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배병수교수팀, 새로운 LED봉지재 개발
신소재공학과 배병수 교수연구팀이 고휘도 LED 개발에 필수적인 고굴절률 고내열성 하이브리드소재 LED 봉지재를 개발했다. LED 봉지재는 백색 빛을 내는 형광체를 포함해 LED 칩을 둘러싸서 외부 충격과 환경 등으로 부터 LED 칩을 보호하는 핵심 소재다. LED의 빛은 결국 봉지재를 통해 나오기 때문에 빛의 흡수, 산란, 굴절을 최소화한 고휘도 LED 구현을 위해 고굴절률 투명 봉지재 소재의 개발이 필요하다.
또, 봉지재는 외부 노출에 견디는 내후성 외에 LED칩에서 발산되는 열을 견디는 내열성이 매우 중요하다. 특히, 향후 상용화하게 될 고출력 조명에서는 매우 높은 열이 발생될 것으로 예상되기 때문에 이를 상용화하기 위해서는 고내열성 봉지재 소재의 개발이 필수적이다.
기존 에폭시 봉지재는 최근 고내열성의 요구로 실리콘소재로 대체되고 있으며, 현재 해외 주요 실리콘업체들이 국내에 독점 공급한다. 일반적으로 굴절률이 낮은 메틸 실리콘소재에 비해 굴절률이 높은 페닐 실리콘소재가 사용된다. 그러나 고온에서 쉽게 노란색으로 변색(황변)되어 전 세계 업체들은 굴절률을 높이면서 내열성이 우수한 소재를 개발하기 위해 노력하고 있다.
배교수 연구팀은 기존 LED 봉지재 소재인 실리콘소재의 제조방법과 달리, 실리카 유리 제조에 사용하는 솔-젤 공정과 함께 실리콘 제조공정인 하이드로실릴레이션(Hydrosilylation) 반응을 함께 사용해 다량의 페닐기를 포함하고 치밀한 네트워크 분자구조를 갖는 투명 하이브리드소재를 개발했다. 이번에 개발된 하이브리드재료는 1.56이상의 고굴절률을 가지면서 200도 이상의 고온에서도 황변이 일어나지 않는 고내열성을 보인다. 현재까지 전 세계적으로 1.53이상의 고굴절률 투명소재가 200도 온도에서 황변이 일어나지 않는 고내열성은 아직 보고되지 않았다.
이와 함께 하이브리드소재는 기존 실리콘소재에 비해 기체투과성이 낮으며, 경도가 높아 장기 안정성 높은 고휘도 LED 봉지재로 매우 유리하다. 이번에 개발된 하이브리드소재 봉지재를 사용하는 LED 제품은 일반 조명용 제품은 불론 LED TV용 백라이트 광원용 제품에 널리 활용될 수 있다. LED 산업의 성장과 함께 최근 세계 주요 소재업체들이 줄이어 고성능 봉지재 소재들을 출시하고 있는 시점에, 국내에서 세계 최초로 봉지재 원천소재를 개발한 것은 국내 LED산업의 발전은 물론 소재산업 위상 제공에 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구결과는 미국화학회에서 발간하는 재료화학(Chemistry of Materials)저널 최근호에 게재됐으며, 관련 원천소재 특허 3건을 국내외에 출원했다. 연구팀은 현재 국내 실리콘 제조업체인 (주)KCC와 이번에 개발된 봉지재가 실제 LED칩에 실장되는 생산 공정에 적합하도록 최적화하고 굴절률을 더 높여 해외 선진사 제품 대비 경쟁력 높은 제품으로 상용화할 계획이다.
<사진설명>배교수 연구팀이 개발한 하이브리드소재 LED 봉지재와 해외 선진사 상용 실리콘 LED봉지재의 250도 내열성 비교평가결과. 상용 제품은 황변이 일어난 반면, 개발 제품은 투명하고 굴절률이 높다.
2010.06.16
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윤태영 교수팀, 생체막 단백질 기능 첫 규명
우리대학 윤태영 물리학과 교수 주도하에 생체막 단백질인 시냅토태그민1(Synaptotagmin1)이 신경세포 통신을 능동적으로 제어한다는 사실을 세계 최초로 규명하였다.
시냅토태그민1은 신경전달물질 분출을 조절하는 양대 핵심 단백질로서, 지금까지 학계는 단순히 칼슘 이온이 유입되면 시냅토태크민1이 신경전달물질을 분출하는 것으로 추정해 왔지만, 명확히 그 기능을 밝혀내지 못했다.
△카이스트 윤태영 물리학과 교수, △이한기 박사 △신연균 교수(포항공대, 아이오와주립대) △권대혁 교수(성균관대) △현창봉 교수 (고등과학원) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘기초연구실육성사업(BRL)"과 ‘세계 수준의 연구중심대학(WCU)육성사업’의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계 최고 권위의 과학저널인 ‘사이언스(Science)’誌 5월 7일자에 게재된다. 이번 연구결과는 젊은 국내 토종박사들이 주축이 되어 불굴의 도전정신으로 일궈낸 값진 연구성과이다.
총 9명으로 구성된 연구팀에서 8명이 국내 연구자들로, 이중 7명이 만 40세를 넘지 않은 신진 연구자이다.
특히 연구를 주도한 윤태영 교수는 만 34세로 2004년 서울대에서, 이한기 박사는 만 33세로 명지대에서, 권대혁 교수는 만 38세로 서울대에서 박사학위를 받은 토종박사들이다.
또한 이번 연구성과는 정부의 대표적인 연구지원사업(BRL)과 인력 양성사업(WCU)의 지원을 받아 시너지 효과를 발휘하여, 세계 최고의 과학저널에 발표했다는 점에서 의의가 있다.
[그림1. 신경전달물질 분출에 있어서 시냅토태그민1의 동적제어 스위치 모델]
윤태영 교수 연구팀은 시냅토태그민1이 신경세포 통신의 강약을 자유자재로 제어하는 스위치 역할을 한다는 새로운 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 신경세포 내에 적정농도(10μmol/L, 1리터당 10마이크로 몰)의 칼슘 이온이 유입되면 시냅토태그민1은 신경전달물질을 빠르게 분출하지만, 적정농도 이상의 칼슘이 유입되면 오히려 그 기능이 감소된다는 사실을 최초로 확인하였다. 이것은 시냅토태그민1이 신경세포에서 나오는 칼슘 농도에 따라 다양하게 반응한다는 사실을 의미하는 것으로, 시냅토태그민1이 신경세포 통신의 강약을 자유자재로 제어할 수 있다는 사실을 새롭게 규명한 것이다.
윤태영 교수팀의 이번 연구는 지난 10년간 학계의 풀리지 않은 수수께끼인 시냅토태그민1의 기능에 대한 명쾌한 해답을 제시하였다. 이번 연구는 낮은 농도의 칼슘에서 시냅토태그민1이 가장 활발히 활동한다는 사실을 최초로 발견하여, 기존 연구가 밝히지 못한 시냅토태그민1의 기능을 정확히 설명하였다.
