Research

화학 이인수 교수팀, 하이브리드 나노입자 조절하는 ‘보이지 않는 손’ 찾았다

[금속@실리카 코어-쉘입자 합성법 발견] 일산화탄소를 이산화탄소로 조절하는 촉매나 암과 같은 난치병을 쉽게 치료하는 신약까지, 금속과 다른 나노입자를 합성해 만드는 ‘하이브리드 나노입자’는 새로운 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 그 중에서도 다양한 구성을 갖는 금속@실리카 코어-쉘 나노입자는 그 활용 가능성에도 불구하고, 아직까지 안정적이고 성질을 조절할 수 있는 합성법이 나오지 않았던 미개척 분야다. 화학과 이인수 교수팀은 실리가 기반의 이상성(二相性) 인터페이스를 활용, 나노 입자 크기를 변화시키지 않고도 열적으로 안정하고 코어 위치를 조절할 수 있는 편심 금속@실리카 코어-쉘 나노입자 합성법을 개발, 나노과학 분야 국제학술지인 나노레터스(Nano Letters)를 통해 발표했다. 하이브리드 나노입자를 실제 응용하기 위해 설계한 대로 코어-쉘 구조를 합성하는 것은 입자의 광학, 자기, 흡착, 촉매 등 다양한 성질에 관련되어 있다. 그러나 금속@실리카 코어-쉘 나노입자의 경우, 아직까지 열적으로 안정하면서 이 코어 위치를 조절할 수 있는 합성법은 알려진 바가 없었다. 이인수 교수팀은 이상성 실리카 기반의 고체-고체 인터페이스에 칼슘이온을 포함시켜줌으로써 산화와 환원이 반복되면서 코어(핵)의 위치를 상 분리를 통해 고도로 제어하는 기술을 개발했다. 이 때 칼슘이온의 양을 조절하면 코어 위치를 자동으로 조절해 다양한 구조를 형성할 수 있게 된다. 특히 이 기술은 나노 입자의 크기를 변화시키지 않고 코어 중심에서 위치를 조절하도록 했으며, 금속 코어의 열-유도 이동현상을 제어하는데도 성공했다는 점에서 눈길을 끈다. 연구를 주도한 이인수 교수는 “이번 성과는 고체와 고체가 결합된 이상성 매질 속에서 나노 크기의 이동현상에 대한 심층적인 이해를 도울 수 있다”며 “이는 독특하고 조정 가능한 나노 구조 합성으로도 이어저 촉매, 생물 의약 분야, 분자 감지 등 다양한 분야에 대한 이해에도 활용될 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

화학 박수진-UNIST 이준희 교수 공동연구팀, 고속충전·고용량 배터리용 '반금속 실리콘' 만든 '1% 도핑'

