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단백질 분해조절 효소 정보 담은 바이오마커 발굴 시스템 개발
- Mol Cell Proteomics지 게재, “바이오마커 개발의 새로운 패러다임 제시” -
단백질의 분해를 조절하는 효소와 기질에 대한 관계정보를 담은 바이오마커* 발굴 시스템(E3Net)이 국내 연구진에 의해 개발되어, 고부가가치의 새로운 바이오마커 개발에 가능성이 열렸다.
※ 바이오마커(Biomarker) : 유전자, 단백질 등에서 유래된 특이한 패턴의 분자적 정보로, 유전적․후천적 영향으로 발생한 신체의 변화를 감지할 수 있는 생물표지인자
우리학교 바이오및뇍 이관수 교수(49세)가 주도하고, 한영웅 박사과정생, 이호동 박사 및 박종철 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원사업(NCRC), 신기술융합형성장동력사업 및 교육과학기술부의 KAIST 미래형 시스템 헬스케어 연구개발사업의 지원으로 수행되었고, 단백질체 연구 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Molecular and Cellular Proteomics"지 4월호(4월 1일자)에 게재되었다. (논문명: A system for exploring E3-mediated regulatory networks of cellular functions)이관수 교수 연구팀은 전 세계 바이오 관련 DB(데이터베이스)와 논문(약 2만 편)으로부터 정보를 추출해 단백질 분해를 조절하는 효소(E3 효소)와 기질*들 간의 네트워크를 집대성하여, 이와 관련된 세포의 기능과 질병을 분석하는 ‘E3Net’ 시스템을 개발하였다.
※ 기질(substrate) : 효소와 특이적으로 결합하여 화학반응을 일으키는 분자로, 소화작용은 우리의 몸속에서 일어나는 효소와 기질간의 반응의 대표적인 사례
세포는 시시각각 변하는 환경에 대응하여 필요한 단백질들을 생산, 폐기 및 재활용하는 정교한 시스템을 가지고 있는데, 만일 이 과정에서 오류가 생기면 ‘질병’으로 이어질 수 있다.
따라서 단백질 분해를 조절하는 E3 효소와 기질 간의 관계를 파악하면 관련 질병을 치료하거나 예방할 수 있게 된다. 특히 E3 효소는 단백질 분해의 80%를 담당하는 것으로 알려져 수많은 질병이 관련되어 있을 것으로 예측되고 있다.
그러나 E3 효소와 기질 간의 정보들이 개별 논문과 DB에 흩어져 있어, 단백질 분해 조절과 관련된 세포의 기능과 질병의 특성을 종합적․체계적으로 분석할 수 없었다.
이 교수팀은 모든 E3 효소(2,201개)와 기질(4,896개) 및 그 조절관계(1,671개)에 대한 정보를 통합하여 E3 효소 조절 네트워크 내에 존재하는 관련된 세포의 기능과 질병을 시스템적으로 분석할 수 있는 E3Net을 구축하는데 성공하였다.
이 네트워크는 지금까지 구축된 조절정보를 모두 합친 것보다 무려 10배에 이르는 방대한 양으로, E3 효소가 독자적으로 또는 협력해서 조절하는 세포의 기능과 관련 질병을 정확히 파악할 수 있는 토대가 마련된 첫 사례로서 의미가 크다.
연구팀은 E3Net을 이용하면 각각의 질병과 관련된 단백질들의 분해조절을 담당하는 E3 효소들을 찾을 수 있고, 분해조절 원리와 세포기능 네트워크를 함께 파악하여 질병의 발생 원인이나 환자에 적합한 맞춤형 치료방법을 제공할 수 있는 바이오마커를 발굴할 수 있을 것으로 기대한다.
실제 연구팀은 E3Net을 활용해 암, 뇌심혈관 질환 및 당뇨병 등 현대인의 대표적 질환과 관련된 E3 바이오마커 후보 수십 개를 새롭게 발견하는 등 눈에 띄는 성과를 거두었고, 현재 이를 검증할 후속 연구를 계획하고 있다. 이관수 교수는 “이번 연구결과로 E3 효소와 관련된 단백질 분해조절의 네트워크가 구축되고, 이 네트워크에 존재하는 세포의 기능과 질병의 특이성을 시스템적으로 분석할 수 있게 됨에 따라, E3 효소와 관련된 세포의 기능 연구와 질병 연구에 새로운 전기가 마련되었다”고 연구의의를 밝혔다.
2012.05.01 조회수 20090 -
생체 모방 반사형 디스플레이 원천기술 개발
- 신중훈 교수팀, 유리구슬 이용해 ‘몰포나비’구조 과학적으로 구현 -
- 나노미터 수준에서 질서와 무질서 동시에 재현하는 데 성공 -- 밝고 전력소모 적은 차세대 반사형 디스플레이 만들 수 있어 -
무지개, 공작새 등의 영롱한 색은 투명한 물질들의 주기적인 구조에 의해 반사와 간섭을 거치면서 만들어지는 ‘구조색’인데 구조색의 특징은 매우 밝고, 보는 각도에 따라 색이 바뀐다는 점이다.
