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미래를 위한 대체 불가 바이오 제조 전략 제시
2021년 서울국제포럼과 KAIST가 공동 개최한 “글로벌 복합위기와 4차 산업혁명의 대전환기, 탄력성장의 도전과 기회” 포럼에서 KAIST 이상엽 특훈교수는 우리나라가 미래 국가경쟁력을 확보하기 위해서는 대체 불가 기술 (non-fungible technology; NFT)을 확보해야 한다고 처음으로 제시한 바 있다. 기후 변화의 심각성에 연간 약 1.1억 톤의 식품 폐기물을 포함한 다양한 유기 폐기물들, 그리고 이산화탄소도 바이오 제조를 위한 원료로 사용하도록 대체 불가능한 바이오기술(Bio-NFT)로 활용하는 것이 이제 선택이 아닌 필수가 됐다.
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 기술 혁신, 원료 공급 최적화 및 적절한 인프라를 통해 바이오 제조의 확장을 포함한 경쟁력 확보 전략 수립에 대한 논문을 네이처 화학공학지(Nature Chemical Engineering)에 월드뷰(Worldview)에 7월 22일 자로 제시했다고 24일 밝혔다.
※ 논문명 : Fungible and non-fungible technologies in biomanufacturing scale-up
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 제1 저자, 교신저자) 1명
최근 신진 대사 공학과 합성 생물학의 급성장은 전통적인 화석 자원에 의존하는 제조 공정을 바이오 기반 대안으로 전환할 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. 미생물 세포 공장을 통해 화학물질과 재료를 생산하는 바이오 기반 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 이는 각각 5.7조 달러, 9.2조 달러, 22.5조 달러의 시장규모를 가진 화학, 식품 및 소비재 등 다양한 산업 부문에 혁신적인 변화를 가져오고 있다. 이는 2조 달러 규모의 제약시장 보다도 훨씬 크다.
그러나 이러한 바이오 제조로의 전환은 기술적, 경제적, 사회적 장벽으로 인해 어려움을 겪고 있다. 점점 더 많은 사람들이 지구 온난화의 현실과 그 악화되는 영향을 인식하면서 환경에 덜 해로운 제품에 대한 선호도가 높아지고 있지만, 실제 구매 결정에 있어서는 가격이 중요한 역할을 한다. 따라서, 각국 정부들은 규제 지원뿐만 아니라 대중과의 소통을 통해 지속 가능한 생산과 소비에 대한 이해와 헌신을 촉진해야 한다.
이 교수는 중요하게 떠오른 바이오 제조 확장, 특히 범용화학물질 생산 등 대체 불가능하지 않은 바이오기술 (not non-fungible)을 위해 풀어야 할 세 가지 주요 과제를 제시했다.
첫째, 미생물 세포 공장의 TRY(titer, rate, yield; 농도, 속도 및 수율)를 최대화하는 것으로 기존 대사공학에 데이터 과학, 인공지능 및 로봇 공학의 통합을 통해 이러한 역량을 강화해야 한다.
둘째, 원료 공급 및 물류의 최적화가 필요하다. 약 6억 톤의 바이오매스가 연간 바이오 기반 재료 생산을 위해 사용될 수 있지만, 최적의 분배 및 공급망이 완전히 구축되지 않았다. 다양한 원료의 사용을 가능하게 하는 기술 개발이 필요하다.
셋째, 인프라 및 시설 건설에 필요한 대규모 자본 투자 문제이다. 최근 들어 건설비용이 급격히 증가하여 최첨단 제조 시설을 구축하는 데 드는 높은 비용은 운영 확장의 재정적 실행 가능성을 어렵게 한다. 바이오 제조시설 구축을 위한 정책자금 투입 등 국가적인 인프라 개념에서의 투자가 요구되며, 단기적인 해결책으로는 완전히 유연한 중형 바이오 정제소를 건설하여 시장에 가장 적합한 제품을 생산할 수 있다고 제시했다.
이 교수는 “기술 혁신, 원료 공급 및 인프라 개발에의 집중적인 노력이 필요하다”고 강조하면서 “이를 통해 산업은 보다 지속 가능하고 경제적으로 실행 가능한 바이오 제조 공정으로 전환할 수 있으며, 이는 글로벌 시장에 큰 영향을 미칠 것이다. 지속 가능한 미래에 기여하고 산업에 상당한 경제적 기회를 제공할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제 (과제책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.07.25
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세계 최고 속도 입체적 조명 기술 개발
디스플레이(조명) 기술에서는 고속화가 아주 중요한 성능 중 하나로 꼽힌다. 최근 주요 스마트폰 제조사들은 화면 전환 속도가 기존의 초당 60회보다 크게 향상된 초당 120회의 고속 디스플레이를 선보였다. 이런 고속 디스플레이를 탑재한 모델의 이용자들 사이에 ‘한번 경험하면 예전으로 돌아갈 수 없다’는 말이 회자될 정도로, 고속화는 상업적인 가치도 크다고 볼 수 있다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 장무석 교수 연구팀이 북해도대학 전자과학연구소의 시부카와 아츠시 부교수, 미카미 히데하루 교수, 오카야마대학 의·치·약과학과의 스도 유키 교수 연구팀과 공동연구를 통해 세계 최고속의 3차원 광 패턴 조명 기술*을 개발하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
*광 패턴 조명 기술: 빛을 특정 패턴이나 형태로 조절하여 원하는 조명 효과를 얻는 기술
광 패턴 조명 기술은 우리에게 친숙한 디스플레이나 빔프로젝터에서 찾아볼 수 있다. 디스플레이나 빔 프로젝터 내부에는 원하는 이미지나 모양 등을 화소 단위로 만들어낼 수 있는 광 패턴 조명 장치인 공간 광 변조기*가 사용되고 있다. 이외에도 광 패턴 조명 기술은 최근 주목받는 가상 현실 기술 분야의 핵심 요소 기술인 3차원 디스플레이 기술에도 사용되며, 산업 분야에서는 금속 가공, 연구 분야에서는 뇌 심부 이미징을 위한 레이저 스캐닝 현미경 등에 사용되고 있다.
*공간 광 변조기: 빛을 화소 단위로 조작하여 원하는 이미지나 모양을 만들어내는 장치로, 빔 프로젝터나 3차원 디스플레이 기술 등에 사용되는 장치
하지만 공간 광 변조기는 조명 패턴의 전환을 고속으로 수행하는 데 큰 한계를 겪고 있었다. 현재 시판되는 공간 광 변조기는 액정형 디스플레이 장치나 디지털 미러 장치가 있지만, 통상적인 전환 속도는 50마이크로초에서 10밀리초 수준으로 제한되며, 원리적으로 이보다 더 빠르게 만드는 데에는 기술적 어려움이 있었다.
