코박터 파일로리균이 위 점막을 뚫고 위 안에서 오래 살아 남는 특징에 착안해 생분해성 고분자를 이용한 요소분해효소 추진 마이크로모터를 개발했다. 이 모터는 모터 표면의 요소분해효소와 요소(urea)가 반응해 암모니아 가스가 생성되면서 추진력이 생기는데 이때 위 점막의 수소농도이온지수(pH)가 높아져 모터 주변이 액화됨에 따라 점막 안으로 약물을 전달할 수 있다. 동물실험 결과, 입으로 투여된 마이크로모터는 24시간 동안 위에 머물렀으며 약물을 방출한 지 3일이 지난 후 완전히 몸 밖으로 배출됐다. 즉, 생체적합성에도 전혀 문제가 없음을 동물실험 및 조직학적 분석을 통해 확인했다. 한세광 교수는 “이번에 개발한 마이크로모터는 기존의 약물전달시스템보다 위벽을 강하게 투과하여 오래 머무를 수 있다”며 “이를 위장염, 위암과 같은 다양한 위 질환 치료에 효과적으로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업의 지원으로 이뤄졌으며, 본 결과는 생체재료과학 분야 학술지 ‘바이오액티브 머터리얼즈(Bioactive Materials, IF = 14,593)’와 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials, IF = 12.479)’에 온라인으로 게재됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 커피 증발하는 원리로 눈 ‘번쩍’ 뜨이는 반도체 입자 만든다

[노준석·조항진 교수팀, 커피링 효과 이용해 기존 소재 대비 20배 밝은 퀀텀닷 배열법 개발] 흘린 커피를 바로 닦아내지 않으면 커피 자국의 가장자리가 다른 부분보다 진하게 남는 모습을 볼 수 있는데, 이를 커피링 효과(coffee ring effect)라고 한다. 연구팀은 이같은 원리를 이용해 아주 작은 반도체 입자인 양자점(퀀텀닷, quantum dot)의 배열법을 개발했다. 이 기술을 이용하면 간단한 방법으로 기존 대비 20배 이상 선명한 영상을 볼 수 있는 디스플레이를 개발할 수 있다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과·첨단원자력공학부 조항진 교수, 김무환 교수, 첨단원자력공학부 한태양 박사, 기계공학과 통합과정 노재범 씨 연구팀은 현탁액(suspension)이 증발할 때 일어나는 현상을 이용해 퀀텀닷 배열법을 개발했다. 현탁액이란 흙탕물, 먹물, 페인트 등과 같이 내부에 고체 입자가 분산해 떠 있는 액체를 말한다. 수 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 크기의 퀀텀닷은 유체가 흐르는 대로 잘 따라간다. 컵에 커피 방울이 흘러내린 채로 두면 커피 자국이 남듯, 퀀텀닷 입자를 담은 현탁액이 증발하면 이 입자들은 모세관력에 의해 액체 방울의 가장자리와 같은 특정 영역에 자동으로 배열된다. 이 성질을 이용하기 위해 다양한 방법이 시도됐지만, 실제로 디스플레이에 활용할 수 있는 정도의 밝기 구현은 어려웠다. 지금까지는 고가의 장비를 이용해 퀀텀닷을 기판 위에 직접 찍어내는 방식이었기 때문에 제품 단가도 덩달아 높아졌다. 이러한 한계를 극복하기 위해 노준석·조항진 교수팀은 브이(V)자 구조물을 이용해 현탁액 증발 과정에서 퀀텀닷을 아주 작은 크기의 화소 형태로 배열하고자 했다. 액체를 붓고 증발시키면 V자 안쪽에 액체가 빨려 들어가 입자가 쌓이도록 하는 방식이다. 연구 결과, 이 방식으로 제작된 퀀텀닷 화소의 밝기는 비교군보다 20배 이상 밝았으며, 각 화소 간 밝기 균일도는 98% 이상으로 매우 균일했다. 노준석 교수와 조항진 교수는 “최근 가전 업계에서는 밝고 자연스러운 영상을 보기 위해 퀀텀닷을 TV의 컬러필터에 활용하고 있다”며 “이번에 개발한 퀀텀닷 배열법을 이용하면 고가 장비 없이도 현탁액을 뿌리기만 하면 밝은 퀀텀닷 화소가 만들어지기 때문에 퀀텀닷 디스플레이의 제작 비용을 줄일 수 있다”고 말했다. 미국화학회가 발행하는 국제학술지 ‘ACS 어플라이드 머터리얼즈 앤 인터페이시스(ACS Applied Materials and Interfaces)’에 최근 게재된 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, RLRC선도연구센터사업, 핵융합기초연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