반면 ‘몰포나비’는 밝은 구조 색을 가지면서도 다양한 각도에서 똑같은 푸른 빛깔을 낸다. 이는 질서와 무질서를 동시에 포함하는 몰포나비 날개의 독특한 구조 때문이다.
우리 학교 물리학과·나노과학기술대학원 신중훈 교수 연구팀이 몰포나비와 같이 무질서와 질서를 동시에 포함하는 구조를 유리구슬을 이용해 완벽하게 대형으로 재현하는 데 성공했다.
이번 연구 성과는 외부 빛을 반사시켜 화면을 출력하는 반사형 디스플레이를 구현할 수 있는 원천기술로, 밝으면서도 전력소모가 매우 적은 디스플레이를 만들 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이와 함께 이 기술을 이용해 5만원권의 부분 노출 은선을 만들어 위조나 복제가 어려운 화폐를 만들 수 있고, 기존의 색소에 의한 색과는 다르게 번쩍거리는 느낌을 주기 때문에 핸드폰이나 지갑 등의 코팅재로도 각광받을 것으로 예상된다.
몰포나비의 날개 구조는 1μm(마이크로미터) 수준에서 관찰하면 주기적인 질서를 갖고 있는 것처럼 보이지만, 100nm(나노미터) 수준에서는 주기성을 상쇄시킬 수 있는 무질서함을 구조 속에 포함하고 있다. 그동안 학계에서는 나노미터 수준에서 질서와 무질서를 동시에 포함하는 구조를 완벽히 재현하는 데에는 아무도 성공하지 못했다.
반면 신 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 다양한 크기를 갖는 수백 나노미터(nm) 크기의 유리구슬을 임의로 배열해 무질서함을 구현했고 또, 배열된 유리구슬 위에 반도체 증착 방법을 통해 주기적인 박막을 쌓아 넓은 면적의 몰포나비의 구조를 만드는 데 성공했다.
새롭게 개발된 박막은 몰포나비의 색과 밝기의 재현을 넘어 실제 몰포나비 보다도 각도에 따른 색의 변화가 훨씬 더 적은 우수한 성질을 지니고 있다.
연구진은 또 이 박막을 얇은 플라스틱 필름 안에 파묻음으로써 몰포나비보다 더 우수한 성질을 유지하면서도, 더욱 견고하고 종이처럼 접을 수 있는 신 개념 재료를 세계 최초로 구현해 냈다.
신중훈 교수는 “이번 연구 성과는 최근 각광받고 있는 생체모사 기술의 대표적 성공사례”라고 강조하고 “구조색을 이용하는 반사형 디스플레이 뿐 아니라 센서, 패션등 매우 다양한 분야에서도 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이 결과는 재료분야 최고 권위 저널 중 하나인 어스밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)지 온라인 판에 게재됐으며, 5월 8일자 내부 표지논문으로 게재될 예정이다. 지난 5월 3일에는 네이처(Nature)지에 주목받는 연구(Research Highlights)로 소개되기도 했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 물리학과·나노과학기술대학원 신중훈 교수 (제1저자 정경재 박사과정 학생)와 서울대 전자과 박남규 교수, 그리고 삼성 종기원이 공동으로 수행했으며 한국연구재단과 교육과학기술부의 세계수준의 연구중심대학육성사업(WCU)의 지원을 받았다.
그림1. 몰포나비를 모방해 연구팀이 만든 박막. 다양한 색깔을 구현할 수 있다.
그림2. 몰포나비를 모방해 연구팀이 만든 박막. 플렉서블하면서도 크게 만들 수 있다.
2012.05.01 조회수 15412 -
자연계 초고속 현상을 측정할 수 있는 ‘아토과학’ 시대를 열다
- Physical Review Letters지 발표, 원자 의 초고속 시간 변화 측정 및 복원 성공 -
국내 연구진이 아토초 펄스*를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정하는데 성공하여, 자연계의 다양한 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 ‘아토과학’의 시대를 열었다.
※아토초 펄스 : 1 아토초는 10-18초이고, 펄스(pulse)는 맥박처럼 짧은 시간에 생기는 진동현상을 말함. 아토초는 다음의 비율에서 그 짧은 정도를 가늠할 수 있음. 우주나이 : 1 초 = 1 초 : 1 아토초
우리 학교 남창희 교수(55세)가 주도하고 김경택 박사와 금오공대 최낙렬 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Physical Review Letters"지 3월호(108권, 3월 2일자)에 게재되었다. (논문명: Amplitude and Phase Reconstruction of Electron Wave Packets for Probing Ultrafast Photoionization Dynamics)
남창희 교수 연구팀은 아토초 펄스를 이용해 초고속 광이온화*를 계측하는데 성공하였다.
※ 광이온화 : 아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것.
남 교수팀은 아토초 엑스선 펄스와 펨토초(10-15초) 레이저 펄스를 이용해 헬륨 원자를 광이온화하고, 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 명쾌하게 규명하였다.
아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 연구팀이 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구진의 결실이다. 연구팀은 지난 2010년에 고차조화파*를 이용해 세계에서 가장 짧은 60아토초 펄스를 생성한 바 있다.
