Research

기계 김동성 교수팀, ‘해삼’처럼 물 만나면 모양 바꾸는 소프트 액추에이터

[수분 반응 하이드로젤 액추에이터 기반 소프트 로봇 개발] ‘바다의 산삼’이라고 불리는 해삼. 해삼은 울퉁불퉁 둥글고 긴 모양을 하고 있지만, 손으로 만지면 처음엔 부드럽다가 딱딱하게 변한다. 조그마해졌다가 몇 미터씩 늘어질 수도 있고, 죽어 말라비틀어져도 물만 부으면 원상태로 돌아간다. 이렇게 몸이 변하는 해삼의 조직을 모사해 POSTECH 연구팀이 가변형 액추에이터를 개발했다. 기계공학과 김동성 교수, 최이현 박사 (현 ㈜에드믹바이오 연구개발팀 팀장), 한현석 석사 연구팀은 해삼의 가변특성을 갖춘 콜라겐성 조직으로부터 영감을 받아 기존 소프트 액추에이터(soft actuator)를 뛰어넘는 강력하고, 빠른 수분 반응을 바탕으로 하는 자가 작동 유연 액추에이터를 개발했다. 이 연구성과는 국제학술지인 ‘재료화학 A 저널(Journal of Materials Chemistry A)’ 최신호에 표지논문으로 게재됐다. 해삼의 몸은 콜라겐성 조직(mutable collagenous tissue)으로 이뤄져 있어서 주변 상황에 맞게 단단해지거나 부드러워질 수 있다. 특히, 해삼의 탄성률(elastic modulus)을 수초 내에 10배까지 변화시킬 수 있어서 순식간에 작은 바위틈 사이로 들어가거나 몸을 부풀려 포식자를 위협할 수도 있다. 이는 해삼이 체내 화학조절제의 분비량을 조절함으로써 콜라겐성 조직 내에 있는 수소결합이 형성되거나 파괴되어 일어나는 변화이다. 액추에이터는 모터나 스위치처럼 전기적인 신호의 변화를 이용하여 물리적인 상태를 바꿔주는 장치(rigid device)를 말한다. 그러나 물을 에너지원처럼 활용하는, 물에 반응하는 소프트 액추에이터의 경우, 움직임이 부드럽기 때문에 변형이 잘되어야 하는 소프트 로봇 분야(soft robotics)에 적용할 수 있다. 하지만 지금까지의 소프트 액추에이터는 낮은 강성과 느린 작동 속도 때문에 한계가 있었다. 연구팀은 물과 반응해 형태를 자유롭게 바꾸는 해삼의 콜라겐성 조직으로부터 영감을 받아, 액추에이터에 프로그래밍이 가능하도록 설계했다. 이렇게 개발된 액츄에이터는 아주 유연하게 변하는 대용량 나이팜(bulk pNIPAAm) 하이드로젤을 바탕으로 80℃ 물과 같은 극한 환경 속에서도 기존의 물을 에너지원으로 사용하는 소프트 엑추에이터의 200배(2뉴턴)에 버금가는 작동력과, 300배(1/3초) 빠른 작동 속도를 보였다. 그 밖에도 여러 번의 테스트를 통해, 액추에이터에 매우 높은 변형률(300%)이 가했음에도 불구하고 원형을 복원하는 견고함을 보였다. 개발된 액추에이터는 사람의 팔과 같이 재료 잡기, 들어 올리기와 같은 작업을 하는 로봇 그리퍼(Gripper)와 같은 산업용 로봇이나 상처를 봉합하는 상처 봉합기(wound closure), 인공 손가락 등 산업계와 생체의학 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 김동성 교수는 “수분이 소프트 로봇에 닿으면 동작하는데, 유연하고 변형이 잘 되어 다양한 환경에서 적응이 가능하다”며, “새롭게 개발한 하이드로젤 액추에이터는 매우 강력하고 작동이 빠르기 때문에 전기가 없는 곳에서도 화학에너지를 이용해 로봇을 작동할 수 있다”고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업 중견연구, 원천기술개발사업 바이오 의료기술개발, 산업통산자원부 알키미스트 사업의 지원을 받아 수행됐다.

