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대사공학적으로 개량된 박테리아로 범용 플라스틱 생산기술 개발
- 이상엽 교수팀과 LG 화학 연구팀 공동개발
- 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)지 게재예정
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 45세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장) 특훈교수팀과 LG화학 기술연구원(원장 유진녕) 박시재, 양택호박사팀이 4년여 간의 공동연구를 통해 박테리아를 이용하여 재생 가능한 바이오매스로부터 플라스틱을 생산하는 기술을 최근 개발했다.
교육과학기술부 시스템생물학 연구개발 사업과 LG화학 석좌교수 연구비로 지원된 이번 연구에서는 시스템 대사공학과 효소공학 기법을 접목, 자연적으로는 생성되지 않는 플라스틱(unnatural polymer)의 일종으로 최근 각광을 받고 있는 폴리유산(Polylactic acid, PLA)을 효율적으로 생산할 수 있는 대장균을 개발한 것이다.
이번 연구 결과는 바이오공학 분야 최고 전통의 바이오테크놀로지 바이오엔지니어링(Biotechnology and Bioengineering)지에 게재 승인됐으며 스포트라이트 논문(Spotlight paper)으로 선정돼 2010년 1월호에 두 편의 연속 논문으로 게재될 예정이다.
두 논문의 제목은 ‘개량된 프로피오네이트 코엔자임 에이 트랜스퍼레이즈와 폴리하이드록시알카노에이트 중합효소를 이용한 폴리유산과 그의 공중합체의 생합성(Biosynthesis of Polylactic acid and its Copolymers Using Evolved Propionate CoA Transferase and PHA Synthase)’과 ‘폴리유산과 그의 공중합체의 생산을 위한 대장균의 대사공학(Metabolic Engineering of Escherichia coli for the Production of Polylactic Acid and its Copolymers)’이다. 19건의 특허가 전 세계 출원 중이다.
기존의 복잡한 2단계 공정을 통해 생산되던 폴리유산을 재생가능한 원료로부터 미생물의 직접 발효에 의해 생산이 가능하도록 한 혁신적인 본 연구 전략은 앞으로 석유 유래 플라스틱을 대체할 수 있는 다양한 비자연 고분자(unnatural polymer)들의 생산에 활용될 획기적인 기술로 평가되고 있다.
폴리유산 (Polylactic acid, PLA)은 많은 바이오매스 유래 고분자들 중에서도 생분해성, 생체적합성, 구조적 안정성, 그리고 낮은 독성과 같은 뛰어난 물성으로 인해 석유 유래 플라스틱의 대체물로서 대두되고 있다.
그러나, 폴리유산은 현재 두 단계 공정으로 합성된다. 우선, 미생물 발효를 통해 유산(락트산, Lactic acid)을 생산, 정제한 후 여러 가지 시약, 용매 및 촉매가 첨가되는 복잡한 공정의 화학적 중합반응에 의해 폴리유산이 합성된다.
또한, 폴리유산의 물성을 다양하게 개선하기 위해 폴리하이드록시알카노에이트 (Polyhydroxyalkanoate, PHA)와 같은 다른 고분자들과의 공중합이나 혼합반응 등의 연구가 이루어지고 있다.
이러한 노력에도 불구하고, 공중합 반응에 사용되는 락톤계 모노머들의 가용성과 비용을 고려했을 때, 기존의 화학적 합성 방법은 효과적이지 않다. 이에, 미생물 유래 고분자인 폴리하이드록시알카노에이트의 생합성 시스템을 기반으로, 폴리유산과 그의 공중합체들의 생합성이 가능할 수 있는 대사경로를 효소공학을 통해 구축했다.
그러나, 외래 대사경로의 도입 및 조작만으로는 폴리유산 단일 중합체와 유산의 함량이 높은 공중합체의 생산이 효율적이지 않아, 시스템 수준으로 세포 내 대사흐름을 증가시킬 필요성을 인지했다. 이에, 대장균 균주의 인실리코 게놈 수준의 시뮬레이션을 이용한 대사흐름분석 기법을 활용하여 고분자 생산을 위한 주요 전구체의 대사 흐름을 논리적으로 강화시킴으로써, 세포성장과 함께 목적 고분자의 효율적 생산이 가능하도록 했다.
따라서, 효소공학을 통한 고분자 합성 경로의 직접적 조작 및 강화 뿐 아니라, 시스템 대사공학을 통한 논리적 접근으로 조작된 대사흐름을 바탕으로 다양한 폴리유산 플라스틱을 보다 효율적으로 생산할 수 있었다.