※ 고차조화파 : 강한 펨토초 레이저를 기체원자에 집속하여 발생된 연엑스선 영역에서 레이저의 특성을 닮은, 매우 짧은 펄스폭을 가지는 우수한 연엑스선 광원
연구팀은 고출력 펨토초 레이저를 이용해 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용해 헬륨 원자를 광이온화시켜 원자에서 발생하는 초고속 광이온화 현상을 계측하였다. 남창희 교수는 “이번 연구는 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정한 것으로, 향후 이번 연구결과를 바탕으로 원자와 분자 내부에서 일어나는 초고속 현상을 계측하고 이를 이용해 원자와 분자의 상태를 조절하는 연구를 진행하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정하는데 기여할 계획”이라고 밝혔다.
2012.03.01 조회수 12466 -
고화질 초고속 차세대 디스플레이 개발 가능성 열어
- 세계 최고 ‘네이처’ 자매지 발표,“투명전극 나노패턴을 이용한 무배향막 액정 배향”-
기존의 LCD(액정디스플레이)와는 달리 고분자 배향막*이 필요 없는 신개념 LCD기술이 국내 연구진에 의해 개발되어, 더욱 얇으면서 화질이 뛰어나고 속도도 빠른 차세대 디스플레이 개발에 새로운 가능성을 열었다. ※ 고분자 배향막 : 액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름
우리 학교 생명화학공학과 정희태 석좌교수 가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 연구팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처’의 자매지 ‘Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)’ 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었다.
평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로 LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있고, 특히 우리나라가 세계시장의 50%이상을 점유하고 있는 세계선도 산업 중 하나이다. LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자*의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술은 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술이다.
※ 표시 소자(indicating element) : 부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법을 적용하고 있다. 그러나 고분자 배향막은 고분자 설계․합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여 자유자재로 휘어지는(flexible) 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었다.
정희태 교수 연구팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막(배향막이 필요 없는) 기술을 개발하는데 성공하였다. 정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 높은 분해능(20nm)과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인되었다.
연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능하다. 따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 마이크로미터에서 센티미터까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있다. 또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었다. 아울러 이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, 나노미터 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 된다.
또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 터치패널 분야에도 활용될 수 있어 민감도가 크게 향상된 터치패널도 만들 수 있게 된다.
정희태 석좌교수는 “LCD에 꼭 필요한 고분자 배향막을 대체하기 위한 기술은 학계와 산업계의 숙원이었는데, 이번에 개발한 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 크다. 또한 이 기술을 스마트폰과 태블릿 PC에 적용하면, 기존 제품보다 터치패널의 민감도를 크게 향상시킬 수 있는 등 미래 전자제품 원천기술로서 다각적으로 활용될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진
(사진설명) 장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.
2012.02.27 조회수 20862 -
순수 국내기술로 단백질 신약 개발한다!
- KAIST 김학성 교수, 의약품 원료로 사용되는 인공항체 개발 성공 -
- PNAS(미국국립과학원회보)에 2월 10일 발표 -의약품 원료로 사용되는 인간유래 항체를 대체할 수 있는 인공항체가 국내연구진에 의해 개발됐다. 가격은 현재보다 1/100수준으로 저렴하면서 개발이 훨씬 쉬워 개발기간은 기존 10년에서 5년 이내로 크게 단축될 것으로 기대된다.
우리 학교 생명과학과 김학성 교수가 바이오 및 뇌공학과 김동섭 교수와 공동으로 항체가 아닌 단백질을 재설계해 대장균에서 대량생산할 수 있는 인공항체개발에 성공했다.
개발된 인공항체는 항원과의 결합력, 생산성, 면역원성, 구조설계성 등이 용이해 장점만 갖춘 이상적인 단백질로 평가받고 있으며, 현재 치료제의 원료나 진단, 분석용으로 사용중인 항체를 그대로 대체 가능하다. 따라서 세계시장 규모가 192조원에 이르는 단백질 의약품 분야에서 앞으로 순수 국내기술로 개발된 단백질 신약이 세계시장을 주도할 수 있을 것으로 전망된다.
의약품 원료로 병원에서 사용되고 있는 기존의 항체는 치료제뿐만 아니라, 분석, 진단용 등 생명공학 및 의학 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 동물세포 배양을 포함해 복잡한 생산 공정을 통해 제조되기 때문에 1mg에 100만원 정도로 가격이 매우 비싸다. 또 대부분의 항체는 이미 해외 선진국의 특허로 등록돼 있어 비싼 로열티를 지불해야 한다.
이 때문에 우리나라를 포함한 많은 국가에서 이미 특허가 만료된 항체 의약품을 복제하는 바이오시밀러를 개발하는데 집중하고 있고, 질병에 대한 단백질 신약개발 분야는 선진국에 한참 뒤처지는 실정이다.김 교수팀은 먹장어나 칠성장어와 같은 무악류에 존재하는 단백질은 항체는 아니지만 항체처럼 면역작용을 한다는 사실에 착안해 이 분야 연구를 시작했고 마침내 인공항체 개발에 성공했다.
인공항체는 대장균에서 대량생산이 가능해 현재보다 1/100 수준의 싼 가격으로 만들 수 있으며, 모듈구조로 되어 있어 목적에 따라 자유롭게 구조 설계가 가능해 5년 내에 단백질 신약으로 개발 가능한 게 큰 특징이다.
