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양자 컴퓨터로 새로운 물성 연구 성공
양자 물질을 연구하거나 설계할 때 기존의 폰노이만식 전자컴퓨터를 이용한 계산은 근본적인 한계를 가진다. 양자계의 경우 양자 얽힘 등의 효과로 인해 계산량이 기하급수적으로 증가하기 때문이다. 따라서 양자물질 설계를 위해 물질의 특성을 알아내고자 할 때, 양자컴퓨터를 이용하는 양자 시뮬레이션이 필요하다.
우리 대학 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 코펜하겐 대학 클라우스 뭴머(Klaus MØlmer) 교수 연구팀과 함께 양자 시뮬레이션을 수행하는 양자 컴퓨터 플랫폼으로 최근 가장 주목을 받는 리드버그 원자 양자 컴퓨터를 이용해 양자 자성체의 극단적 특성을 구현하는데 성공했다고 11일 밝혔다.
자성체 물질은 하드 디스크와 같은 전자제품을 비롯해 전력 발전 등에도 사용되는 등 현대 기술의 핵심 요소다. 최근에는 상온 자성체를 넘어서 양자적 특성이 두드러지는 초저온에서 양자 자성체 특성에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 초저온에서 수행되는 물성 분석 및 계측 연구는 MRI 등의 의학 기기 등에 응용될 뿐만 아니라, 차세대 초정밀 제어계측공학을 촉발할 것으로 기대된다.
유명 물리학자 리처드 파인만은 1983년 양자계의 특성을 인공적인 양자계로 모방해 연구하는 양자 시뮬레이션을 제안하였다. 인공적으로 모방한 양자계의 특성을 연구하면 기존 양자계의 특성을 알아낼 수 있다.
양자 시뮬레이션을 이용한 양자 자성체의 연구는 지난 10년간 세계 유수의 대학과 연구소에서 이뤄지고 있으며 이전까지 알려지지 않은 양자 물질의 특성들을 실험적으로 확인하는 성과를 보였다. 현재 양자 물질을 시뮬레이션하는 데 있어 중요한 이슈 중 하나는 극단적인 상황 속 양자 물질의 현상을 관찰하는 것이다.
한편 이와 같은 양자 시뮬레이션을 수행하는 양자 컴퓨터 플랫폼으로 최근 가장 주목을 받는 것은 리드버그 원자다. 리드버그 원자는 최외각 전자가 이온화되어 떨어지기 직전의 매우 높은 에너지를 머금고 있는 원자로, 일반 원자의 만 배 정도의 지름을 가지며 (10의 24제곱)배 정도 더 큰 상호작용을 한다. 우리 대학 물리학과 안재욱 교수 연구팀은 최근 리드버그 원자를 이용해 최대 156큐비트급의 양자 컴퓨터 계산을 선보인 바 있다.
이번 연구에서 글로벌 공동연구팀은 리드버그 원자를 이용한 양자 컴퓨터를 이용해 양자 자성체를 설명하는 모형 중 하나인 하이젠베르크 모형*을 양자 컴퓨터로 모방해 구현했다. 특히 이전의 하이젠베르크 모형의 구현과 다르게, 이번 연구에서는 리드버그 원자의 강한 상호작용을 이용한 극단적 이방성 (3차원 중 특정 방향이 다른 방향 대비 1000배 이상 강하게 상호작용하는 특성으로 새로운 연구영역이 확보됨)을 구현하는 데 성공했다.
*하이젠베르크 모형: 하이젠베르크 자성체 모형은 자성체 스핀 간의 모든 방향 (x, y, z 방향) 상호작용을 가정한 모형으로 양자 자성체의 대표적 모델 중 하나임.
연구를 주도한 안 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터를 이용해 새로운 양자 물성을 연구할 수 있음을 보였다”라고 밝히고 “양자컴퓨터를 이용하는 물성 연구가 활발해질 것”이라고 기대했다.
우리 대학 물리학과 김강흔 대학원생 연구원과 덴마크 오르후스 대학의 팬 양(Fan Yang) 박사후 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `피지컬 리뷰 X (Physical Review X)' 2월 14권에 출판됐다. (논문명 : Realization of an Extremely Anisotropic Heisenberg Magnet in Rydberg Atom Arrays).
한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
2024.03.11 조회수 3760 -
화학공장 대체 방안 ‘아이브릿지’에서 찾다
기후 변화와 환경 문제가 심각하게 대두됨에 따라 현재의 화학 공장을 대체할 수 있는 지속가능한 미생물 세포공장이 크게 주목받고 있다. 미생물 세포공장으로 활용할 미생물을 개량하기 위해선 미생물이 가진 유전자들의 발현을 증폭 또는 억제해 유용한 화합물을 생산하도록 미생물 대사 메커니즘을 개량해야 하지만, 어떠한 유전자를 증폭하고 억제할 것인지 결정하는 것은 지금까지 어려운 문제로 남아있다.
우리 대학 이상엽 특훈교수 연구팀이 아이브릿지(iBridge)라는 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 생산하고자 하는 화합물에 맞춤형 미생물 공장을 구축할 수 있도록 과발현 및 억제 유전자들을 예측함으로써 미생물 공장을 적은 비용으로 빠르고 효율적으로 구축하는 방법을 제시했다고 9일 밝혔다.
이상엽 특훈교수가 창시한 시스템 대사공학은 유전공학, 합성생물학, 시스템생물학, 발효공학 등을 접목해 개량한 미생물을 이용해 유용한 화합물들을 생산하는 분야다. 미생물을 목표로 하는 유용한 화합물을 생산하도록 개량하기 위해선 미생물의 유전자들을 삭제, 발현억제, 과발현 등이 필수적이지만, 이를 일일이 실험적으로 확인하지 않고서는 여전히 전문가들조차 판별하기 어려워 많은 시간과 자원이 소모된다.
