Research

물리 이후종·이길호 교수 공동연구팀, 그래핀을 이용해 새로운 양자통신소자 가능성 열다

[그래핀을 이용한 고효율 양자얽힘 구현] 양자정보 통신은 정보사회의 패러다임을 바꿀 신기술로 여겨진다. 양자컴퓨터는 얽힘이나 중첩 같은 양자역학적인 현상을 활용하여 연산을 처리하는 컴퓨터인데, 한 번의 연산으로 여러 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리능력이 우수하며, 정보처리량이 늘어날수록 연산처리속도가 지금까지의 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 빨라진다. 이런 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 입자 간의 양자역학적 상태얽힘 효율을 최대로 높여야 한다. 최근 POSTECH 연구팀이 그래핀을 이용하여 고효율의 양자얽힘을 구현했다. 물리학과 이길호․이후종 교수․박사과정 박건형씨 연구팀은 양자얽힘*1을 유도하기 위해 겹층그래핀을 육방정계질화붕소(hBN) 결정막으로 보호하여 그래핀에서 무질서하게 산란되는 전자를 최소화했다. 또한, 겹층그래핀을 수직으로 쌓고, 이 두 개의 겹층그래핀 가장자리를 초전도물질로 연결한 양자얽힘 소자를 제작하는 데 성공했다. 이 연구성과는 미국화학회 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신호를 통해 발표됐다. 지금까지 양자얽힘을 유도하기 위해 여러 종류의 물리적 구조를 이용하는 연구들이 진행됐다. 예를 들면, 레이저 광선으로 이온이나 원자를 조작하는 ‘이온 트랩’, 극저온에서 전기저항이 사라져 전력 손실 없이 전류가 흐르는 ‘초전도체’, 실리콘 등의 반도체에 전자가 지나는 길을 제어하는 방법 등이다. 연구팀은 그래핀이 탄소로 이루어진 현존하는 가장 얇은 도체이면서 구리나 실리콘보다 수백 배 더 전자를 잘 이동시키는 점에 주목했다. 겹층그래핀 사이의 간격을 초전도 결맞음*2 길이보다 훨씬 얇게 하고 겹층그래핀의 특이한 밴드구조를 이용해 양자얽힘 현상과 함께 일어나는 부수 현상들을 효과적으로 차단하여 순수한 양자얽힘 효율을 획기적으로 향상했다. 2차원 물질을 수직으로 쌓아 다양한 기능성을 실현하는 소자 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있는 가운데, 이번 연구는 2차원 물질인 겹층그래핀과 초전도를 결합시켜 기존 초전도 전자쌍의 양자얽힘 효율을 향상시켰다는 점에서 주목을 모으고 있다. 이 연구팀은 지난 수년에 걸쳐 학계에서 높은 관심을 받았던 그래핀과 초전도를 접합시킨 조셉슨 접합*3에 대한 연구로도 국제적인 주목을 받았으며 이는 이번 후속 연구의 근간이 되었다. 연구를 주도한 이후종 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 그래핀을 포함한 2차원물질을 이용한 양자얽힘 등 양자 소자 개발에 새로운 활로를 열 것으로 기대된다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터지원사업과 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다. 1. 양자 얽힘(quantum entanglement) 두 양자상태가 공간적으로 멀리 떨어져 있어도 그것이 양자역학적인 상관관계로 묶여 있는 것을 양자얽힘이라고 한다. 2. 결맞음 양자상태의 파동 특성에서 간섭 현상을 볼 수 있는 조건 3. 조셉슨 접합 두 개의 초전도를 접합시켜 그 사이를 전자쌍이 전기저항 없이 통과하게 만든 소자로서, 이를 이용해 결맞음 특성이 우수한 양자소자를 만들 수 있다.

화학 박수진 교수팀, ‘접히고 오래가는 배터리’ 어디까지 가벼워질 수 있나?