연구팀은 공간 자유도-시간 자유도 사이의 치환 개념을 개발하고, 이를 독자 개발한 초고속 1차원 광 변조기와 산란 매질*을 결합하여 구현하는 방식으로, 시판되는 공간 광 변조기보다 약 1,500배 빠른 30나노초의 전환 속도를 갖는 세계 최고 속도의 3차원의 조명(디스플레이) 기술을 개발했다.
*산란 매질: 안개나 물방울 맺힌 유리창처럼 빛을 무질서하게 굴절시키는 물질
연구팀은 빛의 전파를 교란하는 산란 매질의 특성을 역이용해 1차원의 광 패턴을 사용자가 원하는 3차원의 패턴으로 변환하기 위해 복잡 광 파면 조작 기술을 핵심 기술로 활용했다.
연구팀이 개발한 세계 최고 속도의 광 패턴 조명 기술은 특정 각도에서만 볼 수 있는 기존의 2차원 유사 홀로그램과 달리 실제로 3차원 공간상에 광 정보를 재구성해 입체 영상을 만드는 기술로 활용될 수 있다. 그뿐만 아니라 광유전학 기술에 기반한 뇌 신경 조절 기술과 같은 생체 조절 기술의 고속화·대규모화나 금속 3D 프린터 등의 광 가공 생산 효율 향상 등, 다양한 분야에서 응용될 전망이다.
*광유전학 기술: 빛을 이용해 살아있는 생물 조직의 세포를 제어하는 기술
해당 연구 결과는 바이오및뇌공학과 송국호 박사과정이 공저자, 장무석 교수가 교신저자로 참여했으며 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 2024년 4월 8일 온라인판에 게재되었다. (논문명 : Large-volume focus control at 10 MHz refresh rate via fast line-scanning amplitude-encoded scattering-assisted holography)
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 주관하는 선도연구센터사업(컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터), 우수신진연구자 사업, 삼성미래기술육성사업, 국토교통부 국토교통과학기술진흥원이 주관하는 차세대 대인 보안검색 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2024.04.15
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헤라클레스 인공근육, 2023년 10대 기술 선정
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 2022년 개발한 헤라클레스 인공근육 기술이 세계 최대 화학/소재분야 학술기관인 국제화학연합(IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 ‘2023년 10대 유망기술’로 선정되었다고 5일 밝혔다. (그림 1)
IUPAC은 전 세계 화학/소재 관련 연구자들의 국제적인 협력과 정보교환을 위해 1919년에 설립된 세계 최대 조직기구로서, 2019년부터 매년 인류가 직면하고 있는 다원적 위기에 대한 해결책을 제시하는 10대 유망기술을 선정해 오고 있다. 인공 근육 기술이 이번에 10대 유망기술로 선정된 것은 사회의 지속가능성을 위한 과학기술적 중요성을 인정받은 것이다.
헤라클레스 인공 근육은 국내에서도 그 중요성을 인정받아 과학기술정보통신부와 나노기술연구협의회가 수여하는 2023년 10대 나노기술에도 선정됐다. (기술명: 그래핀 나노 복합소재를 통해 인간 근육보다 17배 강한 헤라클레스 인공근육 개발 기술, 그림 4) 또한 과학기술정보통신부의 2023년 기계·소재 부문 국가연구개발 우수성과 100선에도 선정된 바 있다. (기술명: 그래핀-액정탄성체 복합소재 개발로 인간 근육보다 17배 강한 헤라클레스 인공 근육 세계 최초 구현)
인공 근육에 대한 개념은 17세기 영국 과학자 로버트 훅(Robert Hooke)의 실험에서 최초로 시작됐으나 현실적으로 의미 있는 높은 수축률과 기계적 강도의 실현이 쉽지 않아 그 실용적인 가능성은 최근 30년 전에야 제시되기 시작했다. 또한 합성소재인 인공 근육을 생명체의 생체조직과 어떻게 서로 조화시킬 것인가에 대한 문제 역시 풀리지 않는 난제로 남아있었다.
김상욱 교수 연구팀은 인간 근육을 모방한 구조를 가지면서도 높은 기계적 물성과 구동 성능을 가지는 인공 근육 기술을 개발하는 데 성공했다. 그래핀 소재와 액정섬유를 결합한 복합소재를 통해 가역적인 근육운동이 가능하면서도 근육운동의 다양한 물성값들이 인간 근육을 크게 능가하는 인공 근육을 세계 최초로 개발한 것이다. 이 섬유 형태의 인공 근육은 인간의 근육과 매우 유사한 거동을 해 노약자/장애인을 위한 웨어러블 신체 보조장치나 우주, 심해, 재난환경 등 극한 환경에서도 운동능력을 유지할 수 있는 생체 모방로봇 등에 응용이 가능하다. (그림 2) 이 연구 결과는 세계적인 과학기술 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF: 40.5)’에 표지 논문으로 발표된 바 있다. (그림 3)
연구를 주도한 김상욱 교수는 “우리 인공근육 기술이 전 세계의 과학자들이 주목하는 IUPAC 10대 유망기술 및 국내 10대 나노 기술로 선정된 것은 인공 근육 기술의 중요성과 그 의미를 대외적으로 인정받은 것”이라며 “4차 산업 혁명과 같이 향후 미래 사회에 대두될 과학기술 분야에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다”라고 말했다.
한편, 2023년 IUPAC 10대 유망기술에는 김 교수팀의 인공 근육 기술 외에 생물학적 재활용 PET 플라스틱, 바닷물 CO2 제거, 고분자 분해 반응, 화학을 위한 GPT 모델, 광촉매 수소, 웨어러블 센서, 저당도 백신, 박테리아 치료제, 합성 전기화학 등이 선정됐다.