연구팀은 신규 개발된 아이브릿지(iBridge) 시뮬레이션을 활용해 세 가지의 유용한 화합물을 세계 최고 수준으로 생산하는 대장균 미생물 세포공장을 구축하는 데 성공했다. 연구팀은 많은 화장품에서 보습제 역할을 하는 판테놀, 나일론의 원료인 퓨트레신, 항균성 식품첨가제인 4-하이드록시페닐젖산 등을 생산하는 대장균 균주를 개발하고, 신규 개발된 시뮬레이션 아이브릿지(iBridge)를 활용해 세계 최고 농도로 이들 화합물을 생산하는 공정을 개발했다. 그뿐만 아니라 연구팀은 이들 세 가지 외에도 산업적으로 유용한 화합물 298 여종의 미생물 공장을 구축하기 위한 과발현 및 억제 유전자들을 예측해 제시했다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 우리 대학 이영준 박사는 “이번에 개발된 시뮬레이션을 이용하니 여러 가지 미생물 공장들이 기존방법보다 월등히 빠른 속도로 구축됐다”며 “더 다양한 유용한 화합물들을 생산하는 미생물 세포공장들이 이 기술을 활용해 빠르게 구축될 수 있을 것”이라고 말했다.
또한 이상엽 특훈교수는 “시스템 대사공학은 현재 우리가 해결해야 할 기후변화문제에 접근하는 매우 중요한 기술”이라며 “이 시뮬레이션은 기존의 화학 공장을 친환경 미생물 공장으로 대체하는 시기를 앞당기는 데 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
생물공정연구센터 김원준 박사, 이영준 박사, 생명화학공학과 김현욱 교수와 이상엽 특훈교수가 참여한 이번 논문은 셀 (Cell) 誌가 발행하는 `셀 시스템즈 (Cell Systems)'에 동료심사를 거쳐 11월 6일 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명 : 세포 내 화학반응 속도의 공분산의 합을 활용한 게놈 수준 과발현 및 억제 유전자 예측 (Genome-Wide Identification of Overexpression and Downregulation Gene Targets Based on the Sum of Covariances of the Outgoing Reaction Fluxes)
※ 저자 정보 : 김원준 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이영준 (한국과학기술원, 공동 제1 저자), 김현욱 (한국과학기술원, 공동 제1 저자) 및 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 6 명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 ‘석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제(과제책임자 KAIST 이상엽 특훈교수) 및 바이오매스기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발사업’ 과제(과제책임자 KAIST 최소영 연구교수)의 지원을 받아 수행됐다.
아이브릿지 사이트: https://github.com/kaistsystemsbiology/iBridge.git
2023.11.09 조회수 4021 -
그래핀 기반 2차원 반도체 소자 시뮬레이션의 양자 도약 달성
반도체 연구 개발에서 소자의 미세화에 따라 원자 수준에서 전류의 흐름을 이해하고 제어하는 것이 핵심적 요소가 되고 있는 상황에서, 우리 연구진이 기존에는 불가능했던 원자만큼 얇은 2차원 반도체 소자의 엄밀한 양자 역학적 컴퓨터 시뮬레이션을 성공적으로 구현하고 이를 기반으로 원자 결함에 의해 발생하는 특이한 소자 특성을 세계 최초로 보고했다.
우리 대학 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 자체적으로 개발한 양자 수송 이론을 통해 세계 최초로 그래핀 전극 간 전자의 터널링 현상(전자가 포텐셜 장벽을 투과하는 현상)으로 작동하는 *2차원 터널링 트랜지스터의 **제1 원리 시뮬레이션을 수행하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.
* 2차원 터널링 트랜지스터: 그래핀을 전극으로 하여 전극 간 전자의 터널링(tunneling) 현상을 통해 소자가 작동하는 반도체 소자이다. 소자의 동작 특성을 결정하는 그래핀 전극간 전자의 터널링 현상은 소스-드레인(source-drain) 전극 및 게이트(gate) 전압에 의해 결정된다.
**제1 원리 시뮬레이션: 제1원리 계산은 물질 내 전자들의 거동을 해석할 때 실험적 데이터나 경험적 모델을 도입하지 않고 지배방정식인 슈뢰딩거 방정식을 원자 정보를 포함시켜 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션 방법으로 대표적인 방법론은 밀도 범함수론(density functional theory, DFT)이 있음
전기및전자공학부 김태형 박사과정과 이주호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 소재 계산 분야의 권위 있는 학술지 `네이쳐 파트너 저널 컴퓨테이셔널 머터리얼즈(Npj Computational Materials)' (IF 13.20) 3월 25일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Gate-versus defect-induced voltage drop and negative differential resistance in vertical graphene heterostructures)
제1 원리 시뮬레이션이란 슈퍼컴퓨터에서 원자 수준의 양자역학 계산을 수행해 실험적 데이터나 경험적 모델의 도움 없이 물질의 특성을 도출하는 방법으로 제1 원리 계산을 통한 평형 상태의 소재 연구는 1998년 월터 콘(Walter Khon) 교수가 노벨상을 받은 `밀도 범함수론(density functional theory: DFT)'을 기반으로 다방면으로 수행돼왔다.
반면 전압 인가에 따른 비평형 상태에서 작동하는 나노 소자의 제1 원리 계산은 DFT 이론을 적용하기 어렵고 그 대안으로 제시된 이론들에도 한계가 있어 현재 그래핀 기반 2차원 반도체 소자의 엄밀한 양자역학적 시뮬레이션은 불가능한 상황이었다.
연구팀은 먼저 이러한 어려움을 극복하기 위해 자체적으로 수립한 새로운 양자 수송 계산 체계인 다공간 DFT 이론을 발전시켜 그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터의 제1 원리 시뮬레이션을 가능하게 했다.
