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빛의 속도로 빠른 단방향 광전달 소자 개발
우리 학교 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 반도체 나노와이어를 이용해 빛을 한쪽 방향으로만 선택적으로 전달할 수 있는 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 광자 다이오드 구조는 직경이 수백 나노미터에 길이가 수 마이크로미터 정도로 크기가 매우 작아 고집적회로에 사용할 수 있으며 입사광의 편광방향에도 덜 민감해 효과적으로 활용가능하다.
집적회로에서 전자의 흐름을 제어하는 다이오드를 전자 대신 빛을 이용해 구동하는 방식으로 만들면 정보를 초고속으로 처리하고, 전송 손실이 작아지기 때문에 에너지 소비를 줄일 수 있어 꼭 필요한 미래기술이다.
그러나 기존에 비대칭메타물질이나 광결정구조 등을 이용한 기존의 광자 다이오드 방식은 크기가 커서 고집적회로에 적용하기 어렵다. 또 입사광의 편광방향과 입사 각도에 민감해 제한된 환경에서만 사용할 수 있었다.
연구팀은 수 마이크로미터 이하의 질화물반도체 나노와이어를 이용해 양 방향으로 빛이 나오는 강도가 크게 다른 높은 효율의 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 반도체 나노와이어는 길이 방향으로 큰 에너지 차이를 보이는데 이는 나노와이어에 형성된 양자 우물의 두께와 양자우물 층의 인듐 함량을 길이 방향으로 연속적으로 제어했기 때문이라고 연구팀은 전했다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “길이 방향으로 나타나는 에너지의 큰 차이는 비대칭적으로 빛의 진행을 일으켜 광자 다이오드로서 작동하게 되는 것”이라며 “집적회로에서 전자 대신에 광자를 활용하면 정보의 전달속도가 빛의 속도에 근접할 정도로 빨라질 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 9월10일자 표지논문으로 게재됐다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수의 지도를 받아 고석민(제1저자)·공수현(제2저자) 박사과정 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원 사업과 KAIST EEWS 연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
반도체 나노와이어로 만든 광자 다이오드가 광집적회로에 적용된 가상의 모습
2014.09.22 조회수 12137 -
감도 1000배 높은 금나노선 탐침 개발
우리 학교 화학과 김봉수 교수 연구팀(제1저자 강미정 박사)은 단결정 금 나노선을 이용해 만든 세계에서 가장 가는 나노탐침으로 쥐의 신경신호를 측정하는데 성공했다.
굵기가 100nm(나노미터, 10억분의 1미터)에 불과한 이 나노탐침은 기존보다 1,000배 이상 뛰어난 감도를 나타냈으며 1mm 이하의 극히 정밀한 간격으로 뇌신경 신호 측정이 가능하다. 기존 신경탐침은 삽입 시 조직 손상이 커서 검출신호가 약한 반면 개발된 탐침은 손상을 최소화해 신경 신호가 상대적으로 크다.
뇌에서 발생하는 전기적 신경신호를 정확하게 수집·분석하는 신경탐침은 뇌 연구에서 가장 핵심적인 요소다. 신경탐침은 조직손상을 최소화해야하며 우수한 전기적 감도를 가져야한다.
연구팀은 탐침의 재료인 금에 열을 가해 증기상태로 만든 다음 온도가 낮은 기판으로 운반한 후 기판에서의 응결에 의해 단결정 금 나노구조가 생성되는 원리를 이용해 금 나노선을 개발했다. 만들어진 금 나노선은 결함이 없는 단결정구조이기 때문에 전기전도성이 높으면서도 강하고 유연한 특성을 보였다.
김 교수 연구팀은 개발된 나노탐침을 간질을 유발하는 약물을 투여한 쥐의 뇌에 삽입해 신경신호를 측정한 결과 간질을 일으키는 뇌의 특정 영역을 정확히 찾을 수 있었다. 또 낯선 쥐의 침입에 의한 신경신호의 변화도 탐지해냈다.
김봉수 교수는 “뇌 신경 세포를 손상시키지 않으면서 단일 신경세포로부터의 신호를 높은 감도로 포착할 수 있다”며 “정밀한 뇌신경 3차원 지도 작성에 유용할 뿐 아니라 치매, 파킨슨병 등의 전기치료에도 도움이 될 것”이라고 말했다.
연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 12일자 온라인 판에 게재됐다.