이는 시스템 대사공학과 효소공학을 접목시킨 고기술 전략으로 비자연 고분자를 효율적으로 생산한 최초의 성공적인 예로서, 재생가능한 자원으로부터 폴리유산뿐 아니라 석유유래 플라스틱을 대체할 수 있는 다른 비자연 고분자들의 일단계 생산을 위한 기반 기술을 마련해줌으로써, 플라스틱 생산 공정에 있어 새로운 전략을 제시했다.
李 교수는 “자연계에 없는 고분자를 미생물로 생산하는 것이 과연 될까? 라는 의문을 갖고 시작했다. 우리 KAIST 연구실의 정유경박사와 LG화학 기술연구원 연구팀원 10여명이 4년간의 끈질긴 노력 끝에 성공했다”며, “이번 연구는 대장균의 가상세포 시뮬레이션을 통해 세포 내 대사흐름을 목적한 고분자 생산에 유리하도록 논리적으로 조작하고, 고분자 생합성 경로를 구성하는 외래 효소들을 새롭게 만들어 도입함으로써, 강화된 대사흐름을 이용해 보다 효율적으로 목적 고분자를 생산할 수 있는 균주를 개발하는데 성공한 세계 첫 번째 케이스다. 특히, 유산이 단량체로 함유된 공중합체의 경우에는 세계최초로 만든 것이 되어 물질특허들로 출원중이다”라고 밝혔다.
한편, 이 혁신적인 연구 성과는 22일 미국 CNN 홈페이지의 Top기사 등 해외언론의 주요기사로 소개됐다. 주요내용은 한국의 KAIST 이상엽 교수팀과 LG화학 연구팀이 전 세계적으로 석유고갈, 지구온난화 및 환경오염 문제로 재생가능한 자원을 이용한 바이오매스 기반 기술의 개발이 시급한 현 시대의 흐름에 부응하면서, 재생가능한 자원으로부터 효율적으로 바이오공학을 통한 플라스틱 (Bioengineered plastics) 폴리유산의 생산이 가능한 대장균 균주를 개발했다는 내용이다.
2009.11.24
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김봉수 교수 연구팀, 그래핀을 이용한 플렉서블 전계방출 디스플레이(FED)용 이미터 전극 개발
-『Advanced Materials』온라인판 11월 5일자 게재 -
우리대학 화학과 김봉수 교수 연구팀이 新소재 그래핀 위에 코발트 게르마늄 나노선을 성장시켜 ‘차세대 플렉서블 전계방출 디스플레이’용 이미터 전극을 개발했다. ‘차세대 플렉서블 전계방출 디스플레이(FED)"용 고효율 · 고내구성 이미터(Emitter) 전극 기술이 개발되어, 향후 초박형(超薄形) 두루마리 컴퓨터 · TV, 3차원 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
‘꿈의 디스플레이로’로 불리는 전계방출 디스플레이(Field Emission display, FED)는 LCD보다 얇게, 브라운관 화질보다 선명하게 화면을 구현할 수 있고, 전력소모가 LCD의 1/4, PDP의 1/6밖에 안 들며 내부에 수은 등 공해 물질이 전혀 없는 친환경 디스플레이다. 특히 휘도가 아주 높아서 차세대 3차원 디스플레이를 구현할 수 있다.
FED는 상하 기판 사이에 진공으로 채워진 구조로 되어있으며, 상판(양극판)에는 형광체가 도포되어 있고, 하판(음극판)에는 미세한 마이크론 크기의 전자발사체(Emitter) 들이 무수히 형성되어 있다.
우수한 FED를 만들기 위해서는 고효율․안정한 구조의 이미터가 무엇보다 중요한 데, 지금까지 이미터 재료로서 주로 연구되던 탄소나노튜브(CNT)는 깜빡거림 및 내구성 등의 문제점을 가지고 있었다.
김봉수 교수 연구팀은 새로운 이미터 재료로 최근 新소재로 각광받고 있는 그래핀과 단결정 코발트 게르마늄 합금을 활용하여, ‘플렉서블’하면서 ‘효율적인’ 전계 방출 디스플레이 개발의 새로운 전기(轉機)를 마련했다.
그래핀은 흑연에서 얇은 한 층을 떼어낸 것으로 투명하고 수 nm이하의 초박형 제작이 가능하며, 뛰어난 전기전도성과 열전도성을 지니고 있어 고성능 투명전극으로 적합하다. 금번 연구팀은 큰 종횡비를 가지고 화학적 및 열적 내구성이 매우 우수한 단결정 코발트 게르마늄 합금 나노선을 최초로 개발했고, 이를 다층 그래핀 위에 수직으로 성장시키는 데 성공했다. 이 구조는 탄소나노튜브(CNT)에 필적하는 뛰어난 전계방출 특성을 보이면서 보다 우수한 내구성을 가지는 것으로 나타났다.
