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고효율의 단일광자원 소자 핵심기술 개발
조 용 훈 교수
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 양자정보기술에 기여할 수 있는 고효율의 단일광자원(양자광원) 의 방출 효율과 공정 수율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구 결과는 자연과학분야 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences) 4월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
빛은 보통 파동의 성질을 갖는 동시에 입자의 성질도 가지고 있는데, 이 입자를 광자라고 한다. 단일광자원 혹은 양자광원은 광자가 뭉쳐서 나오는 고전적인 광원과는 달리 한 번에 한 개의 광자만 방출하는 소자이다. 반도체 양자점을 이용한 단일광자 방출 소자는 안정성 및 전기구동 가능성이 높아 상용화에 적합한 소자로 각광받고 있다.
하지만 빛의 파장은 양자점보다 수십~수백 배 정도 크기 때문에 상호 작용하기 어려워서 단일광자의 방출 효율이 매우 작다는 한계점이 있다. 따라서 고효율 단일광자원를 만들기 위해서는 양자점과 빛을 집속시키는 구조(광공진기)를 공간적으로 정확히 결합시키는 것이 필수적이다.
하지만 양자점은 불규칙하게 분포되어 있고 위치를 정확히 확인할 수 없어 우연성에 의존한 결합을 기대할 수밖에 없었다. 따라서 긴 공정시간에도 불구하고 소수의 단일광자소자를 제작하는 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 피라미드 모양의 나노 구조체를 활용했다. 반도체 나노피라미드 구조에서는 양자점이 피라미드의 꼭지점에 자발적으로 형성된다. 그리고 그 위에 금속 필름을 얇게 증착하면 빛 역시 뾰족한 금속 끝에 모이는 성질 때문에 양자점과 동일한 위치에 집속되는 것이다.
특히 금속에서는 빛이 본래 가진 파장보다 작게 뭉칠 수 있다. 즉, 빛이 가진 파장보다 더 소형화를 시킬 수 있기 때문에 양자점과의 크기 차이로 인한 문제를 극복할 수 있게 되는데, 이 방법으로 단일광자 방출 효율이 기존의 방식보다 20배 정도 증가되었다.
단일광자 방출소자는 양자광컴퓨터 및 양자암호기술 구현의 가장 기본적인 구성 요소이다. 이번 연구를 통해 기존의 까다로운 과정들 없이 단순한 방식으로 효율과 수율을 모두 높일 수 있으므로, 단일광자방출원 혹은 양자광원 관련 기술의 상용화 가능성이 높아질 것으로 기대된다.
조 교수는 “이 기술은 높은 공정 수율을 갖고 있기 때문에 상용 양자광원 소자 제작 한계를 해결하고, 양자정보통신 분야 구현에 중요 기술이 될 것”이라고 말했다.
조용훈 교수의 지도를 받아 공수현(1저자)·김제형(2저자) 박사가 수행한 이번 연구는 우리 대학 신종화·이용희 교수, 프랑스 CNRS의 레시당 박사, 미국 UC 버클리의 샹장 교수가 참여했으며, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. 단일 광자가 높은 효율로 방출되는 모습의 개념도
2015.04.23 조회수 14001 -
나선형 나노구조체 제조 원천기술 개발
우리 학교 나노과학기술대학원 윤동기 교수 연구팀은 자기조립(self-assembly) 현상을 이용해 매우 정밀한 나선형 나노구조체를 개발해 세계적 학술지인 미국립과학원회보(PNAS) 10월 7일자에 논문이 게재됐다.
이번에 개발된 기술로 3차원구조 중에서도 가장 구현하기 어렵다는 나선형 구조를 넓은 면적에 다양하게 변형해 만들 수 있다. 액정(액체와 결정의 중간상태)물질로 만든 이 구조는 20~200nm(나노미터) 크기의 제한된 공간에서 균일한 나선 형태를 유지했다. 또 나노구조체의 지름이 커짐에 따라 나선 패턴의 간격도 일정하게 늘어나는 특성을 보였다.
이 기술을 활용하면 전자기장에 민감하게 반응하는 액정 소재의 고유성질과 융합해 고효율의 광전자 소자 개발에 도움이 될 것으로 학계는 기대하고 있다.