신소재 조문호 교수팀, 2차원 소재 차곡차곡 쌓아 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인한다

[IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단, 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조 성장법 최초 구현] 반도체 초격자 초격자(superlattice)*1는 서로 다른 원자의 주기적 배열을 인위적으로 조절해 합성한 것이다. 이는 고성능 반도체, 레이저, 디스플레이 산업에 널리 활용된다. 대표적으로 LED(발광다이오드) 기술은 질화갈륨 등 화학물질을 수 나노미터 층으로 반복 구성한 초격자 구조를 통해 완성됐다. 그런데 기존 초격자 구조 소재는 강한 공유 결합으로 인해 2차원 반도체에는 활용되기 어려웠다. 여러 반도체 중 두께가 거의 없는 2차원 반도체는 초소형·저전력 전자기기 구현의 핵심 소재로 꼽힌다. 하지만 이제까지 층간 약한 상호작용으로 2차원 반도체를 원자 단위에서 두 종류 이상 쌓아 제어하는 기술은 구현되지 못했다. 신소재공학과 조문호 교수팀(기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장)은 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했다. 이로써 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조를 가진 신물질을 세계 최초로 구현했다. 따라서 새로운 양자 정보 반도체 플랫폼을 제시하며 양자컴퓨팅 원천 기술 확보를 앞당길 것으로 기대된다. 이미 2차원 반도체 물질을 두 층의 단일 접합을 통해 만드는 기술은 알려졌다. 하지만, 층과 층 사이에 약한 공유 결합으로 인해 박막이 균일하게 쌓아지지 않아 3층 이상으로 쌓는 기술은 불가능했다. 이번 연구에서는 접합 기술을 연속으로 사용, 서로 다른 원자층 반도체가 9층까지 반복되는 반도체 초격자 구조를 처음으로 구현했다. 연구진은 금속유기화학증착법*2을 이용하여 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등을 종류와 순서를 제어하여 쌓아 새로운 구조를 가진 인공 반도체 소재를 개발해냈다. 연구진이 개발한 2차원 반도체 초격자 구조 성장법을 이용하면 원자층 수준에서 원자 종류와 주기의 인위적 제어가 가능하다. 이는 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인함으로써, 다양한 전자 구조를 갖는 반도체 기술로 이어질 수 있다. 나아가 연구진은 밸리(valley)*3라는 전하의 새로운 자유도 저장도 확인했다. 밸리는 2차원 반도체 초격자 구조에서 양자 정보의 매개체로 이용될 수 있다. 모든 단일층의 2차원 반도체 소재는 밸리 자유도를 가져서 2가지 이상 값을 동시에 나타내거나 병렬 연산이 가능한 양자 정보를 저장할 것으로 기대되었다. 이번 연구를 통해 초격자의 반복 횟수와 저장되는 양자 정보가 비례하고, 이 정보가 남아 있음을 확인했다. 이로써 새로운 반도체 초격자가 양자 정보 연산이 가능한 양자 반도체 플랫폼에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 교신저자 조문호 교수는 “2차원 반도체 초격자 구조는 현대 전자 소자 또는 광소자 반도체 기술에 새로운 방향성을 제시할 것이다.”며 “향후 차세대 양자컴퓨팅 소자 분야의 원천 기술 중 하나가 될 수 있다”고 언급했다. 이번 연구는 세계적 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=39.213)誌에 7월 16일 게재됐다. 1. 초격자(superlattice) 두 종류 이상의 물질이 주기적인 층을 이루고 있는 구조를 말한다. 일반적으로 각 층의 두께는 수 nm (나노미터․ 1nm는 10억 분의 1m) 정도이다. 2. 금속유기화학기상증착법 진공 상태에서 기판을 넣고 증기압이 높은 유기 금속 화합물의 증기들의 화학 반응을 이용하는 박막 형성법. 고품위의 박막을 대량 생산할 수 있는 방법이다. 3. 밸리 자유도(valley degree of freedom) 어떤 물질에 운동량은 다르지만 같은 에너지 가지는 2개의 밸리가 존재하면 그 물질의 전자는 밸리 자유도를 가진다고 할 수 있다.