김봉수 교수는 "투명하고 구부릴 수 있는 그래핀 전극 위에 코발트 게르마늄 합금 나노선을 결합시켜 개발된 고효율 전계 방출 이미터는, 초박형 두루마리 컴퓨터·TV 및 3차원 디스플레이 등의 다양한 응용이 가능하여 차세대 디스플레이 시장을 선도할 수 있는 핵심 원천기술이 될 것이다.“라고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 신소재 분야의 세계적 학술지인 "어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)"지 온라인판 11월 5일자에 게재되었고, 현재 국·내외 특허 출원 중이다.
2009.11.13
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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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유룡 교수, 나노판상 제올라이트 촉매 물질 합성 성공
화학과 유룡(54)교수가 특수한 계면활성제 분자와 실리카를 조립하는 새로운 방법으로 세계 최초로 2나노미터(nm) 극미세 두께의 나노판상형 제올라이트 촉매 물질을 합성하는데 성공했다.
이 연구결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ‘네이처(Nature)지’ 10일자에 게재됐으며, 이 논문은 세계 과학계에서 저자의 위상과 연구결과의 과학적 중요성을 인정받아 네이처 인터뷰 기사로 소개되는 영예를 얻었다.
이번에 합성된 제올라이트는 2nm두께의 판상으로, 제올라이트 물질에 대해 이론적으로 예상할 수 있는 최소 두께다. 또한 이렇게 얇은 두께임에도 불구하고, 이 물질은 섭씨 700도의 고온에서도 높은 안정성을 나타냈다.
연구를 주도한 유교수는 “이처럼 극미세 두께의 제올라이트 물질은 분자가 얇은 층을 뚫고 쉽게 확산할 수 있기 때문에 석유화학공정에서 중질유 성분처럼 부피가 큰 분자를 반응시키는 촉매로 사용될 수 있다. 특히 이 제올라이트 촉매는 메탄올을 가솔린으로 전환시키는 화학공정에서 기존의 제올라이트 촉매에 비해 수명이 5배 이상 길어, 촉매 교체 주기를 연장시킬 수 있기 때문에 경제효과가 매우 높다.”라고 연구의의를 설명했다.
이번 연구결과는 앞으로 대체에너지 자원개발과 녹색성장에 적합한 친환경 고성능 촉매 개발연구에 직접적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
유교수팀이 독창적으로 설계한 계면활성제 분자는 머리 부분에 제올라이트 마이크로 기공(micropore)유도체를 포함하여 제올라이트 골격의 형성을 유도하고, 꼬리 부분에 긴 알킬(alkyl) 그룹이 연결되어 제올라이트의 마이크로 기공보다 더 큰 메조 기공(mesopore)을 규칙적으로 배열할 수 있도록 했다.
이러한 독창적인 물질 설계는 제올라이트 합성 메커니즘에 대한 과학적 지식을 넓히는 획기적인 연구 결과로서, 향후 다양한 구조의 다른 물질을 합성하는 새로운 분야를 개척한 선구적인 성과라고 평가할 수 있다.
유교수는 2000, 2001년에 국내 최초로 2년 연속 ‘Nature’지에 메조다공성 실리카와 메조다공성 탄소에 대한 논문을 게재했고, 2003년과 2006년에 ‘Nature Materials"지에 고분자-탄소 복합물질과 메조다공성 제올라이트에 관한 논문을 게재한 후, 이번에 세 번째로 ’Nature"지에 책임저자(교신저자)로 논문을 게재하는 쾌거를 올렸다. 이것은 국내 과학자도 세계 과학을 선도하는 그룹의 반열에 올랐다는 것을 의미하며, 우리나라 과학의 우수성을 전 세계에 알리는 기회가 됐다.
이 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘국가과학자지원사업’의 지원을 받아 이뤄졌다. 또한 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 ‘세계수준의 연구중심대학(WCU, World Class University)육성사업’과 나노기술육성사업(나노팹사업)에 따른 결실이다. 이번 연구에서 유 교수팀은 KAIST 부설 나노팹센터와 테라사키교수 연구팀의 협조로, 전자현미경을 통해 물질의 세부구조를 분석하였다. 특히 나노팹의 높은 기술력은 연구시간을 최대로 단축시켜 단시간에 훌륭한 연구 성과를 도출할 수 있도록 했다.