2024.01.05
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박인규 교수팀의 전자 코 기술, 2023년 10대 나노기술 선정
우리 대학 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 개발한 마이크로 LED 가스 센서가 과학기술정보통신부와 나노기술연구협의회가 수여하는 2023년 10대 나노기술에 선정됐다고 29일 밝혔다. (기술명: 마이크로 LED와 금속산화물 나노소재가 일체된 초저전력 가스센서 기술)
박인규 교수 연구팀은 수십 마이크로미터 크기(마이크로미터: 10-6m)의 초소형 LED 바로 위에 고민감도의 금속산화물 나노소재가 집적된 광활성식 가스센서 플랫폼을 개발했다. 연구팀은 초소형 마이크로 LED에서 나오는 빛이 금속산화물에 전달되어 광활성시키고 가스 감지 소재로 활용되는 원리를 적용하고, 딥러닝 알고리즘을 이용해 여러 종의 가스를 실시간으로 높은 정확도로 선택적 판별하는 전자코 (electronic nose; E-nose) 기술을 개발했다. (가스 종 판별 정확도 99%, 농도 값 예측 오차 14%)
마이크로 LED 가스 센서는 낭비되는 광 에너지 손실 없이 전달 효율을 높여서 초저전력 가스 감지를 실현했다. 기존 가스센서 대비 소모 전력도 1,000분의 1 수준(10-7~10-4 W)으로 획기적으로 절감했고, 수명이 매우 길고 상온에서 동작하기 때문에 언제 어디서나 장시간 안정적으로 구동이 가능하다.
특히, 마이크로 LED 가스 센서를 이용해 단일 센서만으로도 혼합 가스에 섞여 있는 각 가스의 종류 판별과 농도를 예측하는 전자 코 기술도 개발했다. (그림 2) 사람의 후각을 모사한 전자코 시스템은 일반적으로 서로 다른 다수의 가스 센서를 동시에 활용하고 딥러닝 기반의 패턴인식 기술을 적용해 가스들을 구분하는데, 사용되는 센서의 수가 증가할수록 전체 시스템 부피와 소모 전력 또한 증가한다. 이에 비해 연구팀은 단일 센서만으로도 고성능의 전자코 시스템을 개발했고 전체 시스템의 부피와 소모 전력 절감에 기여했다.
박인규 교수와 이기철 박사과정 연구팀은 지금도 지속적으로 마이크로 LED 가스 센서 기술을 개발 중이며 지금까지의 결과를 올해 저명한 SCI 저널들에서 발표했다. (학술지명: ACS Nano, IF: 17.1. Light: Science & Applications, IF: 19.4. Small, IF: 13.3)
연구책임자인 박인규 교수는 "마이크로 LED 기반의 광원 일체형 가스 센서는 상온 동작이 가능하고 기존의 가열 방식 가스 센서에 비해 소모전력이 1,000분의 1 이하 수준으로 초저전력 구동이 가능해 대기오염 모니터링, 음식물 신선도 모니터링, 헬스케어 등 다양한 분야에서도 응용될 수 있는 모바일 가스 센서 기술로 발전될 것ˮ이라고 연구의 의의를 설명했다.
과학기술정보통신부와 나노기술연구협의회는 국가연구개발사업 중 매년 우수한 나노기술 10개를 선정해 나노기술에 대한 대국민 인식을 제고하고, 나노기술의 중요성을 알리고 있으며, 공모 분야는 기초원천기술과 산업화 유망기술 두 가지로 나눠져있다. 수상 시에는 기념 상패와 우수성과를 소개하는 홍보 영상 제작이 지원된다. (2023년 10대 나노기술 유튜브 링크:
https://youtu.be/osxylkXhN6M?si=g3MbDdOMgwuJiWUR)
2023.12.29
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원하는 색깔의 마이크로 LED 전사 기술 개발
기존 OLED 등과 비해 전기적·광학적 특성이 우수한 마이크로 LED는 머리카락 두께인 100마이크로미터(μm) 이하 크기의 무기물 LED 칩을 활용하는 차세대 디스플레이용 광원이다. 마이크로 LED의 상용화를 위해선 성장 기판에 배열된 대량의 마이크로 LED 칩을 최종 기판의 정확한 위치에 원하는 배열로 옮기는 ‘전사 공정’이 가장 중요한 핵심기술이지만, 기존 전사 기술들은 별도의 접착제 사용, 정렬 오차, 낮은 수율, 칩 손상 등으로 마이크로 LED 상용화에 많은 어려움이 존재했다.
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 마이크로진공 흡입력을 조절해 대량의 마이크로 LED 칩을 색깔별 원하는 칩들만 선택적으로 전사하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
이 교수팀은 레이저빔 조사시 물질 특성을 조정하여 식각하는 레이저 유도 에칭(Laser-induced etching, LIE) 기술을 활용해 미세 관통홀을 유리 기판에 초당 7,000개 속도로 형성했고, 이를 진공 채널에 연결해 미세진공 흡입력을 발생시켜 마이크로 LED를 전사하는 데 성공했다. 이 기술은 기존 전사 기술 대비 뛰어난 접착력 전환성을 달성하였으며, 다수의 진공 채널별 독립적인 진공 조절을 통해 대량의 마이크로 LED 칩을 선택적으로 전사하였다. 또한 다양한 재료, 크기, 모양, 두께를 지닌 초소형 반도체 칩들을 칩 손상 없이 임의의 기판에 높은 수율로 전사할 수 있었다.
이건재 교수는 “이번에 개발된 마이크로진공 전사 기술은 가파르게 성장하는 마이크로 LED 시장에서 높은 생산 원가를 절감하고 중저가 마이크로 LED 제품 양산화의 핵심 기술로 활용될 것이 기대된다”면서, “현재 얇은 핀으로 칩을 들어 올리는 이젝터 시스템을 적용해 대량의 상용 마이크로 LED를 전사하고, 이를 통해 차세대 디스플레이(대형 TV, 유연․신축성 기기 등) 뿐만 아니라 광-바이오 융합형 미용 면발광 패치 상용화를 진행 중이다”라고 말했다.
한편 이번 연구는 웨어러블플랫폼 소재기술 센터, 중견연구자지원사업, 소부장 전략협력 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 11월 26일 자 출판됐다.
2023.12.19
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손상된 양자얽힘을 되돌리는 기술 개발 성공
현시대 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결하려는 기술이나 고전적으로는 도달할 수 없는 높은 정밀도의 구현, 그리고 원천적으로 해킹이 불가능한 통신 기술들의 공통점은 바로 양자정보 기술을 활용한다는 것이다. 현재 많은 관심을 받고 있는 양자정보 기술의 대부분은 양자얽힘이라는 양자적 특성을 기반으로 한다.
우리 대학 물리학과 라영식 교수 연구팀이 약한 양자측정을 양자얽힘 검증에 도입해 양자얽힘의 직접적 검증을 진행하고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 되돌림 측정을 이용해 양자얽힘을 원래대로 되돌리는 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
양자얽힘은 고전 물리로 설명될 수 없는 양자 물리의 고유한 특성으로서 서로 멀리 떨어져 있는 두 입자 중 한쪽의 상태가 결정되는 순간 다른 쪽의 상태가 결정되는 독특한 현상을 나타낸다. 양자얽힘의 존재는 양자측정을 사용하여 검증해야 하지만, 이러한 측정 과정 자체가 양자얽힘을 파괴하는 문제가 있어 검증이 완료된 양자얽힘 상태를 차후 양자기술에 활용하는데 어려움이 있었다.
