Research

기계·화공 노준석 교수팀, "쉿! 땅속 진동도, 물속 소리도 사라져요!"

[지진파 인공 제어...수중 스텔스 기술로도 활용 가능] 빛의 굴절 방향을 조절하거나 흡수해 모습을 감출 수 있는 투명망토를 실현케하는 메타물질이 알려지면서 주목받고 있다. 최근에는 POSTECH에서 음향파나 지진파까지 조절할 수 있는 메타표면을 설계했다. 이는 음파탐지기로도 추적할 수 없는 잠수함을 만들거나, 지진을 회피하는데 활용될 수 있어 관심을 모으고 있다. 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이동우씨 연구팀은 빛뿐만 아니라 소리 영역까지 제어할 수 있는 메타물질을 설계하고, 물속에서 음향 굴절률을 조절해 파동을 흡수하거나 통과시킴으로써 음파탐지기에도 잡히지 않는 ‘수중 스텔스 메타표면’을 제안했다. 뿐만 아니라 진동과 같은 판에서의 파동 흐름을 극단적으로 바꿀 수 있는 것을 확인했다. 특히 실현 불가능케 여겨져왔던 무한한 굴절률인 특이점이 존재하는 클로킹 현상을 실제로 구현할 수 있는 방법론을 제시했다. 이번 연구의 성과는 응용물리 분야 권위지 ‘저널 오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics)’와 ‘피지컬 리뷰 어플라이드(Physical Review Applied)’ 에 각각 게재됐다. 자연에서 빛이 어떤 물질을 만났을 때, 일반적으로 양(+)의 방향으로 굴절되는 성질이 있다. 메타물질은 이런 빛의 굴절 특성을 음(-)의 방향, 완전 투과를 일으키는 제로 굴절률(0) 또는 완전 흡수체를 설계할 수 있다. 이 때문에 메타물질을 만나면 투명하게 보이는 것이다. 굴절률은 빛뿐만 아니라 소리도 제어할 수 있는데, 연구팀은 음향의 굴절률을 제어해 음파(音波)가 반사하지 않고 획기적으로 흡수할 수 있는 메타표면을 이론적으로 확인했다. 분리형 오리피스 도관(Split-Orifice-Conduit) 하이브리드 공진기의 배열을 통해 광대역(14kHz~17kHz)에서 음파를 흡수할 수 있도록 두께가 얇은 메타표면을 설계했다. 이렇게 설계된 메타표면은 음파의 공진을 이용해 물체를 탐지하는 음파탐지시스템으로 탐지되지 않는 ‘수중 스텔스 기능’을 얻을 수 있다. 한편, 연구팀은 메타표면을 어떻게 설계하느냐에 따라 지진파와 같은 탄성 파동을 통과시키거나, 방향을 바꾸는 것이 가능하다는 것을 확인했다. 알베르트 아인슈타인의 ‘일반 상대성이론’인 질량으로 인한 중력장의 변화에 따른 시공간의 휨 속에서 빛의 경로가 바뀐다는 아이디어를 차용하여 곡면 판에서 극단적인 탄성 파동을 제어할 수 있는 플랫폼을 제안하였다. 그 예시로 굴절률 특이점 렌즈, 즉 두께가 거의 0에 수렴하는 메타표면 렌즈를 만들어 넓은 주파수 대역(15kHz~18kHz)에서 90도, 180도로 휘어질 수 있는 탄성파 이튼(Eaton) 렌즈를 얇은 곡면 판에서 구현했다. 또한 이론상 존재해왔던 특이점이 존재하는 클로킹 현상을 실제로 구현할 수 있는 방법론을 제안하여 추후 극단적인 천체인 블랙홀과 같은 현상들을 탄성파에서 테스트 베드로 활용 가능할 것으로 기대된다. 이러한 굴절률 특이점의 이해를 바탕으로 대륙의 판과 판이 부딪히거나 쪼개질 때 발생하는 에너지 파동을 극단적으로 제어하는 데 활용하여 지진으로부터 원자력발전소나 건축물을 보호할 수 있을 것으로 기대된다. 메타물질 연구로 세계의 시선을 끌고 있는 노준석 교수는 “지금까지 메타물질 연구는 빛이나 전자기파에 집중됐지만, 음파나 지진파에도 적용될 수 있음을 확인했다”며 “특히, 심해 환경 속에서 수중 음파 탐지기를 피할 수 있는 잠수함, 지진이 와도 멀쩡한 원자력발전소를 만드는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 이 연구는 한국수력원자력 K-CLOUD 사업, 한국연구재단 글로벌프론티어사업, 중견연구사업, RLRC 지역혁신선도연구센터‘ 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다.

