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김용훈 교수, 단일 분자 소자의 전극 계면 특성 규명
〈 김 용 훈 교수와 김후성 박사과정, 김한슬 박사 〉
우리 대학 EEWS 대학원 김용훈 교수 연구팀이 10년 이상 나노 분야 주요 난제로 남아있던 단일분자 전자소자의 금속전극-분자 계면 원자구조와 소자특성 간 상관관계를 규명했다.
이번 연구 성과는 국제 과학 학술지인 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 6월 21일자에 게재됐다.
단일분자 전자소자는 OLED 등을 통해 알려진 유기소자로서 2003년 미국에서 처음 구현됐다. 분자전자소자(molecular electronics)는 차세대 반도체 소자의 후보군으로 관련 연구들이 활발히 수행되고 있다.
분자를 전자소자로 활용하기 위해선 분자-전극 형태의 원자구조가 구체적으로 어떻게 형성되는지 이해하는 것이 중요하다. 분자 전자소자는 크게 분자, 전극, 둘을 잇는 연결자로 구성된다.
2006년 미국 애리조나 대학의 타오(Nongjian Tao) 교수를 포함한 연구팀은 한 종류의 분자에서 여러 개의 전류 값이 나올 수 있음을 규명했으나 그 전류 값의 크기와 개수, 원인 등은 명확히 밝혀지지 않았다.
특히 그 원인에 대해서는 관련된 분자와 금속전극 간 계면의 원자구조가 여러 가지 형태를 띠고 있기 때문이라는 추측만 있었고 명확히 밝혀지지는 않았다.
김 교수 연구팀은 주사탐침현미경 등을 이용해 단분자 소자가 구현되는 과정을 슈퍼컴퓨터를 활용해 재현했다.
접합 구조의 여러 가지 형태를 찾는 것은 결국 황(S) 원자 주변의 금(Au) 원자 몇 개가 어떤 형태로 배열되는지 확인하는 것인데 이것을 배위수(coordination number)라고 부른다.
〈 김 용 훈 교수와 연구팀 〉
연구팀은 분자와 금속 전극 간 결합의 원자구조 배위수에 따라 금속전극 사이에서 전류 값이 변화하는 것을 확인했다. 또한 분자가 당겨질 때 단순히 금속과 분자 사이 결합이 끊어지는 게 아니라 금속전극의 원자구조가 쉽게 변형돼 결국은 금속과 금속 사이의 결합의 끊어지는 것을 규명했다.
일본 오사카 대학의 카와이(T, Kawai) 교수는 위와 같은 김 교수의 이론을 뒷받침하기 위해 소자 인장에 따른 전류의 증가를 포함하는 실험을 수행했다.
한, 일 공동연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 제1원리 계산과 첨단 나노소자 제조 및 측정을 통해 유기 소자의 계면 특성을 원자 수준에서 성공적으로 규명했다. 연구팀은 나노과학-나노기술 분야에서 10년 이상 풀리지 않던 난제를 해결했다.
이번 성과는 향후 OLED, 바이오센서, 유기태양전지 등 다양한 유기소자 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “이번 연구는 나노 분야에서 이론 연구가 실험을 선도하는 역할을 성공적으로 수행함을 보여주는 예가 될 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, 나노소재기술사업과 KISTI 슈퍼컴퓨터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 분자 전기전도도 실험 측정방법의 개념도
그림2. 대표적인 세 가지 분자-금속전극 접합 원자구조와 이에 상응하는 외력에 따른 전도도 변화 패턴
2017.07.04 조회수 17865 -
박현규 교수, DNA 통한 나노 꽃 구조체 제작 기술 개발
〈 박 현 규 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 가천대학교 김문일 교수와의 공동 연구를 통해 DNA를 이용해 상온에서 꽃 모양의 나노입자를 합성하는 기술을 개발했다.
이 기술은 아민과 아마이드 구조를 포함한 DNA와 구리 이온의 상호작용을 기반으로 개발됐으며, 이를 이용해 환경 친화적 조건에서 DNA를 고농도로 포집한 꽃 모양의 나노 구조체를 합성하는데 성공했다.
생명화학공학과 출신의 박기수 박사(현 건국대 교수)가 제1저자로 참여한 이번 연구는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 국제 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 B(Journal of Materials Chemistry B) 2017년 12호 표지논문으로 선정됐다.
나노 꽃(nanoflowers)이라 불리는 꽃 모양의 나노 물질은 표면이 거칠고 넓은 표면적으로 인해 촉매, 전자기술 및 분석 화학을 비롯해 여러 분야에서 주목받고 있다.
최근에는 단백질을 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 제작이 이뤄지고 있으며 이는 일반적인 효소에 비해 높은 활성, 안정성 및 내구성을 지닌다는 것이 증명되고 있다.
그러나 일반적인 단백질 나노 꽃 합성은 고온에서 열수 처리를 통해야만 가능했기 때문에 DNA를 효과적으로 포집하지 못한다는 한계를 갖는다.