2007년 국가과학자로 임명된 유교수의 주도 하에, KAIST 최민기 박사, 나경수연구원(화학과 박사과정), 김정남연구원(화학과 박사과정)이 연구를 수행하고, 분해능이 높은 현미경 사진으로 구조를 확인하기 위해 스웨덴 스톡홀름대학교의 오사무 테라사키 교수와 야수히로 사카모토 박사가 추가로 참여했다. 테라사키 교수는 현재 스웨덴 스톡홀름대학교 석좌교수로, WCU사업의 지원을 받아 올해부터 KAIST EEWS(Energy, Environment, Water and Sustainability)학과에 겸임교수로 재직하고 있다.
이번 연구결과는 세계 수준의 연구중심대학과 세계적인 나노과학기술 육성을 위한 정부의 지원으로, 우리나라 과학기술의 수준을 한 단계 발전시킨 결과로서, 국내 기술력과 해외 우수 연구자들의 연구능력과 기술력을 통합한 국제공동연구의 모범사례로 평가된다.
2009.09.10
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KAIST-성균관대 연구팀, 인구와 시설분포 사이의 존재 법칙 규명
- 공공시설과 이윤추구시설의 차이를 복잡계 이론으로 설명
- 무분별한 공공시설 설치는 50% 이상의 사회적 비용을 초래- 세계적 권위지인‘미국 국립과학원회보(PNAS)’8월 25일자에 게재
예전에는 시골영감이 도시 나들이에서 거리의 수많은 인파와 하늘 높은 줄 모르고 뻗어 있는 빌딩 숲에 놀랐다고 한다. 하지만 요즘은 골목마다 있는 별다방(스타벅스 커피전문점의 별칭)에 또 한 번 놀라게 된다.
불과 몇 년 전만해도 스타벅스는 매일 세계 각지에 평균 4.5개의 점포를 새로 열었고, 편의점 체인업체인 세븐일레븐도 하루 6개의 점포를 열었다고 한다.
새로운 점포를 열 때에는 유동인구, 교통량, 주변 상권 등을 감안해 가장 최적화된 위치에, 적절한 수의 점포를 배치해야 수익을 극대화할 수 있으며, 이런 분석을 생략하고 마구잡이식 점포 확장에 나섰다면 곧 점포를 급히 처분하기 위해 공인중개사 사무소를 들락거려야 할 지 모른다.
최근 성균관대 김범준(金範埈, 43세) 교수와 KAIST 정하웅(鄭夏雄, 41세) 교수 연구팀은 복잡계(Complex Systems) 과학 방법론을 이용하여 인구분포와 시설분포의 관계를 이론적으로 밝혀내고, 미시적 경제 원리를 이용한 행위자 기반 모형 분석법을 이용하여 이를 입증했다.
이 연구결과는 지난 25일 세계 최고의 과학기술 분야 권위지 중 하나인 ‘미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 이하 PNAS)’에 발표됐다.
사람들이 많은 곳에 편의점이나 식당을 비롯하여 학교, 병원과 같은 시설이 몰리는 것은 당연하다. 하지만 연구팀의 KAIST 손승우 박사는 “종로 거리에 존재하는 커피전문점과 학교의 개수 차이가 그 시설이 수익을 쫓는 이윤추구시설인지, 아니면 공공시설인지에 따른 것은 아닐까 하는 의문에서 이번 연구를 시작하게 되었다”고 한다. 즉, 인구분포와 시설분포는 서로 밀접한 상관관계를 가지지만, 그 밀접함의 정도가 시설의 성격에 따라 다를 수 있다는 것이다.
연구팀이 미국 전역의 인구밀도와 각종 시설의 분포를 분석한 결과, 예상했던 것처럼 이윤추구시설은 인구가 많은 곳에 집중적으로 분포하는 것을 알 수 있었다. 하지만 공공시설은 인구가 적은 곳에도 골고루 분포하는 특성을 보였는데, 특히 경찰서나 소방서는 사람이 사는 곳이라면 언제 어디서건 공공 서비스를 제공할 만반의 태세를 갖추고 있었다고 한다.
연구팀의 고등과학원(KIAS) 엄재곤 박사는 “새로운 시설을 설치할 때 이윤추구시설은 ‘방문 고객수’를, 공공시설은 방문객들의 ‘이동 거리’를 중요한 요소로 삼을 것이라고 가정한 뒤 보다 세밀한 분석을 시작했다”고 한다.
