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한명준 교수, 새로운 양자역학적 자성 상태 확인
〈 한명준 교수 연구팀 〉
우리 대학 물리학과 한명준 교수 연구팀이 중앙대학교, 일본 이화학연구소 (RIKEN), 미국 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 등과의 공동연구를 통해 새로운 양자역학적 자성 상태인 ‘Jeff = 3/2’의 존재를 처음으로 확인했다.
양자역학에서는 스핀 각운동량과 궤도 각운동량의 합으로 주어지는 총 각운동량을 보통 영문자 ‘J’로 표현한다. 이번에 확인된 특이 자성은 특정한 조건이 만족될 때만 나타나는 일종의 각운동량으로 볼 수 있는데, 학계에서는 ‘유효 (effective) 각운동량’이라는 의미로 흔히 ‘Jeff’로 표기해 왔다.
유효 각운동량이 3/2이 되는 경우는 그간 그 가능성에 대한 논의가 있기는 했지만 실제로 확인되지 못하고 있었는데 이번에 최초로 발견된 것이다.
이는 향후 초전도 현상, 양자 자성 등 관련 연구에도 새로운 발판이 될 것으로 기대된다.
정민용, 심재훈 석박사 통합과정이 참여한 이번 연구는 국제 학술지‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
최근 학계에서는 스핀-궤도 결합이 강한 상황에서 통상적인 것과는 다른 독특한 양자 상태가 구현될 수 있다는 것이 알려지면서 활발한 연구가 진행되고 있다.
보통 전자의 스핀이나 오비탈이 나타내는 자기 모멘트와 달리 이 두 가지가 강하게 결합하여 형성된 유효 자기 모멘트 Jeff는 특이한 바닥상태와 상호작용 양상을 나타내며 이로부터 새로운 현상과 물성이 발현될 수 있다.
지난 10년 여 간의 연구가 주로 Jeff가 1/2인 경우에 대하여 이루어진 데에 반해 이 값이 3/2이 되는 경우에 대한 연구는 실제 사례를 찾지 못하며 더디게 진전되고 있는 상황이었다.
한 교수가 이끄는 연구팀은 지난 2014년 원자가 아니라 분자 오비탈에 기반해 특정 물질군에서‘Jeff = 3/2’상태가 구현될 수 있는 가능성을 이론적으로 예측한 바 있고 이번 연구는 이를 실험적으로 증명한 것이다.
한 교수 팀은‘Jeff = 3/2’상태에서는 일반적인 스핀 모멘트와는 다른 양자역학적 ‘선택 규칙 (Selection Rule)’이 적용되어야 한다는 점에 착안했다.
엑스레이를 이용해 원자 핵 근처에 있는 전자를 ‘여기 (excite)’시키면 여기된 전자는 다른 전자들과 상호작용을 하는 과정에서 흡수되기도 하고 재방출되기도 하는데 이 때 만족시키게 되는 물리법칙이 ‘선택 규칙 (Selection Rule)’이다.
양자역학에 따르면 이 선택 규칙은‘Jeff = 3/2’상태에서는 매우 독특해 보통의 스핀상태와는 뚜렷이 구분될 것이라는 예측이 가능하다. 이러한 아이디어에 따라 진행된 실험에서는 물질 내의 탄탈륨 원자에서 뽑아낸 두 가지 서로 다른 에너지 영역의 전자가 실제 이론 예측을 따르는 스펙트럼 양상을 보이는 것이 확인됐다.
이는‘Jeff = 3/2’모멘트 고유의 양자역학적 간섭현상이 반영된 것으로 그 존재에 대한 매우 직접적인 증거로 받아들여진다.
이 새로운 양자상태는 통상적인 물질의 자기 상태와 매우 다른 것으로서 그 특성에 대한 연구의 시발점이 될 것으로 기대되고 있다. 또한 이러한 자성상태와 상호작용으로부터 발현되는 다양한 물성에 대한 연구 역시 탄력을 받을 것으로 보고 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자 지원사업과 해외 과학기술 자원활용사업의 지원을 받아 수행됐으며 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 자원을 사용했다.