기계·화공 노준석 교수팀, 아무도 뚫을 수 없는 ‘광학 OTP 보안카드’ 나온다

[광학 보안 플랫폼 위한 픽셀화된 메타표면 기반 능동형 홀로그래픽 컬러 프린팅 기술 개발] 빛의 정보, 색깔, 위상, 편광과 같은 다양한 정보를 하나의 광학 소자 안에서 조절해 위변조가 원천적으로 불가능한 위조 방지 스마트 라벨 및 보안 기술이 나왔다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 김인기 박사, 화학공학과 통합과정 장재혁씨, 기계공학과 통합과정 김경태씨로 구성된 연구팀이 머리카락 두께의 1,000분의 1 정도밖에 되지 않는 초박형 광학소자인 메타표면을 이용해 자연광과 레이저 빛에서 동시에 작동하는 암호화된 홀로그램 프린팅 기술을 개발했다. 이러한 원리로 구현된 프린트된 라벨은 특정 편광상태를 갖는 홀로그램 이미지를 생성할 수 있다. 연구팀은 이를 ‘벡토리얼 홀로그램’이라 명명했다. 이 연구성과는 국제 과학 저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다. 지금까지 보고된 대부분의 메타표면 장치는 색깔이나 위상 또는 편광 등의 하나의 정보만을 조절할 수 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자, 복수의 메타표면을 그룹지어 기능성 픽셀을 구성했다. 구체적으로, 메타표면의 기본이 되는 단위 구조에서는 크기로 빛의 색깔을, 각도로는 위상을 조절하고, 픽셀화된 그룹 내에서의 좌원편광과 우원편광을 나타내는 그룹의 비율과 상대적으로 돌아간 각도를 통해서는 빛의 모든 편광을 표현할 수 있도록 디바이스를 설계했다. 이렇게 다양한 빛의 자유도를 조절하며 동시에 효율을 극대화하기 위해 메타표면은 공진기*1와 광 도파로*2의 역할을 동시에 수행한다. 이렇게 설계된 벡토리얼 홀로그램 라벨은 맨눈으로 보거나 카메라로 스캔했을 때, 다양한 색상을 갖는 QR코드로 나타난다. 동시에 라벨에 레이저 빛을 비췄을 때는 인코딩된 홀로그램 이미지가 3차원 공간에 펼쳐진다. 이 홀로그램 이미지는 지금까지의 홀로그램과 다르게 각 이미지 부분마다 특별한 편광상태를 갖게 된다. 연구팀은 이번 연구에서 개발한 벡토리얼 홀로그래픽 컬러프린팅 기술은 현재 은행 업무에서 접속 때마다 그때그때 필요한 비밀번호를 생성하고, 그 번호를 통해 사용자를 확인하는 방식의 2단계 암호화된 OTP(One-Time Password, 일회용 비밀번호) 기술을 광학 기반으로 구현한 것이다. 1차적으로 사용자가 메타광학 장치를 휴대폰으로 QR코드를 스캔하게 되면, 난수로 구성된 1차 비밀번호가 나오게 된다. 이 1차 비밀번호를 메타광학 장치에 전압 정보로 걸어주게 되면, 마치 첩보 영화에서 등장하는 장면과 같이 2차 비밀번호가 암호화된 홀로그램 영상으로 공간 위에 띄워진다. 노준석 교수는 “벡토리얼 홀로그래픽 컬러프린팅 기술은 현재까지 보고된 메타표면 장치보다 더욱 고도화되어 빛의 다양한 자유도를 하나의 광학 소자로 조절할 수 있음을 입증했다”며 “이는 매우 완성도 높은 광학 OTP 장치로 메타 원자 설계 및 푸리에 광학 기반 정보 인코딩 원천 기술이 될 것”이라고 덧붙였다. 한편, 연구팀은 지난 5년간 메타표면 광학 장치를 통해 국내외에서 선도적인 연구를 수행하고 있으며, 특별히 이번에 개발 중인 메타광학 장치는 크게 광학센서, 홀로그래픽 디스플레이, 그리고 위변조 방지 기술 분야에서 상용화 가능성이 높은 것으로 기대된다. 이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다. 1. 공진기 공진현상을 이용해 특정 진동수를 갖는 전자기파나 빛을 일정시간 가두어 두는 장치로, 레이저의 핵심 소자 2. 광 도파로 전자기파나 빛을 1차원 또는 2차원으로 제한하여, 파동의 진행을 안내하는 장치로, 도파관의 구조에 따라 빛의 진행하는 빛의 모드와 위상 등이 조절됨