나아가 현재 반도체 제조공정에서 사용 중인 2차원 광식각공정에서 벗어나 3차원 패터닝 기술로도 발전시킬 수 있다. 연구팀의 기술을 기반으로 3차원 반도체가 개발되면 지금보다 최소 수백배 많은 데이터를 저장할 수 있게 된다. 또 공정을 획기적으로 줄여 제조비용도 크게 절감할 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구의 핵심 기술인 ‘한정된 공간에서의 자기조립’이란, 아이들의 장난감인 레고블럭 놀이처럼 주위의 환경(온도, 농도, pH 등)에 따라 물리적으로 조립과 분리가 가능한 다양한 연성재료(고분자, 액정, 생체분자 등)를 수십 나노미터의 공간 속에서 복잡한 나노구조체를 제어하는 기술이다.
연구팀은 전기화학적 반응을 통해 만들 수 있는 다공성 양극산화알루미늄막을 이용해 수십 나노미터 수준의 한정된 공간을 만들었다. 이후 수 나노미터 수준에서 휘어져 있는 액정 분자가 형성하는 나선형 나노구조체를 그 공간 속에서 형성시켜 독립적으로 제어된 나선 나노구조체를 구현하는 데 성공했다.
윤동기 교수는 이번 연구에 대해 “액정물질이 형성하는 나선 나노구조체 제어의 물리·화학적 원리 규명에 세계최초로 성공했다”며 “이번 기술로 다양한 유기분자가 이루는 복잡한 나노구조체들을 기판의 표면 개질 및 한정된 공간을 이용해 제어할 수 있어 향후 유기분자 기반 나노구조체 연구에 커다란 기여를 할 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이와 함께 “개발된 원천기술을 바탕으로 NT(나노테크놀로지)와 IT(정보테크놀로지)가 접목될 수 있는 전기가 마련돼 LCD 등 액정관련 분야에서 차세대 신성장동력을 창출할 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 나노과학기술대학원 윤동기 교수팀(제1저자: 김한임 박사과정, 이선희 박사과정)이 주도하고 포항가속기연구소 신태주박사, 미국 메릴랜드주립대학 이상복 교수와 콜로라도주립대학 노엘 클락(Noel Clark) 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업(우수신진), 나노소재원천기술개발사업, BK21 플러스사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. 나선 나노구조체의 전자현미경 사진과 개념도
A. 다공성 양극알루미늄 나노채널 속에서 형성된 단일 나선 나노구조체(노란선 기준 아래)와 미처 나노 채널속에 들어가지 못해 형태 및 성장 방향이 불규칙하게 존재하는 나선 나노구조체(노란선 기준 위)
B. 나선 나노구조체가 양극산화물 속에 들어가는 현상을 보여주는 개념도. 양극산화물 나노채널의 지름은 20~200nm, 전체 막 두께는 5 um~ 수십 um로 조절이 가능C. B방법을 통해 형성된 나선 나노구조체는 나선 반주기(half-pitch)가 100~120nm 범위에서 1nm 간격으로 조절이 되며 지름이 20~80 nm까지 자유롭게 제어할 수 있음
그림2. 제조된 나선 나노구조체의 전자현미경 사진
30nm(A), 60nm(B), 80nm(C) 지름의 다공성 양극알루미늄 나노채널(왼쪽-위) 속에서 형성된 나선 나노구조체 단면의 주사전자현미경 사진(왼쪽-아래)과 나노채널이 제거된 나선 나노구조체의 투과전자현미경 사진(오른쪽) 나노채널의 지름이 증가할수록 아주 서서히 나선 나노구조체의 나선 반주기가 100nm(A)에서 117nm(C)까지 증가함을 관찰할 수 있었고, 꼬인 부분의 각도(Ψ)의 증가를 통해 나선 나노구조체의 크기를 1nm수준에서 미세하게 제어 가능함을 보였음
그림3. 대표 그림
2014.10.20 조회수 13297 -
그래핀 반도체 개발 난제 풀었다!
- 톱니모양 게이트 전극 이용해 그래핀 트랜지스터 스위칭 효율 극대화 -- 그래핀의 높은 전하 이동도 기반한 매우 빠른 논리 소자 구현 가능 -
그래핀을 이용해 속도가 매우 빠른 반도체 만들 수 있는 가능성이 높아졌다.