□ 그림 설명
그림1. ‘Jeff=3/2’상태를 갖는 것으로 밝혀진 갈륨 탄탈륨 셀레늄화합물의 결정구조
그림2. 갈륨 탄탈륨 셀레늄화합물(GaTa4Se8)의 계산된 전자구조
2017.11.30 조회수 19357 -
고효율의 하이브리드 자동차 구동 시스템 개발
〈윤 용 산 교수〉
우리 대학 기계공학과 윤용산 교수 연구팀이 클러치 페달 없이 수동 변속이 가능한 독자적 구동시스템의 시작품(Prototype) 제작에 성공했다.
이 기술로 기존 하이브리드 자동차보다 높은 효율의 자동차 개발이 가능할 것으로 보인다. 연구팀의 하이브리드 자동차는 구조가 간단해 기존 자동차에 약간의 변형을 주는 것으로도 구현이 가능하며, 제작비용이 저렴하고 운전이 용이하다는 장점을 갖는다.
이 구동시스템은 ‘대화형 수동변속기를 갖는 하이브리드 차량 및 이의 제어 방법’으로 작년 5월 국제특허(PCT)로 등록됐고, 지난 5월 경기도 고양에서 열린 제 28회 국제 전기자동차 심포지엄 및 전시회에 발표됐다.
하이브리드 자동차는 내연기관 엔진과 변속기에 모터와 발전기를 결합시켜 공해와 연료 소모를 최소화하는 차량이다. 미국에서 발표하는 에너지 아웃룩(Energy Outlook)에 의하면 25년 후에도 하이브리드 자동차가 친환경 자동차 시장을 주도할 것으로 예상하고 있다.
그러나 일본의 자동차 기업이 하이브리드 자동차 관련 특허를 대량으로 선점해 기술 개발에 어려움을 겪고 있는 현실이다.
또한 한때 개발된 컴퓨터에 의한 반자동 수동변속기나 일본 회사의 수동변속기에 모터를 단순 부착한 제품은 비용이나 편의 측면에서 한계가 있었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 비용이 제일 저렴한 수동변속기에 모터 발전기를 부착해 독창적인 방식의 비용절감 효과가 큰 하이브리드 자동차 시스템을 구현했다.
연구팀은 수동변속기의 클러치판을 없애고 그 기능을 모터발전기로 대신해 저속에서는 모터발전기로만 운행하게 만들었다.
이를 통해 기존 수동변속기 차량의 문제점인 엔진 꺼짐이나 번거로운 클러치 조작에서 벗어날 수 있다. 또한 변속 시간, 중량이 줄고 구동시스템의 내구성이 향상된다.
윤 교수는 “기존 방식과 달리 모터발전기가 클러치판을 대신해 엔진을 조절하기 때문에 기어 변경이 부드럽게 이뤄질 수 있다”며 “저속에서는 모터발전기에 의해서만 구동되므로 수동변속기의 문제점을 상당부분 해결할 수 있다”고 말했다.
기계공학과 손희운 석사과정 학생의 주도로 진행된 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업, 일반연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 클러치를 제거하고 일방향 클러치와 모터발전기를 첨가해 반자동의 실용적인 하이브리드 구동시스템을 구현한 모습
2015.11.04 조회수 10046 -
빛을 이용한 실리카 구조체 가공 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수, 박정기 교수 공동 연구팀이 단순한 빛 조사만으로 실리카(유리)와 같은 단단한 세라믹 구조체의 모양을 정교하게 제어할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 성과는 재료과학분야의 국제 학술지 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’ 9월 21일자 온라인판에 게재됐다.
실리카 구조체는 유기물 구조체에 비해 고온, 고압 및 바이오 물질과의 안정성이 좋고 내화학성, 투명성 등이 높아 미세 유체칩 내부 채널, 태양전지 기판 등에 폭넓게 이용되고 있다.
그러나 실리카 특유의 높은 경도 때문에 실리카 구조체의 모양과 크기를 변화시키기 어려웠다. 특히 나노 스케일 구조 가공은 매우 어려운 것으로 여겨졌다.
연구팀은 문제 해결을 위해 아조 분자(질소 원자 두 개가 이중 결합된 아조기 양 끝에 벤젠링이 결합된 형태의 분자)를 이용했다. 아조 분자는 빛을 받았을 때 빛의 방향과 나란히 배열돼 편광 방향과 동일한 방향으로 움직이는 특성을 갖는다. 이를 응용하면 아조 분자와 결합된 실리카 전구체 분자가 빛의 방향에 따라 움직이는 특성을 갖게 된다.