특히 연구팀은 시냅토태그민1을 생체막으로부터 분리하면, 제어 스위치 기능이 상실된다는 사실도 확인하여, 시냅토태그민1의 생체막 부착 여부가 그 기능에 핵심인 것을 밝혀냈다.
또한 윤 교수팀은 차세대 신약개발의 주요 타깃인 생체막 단백질의 기능을 분자수준에서 관찰할 수 있는 신기술을 개발하는데 성공하였다.
생체막 단백질은 물질 수송 등 세포내 필수적인 역할을 하는데, 암, 당뇨, 비만 등 각종 질병과 밀접하게 관련되어 있어, 차세대 신약개발 표적 단백질의 최대 70%를 차지하는 것으로 알려져 있다.
연구팀은 ‘단소포체 형광 기법(single-vesicle fluorescence detection)’을 개발하는데 성공하여, 생체막 단백질의 기능을 단분자 혹은 수개 분자 수준에서 관찰할 수 있는 세계 최고 수준의 기술을 보유하게 되었다.
[그림2. 단소포체 형광기법]
윤 교수는 “이번 연구결과는 지난 10년간 학계가 밝혀내지 못한 시냅토태그민1의 기능을 명쾌히 밝혀내고, 복잡한 생체막 단백질의 기능을 분자수준에서 관찰할 수 있는 신기술을 개발한 것이다. 이번 연구로 생체막 단백질을 활용하여, 암, 당뇨, 비만 등 현대인의 질병에 대한 신약을 개발할 수 있는 가능성을 열었다“라고 연구 의의를 밝혔다.
2010.05.07
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박찬범 교수팀, 나노크기의 광감응 소재를 이용한 인공광합성 원천기술개발
신소재공학과 박찬범(朴燦範, 41세) 교수팀이 나노소재를 이용해 자연계의 광합성을 모방한 ‘인공광합성’ 시스템 개발에 성공했다.
이러한 새로운 개념의 인공광합성 기술은 고부가가치의 각종 정밀의약품들을 태양 에너지를 이용해 생산하는 친환경 녹색생물공정 개발의 전기가 될 것으로 기대된다.
식물 등 자연계의 광합성 생물체들은 태양에너지를 이용해 환원력을 재생하여 보조인자(cofactor)라는 형태로 저장하고, 이렇게 재생된 보조인자 등을 빛이 없을 때 캘빈사이클 (calvin cycle)을 통해 생존에 필요한 탄수화물 등 각종 화학물질들을 합성하는데 이용한다.
[그림 1. 자연광합성을 모방한 인공광합성 공정을 이용한 정밀화학제품 생산 개념도]
박 교수팀은 이러한 자연광합성시스템을 모방하여 자연계의 광반응 (light reaction) 대신 태양전지 등에서 사용되는 양자점 (quantum dot) 등 수 나노크기의 광감응소재로 빛에너지를 전기에너지로 효율적으로 전환하고, 이를 이용하여 보조인자를 재생했다. 또한 자연계의 복잡한 캘빈 사이클 대신 산화환원 효소반응을 보조인자 재생에 연결시킴으로써 빛에너지로부터 시작하여 최종적으로 정밀화학물질 생산이 가능한 반응시스템을 개발했다.
인류가 지구 온난화와 화석 연료의 고갈이라는 문제를 안고 있는 가운데, 온난화의 원인인 이산화탄소를 배출하지 않고 또한 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 계속되고있는데, 이번에 개발된 인공광합성기술은 에너지원으로 무한한 태양광을 사용한다는 장점 때문에 그 파급효과가 매우 클것이다.
특히 각종 정밀화학물질 합성에 있어서 산화환원효소들이 매우 뛰어난 응용가능성/다양성을 가졌음에도 불구하고 이들의 효율적 사용을 위하여 필수적으로 요구되는 보조인자의 재생에 대한 연구는 지난 20여년동안 수행되어 왔으나 현재까지도 성공적인 결과가 거의 없어 향후 생물공학분야에서 해결되어야 할 미해결 난제들 중의 하나였다.
박교수팀의 연구성과는 산화환원효소를 산업적으로 활용하기 위한 토대를 마련한 것이다.
[그림 2. 산화환원효소 기반 인공광합성을 통한 고부가가치 정밀화학제품 생산]
관련 연구결과는 독일에서 발간되는 나노분야 국제저명학술지인 Small지 최근호(4월 23일자 온라인판)에 게재됐으며, 최근 특허출원이 완료됐다.
이번 연구는 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업(생물공정연구단) 등으로부터 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학과 생명공학분야의 창의적인 융합을 통하여 새로운 공정기술을 개발하는데 크게 기여했다는 평가를 받았다.
2010.04.23
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김은성 교수팀, 초고체 헬륨에서 숨겨진 상(Hidden Phase) 존재 규명
- 초고체 헬륨에서 나타나는 이력현상과 동적 분산현상의 설명이 가능해져
- 세계적 권위지인‘Nature Physics’4월 5일자 온라인 게재
우리는 평소에 고체, 액체, 기체라는 세가지 대표적인 물질상태에 대해 배운다. 하지만 지난 100년간 물리학자들은 수많은 노력으로 그 외에서 초전도체, 초유체 등 많은 새로운 상태가 있다는 것을 밝혀냈고 이런 발견들은 종종 노벨상으로 이어지기도 했다.
2004년에는 -273℃(200 mK)의 극저온으로 가면 일부 고체 헬륨의 점성이 완전히 사라진다는 놀라운 사실이 발견되었고 이 새로운 상태는 초고체라 불린다. KAIST 물리학과 김은성 교수(39)는 이 초고체 상태를 세계 최초로 보고한 장본인이다. 하지만 왜 초고체가 생기는지 그 근본원인은 아직 베일에 싸여있었다.
최근 김은성 교수와 최형순 박사(30)팀은 교육과학기술부 창의적 연구진흥사업의 지원을 받아 비틀림진동자라는 초정밀 분석장치를 이용해 초고체 상태에 숨겨진 상(像)의 발견에 성공했다.
초고체가 진동의존성과 온도의존성을 보인다는 사실은 김 교수 자신에 의해 이미 밝혀져 있었다. 이번 연구에서는 초고체를 특정 온도에서 약하게 진동시키다가 갑자기 강하게 진동시킬 때 나오는 반응으로 초고체의 동역학을 실시간으로 분석했다. 이 때 김교수팀은 시간에 따른 초고체의 반응이 온도에 따라 크게 달라진다는 사실을 알아냈다. 더불어 연구팀은 진동 세기를 변화시켰을 때 바뀌기 이전 상태의 특성이 어느 정도 지속되는 이력 현상을 발견했다. 이는 초고체 상태에도 여러 단계의 서로 다른 안정한 상태가 존재한다는 것을 뜻한다. 이번 연구결과는 4월 5일 세계적 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 온라인판에 게재됐다.