화공 한정우 교수팀, 외부 요인에 따라 내부 격자 모양 변형하는 촉매 설계법 개발

[촉매 표면과 반응물의 상호 작용 조절] 전기화학촉매는 연료전지, 수전해반응, 금속-공기전지 등과 같은 미래의 친환경 에너지 변환이나 저장 기술에 활용되는 핵심 요소이다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 외부 요인에 따라 촉매의 표면 구조와 전자구조를 자유롭게 변형하는 촉매 개발 방향을 제안했다. 화학공학과 한정우 교수 연구팀은 촉매 표면과 반응물 사이의 상호작용이 소재를 이루는 원자들의 격자 변형에 따라 달라지는 것을 확인하고, 격자 변형을 조절하는 촉매 개발법을 제시했다. 이 연구의 성과는 에너지 환경 분야 저명 학술지 ‘에너지 및 환경과학회지(Energy & Environmental Science)’에 이달의 표지논문(Inside Front Cover)으로 소개됐다. 전기화학촉매는 화학 반응물들과 촉매 표면에서 반응하여 이를 분해·합성함으로써 유용한 합성가스 생성 또는 전기를 생성하는 역할을 한다. 하지만 촉매 표면이 반응물과 너무 강하게 결합하게 되면 반응이 일어나기보다는 촉매 표면에 고정되어 반응이 일어나지 않고, 활성점을 계속 차지하게 되어 반응을 일으킬 수 있는 공간이 감소하게 되어 촉매의 활성이 낮아지게 된다. 반면에, 촉매 표면이 반응물과 너무 약하게 상호작용하면 반응을 촉진하는 촉매의 본연의 역할을 하지 못하게 된다. 따라서, 촉매 표면과 반응물 사이에 적절한 상호작용을 조절하는 것이 전기화학촉매 개발에 있어 가장 중요한 요소이다. 지금까지의 연구에서는 촉매의 구조적 변화, 결함, 환경의 변화와 같은 외부적 요인에 집중하여 촉매 개발이 이뤄졌기 때문에 촉매의 내부적인 특성을 알아내는 데는 어려움이 있었다. 연구팀은 이론과 실험적 기법으로부터 소재를 이루는 원자들의 격자 변형에 따라 촉매 표면과 반응물 사이의 상호작용이 이루어짐을 확인했다. 또한, 소재 내부 격자의 변형이 다양한 외부 요인에 따라 달라지는 것을 밝혔다. 연구팀은 소재의 격자를 변형함으로써 촉매의 전자구조를 조절할 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 산소 환원 반응, 산소 발생 반응, 수소 발생 반응 등의 상호작용을 촉진하는 것으로 나타났다. 연구를 주도한 한정우 교수는 “촉매적 활성이 전자구조에 따라 이뤄지기 때문에 전자구조의 최적화는 결국 전기화학촉매의 가장 중요한 요소이다”며, “이번에 제안된 촉매들은 외부 요인에 따라 내부 격자를 변형함으로써 전자구조를 제어할 수 있어 수소생산, 연료전지와 같은 친환경 에너지원의 상용화에 밑거름이 될 수 있다”고 말했다. 한편, 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

신소재 김형섭 교수-기계 이승철 교수 공동연구팀, 인공지능으로 주사전자현미경의 한계 극복한다

[POSTECH-한국재료연구원 연구팀, 미세조직 이미지 초해상화 기술 개발] 최신 8K 프리미엄 TV에 적용되는 인공지능 초해상화 영상 기술이 재료과학 연구의 필수장비인 주사전자현미경 영상에 적용된다면 어떻게 될까? POSTECH과 한국재료연구원(원장 이정환) 공동연구팀은 주사전자현미경에 인공지능 기술을 적용함으로써 기존의 분석장비로부터 얻은 저해상도 전자후방산란회절(EBSD) 미세조직 이미지를 초고해상도 이미지로 변환할 수 있는 초해상화 이미징 기술을 개발했다. 이번 연구의 성과는 네이처 파트너십 저널인 ‘엔피제이 컴퓨테이셔널 머터리얼즈(npj Computational Materials)’에 최근 게재됐다. 현대 재료과학 연구에서 주사전자현미경 이미지는 미세조직의 시각화, 특성화, 수치적 해석에 이르기까지 신소재 개발 과정 전반에서 가치 있게 활용되고 있다. 그러나, 전자현미경의 하드웨어적 한계로 인해 높은 품질의 미세조직 이미지 데이터 취득이 제한되거나 취득하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 이는 뒤이어 수행되는 재료 분석의 정확도에 영향을 끼칠 수 있어 기존 하드웨어의 기술적 한계를 극복할 새로운 기술의 개발이 요구되어 왔다. 공동연구팀은 인공지능 기술을 활용하여 더 빠르고 더 정확한 미세조직 이미징 기법을 개발했다. 특히, 합성곱 신경망(Convolutional neural network)를 이용하여 기존 미세조직 이미지의 해상도를 4배, 8배, 16배까지 끌어올렸으며 이는 기존 주사전자현미경 시스템과 비교하여 영상화에 소모되는 시간을 최대 256배 단축하는 결과이다. 또한, 초해상화 된 결과는 미세조직 특성화 및 유한요소 해석을 통해 미세조직의 형상학적 정보를 높은 정확도로 복원할 수 있음을 검증했다. 이번 연구를 주도한 김형섭 교수는 “이번에 개발된 EBSD 이미지 초해상화 기법을 통해 신소재 개발 과정에 소모되는 시간을 획기적으로 단축할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 지원사업, 정보통신기획평가원의 인공지능 핵심고급인재양성사업, 교육부의 4단계 두뇌한국21 사업, 한국재료연구원의 지원으로 수행됐다.