연구팀은 문제 해결을 위해 생체 고분자 물질인 핵산이 아마이드 결합 및 아민 그룹을 갖고 있다는 사실에 주목했다. 이를 통해 단백질 기반의 나노 꽃 제작 원리를 바탕으로 핵산을 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물 제작이 상온의 친환경적 조건에서 가능함을 증명했다.
연구팀은 다양한 염기서열의 DNA를 이용해 이 기술을 범용적으로 적용 가능함을 확인했다. 이번에 개발된 DNA 기반 나노 꽃 구조물은 기존 기술에 비해 여러 장점을 갖는다. 유해한 화학물질 없이 친환경 제작이 가능하고 낮은 세포독성을 갖는다.
또한 고효율의 DNA 포집이 가능하고 나노 꽃 내부에 포집된 DNA는 핵산 분해효소에 대해 높은 저항성을 보임을 증명했다.
특히 연구팀은 합성된 나노 꽃 입자의 넓은 표면적이 입자 내부 구리의 과산화효소 활성을 크게 향상시킴을 발견했고, 이를 과산화수소를 검출하는 센싱 분야에도 활용 가능할 것으로 예상하고 있다.
연구팀은 향후 다양한 핵산을 이용해 나노 꽃 입자를 합성하고 이를 유전자 치료 및 바이오센서 개발에 응용할 예정이다.
박 교수는 “이번 연구에서 개발된 DNA를 이용해 상온에서 합성된 나노 꽃 입자는 낮은 세포독성 특성을 띠면서 DNA를 핵산 절단효소로부터 효과적으로 보호하는 특성이 있다”며 “이를 통해 향후 유전자 치료용 전달체 등에 응용 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어 지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. journal of Materials Chemistry B 표지
그림2. 다양한 염기서열 및 길이를 가지는 DNA를 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물의 제작 결과를 나타내는 SEM 사진
그림3. DNA를 이용한 유, 무기 복합 나노 꽃 구조물의 제작 과정을 나타내는 모식도
2017.04.14 조회수 16857 -
김신현 교수, 故 신중훈 교수, 모든 색 낼 수 있는 무지개 미세입자 제조기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 김신현 교수와 나노과학기술대학원 故신중훈 교수, 충남대학교 신소재공학과 정종율 교수 공동 연구팀이 모든 색을 낼 수 있는 무지개 미세입자 기술을 개발했다.
반사색의 자유로운 조절이 가능한 무지개 미세입자는 햇빛 아래에서도 선명한 디스플레이 표시가 가능해 차세대 반사형 디스플레이의 핵심 소재로 사용될 수 있다.
이승열 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 2월 7일자 온라인 판에 게재됐다.
오팔(opal), 모포(Morpho) 나비, 공작새의 깃털 등은 모두 색소 없이도 규칙적 나노구조를 이용해 아름다운 색깔을 구현한다는 공통점이 있다. 규칙적 나노구조는 빛의 간섭 현상을 통해 특정 파장의 빛만을 선택적으로 반사해 색소 없이도 색을 낼 수 있다.
이처럼 규칙적인 나노 구조를 통해 빛을 선택적으로 반사하는 물질을 광결정이라고 한다.
일반적으로 광결정은 한 색깔만 발현할 수 있기 때문에 다양한 색의 구현이 필수적으로 요구되는 반사형 디스플레이에 적용하기엔 한계가 있다.
연구팀은 광결정의 한계를 해결하기 위해 겨울철 눈이 동그란 구형 구조물에 쌓일 때 위치에 따라 눈의 두께가 달라지는 점에 주목했다. 이를 통해 하나의 광결정에 가시광선 전 영역의 반사색을 구현하는 데 성공했다.
구의 표면에 물질을 증착하면 위쪽인 정상 부분의 물질이 가장 두껍게 쌓이고 측면으로 갈수록 물질이 얇아진다. 연구팀은 규칙적인 구조를 형성하기 위해 두 가지 서로 다른 굴절률을 갖는 물질인 타이타니아(titania)와 실리카(silica)를 교대로 구형 미세입자에 증착했다.
이렇게 형성된 규칙적인 적층 구조는 정상 부분에서 굴절률 변화 주기가 가장 크고 측면으로 갈수록 작아지는 것을 확인했다.
이에 따라 미세 입자는 정상 부분에서 장파장의 빨간 빛을 반사하고 측면부에서는 단파장의 파란 빛을 반사할 수 있다. 또한 빨간색과 파란색 사이의 다른 모든 색깔도 구의 위치에 따라 상응하는 지점에서 반사할 수 있는 무지개 미세입자를 제작하는 데 성공했다.
제작된 여러 색깔 중 미세입자가 특정 색깔을 발현하도록 유도하고 제어하기 위한 방법으로 연구팀은 자성을 이용했다. 무지개 미세입자 표면에 자성을 띄는 철을 증착해 자석처럼 미세입자의 배향 방향을 자유롭게 제어할 수 있었고 이에 따라 사용자가 보는 색깔도 자유롭게 제어했다.