연구팀은 최근 복잡계 과학 분야에 활발하게 응용되고 있는 ‘행위자 기반 분석 모형’을 이용하여 인구분포를 바탕으로 시설분포를 예측했는데, 실제 시설분포와 거의 일치하는 결과를 얻었다고 한다. 특히 시설분포와 인구분포의 관계를 축척 지수로 나타냈는데, 이 지수가 클수록 두 분포는 더욱 밀접한 상관관계를 가지게 된다. 연구팀이 계산한 이윤추구시설의 축척 지수는 1, 공공시설은 2/3이다. 축척 지수 1은 인구수가 2배가 될 때, 시설의 수가 2배가 되어야함을, 지수 2/3는 1.6배의 시설만이 필요하다는 점을 나타낸다.
축척 지수를 바탕으로 은행, 주차장, 시장, 보건소 등 다양한 시설들이 이윤추구시설인지, 혹은 공공시설인지 살펴본 결과, 흥미롭게도 공립학교는 공공시설이지만 사립학교는 이윤추구시설에 가까웠다. 또한 개인병원 역시 ‘방문 고객수’에 기반하여 이윤을 추구하고 있다는 사실도 밝혀냈다.
인구분포와 전혀 상관없는 시설의 경우 0의 축척 지수를 갖게 되는데, 다행스럽게도 우리나라 보건소의 경우 이 값이 0.09에 불과해, 보건소의 분포만으로 본다면 미국도 부러워 할 공공 의료 서비스 시설을 갖고 있다고 한다.
한편, "이동 거리‘를 중요하게 생각해야 하는 경찰서나 소방서와 같은 공공시설을 이윤추구시설처럼 분포시켜 측정해 본 결과, 이용자들이 평소보다 50% 이상의 거리를 더 가야 시설을 이용할 수 있었다. 연구팀은 공공시설을 정해진 원칙 없이 마구잡이식으로 배치했을 경우 50% 이상의 사회적 비용이 발생할 수 있다고 강조했다.
[자료그림] 미국 개인병원과 공립학교 밀도분포도: 실제 미국의 개인병원(A)과 공립학교(B)의 밀도분포를 나타낸다. 그림에서 (A)에서는 고도밀집지역이 확연히 드러나는 반면, (B)에서는 비교적 균일한 시설분포를 보이고 있다. 실제 미국 지도의 인구밀도분포를 바탕으로 2천여개의 이윤추구시설(C)과 공공시설(D)의 컴퓨터 시뮬레이션 결과 분포를 보여준다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서도 공공시설의 분포가 이윤추구시설의 분포보다 균일함을 알 수 있다.
▶ 행위자 기반 모형: 상호작용하는 많은 행위자들로 이루어진 작은 가상세계이다. 여기서 크게 행위자, 행위자가 활동하고 상호작용 하는 시스템 공간, 시스템에 영향을 끼치는 외부환경 등의 세 가지 요소로 구성되며, 이들 요소를 설계하여 조립하는 방식으로 모형을 만든다. 이 때문에 행위자 기반 모형으로 복잡계를 탐구하는 방법을 생성적 접근법 또는 구성적 접근법이라고 한다.
2009.09.01
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최경철 교수연구팀, 세계 최초의 저비용 상온 공정이 가능한 표면 플라즈몬 OLED 원천기술 개발
- 응용물리와 광학 분야 세계적 권위 학술지에 논문발표 및 네이쳐 포토닉스(Nature Photonics)의
8월의 연구 하이라이트로 소개 예정
전기 및 전자공학과 최경철 교수(차세대 플렉시블 디스플레이 융합센터 소장, 45세)연구팀이 OLED의 효율을 획기적으로 향상시키는 원천기술을 세계 최초로 개발해 주목을 끌고 있다.
최 교수팀은 나노 크기의 은(Ag)을 표면 플라즈몬(plasmon)을 일으키는 물질로 사용하여, OLED에서 발생하는 빛과 결합할 경우 발광 재결합 속도가 빨라짐으로써 OLED 밝기가 크게 증가할 수 있다는 사실을 밝혔다. 또한 진공 열증착법을 이용해 나노 크기의 은(Ag)을 OLED 내부의 활성층과 매우 가까운 곳에 삽입하는 기술을 개발함으로써 세계 최초로 표면 플라즈몬을 이용한 OLED의 저비용 상온 공정이 가능하도록 했으며 최대 75%이상의 OLED 발광효율을 향상시켰다. 이 연구는 차세대 디스플레이인 OLED에 저비용의 나노입자를 이용한 표면 플라즈몬 기술을 접목한 새로운 디스플레이 소자 연구로 주목받고 있다.