□ 금나노선 합성 방법석영관으로 이루어진 가열로 내에서 금 slug를 가열하여 형성시킨 금 vapor가 수송 기체에 의해 사파이어 기판에 도달하여 나노선으로 성장함
□ 금나노선 성장사파이어 기판에 도달한 금 vapor가 half-octahedral seed를 형성하고, 그 seed에 금 vapor가 결합하여 나노선으로 성장함
□ 금나노선 탐침 제작방법텅스텐 팁으로 기판 위에 수직 성장된 나노선 중 하나를 집어낸 뒤, 텅스텐 팁은 절연층으로 코팅함
□ 신경신호 감도 비교금 나노탐침과 텅스텐 마이크로탐침을 쥐 뇌에 삽입하여 측정한 신경신호 비교. 금 나노탐침에서 스파이크 형태의 신경 신호가 뚜렷하게 관찰됨
□ 행동실험낯선 쥐의 침입에 의한 신경신호의 변화를 금 나노탐침과 텅스텐 마이크로탐침으로 측정. 금 나노탐침에서만 뚜렷한 신호 변화가 측정됨
□ 약물실험세 개의 금 나노탐침 또는 텅스텐 마이크로탐침을 쥐 뇌에 삽입한 후, 쥐에 간질을 유발하는 약물을 주사하여 발작 상태를 보일 때 측정한 신경신호. 세 개의 금 나노탐침은 세 영역의 신호를 구분하여 간질 중심을 찾아낼 수 있는 반면 세 개의 텅스텐 마이크로탐침은 세 영역의 신호를 구분하지 못함
2014.08.27 조회수 12220 -
테라헤르츠파 생체 부작용 첫 발견
인체에 무해하면서도 X선보다 활용분야가 다양해 꿈의 전자파로 불리는 ‘테라헤르츠파’의 생체 부작용이 세계 최초로 밝혀졌다.
우리 학교 나노과학기술대학원 김필한 교수와 한국원자력연구원 정영욱 박사 공동연구팀은 테라헤르츠파가 동물의 피부조직에서 염증반응을 일으키는 현상을 관찰했다.
연구결과는 광학 분야의 세계적 학술지인 ‘옵틱스 익스프레스(Optics Express)’ 온라인 판(5월 19일자)에 게재됐다.
테라헤르츠파는 0.1THz~10THz(테라헤르츠, 1조헤르츠) 대역의 전자기파로 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있지만 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않는다고 알려져 왔다.
보안검색, 차세대 무선통신, 의료영상기술 등 다양한 분야에 활용되고 있으나 생체에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 거의 이뤄지지 않았다.
또 기존에 수행된 테라헤르츠 전자파의 영향에 관한 연구는 주로 인위적으로 배양된 세포만을 대상으로 수행해 복잡하고 다양한 구조의 생명체 조직에 미치는 영향을 예측하는 것은 불가능했다.
한국원자력연구원 연구팀은 먼저 살아있는 생체에 적용할 수 있는 고출력 테라헤르츠 전자파 발생기를 개발했다. 통신 분야에서 사용되는 것보다 10배 많은 출력량으로 바이오센서 등에 상용화하기 위해서는 지금보다 출력을 대폭 늘려야하기 때문이다.
이와 함께 KAIST 연구팀은 살아있는 생체조직 내부의 세포를 구분할 수 있는 고해상도의 3차원 영상 초고속 레이저 현미경을 개발했다.
공동연구팀은 고출력 테라헤르츠파를 유전자조작 생쥐의 피부에 30분간 조사한 결과 6시간 후 피부조직에서 염증세포의 수가 기존보다 6배 이상 증가한 것을 발견했다.
인체에 손상을 주지 않고 상피암 등 피부표면에 발생하는 질병을 효과적으로 확인할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있는 ‘테라헤르츠파’의 생체 부작용이 세계에서 처음으로 보고된 것이다.
김필한 교수는 “이번 연구 결과는 현재 다양한 분야에 활용되고 있는 테라헤르츠 전자파를 어떻게 하면 더 안전하게 사용할 수 있는가에 대한 기준을 제시한 것”이라며 “향후 일상생활에서 쓰이는 다른 종류의 전자파의 생체 영향에 대한 정확한 이해 및 분석에도 활용될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단을 통해 세계수준의 연구센터(WCI) 및 선도연구센터(ERC) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
그림 1. KAIST의 초고속 레이저스캐닝 공초점현미경 사진
그림 2. 한국원자력 연구원의 테라헤르츠 전자파 발생장치
그림 3. 살아있는 동물의 피부조직 세포수준 영상 획득 사진
그림 4. 테라헤르츠 전자파에 의해 유도된 염증세포 영상화 사진
2014.06.18 조회수 14659 -
나노 입자 기반 신개념 슈퍼렌즈, 2013 10대 과학기술 뉴스로 선정
박용근 교수
우리 학교 물리학과 박용근·조용훈 교수 공동연구팀이 개발한 "나노 입자 기반의 신개념 슈퍼렌즈" 기술이 한국과학기술단체총연합회가 선정한 "2013년 10대 과학기술 뉴스"로 선정됐다.
이 렌즈는 빛의 산란을 이용해 기존 광학렌즈보다 3배가량 뛰어난 해상도를 갖는다.
빛의 굴절을 이용하는 기존 광학렌즈와 달리, 슈퍼렌즈는 100㎚ 크기의 세포 내 구조와 바이러스 등을 볼 수 있다. 또 광통신과 최첨단 반도체 공정 등에 응용 가능하다.
이밖에도 나로호 발사 성공, 뇌세포막을 제거해 뇌를 투명하게 보는 기술과 암 전이를 차단하는 신물질 개발, 초광각 곤충 눈 카메라 기술 개발 등이 올해의 연구업적으로 인정받았다.