김 교수는 “이 연구 결과를 지난 2016년 9월 30일 불의의 사고로 고인이 된 나노광학 분야의 세계적 대가 故신중훈 교수에게 헌정한다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부 산하 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 일환으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 무지개 입자의 광학 현미경 사진과 입자 표면에 형성된 주기적 적층 구조의 주사전자현미경 사진
그림2. 외부 자기장에 따른 입자 배형 변화의 모식도 (상단), 배향 각도에 따른 색변화
그림3. 지개 입자 제조 방법 모식도
2017.02.15 조회수 16384 -
자패르 야부즈 교수, 물속 오염물질 선택적 제거 가능한 흡착제 개발
〈자패르 야부즈 교수〉
우리 대학 EEWS대학원 자패르 야부즈(Cafer T. Yavuz) 교수 연구팀이 물속의 유기 오염 물질을 선택적으로 제거할 수 있는 흡착제를 개발했다.
개발된 수(水)처리 흡착제는 불소를 기반으로 한 미소공성 고분자로 오염수 내의 물에 녹는 성질을 가진 미세 분자를 선택적으로 제거할 수 있다. 또한 값싸면서 손쉽게 합성할 수 있고 재생 가능하다는 장점을 갖는다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 11월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
전 지구적 산업 개발과 지구 온난화로 인해 수자원의 오염은 가속화되고 있다. 농, 산업 분야에서 다양한 신소재를 개발하고 응용하면서 하수, 폐수에 유입되는 오염 물질의 종류 또한 다양해지고 있다.
특히 약물, 염료, 농약 등 크기가 작고 수용성이 높은 유기 분자들은 기존의 수(水)처리 공정을 통해 처리되지 않고 음용수(마실 수 있는 물)에 잔류해 인체에 피해를 줄 가능성이 높다.
기존의 수처리는 활성탄, 오존 분해, 역삼투 박막 등의 기술을 통해 이뤄진다. 이러한 기술들은 물에 잘 녹지 않는 성질을 갖고 크기가 큰 유기 분자를 대상으로 하기 때문에 잘 녹고 크기가 매우 작은 유기 분자들은 현재의 수처리 시스템으로는 제거가 어렵다. 또한 이러한 미세 분자들의 구조는 전하를 띠기 때문에 액상에서 분리가 어렵다.
연구팀은 새로운 흡착 기술을 이용해 이러한 작은 분자들을 제거하고자 했다. 수용액 내 용해된 유기 분자를 제거하기 위해선 미세한 크기의 유기 분자를 흡착할 수 있어야 한다.
그밖에 유기 분자를 선택적으로 흡착하기 위해 적절한 화학적 기능기의 도입이 가능해야 하고, 물속에서 사용하기 때문에 물에 대한 구조적 안정성이 높아야 한다.
연구팀은 위와 같은 조건을 충족하는 불소 기반의 다공성 유기 고분자 흡착제를 개발했다. 이 흡착제는 기공의 크기를 조절하는 방법을 통해 물에 존재하는 유기 분자 중 1~2 나노미터 미만의 미세 분자만을 특정해 흡착하는 성능을 보인다.
또한 화학적으로 유기 분자를 선택적으로 제거하기 위해서는 표적 물질과 강하게 상호작용할 수 있는 화학적 기능기가 필요하다. 불소 이온은 모든 원소 중 가장 전기 음성적이기 때문에 물속에서 전하를 띠는 유기 분자와 강하게 상호작용한다.
연구팀은 불소 기능을 함유함으로써 개발된 흡착제가 전하를 띠는 유기 분자를 중성인 분자보다 최대 8배 빠르게 흡착하고 제거함을 확인했다.
연구팀이 개발한 흡착제는 산업적 활용 가능성이 크고 회분식 공정 뿐 아니라 칼럼 공정을 통해서도 전하 및 크기에 따라 선택적 흡착이 가능하다.
야부즈 교수는 “불소 기능기가 가지는 전하의 선택성은 향후 담수화 재료 또는 수처리용 멤브레인 개발 등 다양한 기술에 응용 가능할 것이다”고 말했다.
변지혜 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 KAIST 하이리스크 하이리턴(High Risk High Return) 사업과 미래창조과학부의 중견연구자지원사업 및 기후변화대응사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 불소 기반의 다공성 고분자의 전하,크기 선택적 흡착 개념도
그림2. 불소 다공성 고분자 칼럼을 이용한 유기 분자의 분리 전, 후 농도 변화 관측
그림3. 유기 분자의 전하, 크기에 따른 불소 고분자의 흡착 특성
2016.11.29 조회수 14942 -
조용훈 교수, 종이 위에서 빛나는 초소형 반도체 레이저 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 종이 위에서 작동하는 초소형 반도체 레이저를 개발했다.
나노 크기의 광결정 소자를 흡수성이 높은 종이와 결합함으로써 최첨단 반도체 센서를 저렴한 가격으로 다양한 질병 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구 결과는 소재 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 11월 17일자에 게재됐다.