전자·IT융합 김철홍 교수팀, AI가 내 몸 영상 바로잡아 선명도 높인다

[김철홍 교수팀, AI 이용해 음속 차이로 인한 광음향 영상 왜곡 제거 기술 개발] 몸 안에 퍼지는 음파의 속도(음속)를 정확히 알수록 선명한 초음파나 광음향 영상을 볼 수 있다. 그러나 음속은 사람마다 다를뿐더러 한 사람의 몸속에서도 근육, 뼈, 지방 등 서로 다른 음속을 가진 성분이 임의로 분포돼 있어 정확하게 예측하기 더욱 어렵다. 최근 국내 연구팀은 인공지능(AI)으로 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시했다. 전자전기공학과·IT융합공학과 김철홍 교수, 전승완 박사 연구팀은 AI를 활용해 음속 차이로 인한 광음향 영상의 왜곡을 바로잡는 기술을 개발했다. 광음향 영상은 빛을 인체 조직에 쬐었을 때 빛을 흡수한 조직이 순간적으로 열팽창하면서 발생하는 음파(광음향) 신호를 초음파 센서로 감지해 영상화하는 원리를 이용한다. 광학을 이용한 영상 기술로는 1mm 미만의 얕은 깊이만을 볼 수 있지만 광음향 영상으로는 인체 조직 내 수 cm까지 볼 수 있다. 다만 기존의 초음파나 광음향 영상은 음속을 1,540m/s 등의 대푯값으로 가정해, 영상이 왜곡되는 문제가 생길 수 있었다. 영상 시스템의 한계로 인해 신호를 충분하게 얻지 못한 채 영상을 확인해야 할 때도 있었다. 이 경우 영상에 결함(artifact)이 나타나 영상 판독에 방해가 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 김철홍 교수팀은 시뮬레이션 상에서 임의로 매질의 음속을 설정해 왜곡한 광음향 영상과 그렇지 않은 실제 광음향 영상을 만들었다. 이에 따라 AI를 학습시켰고, 시뮬레이션 된 연습 영상과 실제 사람에게서 확인한 광음향 영상에 적용해 효과를 확인했다. 연구 결과, 기존 광음향 영상에서 발생하던 왜곡이 줄어들면서 주요 신호 주변에 나타나던 결함 신호의 크기가 기존 광음향 영상의 최대 5% 수준까지 감소했으며, 신호대 잡음비는 약 25데시벨(dB)까지 높아졌다. 영상 시스템의 128개 채널에서 수신한 신호 중 64개 채널만 사용하는 경우에도 AI는 거의 동일한 화질의 광음향 영상을 만들었다. 구체적으로 건강한 사람의 팔과 발의 혈관 영상, 흑색종 환자의 몸 안 광음향 이미지의 왜곡이 줄어들고 선명도가 개선됐으며, 산소포화도 등 주요 진단 정보는 5% 내외 정도의 차이만 발생해 기존 U-net, Segnet 등의 AI 모델보다 우수함을 입증했다. 이 기술은 매질이 임의의 음속 분포를 가지고 있거나 데이터 샘플링이 드문 실제 임상 환경에서도 활용 가능하다. 김철홍 교수는 “이 기술을 활용하면 빠른 시간 안에 선명한 이미지를 볼 수 있다”며 “향후 팔이나 다리 등 인체 말단 부위의 혈관 질환 진단, 흑색종 등의 암 진행단계 판단 및 절제를 위한 정확한 경계 설정 등 다양한 임상 연구에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 SCI급 국제학술지(IEEE Transactions on Image Processing)에 최근 게재됐으며, 과학기술정보통신부 중견연구와 시스템반도체 융합전문인력 육성사업, 교육부 대학중점연구소 지원사업, 보건복지부 의료기기 기술개발사업, 4단계 BK21사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

