Research

창의IT 김철홍 교수팀, 암 치료 과정 ‘광음향 현미경’으로 실시간 관찰

[광음향 현미경으로 병리학적 분석 가능성 열어] 암은 영양분을 공급받고 다른 장기로 이동하기 위해 자기 주변에 새로운 혈관을 만든다. 이 혈관은 정상 혈관과 모양이 다르고 산소 농도가 낮은 특징이 있기 때문에 이것을 관찰할 수 있다면 암의 조기발견과 함께 암 치료 약물이 암에 어떤 영향을 미치는지 관찰할 수 있어서 암 치료에 도움이 될 수 있다. 하지만 지금까지 살아있는 조직에서 작은 모세혈관을 관찰하기란 어려운 일이었다. 창의IT융합공학과 김철홍 교수팀은 살아있는 조직의 아주 작은 혈관이나 세포들을 실시간 관찰할 수 있는 광음향 현미경(Photoacoustic Microscopy; PAM)을 개발했다. 이 광음향 현미경을 이용하면 암이나 뇌종양과 같은 다양한 질병의 보다 상세한 병리학적 분석이 가능해질 전망이다. 지금까지 암 치료는 외과적 수술이나 방사선, 1세대 항암제 투여 등의 방법이 많이 사용돼 왔지만 최근엔 암만 공격하는 표적치료제나 암이 만든 신생 혈관을 파괴하거나 혈관 형성을 막는 등 약물을 통해 보다 안전하게 암을 치료하는 방법들이 활발하게 연구되고 있다. 암이 만든 혈관은 정상 혈관에 비해 형태가 비정상적인 모양을 가지고, 혈관 내 혈액도 암세포의 비정상적인 대사기능으로 인해 산소농도가 매우 낮다는 특징을 가졌다. 암세포 때문에 만들어진 혈관을 찾는다면 이를 차단하는 약물의 효과도 즉시 알 수 있고 약물이 암에 어떤 영향을 미치는 지도 관찰 할 수 있다. 연구팀은 살아있는 몸에서 미세한 혈관을 관찰하기 위해 광음향 현미경에 주목했다. 수 나노초(ns) 길이의 짧은 빛을 관찰하고자 하는 부위에 조사 시키면, 그 빛을 흡수한 물질이 미세한 초음파를 발생시키는데 이것을 광음향 효과라고 한다. PAM은 이런 초음파를 영상화 할 수 있는 현미경으로 특히 혈관은 빛에 매우 민감하게 반응하기 때문에 PAM은 작은 모세혈관까지 선명하게 관찰할 수 있다. 김철홍 교수 연구팀은 싱가포르 과학기술청(A*STAR)와 협력하여 뇌종양에 걸린 쥐에 종양과 연결된 신생 혈관을 억제하는 약물을 투여한 뒤 광음향 영상 기술을 통해 관찰한 결과 약물에 의해 혈관이 억제되고 회복되는 모습을 정밀하게 관찰할 수 있었다. 김철홍 교수는 “이번 연구 결과를 통해 신뢰성 높은 약물의 효과를 검증 할 수 있는 방법을 제시했으며, 이 기술이 암치료를 위한 신약 개발에 큰 도움이 될 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 광학분야 국제 학술지 저널 오프 바이오포토닉스 (Journal of biophotonics)에 표지 논문으로 선정됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기술진흥센터의 ICT명품인재양성사업, 미래창조과학부 미래융합 융합기술 파이오니어사업, 한국보건산업진흥원 보건의료기술연구개발사업의 지원으로 수행됐다.

생명 황철상 교수팀, 생물은 춥고 굶주리면 ‘착한 베끼기’로 살아남는다?

