성균관대학교

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  • 안정적 지속적 에너지 하베스팅 기술의 상용화를 위한 새로운 패러다임 제시

    신소재공학부 백정민 교수

    안정적 지속적 에너지 하베스팅 기술의 상용화를 위한 새로운 패러다임 제시

    서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 접촉 대전 (contact electrification) 현상은 주변의 기계적인 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 마찰발전기의 기본 원리로, 이를 이용하면 소형전자기기에 전원을 공급할 수 있고, 전자 피부, 터치 스크린, 의료 기기 및 보안 시스템에서 순간적인 자극을 감지하는 데에도 유용하다. 그러나 두 표면 사이의 물리적 접촉은 재료 마모로 인한 출력 전력의 감소, 기기 교체 필요성, 작동으로 인한 소음 등의 문제점이 제기되어 왔다. 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 백정민 교수 연구팀은 탄소 동소체인 C60로 기능화된 폴리이미드를 개발하여 기존 마찰 발전기에 비해 4.3배 더 높은 출력과 3배 높은 전하유지효율의 성능을 보이는 비접촉 방식의 고출력 나노발전기를 개발하였다. 이러한 우수한 특성을 바탕으로 세계 최초로 비접촉 방식의 도어락과 자동차 스피드센서에 적용해 우수한 성능과 소자 안정성을 보였다. 또한 연구팀은 열전 하베스팅 연구에서 세계 최초로 접촉 대전 (contact electrification) 현상을 이용하여 열전 소재의 특성 향상 없이 출력 파워를 크게 높이는 새로운 기술을 개발하여 새로운 패러다임을 제시하였다. 열전 에너지 하베스팅은 외부에서 열이 가해질 때 소재 양단에 발생한 온도 차이를 활용해 유용한 에너지를 생산하는 기술이다. 지금까지는 에너지 변환효율을 높이기 위해 Bi2Te3, SnSe, PbTe 등 열전소재의 제백 계수, 열전도도, 전기전도도 등의 특성 향상에 집중했지만, 여전히 매우 낮은 출력 전압으로 인해 상용화에 어려움이 있었다. 이런 한계를 돌파하고자 연구팀은 상온에서 ZT(열전성능지수) 값이 가장 높은 BiSbTe 기반 열전 소자의 저온부에 마찰대전 효과로 음전하를 갖는 폴리이미드 계열의 폴리머 층을 생성했다. 그 결과 출력 파워가 2배 이상 증가했으며, 세계 최고의 출력 전압(기존보다 50% 증가)을 달성했다. 백정민 교수는 “본 연구는 접촉 대전 현상을 이용하여 안정적이며 지속적인 에너지를 생산할 수 있다는 보여준 사례로 향후 에너지 하베스팅 분야에서의 성공 가능성을 크게 높여준 기술이다”라고 밝혔다. 이러한 연구는 에너지 분야 세계적 권위지인 Energy & Environmental Science (IF 30.287) 및 ACS Energy Letters (IF: 19.003)에 각각 온라인 게재되었다.

  • 유전자 네트워크 활용한 암환자 맞춤의료 플랫폼 개발

    의학과 이주상 교수 ·김다솔 , 정영민 학생

    유전자 네트워크 활용한 암환자 맞춤의료 플랫폼 개발

    비슷한 암 환자에게 같은 치료를 해도 어떤 환자는 효과를 보이고, 어떤 환자는 사망한다. 이런 차이는 환자의 식습관이나 생활 패턴에서 비롯되기도 하지만, 암 환자의 유전적 배경이 결정적인 역할을 한다. 이에 따라 환자의 유전자 데이터를 바탕으로 가장 적합한 항암제를 선택해 치료하는 암 환자 개인 맞춤형 의료가 대두되고 있다. 이에 의과대학/인공지능학과 이주상 교수는 미국 National Cancer Institute의 Eytan Ruppin 교수 연구팀과 함께 기존의 개인 맞춤형 의료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 의료 플랫폼 셀렉트(SELECT)를 개발하였다. 본 연구에는 Next-Gen Medicine Lab의 김다솔, 정영민 학생도 참여하였다. (왼쪽부터 시계방향으로 이주상 교수, 김다솔 학생, 정영민 학생) 하나의 유전자는 세포 내에서 많은 다른 유전자들과 네트워크를 이루며 긴밀한 상호작용을 한다. 연구진은 이러한 유전자 상호작용 중에 암 치료와 직접적으로 연결되는, 암세포의 생존에 치명적인 영향을 끼치는 합성치사 상호작용(synthetic lethal interaction)을 선별하여 항암 맞춤 치료에 이용하였다. 현재 실험적인 방법으로 암 환자의 치료에 직접적인 도움을 줄 수 있는 유전자 네트워크를 밝혀내기는 쉽지 않다. 따라서 연구진은 대량의 암 환자 유전자 데이터를 분석하여, 각각의 항암 치료제의 치료 효과를 예측할 수 있는 유전자 네트워크를 밝혀냈다. 이렇게 발견된 유전자 네트워크는 개별 환자를 치료하는데 가장 적합한 항암제를 찾을 수 있게 해준다. 이를 통해 불필요한 치료를 막을 수가 있고, 환자에게 가장 효율적인 치료를 제공할 수 있다. 이를 검증하기 위해 연구팀은 세계 각국의 암센터에서 실시된 다양한 암종과 항암치료제를 아우르는 약 4,000 명 이상의 환자가 참여한 약 50개의 임상 시험 데이터를 분석하였다. 연구진이 발견한 유전자 네트워크는 환자의 반응률 및 생존율을 기존의 다른 어떤 생체 지표보다 정확하게 예측하였다. 더 나아가 이 유전자 네트워크는 암 환자에게 가장 적합한 치료법을 예측할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 유전자 발현 데이터를 바탕으로 한 최근 국제 공동 임상시험 (WINTHER trial)을 분석한 결과, 기존의 접근법에 비해 2배가 넘는 환자에게 가장 효과적인 치료법을 제시할 수 있는 것으로 나타났다. 연구진은 현재 미국 국립암센터(National Cancer Institute), 삼성서울병원(Samsung Medical Center) 과 함께 밝혀진 유전자 네트워크를 이용해 암 환자에게 개인 맞춤 치료를 제공함으로써 실질적으로 암 환자의 생존율을 높일 수 있는지를 확인하기 위한 임상 시험을 계획하고 있다. 이 임상 시험이 성공한다면 새로운 치료법을 기다리는 많은 암 환자와 의료진에게 희망을 제시할 수 있을 것으로 보인다. 이 연구는 일부 한국연구재단 의약학분야 기초연구사업의 중견연구 지원사업으로 수행되었으며, 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘셀 (Cell)’에 2021년 4월 13일 온라인 게재되었다. 논문에 대한 자세한 내용은 저자의 트위터를 참고하면 된다. https://twitter.com/joo_sang_lee