기계 김동성 교수팀, 장기 유사체 배양을 위한 물질투과성 ‘3차원 세포 스페로이드 배양 플랫폼’ 개발

[균일하고 안정적인 배양...생존력·기능 향상된 스페로이드 기대] POSTECH 연구팀이 인체 장기의 기능과 구조가 유사한 3차원 세포 응집체를 장기간 균일하고 안정적으로 배양할 수 있는 ‘고기능성 3차원 스페로이드 배양 플랫폼’을 개발했다. POSTECH 기계공학과 김동성 교수, 통합과정 김도희씨, 이성진씨 연구팀은 생존 능력과 기능성이 향상된 스페로이드를 균일하고 안정적으로 만들 수 있을 뿐만 아니라 장기간 배양까지 할 수 있는 물질투과성 나노섬유 마이크로웰 어레이를 개발했다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 최근 게재됐다. 3차원 세포 스페로이드(Spheroid)는 2차원 세포 모델에 비해 생체 장기와 유사한 구조 및 기능을 보유하고 있어 조직 공학, 암 연구, 약물 개발, 정밀의료 등 다양한 연구 분야에서 활용되고 있다. 대표적인 스페로이드 배양 플랫폼으로는 하이드로젤 지지체와 마이크로웰 어레이가 사용되어 왔다. 하이드로젤 지지체는 장기간 스페로이드 배양이 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 스페로이드간 균일성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 비해, 마이크로웰 어레이는 균일한 스페로이드 배양이 가능하지만, 플랫폼의 비투과성으로 인하여 스페로이드에게 필요한 영양분을 공급하거나 스페로이드의 대사 산물들을 효과적으로 배출하기 어려워 장기간 스페로이드를 배양하기 어렵다는 한계가 지적되고 있다. 기존 스페로이드 배양 플랫폼의 한계를 극복하고자 연구팀은 전기방사법으로 제작된 나노섬유 멤브레인을 3차원으로 가공할 수 있는 나노성형 공정을 새로이 개발했다. 연구팀은 개발된 나노성형 기술을 기반으로 크기, 종횡비, 웰 밀도 제어가 가능한 타원형 구조의 나노섬유 마이크로웰 어레이*1를 제작함으로써 스페로이드들을 세포 손실 없이 균일하고 안정적인 방식으로 형성하는데 성공했다. 뿐만 아니라, 나노섬유 멤브레인의 다공성 특성을 유지함으로써 장기간 배양이 가능하여, 기존의 불투과성 마이크로웰 어레이에서 배양된 세포 스페로이드 대비 향상된 생존 능력과 기능성을 확보하였다. 연구를 주도한 김동성 교수는 “이번에 개발한 물질투과성 나노섬유 마이크로웰 어레이를 활용하면 다수의 스페로이드들을 장기간 균일하고 안정적으로 배양할 수 있으며 스페로이드의 생존 능력뿐 아니라 그 기능성을 향상시킬 수 있어, 향후 고기능성 오가노이드 배양 연구에 활용이 가능할 것으로 기대한다“고 말했다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 1. 나노섬유 마이크로웰 어레이 다공성 나노섬유 멤브레인으로 구성된 마이크로웰 어레이

기계·화공 노준석 교수팀, 어느 방향이든, 어떤 빛이든 스핀홀 효과 만든다

기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 통합과정 김민경씨 연구팀이 최초로 임의 편광 또는 무편광된 입사 빛에서의 광스핀홀 효과를 최초로 검증했다. 이 연구는 광학 분야 국제 과학 저널인 ‘레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser and Photonics Reviews)’ 7월호 표지논문(front cover)으로 선정됐다. 광스핀홀 효과는 굴절·반사 현상에서 빛이 입사 평면에 수직인 방향으로 갈라지는 현상을 뜻한다. 지금까지의 연구에서 광스핀홀 효과는 입사 빛의 편광 상태에 의존하므로 입사 빛이 수평 또는 수직 편광일 때 일어나는 것으로 한정돼 있었다. 연구팀은 특정 반사 조건을 만족하는 경계면에서 광스핀홀 효과가 입사 빛의 편광과 무관하며, 제멋대로 불규칙적인 자연 빛(무편광) 아래에서도 수평 또는 수직 편광일 때와 같은 광스핀홀 효과가 일어남을 이론적으로 검증했다. 광스핀홀 효과는 빛을 원편광된 성분으로 나눈다는 점에서 광스위치, 광센서 등 광소자로 사용될 수 있는데, 이 연구는 선편광된 입사빛 내에서만 연구되던 광스핀홀 효과를 다양한 편광 시스템 또는 무편광 시스템으로 확장할 수 있다는 데에 의의가 있다. 노준석 교수는 “이번 연구에서는 경계면에서 특정 반사 조건이 만족된다면 광스핀홀 효과의 입사 편광 의존성이 사라진다는 것을 밝혔다”며 “이는 차세대 광소자 분야에서 광스핀홀 효과의 응용 가능성을 더 넓힌 것”이라고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 중견연구자사업, 글로벌프론티어사업, RLRC선도연구센터사업의 지원으로 수행됐다.