[POSTECH-KIST, 공진화(共進化) 잔해물 이용한 단백질 분해신호 발견 5년간 연구 끝 새로운 생명의 비밀 밝혀내… Science 8일자 게재] 혹독한 추위와 배고픔 속에서도 생명체는 어떻게 살아남을 수 있을까? 탄생, 죽음과 함께, 극한 상황에서의 생존이란 현상의 신비는 여전히 해답이 풀리지 않은 상태다. 국내 연구진이 5년간의 연구 끝에 그 신비를 풀 중요한 실마리를 발견했다. 박테리아와 같은 원핵생물의 단백질 합성 과정을 그대로 흉내 내어 단백질을 만들어낸다는 것이다. 생명과학과 황철상 교수‧한국과학기술연구원(KIST) 이철주 책임연구원 팀은 단백질 합성에 관여할 수 있는 효소, 포밀메티오닐-트랜스퍼라제가 극한 환경에서 진핵생물이 살아남을 수 있도록 하는 메커니즘을 밝혀냈다. 또, 이 효소가 단백질의 수명을 결정짓는 분해에도 관여한다는 새로운 사실도 발견, 이 성과를 과학 분야 최고 권위지인 사이언스(Science) 11월 8일자(현지 시간)를 통해 발표했다. 박테리아와 같은 원핵생물과 사람이나 효모와 같은 진핵생물의 생명현상은 비슷해 보이지만, 세포 속 일꾼인 단백질의 합성 방식에서부터 차이가 난다. 진핵생물은 아미노산 ‘메티오닌’부터 단백질을 만드는 반면, 원핵생물은 메티오닌의 변형체인 ‘포밀메티오닌’부터 단백질을 만들어나간다. 그러나, 진핵생물의 세포 속에서 에너지를 생산하는 ‘미토콘드리아’의 경우에는 원핵생물처럼 포밀메티오닌부터 단백질 합성을 시작하기 때문에 생물학자들은 세포 속 에너지 공장인 ‘미토콘드리아’의 기원을 원핵생물이 공진화(共進化)해 진핵생물로 편입되었다고 보고 있다. 공진화란, 한 생물집단이 진화하면 이 집단과 관련된 집단이 같이 진화하는 현상을 의미한다. 숙주와 기생생물의 관계가 바로 이러한 공진화의 사례 중 하나다. 진핵생물은 주로 세포질에서 메티오닌부터 단백질을 합성하지만, 미토콘드리아에서는 포밀메티오닌부터 단백질을 합성한다. 흥미롭게도, 포밀메티오닌을 만드는 효소, 포밀메티오닐-트랜스퍼라제는 세포질에서 합성된 직후 미토콘드리아로 이동해 포밀메티오닌부터 단백질을 만들도록 하는데, 황 교수팀은 이 과정이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 밝히기 위해 다양한 생화학적, 분자생물학적 실험기법을 동원해 검증에 들어갔다. 유전자 조작이 가장 쉬운 진핵생물인 효모를 이용해 시작된 연구는 5년간의 끈질긴 연구 끝에, 장기적인 저온 상태나 영양분 고갈 상태에서 포밀메티오닐-트랜스퍼라제가 미토콘드리아로 이동하지 않고, 세포질에 남아 포밀메티오닌부터 단백질을 합성하도록 한다는 사실을 밝혀냈다. 기존의 학설과 다르게 진핵생물 세포질에서 포밀메티오닌부터 단백질을 만들어내는 과정은, 원핵생물의 단백질 합성법을 그대로 흉내내고 있는 것으로, 이는 추위와 굶주린 극한 상황에서 생물체가 스트레스 환경에 적응하고 저항성을 높이는데 아주 중요하다고 연구팀은 밝혔다. 더 나아가 연구팀은 진핵생물의 세포질에서 생성된 포밀메티오닌을 가진 단백질들을 직접 인식해서 제거하는 새로운 단백질 분해경로도 발견했다. 이 연구에서는 수많은 단백질 중에서 아주 짧은 순간 미량으로 밖에 존재하지 않는 포밀메티오닌을 가진 단백질을 찾는 것이 중요했는데, KIST 연구팀의 질량분석 기반의 단백체 연구방법이 큰 힘이 되었다. 연구를 주도한 황철상 교수는 “이번 연구는 지금까지 미스터리로 남아있던 포밀메티오닌의 숨겨진 생명현상을 최초로 밝혀낸 것으로 새로운 연구분야를 개척했다고 평가할 수 있다”며 “이 결과를 밝히는 데에만 5년이나 걸렸을 정도로 도전과 실패를 수없이 반복해야 했다”고 밝혔다. 그는 “이러한 도전적인 연구에는 꾸준한 지원과 각자 다른 전문 분야의 연구자들의 공동연구가 중요하다는 점을 강조하고 싶다”며 “이처럼 모험적인 가설에도 전폭적으로 지원해 준 삼성미래기술육성재단과 정밀한 분석방식으로 중요한 데이터를 제공해주신 KIST의 이철주 박사님께 감사한다”고 덧붙였다. 이번 연구는 삼성미래기술육성재단과 한국연구재단의 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

