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인체 세포에서 형광단백질을 이용해 레이저 만들어 내
우리 학교 나노과학기술대학원 윤석현 교수는 세계수준의 연구중심대학 육성사업(WCU)에 참여하는 해외학자로서 미국 하버드의대 맬트 개더(Gather) 박사와 함께 광학 분야 국제학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)" 인터넷판 12일 자에 인체 세포에서 형광(螢光)단백질을 이용해 레이저를 만드는 데 성공했다.
네이처 포토닉스는 보도자료와 함께 별도 인터뷰 기사까지 게재했다.
레이저는 빛을 증폭시켜 직선으로 나가게 한 것이다. 50여 년 전 처음 개발되어 레이저 포인터나 바코드 리더처럼 일상생활에도 깊숙이 들어와 있다. 레이저는 대부분 반도체, 기체 등 무기물질을 가공하여 만들어졌다. 그러나 윤 석현 교수는 살아있는 사람 세포에서 레이저를 만드는 데 처음으로 성공하였다.
해파리에는 자외선을 비추면 초록빛을 내는 형광단백질이 있다. 연구진은 사람 세포에 형광단백질 유전자를 넣었다. 이 세포 하나를 용기에 넣고 좌우에 미세 거울을 설치했다. 세포에 빛을 쪼이자 형광단백질에서 푸른 형광이 나왔다. 이 빛은 거울 사이를 왕복하면서 증폭되다가 아주 짧은 순간 레이저가 됐다.
이번 연구는 세포를 관찰하는 현미경에 이용될 수 있다. 레이저는 한 방향으로만 나온다. 형광단백질이 있는 세포에 약한 빛을 쬐고 레이저가 어느 방향으로 나오는지 알면 세포가 어떤 방향으로 있는지 알 수 있다. 또한 형광으로는 세포를 3~4가지 색으로 표현할 수 있지만, 레이저는 1000가지 정도의 색을 나타낼 수 있다.
환자 치료에도 도움을 줄 수 있다. 레이저가 나오는 곳에서만 약효를 발휘하는 약물을 만들면 병든 세포만 골라 치료할 수 있다. 장기에 이식한 초소형 전자기기에서 정보를 보내는 데에도 세포 레이저가 이용될 수 있다고 연구진은 밝혔다.
윤 교수는 KAIST에서 물리학박사 학위를 받고 2005년 하버드 의대에 부임했으며, 현재 KAIST 나노과학기술대학원에 초빙교수로서 한국연구재단 WCU사업의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다.
2011.06.14 조회수 18232 -
빛을 이용해 뇌로 약물을 전달한다
KAIST 최철희 교수팀, 신경약물전달 신기술 세계 최초 개발
뇌혈관은 혈뇌장벽이라는 특수한 구조로 이루어져 있는데, 레이저로 혈뇌장벽의 투과성을 조절하여 투여된 약물을 뇌로 안전하게 전달하는 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
이번 연구는 교육과학기술부의 ‘21세기 프론티어 뇌기능활용 및 뇌질환 치료기술개발사업단’(단장 김경진)의 지원을 받아 우리학교 최철희(바이오 및 뇌공학과․43) 교수팀 주도로 수행되었다.
혈뇌장벽은 대사와 관련된 물질은 통과시키고 그 밖의 물질은 통과시키지 않는 기능을 함으로써 약물이 뇌로 전달되는 것이 어려웠다.
이런 기능 때문에 우수한 효능을 가진 약물조차 대부분 차단되어 실제로 환자에게 적용할 수 없는 경우가 많아, 약물의 효능을 최대한 유지하면서 혈뇌장벽을 어떻게 통과시키느냐가 이 분야 연구의 핵심과제였다.
원활한 약물 전달을 위해 약물의 구조를 변경하거나 머리에 작은 구멍을 내고 약물을 주사하는 방법도 시도되었지만 고비용과 위험성으로 널리 응용되지 못하고 있었다.
최 교수팀은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 극초단파 레이저빔을 1000분의 1초 동안 뇌혈관벽에 쬐어주는 방법으로 혈뇌장벽의 기능을 일시적으로 차단함으로써 약물을 원하는 부위에 안전하게 도달할 수 있게 하는 신개념 약물전달기술을 개발했다.
레이저 빔을 약물이 들어있는 혈관에 쬐이면 혈뇌장벽이 일시적으로 자극을 받아 수도관이 새는 것 같은 현상을 일으켜 약물이 혈관 밖으로 흘러나와 뇌신경계 등으로 전달된다. 정지된 기능은 몇 분 뒤 다시 제 기능을 되찾는다.
최 교수는 “이번 연구는 새로운 신경약물전달의 원천기술을 확립하였다는 점과, 레이저를 이용한 안정적인 생체 기능 조절 기반기술을 구축하였다는 점에서 커다란 의미가 있다”며, “앞으로 이 기술을 세포 수준으로 영역을 확대하는 한편 후속 임상 연구를 통해 실용화할 계획”이라고 밝혔다.
