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대장균 이용 농·의약품 및 나일론 전구체 제작 원천기술 개발
<이 상 엽 특훈교수>
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀이 11일 세계 최초로 미생물을 이용한 1,3-다이아미노프로판(원, 쓰리-다이아미노프로판) 생산에 성공했다.
이번 연구결과는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 11일자에 게재됐다.
1,3-다이아미노프로판은 에폭시 수지의 가교제와 의약 및 농약제품 제작에 이용되는 핵심 화학물질이다. 또한 중합반응을 통해 의료용 접착제, 엔지니어링 플라스틱 등으로 이용되는 나일론(폴리아마이드)을 제작할 수 있다.
이 1,3-다이아미노프로판은 현재 석유를 통해 생산된다. 그러나 기후변화와 환경문제를 유발하고 한정자원인 석유화학공정을 이용한다는 한계가 있어 연구팀은 지속가능한 친환경 바이오화학공정으로 재편에 힘쓰고 있다.
이상엽 교수 연구팀은 세계 최초로 대장균을 이용한 1,3-다이아미노프로판 생산에 성공해 지속가능한 자원인 바이오매스로부터 생산 가능성을 열었다.
연구팀은 자체적으로 1,3-다이아미노프로판을 생산할 수 없는 대장균의 문제점 해결을 위해 시스템 대사공학을 이용했다. 시스템 대사공학은 세포전체 대사회로를 정량, 정성적 분석 후 시스템 수준에서 총체적으로 조작해 원하는 화합물을 대량생산하는 기술이다.
연구팀의 생산 과정은 ▲외래 미생물의 1,3-다이아미노프로판 생산 대사회로를 컴퓨터 가상 세포에 도입해 가장 효율적인 대사회로를 결정한 후 ▲이 대사회로를 실제 대장균에 도입해 1,3-다이아미노프로판 생산 ▲마지막으로 추가적인 시스템 대사공학을 통해 약 21배 이상 생산량을 증가시켜 최종 발효를 통해 배양액 1 리터당 13그램의 1,3-다이아미노프로판 생산에 성공했다.
이 기술로 재생 가능 비식용 바이오매스를 이용한 1,3-다이아미노프로판 생산이 가능해져 기존 석유기반 화학 산업을 바이오리파이너리(Bio-refinery)로 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
이 교수는 “이번 연구는 세계 최초로 KAIST 연구실에서 바이오리파이너리를 통해 1,3-다이아미노프로판 생산 가능성을 제시한 점에서 의의를 갖는다”며 “더 많은 연구를 통해 생산량 및 생산성을 증산할 계획이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 기후변화대응 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐고, KAIST 채동언(박사과정) 학생이 제 1저자로 참여했다.
□ 그림 설명
그림 1. C4 대사회로를 이용하여 1,3-다이아미노프로판을 생산하기 위한 대사공학 전략들
그림 2. 최종적으로 엔지니어된 대장균들의 발효 프로파일
2015.08.11 조회수 11519 -
다빈치가 르네상스 이후에 태어났다면 모나리자를 어떻게 그렸을까
우리 학교 물리학과 정하웅 교수와 한양대학교 응용물리학과 손승우 교수는 중세부터 사실주의까지 약 1000년에 걸친 서양화 1만 여점의 빅데이터를 복잡계 이론으로 분석해 서양 미술의 변천사를 밝혀냈다. 또 이를 바탕으로 르네상스 시대의 대표 작품인 모나리자를 시대별로 재구성했다.
연구결과는 세계적인 과학저널 네이처(Nature)가 발행하는 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 11일자 온라인판에 실렸으며 리서치 하이라이트로 선정되어 네이처 홈페이지 메인 화면에 소개되기도 했다.
최근 빅데이터가 관심을 받으면서 과학자들은 예술·인문학 자료를 전산화해 분석하려는 시도가 많이 있다. 이 같은 자료는 방대하고 복잡해서 다루기가 쉽지 않다. 연구자들은 빅데이터에서 질서를 찾기 위해 복잡계(Complex Systems) 과학 방법론을 이용하며 이를 ‘데이터 과학’이라고 한다.