신소재 김종규 교수팀, 99.8% 정확하게 섬유 촉감 구별하는 인공지문 센서 개발

[인간처럼 민감하게 촉감을 구별하는 인듐 주석 산화물(ITO) 나노스프링 기반 센서 개발] 우리는 손가락으로 물체를 문지르거나 접촉할 때 돌기 모양의 지문에 가해지는 압력과 진동을 통해 촉감을 느낀다. 인간처럼 촉감을 구별할 수 있는 로봇이나 인공 피부를 실현하기 위해서는 압력과 진동 모두에 민감하게 반응하는 인공 지문 센서를 개발하는 것이 중요했다. 신소재공학과 김종규 교수·통합과정 최일용 씨 연구팀은 한양대 전자컴퓨터통신공학과 박완준 교수·박사과정 천성우씨 연구팀과의 공동연구를 통해 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide) 나노스프링을 이용해 인간처럼 민감하고 정확하게 촉각 감응을 구현하는 센서를 개발했다. 이 연구는 신소재 분야 세계적 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 뒷면 속표지에 소개됐다. 연구팀은 인간이 지문 또는 피부를 통해 촉감을 느끼는 방식에 착안하여 미세한 압력과 진동을 동시에 감지 할 수 있는 압력 소자를 만들기 위한 연구를 수행했다. 지금까지 압력을 감지하는 소재로 주로 사용되었던 고분자 물질은 진동에 민감하게 반응하지 못해 물체의 미세한 질감 정보를 전달하는데 한계가 있었다. 연구팀은 전도성 무기물질인 인듐 주석 산화물을 나노스프링의 형태로 제작해 기존 고분자 센싱 물질의 한계를 극복하고 압력과 진동을 민감하게 감지하는 센서를 개발했다. 또한, 경사각증착법으로 손쉽게 제작된 나노스프링 집합체는 탄성이 우수해 지속적인 압력에도 잘 견디고 유연한 기판위에 형성시킬 수 있어서 유연성과 신뢰성이 동시에 확보된 센서를 구현할 수 있었다. 연구팀은 이렇게 만들어진 인듐 주석 산화물 나노스프링 기반의 압력 센서 밑에 인공 지문 패턴을 결합시킴으로, 접촉하는 물체의 질감 정보를 효율적으로 감지할 수 있는 인공 지문을 구현했다. 이 인공 지문 센서에 복잡한 패턴의 섬유를 문지른 후 머신러닝 기법으로 데이터를 분석 한 결과 8개의 서로 다른 섬유를 99.8%의 정확도로 구분해 내는데 성공했다. 연구를 주도한 김종규 교수는 “인간의 촉감에 비견할만한 센서를 소재와 나노구조의 조합을 통해 구현했고, 머신러닝 기법을 이용해 다양한 물체의 촉감을 더 정확하게 구분해 낼 수 있게 됐다”라며 “스마트 센서 및 보안과 같은 시스템 분야는 물론이고 의족과 의수, 인공 피부, 로봇 분야 등에 적용이 가능할 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 BK21플러스 창의산업형소재인력양성사업단, 나노소재기술 프로그램, 글로벌박사양성사업의 지원으로 수행됐다.

POSTECH 김철홍‧김형섭‧염한웅‧용기중‧황인환 교수, 국가연구개발 우수연구성과 100선 선정

POSTECH 연구팀들이 우수연구성과에 대거 선정됐다. 신소재공학과 김형섭 교수팀·생명과 황인환 교수팀·화학공학과 용기중 교수팀·창의IT공학과 김철홍 교수팀·물리학과 염한웅 교수(기초과학연구원)팀의 연구가 최근 ‘국가연구개발 우수연구성과 100선’에 뽑혔다. 국가연구개발 우수연구성과 100선은 과학기술정보통신부에서 과학기술인의 자긍심을 고취하고 국가연구개발 사업의 중요성에 대한 국민 공감대를 확산하고자 2006년부터 매년 100명의 연구자의 연구성과를 뽑아 발표하고 있다. 올해 POSTECH은 기계·소재 분야, 생명·해양 분야, 에너지·환경 분야, 정보·전자 분야, 순수·기초 인프라 분야에서 각 1명씩 이름을 올렸다. 정보·전자 분야에 선정된 창의IT융합공학과 김철홍 교수는 나노미터 크기로 관찰하는 초고해상도 광학 현미경을 개발했으며 학술적인 성과에 그치지 않고 임상학에 응용한 공로를 인정받아 우수성과에 선정됐다. 경북대와 워싱턴대학을 거쳐 2013년에 부임한 김 교수는 미국 IEEE EMBC 젊은 과학자상 한국인 최초 수상에 이어 대한의용생체공학회가 선정, 수여하는 ‘루트로닉 젊은의공학자상’ 등을 수상하기도 했다. 신소재공학과 김형섭 교수는 극한 환경에서도 초고강도 성질을 유지하는 최첨단 고엔트로피 합금을 개발한 공로로 기계·소재 분야 우수성과에 선정됐다. 구조용 나노금속 공정과 미세역학에서 활발하게 활동하고 있는 김 교수는 2008년 POSTECH에 부임했으며 한국분말야금학회 부회장, 세계적 학술권위지인 저널오브머터리얼스사이언스(Journal of Materials Science)의 편집위원에 이름을 올리기도 했다. 순수·기초 인프라 분야에서는 물리학과 염한웅(기초과학연구원) 교수가 선정됐다. 염 교수는 전자를 하나씩 흘려보내는 1차원 ‘원자전선’으로 다진법 기반 전자소자 가능성을 입증해 학계의 주목을 받았다. 염 교수는 미국 물리학회가 선정한 2010년 ‘최우수 논문심사위원(Outstanding Referee)’으로 선정되기도 했으며 2010년 POSTECH에 부임한 후 POSTECH 물리학과 교수이자 기초과학연구원(IBS) ‘원자제어 저차원 전자계 연구단’의 단장으로서 연구를 이끌고 있다. 에너지·환경분야에는 화학공학과 용기중 교수가 선정됐다. 사막에서도 광합성 할 수 있는 ‘인공 잎’을 개발했는데 이 기술이 발전하게 되면 물과 빛 만으로도 자동차를 움직일 수 있다. 연잎을 모방 기술처럼 식물을 모방한 기술을 이용해 다양한 연구를 지속하고 있는 용 교수는 카네기멜런대를 거쳐 POSTECH에 부임했으며 2006, 2007년에도 우수연구성과에 선정된 바 있다. 생명과학과 황인환 교수는 생명·해양 분야에 선정됐는데, 발아 시 단백질 분배과정과 세포질 에너지대사 과정의 네트워킹을 통해 발아 효율 조절 기작을 규명했다. 세포 내 단백질의 이동기작과 식물발달에서의 역할, 식물 내 전사 효율, 단백질 생성 기작 및 분배 기작 연구에서 탁월한 연구성과를 내온 황 교수는 지난 99년 POSTECH에 부임했으며 식물 분야 세계 최고 권위지인 플랜트 셀(PLANT CELL)지의 한국인 최초 편집위원으로 선임되기도 했다. 한편 이 우수성과는 사례집으로 발간하는 것은 물론 국가과학기술지식서비스(NTIS, www.ntis.go.kr)을 통해서 일반인에게도 공개되고 있다.

