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카고메 스핀 격자에서 1/9 자화 플래토 구현 및 디랙 스핀논 준입자 관측
물리학과 최광용 교수 연구팀이 스핀-1/2 카고메 격자(kagome lattice)에서 이론적으로 예측된 특이한 자기 상태인 1/9 자화 플래토(magnetization plateau)를 실제 물질 YCu₃(OD)₆+xBr₃−x (x ≈ 0.5)에서 실험적으로 구현하는 데 성공했고, 스핀 간 강한 양자 얽힘(quantum entanglement)이 플래토 형성에 핵심적인 역할을 한다는 실험적 증거를 제시했다. 양자 스핀 액체(quantum spin liquid)는 전통적인 자성 물질과 달리 절대온도 0K에서도 자기적으로 정렬되지 않으며, 스핀들이 장거리 양자 얽힘을 유지하면서 위상적 양자 상태를 형성하는 특성을 가진다. 특히, 카고메 격자는 삼각형이 모서리를 공유하는 2차원 결정 구조로, 반강자성적으로 정렬된 스핀들이 기하학적 좌절(geometrical frustration) 때문에 특정한 배치를 이루지 못하고 강한 양자 요동을 유지한다. 이러한 성질 덕분에 카고메 격자는 양자 스핀 액체와 같은 새로운 양자 위상(quantum phase)을 탐색하는 데 이상적인 모델 시스템으로 간주된다. 본 연구에서는 YCu₃(OD)₆+xBr₃−x 물질에 15 테슬라의 강한 자기장을 가했을 때, 1/9 자화 플래토가 안정적으로 유지됨을 실험적으로 확인했다. 이를 위해 연구진은 열역학적 측정(비열, 열전도도, 펄스 자기장 자기곡선)과 라만 분광 분석을 활용하여 디랙 스핀논(Dirac spinon) 준입자의 존재를 관측하였으며, 플래토 상태가 Z₃ 대칭성을 갖는 특이한 양자 스핀계와 관련이 있음을 밝혔다. 최광용 교수는 “카고메 스핀 격자에서 자기장을 인가하여 나타나는 1/9 자화 플래토 상태의 구현은 새로운 양자 물질 연구에 중요한 돌파구를 마련하는 성과”라며, “이 연구는 향후 스핀 액체 상태 및 양자 얽힘을 활용한 오류율이 낮고 안정적인 양자비트(qubit) 구현과 위상 양자 컴퓨팅(topological quantum computing) 응용에도 이바지할 것으로 기대된다”라고 강조했다. 본 연구는 기초과학연구원(IBS) Dirk Wulferding, 최성균 박사와 서울대학교 김기훈 교수팀이 공동으로 수행하였으며, 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 진행되었다. 연구 결과는 세계적 학술지 네이처 피직스(Nature Physics, IF:18.1, JCR 상위 5%)에 2024년 1월 12일 온라인 게재되었고, 네이처 피직스의 New&Views에 “A kagome antiferromagnet reaches its quantum plateau” 제목으로 2월 12일에 소개되었다. ※ 논문명: One-ninth magnetization plateau stabilized by spin entanglement in a kagome antiferromagnet ※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41567-023-02318-7 카고메 격자위에 형성된 디랙 스핀논과 자기 곡선에서 관측된 1/9 자기 플래토의 관측
- No. 313
- 2025-03-13
- 1704
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반데르발스 위상 절연체의 확률론적 역전 대칭 붕괴 메커니즘 규명
기계공학과 김태성 교수 연구팀이 성균관대 권석준 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 반데르발스 위상 절연체 내 무작위적으로 발현된 격자 대칭 붕괴 특성을 규명하고, 이를 기반으로 위상 절연체 기반 차세대 양자 암호화 기술 (Physically unclonable function, 이하 PUF)을 개발했다. 4차 산업 혁명의 도래로 인한 인공 지능 (Artifical intelligence) 기술의 발달과 함께 사물 인터넷 (Internet of Things) 해킹으로 인한 피해 및 사례가 증가하고 있다. 이는 일상 속 스마트폰과 같은 디바이스 해킹으로 인한 개인 정보 유출 위험이 존재하기에 보안 시스템 개발이 시급한 상황이다. 하드웨어 기반의 보안 소자 PUF는 반도체 제조 공정에서 발생하는 무작위 물리적 변동성을 활용해 물리적으로 복제 불가능한 고유 인식 키를 생성 가능하며, 소형화된 기기에서도 쉽게 구현 가능하여 IoT 기기의 해킹 방지에 적합하다. 하지만 기존의 PUF 소자는 보안 성능을 높이기 위해, 보안 키가 생성되는 조합의 수를 늘려야 하고, 이러한 보안 키 조합을 증가시키기 위해서는 PUF 하드웨어의 구조를 바꿔야 하는 치명적인 한계가 있었다. 이에 연구팀은 반데르발스 위상절연체의 특성에 주목하여 기존 PUF 소자의 한계를 극복하였다. 