[3차원 구조 일체형 유기 배터리 전극 개발] 폴더블폰, 5G폰 등 고용량 전력을 요구하는 스마트폰이나 웨어러블 기기들이 대거 등장하면서 배터리에 관한 관심도 높아지고 있다. 스마트워치 시곗줄에 휘어지는 배터리를 내장하거나 단순 무선 충전에서 발전한 무선 전력 공유 배터리도 나오고 있다. 하지만 온종일 사용할 수 있는 수천 밀리암페어아워(mAh, 전류 용량)의 대용량 배터리를 안정적으로 접었다 펼 수 있는 배터리 제조 기술은 아직 개발되지 않았다. 최근 국내 한 연구팀에서 무거운 구리 집전체를 대신할 일체형 전극을 개발함으로써 ‘접히는 대용량 배터리’의 실현 가능성을 열었다. 화학과·첨단재료과학부 박수진 교수, 화학과 박사후연구원 류재건씨, 첨단재료과학부 통합과정 강지은씨 팀은 재료연구소(KIMS)와의 공동연구를 통해 3차원 구조의 유기 박막 전극으로 플렉서블 배터리 개발에 성공했다. 또, 3차원 탄소 전극을 활용하여 기존 구리 집전체*1와 비교하여 배터리 무게를 10배 이상 낮추고, 흑연 대신 유기 소재를 사용하여 단위 무게당 배터리 용량을 4배 이상 늘리는 결과를 내놓았다. 이 연구성과는 재료 분야 국제학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 최신호에 게재됐다. 유기 소재의 경우 전기 전도도가 낮고, 집전체와 유기 소재를 일체화하는 방법이 없어 지금까지 유기물질을 사용하는 일체형 전극의 구현이 불가능했다. 연구팀은 배터리를 무겁게 하는 요소인 집전체를 대신하고, 낮은 에너지 밀도를 가지는 흑연 음극을 대체하여 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있는 방안에 대해서 고민했다. 연구팀은 단일벽 탄소 나노큐브를 이용해 전기 전도도가 높은 3차원 구조체를 만들었다. 여기에 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 이미드-기반 네트워크*2 유기 소재를 코팅하여 얇은 일체형 배터리 전극을 개발했다. 8nm의 얇고, 조절이 가능한 두께의 유기층이 코팅된 3차원 일체형 전극은 최대 1550 mAh/g의 가역 용량을 제공하며, 800회 이상 충전이 가능했다. 해당 전극은 유기 소재가 코팅되었음에도 높은 전기 전도성을 가질 뿐 아니라, 다량의 기공들을 통한 리튬 이온을 빠른 확산을 도와 이차 전지의 성능을 크게 높였다. 또한, 유기 소재의 코팅 두께도 손쉽게 조절할 수 있어, 유기 전극의 전류 밀도를 크게 향상할 수 있었다. 연구팀이 개발한 소재는 금속 기반의 집전체를 대신하여 가볍고 유연한 이차 전지를 개발할 수 있어 차세대 웨어러블 전자기기, 플렉서블 디바이스, 통신장비 및 전기차 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 주도한 박수진 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 일체형 탄소 나노튜브-유기 소재 전극을 활용하면 이차 전지의 무게를 획기적으로 낮출 수 있다”며 “기존 2차원 기반의 소자가 갖는 한계를 극복하고, 유기 배터리의 유연화와 경량화를 실현할 수 있다”고 말했다. 이 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행됐다. 1. 집전체 두 극판의 화학물질이 만들어내는 전기에너지를 회로에 연결할 수 있게 전기에너지 전달을 하는 역할을 한다. 2. 이미드-기반 네트워크 전기화학적으로 활성을 띄는 유기 물질 중 하나로, 일반 적인 선형 구조의 고분자가 아닌, 3차원으로 연결된 고분자 물질.