우리 학교 EEWS대학원 김형준 교수와 윌리엄 고다드 교수가 공동으로 그래핀을 이용한 트랜지스터의 온오프 스위칭 효율을 극대화 할 수 있는 방법을 제시했다.
연구 결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 5월 13일자 온라인판으로 게재됐다.
그래핀은 전자 이동속도가 실리콘에 비해 100배 높기 때문에 반도체 소자로 응용했을 경우 컴퓨터의 속도가 매우 빨라질 수 있다. 이러한 장점 덕분에 그래핀은 기존의 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로써 각광을 받고 있다.
그러나 그래핀의 원자구조 특성으로 인해 온오프 스위칭 효율이 매우 낮아 반도체 소재로 적용이 불가능했다.
최근 그래핀의 스위칭 특성을 높이기 위해 원자 구조를 변형시켜 밴드갭을 확보하는 방법이 제시됐지만 동시에 그래핀의 가장 큰 장점인 높은 전자 이동 속도가 급격히 낮아지는 문제점이 발생한다.
연구팀은 그래핀의 전자 이동 메커니즘이 빛의 전파 과정과 유사함에 착안했다.
김 교수 연구팀은 빛을 반사시키는 원리를 그래핀 전자에 적용, 게이트 전극을 톱니 모양으로 디자인했다. 이를 이용해 트랜지스터를 제작할 경우 스위칭 효율을 최대 100배 정도 높일 수 있음을 이론적으로 입증했다.
이 기술은 그래핀의 원자 구조를 변형시키지 않기 때문에 그래핀의 높은 전자이동 특성을 그대로 사용할 수 있다는 게 큰 특징이다.
이와 함께 기존 실리콘 기반 반도체와 유사한 구조를 갖고 있기 때문에 현재의 반도체 제작 공정을 그대로 응용할 수 있을 것으로 학계는 예상하고 있다.
김형준 교수는 이번 연구에 대해 “이론적으로 제안된 메커니즘을 실현한다면 그래핀을 활용한 연산 속도가 매우 빠른 차세대 컴퓨터 개발에 커다란 기여를 할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 김형준 교수 및 윌리엄 고다드 교수와 고등과학원(KIAS) 손영우 교수, 그리고 미국 캘리포니아 공과대학(Caltech) 장민석 박사, 해리 애트워터 교수가 공동으로 연구를 수행했다.
그림1. 이번 연구에서 제안된 톱니 모양 게이트 구조를 가진 그래핀 트랜지스터 구조.
2013.05.22 조회수 16234 -
반딧불이 모방한 고효율 LED 기술 개발
정기훈 교수
- 반딧불이 모방한 자연모사 연구로 반사 최소화 한 고효율 LED 개발 -- 미국 국립과학원회보지(PNAS) 10월 29일자 온라인 판 게재 -
자기 스스로 빛을 내는 반딧불이를 모방한 고효율 LED 원천기술이 개발됐다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 반딧불이 발광기관 외피에 있는 나노구조를 세계 최초로 모방해 발광효율이 높은 LED 렌즈를 개발했다.
이번에 개발된 기술은 기존에 렌즈의 반사를 방지하기 위해 값비싼 반사방지 코팅을 추가로 처리한 것과는 달리, 렌즈 제작 시 생체모사 나노구조를 주형에서 한 번에 만들어 보다 저렴한 LED를 만들 수 있을 것으로 기대된다.
이와 함께 무반사효과(antireflection)를 내기 위해 모방한 나노구조를 최적화해 발광효율 향상이 기존 반사방지 코팅에 상응하게 만들어, 앞으로 스마트폰, TV, 자동차, 의료기기, 실내외 조명 등에 널리 적용될 것으로 전망된다.
무반사구조(antireflective structures)는 빛의 효율을 향상시키기 위한 대표적인 방법으로 많은 분야에 활용돼 왔다. 그러나 이 구조는 평판에만 국한돼 있어 LED 렌즈와 같은 곡면에 만드는 것은 많은 어려움이 있었다.