이와 함께 단백질 신약개발에서 중요한 항원과의 결합력을 쉽게 조절할 수 있어 치료 효과가 높고 부작용이 적으며, 열과 pH(수소이온농도)에 대한 안정성이 매우 높고, 면역반응을 유도할 수 있는 면역원은 무시할 만한 수준으로 낮아 단백질 신약으로의 개발 가능성이 매우 높다.
연구팀이 개발한 인공항체 기술은 세포 분석을 통해 폐혈증과 관절염 치료제로서의 후보군으로 효과를 입증했으며 곧 동물실험을 수행할 예정이다.
김학성 교수는 “기존 항체는 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합강도를 높이는 것과 구조 설계가 매우 어려운 단점이 있다”며 “장점만을 갖춘 이상적인 특성의 인공항체는 현재 의약품 원료로 사용되는 항체를 대체할 수 있는 순수 국내 기술로 만들어진 단백질 신약이 될 것”이라고 말했다.
아울러 “개발된 인공항체 단백질 골격과 단백질 설계 기술은 생명공학 및 의학 분야에서 치료, 진단, 분석용 등으로 광범위하게 활용될 것으로 기대 된다”고 덧붙였다.
한편, 이 연구결과는 세계적 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 2월 10 일자에 발표됐으며, 교육과학기술부가 주관하는 미래 유망 파이오니어 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<용어설명>○ 항원: 체내에 유입된 외부 물질로 이물질로 인식되어 항체를 생성하는 면역 반응을 유발함
○ 항체: 항원에 특이적으로 결합하여 이를 제거하거나 무력화시키는 면역 관련 단백질
○ 면역원성: 사람이나 동물의 체내에 접종되었을 때, 면역 반응을 유발할 수 있는 항원으로서의 특성
○ 바이오시밀러: 치료 효능이 있는 항체나 호르몬 등을 의미하는 특허가 만료된 단백질 의약품의 복제약품
○ 무악류: 고생대 전기의 초기 어류로서 위, 아래 양 턱이 발달하지 않은 척추동물로 칠성장어와 먹장어가 대표적임
○ 모듈구조: 특정 단백질에서 반복적으로 존재하는 최소 구조적 단위인 모듈에 의해 형성되는 전체 단백질의 구조형태
○ 대장균: 사람이나 동물의 대장에 많이 서식하는 장 내 세균으로, 생명 공학에서는 단백질의 대량 생산에 주로 이용됨
그림1. 사람 항체의 구조. 분자량(150Kda)이 커서 세포내로 침투할 수 없으며 서로 뭉쳐 치는 경향이 커서 쉽게 활성을 잃는다. 그리고 항원과 결합하는 면적이 제한적이어서 결합 강도를 높이는 것과 합리적 설계가 매우 어려운 단점이 있다.
그림2. 기존 항체 치료제의 한계를 근본적으로 극복할 수 있는 새로운 비항체 인공항체 단백질. 반복 모듈기반의 인공항체 단백질은 설계 및 구조 예측이 용이하고, 높은 안정성을 갖으며, 결합 면적 및 크기의 조절이 용이하다.
그림3. 연구팀이 개발한 인공항체가 질병유발 인자인 항원과 결합한 모습
그림4. 개발된 인공항체의 3차원 구조
2012.02.13 조회수 16946 -
전기적‧자기적 성질 동시에 갖는 신물질 물성 규명
- 네이처 커뮤니케이션 발표, “현존 저장장치(RAM)의 장점만을 취한 차세대 메모리 개발 가능성 열어”-
국내 연구진이 상온에서 전기적 성질(강유전성)과 자기적 성질(자성)을 동시에 갖는 새로운 물질인 ‘다강체’의 물성을 규명하여 현존하는 저장장치(RAM)의 장점만을 취한 차세대 비휘발성 메모리 개발에 새로운 가능성을 열었다.
양찬호 교수가 주도하고 박재훈 교수(포스텍), 정윤희 교수(포스텍) 및 김기훈 교수(서울대) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)"에 11월 29일자로 게재되었다. (논문명: Concurrent transition of ferroelectric and magnetic ordering near room temperature)
양찬호 교수 연구팀은 다강체(비스무스 철산화물)를 단결정 박막으로 만들 때 발생하는 압축 변형의 결과로, 강유전* 상전이와 자성 상전이가 같은 온도**에서 동시에 일어나는 새로운 물질의 상태를 발견하였다.
*) 강유전(Ferroelectricity) : 전기장을 가하지 않아도 자연 상태에서 양이온과 음이온으로 분리되는 성질
**) 상전이(Phase transition) 온도 : 물질이 갖는 물성의 상태인 상(像, phase)이 특정 온도에서 바뀌기도 하는데, 그 온도를 지칭함
강유전체는 대용량 데이터를 저장(D램)할 수 있으면서 작동 속도가 빠르며(S램) 전원 없이도 데이터가 지워지지 않는(플래시 메모리) 장점만을 고루 갖춘 차세대 반도체 메모리(F램)의 핵심 물질이고, 자성체는 자기를 이용해 정보를 기억하는 새로운 형태의 기억소자(M램)의 필수적인 요소이다.