기계 박재성 교수팀, 분자 움직임 추적해 ‘나노 입자’ 하나까지 파헤친다

[순차적 조광 및 추적에 의한 세포 밖 소포 분석] 물질과 빛의 상호작용 원리를 바탕으로 빠르게 움직이는 나노미터(nm) 크기 분자들의 브라운 운동을 추적해 관찰하고, 하나하나의 생체 나노 입자가 가진 서로 다른 형광 신호를 측정하는 기술이 개발됐다. 나노 입자 추적분석법은 세계적으로 가장 보편적으로 사용되는 나노 입자 정량법으로, 촬영된 영상 속에 있는 나노 입자 집단을 단일 입자 단위로 관측하고 추적하는 분석법이다. 최근 기계공학과 조시우 박사, 통합과정 이조한 씨 연구팀이 나노 입자 추적분석을 통해 입자의 개수, 크기, 산란광 밝기 등을 측정하고, 한 걸음 더 나아가 개별 입자가 가진 서로 다른 형광 신호를 측정하는 데 성공했다. 연구팀은 개별 세포 밖 소포의 크기와 단백질 발현의 특성화를 위한 형광 기반 나노 입자 추적 분석(NTA) 시스템을 구축했다. 이 시스템을 통해 4개의 서로 다른 파장을 가진 레이저 시트를 프로그래밍 된 순서에 따라 세포 밖 소포에 순차적 조광해 산란광 신호 이미지와 형광 신호 이미지를 얻었다. 영상을 통해 관측된 수천 개에 달하는 개별 입자의 크기, 존재 비율, 산란광 밝기 등을 관찰하고, 3가지의 서로 다른 형광 밝기로 구성된 6차원 값을 얻을 수 있었다. 또한, 제안된 나노 입자 추적 분석 시스템을 통해 생체 나노 입자 중 하나인 세포 밖 소포(ex.엑소좀*1)가 보유한 특정 단백질의 분포를 개별 입자 단위로 측정했고, 단백질 사이의 연관성을 분석했다. 이 나노 입자 추적법은 분석 도중에 사용자의 눈으로 나노 입자를 관측할 수 있고, 별도의 대조군 없이 샘플 주입 후 바로 개별 또는 전체 나노 입자의 정량적 데이터를 얻을 수 있다. 때문에, 새로운 이미징 기술을 통해 분자 수준에서 세포를 관찰하고, 생명 현상을 이해하는 중요한 단초를 얻을 수 있다. 예를 들어, 모든 형태의 나노 입자를 대상으로 하고 있기 때문에 미세 먼지 등의 환경 모니터링, 바이러스 연구 및 개발을 위한 생체 나노 입자 분석, 다양한 체액 내 나노 입자 분석을 통한 질병 진단과 생체 모니터링에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 박재성 교수는 “이번 연구를 통해 다중 형광 나노 입자 분석 시스템을 개발함으로써 엑소좀의 서로 다른 단백질 간의 연관성을 분석할 수 있게 됐다”며, “앞으로 엑소좀에 관련된 산업과 연구 발전에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다. 한편, 연구팀은 (주)엑소좀플러스와 협업을 통해 기술지원, 장치 및 실험 재료들을 받았으며, 공동연구를 통해 상용 버전의 출시를 앞두고 있다. ICT 융합연구단의 중견연구사업, 범부처전주기의료기기연구개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 6월 23일자에 게재됐다. 1. 엑소좀 인지질 이중층으로 구성된 지름이 50~200 nm 구형의 나노 입자로 세포 간의 신호 전달체이다. 엑소좀은 막에 자신을 특징 지을 수 있는 단백질을 발현하고 있으며 그 내부에는 신호물질인 단백질, RNA 등이 포함되어 있으며 그 특성에 따라서 치료 효과, 암의 전이 등에 중요한 생물학적 역할을 한다고 알려져 있다.