빛을 매개체로 사용하는 광소자는 높은 대역폭을 갖고 있어 대용량으로 정보 전송이 가능하고 낮은 전력으로도 구동할 수 있다.
일반적으로 반도체 광소자는 직접적으로 특정 기능을 수행하는 부분 외에 이들을 단순히 지탱하기 위한 반도체 기판이 필요하다. 반도체 기판의 부피는 전체 소자 부피의 대부분을 차지하고 자연적으로 부패하지 않는 물질이기 때문에 소자를 폐기할 때 환경 문제를 일으킨다.
연구팀은 문제 해결을 위해 두꺼운 반도체 기판을 제거했고 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 종이를 광소자의 기판으로 사용했다. 종이의 주원료는 나무이기 때문에 자연적으로 썩어 없어진다. 또한 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있고 가격이 저렴하기 때문에 종이를 이용한 소자는 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
종이는 기계적으로도 우수한 특성들을 지닌다. 자유자재로 구부릴 수 있고 접었다 피는 것을 반복해도 끊어지지 않는다. 이러한 특성은 기존 플렉서블 기판들이 구현하고자 하는 우수한 특성이다.
연구팀은 반도체 광소자를 종이 위에 옮기기 위해 나노 광소자를 마이크로 스탬프로 떼어 내는 기술을 이용했다. 이를 통해 반도체 기판에 높은 집적도로 패터닝(특정 부분을 깎아내는 식각 과정을 통해 회로를 새겨 넣는 과정)한 나노 광소자를 새로운 종이 기판에 원하는 간격으로 재배열 할 수 있었다.
이번에 종이 위에 결합된 광소자는 폭 0.5 마이크로미터. 길이 6 마이크로미터, 높이 0.3 마이크로미터 크기로 머리카락(약 0.1 mm) 두께의 100분의 1 수준이다.
연구팀은 개발한 광소자를 유체 채널(Fluid channel)이 형성된 종이 위에 결합해 굴절률 센서로도 활용 가능함을 증명했다. 이미 상용화된 임신진단키트 등에서도 볼 수 있듯이 종이는 좋은 흡수성을 가지고 있고 광결정 소자는 높은 민감도를 가지고 있어 센서 응용에 매우 적합하다.
조 교수는 “이 기술은 종이를 광소자의 기판으로 사용함으로써 최근 화두인 친환경 광소자 플랫폼을 만드는데 크게 기여할 수 있다”며 “저렴한 종이와 고성능 광결정 센서를 결합해 전체 소자의 단가는 낮추면서 성능은 뛰어난 적정기술로 활용할 수 있다”고 말했다.
물리학과 김세정 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 서강대학교 신관우 교수, 우리 대학 이용희 교수가 참여했고, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 종이 기판 위 광결정 레이저 모식도
그림2. 종이 기판위에서 동작하는 광결정 공진기 레이저 및 굴절률 센서
2016.11.25 조회수 18603 -
양찬호 교수, 자석 아닌 물질이 자성(磁性) 갖게 하는 기술 개발
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 전기장을 통해 자석이 아닌 물질이 자성을 갖게 하거나 그 반대로 자석 내의 자성을 없앨 수 있는 기술을 개발했다.
이 연구를 통해 자성 물질 기반의 저장 매체를 개발한다면 대용량의 정보를 빠른 속도로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
장병권 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 성과는 물리학 분야 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 10월 3일자 온라인 판에 게재됐다.
물질의 내부에는 아주 작은 자석들이 존재한다. 그 작은 자석들이 무질서하게 여러 방향으로 향하고 있으면 비 자성 상태이고, 일정한 방향으로 정렬이 이뤄지면 우리가 흔히 볼 수 있는 자석이 된다.
테라바이트 이상의 외장하드를 쉽게 구할 수 있을 정도로 저장 매체의 용량 기술은 발전했다. 그러나 용량 증가는 필연적으로 저장 매체의 읽고 쓰는 속도를 느리게 만든다. 현재 가장 널리 쓰이는 하드 디스크(HDD)의 느린 데이터 접근 속도로는 다른 기술과 조화되기 어려운 상황이다.
이에 따라 SSD, 플로팅 게이트(Floating gate), 저항 방식(Resistive switching) 방식 등이 대안으로 떠오르고 있으나 기록을 할 때마다 흔적을 남기기 때문에 피로 누적 현상을 피할 수 없다는 한계를 갖는다.
정보를 자성 상태로 기록하면 속도가 빠르고 피로 누적 현상을 없앨 수 있기 때문에 저장 매체의 최소 저장 공간인 셀(Cell)을 자성 물질로 구성하려는 시도가 많았다. 주로 전류의 흐름을 통해 유도된 자기장을 이용하는 방식인데, 자기장은 자폐가 매우 어려워 넓은 범위에 영향을 끼치기 때문에 인접한 셀의 자성도 변화시킨다.