위상절연체 (位相絶緣體, Topological Insulator)란 격자 구조의 역전 대칭성 (inversion symmetry)에 의한 위상학적 보호를 기반으로 내부는 절연 특성을, 표면에서는 전기가 흐르는 전도 특징을 갖는 물질로 최근 양자 컴퓨팅 연구에 활발히 활용되고 있다. 이러한 위상학적인 보호를 저온 플라즈마 공정을 통해 최상단층을 황화 (Sulfurization)시키며 원자 단위에서 무작위하게 역전 대칭성의 붕괴를 유도하였고, 이때 무작위하게 발생한 역전 비대칭성의 붕괴는 평면 외 방향의 강유전 분극을 나타냄에 따라, 외부 전력 없이 자가전력으로 작동 가능한 나노 미터 (nm) 수준의 고보안성 PUF 소자를 구현하였다. 또한, 해당 PUF의 보안 성능을 분석한 결과, 0과 1로 구성된 배열 분포 중 “1”이 발생할 확률값이 약 0.5012로 계산되어 암호화에 있어 최적의 무작위성을 확보할 수 있다는 점을 밝혔다. 더 나아가 연구팀은 플라즈마 공정 변수 제어를 통해 평면외 강유전 도메인 및 PUF의 크기를 제어할 수 있음을 압전 응답력 현미경, X-선 광전자 분광법, 투과 전자 현미경 분석 등을 통해 검증하였다. 또한, 연구에서 사용된 저온 플라즈마 공정은 대면적 합성이 가능하다는 장점이 존재함에 따라 해당 암호화 소자가 상용화 및 양산 목적으로도 적합함을 검증하였다. 김태성 교수는 “반데르발스 위상 절연체의 격자 대칭 붕괴 특성을 활용한 차세대 양자 암호화 기술은 단일 플라즈마 공정으로 자가전력 / 고보안성 암호화 성능을 확보할 수 있다”며 “이 기술이 차세대 인공지능 및 양자 보안 플랫폼에 중요한 기반이 될 것”이라고 강조했다. 본 연구에는 기초과학연구원 (IBS) 양자나노과학 연구단, 서울대학교 박정원 교수 연구팀, 파크시스템스 R&D 센터가 공동 연구진으로 참여하였다. 해당 성과는 한국연구재단(NRF)의 지원으로 수행되었으며 재료 과학 분야의 세계적인 학술지인 어드밴드스 머터리얼즈 (Advanced Materials, IF: 29.6, JCR 상위 1% 이내)지에 2월 19일 온라인 개재됐다. ※ 논문명: Stochastically broken inversion symmetry of van der Waals topological insulator for nanoscale physically unclonable functions ※ 논문링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202419927 저온 플라즈마 공정 기반의 반데르발스 위상 절연체의 격자 대칭성 붕괴 / 플라즈마 공정 변수에 따른 확률론적 강유전 도메인 암호화 성능 및 재현성 검증
- No. 312
- 2025-03-07
- 5262
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질 유산균이 생성하는 β-카볼린,염증성 질환 치료의 새로운 가능성 열다
약학과 김기현 교수 연구팀과 하버드 공중보건대학의 Smita Gopinath 교수 연구팀이 공동으로 Lactobacillus crispatus와 같은 질 유산균이 β-카볼린(β-carboline) 계열의 항염증 화합물을 생산하며, 이는 질의 면역 환경을 안정화하는 데 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 이번 연구는 유산균이 단순한 유익균을 넘어 인간의 면역 반응을 직접 조절할 수 있음을 보여주는 중요한 결과로 평가된다. 연구팀은 활성추적분리법을 통해 Lactobacillus crispatus가 생산하는 β-카볼린 계열 화합물을 분석한 결과, 페를롤라이린(perlolyrine)이라는 항염증 물질을 발견했다. 이 물질은 면역 세포와 상피 세포에서 염증 신호 전달 체계를 억제하며, 염증 유발 물질인 IL-1β와 IL-6의 생성을 감소시키는 것으로 확인되었다. 생쥐 실험에서는 페를롤라이린이 염증 반응을 최대 77%까지 감소시키는 강력한 효과를 나타냈다. 이 물질은 건강한 질 미생물 환경에서 더 높은 농도로 존재했으며 세균성 질염(Bacterial vaginosis)을 가진 여성의 경우 낮은 농도로 검출되었다. 연구팀은 생쥐를 대상으로 질 내 염증을 유발한 후 페를롤라이린을 국소적으로 적용한 결과, 주요 염증 사이토카인(IL-1β, IL-18) 분비 감소와 함께 염증 완화 및 생존율 향상 효과를 확인했다. 특히, 바이러스 감염 상태에서도 이러한 효과가 유지되는 점이 관찰되었다. 김기현 교수는 이번 연구가 β-카볼린 계열 화합물이 질염과 같은 염증성 질환 치료제 개발에 활용될 수 있는 가능성을 제시하며 염증을 억제하면서도 면역 체계의 방어 능력을 유지하는 특징을 통해 질 건강 개선과 새로운 치료제 개발의 기반이 될 것이라고 말했다. 