하지만, 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 양자얽힘을 완전히 파괴시키지 않는 ‘약한 양자측정’을 도입하여 양자얽힘을 검증하였고, 이 과정에서 손상된 양자얽힘을 ‘되돌림 측정’을 이용해 원상태로 되돌리는 기술을 개발하였다.
‘약한 양자측정’이란 양자상태를 측정할 때 양자상태에 가해지는 변화를 줄이면서도 필요한 정보를 얻어낼 수 있는 양자측정 기술이다. 약한 양자 측정을 양자얽힘 검증에 도입할 경우, 양자얽힘을 완전히 파괴하지 않고도 양자얽힘이 존재하는지 확인할 수 있다.
약한 양자측정 이후 양자상태에 남아 있는 양자얽힘의 양은 원래의 양보다는 적다. 연구진은 ‘되돌림 측정’을 도입해 줄어든 양자얽힘을 원래대로 되돌릴 수 있음을 보였다. 약한 양자측정의 역과정에 해당하는 되돌림 측정은 손상된 양자상태를 일정 확률로 원래대로 되돌려 양자얽힘을 원상태로 복구할 수 있다. 이러한 복구 과정은 앞서 시행한 양자얽힘 검증과 상호 교환 관계가 있어, 연구팀은 두 값을 적절히 조정할 시 양자얽힘의 존재를 검증함과 동시에 되돌려진 양자얽힘을 다시 활용할 수 있음을 보였다.ﾠ
라영식 교수는 "이번 연구를 활용하여 검증된 양자상태를 양자 암호 키 분배, 양자 원격 전송과 같은 다양한 양자 기술 분야에 적용할 수 있을 것ˮ이라고 연구의 의의를 설명했다.
물리학과 김현진 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여하고 정지혁, 이경준 석박사통합과정 학생이 공동 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 2023년 10월 온라인판으로 정식 출판됐다. (논문명: Recovering quantum entanglement after its certification)
한편 이번 연구는 정보통신기획평가원 (양자인터넷 핵심원천기술 사업, 대학ICT연구센터지원사업)과 한국연구재단 (양자컴퓨팅 기술개발사업, 중견연구자지원사업)의 지원을 받아 수행됐다.
2023.10.12
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교원창업기업 (주)로엔서지컬, 신장결석 수술로봇 보건복지부 혁신의료기술 지정으로 시장 진입 가시화
우리 대학 교원창업 스타트업인 ㈜로엔서지컬(대표이사 기계공학과 권동수 교수)에서 국내최초로 개발한 신장결석 수술로봇을 사용하는 연성신요관 경하 결석제거술이 보건복지부의 혁신의료기술로 지정받았다고 밝혔다.
해당 기술은 요로결석으로 인해 연성신요관경하 결석제거술이 필요한 환자를 대상으로 요로를 통해 삽입한 수술기구를 로봇 팔에 부착하여 요로결석을 제거하는 기술로 안전성 및 잠재성이 있는 혁신의료기술로 인정받은 만큼 안전하고 효과가 검증된 치료법을 뜻한다고 로엔서지컬 측은 설명했다.
지난 20일 보건복지부 고시 제2023-175호 ‘신의료기술의 안전성, 유효성 평가결과 고시’에 따르면 요로결석 제거를 위해 로봇 보조 연성신요관경하 결석제거술 기술을 이용하여 결석제거술이 필요한 환자를 대상으로 병원에서 치료가 가능해짐에 따라, 신장결석 수술로봇의 조기 시장진입이 가능하게 되었다.
이에 따라, ㈜로엔서지컬은 혁신의료기술 실시 준비를 위한 임상시험과 국내 병원 판매 계약 등을 준비중에 있다고 밝혔다. 2024년 4월 부터는 최대 3년간 의료현장에서 비급여로 사용될 수 있다.
㈜로엔서지컬은 지난 2018년 2월에 KAIST 교원 및 학생창업을 통해 유연내시경 수술로봇을 개발하고 있는 회사로 환부를 개복하지 않고 인체의 자연개구부를 통해 신장내 결석을 제거하는 신장결석 수술로봇등의 유연내시경 수술로봇을 개발하는 회사로 2021.12월 식약처 제17호 혁신의료기기 지정, 2022.10월 식약처 제조허가 획득에 이어 올해 9월에 보건복지부 혁신의료기술로 인정받게 되어, 수술로봇 개발의 독보적인 기술 우수성을 다시 입증함에 따라, 시장진입에 의미있는 계기가 마련되었다고 밝혔다.
2023.09.22
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팬데믹을 예견할 의사공학자 양성을 꿈꾸며
최근 25년간 노벨 생리의학상 수상자의 37%, 글로벌 상위 10개 제약회사 대표 과학책임자의 70%가 의사과학자다. 코로나를 겪으며 한국에서도 임상 현장과 최신 연구를 연결하는 가교 역할을 하는 의사과학자 양성이 더욱 절실해졌다. 우리 정부도 바이오·디지털헬스 글로벌 중심국가로의 도약을 위해 의사과학자 육성사업을 국정과제로 추진하고 있으며, 과학적 소양을 바탕으로 임상의 과제를 해결하는 의사과학자가 의료계와 바이오산업의 화두로 떠오르고 있다.
우리 대학은 글로벌 바이오헬스사업을 선두할 MD-데이터 공학자, AI 전문가 등의 의사공학자 양성을 위해 그간 추진해온 의과학대학원의 성공적인 운영을 12일 밝혔다. 이와 함께 그간의 성과를 바탕으로 바이오의료 분야에 특화된 과학자 및 공학자 양성을 위해 과학기술의학전문대학원을 설립할 계획이라고 밝혔다.
우리 대학은 2004년 의과학대학원을 설립하여 의사들이 첨단과학 연구역량을 습득할 수 있는 혁신적인 교육환경을 마련하고 현재까지 184명의 의사과학자를 양성하여 산·학·연·병 생태계에 새로운 활력을 불어넣는데 성공하였다. 국내 이공계대학 최초로 의사를 대상으로 선도 연구자 양성을 위한 의사과학자 양성과정(박사학위)을 시행하여 지난 30여년 간 우리나라 의사과학자 양성의 절반 이상을 담당했다.