신소재 정성준 교수-생명 유주연 교수 공동연구팀, 몸 밖에서 숨 쉬는 “인공 폐” 최초 개발

[인공 폐 모델 개발...호흡기 감염병 치료 플랫폼 활용 可] 한층 따뜻해진 기온과 봉우리를 띄우는 봄꽃으로 봄기운이 느껴진다. 하지만 미세먼지와 바이러스 때문에 호흡기 질환에 대한 걱정도 많아지고 있다. 호흡에 관여하는 폐는 복잡한 구조와 얇은 두께 때문에 실험용 인공 폐를 만들기 어려웠으나, 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 인공 폐 모델을 3D프린팅으로 만드는 데 성공했다. 신소재공학과 정성준, 생명과학과 유주연 교수, 통합과정 강다윤씨 연구팀은 잉크젯 바이오 프린팅을 이용해 다종의 인간 폐포 세포주를 포함하고 있는 3차원 폐 모델을 제작하는 데 성공했다. 특히, 연구에서 사용된 잉크젯 바이오 프린팅은 환자 맞춤형 조직 제작과 표준화가 가능하고, 대량 생산도 가능해 기존의 테스트 모델을 대체할 수 있을 것으로 화제를 모으고 있다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 최근 게재됐다. 사람의 폐는 생명 활동에 필요한 산소를 받아들이고 부산물로 발생한 이산화탄소를 몸 밖으로 내보내기 위해 끊임없이 호흡한다. 몸속에 들어온 산소는 기도를 거쳐 폐포에 도착하고, 폐포의 모세혈관을 통해 혈액이 싣고 온 이산화탄소와 교체된다. 여기서 폐포는 얇은 상피 세포층으로 이루어져 있고 주변의 얇은 모세혈관으로 둘러싸여 속이 빈 포도송이 모양을 하고 있다. 산소와 이산화탄소가 이동하는 폐포막은 ‘상피층–기저막–내피 모세혈관층’으로 된 3층 구조로 쉽게 기체의 이동이 쉽도록 매우 얇은 두께로 돼 있다. 그동안 이렇게 얇고 복잡한 구조를 가진 폐포를 정확하게 모사하는 데는 한계가 있었다. 연구팀에서는 최초로 드롭-온-디맨드(drop on demand) 방식*1)의 고정밀 잉크젯 프린팅을 이용해 폐포 세포를 고해상도로 적층해 약 10마이크로미터(μm)의 얇은 두께를 갖는 3층 폐포 장벽 모델을 재현해냈다. 이렇게 제작된 모델은 2차원 세포 배양 모델뿐 아니라 폐포 세포와 하이드로젤을 섞어서 배양한 3차원 비 구조화 모델과 비교했을 때도 높은 모사도를 보였다. 또한, 연구팀은 제작된 폐포 장벽 모델이 바이러스 감염도나 항바이러스 반응 측면에서 실제 조직 수준의 생리학적 반응을 유사하게 재현한 것임을 밝혀냈다. 이 모델을 인플루엔자 바이러스 감염 모델로 사용했을 때, 바이러스의 자가 증식과 항바이러스 반응이 나타나는 것으로 관찰됐다. 정성준 교수는 “바이오 프린팅을 이용해 세포를 프린팅하고, 조직을 제작하고 있지만, 약 10 μm 두께의 3층 구조를 가진 폐포의 장벽을 모사한 것은 세계 최초”라며 “인공 폐포를 바이러스에 감염시켜 생리학적 항바이러스 반응을 관찰한 사례 역시 처음”이라고 밝혔다. 또한, “이번에 제작된 인공 조직은 환자 맞춤형 질병 모델 제작뿐 아니라 대량생산과 품질 관리가 가능해 신종 코로나 바이러스 감염증을 비롯한 전염성 호흡기 바이러스에 대응할 수 있는 치료 약물 및 백신 유효성 평가용 초기 플랫폼으로 활용할 수 있다”고 덧붙였다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업, 기초연구사업의 지원으로 수행됐다. 1. 드롭-온-디맨드(drop on demand) 잉크젯 카트리지에 가해지는 압력으로 초미세 잉크방울을 토출 시켜 세포 및 바이오소재를 원하는 위치에 정확하게 도포시킬 수 있는 바이오프린팅의 한 방법이다.