기계‧화공 노준석 교수팀, ‘세로 본능’, 차세대 광소자 효율·광스핀홀 효과 동시에 잡는다

[수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질 이용해 광스핀홀 효과 최초 구현...미국화학회(ACS) 저널 표지논문 게재] 볼링을 칠 때, 볼에 스핀을 넣어 투구하면 커다란 활모양의 궤적을 만드는 것을 볼 수 있다. 이런 커브볼은 핀을 쓰러뜨리는 파괴력이 가장 좋으나 투구는 어렵다. 이런 현상은 빛에서도 일어나는데, 최근 국내 연구팀이 메타물질을 활용하여 ‘광스핀홀 효과’를 수십 배 이상 증가시킬 수 있다는 결과를 내놓았다. 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수, 박사과정 김민경씨, 이다솔씨 팀이 인공적으로 디자인된 메타물질‧메타표면을 이용하여 광스핀홀 효과를 증가시킴으로써 파장의 수 배 또는 수십 배 이상의 빛을 이동시킬 수 있음을 최초로 구현했다. 이 연구 성과는 최근 광학 분야 국제학술지 'ACS 포토닉스(ACS Photonics)' 표지논문으로 게재됐다. 광스핀홀 효과는 빛이 굴절할 때 입사면에 수직한 방향으로 빛이 이동하여 나오는 현상을 가리킨다. 이는 눈으로 볼 수 있는 가시광 영역대에서는 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터)로 매우 작아 관찰이 어렵다는 단점이 있었다. 지금까지 광스핀홀 효과를 증가시키기 위하여 비등방성*1이 높은 물질인 하이퍼볼릭 메타물질*2이 연구됐다. 하이퍼볼릭 메타물질은 금속과 비금속을 파장보다 매우 얇은 두께로 쌓아 올린 적층 구조체로, 특정 방향으로는 금속의 성질을, 다른 방향으로는 비금속의 성질을 모두 가지기 때문에 광스핀홀 효과를 높일 수 있다. 그러나 효율과 광스핀홀 효과는 반비례하여 높은 효율과 높은 광스핀홀 효과를 동시에 얻을 수는 없었다. 또한 하이퍼볼릭 메타물질을 활용했을 때 효율이 0.1% 미만으로 매우 낮아 실질적 응용이 불가능했다. 연구팀은 기존의 수평 적층형 하이퍼볼릭 메타물질이 아닌 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하여 광스핀홀 효과와 그 효율을 높이는 방안을 제시했다. 또한, 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질은 같은 물질 조합과 두께를 가진 수평 적층형보다 수천 배 이상의 광스핀홀 효과와 수백 배 이상의 효율을 갖는 것을 검증했다. 광스핀홀 효과가 사실상 존재한다는 것은 이론적으로 알고 있었지만 실제로 검출하기는 매우 어려웠다. 이 연구를 통해 수직형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용함으로써 광스핀홀 효과를 증대시킬 수 있을 뿐 아니라 목적에 맞게 이용할 수 있음을 확인했다. 연구팀이 제시한 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질을 활용한 광스핀홀 효과는 다양한 분야에 실질적 응용이 가능하다. 특히 편광에 따른 기능성 광필터, 광센서, 광스위치, 광 분할기(beam splitter) 등의 광소자로 활용 가능해 광집적회로, 광통신 등의 분야에 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 노준석 교수는 “이 연구는 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질을 이용하여 광 스핀홀 효과를 구현한 첫 번째 사례이며, 광스핀홀 효과를 높은 효율에서 얻을 수 있다는 것을 처음으로 제시했다”며 “이 연구를 통해 수직 적층형 하이퍼볼릭 메타물질과 광스핀홀 효과에 대한 연구가 더욱 활발해지기를 기대한다”고 말했다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 지역혁신선도연구센터(RLRC), 중견연구사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업(ERC), 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다. 1. 비등방성 물체의 물리적 성질이 방향에 따라 다른 성질. 비등방성을 띠는 결정에 빛을 쬐어주면 2개의 굴절이 일어나 물체의 상이 2개가 된다. 2. 하이퍼볼릭 메타물질(hyperbolic metamaterial) 자연에서 발견되지 못하는 전자기 특성을 가지도록 인위적으로 제작된 것으로 금속성 물질과 유전체 물질이 교대로 층을 이룬 형태.

창의IT 김철홍 교수팀, 고강도 집속초음파 치료 중 광음향 영상 이용해 실시간 종양 온도 확인

- 광음향·초음파 영상시스템 개발 - 기존 초음파시스템과 결합 가능...미국전기전자학회 표지논문 게재 고강도 집속초음파(High Intensity Focused Ultrasound, 이하 HIFU) 치료란, 체외에서 병변 부위까지 높은 강도의 초음파를 전달하여 병든 조직과 종양을 제거하는 비침습 치료법으로, 병변 주위 조직에 영향을 미치지 않고 빠른 회복이 가능해 ‘미래의 초음파’라 불리는 획기적인 기술이다. 최근 국내 연구팀이 광음향 초음파 영상 시스템을 개발함으로써 HIFU 치료 중에 실시간으로 종양이나 병변 부위의 온도가 상승하는 것을 확인했다. 이는 종양 등 병변의 위치와 상태를 알 수 있는 것으로, 앞으로 더욱 정교한 HIFU 치료가 기대된다. 창의IT융합공학과 김철홍 교수, 김지수 박사, 통합과정 최원석씨 연구팀은 강력한 HIFU파의 간섭 없이 치료과정을 확인할 수 있는 실시간 광음향 온도 측정 시스템을 새롭게 제안했다. 이 시스템에 따르면 체외에서 병변 부위까지 높은 강도의 초음파를 전달하는 과정 중에도 초음파 이미징, 광음향 이미징, 광음향 온도 측정이 가능하다. 이 연구성과는 미국전기전자학회(IEEE) ‘트랜잭션즈 온 바이오메디컬 엔지니어링(Transactions on Biomedical Engineering)’에 게재됐으며, 특집기사 및 표지논문으로 선정됐다. HIFU 치료는 고강도의 초음파에너지를 한곳에 모을 때 초점에서 발생하는 65~100℃의 고열을 이용해 병든 조직을 태워 없애는 방법이다. 때문에 칼이나 바늘을 사용하지 않고 전신 마취가 필요 없이 몸속에 있는 병변을 치료할 수 있으며, 주변 정상 조직을 훼손하지 않는다는 장점이 있다. HIFU는 전달되는 부위에 따라 다른 온도값을 갖는다. 정상 부위와 병변의 온도를 측정하는 것은 병변의 위치와 상태를 정확하게 파악할 수 있어 시술의 안전성을 높이며, 적절하게 치료를 계획하는 데 필수적이다. 이를 위해서 MRI나 초음파 등의 의료영상 기술이 뒷받침되어야 했다. 과거에도 HIFU 치료과정을 관찰하기 위한 광음향 온도 측정 연구는 있었지만, HIFU가 켜져 있는 동안 이미지를 만들 수 없거나, 2D 모니터링을 제공할 수 없거나, 임상에서 사용할 수 없는 등 많은 한계가 있었다. 연구팀은 종양이 있는 실험용 쥐를 이용하여 광음향 신호 세기와 온도를 측정한 결과, HIFU로 인한 치료 부위의 온도가 증가하는 것을 실시간 광음향 영상을 이용해 확인했다. 또한, 광음향 영상을 통해 기존 초음파에서 구별하기 어려웠던 병변 부위를 광흡수 정도에 따라 구별할 수 있었다. 연구를 주도한 김철홍 교수는 “이번 광음향 초음파 영상 시스템 개발로 실시간 온도 상승 측정이 가능해짐으로써 HIFU 치료의 효과적인 계획을 세울 수 있게 됐다”며, “무엇보다 기존 초음파 영상 기반 HIFU 치료 시스템에 레이저를 결합함으로써 빠르게 임상에 적용할 수 있다”며 연구의 의미를 밝혔다. 한편, 이 연구는 ICT명품인재양성사업, 한국연구재단 파이오니어사업, 보건복지부 보건의료기술연구개발사업의 지원으로 수행됐다.