환경 감종훈 교수팀, 지진에 대한 관심도 ‘부익부 빈익빈’, 빅데이터가 말한다

[감종훈·김진희·서영주 교수, 국제적 지진 관심도 분석] [사망자 多 10개 지진 중 개발도상국 발생 7개는 관심도 낮아] 2010년 아이티 대지진과 2011년 동일본 대지진 중 국제 사회로부터 더 많은 관심을 받은 지진은 무엇일까? 빅데이터가 그 답을 제시했다. 흔히 피해가 클수록 관심도 클 것이라고 생각하지만, 실제로는 지진 발생 국가의 소득 수준에 따라 국제 사회의 관심도 달라지는 것으로 나타났다. 환경공학부 감종훈 교수, 인문사회학부 김진희 교수, 인공지능대학원 서영주 교수팀은 구글 트렌드와 위키피디아 검색량 데이터를 이용해 2004년 이후 일어난 지진 중 피해 규모와 국제 사회의 관심도 간 관계성에 대한 연구를 시작했다. 지금까지 국제 지진 구호 정책에 대한 연구가 이뤄지긴 했지만 대부분 설문조사나 인터뷰 방식으로 진행돼 표본 집단의 크기가 제한적이었다. 실시간으로 설문조사를 진행할 수도 없어, 과거 사례는 국가별 관심도를 심도 있게 이해하는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 미국 해양대기청에서 제공하는 지진 데이터와 구글 트렌드에서 제공하는 정보 검색량 데이터를 토대로 2004년 이후로 사망자가 많았던 지진과 관심도가 높았던 지진을 각각 10개씩 추려냈다. 관심도가 얼마나 지속되는지는 정보 검색량을 활용한 통계적 모델과 세계은행(World Bank)에서 제공하는 연간 1인당 국민소득에 기반해 분석했다. 그 결과, 2004년 이후 가장 많은 사망자가 발생한 10개 지진 중 개발도상국에서 발생한 7개 지진은 국제 사회의 관심을 받지 못한 반면, 선진국에서 발생한 지진은 상대적으로 많은 관심을 받았다. 구체적으로 지진에 대한 관심은 대개 관련 사망자 수와 상관없이 1주일 이내로 사라졌으나, 연간 1인당 국민소득 1만~2만 달러인 국가에서 발생한 지진에 대한 관심은 관련 사망자 수가 늘어남에 따라 2주까지 지속됐다. 또한 국제 사회의 지진에 대한 관심도는 주요 서양 국가(오스트레일리아, 벨기에, 브라질, 덴마크, 프랑스, 네덜란드, 스페인, 스위스, 영국)에 의해 주도되는 경향이 있었다. 이들 국가는 향후 국제 지진 구호 활동에도 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다. 환경공학부 감종훈 교수는 “이번 연구에 따르면 개발도상국에서 발생하는 지진 피해를 줄이기 위해선 선진국이 국제 지진 구호 프로그램에 자발적으로 참여하고 지진 피해 상황을 2주 안에 알리는 적극적인 자세를 가져야 한다”며 “자발적으로 모금에 참여하도록 하는 국제 구호 정책의 마련 또한 시급하다”고 말했다. 인문사회학부 김진희 교수는 “국제적인 재난 관련 정보의 흐름을 구글 트렌드에 기반해 능동적으로 살펴본 이번 연구는 기존 문헌과 차이가 있다”며 “정보를 빠르고 폭넓게 전달하는 기술이 발달했더라도 여전히 국제적인 정보 불평등이 지속되는 것으로 보인다”고 말했다. 이번 연구는 인공지능대학원 서영주 교수와 박지훈 석사가 빅데이터 분석에 참여했으며, 데이터 해석에 △이탈리아 국립 문화재 연구소(Institute of Heritage Science, National Research Council, Italy) 파브리지오 기지(Fabrizio Gizzi) 박사 △이탈리아 살렌토 대학(University of Salento) 경제학부 도나텔라 포리니(Donatella Porrini) 교수 △미국 앨라배마대학교(The University of Alabama) 지질학과 완윤(Wanyun) 교수 등이 참여했다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실 사업과 정보통신기획평가원 인공지능대학원 사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 결과는 ‘스프링거 네이처(Springer-Nature)’에서 출간하는 온라인 학술지 ‘휴머니티스 앤 소셜 사이언스 커뮤니케이션(Humanities and Social Sciences Communications)’에 최근 게재됐다.