셀 하나하나를 조절할 수 없기 때문에 일정한 방향으로 정렬시킬 수 없어 자성의 상태를 바꾸기가 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 자기전기 상호작용을 통해 자성 상태를 조절했다. 자기전기 상호작용은 자기장이 아닌 전기장을 이용해 전류의 흐름 없이 자성 상태를 조절하는 방식으로 에너지 소모가 적다는 장점을 갖는다.
연구팀은 실험을 통해 전기장 인가만으로 무질서하게 임의의 방향을 향하고 있는 셀들이 일정한 방향을 향하고 있음을 확인했다. 또한 반대로 일정한 방향에서 다시 무질서한 상태로도 변화가 가능함을 증명했다.
기존에 보고된 자기전기 현상은 통상적으로 극저온이나 고온에서 발현이 가능했다. 그러나 이번 기술은 화학적 도핑을 통해 상온에서도 작동이 가능하고, 변환이 가역적이며 비휘발성을 갖기 때문에 차세대 정보 저장 소자 개발의 발판이 될 것으로 기대된다.
양 교수는“이번 전기적 자성상태의 변화는 엔트로피 변화를 동반하고 있을 것으로 예상한다”며“자기전기 소자 응용뿐만 아니라 열전 현상의 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 재료연구소 최시영 박사, 포항공대 정윤희 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 막스플랑크 연구소 고경태 박사, 미국 스탠포드 가속기연구소 이준식 박사 와 헨드릭(Hendrik Ohldag) 박사, 호주 뉴사우스웨일즈 대학 잔(Jan Seidel) 교수 등과 공동으로 진행됐다.
한국연구재단의 중견연구자지원사업, 글로벌연구네트워크지원사업, 선도연구센터지원사업(응집상 양자 결맞음 연구센터)과 글로벌프론티어사업(하이브리드 인터페이스기반 미래소재 연구단) 등의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기장 인가를 통한 자성 방향의 변화를 나타낸 개념도
2016.10.27 조회수 16012 -
조용훈 교수, 피라미드 구조로 방향성과 집광 효율을 높인 고성능 반도체 양자 광원 개발
우리 대학 물리학과 조용훈 교수 연구팀이 반도체 피라미드 구조의 양자점이 피라미드 밑면으로 강한 빛을 방출함을 발견하고 이 빛을 높은 효율로 모을 수 있는 기술을 개발했다.
김세정, 공수현 박사가 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노분야 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 10월 12일자에 게재됐다.
반도체 양자점은 빛 알갱이를 하나씩 내뿜는 단일광자원(양자광원)으로 활용가능하다. 단일광자원은 미래의 양자컴퓨터 또는 양자암호기술 등을 구현하기 위한 필수 요소이다.
일반적인 양자점은 불규칙적인 위치에 형성되는 반면 3차원 피라미드 구조에 얇게 양자우물(Quantum well)을 성장시키면 정확히 피라미드 꼭짓점 위치에 양자점(Quantum dot)을 형성할 수 있다. 이 기술을 활용하면 위치가 제어된 단일광자원을 높은 수율로 얻을 수 있다.
하지만 양자점에서 나오는 빛은 빛 알갱이 개수가 적고 양자점이 굴절률 높은 반도체 물질에 갇혀 있기 때문에 일반적으로 구조 바깥으로 빠져나오기 어렵다. 반도체 단일광자원 소자가 상용화 단계로 나아가려면 빛의 집광 효율을 높여야만 한다.
연구팀은 일반적으로 가지고 있는 고정관념을 벗어나 문제를 해결했다. 피라미드 구조의 빛의 지향성(directionality)을 관찰했고 이를 이용했다. 그 동안 피라미드 양자점에서 나오는 빛은 피라미드의 위, 즉 꼭짓점 방향으로 나오는 신호만을 측정했다. 피라미드 밑면 방향으로는 성장 과정상 두꺼운 기판이 반드시 존재하기 때문이다.
하지만 연구팀은 시뮬레이션을 통해 양자점이 피라미드 위쪽보다 밑면 방향으로 더 많은 빛을 방출함을 확인했다.
또한 피라미드 밑면 방향으로 진행하는 빛은 가우시안 형태의 전기장 분포 형태를 갖고 있어, 광도파로 또는 광섬유의 단일 모드와 잘 일치한다. 이는 제품과 전선을 결합하듯이 광원과 광도파로 간의 결합 효율을 높일 수 있다.
이에 연구팀은 폴리머를 이용해 피라미드 구조체를 기판에서 떼어냈다. 피라미드의 밑면으로 나오는 빛이 두꺼운 반도체 기판을 거치지 않고 공기 중으로 직접 방출되도록 한 것이다.
연구팀이 떼어낸 피라미드는 쉽게 다른 광학 소자들과 직접 결합할 수 있어 피라미드 양자점의 응용분야가 확대될 수 있는 발판이 될 것으로 기대된다.