화학 김기문교수, 세계 리더와 英왕립화학회 전공입문서 발간

‘쿠커비투릴과 관련된 거대고리 분자들’ 쿠커비투릴 분야 세계적인 리더·떠오르는 신진 연구자 참여 화학과 김기문 교수(IBS 복잡계 자기조립 연구단장)가 영국 왕립 화학회(Royal Society of Chemistry)의 요청으로 전공입문서 ‘쿠커비투릴과 관련된 거대고리 분자들(Cucurbiturils and Related Macrocycles)’을 편찬했다. 이 책은 초분자 화학 분야의 기초 지식과 최신 연구 동향을 널리 알리려는 영국왕립 화학회의 ‘초분자 화학의 모노그래프(Monographs in Supramolecular Chemistry)’의 시리즈의 하나다. 특히, 김 교수는 단독 편집 책임자로, 쿠커비투릴 분야의 세계적인 리더들과 떠오르는 신진 연구자들과 함께 이 책을 완성했다. 김 교수는 초분자화학(supramolecular chemistry) 분야의 세계적인 권위자로 호박처럼 생긴 쿠커비투릴(cucurbituril, CB)이란 인공수용체와 이를 이용한 초분자화학의 선구적인 연구뿐 아니라 이에 기초한 나노 기술과 바이오 기술 개발에 크게 기여해왔다. 이 책은 김 교수가 직접 집필한 4개의 챕터를 포함하여, 총 20장으로 구성됐으며, 쿠커비투릴 화학의 역사와 발전 과정, 합성과 물성에 대한 이해, 그리고 화학, 재료, 바이오, 나노 등 다양한 분야 응용을 폭넓게 소개하고 있다. 또한, 쿠커비투릴 화학의 현주소를 진단하고, 전망과 나아갈 방향을 제시했다. 쿠커비투릴은 속이 빈 호박 모양을 한 나노사이즈의 화합물로서 주인-손님 상호작용이라 불리는 결합을 통해 다양한 복합체를 형성하는데, 이때 결합하는 손님 분자의 종류에 따라 주인-손님 상호작용의 세기가 달라지고 다양한 응용을 가능케 한다. ‘쿠커비투릴’이라는 이름은 영어로 호박을 비롯한 박과식물을 뜻하는 단어인 ‘쿠커빗’(cucurbit)에서 따왔다. 김 교수는 최근 자연과학 분야의 세계적인 출판사인 월드 사이언티픽(World Scientific)을 통해 ‘쿠커비투릴: 화학, 초분자 화학 그리고 응용’이라는 단행본 발간한 데 이어 세계 석학들을 이끌고 쿠커비투릴 연구의 현주소와 미래에 대한 책을 편찬함으로써 쿠커비투릴 분야에서 위상을 재확인했다. 김 교수는 “초분자화학 모노그래프 시리즈 중에서 ‘쿠커비투릴과 관련된 거대고리 분자들’이 출판된 것은 초분자화학 분야에서 쿠커비투릴의 위상을 보여주는 일례”라며, “쿠커비투릴을 활용한 연구의 우수성을 널리 알리고, 다양한 분야에서의 활용성을 확인함으로써 많은 연구자들이 연구에 참여하기를 바란다”며 발간의 의의를 밝혔다.