김 교수는 “이번 연구결과로 21세기 순수물리의 최대 발견 중 하나로 꼽히는 초고체 상태에 대한 이해를 넓혀 초고체 연구분야에서 세계를 주도하는 위치에 서게 됐다”고 의미를 부여했다.
○ 용어해설 : 초유체는 2.17 K에서 액체 헬륨의 점성이 완전히 사라지는 상태를 말함. 초전도체는 저항 없이 전기가 흐를 수 있는 물질임.
<김은성 교수>
KAIST 물리학과 김은성 교수는 ‘초고체’ 현상 이라는 새로운 물질상태를 세계최초로 발견해 이 연구 분야를 개척하였고 이 결과를 인정받아 2008년에는 Lee Osheroff Richardson상을 수상하였다. 현재 교육과학기술부 창의적 연구진흥 사업의 지원을 받아 초고체 현상 규명에 대한 연구에 매진하고 있다. (042-350-2547,eunseong@kaist.edu)
2010.04.05
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정상권 교수 연구팀,극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발
- 세계최초로 회전하는 극저온 냉동기를 탑재한 ‘초전도 모터’ 개발
기계공학과 정상권 교수 연구팀이 회전하는 극저온 냉동기를 탑재해 영하 210도 이하로 냉각되는 초전도 모터를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
기존의 초전도 회전기기는 LTS(Low Temperature Superconductor; 저온 초전도체로서 주로 액체 헬륨으로 냉각) 또는 HTS(High Temperature Superconductor; 고온 초전도체로서 주로 액체 네온 또는 질소로 냉각)를 사용하는 경우, 정지된 극저온 냉동기로부터 차가운 냉각재를 회전하는 계자 코일에 공급하면서 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하는 구조로 되어 있었다. 즉, 극저온 냉동기와 회전기기가 분리되어 초전도 모터가 작동했었다.
이러한 구조는 영하 210 도 이하의 차가운 유체를 진공으로 단열시키면서, 정지부에서 회전부 그리고 또한 정지부로 이송하는 극저온 구성품이 필요하며, 상온에서부터 극저온부로의 열침입이 필연적으로 증가하는 문제로 인하여 전체 극저온 냉동 시스템이 커져야 한다.
이번에 연구 개발한 극저온 냉동기를 탑재하는 초전도 모터의 경우에는, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능한데, 지금까지는 극저온 냉동기의 특성과 초전도 코일의 설계/제작을 동시에 고려하여야 하기 때문에 쉽게 이루어지지 않았었다.
이번 연구에서는 고속으로 회전하는 상황에서도 냉각성능의 변화가 없는 축대칭 구조의 국내산 소형 스털링 냉동기가 사용됐다. 이번에 개발한 초전도 모터는 회전부와 고정부 사이에서 일어나던 극저온 유체의 이동을 철저하게 배재시키고, 유일하게 존재하는 에너지 전달 메커니즘은 전기 접촉을 통한 전기 에너지 및 온도차에 의한 열전달이다. 또한, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능하다. 초전도 계자코일은 차세대 유망 초전도 선재인 YBCO를 사용하여 제작했으며, 외부로 부터의 열침입 및 냉동 부하는 6W미만이고, 유도 모터의 고정자를 사용하여 90rpm 까지 회전 테스트를 수행하였다.
정 교수는 “이번에 개발된 ‘극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터’는 소형화와 고신뢰성을 위한 초전도 회전기기의 새로운 냉각 방식으로 기술혁신적인 발상의 전환을 이루었으며, 다양한 에너지(수송, 플랜트 산업, 재생에너지) 분야에서의 응용이 기대된다”며 ”상용화를 위해 동적인 균형 문제, 초전도 선재 수급문제 해결하도록 연구를 진행중이다“고 말했다.
일반적으로 초전도 모터나 발전기는 극저온에서 전기 저항이 사라져 전류가 아무 장애없이 흐르는 초전도체의 현상을 이용한다. 따라서 전기 에너지의 효율 향상과, 동일한 용량에서는 소형화의 목적으로 차세대 전기기기로서 많은 연구가 진행되고 있다. 모터나 발전기의 구조를 보면 크게 회전자와 고정자로 구분할 수 있는데, 초전도 코일은 직류 전류가 흐르는 회전자에 적용됨으로써, 전체 에너지 변환 효율을 0.5 %내지 1% 정도 향상시킬 수 있다. 따라서, 현재까지 초전도 회전기기는 전체 효율 향상이 그에 수반되는 부가적인 극저온 냉동기의 요구 전력보다 더 큰 1 MW 급 이상의 대용량에서 매력적이다.
이러한 기기의 적용 분야는 주로 플랜트 산업에서 사용되는 전동기를 비롯하여 발전소의 대형 발전기, KTX와 같은 고속 전철, 전기 추진 방식의 선박 등 에도 확장될 수 있다.
이번연구는 교육과학기술부의 국가지정연구실사업의 지원과 차세대초전도응용기술개발사업단을 통한 한국전기연구원의 도움으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 2010년 8월에 열리는 응용초전도학회(ASC; Applied Superconductivity Conference)에서 발표할 예정이다.
논문제목: HTS (high temperature superconductor) motor cooled by on-board cryocooler (극저온 냉동기를 회전자에 탑재한 고온 초전도 모터)
<용어설명>
○ 초전도 : 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K; －273.16℃)에 가까이 냉각할 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 물질마다 이러한 현상이 일어나는 임계온도가 다르며, 액체 질소의 비등점 (77 K, －196℃) 이상에서 초전도 성질을 보이는 물질을 고온 초전도체라고 한다.
○ 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) : 고온 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 93 K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다.
○ ASC(Applied Superconductivity Conference, 국제 응용 초전도 학회):1966년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE Council on Superconductivity) 주관으로 격년으로 미국에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회임. 전 세계로부터 많은 학자와 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 초전도 산업과 기술을 논의하는 학회로서 2010 년에는 Washington D.C. Omni Shoreham Hotel에서 8월 1일부터 6일 까지 개최될 예정이다.
○ 계자코일(Field coil) : 초전도 모터의 회전자에서 일정한 자기장을 발생시키기 위하여 감은 코일로서, 일반 구리선을 초전도선으로 대치하였을 때 주어진 크기에서 더 강한 자기장을 발생시키게 할 수 있으므로, 전체 모터의 크기를 소형화할 수 있다.