- 탄소 없이 고전도성 실리콘 음극재 합성 - 저온서 1%의 황 도핑 후 반금속 확인… Nature Communications 논문 게재 전기차 배터리의 용량과 충전속도를 높일 소재로 ‘실리콘’이 꼽힌다. 실리콘 용량이 기존 음극 소재인 흑연보다 10배 이상 크기 때문이다. 문제는 실리콘의 전기 전도도가 낮다는 것인데, 이를 ‘1% 도핑(Doping)*1’으로 해결해 눈길을 끌고 있다. 화학과 박수진 교수팀과 UNIST 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀은 ‘저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발했다. 또 이 물질을 원자 단위에서 시뮬레이션해 ‘반금속*2 성질’을 가지는 걸 확인했다. 반금속은 비금속과 금속의 중간 성질을 가지는 물질로 비금속보다 전기 전도도가 높다. 비금속(반도체)인 실리콘에 황을 도핑함으로써 전기 전도도를 높이게 된 것이다. 현재 리튬 이온 배터리의 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 쓰인다. 그런데 흑연은 이론적 용량 한계가 있어 대체 소재 개발이 진행 중이다. 실리콘이 중요한 후보지만 전기 전도도가 낮고, 충․방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨진다는 문제가 있었다. 연구팀은 이런 실리콘의 단점을 해결하는 ‘1% 도핑법’을 개발했다. 저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법을 제안한 것이다. 이 방식으로 합성된 ‘반금속 실리콘’은 탄소 없이도 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다. 기존에는 실리콘의 전도도를 개선하기 위해 탄소를 섞었는데 그럴 필요가 없어진 것이다. 공동 제1저자인 류재건 박사 후 연구원은 “실리콘에 황 같은 칼코겐*3 원소가 도핑되면 부도체-금속 전이*4가 일어나 금속 성질을 가지며, 반도체 분야에서는 이온 주입법*5을 이용해 칼코겐 원소를 실리콘 기판에 도핑함으로써 광전자적 특성을 개선하고 있다”며 “기존 공정은 복잡하고 비싸며 불안정성이 높아 대량 생산에 적합하지 않았는데, 이번 연구로 손쉽게 반금속 실리콘을 만들게 됐다”고 설명했다. 연구진은 우선 금속할로젠화물 촉매로 이산화규소(SiO₂, silica)와 마그네슘 설페이트(MgSO₄, Magnesium sulfate)를 환원시켜서 원자 단위의 ‘실리콘/황 화합물(Seed)’를 만들었다. 이 물질들이 무작위로 뒤섞이면서 재결정화 과정을 거치며, 최종적으로 황이 균일하게 도핑된 구조의 실리콘 입자가 합성된다. 류재건 박사는 “반응 시작부터 황을 도입하는 방식을 써서 실리콘 입자에 균일하게 황을 도핑하는 데 최초로 성공했다”며 “이 방식으로 합성된 반금속 실리콘은 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다”고 말했다. 특히 이 기술로 만든 반금속 실리콘은 내부에 황 사슬도 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데도 기여한다. 실리콘과 황 원자, 또 황 사슬이 치환되면서 전기 전도도와 리튬 이온 확산속도를 모두 높이는 것이다. 이는 고속충전이 가능한 고에너지 배터리*6 개발에 이상적인 물리적 성질로 평가된다. 박수진 교수는 “이 기술은 배터리 소재에 국한되지 않고, 광전자 응용 분야를 비롯한 다양한 에너지 소재 산업에 크게 기여할 것”이라고 전망했다. 이번 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 5월 28일(화)자로 게재됐다. 연구 수행은 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다. 1. 도핑(doping) 물질에 불순물을 첨가하는 공정으로, 주로 반도체 공정에서 전기적 특성을 높이기 위해 사용된다. 2. 반금속(semi-metal) 금속과 반도체의 중간적인 성질을 나타내는 물질. 반도체와 달리 전자나 정공의 수는 온도에 따라 변하지 않고, 저온에서 특이한 전자기적 특징을 가진다. 3. 칼코겐 원소 주기율표의 열여섯 번째 족에 속하는 화학 원소. 대표주자인 산소 이름을 따서 산소족이라고도 한다. 칼코겐에는 6개 원소가 포함된다(산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄의 5종의 자연원소와 리버모륨이라는 인공합성 원소) 4. 부도체-금속 전이 ( Insulator-Metal Transition, MIT or IMT) 온도와 전기장 또는 외부 도펀트에 의해서 전기적 저항이 급격하게 감소하는 현상을 말한다. 5. 이온 주입법 원자 이온을 목표물의 표면을 뚫고 들어갈 만큼 큰 에너지를 갖게 해 목표물 속으로 넣어주는 것을 말한다. 가장 흔하게 사용되는 경우는 소자 제작 시 실리콘에 불순물을 넣어주는 공정이다.

