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양승만 교수, 인조오팔로부터 초소형 분광분석기 제조
- Advanced Materials 3월 5일자 표지 논문으로 소개 돼 - 초정밀 극미량 물질 인식센서로 활용
오팔은 크기가 수백 나노미터(머리카락 굵기의 약 100 분의 1정도)의 유리구슬이 차곡차곡 쌓여 있는 것으로서, 그것이 아름다운 색을 띄는 것은 오팔이 선택적으로 반사하는 파장영역대의 빛만을 우리가 볼 수 있기 때문이다. 이렇게 오팔보석이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질을 이루는 구조가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이며 이러한 구조를 광결정이라 한다. 이러한 구조의 광결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 완전히 선택적으로 반사시키는 기능을 보유하게 된다.
생명화학공학과 양승만 교수팀 (광자유체집적소자 창의연구단)은 파장이 서로 다른 빛들을 반사하는 오팔 광결정을 미세소자에 연속적으로 도입하여 무지개 같은 띠 모양으로 제작할 수 있는 기술을 확보했으며 이를 이용해 극미량의 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 칩 크기 수준의 미세분광기를 최근 제조했다.
사람마다 고유한 지문을 갖듯이 물질을 이루는 분자도 고유한 지문을 갖는데 이는 분자마다 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하거나 방출하는 독특한 스펙트럼을 갖기 때문이다.
따라서, 물질을 구성하는 분자를 광학적으로 인식하기 위해서는 분광분석기 (spectrometer)라는 기기가 필요하며 이는 물질이 갖고 있는 다양한 광정보 처리를 위해 광자소자 및 분석소자를 구성하는데 꼭 필요한 요소 중 하나이다.
그러나 기존의 분광기는 파장에 따른 빛의 공간적 분할을 위한 격자(grating) 및 빛의 진행에 필요한 공간을 요구하므로 고가의 큰 장치로만 제작이 가능하였다.
최근에 많은 주목을 받고 있는 생명공학의 산업적 이용이나 신약개발을 위해서는 부피가 나노리터(10-9L)~펨토리터(10-15L) 정도의 극미량의 샘플을 처리해야 하므로 분석실험실을 반도체 칩과 같이 초소형화한 소위 ‘칩위의 실험실: Lab on a Chip’이 필연적으로 요구된다.
이를 구현하기 위해서는 칩 내부에 분광분석기와 같은 분석소자를 설계해 도입해야 하나 기존의 기술로는 현실적으로 불가능 했다.
이번 연구 결과는 초소형 분석소자의 실용성을 구현하는데 크게 기여한 점을 인정받아 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월호 표지논문(cover paper)으로 게재됐다. 또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘광결정으로 미세 분광기를 만들다(Photonic crystals allow the fabrication of miniaturized spectrometers)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.
칩규모의 초소형 물질감지소자는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이다. 이번 연구의 결과는 초소형 분광분석기 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
그림1. 반사색이 연속적으로 변하는 광결정 분광기의 저배율 및 고배율 사진 (분광기가 손톱크기로 초소형화 되었음을 확인할 수 있다)
기본 원리는 아래 그림과 같이 다른 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정을 패턴화하면 미지의 빛이 입사할 경우 반사하는 빛의 세기만을 통해 입사한 미지의 빛의 스펙트럼을 알아낼 수 있다는 것이다.
이러한 아름다운 반사색을 보이는 광결정은 오팔보석, 공작새 깃털, 나비날개, 딱정벌레 등 자연계에 많이 존재하는데 양 교수 연구팀에서는 이를 규칙적으로 패턴화하여 전체 가시광 영역에서 배열한 것이다. 이러한 광결정을 이용하면 공간에 따른 빛의 세기분포를 파장에 따른 빛의 세기분포 즉 스펙트럼으로 물질을 이루는 분자를 재분석해낼 수 있다. 이는 기존의 분광기와는 달리 긴 진행거리를 요구하지 않기 때문에 소형화가 가능하고 신호의 검출은 미세검출기 배열을 통해 가능할 것으로 예상된다.
그림2. 가시광 영역에서 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정 (내부의 나노구조는 나비날개와 공작새 깃털 구조의 광결정와 유사하다)
<용어설명>○ 콜로이드 : 물질의 분산상태를 나타내는 것인데, 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 것은 콜로이드 상태라고 부른다. 예를 들어, 생물체를 구성하는 물질 대부분이 콜로이드 상태로 존재한다.
2010.03.16
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박정기 교수팀, 빛에 의해 움직이는 고분자를 이용한 나노광학소자 신기술 개발
- 빛으로 나노광학구조의 모양과 크기를 자유자재로 제어할 수 있는 리소그래피 방법 세계 최초 개발- 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 다룰 수 있는 나노광학구조로 분자 탐지 및 양자컴퓨터의 실용화 길 열어
생명화학공학과 박정기(朴丁基, 58) 교수팀이 조사되는 빛의 조건을 정교하게 조절하여 모양과 크기가 자유자재로 제어될 수 있는 고분자 나노패턴을 만들고 이를 형틀로 이용해 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 다룰 수 있는 나노광학구조를 모양과 크기를 자유롭게 조절하면서 대면적으로 손쉽게 만들 수 있는 방법을 최근 개발했다.
이번 연구결과는 ‘방향성 광유체화 리소그래피를 이용한 모양과 크기가 제어된 나노구조체 제작(Directional Photofluidization Lithography for Nanoarchitectures with controlled shapes and sizes)"이라는 제목으로 나노과학 및 기술 분야의 최고 권위지인 나노 레터스(Nano Letters) 온라인판에 17일 게재됐다. 현재 관련기술은 국내.외 특허 출원중이다.