이 두 이질적인 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생하는 것은 대단히 희귀한 일로서, 특히 각각의 상전이 온도가 일치한다는 것은 진성(proper) 강유전체에서는 전례가 없는 것이다.
이것은 전기적 성질과 자기적 성질이 상호 연관성이 강하다는 것을 의미하는 것으로, 전기적으로 자성을 조정하거나 자기장으로 유전 분극을 조정하는 것을 기반으로 한 신개념 비휘발성 메모리 소자 개발에 한걸음 다가선 것으로 평가된다.
기존의 비스무스 철산화물은 탁월한 상온 강유전성에도 불구하고 자기-전기 상호작용에는 의문점이 있었다. 그러나 양 교수팀이 새롭게 발견한 상태는 기존의 물질과는 결정구조가 다른 신물질로서, 발현되는 모든 물성이 획기적으로 다르며, 전기와 자기 상전이의 일치라는 뜻밖의 결과를 확인하였다. 전기적‧자기적 질서의 상전이 온도가 같은 유일한 진성 강유전 물질의 발견은 자기-전기 상호작용을 연구할 새로운 모델 물질을 찾았다는데 의미가 있다. 또한 상전이 온도가 상온이라는 점은 응용 가능성이 크다는 점을 시사한다. 양찬호 교수는 “이번 연구결과를 통해 현재 응집물질물리 및 재료과학 분야의 한 화두인 다강체 연구에서 우리 연구팀이 새로운 물질을 발견하고 주요 물성을 밝혀냄에 따라, 세계 다강체 연구에서 선도적 입지를 차지할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.T-BFO 박막의 강유전 도메인 구조
2011.12.22 조회수 15300 -
스트레스에 의해 생긴 잔주름의 숨겨진 비밀을 밝혀내다
- Nature Materials 표지논문 선정, ‘자연을 닮은 구조물’ 제작에 새로운 가능성 열어-
신진 여성과학자가 스트레스에 의해 생긴 잔주름이 성장하면서 깊은 주름으로 발전하는 전 과정을 가시화하여 그 원인을 규명함으로써 표면주름 제어기술 개발에 새로운 전기를 마련하였다.
카이스트 김필남 연구교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 학문후속세대양성사업(박사후 국외연수)의 지원을 받아 미국 프린스턴 대학에서 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 ‘네이처(Nature)’의 대표적인 자매지인 ‘Nature Materials" 12월호(12월 1일자)에 표지논문으로 선정되는 영예를 얻었다.
김필남 박사 연구팀은 얇은 박막이 극심한 스트레스를 받으면서 생기는 잔주름이 깊은 골짜기 형태의 접힌 구조물로 변형해가는 일련의 과정을 밝히고, 이를 통해 자연계에서 나타날 수 있는 다양한 복합 구조물을 모방해내는 기반기술을 개발하는데 성공하였다.
표면주름은 여러 개로 적층된 구조에서 그 중 어느 한 층이 극도로 빠른 팽창(또는 수축)이 일어날 때 그 불안정성으로 나타나는 구조이다. 이러한 불안정성을 갖는 적층구조는 동․식물의 표피(피부)와 같은 생물의 조직뿐만 아니라, 최근 활발히 연구되고 있는 구겨지는 플렉시블 디스플레이(또는 소자)에서도 흔히 나타난다.
특히 생체조직에서는 주름이 지속적으로 성장하는 과정을 겪는데, 지금까지 이러한 이차원적인 표면에서 잔주름의 성장이 만들어내는 삼차원적인 구조의 변형에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 이번 연구를 통해서 김 박사팀은 주름(wrinkle)이 곡률이 극심한 접힘(fold)이라는 구조로 변형되어가는 메커니즘을 규명하였다.
또한 연구팀은 실시간 분석을 통해 잔주름 구조물이 일련의 자기조직화 과정*을 거쳐 궁극적으로 그물망 형태의 접힘 구조물로 변형된다는 사실을 밝혀냈다. *) 자기 조직화 과정 : 계층적 방식(Hierarchical process), 자발적 제어과정 (Self-regulation process), 연속적인 구획화(Subdivision process) 및 분지화(Branching process) 등
흥미롭게도 연구팀은 이 과정을 통해 만들어진 구조는 건조한 땅이 갈라지면서 만들어내는 균열구조와 매우 흡사하고, 나뭇잎에서 볼 수 있는 맥관구조 뿐만 아니라, 인체에서 볼 수 있는 혈관 네트워크와도 매우 흡사한 구조를 가지고 있다는 사실을 발견하였다.
이번 연구는 무생물뿐만 아니라 생물계에서 보여주는 다양하지만 일관된 구조(그물망 구조 등)의 발생 원리를 기계적․물리학적 입장에서 재해석할 수 있음을 보여주는 결과이다. 따라서 이번 연구 결과는 모든 발생과정을 볼 수 없는 생물계에서의 구조화, 패턴화를 이해하는데 크게 기여할 것으로 평가된다.
김필남 박사는 “이번 연구는 오랫동안 연구되어왔던 ‘주름 또는 접힘’이라는 생물학적, 자연발생적 구조물을 이해하고 직접 제어․조절하여 ‘자연을 닮은 구조물’을 보다 쉽게 만들어 낼 수 있는 새로운 가능성을 제시하였다”고 연구의의를 밝혔다.