2013 10대 과학기술 뉴스는 3차례의 위원회 심의와 지난달 21일부터 이달 4일까지 14일 간 5437명의 온라인투표 참여를 통해 선정됐다.
2013.12.11 조회수 12798 -
단분자 수준 단백질 상호작용 측정 성공
- 하나의 분자 수준에서 두 단백질 상호작용 실시간 관찰 성공 -- 면역침강 기법의 측정한계와 시간분해능 십만 배 향상 -
우리 학교 물리학과 윤태영 교수 연구팀이 하나의 분자 수준에서 실시간으로 두 단백질 사이의 상호작용을 관찰하는 기술을 개발한 연구 결과가 ‘네이처 프로토콜스 (Nature Protocols)’ 10월 호에 초청 논문으로 게재됐다.
윤 교수 연구팀은 먼저 하나의 분자까지 관찰할 수 있는 형광현미경을 개발했다.
연구팀은 분자생물학에서 단백질 상호작용 분석에 전통적으로 사용되는 ‘면역침강기법’을 개발한 현미경과 접목함으로써 ‘실시간 단분자 면역침강기법’을 개발해냈다. 이를 통해 연구팀은 순간적으로 상호작용이 반복되는 두 단백질의 반응을 수십 밀리 초 단위에서 정밀하게 관측하는데 성공하였다.
기존의 면역침강기법은 두 단백질 사이의 상호작용을 검출하기 위해 최소 1일 이상의 시간이 소요되었다. 이로 인해 약한 상호작용이나 순간적인 작용을 검출해 내는데 있어 그 한계가 있었다. 또한 결과로 나타난 그림이 단백질 밴드의 세기로 측정되므로 정량적인 분석이 어렵고, 실시간 관측이 불가능한 단점이 있었다.
연구팀은 이러한 기존 방법을 대폭 개량함과 동시에 단분자 수준에서 정밀한 기법을 개발해 내고자 하였다. 새롭게 개발된 기술을 사용하면, 1시간 이내에 원하는 단백질 사이의 상호작용을 관측할 수 있게 된다. 또한 두 단백질의 상호작용을 실시간으로 측정할 수 있으므로 상호작용의 현상을 보다 심도있게 측정하고, 계량할 수 있는 것이다.
또한 실험에 사용되는 모든 프로그램을 연구팀에서 직접 제작, 배포하여 본 기법에 대한 원천기술을 확보함과 동시에, 세계적인 인프라를 구축하는데 있어 토대를 마련하기도 하였다.
윤태영 교수는 “이번에 개발한 기술은 별도의 단백질 발현이나 정제과정을 필요로 하지 않아 매우 미량의 단백질 샘플만 주어져도 그 상호작용을 단분자 동역학 수준에서 매우 정밀하게 분석할 수 있다”며 “암 환자 조직에서 얻어진 발암 단백질도 정확히 분석할 수 있어 향후 맞춤형 항암제 개발을 위한 플랫폼을 마련할 수 있다”고 전했다.
그림1. 기존의 면역침강법과 새로이 개발된 실시간 단분자 면역침강법의 비교 모식도
2013.11.25 조회수 16960 -
양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발
- 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점을 형성해 고효율 단광자 광원 개발 -- 단파장 가시광선 대역에서 작동하는 초고속 반도체 양자 광원 연구 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다.
연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 "사이언티픽 리포트(Scientific Reports)" 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계가 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.
이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.
이와 함께 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.
이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.
조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성하여 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. (왼쪽) 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진. (오른쪽) 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.
그림2. (왼쪽) 오벨리스크형 나노구조와 기존 평면 박막 구조에 내재된 양자점을 비교한 개념도. (오른쪽) 오벨리스크 나노구조 끝에 형성된 단일 양자점에서 방출되는 좁은 선폭의 스펙트럼과 광원의 양자화 정도와 빠른 단광자 방출 속도를 나타내는 2차 광자 상관 관계 그래프.
2013.07.22 조회수 16679 -
손상된 DNA의 돌연변이 유발 메커니즘 규명
- DNA 손상을 용인하는 특수 복제효소 Rev1의 조절 메커니즘 밝혀 -- “암 치료 및 예방에 크게 기여할 것” -
우리 학교 화학과 최병석 교수는 생체정보를 저장하는 DNA가 손상돼 회복하고 복제하는 과정에서 돌연변이가 발생하는 메커니즘을 규명했다.
연구결과는 분자세포생물학분야 세계적 학술지 ‘분자세포생물학(Journal of Molecular Cell Biology)’ 6월호 표지논문으로 실렸다.
산업의 급격한 발전으로 현대인들의 유전자는 예전에 비해 훨씬 다양하게 위협받고 있다. 오존층의 파괴로 인해 자외선에 그대로 노출되는 것은 물론 담배연기를 비롯한 수많은 발암물질의 공격은 우리 몸속의 DNA를 손상시킨다.