기계·융합생명 김기현 교수팀, ‘술잔세포영상법’으로 안구건조증 제대로 진단하다

[세계 최초 결막술잔세포 고화질 생체영상기술 개발] 술잔세포는 점액을 만드는 세포로 눈물이 고르게 퍼지도록 해주어 눈 표면을 촉촉하게 유지하는 역할을 한다. 술잔세포는 안구건조증을 포함한 자가면역질환이나 화학 손상 등과 관련이 있어 술잔세포의 상태를 관찰하는 것이 눈의 질병 상태를 이해하고, 진단하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 기계공학과·융합생명공학부 김기현 교수·통합과정 김성한씨팀이 전 서울아산병원 안과 김명준 교수(현 리뉴서울안과의원 원장)와 공동연구 끝에 고화질-고대비 결막술잔세포 영상기법 개발에 성공했다. 현재 술잔세포를 검사하는 방법으로 압흔검사법(impression cytology)이 있다. 눈 표면에 여과지를 붙였다가 뗄 때 여과지에 붙어 나오는 세포를 다시 현미경용 슬라이드에 옮기고 특수 염색 후 현미경으로 관찰하는 방법이다. 하지만 검사 자체가 복잡하고 결막 표면에 손상을 일으킬 수 있어 잘 사용되지 않는다. 한편, 생체 현미경 기술로는 최근 비침습적 공초점 반사 현미경으로 결막술잔세포를 촬영한 연구결과가 보고된 적이 있지만, 영상 대비도가 낮아서 정확한 결과를 얻기 어려웠다. 연구팀은 지난 몇 년간 안약으로 사용되는 플루오로퀴놀론 계열 항생제의 형광염색 특성에 주목하여 임상 적용을 염두에 두고 세포영상법을 연구해 왔다. 그 결과, 플루오로퀴놀론 계열 항생제 중에서 안약으로 흔히 사용되는 목시플록사신이 결막에 분포하는 술잔세포에서 더 강한 형광을 발현한다는 것을 알아냈다. 또한 실험용 쥐의 안구에 목시플록사신을 투여하고 1~2분 후에 공초점 형광 현미경으로 촬영한 결과, 결막 표면의 술잔세포 군집들이 선명하게 나타나는 것을 검증했다. 이 영상법은 기존 공초점 반사현미경 영상법과 비교하면 대비도가 높아서 초당 10프레임 이상 실시간 촬영이 가능했다. 이번에 개발된 고대비 결막술잔세포 영상법은 세계 최초로 현재 안과에서 안전하게 사용하고 있는 항생제를 사용해 진단용 의료기기 개발에 쉽게 적용할 수 있을 것으로 보인다. 뿐만 아니라 주변에서 흔히 볼 수 있는 안구건조증 환자의 정밀진단과 치료 효과의 판정 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 김기현 교수는 “이번 연구는 기존 결막술잔세포 검사법의 한계를 획기적으로 극복한 비침습적 고선명도 영상법을 개발한 것”이라며, “이 영상법을 결막술잔세포 검사법으로 발전시켜 안구건조증 환자의 정밀진단과 치료 효과 판정에 활용할 수 있도록 의료기기를 개발하겠다”며 계획을 밝혔다. 한편, 이 연구는 한국연구재단의 메조스케일 뇌신경네트워크 고속 초고해상도 광범위 3차원 형광현미경 시스템 사업과 압타머 기반 당뇨병 치료제 개발을 위한 인 비보(IN VIVO) 검사 플랫폼 개발 사업의 지원으로 수행됐다.

