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수 나노미터급으로 빛 모으는 3차원 광 장치 개발
우리 대학 물리학과 김명기, 이용희 교수 연구팀이 빛을 수 나노미터급 영역안으로 집속시킬 수 있는 초 고광밀도 삼차원 갭-플라즈몬 안테나(3D gap-plasmon antenna)를 개발했다.
이번 연구는 미국화학회의 나노분야 저널인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 6월 10일자에 게재됐다.
빛을 한 점으로 집속시키는 연구는 최근까지도 활발하게 이뤄지고 있다. 빛을 고밀도로 집속시킬수록 다양한 분야에서 활용 가능하기 때문이다.
하지만 빛의 파장보다 작은 크기에서 발생하는 회절(回折, diffraction) 현상은 집속을 방해한다. 이를 극복하기 위해 학자들은 금속에서는 회절한계를 뛰어넘어 빛이 가둬지는 플라즈모닉 현상을 이용해 연구를 진행 중이다.
학자들은 2차원 형태의 플라즈모닉 안테나 개발에 집중했고 연구를 통해 5나노미터 이하로 빛을 집속하기도 했다. 하지만 2차원 안테나로는 아무리 작게 모아도 나머지 한 쪽 방향으로 빛이 퍼지는 한계가 있다.
즉, 빛을 3차원 방향으로 집속시킬 수 있어야 빛의 밀도를 최대로 끌어올릴 수 있는 것이다.
연구팀은 집속 이온빔 근접 식각 (Proximal Focused-Ion-Beam Milling) 기술을 도입해 3차원 구조의 4나노미터급 갭-플라즈몬 안테나를 제작했다. 이를 통해 삼차원 나노 공간(~4 x 10 x 10 nm3)안으로 빛을 집속시켜 입사파와 비교해 40만 배 이상의 빛의 세기를 만들었다.
또한 제작된 안테나 내 높은 광밀도를 이용해 금속에서 발생하는 이차조화파 세기의 극대화에 성공했고, 음극선 발광 측정(Cathodoluminescence)장치를 이용해 빛이 나노 갭 안으로 강하게 집속됨을 확인했다.
연구팀은 이 기술이 데이터 통신과 정보 처리 속도를 테라헤르츠(THz, 1초당 1조번) 수준으로 높이고, 하드디스크 면적당 용량을 현재의 100배로 늘릴 수 있을 것이라고 밝혔다.
더불어 전자 현미경 대신 직접 빛을 이용해 분자 이하 크기의 고해상도 이미지를 추출하거나 반도체 공정을 수 나노미터 수준으로 발전시키는 기술이 가능할 것이라고 말했다.
김명기 교수는 “간단하고 새로운 아이디어가 기존 2차원 플라즈모닉 안테나 중심 연구를 3차원 공간으로 확대시켰다”며 “정보통신, 데이터 저장, 영상의학, 반도체 공정 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것이다"고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자지원사업과 중견연구자지원사업, 첨단융합기술개발사업 프로그램 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 제작된 3차원 갭-플라즈몬 안테나
그림 2. 3차원 갭-플라즈몬 안테나 구조 및 시뮬레이션 결과
그림 3. 증폭된 이차조화파 발생과 나노갭 안으로 빛이 집속된 모습
2015.06.15 조회수 13299 -
신기루 현상 착안해 테라헤르츠파 광학렌즈 개발
무더운 여름, 아스팔트 도로에 물웅덩이가 보이다가 가까이 다가가면 사라지고 좀 가다보면 또 물웅덩이가 나타난다. ‘신기루’라고 불리는 이 현상은 지표면 가까운 공기층의 큰 온도차로 인한 공기밀도 변화로 빛이 굴절되기 때문이다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수는 물리학과 안재욱 교수와 신기루 현상에서 착안한 물리적 효과를 이용해 테라헤르츠파 굴절률 분포형 렌즈를 세계 최초로 개발했다.
실리콘 소재를 곡면으로 가공해 만드는 카메라렌즈에 사용되는 기존방식과는 달리 이번에 개발된 렌즈는 평평한 실리콘 웨이퍼를 소재로 반도체 양산공정으로 제작해 비용을 최대 1/100 수준으로 낮출 수 있으며 제작시간도 훨씬 단축시킬 수 있다. 광원 추출효율은 4배 이상 향상시켰다.
테라헤르츠파는 0.1THz~30THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 높은 해상도로 정확히 식별할 수 있어 보안검색, 의료영상기술 등 비파괴 검사 도구나 의료용 진단기구의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
그러나 넓은 대역의 주파수 특성으로 인해 손실되는 전자기파의 비율이 높아 테라헤르츠파를 높은 효율로 집중시킬 수 있는 광학소자 개발이 요구됐다.
정 교수 연구팀은 평평한 실리콘에 테라헤르츠파 파장(약 300㎛) 보다 작은 80~120㎛ 크기의 구멍을 반도체 양산방법인 광식각공정으로 만들었다. 렌즈 가장자리로 갈수록 홀 사이즈는 크게 만들었다.
테라헤르츠파를 쪼이자 공기와 실리콘 중 공기 비율이 높은 가장자리는 굴절률이 낮았으며, 상대적으로 공기의 비율이 낮은 가운데는 굴절률이 높았다. 평평한 소재를 광학특성을 공학적으로 설계해 빛을 모으는 볼록렌즈와 같은 기능을 한 것으로 신기루 현상과 같은 물리적 효과와 같다.
이번 연구를 주도한 정기훈 교수는 “자연현상에서 착안해 자연계에 존재하지 않는 다양한 광학특성을 띄는 메타물질을 인공적으로 만든 것”이라며 “물질적 제약으로 인해 다양한 광학소자개발이 더딘 테라헤르츠파 기술 진보에 상당한 도움이 될 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
미래창조과학부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업, 그린나노기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 일환으로 수행된 이번 연구는 미국물리협회에서 발간하는 귄위 있는 국제학술지인 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)’에 9월자 특집논문 및 표지논문(제1저자 박상길 박사과정)으로 게재됐다.
그림1. 유전체 메타물질을 이용한 실리콘 굴절률 분포형 렌즈. 머리카락 굵기(80~120µm) 수준의 구멍이 실리콘 기판에 서로 다른 크기로 형성돼 있다.