물리·첨단원자력 윤건수 교수팀, 지구 자기권 ‘분기된 전류 시트’ 현상 원인 규명

[POSTECH-PAL 연구팀, 우주 및 핵융합 플라즈마 연구 광범위한 적용 기대] 지구 자기권과 자기화 플라즈마 물리의 난제 중 하나로 꼽히는 ‘분기된 전류 시트’ 현상의 원인이 국내 연구진에 의해 규명됐다. 물리학과·첨단원자력공학부 윤건수 교수, 포항가속기연구소 윤영대 박사 공동연구팀이 비평형 상태의 플라즈마 전류 시트*1가 비충돌 평형화하는 과정을 이론적으로 정립했다. 또한, 이를 입자 시뮬레이션 및 미국 나사(NASA)의 위성 데이터와 비교함으로써 지구 자기권의 미스테리였던 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 규명했다. 지구 자기권에서는 서로 반대되는 두 자기장 영역 사이에 갇힌 시트 형태의 플라즈마가 관찰된다. 그 내부에 전류가 흐르므로 전류 시트라고도 부른다. 통상의 이론에 따르면, 전류 시트 내부는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열 압력이 서로 반대로 작용하여 평형을 이룬 한 덩어리로 존재한다. 하지만, 2003년에 유럽 우주국의 클러스터(Cluster) 위성이 지구 자기권에서 두 덩어리로 분기된 전류 시트를 관측했다. 이후 동일 현상이 계속 관찰되고 있지만, 아직 그 원인을 규명하지 못했다. 한편, 전류 시트에서 자기력과 열 압력이 서로 완벽하게 평형을 이룬 조건에 관해서는 상당한 연구 성과가 축적돼왔지만, 비평형 상태에서 평형 상태에 도달하는 과정은 풀리지 않은 숙제로 남아있었다. 플라즈마는 일반적으로 비평형 상태에서 시작하기 때문에, 이 과정을 규명하는 것은 방대한 종류의 플라즈마 동역학 현상을 이해하는 데에 있어 중요하다. 공동연구팀은 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 고려하여 비평형 상태의 시트가 평형을 이루어가는 과정을 상세히 분석했다. 평형화 과정에서 전류 시트가 자연스럽게 두 갈래로 분기될 수 있음을 파악했다. 이러한 이론적 예측이 한국핵융합에너지연구원의 ‘KAIROS 슈퍼컴퓨터*2’에서 수행한 입자 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인했다. 또 시뮬레이션 데이터를 미국 나사의 MMS 위성*3 측정 데이터와 비교 검증했다. 이번 성과는 이론적 분석, 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션, 그리고 위성 관측을 모두 종합하여 자기화 플라즈마 역학에 대한 이해를 한층 높인 사례이다. 지구 자기권 플라즈마는 그 특성에 있어 핵융합 플라즈마 등 다른 자기화 플라즈마들과 여러모로 유사하므로 다양한 분야에 광범위하게 기여할 것으로 기대된다. 공동 교신저자로 참여한 윤건수 교수는 “전류 시트가 비평형 상태에서 평형 상태로 도달하는 과정과 분기된 전류 시트의 생성 원인이라는 두 가지 난제를 동시에 해결했다는 점에서 학술적 의의가 크다”며, “지구 자기권 플라즈마뿐만 아니라 핵융합 플라즈마에서 일어나는 유사한 현상들도 같은 연구 기법으로 해석하고자 하는 중”이라고 밝혔다. 이번 연구성과는 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’의 지난달 18일 자에 게재됐으며, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 1. 플라즈마 전류 시트 원자핵과 전자가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째 상태인 플라즈마는 우주의 99.9%를 차지하고 있고, 지구 자기권에 존재하는 물질 또한 플라즈마다. 플라즈마가 시트 형태로 존재하고, 시트에 수평한 방향으로 전류가 흐르는 상태를 ‘전류 시트’라고 한다. 전류 시트는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열과 밀도 때문에 발생하는 열 압력이 서로 반대 방향으로 힘을 작용 하는데, 그 힘의 크기가 서로 완벽하게 같게 된 경우를 평형 상태, 그렇지 않을 경우를 비평형 상태라 한다. 2. 한국핵융합에너지연구소 KAIROS KAIROS는 2020년에 한국핵융합에너지연구원에 구축된 슈퍼컴퓨터로, 1.56 페타플롭의 성능을 갖고 있으며, 이는 인텔 i7-9700K 데스크탑 PC 기준 3300대의 성능과 맞먹는다. 특정 분야 연구용으로는 국내에서 가장 크고, KISTI와 기상청에 이어 공공기관 중 세 번째로 큰 규모를 갖는다. 핵융합 플라즈마 시뮬레이션을 위해서 구축되었다. 3. 미국 나사 MMS 위성 MMS(Magnetospheric Multiscale) 위성은 지구 자기권을 연구하기 위해 나사가 2015년 쏘아올린 위성군이다. 네 개의 동일한 위성들이 사면체의 구도로 지구를 공전하고 있으며, 전자기장, 전류, 그리고 입자 분포 등 다양한 변수들을 관측할 수 있는 장비들이 탑제돼있다. MMS에서 얻은 데이터를 활용하여 지구 자기권에서 발생하는 자기장 재결합, 난류, 그리고 고에너지 입자들에 관한 연구가 현재까지도 활발히 진행되고 있다.