  • THz기술용 신개념 전자소자 발명

    기계공학부 이창구 교수 ·부디싱 박사, 파완스리바스타바 박사, 야시르하산 박사

    THz기술용 신개념 전자소자 발명

    이창구 교수팀(기계공학부, 나노과학기술원)이 2차원 소재중 하나인 흑린을 이용하여 기존과 완전히 다른 새로운 구조의 테라헤르츠(THz)기술용 전자소자를 개발하였다. 테라헤르츠 기술은 전자기파 중에서 0.1-10 THz 주파수대역의 서브밀리미터(sub-milimeter)파장을 이용하는 기술을 말한다. 이 기술은 현재에는 X선과 같은 방사선이 없이도 사물을 투시해 볼 수 있는 공항의 보안용 검색기, 비파괴 검사기기, 의료용 영상진단기기 등에 활용되고 있으나, 향후에는 5G(5세대) 통신보다 수십배 빠른 6G 초고속무선통신, 암 진단 시스템, 신약개발, 신소재개발, 고속영상처리 등의 혁신적인 미래첨단기술에 두루 사용될 것으로 예상되고 있다. 이번에 연구팀이 개발한 전자소자는 흑린의 비정방성을 이용하여 세층으로 쌓아올림으로써 공진터널다이오드(Resonant tunneling diode)라는 전자소자로 구성되었다. 공진터널다이오드는 전하를 빠르게 이동시키기 위해 중간에 얇은 양자우물을 만들어 전하가 관통하듯이 지나가게 함으로써 THz와 같은 높은 주파수를 처리하는 초고속소자이다. 소자 내에서 전하는 양자우물의 양자구속효과로 생긴 양자에너지레벨을 통과할 때에 신호를 처리하게 된다. 기존에는 양자우물의 양쪽에 에너지준위가 높은 산화물과 같은 소재로 얇은 에너지장벽을 만들어 신호가 흐를 필요가 없을 때에는 양쪽의 전하가 서로 섞이지 않도록 하였다. 하지만, 이러한 벽은 아무리 얇아도 에너지준위가 높고 두께효과가 있어 신호를 감소시키는 원인이 될 수 밖에 없다. 이러한 이유로 에너지가 많이 소모될 수 밖에 없었다. 또한 어느 정도 이상의 높은 주파수대역을 구현하기가 쉽지가 않았다. 연구팀은 2차원소재의 비등방성을 이용하여 이러한 문제를 해결할 수 있었다. 우연히 흑린의 격자배열각도를 틀어서 90도가 되도록 겹쳐서 소자를 만들었을 때, 두 층 사이에 에너지장벽이 생기는 것을 확인하였다. 이는 물리적으로 존재하는 장벽이 아니므로 두께가 제로에 가까워 에너지손실이 극히 적게 나타나는 효과를 만들어냈다. 이를 통해 아주 높은 주파수일지라도 쉽게 신호를 처리할 수 있는 구조가 형성되었다. 연구팀은 또한 두 층 사이의 격자배열각도가 90도 뿐 아니라 30도와 60일 때도 비슷한 효과가 생기지만, 45도일 때는 그렇지 않은 것을 확인하였다. 이는 에너지장벽효과가 하나의 각도에서만이 아니라 여러 각도에서 생길 수 있는 현상으로써, 지금까지 알려진 것과는 패턴이 전혀 다른 층 사이의 상호작용이 발생하고 있다는 것을 암시한다고 할 수 있다. 한편 연구팀은 기존의 공진터널다이오드에서는 발견할 수 없었던, 두 번째의 양자에너지레벨을 통과하는 신호가 생길 수 있음을 발견하였다. 기존 소자에서는 이는 이론적으로만 가능할 뿐 높은 에너지손실로 인해 이러한 현상이 일어날 수가 없었다. 연구팀은 이번 연구결과를 원천기술로써 특허를 출원하였으며, 향후 THz영역의 초고속무선통신, 고용량 영상처리를 필요로 하는 고해상도 AR/VR 등의 영역에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 네이처 자매지인 nature electronics 3월8일(영국 시간)자 온라인판으로 발표되었으며, 한국연구재단의 중견연구(2020R1A2C2014687)와 글로벌연구실(2016K1A1A2912707)사업의 지원으로 개발되었다. 그림 설명: 2차원소재인 흑린으로 만들어진 물리적장벽이 없는 공진터널링다이오드의 구조(위), 양자우물에서의 에너지레벨들 (아래) 그림 설명: 논문의 주저자들-부디싱 박사, 파완스리바스타바 박사, 야시르하산 박사, 이창구 교수 (왼쪽부터)

  • 코로나19 전후, 학생의 사회정서적 경험과 학습패턴의 변화 연구를 통한 한국교육의 방향성 제시

    교육학과 배상훈 교수

    코로나19 전후, 학생의 사회정서적 경험과 학습패턴의 변화 연구를 통한 한국교육의 방향성 제시

    교육과미래연구소(소장 배상훈* 교수)는 『코로나19 전후, 학생의 사회정서적 경험과 학습패턴의 변화』에 대한 연구 결과를 발표했다. 본 연구는 아동의 사회 정서적 발달과 방과후활동 분야에서 세계적으로 유명한 하버드대 PEAR(Partnership in Education and Resilience) 연구소, 베를린 자유대학과 함께 수행하는 글로벌 공동 연구의 일부로 수행되었다. ※ 배상훈 교수(교육학과)는 방과후활동 분야에서 세계적으로 권위있는 학술지 International Journal for Research on Extended Education의 편집장(Editor in chief)을 맡고 있으며, 이번 연구는 세계교육학회 방과후활동연구위원회(World Education Research Association International Research Network)가 주도하고 15개국이 참여하는 글로벌 공동 연구의 파일럿 연구이다. 연구팀(석사과정 진혜원, 학부연구생 전지혜, 전민경, 김리연, 조수현)은 “학교에 정상적으로 등교하면서 선생님이나 친구와 활발히 교류하며 학습했던 2019년 2학기”와 “코로나19에 따른 사회적 거리 두기 상황에서 원격 수업을 했던 2020년 1학기” 사이에 학생의 사회정서적 경험과 학습패턴이 어떻게 변화하였는지를 분석하였다. 본 연구는 성균관대와 하버드대 연구팀이 공동 제작한 설문지를 활용하였고, 초등학생 261명, 중학생 218명, 고등학생 396명의 응답 자료를 분석하였다. 본 연구가 코로나19 전후로 비교한 내용은 학생의 발달 수준에 따른 사회정서적 발달 경험(활동지향성, 역경에 대한 극복의지, 어른과의 심리적 친밀감, 삶에 대한 긍정적 태도), 심적 편안함, 학교에 대한 인식, 학습패턴(자기주도적 학습, 협동학습)이다. 특히, 사회정서적 발달 경험은 하버드대 PEAR 연구소의 학생의 사회정서적 발달 진단도구*를 한국 맥락에서 적용하여 개발한 것이다. 학생의 사회정서적 발달 경험과 관련된 주요 결과는 다음과 같다. 연구팀은 코로나19 전후로 모든 사회정서적 발달요인이 하락하였음을 지적하였다. 특히 ‘활동 지향성’과 ‘삶에 대한 긍정적인 태도’가 큰 폭으로 줄어든 것에 주목했다. 하버드대의 아동발달 모델에 따르면 학생은 발달 초기에 다양한 신체 활동을 하면서 사회생활에 적극적으로 참여하는 경험을 하고, 이러한 참여 경험은 다음 단계 사회정서적 발달을 위한 토대가 된다. 이런 이유로 많은 선진국에서는 유․초년기에 방과후활동으로 놀이를 강조한다. 연구팀은 초등학생 집단에서 활동지향성이 가장 크게 줄었음을 지적하며, 이는 등교를 위한 움직임, 학교체육, 방과후 활동이 제한적으로 이루어진 가운데 개인 차원의 외부 활동까지 줄어듦에 따라 나타난 결과로 해석된다고 보았다. - 교육과미래연구소 연구팀은 코로나19에 따른 사회적 거리두기와 원격수업이 당분간 지속될 것으로 전망하는데, 학생들이 단순히 집 안에만 머물기보다 방역 수칙을 준수하면서 가족, 친구들과 함께 공원 산책, 가벼운 맨손 체조와 야외 활동 등 신체적 활동을 적절히 하는 것이 필요하다고 강조했다. 또한, 또래와 함께 하는 활동이나 사회적 교감이 줄어드는 것은 학생들의 사회정서적 발달에 심각한 영향을 미칠 수 있다고 지적하고, 통풍이 잘되는 공간에서 마스크 착용 등 방역 수칙을 준수하며 적정 시간 교류할 수 있도록 부모님의 각별한 관심과 교사의 세심한 지도가 필요하다고 하였다. - 삶에 대한 긍정적 태도는 특히 성숙한 단계에서 필요한 발달 경험이다. 성균관대 연구팀에 따르면, 이러한 인식이 코로나19 이후 크게 줄어든 것으로 나타났다. 연구팀은 코로나19 대규모 확산이 반복적으로 발생하고, 언론 보도 등으로 접하게 되면서 코로나19 종식에 대한 기대감이 줄어드는 사회적 상황이 삶에 대한 긍정적 태도를 형성하는 데 부정적 영향을 미쳤을 것으로 생각된다고 밝혔다. - 또한, 연구팀은 학생들이 실내에 머무르는 시간이 많아지면서 사회 공동체에서 긍정적인 정서를 얻을 수 있는 활동(친구들과의 만남, 스트레스 해소를 위한 운동 등)이 줄어든 것도 삶에 대한 긍정적 인식을 형성하는데 좋지 않은 영향을 미쳤을 것으로 판단했다. - 성균관대 연구팀은 삶을 바라보는 긍정적인 인식은 학업 동기와 사회적 교류를 촉진함으로써 학습 참여와 학업성과를 높이는 핵심 요인이라는 점에서, 격리 속에 소외와 우울함을 경험하고 있는 학생들에 대한 특별한 관심과 대책이 필요하다고 강조했다. 본 연구팀을 이끈 배상훈 교수는“우리나라가 K-방역을 통해 국민의 안전과 건강을 지켜온 것은 높이 평가받아야 한다. 그러나, 이제 학교의 등교 제한과 비대면 온라인 수업 확대가 뉴노멀이 되는 상황을 맞아, 학생의 발달 지체와 교육적 결손에도 신경을 써야 할 시기이다”라고 말했다. 그는 “특히, 학생이 각 발달 단계마다 가져야할 사회정서적 경험을 놓치게 되면, 이는 쉽게 회복하기 어려운 발달 손실일 수 있으므로 학교와 가정의 각별한 주의가 필요하다”고 밝혔다. 또한, “지난 2020년은 갑작스레 온라인 수업을 해야 했던 만큼 안정적인 온라인 수업을 위한 기술적 지원에 신경을 썼다면, 이제는 교육의 질을 높이기 위한 노력을 더욱 펼쳐야 할 것”라고 말했다. 특히 온라인 수업에서 취약한 자기주도적 학습과 협동학습을 촉진하기 위한 수업설계와 평가 방안을 만드는데 교육 당국과 학교가 많은 노력을 해야한다고 주장했다. 학생의 발달과 학습은 지속적이고 체계적인 상호작용을 토대로 이루어진다. 사회적 거리두기와 원격 학습이 확대되면, 이러한 지적 상호작용, 정서적 교류, 사회적 활동이 줄어들 수도 있는데, 미래 사회에서 공감과 배려는 성숙한 사회 구성원으로 살아가는데 필수적인 역량이라는 점에서 이를 보완하는 수업 설계가 요구되고 가정에 머무는 시간 동안 학부모의 관심이 요청된다. 마지막으로 배 교수는 코로나19 전후로 나타난 사회정서적 발달의 지체와 학습 결손 현상이 사회경제적 취약 계층에서 더욱 크게 나타났다는 점에 주목하고, 이러한 계층을 위한 교육 안전망을 구축하고 세심한 배려를 하는 것이 중요한 사회적, 교육적 과제라고 말했다.