다음으로 이를 그래핀 전극-육각형 질화붕소 채널-그래핀 전극 소자 구조에 적용해 질화붕소 층에 존재하는 원자 결함이 다양한 비선형 소자 특성들을 도출시킬 수 있음을 보여 원자 결함의 종류와 위치에 대한 정보가 신뢰성 있는 2차원 소자의 구현에 매우 중요함 요소을 입증했다.
한편 이러한 비선형 소자 특성은 연구진이 기존에 세계 최초로 제안했던 양자 혼성화(quantum hybridization) 소자 원리(device principle)에 따라 발현됨을 보여 2차원 소자의 양자적 특성을 활용하는 한 방향을 제시했다.
김 교수는 "나날이 치열해지는 반도체 연구/개발 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 나노 소자 전산 설계 원천기술을 확보했다ˮ고 연구의 의미를 소개하며 "양자 효과가 극대화될 수밖에 없는 차세대 반도체 연구/개발에서 양자역학적 제1 원리 컴퓨터 시뮬레이션의 역할이 더욱 중요해질 것”이라고 강조했다.
한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술 육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
2022.04.04 조회수 9796 -
전기화학 분야의 오랜 난제인 전기 이중층 구조 규명
우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 GIST 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 전기화학 분야의 오랜 난제 중 하나인 전기 이중층 구조를 이론적으로 규명하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
태양광 발전 등 친환경적으로 생산된 전기를 화학연료의 형태로 변환 및 저장하는 기술은 현재 인류가 직면하고 있는 에너지-환경 문제를 해결할 수 있는 가장 효율적인 미래전략이다. 2019년 리튬이온 배터리의 노벨 화학상 수상에서도 볼 수 있듯이, 전기화학 기술은 이러한 지속 가능한 탄소 중립 사회의 구축에 있어 가장 중요한 코어 기술로 여겨진다. 그러나 전기화학 분야에서 교과서에도 등장하는 100년 가까운 오래된 난제 중 하나가 있는데, 이는 바로 `전기 이중층'이라 불리는 특별한 액체 구조를 밝혀내는 것이다.
전기 이중층은 전기를 가한 금속 전극 주변에 액체 속의 이온이 쌓이면서 생성되는 특이한 층 구조를 의미한다. 이 구조적 특성에 따라 에너지 변환/저장 성능이 결정되기 때문에, 전기 이중층의 구조를 밝히려는 노력이 오랫동안 이어져 왔다. 그러나 전기 이중층은 금속 전극과 액체 전해질 사이 계면에 파묻혀 생성되는 나노 크기 정도 공간 속, 물과 이온들의 복잡한 배열을 가지는 구조이기 때문에 이를 직접 관측하기란 거의 불가능에 가까웠으며 지난 수십 년간 난제의 풀이에 대한 뚜렷한 진보를 이룰 수 없었다.
김형준 교수 연구팀은 컴퓨터 속 디지털 세상에 전기 이중층을 구현해 이러한 실험적 한계를 돌파하고자 했다. 양자 역학 및 분자동역학에 기반한 높은 정확도의 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 개발해 그동안 베일에 싸여있던 전기 이중층 구조를 규명하는 데 성공했다. 이러한 가상공간에서의 결과는 GIST 최창혁 교수 연구팀이 실제로 실험에서 측정한 전기 이중층의 물리적 특성을 정확하게 예측할 수 있었다. 더 나아가 이러한 지식의 진보를 바탕으로, `주인-손님 화학' (특정 `손님' 분자만을 선택적으로 받아들이는 `주인' 분자의 특이한 화학적 성질을 의미)이라는 특별한 화학 반응을 활용해 전기 이중층 구조를 실제로 제어할 수 있는 전략을 도출했으며, 이를 통해 탄소 저감에 중요한 전기화학적 이산화탄소의 연료화 반응 효율 제어에 성공했다.
연구진은 "이번 연구를 통해 전기화학 분야의 오래된 난제인 전기 이중층 구조를 규명하는 데 성공했을 뿐만 아니라, 궁극적으로 이를 제어해 친환경 전기 에너지의 변환 및 저장 성능을 획기적으로 높일 가능성에 첫 단추를 끼웠다ˮ며, 이어 "이번 연구를 시발점으로 연료전지, 배터리, 질소 고정화 등 인류의 생존에 꼭 필요한 신 전기화학 기술 개발을 위한 연구를 지속하겠다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 신승재 박사과정 학생과 GIST 신소재공학부 김동현, 배근수 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 에 1월 10일 字 게재됐다. (논문명: On the importance of the electric double layer structure in aqueous electrocatalysis)
한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성사업 및 한국연구재단(NRF)의 지원으로 진행됐다.
2022.01.27 조회수 12033 -
초대규모 그래프 프로세싱 시뮬레이션 기술 개발
우리 대학 연구진이 오늘날 정보통신(IT) 분야에서 광범위하게 사용되는 그래프 타입의 데이터를 실제로 저장하지 않고도 알고리즘을 계산할 수 있는 `그래프 프로세싱 시뮬레이션'이라는 신개념 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 데이터를 저장할 필요가 없어 1조 개 간선의 초대규모 그래프도 PC 한 대로 처리가 가능하다.
우리 대학 전산학부 김민수 교수 연구팀은 1조 개 간선의 초대규모 그래프에 대해 데이터 저장 없이 알고리즘을 계산할 수 있는 신개념 기술을 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.
오늘날 웹, SNS, 인공지능, 블록체인 등의 광범위한 분야들에서 그래프 타입의 데이터에 대한 다양한 알고리즘들의 연구가 매우 중요하다. 그러나 그래프 데이터의 복잡성으로 인해 그 크기가 커질 때 막대한 규모의 컴퓨터 클러스터가 있어야만 알고리즘 계산이 가능하다는 문제가 있다.