화학 김덕영 교수-심지훈 교수팀, 지구 깊숙한 곳에는 양성자 강이 흐른다

[POSTECH-HPSTAR 연구팀, 지구 하부 맨틀 조건에서 철 수산화물의 초이온 상태 확인] 해왕성이나 천왕성 같은 얼음 행성들의 깊은 내부는 고온과 고압의 상태로 이루어져 있다. 여기서 얼음은 초이온 상태로 고체 구조의 산소 원자들 사이를 자유롭게 돌아다니는 양성자로 구성되어, 행성 내부의 구조와 자기장의 형성에 영향을 준다. 물이 존재하지 않는 것으로 알려진 지구의 내부는 어떨까? 북경고등고압연구소(High Pressure Science and Technology Advanced Research, 이하 HPSTAR) 연구팀과 POSTECH 연구팀은 공동연구를 통해 지구 내부 맨틀 조건에 존재하는 수소 광물 산화철(FeOOH)이 얼음 행성의 얼음과 비슷한 초이온적 상태로 존재한다는 것을 발견했다. 초이온 상태에서는 수소가 산소로부터 방출되어 액체처럼 되고 고체 산소 격자 안에서 자유롭게 움직인다. 이 결과는 네이처 지오사이언스(Nature Geosciences)에 게재됐다. 지구는 표면의 3/4이 물로 덮여 있지만, 깊은 내부에는 순수상태의 물이나 얼음이 거의 없다. 대신 수소 광물(hydrous minerals)이 존재하는 것으로 알려져 있다. 연구팀은 약 1700°C 이상, 정상 기압의 80만 배 이상의 조건을 가진 지구 내부에서 최근 연구팀에 의해 발견된 수소 광물 중 하나인 FeOOH의 상태를 검증했다. 그 결과, 수산기 분자(hydroxyl)가 상온에서 73기가파스칼(GPa) 압력에 도달하면, 결합구조가 약해져 양이온 수소(양성자)가 결정구조의 위치로부터 퍼짐현상을 보이는 것을 발견했다. 또한, 온도를 증가시키면 양성자의 퍼짐현상이 고체 전체로 증가해 전기전도도가 증가했다. 이때, FeO2 구조는 유지한 채 양성자만 자유로이 움직이는 초이온 상태, 즉 “고체로 흐르는 강”이 있는 것이다. 이처럼 지구 내부에 초이온 상태가 존재한다는 것은 지구의 맨틀 대류 속도가 지금까지 알려진 것보다 더 빠를 수 있음을 시사한다. 강과 비슷하게, 빠르게 움직이는 수소는 열과 질량을 운반함으로써 지구 내부의 물질 수송, 전기전도도, 자성 등 지구의 전체적인 특징을 바꿔 놓을 수 있다. 단단한 지구는 지금까지 생각했던 것보다 더 역동적일 수 있다는 것을 보여준다. 한편, HPSTAR에서 POSTECH 방문교수로 재직 중인 김덕영 교수와 장보규 박사(POSTECH 졸업), POSTECH 화학과 심지훈 교수 등이 참여한 이 연구는 한국연구재단 해외고급과학자초빙사업의 지원으로 수행됐다.

포항가속기연구소, 미시세계 탐험할, 세상에서 가장 밝은 빛 “밝혔다”