화학 박문정 교수팀, 황을 잡아두는 연결고리로 6분 만에 완전 충전 가능한 배터리 구현

[리튬-황전지 양극재 활용가능한 가황고분자 합성] 전기자동차, 무인항공기를 오랜 시간 동안 움직이게 하고, 태양과 풍력과 같은 친환경 에너지를 저장해 상용화하기 위해서 꼭 필요한 것이 있다. 바로 뛰어난 효율을 가진 대용량 2차 전지 개발이다. 전 세계 많은 과학자가 2차 전지의 효율을 높이는 방안을 찾기 위해 오늘도 연구 중이다. 화학과 박문정 교수·통합과정 강한얼 씨는 가황고분자를 양극재로 활용해 리튬-황 이차전지에서 황의 용출을 막고, 효율은 높이면서 단 6분 만에 완전 충전이 가능한 전지를 구현해내 과학계의 주목을 모으고 있다. 이 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 뒷면 표지로 소개됐다. 전지를 만들 때 ‘황’을 이용하면 같은 부피나 무게의 리튬 이온 전지에 비해 훨씬 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있어서 용량이 크게 높아진다. 하지만 황의 낮은 전기전도도에 의해 고속 충전이 불가능하고, 황이 전해액에 용출되어 반복된 충전·방전 하에서 효율이 급격히 떨어지는 고질적인 문제로 인해 상용화는 어려웠다. 연구팀은 이원자를 포함한 링커 분자를 도입해 크게 향상된 전기적·전기화학적 특성을 보이는 가황고분자를 개발했다. 가황고분자는 황화합물(polysulfide)과의 강한 화학적 상호작용을 통해 황이 전해액에 용출되는 것을 효과적으로 차단했다. 또 가황고분자를 양극 물질로 활용했을 때 기존 황 전극과 비교해 450배나 향상된 전기전도 특성을 보였고, 그 결과 10C(6분 만에 충전 혹은 방전시킬 수 있는 전류)에서 833mAh/g라는 높은 용량을 보였다. 이 수치는 기존에 개발된 어떤 리튬-황 전지에서도 보고된 바 없는 획기적인 결과다. 연구를 주도한 박문정 교수는 “개발된 가황고분자를 이용하면 기존 황전극의 단점인 낮은 전기전도도와 용출 문제를 모두 해결할 수 있다”라며 “실험실 내 효율이 그대로 구현된다면 6분 만에 전기자동차나 핸드폰을 충전할 수 있는 데다 합성하는 비용도 저렴하다”며 상용화에 대한 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 특허 출원 됐으며, 중견연구, 선도연구센터지원사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