김 교수 연구팀은 이를 근본적으로 해결하는 T-GPS(Trillion-scale Graph Processing Simulation)라는 기술을 개발했다. 이 T-GPS 기술은 그래프 데이터를 실제로 디스크에 저장하지 않고도 마치 그래프 데이터가 저장돼 있는 것처럼 알고리즘을 계산할 수 있고, 계산 결과도 실제 저장된 그래프에 대한 알고리즘 계산과 완전히 동일하다는 장점이 있다.
그래프 알고리즘은 그래프 처리 엔진 상에서 개발되고 실행된다. 이는 산업적으로 널리 사용되는 SQL 질의를 데이터베이스 관리 시스템(DBMS) 엔진 상에서 개발하고 실행하는 것과 유사한 방식이다.
지금까지는 그래프 알고리즘을 개발하기 위해 먼저 합성 그래프를 생성 및 저장한 후, 이를 다시 그래프 처리 엔진에서 메모리로 적재해 알고리즘을 계산하는 2단계 방법을 사용했다. 그래프 데이터는 그 복잡성으로 인해 전체를 메모리로 적재하는 것이 요구되며, 그래프의 규모가 커지면 대규모 컴퓨터 클러스터 장비가 있어야만 알고리즘을 개발하고 실행할 수 있다는 커다란 단점이 있었다.
김 교수팀은 합성 그래프와 그래프 처리 엔진 분야에서 국제 최고 권위의 학술대회에 매년 논문을 발표하는 등 세계 최고의 기술력을 보유하고 있으며, 그 기술들을 바탕으로 기존 2단계 방법의 문제를 해결했다.
그래프 데이터상에서 그래프 알고리즘이 계산을 위해 접근하는 부분을 짧은 순간 동안 실시간으로 생성해, 마치 그래프 데이터가 존재하는 것처럼 알고리즘을 계산하는 것이다. 이때 그래프 데이터를 아무렇게 실시간 생성하는 것이 아니라 합성 그래프 모델에 따라 생성하고 저장한 것과 동일하도록 실시간 생성하는 것이 핵심 기술 중 하나다.
또한, 그래프 처리 엔진이 실시간으로 생성되는 그래프를 실제 그래프처럼 인식하고 알고리즘을 완전히 동일하게 계산하도록 엔진을 수정한 것이 또 다른 핵심 기술이다.
김민수 교수 연구팀은 T-GPS 기술을 종래의 2단계 방법과 성능을 비교한 결과, 종래의 2단계 방법이 11대의 컴퓨터로 구성된 클러스터에서 10억 개 간선 규모의 그래프를 계산할 수 있었던 반면, T-GPS 기술은 1대의 컴퓨터에서 1조 개 간선 규모의 그래프를 계산할 수 있어 컴퓨터 자원 대비 10,000배 더 큰 규모의 데이터를 처리를 할 수 있음을 확인했다. 또한, 알고리즘 계산 시간도 최대 43배 더 빠름을 확인했다.
교신저자로 참여한 김민수 교수는 "오늘날 거의 모든 IT 분야에서 그래프 데이터를 활용하고 있는바, 연구팀이 개발한 새로운 기술은 그래프 알고리즘의 개발 규모와 효율을 획기적으로 높일 수 있어 산업적 측면에서 파급 효과가 매우 클 것으로 기대한다ˮ 라고 말했다.
이번 연구에는 김 교수의 제자이자 캐나다 워털루 대학에 박사후 연구원으로 재직 중인 박힘찬 박사가 제1 저자로, 김 교수가 교신저자로 참여했으며 지난 22일 그리스 차니아에서 온라인으로 열린 데이터베이스 분야 최고 국제학술대회 중 하나인 IEEE ICDE에서 발표됐다. (논문명 : Trillion-scale Graph Processing Simulation based on Top-Down Graph Upscaling).
한편, 이 연구는 한국연구재단 선도연구센터 사업 및 중견연구자 지원사업, 과기정통부 IITP SW스타랩 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.04.23 조회수 24681 -
조광현 교수, 섬유아세포 과활성 유발 분자피드백 회로 규명
〈 조 광 현 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 삼성병원 김석형 교수 연구팀과 공동연구를 통해 섬유증 및 암 악성화의 원인이 되는 섬유아세포 과활성을 유발하는 분자피드백 회로를 최초로 규명했다.
신동관 박사와 안수균 학생 등이 함께 참여한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월 1일자 온라인 판에 게재됐다.
( https://www.nature.com/articles/s41467-018-05274-6 )
인간의 섬유아세포는 대부분의 정상조직에 비활성화된 상태로 존재하다가 상처회복을 위해 필요할 때 급진적으로 활성화된다. 하지만 이러한 급진적 활성화가 유발되는 원리는 아직 밝혀지지 않았다.
조광현 교수 연구팀은 삼성병원 김석형 교수팀과 공동연구를 통해 Twist1, Prrx1, TNC 분자들이 연쇄적으로 활성을 유발하는 양성피드백회로를 구성함으로서 그와 같은 급진적인 섬유아세포의 활성을 유발한다는 것을 분자생물학실험과 수학모델링, 컴퓨터시뮬레이션 분석, 그리고 동물실험과 임상데이터 분석을 통해 밝혔다.
활성화된 섬유아세포는 상처가 치유된 뒤 다시 비활성화된 상태로 전환돼야 하는데 이 때 피드백회로가 계속 작동하면 섬유증의 발생이나 암 악성화의 원인이 된다.