기계・화공 노준석 교수팀, 묵직한 VR기기, 메타물질로 ‘다이어트’ 시킨다

[빛의 스핀 이용해 여러 홀로그램 실시간으로 재생하는 기술 개발] 프로야구를 야구장에서 보는 것처럼 실감나게 관람할 수도 있고, 실제 현실처럼 게임을 즐길 수도 있는 ‘VR(가상현실, Virtual Reality)’은 놀랍기는 하지만, 아직까지는 머리에 묵직한 VR기기(헤드마운트 디스플레이)를 써야 즐길 수 있는 기술이다. 보통 3시간가량 진행되는 야구를 관람하거나, 오랫동안 게임을 하기에는 무게 때문에 몰입도가 떨어질 수밖에 없다. 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수팀은 빛의 스핀을 이용해 여러 홀로그램 이미지를 실시간으로 재생할 수 있는 메타표면을 만드는데 성공했다. 이러한 기술은 더욱 가볍고 편리한 증강현실(AR)‧가상현실 디스플레이나 보안 기술에 활용될 전망이다. 증강현실이나 가상현실 기술을 구현하기 위해서는 공중에 3D 형태의 이미지를 띄울 수 있는 홀로그램 디스플레이가 필요하다. 실제로 지금 시판되고 있는 VR기기는 모두 이러한 기술을 도입한 장비로, 아직까지는 이미지 생성에 많은 부품이 필요해 부피나 무게가 늘어날 수밖에 없었다. 그러한 단점을 보완하기 위한 것이 바로 투명망토 소재로 알려진 ‘메타물질’로, 이 물질로 만들어진 표면으로 홀로그램 디스플레이를 만들고자 하는 연구가 진행되고 있다. 문제는 지금까지의 메타홀로그램 기술은 아직까지 하나의 이미지만 생성할 수 있다는 점에 있었다. VR 등에 활용되는 이미지는 한 번에 다양한 이미지가 흘러나와야 하고, 때로 동영상을 필요로 하기 때문이다. 게다가 고효율 홀로그램 구현에는 산화티타늄, 질화갈륨과 같이 비싸고 대량 생산이 어려운 재료가 사용되어, 이제는 고작 만원에 불과한 가격이 된 VR기기 처럼 상용화하기도 어려웠다. 노 교수팀은 상대적으로 저렴하고 대량생산이 편리한 실리콘을 이용, 빛이 회전하는 방향과 편광을 조절하여 두 개의 홀로그램 이미지가 동시에 나타나는 메타표면을 개발했다. 왼쪽으로 회전하는 빛을 표면에 비추면 RHO라는 이미지가, 오른쪽으로 회전하는 빛을 비추면 ITU라는 이미지가 나타나도록 만든 후, 왼쪽으로 회전하는 빛과 오른쪽으로 회전하는 빛을 섞어 한 번에 재생하도록 한 것이다. 또, 빛의 편광을 조절하면 이미지를 실시간으로 바꿀 수도 있고, 나아가 동영상으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이 기술을 이용하면, 홀로그램을 더욱 복잡하게 설계할 수 있게 되어, 화폐, 신용카드, 고급 위스키나 명품 잡화들에 들어가는 위조방지 기술이나 암호화 기술에도 활용할 수 있게 된다. 실리콘을 사용했다는 점에서, 기존의 반도체공정에서 바로 제작할 수 있을 뿐 아니라, 기존 연구에서 사용해온 산화 티타늄에 비해 비용을 수백 배까지 절감할 수 있다는 점에서 더욱 산업계의 주목도가 높다. 연구를 주도한 노 교수팀은 “이번에 제작된 메타홀로그램은 60% 이상의 투과 효율을 가지고 있어 눈으로 아주 선명한 이미지를 관찰할 수 있다”며 “소자의 두께가 300나노미터(nm)에 불과해 초경량 고효율의 광학기기나 VR기기 제작에도 활용될 수 있다”고 설명했다. 한편, 광학 분야 국제 학술지인 레이저 앤 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)를 통해 발표된 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업, 글로벌프론티어사업, 미래소재디스커버리사업, 선도연구센터사업, 글로벌박사펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

POSTECH 4세대 방사광 가속기

POSTECH은 2016년, 첨단 기술의 집약체인 4세대 방사광 가속기를 세계 3번째로 설치, 운영 중이다. 전자가 자기장 속을 지날 때 휘어지면서 접선방향으로 나오는 빛을 이용하는 장치인 방사광가속기는 전자를 빛의 속도로 가속했을 때 생기는 밝은 빛(X선)으로 미세한 물질이나 현상을 관찰하는 장치다. 쉽게 말해 ‘건물만큼 거대한 슈퍼현미경’이다. 단백질 같은 생체구조를 분자 수준에서는 물론, 원자 수준에서도 볼 수 있다. 과학자들은 방사광가속기로 비아그라의 단백질 결합구조를 관찰해 어떻게 발기부전을 치료하는지 밝혀냈고, 신종플루 치료제인 타미플루를 개발하는 데 공헌하기도 했다. 이미 1996년부터 가동했던 POSTECH의 기존 방사광가속기(3세대)와 비교해, 4세대 방사광가속기는 모양부터 확연히 다르다. 1세대와 2세대, 3세대는 원형 모양이다. 동그란 가속기를 이용해 전자빔을 구부리며 가속하는데, 이 과정에서 접선 방향으로 빛이 나온다. 그러나 4세대 방사광가속기는 막대처럼 긴 모양이다. 3세대 가속기에서는 여러 빛이 섞여 있어 원하는 파장을 골라 쓰는데, 4세대에서는 한 파장의 빛을 강력하게 내뿜어 좀 더 정밀하다. 약 2μm(100만분의 1m) 크기의 물체를 구분해낼 수 있다. 사람 머리카락 굵기의 40분의 1 수준이다. 4세대 방사광가속기에서 나오는 빛은 바로 이전의 3세대보다도 1억 배나 밝고, 햇빛보다도 100경 배 밝다. 파장의 폭도 짧아서 나노미터(10억 분의 1m) 단위의 작은 물질을 펨토초 단위(1000조 분의 1초)로 분석할 수 있다. 말하자면 생체 내에서 일어나는 분자나 원자의 움직임을 실시간으로 확인할 수 있다. 4세대 방사광가속기를 이용하면 이전보다 효과가 뛰어난 신약을 만들거나, 생체를 훨씬 정교하게 모방하는 기술을 개발할 수 있을 전망이다. 살아 있는 세포 속에서 단백질 같은 생체분자가 움직이는 모습을 순간순간 포착할 수 있기 때문이다. 치매와 당뇨 같은 난치성 질환이 일어나는 기작을 밝힐 수도 있다. 반도체 등 소재분야에서도 새로운 구조를 개발해내는 등 도약이 기대된다. 그만큼 최첨단 기술 개발에 POSTECH이 앞장서겠다는 뜻이다. 또, 포항 4세대 방사광가속기는 준공 이전인 2016년 6월, ‘X-선 자유전자 레이저’ 발생에 세계 3번째로 성공시켜 화제를 모으기도 했다. 이는 시운전 착수 2개월 만에 이룬 성과로서 미국(LCLS) 2년(‘07~’09), 일본(SACLA) 4개월(‘11.2~’11.6)보다도 빠른 성과다.