연구팀은 이 아조 분자와 결합된 실리카 전구체를 용액-마이크로 임프린팅 기법의 잉크로 사용해 도장처럼 찍혀 나오듯 정해진 패턴의 형태로 제작했다.
이후 제작된 물질을 빛으로 가공한 뒤 열처리 하면 아조 분자가 포함된 유기물이 열분해돼 사라지게 된다. 결과적으로 무기물 전구체들만 남아 반응해 유리 구조체가 완성되는 것이다.
이 방법을 통해 30나노미터 이하 크기의 나노 구조를 갖는 대 면적 실리카 구조체를 제작했다. 또한 원형의 홀에 빛을 조사해 타원형의 홀 및 기둥 구조를 구현했다.
연구팀은 개발된 기술이 초소수성 기판, 미세유체칩 내의 미세채널 등 물리적 및 화학적 내구성이 요구되는 소자에 광범위하게 응용될 수 있을 것이라고 밝혔다.
김 교수는 “기존에 없었던 새로운 방식의 실리카 구조체 가공 방법을 개발했다”며 “세라믹을 나노 영역에서 다양한 형태로 구조 가공이 가능한 최초의 방식이다”고 말했다.
강홍석 박사 후 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 빛 조사 및 열처리를 통해 원형형태의 구조체로부터 타원형태의 실리카 구조체 제작
그림 2. 광학 사진 이미지. 전자현미경 사진을 통해 실리카 전구제 구조 변형 및 실리카 구조체 제작 확인
그림 3. 빛을 이용해 실리카 전구체 구조 가공 및 열처리를 통한 실리카 구조체 제작과정
2015.10.06 조회수 11526 -
손상된 DNA의 돌연변이 수리과정 규명
- DNA 손상을 복구하는 암 관련 핵심 효소 ATM의 조절 메커니즘 밝혀 -
우리 학교 생명과학과 최광욱 교수와 홍성태 박사 연구팀은 생체정보를 저장하는 DNA가 손상됐을 때 이를 수리하는 핵심효소의 기능에 필수적인 단백질 ‘ATM(Ataxia telangiectasia mutated)’의 작동 메커니즘을 규명했다.
연구결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 19일자 온라인판에 게재됐다.
인간을 포함해 DNA를 갖고 있는 모든 생명체는 자신의 DNA정보를 지키기 위해 끊임없이 노력하고 있으며 이들이 살아가고 있는 자연환경에는 DNA를 손상시킬 수 있는 수많은 요소들이 존재한다.
예를 들면, 우리가 매일 섭취하는 음식물속에 들어있는 탄화물질이나 건물의 시멘트에서 나오는 라돈과 같은 방사선 물질, 강한 태양빛에 포함된 자외선 등 수많은 발암물질들과 함께 살아가고 있다.
생명체는 발암물질들로부터 DNA정보를 일정하게 유지하기 위해 복잡하고 정교한 DNA 수리작업을 항상 수행하고 있는데 이 과정에서 ‘ATM’이라고 하는 DNA 손상복구 단백질이 핵심적인 역할을 한다. 따라서 ATM이 제대로 작동하지 않으면 암 발병 확률이 높아진다.
지금까지 학계에서는 TCTP(Translationally controlled tumor protein)라는 단백질이 ATM의 기능을 조절하는데 중요할 것이라고 추정해 왔다. 그러나 이에 대한 주된 연구결과가 배양된 세포수준에서 확인했기 때문에 정확히 어떠한 방식으로 TCTP가 ATM의 기능을 조절하는지 알 수 없었다.
연구팀은 TCTP에 결합하는 아미노산 조각의 정보를 활용해 TCTP가 ATM과 결합을 할 수 있고, 다양한 분자생화학적인 방법들을 이용해 TCTP가 ATM의 효소기능을 높여준다는 사실을 밝혀냈다.
이와 함께 분자 유전학의 모델동물로 널리 사용되는 초파리를 이용해 TCTP와 ATM이 방사선에 의해 손상된 DNA를 수리하는데 매우 중요한 역할을 하고 있다는 점도 규명했다.
이를 통해 연구팀은 TCTP가 세포배양 수준은 물론 고등생명체에서도 DNA 정보를 일정하게 유지하는데 중요한 역할을 하며, TCTP가 ATM의 기능을 조절하는 방법에 대한 중요하고 구체적인 단초를 제시했다.