정 교수 연구팀은 3차원 미세몰딩 공정을 활용해 이를 해결했다.
연구팀은 실리콘 산화막 위에 나노입자를 단일 층으로 형성하고 식각공정을 통해 나노구조를 형성했다.이후 나노구조를 PDMS(폴리다이메틸실록세인, polydimethylsiloxane) 막에 전사시키고, 이 막에 음압을 가해 곡률을 형성한 다음 자외선경화 고분자를 부은 후 굳혀 반딧불이와 유사한 구조의 렌즈를 만들어 내는 데 성공했다.
이번 기술은 세계 최초로 무반사구조가 형성된 반구형 고효율 LED 렌즈를 개발한 것으로, 이 렌즈는 기존에 사용되는 무반사코팅(antireflection coating)에 상응하는 효과를 나타냈다.
정기훈 교수는 “이 기술은 세계 최초로 생물발광기관을 생체 모사한 기술이라는 것에 의의가 있다”며 “생체모사 기술을 활용한 고효율 LED 렌즈 기술을 통해 기존의 값비싼 무반사코팅을 대신해 저렴하면서도 효율을 극대화할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 바이오및뇌공학과 정기훈 교수(제1저자 김재준 박사과정 학생)가 주도한 이번 연구는 미국 국립과학원회보지(PNAS) 10월 29일자 온라인 판에 게재됐다.
그림 1 : (A) 반딧불이 사진. (B) 반디불이의 전자현미경 사진 (N)은 비발광기관, (L)은 발광기관. (C) 비발광기관의 미세패턴, 무작위한 패턴을 형성. (D) 발광기관의 나노구조, 잘 정렬된 나노구조를 형성. (E, F) 반딧불이의 발광기관과 고효율 LED 패키징이 대응되는 구조를 형성하고 있음. 본 연구팀은 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 나노구조층을 LED 렌즈 위에 형성시켜 발광효율을 증가시킴. (E) 반딧불이 발광기관의 모식도. 나노구조의 크기는 약 주기가 250 nm, 너비가 150 nm, 높이가 110 nm 정도임. (F) 고효율 LED 패키징의 모식도.
그림2 : 일반 렌즈(좌)와 고효율 LED 렌즈(우) 사진. 연구팀은 3차원 미세몰딩 기술을 이용해 고효율 LED 렌즈를 제작.
그림 3 : (A) 고효율 LED 렌즈의 제작 과정. (step Ⅰ) 나노입자와 식각공정을 이용하여 나노구조 형성. (step Ⅱ) PDMS 막에 나노구조 전사. (step Ⅲ) PDMS 막에 음압을 가하여 곡률 형성. (step Ⅳ) 자외선 경화 고분자를 부은 후 경화. (step Ⅴ) 완성된 고효율 LED 렌즈. (B) 고효율 LED 렌즈의 전자현미경 사진. (C) 곡면 위에 잘 정렬되어 형성되어 있는 나노구조.
2012.10.30 조회수 16024 -
순수 국내기술로 단백질 신약 개발한다!
- KAIST 김학성 교수, 의약품 원료로 사용되는 인공항체 개발 성공 -
- PNAS(미국국립과학원회보)에 2월 10일 발표 -의약품 원료로 사용되는 인간유래 항체를 대체할 수 있는 인공항체가 국내연구진에 의해 개발됐다. 가격은 현재보다 1/100수준으로 저렴하면서 개발이 훨씬 쉬워 개발기간은 기존 10년에서 5년 이내로 크게 단축될 것으로 기대된다.
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 바이오 및 뇌공학과 김동섭 교수와 공동으로 항체가 아닌 단백질을 재설계해 대장균에서 대량생산할 수 있는 인공항체개발에 성공했다.
개발된 인공항체는 항원과의 결합력, 생산성, 면역원성, 구조설계성 등이 용이해 장점만 갖춘 이상적인 단백질로 평가받고 있으며, 현재 치료제의 원료나 진단, 분석용으로 사용중인 항체를 그대로 대체 가능하다. 따라서 세계시장 규모가 192조원에 이르는 단백질 의약품 분야에서 앞으로 순수 국내기술로 개발된 단백질 신약이 세계시장을 주도할 수 있을 것으로 전망된다.