포항가속기연구소(PAL, 소장 고인수)는 4세대 방사광가속기(선형)의 셀프시딩(Self-Seeding) 시스템을 개발하여 인류 사상 최고 밝기의 빛을 만들어 내는 데 성공했다. 이는 광학 분야의 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 3월 15일자(현지시간)로 게재됐다. 포항가속기연구소의 4세대 방사광가속기(이후 PAL-XFEL)는 전 세계 5기가 운영 중이며 선진국만 보유하고 있는 최첨단 연구시설이다. 이 시설은 4세대 방사광 즉, X-선 자유전자레이저(X-ray Free Electron Laser, 이후 XFEL)를 만들어 내며 X-선 자유전자레이저는 원형 방사광가속기에서 나오는 방사광 보다 100억 배 높은 밝기를 가져 원자 및 분자의 실시간 동적 현상을 관찰하는데 쓰이고 있다. 포항가속기연구소 강흥식 박사 연구팀은 PAL-XFEL에 셀프시딩(Self-Seeding) 방식을 적용하여 기존의 SASE 방법보다 약 40배 이상 밝기가 개선된 빛을 만들어 냈다. 이 빛은 미국, 일본, 독일, 스위스의 4세대 방사광가속기(선형)의 밝기보다 10배 이상 밝은 성능을 자랑하여, 한국의 방사광가속기 기술이 우위에 있음을 또 한 번 입증했다. 이는 타 XFEL 시설에 비하면, 세계 최고성능으로 인류가 만든 가장 밝은 빛에 해당한다. 포항가속기연구소는 2020년 상반기부터 방사광 이용자에게 밝기가 개선된 XFEL을 제공하고 있다. 그 결과, 초고속 동영상으로 촬영한 단백질 구조의 선명도가 크게 향상되었음을 확인하였다. 포항가속기연구소는 현재 코로나 팬데믹 상황을 고려하여 해당 시설을 코로나19 치료제 및 백신 개발에 우선적인 연구가 진행될 수 있도록 제공할 예정이며, 세계 우위 기술력 확보로 한국이 선도연구에 앞장설 수 있을 것으로 기대한다.

화공 차형준 교수팀, 장기에 생긴 구멍, 홍합으로 메운다

[POSTECH-고려대 공동연구팀, 홍합수중접착제 활용 혁신적인 방광 누공 치료기술 제시] 최근 국내 연구팀이 홍합접착단백질을 이용해 소변에 노출된 상황에서도 장기에 생긴 누공(瘻孔)을 효과적으로 꿰맬 수 있는 혁신적인 방광 누공 치료기술을 개발했다. 화학공학과 차형준 교수, 김효정 박사(현, 한국화학연구원), 박태윤 박사 연구팀은 고려대 안암병원 비뇨의학과 강석호 교수, 강북삼성병원 비뇨의학과 편종현 교수 연구팀과 함께 홍합단백질을 이용한 ‘수중접착제’를 개선하고, 이를 실제 방광 누공을 모사한 돼지 모델에 적용했다. 그 결과, 봉합사를 이용한 기존 치료 방법보다 훨씬 간편하고 빠르게 누공을 폐쇄하며, 치료 효과가 더 뛰어난 것을 확인했다. 누공(fistula)이란 혈관, 창자와 같이 두 개의 공간으로 이루어진 기관 사이에 생기는 비정상적으로 연결된 구멍(hole)을 의미한다. 그중에서도 방광(bladder)은 주변으로 복강내 창자, 자궁, 질 등 다양한 장기와 접해 있어 누공이 발생할 경우, 분뇨 실금이나 방광 염증과 같은 다양한 부작용이 발생한다. 이는 환자 삶의 질을 심각하게 훼손할 뿐 아니라, 특히 개발도상국의 경우 여성 누공이 여성의 인권과 존엄성을 무시하는 매우 심각한 사회문제로 여겨지고 있다. 현재는 이러한 방광 누공을 치료하기 위해서는 봉합사로 꿰매는 물리적 봉합 방식이 대표적이다. 하지만 이러한 물리적 봉합은 수술이 어렵고, 방광의 수축과 팽창이 반복되는 경우 조직이 손상되어 상처가 잘 아물지 않는 등 다양한 어려움이 있었다. POSTECH-고려대 공동연구팀은 2016년에 홍합접착단백질의 상분리 현상을 이용한 제형을 만들어 혈액, 소변과 같은 체액에서도 분해되지 않고 우수한 수중 접착력을 가지는 수중접착제를 개발했다. 여기에서 더 나아가 이번에는 임상으로의 실제 적용을 위한 수중접착제의 개선과 함께 방광 누공이 있는 돼지 모델로 실험했다. 공동연구팀은 요변성*1을 가지는 액체-액체 상분리 제형을, 접착제 개발에 이용함으로써 얇은 주사기를 통해 고점도의 액상 접착제가 누공 부위에 정확히 전달되도록 했다. 이와 함께 누공 폐쇄 이후에는 누공으로부터 흘러나오거나 탈락하지 않도록 설계했다. 연구팀은 수중 접착력에 중요한 역할을 하는 작용기인 카테콜(catechol)의 함량을 최대로 높여 체액이 존재하는 환경에서도 더욱 안정적인 접착력을 가지는 것을 확인했다. 유연성이 좋은 단백질 기반 접착제의 특성으로 수축과 팽창을 반복하는 장기인 방광에서도 누공의 폐쇄력은 계속 유지됐고 이후 단백질 접착제는 생분해되어 누공은 자연재생이 되는 것도 확인했다. 또, 폐쇄된 누공 주변으로 그 어떤 면역 반응이나 염증도 관찰되지 않았으며, 소재의 대량확보, 낮은 수술 난이도 때문에 열악한 의료환경을 가지고 있는 개발도상국에서도 쉽게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 홍합접착단백질 기반 수중접착제는 ㈜네이처글루텍에 기술이전을 완료, 현재 상용화가 추진되고 있다. 차형준 교수는 “대한민국 원천소재인 홍합접착단백질을 이용해 실제 방광 누공 대형동물 모델에 적용하여 효과적인 방광 누공 치료 기술로서의 효과를 확인했다”며 “비슷한 환경의 누공이나 천공과 같은 질환에도 성공적으로 적용할 수 있을 것”라며 기대감을 밝혔다. 고려대 강석호 교수는 “방광 누공은 환자들의 삶의 질에 많은 영향을 주는 치료가 쉽지 않은 질환인데, 이번 연구를 통해 개발된 방광 누공 치료기술은 우수한 내수성 및 수중 접착력을 바탕으로 향후 개복수술뿐 아니라 로봇 수술, 내시경 수술과 같이 최소침습적(minimally-invasive) 수술법에도 적용 가능할 것이다”고 전망했다. 한편, 이번 연구 결과는 생체소재 분야 국제 학술지 ‘악타 바이오머터리얼리아 (Acta Biomaterialia)’에 최근 온라인 게재됐으며, 연구는 보건복지부의 ‘보건의료기술개발사업’, 산업통상자원부의 ‘바이오산업핵심기술개발’, 그리고 포스코 전략과제의 일환으로 수행됐다. 1. 요변성 액체를 휘저어 주는 등의 전단력이 작용할 때는 점도가 감소하고, 전단력의 작용이 없을 때는 점도가 증가하는 현상