2010.03.18
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양승만 교수, 인조오팔로부터 초소형 분광분석기 제조
- Advanced Materials 3월 5일자 표지 논문으로 소개 돼 - 초정밀 극미량 물질 인식센서로 활용
오팔은 크기가 수백 나노미터(머리카락 굵기의 약 100 분의 1정도)의 유리구슬이 차곡차곡 쌓여 있는 것으로서, 그것이 아름다운 색을 띄는 것은 오팔이 선택적으로 반사하는 파장영역대의 빛만을 우리가 볼 수 있기 때문이다. 이렇게 오팔보석이 발산하는 아름다운 색깔은 색소에 의한 것이 아니라 이 물질을 이루는 구조가 규칙적인 나노구조로 되어 있기 때문이며 이러한 구조를 광결정이라 한다. 이러한 구조의 광결정은 특정한 파장 영역대의 빛만을 완전히 선택적으로 반사시키는 기능을 보유하게 된다.
생명화학공학과 양승만 교수팀 (광자유체집적소자 창의연구단)은 파장이 서로 다른 빛들을 반사하는 오팔 광결정을 미세소자에 연속적으로 도입하여 무지개 같은 띠 모양으로 제작할 수 있는 기술을 확보했으며 이를 이용해 극미량의 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 칩 크기 수준의 미세분광기를 최근 제조했다.
사람마다 고유한 지문을 갖듯이 물질을 이루는 분자도 고유한 지문을 갖는데 이는 분자마다 특정 파장의 빛만을 선택적으로 흡수하거나 방출하는 독특한 스펙트럼을 갖기 때문이다.
따라서, 물질을 구성하는 분자를 광학적으로 인식하기 위해서는 분광분석기 (spectrometer)라는 기기가 필요하며 이는 물질이 갖고 있는 다양한 광정보 처리를 위해 광자소자 및 분석소자를 구성하는데 꼭 필요한 요소 중 하나이다.
그러나 기존의 분광기는 파장에 따른 빛의 공간적 분할을 위한 격자(grating) 및 빛의 진행에 필요한 공간을 요구하므로 고가의 큰 장치로만 제작이 가능하였다.
최근에 많은 주목을 받고 있는 생명공학의 산업적 이용이나 신약개발을 위해서는 부피가 나노리터(10-9L)~펨토리터(10-15L) 정도의 극미량의 샘플을 처리해야 하므로 분석실험실을 반도체 칩과 같이 초소형화한 소위 ‘칩위의 실험실: Lab on a Chip’이 필연적으로 요구된다.
이를 구현하기 위해서는 칩 내부에 분광분석기와 같은 분석소자를 설계해 도입해야 하나 기존의 기술로는 현실적으로 불가능 했다.
이번 연구 결과는 초소형 분석소자의 실용성을 구현하는데 크게 기여한 점을 인정받아 국제적 저명학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월호 표지논문(cover paper)으로 게재됐다. 또한, 나노기술 분야의 세계적 포털사이트인 Nanowerk (http://www.nanowerk.com/)는 이번 연구결과를 ‘광결정으로 미세 분광기를 만들다(Photonic crystals allow the fabrication of miniaturized spectrometers)’라는 제목의 스포트라이트(Spotlight)로 소개하기도 했다.
칩규모의 초소형 물질감지소자는 세계적인 연구그룹들이 활발히 개발 중이다. 이번 연구의 결과는 초소형 분광분석기 구조를 자기조립법으로 만든 최초의 사례로서 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보하는데 필요한 핵심요소이다.
그림1. 반사색이 연속적으로 변하는 광결정 분광기의 저배율 및 고배율 사진 (분광기가 손톱크기로 초소형화 되었음을 확인할 수 있다)
기본 원리는 아래 그림과 같이 다른 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정을 패턴화하면 미지의 빛이 입사할 경우 반사하는 빛의 세기만을 통해 입사한 미지의 빛의 스펙트럼을 알아낼 수 있다는 것이다.
이러한 아름다운 반사색을 보이는 광결정은 오팔보석, 공작새 깃털, 나비날개, 딱정벌레 등 자연계에 많이 존재하는데 양 교수 연구팀에서는 이를 규칙적으로 패턴화하여 전체 가시광 영역에서 배열한 것이다. 이러한 광결정을 이용하면 공간에 따른 빛의 세기분포를 파장에 따른 빛의 세기분포 즉 스펙트럼으로 물질을 이루는 분자를 재분석해낼 수 있다. 이는 기존의 분광기와는 달리 긴 진행거리를 요구하지 않기 때문에 소형화가 가능하고 신호의 검출은 미세검출기 배열을 통해 가능할 것으로 예상된다.
그림2. 가시광 영역에서 반사스펙트럼을 갖는 콜로이드 광결정 (내부의 나노구조는 나비날개와 공작새 깃털 구조의 광결정와 유사하다)
<용어설명>○ 콜로이드 : 물질의 분산상태를 나타내는 것인데, 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~100nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 것은 콜로이드 상태라고 부른다. 예를 들어, 생물체를 구성하는 물질 대부분이 콜로이드 상태로 존재한다.
2010.03.16
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가상세포를 이용한 병원균의 약물표적 예측기술 개발
- 가상세포 시스템 활용한 새로운 항생제 개발에 큰 파급효과 기대
- 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지 표지 논문으로 게재
생명화학공학과 이상엽(李相燁, 46세, LG화학 석좌교수, 생명과학기술대학 학장)특훈교수팀이 항생제에 내성을 가지는 병원성 미생물의 가상세포를 구축하고 이를 이용해 병원균의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 약물 표적을 예측하는 기술을 최근 개발했다.
김현욱(생명화학공학과 박사과정)연구원의 학위 논문연구로 수행한 이번 연구 결과는 유럽 화학 관련 학술단체 RSC(The Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 분자 바이오시스템(Molecular BioSystems)지의 2월호 표지 논문으로 게재됐다.
예전에는 병원성 세균들을 항생제로 쉽게 치유할 수 있었지만 이제는 항생제의 오남용으로 인해서 병원균들은 항생제에 대한 내성을 가지게 됐으며, 따라서 한 번 감염이 되면 치유가 이전보다 쉽지 않다.
그 대표적인 병원균이 바로 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannaii)다. 본래 흙이나 물에서 쉽게 발견되는 이 미생물은 항생제에 내성을 갖지 않아 치료가 쉽고 건강한 사람은 잘 감염되지 않는 균이었다. 그러나 지난 10년 동안에 항생제에 내성을 갖는 슈퍼박테리아로 변했으며, 이라크 전쟁에 참전한 다수의 미군과 프랑스군도 이 균에 감염되면서 상처가 낫질 않아 많은 희생을 야기했다.
李 교수 연구팀은 아시네토박터 바우마니의 게놈과 전체적인 대사특성을 알아보기 위해 각종 데이터베이스에 산재해 있는 생물정보와 문헌정보를 컴퓨터에 입력, 분석, 디자인하여 가상세포를 구축하고, 다양한 네트워크 분석기법, 필수 대사반응 및 대사산물 분석 등 융합 방법론을 이용해 이 병원균의 성장을 효과적으로 차단할 수 있는 약물표적을 예측했다. 인간에게는 영향을 미치지 않으면서 병원균에게만 작용하는 최종 약물표적들이다.