따라서 이번에 밝혀낸 Twist1-Prrx1-TNC 분자피드백회로는 섬유증과 암의 새로운 치료 타겟으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 그림 설명
그림1. 섬유아세포의 급진적 활성화를 유발하는 Twist1-Prrx1-TNC 분자피드백회로 규명 과정
그림2. 정상적인 섬유아세포의 활성화 조절과 피드백회로의 비가역적 활성화에 따른 비정상적인 섬유아세포 활성화 조절과정의 비교
2018.08.10 조회수 10858 -
최민기, 김형준 교수, 1년 이상 유지 가능한 백금 단일원자 촉매 개발
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수, EEWS 대학원의 김형준 교수 공동 연구팀이 1년 이상 유지가 가능하고 과산화수소를 생산할 수 있는 단일 원자 크기의 백금 촉매 개발에 성공했다.
연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8일자 온라인 판에 게재됐다.
백금 고체 촉매는 산업계에서 널리 이용된다. 고가의 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해 백금 촉매입자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 많이 이뤄지고 있다.
과학계에서는 효율적인 금속의 사용을 위해 가장 작은 구성원소인 단일 원자로 이뤄진 백금 촉매(1/10 나노미터 수준)를 개발했다.
백금을 비롯한 모든 금속은 나노미터 수준에서는 매우 불안정하기 때문에 특정 금속 산화물을 담지체로 사용해 백금 원자를 안정화해야 한다. 그러나 이 방법으로 합성된 촉매 또한 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이다.
탄소 소재의 경우 전기전도성이 높고 저렴해 담지체로서 장점을 갖지만 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성시키기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노구조를 합성했고, 이 물질에 백금 촉매를 형성했을 때 단일 원자 형태로도 백금을 안정화시키는 것을 발견했다.
연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적인 촉매 합성 방법을 통해서도 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것을 확인했다. 또한 기존의 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만 연구팀이 개발한 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분의 촉매가 단일 원자로 존재하는 안정성을 보였다.
그밖에도 연구팀은 추가적인 성과를 확인했다. 일반적인 단일 원자 백금 촉매를 수소와 산소를 이용해 연료 전지 기술에 적용할 경우 대부분 물(H2O)이 형성되지만, 연구팀의 단일 원자 백금 촉매는 고부가가치 물질인 과산화수소가(H2O2) 95% 이상의 선택도로 생성돼 저렴하게 과산화수소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
최 교수는 “기존의 불균일계 촉매로는 불가능했던 특이 촉매 선택성을 구현할 수 있을 것으로 예상된다” 며 “다른 단일 원자 촉매군 에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
김 교수는 “양자역학 시뮬레이션을 이용해 단일 원자 백금 촉매가 탄소 담지체에서 갖는 안정성 및 특이한 선택성 등의 원인을 규명했다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 백금 단일 원자 촉매에서의 과산화수소 (H2O2) 생성 반응 모식도
그림2. 백금 단일 원자 사진
2016.03.14 조회수 10851 -
실리콘 나노선의 불순물 특성 세계 첫 규명
장기주 교수
- “실리콘 나노선을 소재 상용화 앞당겨 획기적 반도체 집적도 향상 기대” -- 나노분야 세계적 학술지 ‘나노레터스’ 9월 17일자 게재 -
우리 학교 연구진이 미래 차세대 반도체 소자 소재로 기대를 모으고 있는 실리콘 나노선의 전기 흐름과 직결된 불순물 특성을 밝혀냈다.
우리 학교 물리학과 장기주 특훈교수팀은 산화 처리된 실리콘 나노선에서 전기를 흐르게 하기위해 첨가한 불순물 붕소(B), 인(P) 등의 움직임과 비활성화를 일으키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.
현재 최첨단 기술로도 10nm(나노미터) 이하의 실리콘 기반 반도체 제작은 불가능한 것으로 알려져 있지만, 실리콘 나노선은 굵기가 수 나노미터이기 때문에 보다 획기적인 집적도를 가진 반도체를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
실리콘 나노선은 원래 전기가 흐르지 않는 데 반도체 소자로 적용하려면 인 또는 붕소와 같은 불순물을 소량 첨가(Doping)해 양의 전하를 띠는 정공이나 음 전하를 띠는 전자 운반 매개체를 만들어 전기가 흐를 수 있도록 해야 한다.
그러나 덩어리 형태의 기존 실리콘에 비해 나노선에서는 불순물 첨가가 어려울 뿐만 아니라 전기전도 특성을 조절하기 어려운 문제가 있었다.
장 교수 연구팀은 이번 연구를 위해 단순 모형을 이용한 기존 이론을 개선한 획기적 양자시뮬레이션 이론을 고안해 실제와 매우 가까운 코어-쉘 원자 모델을 만들었다.연구팀은 이를 통해 실리콘 코어 내부에 첨가된 붕소 불순물이 산화과정에서 코어를 싸고 있는 산화물 껍질로 쉽게 빠져나가는 원인을 세계 최초로 규명하는 데 성공했다.
이와 함께 인 불순물은 산화물로 빠져나가지 못하지만 서로 전기적으로 비활성화 된 쌍을 이루면서 정공이 생기는 효율을 감소시킨다는 사실도 밝혔다.
이러한 현상은 나노선이 필름 형태로 돼 있는 기존 실리콘에 비해 같은 부피라도 표면적이 더 넓기 때문에 더욱 심각한 문제를 일으킨다고 연구팀은 이번 연구에서 입증했다.
장기주 교수는 “이번 연구방법은 실리콘과 산화물 사이의 코어-쉘 나노선 모델을 구현하는 이론 연구의 기본 모형으로 받아질 것으로 기대된다”며 “특히, 10nm급 수준의 소자 연구에서 실리콘 채널을 산화물로 둘러 싼 3차원 FinFET 구조의 원자구조를 구현해 소자 특성을 밝히는 데 커다란 도움이 될 것이다”라고 연구의의를 밝혔다.KAIST 장기주 교수가 주도하고 김성현 박사과정 학생(제1저자)과 박지상 박사과정 학생(제 2저자)이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업(도약연구) 및 신기술융합형성장동력사업(나노기반정보⋅에너지) 지원으로 수행됐고, 나노과학분야 세계적 학술지인 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 9월 17일자 온라인 판에 게재됐다.
