성균관대학교

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  • 순수 유기염료를 이용한 고효율 박막 태양전지의 개발

    화학과 류도현 교수

    순수 유기염료를 이용한 고효율 박막 태양전지의 개발

    자연과학대학 화학과 류도현 교수 연구팀은 이번 연구에서 순수 유기물질인 새로운 인돌린 염료들을 합성 하였고 이들을 광활성층의 두께가 2 마이크로미터(μm) 이하인 얇은 박막 염료감응 태양전지에 적용하여 세계 최고인 9.1% 광에너지 전환 효율을 달성하였다. 투명성, 다채로운 배색과 유연성을 가지며 실내에서도 작동 가능한 염료감응형 태양전지는 건물 일체형 태양광 발전 시스템(BIPV)에 적합하고 다양한 응용 가능성으로 많은 연구자들의 관심을 받아왔다. 이를 위해서는 높은 효율의 얇은 박막형 태양전지 개발이 중요하지만 지금까지 개발된 유기염료들은 10마이크로미터(μm) 이상의 두꺼운 박막에서 높은 에너지 전환효율을 보이는 반면 얇은 박막에서는 효율이 떨어져서 비용효율 측면에서 바람직하지 못하였다. 이번 연구를 통하여 평면 구조를 가진 새로운 인돌린 기반 유기 염료 물질들을 디자인 할 수 있었고 합성에 성공하였다. 이 때 중간 연결 물질의 알킬 사슬 길이를 다양하게 조절하여 알킬 사슬 길이와 태양전지의 효율에 관여하는 요소들의 상관관계를 조사하여 두께가 얇아짐에 따라 태양전지의 전하 주입 효율이 광에너지 전환 효율을 결정한다는 것을 밝혀내었다. 연구를 주도한 화학과 류교수는 “이번 연구의 의의는 그동안 두꺼운 박막에서 고효율을 보이던 유기염료들의 단점을 극복하여 얇은 박막에서 고효율을 가진 새로운 유기 염료감응 태양전지를 개발한 것”이라며 “또한 처음으로 평면구조를 가진 유기염료에 붙은 알킬사슬의 길이가 광에너지 전환 효율에 어떻게 영향을 주는 지를 밝힘으로써 새로운 유기염료 구조의 디자인에 나아가야할 방향을 제시해주었다”이라고 밝혔다. 본 연구에는 울산과학기술대학교 화학과 권태혁 교수 연구팀이 공동으로 참여하였으며, 연구 결과는 소재 과학 분야 세계적 권위의 학술지 'Advanced Functional Materials'에 10월 10일자 표지논문으로 게재됐다. 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업의 지원으로 수행되었다. *논문명: Indoline-Based Molecular Engineering for Optimizing the Performance of Photoactive Thin Films