하루에도 수 만 번 끊임없이 일어나는 DNA의 손상을 효과적으로 회복시켜주지 못하면 암 등 치명적인 질병이 발생한다.
손상된 DNA가 회복반응에 의해 복구되지 않은 상태에서 자기복제가 일어나면 정상적인 복제를 담당하는 폴리머라제는 손상부위에 도달하면 DNA 합성을 정지하게 되고 세포의 죽음을 초래 한다.
인체는 이 같은 비상사태를 맞이해 복제담당 폴리머라제를 잠깐 쉬게 하고 손상된 DNA 부위를 그냥 지나치는 능력이 있는 특수한 복구담당 폴리머라제들을 동원해 손상부위를 통과하고 DNA 합성을 다시 시작한다.
이때 DNA는 많은 오류가 발생돼 심각한 돌연변이를 유발시킨다. 즉, 열악한 상황에 놓인 세포가 복제를 진행하지 못해 죽음을 맞기 보다는 생존을 위해 매우 부정확한 DNA 복제일지라도 선수를 교체하면서까지 복제를 진행하게 된다.
지금까지 학계에서는 Rev1 단백질이 이러한 과정을 조절할 것이라고 추정해 왔지만 그 구조와 기능은 명확하게 밝혀내지 못했다.
연구팀은 핵자기공명 분광법(NMR)과 X-ray를 이용해 DNA 복제과정에서 중추적인 역할을 하는 단백질(Polκ과 Rev1, Rev1과 Rev3/Rev7) 각각의 복합구조를 밝혀냈다.
이를 통해 ▲DNA가 손상 시 돌연변이가 유발되는 메커니즘 ▲DNA 복제효소간의 상호작용 ▲손상부위를 통과한 합성된 DNA가 더 연장되는 메커니즘을 분자수준에서 규명했다.
암의 직접적인 발병 원인이 DNA의 손상인 만큼 이에 대한 메커니즘을 밝혀내고 응용하면 개인별로 암의 원인을 제거할 수 있어 부작용 없는 맞춤형 항암제를 개발할 수 있을 것으로 전망된다.
최병석 교수는 이번 연구에 대해 “판코니 빈혈 환자들에게 암이 많이 발생되는 문제를 조사해보니 DNA복제 시 회복 기능이 고장 나 있더라”며 “손상된 DNA의 회복과 복제 과정에 대한 메커니즘 규명을 통해 암을 예방하고 치료하는데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 화학과 최병석 교수와 류디난 박사의 주도로 수행됐고, KAIST 화학과 이지오 교수, 고준상 박사, 임경은 박사과정, 기초과학지원연구원 류경석 박사와 황정미 박사가 참여했다.
그림1. Polκ/Rev1/Rev7/Rev3 단백질 복합체 구조
그림2. Rev1, Polκ와 Rev7와 Rev3를 상호형질 주입된 세포의 공초점 현미경 영상
그림3. 논문표지
2013.06.03 조회수 16644 -
홀로그래피 이용한 빛 산란 제어기술 개발
- 산란 제어를 통해 감추어진 물체를 볼 수 있는 기술 -
- 네이처 사이언티픽 리포트 5월 29일자 온라인판 게재 -
최근 ‘투명테이프의 재발견’이라는 게시물이 인터넷을 뜨겁게 달궜다. 불투명한 유리창에 투명테이프를 부착하자 흐릿하게 보이던 유리가 투명해지는 현상이었다. 투명테이프로 불투명한 유리의 요철이 메워져 빛 산란이 줄여진 간단한 과학의 원리다.
이처럼 우리 실생활에서 쉽게 접할 수 있는 빛의 산란을 홀로그래피를 이용해 손쉽게 제어할 수 있는 기술이 KAIST와 MIT 공동연구팀에 의해 개발됐다.
KAIST(총장 강성모)는 물리학과 박용근 교수가 미국 MIT 분광학 연구소와 공동으로 홀로그래피를 활용해 빛 산란을 제어하는 기술에 개발에 성공했다고 29일 밝혔다.
연구 결과는 세계적인 과학저널 네이처(Nature)가 발행하는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’ 5월 29일자 온라인판에 게재됐다.
이 기술을 이용하면 구름, 연기와 같은 장애물 때문에 보이지 않던 건너편의 물체를 또렷하게 볼 수 있다. 게다가 사람의 피부와 같이 산란이 심한 물체 뒤에 숨어있는 대상까지도 선명하게 관찰할 수 있다.
연구팀은 관찰하고자 하는 물체 중간에 위치한 장애물의 빛 산란을 제어하기 위해 빛의 방향과 세기를 모두 기록하는 홀로그래피 기술을 활용했다.
연구팀은 이를 통해 산란된 빛의 정보를 기록한 후 각각의 빛을 정확하게 반대편으로 다시 빛을 반사해 원래의 이미지를 얻어내는데 성공했다.
예를 들어, 복잡한 궤적으로 당구공이 당구대에서 굴러갈 때 공을 멈추고 반대 방향으로 공을 굴리면 다시 이전의 궤적으로 가는 것과 같은 원리다.