그림2. 굴절률 분포형 렌즈 원리
그림3. 신기루 현상신기루는 아스팔트 도로 위에서 흔하게 나타나는 대기 굴절 현상이다. 이 현상은 도로면이 물체를 반사하는 것처럼 보이게 하는데 이 때문에 도로면에 물웅덩이가 있는 것처럼 착각하게 된다. 아래 사진에는 멀리서 다가오는 차의 상이 도로면을 통해 보인다. <사진 : 경기북과학고등학교 조영우 선생님 제공>
그림4. 논문표지
2014.09.24 조회수 20116 -
배추 절이는 원리로 광결정 미세캡슐 개발
- “반사형 컬러 디스플레이 소자 및 인체 주입 바이오센서에 응용가능” -- 콜로이드 및 유체역학 분야의 대가 故 양승만 교수에게 연구결과 헌정 -
우리 학교 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 하버드대와 공동으로 삼투압 원리를 이용해 차세대 광학소재로 주목받는 광결정의 미세캡슐화 기술을 개발했다.
연구결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.
남미 열대림에서 서식하는 몰포(Morpho)나비의 날개는 파란 색으로 보이지만 색소가 없다. 날개 표면에 있는 규칙적인 나노 구조로 인해 파란색 파장의 빛만을 반사하기 때문에 우리 눈에는 파란 색으로 보이는 것이다.
이처럼 물질의 광구조가 특정 파장의 빛만 반사하고 나머지는 통과하는 배열을 갖도록 만들어낸 물질을 ‘광결정’이라고 한다.
광결정은 빛의 파장 절반 수준에서 굴절률이 주기적으로 변하는데 특정 파장의 빛만을 제어할 수 있는 특성과 다양한 응용가능성을 갖고 있어 ‘빛의 반도체’라고도 불린다.
1987년 미국 벨연구소 이론 물리학자 엘리 야블로노비치(Eli Yablonovitch)와 프린스턴대학 사지브 존(Sajeev John)이 광결정 개념을 최초로 보고한 이래 지난 27년 동안 많은 과학자들이 광결정을 인공적으로 제조하기 위해 노력해왔다. 그러나 반사색이 대부분 고정된 구조에 의해 발현돼 색을 바꾸는 것이 불가능하고 제조 공정이 까다로워 상용화가 어려웠다.김 교수 연구팀은 △액체 상태의 광결정을 잉크처럼 캡슐화하고 △광결정을 덩어리 형태가 아닌 머리카락 굵기(약 100나노미터) 수준의 미세캡슐형태로 제조해 제작의 공정성을 높였으며 △고무재질의 캡슐막을 적용해 모양을 자유자재로 바꿀 수 있도록 제작했다.
연구팀은 배추를 소금물에 절일 때 발생하는 ‘삼투압현상’을 활용했다. 배춧잎은 물 분자만을 투과시키는 반투막으로 이뤄져있는데 배추가 소금물에 잠기면 높은 삼투압을 갖는 소금물이 배춧잎 내부의 물 분자를 반투막 밖으로 꺼내고 배춧잎은 부피가 줄어드는 원리를 이용한 것이다.
연구팀은 이 현상을 나노입자를 담은 미세 물방울에 적용했다. 삼투압현상에 의해 물방울의 부피가 줄어듦에 따라 나노입자가 스스로 규칙적인 구조로 배열돼 캡슐막 내부에 액상의 광결정을 만들었다. 이 과정에서 머리카락 굵기 수준의 작은 통로를 구현한 미세유체소자를 활용해 광결정 미세캡슐을 균일한 크기로 제조하는데 성공했다.
김신현 교수는 “미세 광결정 잉크캡슐은 상용화 가능한 수준으로 향후 구부리거나 접을 수 있는 차세대 반사형 컬러 디스플레이 소자 및 인체 내로 주입 가능한 바이오센서 등을 구성하는 핵심 광학소재로 사용될 수 있을 것”이라고 이번 연구 의의를 설명했다.
KAIST 및 하버드 연구진들은 이번 연구 결과를 지난해 9월 불의의 사고로 고인이 된 콜로이드 및 유체역학 분야의 세계적 대가 故 양승만 교수(前 KAIST 생명화학공학과 교수)에게 헌정했다고 전했다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부에서 지원하는 선진기술국가 국제공동기술개발사업으로 진행됐다.
□ 용어설명- 광결정 (Photonic crystals): 빛의 파장의 절반 수준에서 굴절률이 규칙적으로 변하는 물질로써 특정 에너지를 갖는 광자가 물질 내에 존재할 수 없는 광밴드갭 (photonic bandgap)을 갖는 물질을 말함. 광밴드갭에 해당하는 파장이 가시광선 영역에 있을 때, 외부에서 입사하는 백색광 중 광밴드갭에 해당하는 파장의 빛이 선택적으로 반사되어 금속 광택과 흡사한 느낌의 색깔을 보임.
- 미세유체소자(Microfluidic device) : 머리카락 굵기 수준의 미세한 유로를 집적화함으로써 유체 흐름을 매우 정교하게 제어할 수 있게 해주고, 균일한 크기와 구조의 이멀젼(emulsion) 을 생성시킬 수 있는 소자.
□ 그림설명
그림1. 삼투압 차에 따른 캡슐 크기 감소를 보여주는 모식도
그림2. 균일한 크기의 광결정 캡슐을 제조할 수 있는 미세유체소자
그림3. 초록색 및 파란색 반사색을 보이는 광결정 캡슐의 광학현미경 사진
그림4. 광결정캡슐의 변색 및 변형을 보여주는 광학현미경 사진
그림5. 자연계에 존재하는 광결정의 예: 오팔보석, 공작새 깃털, 극락조의 날개
2014.01.15 조회수 25708 -
치매 정복의 열쇠, PET-MRI 국산화 시대 열린다!
- 순수 국내기술로 PET-MRI 동시 영상 시스템 상용화기술 개발 -- KAIST, 나노종합기술원, 서강대, 서울대병원 융합연구 쾌거 -
수입에만 의존하던 최첨단 의료영상기기 분야에서 국산화에 대한 기대감이 높아지고 있다.
우리 학교 원자력및양자공학과 조규성 교수가 총괄책임을 맡고 있는 3개 대학 공동연구팀은(KAIST, 서강대, 서울대) KAIST 부설기관인 나노종합기술원(원장 이재영)과 함께 순수 국내기술로 PET-MRI 동시영상 시스템을 개발하고 이 시스템을 이용해 자원자 3명의 뇌 영상을 획득하는데 성공했다.
PET-MRI는 인체의 해부학적 영상을 보는 자기공명영상기기(MRI, Magnetic Resonance Imaging)와 세포활동과 대사상태를 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET, Positron Emission Tomography)의 장점이 융합된 최첨단 의료영상기기다. 신체 내 해부학적 정보와 기능적 정보를 동시에 확인할 수 있기 때문에 종양은 물론 치매의 정밀한 조기 진단이 가능하고 신약 개발과 같은 생명과학연구에서도 필수적인 장치다.