또한, β-카볼린은 질 미생물 환경 복구에도 기여할 수 있어 프로바이오틱스 및 프리바이오틱스 연구의 새로운 기준을 제시할 수 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초의과학연구센터(MRC)사업 및 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며 연구 결과는 국제 학술지 Cell Host & Microbe(IF: 20.6, 미생물 분야 JCR 상위 2%, 기생충학 및 바이러스학 분야 상위 1위)에 11월 13일 온라인 게재되었다. ※ 논문명: Vaginal lactobacilli produce anti-inflammatory β-carboline compounds ※ 저널: Cell Host & Microbe(IF: 20.6) ※ 저자명: 김기현(교신저자), 이서윤(공동저자) 그림 1. 항염증 β-카볼린 물질 발굴 및 활성 효능 검증 모식도 그림 2. 활성추적분리법을 통한 항염증 β-카볼린 물질 발굴 그림 3. 헤르페스 바이러스 감염 동물 모델을 이용하여 β-카볼린 물질의 항염증 활성 검증 김기현 교수 연구팀
- No. 311
- 2025-02-25
- 5286
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AI 시대 필수 역량, ChatGPT 리터러시 척도 개발 및 검증
미디어커뮤니케이션학과 이세영 교수 연구팀이 ChatGPT 리터러시 척도 개발 및 검증 연구를 발표했다. ChatGPT는 정보 습득과 창의적 활동 방식을 혁신적으로 변화시켰지만, 사용자의 역량에 따라 활용 효과에 큰 차이가 발생할 수 있다. 이에 연구팀은 ChatGPT를 효과적으로 활용하는 데 필요한 핵심 역량을 정의하고, 이를 측정할 수 있는 ChatGPT 리터러시 척도(ChatGPT Literacy Scale, CLS)를 개발하였다. 이번 연구는 기술적 숙련도, 비판적 평가 능력, 의사소통 역량, 창의적 활용 능력, 윤리적 판단 능력의 다섯 가지 핵심 요소를 중심으로 척도를 구성했다. 연구팀은 전문가 대상 델파이 조사, 대학생 대상 파일럿 테스트, 대규모 설문조사를 통해 척도의 타당성과 신뢰성을 검증했으며, 최종적으로 ChatGPT 활용 역량을 다각도로 평가할 수 있는 25개 항목으로 구성된 척도를 완성했다. 이 연구는 단순한 기술 숙련도를 넘어, AI 활용 능력의 사회적·윤리적 의미를 조명한다는 점에서 중요한 의의를 갖는다. ChatGPT 리터러시는 개인의 학업 성취, 업무 생산성, 창의적 문제 해결 능력에 영향을 미칠 수 있으며, 이를 분석하는 후속 연구의 기반이 될 것이다. 또한 기업과 교육기관이 AI 활용 교육 및 정책을 수립하는 과정에서도 중요한 참고자료가 될 것으로 기대된다. 특히 AI가 다양한 분야에서 의사결정 과정에 깊숙이 개입하는 만큼, 이를 비판적으로 평가하고 효과적으로 활용하는 능력은 필수적이다. AI가 정보 소비와 창작 도구로 자리 잡은 오늘날, AI 리터러시 부족은 오정보 확산, 창의적 사고 저하, 의사결정 오류 등의 문제를 초래할 위험이 있다. ChatGPT 리터러시 척도의 개발은 이러한 문제를 완화하고, AI를 보다 책임감 있게 활용할 수 있는 기준을 마련하는 데 기여할 것으로 보인다. AI가 발전할수록 기술과 인간의 조화로운 공존이 더욱 중요해지고 있으며, 이 연구는 AI 활용의 방향성을 정립하고, 개인과 조직이 AI 기술을 보다 전략적으로 활용할 수 있도록 돕는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. • Development and validation of ChatGPT literacy scale (Current Psychology, https://doi.org/10.1007/s12144-024-05723-0)
- No. 310
- 2025-02-21
- 8739
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가상화폐, 인공지능, 데이터센터용 발전기 내 트랜스포머의 화재를 방지하는 실시간 유(油) 중 아세틸렌 가스 감지 센서 세계 최초 개발
SAITN 전일 교수와 전일 교수 연구실 소속 김시혁 박사는 폴리이미드 (polyimide, 이하 PI)에 탄소나노튜브(carbon nanotube, 이하 CNT)를 내재화(임베딩)하여, 장기간의 오일 환경에서도 박리 없이 안정적으로 작동하는 고감도 아세틸렌(Acetylene, C2H2) 가스 센서를 개발했다고 밝혔다. 일반 대기와 달리, 오일에는 산소 함량이 2% 미만으로 극미량만 존재하므로, 전통적으로 탄화수소계 가스 검지에 활용되던 금속 산화물(metal-oxide) 기반 센서는 이 같은 저산소 환경에서 사용하기 어렵다. 또한 해당 센서들은 구동 온도가 약 300℃ 이상으로 높아야 하며, 분자 크기가 유사한 탄화수소 가스들을 구분해 감지하기 어렵다는 제한점을 지닌다. 이에 비해 CNT 기반 센서는 넓은 표면적과 약한 π-π 결합을 특징으로 하여 산화·환원 반응에 전적으로 의존하지 않고, 반데르발스 힘에 의한 물리적 흡착 원리를 통해 오일 내 가스를 감지한다. 이는 산소가 결핍된 유체 환경에서도 동작할 수 있음을 의미하며, 특히 트랜스포머 오일의 평균 작동 온도인 90℃에서도 우수한 감지 성능을 보인다. 