화학 류순민 교수팀, 그래핀 ‘물’과 ‘산소’ 때문에 성질 변한다

[계면 확산에 의한 이차원 물질의 산화-환원 원리 규명] 음식물을 오래 내버려 두면 부패하고, 과일을 깎아서 공기 중에 두면 갈색으로 변하는 것을 흔히 볼 수 있다. 이런 현상은 일상생활에서 목격하게 되는 산화·환원 반응이다. 그래핀과 같이 차세대 신소재로 주목받는 2차원 물질의 물리적인 성질을 제어하는 기본 원리 역시 바로 이 산화·환원 반응에 의한 것임이 밝혀졌다. 화학과 류순민 교수, 통합과정 박광희씨·강하늘씨 연구팀은 대기 중 2차원 물질의 원자에 외부 전하가 유입되는 도핑현상이 물과 산소의 산화·환원에 의한 전기화학적 반응에 의한 것임을 밝혀냈다. 실시간 형광 이미징을 이용해 대기 속 산소와 물 분자가 매개하는 전기화학적 산화환원반응을 관찰한 것인데, 이 방법에 따르면 2차원 물질의 물리적 성질을 제어할 수 있게 됨으로써 휘어지는 영상소자, 초고속 트랜지스터, 차세대 배터리, 초경량 소재 등 2차원 반도체의 응용성을 한 차원 높일 것으로 기대된다. 그래핀과 이황화텅스텐과 같은 2차원 물질은 원자 몇 개에 해당하는 나노미터 단위(nm, 10억 분의 1m)의 두께를 갖는 물질이다. 얇고 잘 휘어지면서 단단한 특성 때문에 반도체나 디스플레이, 태양전지 등에 적용할 수 있어 꿈의 소재라 불린다. 하지만 모든 원자들이 물질의 표면에 존재하므로 기온, 습도 등 주변 환경에 따라 쉽게 변조되거나 변형이 되는 한계를 가지고 있다. 이제껏 이러한 변형 현상에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있다. 연구팀은 이황화텅스텐의 실시간 광발광 이미징*1 방법과 그래핀의 라만 분광법*2을 이용하여, 2차원 물질과 친수성 기판 사이에 나노미터(nm) 규모의 높이를 가지는 공간에서 산소 분자가 확산하는 것을 확인하였고, 해당 공간에는 반응을 매개할 수 있는 양의 물이 포함되어 있음을 확인하였다. 또한, 염산과 같은 산성 용액에서 일어나는 전하 도핑현상 역시 같은 원리로 용존 산소량과 수소 이온 농도(pH)를 이용해 제어되는 것을 증명하였다. 이 연구를 통해 밝혀진 사실은 2차원 물질이나 다른 저차원 소재의 전기적·자기적·광학적 성질을 제어하는데 필수적인 기초 원리이다. 이 이론은 2차원 물질이 주변 환경에 의해 변형되는 것을 막는데 필요한 전처리와 플렉서블, 스트레쳐블 디스플레이를 위한 박막봉지(Encapsulation)와 같은 후처리 기술 개발에도 활용될 수 있다. 류순민 교수는 “실시간 형광 이미징을 이용해 대기 속 산소와 물 분자가 매개하는 전기화학적 산화환원반응이 핵심이라는 사실을 밝혀 물성 제어를 위한 기본 원리를 제공하게 되었다”며 “이 반응은 2차원 소재뿐만 아니라 양자점, 나노선과 같은 물질에도 적용되기 때문에 저차원 물질에 기반한 나노과학기술의 발전에 중요한 디딤돌이 될 것이다”라고 말했다. 이 연구성과는 최근 과학저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 게재됐으며, 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다. 1. 광발광 이미징 레이저 광과 같은 강력한 단색의 여기광을 대물렌즈의 관측 시야(field of view)에 한 번에 조사하여 대면적의 형광 세기 이미지를 얻는 방법. 2. 라만 분광법 레이저 광과 같은 강력한 단색의 여기광을 쬐었을 때 분자의 진동수만큼의 차이가 있는 산란광이 생기는 현상인 라만 효과에서 분자의 진동수를 구하는 분광법. 적외선 분광법에 비해 공간 분해능이 높고, 보다 다양한 시료에 적용되는 장점이 있다.