화학 심지훈 교수팀, “인공지능(AI) 연금술”을 향하여

[확장가능 인자로 무작위 다원소 합금 결정구조 예측] 납이나 구리 같은 값싼 금속을 금으로 만들려고 했던 연금술은 아직 성공하지 못했다. 그러나 근현대에 들어 으뜸이 되는 원소에 두세 가지의 보조 원소들을 섞는 합금이 개발되면서 현대판 연금술은 고엔트로피 합금과 같이 강도가 높은 최첨단 금속재료를 만들 수 있게 됐다. 이제는 인공지능과 함께 여러 번의 실험이 없이도 첨단 소재의 결정구조를 미리 예측할 수 있는 시대가 왔다. 화학과 심지훈 교수·진태원 박사(제1저자, 현재 KAIST) 연구팀과 인공지능대학원 박재식 교수는 공동연구를 통해 거대한 훈련 데이터 없이 확장가능 인자*1로 다원소 합금의 결정구조를 예측할 수 있는 시스템을 개발했다. 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 최근 게재됐다. 고체는 결정구조에 따라 특정 성질이 결정된다. 결정구조는 같지만, 화학조성이 일정한 범위에서 연속적으로 변화하는 소재인 고용체 고엔트로피 합금의 경우, 결정상에 의해 강도(剛度)나 연성(延性) 같은 기계적 특성이 달라진다. 그러므로 물질의 결정구조를 예측하는 것은 새로운 기능성 물질을 찾는 데 결정적인 역할을 한다. 최근에는 기계학습을 통해 결정구조를 예측하는 방법이 연구되고 있지만, 여기에는 훈련에 필요한 데이터를 준비하기까지 막대한 비용이 소요된다. 연구팀은 80% 이상의 데이터를 훈련과정에 사용하는 기존의 인공지능 모델 대신 확장 가능 인자와 이원소 합금 데이터를 통해 고엔트로피 합금의 결정구조를 예측하는 인공지능 모델을 설계했다. 이는 이원소 합금의 결정구조 데이터만으로 훈련한 인공지능 모델로 고엔트로피 합금을 포함한 다원소 합금의 결정구조를 예측한 첫 연구이다. 연구팀은 실험을 통해 다원소 합금 데이터가 훈련과정에 관여하지 않았음에도, 다원소 합금의 결정상이 80.56%의 정확도로 예측하는 것을 확인했다. 또한, 고엔트로피 합금의 경우, 84.20%의 정확도로 예측됐다. 연구팀이 개발한 방법에 따르면, 기존 연구와 비교해 약 1,000배 정도의 계산 비용을 절약할 수 있는 것으로 예상된다. 연구를 주도한 심지훈 교수는 “신소재 개발을 위해 인공지능 방법론을 적용하기 위해서는 거대한 데이터셋이 요구된다”며 “이번 연구를 통해 거대한 데이터셋 확보 없이 첨단 소재의 결정구조를 효과적으로 예측할 수 있게 됐다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 한편, 한국연구재단, POSTECH 인공지능대학원 정보통신기획평가원, SRC 양자 동력학 연구센터의 지원으로 수행됐다. 1. 확장가능 인자 기존의 인자를 인자 변형 (feature transformation) 과정을 통해 다른 종류의 합금소재에 확장 가능한 형태로 바꾼 인자