  • 자연모사 기술을 이용한 3차원 물 수송 다이오드 표면 제작

    기계공학부 이진기 교수 ·이민기 박사

    자연모사 기술을 이용한 3차원 물 수송 다이오드 표면 제작

    기계공학부/양자생명물리과학원 이진기 교수 연구팀(제1저자 이민기 박사)이 자연모사 기술을 이용하여 3차원의 물 수송 다이오드 표면을 개발했다고 밝혔다. 레이저 가공 기법을 이용해 제작의 용이성을 확보했으며, 3차원 구조를 이용해 세계 최고 성능의 물 수송 다이오드 표면을 개발한 것이다. 물방울을 표면에 떨어뜨렸을 때 한쪽 방향으로만 물을 수송하는 표면을 다이오드 표면이라고 한다. 기존에는 lithography 공정 혹은 3D printer를 이용해 물 수송 다이오드 표면을 제작해왔으나, 낮은 물 수송 성능과 복잡한 제작 과정의 단점이 있었다. 이를 극복하고자 새로운 형태의 표면 구조 및 제작 방법에 대한 연구가 진행되어 왔으나, 수송 성능과 표면 제작 용이성 두 가지 모두 높이는데 어려움이 있었다. 이에 연구진은 자연에서 힌트를 얻었다. 사막도마뱀과 벌레잡이통풀의 표면 구조에서 발생하는 모세관력을 이용하여 물을 수송하는 원리 및 표면 구조의 지형적 특성을 이용하여 물을 한 방향으로만 이동하게 만드는 원리를 적용해, 빠른 물 수송 성능을 갖는 새로운 형태의 3차원 다이오드 표면을 제작했다. 3차원 다이오드 표면은 V-홈으로 이루어진 쐐기 구조이다. 연구진은 V-홈에서 발생하는 강한 모세관력을 활용해 물 수송 속도를 증가시키고, 쐐기 구조를 활용해 물이 한 방향으로만 이동하게 했다. 또한 3차원 다이오드 표면은 레이저를 이용해 가공하기에 다양한 물질에 손쉽게 제작할 수 있다. 이진기 교수는 “3차원 물 수송 다이오드 표면은 기존의 다이오드 표면에 비해 월등한 성능과 용이한 제작방법을 바탕으로 미세유체 칩과 수분 수집에 적용 가능한 원천 기술로 활용 가능하다”라고 밝혔다. 본 연구는 연구재단 중견연구 유형2(2020R1A2C3010568)와 환경부 생태모방기반환경오염관리기술개발(2019002790003)의 지원을 받았으며, 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials(IF=16.836)에 3.20(토) 온라인 게재되었다. ※ 논문명: “Enhanced Liquid Transport on a Highly Scalable, Cost‐Effective, and Flexible 3D Topological Liquid Capillary Diode” 동식물의 표면 구조를 응용한 대면적 무동력 유체 수송 시스템