그림설명 : 실리콘/산화물 코어-쉘 나노선의 종단면. 초기 코어에 잘 들어가 있던 붕소(녹색)이 격자 틈새에 위치한 실리콘(연파랑)에 의해 밀려남 따라 붕소가 산화물 껍질로 빠져나간다.
2012.10.22 조회수 15893 -
시스템생물학 연구로 표적항암제 내성 원리 규명
- 분자세포생물학지 발표, “표적항암제 내성 극복 및 암 생존률 향상 위한 단초 마련”-
최근 항암치료법으로 주목 받고 있는 표적항암제(멕 억제제, MEK inhibitor)의 근본적인 내성 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀져, 향후 항암제 내성을 극복하고 암 생존률을 높일 수 있는 토대를 마련하였다. 특히 이번 연구는 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구로 이루어졌다는 점에서 큰 의미가 있다.
우리 학교 조광현 교수가 주도하고 원재경 박사과정생, 신성영 박사, 이종훈 박사과정생, 허원도 교수 및 양희원 박사가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약/도전연구)과 기초연구실사업 및 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성사업의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 분자세포생물학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘분자세포생물학지(Journal of Molecular Cell Biology, IF=13.4)’의 표지논문으로 선정되어 6월 1일자에 게재되었다. (논문명: The cross regulation between ERK and PI3K signaling pathways determines the tumoricidal efficacy of MEK inhibitor)
표적항암제는 종양세포 속에 있는 특정 신호전달경로의 분자를 목표(target)로 하는데, 최근 폐암, 유방암 등 일부 종양에서 기존 항암제와 달리 부작용이 적고 임상효능이 높아 전 세계 과학자들로부터 큰 주목을 받고 있다. 특히 표적항암제는 개인 맞춤형 항암치료제로 개발될 수 있어 기대를 모으고 있다.
그러나 실제 임상 또는 전(前)임상 단계에서 많은 표적항암제의 내성이 관찰되어, 결국 신약개발로 이어지지 못하는 경우가 많다. 또한 효능은 있더라도 생존율이 낮거나 재발하는 경우가 빈번한 것으로 알려졌다.
대표적인 종양세포 신호전달경로인 어크(ERK) 신호전달경로는 대부분의 종양에서 활성화되는 경로인데, 특히 피부암이나 갑상선암은 이 경로에 있는 물질(비라프, BRAF)의 변이로 활성화되어서 암으로 발전하는 사례가 많다.
이 경우 어크 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제가 효과적인 치료법으로 알려져 있지만, 결국 내성이 발생하여 암이 다시 진행된다.
조광현 교수가 이끈 융합 연구팀은 어크 신호전달경로를 표적으로 하는 멕 억제제에 대한 내성과 그 근본원리를 수학모형과 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 분석하고, 그 결과를 분자생물학실험과 바이오이미징*기술을 통해 검증하였다. *) 바이오이미징 : 세포 또는 분자 수준에서 일어나는 현상을 영상으로 확인하는 기술
조 교수팀은 종양의 다양한 변이조건을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 수행한 결과, 멕 억제제를 사용하면 어크 신호전달은 줄어들지만, 또 다른 신호전달경로(PI3K로의 우회 신호전달경로)가 활성화되어 멕 억제제의 효과가 반감됨을 입증하였다.
또한 이러한 반응이 신호전달 물질간의 복잡한 상호작용과 피드백으로 이루어진 네트워크 구조에서 비롯되었음을 밝히고, 그 원인이 되는 핵심 회로를 규명하여 이를 억제하는 다른 표적약물을 멕 억제제와 조합함으로써 표적항암제의 효과를 증진시킬 수 있음을 제시하였다.
조광현 교수는 “이번 연구는 멕 억제제에 대한 약물저항성의 원인을 시스템 차원에서 규명한 첫 사례로, 약물이 세포의 신호전달경로에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션으로 예측함으로써 표적항암제의 내성을 극복할 수 있음을 보여주었다. 또한 신호전달 네트워크에 대한 기초연구가 실제 임상의 약물 사용에 어떻게 적용될 수 있는지와 표적항암물질의 저항성에 대한 근본원리를 이해하고, 그 극복방안을 찾아내는 새로운 융합연구 플랫폼을 제시한 것으로 평가받고 있다”고 연구의의를 밝혔다.
2012.06.12 조회수 21224 -
KAIST, 선박 수중폭발 연구 박차
해양시스템공학전공 신영식 교수
- 15일, 국내최초로 모형 선박을 이용해 수중폭발 실험해 -- “우리나라 수중폭발 분야 기초연구에 시발점 될 것” -
KAIST가 국내에서는 처음으로 선박 수중폭발 연구를 본격화한다.
우리 학교 해양시스템공학전공 신영식 교수가 지난 15일 국내 최초로 모형 선박을 이용해 폭약의 수중폭발로 인한 충격이 선박에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 실시했다.
연구팀은 가로 X 세로 1m X 2m 크기의 알루미늄 재질 모형 선박을 만들어 속도, 가속도, 압력 측정 센서를 부착했다. 그 후, 물에 모형선을 띄운 상태에서 선박과 폭약의 수평, 수직 거리를 바꿔가며 수중에서 폭약을 폭발시켜 각 센서의 응답 데이터를 기록했다.
신 교수 연구팀은 이번 실험을 통해 컴퓨터 시뮬레이션만으로는 얻을 수 없었던 실제 실험 데이터를 얻어냈다. 이 데이터는 컴퓨터 시뮬레이션의 결과와 비교해 계산 값의 검증에 사용될 계획이다.