이번 연구는 교육과학기술부의 21세기 프론티어연구사업단 산하 나노소재기술개발사업단의 지원을 받아 박정기교수 연구실의 주도하에 KAIST 물리학과 이용희 교수, 신종화 박사, 미국 스탠포드대 샨휘 판(Shanhui Fan)교수 등의 공동연구로 이뤄졌다.
지금까지 개발된 나노광학소자 제작 방법은 구조의 모양과 크기, 두 가지를 동시에 그리고 대면적으로 균일하게 제어하는 것이 어려웠다. 특히 10nm 이하의 초미세 영역에서 구조의 모양과 크기를 대면적으로 제어하는 것은 미세구조체 제작 연구 분야에서 달성하기 어려운 과제로 인식되어 왔다.
박교수팀은 빛을 받았을 때 움직이는 고분자를 이용해 이 문제를 해결했다. 고분자 선모양 패턴에 빛을 조사해주면 고분자의 광유체화 현상이 발생해 조사된 빛의 편광 방향에 평행하게 고분자가 이동을 한다. 따라서 고분자의 선패턴 사이의 간격을 나노영역까지 손쉽게 줄일 수 있다. 또한 빛을 부분적으로 조사해주면 원하는 지역에서만 고분자의 광유체화 현상을 발생시켜 원하는 모양의 고분자 나노구조체를 제작할 수 있다. (그림1 참조)
박교수팀은 이를 이용해 양끝이 뽀족한 유선형 모양의 나노안테나를 대면적으로 제작하는데 성공했다.
나노안테나는 현재 일반적으로 이용되고 있는 안테나를 나노크기로 줄인 소자이며 양 끝을 뾰족하게 처리해야만 빛 증폭 효과를 극대화시킬 수 있다. 나노안테나는 회절한계를 극복한 영역에서 빛을 증폭시킬 수 있는 소자로서 광자컴퓨터 및 광자 분자 탐지를 위한 센서와 같은 첨단 광학소자 개발을 위한 가장 핵심적인 요소로 인식되고 있는 기술 중의 하나다.
박교수팀은 같은 원리를 이용해 대면적에 고집적화된 나노선 제작에도 성공했으며 이를 이용한 나노트랜지스터, 양자메모리, 양자디스플레이 등 첨단전자 소자개발에도 새로운 가능성을 보여줬다.
박 교수는 “첨단 광학소자의 필수 요소인 나노안테나 및 나노선 뿐만 아니라 수나노 크기의 대면적 초미세 소자 가능성을 새롭게 열었기 때문에 그 동안 접근하지 못했던 분자 수준의 소자 제작을 가능하게 해줄 것으로 기대된다”며 “실용적 소자 제작과 더불어 초미세 영역의 기초 물리 및 화학 연구에도 새로운 전기가 될 것”이라고 말했다.
이 논문의 제1저자인 이승우(李承祐, 27)연구원은 “이번 연구결과를 토대로 앞으로 광자컴퓨터 및 메모리와 같은 나노광학소자 실용화를 앞당길 수 있는 실제 소자제작 연구를 진행할 것”이라고 말했다.
2009.12.21
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홍원희교수팀, 다양한 나노구조유도 기술개발
생명화학공학과 홍원희교수팀, 이온성액체를 이용한 다양한 나노구조 유도 기술 개발
-무기산화물, 탄소나노튜브, 그래펜, 유무기 하이브리드 등 다양한 재료의 나노구조를 유도--상용 산화철보다 10배 이상의 흡착 및 광촉매 효율 높여-
공과대학 생명화학공학과 홍원희 교수팀(62)은 이온성액체를 이용한 자기조립기술을 이용해 탄소나노튜브, 그래펜, 무기산화물, 유무기 복합체에 이르기까지 다양한 재료의 나노구조를 유도할 수 있는 기술을 최근 개발했다.
이 연구결과는 ‘광촉매 응용을 위한 이온성액체를 이용한 무기산화물 하이브리드의 에너지 전달(Energy Transfer in Ionic-Liquid-Functionalized Inorganic Nanorods for Highly Efficient Photocatalytic Applications)’이라는 제목으로 나노분야의 저명 학술지인 스몰(Small)지에 지난 11월 게재됐다.
이 기술은 이온성 액체의 구조 유도와 용매 기능을 이용한 무기산화물 하이브리드 나노재료를 제조할 수 있는 ‘청정 한 반응기 이온열 합성법(Green One-Pot Ionothermal Synthesis)’이다. 대기압하의 열린반응기내에서 제조된 무기산화물 나노재료는 쉽게 물이나 다양한 유기 용매에서 분산된다.
홍교수팀은 이 합성법을 산화철 계열의 무기산화물 나노재료에까지 적용해 0차원에서 1차원에 이르기까지 구조를 제어했고, 계면에서의 에너지 전이현상을 통해 상용 산화철보다 10배 이상의 흡착 및 광촉매 효율을 높였다.
이 기술을 바탕으로 제조된 나노재료는 유기물 산화 및 분해기능이 뛰어나 태양광만으로 폐수처리가 가능하다. 이로써 페수처리 과정에서 에너지 소비와 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있고, 광촉매가 가지는 우수한 항균 및 탈취기능은 건축재료 분야에 응용될 것으로 기대된다. 또한, 태양광을 이용한 물의 광분해로 수소 에너지원 생산도 가능하다.