  • 저산소암 광역학치료 위한 약 개발, 광역학 면역요법을 위한 손쉽고 전환가능한 테라노스틱 전략 제시

    화학과 이진용 교수

    저산소암 광역학치료 위한 약 개발, 광역학 면역요법을 위한 손쉽고 전환가능한 테라노스틱 전략 제시

    [저산소암 광역학치료 위한 약 개발] 화학과 이진용 교수(공동 제1저자 Hao Li 박사과정)와 고려대학교 화학과 김종승 교수(공동 제1저자 원미애, 구세영 박사)가 공동 연구를 통해 저산소암 광역학치료를 위한 새로운 치료제를 개발했다고 밝혔다. 광역학치료는 활성산소를 필요로 하기 때문에 저산소암에 적용하기에 한계가 있었다. 연구팀은 활성산소 생성과 GST-pi 억제를 동시에 일으켜 저산소암 광역학치료에 새로운 방안을 제시하였다. 연구팀은 기존의 감광제인 BPS를 EA와 결합시켜 활성산소를 생성하고, 활성산소에 의한 광역학치료를 방해하는 효소인 GST-pi를 억제시켜 저산소암 광역학치료 효율을 향상시키는 방법을 제시하였다. 현재 광역학치료는 임상이 허가되었지만 치료를 위해 활성산소가 있어야만 한다. 따라서 암세포 주위에 산소가 부족한 저산소암에 적용하는데 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 산소를 운반하는 방안과 산소를 생성하는 방안 등이 다양하게 시도되었으나, 활성산소의 과다 생산으로 부반응들 때문에 어려움이 있었다. 이러한 난제를 해결하기 위하여 공동 연구팀은 기존의 감광제인 BPS에 EA를 공유결합시켜 저산소암 광역학 항암치료 성능을 향상시켰다. EA-BPS는 EA를 전달하여 글루타티온(GSH)를 청소하고 GST-pi 효소의 활성을 줄이는 역할을 한다. 특히, 실험을 통해 EA-BPS는 리소좀 분해와 지질 과산화를 촉진시켜서 GST-pi의 활성을 낮추는 것을 확인하였다. 또한, 도킹 및 분자 역학 (MD) 시뮬레이션을 수행하여 5 개의 잔기(체인 A : F7, W37 및 Y107; 체인 B : Y107 및 A120)가 활성 부위에서 중요한 역할을 하는 것으로 밝혔으며 EA-BPS가 단지 하나가 아니라 두 서브 유닛을 통해 GST-pi 효소 포켓과 상호 작용하고 있음을 밝혔다. 이진용 교수는 “저산소암 광역학치료제 개발을 위한 새로운 길을 제시할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 김종승 교수는 “본 연구에서 개발한 EA-BPS는 이종이식 종양마우스 모델에서 우수한 치료효과를 검증하였으며 이를 기반으로 임상에 적용 가능한 방안을 모색하고 있다”고 말했다. 본 연구결과는 화학 분야의 학술지인 “Angewandte Chemie International Edition (ACIE; IF=12.959)”에 2.8(월) 게재되었다. [ 광역학 면역요법을 위한 손쉽고 전환가능한 테라노스틱 전략 제시] 화학과 이진용 교수(공동 제1저자 Hao Li 박사과정)와 이화여자대학교 화학과 윤주영 교수(공동 제1저자 Hong-Bo Cheng, Bin Qiao 박사)가 공동 연구를 통해 새로운 가역적 광역학 항암치료 방법을 개발했다고 밝혔다. 광역학치료를 위해 활성산소를 가역적으로 조절할 수 있는 감광제를 개발하는 일은 아주 어렵고 도전적이다. 연구팀은 포피린과 DIA를 빌딩 블록으로 활용하여 HSA와 자기조립을 통해 HSA-DIA-포피린 나노입자를 만들었고, 이는 광역학 면역요법을 위한 손쉽고 전환가능한 테라노스틱에 활용될 수 있는 새로운 방안을 제시하였다. 연구팀은 자기조립된 HSA-DIA-포피린 나노입자가 생체 밖에서뿐만 아니라 생체 내에서도 활성산소의 생성을 스위치처럼 조절하여 가역적으로 광역학 항암치료가 가능한 새로운 방법을 개발하였다. 현재 광역학치료는 임상이 허가되었지만 치료를 위해 활성산소가 있어야만 한다. 이에 산소를 운반하는 방안과 산소를 생성하는 방안 등이 다양하게 시도되었으나, 활성산소의 과다 생산으로 부반응들 때문에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위한 방법으로 활성산소를 가역적으로 조절할 수 있는 감광제의 개발이 필요한데, 현재는 그 정확성이 많이 부족하다. 이러한 난제를 해결하기 위하여 공동 연구팀은 사람의 세럼 알부민(HSA)을 이용한 HSA-DIA-포피린 나노플랫폼을 제시하였다. HSA-DIA-포피린에서 HSA는 광스위치와 감광제 사이에 에너지 전달을 효과적으로 해주는 생체적합성을 가진다. 아주 단순한 자기조립에 의해 형성된 나노구조체는 암세포의 이미지를 빨간색 형광(on-off)으로 스위칭 신호를 정확히 구분해준다. 포피린은 DIA의 고리가 열린 형태일 경우에는 활성산소를 생산하고 DIA가 고리형태일 경우에는 활성산소 생산을 억제한다. 이러한 각 기능들이 모여서 HSA-DIA-포피린 나노플랫폼이 가역적으로 활성산소의 생성을조절하는 기능을 한다. 또한, 도킹 및 분자 역학 (MD) 시뮬레이션을 통해 세 가지 결합모드(헴 결합 부위, 갈라진 결합 부위, FA7 영역에 결합된 다른 결합부위)가 확인되었으며, 이 세 가지 모드 모두에서 HSA (Human Serum Albumin)와 DIA가 역평행 구조를 갖는 것이 평행 구조를 갖는 것보다 결합자유에너지가 높았다. 이진용 교수와 윤주영 교수는 “활성산소의 생성을 가역적으로 조절하는 비침습적 트리거의 합성은 광역학 항암치료제 개발에서 매우 중요한 부분인데, 이번 연구에서 하나의 갈을 제시한다”고 밝혔다. 본 연구결과는 화학 분야의 학술지인 “Journal of the American Chemical Society (JACS; IF=14.612)”에 2.10(수) 게재되었다.

  • 저온 플라즈마를 이용한 대면적 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 수직이종구조 제조 원천기술 개발 성공

    기계공학부 김태성 교수 ·석지원 교수, 김형우 박사

    저온 플라즈마를 이용한 대면적 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 수직이종구조 제조 원천기술 개발 성공

    기계공학부/성균나노과학기술원(SAINT) 김태성 교수 연구팀은 저온플라즈마를 기반으로 한 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)를 이용하여 기존 산화물(SiOx), 질화물(SiNx) 박막이 아닌 이차원 전이금속 칼코겐화합물 (TMDs) 합성에 세계 최초로 성공을 하였습니다. (2015년) 기존 이차원 전이금속 칼코겐화합물을 높은 열에너지를 이용하는 열-화학기상증착법을 벗어나, 플라즈마를 활용하여 저온(<150도)에서도 합성할 수 있다는 점에 큰 의미가 있으며 수 cm의 작은 사이즈를 4인치(10 cm)의 대면적으로 확장했다는데 주목할 만 합니다. 또한 ICP타입의 샤워헤드유형의 챔버는 대면적임에도 높은 균일도를 가지게 함과 동시에 고밀도 플라즈마에 의해 나노-결정크기를 갖는 특징을 가지고 있어서, 물리적 전사법이나 화학기상증착법으로 합성한 그 것과는 다른 점을 가지고 특정 분야에 더 뛰어난 성능을 가지고 있습니다. 현재까지 플라즈마 화학기상증착법 (PECVD)을 이용하여 다양한 이차원 전이금속 칼코겐화합물 (TMDs) 합성에 성공하여 다수의 논문(※참조) 및 특허를 보유 중이며, 이번에는 이차원 물질 간의 이종구조를 제작에 성공하였습니다. 김태성 교수팀(석현호, Chaitanya Kanade 박사과정)과 한국기계연구원 김형우 박사는 이전 경험을 바탕으로 ‘4인치 웨이퍼 스케일의 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 (MoS2-WS2) 박막형 이종구조’ 원천기술 개발에 성공하였고 석지원 교수팀(Yonas T. Megra 박사과정)과 이종구조 간 물리적 특성(계면 접착 특성)을 파괴역학 실험을 통해 분석하였습니다. 기존 이종구조 제작 방식의 한계와 작은 크기를 극복함으로써 앞으로 더 많은 물리현상을 밝힐 수 있을 것으로 예상됩니다. 김태성 교수는 이번 연구성과에 대해 “전이금속 칼코겐 화합물 간의 이종구조를 균일하고 재현성높으며 대면적으로 제작하는 것이 중요한데, 저희 연구팀은 플라즈마 공정을 통한 기존 연구의 한계점을 극복하며 자세한 합성 메커니즘에 대한 규명에 성공했습니다. 이번 연구를 통해 이차원 소재 이종접합의 연구에 새로운 기술을 제시하며, 대면적 대량생산을 통한 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다.”라고 말했다. 본 연구는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구(NRF-2017R1A2B3011222, NRF-2019R1A2C2089785)와 기본연구 (NRF-2018R1D1A1B07040292) 및 한국기계연구원의 지원으로 수행되었으며, Materials Science, Multidisciplinary 세계적인 권위지인 ‘ACS Nano' (IF: 14.588)에 1월 7일 온라인 게재되었다. 논문제목 ‘Low-Temperature Synthesis of Wafer-Scale MoS2-WS2 Vertical Heterostructures by Single-Step Penetrative Plasma Sulfurization’. ※ PECVD 이차원 물질 합성 관련 논문 (김태성 교수 연구팀) 1) Low-Temperature Synthesis of Large-Scale Molybdenum Disulfide Thin Films Directly on a Plastic Substrate Using Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (안치성 et al., Advanced Materials, 27, 2015, 5223-5229) 2) Highly uniform wafer-scale synthesis of α-MoO3 by plasma enhanced chemical vapor deposition (김형우 et al., Nanotechnology, 28, 2017, 175601) 3) Low-temperature wafer-scale growth of MoS2-graphene heterostructures (김형우 et al., Applied Surface Science, 470, 2019, 129-134) 4) Wafer-Scale and Low-Temperature Growth of 1T-WS2 Film for Efficient and Stable Hydrogen Evolution Reaction (김형우 et al., Small, 16, 2020, 1905000) 5) Flexible MoS2–Polyimide Electrode for Electrochemical Biosensors and Their Applications for the Highly Sensitive Quantification of Endocrine Hormones: PTH, T3, and T4 (김형우 et al., Analytical Chemistry, 92, 2020, 6327-6333) 6) Realization of Wafer‐Scale 1T‐MoS2 Film for Efficient Hydrogen Evolution Reaction (김형우 et al., ChemSusChem, 2021) doi.org/10.1002/cssc.202002578 7) Low-Temperature and Large-Scale Production of Transition Metal Sulfide Vertical Heterostructure and Its Application for Photodetectors (Chaitanya et al., ACS Applied Materials & Interface, 2021) 8) Low-Temperature Synthesis of Wafer-Scale MoS2-WS2 Vertical Heterostructures by Single-Step Penetrative Plasma Sulfurization (석현호 et al., ACS Nano, 15, 2021, 707-718) ※언론보도현황 [베라티스알파]성균관대 저온 플라즈마를 이용한 수직이종구조 제조 원천기술 개발성공 [테크월드]성균관대, 저온 플라즈마 이용한 MoS2-WS2 수직이종구조 제조원천기술 개발 [유교신문] 성균관대 연구팀, 저온 플라즈마를 이용한 대면적 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 수직이종구조 제조 원천기술 개발 성공 [연합경제TV] 성균관대학교 저온 플라즈마를 이용한 대면적 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 수직이종구조 제조 원천기술 개발 성공 [에너지단열경제] 세계 최초로 전이금속 간 이종구조 대면적으로 구현, 저온공정과 높은 재현성 등 장점 [한국강사신문] 성균관대학교, 저온 플라즈마를 이용한 대면적 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 수직이종구조 제조 원천기술 개발 성공