그동안 회화에 사용된 물감의 구성 성분, 연대측정, 회화의 진위여부를 정량적으로 판별하는 방법 등에 관한 연구결과는 꾸준히 있었다. 하지만 서양 미술사 전반을 아우르는 대규모 분석에는 데이터가 충분하지 않았다.
연구팀은 헝가리 부다페스트 물리학 컴퓨터 네트워킹 연구센터(Computer Networking Centre of the Wigner Research Centre for Physics)에서 운영하는 온라인 갤러리에서 중세부터 19세기까지 디지털 형태의 서양회화 1만여 점을 모은 데이터를 기반으로 서양 미술을 객관적으로 분석할 수 있었다.
연구팀은 물리학에서 사용하는 상관 함수를 온라인 갤러리에서 취합된 서양 미술의 빅데이터에 적용해 분석한 결과 시간이 흐를수록 명암대비 효과가 점점 높아지는 경향이 있다는 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 여기서 사용한 상관 함수를 잭슨 폴록의 드립 페인팅에 적용한 결과, 공간적인 명암대비 효과가 거의 없어 무작위로 만든 그림에 상당히 가깝다는 것을 분석해내기도 했다.
이와 함께 이 기간 동안 서양미술은 그림 속 물체의 윤곽선이 모호해지다 낭만주의 시대 무렵 다시 뚜렷해지는 변화가 있었다.
아울러 중세 시대에는 색상을 다양하게 사용하지 않았고 정치 및 종교적인 이유로 특정 염료만을 선호했다. 같은 이유로 당시에는 색을 직접 혼합하지 않고 오직 덧칠로만 다양한 색을 표현했다. 즉, 연구팀은 염료와 채색 방식으로 인한 중세 시대 색상 표현의 한계와 그 이후 변화를 분석해냈다.
정하웅 교수는 “물질세계의 복잡성에 대한 연구는 자연과학에서 오래된 주요 관심사였지만, 예술 및 인문사회분야와 관련한 체계적인 복잡성 연구는 인터넷 대중화 이후의 일”이라며 “이번 연구는 물질세계의 복잡성을 다루던 방법으로 인류의 귀중한 문화유산인 회화에서 숨은 복잡성을 찾아 구체적인 숫자로 제시했다는데 의의가 있다”고 말했다.
손승우 교수는 “학문 사이의 통섭은 이제 융·복합이라는 키워드로 우리 사회에 자리매김하고 있다”며 “학문간 더욱 활발한 대화를 통해 미술 분야를 넘어 예술 및 인문사회 분야에 숨겨진 복잡성을 더욱 폭넓게 이해하는 것이 필요하다”고 설명했다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행한 이번 연구는 KAIST와 한양대 교수진의 지도아래 KAIST 물리학과 김영호(28) 박사과정 학생이 주도했다.
동영상 링크 http://youtu.be/SFo0h1EU2aw
[자료 그림] 중세 회화와 드립 페인팅 비교: a은 중세 회화로 구성한 밝기 표면, b은 잭슨 폴록의 드립 페인팅 작품으로 구성한 밝기 표면이다. 각 픽셀의 밝기를 픽셀 위치의 높이로 두어 표면을 구성하고 각 밝기 표면에서 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수를 구했다. c와 d에서 빨간색 점은 그림에서 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수, 파란색 점은 그림을 무작위로 섞어서 만든 이미지에서 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수이다. 중세 회화와 다르게 잭슨 폴록의 드립 페인팅은 무작위로 섞어서 만든 이미지와 거리에 따른 평균 밝기차이 상관함수가 거의 차이가 없다. © 2014 The Polock-Krasner Foundation/ARS, NY - SACK, Seoul
1. 르네상스 시대의 대표 작품인 모나리자를 시대별 스타일에 맞게 재구성
2. 각 그림으로 표면을 구성하고 명암 대비 기법의 강도를 측정하는 짧은 영상. 선별한 그림을 중심으로 명암 대비 기법의 강도가 시대에 따라 증가하는 경향을 영상에서 확인할 수 있다.
3. 회화에서 밝기 표면을 구성하는 방법
4. 네이처 홈페이지(12월 11일)
2014.12.15 조회수 14480 -
양자점 이용한 고효율 투명 태양전지 개발
- 양자점 전해질에 분산해 9%대 고효율 염료감응 태양전지 원천기술 개발 -- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 19일자 게재 -
우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용해 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.