화공 차형준 교수팀, 끊어진 신경, 홍합단백질 튜브로 안전하게 잇는다

[생체모방기술 이용해 홍합접착단백질로 나노섬유 신경도관 개발] 신경 세포는 피부나 근육과 달리 한 번 손상되면 재생능력이 떨어져 회복이 어렵다. 특히 손가락이나 사지가 질병이나 사고로 크게 손상됐을 경우, 접합 수술을 하고 나서도 신경이 온전히 회복되지 않아 떨림이나 통증이 후유증으로 남는 경우가 많았다. 국내 연구팀이 홍합접착단백질과 생분해성 고분자를 이용한 튜브를 이용해 끊어진 신경을 재생할 수 있는 기술을 개발했다. 화학공학과 차형준 교수팀은 가톨릭대학교 의과대학 성형외과 이종원 교수팀과 재활의학과 이종인 교수팀과의 공동연구를 통해, 해양생물로부터 얻은 접착단백질로 나노섬유(nanofiber) 신경도관(nerve conduit)을 만들어 끊어진 신경을 재생할 수 있도록 유도하는 데 성공했다. 이 기술은 생체소재 분야 세계적 권위지인 액타 바이오머터리얼리아(Acta Biomaterialia)에 최근 게재됐다. 지금까진 2.5cm 이상 신경 조직이 손상됐을 때는 자가 신경 이식이나 실리콘으로 만들어진 도관을 이용해 접합했다. 하지만 자가 신경 이식은 신체의 다른 부분을 손상해야 하고, 실리콘 도관을 사용할 경우엔 조직 재생 능력이 떨어져 결과가 좋지 않았고, 수술 후에 따로 실리콘을 제거하는 2차 수술을 해야 한다는 문제가 있었다. 이런 실리콘 도관의 단점을 극복하기 위해 생체모방기술과 새로운 소재를 활용한 신경도관 개발의 필요성이 대두됐다. 연구팀은 홍합접착단백질이 세포 및 조직접착이 가능하고 생분해성 특성이 있다는 점에 주목했다. 그리고 홍합접착단백질에 생분해성 고분자를 섞어 작은 빨대 모양의 나노섬유 신경도관을 만들었다. *1의 이동 및 정렬을 도왔고, 생분해성으로 2차 제거 수술이 필요 없게 제작했다. 이렇게 다양한 생체모방기술이 도입된 신경 도관은 동물모델 실험에서도 좋은 결과를 보였는데 쥐 실험 결과 8주 후엔 몸속에서 자연 분해돼 추가적인 시술 없이 신경 접합을 마칠 수 있었다. 앞으로 신경재생 유도 소재로서 홍합접착 단백질의 성공적인 활용이 큰 기대를 모으고 있다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “홍합접착단백질의 우수한 물성과 생체적합성에서 착안하여 이번에 개발된 나노섬유 신경도관은 크게 손상된 신경조직의 효과적인 재생에도 활용이 가능할 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 해양수산부의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’ 연구의 일환으로 수행됐다. 1. 슈반세포 말초신경세포 및 조직의 생성 및 기능을 도와주는 세포