최 교수는 “표면 플라즈몬을 이용해 개발된 기술은 OLED의 광효율을 향상시킬 수 있는 새로운 기술로서, 원천기술 확보 및 국제경쟁력을 갖는 OLED 및 플렉시블 디스플레이 기술개발에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다. 또한 “이번에 개발된 기술은 디스플레이뿐만 아니라 유기 태양광 전지에서도 적용 가능한 저온 저가의 공정으로 에너지 변환 효율의 향상을 기대할 수 있다.”고 밝혔다.
이 연구는 양기열(22세) 연구원이 주도했으며, 연구결과는 응용물리분야의 세계적 권위지인 ‘Applied Physics Letters’ 4월호, 광학분야 세계 최고의 저널인 ‘Optics Express’ 인터넷판 6월 25일자에 발표됐다.
특히, 이 연구 결과는 네이쳐 포토닉스(Nature Photonics)의 8월의 연구 하이라이트에도 소개될 예정이며, 그 밖에도 응용 물리학 분야의 우수 연구 결과만을 선정하여 발표하는 "울트라패스트 가상 저널(Virtual Journal of Ultrafast Science)" 에 소개됐다.
이 연구는 한국연구재단의 ‘선도연구센터 사업’ 및 ‘KAIST 고위험 고수익 사업’의 지원을 받아 나노종합팹센터와 공동 수행했다.
2009.07.09
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김상욱교수팀, 분자조립 나노기술을 이용한 나노선(Nanowire)제작기술 개발
- 관련논문 5월7일(목)자 나노레터스지 온라인판 게재
- 세계를 변화시킬 10대 기술 중 하나인 나노선 제작의 새로운 기술
신소재공학과 김상욱(金尙郁, 37) 연구팀은 스스로 나노패턴를 형성하는 고분자를 대면적에서 원하는 형태로 배열하는 새로운 방법을 개발하고 이를 이용하여 나노선(Nanowire)을 원하는 위치에 손쉽게 만들 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.
김 교수팀은 스스로 나노패턴를 형성하는 고분자를 마이크로패턴 안에 채워 넣어 다양한 크기와 형태를 가진 스스로 정렬된 나노구조를 만들고, 이를 틀(template)로 사용하여 알루미늄 금속나노선과 실리콘 반도체 나노선을 대면적에서 만들 수 있음을 보여 주었으며, 실제로 이 과정을 통해 만들어진 알루미늄 나노선의 전기적 특성을 측정하는데 성공했다.
이 연구결과는 나노기술 분야의 세계적 권위지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 온라인 판(5.7, 목)에 게재됐으며, 관련기술은 국내특허 출원중이다.
나노선은 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서등 첨단 전지전자 소자개발을 위한 가장 핵심적인 요소로 미래를 변화시킬 10대 기술중의 하나이다. 그러나, 기존공정으로는 나노크기의 틀을 만드는 비용이 비싸고 많은 시간이 소요되어 새로운 제작 기술이 요구되었다.
연구팀 관계자는 “이번에 개발한 신기술은 여러 층으로 구성된 나노트랜지스터 제작 및 바이오센서 제작 등에 폭넓게 적용될 것으로 전망된다.”고 말했다.
이번 연구는 국가지정 연구실사업 (NRL)의 지원하에 신소재공학과 박사과정 정성준(鄭盛駿, 33세)연구원이 주도적으로 진행했다.
2009.05.12
조회수 15754
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신소재공학과 박찬범 교수, 자기조립기술 이용 다양한 색상 가진 바이오 나노튜브 개발
- 재료분야 저명 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지 최근호 게재
신소재공학과 박찬범(朴燦範, 40세, 바이오신소재 국가지정연구실) 교수 연구팀이 자연계의 자기조립기술을 이용, 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) 등 ‘다양한 형광 색상을 구현할 수 있는’ 나노튜브 소재를 세계최초로 개발했다.
관련 논문은 재료분야 저명 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 최근호(4월 27일자)에 게재됐으며, 나노기술과 생명과학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 나노소재를 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다. 특히, 이 학술지는 朴 교수 연구팀 연구결과의 중요성과 응용성에 주목하여 “Advances in Advance”에 저널 대표논문들(상위 10%이내) 중 하나로 선정하였다.
朴 교수 연구팀은 두 개의 아미노산으로 구성된 매우 단순한 펩타이드 (peptide)를 수만 개 이상 스스로 조립시켜 머리카락의 약 천분의 일 정도 두께를 가진 긴 나노튜브 구조를 형성하였는데, 이러한 자기조립 과정에서 다양한 광감응현상(photosensitization)을 크게 증폭할 수 있음을 밝혔다. 이를 통해 각종 디스플레이기기 등에서 사용하는 RGB의 모든 색상을 구현할 수 있는 바이오기술 기반의 나노소재를 개발하였다(아래 그림).