기계·화공 노준석 교수팀, 코로나바이러스의 ‘색’, 선명하게 볼 수 있다

[노준석 교수, 가시광 전 영역에서 작동하는 수직형 하이퍼볼릭 메타물질 기반 음굴절 슈퍼렌즈 개발] [“초고해상도 컬러 이미징 가능” 장점] 코로나바이러스의 색깔은 무엇일까? 기존의 광학현미경으로는 바이러스와 세균을 높은 해상도의 색깔 있는 이미지로 보기 어렵다. 바이러스와 세균을 실감 나게 보기 위해 고가의 장비를 사용하지만 후처리 시간이 오래 걸리거나 흑백 이미지만을 볼 수 있는 상황이다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 조한륜 씨 연구팀은 최초로 가시광 전체 영역에서 음수의 굴절률(음굴절)이 나타나는 수직형 하이퍼볼릭 메타물질에 기반한 슈퍼렌즈를 개발했다. 빛을 자유자재로 조절하는 물질인 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하면 자연계 물질에는 존재할 수 없는 음굴절을 구현할 수 있다. 가시광 전체 영역에서 음굴절이 나타나면 회절한계*1를 초월해 높은 해상도의 이미지를 볼 수 있다. 이전에 흑백으로만 볼 수 있던 바이러스와 세균 본연의 색을 볼 수 있기도 하다. 다만 금속과 절연체가 번갈아 수평으로 쌓인 구조의 수평형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용했을 땐 좁은 대역폭에서만 음굴절이 가능하다는 한계가 있었다. 이론적으로 수직형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하면 넓은 대역폭에서 음굴절이 가능하지만 제작 공정이 어려워 실제로 구현된 적은 없었다. 노준석 교수팀은 하이퍼볼릭 메타물질의 물성과 음굴절이 가능한 최대 두께 사이의 관련성을 연구해, 기존의 나노 공정 장비로 충분히 제작할 수 있는 하이퍼볼릭 메타물질을 설계했다. 연구 결과, 노준석 교수팀은 개발된 메타물질이 450~550나노미터(nm)의 파장 대역에서 음굴절을 보인다는 사실을 실험적으로 검증했다. 이론적으로 수직형 하이퍼볼릭 메타물질은 가시광 전체 영역을 포함하는 초광대역에서 음굴절이 나타날 수 있다. 다만 아직 목표에 도달하기엔 재료와 기술상의 한계가 있어, 이번 연구에서는 100nm 대역폭에 그쳤다. 이번 연구에서 수직형 하이퍼볼릭 메타물질의 설계 방법과 공정 방법이 제시됨에 따라 추후 초광대역 영역에서 음굴절을 보이는 메타물질을 설계·제작할 수 있을 것으로 기대된다. 해당 메타물질을 초광대역 초고해상도 박막 렌즈, 초고해상도 풀컬러 광학 현미경 등에 응용할 수도 있다. 이로써 1968년 러시아의 수학자 빅토르 베셀라고(Victor Veselago)가 음굴절을 수학적으로 예측한 이후 50여 년 만에, 눈에 보이는 가시광선 전 영역에서 음굴절을 관찰할 수 있게 됐다. 노준석 교수는 “이번 연구에서 수직형 하이퍼볼릭 메타물질을 실험적으로 검증함으로써 기존 수평형 하이퍼볼릭 메타물질의 가장 큰 단점인 좁은 대역폭의 개선 가능성을 확인했다”며 “이는 코로나바이러스를 비롯한 바이러스·세균의 정확한 이미지를 구현할 수 있게 되는 등 나노광학의 산업화 가능성을 보여주는 연구로서 중요한 의미가 있다”고 말했다. 이번 연구 결과는 광학 분야 JCR(Journal Citation Report) 상위 10%인 세계적인 학술지 ‘나노포토닉스(Nanophotonics)’에 최근 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 1. 회절한계 빛이 퍼져나가면서 중첩돼 나타나는 광학현미경 해상도의 한계. </p