조 교수는 “이번 연구 내용은 양자 광원 뿐 아니라 LED와 같은 광원 소자에도 적용 가능해 활용도가 높을 것으로 기대된다.”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 폴리머로 떼어낸 피라미드 양자점의 모식도
그림2. 피라미드 양자점에서 방출된 빛의 상반구 및 하반구 먼장 (far-field) 방출 패턴(좌)와 폴리머로 떼어내기 전후의 나노 피라미드 구조체(후)
2016.10.18 조회수 18323 -
최광욱, 홍성태 교수, DNA 정보를 안정적으로 보존하는 과정 규명
우리 대학 생명과학과 최광욱, 홍성태 교수 연구팀이 DNA 보관 염색체를 안정적으로 유지하는 역할을 하는 단백질을 발견하고 그 작동 과정을 밝혔다.
연구팀은 TCTP(Translationally controlled tumor protein) 단백질이 염색체 구조 및 유전정보를 안정적으로 유지시키는 필수 요소임을 규명했다.
이번 연구 성과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9월 30일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Antagonistic roles of Drosophila Tctp and Brahma in chromatin remodeling and stabilizing repeated sequences).
인간의 생존에 필수적인 유전 정보는 DNA에 저장되고 이 DNA는 세포핵 안에 보존돼 있다. 이 세포 안에 저장된 DNA의 길이는 3미터에 이를 정도로 매우 길다.
이렇게 긴 길이의 DNA를 세포핵이라는 작은 공간에 보관하기 위해 생명체는 염색체라는 특별한 구조를 사용한다. DNA의 부피와 크기를 줄이기 위해 다양한 종류의 단백질을 이용해 DNA를 접어 최종적으로 염색체의 형태로 만든 후 세포핵 안에 보관하는 것이다.
따라서 염색체 구조를 안정적으로 유지하는 것은 생명체의 생존에 필수적인 유전정보를 담은 DNA를 안전하게 보존하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
사람의 경우 염색체 구조가 불안정해지면 노화 촉진, 암과 치매 발병가능성이 높아진다. 실제로 난소암, 신장암, 간암, 췌장암 등에서 염색체의 구조를 조절하는 브라마(Brahma) 단백질의 기능이 비정상적으로 작동한다.
연구팀은 TCTP라고 불리는 단백질이 ‘염색체의 접힌 상태’ 유지에 필수적이며 이를 통해 유전 정보를 안정적으로 보호하는 것을 발견했다.
초파리 동물 모델 실험에서 TCTP 단백질이 염색체의 접힘 구조를 조절하는 브라마 단백질에 직접 결합한 후 브라마 단백질이 올바르게 작동하도록 돕는 역할을 하는 것을 확인했다.
또한 TCTP 단백질은 브라마 단백질과 함께 작용하는 역할 외에도 염색체의 접힘 상태 유지에 필요한 다른 단백질 생산과정에도 참여함을 추가로 입증했다.
이번 연구를 통해 일부 암이 브라마 단백질의 기능 이상에 의해 발생하는 현상의 원인을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다.
최 교수는 “지금까지 알려진 TCTP 기능들의 틀을 벗어난 새로운 결과이다”며 “유전체안정성 조절 및 암 연구 분야에서 TCTP의 중요성을 부각시키는데 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실지원사업, 중견연구자지원사업(도약연구) 및 이공분야 기초연구사업(대통령포스닥펠로우)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 정상세포(좌)에서 Tctp가 없는 부분은 DNA를 접힌 상태로 유지하지 못하는 현상(우)
그림2. TCTP 단백질이 염색체 구조를 안정적으로 보호하는 역할을 하는 과정을 나타낸 모식도
2016.10.13 조회수 9928 -
김정원 교수, 美 광학회 발행 저널에 초청 리뷰논문 게재
〈 김 정 원 교수 〉
우리 대학 기계항공공학부 김정원 교수가 국내 연구자로는 최초로 ‘어드밴시스 인 옵틱스 앤 포토닉스(AOP : Advances in Optics and Photonics)’ 지의 초청 리뷰논문을 2016년 9월호에 게재했다.
AOP는 미국광학회(Optical Society of America, OSA)에서 발행하는 광학 분야의 가장 권위 있는 리뷰 저널이다. 광학 및 광공학에서 가장 중요하면서 많은 사람들이 관심을 가지는 최신 토픽들에 대해 분야를 대표하는 연구자가 그 분야를 소개하는 심도 있는 초청 리뷰 논문을 싣고 있다.
김 교수의 논문은 최근 각광받고 있는 초저잡음 광섬유 모드잠금된 레이저(ultralow-noise mode-locked fiber laser)와 광주파수빗(optical frequency comb)에 대한 것으로 저잡음 광섬유 레이저의 물리적 원리와 구현 방법, 지난 25년간의 동향, 최신 응용 분야들과 앞으로의 전망을 76페이지에 걸쳐 종합적으로 소개하고 있다.
김 교수 연구팀은 2011년 세계 최초로 100아토초(1경분의 1초)의 타이밍 지터를 가지는 광섬유 레이저를 선보인 것을 비롯해 다양한 종류의 저잡음 광섬유 레이저들을 개발했다. 또한 이를 입자가속기 제어, 저잡음 클럭 발진기 및 마이크로파 발생기, 원격탐지 등의 기초과학 및 공학응용 분야들에 적용하는 연구를 수행 중이다.