전자 김철홍 교수팀, 초음파 한번에 4중 융합 영상 얻는다

[투명 초음파 트랜스듀서 활용한 4중 융합 영상 시스템 개발] 초음파 검사 한 번만으로 안질환, 종양은 물론 몸속 환경을 들여다볼 수 있는 ‘4중 융합 영상 시스템’이 개발됐다. 전자전기공학과‧IT융합공학과‧기계공학과 김철홍 교수·박별리 박사·시스템생명공학부 통합과정 박정우씨 연구팀과 IT융합공학과 김형함 교수, 신소재공학과 정운룡 교수는 경북대 의과대학 김홍균 교수와 공동연구를 통해 투명 초음파 트랜스듀서*1를 개발하고 이를 활용하여 초음파 영상과 광음향, 광간섭, 형광 영상 시스템이 결합된 4중 융합 영상 시스템을 세계 최초로 구현했다. 이번 연구는 세계적 권위지 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 8일 자에 게재됐다. 최근 들어 초음파 영상 기기와 레이저를 사용하는 광학 영상 기기를 결합하여 다양한 영상과 정보를 얻는 멀티모달(multimodal) 영상 기기에 관한 관심이 늘고 있는 추세다. 이 중, 초음파 트랜스듀서는 초음파를 발생시켜 이미지를 얻는 장치로, 초음파 검사를 할 때 이미지 센서와 같은 역할을 하지만 이 장치가 종래에는 물리적으로 투명하지 않아 레이저를 통과시킬 수 없어 광학 영상 기기와 결합하기 상당히 제한적이었다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 레이저가 통과할 수 있는 투명한 초음파 트랜스튜서를 개발했다. 연구팀이 개발한 투명 초음파 트랜스듀서는 최초로 하나의 영상 시스템에서 초음파, 광음향, 광간섭, 형광의 4중 융합 영상을 얻을 수 있다. 실제 투명 초음파 트랜스듀서가 결합된 4중 융합 영상 시스템을 안과용 영상 진단기기에 접목해 생쥐를 관찰한 결과, 쥐 눈의 생체 내 화학적 화상 및 봉합사로 인한 각막 신생 혈관, 구조적 변화, 백내장, 염증 등 여러 가지 역학적 변화를 종합적으로 확인할 수 있었다. 또 종양 영상 진단기기로 활용할 경우, 흑색종에 걸린 쥐를 촬영한 결과 조영제 없이 흑생종, 주변 혈관의 산소포화도, 그리고 조직을 다양하게 시각화할 수 있었다. 또한, 분자 영상이 가능하여 유방암에 걸린 쥐에 인체에 무해한 조영제를 주사한 후 다양한 영상을 획득하고 관찰함으로써, 유방암도 진단할 수 있었다. 이 연구 결과는 안과 질환이나 종양 영상 진단은 물론 헬스케어나 의료 분야, 모바일, 자동차, 로봇, 비파괴검사 등 초음파와 광학 센서가 쓰이는 다양한 산업 분야에서도 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 기대케 한다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 대학중점연구소, 중견연구자지원사업, 시스템반도체 융합전문인력 육성사업, POSCO 그리고 BK21 FOUR의 지원으로 수행됐다. 1. 초음파 트랜스듀서 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다.