필수 대사반응은 생명체가 대사활동을 정상적으로 하기 위하여 반드시 필요한 효소반응을 말하며, 필수 대사산물이란 생명체가 생존하기 위해 대사에 반드시 필요로 하는 화학물질로서 이들을 제거할 경우 이와 반응을 하는 효소들을 모두 억제되는 효과가 있다.
이 약물표적은 가상세포를 구성하고 있는 대사 유전자, 효소 반응, 신진대사들의 기능을 짧은 시간 안에 빠짐없이 체계적으로 검토해 예측함으로써 그 신뢰성을 높였다.
이번 연구 결과는 최근 많은 관심을 받고 있는 시스템 생물학 연구기법을 이용하여, 처음으로 필수 대사물질의 체계적인 발굴을 통해 효과적인 약물표적을 찾고, 나아가 새로운 항생제 개발의 가능성을 열었다는 점에서 높이 평가받고 있다. 또한 병원균에 의한 감염 현상과 신약개발에 큰 공헌을 할 것으로 기대를 모으고 있다.
李 교수는 “현재 수많은 생물의 게놈 정보가 쏟아지고 있지만 이것을 실질적으로 유용한 정보로 전환하는 데에는 아직도 많은 어려움이 있다. 아시네토박토 바우마니의 게놈 정보로부터 의학적으로 실용성이 있는 정보를 재생산했다는 점에서 의의가 있다”며 “특히 이 병원균의 가상세포 개발은 특정 환경에서 필수 유전자나 효소 반응에 대한 대량의 새로운 생물정보를 제공할 수 있는 계기를 마련했다.”고 말했다.
李 교수팀은 교육과학기술부 시스템 생물학 연구개발사업의 지원으로 이번 연구를 수행했으며, 다양한 병원성 균주의 가상세포 개발 및 항생제 약물표적 예측 방법을 특허 출원했다.
▣ 용어설명 ○ 약물표적 : 차단 시 병원성 미생물의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 단백질 효소 및 그와 관련된 화학물질
▣ (자료1) 가상세포.
(자료2) 가상세포로부터 필수대사산물을 예측한 후에, 병원균을 가장 효과적으로 죽일 수 있으면서 동시에 인간에게는 영향을 미치지 않는 약물표적만을 추리는 과정
2010.02.18
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유회준 교수 연구팀, 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치 개발
- 붙이는 파스형태의 심장 건강상태 모니터링 장치, ‘스마트 파스’ 세계 최초개발 -
전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 세계 최초로 가슴에 붙이는 심장건강상태 모니터링 장치를 최근 개발했다.
붙이는 파스형태로 제작돼 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 데이터통신도 가능하다.
고성능 반도체 집적회로(헬스케어 칩)가 파스 안에 장착돼 있고 파스 표면에 25개의 전극이 형성돼 있어 다양한 형태로 전극을 사용할 수 있으며 심장의 수축·이완 능력과 심전도 신호를 동시에 검출해 무선으로 외부에 알려 준다.
이 장치의 핵심은 크게 심혈관 저항 및 심전도 측정 집적회로(헬스케어 칩)와 이 칩을 내부에 장착하고 있으며 표면에 전극을 형성시킨 4층 헝겊형 기판기술이다.
직물 위에 전극 및 회로 기판을 직접 인쇄할 수 있는 P-FCB(Planar Fashionable Circuit Board)기술로 서로 다른 헝겊에 전극, 무선 안테나, 회로기판(이 헝겊의 중앙부에 헬스 케어 칩을 부착)형성한 후 플렉시블 배터리와 함께 적층해 이 장치를 제작했다.
또한 전극 제어부, 심전도·혈관 저항 측정부, 데이터 압축부, SRAM, 무선 송수신 장치 등을 가지고 초저전력으로 동작하는 특수 헬스 케어 집적회로(크기 5mm X 5mm)를 제작해 헝겊형 회로 기판 위에 부착시켰다.
전극이 형성된 헝겊 면에는 접착제가 발라져 있어 일반 파스처럼 가슴에 부착시켜 사용하게 된다. 완성품은 가로 세로 15Cm X 15Cm이며 두께는 가장 두꺼운 중앙 부분이 1mm정도이다.
특히, 헬스 케어 칩은 차동전류주입기와 재구성이 가능한 고감도 검출 회로를 통해 심혈관 임피던스 변화를 16가지 서로 다른 조합으로 0.81% 신호왜곡 이하로 검출 가능하다.
KAIST 얜롱(Yan Long, 전기및전자공학과 박사과정)연구원은 “헝겊 위에 직접 전극 배열을 인쇄하고 건강관리 칩과 플렉시블 배터리를 부착함으로서 편의성과 착용감을 확보해 간편하게 심전도와 심혈관 임피던스 변화를 동시에 측정할 수 있다.”라고 말했다.
자신의 건강상태를 실시간으로 간편하게 자가진단을 할 수 있어 지속적인 관리가 필요한 만성 심부전 환자 등을 포함한 심혈관 질병이 있는 사람들에게 안성맞춤이다.
만성 심혈관 관련 환자를 위한 건강관리 기술은 2000년 이후 전 세계적으로 꾸준한 관심을 받고 있으나, 대부분 심장의 전기적 특성 즉 심전도 신호만을 검출하는데 그쳤다. 현재까지 개발된 측정기는 크고 이물감이 있으며, 유선으로 연결되는 등 외부와의 저전력 통신이 어려워 일상생활에서 널리 사용되지 못하고 있다.
이번 연구결과는 지난 2월 8일부터 10일까지 미국 샌프란시스코에서 개최된 국제반도체회로 학술회의(ISSCC)에 발표됐다.
❋ ISSCC (International Solid State Circuit Conference: 국제 고체 회로 학회)학회:1954년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE SSCS) 주관으로 매년 2월에 미국 San Francisco, Marriot 호텔에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회로 ‘반도체 올림픽’이라고 불리우고 있음. 전 세계로부터 4천여명의 학자와 연구원들이 참여한 가운데 매년 반도체 분야 최우수 논문 210편만을 엄선하여 3일 동안 발표하면서 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 반도체 산업과 기술을 논의하는 학회임.
(사진 1) 스마트 파스 구조
스마트 파스는 총 4층 구조로 형성 되어 있으며 그 크기는 15cm x 15cm 이다. 가슴에 부착하는 면인 제 1층은 25개의 전극이 형성되어 이 중 4개는 전류 주입 전극으로 16개는 전압 측정 전극으로 5개는 기준 전극으로 사용할 수 있다. 제 2층은 직물형 인덕터(2.2uH, Q=9.2)로 스마트 파스의 무선 데이터 통신을 지원한다. 제 3층은 플렉시블 배터리(1.5V, 30mAh)로 파스를 하루이상 지속적으로 사용할 수 있도록 전원을 공급한다. 제 4층은 직물형 인쇄 회로 기판으로 그 위에 고성능 반도체 칩이 장착되어 있다.