기존의 장비는 MRI에서 발생되는 강한 자기장의 영향으로 인해 PET과 MRI 영상을 각각 찍은 후 결합하는 분리형 방식을 주로 사용해 왔다. 이 때문에 촬영시간이 길어지고 환자의 움직임으로 인한 오차가 발생해 두 기기의 영상을 동시에 측정하는 기술이 필요해 자기장내에서 동작되는 PET 개발이 절실했다.
연구팀이 국내 최초로 개발한 일체형 PET-MRI의 핵심 기술은 크게 △자기장 간섭이 없는 PET 검출기 기술 △PET-MRI 융합시스템 기술 △PET-MRI 영상 처리 기술로 나뉜다.
PET 검출기는 전체 시스템 가격의 절반을 차지할 정도로 비싸고 가장 핵심적인 요소다. 조 교수와 나노종합기술원 설우석 박사 연구팀은 강한 자기장 내에서 사용 가능한 실리콘 광증배센서(방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭) 개발에 성공했다. 개발된 센서는 반도체 공정을 최적화해 95% 이상의 높은 양산성과 10%대의 감마선 에너지 분해능을 확보해 글로벌 경쟁력을 갖췄다.
서강대 전자공학과 최용 교수는 신개념 전하신호전송방법과 영상위치판별회로를 적용한 최첨단 PET 시스템을 개발했다. 연구결과는 창의성 및 우수성을 인정받아 지난 6월 의학물리(Medical Physics)지에 표지논문으로 게재됐다.
서울대병원 핵의학과 이재성 교수는 △실리콘 광증배센서 기반 PET 영상재구성 프로그램 △MRI 영상기반 PET 영상 보정기술 △PET-MRI 영상융합 소프트웨어 개발을 맡았다.
이 밖에 KAIST 전기및전자공학과 박현욱 교수는 PET과 MRI가 동시설치 가능한 무선주파차폐(RF Shielding) 기술을 확보하고 이를 기반으로 PET과 연계해 설치 가능한 뇌전용 헤드코일을 개발했다.
이 기술들을 바탕으로 공동연구팀은 뇌전용 PET-MRI 시스템 개발에 성공, 지난 6월 3명의 PET-MRI 융합 뇌 영상을 획득했다. 이는 실리콘 광증배센서 기반의 PET과 MRI를 융합한 기기에서 세계 최초로 획득한 인체영상이라고 연구팀은 전했다.
특히, 이 시스템은 기존 전신용 MRI시스템에 뇌전용 PET 모듈 및 MRI 헤드코일이 탈부착 가능하도록 제작해 낮은 설치비용으로 PET-MRI 동시영상을 획득할 수 있는 게 큰 특징이다.
조규성 교수는 “국산 PET의 상용화 기반을 마련하고 세계적으로도 도입기인 PET-MRI 시스템 기술에서 세계 최고 기업들과 견줄 수 있게 됐다”며 “향후 수요가 급증할 것으로 예상되는 치매를 비롯한 뇌질환 진단 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것”이라고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
산업통상자원부 산업원천기술개발사업으로 지원(7년간 총 98억원)받아 수행된 이번 연구를 통해 20여편의 특허를 출원하고 20여편의 SCI 논문을 발표했다.
그림1. 개발한 PET-MRI에서 획득한 뇌팬텀(모형) MRI, PET 및 융합 영상
그림2. 개발한 PET-MRI에서 획득한 인체(뇌) MRI, PET 및 융합 영상
그림3. 국산 PET-MRI 임상 영상 촬영 모습
그림4. MRI 내에 삽입된 Head RF 코일과 PET 검출기
그림5. 제작된 삽입형 PET 검출기 모듈
그림6. 제작된 실리콘 광증배센서(좌)와 섬광 크리스탈 블록(우)의 모습
그림7. 제작된 실리콘 광증배센서
그림8. PET 검출원리
2013.11.13 조회수 21230 -
세계 최초로 미생물 이용 가솔린 생산
- 대장균의 지방산 대사회로를 대사공학적으로 개량하여 알코올, 디젤, 가솔린 생산 -
우리 학교 연구진이 세계 최초로 대사공학적으로 개발된 미생물을 이용하여 바이오매스로부터 가솔린(휘발유)을 생산하는 원천기술을 개발했다. 이 신기술은 나무 찌꺼기, 잡초 등 풍부한 비식용 바이오매스를 이용하여 가솔린, 디젤과 같은 바이오연료, 플라스틱과 같은 기존 석유화학제품을 생산할 수 있어 생명공학 등 관련 산업기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기) 글로벌프론티어사업의 차세대 바이오매스 연구단(양지원 단장)과 기후변화대응 기술개발사업의 지원으로 이상엽 특훈 교수팀이 진행하였으며, 연구결과는 네이처(Nature) 9월 30일(온라인판)에 게재되었다.
* 논문명 : Microbial production of short-chain alkanes
연구팀은 세포의 유전자를 조작하여 원하는 형태의 화합물을 대량으로 생산하도록 하는 기술인 대사공학을 이용하여 크래킹(cracking) 없이 세계 최초로 미생물에서 직접 사용가능한 가솔린을 생산하는데 성공했다.
* 크래킹 : 끓는점이 높은 중질유를 분해하여 원료유보다 끓는점이 낮은 경질유로 전환하는 방법
가솔린은 탄소수가 4~12개로 이루어진 사슬모양의 탄화수소 화합물로 그 동안 미생물을 이용하여 ‘짧은 사슬길이의 Bio-Alkane(가솔린)’을 생산하는 방법은 개발되지 않았다. 따라서 기존 기술은 추가적인 크래킹(cracking) 과정을 거치지 않고는 가솔린으로 전환할 수 없어 비용과 시간이 많이 소요되는 한계가 있었다.
* 2010년 미국에서 사이언스지에 발표한 미생물 이용 Bio-Alkane(배양액 1리터당 약 300mg)의 경우 탄소 사슬 길이가 13～17개인 바이오 디젤에 해당
연구팀은 대사공학기술을 미생물에 적용하여 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하고, 지방산의 길이를 원하는 목적에 맞게 조절할 수 있는 효소를 새롭게 발견하였으며, 개량된 효소를 도입하여 미생물에서 생산하기 어려운 길이가 짧은 길이의 지방산 생산에 성공하였다.
또한 세포내에 생산된 짧은 길이의 지방산 유도체로부터 가솔린을 생산할 수 있는 추가 대사반응과 생물체 내에 존재하지 않는 식물 유래의 신규 효소를 포함하는 합성대사경로를 도입하여 최종 대장균 생산균주를 개발하였다. 이렇게 개발된 대장균을 배양하여 배양액 1리터당 약 580mg의 가솔린을 생산하는데 성공했다.