그러나 기존 CNT 기반 센서는 주변 진동이나 오일의 대류 등 장기간의 환경 변동에 노출될 경우, CNT가 센서 표면에서 박리되어 실질적인 적용성이 떨어진다는 문제가 있었다. 더불어, 일반적인 CNT는 계면활성제 잔류물이나 나노튜브 간 번들링(bundling) 현상으로 감지층의 유효 표면적이 감소하여, 센서 감도와 반응·회복 속도 모두 저하되는 한계를 보인다. 전일 교수 연구팀은 국내 유일하며 세계적으로도 최고 수준의 FCCVD(Floating Catalyst Chemical Vapour Deposition) 기반 CNT 나노박막 필름 기술을 보유하고 있으며, 지난 10년간 이를 꾸준히 연구해 왔다. 전일 교수는 고품질의 CNT 필름을 PI 박막에 임베딩하여, 오일 환경에서 장기간 노출되어도 박리되지 않는 센서를 구현하는 데 성공하였다. 또한, 6개월 전에는 PI를 활용한 세계 최고 수준의 유연 CNT 센서를 재료 분야의 권위지인 Advanced Materials (IF: 29.4, https://doi.org/10.1002/adma.202313830)에 보고한 바 있다. 그림 1. (a) PI에 임베딩된 Au-CNT C2H2 가스센서 제작 과정 (b) 제작된 센서 사진 또한, 센서의 특성을 더욱 향상시키기 위해 센서 층 하단부에 히터 층을 멀티레이어로 형성하여, 센서 표면의 온도를 최적 온도인 90도로 효율적으로 유지하였다. 상단부의 센서 부에는 투과율이 높은 얇은 CNT를 사용해 감도를 극대화하였으며, 하단부의 히터 부에는 투과율이 낮은 두꺼운 CNT를 사용해 히터 특성을 극대화하였다. 데모된 센서는 30 ppm의 농도에 노출되었을 때 약 10.4%의 우수한 반응성이 관측되었으며, 유중에서도 각각 444초와 670초의 빠른 반응/회복 속도가 관측되었다. 그림 2. (a) 온도에 따른 센서 반응 특성 (b) 온도에 따른 반응/회복 속도 (c) 5-100 ppm에서의 감도 및 선형성 비교 (d) 90 oC에서의 반복성 (e) 히스테리시스 특성 본 연구팀은 ‘FCCVD CNT를 PI 박막이 임베딩해 센서로 응용한 기술이 유중에서도 CNT가 박리되는 것을 막아장기 안정성을 확보하는데 기여함을 확인하였으며, 향후 CNT 합성 최적화 및 AI 연계를 통해 더욱 향상된 성능의 화합물 센서를 개발 할 수 있다’고 밝혔다. 이번 연구 성과는 재료 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4; https://doi.org/10.1002/adma.202410179)에 지난 11월 28일에 발표되었으며, 지난 4월에 이어 6개월만에 2연속 게재에 성공하는 성과를 이루었다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 과제 및 전일 교수의 창업기업인 ㈜제이랩엔티의 지원으로 수행되었다. ※ 논문제목: Highly Sensitive and Stable In Situ Acetylene Detection in Transformer Oil Using Polyimide-Embedded Carbon Nanotubes ※ 논문 원본파일: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202410179
- No. 309
- 2025-02-18
- 3990
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70 GHz 동작 초고속 스핀 소자 개발
에너지과학과 최경민 교수 연구팀은 카이스트 이경진 교수 연구팀과 협력하여 반강자성체 물질에 기반한 70 GHz 초고속 스핀 소자를 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 초고속 동작 자기메모리 개발을 위한 핵심 원리로 주목받고 있다. 자기메모리 (MRAM)의 0과 1의 정보는 자성체의 자화 방향으로 결정되며, 이 자화 방향을 전기적으로 제어하기 위하여 스핀-토크 (spin-torque) 원리가 이용된다. 스핀-토크는 전자의 스핀이 강자성체로 주입되면 스핀이 강자성체의 자화에 흡수되는 현상으로써, 물질 내부의 각운동량 이동에 관한 원리이다 (그림 1). 자성체에서는 물질의 낮은 공명주파수로 인하여 스핀 토크에 의한 동작 속도가 1 GHz 수준으로 제한된다. 본 연구진은 공명주파수가 높은 반강자성체 물질인 Mn3Sn을 이용하여 기존 자기메모리 속도 한계를 뛰어넘는 70 GHz 속도로 동작하는 스핀-토크 소자를 구현하였다 (그림 2). 이 연구는 원자 구조가 회전하는 형태인 카이럴 반강자성체에서 스핀이 어떻게 흡수되는 지를 밝혔다. 특히, 기존의 강자성체에 비하여 스핀을 흡수하는 거리인 스핀-결맞음 길이 (spin coherence length)가 매우 긴 것을 보여주었다. 이처럼 긴 스핀 결맞음 길이는 스핀 토크 효율을 높이는 효과를 가져온다 (그림 3). 최경민 교수는 “이 연구는 스핀 전류와 반강자성체 사이의 스핀-토크 현상에 관한 구체적인 원리를 제공하여 70 GHz 수준의 고속 메모리 개발을 가능케 하는 발견”이라고 설명했다. 