의약품 원료로 병원에서 사용되고 있는 기존의 항체는 치료제뿐만 아니라, 분석, 진단용 등 생명공학 및 의학 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 동물세포 배양을 포함해 복잡한 생산 공정을 통해 제조되기 때문에 1mg에 100만원 정도로 가격이 매우 비싸다. 또 대부분의 항체는 이미 해외 선진국의 특허로 등록돼 있어 비싼 로열티를 지불해야 한다.
이 때문에 우리나라를 포함한 많은 국가에서 이미 특허가 만료된 항체 의약품을 복제하는 바이오시밀러를 개발하는데 집중하고 있고, 질병에 대한 단백질 신약개발 분야는 선진국에 한참 뒤처지는 실정이다.김 교수팀은 먹장어나 칠성장어와 같은 무악류에 존재하는 단백질은 항체는 아니지만 항체처럼 면역작용을 한다는 사실에 착안해 이 분야 연구를 시작했고 마침내 인공항체 개발에 성공했다.
인공항체는 대장균에서 대량생산이 가능해 현재보다 1/100 수준의 싼 가격으로 만들 수 있으며, 모듈구조로 되어 있어 목적에 따라 자유롭게 구조 설계가 가능해 5년 내에 단백질 신약으로 개발 가능한 게 큰 특징이다.
이와 함께 단백질 신약개발에서 중요한 항원과의 결합력을 쉽게 조절할 수 있어 치료 효과가 높고 부작용이 적으며, 열과 pH(수소이온농도)에 대한 안정성이 매우 높고, 면역반응을 유도할 수 있는 면역원은 무시할 만한 수준으로 낮아 단백질 신약으로의 개발 가능성이 매우 높다.
연구팀이 개발한 인공항체 기술은 세포 분석을 통해 폐혈증과 관절염 치료제로서의 후보군으로 효과를 입증했으며 곧 동물실험을 수행할 예정이다.
김학성 교수는 “기존 항체는 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합강도를 높이는 것과 구조 설계가 매우 어려운 단점이 있다”며 “장점만을 갖춘 이상적인 특성의 인공항체는 현재 의약품 원료로 사용되는 항체를 대체할 수 있는 순수 국내 기술로 만들어진 단백질 신약이 될 것”이라고 말했다.
아울러 “개발된 인공항체 단백질 골격과 단백질 설계 기술은 생명공학 및 의학 분야에서 치료, 진단, 분석용 등으로 광범위하게 활용될 것으로 기대 된다”고 덧붙였다.
한편, 이 연구결과는 세계적 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 2월 10 일자에 발표됐으며, 교육과학기술부가 주관하는 미래 유망 파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<용어설명>○ 항원: 체내에 유입된 외부 물질로 이물질로 인식되어 항체를 생성하는 면역 반응을 유발함
○ 항체: 항원에 특이적으로 결합하여 이를 제거하거나 무력화시키는 면역 관련 단백질
○ 면역원성: 사람이나 동물의 체내에 접종되었을 때, 면역 반응을 유발할 수 있는 항원으로서의 특성
○ 바이오시밀러: 치료 효능이 있는 항체나 호르몬 등을 의미하는 특허가 만료된 단백질 의약품의 복제약품
○ 무악류: 고생대 전기의 초기 어류로서 위, 아래 양 턱이 발달하지 않은 척추동물로 칠성장어와 먹장어가 대표적임
○ 모듈구조: 특정 단백질에서 반복적으로 존재하는 최소 구조적 단위인 모듈에 의해 형성되는 전체 단백질의 구조형태
○ 대장균: 사람이나 동물의 대장에 많이 서식하는 장 내 세균으로, 생명 공학에서는 단백질의 대량 생산에 주로 이용됨
그림1. 사람 항체의 구조. 분자량(150Kda)이 커서 세포내로 침투할 수 없으며 서로 뭉쳐 치는 경향이 커서 쉽게 활성을 잃는다. 그리고 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합 강도를 높이는 것과 합리적 설계가 매우 어려운 단점이 있다.
그림2. 기존 항체 치료제의 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 새로운 비항체 인공항체 단백질. 반복 모듈기반의 인공항체 단백질은 설계 및 구조 예측이 용이하고, 높은 안정성을 갖으며, 결합 면적 및 크기의 조절이 용이하다.