(사진 2) 스마트 파스 사용 예
사용자가 스마트 파스를 가슴에 붙인 모습을 보여 준다. 휴대폰 등의 휴대용 단말기기를 통하여 원격으로 켜고 끌 수 있으며 25개의 전극배열이 피부와 접착되어 있어 심혈관 저항 및 심전도를 여러 가지 형태로 측정하여 내장메모리에 저장 또는 휴대용 단말기기로데이터를 고속으로 송신도 가능하다.
(사진 3) 스마트 파스 측정 예스마트 파스를 통하여 측정된 심전도 신호와 심혈관의 저항의 변화를 보여 준다. 이러한 신호로부터 심장의 수축 이완 능력을 편리하게 일상생활 속에서 측정 가능하다.
(사진 4) 스마트 파스에 장착된 헬스 케어 칩
직물형 인쇄 회로 기판에 장착되어 있는 고성능 반도체칩(헬스케어 칩)의 사진과 제원이다. 본 헬스케어 칩은 최대 3.9mW의 전력을 소모하며 평균 2.4mW의 전력소비로 0.1옴이하의 저항 변화를 고감도 회로를 통하여 검출 가능케 하는 것이 특징이다.
2010.02.10
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새로운 혈액줄기세포 공급원으로 지방조직 이용가능성 규명
카이스트 생명과학과 고규영교수(및 연구원 한진아)팀, Blood지(IF=10.4)에 실려-
교육과학기술부(장관 안병만)의 21세기 프론티어연구개발사업 지원을 받는 세포응용연구사업단(단장:김동욱 연세대 교수)의 연구팀(책임자:고규영 카이스트 교수, 연구원:한진아)이 지방조직으로부터 백혈병 등 혈액계 난치병 치료에 이용가능한 혈액줄기세포를 분리해 낼 수 있음을 입증하였다. 이로써, 보다 적은 비용과 쉬운 방법으로 혈액줄기세포를 공급할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 그 중요성을 인정받아 세계적인 학회지인 Blood의 2010년 2월 4일자 표지논문으로 선정되었으며, 이례적으로 학회지를 주관하는 미국 혈액학회 (American Society of Hematology, ASH)가 세계매체를 통해 일반인에게 홍보하기로 하였다.
혈액줄기세포는 다양한 종류의 혈액세포로 분화할 수 있는 분화능을 보유하고 있는 대표적인 성체 줄기세포로, 백혈병 등의 혈액계 난치병 치료에 이용된다. 혈액줄기세포는 주로 성체의 골수 내에 존재하는데, 그 양이 제한적이고 생체외 증식이 어려워 연구 및 치료목적으로의 사용에 걸림돌이 되어 왔다.
우리대학 생명과학과 고규영 교수 연구팀은 지방조직과 골수조직이 다양한 공통점을 갖는다는 점에 착안하여, 골수를 손상시킨 동물에게 지방 조직에 존재하는 비지방세포를 정맥주사한 후, 이 세포로부터 유래한 혈액세포가 장기간 동물의 혈액 내에 존재한다는 것을 입증함으로써, 주입한 지방조직의 비지방세포에 손상된 골수를 재생시킬 수 있는 능력을 가진 혈액줄기세포가 존재한다는 사실을 밝혔다.
김동욱 단장은 “혈액줄기세포를 골수나 혈액으로부터 분리할 수 있는 것은 이미 널리 알려진 방법이지만, 흔히 쓸모없는 조직으로 생각하는 지방조직을 혈액줄기세포의 공급원으로 규명한 것은 이번이 처음이다”라며 재생의학의 새로운 세포공급원으로서 지방조직 이용 가능성을 밝혔다. 이 연구는 혈액줄기세포의 자가이식에 있어 새로운 방법을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
1. 연구내용 요약
혈액줄기세포는 혈액계의 항상성을 유지하는 역할을 담당하는 대표적인 성체줄기세포의 일종으로, 대부분의 혈액줄기세포는 골수에 존재하고 있다. 그러나 소량의 혈액줄기세포는 혈액 내에 포함되어 체내를 순환하다가, 다시 골수로 되돌아오게 된다. 한진아 연구원, 김인준 교수, 고규영 교수 연구팀은 이 과정에서 혈액줄기세포가 골수조직 뿐만 아니라 골수와 비슷한 조건을 제공하여 적절한 환경이 조성되어 있는 조직으로, 골수와 다양한 특성을 공유하고 있는 지방조직을 연구하였다.
지방조직은 지방세포와 비지방세포로 구성되어 있는데, 우리는 생쥐의 지방조직으로부터 비지방세포를 분리하여 유세포분석기 (FACS), 세포배양 군체형성 등의 생체외 실험과 방사선 조사 후 골수이식 등의 생체실험을 실시하였다. 줄기세포를 세포치료 목적으로 이용하고자 할 때, 가장 중요한 것은 생체 내에서의 활동성이다. 우리는 방사선을 조사하여 골수를 손상시킨 동물에 비지방세포를 정맥주사하여, 이 세포로부터 유래한 혈액세포가 장기간 동물의 혈액 내에 존재한다는 사실을 입증하였다. 이는 주입된 세포군 내에 손상된 골수를 재생시킬 수 있는 능력을 가진 혈액줄기세포가 포함되어 있다는 것을 직접적으로 보여주는 증거이다. 더불어 비지방세포에 포함된 혈액줄기세포가 골수에서 유래한 것이며, 약물을 이용하여 골수 혈액줄기세포의 순환계로의 유출을 촉진시켰을 때, 보다 많은 양의 세포를 지방조직으로부터 얻을 수 있음을 입증하였다.
생쥐의 지방조직으로부터 혈액줄기세포를 얻을 수 있다는 사실을 입증함으로써 이용가능한 혈액줄기세포의 또 다른 원천을 밝혀낸 것이다. 이에 인간 지방조직에 대한 연구가 개발, 확립된다면, 연구 및 치료목적으로 응용 가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.
이번 연구의 자세한 내용은 2010년 2월 4일자 Blood 저널에 표지논문으로 발표되며, 이례적으로 이 학회지를 주관하는 미국 혈액학회 (American Society of Hematology, ASH)가 세계매체를 통해 일반인에게 홍보하기로 하였다.
2. 용어설명
∙성체줄기세포 : 배아발달 단계 이후 체내에 존재하는 줄기세포로, 주로 손상된 조직을 재생, 성장시키는 역할을 담당하여 필요한 때에 특정한 조직의 세포로 분화하게 되는 미분화 상태의 세포이다. 배아줄기세포와 달리 윤리적 문제가 없고, 자가면역 반응을 일으키지 않는다는 장점이 있다.