이러한 현상은 물리학에서 위상 공액(phase conjugation)으로 알려져 있는데, 박 교수팀은 세계 최초로 위상 공액과 디지털 홀로그래피 기술을 이용해 산란이 심한 벽 뒤에 있는 물체의 2차원 이미지를 관찰하는데 성공했다.
박용근 교수는 “빛의 산란을 제어해 불투명해 보이는 벽 뒤를 볼 수 있는 이 기술은 앞으로 물리학, 광학, 나노기술, 의학은 물론 군사적인 용도 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
또 “이번 기술은 일반적으로 알려진 투시카메라 또는 투명망토 기술과는 다르다”며 “현재로선 빛의 산란을 정밀하게 제어한 원천기술 개발에 의미를 두고 있다”며 개발된 기술에 대한 확대 해석을 경계했다.
그림1. 관찰영상
그림2. 빛 산란 제어의 원리
2013.05.29 조회수 11591 -
금 나노선 세포 주사기 개발
- 유전자를 세포 핵 안으로 직접, 원하는 순간에, 원하는 양만큼만 정교하게 전달-
우리 학교 연구팀이 금 나노선을 이용해 유전자를 살아있는 세포의 핵에 직접 전달할 수 있는 나노 주사기를 개발했다.
우리 학교 화학과 김봉수 교수와 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 공동 연구팀이 단결정 금 나노선에 유전자를 부착해 세포의 핵에 정교하게 찌른 후 전기 신호로 유전자를 전달하고 유전형질을 발현시키는데 성공했다.
연구결과는 나노 분야 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
인체는 약 100조 개의 세포로 이뤄진 대단히 복잡한 시스템이다. 각각의 세포는 주변 세포와 유기적으로 신호를 교환함으로써 인간의 고차원 생명활동을 수행한다. 생명현상을 이해하기 위한 첫 단계는 하나의 세포에서 일어나는 현상 및 세포 간의 신호 전달을 정확하게 밝혀내는 것이며, 이는 생물학, 바이오 연료전지, 신약 개발 분야 등에서 매우 중요하다.
단일 세포에 생활성(bioactive) 분자를 선택적으로 전달하는 기술은 세포 내 생체현상을 세밀히 규명하고 질병 치료법을 개발하는데 필수적이다. 세포에 주사기를 꽂고 물질을 전달할 때 세포를 다치지 않게 하는 것이 무엇보다도 중요한데 이를 위해 다양한 나노소재를 이용한 전달 방법이 연구되고 있다.
연구팀은 직경이 100나노미터 정도로 매우 가는 금 나노선에 DNA를 붙이고 이를 정확하게 세포핵에 찌른 후 외부에서 전기 신호를 보내 원하는 만큼의 유전자를 정확히 전달하는 나노주사기를 개발했다.
금 나노선 주사기로 DNA를 세포 핵 안으로 제대로 전달하면 세포는 DNA로부터 정보를 받아 단백질을 만들어낸다. 연구팀은 녹색 형광을 내는 단백질을 만드는 DNA를 세포 핵 안으로 전달한 뒤 세포에서 녹색 형광이 나오는 것을 관찰함으로써 DNA가 성공적으로 전달된 것을 확인했다.
금 나노선 나노주사기는 지금까지 보고된 DNA 전달 주사기 중 가장 가늘어서 세포에 상처를 전혀 주지 않고도 핵 안에 정교하게 삽입할 수 있다. 이 주사기를 이용하면 DNA를 세포의 핵 안으로 직접 정확히 전달함으로써 전달 효율을 크게 높일 수 있고 매우 정교한 유전물질 조절이 가능하다.
김봉수 교수는 이번에 개발한 금 나노선 주사기에 대해 “이 주사기는 세포 내부의 원하는 위치에, 원하는 시간에, 원하는 양만큼 유전 물질이나 단백질 등을 정교하게 전달해 원하는 대로 유전현상 및 세포현상을 조절 및 연구하는데 대단히 유용하다”며 “특히, 유전자 치료요법, 표적형 약물 전달 개발, 세포 내 신호전달의 연구에서 선도적 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, KAIST 화학과 김봉수 교수와 이상엽 교수가 공동으로 주도한 이번 연구는 강미정 박사과정 학생과 유승민 박사가 참여했다.
2013.05.15 조회수 12000 -
모든 빛에 작동하는 무지갯빛 나노안테나 개발
- Nano Letters지 발표, “태양광 발전에 활용할 수 있는 핵심 기술 개발 ”-
완전결정* 은(銀) 나노선을 이용해 모든 파장의 빛에 작동하는 광학 나노 안테나가 순수 국내 연구진에 의해 개발되었다. 이번 연구 결과는 태양광 발전 등에 핵심적으로 활용할 수 있는 효율 높은 안테나 개발에 새로운 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.