  • 엽록체 진화의 미스테리, 광합성 아메바 연구로 밝히다

    생명과학과 윤환수 교수

    엽록체 진화의 미스테리, 광합성 아메바 연구로 밝히다

    생명과학과 윤환수 교수 연구팀(이덕현 박사, 조충현 대학원생)이 미국 럿거스대학 Bhattacharya 교수와의 국제공동연구를 통해 광합성 아메바인 폴리넬라(Paulinella micropora)의 유전체를 해독하여 식물과는 다른 기원을 가진 엽록체의 진화과정을 밝혀냈다. 지구상에 존재하는 광합성을 하는 모든 식물은 엽록체를 가지고 있으며, 엽록체는 약 10억년 전 동물성 원생생물이 남세균*을 포식하는 과정을 통해 기원한 이후, 녹색식물, 홍조류, 회조류로 분화했다. 이와 달리 폴리넬라는 독립적으로 광합성을 할 수 있는 능력을 얻었으며, 약 1억년 전 동물성 폴리넬라가 남세균을 포식하여 세포 내에서 영구적으로 공생하면서 엽록체로 진화하게 되었다. * 남세균(cyanobacteria) : 광합성을 하는 세균의 일종 현재 많은 동물성 폴리넬라 종은 식물성 폴리넬라와 자매관계를 이루고 있다. 본 연구는 폴리넬라 유전체를 해독하여 엽록체 진화과정에서 폴리넬라 세포와 세포 내로 들어온 남세균 그리고 외부 박테리아의 유전자들이 어떤 영향을 끼쳤는지를 밝혔다. 식물 세포 내에서 엽록체는 광합성이 일어나는 세포소기관으로 광합성에 관련된 핵 유전자는 엽록체로 반드시 이동해야만 기능을 수행할 수 있다. 엽록체로 이동하는 단백질들은 시그널 펩타이드라는 짧은 아미노산 서열을 가지고 있는데, 연구팀은 식물과는 독립된 기원을 갖는 폴리넬라에서 독특한 엽록체 시그널 펩타이드를 발견했다. [그림] 광합성 폴리넬라 현미경 사진 또한 폴리넬라에서 엽록체로 수송되는 유전자들의 기원을 분석한 결과 대부분 폴리넬라 핵으로부터 유래했다는 것을 밝혀냈다. 이는 엽록체가 형성되는 과정에서 기존의 동물성 폴리넬라 핵이 큰 역할을 한다는 것을 뜻한다. 윤환수 교수는 “식물의 초기 진화과정에서 어떤 일이 있었는지를 보여주는 모델생물로 광합성 폴리넬라 연구는 매우 중요하다”며 “광합성 폴리넬라 유전체 정보는 광합성 효율을 극대화하는 시스템/합성 생물학, 유전공학 등 응용 분야 연구의 기초자료로 활용될 수 있다”고 밝혔다. 본 연구는 해양수산부의 포스트게놈 다부처유전체사업, 농촌진흥청의 바이오그린21사업과 연구재단의 중견연구지원 사업으로 수행되었으며, 생물학 분야 세계적 학술지 Molecular Biology and Evolution(IF*=11.062) 2월호에 게재되었다. ※ 논문 : Amoeba genome reveals dominant host contribution to plastid endosymbiosis(광합성 아메바 유전체를 통해 밝혀진 엽록체 진화)

  • 세계 최초 폐암 환자 맞춤형 방사선 표적치료 가능성 제시

    융합생명공학과 전영준 교수

    세계 최초 폐암 환자 맞춤형 방사선 표적치료 가능성 제시

    - 폐암 환자 샘플을 이용한 차세대 염기 서열 분석방법 및 세포생물학적 방법을 이용 방사선치료를 받은 환자의 예후를 회귀적 방법으로 분석하여 KEAP1-NEF2L2 항산화 기작이 방사선 치료 저항성 인자임을 밝힘 - 폐암에서 변형된 Glutamine 대사를 저해시킴으로써 KEAP1의존적 항산화 저항성이 극복되어 질 수 있음을 제시하여 유전적 배경에 맞는 환자 맞춤형 방사선 치료의 가능성 제시 그림 1. 연구 모식도: 232명의 폐암 환자 중 방사선 치료를 받은 97명의 환자들로부터 샘플을 채취하여 유전자를 분석하고 재발이 되어진 그룹과 치료가 되어진 그룹으로 나누어 암 재발인자를 규명함 (1). 이를 검증하고자 세포생물학적 방법을 이용 (2, 그림2 참조)하여 방사성 저항 인자를 찾고 그것을 극복하기 위한 방안을 연구 (3). 그림 발췌: Cancer Discovery DOI:10.1158/2159-8290.CD-20-0282 융합생명공학과 전영준 교수 연구팀은 한국연구 재단의 개인 기초연구 사업 (NRF-2020R1F1A1071579)의 지원과 Stanford 의과대학과의 공동연구를 통하여 항산화의 주요 기작인 KEAP1-NFE2L2 Pathway의 활성정도가 방사선 치료를 이용한 폐암환자의 치료 후 예후 판단에 주요한 요소임을 규명하였다. 환자 맞춤형 항암 치료는 화학적 항암치료법에 상용화 된 반면, 방사선 치료법에는 그 가능성이 타진되어진 적이 한번도 없었다. 이에, 연구팀은 스탠포드 그룹과 협업하여 폐암 환자 232 여명중 방사선 치료를 받은 약 100명의 환자군으로 부터 얻은 샘플을 차세대 염기서열 분석 방법을 이용하여 분석한 결과 KEAP1/NFE2L2의 유전자에 돌연변이를 가진 환자군에서 방사선 치료 후 재발과 높은 상관성을 확인하였다. 이에 유전자 가위 기술을 이용하여 KEAP1이 제거된 Knock-out 폐암 세포주를 구축하고, 여기에 폐암 환자에서 발견되어진 돌연변이 KEAP1유전자를 삽입하여 그 활성을 측정하고 해당 결과를 방사선 치료 후 내성을 보인 환자군들 혹은 치료가 되어진 그룹들과 비교분석하여 KEAP1의 돌연변이의 형태에 따라 방사선 치료저항성을 예측할 수 있다는 결과를 제시하였다. 이에 더하여, 연구팀은 해당 유전자에 근간한 방사선 저항성 세포주가 글루탐산의 신진대사 저해를 통하여 극복 할 수 있음을 역시 제시하였다. 그림 2. KEAP1-NFE2L2와 방사성 치료 저항성과의 상관성분석을 위한 연구 모식도 해당 연구 결과는 비단 방사선 치료 역시 개인의 유전적 배경에 따라 치료방법에 변화를 주어야 한다는 새로운 패러다임을 제시함으로써 폐암 환자의 치료효과를 극대화 시킬 수 있음과 동시에 해당 개념을 다른 암종으로 적용 시킬 수 있는 높은 가능성을 제시한 결과로 평가받고 있다. 관련 결과는 2020년 12월호에 종약학관련 최고 권위지 중에 하나인 Cancer Discovery에 표지논문으로 게재되었다. 현재 전영준 교수 연구팀은 액체생검방식과 차세대 염기서열 분석방법을 이용하여 항암 치료저항성 인자를 항암 치료과정의 암 환자 혈액의 혈장으로 부터 분석 / 예측 할 수 있는 방법의 개발에 매진하고 있으며 이를 이용한 암 세포생물학 방식과 결부하여 새로운 유형의 항암 치료저항성 인자를 찾는 연구를 수행하고 있다.