2011.12.20 조회수 17017 -
LED의 새로운 발견, 형광체 없이 다양한 색깔의 빛 낸다!
- 나노 피라미드 반도체에서 복합 에너지 구조가 형성됨을 규명 -
- 형광체 없는 단일 칩 다중 파장 LED 개발 길 열어 -- ‘어드밴스드 머티리얼스’ 12월호 표지논문 선정 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀이 나노미터 크기의 육각 피라미드 구조를 적용한 LED 소자에서 다양한 색깔의 빛을 낼 수 있는 현상을 규명했다.
빛의 혁명을 주도하고 있는 LED(발광다이오드)는 반도체에 전류를 흘려주면 빛을 내는 성질을 이용한 반도체 발광 소자로 조명, TV, 각종 표시장치 등에 널리 활용되고 있다.
일반적으로 조명에 주로 사용되는 백색 LED는 청색 LED칩 위에 노란색 형광체를 도포하거나 또는 복잡한 회로를 이용해 여러 개의 LED칩을 동시에 구동해야 백색 빛을 낼 수 있다.
조용훈 교수 연구팀은 반도체에 매우 작은 육각 피라미드 구조를 만들고 LED 소자를 구현해 전류를 흘려주면 육각 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 다른 에너지 크기를 갖는 복합구조가 형성된다는 현상을 발견했다.
위치에 따른 에너지 차이로 인해 피라미드의 면, 모서리, 꼭지점에서 각각 청녹색, 노란색, 주황색의 빛이 발생했는데 이러한 특성은 백색 LED 뿐만 아니라 다양한 빛을 낼 수 있는 가능성을 보여준 것이다.
[그림 1] (상) 전류 구동에 의해 발광하는 나노 피라미드 LED 개념도 및 LED 발광 사진. (하) 나노 피라미드의 위치에 따라 서로 다른 차원을 갖는 양자 구조에서 다른 파장의 빛이 방출됨을 보이는 고해상도 발광 이미지.
따라서 LED에 나노 피라미드 구조를 적용하면 일반적인 넓은 파장대역을 갖는 발광이 전류 구동만을 통해서도 가능해지기 때문에 형광체를 사용하지 않으면서도 단일 LED칩에서 다양한 색상의 빛을 낼 수 있는 새로운 개념의 발광소자 개발이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 기존 LED는 다양한 색을 내기 위해 형광체를 칩 위에 도포하는 구조적 특성으로 인해 빛의 에너지 효율에 제약이 있었으나, 형광체가 필요 없는 나노 피라미드구조는 이러한 단점을 극복해 더욱 밝은 빛을 낼 수 있을 것으로 예상된다.
조용훈 교수는 “나노미터 크기의 피라미드 반도체 안에서 위치에 따라 서로 다른 에너지를 갖는 흥미로운 현상을 이용하면, 형광체를 사용하지 않는 단일 칩 백색 LED와 함께 신개념의 나노 광원을 개발하는데 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 재료 분야의 세계적 학술지인 "어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)" 12월호(1일자) 표지 논문으로 선정됐다.
KAIST 물리학과의 고영호 (1저자)와 김제형 (2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학) 육성사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
연구자사진
[그림 2] 복합 양자구조를 가지고 있는 나노 피라미드 LED가 전류 구동으로 발광되는 개념도. (12월 1일자 Advanced Materials 표지 논문 그림)
2011.12.14 조회수 16894 -
실험비용 획기적으로 절감하는 빠르고 정확한 양자역학 계산 이론 개발
정유성 교수 윌리엄 고다드 교수
현재 널리 사용되고 있는 양자역학 원리를 이용하여 정확하면서도 계산시간이 획기적으로 개선된 새로운 전자밀도범함수 계산이론*이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
*) 전자밀도범함수 계산이론 : 비교적 간단한 파동함수와 전자밀도만으로 에너지와 성질을 계산할 수 있음을 증명한 이론
우리 학교 EEWS대학원 정유성 교수(38세)와 윌리엄 고다드 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 자연과학분야의 권위 있는 학술지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 11월 23일자 온라인으로 게재되었다.
정유성 교수와 고다드 교수는 기존의 양자계산의 문제점인 계산시간과 부정확한 예측으로 인한 결과의 신뢰성이 떨어지는 단점을 보완하여, 정확하면서도 빠른 전자밀도범함수 이론과 알고리즘을 개발하였다.
양자역학 계산법 중 파동함수*를 이용하면 정확도가 높은 반면에 계산시간도 빠르게 증가해 수백-수천 개의 원자를 갖는 거대 분자에 적용하기 어렵고, 상대적으로 계산량이 적은 전자밀도를 변수로 사용할 경우 적용할 수 있는 분자의 크기는 증가하지만 정확도가 떨어지는 단점이 있었다.
*) 파동함수(波動函數) : 양자역학에서 물질입자인 전자·양성자·중성자 등의 상태를 나타내는 양
전자들의 상호작용은 스핀*이 같은 전자들끼리의 상호작용과 스핀이 다른 전자들끼리의 상호작용으로 나뉘는데, 파울리의 배타 원리에 의해 스핀이 다른 전자 사이의 거리가 더 가까우므로 스핀이 다른 전자들의 상호작용이 더 크다. 연구팀은 이 점에 착안하여, 기존에 존재하던 정확한 계산법에서 스핀이 다른 전자 사이의 상호작용을 중점적으로 계산하여 속도를 향상시켰다.