신소재 최경만-장현명 교수 공동연구팀, 배터리 에너지 변환·저장 장치 효율 높일 기술 개발

[모델 연구 통해 높은 성능의 촉매 구조 디자인 제시] 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 시대, 일상에서 떼려야 뗄 수 없는 것이 바로 배터리다. 휴대전화부터 자동차, 태블릿PC, 스피커, 노트북 컴퓨터, 심지어 태양광 에너지와 같은 재생 에너지도 배터리로 저장된다. 그렇기 때문에 배터리의 성능을 높이고 안전성을 확보하며, 더 오래 사용할 수 있게 하는 기술 개발에 전 세계 많은 과학자가 뛰어들고 있다. 신소재공학과 최경만 명예교수·김건중 박사, 장현명 명예교수·한현 박사 팀은 간단한 모델 연구를 통해 나노 촉매 입자의 용출 현상을 통해 에너지 변환 및 저장 장치의 효율을 높일 수 있는 촉매 구조를 새롭게 디자인해 주목을 모으고 있다. 이 연구는 국제학술지인 미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society) 최근호에 게재됐다. 기능성 산화물 표면에 금속 나노 촉매 입자를 고르게 분포시키는 연구는 다양한 연료 변환, 에너지 변환 및 저장 장치에서 유용하게 사용할 수 있다. 산화물 내에 촉매 원자를 임의로 환원해, 나노 촉매 입자 형태로 용출시키는 기법이 지난 10년 동안 활발하게 연구되고 있다. 기존에는 나노 촉매 입자를 진공 증착 공정으로 만들었는데, 이 방법은 제조 시간과 비용이 많이 들고 특히 열적 불안정성이 높아 한계가 있었다. 하지만 나노 촉매 입자를 용출시키는 방법을 사용하면 나노 촉매 입자의 안정성 문제를 해결할 수 있다. 촉매의 성능을 극대화하기 위해선 나노 촉매 입자의 크기와 분배를 적절하게 조절하는 것이 매우 중요하다. 연구팀은 간단한 모델 연구를 통해서 결정학 면에 의해 결정되는 용출 현상의 특성을 연구했다. 또 계면 에너지와 격자 변형 에너지가 용출 나노 촉매 입자의 박힘 구조와 크기, 분배에 어떤 변화를 주는지에 대해서도 논의했다. 그 결과 일반적으로 높은 성능을 보이는 촉매 구조를 디자인하기 위해서는 상대적으로 낮은 계면 에너지 또는 높은 격자 변형 에너지가 유리하리라는 것을 확인했다. 이 기술이 확장돼 실제 공정에서 사용하게 된다면, 폭발 위험이 없는 전고체 전지, 차세대 연료 전지, 전원이 꺼져도 메모리가 날아가지 않는 차세대 컴퓨팅 정보 저장 메모리 개발과 같은 에너지 변환·저장 장치의 효율을 높이는 소재로 활용될 전망이다. 김건중 박사는 “박막 형태의 간단한 용출 모델 시편의 제작 및 분석 결과를 발표함으로 용출 원리에 대해 이해를 높일 수 있었다”라고 밝혔으며, 최경만 교수는 “촉매 에너지 분야뿐만 아니라 다른 분야에서도 응용될 수 있도록 연구 플랫폼을 제공할 것”이라며 연구의 의의를 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단 이공학 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 최 교수·김 박사, 장 교수·한 박사 외 오번 (Auburn) 대학교의 오태식 교수, 포스텍의 김선재 박사, 아미르 메수드 다야기 (Amir Masoud Dayaghi) 박사, 손준우 교수, 윤다섭 연구원, 나선형 박사가 참여했다.