현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수를 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 빛 흡수를 높이기 위해 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.
아직은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.
이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율이 증가했으며 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교에서도 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.
강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.
그림1. 모바일 양자점이 포함된 염료감응태양전지의 흡수 스펙트럼, 외부양자효율, 전압-전류.(상단) 플라즈몬 구조, 빛반사층과 모바일 양자점이 구현된 태양전지의 외부양자효율, 산란파워, 그리고 사진의 비교. (하단)
그림2. 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(좌측)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (우측): Foster Resonance Energy Transfer (FRET) (상단), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(중단), 2광자 흡수 (하단)
그림3. 염료감응 태양전지 샘플
그림4. 연구원 사진
2013.09.25 조회수 16602 -
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 16666 -
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 11583 -
고효율 유기박막태양전지 개발
- 플라즈모닉 현상 이용해 유기박막태양전지 광효율 20% 향상 -- 효율 증가원인 규명해 응용분야 발전 기대 -
금속나노입자의 플라즈모닉 효과를 이용해 유기박막태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다.
우리 학교 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 유기박막태양전지의 효율을 20% 증가시킬 수 있는 기술을 개발하고, 플라즈모닉 현상으로 인한 효율 증가의 원인을 처음으로 규명했다.
이 기술은 유기박막태양전지 제작 방법에 상관없이 추가로 효율을 20% 높일 수 있어 유기박막태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
현재 양산중인 실리콘 반도체 기반 태양전지는 아직까지는 경제성이 낮다. 이에 따라 이를 대체하기위해 보다 저렴하게 제작할 수 있다고 알려진 유기박막태양전지의 효율을 높이기 위한 연구가 전 세계적으로 많이 수행되고 있다.
유기박막태양전지는 고분자 유기물 기반으로 제작된 태양전지로 가볍고, 유연하며, 저렴한 비용으로 제작이 가능해 차세대 태양전지로써 각광받고 있다. 그러나 빛을 흡수할 수 있는 층이 수십 나노미터(nm) 수준으로 매우 얇기 때문에 낮은 광변환 효율을 나타내 상용화에 어려움을 겪고 있었다.
이 교수 연구팀은 기존 유기박막태양전지에 10~100nm로 다양한 크기의 금속나노입자를 적용해 유기박막태양전지의 광흡수율을 증가시킴으로써 광변환 효율이 6.4%에서 7.6%로 약 20% 향상되는 결과를 얻었다. 또 7.9% 태양전지는 8.6%로 향상된 결과를 나타냈다.
금속나노입자를 유기박막태양전지에 적용해 효율이 증가하는 것을 규명한 연구가 이전에 수행된 적은 있지만 효율증가의 원인은 정확하게 밝혀지지 않았다.
연구팀은 유기박막태양전지에 도입된 금속나노입자의 플라즈모닉 빛 전방 산란 특성으로 인해 크기가 커질수록 효율이 증가하다가 약 70nm 크기에서 가장 큰 효율 향상을 보이는 것을 이론 및 실험적으로 증명했다.
이정용 교수는 이번 연구에 대해 “금속나노입자의 플라즈모닉 산란 특성을 조절한 광공학 설계의 가능성을 확인했다”며 “저렴한 용액 공정으로 나노입자를 합성 및 적용했기 때문에 대면적 태양전지 모듈 제작에도 쉽게 적용이 가능하다”고 말했다.
이 교수는 또한 “이번 연구로 밝혀낸 기술을 이용하면 유기박막태양전지의 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이정용 교수가 주도하고 백세웅 박사과정 학생이 참여한 이번 연구 성과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’의 4월 25일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 기존 유기박막태양전지(검은 사각형)과 금속나노입자를 도입한 유기박막태양전지(빨강 원)의 전류밀도–전압 특성 곡선. 광변환 효율이 6.4% -> 7.6%, 7.8% -> 8.6%로 증가한 것을 알 수 있다.
그림2. 유기박막태양전지의 구조 및 도입된 약 70나노미터 수준의 은 나노입자의 전자현미경 사진.
2013.04.29 조회수 15266