*) 스핀(spin) : 입자의 기본성질을 나타내는 물리량 중 하나로, 입자의 고유한 운동량을 나타냄. 소립자들의 특징을 밝히는 중요한 물리량임
또한 전자들의 상호작용은 국소성을 띠기 때문에 멀리 떨어진 전자 사이에는 상호작용이 거의 없어서 이들을 무시하더라도 총 에너지에 영향을 미치지 않는다는 점에 착안하여, 계산시간을 최대 100배이상 단축시키는 알고리즘을 개발하였다. 예를 들어, 기존의 계산방법으로는 탄소 200개와 수소 402개로 이루어진 알케인(aklane) 분자를 정확히 계산하는데 6개월이 걸린 반면, 새로운 방법론을 이용하면 비슷한 정확도로 하루(24시간)면 계산할 수 있다.
정유성 교수는 “그동안 국내의 계산과학 및 재료 설계 커뮤니티가 응용 연구에 주로 집중하여 짧은 시간 동안 훌륭한 결과를 많이 도출한 반면, 상대적으로 긴 시간을 요구하는 기초 방법론이나 소프트웨어 개발에서는 국제경쟁력이 뒤처져 있는 추세였다. 그러나 이번 연구는 기존의 방법들보다 월등한 정확도와 속도를 가진 방법론을 국내에서 개발했다는 점에서 의미가 크다”고 연구의의를 밝혔다.
아울러 이번에 개발된 방법론은 큐켐(Q-CHEM)이라는 상용 소프트웨어 패키지를 통해 일반연구자들에게 공급될 예정이다.알케인(alkane) 분자의 크기에 따라 본 연구에서 제시한 새로운 방법론(local XYGJ-OS)과 기존의 방법론의 계산 시간을 비교한 그래프. local XYGJ-OS는 전자 간 상호작용의 국소성을 이용해 계산 시간을 낮춘 방법이다.다양한 양자계산 방법과 본 연구에서 제시한 XYGJ-OS 방법의 오차. 233개 분자의 생성열을 실험값과 대조하여 오차의 절대값을 평균하였다. B2PLYP부터 XYG3까지의 방법 및 G2, G3 방법은 XYGJ-OS에 비하여 훨씬 많은 시간을 소모한다.
2011.11.29 조회수 14799 -
박인규 교수, 전기제어와 온도차를 이용한‘나노분자 제어기술’개발
- ▲나노센서 개발 ▲분자조작 ▲세포자극 등 공학기술 전반에 활용 가능 -- 나노 레터스(Nano letters) 10월 호 게재 -
우리 학교 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 최근 나노미터(10억분의 1미터) 크기 공간에서 전기제어와 온도차를 이용해 나노분자를 제어하는 원천기술 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.
박 교수가 이번에 개발한 기술은 ▲고밀도 전자회로 패터닝 ▲고성능 다중물질 나노센서 개발 ▲단백질·유전자 조작 ▲ 세포조작 및 자극 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.
기술적 한계로 나노미터 크기의 섬세한 분자제어가 어려워 개발이 더뎠던 초소형‧휴대형 센서 개발에도 커다란 변화를 가져올 것으로 예상된다.
연구팀은 나노패터닝 공정으로 고밀도·고정렬 나노와이어를 만들어 각각의 와이어에 전기를 제어하고 빠르게 온도를 조절해 화학반응 제어를 실현했으며 이를 통해 나노분자를 정밀하고 신속하게 조절가능하다는 것을 실험으로 입증했다.
박인규 교수는 “이 기술은 나노공간에서 선택적이고 개별적인 온도조절로 바이오 분자조작, 선택적 회로집적 등에 응용돼 화학센서의 성능향상, 초소형 센서 개발 등 IT/ET 융합기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육과학기술부의 일반연구자사업 및 HP 오픈 혁신 연구 프로그램(HP Open Innovation Research Program)을 통해 수행됐으며, 연구결과는 세계적 권위의 나노기술 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
한편 , 이번 연구에는 KAIST 박 교수를 비롯해 김춘연 기계공학과 박사과정 학생, 한국표준연구원 이광철 박사, HP의 지용 리(Zhiyong Li), 스탠 윌리암스(Stan Williams) 박사가 참여했다.
o 그림 1 : 나노와이어를 선택적 온도조절한 후 반응 이미지를 촬영한 모습
o 그림 2 : 나노크기 공간에서 선택적 온도조절을 통한 화학물질 반응/조작 예시, 예1) 고분자 경화, 예2) 나노물질 합성
2011.10.19 조회수 15594 -
박정영 교수, 핫전자 태양전지 원천기술 개발
- Nano Letters 발표, “에너지 손실을 최소화한 핫전자 태양전지 개발 가능성 열어”-
태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자 태양전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
우리 학교 EEWS 대학원 박정영 교수(41세, 교신저자, 지속가능한 에너지공학기술사업단 해외학자)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’ 온라인 속보(9월 14일)에 게재되었다. (논문명 : Surface Plasmon-Driven Hot Electron Flow Probed with Metal-Semiconductor Nanodiodes)
박정영 교수팀은 태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자와 표면플라즈몬의 상관관계를 규명하였다.