KAIST 의과학대학원에서는 의학, 생명과학, 자연과학, 공학 등 다양한 학문적 배경을 지닌 28명의 교수진이 연간 총액 330억 원이 넘는 규모의 다학제 융합연구와 교육을 수행하고 있다. 이러한 연구 환경은 우수한 실적으로 이어져, 연간 100편 이상의 SCI급 논문이 의과학대학원에서 발표된다. 논문의 질도 세계 최고 수준이다. 발표 논문의 FWCI(논문영향력지수)의 평균도 3.59에 달한다. 참고로 세계 상위 20개 대학의 FWCI 평균값은 2.06이다.
의과학대학원의 연구가 질적으로 높은 수준을 유지하는 데는 설립 이후 KAIST의 연구풍토로 자리잡은 ‘문제해결형’ 접근법이 큰 역할을 했다. 해결할 과제와 목표를 명확하게 정의하고, 현재 보유한 자원을 고려하여 해결 전략을 수립하는 공학적 방법론이다. 대표적인 사례가 코로나19 팬데믹 기간 중 의과학대학원 신의철 교수가 수행한 연구다. 신 교수 연구팀은 코로나19 대응 방안을 모색하는 과정에서 바이러스에 대한 인체 면역반응의 특성을 규명하여 코로나19 환자의 치료 전략을 마련하는 데 기여했다.
KAIST 특유의 공학적인 방법론 덕분에 의과학대학원은 임상 현장에서 해답을 찾기 어려운 문제를 해결하는 데 탁월한 역량을 보인다. 김진국 교수는 데이터 과학을 기반으로 진단 프로세스를 설계하여 유전체 분석으로 희귀질환을 조기에 찾아내 환자맞춤형 치료제를 개발하는 방법을 제시했다. 김 교수의 성과는 난치병 치료에 중대한 돌파구를 마련하여 세계적으로 주목받았다. 의과학대학원 박종은 교수 연구팀은 인공지능을 활용한 빅데이터 분석을 바탕으로 신개념 암 치료에 활용할 수 있는 ‘스마트 면역세포’를 개발하는 데 성공했다. 박 교수 연구팀의 출발점 역시 데이터과학과 인공지능이었다. 연구팀은 KAIST 내 협력 연구를 통해 수백만 개의 세포에 대한 유전자 발현 데이터베이스를 구축하고, 종양세포와 정상세포 간 유전자 발현 양상 차이를 찾아내는 딥러닝 알고리즘을 개발했다.
의과학대학원의 질병문제 해결에 집중한 혁신적인 연구는 의과학대학원 교수와 졸업생의 딥테크 기반의 바이오 벤처 창업으로 이어지고 있다. 대표적인 사례로 의과학대학원 주영석 교수와 이정석 교수는 지놈인사이트를 공동으로 창업하였다. 지놈인사이트는 세계 최초로 전장유전체분석(WGS·Whole Genome Sequencing) 기반 암 정밀진단 플랫폼을 만들고, 샌디에이고로 본사를 이전하여 적극적인 해외 진출에 나서고 있다. 최근에는 WGS 기반 암 정밀진단 서비스 ‘캔서비전(CancerVision)’을 미국에서 출시하였다. 이외에도 김필한 교수(아이빔테크놀로지(주), CEO), 이정호 교수(소바젠(주), CTO) 등 약 10명의 교원이 6개 기업을 창업했으며, 의과학대학원을 졸업한 의사과학자들도 온코크로스 등 다양한 창업 사례를 내고 있다. 온코크로스는 인공지능을 기반으로 한 의약개발 솔루션 기업이다.
의과학대학원의 우수한 연구 성과는 의과학대학원 교수와 학생에 대한 높은 평가로 이어지고 있다. 의과학대학원의 고규영 교수(특훈교수)는 2023년 대한민국 최고 과학기술인상을 수상하였고, 신의철 교수와 함께 기초과학연구원(IBS) 연구단장으로 활동중이다. 의과학대학원 교수 세 명이 한국연구재단의 개인기초 리더과제에 선정되었고, 네 명이 서경배과학재단의 신진연구자 지원 프로그램에 선정되었다. 그리고 졸업생들은 지난 수년간 분쉬의학상과 아산의학상의 젊은의학자부문, 연강학술상등 젊은과학자에게 수여하는 상의 다수를 수상하였다.
의과학대학원은 KAIST가 보유한 탄탄한 글로벌 네트워크를 바탕으로 국제적인 교류에도 본격적으로 나섰다. 지난 4월에는 미국 보스턴에서 세계적인 연구중심 병원인 하버드의대 매사추세츠 종합병원(MGH) 및 바이오테크놀로지 기업 모더나(Moderna)와 MOU를 체결했다. 이를 바탕으로 향후 보스턴에 소재한 바이오의료 분야 기관들과 의과학자 양성을 위한 공동연구, 인적교류 등 국제 협력을 이어나갈 계획이다.
우리 대학 의과학대학원이 적지 않은 성과를 낳았지만 여전히 우리나라의 의사과학자는 부족하다. 현재 우리나라의 의사과학자는 전체 의사의 1% 미만으로 미국 등 선진국과 비교하면 턱없이 적다. 게다가 임상을 위한 기초 이론을 연구하는 의사과학자를 넘어, 진단이나 치료의 효율적인 프로세스와 방법론을 개발하는 의사공학자의 역할에 대한 인식이 커지고 있지만 의사공학자의 양성은 거의 전무하다. 바이오헬스 산업생태계를 구축하려면 두 부류의 인재가 모두 필요하다. 특히 AI와 빅데이터를 이용한 연구와 진단 및 치료제 개발이 일반화될 것이 자명함을 고려하면 의학에 대한 공학적인 접근이 가능한 의사공학자의 양성을 더욱 시급하다.
이미 산업계에서도 지각변동이 일어나고 있다. 바이오의료는 더 이상 제약회사나 대형병원의 전담분야가 아니다. ‘디지털 의료’라는 현재의 바이오의료 패러다임 전환을 이끄는 주축은 다름아닌 애플, 구글, IBM 아마존, NVIDIA와 같은 이른바 ‘빅테크’다. 국내에서도 삼성 등 IT 분야의 대기업들이 이러한 흐름에 동참하여 바이오의료 분야에 적극적으로 진출하려 한다. 그러나 우리나라에서는 과학과 공학을 기반으로 바이오의료의 문제를 해결하려는 의사과학자와 의사공학자가 부족해서 세계적인 흐름을 따라잡기 쉽지 않다.