  • 20분의 1 저렴하면서 더 오래 지속되는 그린 수소 생산 촉매 개발

    화학과 이효영 교수

    20분의 1 저렴하면서 더 오래 지속되는 그린 수소 생산 촉매 개발

    수소가 친환경 미래 연료로 각광받는 이유는 물에서 얻을 수 있기 때문이다. 이른바 그린수소다. 그린수소는 미래 수소경제 시대의 핵심인 청정에너지원이지만 생산 단가가 높아, 대부분의 수소를 석유 정제과정의 부산물에서 부산물로 얻거나(부생수소), 천연가스에서 추출 (개질수소)하고 있다. 즉 물 분해의 높은 비용 때문에 수소 생산에도 이산화탄소가 발생하는 아이러니가 있었던 것이다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장(성균관대 화학과 펠로우교수) 연구진은 20분의 1 가량 저렴하고 생산성이 약 6배 높고, 최소 4배 길게 지속되는 물 분해 촉매를 개발했다. 이는 물 전기분해 비용을 획기적으로 절감해 친환경 수소 보급에 기여할 것으로 기대된다. 수소 생산 방법 중 유일하게 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 방법은 전기분해다. 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 것이다. 이때 산소 발생 반응이 매우 느려 전체 물 분해 속도가 저하되면서, 생산성을 낮추는 원인이 되었다. 최대한 빨리 수소를 분리하려면 산소 발생 속도를 높여야 한다는 뜻이다. 생산 속도를 높이는 촉매로 루테늄 산화물(RuO2)과 이리듐 산화물(IrO2)이 쓰이지만, 가격이 1kg 당 7만 달러가 넘는데다 24시간 이상 지속하기도 어렵다. 연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트, 철, 극소량의 루테늄(Ru)위에 산소 원자를 부착해 안정한 산소 촉매를 개발했다. 이는 기존 촉매보다 20배 저렴하면서 성능이 뛰어나고 최소 100시간 이상 지속이 가능한 결과를 보였다. 높은 성능의 촉매를 만들기 위해선 단계별 공정이 중요하다. 전기분해 과정에서 산소는 여러 단계를 거쳐 만들어진다. 그런데 산소가 발생하기 직전 단계의 중간체(OOH)는 화학적으로 불안정해 다음 단계로 넘어가지 못하는 경우가 많다. OOH* 생성은 가장 많은 에너지가 드는 속도 결정 단계로 OOH*가 불안정하면 다음 단계인 산소가 되지 못하고 이전 단계로 돌아오게 된다. 연구진은 촉매 표면에 산소를 미리 흡착하면 OOH*를 안정화시킬 것이라고 가정하고, 표면 산소량을 조절하기 쉬운 코발트-철 합금을 만들어 실험을 진행했다. 실험 결과 이 결정에 산소 원자 8개를 붙였을 때 가장 산소 발생량이 높음을 확인했다. 여기에 루테늄 원자를 붙여 OOH가 산소로 넘어갈 때 에너지 장벽을 줄이고, 이를 전기 전도도가 높은 다공성 탄소층 위에 붙였다. 이렇게 개발한 촉매는 기존 대비 생산량이 약 6배 많고, 더 낮은 전압으로 산소를 발생시킬 수 있었다고 연구팀은 설명했다. 기존 산화 루테늄 산화물은 제곱센티미터 당 10 밀리암페어(mA/cm2)의 전류 밀도를 얻기 위해 298 밀리볼트(mV)을 필요했지만 연구팀이 개발한 전기촉매는 루테늄 산화물의 60% 수준인 180 mV면 가능했다. 낮은 전압으로 물 분해가 가능해 에너지 효율을 높였다는 뜻이다. 또한 이 촉매는 최소 100시간 이상 유지될 수 있었다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 산화가 잘 되어 성능을 24시간 이상 유지하기 힘들었다. 이번에 사용한 코발트-철 합금은 산화가 덜 되어 100시간 이후에도 구조 변화가 없음을 확인했다. 이효영 부연구단장은 “물 분해를 통한 친환경 수소를 석유·석탄 부생 수소보다 싼 가격으로 만드는 일은 오랫동안 한계에 직면해 있었다.”며, “저렴한 고효율 산소 발생 촉매를 개발함으로써 탈탄소화 친환경 수소경제에 한 걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다. 이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 세계적인 권위지인 ‘에너지 & 환경 과학 (Energy & Environmental science, IF 30.287)' 지에 11월 4일 온라인 게재되었다. [그림1] 전기촉매 결정 구조 및 물 분해 과정과 고효율 전기촉매 성능 평가 * 언론 보도 현황 [조선비즈] IBS, 수소 생산 촉매 비용 20분의 1로 낮춰 [부산일보] 20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [전자신문] IBS, 20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [헤럴드경제] 물 전기분해 비용 20배↓…고성능 수소촉매 나왔다 [뉴스1] IBS, 20배 싸고 4배 더 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [금강일보] IBS, 싸고 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [파이낸셜뉴스] 20배 싼 촉매로 물에서 수소 만든다 [충청뉴스] IBS, 비용 낮추고 지속성 높인 수소 생산 촉매 개발 [노컷뉴스] 20배 싸면서 더 오래가는 수소 생산 촉매 개발 [뉴스웍스] 20배 싸면서 더 오래 지속되는 수소 생산 촉매 개발 [연합뉴스] 값싸고 오래가는 수소 생산 촉매 개발…20분의 1 가격 [뉴시스] 저가 금속으로 물 전기분해 촉진…20배 저렴한 수소생산 촉매 개발 [머니투데이] 저가 금속으로 기존보다 20배 싼 ‘수소 촉매’ 개발 [이투데이] 저가 금속으로 물 전기분해…20배 원가 낮은 수소 생산 촉매 개발 [뉴스핌] IBS, 20배 싸고 4배 더 지속 '수소 생산 촉매' 개발 [투데이에너지] IBS, 생산성 6배 높은 수소생산촉매 개발 [한국경제] 20분의1 저렴한 촉매로 물에서 '수소' 뽑아낸다 [뉴스투데이] 기초과학연구원(IBS), 20배 싸고 오래 지속 수소 생산촉매 개발