※ 완전결정(perfect crystal) : 원자배열이 전체 결정체에 완전히 조직적으로 된 결정으로 이상결정(ideal crystal)이라고도 부름. 실제 자연환경에서는 거의 존재하지 않는 상태임
우리 학교 김봉수 교수(52세), 서민교 교수 및 고려대 박규환 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구), 21세기 프론티어연구개발사업 및 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 수행되었고, 나노과학 및 기술 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’지에 4월 17일자로 게재되었다.
(논문명 : Rainbow Radiating Single-Crystal Ag Nanowire Nanoantenna)
특히 이번 연구결과는 강태준 박사(제1저자), 최원준 박사 및 윤일선 박사와 같은 30대 초반의 젊은 국내 토종 박사들이 주축이 되어 일궈낸 성과라는 점에서 의미가 있다.
김봉수 교수 연구팀은 한 가지 파장의 빛에서만 작동하는 기존의 광학 나노 안테나의 한계를 극복하는 모든 파장의 빛에서 반응하는 광학 나노 안테나 개발에 성공하였다.
광학 안테나는 휴대폰의 안테나가 전파를 수신하여 전기신호로 변환하고 반대로 전기신호를 전파로 변환하여 송신하는 것과 같이, 빛을 수신하여 전자기장으로 변환하고 그 반대의 역할도 수행할 수 있는 최근 주목 받고 있는 광학 소자이다.
일반 전파가 아닌 빛을 송․수신하기 위해서는 안테나의 크기를 머리카락의 10만분의 1미터(나노미터) 수준으로 매우 작게 제작해야 하기 때문에, 전 세계 수많은 연구팀들은 나노입자를 이용해 광학 안테나를 개발하고자 노력해왔다.
그러나 기존에 개발된 광학 안테나들은 파장의 범위가 매우 제한적이어서 한 가지 파장의 빛에서만 작동하기 때문에, 다양한 파장에서 송․수신기 역할을 수행할 만큼 효율적이 못했다.
김 교수팀은 지금까지 활용하던 나노입자가 아닌 가시광 전 영역에서 작동하는 은(銀)을 사용해 다양한 파장에서 공명할 수 있는 나노선*으로 광학 안테나를 제작하여 이 문제점을 해결하였고, 모든 파장의 빛에서 은 나노선 안테나가 잘 작동한다는 사실을 실험적․이론적으로 증명하였다.
※ 나노선 : 수십에서 수백 나노미터(10억분의 1미터)의 굵기를 갖는 반도체 물질로 이루어진 머리카락 형태의 나노 구조체
김 교수팀이 합성한 은 나노선 안테나는 완벽한 결정구조를 가지면서도 결함이 없어 표면이 매끈하기 때문에, 모든 파장의 빛을 어떠한 손실 없이 송신하고 동시에 수신하여 효율을 극대화할 수 있다.
모든 파장의 빛을 손실 없이 송․수신하기 위해서는 나노선 안테나의 표면에 아주 작은 결함도 없어야 한다. 연구팀은 우선 섭씨 800도의 고온에서 아무 결함도 없는 완전결정 은 나노선을 만드는데 처음으로 성공하였다.
특히 은 나노선 안테나에 백색광을 비춰주면 빛을 송신하여 안테나 표면에 집중된 전자기장으로 변환시키고, 이 전자기장을 다시 여러 가지 파장의 빛으로 수신하여 마치 무지개와 같은 화려한 색상을 나타낸다. (사진)
김봉수 교수는 “이번 연구성과인 은 나노선 안테나는 실제로 활용할 수 있는 광학 안테나 개발에 한 걸음 다가섰다는 의미이다. 특히 태양광 발전 및 극미세 나노센서 등에 핵심기술로 사용될 수 있어 향후 나노-광-바이오산업에 선도적인 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
2012.05.03 조회수 16763 -
‘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 21103 -
화학과 학부생, 세계적 저널에 표지논문 게재
- 화학과 4학년 조상연, 물리학과 4년 김수민 학생, 말라리아 연구를 위한 광학영상 기술을 분석해 셀(Cell) 자매지 표지논문에 게재 -- 국내최초 소방관인 故 조용완씨 손자, 3월 의무소방요원으로 입대예정 -
“교수님, 하이젠 베르크(Werner Heisenberg) 같은 역사 속 과학자들은 20대 초반에 세계적인 연구 성과를 냈는데 저는 이대로 가다간 늦어버릴 것 같습니다. 교수님 연구실에서 융합연구를 할 수 있게 도와주세요”
우리 학교 화학과 4학년에 재학 중인 조상연(22) 君이 1학년 때 이 대학에서 물리화학 분야 융합연구의 세계적인 석학인 이효철 화학과 교수를 찾아 와 당차게 부탁한 한 마디다.
조상연 학생이 말라리아 연구와 관련해 제1저자로 발표한 논문이 셀(Cell)지가 발행하는 생명공학분야 최고 권위 학술지인 ‘생명공학의 동향(Trends in Biotechnology, IF=9.644)’ 2월호 표지논문으로 선정됐다.