개발된 기술은 바이오 연료, 생분해성 플라스틱 등과 같은 다양한 바이오 화합물을 생산할 수 있는 플랫폼 기술이 될 수 있을 것으로 전망된다.
또한 이 기술을 활용하면 재생 가능한 바이오매스를 전환하여 바이오 연료, 계면활성제, 윤활유 등으로 이용할 수 있는 알코올(Fatty alcolols) 및 바이오 디젤(Fatty ester)도 생산이 가능하다는 점에서 기존의 석유기반 화학산업을 바이오기반 화학산업으로 대체하는 기반이 될 수 있을 것으로 기대된다.이상엽 교수는 “비록 생산 효율은 아직 매우 낮지만 미생물을 대사공학적으로 개량하여 가솔린을 처음으로 생산하게 되어 매우 의미있는 결과라고 생각하며, 향후 가솔린의 생산성과 수율을 높이는 연구를 계속할 예정”이라고 밝혔다.
그림 1. 대장균을 이용한 바이오 매스로부터 short-chain alkane(가솔린)을 생산하는 대사회로
a) 지방산 분해 회로 차단, b) 바이오 매스로부터 짧은 길이의 지방산을 대량 생산, c) 지방산을 가솔린 생산의 중간체인 fatty acyl-CoA로의 전환 유도, d) fatty acyl-CoA의 가솔린의 직접적인 전구체인 fatty aldehyde로의 전환 유도, e) 최종 가솔린 생산
(보충설명) 미생물의 세포 내부를 들여다보면, 매우 복잡한 지방산 대사회로 네트워크가 존재 한다. 지방산은 세포 내부에서 합성되어, 미생물이 살아가는데 필요한 세포막을 형성하거나, 분해되어 에너지원으로 사용되기도 한다. 대부분의 미생물에서 지방산은 전체 세포의 1%도 되지 않을 만큼 소량 만들어지고, 지방산의 길이 또한 매우 길기 때문에, 이러한 지방산을 이용해서 우리가 원하는 화합물을 대량으로 만들거나, 새로운 화합물을 생산하는 것은 매우 어려웠다. 이를 극복하기 위하여, 이상엽 특훈교수 연구팀은 시스템 대사공학적 기법을 대장균에 도입하여 효소의 개량 및 지방산 합성을 저해하는 요소를 제거하여 짧은 길이의 지방산 과생산에 성공하였고, 생물체내에 존재 하지 않는 신규 회로를 도입하여 지방산을 가솔린으로 전환하는데 성공하였다.
그림 2. short chain alkane을 생산하는 발효 공정 시스템 (보충 설명) 위와 같은 cooling 장치가 연결된 발효기를 통하여 가솔린을 생산함
2013.10.01 조회수 22949 -
순수한 그래핀의 양자점 개발 성공
- 수 나노미터 직경의 완전히 순수한 그래핀 양자점 개발 -- “바이오센서, 광센서, 바이오 이미징 등 다양한 분야로 응용 가능” -
우리 학교 생명화학공학과 서태석(42) 교수와 물리학과 조용훈(48) 교수 공동 연구팀은 흑연 나노입자를 이용해 순수한 그래핀 양자점을 개발하는데 성공하고 그래핀 양자점에서의 방출되는 형광 빛의 원인을 밝혔다.
연구결과는 나노분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 7월 19일자 표지논문(Back Cover)으로 게재됐다.
이번에 개발된 그래핀 양자점은 흑연으로 제작돼 인체에 무해한 친환경 소재라는 점에서 바이오센서, 광센서, 바이오 이미징 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
그래핀 양자점은 수 나노미터 이하의 직경을 갖고 있으며, 가시광 영역의 형광을 방출하는 특징이 있다.
기존 그래핀 양자점은 대부분 산화된 그래핀 양자점을 다시 환원하는 방식으로 제작했다. 따라서 그래핀 양자점 구조에 존재하는 순수한 탄소 결합과 산소 결합에 의한 형광 특성이 혼합돼 있어 발광의 근원을 정확하게 구분하기 어려웠다. 또 복잡한 화학적 방법으로 제작해 생산성이 떨어졌다.
연구팀은 그래핀 양자점의 정확한 발광 원인을 규명하기 위해 수 나노미터 크기의 흑연 나노입자를 이용해 순수한 그래핀 양자점을 산화반응 과정 없이 제작했다. 또 일반적으로 사용되고 있는 산화 과정을 흑연 나노입자에 적용해 산화 그래핀 양자점을 간단하게 제작하는 방법도 개발했다.
연구팀은 개발된 순수한 그래핀 양자점과 산화 그래핀 양자점으로부터 각각 파란색과 녹색 형광의 빛을 방출하는 것을 확인했는데, 이 두 종류의 양자점들은 산소 결합의 유무에 근본적 차이가 있다는 것을 밝혔다.
이와 함께 다양한 광분석 기법을 이용해 순수한 그래핀 양자점의 파란색 형광 현상이 벤젠 형태의 탄소 결합에 의한 것임을 규명하고, 산화 그래핀 양자점의 녹색 발광이 그래핀에 결합된 다양한 산소 기능기에 의한 것임을 규명했다.
서태석 교수는 “순수한 그래핀 양자점의 개발과 발광 특성 분석을 통해 기존에 뚜렷하게 설명되지 않았던 그래핀 양자점에서의 파란색 형광 빛의 원인을 밝혀냈다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
KAIST 생명화학공학과 페이 리우(Fei Liu), 물리학과 장민호(제1저자) 박사과정 학생이 서태석, 조용훈 교수의 지도를 받아 수행한 이번 연구는 환경융합 신기술개발사업과 KAIST 나노융합연구소의 그래핀 연구센터 지원으로 수행됐다.
서태석 교수(왼쪽), 조용훈 교수(오른쪽)
2013.08.07 조회수 14770 -
C형 간염 바이러스의 간 손상 메카니즘 규명
- 부작용 없이 간세포 손상 억제하는 치료제 개발 길 열어 -- 의학분야 세계 최고수준 학술지 ‘헤파톨로지’ 9월호 표지논문 장식 -
의사출신으로 구성된 KAIST 연구진이 C형 간염 바이러스 기전을 밝혀내 치료제 개발에 탄력을 받게 됐다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 최철희 교수와 의과학대학원 신의철 교수팀이 공동으로 C형 간염 바이러스에 감염된 환자의 간 손상에 대한 메카니즘을 세계 최초로 규명했다.