기계 조동우-창의IT 장진아 교수 공동연구팀, 사람 각막과 유사한 인공각막 3D프린터로 만든다

[인간 각막 구조 모사해 격자 패턴으로 투명한 각막 제작] 지금까지 각막이 심각하게 손상되면 사람의 각막을 이식받아야 했다. 하지만 각막기증을 기다리고 있는 사람은 국내에서만 2018년 기준으로 2000여명이고, 평균 6년 이상을 기다려야 각막을 기증받을 수 있었다. 그래서 인공 각막 개발을 위해 많은 과학자들이 노력하고 있는데 기존의 인공 각막은 돼지의 각막을 사용하거나 합성 고분자 등의 화학물질을 섞어 만들기 때문에 각막 이식 후 눈과 잘 융합되지 않고 투명하지 않다는 문제가 있었다. 기계공학과 조동우 교수, 창의IT융합공학과 장진아 교수, 통합과정 김현지 씨 연구팀은 경북대 의대 안과 김홍균 교수팀과의 공동연구를 통해 탈세포화 된 각막 조직과 줄기세포를 섞어 만든 바이오잉크를 사용해 3D 프린팅 기술로 인공 각막을 제작했다. 이 각막은 각막 유래 재료로만 만들었기 때문에 생체에 적합하고, 실제 사람의 각막처럼 투명하게 제작됐다. 이 연구는 바이오패브리케이션 (Biofabrication)지 최근호에 게재됐다. 각막은 까만 눈동자의 표면을 덮고 있는 얇은 막으로 외부 환경으로부터 눈동자를 보호하는 역할을 한다. 빛을 눈에서 가장 먼저 받아들이기 때문에 투명해야 하고 눈동자의 움직임에 따라 움직이고 빛 굴절 때문에 탄력도 있어야 한다. 하지만 인공 각막은 복잡한 제작 과정 때문에 투명하게, 생체 적합 소재로 만들기 어려웠다. 지난해 인간의 줄기세포로 만든 인공 각막도 대량 생산엔 성공 했지만 인간의 각막처럼 투명하게 만들지 못했고, 이는 식품 첨가제로 쓰이는 알지네이트(알긴산염)와 콜라겐 성분이 혼합되며 마구 섞인 내부 구조를 생성하며 혼탁한 상태를 만들게 되었다는 한계가 있었다. 사람의 각막을 들여다보면 내부 콜라겐 섬유로 된 격자 무늬가 촘촘하게 자리하고 있다. 각막 내 격자 패턴은 각막의 투명도와 직접적인 연관이 있는 만큼 그 동안 모사하려는 연구가 많았지만 복잡한 제작 과정과 체내 독성 물질 사용으로 실제 각막 이식체로 사용하기는 힘들었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 각막 내 격자 패턴을 3D 프린팅 과정에서 자연스럽게 생성되는 전단 응력을 이용해 만들었고, 소재도 실제 각막 조직과 동일한 세포외 기질과 줄기세포를 섞어 바이오잉크 재료로 만들면서 생체 적합성까지 확보했다. 3D 프린팅 기술은 노즐을 통해 내부 잉크가 나오면서 만들어지는데 노즐을 지날 때 마찰력이 생기기 때문에 그 때 만들어 지는 전단 응력이란 힘이 있다. 연구팀은 이 힘을 조절해 콜라젠 섬유 구조의 배열을 제어하고, 실제 사람의 눈처럼 격자무늬를 지니는 투명한 인공 각막을 만들 수 있었다. 토끼를 대상으로 한 실험결과 연구팀이 만든 인공 각막 이식 4주 만에 실제 인간 각막의 구조와 유사한 격자 패턴을 생성하고 유지하면서 투명한 특성을 잘 보유하고 있는 것을 확인했다. 장진아 교수는 “3D 프린팅 시 발생하는 응력을 이용해 각막 미세 구조를 모사해 체내 안정성과 투명성을 모두 확보한 연구”라며 “각막 대체제로 상용화 된다면 각막 이식을 기다리는 사람들에게 큰 희망이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 환자 맞춤형 각막이식을 위한 각막수술로봇 및 제조로봇의 원천기술을 개발하는 산업통상자원부 산업기술혁신사업과 한국연구재단 리더연구자지원사업, 정보통신기획평가원(IITP) 명품인재양성사업의 지원으로 수행되었다.

화학 장영태 교수팀, 형광분자로 파상풍‧폐렴‧식중독균 검출, ‘더 빠르게’