화학 이인수 교수팀, 대사 자율운동 조절로 분자 운반 향상하는 하이브리드 금속 나노모터

[대사 자율운동 조절로 분자 운반 향상하는 하이브리드 금속 나노모터] 생물체 내 대사작용에 의한 자율운동은 분자, 단백질, 세포기관 등 모든 규모의 생명활동에서 핵심적인 신호요소 중의 하나이다. 예를 들어, 박테리아는 자율운동을 통해 더 높은 농도의 포도당을 향해 헤엄쳐 이동하거나 독성 환경으로부터 벗어난다. 최근 POSTECH 연구팀이 이러한 생체 내 자율운동을 모방해 인공적으로 움직임을 실현하는 나노모터를 개발했다. 화학과 이인수 교수, 니티 쿠마리(Nitee Kumari) 연구교수, 통합과정 권태완 씨 연구팀이 생체 친화적 연료인 포도당을 연료로 사용해 연쇄 촉매 반응을 촉진함으로써 대사 자율운동을 향상시키는 나노모터를 제조하는데 성공했다. 이 연구는 이 연구성과는 화학 분야 권위 학술지인 앙게반테케미(Angew. Chem. Int. Ed.) 온라인판에 게재됐다. 나노 크기로 소형화된 자율 이동식 나노 장치는 세포 내 표적 약물 전달, 정밀한 세포 조작 및 바이오센서 등의 광범위한 분야에 잠재적 응용성을 가지고 있다. 그러나 이러한 나노 장치들은 브라운 운동*1에 의해 움직임이 제한되기 때문에 생체 이용 가능한 연료에 대한 반응으로 원하는 움직임을 실현하는 것이 매우 어렵다. 또한, 반응성 금속 (Pt, Mg 등)을 이용한 나노·마이크로 물질의 화학적 확산 현상은 흔히 알려졌지만, 생체 내 유해한 농도의 과산화수소나 기타 비천연 연료를 사용하거나 이에 대한 반응으로만 작동할 수 있다는 문제점이 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 생체 친화적 연료를 사용하면서 브라운 운동을 극복하여 방향성 움직임을 가지는 나노모터 개발이 필요하다. 연구팀은 둥지 내 달걀(egg-in-nest) 형태와 유사한 금-백금(Au-Pt) 기반 나노 구조를 도입하고, 나노입자 내부의 동적 움직임을 제한하는 방식을 통해 다중 촉매 기능을 가진 나노모터를 용액 내에서 합성했다. 합성된 나노모터는 촉매 Au-Pt 인터페이스가 비대칭적으로 끝에 위치한 독특한 야누스 나노 구조를 가졌다. 이 독특한 야누스 나노 구조로 인해 나노모터는 포도당을 연료로 사용하여 브라운 운동을 극복하고 방향성 움직임을 보였다. 이러한 화학 주성 움직임을 가진 나노모터는 높은 빈도의 세포막과의 상호 작용으로 효율적인 세포 흡수를 보였을 뿐만 아니라 항암 약물 로딩 및 방출을 위한 전달 수단으로서의 잠재력도 보였다. 이번 연구를 통해 개발한 나노모터는 정교한 나노 단위로 합성되었고, 독특한 구조를 가지기 때문에 다양한 분야에서 상호 작용하는 새로운 운동성 나노 물질 개발에 응용될 수 있다. 또한, 생화학 연료에 반응해 기계적 작업을 수행하는 나노 크기의 전달체 플랫폼은 인공 소기관, 약물 운반체 및 다양한 바이오 감지, 진단 및 치료 도구를 설계하는 데 응용될 수 있다. 이인수 교수는 “이번에 개발된 나노모터는 ‘나노공간한정 화학반응’ 전략을 통해서 합성되었으며, 생체친화적인 연료로 구동할 수 있기 때문에 앞으로 의료 진단·치료용 나노-마이크로 소자를 개발하는 데에 유용할 것으로 기대한다”고 말했다. 한편, 한국연구재단 리더연구자지원사업, 창의·도전연구 기반지원사업의 지원으로 수행됐다. 1. 브라운 힘 유체(액체, 기체) 속에서 입자가 불규칙적으로 이동하는 현상