이번 연구결과로 앞으로 부작용이 없으면서도 간세포 손상이 적은 C형 간염 바이러스 치료제가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
C형 간염은 C형 간염 바이러스(HCV, Hepatitis C virus)에 감염되었을 때 이에 대응하기 위한 신체의 면역반응으로 인해 간에 염증이 생기는 질환이다.
C형 간염 바이러스는 전 세계적으로 약 1억 7천만 명, 그리고 우리나라에서도 1%정도가 감염되어 있는 것으로 추정된다. 감염되면 대부분 만성으로 변하며, 간경변증이나 간암을 유발해 사망할 수 있는 무서운 질병이다.
하지만 2005년 시험관 내 세포에서 C형 간염 바이러스의 감염이 성공하기 전까지는 세포실험이 불가능했고, 침팬지 이외에는 감염시키는 동물이 없어 동물실험이 어려워 연구에 한계가 있었다.
연구팀은 C형 간염 바이러스에 감염시킨 세포주를 이용해 바이러스가 면역을 담당하는 세포에 의해 분비되는 단백질인 종양괴사인자(TNF-α)에 의한 세포의 사멸이 크게 증가하는 메카니즘을 세계 최초로 밝혀냈다.
이와 함께 이러한 작용을 일으키는 바이러스 구성 단백질도 규명에도 성공했다.
기존에는 C형 간염 바이러스가 간 손상을 일으키는 기전을 밝혀내지 못해 주로 바이러스의 증식을 억제하는 데 초점을 맞춰 신약이 개발돼 부작용이 많았다.
이번 연구결과를 통해 바이러스에 의한 간세포 손상을 억제하는 부작용 없는 신약개발이 가능하게 될 것으로 전망된다.
최철희 교수는 “이번 연구를 통해 C형 간염 바이러스가 숙주의 간세포와 어떤 상호 작용을 하는지 밝혀내 감염 환자의 치료법을 획기적으로 개선할 수 있을 것”이라고 말했다.
신의철 교수는 “이번 연구는 기초의학과 응용의학의 융합연구가 성공한 대표적 사례”라며 “앞으로도 다학제간 융합연구를 실시하면 그동안 풀지 못했던 난제들을 효율적으로 해결할 수 있을 것”이라고 강조했다.
한편, 교육과학기술부 미래기반기술개발사업(신약타겟검증연구사업)의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 의학 분야의 세계적 학술지인 헤파톨로지(Hepatolog, Impact Factor=11.665) 9월호 표지 논문으로 선정됐다.
□ 연구 세부사항 설명
TNF-α(종양괴사인자)는 면역을 담당하는 세포에 의해 분비되는 단백질이다. HCV에 감염되면 바이러스의 증식을 억제하기 위해 체내의 면역작용이 활발해지고 TNF-α의 분비도 늘어난다.
TNF-α는 세포의 생존을 담당하는 NF-κB 신호전달과 세포의 죽음을 담당하는 JNK 신호 전달을 동시에 활성화시킨다. HCV에 감염되면, 세포의 생존을 담당하는 NF-κB 쪽 신호전달 경로만 선택적으로 활성을 억제하게 되고, TNF-α의 역할은 세포의 죽음 쪽으로 균형이 기울게 된다.
바이러스의 증식을 억제하기 위해 분비된 TNF-α가 오히려 간세포를 죽이게 되는 것이다. 이는 곧 간 손상을 뜻하며, HCV를 구성하는 10가지의 단백질 중 core, NF4B, NS5B 라는 단백질이 이러한 작용을 한다고 규명해냈다.
2012.09.04 조회수 14977 -
‘테라헤르츠파’를 아시나요?
정기훈 교수
- 광학나노안테나 접목해 테라헤르츠파 출력 최대 3배 향상시켜 -- 내시경 등 초소형 바이오 진단시스템 등 다양한 분야 응용 기대 -
광학계의 블루오션이라 불리는 ‘테라헤르츠파’의 출력이 KAIST 연구진에 의해 크게 향상됐다. 앞으로 휴대용 투시카메라나 소형 바이오 진단시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
우리 학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 광학나노안테나 기술을 접목해 테라헤르츠파의 출력을 기존보다 최대 3배 증폭시키는 데 성공했다.
테라헤르츠파는 100GHz에서 30THz 범위의 주파수를 갖는 전자기파로, 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 투과력이 강할 뿐 아니라 X선보다 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않는다.
이러한 특성으로 X-ray처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있으며, 주파수 내에서 특정 영역을 흡수하기 때문에 X선으로는 탐지하지 못하는 우편물 등에 숨겨진 폭발물이나 마약을 찾아낼 수 있다. 심지어 가짜약도 판별해낼 수 있다.
또한, 분광정보를 통해 물질의 고유한 성질을 특별한 화학적 처리 없이 분석할 수 있어 인체에 손상이나 고통을 주지 않고도 상피암 등 피부 표면에 발생하는 질병을 효과적으로 즉시 확인할 수 있다.
테라헤르츠파는 펨토초(10-15초) 펄스레이저를 광전도 안테나가 형성된 반도체기판에 쪼여주면 피코초(10-12초) 펄스 광전류가 흐르면서 발생된다. 그러나 출력이 부족해 바이오센서 등 다양한 분야의 상용화에 어려움이 있어 그동안 과학자들이 출력을 증폭시키기 위한 많은 노력들이 이어졌다.
정 교수 연구팀은 광전도안테나 사이에 금 나노막대로 구성된 광학나노안테나를 추가하고 구조를 최적화했다. 그 결과 광전도기판에 나노플라즈모닉 공명현상이 발생되면서 광전류 펄스가 집적도가 높아져 출력이 최대 3배까지 증폭됐다.
이에 따라 물체의 내부를 더욱 선명하게 볼 수 있을 뿐만 아니라 생검을 하지 않고도 좋은 영상과 함께 성분 분석이 가능해졌다.
정기훈 교수는 “이번에 개발한 원천기술을 테라헤르츠파 소자 소형화 기술과 결합해 내시경에 응용하면 상피암을 조기에 감지할 수 있다”며 “앞으로 이 같은 바이오센서 시스템을 구축해 상용화하는 데 주력할 것”이라고 말했다.
바이오 및 뇌 공학과 박상길 박사과정, 진경환 박사과정, 예종철 교수, 이민우 박사과정, 물리학과 안재욱 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 나노분야 세계적 학술지 ‘ACS Nano" 3월호(27일자)에 실렸다.
한편, 이번 연구는 지식경제부 및 한국산업기술평가원의 산업융합기술/산업원천기술개발사업 및 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단의 도약연구자지원사업 등의 일환으로 수행됐다.