∙비지방세포 : 지방조직에서 지방세포를 제외한 나머지 세포군을 말하며 면역세포, 혈관내피세포와 더불어 그 성격이 완전히 규명되지 않은 줄기세포들을 포함하고 있다. 지방, 연골, 근육 조직 등으로의 분화능을 보유하고 있는 등 골수 중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell)와 유사한 특성을 가지고 있다.
그림 1. Blood 학회지에 표지로 실린 사진. 지방조직에서 발견되는 혈액줄기세포 분포양상.(파란색 : 혈액 / 분홍색 : 혈액줄기세포)
그림 2. 생체외 세포군체형성. 배양된 비지방세포로부터 유래된 혈액세포군체.
그림 3. 약물투여 후 비지방세포에서 혈액줄기세포의 양이 증가함을 나타내는 결과.
2010.02.04
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매미와 개구리는 지휘자없이 어떻게 합창할까
나무위의 매미와 논두렁의 개구리는 지휘자 없이 어떻게 합창할까? 이와 관련해서, KAIST 바이오 및 뇌공학과의 조광현 교수는 생명체의 동기화된 주기적 진동신호의 생성원리를 최근 규명했다. 나무에 붙어있는 많은 반딧불들의 동시다발적인 깜빡임, 매미들의 조율된 울음소리, 뇌신경세포들간의 전기신호, 세포내 분자들의 농도변화에 이르기까지 생명체는 다양한 형태의 주기적 진동신호 교환을 통해 정보를 전달하는데, 이들은 놀랍게도 정확히 동일한 위상(phase)으로 동기화되곤 한다. 이는 마치 오케스트라에서 지휘자 없이도 모든 연주가 일정한 박자에 맞춰 이루어지는 것과 같다.
어떻게 생명체의 여러 주기적 진동신호들이 그러한 동기화를 이루는가?
우리학교 바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉) 교수 연구팀이 대규모 가상세포(virtual cell)실험을 통해 생명체의 다양한 주기적 진동(oscillation)신호들이 동기화(synchronization)되는 보편적인 원리를 규명했다.
曺교수팀은 이번 연구를 통해 여러 독립적인 주기적 진동신호들은 양성피드백(positive feedback)을 통해 서로의 위상에 영향을 줘 하나의 동일한 위상으로 수렴되는 현상을 밝혀냈다.
특히 양성피드백은 이중활성(double activation) 또는 이중억제(double inhibition)의 구조로 구현된다. 이중활성피드백은 연결시간지연이 짧을 때, 이중억제피드백은 연결시간지연이 길 때 보다 안정적인 신호동기화를 가능하게 했다.
또한, 노이즈(noise) 교란이 있을 때 이중활성피드백은 진동신호의 주기보다 진폭을 안정적으로 유지하는 반면 이중억제피드백은 연결강도에 불규칙한 변화가 주어졌을 때 일정한 주기와 진폭을 유지시켜줬다. 현존하는 대부분의 현상들이 이러한 원칙을 따르고 있었다.
이번에 규명된 원리는 생체내 주기적 진동신호의 동기화가 교란될 때 발생하는 뇌질환 등 여러 질병의 원인을 새롭게 조명하는 계기를 마련할 것으로 기대된다.
이번 연구는 기존 생명과학의 난제에 대해 IT융합기술인 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 해답을 제시할 수 있음을 보여줬으며, 향후 생명과학 연구에 있어서 가상세포실험의 무한한 가능성을 제시했다.
曺교수는 “생명체는 복잡하게 얽혀있는 것으로 보이는 네트워크속에 이와 같이 정교한 진화적 설계원리를 간직하고 있었다”며 “이러한 규칙들은 임의로 수많은 디지털 진동자들을 만들어 인공진화를 통해 신호의 동기화 현상을 관측하였을 때에도 마찬가지로 성립된다는 흥미로운 사실을 확인했다”고 말했다.
이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단 연구사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 세포생물학 분야 권위지인 세포과학저널(Journal of Cell Science) 2010년 1월 26일자 온라인판에 게재됐다.
세포생물학 실험결과만을 출판하는 이 저널에 순수 컴퓨터시뮬레이션만으로 수행된 가상세포실험 연구결과가 게재된 것은 매우 이례적인 일이다.
인터넷주소: http://jcs.biologists.org/cgi/content/abstract/jcs.060061v1
<용어설명>◯ 양성피드백(positive feedback): 서로 연결되어 있는 두 요소 사이에 어느 하나의 변화가 결과적으로 스스로를 동일한 방향으로 더욱 변화시키는 형태의 연결구조.
<사진설명>◯ 설명: A: 서로 상호작용하는 두 생체신호 진동자(oscillator)들의 예시. B: 이중활성 양성피드백으로 연결된 진동자들. C: 이중억제 양성피드백으로 연결된 진동자들. D: 연결강도에 따라 진동신호 동기화에 소요되는 시간. E: 연결강도 증가에 따라 점차 진동신호 동기화가 되어가는 모습의 예시 (좌측의 비동기화 진동신호들이 점차 우측의 동기화된 진동신호들로 변화되어 가는 과정을 나타냄).
2010.02.02
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장기주 교수, 불순물도핑없는 반도체나노선 양전하 생성원인규명
물리학과 장기주(張基柱, 56) 교수팀이 게르마늄-실리콘 나노선에서 불순물 도핑 없이도 양전하가 생성되는 원인을 최근 규명했다. 이 연구는 KAIST 박지상, 류병기 연구원, 연세대 문창연 박사와 함께 나노미터(nm=10억분의 1m)단위의 직경을 가진 코어-쉘(core-shell) 구조의 게르마늄-실리콘 나노선의 전기전도 특성을 조사해 이뤄졌다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 최고 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)" 온라인판에 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 양전하 정공 가스를 일으키는 결함(Defects Responsible for the Hole Gas in Ge/Si Core−Shell Nanowires)라는 제목으로 지난 17일 게재됐다.
반도체 기술이 소형화의 한계에 직면하면서 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 반도체 나노선 등 나노 소재를 이용한 새로운 반도체 소자 연구가 널리 수행되고 있다. 특히 실리콘 및 게르마늄 나노선은 기존 반도체 기술과 접목이 가능하기 때문에 큰 기대를 모으고 있다. 반도체 나노선의 소자 응용은 불순물을 첨가하여 양전하 혹은 음전하를 띤 정공(hole)이나 전자 운반자를 만들어 전류가 흐를 수 있게 해야 한다. 그러나 나노선의 직경이 작아져 나노미터 수준이 되면 불순물 첨가가 어려워 전기전도의 조절이 매우 어려워진다.