창간 8년째인 AOP 지에 국내 최초로 초청 리뷰 논문을 게재한 것은 김 교수가 우리 대학에서 자체적으로 수행한 초저잡음 광섬유 레이저와 각종 초정밀 응용들에 관한 연구가 세계적인 수준으로 인정받음을 의미한다.
김 교수는 “이번 리뷰 논문은 광섬유 레이저와 광주파수빗을 전공하거나 이용하는 대학원생들과 다른 분야 연구자들에게 분야 전체의 개요와 앞으로의 전망에 대하여 소개하여, 이러한 최신 광원들이 보다 폭넓게 활용되는 것을 목표로 했다”고 말했다.
김 교수 연구팀의 박사후 연구원 (2010-2011년)이었고 현재는 중국 천진대에 근무하는 Youjian Song 교수와 공동으로 집필한 이번 리뷰 논문은 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 우주핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2016.08.30 조회수 12624 -
박현규 교수 DNA 활성 조절 가능한 스위치 개발
〈 박 현 규 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 스위치를 켜고 끄듯이 DNA 내부의 핵산중합효소 활성을 조절하는 기술을 개발했다.
이 기술은 수은, 은 등의 금속이온을 스위치로 사용해 DNA 압타머를 조절함으로써 DNA 압타머와 결합돼 있는 핵산중합효소의 활성을 조절하는 원리이다.
이번 연구는 영국왕립화학회가 발행하는 ‘케미컬커뮤니케이션(Chemical communications)’ 4월호에 게재됐고, 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.
핵산과 금속이온의 상호작용을 이용해 효소 활성을 조절하는 여러 연구들이 수행되고 있다. 하지만 이 연구들은 금속이온에 의해 반응이 진행되고 나면 다시 반응을 되돌릴 수 없어 가역적으로 시스템을 구현해야 하는 분자스위치, 논리게이트 등에 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
핵산중합효소는 핵산의 복제를 돕는 효소로 DNA 압타머와 결합해 있는 상태로는 별다른 역할을 수행할 수 없다. 따라서 특정 외부적 자극을 통해 DNA 압타머를 조절해 핵산중합효소를 활성화시켜야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 핵산중합효소와 상호작용을 하는 DNA 압타머가 특정 금속이온에 반응하도록 염기서열을 조작했다. 그리고 수은 및 은 등의 금속이온을 도입해 핵산중합효소와 DNA 압타머의 결합을 조절함으로써 중합효소의 활성을 조절 가능하게 만들었다.
연구팀은 이 기술을 기반으로 금속이온에 의해 시스템을 조절할 수 있는 분자 수준의 스위치를 개발했다. 기존 기술의 한계였던 비가역성 문제를 해결해 핵산중합효소의 활성을 가역적으로 조절할 수 있는 것이다.
연구팀은 이를 통해 향후 DNA기반의 분자회로 및 신호전달체계의 원천기술이 될 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.
박 교수는 “이번 연구에서 개발된 기술은 중합효소 외에 다양한 효소 활성의 가역적 조절에 응용될 수 있다”며 “이를 통해 다양한 분자 스위치의 개발이 가능해질 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부가 시행하는 글로벌프론티어사업(바이오나노헬스가드연구단)과 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 압타머와 금속이온의 상호작용에 의하 가역적으로 조절되는 중합효소 활성 모식도
2016.05.03 조회수 9766 -
남윤기 교수, 빛과 열로 신경세포의 활성을 억제하다
〈 남 윤 기 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 남윤기 교수와 박지호 교수 연구팀이 빛과 열을 통해 신경세포의 활성을 억제할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다.
이번 연구는 나노분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9일자 온라인 판에 게재됐다.
신경세포는 활동 전위를 생성해 세포 사이의 정보를 교환하는 역할을 담당한다. 신경세포의 활성은 뇌기능을 이해할 수 있는 핵심 요소로 이를 조절하기 위해 전기 자극, 광유전학 등 다양한 방법의 기술이 연구됐다.
그러나 전기 자극은 신경세포의 활성 유도엔 효과적이나 그 반대인 활성 억제엔 기술적 한계를 갖는다. 광유전학은 빛으로 신경세포 활성을 조절할 수 있지만 유전자 조작이 까다롭고 다른 기술과의 결합이 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 금 나노막대를 신경세포 칩에 결합하는 방법을 선택했다. 금 나노막대는 특정 파장대의 빛을 흡수해 열을 발생시키는 특성이 있어 광열 자극의 매개체로 사용 가능하다.
연구팀은 신경세포가 이 광열 자극에 노출될 경우 그 활성이 억제되는 현상을 발견했고 이를 응용한 전기 광학적 신경플랫폼을 제작했다.
근적외선을 선택적으로 흡수하는 금 나노막대를 합성한 후 생체 친화성을 갖는 중합체(polymer)로 코팅해 신경세포 칩 표면에 결합했다. 신경세포 칩 상의 금속 전극은 금 나노막대가 결합한 후에도 전기적 특성이 변하지 않아 신경세포 활성 측정에 적합하다.