화학 박준원 교수, 피 한 방울로 암 조기진단이 눈앞에

[박준원 교수 “유전자 증폭 없이 변이유전자 검출 가능”] 혈액에서 암 유전자를 검출하는 액체생검(liquid biopsy)은 조직을 채취하는 생검(biopsy)에 비해 편할 뿐 아니라, 조직이 전체를 대표하지 못해 나타나는 문제가 없어 큰 관심을 끌고 있다. 현재는 적은 수의 암 유발 변이유전자를 검출하기 위해 액체생검 시 유전자를 증폭하는 방법을 사용한다. 그러나 정확도가 떨어진다는 한계가 있어 이를 개선하고 진단의 신뢰성을 높일 방법이 필요했다. 최근 화학과 박준원 교수 연구팀은 서울대학교 의과대학, 서울성모병원과의 공동 연구에서 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope)을 이용해 유전자를 증폭하지 않고도 변이유전자를 검출하는 방법을 개발했다. 연구 결과, 박준원 교수팀이 개발한 액체생검 방법은 유전자 증폭에 의존하지 않기 때문에 100%에 가까운 특이도를 보이면서도 혈액 속 1~3개의 변이유전자까지도 찾아낼 수 있는 높은 민감도를 나타냈다. 또한 박준원 교수팀은 POSTECH과 가톨릭대학교가 2005년 공동 설립한 POSTECH-가톨릭대의생명공학연구원에서 서울성모병원 진단검사의학과 김용구, 김명신 교수와 연구팀을 이뤄, 실제 암 환자의 혈액에서도 개발한 액체생검이 잘 작동함을 확인했다. 해당 내용은 저명한 나노 분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다. 박준원 교수는 “최종적으로는 개발한 방법을 활용해 인류를 암의 위협으로부터 구출하는 게 목표”라며 “이 기술은 확장성이 크기 때문에 향후 치매 조기진단 분야로의 응용도 고려하고 있다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아서 이뤄졌다. 개발한 액체생검은 향후 의료 진단 전문 벤처기업인 ㈜엔비포스텍을 중심으로 실용화를 추진할 예정이다. 서울성모병원 내 표준 연구실(Reference Laboratory)를 설치해 연구용 임상시험과 허가용 임상시험도 시행할 계획이다.

화공 한정우 교수팀, 값싼 탄소계 촉매가 탄소중립 이끈다

[한정우 교수팀, CO2 전환 촉매 스크리닝 시스템 개발, 컴퓨터 시뮬레이션으로 촉매 평가·선별…합리적 설계 가능] 배출한 이산화탄소(CO2)를 흡수해 실질적인 배출량을 0으로 만드는 ‘탄소중립’은 한국뿐만 아니라 전 세계의 목표다. 이 때문에 환경오염 없이 이산화탄소를 없애고, 심지어는 유용한 자원으로 변환하는 전기화학적 이산화탄소 전환 기술이 주목받고 있다. 그러나 아직까지 전기화학적 이산화탄소 전환 촉매를 개발하기 위해서는 많은 비용과 시간이 소모된다는 한계가 있었다. 최근 화학공학과 한정우 교수, 박병준 씨, 잉 왕(Ying Wang) 박사, 이예찬 씨 연구팀은 제일원리 계산을 통해 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 위한 촉매 스크리닝 시스템을 개발했다. 제일원리 계산이란 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 금속-질소-탄소계(M-N-C) 촉매를 평가하고 선별하는 체계화된 시스템을, 스크리닝이란 수많은 샘플을 분석해 최적의 샘플을 찾아내는 방법을 말한다. 한정우 교수팀은 촉매 스크리닝 시스템 개발에 밀도범함수 이론을 적용해 촉매의 선택성, 활성, 구조적 안정성을 계산했다. 그 결과를 바탕으로 23개의 금속-질소-탄소계 촉매 중 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 금속 3개를 실제 촉매로 합성했다. 금속-질소-탄소계(M-N-C) 촉매는 금이나 은 같은 비싼 금속을 대체해 생산 효율성을 높인다는 장점이 있다. 연구 결과, 한정우 교수팀은 촉매 스크리닝 시스템을 도입해 전기화학적 이산화탄소 환원 개발을 위한 비용과 시간을 획기적으로 단축할 수 있었다. 이 시스템을 사용하면 전기화학적 전위에 따른 활성(activity)과 선택성(selectivity)의 변화를 성공적으로 예측할 수도 있다. 한정우 교수는 “제일원리 계산으로 구축한 촉매 스크리닝 시스템을 이용하면 비용과 시간이 소모되는 실험 과정을 줄여 합리적으로 촉매를 설계할 수 있다”며 “이산화탄소 전환용 촉매뿐만 아니라 다양한 에너지 분야의 촉매 연구에 응용 가능해, 에너지 문제 해결에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구 결과는 최근 세계적인 나노 분야 학술지 ‘스몰(Small)’에 표지논문으로 게재됐으며, 한국연구재단 미래소재디스커버리사업과 수소에너지혁신기술개발사업, 포스코 그린사이언스사업의 지원을 받아 이뤄졌다.