홍교수는 “이번 연구는 이온성 액체의 청정용매로써의 기능을 이용해 나노기술이 가지는 인간과 환경에 대한 악영향을 감소시키고, 동시에 디자인된 나노재료에 새로운 기능을 부여해 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대안을 마련했다”는데 의미가 있다고 말했다.
현재 홍교수팀은 친환경 합성법으로 제조된 무기산화물, 탄소나노튜브, 그래펜, 유.무기 하이브리등의 나노재료를 환경 및 에너지 분야에 적용하는 연구를 진행하고 있다.
※ 보충자료나노 스케일에서의 재료나 현상을 연구하고 구조나 구성 요소를 제어해서 새로운 소재‧소자‧시스템을 개발하는 나노 기술 역시, 환경 유해성이나 인체 독성에 대한 연구 결과가 발표되면서 친환경 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.
이온성 액체는 소금과 같이 양이온과 음이온의 이온결합으로 이루어진 이온성 염 화합물로써 상온에서부터 넓은 온도에 걸쳐 액체로 존재할 수 있는 ‘청정용매(Green Solvent)’라고 불리면서 각광을 받고 있다. 특히, 이론적으로 1018가지 정도의 조합에 의해서 비휘발성, 비가연성, 열적 안정성, 높은 이온전도도, 전기화학적 안정성, 높은 끓는점 등의 물리화학적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있어서 다기능성(multifunctional) ‘디자이너용매(Designer Solvent)’로 사용가능하다.
세계적으로 아직 초기단계이긴 하지만, 미국 국방관련 연구소 (US Air Force, US Naval Research Laboratory) 및 국가 연구소 (Argonne 연구소, Oak Ridge 연구소, Brookhaven 연구소), 독일의 Max Planck 연구소, 스위스 EPFL의 Gratzel 그룹, 일본의 도쿄대, G24i & BASF 등이 최근 이온성 액체를 이용한 나노기술 응용 분야에 주목하면서 집중 투자와 연구를 진행하고 있는 반면, 국내에서는 아직 시작 단계에 불과할 정도로 뒤쳐져 있다.
홍 교수 팀의 연구결과는 기존 산업뿐만 아니라, 전 세계적으로 주목 받고 있는 ‘녹색 성장기술’과 21세기를 선도할 ‘첨단 나노기술’을 융합한 ‘청정 나노기술(Green Nanotechnolgy)’의 원천기술로써 활용될 수 있으며 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 전망된다.
현재까지 이온성액체는 유기합성, 전기화학, 화학공학, 생물공학 및 분리공정 등을 포함하는 여러 분야에서 유기 용매를 대체하기 위한 ‘지속가능기술(sustainable technology)’로써 향후 산업 전 분야에 걸쳐서 엄청난 파급효과가 있을 것으로 기대되고 있다.
※ 용어설명 ○ 열린반응기 : 고압,저압의 용기가 아닌 대기압하의 일반용기 즉, 비이커 등.
<그림1> 대표적인 이미다졸륨계 이온성액체의 분자 구조
<그림2> Green One-Pot Ionothermal Synthesis에 의한 물에 분산되는 산화철 나노 막대기의 합성 과정 모식도.
2009.12.14
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양승만 교수, 액체 방울을 이용한 초소형 인조곤충눈 구조 제조
- 초정밀 극미량 물질 인식센서로 활용 - 네이처 포토닉스에서‘미세패턴기술-광자돔’이라는 제목의 하이라이트로 소개
곤충 및 갑각류 등의 눈은 포유류의 눈과는 달리 수백~수만개의 홑눈(또는 낱눈)이 모여 생긴 겹눈 구조를 갖고 있다. 각각의 홑눈은 투명한 볼록렌즈로서 빛을 모아 명암, 색깔(파장)과 같은 빛 정보를 뇌에 전해 주며 뇌에서 전달된 정보를 재조합하여 사물을 감지한다. 각 홑눈은 육방밀집구조로 서로 빈틈없이 배열되어 돔 형태의 겹눈 표면을 메우고 있다. (파리와 잠자리의 눈 사진참조)
생명화학공학과 양승만 교수의 광자유체집적소자 창의연구단은 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 자기조립 원리를 규명하는 연구를 수행하여 실제 곤충눈의 수백분의 일 크기의 초소형 인조겹눈구조를 실용적으로 제조할 수 있는 방법을 최근 개발했다.
이 연구결과는 최근 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 誌 10월호 표지논문(cover paper)으로 게재 됐으며 인조곤충눈 구조의 실용성을 구현하는데 크게 기여한다고 인정받아 특별히 주목해야할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐다.
특히, 네이처 포토닉스(Nature Photonics)지는 10월호에서 양 교수팀 연구의 중요성과 응용성에 주목하여 이 연구결과를 "미세패턴기술-광자돔(Micropatterning–Photonic domes)"이라는 제목으로 "뉴스와 논평(News & Views)"란에 하이라이트로 선정하여 비중있게 게재했다.
지난 20여 년 동안 곤충눈, 오팔, 나비날개 등 빛정보를 처리할 수 있는 자연계에 존재하는 구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔으나, 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 양 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 초소형 인조곤충눈 구조를 실용적으로 제조할 수 있는 기술을 확보하기 위한 연구를 수행해 왔다.
Nature Photonics지 10월호가 하이라이트로 선정하여 주목한 양 교수팀의 이번연구에서는 실제 곤충눈 크기의 수백분의 일 정도로 초소형이며 균일한 크기와 모양을 갖는 인조곤충눈 구조를, 크기가 수십 마이크로미터인 균일한 기름방울을 이용하여 성공적으로 제조하여 규칙적으로 배열하였다. 특히 주목할 것은 제조공정이 손쉽고 빠른 나노구슬의 자기조립 원리를 이용한 점이다.