금 나노막대가 결합한 칩에 신경세포를 배양하면 전기적으로 신경세포의 활성을 측정하는 동시에 광열 자극으로 신경세포의 활성을 억제함을 확인했다. 이 기술은 유전자 조작 없이도 빛으로 활성 조절이 가능해 기존의 광유전학 기술의 단점을 상쇄시켰다.
연구팀이 개발한 전기 광학적 신경플랫폼은 광유전학 기술의 대안이 될 것으로 기대된다. 또한 기존 신경플랫폼과 결합해 뇌기능 연구 및 뇌질환 치료에 다각적으로 활용 가능할 것으로 예상된다.
남 교수는 “나노입자와 신경세포를 결합해 새로운 자극 플랫폼을 제시했다”며 “기존의 전기적 신경 시스템을 활용하는 동시에 광열 자극으로 신경세포의 활성을 자유롭게 억제할 수 있다”고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 유상진 박사과정 학생이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 도약연구의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 금나노막대와 미세전극칩을 결합한 광-전기 복합 자극칩 플랫폼 모식도
2016.03.31 조회수 11316 -
광섬유로 300조분의 1초 오차의 클럭 개발
〈김 정 원 교수〉
우리 대학 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술로 수백조분의 1초 오차를 가지는 클럭(clock) 원천기술을 개발했다.
이는 클럭 발진기(oscillator)의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천 기술로 성과를 인정받아 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 11월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
클럭 발진기는 일정한 시간 간격의 주기적 신호를 발생시켜 전자시스템이 신호에 맞춰 정확하게 동작하도록 만드는 장치이다. 음악 연주에서 메트로놈과 같은 역할을 한다.
이 클럭 발진기는 오늘날 각종 정보통신 시스템 뿐 아니라 입자가속기나 천체관측장치 같은 거대 과학시설, 초정밀 계측 장비, 레이더, GPS 및 위성항법 시스템 등 전 분야에 걸쳐 핵심적 역할을 하고 있다. 따라서 클럭 발진기에서 발생하는 주기적 신호의 시간 오차를 줄인다면 각종 시스템들의 획기적인 성능 향상과 이전에는 불가능했던 기술 개발도 가능해진다.
기존에는 특수 제작된 공진 회로를 이용한 라디오파 혹은 마이크로파 발진기를 사용하거나 광공진기의 주파수 나눔을 이용한 방식의 기술을 사용했으나, 이 방식은 크기가 클 뿐 아니라 기계적 안정도가 떨어지고 수억 원 이상의 고가였기 때문에 실험실 밖에서의 응용 등에 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 신뢰성이 높고 가격경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 부품을 활용한 새로운 방식의 클럭 발진기를 개발했다.
기술의 핵심은 초고속 광섬유 레이저에서 발생하는 넓은 스펙트럼 내의 두 광주파수(optical frequency) 차이를 이용한 것이다. 기존 전자 발진기는 기가헤르츠(GHz, 1초에 109회 진동) 영역에서 동작하지만, 이 기술은 이보다 테라헤르츠(THz, 1초에 1012회 진동) 주파수를 이용하기 때문에 약 1000배 민감한 시간 차 측정이 가능하다.
또한 광섬유 케이블에서 빛이 전파되는 시간이 매우 일정하게 유지되기 때문에 테라헤르츠 주파수를 이용해 높은 분해능으로 측정된 시간차를 광섬유 케이블 내에서의 빛의 전파 시간에 정확하게 맞췄다.
그 결과 국제전기통신연합(ITU)에서 정의한 클럭 신호원의 성능을 나타내는 0.1초 동안의 시간오차인 타이밍 지터(timing jitter)가 3펨토초(333조분의 1초)로 측정됐으며, 이는 환산하면 100만년 동안 1초의 오차를 갖는 성능에 해당한다.
이를 통해 별도의 특수 제작된 고가 소자 없이도 세계적 수준의 클럭 발진기 성능을 얻을 수 있고, 상용화 시 제작비용을 기존 최고 성능 발진기의 10분의 1 이하 수준으로 낮출 것으로 기대된다.
연구팀은 이 기술의 성능과 안정성이 아날로그-디지털 변환기나 고성능 신호 분석기와 같은 ICT 시스템, 레이더, 원격 탐사, 위성항법 등 국방, 우주, 환경 기술 분야에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것이라고 밝혔다.
김 교수는 “이 기술은 군용 레이더, 보안 분야와의 연관성 때문에 주요 장비들의 수출이 금지된 경우가 많아 순수 국내 기술로 자체 개발한 것은 그 의의가 크다.”며 “향후 유리기판 위에 시스템을 구현해 칩 스케일의 고성능 클럭으로 발전시킬 계획이다”고 말했다.
KAIST 기계공학과 정광연 박사과정(1저자)의 참여로 이루어진 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 수백조분의 1초 오차의 광섬유 클럭 발진기 개념도
2015.11.12 조회수 11249