최광욱 교수는 이번 연구에 대해 “초파리 모델동물을 이용한 기초연구가 암 등 질병의 과정을 이해하고 치료방법을 개발하는데 중요한 기여를 할 수 있음을 보여주는 좋은 사례”라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약 연구)과 일반연구자지원(대통령포스닥펠로우십)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 보충자료
1. ATM(Ataxia telangiectasia mutated)ATM 유전자의 이상은 Louis-Bar syndrome 이라는 희귀 퇴행성 신경질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 운동기능이상, 눈의 흰자위나 피부에 비정상적으로 나타나는 혈관 확장, 약화된 면역반응, 혈액암 (림프종, 백혈병) 과 같은 질병증상을 추가로 일으킬 수 있다. ATM 유전자는 인산화 효소(kinase)의 기능을 가지고 있으며, ATM 단백질은 DNA의 이중나선이 모두 끊어질 경우, 이를 연결하는데 중요한 역할을 수행한다.
2. TCTP(Translationally controlled tumor protein)1988년 처음으로 발견된 단백질로, 이 유전자의 이름은 종양 세포에서 그 양이 비정상적으로 많아지기 때문에 붙여졌다. 그 기능이 본격적으로 밝혀진 것은 2000 초반부터이며, 세포의 생존과 성장에 중요한 역할을 한다. 최근에서야 DNA 정보를 유지하는데 중요하다는 것이 밝혀졌다.
3. Nature communcations네이처를 출간하는 Nature Publishing Group (NPG)에서 발간하는 온라인 전용 과학저널. 생물학, 물리학, 화학, 공학, 천문학, 고고학 등 다양한 분야의 수준 높은 과학연구 주제를 다루고 있다. 2012년을 기준으로 하는 SCI (Science citation index, 과학분야 인용지수)는 10.015 이다.
4. 초파리1900년대 초반, Charles W. Woodworth, William E. Castle, Thomas H. Morgan등이 멘델유전학을 연구하기 위해 처음으로 사용하기 시작한 모델 동물. 진핵세포에서 일어나는 생명현상을 연구하기 위해 오랫동안 사용되어온 대표적인 모델 동물이다.
□ 그림설명
그림1. TCTP단백질의 양이 줄어들면 방사능에 의해 쉽게 초파리 눈 세포의 형태가 비정상적으로 변형된다. (화살촉). Scale bars = 200mm
그림2. TCTP 단백질의 양이 줄어들면, 방사능에 의해 초파리의 염색체가 쉽게 끊어진다 (화살촉 표시). Scale bars = 10 mm.
그림3. TCTP와 ATM의 유전자발현이 줄어들면 눈의 정상적인 발생에 큰 결함이 생긴다.(왼쪽 : 초파리의 정상적인 눈, 오른쪽 : 성장이 결핍된 눈)
그림4. ATM은 끊어진 DNA의 위치를 표시하며, TCTP는 이 작용이 원활히 일어나도록 돕는다. 세포 핵 안에 들어있는 DNA(파란 선)는 히스톤 단백질(녹색 원통)에 감겨있다. DNA가 끊어지면(붉은 번개표시) 끊어진 자리에 ATM 단백질이 인산기(P)를 부착한다. 다양한 DNA 수리 단백질들은 이 인산기를 DNA에 수리가 필요하다는 신호로 인식하고 모여든다.
2013.12.20 조회수 19917 -
박인규 교수, 전기제어와 온도차를 이용한‘나노분자 제어기술’개발
- ▲나노센서 개발 ▲분자조작 ▲세포자극 등 공학기술 전반에 활용 가능 -- 나노 레터스(Nano letters) 10월 호 게재 -
우리 학교 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 최근 나노미터(10억분의 1미터) 크기 공간에서 전기제어와 온도차를 이용해 나노분자를 제어하는 원천기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.
박 교수가 이번에 개발한 기술은 ▲고밀도 전자회로 패터닝 ▲고성능 다중물질 나노센서 개발 ▲단백질·유전자 조작 ▲ 세포조작 및 자극 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
기술적 한계로 나노미터 크기의 섬세한 분자제어가 어려워 개발이 더뎠던 초소형‧휴대형 센서 개발에도 커다란 변화를 가져올 것으로 예상된다.