창의IT 백창기 교수팀 “빛 샐 틈 없는 광흡수” 모래시계형 나노선 광센서 개발

[실리콘 재료와 반도체 공정을 활용한 고감응도 수직 실리콘 나노선 제시] 근적외선은 빛의 스펙트럼에서 적색 바깥쪽, 그중에서도 파장이 가장 짧은 광원이다. 근적외선은 열작용 외에도 광전작용, 형광작용을 나타내므로 광통신이나 레이저 치료기기와 같은 의료기기, 자율주행용 라이다(LiDAR)*1, 보안·감시 기기 등 민간 및 국방산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다. 이러한 근적외선을 활용하기 위해서는 광센서를 통해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것이 핵심기술인데, POSTECH 연구팀이 모래시계구조의 원리를 이용해 근적외선의 흡수를 늘리는 ‘광검출센서’ 개발에 성공했다. ☞'근적외선 광검출 측정영상' 바로가기 창의IT융합공학과 백창기 교수·김기현 연구교수·통합과정 서명해씨·전자전기공학과 박사과정 윤솔씨팀은 기존 반도체 공정을 이용하면서도 빛 흡수 효율을 높이는 ‘모래시계구조의 수직 실리콘 나노선’을 개발했다. 이 연구성과는 5일 세계적인 전자 소자 분야 학술지인 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재됐다. 지금까지 근적외선 광검출센서는 화합물 재료를 바탕으로 제작됐다. 이는 노이즈로 인한 별도의 냉각장치가 필요하고, 집적이 어려우며, 넓은 면적으로 제작할 경우 생산비용이 높다는 단점이 있었다. 연구팀은 이러한 화합물 재료의 단점을 해결하기 위해 실리콘 재료를 활용했으며, 근적외선 흡수율이 낮은 실리콘의 물질적 한계를 극복하기 위해 모래시계구조의 수직 실리콘 나노선을 제시했다. 모래시계의 상부에서는 작은 소리도 크게 들리는 것 같이, 빛이 모래시계 안에서 빠져나오지 않고 공명을 일으키는 “속삭임의 회랑 공진*2”이 발생한다. 이처럼 근적외선이 나노선 지름을 따라 회전하며 흡수되기 때문에 흡수되는 빛의 깊이를 크게 늘리는 효과가 있다. 또한, 하부에서는 지름의 크기가 점차 커지는 수직방향으로 공기와 실리콘 사이의 굴절률의 차이가 점진적으로 증가해 나노선 상부에서 반사·투과된 광원을 효율적으로 재흡수한다. 연구팀은 모래시계구조 수직 실리콘 나노선이 기존 평판형 구조와 비교하면 1,000nm 근적외선 파장에서 최대 29% 증가된 빛 흡수 효율을 보이는 것을 확인했다. 또한, 이번에 개발된 센서를 모바일 심박 측정시스템에 적용했을 때, 평판형 센서 대비 심박수 출력 파형의 크기가 크고, 기존 시스템과 1% 미만의 오차율을 나타내는 것을 검증, 상용화 가능성을 확인했다. 연구를 주도한 백창기 교수는 “이번 연구결과는 기존 저가·대량 생산이 가능한 반도체 공정과 100% 호환되는 실리콘 재료를 활용했으며, 실리콘 물질의 한계 파장 근처에서 근적외선 검출특성을 향상시킨 것에 큰 의미가 있다”며 “개발된 소자는 나노선 구조에 따라 원하는 근적외선 파장의 흡수 최적화가 가능하므로 차량용 라이다, 레이저 의료기기, 국방용 나이트비전, 이미지센서 등 다양한 광학 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”며 기대감을 드러냈다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부(정보통신기획평가원)의 ICT명품인재양성사업의 지원으로 수행됐다. 1. 라이다(LIght Detection And Ranging, LiDAR) 레이저를 발사하고, 그 빛이 주위의 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리 등을 측정함으로써 주변의 모습을 정밀하게 그려내는 장치. 전파 대신 빛을 쓰는 것이 전통적인 레이더와 다르다. 2. 속삭임의 회랑 공진(Whispering-Gallery Resonance) 돔형 또는 모래시계형 등의 경사진 곡면을 가진 닫힌 공간에서, 특정 파장의 소리 또는 광원이 공간의 표면을 따라 에너지의 큰 누설없이 이동하며 정상파를 형성하여 구조 내부에 오랫동안 머물러 있는 현상을 일컫는다.

POSTECH ‘연어의 꿈’ 무선수중카메라로 관찰한다!

- POSTECH 경북씨그랜트센터, 무선수중카메라 시스템 개발 - 360° 관찰 가능한 수중카메라 이용, 장거리 영상정보 실시간 획득 POSTECH 경북씨그랜트센터와 경북도 민물고기연구센터가 지난 10월 23일부터 울진군 근남면 소재 왕피천에서 회귀 연어의 생태분석을 진행하고 있다. 회귀 연어 생태분석은 해양수산기술지역특성화사업의 일환으로, POSTECH 경북씨그랜트센터 유선철 교수팀이 개발한 무선 수중카메라 시스템을 활용하여 왕피천으로 돌아오는 어미 연어의 살아가는 모양이나 상태를 분석한다. 유선철 교수팀이 이번에 개발한 무선 수중카메라는 장거리 무선 영상정보를 실시간 획득할 수 있는 시스템으로 물속에서 360도 영상촬영이 가능하며, 연안에서 최대 10Km 떨어진 곳까지 데이터를 전송받을 수 있다. 특히 태양광 충전으로 가동전력을 생산하기 때문에 약 한 달 이상 유지보수 없이 사용할 수 있다. 지금까지 회귀 연어를 관찰하기 위해서는 사람이 직접 현장으로 나가 물속을 관찰해야 했지만, 무선 수중카메라 시스템을 활용하면 연구실에서 수중 상황을 실시간으로 파악할 수 있으며 체계적인 정보 수집이 가능하다. 경북씨그랜트센터는 이 기술을 어류 생태분석뿐만 아니라 연안 가두리, 육상 수조식 양식장 등 물속환경에 맞게 적용할 수 있어 수산자원 관리에 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 유선철 교수는 “ICT 융합 기술을 적용한 무선 수중카메라 시스템을 활용하면 어류의 생태를 분석할 수 있을 뿐만 아니라 양식장에서도 활용할 수 있다”며 “생업 현장에서 수산자원 관리에 활용해 어업인에게 실질적인 도움을 줄 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.