우선 크기가 수백 나노미터인 균일한 유리구슬(낱눈렌즈)을 물속에 분산시킨 후, 크기가 수십 마이크로미터인 균일한 기름방울을 주입하고 물-기름-유리구슬 사이의 표면화학적 힘의 균형을 유지시키면 유리구슬이 물과 기름방울 사이의 경계면으로 이동한다. 그 후 물-유리-기름방울의 혼합물을 기판 위에 뿌리면 기름방울이 반구의 돔 모양으로 변형되고 유리구슬렌즈는 저절로 기름방울 표면 위에 촘촘히 육방밀집구조로 배열하게 된다 (전자현미경사진 참조). 이 때 자외선을 기름방울에 쪼여서 고형화시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 인조곤충눈 조립공정을 불과 수분 만에 제조할 수 있다.
수 천개의 미세렌즈가 장착된 돔 구조의 초소형 인조곤충눈은 인간의 눈에 비해 시야각이 넓고 빛을 모으는 능력도 매우 높다. 따라서, 환경의 미세한 변화를 감지할 수 있는 능력을 보유하므로 신약개발을 비롯하여 극미량의 물질을 인식할 수 있는 초고감도 감지소자를 요구하는 다양한 분야에 응용될 수 있다.
특히 최근에 신약개발 등 바이오 산업의 실용화에 사용되고 있는 극미량의 시료를 처리할 수 있는 반도체칩 규모의 실험실인 랩언어칩(Lab on a Chip)에 초소형 인조곤충눈을 도입할 경우 높은 정밀도를 갖는 물질 감지소자로 활용될 수 있다.
이러한 인조곤충눈 구조는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이며 최근에 수 밀리미터 크기의 실제 곤충눈 크기의 인조곤충눈은 보고된 바 있다. 그러나, 본 연구의 결과는 초소형 인공곤충눈 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소다.
2009.10.06
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강정구 교수연구팀, 코어/쉘 구조 나노입자-나노튜브 혼성체 개발
- 어드밴스트 펑셔널 머터리얼 표지 논문 게재 -
우리대학 강정구 교수팀은 질소가 포함된 카본나노튜브를 이용한 코어/쉘 형태의 화학적으로 안정한 초상자성(자성입자의 크기가 작아지면서 수많은 전자스핀들이 하나같이 움직이는 거대자성 상태) 나노입자-나노튜브 혼성체를 합성하는 기술을 개발하였다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업(구 국가지정연구실사업)의 지원을 받아 KAIST 강정구(姜正九, 41세) 교수 연구팀(이정우 연구원(박사 4년))의 연구 성과로서, 연구 결과는 어드밴스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 인쇄판 표지논문으로 7월 24일 게재될 예정이다. 강 교수는 2008년 12월 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 표지 게재에 연이은 7개월 만의 주목할 만한 연구 실적이다.
현재까지 자성 나노입자의 크기를 제어하여 촉매, 바이오 메디신, 데이터 저장체 등에 상당히 효율적으로 이용할 수 있는 기술을 개발해 왔으나, 상당히 복잡한 공정을 통해 제조되어 균일한 크기의 나노입자 제조에 어려움이 있었다.
또한, 자성 나노입자는 합성 후 외부 화학적 분위기에 의해 자성특성이 변화하여 원하는 특성을 유지하기 힘든 문제점이 있다.
기존에는 나노입자를 카본나노튜브에 부착(attachment) 시키기 위해서는, 먼저 카본나노튜브를 산처리 등을 통해 표면에 결함을 생성시켜 용액 내에서 카본 나노튜브를 분산한 다음 나노입자를 나노튜브 표면에서 성장시키는 과정을 사용하였다.
하지만 강 교수 연구팀은 나노튜브의 표면에 결함을 생성시키지 않고도 이종원소가 핵생성에 중요한 역할을 하는 사실에 착안하였다. 먼저 질소가 포함된 카본나이트라이드(Carbon Nitride) 나노튜브를 성장시킨 후 균일한 크기의 마그네타이트 나노입자를 부착시킨 나노입자-나노튜브 혼성체를 합성하였다. 다시 이러한 나노입자-나노튜브 혼성체 위에 실리카 보호막을 코팅하여 화학적 분위기에서 자성특성이 안정적으로 유지되도록 하였다. 그 결과, 실리카 보호막을 코팅한 나노입자-나노튜브 혼성체는 수중에서도 0.4%의 자화도 변화만 발생하였다.
또한, 방사광 가속기를 통한 X선 흡수분광(X-ray Absorption Spectroscopy) 분석과 더불어 카본나이트라이드 포함된 질소가 균일한 크기의 나노입자 합성에 중요한 역할을 하며, 원하는 자성특성을 얻을 수 있다는 것을 밝혔다.
강 교수는 “동 연구 성과가 갖는 의미는 질소가 치환된 카본나노튜브를 이용해서 균일한 특성을 갖는 초상자성 마그네타이트 나노입자 혼성체를 합성하고 마그네타이트 나노입자 표면에 실리카 보호막을 코팅하여 자성특성을 외부 화학적 분위기에 대해 안정적으로 유지하는 기술을 개발한 것이다.”라고 언급했으며,
“실험 및 이론적 분석을 통해 카본나노튜브 내 질소의 역할을 밝혔다는 점에서 중요한 의미가 있다. 이 기술은 현재 국내 특허 출원 중이고, 미국 특허는 출원 신청하고 있다. 실리카 보호막엔 다른 물질들을 치환시키기 쉬워 형·발광 응용에 가능하고 혼성체 또한 향후 촉매, 바이오 메디신, 데이타 저장체 등으로 활용을 위한 다양한 응용 분야에 적용 가능할 것으로 전망된다.”라고 덧붙였다.