본 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 2월 3일 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 선도연구센터사업 등을 통하여 수행되었다. ※ 논문명: Spin-torque-driven gigahertz magnetization dynamics in the non-collinear antiferromagnet Mn3Sn ※ 학술지: Nature Nanotechnology (IF: 38.1) ※ 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41565-025-01859-7 ▲[그림1] 자기메모리 (MRAM)의 스핀-토크 (spin-torque) 에 의한 동작 개념도 ▲[그림2] 70 GHz 수준의 초고속 동작 구현 ▲[그림3] 카이럴 반가성체 내부에서 스핀-토크 원리 분석 황성문, 이원빈 연구원
- No. 308
- 2025-02-14
- 4470
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코로나바이러스 중화항체의 한계를 극복하는 나노디스크 기반 치료 전략 제시
생명공학대학 권대혁 교수 연구팀(공동 제1저자: 황재현 박사, 최소윤 석사과정)이 나노디스크(nanodisc)를 활용해 코로나바이러스 중화항체의 한계를 극복할 수 있는 혁신적인 방법을 제시했다. 중화항체 치료제는 코로나바이러스와 같은 호흡기 바이러스의 감염을 억제하는 데 효과적이지만, 바이러스의 빠른 변이로 인해 효능이 급격히 저하되는 한계를 가지고 있다. 특히, 국내외에서 개발된 항체 치료제들이 변이 바이러스, 특히 오미크론 변이에 대해 효과를 보이지 못하거나 내성 바이러스를 유발하는 사례는 이러한 한계를 명확히 보여준다. 코로나바이러스 치료제로 전세계에서 수 많은 항체들이 개발되었으나, 현재 유행하는 변이주에 대한 효능이 없어 더 이상 사용되지 않는다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 항체의 Fc 영역에 결합하는 나노디스크를 활용한 새로운 치료 전략을 제안했다. 연구 결과, 나노디스크와 결합된 중화항체는 기존 중화항체를 단독으로 사용했을 때보다 훨씬 강한 항바이러스 효능을 나타냈다. 동물 실험에서도 나노디스크 결합 항체는 폐 조직 내 바이러스 역가를 기존 항체 단독 사용보다 100배 더 감소시키는 결과를 보였다. 특히, 중화 효능이 약한 항체도 나노디스크와 결합함으로써 SARS-CoV-2와 다양한 오미크론 변이에 대해 광범위한 항바이러스제로 활용될 가능성을 보여주었다. 권대혁 교수 연구팀은 독감 바이러스에 대해서도 나노디스크가 항체의 중화능을 획기적으로 증대시킬 수 있음을 밝힌 바 있다. 권대혁 교수는 “기존 중화항체 치료제가 변이 바이러스에 의해 효과를 상실하는 문제는 항바이러스제 개발의 큰 장애물이었다”며, “나노디스크 기반 기술은 바이러스 감염 치료에 혁신적인 접근법을 제공하며, 독감과 코로나바이러스뿐만 아니라 다양한 RNA 바이러스 치료제로 확장 가능하다”고 강조했다. “많은 제약사들이 바이러스 항체치료제를 개발하기 위해 노력하고 있는데 나노디스크와의 결합을 통해 성공 가능성을 높일 수 있다.” 했다. 실제로 연구 내용을 실용화하기 위하여 엠브릭스 주식회사와 함께 코로나바이러스에 대한 항바이러스 치료제 개발을 진행하고 있다. - 연구 협력 및 지원 - 이번 연구는 충북대학교 송민석 교수 연구팀, 생명공학연구원 김상직 박사 연구팀과 공동으로 진행되었으며, 한국연구재단, 한국보건산업진흥원, 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행되었다. ※ 저널: Journal of Nanobiotechnology (IF 10.2, JCR BIOTECHNOLOGY & APPLIED MICROBIOLOGY 분야 상위 4.3%) ※ 논문명: Fc-Binding Nanodisc Restores Antiviral Efficacy of Antibodies with Reduced Neutralizing Effects Against Evolving SARS-CoV-2 Variants
- No. 307
- 2025-02-11
- 4641
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헤테로구조 인터페이스에서 초고속 핫 캐리어 추출 및 확산