기계·융합생명 김기현 교수 공동연구팀, 뇌종양 경계를 실시간으로 찾아낸다

[세포영상기술 활용한 고속 고민감도 뇌종양 탐지] 뇌종양과 다른 종양을 구별하는 가장 큰 특징은 종양이 두개골 안에서 성장한다는 것이다. 두개골 안에서는 여유공간이 부족하기 때문에 뇌종양이 자라면 뇌압이 상승하여 두통이나 구토 등의 증상이 나타날 수 있고, 특정 부위가 눌리면서 뇌 기능에 장애가 발생하기도 한다. 그래서 뇌종양 수술에서는 두개골을 열고 종양을 제거한다. 성장과 전이가 빠른 악성 뇌종양의 경우 종양의 경계부가 명확하지 않은데, 정상부위 손상은 피하면서 종양을 최대한 제거해야 수술 예후가 좋다. 그러므로 정밀한 종양제거를 위해서는 신속하게 정상조직과 종양을 구분하는 것이 중요하다. 기계공학과·융합생명공학부 김기현 교수·통합과정 이승훈씨 팀은 전남대학교 의과대학 병리과 이경화 교수, 광주과학기술원 의생명공학과 정의헌 교수, 연세대학교 의과대학 신경외과 김의현 교수와 공동연구를 통하여 뇌종양과 정상 뇌 조직을 구별할 수 있는 실시간 고선명도 세포영상기술을 개발했다. 이 기술은 세포 단위 검사를 통해 조기진단 및 수술 가이드 기술로 이용할 수 있어 각막염 조기진단, 정밀 절제가 필요한 뇌종양 제거 수술 등에 활용될 전망이다. 악성 뇌종양 제거 수술에서 뇌종양과 정상 뇌 조직을 구별하는 방법은 성공적인 수술을 위해 필요하지만, 아직 임상에서 사용 가능한 기법은 없었다. 지금까지 임상에서 사용 중인 자기공명영상 (Magnetic Resonance Imaging, MRI), 컴퓨터단층영상 (Computer Tomography, CT), 수술 현미경 (Wide-field Surgical Microscopy) 기술은 종양의 위치 정보는 제공할 수 있으나, 해상도가 낮아 종양과 정상 뇌 조직의 경계 구별은 어려웠다. 종양 경계의 실시간 탐지를 위해 다양한 광학 영상법이 개발됐으나 기존 방법은 민감도가 낮거나, 고속영상이 불가능하거나, 내시경 형태로 개발에 어려움이 있는 등 한계가 있었다. 연구팀은 임상에서 사용되는 항생제인 목시플록사신을 세포 형광 표지자로 사용하는 세포영상법을 뇌종양 경계 탐지기술로 개발해 왔다. 지난 2017년 세포영상법의 뇌종양 경계 탐지 활용 가능성을 바이오메디컬 옵틱스 익스프레스(Biomedical Optics Express)에 보고한 이후 고속화 방법을 개발해 왔으며, 새로이 개발한 영상법은 초당 30프레임 이상의 속도로 실시간 뇌세포 영상화가 가능하다. 또 이 기술은 세포 단위 영상화 기법이어서 기존 방법보다 민감도가 월등히 높은 것으로 나타났다. 연구팀이 새롭게 개발한 세포 영상법을 활용해 전임상 뇌종양 동물모델과 악성 뇌종양 환자의 조직 샘플을 촬영한 결과, 높은 세포 밀도와 불규칙한 분포를 가지는 뇌종양과 정상조직을 구별해냈다. 또한, 연구팀은 실시간 세포영상의 자동 영상 분석을 위해 뇌종양과 정상조직을 구분하여 경계를 탐지하는 알고리즘도 개발했다. 이 기술을 이용, 뇌종양 수술 가이드를 위한 펜 타입의 세포 내시경도 개발할 계획이다. 김기현 교수는 ”이번에 개발된 기술은 정밀 뇌종양 수술에 활용할 수 있어 악성 뇌종양 제거 수술의 성공률을 높이고 수술 후유증을 감소시켜줄 것으로 기대된다“며 기대감을 밝혔다. 또 “아직은 동물 모델과 환자의 조직 샘플에서 검증했지만 지속적으로 개발해서 임상 기술로 발전시킬 수 있도록 노력하겠다”고 말했다. 한편, 이 연구성과는 저널 오브 바이오포토닉스(Journal of biophotonics) 온라인판에 출판됐으며, 한국연구재단의 메조스케일 뇌신경네트워크 고속 초고해상도 광범위 3차원 형광현미경 시스템 사업, 압타머 기반 당뇨병 치료제 개발을 위한 인 비보(IN VIVO) 검사 플랫폼 개발사업의 지원으로 수행됐다.