2009.07.27
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이효철 교수팀, 물에 녹은단백질 모양 변화 실시간 관찰 성공
- 관련 논문, 9월 22일(일)자 네이처 메서드(Nature Methods)誌 게재- 단백질의 작동메커니즘 규명에 중요한 도구 역할 및 신약개발에도 큰 도움 줄 것으로 기대
KAIST(총장 서남표) 화학과 이효철(李效澈, 36) 교수팀이 ‘물에서 변하는 단백질 분자구조를 실시간으로 규명’ 하는데 성공했다. 관련 논문은 네이처 자매지인 네이처 메서드(Nature Methods)誌 9월 22일자 온라인 판에 게재됐고 10월호에 출판될 예정이다.
논문의 제목은 “시간분해 엑스선 산란을 이용한 용액상의 단백질의 구조동역학 추적(Tracking the structural dynamics of proteins in solution using time-resolved wide-angle X-ray scattering)”으로 온라인에 게재되는 논문들 중에서도 특히 주목받는 하이라이트 논문으로 소개될 예정이다. 李 교수는 이 논문의 교신저자다.
이번 연구결과는 李 교수팀의 집념의 산물이라 할 수 있다. 李 교수팀은 지난 2005년 5월, 소금처럼 딱딱하게 고체상으로 굳어 있는 상태에서의 단백질의 안정적인 구조만을 볼 수 있는 기존의 방법을 시간분해 엑스선 결정법으로 발전시켜, 정지되어 있는 단백질의 구조뿐 만 아니라 움직이는 단백질의 동영상을 촬영하는데 성공했다. 관련 논문은 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of National Academy of Science)에 발표되었으며, 학계의 큰 주목을 받았다.
그러나 이 방법으로도 해결할 수 없는 치명적인 문제는 우리 몸에서 작용하는 일반적인 단백질은 고체상으로 있지 않고 물에 녹아있는 용액상태라는 점이다. 마치 고체 소금이 물에 녹아 소금물이 되는 것과 같은 원리다. 물은 인간의 몸의 약 70% 이상을 차지하고 있고 생명 유지에 필수적인 단백질들은 물에 녹아 있는 상태로 존재한다고 볼 수 있다. 따라서 단백질이 어떻게 기능을 발휘하는 지를 실시간으로 관측하기 위해서는 물에 녹아 있는 단백질 분자의 모양 변화를 실시간으로 추적할 수 있는 기술이 필요하다.
이러한 목표를 향한 첫 열매로 물에 녹아 있는 간단한 유기분자의 구조변화를 실시간 측정하는 데 성공하였으며, 관련 연구논문이 2005년 7월 사이언스(Science)誌에 발표된 바 있다. 당시 이 연구결과는 용액상에서 분자의 움직임을 실시간 추적할 수 있다는 점 때문에 많은 관심을 불러 일으켰는데, 李 교수는 그 기술을 더욱 발전시키면 단백질에도 응용 가능할 것으로 전망했다. 그러나 일반적으로 단백질은 그 당시 성공한 유기분자보다 적어도 1,000배 정도 크고 구조가 훨씬 더 복잡할 뿐 아니라 훨씬 적은 양으로 존재하기 때문에 물에 녹아 있는 단백질에서도 성공할 수 있다는 것에는 많은 과학자들이 회의적으로 생각했다.
이번 네이처 메서드誌에 발표한 연구결과는 그러한 부정적인 생각을 깨고 기존에 성공한 유기분자보다 ‘1,000배 더 큰 단백질 분자가 물에 녹아 있을 때에 이들의 3차원 구조변화를 실시간으로 관측하는데 성공’한 획기적인 연구성과다. 논문에서는 3가지 종류의 단백질에 대한 연구결과를 발표했는데, 우리 몸에서 산소를 이동하는데 중요한 헤모글로빈 단백질과, 근육에서의 산소공급에 관여하는 미오글로빈 단백질 등이다. 이 외에도 단백질은 주로 접혀있어 특정한 구조를 형성하는데 환경이 바뀌면 이 구조가 풀리게 된다. 풀려 있는 단백질은 일반적으로 제 역할을 할 수 없어 이러한 단백질의 접힘-풀림 현상을 이해하는 것은 매우 중요한데 씨토크롬씨라는 단백질이 풀린 상태에서 접히는 과정도 실시간으로 추적하는데 성공하였다.
이 새로운 기술을 사용하면 물에서 움직이는 단백질의 동영상을 촬영할 수도 있어 단백질의 작동메커니즘을 밝히는 데에 중요한 도구가 될 것이며, 앞으로 신약개발을 하는 데에도 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 또한 이 기술은 단백질은 물론이고 나노물질에도 응용이 가능하므로 BT뿐만 아니라 NT분야에도 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
이 연구는 교육과학기술부의 창의적연구진흥사업의 연구비 지원으로 진행되었다. 연구결과는 유럽연합방사광가속기센터에서 측정되었으며, 李 교수의 주도하에 이뤄진 국제적인 공동연구의 성과다.
李 교수는 “현재 포항에 있는 제3세대 가속기에 이어 한국에서도 차세대 광원으로 건설이 논의되고 있는 제4세대 방사광가속기(XFEL)가 성공적으로 가동되면, 현재 발표된 데이터보다 적어도 1,000배정도 더 좋은 데이터를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다.