화학과 이진용 교수 연구팀(공동 제1저자 김현동 박사과정)은 김지희(부산대학교) 교수가 이끄는 연구팀과 공동연구를 통해 몰리브데넘 이황화물(MoS2)과 금 이종구조의 접합 패턴에 따른 photocarrier dynamics를 규명했다. 해당 연구는 “Ultrafast Hot Carrier Extraction and Diffusion in MoS2/Au van der Waals Electrode Interface” 라는 제목으로 2025년 1월 1일 Science Advances (IF: 11.7)에 게재되었다. 금속 전극은 발광다이오드, 광감지기, 태양전지 등 특정한 전기적 특성을 요구하는 분야에 활용된다. 이 전기적 특성을 조절하는 유용한 방법 중 하나는 반도체 물질과 접합시켜 혼성화시키는 것인데, 이는 접합면의 midgap 상태 또는 반도체 물질의 결함을 유발시키고 photocarrier 수명을 단축시킬 위험이 있다. 이 연구에서는 접합면의 패턴을 각기 다르게 하여 금 단일층이 유도하는 photocarrier 재결합, 이동 및 확산과 같은 dyanmics를 탐구하였다. 이 연구에서는 1. 정상 접합(deposited), 2. 거친 표면 접합(rugged), 3. 평탄면 접합(flat)의 세 가지 경우에 대해 pump-probe 분광법을 활용하여 photocarrier dynamics를 속도론적으로 분석했다. 그 결과 photocarrier의 수명은 평탄면 접합의 경우 가장 길고 정상 접합의 경우 가장 짧은 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 각 경우의 photocarrier dynamics를 예상하였다. 이진용 교수팀은 이들 표면구조에 대해 밀도범함수이론(DFT) 계산을 기반으로 전자 띠 구조 계산 및 전이 쌍극자 모멘트 계산 등을 통해 각 구조의 띠 틈(band gap)을 정량적으로 계산하고 전기적 특성을 규명하였다. 정상 접합 구조에서 높은 전이 쌍극자 모멘트로 인한 전자-정공 재결합 촉진으로 인해 photocarrier 수명이 짧아지는 이론적 근거를 제시하였다. 본 연구에서 확인한 바와 같이 금속 전극 위의 각기 다른 반도체 증착 방법이 실제 산업 현장에서도 띠 틈 조절 용도로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. *논문명:Ultrafast Hot Carrier Extraction and Diffusion in MoS2/Au van der Waals Electrode Interface
- No. 306
- 2025-02-07
- 4582
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가벼운 음주도 위험하다: 성균관대-하버드대 공동연구로 대장암 발생과의 연관성 규명
식품생명공학과 허진희 교수 연구팀은 하버드대학교 보건대학원과의 공동 연구를 통해, 가벼운 또는 적당한 음주*도 대장암 발생 위험을 높일 수 있음을 밝혔다. 특히, 매일 가벼운 음주를 즐기는 사람의 경우, 대장암 발생 위험을 낮추기 위해 최소 14년 이상의 장기간 금주가 필요하다고 설명했다. * 알코올 섭취량 15 g/일 미만 (여성), 30 g/일 미만 (남성) 이번 연구는 미국의 간호사건강연구와 보건의료인추적연구 참여자 약 14만명을 최대 38년간 추적관찰한 대규모 역학연구로, 음주량뿐 아니라 음주 패턴, 주종, 잠복기 및 금주·절주가 대장암 발생에 미치는 영향을 다각도로 면밀히 분석하였다. 기존 연구들은 가벼운 또는 적당한 음주와 대장암 발생 간의 연관성을 명확히 규명하지 못했으며, 개인의 장기적인 음주량 및 음주 패턴을 충분히 반영하지 못하는 한계를 지니고 있었다. 이러한 이유로, 소량 음주가 건강, 특히 대장암 발생에 미치는 영향에 대해서는 학계에서 오랫동안 논란이 이어져 왔다. 이번 연구는 음주량, 음주 패턴, 주종, 잠복기, 그리고 금주 및 절주 등의 측면을 종합적으로 분석한 결과를 제시함으로써 해당 주제에 대한 새로운 통찰을 제공했다는 점에서 높은 평가를 받고 있다. 성균관대 허진희 교수는 “과도한 음주가 대장암 발생의 주요 위험 요인이라는 점은 잘 알려져 있지만, 이번 연구는 가벼운 음주조차도 안전하지 않을 수 있음을 과학적으로 증명했다는 점에서 큰 의의를 갖는 역학 연구”라고 밝혔다. 이어 “음주가 장기간 건강에 미치는 위험과 더불어 금주 또는 절주를 통한 개선 효과를 보기까지도 오랜 기간 걸리는 점을 명확히 확인함으로써, 금주와 절주를 장기간 유지하는 것이 대장암 예방 및 건강증진에 필수적임을 시사한다”고 설명했다. 이번 연구는 미국 국립보건원과 한국연구재단의 지원을 통해 이루어졌으며, 암 연구 분야 저명 학술지인 ‘Journal of the National Cancer Institute’에 2024년 12월 온라인 게재되었다. - 논문명: Drinking pattern and time lag of alcohol consumption with colorectal cancer risk in US men and women - 저널명: Journal of the National Cancer Institute (IF: 10.0, top 8.5% in oncology) - DOI: https://doi.org/10.1093/jnci/djae330
- No. 305
- 2025-02-03
- 10623
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N-헤테로사이클릭 카벤 화합물을 활용한 환경 초안정적 그래핀 바이오 나노트랜지스터 개발