  • 미세유체 액적 기반의 아조벤젠 마이크로 입자 제작을 통한 꽃잎의 구조색 구현 기술 개발

    화학공학/고분자공학부 유필진 교수 ·여선주, 박경진 연구원

    미세유체 액적 기반의 아조벤젠 마이크로 입자 제작을 통한 꽃잎의 구조색 구현 기술 개발

    자연의 생물체들은 오래 전부터 색을 통해 주변 환경과 소통을 하고, 실제로 이러한 빛에 의해서 역사적으로 선택적인 발전 및 진화를 해왔다. 아름다운 색을 내기 위해 색소를 이용할 수도 있지만, 많은 자연의 생물체들은 빛의 회절, 간섭, 산란과 같은 광학 현상에 의한 구조색을 활용하고 있다. 특히, 꽃은 규칙적인 곡면의 회절 격자 구조에 의해 무지갯빛의 색을 발하고, 이로 인해서 벌들이 꽃을 찾아 수분을 하게 된다. 한 예로, 본 연구에서 주로 참고한 수박풀꽃은 빨간색의 색소를 가진 부분과 함께 전반적으로 흰색을 띄고 있는데, 이 빨간색에 해당하는 부분은 독특한 회절 격자 구조에 의해서 무지갯빛을 내지만, 흰색을 띄는 부분은 격자 구조가 없어 무지갯빛을 띄지 않는다. 많은 자연 생물체들이 활용하고 있는 구조색을 모사하기 위해 지난 십 년 간 마이크로 입자에 구조색을 인코딩하는 연구가 활발히 진해되어 왔지만, 대부분 콜로이드 나노입자의 자가조립 구조체에 기반을 두고 있어 다양한 구조색 기술을 향상시키는 데 한계가 있어왔다. 또한, 콜로이드 나노입자 기반의 구조색 구현은 3차원의 광학 현상, 즉 브랙 회절(Bragg diffraction)이나 앤더슨 국부화(Anderson localization)에 기인하고 있어 단색의 구현에만 적합하다는 단점이 있다. 상대적으로 꽃잎의 구조색의 현상, 즉 표면의 회절 격자에 의한 다양한 구조색 구현에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 꽃잎의 구조를 모사한 다양한 회절 격자 기반의 구조색 구현을 위해, 먼저미세유체 시스템을 이용하여 아조벤젠 고분자로 이루어진 마이크로 입자를 제작하였다. 그리고 아조벤젠 고분자의 독특한 성질 중 하나인 방향성 광유체화(directional photofluiziation) 현상을 이용하여 아조벤젠 마이크로 입자 표면에 다양한 표면요철격자(surface relief gratings)를 새겨 3차원의 인공 물질 구조를 성공적으로 제작하였다. 기존의 bulk emulsification 방법과는 다르게 미세유체 시스템을 활용하게 되면 크기 조절이 용이하면서도 매우 균일하고 매끈한 마이크로 입자를 생성할 수 있다. 또한, 사용된 용매, 고분자 농도, 유속 등의 조건에 따라서 라즈베리, 아콘, 구형과 같은 다양한 모양의 마이크로 입자를 형성할 수 있다. 형성된 구형의 마이크로 입자에 1차 간섭 패턴을 가진 편광 빛을 조사하게 되면 검게 보이던 마이크로 입자가 1차, 2차 회절 모드가 생기게 되면서 아주 예쁜 색을 띄는 것을 확인할 수 있다 (그림). 두 간섭 빔의 입사각을 조절하여 1차 표면요철격자의 간격 또한 조절할 수 있으며, 1차 회절 빛을 회전시켜가며 반복적으로 빛을 조사하게 되면, 1차뿐만 아니라 4각형(tetragonal), 6각형(hexagonal), 준결정형(quasi-crystal)의 다양한 2차 표면요철격자도 새길 수가 있다. 게다가, 아조벤젠 고분자의 표면 제한적인 광유체화 성질을 이용하여 위아래가 다른 표면요철격자를 가지는 야누스 입자도 생성할 수 있다. 따라서, 본 기술은 여러 변수를 통하여 구조색 재현에 다양성을 부여하였으며, 인코딩, 센서 등의 실질적 응용에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Advanced Materials’ 5월 6일자에 온라인 게재되었다. *논문명: Microfluidic generation of monodisperse and photoreconfigurable microspheres for floral iridescence-inspired structural colorization *연구팀: 이승우(교신저자, 성균관대 교수), 유필진(교신저자, 성균관대 교수), 여선주(제1 공동저자, 성균관대 박사과정), 박경진(제1 공동저자, 성균관대 석박통합과정), Kai Guo(공저자, 성균관대학교 박사후연구원) *관련 영상 초록: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-4095/homepage/video/2089_video_abstract_gallery.html