이에 우리 대학은 메디컬 산업의 대전환에 대비하고자 새로운 도전을 준비하고 있다. 그간 축적해 온 의사과학자 양성 시스템과 노하우를 기반으로 ‘과학기술의학전문대학원(과기의전원)’의 설립을 추진하고 있다. 과기의전원은 의학교육 단계부터 과학 및 공학적 소양을 갖춘 의사공학자를 양성하고 이후 박사과정을 통해 MD-데이터공학자·AI전문가·전자공학자·신약개발자 등으로 양성하는 것을 목표로 하고 있다.
우리 대학이 과기의전원을 신설하려는 이유는 현재의 의과학대학원만으로 미래의 바이오의료 환경에 완벽하게 대응하기는 어렵기 때문이다. 의과학대학원은 기존의 의과대학을 졸업한 의사를 대상으로 운영되는 프로그램으로 생명과학분야의 연구에는 탁월한 성과를 냈지만, 공학분야에서는 아직 성과가 미약하다. 이는 의과학대학원 연구자의 학술적 배경이 의학이다 보니 지금처럼 전공자도 따라잡기 벅찰 만큼 빠르게 발전하는 공학적 자원을 자유자재로 활용하기는 어렵고, 최신 기술적 성과를 신속하게 의료 분야에 접목하기는 어렵기 때문이다. 과기의전원은 과학과 공학을 기반으로 의학적 소양을 갖춘 인재를 양성하는 데 목표를 둔다. 의학교육단계부터 시작하는 MD-PhD 융합 과정을 운영하려는 이유가 여기에 있다.
과기의전원은 이처럼 급변하는 기술과 산업 트렌드를 바이오의료와 실시간으로 조화시키는 특화된 인재를 양성함으로써 바이오의료의 최신 연구 성과가 산업계에 조기에 안착하는 데 중요한 역할을 할 것이다. 무엇보다 학부 때부터 공학 기반 의료라는 특화된 교육을 실시한다면 과학/공학박사와 임상의 훈련 과정을 모두 거쳐야 했던 기존의 의사과학자 양성과정에 비해 훨씬 신속하게 바이오의료 산업에 필요한 전문가를 공급할 수 있을 것이다.
한편으로는 우수한 과학기술 인재에게 ‘공학과 의학의 융합’이라는 새로운 진로를 제시하여 의료 분야를 지망하는 우수한 인재들이 자신의 관심사를 좇아 연구자의 길을 선택하는 데 기여할 것으로 기대된다. 이처럼 기존의 의학이나 공학과 전혀 다른 융합교육을 받은 혁신 인재들이 바이오헬스 산업의 주역으로 성장한다면 우리나라도 연간 2조달러가 넘는 글로벌 바이오 헬스산업 시장의 퍼스트무버(First-mover)에 당당히 이름을 올릴 수 있을 것이다.
2023.09.12
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맥신 나노기술로 세탁가능한 투명 플렉시블 OLED 개발
자동차 디스플레이, 바이오 헬스케어, 군사 및 패션 등 다양한 분야에서 많은 각광을 받고 있는 투명 플렉시블 디스플레이는 약간의 변형에도 쉽게 깨지는 성질을 가지고 있다. 이를 해결하고자 탄소 나노튜브, 그래핀, 은나노와이어, 전도성 고분자 등 많은 투명 플렉시블 전도성 소재에 관한 연구가 이뤄지고 있다.
우리 대학 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 나노종합기술원 이용희 박사팀과의 공동 연구를 통해 맥신 나노기술을 활용하여 물에 노출돼도 뒷배경을 보이며 빛을 발광하는 방수성 투명 플렉시블(유연) OLED 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.
2차원 맥신(MXene) 소재는 높은 전기 전도도와 투과도를 보이고 용액공정을 통한 대규모 생산성 등의 매력적인 특성을 가진 전도성 소재임에도 불구하고 대기 중 수분이나 물에 의해 전기적 특성이 쉽게 열화되기 때문에 고수명의 전자장치로 활용되는데 한계가 있었고, 이로 인해 정보 표시가 가능한 매트릭스 형태로의 시스템화 단계까지 이루어지지 못한 상황이었다.
최경철 교수 연구팀은 수분이나 산소에 의해 산화되는 것을 방지하는 인캡슐레이션(encapsulation) 전략을 통해 환경적으로 견고한 고수명의 맥신 기반 OLED를 개발했다. 연구팀은 수분에 의한 맥신의 전기적 특성 열화 메커니즘을 분석하는 데 주목했고, 다음으로 인캡슐레이션 박막을 설계하는 데 주목했다. 연구팀은 수분을 차단하고 잔류응력 상쇄 기술을 도입하여 유연성을 주게 되어 최종적으로는 이중층 구조로 인캡슐레이션 박막을 설계했다. 더불어, 물속에서도 열화없이 세탁이 가능하도록 최상부에 수십 마이크로(μm) 두께의 얇은 플라스틱 필름을 부착하였다.
해당 연구를 통해, 연구팀은 햇빛 비추는 실외디스플레이 조건인 실외에서도 사람의 눈으로 밝기 인식이 가능한 정도로 1,000 cd/m2 이상의 휘도(밝기)를 내는 적색(R)/녹색(G)/청색(B)의 맥신 기반 OLED를 개발했다. 적색 맥신 기반 OLED의 경우, 2,000시간의 대기보관수명(70% 휘도유지), 1,500시간의 대기 구동수명(60% 휘도유지), 1.5mm 수준의 낮은 곡률 반경에서 1,000회 이상을 견디는 유연성을 확보할 수 있었다. 또한, 6시간 동안 물안에 넣어 놓아도 그 성능이 유지되었다(80% 휘도유지). 더불어, 패터닝(patterning) 기술을 활용해 맥신 기반 OLED를 수동 매트릭스(passive-matrix) 형태로 제작함으로써 글자나 모양 표시가 가능한 투명 디스플레이를 시연했다.
이번 연구를 주도한 최경철 교수 연구팀의 정소영 박사과정은 “맥신 OLED의 신뢰성 향상을 위해 이에 적합한 인캡슐레이션 구조 및 공정 설계에 집중했다”며 “맥신 OLED를 매트릭스 타입으로 제작해 간단한 문자나 모형을 표시함으로써 투명 디스플레이 분야에 맥신이 응용될 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다.
최경철 교수는 “이번 연구가 맥신의 다양한 전자소자로의 응용에 가이드라인이 될 뿐 아니라 투명 플렉시블 디스플레이가 요구되는 차량용 디스플레이, 패션, 기능성 의류 등 다양한 응용 분야에 적용이 가능할 것으로 예상되며, 중국의 OLED 기술과의 격차를 벌리기 위해서는 이러한 새로운 OLED 융합 신기술이 계속 개발되어야 한다”고 밝혔다.