신소재 한세광 교수-화공 조길원 교수 공동연구팀, “주사 맞지 말고 빛만 쬐세요”

[근적외선 제어 약물전달 시스템 개발] 약물투여가 필요할 때 빛을 쬐기만 해도 체내 의료기기에서 자동으로 약물이 주입되는 새로운 개념의 약물전달 시스템이 나왔다. 신소재공학과 한세광 교수 연구팀과 화학공학과 조길원 교수 연구팀은 나노 물질에 작은 빛 에너지를 쏘이면 물질 내에서 에너지가 증폭하는 ‘상향변환 나노입자’가 코팅된 유기 태양광발전 소자를 이용해 자동 제어형 약물전달 시스템을 개발했다. 이번에 개발된 약물전달 시스템은 나노입자가 근적외선 빛을 가시광선 빛으로 변환하여 몸 안에 장착된 의료기기에서 필요에 따라 약물방출이 조절될 수 있도록 했다. 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 3월 1일 자로 게재됐다. 당뇨병처럼 주기적으로 약물을 주입해야 하는 환자를 위해 반복적으로 주사를 맞는 대신에 자동으로 약물을 주입해 주는 약물전달 시스템이 연구·개발되고 있다. 하지만 이런 장치를 작동시키기 위한 동력원의 한계로 크기나 모양 등에 제약이 많다. 연구팀은 태양광발전에서 그 답을 찾았다. 피부 투과가 가능한 근적외선으로 태양광발전을 유도하기 위해 상향변환 나노입자를 태양광발전 소자로 이용했다. 코어-쉘 구조의 상향변환 나노입자가 코팅된 유기 태양광발전 소자가 NIR 빛이 조사됐을 때 전류의 흐름을 발생시켜 기계 전자 시스템으로 제작된 약물전달 시스템을 작동시키도록 설계했다. 이렇게 전류가 가해지면 약물저장소를 막고 있는 금 박막이 녹아서 약물이 방출되게 된다. 한세광 교수는 “유연한 태양광 발전소자와 약물전달 시스템의 결합으로 빛을 이용한 약물 방출의 제어가 가능하다”며 “인체에 무해하고, 피부 투과도가 높은 근적외선을 통해 약물전달 시스템을 작동시킨다”고 설명했다. 또한 “근적외선을 이용해 몸에 삽입된 의료기기의 정교한 약물방출 제어가 가능하기 때문에 앞으로 체내 의료기기를 이용한 광 치료 기술 개발에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 프론티어, 공학연구센터 및 중견연구 사업의 지원으로 수행됐다.

화공 차형준 교수팀, 구조 전환 DNA 기반의 진단용 ‘맞춤형’ 당(糖)칩 만든다

[POSTECH·영남대 공동연구팀, pH 감응형 DNA 링커 활용 복합당칩 개발] 당칩(glycan chip)은 고체 표면에 고밀도로 당(糖, glycan)*1을 고정해 암과 같은 질병 발생에 대한 진단 등 당과 관련한 상호작용을 빠른 속도로 한꺼번에 분석할 수 있는 마이크로칩(microchip)으로 주목을 받고 있다. 이 당칩을 간단히 ‘맞춤형’으로 만들 수 있는 새로운 플랫폼 기술이 개발됐다. 화학공학과 차형준 교수, 허혜령 박사 연구팀이 영남대 화학생화학부 김창섭 교수와 함께 pH 조건에 따라 구조가 바뀌는 DNA(이하 i-motif DNA)를 링커로 도입해 새로운 당칩 플랫폼을 개발했다. 특히, 이 플랫폼은 칩 표면상에서 생합성된 당의 분리가 가능해 복합당의 제작과정을 최적화할 수 있고, 이를 통해 응용 목적에 따른 ‘맞춤형 당칩’을 재현성 있게 제작할 수 있다. 당칩(glycan chip)은 세포 표면에서의 당을 칩 표면에 효과적으로 모사하는데, 이때 당과 다양한 생체물질 간의 상호작용을 분석함으로써 감염체를 진단할 수 있다. 고체 표면에서의 효소적 당 합성(enzymatic glycosylation)을 통해 높은 구조적 특이성을 갖는 당칩 제작이 가능하지만, 복합당(complex glycan)*2 합성으로 갈수록 표면에서 생합성된 당의 복잡한 구조를 명확히 확인하기 어렵다는 문제가 있어 왔다. 연구팀은 i-motif DNA가 낮은 pH 조건에서 구조를 변형해 혼성화된 상보 배열의 DNA와 분리될 수 있다는 점에 착안해 i-motif DNA를 칩 표면과 당을 연결하는 중간물질인 링커로 활용했다. i-motif DNA가 pH 조건에 따라 구조를 바꾸는 원리로 당을 표면에 고정 또는 분리하는 작용을 통해 표면에서 생합성된 복합당의 정량과 생합성 조건을 동시에 분석하여 표면에서의 복합당 합성 과정을 최적화했다. 이를 기반으로 만든 당칩을 이용해 감염체(암) 식별을 위한 당 바이오마커를 명확히 확인할 수 있었으며, 암 특이적 표지 항체의 당 결합 특성에 대한 정보도 얻을 수 있었다. 개발된 당칩 플랫폼은 세포 표면을 효과적으로 모사할 수 있어, 생물학적 과정에 관여하는 당 관련 다양한 상호작용 분석 및 응용에 유용하게 활용할 수 있다. 특히, 여러 가지 당 합성 효소의 조합을 통해 칩 플랫폼상에서 원하는 복합당을 바로 합성함으로써 맞춤형 당칩을 간편하게 제작할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “새로운 당칩 플랫폼을 개발해 복합당의 합성과 당칩 제작의 어려움을 해결했고, 당칩의 폭넓은 활용을 가능하게 했다”라고 연구의 의의를 밝혔다. 그는 이에 덧붙여 “이번 연구를 통해 맞춤형 당칩 제작의 접근성을 높여, 앞으로 암 진단을 포함하는 다양한 당 관련 연구에 활용할 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한편, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2일자에 게재된 이 연구는 한국연구재단의 해양극지기초원천기술개발사업과 신진연구자사업의 일환으로 수행됐다. 1. 당(탄수화물, carbohydrate) 당지질, 당단백질 등 다양한 형태의 복합체로 생체 내에 존재하며, 단백질 결합 및 폴딩, 신호 전달, 면역학적 반응 등 다양한 생물학적 상호작용에 중요한 역할을 하는 생체물질 2. 복합당 다양한 구조의 단당(monosaccharide)들이 짧거나 길게, 혹은 분지 형태(branch)로 연결되어 만들어진 복합 탄수화물