  • 빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

    화학공학/고분자공학부 서영덕 교수

    빛의 연쇄증폭반응에 의한 거대 비선형 광학현상 발견

    ○ 다중흡수-다중방출 형태의 광학적 연쇄증폭반응을 통한 상향변환 나노입자 광변환 효율의 획기적 증강 현상을 세계 최초로 발견하고 ‘광사태 나노입자’로 명명 ○ 이러한 광사태 나노입자 신소재를 활용해 70 nm 공간해상도의 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy) 이미징에 성공 ○ 비변질 고민감도 체외진단키트 등 바이오 의료 분야, 자율주행 자동차용 LiDAR 근적외선 광센서 소재 등 첨단 IoT 분야, 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 증강용 소재 등 신재생 에너지 분야 등에 광사태 나노입자 활용 미래 신기술 개척 기대. 서영덕 교수(성균관대학교 화학공학/고분자공학부 성대-화학연 학연교수)연구팀과 미국/폴란드 공동연구팀은 기존 상향변환 나노입자*의 광변환 효율을 극대화 시킬 수 있는 빛의 연쇄증폭반응인 광사태 현상(Photon Avalanche)이 단일 나노입자에서 일어남을 발견하고 규명했다. * 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle=UCNP): 큰 에너지를 갖는 빛이 물질에 흡수된 뒤 열에너지로 그 일부를 소모하고 나머지 작은 에너지가 다시 빛으로 변환되어 방출되는 보통의 하향변환과는 달리, 상향변환 나노입자에서는 작은 에너지의 빛이 다중으로 흡수된 뒤 큰 에너지의 빛으로 결합 되어 변환됨. 눈에 보이지 않는 작은 에너지(장파장)의 적외선을 흡수하여 눈에 보이는 가시광선 등 큰 에너지(단파장)의 빛으로 변환시켜 주는 특이한 물성 때문에 상향변환 나노입자(UCNP) 분야는 최근 10여년간 급성장해 왔으나, 이의 상용화를 앞당기기 위해서는 해결해야 할 ‘광변환 효율의 증강’이라는 난제가 있었다. 즉, 기존의 상향변환 나노입자는 광변환 효율이 매우 낮아서, 작은 에너지의 빛을 다중으로 흡수하여 큰 에너지의 빛으로 다시 방출하기 위해서는 매우 강한 광세기의 고출력 레이저가 사용되어야만 하고, 이에 따른 가격 상승, 열 발생, 사용자의 실명 방지를 위한 레이저 안전성(Safety) 확보 등이 상용화의 걸림돌이 되어 왔다. 이번에 발견한 빛의 연쇄증폭반응에 의한 광사태 현상은 일단 빛이 나노입자에 다중흡수된 뒤, 나노입자를 구성하는 원자 격자 구조 속에서 마치 눈사태나 산사태처럼 연쇄적인 광학 증폭반응을 일으켜서 빛의 세기가 강하게 증폭되어 나노입자로부터 다중방출되는 (표지 그림 및 그림 1 설명 참조) 매우 이례적인 다중흡수-다중방출 형태의 거대 비선형 광학 현상으로서, 이를 통하여 일상생활에서도 많이 사용되고 있는 레이저 포인터 수준의 약한 광세기로도 매우 높은 상향변환 발광효율(광변환 효율)을 유발시킬 수 있다는 것을 세계 최초로 발견한 것이다. 공동연구팀은 이러한 광학적 연쇄증폭반응을 일으키는 나노입자를 ‘광사태 나노입자(Avalanching Nano Particle: ANP)’로 새롭게 명명하고, ”광사태 나노입자로부터의 거대 비선형 광학 반응(Giant Nonlinear Optical Responses from Photon-Avalanching Nanoparticles)“이란 제목의 논문을 영국시간 2021년 1월 14일자 네이처紙(I.F.=42.8)의 표지논문으로 출판하였다. 이러한 새로운 현상의 발견에 기반하여 본 연구논문에서는 70 nm의 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy) 이미징*(그림 2 설명 참조)에 성공하였다. 향후 초고해상도 나노스코피를 이용하여 살아있는 세포 속을 초고해상도로 실시간 바이오 이미징 하거나, 광사태 나노입자가 광탈색(Photobleaching)이 없는 화학적으로 안정한 무기계 나노입자인 점을 이용하여 비변질/고감도의 체외진단용 원천소재로 적용하는 바이오 의료 분야, 페로브스카이트 태양전지가 수확하지 못하던 > 800 nm의 낮은 에너지(장파장) 영역 외부양자효율(External Quantum Efficiency: EQE)을 증강시킬 수 있는 신소재로 적용하는 신재생 에너지 산업 분야, 자율주행자동차가 주행 시 먼 거리를 보는 눈에 해당하는 LiDAR(905 nm ~ 1,550 nm 파장 영역)용 근적외선 검출 광센서의 > 1,100 nm(Si 반도체를 못 쓰고 InGaAs 등의 화합물 반도체를 써야만 했던 파장 영역)의 낮은 에너지(장파장) 영역 근적외선 검출을 위한 나노입자 신소재로 적용하는 첨단 IoT 분야 등에 대한 응용 연구들을 앞으로 진행할 계획이다. * 초해상도 나노스코피(Super-resolution Nanoscopy)는 200 nm(청색광)~500nm(근적외선)정도인 빛의 회절한계(Diffraction Limit)를 뛰어넘는 초고해상도의 나노분광(Nano Spectroscopic) 이미징 분야(2014년 노벨화학상 수상)에 대한 통칭임. 당시 수상한 STED(STimulated Emission Depletion)과 PALM(Photo-Activated Localization Microscopy)은 각각 도넛 모양의 STED 스팟을 여기(Excitation) 광의 공초점 스팟과 중첩한 상태로 스캔해야만 하거나, 모든 이미징 픽셀들의 중심에 컴퓨터로 인위적인 작은 점들을 하나 하나 찍어서 마치 회화 기법의 한 종류인 점묘법처럼 이미지를 재구성해야만 하는 기술 난이도 상의 단점이 남아 있었음. <2014년 노벨화학상 기사 참조> http://dongascience.donga.com/news/view/5283 및 http://dongascience.donga.com/news/view/5484 이번 연구에서는 ~25 nm 내외의 매우 작은 각각의 광사태 나노입자들의 중심 부분으로부터 상향변환되면서 연쇄 증폭된 빛이 매우 국소적으로 집중되어 폭발적으로 방출되기 때문에 스팟 한 개만을 사용한 간단한 공초점 이미징 스캔으로도 단번에 70 nm의 초고해상도 나노스코피에 성공하였고, 후속 연구를 통하여 더욱 해상도를 높일 수 있음. 또한 현재 광변색 소자인 포토 스위칭 기술, 체내 삽입용 마이크로 레이저 기술 등의 후속 연구를 마치고 논문 투고 예정이며, 향후 광사태 나노입자의 응용 분야를 더 넓히기 위하여 레이저 포인터보다 더 약한 광세기의 LED로도 광사태 현상을 유발시킬 수 있도록 하는 후속 연구를 진행 중이다. 참고로 본 표지논문의 공동교신저자인 서영덕 교수와 미국 컬럼비아대학의 P. James Schuck교수는 각각 국제공동연구를 지원하는 한국연구재단의 글로벌연구실지원사업의 한국측 및 미국측 책임자로서, 이 사업을 통해 지난 5년간 연구책임자 및 연구원들의 주기적인 상호 방문연구실험, 상호 초청강연, 국제공동심포지엄 공동개최 등을 통하여 협력해왔으며, 최근에는 세계적인 권위의 고든컨퍼런스(Gordon Research Conference)에서 상향변환 나노입자(Upconverting Nanoparticle) 분야의 Conference를 처음으로 공동창립하여 올해 6월 하순에 미국에서 첫 컨퍼런스를 개최할 예정이다. 본 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 글로벌연구실(GRL) 지원사업과 한국화학연구원 강소형 연구과제, 산업자원부의 산업기술혁신사업 지원으로 수행되었다. 본 표지논문의 과제 사사 문구: 한국연구재단(NRF) GRL과제, 화학연(KRICT) 강소형과제, 산업자원부(MOTIE) 과제 등을 서영덕 교수(Y.D.S.)가 과제 사사하였고, 제1저자인 이창환(C.L.) 박사과정학생과 공동교신저자인 Prof. P. James Schuck교수(P.J.S.)의 과제사사는 한국연구재단 GRL과제가 유일하다. 본 논문의 주요 저자들은 다음과 같다. - 공동 교신저자: 서영덕 교수 (성균관대학교 화학공학/고분자공학부 성대-화학연 학연교수: 한국연구재단 GRL 과제의 한국측 책임자), 미국 컬럼비아대학 P. James Schuck 교수 (한국연구재단 GRL의 미국측 책임자) 등 - 단독 제1저자: 이창환 미국 컬럼비아대학 박사과정생 (2020년 5월~8월 서영덕 교수 실험실의 방문연구생) - 공저자: 남상환 책임연구원 ※ 서영덕 교수의 ‘광사태 상향변환 나노입자’ 관련 논문 (*표는 교신저자). 1*. Giant Nonlinear Optical Responses from Photon Avalanching Nanoparticles (Nature 589/230, 2021) [Cover Article] *Please also see News&View (Nature 589/204, 2021) 2. Nanorods with Multidimensional Optical Information beyond the Diffraction Limit (Nature Communications 11/1, 2020) 3*. Future and Challenges for Hybrid Upconversion Nanosystems (Nature Photonics, 13/828, 2019) 4*. Recent Advances in Upconversion Nanocrystals: Expanding the Kaleidoscopic Toolbox for Emerging Applications (Nano Today, 29/100797, 2019) 5. Enrichment of Molecular Antenna Triplets Amplifies Upconverting Nanoparticle Emission (Nature Photonics, 12/402, 2018) 6*. Upconverting Nanoparticles: a Versatile Platform for Wide-Field Two-photon Microscopy and Multi-modal In Vivo Imaging (Chemical Society Reviews, 44/1302, 2015), cited > 420 times 7. Theranostic Probe Based on Lanthanide- Doped Nanoparticles for Simultaneous In Vivo Dual-Modal Imaging and Photodynamic Therapy (Advanced Materials, 24/5755, 2012), cited > 360 times 8*. Long-Term Real-Time Tracking of Lanthanide Ion Doped Upconverting Nanoparticles in Living Cells (Angewandte Chemie International Edition, 50/6093, 2011), cited > 220 times. 9*. Non-Blinking and Non-Bleaching Upconverting Nanoparticles as Optical Imaging Nanoprobe and T1 MRI Contrast Agent (Advanced Materials, 21/4467, 2009), cited > 570 times. Nature 誌 전면 표지 (2021년 1월 14일자(영국시간)) 그림 1. 툴륨 이온(Tm3+)이 도핑된 나노입자 내부에서의 빛의 광사태(PA: Photon Avalanche) 연쇄증폭반응의 메커니즘 a. 툴륨 이온의 농도가 8% 이상일 때 광사태 현상을 일으키는 코어-쉘 광사태 나노입자 모양. * 삽입그림: 이터븀 이온 (Yb3+)의 바닥상태흡수(ground-state absorption)로부터 유발되는 기존의 에너지 전달 상향변환 (ETU: energy transfer upconversion) 과정과의 비교 그림. [그림 a 속의 용어: Core(알맹이), Inert Shell(비활성 껍질). Tm3+ concentration ≥ 8%(툴륨 이온 도핑 농도 8 퍼센트 이상). GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수). Tm3+-Tm3+ cross-relaxation(툴륨이온-툴륨이온 사이의 교차 안정화 과정 (안정화는 들뜸/여기(excitation)의 상대어)). Upconverted avalanching emssion (800 nm): 800 nm 파장에서의 상향변환 광사태 방출. 그래프의 가로축: Excitation intensity(여기광 세기), 그래프의 세로축: Emission intensity(방출광 세기)] b. 광사태 현상이 일어나기 전과 도중과 후의 3단계 과정을 보여주는 여기광세기(Excitation intensity) 대비 발광세기(Emission intensity) 거대 비선형 광학 반응 모형 곡선(Model plot of Photon Avalanching Giant Nonlinear Optical Response Curve). [그림 b 속의 용어: Before threshold(광사태 연쇄증폭반응 현상의 문턱치 직전), PA(광사태 현상 구간), Saturation(광사태 현상의 포화상태로서 과도한 여기(excitation) 광세기 구간.] c. 툴륨 이온의 4f12 오비탈 에너지 준위 그림. R1, R2는 각각 바닥상태 광흡수율(ground state excitation rate)과 여기상태 광흡수율(excited state excitation rate)을 나타내고, W2와 W3는 각각 3F4 에너지 준위와 3H4 에너지 준위로부터의 안정화 과정 후의 축적율(aggregation rate after relaxation)을 나타냄. 이러한 광흡수율들과 축적율들은 방사형 및 비방사형 안정화 과정들 (radiative and non-radiative pathways)을 설명하면서 동시에 교차안정화(cross-relaxation)나 다른 형태의 에너지 전달과정(other energy transfer processes)을 제외한다. [그림 c 속의 용어: GSA(Ground State Absorption: 바닥 상태 광 흡수), ESA(Excited State Absorption: 들뜬 상태 광 흡수), cross-relaxation(툴륨이온-툴륨이온 사이의 교차 안정화 과정), Emission(상향변환 된 빛의 방출). 그래프의 세로축: 103 cm-1 (1,000 웨이브넘버(빛의 에너지 단위 중의 한 가지) 단위의 에너지)] 그림 2. 광사태 나노입자 기반 단일광선(Single-beam) 초고해상도 나노스코피 이미징 a,b. 포화 광세기 구간(saturation regime: 9.9 kWcm-2)으로 여기(excite) 시켰을 때(a)와 광사태 구간(PA regime: 7.1 kWcm-2)으로 여기시켰을 때(b)의 8% 툴륨 이온으로 도핑된 광사태 나노입자(ANP: Avalanching Nano Particle) 이미지 c. 이미지 a와 b 상의 파란색 선에 해당하는 라인컷: 초고해상도를 나타내는 비교를 위해 1,064 nm의 여기광을 N.A.=1.49의 대물렌즈로 집속했을때의 이론적인 회절한계가 검은색 점선으로 표시되어 있음. d,e.이미지 a와 b에 대한 각각의 이론적인 이미징 시뮬레이션 결과인 c와 d. f. 여기광의 세기에 따른 단일 광사태 나노입자에 대한 실제 측정된(검은색) 이미징 해상도 선폭과 시뮬레이션을 통한 이미징 해상도 선폭(FWHM: Full Width at the Half Maximum) g. 포화광세기 근처로부터 광사태 문턱치 직전까지 차츰 여기광세기를 줄여가면서 8% 툴륨이온으로 도핑된 광사태 나노입자 두 개가 300 nm의 간격으로 놓여진 시료에 대해 얻어진 이미지. h. 실험적으로 얻어진 g의 이미지들에 대한 시뮬레이션 결과.