KAIST는 이번 실험을 계기로 향후 수중폭발 관련 시뮬레이션 기법을 점차 고도화 해 보다 정확한 수중충격에 대한 예측이 가능해질 것으로 기대하고 있다.
아울러 충격 등의 수중폭발 현상에 대한 이해를 높여, 선박의 탑재장비의 생존성 확보를 위한 연구와 내충격성 향상을 위한 설계의 검토, 변경의 기초자료 등으로 활용할 예정이다.
연구팀은 이번 결과를 바탕으로 근접수중폭발에 의해 발생하는 현상 중 하나로 선박의 침몰을 유발할 수 있는 휘핑현상을 재현하는 실험을 계획하고 있다. 이 연구가 완료되면 휘핑현상에 대한 보다 정확한 이해를 통해 선박의 디자인을 검토, 보완해 함정과 승조원의 생존능력을 확보하는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
신영식 교수는 “미국, 러시아 등 군사강국에서는 실제 함선을 이용한 수중폭발실험이 활성화돼 있어 함정의 내충격성 강화 및 탑재장비의 생존성여부에 관한 자료로 폭넓게 활용되고 있지만 군사기밀로 다뤄져 공개되지 않고 있다“며 ”국내 최초로 실시되는 이번 수중폭발 실험은 이 분야 기초연구의 시발점이 될 것“이라고 이번 실험에 의미를 부여했다.
이번 연구를 주도한 수중충격분야 세계적 석학인 신영식 초빙교수는 미 해군대학원에서 약 30년 동안 교수로 재직하면서 수중폭발, 탑재 전자 장비의 충격 내구성 검증, 충격 및 진동문제해결 등의 성과를 인정받아 2005년 이 대학 최고의 영예직인 특훈교수로 임명되기도 했다.
현재 KAIST 해양시스템공학전공 초빙교수로 재직 중인 신 교수는 미국에서의 경험을 바탕으로 수중폭발이 선박이나 해양구조물에 미치는 영향 등 국내에서는 수행하기 어려운 연구를 수행하고 있다.
한편, 이번 연구를 지원한 KAIST 해양시스템공학전공(학과장 한순흥)은 WCU사업으로 설립됐는데 최고의 자질과 잠재력을 지닌 학생들을 교육시키되 기존의 조선해양 관련학과와 차별화된 미래지향적 교육 프로그램을 통해 우리나라 조선해양공학의 미래를 개척할 수 있는 세계적 수준의 엔지니어와 학자 배출을 목표로 하고 있다.
그림1. 각종 센서를 부착해 만든 알루미늄 모형 배를 물 위에 띄운 모습
그림2. 실험에 사용한 모형 선박의 3D 모델과 수중폭발 컴퓨터시뮬레이션
그림3. 수중폭발실험 장면(수중에서 폭약을 폭파해 버블제트가 생겨 물기둥이 솟구치고 있다.)
그림4. 연구팀 사진(신영식 교수가 모형 선박을 가리키면서 연구진들에게 설명하고 있다.)
2012.03.26 조회수 13893 -
가상 암세포 실험을 통한 암 전이 핵심회로 규명
- 생체시스템 모델링 및 바이오시뮬레이션 연구의 새로운 가능성을 제시 -
우리학교는 바이오 및 뇌 공학과 조광현교수 연구팀이 IT와 BT의 융합연구인 시스템생물학 연구에 기반을 둔 ‘가상 암세포’ 실험을 통해 암 전이를 유발하는 핵심 분자회로를 규명했다고 14일 밝혔다.
이번 연구를 통해 알킵(RKIP)이 매개가 되는 암 전이 조절과정과 핵심회로가 규명됐다. 이로써 향후 이를 표적으로 하는 항암제 개발 등 IT를 이용한 생명과학 응용연구의 중요한 발판을 마련하게 됐다.
특히, 융합연구를 통해 생체시스템 모델링 및 바이오시뮬레이션 연구의 새로운 가능성을 제시하게 됐다.
상피세포가 중간엽세포로 변화하는 과정은 종양세포의 전이단계에서 일어나는 매우 중요한 과정이다. 이 과정의 주요 특징 가운데 하나는 세포 간 결합을 조절하는 단백질인 이카드헤린(E-cadherin)의 양이 급격히 줄어드는 것이다.
이카드헤린의 발현량은 어크(ERK)와 윈트(Wnt)가 포함된 다양한 신호전달경로에 의해 조절되는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이들 신호전달경로는 다중결합 피드백회로에 의해 서로 복잡하게 얽혀 있어 실험적인 방법으로는 이들의 동역학 특성과 숨겨진 조절 메커니즘을 분석하는 것이 매우 어려운 것으로 여겨져 왔다.
조광현 교수 연구팀은 이에 대한 수학모형을 개발하고 대규모 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 이들 결합 피드백회로의 복잡한 상호작용으로 인해 일어날 수 있는 다양한 생명현상을 규명했다.
또한, 어크에 의한 알킵(RKIP) 인산화와 스네일(Snail)에 의한 알킵 전사억제 과정으로 구성된 결합 양성피드백 회로가 임계점 이상의 자극세기에서만 이카드헤린이 급격하게 발현되도록 조절함으로써 외부 노이즈에 강건한 스위칭 동작을 유발한다는 것을 규명했다.
아울러 알킵이 스네일과 슬러그(Slug)의 발현을 억제함으로써 이카드헤린의 발현이 증가되고, 이 때문에 전이과정이 억제될 수 있음을 보였다.
지금까지 전이를 일으키는 종양세포에서 알킵의 발현이 현저하게 감소되었다는 많은 임상적 보고가 있었지만, 그 근본적인 메커니즘은 알려져 있지 않았다.