창의IT 백창기 교수팀, 누출된 유독물질 불소·불산 5초 만에 감지 원천센서기술 개발

[저가·고성능 신속 정확한 센서 개발 기대] 2012년 구미의 불산 누출사고는 인명 피해는 물론 반경 700미터 이내 지역이 초토화되는 무서운 결과를 가져왔다. 불소와 불산은 철강, 화학, 반도체, 디스플레이 등 다양한 산업 전반의 생산 공정에서 핵심 물질로 활용되고 있지만 대표적인 유독물질이기도 하다. 구미 사고처럼 불소·불산은 누출되자마자 바로 조치해야 확산을 막을 수 있기 때문에 적은 양의 노출도 바로 감지할 수 있는 민감한 센서 개발이 꼭 필요하다. 하지만 지금까지는 수입해서 써야 했고, 비싼 비용 때문에 산업 현장에서 활용하기도 쉽지 않았다. 창의IT융합공학과 백창기 교수·김기현 교수·박사과정 조현수 씨는 산업 현장에서 극미량의 불소와 불산 등 유독물질을 감지할 수 있는 열증착 기법을 활용한 원천센서기술을 개발했다. 이 연구는 센서 분야 저명 학술지인 ‘센서와 작동기 B: 화학(Sensors and Actuators B: Chemical)’ 온라인판에 게재됐다. 기존에는 무색무취여서 조기 감지가 쉽지 않은 불소와 불산을 감지하기 위해 다결정 감지막과 산화물 반도체 소자를 활용했다. 하지만 원천 기술 부족으로 핵심 센서의 대부분을 수입하고 있었고 제조공정이 복잡하고 생산비용이 비싸서 가장 필요한 산업 현장에서는 활용하기가 어려웠다. 연구팀은 실리콘 재료를 활용하고 반도체 공정 기술을 이용해 불소·불산 센서를 제작했다. 열증착 기법을 최적화해서 다결정 불소·불산 감지막 (poly LaF3)의 화학적·물리적 성질을 개선해 수중에 존재하는 불소와 불산을 우수한 검출한계(불소:1.9pbb, 불산: 4.5 ppb)로 검출하는 데 성공했다. 이는 기존의 다결정 감지막 기반의 불소센서 대비 검출한계가 약 20배 이상 향상됐다. 이 기술은 실리콘과 반도체 공정 기술을 활용했기 때문에 대량 생산이 쉽고, 0.2mm2의 작은 크기여서 초소형 센서 및 모바일 센서로 개발 가능하다는 장점도 있다. 그뿐만 아니라 불산을 5초 만에 감지할 수 있어서 산업 현장에서 검출 센서로 바로 활용할 수 있을 전망이다. 연구를 주도한 김기현 교수는 “개발된 센서기술은 작게 만들 수 있는 데다 기존의 불소·불산 센서 대비 약 10% 수준으로 가격 절감이 예상돼 상용화 가능성이 매우 높은 기술” 이라며 “유독물질인 불소·불산의 유출을 산업 현장에서 조기 감지하는 기술을 국산화하고 안전한 산업환경을 구축하는 계기가 될 것”이라고 기대감을 밝혔다. 이 연구는 과학기술정보통신부 정보통신기술진흥센터(IITP) ICT명품인재양성사업의 지원으로 수행됐다.