이에 반해 게르마늄 나노선을 얇은 실리콘 껍질로 둘러싼 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 나노선을 만들면 불순물을 도핑하지 않아도 게르마늄 코어에 정공이 만들어지고 전하 이동도는 크게 증가한다. 연구진은 제일원리 전자구조 계산을 통해 게르마늄 코어와 실리콘 쉘의 밴드구조가 어긋나 있고, 이러한 이유로 게르마늄 코어의 전자가 실리콘 쉘에 있는 표면 결함으로 전하 이동이 가능하여 코어에 양공이 생성됨을 최초로 규명했다. 또한 반도체 나노선을 만드는 과정에서 촉매로 쓰이는 금(Au) 원자들이 실리콘 쉘에 남아 게르마늄 코어의 전자를 빼앗는다는 사실도 처음 밝혔다.
張 교수는 “이번 연구 결과는 그동안 수수께끼로 남아있던 게르마늄-실리콘 나노선의 양전하 생성 원인과 산란과정을 거치지 않는 정공의 높은 전하 이동도에 대한 이론적 모델을 확립하고, 이를 토대로 불순물 도핑 없는 나노선의 소자 응용과 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.” 고 말했다.
* 용어설명○ 제일원리 전자구조 계산 : 실험 데이터 없이 순전히 양자이론에 기초하여 물질의 전자구조와 물성을 기술하는 최고급(state-of-the-art) 전자구조 계산방법.
(그림1) 실리콘 나노선 및 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 원자구조.
(그림2) 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 전자의 상태밀도 분포.
2009.12.30
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홍원희교수팀, 다양한 나노구조유도 기술개발
생명화학공학과 홍원희교수팀, 이온성액체를 이용한 다양한 나노구조 유도 기술 개발
-무기산화물, 탄소나노튜브, 그래펜, 유무기 하이브리드 등 다양한 재료의 나노구조를 유도--상용 산화철보다 10배 이상의 흡착 및 광촉매 효율 높여-
공과대학 생명화학공학과 홍원희 교수팀(62)은 이온성액체를 이용한 자기조립기술을 이용해 탄소나노튜브, 그래펜, 무기산화물, 유무기 복합체에 이르기까지 다양한 재료의 나노구조를 유도할 수 있는 기술을 최근 개발했다.
이 연구결과는 ‘광촉매 응용을 위한 이온성액체를 이용한 무기산화물 하이브리드의 에너지 전달(Energy Transfer in Ionic-Liquid-Functionalized Inorganic Nanorods for Highly Efficient Photocatalytic Applications)’이라는 제목으로 나노분야의 저명 학술지인 스몰(Small)지에 지난 11월 게재됐다.
이 기술은 이온성 액체의 구조 유도와 용매 기능을 이용한 무기산화물 하이브리드 나노재료를 제조할 수 있는 ‘청정 한 반응기 이온열 합성법(Green One-Pot Ionothermal Synthesis)’이다. 대기압하의 열린반응기내에서 제조된 무기산화물 나노재료는 쉽게 물이나 다양한 유기 용매에서 분산된다.
홍교수팀은 이 합성법을 산화철 계열의 무기산화물 나노재료에까지 적용해 0차원에서 1차원에 이르기까지 구조를 제어했고, 계면에서의 에너지 전이현상을 통해 상용 산화철보다 10배 이상의 흡착 및 광촉매 효율을 높였다.
이 기술을 바탕으로 제조된 나노재료는 유기물 산화 및 분해기능이 뛰어나 태양광만으로 폐수처리가 가능하다. 이로써 페수처리 과정에서 에너지 소비와 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있고, 광촉매가 가지는 우수한 항균 및 탈취기능은 건축재료 분야에 응용될 것으로 기대된다. 또한, 태양광을 이용한 물의 광분해로 수소 에너지원 생산도 가능하다.
홍교수는 “이번 연구는 이온성 액체의 청정용매로써의 기능을 이용해 나노기술이 가지는 인간과 환경에 대한 악영향을 감소시키고, 동시에 디자인된 나노재료에 새로운 기능을 부여해 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대안을 마련했다”는데 의미가 있다고 말했다.
현재 홍교수팀은 친환경 합성법으로 제조된 무기산화물, 탄소나노튜브, 그래펜, 유.무기 하이브리등의 나노재료를 환경 및 에너지 분야에 적용하는 연구를 진행하고 있다.
※ 보충자료나노 스케일에서의 재료나 현상을 연구하고 구조나 구성 요소를 제어해서 새로운 소재‧소자‧시스템을 개발하는 나노 기술 역시, 환경 유해성이나 인체 독성에 대한 연구 결과가 발표되면서 친환경 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.
이온성 액체는 소금과 같이 양이온과 음이온의 이온결합으로 이루어진 이온성 염 화합물로써 상온에서부터 넓은 온도에 걸쳐 액체로 존재할 수 있는 ‘청정용매(Green Solvent)’라고 불리면서 각광을 받고 있다. 특히, 이론적으로 1018가지 정도의 조합에 의해서 비휘발성, 비가연성, 열적 안정성, 높은 이온전도도, 전기화학적 안정성, 높은 끓는점 등의 물리화학적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있어서 다기능성(multifunctional) ‘디자이너용매(Designer Solvent)’로 사용가능하다.
세계적으로 아직 초기단계이긴 하지만, 미국 국방관련 연구소 (US Air Force, US Naval Research Laboratory) 및 국가 연구소 (Argonne 연구소, Oak Ridge 연구소, Brookhaven 연구소), 독일의 Max Planck 연구소, 스위스 EPFL의 Gratzel 그룹, 일본의 도쿄대, G24i & BASF 등이 최근 이온성 액체를 이용한 나노기술 응용 분야에 주목하면서 집중 투자와 연구를 진행하고 있는 반면, 국내에서는 아직 시작 단계에 불과할 정도로 뒤쳐져 있다.
홍 교수 팀의 연구결과는 기존 산업뿐만 아니라, 전 세계적으로 주목 받고 있는 ‘녹색 성장기술’과 21세기를 선도할 ‘첨단 나노기술’을 융합한 ‘청정 나노기술(Green Nanotechnolgy)’의 원천기술로써 활용될 수 있으며 이 분야의 국제경쟁에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 전망된다.
현재까지 이온성액체는 유기합성, 전기화학, 화학공학, 생물공학 및 분리공정 등을 포함하는 여러 분야에서 유기 용매를 대체하기 위한 ‘지속가능기술(sustainable technology)’로써 향후 산업 전 분야에 걸쳐서 엄청난 파급효과가 있을 것으로 기대되고 있다.
※ 용어설명 ○ 열린반응기 : 고압,저압의 용기가 아닌 대기압하의 일반용기 즉, 비이커 등.
<그림1> 대표적인 이미다졸륨계 이온성액체의 분자 구조
<그림2> Green One-Pot Ionothermal Synthesis에 의한 물에 분산되는 산화철 나노 막대기의 합성 과정 모식도.
2009.12.14
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