연구팀은 나노패터닝 공정으로 고밀도·고정렬 나노와이어를 만들어 각각의 와이어에 전기를 제어하고 빠르게 온도를 조절해 화학반응 제어를 실현했으며 이를 통해 나노분자를 정밀하고 신속하게 조절가능하다는 것을 실험으로 입증했다.
박인규 교수는 “이 기술은 나노공간에서 선택적이고 개별적인 온도조절로 바이오 분자조작, 선택적 회로집적 등에 응용돼 화학센서의 성능향상, 초소형 센서 개발 등 IT/ET 융합기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육과학기술부의 일반연구자사업 및 HP 오픈 혁신 연구 프로그램(HP Open Innovation Research Program)을 통해 수행됐으며, 연구결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
한편 , 이번 연구에는 KAIST 박 교수를 비롯해 김춘연 기계공학과 박사과정 학생, 한국표준연구원 이광철 박사, HP의 지용 리(Zhiyong Li), 스탠 윌리암스(Stan Williams) 박사가 참여했다.
o 그림 1 : 나노와이어를 선택적 온도조절한 후 반응 이미지를 촬영한 모습
o 그림 2 : 나노크기 공간에서 선택적 온도조절을 통한 화학물질 반응/조작 예시, 예1) 고분자 경화, 예2) 나노물질 합성
2011.10.19 조회수 15549 -
민범기 교수, 높은 굴절률의 메타물질 구현
- 세계 최고 권위 『네이처』지 발표, “전자기파나 광파의 경로를 마음대로 제어하는 초소형 광학소자 개발 가능”-
국내 연구진이 자연계에 존재하지 않는 높은 굴절률*을 갖는 메타물질을 이론적으로 검증하고 이를 실험적으로 구현하는데 성공하였다.
* 굴절률(index of refraction) : 서로 다른 매질의 경계면을 통과하는 파동이 굴절되는 정도 또는 투명한 매질로 빛이 진행할 때, 빛의 속도(광속) 이 줄어드는 비율
우리학교 민범기 교수(교신저자, 37세), 최무한 박사(제1저자, 39세) 및 이승훈 박사과정생(제1저자, 29세)의 주도 하에, 한국전자통신연구원(ETRI) 강광용 박사팀, KAIST 이용희 교수팀, 서울대 박남규 교수팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진연구)의 지원을 받아 수행되었다.
이번 연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘네이처(Nature)’지 2월 17일자에 게재되었는데, 특히 순수 국내연구진만으로 구성된 연구팀이 단독으로 발표한 이례적인 값진 연구성과로서 그 의미가 매우 크다. 또한 이 논문은 그 주에 발표된 논문 중에서 우수한 연구결과를 해당분야 전문가가 해설하는 ‘뉴스 앤드 뷰즈(News and Views)’에 선정되는 영예를 얻었다.
메타물질이란 기존에 물질의 정의를 완전히 뛰어넘는 혁신적인 개념으로서, 자연계에는 존재하지 않는 물성을 갖도록 고안된 물질의 통칭이다.
원자나 분자로 이루어진 자연계의 물질과는 달리, 메타물질의 단위 인공원자는 파장보다 훨씬 작은 인위적인 구조체로 이루어진다.
이러한 메타물질은 전자기파나 광파에 대한 물질의 물성을 인위적으로 마음대로 조절할 수 있다는 점에서 최근 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있다. 일례로 광학투명망토 기술이나 음굴절률의 구현 등이 메타물질의 주된 연구 분야였으나, 이번 연구를 통하여 극한 고굴절률 메타물질이라는 새로운 영역을 개척하였다.
민범기 교수 연구팀은 분극율(分極率)이 매우 크면서도 반자성(反磁性)이 매우 약한 금속이면서 유전체(誘電體)인 메타물질을 독자적으로 설계․제작하여, 인위적인 값으로는 가장 높은 38.6에 달하는 굴절률을 세계 최초로 실증하였다.
이러한 연구결과는 음굴절률 메타물질의 영역을 넘어서 자연계에 존재하지 않는 매우 높은 굴절률(38.6)을 메타물질의 새로운 영역으로 포함시켰다는 점에서 의미가 크다.
민범기 교수는 “이번 연구는 향후 파장이하의 높은 해상도를 지닌 이미징 시스템이나, 전자기파 혹은 광파의 경로를 임의로 제어할 수 있는 전자기파나 광학소자 및 파장이하 규모의 초소형 광학소자를 개발하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
2011.02.16 조회수 21639