화학물질들이 레고(Lego) 장난감처럼 스스로 조립하여 3차원 구조체를 만드는 것은 모든 생명현상의 근간이 될 뿐만 아니라, 최근 들어서는 나노소재를 개발하는 주요기술들 중의 하나로 각광받고 있다. 특히 朴 교수팀의 연구에서 사용한 펩타이드는 알츠하이머병과 밀접한 관계가 있는 아밀로이드(amyloid)라는 단백질 플라크(plaque)로부터 유래했기 때문에 퇴행성 신경질환 현상을 응용하여 새로운 기능성 나노소재를 개발하였다는 점에서 과학기술계의 주목을 받고 있다.
이번에 개발된 자기조립형 형광 나노소재는 바이오센서/칩, 각종 약물의 세포전달체, 의료용 하이드로젤, 차세대 디스플레이기기 등에 응용이 가능할 것으로 예상되며, 향후 나노-바이오 융합분야에서 국가 과학기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대된다. 朴 교수팀은 2008년도부터 교육과학기술부의 ‘국가지정연구실사업’으로부터 지원을 받아 새로운 바이오소재를 개발하기 위한 연구를 수행해 왔으며, 해외 저명학술지들로부터 크게 주목받는 연구 성과를 발표하고 있다.
<용어설명>
자기조립(self-assembly): 구성물질 간의 약한 비공유결합성 상호작용에 의해 스스로 일정한 구조나 패턴을 형성하는 현상을 가리키는 용어로 최근 전 세계적으로 가장 널리 연구되고 있는 분야 중 하나다.
<박찬범 교수 프로필>
■ 학 력
1987-1999: 포스텍 화학공학과 학사(1기), 석사, 박사
1999-2002: UC Berkeley, 박사후연구원
■ 주요경력
2008-현재: 교육과학기술부 국가지정연구실 Director
2006-현재: KAIST 신소재공학과 부교수
2002-2006: 미국 애리조나주립대학교 조교수
■ 주요 연구분야
- 자기조립형 바이오소재(Self-Assembled Biomaterials)
- 유기/무기 하이브리드 소재(Organic and Inorganic Hybrid Materials)
- 인공광합성 소재(Materials for Artificial Photosynthesis)
2009.04.29
조회수 22759
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조광현 교수, 컴퓨터시뮬레이션 통해 세포 조절회로의 숨겨진 메커니즘 규명
바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉, 38) 교수 연구팀이 컴퓨터시뮬레이션을 통해 세포의 증식과 분화 조절회로에 숨겨진 동역학 메커니즘을 규명하였다. 연구결과는 세포생물학계의 권위지인 저널오브셀사이언스(Journal of Cell Science)지 21일자 온라인판에 표지논문(Cover Paper)으로 선정, 출판되었다.
이번 연구는 특히 수학 모델과 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 세포내 복잡한 메커니즘을 해석해 내고 이를 생화학실험을 통해 재차 검증함으로서 완성되었다. 이는 IT를 BT에 접목시킨 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 기존 생명과학의 한계를 극복한 중요한 BIT 융합 연구사례로 평가된다.
세포내 어크(ERK) 신호전달경로는 세포의 증식과 분화를 조절하는 주요 회로로 알려져 왔으며, 최종단의 인산화된 어크 단백질의 시간에 따른 농도변화 프로화일은 세포의 운명을 결정하는 핵심인자로 여겨져 왔다. 그러나 이 회로의 복잡한 동역학적 특성으로 인해 조절메커니즘은 아직껏 잘 밝혀지지 않았다. 曺 교수 연구팀은 어크 신호전달경로 가운데 라프(Raf) 단백질의 신호를 선택적으로 차단하는 알킵(RKIP) 단백질이 매개하여 형성하는 양성피드백과 어크에서 에스오에스(SOS)로 이어지는 신호에 의해 형성되는 음성피드백이 최종 어크 단백질의 동역학 패턴을 결정짓는 주요 조절회로임을 규명해 냈다. 특히 양성피드백은 이 신호전달과정이 외부노이즈에 둔감하도록 스위칭동작을 유발하고 음성피드백은 어크 프로파일의 진동현상을 유발함으로써 다이나믹한 동역학 특성이 결정됨을 밝혀냈다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션 분석결과는 공동연구팀인 영국 글라스고우 암연구소에서 생화학실험을 통해 증명되었다.
이번 연구는 인간의 주요 질환과 관련된 세포내의 근원적인 조절메커니즘을 규명함으로써 차후 생명과학 응용연구의 중요한 발판을 마련하였으며, 또한 BIT 융합연구로서 시스템생물학의 새로운 가능성을 제시하게 됐다. 이번 연구는 교육과학기술부지원 연구사업의 일환으로 수행되었다.