그림1. 나노안테나를갖는THz 발생기 전자현미경사진: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성소자의 전자현미경 이미지.
그림2. NP-PCA 개념도: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성 소자의 개념도. 테라헤르츠 광전도 안테나 사이의 집적된 광학나노안테나에 의해, 광전류 펄스를 생성하는 펨토초 광펄스의 세기가 기판 표면에서 증가한다. 이를 통해 기존 테라헤르츠 생성소자의 테라헤르츠 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.
그림3.나노안테나를갖는THz 발생기모식도 : 광학나노안테나에 의한 증가되는 테라헤르츠 파 출력의 가상도.
2012.04.23 조회수 21069 -
KAIST, 의료영상기기의 블루오션을 개척한다!
- PET-MR 검출기 용 반도체형 실리콘 광증배관 국산화개발 성공 -
- 2년 이내에 순수 국내기술로 상용화 가능 -- 전량수입에 의존하던 방사선 검출기의 국산화도 가능 -
우리 학교 원자력 및 양자공학과 조규성 교수 연구팀과 나노종합팹센터(소장 이귀로) 설우석 박사 연구팀이 공동으로 의료영상기기 중 하나인 PET-MR의 핵심소자인 ‘실리콘 광증배관(SiPM)’을 개발하는 데 성공했다.
실리콘 광증배관은 의료영상기기의 방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭하는 부품이다. 현재 국내에서 시판되는 PET-MR 가격이 약 50억원인데 이 부품은 전체 가격의 10% 이상을 차지할 정도로 매우 고가다.
실리콘 광증배관의 필요성이 최근 들어 크게 대두되고 있지만, 개발이 어려워 전 세계에서 독일, 일본, 미국 등 선진국들만 이 기술을 보유하고 있다. 앞으로 조 교수 연구팀이 개발한 기술이 상용화되면 국내시장 규모가 2010년 3000억원에 달했으나 국산 부품이 전무했던 PET 분야에서 커다란 경제적 파급효과를 낼 것으로 예상된다.
PET-MR은 인체조직의 해부학적 영상과 물질대사의 분석이 가능한 자기공명영상기기(MRI, Magnetic Resonance Imaging)와 인체의 세포활동과 대사상태를 분자 수준까지 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET, Positron Emission Tomography)의 장점이 결합된 최첨단 의료영상기기다.
이처럼 PET와 MRI의 장점만 갖춘 꿈의 의료영상기기인 PET-MR의 상용화를 위해 실리콘 광증배관 개발이 필수적이다.
진공관식 광증배관을 이용하는 기존의 PET는 MR장비의 강한 자기장으로 인해 심각한 영상 왜곡이 발생하기 때문이다.
연구팀은 조도가 낮은 PET 감마선 섬광신호를 측정하는 실리콘 광증배관의 구조를 최적화하고 반응속도를 높여 에너지와 시간분해능을 동시에 향상시켰다. 또 소자 내부증폭을 통해 저조도의 광량을 100만배 증폭 시킬 수 있어 단일광자까지 측정 가능하도록 만들었다.
이와 함께 제작 공정을 단순화해 진공관식 광증배관 대비 1/10 수준의 가격경쟁력을 갖췄으며, 크기는 1/1000 수준으로 소형화를 실현했다.
조 교수 연구팀이 개발한 실리콘 광증배관은 올해 동물실험을 거쳐 앞으로 2년 이내에 우선적으로 뇌전용 PET-MR에 적용해 상용화할 계획이다.
조규성 교수는 “실리콘 광증배관의 국산화를 통해 PET와 같은 의료영상기기는 물론 후쿠시마 원전사고 이후 세계적인 수요가 급증하고 있지만 우리나라로서는 전량 수입에 의존하는 방사선 검출기의 국산화도 가능하게 됐다”며 “원전수출의 급물살에 이어 국내 방사선기기 기술의 해외시장 진출도 머지않았다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 지식경제부가 지원하는 산업 원천기술개발사업의 일환으로 지난 4년간 수행됐다.
<용어설명>
● 실리콘 광증배관(SiPM)- Silicon Photo Multiplier의 약자로 소자의 내부증폭을 이용하는 광다이오드의 한 종류다. 일반적인 광다이오드는 흡수한 광신호를 외부 증폭회로를 통해 증폭시키게 되는데 이때 외부 잡음도 함께 증폭되는 문제가 있다. 실리콘 광증배관은 소자의 내부에서 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어 단일 광자까지 측정가능 한 소자이다.
● 진공관식 광증배관(PMT)- 광전효과를 이용하여 빛을 증폭시키는 소자이다. 입사된 광자를 전자로 변환시킨 뒤 전기장하에서 가속하여 증폭시키는 과정을 반복한다. 증폭률이 100만배에 가깝고 그 성능을 인정받아 현제까지 가장 많이 사용되고 있는 광소자이다. 하지만 자기장 하에서 전자의 움직임이 영향을 받아 PET-MR에 사용할 수 없다.
● 양전자방출단층촬영기기(PET)- 환자에 양전자를 방출하는 동위원소를 주입한 뒤 특정부위에서 양전자가 방출되면 180° 방향으로 전자의 소멸에 의한 소멸방사선이 발생된다. 이때 환자를 둘러싼 링형태의 검출기에서 두 개의 소멸방사선을 동시에 계측하여 위치를 추정하게 된다. 암은 형성 초기에 다량의 포도당을 이용하여 에너지를 사용하므로 동위원소 표지가된 포도당을 주입하여 암의 조기 진단이 가능하다. 또한 CT나 MRI와 달리 신진대사 및 분자의 거동을 볼 수 있어 분자영상기기라고도 불린다.
● 감마선 - 방사선의 일종으로 에너지가 높아 투과율이 가장 높다. PET에서
사용되는 동위원소에서는 전자의 소멸에 의해 511keV의 감마선 쌍이 180도 방향으로 방출된다.
● 에너지 분해능 - 방사선 측정기에서 서로 다른 에너지의 방사선을 구별할 수
있는 능력. 에너지 분해능이 높아야 잡음 및 외부 방사선으로부터 표적물질이 구분 가능하다.
● 시간 분해능 - 방사선 측정기에서 측정된 서로 다른 신호의 반응 시간을 구별 할 수 있는 능력. 시간 분해능이 높아야 180도 방출된 소멸방사선의 동시계수가 가능하다.