<이효철 교수 프로필>
■ 학 력
1990 경남과학고 2년 수료, KAIST 화학과 학사과정 입학
1994 KAIST 화학과 학사과정 졸업
1994 Caltech(California Institute of Technology) 박사과정 입학
2001 Caltech 졸업(박사)
2001 시카고 대학 박사 후 연구원(Post Doc.)
2003.8.1-2007.2.28 KAIST 화학과 조교수 2007.3.1-현재 KAIST 화학과 부교수
■ 수상경력
2006 젊은 과학자상(과학기술부/한국과학기술한림원)
2006 과학기술우수논문상(한국과학기술단체총연합회)
2006 KAIST 학술상 2001-2003 美國 대먼 러년 암재단(Damon Runyon Cancer Research Foundation)펠로우쉽
(설명) 시간분해 엑스선 산란의 개념을 예술적으로 표현한 그림
2008.09.22
조회수 27245
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생명화학공학과 양승만교수 광자유체 신기술개발
생명화학공학과 양승만(梁承萬, 58세, 교육과학기술부 지정 광자유체집적소자 창의연구단 단장) 교수 연구팀이 다양한 기능을 갖는 나노입자를 제조하고 이들 입자들이 스스로 조립되는 ‘자기조립원리’를 규명하는 연구를 수행하여, 방대한 량의 정보를 처리할 수 있는 프로토타입(prototype)의 광․바이오 기능성 광자결정(photonic crystal)구조체를 개발했다.
자연계에 존재하는 대표적인 광자결정은 오팔보석, 나비의 날개, 공작새의 깃털 등이 있다. 이들 광자결정 물질들이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질들을 이루는 구조 자체가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이다. 즉, 광자결정은 굴절률이 다른 물질들이 규칙적으로 쌓여 조립된 3차원 구조체로 특정한 영역의 파장에 해당하는 빛만 완전히 반사시킨다. 이 성질을 이용하면 반도체가 전자의 흐름을 제어하듯 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 광자결정의 특수한 기능 때문에 나노레이저, 다중파장의 광 정보를 처리할 수 있는 슈퍼프리즘(superprism), 빛을 원하는 위치로 가이드 할 수 있는 광도파로(waveguide) 등 차세대 광통신 소자와 현재의 컴퓨터 속도를 획기적으로 높일 수 있는 수십 테라급 초고속 정보처리능력을 갖춘 광자컴퓨터의 개발 등에 필요한 소재로 주목 받아왔다. 광자결정은 광자(빛)가 정보를 처리하는 미래에 오늘날의 반도체와 같은 역할을 할 것이므로 ‘빛의 반도체’라 불린다. 지난 20여 년 동안 자연 상태에 존재하는 광자결정의 나노구조를 인공적으로 제조하기 위한 연구가 많은 과학자들에 의하여 시도되어 왔지만 실용적인 구조를 얻는 데에는 한계가 있었다. 梁 교수팀은 2006년부터 교육과학기술부와 한국과학재단의 ‘창의적연구진흥사업’으로부터 지원을 받아 광자결정소재의 실용성을 확보하기 위한 연구를 수행하여 최근 해외 저명학술지로부터 크게 주목 받는 일련의 연구 성과를 거뒀다.
첫 번째 연구 성과로 굴절률 조절이 가능한 미세입자 대량 생산기술을 개발했다. 지금까지 구현된 3차원 광자결정은 결정을 이루는 물질의 굴절률이 1.5-2.0 정도로 낮고, 굴절률을 다양하게 조절할 수 있는 입자를 제조할 수 없어서 광자결정의 실용성에 한계가 있었다. 최근 梁 교수 연구팀은 굴절률을 1.4-2.8까지 마음대로 조절할 수 있는 입자를 대량으로 제조할 수 있는 실용적 방법을 개발했다. 제조된 고 굴절률 입자는 나노레이저, 광 공명기, 마이크로렌즈, 디스플레이 등 각종 광학소자와 광촉매 등으로 활용될 수 있다. 이 연구결과는 최근 어드밴스드 머티리얼스 인터넷판(6. 19)과 제 17호(2008. 9)의 표지논문으로 게재 예정이다. 특히, 이 논문은 저명 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)誌 8월호(8. 1)에 리서치 하이라이트(Research Highlights)로 선정되어 연구의 중요성과 응용성에 대하여 특별기사로 조명했다.
그림 1. 초고굴절률 타이타니아 입자의 전자 현미경 사진
두 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정구 연속생산 기술을 개발했다. 균일한 크기와 모양을 갖는 광자결정구를 빛을 매개로 반응시킴으로써 종래에 수십 시간이 소요되는 공정을 불과 수십 초 만에 연속적으로 제조할 수 있는 기술을 확보했다. 이들 광자결정구는 차세대 반사형디스플레이 색소나, 나노바코드, 생물감지소자 등으로 활용될 수 있다. 특히 주목할 것은 몇 개의 다른 색을 반사하는 야누스 광자결정구슬을 제조하였는데 이들은 전자종이와 같은 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 소자에 활용될 수 도 있다. 이러한 광자결정 표시소재는 세계굴지의 화학회사인 독일 머크(Merck)社 등에서도 개발 중이며 이번 연구 결과는 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다. 주요 연구결과는 국제적저명학술지인 미국화학회지(JACS)와 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)誌에 6편의 논문을 최근 4개월(5～8월) 동안 연속 게재하여 광자결정의 실용성을 구현하는데 크게 기여했다고 인정받았다. 특히, 이들 논문들은 해당 학술지 편집인(Editor)과 심사위원들에 의하여 가장 앞선 연구결과로서 주목해야 할 논문(Advances in Advance)으로 선정됐으며, 9호(5. 5) 표지논문에 게재됐다.