  • 뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시

    글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수

    뇌영상을 통한 만성 통증 검사 가능성 제시

    내 몸이 아픈 걸 다른 사람이 알기는 어렵다. 정의상 통증 경험은 주관적이기 때문이다. 효과적인 진단과 치료를 위해서는 통증을 정확하고 객관적으로 측정하고 평가할 수 있어야 하지만, 2021년 현재까지도 통증에 대한 평가는 환자에게 직접 얼마나 아픈지 물어보는 것에 전적으로 의존하고 있다. 통증은 외부 유해 자극에 대한 몸의 반응에서 기인하지만, 최종적으로 경험하는 통증은 감정, 생각, 신념, 기억 등과 같은 요소들의 영향을 받으며, 뇌기능 커넥톰*을 이루는 뇌의 여러 영역들 간의 복잡한 기능적 상호작용을 통해 일어난다. 또한 삶을 파괴하고 막대한 사회경제적 비용을 초래하는 만성 통증은 뇌기능 커넥톰 수준에서 유의미한 변화가 일어난다고 알려져 있으나, 뇌기능 커넥톰에 기반한 통증 측정 도구는 여전히 존재하지 않았다. * 뇌기능 커넥톰 : 뇌의 여러 영역들 간 시스템 수준의 기능적 상호작용을 나타낸 뇌지도 이에 글로벌바이오메디컬공학과 우충완 교수 연구팀은 미국 다트머스대학교 토어 웨이거 교수 연구팀과 함께 뇌기능 커넥톰을 기반으로 지속되는 통증을 읽어낼 수 있는 뇌영상 바이오마커를 개발했다. 연구팀은 통증을 오랜 시간 안전하게 유발할 수 있는 실험 방법을 고민하다가, 캡사이신을 혀에 발라 약 10분 동안 통증을 효과적으로 유발하는 방법을 고안했으며, 피험자가 입안에서 통증을 느낄 때 기능자기공명영상(fMRI)을 이용하여 뇌기능 커넥톰의 변화 패턴을 기록했다. 이렇게 만들어진 통증 마커는 109명의 건강한 실험 참가자들의 지속적 통증 강도를 성공적으로 예측했을 뿐만 아니라, 192명의 허리통증 환자들의 통증 점수 또한 높은 정확도로 예측했다. 우충완 교수는 "본 연구를 통해 실험실에서 캡사이신으로 유발한 지속적인 통증에 대한 뇌의 반응 양상이 만성 통증 환자들에게 나타나는 뇌의 반응 양상과 유사하다는 사실을 발견했다”며 "만성 통증이 일어나는 뇌 기제를 이해하고, 궁극적으로는 통증 환자들을 도울 수 있을 것”이라고 말했다. 제1저자인 이재중 박사과정생은 "본 연구는 이미 통증에 연관되어 있다고 알려진 일부 뇌 영역들뿐만 아니라, 전체 뇌의 역동적인 상호작용이 지속적 통증을 이해하는 데 매우 중요함을 시사한다”며 "통증이 뇌기능 커넥톰을 통해서 매개되는 다차원적인 경험임을 보여주는 새로운 증거”라고 말했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS-R015-D1), 한국연구재단에서 지원하는 신진연구(2019R1C1C1004512), 과학기술정보통신부에서 지원하는 혁신성장동력프로젝트(2019-0-01367-BabyMind), 한국뇌연구원에서 지원하는 3개 국가뇌연구기관 뇌연구협의체과제(18-BR-03)의 연구결과물이며, 세계적인 학술지인 네이처 메디슨(Nature Medicine, IF 36.130)에 1월 5일(화) 게재됐다. ※ https://youtu.be/U_Y7vwGw5So [그림1] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커. 각 선은 뇌기능 커넥톰 마커에서 다른 뇌 영역 간 상호작용의 세기를 나타냄. [그림2] 지속적 통증의 강도를 예측하는 뇌기능 커넥톰 마커에서 가장 중요한 기능적 연결들.

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