[그람양성균 검출 위한 형광 분자 개발] 2년 전 한 대학병원에서 발생한 신생아 집단사망사건에서 가장 큰 원인으로 지목된 것이 바로 ‘그람음성균’이다. 이 그람음성균은 1884년부터 이용된 세균 염색법 ‘그람염색법’으로 염색했을 때 붉은색으로 감염되는 것으로, 보라색으로 감염되는 병원균은 ‘그람양성균’으로 불린다. 주로 파상풍균이나 폐렴균, 식중독균이 그람양성균의 일종이다. 그람염색법은 박테리아를 분류하는데 오랫동안 사용되어 온 표준 방법이기는 하지만, 여러 단계의 과정이 필요하고 숙련된 기술이 필요해 실제 사용에는 어려움이 많이 따랐다. 화학과 장영태 교수‧강남영 박사, 권화영 박사‧통합과정 루이 샤오(Lui Xiao) 씨 연구팀은 그람양성균을 빠르고 정확하게 확인할 수 있는 형광탐침 ‘BacGO’를 개발해 화학분야 최고 권위지 중 하나인 안게반테 케미(Angewandte Chemi)지를 통해 발표했다. 연구팀은 이 연구에서 폐수 슬러지를 이용한 실험에서 폐수 처리과정에서 박테리아 비율을 모니터링하거나, 각막염을 진단할 수 있는 도구로 활용할 수 있다는 가능성도 확인했다. 그람염색법은 1884년 덴마크에서 개발되어 지금까지 계속 활용되어 온 세균검출법이다. 하지만, 크리스탈 바이올렛과 사프라닌 등의 염료를 이용하여, 고정 (화학적인 처리로 세균를 죽이는 과정)된 시료에만 적용할 수 있고, 여러 단계의 처리를 거쳐야 하는 번거로움이 있었다. 색깔 변화를 이용하는 그람염색법보다 감도가 좋은 형광 탐침(probe)들도 개발이 되어 왔으나, 세균을 구분하는 능력이 떨어지거나 검출속도가 늦다는 단점이 있었다. 따라서, 주로 폐수 슬러지에 세균 유무 여부를 확인하는 등 신속한 처리가 필요한 작업에서는 활용하기 어려울 수밖에 없었다. 연구팀은 그람양성균의 펩티도글리칸층에 있는 다당사슬에 주목, 이 사슬과 잘 결합하는 붕산(boronic acid)을 이용해 그람양성균을 선별할 수 있는 형광분자들을 골라냈고, 이 중에서도 그람양성균만을 골라 염색할 수 있는 형광탐침을 개발하는데 성공했다. 이 형광탐침은 다양한 그람양성균을 모두 골라낼 수 있으며, 연구팀은 이 성과를 바탕으로 폐수 슬러지와 각막염에 걸린 생쥐에 적용하는 응용실험을 진행했다. 그 결과, BacGO를 이용하면 환경 박테리아가 모여있는 폐수 슬러지에서는 폐수 처리 과정에서 박테리아 비율을 모니터링할 수 있다는 사실을 확인했다. 또, 각막염에 걸린 생쥐를 통해서는 아주 정확하게 박테리아 감염 여부를 진단할 수 있어, 감염 진단에도 활용할 수 있는 가능성을 제시하기도 했다. 연구를 주도한 장영태 교수는 “그간 활용되어 온 그람 염색법과 달리 이 BacGO를 이용하면, 최소한의 염색과정으로 다양한 그람양성균을 ‘살아있는 상태로’ 탐지할 수 있다”며 “그간 많은 한계점을 보여온 그람 양성균 형광탐침을 대체할 수 있을 뿐 아니라, 폐수 모니터링이나 박테리아 감염 진단 등 여러 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다. 한편, 이번 성과는 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 수행됐다.

생명 신근유 교수팀, 암 성장 막는 ‘헷지혹’으로 방광암 잡는다

[후성유전학적 헷지혹 조절을 통한 암성장 저해 치료법 개발] 방광암은 방광의 점막에 생기는 암이다. 초기부터 빨간색 피가 소변으로 섞여나오는 경우가 많아서 조기 발견이 가능하지만, 일정 시간이 지나서 발견되는 근침윤성 종양은 자라는 속도가 매우 빠르고 전이가 유도되어 치료가 힘들어진다. 국내 연구팀이 그동안 치료가 어려웠던 근침윤성 방광암과 깊은 연관이 있는 신호전달체계 ‘헷지혹’의 발현을 조절해 방광암의 발생과 성장을 줄이고, 방광암의 유형을 변화시켜 치료가 쉽도록 암의 성질을 바꾸는 데 성공했다. 생명과학과 신근유 교수·박사 과정 김성은 씨팀은 서울대학교 비뇨의학과 구자현 교수팀·POSTECH 생명과학과 김상욱 교수팀과의 공동연구를 통해, 후성유전학적 조절을 통해 헷지혹 유전자의 발현을 증가시킬 수 있고, 이를 이용하여 방광암 내의 암 줄기세포의 분화를 유도하고 암의 성질을 바꾸어 암 성장을 저해할 수 있음을 밝혀냈다. 이 연구는 국제학술지인 이라이프(elife)지 최근호에 게재되며 많은 관심을 받았다. 연구팀은 지난 연구를 통해 방광암은 방광 내 성체 줄기세포의 유전적인 변형이 축적되어 발생하고 이 과정에서 “헷지혹 (Hedgehog)” 이란 신호전달체계가 중요한 역할을 함을 밝혔다. 방광암 발생 시 헷지혹 유전자의 발현이 점차 사라지게 되는데 암이 완전히 진행된 3-4단계 (Grade 3-4)에 도달하면 헷지혹 신호는 완전 소멸한다. 연구팀은 이번 연구에서 암 발생 중에 헷지혹 발현을 조절하여 다시 증가시킨다면 암을 발생과 성장을 막을 수 있지 않을까 하는 가능성을 가지고 연구를 시작했다. 헷지혹 신호의 조절을 위해 연구팀은 먼저 헷지혹이 완전히 사라지게 되는 이유가 암 발생 과정 중의 유전학적인 변화가 아니라 후성유전학적으로 소멸이 된다는 것을 밝혔다. 즉 헷지혹의 소멸이 DNA 염기서열의 변화 때문이 아니라 후성유전학적 원인 때문이라는 것이다. 따라서 연구팀은 후성유전학적 조절을 통해 방광암 발생 시 헷지혹이 발현되도록 유도하였고 이 방법을 통해 방광암 초기 단계에서 암 생성을 완전히 저해시켰다. 또 성장이 진행된 방광암에서 후성유전학적으로 증가시킨 헷지혹 신호전달 체계가 방광암에서 암 줄기세포로 생각되는 기저 타입(basal type)의 암세포를 좀 더 예후가 좋고 치료가 수월한 형태인 루미날 타입(luminal type)으로 변환시킴으로 방광암의 성장을 저해하는 것도 확인했다. 이번 연구 결과로부터 밝혀진 헷지혹 신호조절을 통한 암 성장의 억제 기작은 방광암뿐만 아니라 전립선암, 대장암 등에도 적용될 것으로 예상돼, 이번 연구 결과를 다른 암으로 확장할 가능성도 확인했다. 신근유 교수는 “이 연구가 더 발전된다면 여러 암종에서 헷지혹이라는 신호전달 체계와 이를 조절하는 암 미세환경을 동시에 타깃으로 하는 새로운 표적 항암 치료법과 신약이 개발될 가능성이 높아질 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 과학기술정보통신부의 뇌과학원천기술개발사업, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행되었다.