기계・화공 노준석 교수팀, 소용돌이빔을 만들어내는 메타렌즈 개발

[빛을 공구처럼 움직이는 ‘소용돌이 빔’] 올해 노벨물리학상의 화제는 단연 ‘빛’이었다. 손에 잡히지 않는 빛으로 세포를 움직이거나 안과 수술에 활용할 수 있는 연구들이 노벨상의 주인공이 된 것이다. 이 중에서도 레이저 빔을 쏜 뒤 렌즈의 초점을 맞춰 물체를 가두는 ‘광학집게’가 많은 화제를 모았다. 이 광학집게는 바이러스나 박테리아 등을 고정하거나, 분자운동을 확인하는데 활용된다. 우리나라에서도 이처럼 빛을 이용해 집게나 스패너 같은 공구처럼 움직일 수 있는 기술이 개발됐다. 기계공학과‧화학공학과 노준석 교수, 통합과정 김인기‧정헌영 씨 팀은 광학집게나 광학스패너로 활용할 수 있는 소용돌이 빔을 만들어내는 메타렌즈를 개발, 광학 분야 저널인 나노스케일(Nanoscale)을 통해 발표했다. 빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 ‘궤도 각 운동량 (OAM: Orbital Angular Momentum)’이라고 부르고, 이러한 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 ‘소용돌이 빔’이라고 부른다. 이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 가지고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있어 초고용량 광통신 기술 개발에 활용되고 있다. 최근에는 이 소용돌이 빔이 물체와 만나면 물체를 좌우로 움직이거나 회전시킬 수 있어 광학집게나 광학스패너, 광학모터로 응용할 수 있다는 사실이 밝혀지며 활발한 연구가 이루어지고 있다. 문제는, 이러한 소용돌이 빔을 만들려면 렌즈나 홀로그램 판과 같이 부피가 큰 광학 부품들이 필요하다는 점이었다. 그래서 실제로 광학집게나 광학 스패너로 활용하기에는 제한점이 많았다. 노 교수팀은 이를 해결하기 위해 두께가 300nm에 불과한 메타표면으로 소용돌이 빔을 만들어내는 다기능성 메타렌즈를 만들어냈다. 이 렌즈는 머리카락의 두께보다 수백 배 얇아, 이를 이용한 소자는 단순한 기능성 표면으로 보일 정도다. 수소화 비정질 실리콘으로 만들어진 이 렌즈는 항상 설계한 대로 소용돌이 빔을 특정한 초점에 모을 수도 있고, 그 회전도 마음대로 조정할 수 있다. 물론 이 소재가 기존 반도체 공정에 자주 사용되는 소재인 만큼, 더 큰 면적의 소자를 제작하기에도 유리하다는 것이 연구팀의 설명이다. 또, 연구팀이 제시한 설계방법을 이용하면 메타렌즈 뿐만 아니라, 메타표면을 이용한 홀로그램이나 컬러 프린팅 소자 설계에도 활용할 수 있다. 무엇보다 이 메타렌즈의 소용돌이 빔을 사용하면 나노크기의 아주 작은 입자를 정교하게 움직일 수 있고, 회전시키는 것도 가능하기 때문에, 아주 작은 세포를 고정하는데 필요한 광학 집게는 물론, 초소형 전자소자 제작에도 활용할 수 있는 광학 스패너나 모터를 만드는데도 접목시킬 수 있을 것으로 기대된다. 노준석 교수는 “이번 연구는 실리콘 메타표면을 이용해 사용자가 원하는 소용돌이 빔을 효율적으로 만들 수 있는 메타렌즈에 관한 것으로 이 설계모델은 앞으로 메타표면을 이용한 광학 소자 설계에 유용하게 활용될 것”이라며, “이번에 개발된 메타렌즈를 바탕으로 광학 집게, 광학 스패너 등 유용한 응용 기술로도 접목시키는 연구를 지속적으로 진행할 것”이라고 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 전략공모사업, 선도연구센터, 글로벌프론티어사업, 글로벌 박사펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

환경 국종성 교수팀, “1년 반 뒤 일어날 엘니뇨 예측할 수 있다”

[대서양 온난역 통한 엘니뇨 예측 모델 제시] 열대 태평양의 해수면의 온도가 높아지는 현상을 의미하는 엘니뇨는 열대지역 뿐만 아니라, 전지구적으로 강수량과 대기순환에 영향을 주며 이상기후를 일으키거나, 생물권에도 영향을 미쳐 어장을 파괴하거나 농작물의 흉작으로 이어지기도 한다. 문제는 이런 엘니뇨를 고작 6개월 전에야 예측이 가능하다는 점이다. 환경공학부 국종성 교수‧박재흥 박사(현 하와이대학교)팀은 하와이대, 일본해양과학기술센터와 함께 대서양 온난역(대서양 웜풀)*1을 통해 17개월 이후의 엘니뇨와 라니뇨를 예측할 수 있음을 밝혀내 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 8일자(현지시간)를 통해 발표했다. 갑작스러운 홍수나 폭염, 유례없이 강해지는 태풍 등 기상이변이 지구촌 곳곳에서 일어나고 있지만, 대표적인 이상기후 발생 요인 중의 하나인 엘니뇨 예측은 1년 이내로 제한되어 있어 충분한 대비가 되지 못하고 있다. 연구팀은 아메리카대륙의 남과 북에 위치해 있으며, 지구에서 두 번째로 큰 온난역 지역인 대서양 온난역 지역의 해수면 수온과 엘니뇨의 상관관계에 대해 연구했다. 그 결과, 이 지역의 해수면 수온 상승 혹은 하강이 17개월 이후의 라니냐나 엘니뇨를 유도해낸다는 사실을 밝혀냈다. 여름철 동태평양-서대서양 온난역의 해수면 수온에 변화가 생기면 북태평양의 대기-해양 상호작용을 통해 그 다음 해 봄, 북태평양 난류의 순환패턴인 PMM(Pacific Meridional Mode)이 일어나게 된다. 이 PMM이 다시 적도 태평양의 해양파(海洋波)를 일으켜 겨울철 엘니뇨의 발생을 유도한다. 엘니뇨는 열대 태평양 해수면 온도의 주기적 변동을 나타내는 것으로, 우리나라의 기후에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히, 대서양 온난역을 이용한 연구는 기존에 엘니뇨의 원인으로 알려져 있던 태평양 효과나 인도양 효과와 독립적으로 작용하는 것으로, 예측 기간이 길면서도 그 정확성이 기존의 예측인자에 비해 떨어지지 않는 점은 학계에서도 큰 의미를 부여하고 있다. 이번 연구는 엘니뇨 예측의 정확성을 높일 수 있을 뿐 아니라 지구상의 이상 기후 예측에도 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 국종성 교수는 “최근 기존에 알려진 엘니뇨와 다른 중태평양 엘니뇨 발생 빈도가 늘어나면서 엘니뇨 예측이 어려워지고 있는 상황에서 이번 연구는 대서양에 있는 온난역이 엘니뇨를 유도하는 데 중요하다는 사실을 제시한 첫 연구”라며, “특히 최근들어 대서양의 해수면 온도 상승이 다른 지역보다 크기 때문에 대서양 온난역에 대한 기후학적 연구의 중요성이 더욱 커질 것”이라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 한국기상산업진흥원과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 1. 온난역(Warm Pool) 열대 해양의 해수면온도가 28도 이상 높은 지역으로, 해수면 온도가 높기 때문에 대기순환에 대한 영향력이 매우 큰 지역이다. 가장 큰 온난역은 서태평양에 위치하고 있으며, 2번째로 큰 온난역이 대서양에 존재한다.