근래 들어 학부생의 연구 참여가 활발해진 까닭에 과학기술논문인용색인(SCI)급 국제학술지에 논문이 실리는 경우가 가끔씩은 있었지만, 셀 자매지와 같은 세계적인 학술지에, 그것도 표지논문으로 실리는 경우는 거의 없었다. 하지만 오랜만에 KAIST 학부재학생인 조상연 君이 큰일을 이뤄내 학교 안팎으로부터 많은 화제를 모으고 있다.
광주과학고를 2년 만에 조기 졸업하고 2008년 KAIST에 입학한 조 군은 평소 연구에 대한 높은 관심으로 신입생 때부터 KAIST내 다양한 학과를 넘나들며 연구거리를 찾아다녔다.
2학년 때는 화학과 이효철 교수의 지도아래 학부생 연구지원 프로그램인 URP에 참여, ‘시간분해회절에 의한 용액 상 구조 동력학 분석’에 관한 탁월한 연구 성과를 거뒀다. 이 연구로 조 君은 2학년 학생으로는 이례적으로 최우수상을 수상하는 한편 후속연구비 1000만원과 해외학회 참가라는 특전을 받으며 두각을 보이기 시작했다.
바이오 및 뇌 공학과 김동섭 교수와 ‘알카인 수화반응을 촉매하는 단백질의 컴퓨터 디자인’에 대한 연구를 진행하는 한편 EEWS대학원 정유성 교수와는 ‘전산모사를 통한 이산화탄소 흡착 촉매 디자인’ 등에 대한 연구를 수행하기도 했었다.
이후 조상연 君은 2011년 2월부터 약 1년간 바이오광학분야 융합 연구에 대한 세계적 학자인 물리학과 및 광기술연구소 박용근(32) 교수의 지도를 받아 왔다. 이번 셀 자매지에 게재한 논문은 박용근 교수의 지도를 받으며 수행한 연구과제 중 하나다. 같은 공동저자 중 한명인 김수민 학생(24, 제2저자) 역시 물리학과 학부생으로 ‘개별연구제도’를 통해 연구에 참여했다.
조상연 학생은 ‘말라리아 연구를 위한 광학 영상기술’이라는 제목의 이번 논문을 통해 “학질모기에 의해 전염되는 말라리아에 전 세계적으로 매년 약 3억 명이 감염되고 또 수백만 명이 사망하고 있지만, 아직도 말라리아 질병의 많은 부분이 알려져 있지 않다”며 문제를 제기했다.
이와 함께 첨단 광학기술을 말라리아 연구에 적용하려는 노력이 최근 많은 주목을 받고 있는데, 말라리아 연구를 크게 3가지로 나눠 체계적으로 광학기술을 이용하는 전략을 제시했다.
조 君의 이번 연구는 바이오 이미징 기술을 말라리아 감염질환 연구에 통합 적용하고, 말라리아 연구에 적용 가능한 광학영상 방법들을 소개함으로써, 다 학제 간 융합 연구시대에 경쟁력을 갖는 광학-의학연구 전략을 체계적으로 제시한 것으로 높이 평가받고 있다.
조상연 학생은 “고등학교 시절 SEE-KAIST 과제에 출품해 수상하면서 연구에 대한 재미를 느꼈고, 2학년 1학기까지 특정한 학과가 없는 무학과 제도를 운영해 다양한 분야의 융합연구를 할 수 있는 조건을 갖춘 국내 최고의 연구중심대학 KAIST로 진학을 결심했다”며 “특히, 학부생에게 관련분야 최고 교수와 연구기회를 주는 URP 및 개별연구제도로 인해 뛰어난 교수들의 지도와 학교의 충분한 재정적 지원 덕분에 큰 어려움 없이 마음껏 연구를 펼칠 수 있었다”고 말했다.
조 君은 이와 함께 “앞으로 목표는 세상에서 제일 재미있는 융합연구를 하는 과학자가 되는 것”이라며 “제가 하는 연구를 통해 전 세계 어려운 상황에 놓인 많은 사람들을 도우는 데 노력할 것”이라고 말했다.
조 君은 바쁜 학업생활 속에서도 지역사회를 위해 저소득층 중학생들을 위한 봉사단체인 ‘배움을 나누는 사람들’에서 2년간 꾸준히 봉사를 해왔으며, KAIST 자연과학 학술동아리인 ‘KINS’를 설립했고, 자연과학대학 소식지인 ‘KAIST Science’ 기자로도 활동해 왔다.
조 君은 현재 해외 대학원 입학을 계획하고 있으며 올 3월 입대해 의무소방요원으로 군복무를 할 예정이다. 조 君의 할아버지는 우리나라 최초의 소방관인 故 조용완 씨로 소방관에 대한 남다른 인연으로 군 생활을 시작할 예정이다.