그림 2. 3원광 광자결정구와 다색상 야누스 광자결정구의 현미경사진과 휘어지는 기판 위에 픽셀화된 3원광 광자결정.
세 번째 연구 성과로 광자유체 기술을 이용한 광결정 나노레이저를 개발했다. 현재까지 개발된 나노레이저는 발생하는 고열로 인하여 발진하는 레이저의 파장을 변화시키기 어려운 단점이 있었다. 梁 교수 연구팀은 KAIST 물리학과의 이용희 교수 연구팀과 공동으로 연속가변파장 나노레이저를 최초로 개발했다. 레이저를 발진하는 광자결정과 매우 미세한 유량을 도입할 수 있는 미세유체소자를 결합한 후 물과 같은 액체를 흘려줌으로써 온도를 낮추어 연속파 레이저 발진을 가능케 하였다. 또한 굴절률이 다른 액체를 흘려주어 광밴드갭을 조절함으로써 레이저의 파장을 조절 할 수 있었다. 가변파장 나노레이저는 신약개발 등 생명공학에서 요구되는 극미량의 시료로부터 방대한 량의 바이오정보를 광학적으로 신속하게 처리하는데 필요한 광원으로 사용될 수 있다. 이 연구 결과는 광물리 분야의 저명학술지인 옵틱스 익스프레스(Optics Express)에 게재(4. 9) 됐으며 이 논문의 독창성과 실용성은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저명학술지 랩온어칩(Lab on a Chip) 8월호(8. 1)에 해설과 함께 “리서치 하이라이트”로 소개됐다.
그림 3. 나노레이저 발진모드
2008.08.19
조회수 24816
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최경철 교수팀, 세계 최고 고효율 PDP 발광 핵심 원천기술 개발
- PDP 전력 소모 문제 해결할 수 있는 핵심 원천 기술 - 미국 정보 디스플레이 학회(5월) 초청 논문으로 발표 예정
PDP(Plasma Display Panel) 전력 소모를 대폭 개선할 수 있는 고효율 발광 핵심 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
KAIST(총장 서남표) 전기및전자공학과 최경철(崔景喆, 43) 교수팀은 디지털 TV 대표격인 PDP의 새로운 셀 구조와 구동 방식을 개발했다. 이 기술은 PDP의 발광 효율을 현재보다 4배 이상 높일 수 있는 핵심 원천기술로 오는 5월 21일 미국 롱비치에서 개최되는 SID 2007(Society for Information Display 2007)에 초청논문으로 발표될 예정이다. SID는 세계 최대의 정보 디스플레이 학회다.
기존의 PDP의 발광 효율은 1.5 - 2 lm/W(루멘/와트; 풀 화이트 기준)이었지만, 崔 교수 팀이 개발한 원천 기술을 적용하면 PDP 발광 효율이 12 lm/W(그린 셀 기준; 풀 화이트로 환산하면 8.4 lm/W 이상)까지 얻을 수 있다.
崔 교수팀은 지난 2월 최대 발광 효율 8.7 lm/W(그린 셀 기준)를 달성한 논문을 IEEE 전자기기학회지(IEEE Transaction on Electron Devices)에 게재하여 주목을 받았다. 이후 새로운 구동 방식에 대한 지속적인 연구로 세계 최고인 12 lm/W의 발광 효율을 달성했다.
PDP는 다른 디스플레이 소자에 비해 정격 소비 전력이 높은 디스플레이 소자로 인식되어 왔다. 그 이유는 PDP 셀 내의 에너지 효율이 떨어져 발광 효율이 낮기 때문이다. 발광 효율을 향상시키기 위해서는 PDP 셀 내의 마이크로 플라즈마를 효과적으로 제어하여 효율을 향상시켜야 한다.
국내 PDP 개발 업체들은 일본 후지쯔사가 개발한 3전극 셀 구조 및 구동 방식을 사용하고 있다. 崔 교수팀이 개발한 셀 구조는 4전극 형태로 된 새로운 구조다. PDP 셀 구조를 기존의 3전극 구조 대신 4전극 구조로(그림1 참조) 셀 내의 두 개의 유지 전극 사이에 보조 전극을 삽입했다. 이 보조 전극을 통해 PDP 셀 내의 마이크로 플라즈마 및 벽 전하를 제어함으로 효율을 향상시킬 수 있었다. 초고효율 셀 구조를 안정되게 구동, 디스플레이 할 수 있는 신구동 방식(그림2 참조)의 핵심 원천 기술도 함께 개발하였다.
崔 교수는 “이 핵심 원천 기술을 이용하면 국내 PDP 생산 기업들이 일본 및 미국의 PDP 원천 기술에 대한 사용료 없이 고효율의 디지털 PDP TV 생산이 가능하게 될 것이다. 풀(Full) HD 해상도를 갖는 PDP TV의 밝기가 감소하는 단점을 개선하면 타 디스플레이와의 상업적 경쟁력을 높일 수 있다.”고 말했다.
이 기술은 국내 특허 1건을 등록하고 국제 특허 1건과 국내 특허 2건을 출원중에 있다. 이 연구는 차세대정보디스플레이 기술 개발 사업 및 KAIST 기관고유 사업에 의해 이루어졌다.