본 연구는 병원체 검출을 위한 고감도, 고안정성 바이오센서를 개발하고자 진행되었다. 기존의 전기적 기반 현장진단(Point-of-Care Tests, PoCT) 장치들이 특정 바이오마커 검출 시 민감도와 특이도가 낮은 문제를 해결하기 위해, 그래핀 기반 나노트랜지스터를 활용한 바이오센서를 제안하였다. 그래핀 미세패턴 전계효과 트랜지스터에서 그래핀 채널상에 카벤화합물 (N-heterocylic carbene; NHC) 자기조립 단일층 (SAM) 형성시키는, 그래핀의 표면 개질, 기술을 개발하여 화학적 안정성과 바이오리셉터 부착 효율성을 높였다. 이는 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 다양한 파생화합물들을 발굴하고, 다양한 카벤화합물의 결합을 이론적, 실험적 검증을 통해 가장 안정적이고, 이상적인 화합물을 선정하여 적용함으로써, 표면에 안정적으로 결합하는 구조를 증명했다. 특히나, 카벤 화합물의 구조에서 친수성/소수성 층을 가짐으로써 안정성을 향상시키고, 비타겟 물질로 인한 간섭을 줄이는 효과를 얻었다. 카벤화합물로 개질화된 그래핀 나노트랜지스터 상에 항체나 단백질 수용체를 결합시켜 O. tsutsugamushi (쯔쯔가무시증균), E. coli (식중독균)및 SARS-CoV-2 (COVID-19) 바이러스를 100 cfu/mL 및 10 pg/mL의 미량 검출을 고성능으로 검출했으며, 임상시료를 활용해서 상용화 진단 키트 대비 약 100배 이상의 민감도를 보여주며, 높은 재현성과 성능을 입증하였다. 이를 통해, 향후 팬데믹을 포함한 고전파 감염시대에서 신속한 진단 기술로 활용 가능성을 보여주었다. 카벤화합물을 활용한 그래핀 나노트랜지스터 개발 모식도 DFT 시뮬레이션을 통한 카벤화합물 라이브러리 상: 쯔쯔가무시증균 및 식중독 균 검출 결과 하: COVID-19 배양 및 임상시료 검출 결과 휴대용 기기를 활용한 병원 현장 실증 상: 음압병실현장, 휴대용 기기, 일회용 키트) 하: 신속진단키트LFA와의 성능비교 결과
- No. 304
- 2025-01-31
- 2955
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광생물조절 나노베지클 기반 피부 재생 기술 개발
성균관대학교 화학공학부 방석호 교수 연구팀은 특수 조건이 적용된 적색광을 조사한 인간 지방 유래 줄기세포에서 추출한 나노베지클 (R-NV)을 활용하여 노화된 피부 섬유아세포의 기능을 젊은 세포의 수준으로 반전시키는 기술을 개발했다. 이 연구는 피부 노화 방지와 상처 치유 분야에서 기존 치료법의 한계를 극복하고, 치료의 유효성을 향상시킬 수 있어, 재생 의학 및 바이오 기술 산업에 새로운 가능성을 제시하였다. 이번 연구는 특수 조건의 적색광 조사가 기존 나노베지클 생산법에 용이하게 접목될 수 있음을 보임과 동시에 나노베지클이 피부 재생 및 치료의 유효성을 세포 역노화에 기초하여 향상시킬 수 있음을 입증했다. 연구 결과는 약학 분야의 저명 학술지인 Journal of Controlled Release (IF: 10.5, JCR: 3.2%)에 2024년 3월 온라인 게재되었다. 피부 섬유아세포는 피부의 탄력과 치료능력을 유지하는데 중요한 역할을 하지만, 세포 노화가 진행됨에 따라, 섬유아세포의 이동, 증식, 상처 치유능력이 감소한다. 이러한 현상은 만성 상처와 같은 난치성 피부 질환의 주요 원인으로도 일컬어지다. 이를 극복하기 위해 방석호 교수 연구팀은 줄기세포 유래 나노베지클을 이용한 새로운 접근법을 제안했다. 연구결과, 연구팀은 특수 조건의 적색광(630nm) 조사가 줄기세포 내 스템니스(stemness) 인자, 혈관생성 관련 mRNA/단백질, 그리고 역노화(Rejuvenation) 관련 miRNA를 증가시킨다는 사실을 확인했다. 적색광 조사를 통해 생성된 나노베지클(R-NV)는 기존 나노베지클보다 월등히 높은 치료 효과를 발휘하였으며, R-NV가 처리된 노화 섬유아세포의 이동성과 증식성이 젊은 세포 수준으로 회복됨이 확인되었다. 이는 적색광 조사 기반 광생물학 기법이 나노베지클의 치료능을 향상시키는 것에 기여할 수 있음을 보임과 동시에, 노화된 세포를 재활용하여 재생 치료제의 효율을 높인다는 의미를 가진다. 동물 실험 결과를 통해, R-NV가 처리한 섬유아세포는 기존 나노베지클을 처리한 세포나 젊은 섬유아세포에 비해 빠르고 효율적인 상처 치유 효과를 보였다. 광생물 조절기법을 통해 치료능이 향상된 나노베지클은 인간 지방에서 쉽게 추출 가능한 줄기세포를 이용해 경제적이며, 외부 물질이나 화학 약품의 개입 없이도 특수 조건의 적색광을 이용해 간편하고 효과적인 치료효율가 가능하다. 또한 적색광 조사는 기존 세포 배양 시스템 및 나노베지클 생산단계에 손쉽게 적용될 수 있어 치료제 생산에 대한 새로운 플랫폼을 제시했다. 