연구 결과는 신경약물전달 원천기술로서 특허 출원 중이며 세계적 저명 학술지인 미국 국립과학원 회보(2011.05.16자)에 게재됐다.
레이저를 이용하여 뇌혈관의 기능을 조절함으로써 원하는 뇌 부위에 안정적으로 약물을 전달할 수 있는 원천기술
2011.05.26 조회수 15644 -
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 22840 -
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 19245 -
윤춘섭 교수, 世界 最高 출력 청색 고체레이저 개발
- 레이저 디스플레이 실용화 난제 해결, 가정용 TV에서 대형전광판까지 화질의 혁명 열날 머지않아
디스플레이 기술의 완결판으로 일컬어지는 차세대 레이저 디스플레이의 핵심광원인 청색 고체레이저가 世界 最高 출력으로 개발되었다.
KAIST(한국과학기술원) 물리학과 윤춘섭(尹椿燮, 54) 교수팀이 LG전자와 공동으로 개발한 청색 레이저는 청색의 색감도가 가장 높은 456nm(나노미터) 파장에서 cw(연속파) 1.7W(와트)의 세계 최고출력을 달성하였다. 지금까지 개발된 456nm 파장의 청색 레이저는 2002년 독일 함부르크(Hamburg)대학에서 달성한 0.84W가 최고 출력이었지만 레이저 디스플레이의 실용화에 필요한 2W 수준에는 미치지 못하였다. 이번에 개발된 청색 레이저는 TEMoo(횡모드oo, Transverse Electro Magnetic)의 단일 모드이고, 레이저 헤드의 크기가 4×4×10 cm3의 소형이며 출력 안정도가 ±1% 이내의 매우 우수한 특성을 보유하고 있다.
레이저 디스플레이는 빛의 삼원색인 청, 녹, 적색의 레이저를 광원으로 사용하여 이들 세 가지 색을 주사방식에 의해 적절한 비율로 혼합함으로써 모든 종류의 자연광을 낼 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 레이저 디스플레이는 선명도, 색구현, 색대비, 휘도, 화면크기에서 픽셀(화소, Pixel) 방식을 사용하는 CRT, LCD, PDP 등 타 디스플레이 기술의 추종을 불허하는 차세대의 궁극적인 디스플레이 기술로 인식되고 있으며, 일본의 Sony, 미국의 Laser Power Corporation, 독일의 Laser Display Technologie 등 선진 디스플레이 강국이 수면 하에서 치열하게 기술 개발을 진행시키고 있다.
고휘도, 대화면 레이저 디스플레이의 실용화를 위해서는 레이저의 출력이 청색 2W, 녹색과 적색이 3W 이상 이고, 출력 안정도가 ±3% 이내 이어야 한다. 삼원색 광원 중 적색은 적색 고출력 레이저 다이오드를 사용하고, 녹색은 기존 네오디뮴 레이저의 1064 nm 파장을 2차 조화파인 532 nm 파장으로 변환시켜 고출력으로 얻는데 별 문제가 없다. 그러나 청색 파장의 기본파 레이저는 3준위(레벨) 레이저로서 4준위 녹색 레이저와는 달리 상온에서 첫 번째 들뜬 상태 에너지 준위에서의 밀도 분포와 재흡수로 인해 2W급의 고출력을 내는 것이 어려웠다. 이는 레이저 디스플레이의 실용화를 가로막는 가장 큰 장애 요인이 되어 왔는데, 尹교수팀의 2W급 고출력 청색 레이저 개발의 의미는 이러한 장애 요인을 제거하여 레이저 디스플레이의 실용화를 가능케 한다는데 있다. 금번 개발된 2W 급 고출력 청색 레이저 기술은 차세대, 고화질, 대화면 레이저 디스플레이에서 국제적으로 월등히 유리한 위치를 점할 것으로 예상 된다.
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* 고출력 청색 레이저 개발의 의미
디스플레이 기술의 완결판으로 일컬어지는 고선명도, 고색감도, 고휘도, 대화면 레이저 디스플레이는 빛의 삼원색인 청, 녹, 적색의 고출력 레이저 광원이 필수적인데, 이를 위한 cw(연속파) 고출력 녹색 및 적색 레이저는 이미 개발되었으나, 고출력 청색 레이저가 개발되지 못해 레이저 디스플레이 실용화에 가장 큰 장애 요인이 되어 왔다. 최근까지 청색의 색감도가 가장 높은 456 nm 파장의 청색 레이저는 0.84W가 세계 최고 출력이었고, 이는 레이저 디스플레이의 실용화에 요구되는 2W급에 훨씬 못 미치는 수준이다. 따라서 이번 KAIST 물리학과 윤춘섭 교수팀의 2W급 고출력 청색 레이저 개발의 의미는 이러한 장애 요인을 제거하고 레이저 디스플레이의 실용화를 가능케 한다는데 있다.
2004.03.04 조회수 21835