기계·화공 노준석 교수팀, 얼굴인식 핵심 기술 ‘점 구름(Point Cloud)’ 세계 최초 메타표면으로 초소형화 성공

[스크램블링 메타표면으로 초경량으로 구현] 최근 발표된 애플의 새로운 아이폰 모델은 사용자의 얼굴을 바탕으로 자신을 닮은 나만의 이모지를 만들 수 있는 미모지 기술을 선보였다. 사용자의 얼굴과 머리 길이, 특징을 쏙 빼닮은 이모지를 만드는 이 기술의 핵심은 ‘점 구름(Point Cloud)' 생성 기술인데 복잡하고 부피가 큰 스캐닝 시스템 때문에 작은 장치로 만들기 어려웠다. 하지만, 최근에는 휴대전화와 같은 휴대용 스마트기기에도 이 기술들이 사용되는 만큼 장치의 소형화가 중요한 기술 중 하나로 부상하고 있다. 기계공학과/화학공학과 노준석 교수팀은 싱가포르 국립대 청 웨이 추(Cheng-Wei Qiu) 교수팀, 중국의 우한대학교 궈싱 쪙(Guoxing Zheng) 교수와의 공동연구를 통해 스크램블링 메타표면을 이용해 점 구름 생성기술을 300나노미터(nm)라는 초경량으로 구현해내는 데 성공했다. 이 연구는 네이처가 발간하는 최상위 국제 학술지 '빛 : 과학과 응용(Light : Science and Applications)'에 게재되었다. 점 구름 기술은 마치 폭죽처럼 빛을 쏘면 일정 위치를 중심으로 모든 방향으로 빛을 뿌리고 뿌려진 빛은 4044개의 점(빛 알갱이)으로 흩어져 주변의 물체에 가 닿고 센서는 이 모든 것을 종합해 주변을 입체적으로 인식하게 되는 원리다. 4차 산업혁명 시대 가장 주목받는 기술로 꼽히는, 가상의 세계에서 실제 상황처럼 체험 할 수 있는 가상현실(VR) 기술과, 현실과 가상을 결합한 증강현실(AR) 기술이 바로 이 원리를 응용한다. 점 구름 기술은 ‘회절광학소자(diffractive optical elements)’와 ‘라이다 기술(light detection and ranging;LIDAR)’이 사용된다. 회절광학소자의 경우엔 소자의 깊이 조절을 통해 회절 효과를 만들어 내기 때문에 제작 공정에 어려움이 있고, 라이다 기술의 경우에는 복잡하고 부피가 큰 스캐닝 시스템 때문에 장치 소형화가 어려웠다. 연구팀은 이런 문제 해결을 위해 ‘스크램블링 메타표면’이라는 새로운 개념을 개발했다. 메타물질은 빛의 파장보다 작은 두께를 갖는 실리콘 나노 막대기 구조들로 구성되어 있는데 각각 나노 막대기마다 점 구름 생성에 필요한 정보를 담고 있다. 이렇게 정밀하게 만들어진 메타표면에 레이저 빔을 쏘면 메타표면에서 폭탄이 터지는 것처럼 들어온 방향을 포함한 모든 방향으로 빛이 흩어져 물체를 입체적으로 인식할 수 있게 된다. 스크램블링 메타표면은 파장의 절반 두께이기 때문에 거의 평면에 가까운 작은 소자에 탑재할 수 있어, 파노라마 카메라, 얼굴 인식 카메라, 증강·가상현실 등의 기능을 갖춘 스마트폰이나 스마트시계 등 스마트기기의 소형화를 기대할 수 있다. 연구를 주도한 노준석 교수는 “실리콘 메타표면을 이용해 전 방향으로 빛을 흩을 수 있는 ‘점 구름 생성 기술’을 세계 최초로 구현했다"며 "초경량·초소형 형태의 3차원 센싱을 바탕으로 다양한 기기에 활용할 수 있으며, 모션 캡쳐를 이용한 엔터테인먼트 기기 개발에도 응용할 수 있을 것”이라며 기대감을 밝혔다. 한편 이 연구는 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 전략공모사업, 선도연구센터(ERC)사업 광기계기술센터, 글로벌프론티어사업 파동에너지극한제어연구단과 글로벌박사펠로우십의 지원으로 수행됐다.