방석호 교수 연구팀은 향후 R-NV가 조직 재생, 노화 방지, 상처 치유라는 장점을 통해 다양한 방식으로 바이오 의약품 및 화장품 산업에 접목되어 새로운 혁신을 가져올 것으로 예상하였다. 또한 현재 임상에서 사용되는 섬유아세포 기반 치료법이 환자 본인의 세포를 사용하는 자가치료 방식에 제한되어 있음에도 불구하고, 자연 노화로 인해 섬유아세포의 치료 효능 자체가 감소하는 등의 문제가 존재하는데, 연구팀이 개발한 R-NV 기술이 노화된 섬유아세포의 기능 회복을 촉진하여 치료 효율을 크게 높임으로써 해당 문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 예상된다. 논문명: Fibroblast function recovery through rejuvenation effect of nanovesicles extracted from human adipose-derived stem cells irradiated with red light 주저자: 현지유 박사(1저자), 방석호 교수(교신저자)
- No. 303
- 2025-01-23
- 4476
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저산소증과 나노플라스틱의 동시 노출이 담수 물벼룩의 산화 스트레스 매개 시스템에 나타내는 네가티브 시너지 효과
생명과학과 이재성 교수 연구팀 (이요섭 [공동 제1저자; 석박통합과정], 김덕현 [공동 제1저자; 박사])은 해양 탈산소화 (ocean deoxygenation)와 나노플라스틱 (nanoplastics) 동시 노출이 동물성 플랑크톤 물벼룩 (Daphnia magna)의 산화스트레스 (oxidative stress)와 항산화 효소 (antioxidant enzyme)량을 증가시키는 데 있어서 시너지 효과를 나타낸다는 사실을 규명하였다. 연구팀은 물벼룩을 모델 생물로 활용하여 저산소증 (hypoxia)과 나노플라스틱 노출 시 생리적 반응과 산화 스트레스의 메커니즘을 분석하였다. 실험을 통해 저산소증과 나노플라스틱이 단독으로 작용할 때보다 동시 노출 시 활성 산소종 (reactive oxygen species)과 항산화 효소 활성도가 더 크게 증가했음을 보여줌으로써 훨씬 높은 수준의 산화 스트레스가 나타났음을 규명하였다. 또한 이러한 스트레스가 물벼룩의 생식과 성장에 심각한 영향을 미치며, 단일 요인에 노출되었을 때보다 더 높은 생식 능력 저하와 성장 장애를 유발하였음을 관찰하였다. 분자 수준 분석 결과, 동시 노출 조건에서 HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor 1-α), NF-κB (Nuclear Factor Kappa B), 및 MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinase) 경로가 복합적으로 활성화되었으며, 이는 저산소증 및 나노플라스틱의 동시 노출이 복잡한 분자적 관계를 통해 생리적 영향을 증폭시키는 과정을 보여준다는 점을 확인하였다. 이러한 분자 경로를 통해 물벼룩의 생리학적 기능 손상 및 산화 스트레스 조절 메커니즘을 포함하여 전반적인 생체 기능이 더욱 악화되었다는 결론을 도출하였다. 환경 스트레스 요인은 단독으로도 생태계에 큰 영향을 미치지만, 여러 요인이 동시에 작용할 때 복합적인 영향이 더욱 심각하게 나타날 수 있다. 본 연구는 산소가 부족한 환경 (예, hypoxia)에서 나노플라스틱 오염으로 인해 산화스트레스 등 수중 생태계에 미치는 부정적인 영향이 증폭될 수 있음을 시사한다. 이재성 교수는 “민물 생태계에서 핵심 역할을 하는 물벼룩의 생식 능력과 성장 저하가 이어지는 문제는 생태계 안정성에 심각한 위협이 된다”며 “저산소증과 나노플라스틱 노출이라는 환경 요인의 동시 작용이 생물학적 시스템에 어떻게 중대한 영향을 미치는지에 대한 통찰을 제공하며, 이러한 복합적 요인을 종합적으로 고려하여야 한다”고 강조했다. 본 연구는 이재성 교수의 한국연구재단 중견연구과제와 김덕현 박사의 기초연구과제로부터 지원받아 수행되었으며, 연구 결과는 환경과학 분야의 학술지 Marine Pollution Bulletin (담수 및 해양생물학 분야 JCR 상위 4.20%, 5/119)에 4월 3일(수)에 온라인 게재되었다. * 논문명: Combined exposure to hypoxia and nanoplastics leads to negative synergistic oxidative stress-mediated effects in the water flea Daphnia magna * DOI: https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.116306 [그림 1] 물벼룩 Daphnia magna와 동시 노출에 의한 분자적인 영향에 대한 모식도 [그림 2] 동시 노출에 따른 in vivo 결과 및 산화스트레스의 형광 발현도 [그림 3] 동시 노출에 따른 시그널링 및 유전자 네트워크 변화 및 모식도
- No. 302
- 2025-01-15
- 3945