<보충자료>
▣ 의료영상기기의 특징 및 현황(2011년 6월 기준)
1) CT
- 원리 : 빛 에너지인 X선을 360도 각도에서 촬영해 재구성한다. 2차, 3차원 영상촬영이 가능하다
- 특징 : 조직의 밀도차이를 구별한다. 움직이는 장기(심장, 폐, 내장) 촬영에 적합하다. MRI보다 저렴하며 조영제를 쓰기도 한다.국내보유 : 1743대, 대당가격 : 15억원
2) PET
- 원리 : 방사성 약을 인체에 주사하면 포도당 등과 결합해 양전자가 나온다. 이때 나오는 감마선 신호를 영상화 한다.
- 특징 : 인체 조직의 기능과 대사 상태를 영상화한다. 한 번 만에 전신을 찍는다. 문제 위치를 정확히 드러내지 않아 최근 CT와 융합해서 많이 사용한다.국내보유 : 155대, 대당가격 : 20억원
3) MRI
- 원리 : 체내 물 성분의 하나인 수소 원자핵에 자기장을 걸고 핵 진동을 일으켜 신호를 분석한다.
- 특징 : 수분이 많은 근육, 인대, 물렁뼈, 디스크, 혈관, 지방, 뇌를 CT보다 정확히 보여준다. 방사선을 쓰지 않는다.국내보유 : 985대, 대당가격 : 20억원
▣ PET-MR의 임상적 유용성
PET-MR은 PET(양전자단층촬영장치)와 MRI(자기공명영상장치)의 장점만을 합친 퓨전(융합)영상기기이다.
–PET는 뇌세포의 유전자 및 분자과학적인 변화를 알 수 있지만, 공간해상도가 떨어진다는 단점이 있다.
–반대로 MR은 수백 mm 정도로 해상도가 높으나 유전자 및 분자과학적인 변화를 볼 수 없다.
•PET-MR은
–두 영상기기의 단점을 해결해, 뇌 세포의 기능 및 분자과학적인 변화를 3차원 고정밀 영상으로 얻을 수 있다.
–6겹으로 이루어진 뇌의 피질을 층마다 분리해 정밀하게 볼 수 있으며(해부학적 고해상도 영상), 뇌의 미세혈관도 분자수준에서 관찰(생리학적 고민감도 영상)이 가능하다.
–MRI영상과 PET 영상을 동시에 얻음으로써 같은 위치에 있는 조직의 생화학적 변화를 동시에 관찰하여 진단의 민감도(sensitivity, TP)와 특이도(specificity, TN)를 향상시킬 수 있다.–저해상도 PET 영상이 호흡이나 심장박동과 같이 인체의 motion artifact에 의해 저해되는 것을 gated MR 영상을 이용하여 보정할 수 있다.
▣ 시장규모-2010년 미국의 PET 및 PET-CT 시장은 약 5.2조원으로 5년 평균 16.7%성장률을 기록하고 있다. 한국의 PET시장은 2010년 까지 150대에 이르는 PET기기 도입으로 3400억에 이르는 시장을 형성하고 있다. 또한 고령화 사회로 진입함에 따라 암, 치매에 대비한 PET-CT 혹은 PET-MR 융합기기의 수요가 증가하여 더 큰 규모의 시장형성이 예상된다.
▣ SiPM개발의의Siemens사는 실리콘 Avalanche photodiode (APD)를 이용하여 직접 융합하는 방식의 PET-MR을 2010년 후반부에 출시한 바 있다. 하지만 실리콘 APD는 진공관식 증배관에 비해 자기장에 강하지만 증폭도가 낮고 이득이 불안정한 것이 단점이다. 실리콘 광증배관은 5~6년전 아일랜드의 SensL사가 최초로 상용화한 광센서로서 실리콘 APD와 진공관식 광증배관의 장점만을 취할 수 있기 때문에 낮은 조도의 광신호를 크게 증폭시킬 수 있는 데 심지어는 단일 광자까지 측정 가능하다. 또한 기존 진공관식 광증배관에 비해 소형이고 양산성이 좋아 경제성이 높은 새로운 광 소자로써 각광을 받아 국내외 연구가 활발히 진행되고 있다.
<그림설명>
그림1. 반도체형 광증배관과 섬광체 단결정이 결합된 PET 검출기 개념도
그림2. 연구팀이 개발한 PET-MR용 반도체형 광증배관 사진
그림3. 마이크로 셀 어레이로 구성된 실리콘 광증배소자
그림4. 단일 광증배소자 (우상) 및 4x4 어레이구조의 16채널 광증배소자(우하)
그림5. 격자형 섬광결정과 어레이형 실리콘 광증배소자 및 신호처리회로가 결합된 PET 검출기 모듈
2012.01.26 조회수 25122 -
스마트폰 질병진단 원천기술 개발
- 신개념의 생체분자 검출기술로 휴대용 체외진단 분야에 획기적 원천기술- 화학분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미’ 1월호(16일자) 표지논문 선정
스마트폰으로도 질병을 진단하는 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
우리 학교 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 스마트폰을 비롯한 휴대용 개인기기에 널리 이용되고 있는 정전기방식의 터치스크린을 이용해 생체분자를 검출하는 원천기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
앞으로 병원에 가지 않고도 스마트폰을 가지고 간단한 질병을 진단하는 시대가 열릴 것으로 기대된다.
최근 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 적용되는 정전기방식의 터치스크린은 일반적으로 손가락의 접촉을 통해 발생하는 터치스크린 표면의 정전용량 변화를 감지해 작업을 수행하도록 설계돼 있다.
연구팀은 DNA가 자체의 정전용량을 가지고 있으며, 농도에 따라 정전용량이 변화한다는 사실에 착안해 정전기방식의 터치스크린을 생체분자 검출에 활용할 수 있을 것이라고 예상했다.
이를 규명하기 위해 연구팀은 대표적인 생체분자인 DNA를 터치스크린 위에 가하고 정전용량 변화량을 감지했다. 실험결과 터치스크린을 이용해 DNA의 유무와 농도를 정확하게 검출할 수 있었다.이 결과에 따라 DNA뿐만 아니라 세포, 단백질, 핵산, 등 대부분의 생체분자가 정전용량을 갖고 있기 때문에 다양한 생체물질의 검출에도 활용될 수 있다는 가능성을 제시했다는 게 이 기술의 큰 특징이다.
박현규 교수는 “모바일 기기 등에 입력장치로만 이용해 왔던 터치스크린으로 생체 분자 등의 분석에 이용할 수 있음을 세계 최초로 입증한 결과”라며 “이 원천기술을 이용해 앞으로 터치스크린 기반의 스마트폰 또는 태블릿 PC 등을 이용해 개인이 질병을 진단하는 시대가 올 것”이라고 말했다.