화공 노용영 교수팀, 폴더블 디스플레이용 페로브스카이트 트랜지스터 개발

[페로브스카이트 와 반도체 고분자가 랩핑된 CNT 복합 필름 개발] 최근 폴더블 디스플레이에 대한 관심이 높아지고 있고, 여기에 적용될수 있은 유연한 트랜지스터소재에 대한 개발 수요가 증대되고 있다. 최근 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트를 실리콘 태양전지를 대신할 소재로 많이 사용해 왔지만, 태양전지를 넘어 차세대 디스플레이 기술로도 활용될 전망이다. 하지만 납 이용으로 인한 독성, 낮은 전하 이동도와 지연현상을 동반하는 등의 문제점 때문에 실제로 활용하기는 어려웠다. 화학공학과 노용영 교수팀은 납성분 없는 페로브스카이트에 고순도로 분리된 반도체 탄소나노튜브(CNT)를 혼합한 복합반도체 소재를 개발해, 이를 통한 유연하고 투명한 트랜지스터를 구현하여 기존 대비 5배 이상의 높은 전하 이동도와 획기적인 동작 안정성을 확보했다. 이 연구는 나노 분야 권위지인 ACS 나노(ACS Nano) 표지논문으로 최근 게재됐다. 페로브스카이트는 태양전지, LED 등과 같은 다양한 광전자 분야에 사용할 수 있는 차세대 물질이다. 전기 전도성이 뛰어난 결정 구조를 가지고 있지만 납 사용으로 인한 독성과 상대적으로 낮은 전계 효과 이동도, 또 동작 할 때 균일한 전기적 동작이 어려운 히스테리시스가 나타난다는 점 등의 고질적인 문제를 해결해야 하는 과제가 있었다. 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해, 납이 들어가지 않은 페로브스카이트(C6H5C2H4NH3)2SnI4와 공액 고분자가 감싸진 반도체성 탄소나노튜브(CNT)를 혼합한 복합 반도체 소자를 개발했다. 특히 페로브스카이트 소재의 동작 불안정성을 극복히기 위해서 고순도로 분리된 반도체 CNT를 혼합하여 동작안정성을 획기적으로 개선하여 히스테리시스를 줄이고 소자의 이동도 또한 기존대비 5배 이상 향상시켰다. 특히 본 복합 반도체 소재는 광센서의 광감응층으로도 높은 성능을 보여서 6.3×104A/W의 광응답률 (photoresponsivity, R)과 1.12×1017 Jones 가량의 검출률 (detectivity, D*)을 얻었으며, 이와 같은 광센서 성능은 현재까지 개발된 최상의 장치 성능보다 약 100~1000배 높은 값으로 향후 유연한 카메라등에 광센서로 활용될수 있을것으로 기대된다. (반도체 CNT 기반 페로브스카이트에 복합반도체 필름에 대한 연구로는 세계 최초다.) 노용영 교수는 “본 연구는 납을 사용하지 않은 패로브스카이드 소자의 낮고 불안정한 성능에 대한 개선방향을 제시한 세계 최초의 연구로써 개발된 포토 트랜지스터 성능은 지금까지 보고한 다른 소재와 비교해도 세계 최고 성능의 수준”이라며 “이 기술이 향후 연구개발을 통해서 적용된다면 폴더블 디스플레이 구동용 트랜지스터, 유연한 웨어러브 전자소자의 회로용 트랜지스터, 착용형 가상현실 디바이스용 유연 광센서 등으로 활용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 글로벌프론티어 사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.