화공 차형준 교수팀, 암 조직에 달라붙는 스프레이형 나노항암제

[생체접착 나노입자의 간편한 스프레이 분사만으로 항암치료효과 극대화] 화공 차형준 교수팀은 홍합접착단백질을 기반으로 하는 생체접착 나노입자를 스프레이형 제제로 적용, 원하는 부위에만 약물을 전달하여 항암 치료효과를 극대화할 수 있는 기술을 개발했다. 일반적으로 암의 재발을 방지하기 위하여 외과적 수술 후에 약물치료를 진행하지만, 약물의 전신적 투여로 인한 부작용을 동반할 수 있다는 한계점이 있다. 이에 최근에는 전신 보다는 원하는 부위에만 국소적으로 약물을 전달하는 시스템의 개발이 촉구되고 있다. 이러한 시스템은 항암제를 암 환부에 직접 적용하므로 약물전달 효율을 극대화할 수 있으나, 일반적인 약물전달체의 경우 접착력이 없기 때문에 체액에 의해 적용부위에 오래 남지 못하고 쉽게 이탈할 수 있어 활용이 쉽지 않았다. 한편, 스프레이형 제제는 원하는 부위에 분사하여 간편하게 적용 가능하지만, 나노입자의 경우 분산성 유지 및 균등한 분사에 어려움이 있어 스프레이 방식으로의 응용 사례는 매우 적다. 연구팀은 수중에서도 뛰어난 접착력을 가진 홍합접착단백질을 이용하여 스프레이 방식으로 원하는 부위에만 약물전달이 가능한 나노입자 약물전달체를 개발하였다. 홍합접착단백질 나노입자는 금속-카테콜 가교를 통해 높은 물리적 안정성을 가짐으로써 스프레이 분사로 적용 시 가해지는 압력에도 와해되지 않고 충분한 분산성을 가지며 목표부위에 균등하게 도포할 수 있다는 것이 입증됐다. 또한, 체내환경에서 암 조직에 효과적으로 접착이 가능하여, 약물의 효율적인 국소전달과 함께 3배 이상 높은 항암 치료효과를 내는 것으로 밝혀졌다. 이번에 개발된 스프레이형 생체접착 나노입자 기반 약물전달시스템은 수술과정에서 약물을 간편하게 도입할 수 있을 뿐만 아니라, 암 환부에서의 증대된 약물체류성을 기반으로 효과적인 항암효과를 유도하여 기존의 전신적 약물투여 방식에서의 낮은 약물 전달효율과 전신독성 등의 단점을 보완할 수 있다는 점에서 특히 의미가 크다. 또한, 일반 분무형 스프레이뿐 아니라 내시경, 복강경, 흡입기 등 다양한 의료용 스프레이에도 적용 가능하기 때문에 피부, 기관지, 위장, 방광 등 다양한 부위의 치료에 활용될 수 있어 더욱 기대를 모은다. 연구를 주도한 차형준 교수는 “홍합접착단백질에서 착안한 생체접착 나노입자를 간편한 스프레이 방식만으로 약물을 원하는 곳에만 전달할 수 있고 이를 통해 항암치료효율의 극대화를 이루어냈다”며 “이는 화학약물 이외에도 유전자나 항체 등 다양한 형태의 약물 전달에도 성공적으로 적용할 수 있는 플랫폼 기술”이라고 말했다. 연구진은 이번에 확인된 연구 성과를 바탕으로 국소암 치료제 개발은 물론 내시경, 복강경, 흡입기 등 다양한 의료용 스프레이에 적용하여 피부, 기관지, 위장, 방광 등 여러 신체부위의 치료에 활용할 수 있는 소재 개발 연구를 이어갈 예정이다. 해양수산부(장관 김영춘)가 지원하는 ｢해양수산생명공학 R&D｣ 사업 중 “해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발” 과제(‘10~’19)의 지원을 받아 이루어진 이번 연구결과는 나노재료 분야의 세계적 권위지인 ACS Nano에 9월호에 게재됐으며, 특허 출원을 통해 원천 지식재산권도 확보하였다.