화공 한정우 교수팀, 연료전지 효율 높이는 ‘촉매’의 비밀 밝히다

[POSTECH·UNIST 연구팀, 촉매 상 전이 및 엑솔루션 현상 규명] 친환경 에너지원으로 주목받고 있는 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 통해 전기와 열을 동시에 얻는다. 그래서 반응 효율을 높여주는 촉매는 곧 연료전지의 성능과 직결된다. POSTECH-UNIST 연구팀이 원자 단위에서의 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 밝힘으로써 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가섰다. 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김경학씨 연구팀은 UNIST(울산과기원, 총장 이용훈) 김건태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 ’PBMO‘가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 엑솔루션(용출, 溶出)*1되는 메커니즘을 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서의 가능성을 확인했다. 이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)의 뒷표지 논문(Outside back cover)으로 선정, 최근 게재됐다. 촉매는 물질의 화학반응을 더욱 잘 일어날 수 있도록 돕는 물질이다. 연료전지의 촉매 중 하나인 PBMO(Pr0.5Ba0.5MnO3-δ)는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려져 있다. 특히, 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화됨에 따라 높은 이온전도도를 가진다. 이와 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 엑솔루션 현상이 일어난다. 이 현상은 특별한 공정 과정 없이 주위 환원 조건에 의해 자발적으로 일어나는데, 물질 내부에 있던 원소가 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아진다. 하지만 그동안 어떤 과정을 통하여 고성능의 촉매가 형성되는지는 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다. 연구팀은 이런 특징에 주목해 양자역학 기반의 제일원리 계산과 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 in-situ XRD*2 실험을 통하여 이 과정이 상 전이 → 입자 석출 → 촉매 형성의 과정을 거침을 확인했다. 또한, 이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 좋아짐을 확인하여 다양한 화학 촉매에도 이번 연구가 적용 가능함을 확인했다. 연구를 주도한 한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라며 “이 연구는 지지체 ·나노촉매가 활용되는 배기가스 저감, 센서, 연료전지, 화학 촉매 등에 활용될 수 있기 때문에 향후 다양한 분야에서 활발한 연구가 기대된다”고 말했다. 한편, 이 연구는 삼성미래육성기술재단, 에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다. 1. 엑솔루션(exsolution) 용출(溶出), 금속 혼합물 따위를 가열하여 그 성분을 분리하는 조작 2. XRD (X-Ray Diffraction) X-Ray를 소재에 조사할 때 특정 각도에서 회절이 일어나는 것을 바탕으로 물질의 결정구조를 파악하는 분석법