한편, 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구사업과 기초연구실육성사업으로 수행됐으며, 연구결과는 순수 컴퓨터시뮬레이션 결과임에도 이례적으로 동물 또는 임상실험의 결과가 주로 게재되는 암 전문 학술지 ‘캔서 리서치(Cancer Research)’지 9월 1일자에 게재됐다.
<그림설명>암 전이과정을 조절하는 세포내 분자들 간의 다중결합 피드백 회로의 동역학 특성 및 조절메커니즘의 분석결과. 이 그림은 암 전이 조절회로에 대한 개념도와 시뮬레이션 분석에 사용된 방법 및 결과를 설명한 것이다.
A. 암 전이과정을 조절하는 세포내 주요 신호전달 네트워크의 예시.
B. 전자공학적 논리회로 분석기법을 이용해 암전이 조절회로를 정량적으로 모사하고 핵심 메커니즘을 분석하는 과정.C. 대규모 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 알킵에 의해 매개되는 결합양성 피드백 회로가 노이즈가 주어지더라도 강건하게 이카드헤린의 스위칭 동작을 유발함을 보이는 예시.
<용어설명>
◯중간엽세포: 발생단계의 중배엽에서 기원된 결합조직세포로서 여러 다른 결합조직세포로 분화할 수 있는 능력이 있는 세포.
◯EMT: 상피세포가 중간엽세포로 변화하는 과정(Epithelial Mesenchymal Transition).
◯어크(ERK): 세포의 유사분열 신호를 전달하는 단백질의 한 종류.
◯윈트(Wnt): 세포의 유사분열 신호를 전달하는 단백질의 한 종류. 특히 배아의 발생단계에서 중요한 역할을 함.
◯이카드헤린(E-cadherin): 세포 접합에 중요한 역할을 하는 단백질의 한 종류.
◯알킵(RKIP): 유사분열 신호를 조절하는 단백질의 한 종류. 특히, 암의 전이과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있음.
◯스네일(Snail): 이카드헤린의 발현을 억제함으로써 암 전이 과정을 촉진시키는 역할을 하는 단백질.
◯분자회로: 세포내 유전자, 단백질 등의 분자간 상호작용을 나타낸 회로
◯상피세포: 동물의 몸 표면이나 내장기관의 내부 표면을 덮고 있는 세포
◯전이단계: 암이 다른 부위로 퍼지는 단계
◯다중결합 피드백회로: 피드백회로가 2개 이상 중첩된 구조
2010.09.14 조회수 17582 -
조광현 교수, 생명과학의 오랜 수수께끼에 대한 새로운 해답 제시
- 시스템 생물학 연구를 통한 생명과학의 한계 극복, 중요한 BIT연구사례
바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀(제1저자 김동산, 참여연구원 월터콜치)은 컴퓨터시뮬레이션을 통해 세포내 하나의 신호전달경로가 어떻게 다양한 세포반응을 유발하는지에 대한 새로운 해답을 제시했다.
이번 연구는 특히 BT에 IT를 접목시킨 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 기존 생명과학의 한계를 극복한 중요한 BIT 융합연구사례로 평가된다. 우선 기존의 다양한 실험조건 하에서 산발적으로 축적된 데이터를 IT를 이용해 효율적으로 집대성하였다. 그리고 이를 기반으로 대규모 컴퓨터시뮬레이션을 수행하고 시스템생물학 관점의 통합분석 작업을 시도함으로써 복잡한 생명현상 이면의 숨겨진 설계원리를 밝혀냈다.
NF-kB 신호전달경로는 세포의 성장, 분열, 사멸을 조절하고, 면역과 염증반응 등 매우 다양한 세포반응에 관여하는 것으로 알려져 있다. 그러나 하나의 NF-kB 신호전달경로를 통해 어떻게 다양한 세포반응이 유도되는지에 대한 핵심 메커니즘은 오랫동안 수수께끼로 남아있었다.그 원인은 NF-kB 신호전달경로가 매우 복잡한 조절관계에 얽혀 있어서 동역학적 특성을 직관적으로 이해하기 어려웠기 때문이다. 또한 많은 실험들이 특정 조건에서 관측된 단면만을 보여주기 때문이었다.
조광현교수 연구팀은 산발적 실험데이터를 집대성하여 확률모델을 개발했고, 대규모 컴퓨터시뮬레이션 작업을 반복 수행했다. 그 결과 NF-kB 신호전달네트워크의 IkB알파와 IkB엡실론이 기하학적으로 동일한 형태의 음성피드백회로를 형성하고 있음에도, IkB알파는 핵내 NF-kB 신호패턴의 주파수와 진폭을 조절하는 역할을 수행하는 반면, IkB엡실론은 이러한 NF-kB 신호의 무작위적 변화를 유발하는 특성이 있음을 알아냈다. 그리고 이러한 상동체(paralog)가 형성하는 중첩된 음성피드백회로의 복합적 작용이 결국 세포반응의 다양성을 유도하는 핵심 메커니즘이라는 것을 밝혀냈다.
이 연구는 교육과학기술부 지원 연구사업의 일환으로 수행됐고, 연구결과는 지난 7일, 실험생물학계 권위지 ‘파셉저널 (The FASEB Journal)’ 온라인판에 게재됐다. 전통적 실험생물학 저널에 컴퓨터시뮬레이션만으로 수행된 연구결과가 게재된 것은 매우 이례적인 일이다. 생명과학연구의 전통적인 방식을 벗어나 IT와의 융합연구를 통해 기존의 난제에 대한 새로운 해답을 찾을 수 있음을 보여주는 사례로 평가되고 있다.
조광현 교수는 전기전자공학을 전공하고 국내 최초로 IT의 BT응용으로서 시스템생물학 분야를 개척해오며 지금까지 95편의 국제저널논문을 발표했다.
2009.05.14 조회수 16989