그림3. 연구팀이 개발한 인공항체가 질병유발 인자인 항원과 결합한 모습
그림4. 개발된 인공항체의 3차원 구조
2012.02.13 조회수 16859 -
실험비용 획기적으로 절감하는 빠르고 정확한 양자역학 계산 이론 개발
정유성 교수 윌리엄 고다드 교수
현재 널리 사용되고 있는 양자역학 원리를 이용하여 정확하면서도 계산시간이 획기적으로 개선된 새로운 전자밀도범함수 계산이론*이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
*) 전자밀도범함수 계산이론 : 비교적 간단한 파동함수와 전자밀도만으로 에너지와 성질을 계산할 수 있음을 증명한 이론
우리 학교 EEWS대학원 정유성 교수(38세)와 윌리엄 고다드 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 11월 23일자 온라인으로 게재되었다.
정유성 교수와 고다드 교수는 기존의 양자계산의 문제점인 계산시간과 부정확한 예측으로 인한 결과의 신뢰성이 떨어지는 단점을 보완하여, 정확하면서도 빠른 전자밀도범함수 이론과 알고리즘을 개발하였다.
양자역학 계산법 중 파동함수*를 이용하면 정확도가 높은 반면에 계산시간도 빠르게 증가해 수백-수천 개의 원자를 갖는 거대 분자에 적용하기 어렵고, 상대적으로 계산량이 적은 전자밀도를 변수로 사용할 경우 적용할 수 있는 분자의 크기는 증가하지만 정확도가 떨어지는 단점이 있었다.
*) 파동함수(波動函數) : 양자역학에서 물질입자인 전자·양성자·중성자 등의 상태를 나타내는 양
전자들의 상호작용은 스핀*이 같은 전자들끼리의 상호작용과 스핀이 다른 전자들끼리의 상호작용으로 나뉘는데, 파울리의 배타 원리에 의해 스핀이 다른 전자 사이의 거리가 더 가까우므로 스핀이 다른 전자들의 상호작용이 더 크다. 연구팀은 이 점에 착안하여, 기존에 존재하던 정확한 계산법에서 스핀이 다른 전자 사이의 상호작용을 중점적으로 계산하여 속도를 향상시켰다.
*) 스핀(spin) : 입자의 기본성질을 나타내는 물리량 중 하나로, 입자의 고유한 운동량을 나타냄. 소립자들의 특징을 밝히는 중요한 물리량임
또한 전자들의 상호작용은 국소성을 띠기 때문에 멀리 떨어진 전자 사이에는 상호작용이 거의 없어서 이들을 무시하더라도 총 에너지에 영향을 미치지 않는다는 점에 착안하여, 계산시간을 최대 100배이상 단축시키는 알고리즘을 개발하였다. 예를 들어, 기존의 계산방법으로는 탄소 200개와 수소 402개로 이루어진 알케인(aklane) 분자를 정확히 계산하는데 6개월이 걸린 반면, 새로운 방법론을 이용하면 비슷한 정확도로 하루(24시간)면 계산할 수 있다.
정유성 교수는 “그동안 국내의 계산과학 및 재료 설계 커뮤니티가 응용 연구에 주로 집중하여 짧은 시간 동안 훌륭한 결과를 많이 도출한 반면, 상대적으로 긴 시간을 요구하는 기초 방법론이나 소프트웨어 개발에서는 국제경쟁력이 뒤처져 있는 추세였다. 그러나 이번 연구는 기존의 방법들보다 월등한 정확도와 속도를 가진 방법론을 국내에서 개발했다는 점에서 의미가 크다”고 연구의의를 밝혔다.
아울러 이번에 개발된 방법론은 큐켐(Q-CHEM)이라는 상용 소프트웨어 패키지를 통해 일반연구자들에게 공급될 예정이다.알케인(alkane) 분자의 크기에 따라 본 연구에서 제시한 새로운 방법론(local XYGJ-OS)과 기존의 방법론의 계산 시간을 비교한 그래프. local XYGJ-OS는 전자 간 상호작용의 국소성을 이용해 계산 시간을 낮춘 방법이다.다양한 양자계산 방법과 본 연구에서 제시한 XYGJ-OS 방법의 오차. 233개 분자의 생성열을 실험값과 대조하여 오차의 절대값을 평균하였다. B2PLYP부터 XYG3까지의 방법 및 G2, G3 방법은 XYGJ-OS에 비하여 훨씬 많은 시간을 소모한다.