2007.04.16
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김학성 오은규 연구팀 나노 입자 이용한 단백질 상호작용 분석기술 개발
상호작용 분석을 위한 다양한 특성의 금 나노입자 제조 기술도 함께 확보
두가지 나노 입자 사이의 물리적 특성변화를 이용, 서로 다른 단백질간의 상호작용을 고감도, 초고속으로 분석하는 기술이 KAIST 연구진에 의해 개발됐다.
KAIST 생명과학과 김학성(金學成, 48, 교수), 오은규(吳恩圭, 34, 박사과정) 연구팀은 서로 다른 색상의 형광을 내는 두 개의 나노입자가 10나노미터 이내로 가까워지면 그 사이에 에너지 전달이 생겨, 각자의 형광스펙트럼이 달라지는 현상인 FRET(형광공명에너지전이) 방식을 이용, 단백질의 상호작용을 분석하는 시스템을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.
또한 金 교수팀은 수용액에서 안정성이 좋고 단백질 결합이 용이한 표면을 지닌 금 나노입자 제조기술도 함께 개발했다.
10나노미터 이하의 금속나노입자를 이용, 표적물질의 스크리닝, 세포 이미징, 단백질 상호작용 분석 등에 활용하는 기술이 최근 생명공학 분야에서 주목받고 있다. 특히 단백질 상호작용을 고감도, 초고속으로 분석하는 기술은 각종 질병의 진단, 의약품의 개발, 생명현상의 규명 등에 매우 중요하기 때문에 수많은 연구개발이 진행되고 있다.
기존의 연구개발은 주로 단일나노입자를 만들어 여기에 단백질 등의 바이오물질을 붙이는 기술에 집중되어 왔지만, 金 교수팀은 FRET 방식을 이용, 서로 다른 나노입자의 물리적 특성변화를 이용해 단백질 상호작용에 대한 분석이 가능하게 만들었다. 이 기술은 앞으로 질병진단, 의약품 개발, 세포내 단백질 상호작용 규명 등에 활용될 수 있는 기반 기술로, 국내외에 특허출원하였고 관련연구는 미국 화학회지(JACS) 인터넷판에 최근(2.19) 발표되었다.
위 사진 : 금 나노입자와 반도체 양자점을 이용한 inhibition assay(저해물질 분석) 도면
(사진2) 크기에 따라 다른 색상을 띠는 금 나노입자좌1. 금염수용액 고유의 노란색, 나머지 8개 샘플. 금염수용액으로부터 다양한 크기로 제조된 금 나노입자
(사진3) 좌. 금염과 리간드가 단순히 섞여있는 용액 / 우. 좌로부터 형성된 금 나노입자
2005.02.23
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전기화학식 이산화탄소 센서 개발
신소재공학과 박종욱(朴鍾郁, 49) 교수팀은 일본이나 독일제품보다 월등히 우수한 특성을 지닌 전기화학식 이산화탄소 센서 개발에 성공했다.
2001년부터 농림부 기술개발과제의 일환으로 시작된 센서 연구는 자체 개발한 전극 보조물질을 채용한 새로운 구조로, 수 ppm에서 수십% 범위의 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있다. 초기 동작시간도 10분 이내로 빠르고 보정 없이 2년 이상 사용할 수 있어, 일본(Figaro사)과 독일(Zirox사) 제품의 초기 동작시간이 각각 7일과 30분인데 비하면 월등히 우수하다.
공기 중 이산화탄소 양을 측정하는 방법은 광학적 방법과 전기화학적 방법이 있다.
현재 가장 많이 사용 중인 광학적 방법은 이산화탄소가 특정 파장(4.26 um)의 적외선(NDIR) 만을 흡수하는 성질을 이용, 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소의 양을 계산한다.
정교한 광학계를 사용해야 하기 때문에 가격이 비싸고 열악한 환경에서는 광학계가 쉽게 더러워져 사용이 어렵다는 단점이 있다.
산화물 전해질을 사용하는 전기화학식 센서는 값이 싸고 더러운 환경에서도 안정적으로 작동하지만, 광학식에 비해 초기 동작시간이 길고 자주 보정해 주어야 하는 단점 때문에 사용이 제한적이었다.
이번에 개발된 朴 교수팀의 전기화학식 센서는 이러한 단점들을 극복하여 이산화탄소 센서 기술의 새로운 표준을 제시, 제품의 흐름을 바꿀 수 있는 혁신적 연구 성과로 평가할 수 있다.
한편, 이산화탄소는 물 햇빛과 함께 식물 발육을 좌우하는 3대 요소 중 하나. 선진국에서는 이산화탄소 양을 조절하여 농식물의 생산성을 높이고 보관기간을 늘리는 기술이 다양하게 개발되고 있다. 특히 심야의 악조건에서도 신뢰성 있게 작동되는 저렴한 이산화탄소 측정기의 필요성이 점점 증대되고 있다. 우리나라에서는 최근 "빌딩 증후군(sick building syndrome)" 방지를 위해 건물 내 이산화탄소 양을 1000ppm 이하로 낮추도록 관련 법령을 개정했다. 도심의 빌딩에서도 이산화탄소 양을 정확히 측정하여 과도한 환기를 줄이고 에너지 효율을 높이는 기술이 절실해지게 된 것이다.
박종욱 교수는 화학 센서 분야의 세계적인 권위자로, 2000년에는 산화물 반도체식 센서를 이용한 음주 측정기를 개발, 실험실 벤처회사 (주)CAOS를 설립했고, 음주측정기는 현재 세계 최대의 시장점유율을 갖는 명품이 됐다. 또한 작년에는 2편의 해외 저명 학술지(J. Materials Science)에 화학센서 특별기획을 편집하기도 했다.
2004.09.22
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