최경철 교수 연구팀의 정소영 박사과정이 제1 저자로 주도하고 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 나노 분야의 권위 있는 국제 학술지 `에이씨에스 나노(ACS nano, IF 18.0)'에 지난 4월 5일 字로 온라인 게재됐으며, 전면 표지 논문(Front Cover)으로 6월 13일 字로 게재됐다. (논문명: Highly Air-Stable, Flexible, and Water-Resistive 2D Titanium Carbide MXene-Based RGB Organic Light-Emitting Diode Displays for Transparent Free-Form Electronics)
2023.06.28
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차세대소형위성2호 초기 교신 성공
우리 대학 인공위성연구소(소장 한재흥)에서 개발한 차세대소형위성2호가 지난 5월 25일 18시 24분에 발사된 누리호에서 안전하게 분리되어 목표 궤도에 성공적으로 안착하였으며, 같은날 19시 58분 대전 KAIST 지상국과 최초 교신에 성공했다.
차세대소형위성2호의 최초 비콘 신호는 누리호 발사 후 약 40분 만인 25일 저녁 7시 4분경 항공우주연구원의 남극 세종기지 안테나를 통해 수신할 예정이었으며, 실제로는 7시 7분에 수신이 확인되었다. 위성 발사 후 약 94분 만인 25일 저녁 7시 58분경 대전 KAIST 지상국과 최초 교신에 성공했다.
이후, 남극 세종기지에서 비콘 신호를 2차례 더 확인했고, 스웨덴 보덴 지상국과 대전 KAIST 지상국에서 8차례 교신을 수행하면서 차세대소형위성2호의 통신시스템과 자세제어시스템, 전력시스템, 탑재 컴퓨터 등의 기능을 점검했다.
특히, 국내 우주핵심기술 연구개발 성과물로 차세대소형위성2호의 자세제어시스템에 처음 적용된 반작용휠과 광학자이로의 기능을 점검하고, 차세대소형위성2호 태양전지판이 태양을 바라보는 자세제어와 고속데이터 송신을 위해 안테나를 지상국으로 지향하는 자세제어 기능을 확인했다.
또한, 태양전지판과 태양전력조절기, 리튬이온 배터리 등 차세대소형위성2호의 전력시스템을 점검해, 태양전지판에서 안정적으로 생성된 약 256W의 전력을 통해 위성 배터리가 만충전 상태를 유지하고 있는 것을 확인했다.
차세대소형위성2호는 중점임무인 영상레이더 기술검증과 지구관측, 우주과학임무인 근지구궤도 우주방사선 관측, 그리고 4종의 국내 개발 핵심기술에 대한 우주검증을 수행할 예정이다.
영상레이더는 광학카메라와 달리 빛과 구름의 영향을 받지 않아, 주야간 및 악천후에도 지상 관측이 가능하다. 순수 국내 기술로 개발된 차세대소형위성2호의 X-대역 영상레이더는 해상도 5m, 관측폭 40km의 레이더 영상을 획득을 목표로 한다.
우주방사선 관측기는 근지구 궤도의 중성자·하전입자에 대한 정밀 선량 지도를 작성하고, 태양활동 상승 주기의 우주방사선 변화에 따른 우주환경 영향과 근지구 궤도의 중성자 가중치를 연구하는 데 활용된다.
아울러 산·학·연에서 국산화한 위성핵심기술 4종(①상변환 물질을 이용한 열제어장치, ②X-대역 GaN기반 전력증폭기, ③GPS·Galileo 복합항법수신기, ④태양전지배열기)에 대한 우주검증도 함께 수행된다.
차세대소형위성2호는 약 3개월의 초기 운영 기간 동안 위성 본체 및 탑재체에 대한 기능을 상세히 점검한 후, 계획된 영상레이더에 대한 기술검증•지구관측, 우주방사선 관측 및 핵심기술 검증의 정상적인 임무를 약 2년간 수행할 예정이다.
위성 발사 후 1주일 동안 위성 본체 및 탑재체에 대한 기초적인 상태 점검을 수행하고, 발사 후 1개월까지 위성 본체에 대한 세부 기능을 상세히 점검한 뒤, 발사 후 3개월까지 모든 탑재체에 대한 세부 기능점검을 완료함으로써 향후 정상 임무를 위한 위성 상태 최적화를 수행할 예정이다. 이광형 KAIST 총장은 "우리별 1호부터 30여 년간 축적해온 소형위성 개발과 운영 경험을 바탕으로 차세대소형위성2호의 임무를 성공적으로 완수하여 우리나라 소형위성 기술 수준을 한 단계 높일 수 있을 것으로 기대한다"라고 밝혔다.
2023.05.26
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엑스선 현미경 해상도 한계 극복
엑스선 현미경은 대부분 물질을 투과하는 장점이 있어 흉부 엑스선이나 CT 촬영을 통해 신체 내부 장기와 골격을 비침습적으로 관찰할 수 있다. 최근에는 반도체, 배터리의 내부 구조를 나노스케일에서 정밀하게 관찰하기 위해 엑스선 영상 기술의 해상도를 높이려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
우리 대학 물리학과 박용근 교수 연구팀이 포항가속기연구소 임준 박사 연구팀과 공동연구를 통해 기존 엑스선 현미경의 해상도 한계를 극복할 수 있는 원천 기술 개발에 성공했다고 12일(수) 밝혔다.
물리학과 이겨레 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 광학 및 광자학의 세계적인 학술지인 `라이트: 사이언스 앤 어플리케이션 (Light: Science and Application)' 4월 7일 字에 출판됐다. (논문명: Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness).
엑스선 나노 현미경은 굴절 렌즈가 없어 렌즈 대용으로 동심원 회절판(zone plate)이라 불리는 원형 모양의 격자를 사용한다. 동심원 회절판을 사용하여 얻어지는 영상의 해상도는 회절판 나노구조의 제작 품질에 의해 결정된다. 이러한 나노구조를 제작하고 유지하는 것은 여러 가지 어려움이 있으며, 이러한 한계가 엑스선 현미경의 해상도 한계를 결정했다.
연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 새로운 엑스선 나노 현미경 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 엑스선 렌즈는 얇은 텅스텐 필름에 수많은 구멍을 뚫은 형태로, 입사되는 엑스선을 회절시켜 무작위적인 회절 패턴을 생성한다. 연구팀은 역설적이게도 이러한 무작위적 회절 패턴 속에 시료의 고해상도 정보가 온전히 들어있음을 수학적으로 규명하였으며, 실제 그 시료 정보를 추출하여 영상화하는데 성공하였다.