<2009년 1월 21일자 온라인판, 인터넷주소>
http://jcs.biologists.org/content/vol122/issue3/cover.shtml
2009.01.29
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생명과학과 김진우 교수, 노인성 망막퇴행질환 발생 원인 발견
생명과학과 김진우 교수팀이 미국 및 캐나다 연구팀과의 공동연구로 "PTEN 단백질의 불활성화가 노인성 망막퇴행질환의 핵심 기전" 이라는 사실을 규명했다.
김 교수팀은 이 연구에서 그 동안 종양억제 유전자로 널리 알려져 있던 PTEN 단백질이 안구 내 망막색소상피세포* 사이의 결합을 유지시켜 망막조직의 형태 및 항상성 유지에 중요한 역할을 함으로써 망막퇴행질환을 억제한다는 사실을 생쥐 실험을 통해 증명하였다.
우리 인간을 포함한 동물의 안구 내에는 멜라닌 색소를 다량 함유하고 있는 망막색소상피세포층이 망막을 덮고 있는데, 이 층의 세포들은 강한 세포 간 접합체로 연결되어 안구 내에서 혈관과 망막 사이의 장벽을 제공해 준다.
그러나, 장기간 흡연이나 망막이 강한 빛에 장시간 노출되는 등의 스트레스 상황에서는 망막색소상피세포층이 점차 파괴되고, 그 결과 이 세포층에 생긴 틈으로 망막 외부 모세혈관에 있던 백혈구 세포들이 망막으로 침투하면서 망막세포에 염증반응을 일으켜 망막퇴행을 유발한다.
이러한 현상은 많은 망막퇴행질환들에서 관찰이 되는데, 특히 노령 인구에서 높은 빈도로 일어나는 노인성 황반퇴행질환 (Age-related macular degeneration)*에서 빈번하게 나타나는 현상으로 잘 알려져 있다.
김 교수팀은 망막색소상피세포 간 접합부에 집중되어 나타나는 PTEN 단백질의 기능을 검증하기 위해 PTEN 유전자를 인위적으로 생쥐의 망막색소상피세포에서 제거하였고, 그 결과 이 생쥐들에서 노인성 황반퇴행에서 나타나는 형태적 특징을 관찰할 수 있었다.
연구팀은 더 나아가 기존 노인성 황반퇴행질환 생쥐의 망막색소상피세포에서 인산화에 의한 불활성화를 통해 PTEN 단백질이 세포 간 접합체에서 이탈된다는 사실까지 밝힘으로써, PTEN 단백질이 망막색소상피세포의 구조 유지를 통해 망막퇴행을 억제하는 핵심 단백질이라는 사실을 규명하였다.
노인성 황반퇴행질환은 미국 내에만 2006년 통계로 100 만명 이상의 환자가 보고되었고, 국내에서도 최근 급격한 노령화에 따라 환자 수가 급증하고 있는 노인성 망막퇴행질환으로, 시력 상실로도 이어질 수 있는 심각한 신경 질환이다.
노인성 황반퇴행질환은 약 15% 정도는 망막 내 신생혈관의 급격한 형성으로 발생하는 습성 (wet-type)이고, 약 85% 이상은 망막색소상피세포의 이상 등으로 시작해 만성으로 진행되는 건성 (dry-type)으로 분류된다.
심각한 병증과 많은 환자 수에도 불구하고, 그 동안 건성 황반퇴행질환 치료제 개발이 진척을 보이지 못한 이유 중의 하나는 이 질환이 시작되는 망막색소상피세포의 퇴행에 대한 분자적 기전이 정확히 알려지지 않아 치료제의 타겟이 될 세포 내 현상 및 단백질들을 설정하는데 어려움이 있었다는 것이다.
이번 논문의 교신 저자인 김 교수는 “이번 논문을 통해 알려진 망막색소상피세포 퇴행 억제 핵심 단백질인 PTEN과 그 영향을 받는 하부 신호전달체계의 정체는 향후 노인성 황반퇴행질환의 치료제 개발을 위한 타겟을 설정하는데도 유용한 정보로 사용될 수 있다”고 말했다.
김진우 교수팀의 이번 연구는 교육과학기술부가 지원하는 바이오기술개발사업의 일환으로 수행되었고, 연구 결과는 세계적인 저명학술지인 ‘유전자와 발생’(Genes & Development) 11월 15일판에 게재되었다.
2008.11.18
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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 28816
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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
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