2011.11.29 조회수 14727 -
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 24516 -
우성일 교수, 새로운 고속 연구 기법 개발
박막 재료 분야의 연구 기간, 연구비 수십 배 절감
美 국립과학원회보 인터넷판에 지난 9일 게재
생명화학공학과 우성일(禹誠一, 55 / 초미세화학공정연구센터소장) 교수팀이 연구 성과를 극대화할 수 있는 고속 연구 기법을 개발, 지난 9일(화) 저명학술지인 美 국립과학원회보(PNAS) 인터넷 판에 게재됐다.
禹 교수팀은 박막 재료 분야 연구 공정을 단축하기 위해 서로 조성(혼합비율)이 다른 박막을 한번에 수십 내지 수천 개를 만들고, 구조 분석과 성능 평가를 10배 이상 빠르고 정확하게 할 수 있는 고속 연구 기법을 개발했다. 이 연구 기법은 연구 기간과 연구비를 종래보다 수십 배 이상 줄일 수 있는 획기적인 방법이다.
전자재료, 디스플레이, 반도체 관련 제품에서 박막 재료의 특성이 최종 제품 품질을 결정한다. 한 가지 기능성 박막을 제조, 분석, 성능 평가 하는데 평균 2주 이상 걸린다. 원하는 박막재료를 성공적으로 만들기 위해서는 수천 번 이상의 실험이 필요하다.
기존 박막 제조 장치는 기상화학증착법, 스퍼터링(SPUTTERING), 물리증착법, 레이저휘발법 등 고진공을 요구하는 고가 장비다. 이 장비로 다양한 조성의 박막을 제조하기 위해서는 한 개에 수백만원씩 하는 타겟(고체 원료물질)과 1g에 수십만원씩 하는 전구체(휘발성을 가지는 유기금속화합물)가 필요하다. 수만 개의 다양한 조성을 가지는 박막 제조에는 막대한 실험비가 들어간다.
禹 교수팀은 새로운 고속 연구 기법을 이용, 고진공이 필요 없고 컴퓨터와 로봇에 의해 자동화된 ‘조합 액적 화학 증착’ 장비를 개발했다. 이 장비는 기존 장비에 비해 가격이 1/5 정도 저렴하고 유지 보수도 간편하다.
이 장비는 고가의 원료 물질 대신 저렴한 시약을 사용한다. 원하는 조성을 만들 수 있는 시약을 물이나 적당한 용매에 녹인 후 고주파를 가하여 수 미크론 크기의 액적(미세한 액체방울)을 만든다. 이 액적들을 질소로 움직여서 박막을 만들고자 하는 기판 위에 떨어뜨린 후 후속 열처리를 통해 원하는 조성의 박막을 만든다. 이때 박막 시료의 크기를 그림자 마스크를 사용하여 밀리미터 크기로 만들며 이동속도가 조절되는 마스크로 증착 시간을 조절하면 다양한 조성의 박막을 한번에 수십 내지 수백 개를 만들 수 있다. 이 장비로 박막 제조에 필요한 재료비는 100g에 수만 원 정도로, 종래방법의 1/100 내지 1/10로 줄일 수 있으며, 연구기간은 수십 분의 일로 줄일 수 있게 된다.
禹 교수는 “이 새로운 연구 기법을 박막 재료 분야 연구뿐만 아니라 기존 연구 방법으로 발견하지 못한 핵심 에너지, 재료, 건강 분야 소재 개발에 광범위하게 활용하면 큰 효과를 가져올 것이다.”라고 말했다.
‘조합 액적 화학 증착’ 장비는 현재 국내 특허를 출원하고 일본과 독일에 국제 특허를 출원중이다. 이 장비는 주문 생산에 의해 일반 연구자들에게도 제공할 예정이다.
2007.01.31 조회수 19202