이와 함께 논문의 제1저자인 원병연 연구조교수는 “현재는 생체분자의 유무 또는 농도만 측정 가능한 단계이며, 앞으로 특정 생체분자를 선택적으로 검출할 수 있는 기술을 개발해 가까운 시일 내에 상용화에 주력할 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 지식경제부가 시행하는 ‘산업원천기술개발사업’으로 수행됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 화학 분야의 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 1월호(16일자) 표지논문으로 선정됐다.
그림1. 터치스크린을 이용한 생체 분자 검출 시스템 모식도 (앙게반테 케미 논문 표지). 휴대용 모바일 기기의 입력장치인 터치스크린 위에서 세포, 단백실, 핵산, 소분자 등의 생체 분자를 검출할 수 있다.
그림2. 정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 surface capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 여러 지점을 동시에 접촉했을 때 접촉점의 시료 농도에 따라 터치 신호의 위치가 변하는 원리를 이용한 방법. 동시에 두 개의 미지 시료의 농도를 측정할 수 있다.
그림3. 정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 projected capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 현재 스마트폰 등에 쓰이는 터치스크린 방식으로서, 터치스크린 표면 내부에 여러 라인의 전극이 패턴되어 있어, 각 전극의 정전용량 변화를 각각 측정함으로써 여러 접촉 시료의 농도를 동시에 검출할 수 있다.
2012.01.16 조회수 18333 -
꿈의 신소재 ‘그래핀’ 활용한 차세대 메모리 소자 개발
[그림] 기존 실리콘 기반 전하포획방식 플래쉬 메모리 소자에 그래핀 전극이 도입된 모식도
- Nano Letters지 발표,“기존 생산라인을 그대로 이용하여 바로 양산할 수 있는 차세대 플래시 메모리 소자”-
금속 전극을 그래핀*으로 대체하면 기존의 플래시 메모리** 소자의 성능과 신뢰도가 획기적으로 개선된다는 사실이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
조병진 교수(한국과학기술원)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 미래기반기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters"지에 온라인 속보(11월 22일)로 게재되었다.
(논문명 : Graphene Gate Electrode for MOS Structure-based Electronic Devices)
특히, 이번 연구성과는 그래핀이 먼 미래의 반도체 소자가 아닌 현재 양산 중인 반도체 소자에도 바로 활용할 수 있는 소재인 점을 증명한 첫 사례라는 점에서 그 의미가 크다.
* 그래핀(Graphene) : 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 높은 전도성과 전하 이동도를 갖고 있어 향후 응용 가능성이 높아 꿈의 신소재로 불림
** 플래시 메모리(Flash Memory) : 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 컴퓨터 기억장치의 일종으로, 스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 전자장치에 폭넓게 사용됨
조병진 교수 연구팀은 기존의 실리콘 기반의 반도체 소자(전계효과 트랜지스터*)에서 금속 게이트 전극을 그래핀 전극으로 대체하면, 미래의 반도체 시장에서 요구하는 성능과 신뢰도를 확보할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이 기술은 기존의 반도체 제조 공정에서 크게 바뀌는 부분이 없어서 머지않아 양산에 적용할 수 있다.
* 전계효과 트랜지스터(field effect transistor) : 전압(게이트 전압)으로 전류(드레인 전류)를 제어하는 형식의 가장 일반적이고 광범위하게 쓰이고 있는 반도체 소자
최근 그래핀의 우수한 전기적 특성을 활용하여 초고속 반도체, 신개념 로직 반도체* 등을 구현하기 위해 전 세계적으로 활발히 연구되고 있지만, 10~20년 후에나 상용화될 수 있는 기초․원천연구가 대부분이다.
※ 로직(Logic) 반도체 : 기억 기능을 하는 메모리 반도체와는 달리 데이터를 연산․처리하는 반도체
또한 지금까지 그래핀을 현재 세계 반도체 시장의 핵심 주류인 실리콘 기반 전자소자의 한 부분으로서 적용한 적은 없었다.
현재 국내외 기업에서는 20나노미터* 이하 급에서 사용될 것으로 예상되는 전하포획방식**의 플래시 메모리 소자를 연구 개발 중이다. 하지만 이 방식의 플래시 소자는 데이터 보존 특성이 시장의 요구조건(멀티비트 동작 시 섭씨 150도에서 10년 이상 데이터 보존 등)을 아직 충족시키지 못해 현재까지 대량으로 상용화되지 못하고 있다.
* 나노미터(nano meter) : 10억분의 1미터로, 1나노미터는 대략 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1
** 전하포획 플래시(Charge Trap Flash) 메모리 : 전하를 기존의 도체가 아닌 부도체 물질에 저장하는 방식으로, 새로운 반도체 나노공정을 이용해 개발한 비휘발성 메모리
그러나 이번 성과는 현재 국내외 기업들이 집중적으로 연구개발하고 있는 전하포획방식의 플래시 메모리 소자에 그래핀 전극을 사용하면, 데이터 보존 특성이 바로 시판할 수 있는 성능과 신뢰도로 크게 개선(데이터 10% 손실시간 기준으로 기존 소자에 비해 10,000배 개선)될 뿐만 아니라, 데이터 씀과 지움 간의 전압차이가 70%나 개선되는 등 20나노미터이하의 플래시 메모리 소자의 상용화에 가장 큰 기술적 장벽을 극복할 수 있음을 실험으로 증명하였다.
이것은 그래핀이 세상에서 존재할 수 있는 가장 얇은 단원자층 물질이고 신축성과 유연성이 뛰어나, 기존의 금속 전극과는 달리 전극 아래에 위치한 게이트 유전막에 기계적 스트레스를 발생시키지 않기 때문인 것으로 확인되었다. 또한 이번 연구를 통해 그래핀이 갖는 큰 일함수*도 데이터 보존 특성을 향상시킬 수 있는 또 다른 장점으로 파악되었다.
※ 일함수(Work function) : 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는데 필요한 최소의 일(에너지)
조병진 교수는 “이번 연구결과는 새로운 나노기술을 기존의 반도체기술에 융합하여 기존 기술의 한계를 극복한 대표적인 예로서, 그래핀이 먼 미래만의 소재가 아닌 지금 또는 바로 다음 세대 반도체 핵심 소자에 즉시 적용될 수 있음을 보여주는 첫 사례이다. 또한 이번 연구결과를 응용해서 그래핀을 플래시 메모리 소자뿐만 아니라 자동차 전자제어장치, 군사용 및 의료 시스템 등 반도체 소자의 신뢰성이 특별히 중요한 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
조병진 교수와 함께 이번 연구에 함께 참여한 연구팀, (뒷줄 왼쪽부터) 신우철 학생, 박종경 학생, 송승민 학생
2011.11.21 조회수 20085 -
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 15590