박 교수팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛에 의해 표면에 여기된 핫전자를 검출하고, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형하였는데, 이러한 나노섬은 표면플라즈몬을 보여준다.
연구팀은 나노다이오드에 검출된 핫전자를 측정하여 표면플라즈몬에 의한 핫전자의 증폭을 관찰하였다. 이는 표면플라즈몬이 핫전자의 생성을 극대화시키고, 이 원리는 태양전지의 효율을 높이는데 활용될 수 있다.
이 연구에는 EEWS 대학원의 이영근 석사과정생 (제 1저자)와 정찬호 박사과정생 (제 2저자) 이 참여하였다.
박정영 교수는 “핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 에너지 손실과정을 근본적으로 이해할 수 있도록 도와준다는 점에서 표면과학 및 에너지공학에서 매우 중요하다. 이번 핫전자 원천기술의 개발은 핫전자를 이용한 고효율 에너지 전환소자 개발에 응용이 될 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.
<그림>표면플라즈몬에 의해서 증폭된 핫전자의 측정을 위한 나노다이오드의 구조
2011.10.06 조회수 20009 -
맞춤형 인산화 단백질 생합성 성공
- 사이언스誌 발표,“각종 질병원인 규명, 신약개발의 새로운 장을 열다”-
세포내 신호전달체계를 재설계하여 세균으로부터 맞춤형 인산화 단백질을 생산하는 기술이 세계 최초로 국내연구진에 의해 개발되었다.
이번 연구는 교육과학기술부의 “글로벌프론티어사업(탄소순환형 차세대 바이오매스 생산/전환 기술연구단)”의 지원을 받아 우리 학교 화학과 박희성 교수 주도로 수행되었다.
단백질 인산화는 생체 내에서 일어나는 단백질 변형의 일종으로, 세포내 신호전달과 그 결과 발생하는 세포의 생장․분열․사멸을 결정하는 중요한 역할을 한다.
예를들어, 성장세포가 성장호르몬 등 외부의 자극을 받으면 세포내 단백질에 인산이 첨가되고(단백질 인산화) 인산화된 단백질이 다른 단백질을 인산화 시키는 일련의 신호전달 과정을 거쳐 세포분열을 일으키게 된다.
인산화 과정에서 인산화 단백질에 돌연변이가 발생하면 세포의 정상적인 신호전달이 손상되고 세포의 무한 분열을 초래하여, 암을 포함한 각종 질병의 직접적인 원인이 된다.
이러한 인산화 과정은 매우 복잡하고 다이내믹하게 진행되므로, 세포내 신호전달의 극히 일부만 알려져 있고, 지금까지 단백질의 인산화를 조절할 수 없었다. 이 때문에 질병 원인 규명 연구와 신약개발에 많은 어려움을 겪고 있다.
박 교수는 예일대 Soll 교수팀과 공동연구를 통해 세균의 단백질 합성관련 인자들을 재설계하고, 진화방법으로 리모델링하여 인산화 아미노산(단백질 구성인자)을 단백질에 직접 첨가하는 기술을 개발하여 맞춤형 인산화 단백질을 생산하는데 성공했다.
연구팀은 이 기술을 이용하여 다양한 암을 유발시키는 단백질로 알려진 MEK1 인산화 단백질 합성에도 성공할 수 있었다.
박 교수는 “이번 연구를 통해서 단백질의 인산화 조절과 인산화 단백질의 대량 생산이 가능해 졌다.”며, “인산화 단백질을 통해 암을 포함한 각종 질병의 원인규명 연구와 차세대 암치료제 개발연구가 체계적이고 실질적으로 이루어질 것으로 기대된다.” 고 연구의 의의를 밝혔다.
연구결과는 생명과학분야 최고권위지인 사이언스誌 2011년 8월호 (8월26일자)에 게재됐다.
1. 세포의 단백질 생합성 기구 재설계 및 리모델링
○ 세균의 단백질 생합성 기구들(중합효소, 아미노산, tRNA)을 재설계하고, 자연계 모방 진화기술로 새로운 확장인자를 개발한 결과 얻어진 인공기능 세포의 그림이다. DNA로부터 단백질이 생합성 되는 과정이 보여주고 있으며, 특히 새롭게 설계된 단백질 합성기구와 자연계 모방 진화기술로 개발된 확장인자의 모식도가 나타나 있다.
2. 재설계된 세포를 이용한 맞춤형 인산화 단백질 생산
○ 그림1에서 제조된 재설계 인공기능 세포를 활용하여 복잡한 세포내 인산화과정 없이 인산화 아미노산을 단백질의 특정한 위치에 직접 첨가하는 방법으로 맞춤형 인산화 단백질을 생합성하는 그림이다. 세포내 신호전달에서 가장 중요한 역할을 하면서 돌연변이시 다양한 암을 유발시키는 인산화 단백질로 알려진 MEK1의 생합성을 보여주고 있다.
2011.08.26 조회수 12825