한편, 이번 연구는 KAIST ‘신임교원정착연구사업‘과 ’광기술연구소연구사업‘의 일환으로 이뤄졌으며 화학과 학사과정 조상연(22, 제1저자) 君을 포함해 물리학과 학사과정 김수민(24, 제2저자) 학생과 물리학과 김영찬 박사(30, 공저자)가 함께 수행했다.(끝)
붙임 : 논문요약, 보충자료, 사진설명
<논문요약>
논문주제 : 말라리아 연구를 위한 광학 영상기술
학질모기에 의해 전염되는 말라리아에 전 세계적으로 매년 약 3억 명이 감염되고 수백만 명이 사망하고 있지만, 아직도 말라리아 질병의 많은 부분이 알려져 있지 않다. 세계 각국은 말라리아 감염을 연구하고, 말라리아를 진단하고 치료하는 장비 개발에 박차를 가하고 있다.
빌게이츠 Microsoft사 전 회장 부부가 설립한 Bill & Melinda Gates 재단에서 말라리아 연구에 막대한 연구비를 지원하기 시작했으며, Apple, Google, Intel사 등이 연합 설립한 Intellectual ventures사에서도 빛을 이용한 말라리아 진단 연구를 진행하고 있는 것이 그 사례들이다.
최근에는 첨단 광학 기술을 말라리아 연구에 적용하려는 노력이 최근 많은 주목을 받고 있는데, 박 교수 연구팀은 말라리아 연구를 크게 3가지로 나누어 체계적으로 광학기술을 이용하는 전략을 제시했다.
▲말라리아에 감염된 적혈구를 외부 염색 물질을 사용하여 체외에서 광학 영상을 측정하는 방법과 ▲말라리아에 감염된 적혈구를 외부 염색 물질을 사용하지 않고, 적혈구 자체의 광학적 신호를 이용하여 체외에서 영상을 획득하는 방법 그리고 ▲체내에서 말라리아 기생충이 숙주 세포를 감염시키는 과정의 광학 영상을 획득하는 방법이다.
이 논문에서는 물리학(광학)과 의학(감염질환)의 효과적인 융합 연구를 위한 체계화된 전략을 소개했기 때문에 실제 말라리아를 연구하는 연구자들에게 실질적인 도움이 될 수 있을 것이라고 평가받고 있다.
제1저자로 참여한 조상연 학생은 “이번 논문은 연구팀에서 수행하고 있는 굴절률 차이를 이용한 광학영상기술 및 최신 광학영상 기술들이 말라리아에 어떻게 이용될 수 있는가를 소개함으로써, 말라리아 진단 및 치료 연구에 힘을 실어줄 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
<보충자료: 용어설명>
○ SEE-KAIST1992년 첫 행사를 시작으로 `Open-KAIST`와 번갈아 격년제로 실시해오는 행사로 KAIST 연구 성과, 과학고 탐구 성과, 산업체 연구개발 제품 등을 직접 보고 체험할 수 있는 KAIST의 대표적인 과학문화 대중화 행사다.
○ 무학과제도학사과정의 우수한 학생들에게 학과선택의 자율성을 보장하기 위해 학과 구 분 없이 입학해 개인의 적성 등을 고려해 2학년 1학기를 마친 후 학과를 선택하는 제도.
○ URP
학사과정 학생들이 지도교수와 지도조교의 지도하에 실질적인 실험 및 연구를 할 수 있도록, 연구비 지원 및 학점 연계를 통해 학부생의 연구를 현실적으로 지원하는 프로그램
① Long-Term URP 프로그램 (연 1회 실시)
가. 연구기간 : 12개월 (2011년 12월 26일~2012년 12월 21일)
나. 지원내역
* 단독 : 장학금 1,500천원+연구비 3,000천원
* 팀 : 1인당 장학금 1,200천원+연구비 4,000천원
② 겨울/봄학기, 여름/가을학기 URP 프로그램
가. 연구기간 : 5개월~6개월
나. 지원내역
* 단독 : 장학금 1,000천원+연구비 1,500천원 * 팀 : 1인당 장학금 800천원+연구비 2,000천원
○ 하이젠베르크
하이젠베르크는 1901년 독일에서 출생했다. 그의 아버지는 의학교수였고 그는 뮌헨대학에서 아놀드 좀머펠트(Arnold Sommerfeld) 밑에서 이론물리를 공부했고, 1923년에 박사학위를 받았다. 같은 해에 그는 괴팅겐대학에서 보른(Max Born)의 조수가 되었으며, 다음해에는 강사가 된다. 다음 3년간 코펜하겐에서 닐스 보어와 함께 일하고, 1927년부터 1941년 까지 라이프치히대학의 이론물리학 교수가 된다.거기서 볼프강 파울리 등과 연구하며 양자 전기 역학과 양자장 이론을 발전 시켰고, 핵 물리학과 고 에너지 물리학의 발전에 넓고도 깊은 영향을 미쳤다. 불확정성 원리로 유명한 하이젠베르크는 양자역학의 탄생에 기여한 공로로 1932년 노벨물리학상을 받았다.
<사진설명>
조상연 학생의 지도교수인 물리학과 박용근 교수
연구자 사진 : 왼쪽부터 김수민 학생, 김영찬 박사, 조상연 학생
Trends in Biotechnology 2012년 2월 호 논문표지
2012.02.01 조회수 25440