이러한 무작위 회절의 수학적 성질을 활용한 영상기법은 지난 2016년 이겨레 박사와 박용근 교수가 세계 최초로 제안하고 가시광 대역에서 구현한 기술로서, 당시 네이처 커뮤니케이션즈紙 Lee, KyeoReh, and YongKeun Park. "Exploiting the speckle-correlation scattering matrix for a compact reference-free holographic image sensor." Nature communications 7.1 (2016): 13359. 에 보고된 바 있다. 이번 연구는 해당 선행연구 결과를 엑스선 영역의 난제를 푸는 데 활용한 것이다.
구성된 시료의 영상의 해상도는 사용한 무작위 렌즈에 식각된 패턴의 크기와 직접적인 상관이 없다. 이러한 아이디어를 바탕으로 연구팀은 300 나노미터(nm) 지름의 원형 패턴으로 제작한 무작위 렌즈를 활용해 14 나노미터(nm) 해상도(대략 코로나 바이러스의 7분의 1 크기)의 영상을 취득하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 영상기술은 기존 동심원 회절판 제작상의 문제에 가로막혀 있던 엑스선 나노 현미경 해상도를 그 이상으로 끌어 올릴 수 있는 핵심 기반 기술이다.
제1 저자이자 공동교신저자인 우리 대학 물리학과 이겨레 박사는 “이번 연구에서는 14 나노미터(nm) 해상도에 그쳤지만, 차세대 엑스선 광원과 고성능 엑스선 검출기를 활용한다면, 기존 엑스선 나노 영상의 해상도를 넘어서 전자현미경의 해상도 수준인 1 나노미터 부근까지 근접할 수 있을 것이라 예상한다”라며“전자현미경과는 달리 엑스선은 시료를 훼손하지 않으면서 내부 구조를 관찰할 수 있으므로, 반도체 검수와 같은 비침습적 나노구조 관찰에 새로운 표준을 제시할 수 있을 것이다”라고 말했다.
공동교신저자인 포항가속기연구소 임준 박사는 “같은 맥락에서, 개발된 영상기술은 충북 오창에 신설되는 4세대 다목적방사광가속기에서 크게 성능이 증대될 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.
2023.04.12
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전염병 바이러스 10분 내 현장 진단 가능한 PCR 개발
전염성 높은 바이러스의 빠른 확산을 방지하기 위해서는 의료 현장에서 빠르고 정확하게 바이러스를 검출해 신속하게 진단하는 것이 매우 중요하다. 현재 현장 진단 검사는 신속 항원 검사에 국한되어 진단의 정확성이 낮은 문제점이 있다. 감염병 확진을 위해선 실시간 역전사 중합효소연쇄반응(Real-time reverse-transcription Polymerase Chain reaction, RT-qPCR) 검사가 필요하지만, 기술적인 한계로 인해 현장 진단 검사에는 매우 부적합한 실정이다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과 (주)오상헬스케어와의 공동연구로 개발하여 코로나-19 바이러스 검출 95% 정확도를 가진 현장 진단에 적합한 초고속 초소형 플라즈모닉 핵산 분석 시스템을 개발했다고 11일(화) 밝혔다.
연구팀이 개발한 시스템은 광열 나노소재 기반 초고속 플라즈모닉 열 순환기, 미세 유체 랩온어칩 기반 금속 박막 카트리지, 초박형 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경 등 최첨단 마이크로 나노기술을 접목한 현장 진단형 플라즈모닉 핵산분석 시스템을 핸드헬드 크기로 개발했으며 코로나-19 RNA 바이러스를 10분 이내에 성공적으로 검출했다. 또한, 파일럿 제품의 성능평가를 위해 임상적 성능시험을 수행했으며, 임상 현장에서 정상인 시료로부터 코로나-19 환자의 시료를 95% 이상의 높은 정확도로 구분하는 데 성공했다.
`플라즈모닉 열 순환기'는 나노 및 마이크로공정기술을 통해 유리 나노 기둥 위 금나노섬 구조와 백금박막 저항 온도센서를 결합해 대면적으로 제작됐다. 해당 나노 구조는 가시광선 전 영역에서 광 흡수율이 매우 높아 백색광 다이오드(LED)의 빛을 빠르게 열로 치환해 온도 상승 속도를 대폭 향상했으며, 상단에 있는 박막 저항 온도 센서를 통해 실시간으로 표면 온도를 측정함으로써 초고속 열 순환 기능을 구현했다.
또한, 연구팀은 사출 성형된 플라스틱 미세 유체 칩과 알루미늄 박막을 결합해 `금속박막 카트리지'를 개발했으며, 이를 통해 값비싼 나노소재의 재사용률을 높이고 비용 효율을 극대화했다. 해당 금속 박막은 두께가 얇고 열전도율이 높으므로 열 순환기로부터 발생한 광열을 반응 용액에 효율적으로 전달해 온도상승 및 하강 속도를 개선했다. 또한, 금속 박막은 빛 반사율 또한 매우 높아 플라즈모닉 핵산 증폭 기술의 가장 큰 한계점인 광열 여기광원과 형광 검출 사이의 광학적 누화 현상을 완전히 해결했다.
연구팀은 미세 유체칩 내 실시간 정량화를 위해 마이크로공정기술을 활용해 곤충 눈을 모사한 `마이크로렌즈 어레이 형광 현미경'을 개발했다. 해당 기술은 초점거리의 한계를 극복해 10밀리미터(mm)의 초근접 거리에서 미세 유체 채널의 형광 이미지를 촬영할 수 있도록 제작됐고 전체 형광 시스템의 크기를 대폭 축소했다. 또한, 어레이 이미지의 병합 및 재구성을 통해 높은 동적범위 및 고대비 다중 형광 촬영이 가능하므로 플라즈모닉 핵산 증폭 동안 증가하는 유전자를 실시간으로 정량화할 수 있도록 개발했다.
정기훈 교수는 “플라즈모닉 핵산분석 시스템이 속도, 가격, 크기 측면에서 현장 진단에 매우 적합하여 진단 장비의 탈중앙화를 가능하게 할 뿐만 아니라 다중 이용 시설이나 지역 병원 등 방역 현장에서 바이러스 검출 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다” 라고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `에이씨에스 나노 (ACS Nano)'에 게재됐다. (논문명: 분자진단의 분산화를 위한 초고속 플라즈모닉 핵산 증폭 및 실시간 정량화, Ultrafast Plasmonic Nucleic Acid Amplification and Real-Time Quantification for Decentralized Molecular Diagnostics)
한편 이번 연구는 KAIST 코로나19대응 과학기술뉴딜사업과 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업으로 수행됐다.
2023.04.11
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