  • 세계최고 민감도 진동인식소자 개발

    화학공학/고분자공학부 김태일 교수

    세계최고 민감도 진동인식소자 개발

    음성인식을 활용한 보안, 기기작동, 안전 분야 상용화 기대 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀은 금속박막의 미세 균열의 구조를 제어함으로써 기존에 비해 민감도* 및 신호대잡음비*가 대폭 향상된 유연 센서를 개발하였다. 상용화된 센서는 기존 반도체공정인 MEMS ( Microelectromechanical system) 기술로 만들어지므로 상대적으로 고가이면서 민감도에 한계를 지니고 있었다. 본 연구진은 금속, 고분자의 이중층으로 이루어진 나노균열센서를 개발하여 관련 스트레인게이지센서 (strain gauge sensor)의 새로운 방향을 제시한바 있다. (Ultrasensitityve mechanical crack based sensor inspired by spider sensory system, Nature, 516, 222 (2014)) 이를 발전시켜 본 연구진은 나노 균열이 가지는 구조를 제어 할 수 있는 방법을 제시하여, 균열의 구조적 요소 중 ‘깊이’만을 제어함으로써 게이지 율* 16,000이 넘는 높은 민감도를 가진 센서를 개발하였다. 특히, 수 nm 영역의 변위를 갖는 미세한 기계적 자극(진동 및 압력)을 읽어 들이는 것이 가능하게 되었고, 이는 세계최고의 민감도를 가지는 진동 및 압력센서이다. 이를 이용하여 미세한 기계적 생체 신호의 예로서 성대의 진동에 의한 목의 떨림까지도 명확하게 감지할 수 있음을 보였다. 목 피부에 센서를 부착하고 각기 다른 연속적인 음계를 발성했을 때, 각 음계를 또렷하게 인식하여 기타 전기적 노이즈에도 영향 받지 않는 두드러진 신호를 얻어낸 것을 보였다. 이러한 연구 결과는 신체의 미세한 움직임을 감지하거나, 최근 보안 등을 통해 각광받고 있는 목소리 음성 인식에 기여하여 산업에도 응용 가능성이 있음을 시사한다. 본 연구는 해당 연구는 료분야 최정상 학술지인 어드밴스드 머트리얼지(Advanced Materials, IF 18.96)에 2016년 10월개제되었으며 속표지커버논문으로 발표되었다. 제목은 Dramatically Enhanced Mechanosensitivity and Signal-to-Noise Ratio of Nanoscale Crack-Based Sensor: Effect of Crack Depth (균열의 깊이 , 제어를 이용한 높은 기계적 민감도 및 신호대잡음비를 갖는 미세 균열 센서) 이다. *민감도(sensitivity): 센서가 감지해낼 수 있는 최소 자극 크기 *신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR): 신호(signal)와 잡음(noise) 에너지의 비율. 값이 클수록 신호 해석에 유리하다. *게이지 율(gauge factor, GF): 일반적으로 센서의 감도를 나타내는 척도. 단위변형당의 저항변화율로 표시됨. GF=(ΔR/R0)(1/ε)

  • 자신을 나누어 헌신과 관용의 가치를 얻는 ‘Self-Giving’

    경영전문대학원 구민정 교수

    자신을 나누어 헌신과 관용의 가치를 얻는 ‘Self-Giving’

    ‘기부’는 사전적으로 자신의 소유한 것을 다른 사람들에게 주는 것을 뜻한다. 하지만, 기부는 그 내용이나 방법에 따라 기부자가 그 기부가 얼마나 자신을 표현하는가, 즉 자신의 “에센스”를 담고 있다고 느끼는지가 달라진다. 예를 들면 혈액이나 장기를 기부한다거나, 의복과 같은 소유물을 기부하는 것은, 비슷한 가치의 돈을 기부하는 것보다 훨씬 본인의 “에센스”를 담고 있어, 보다 “자신을 나누는 행동” (Self-Giving)이라고 느낀다. 또한, 본인의 이름을 적어 기부하는 청원 운동 참여도, 이름 없이 그냥 ‘좋아요’ 클릭을 하는 것보다 훨씬 본인의 “에센스”가 담겨있는 기부 행동이라고 사람들은 느낀다. 본 연구는 이러한 본인의 에센스를 담은 특별한 형태의 기부인 “Self-giving”이 다른 형태의 기부에 비교했을 때 기부자에게 어떻게 다른 경험과 결과를 가져오는지를 연구하였다. 연구팀은 self-giving이 기부자로 하여금 1) 스스로가 더 너그럽고 관용적인 사람(generosity)으로 느껴지게 하고; 2) 또한 그 기부에 헌신적인(commitment) 사람으로 느껴지게 한다고 주장한다. 즉, 헌혈을 한 사람은 비슷한 가치의 돈을 기부한 사람보다 본인이 더 관용적인 사람이며 더 헌신적인 사람으로 느낀다는 것이다. 왜 그럴까? 이는 첫째, self가 내재되어 있는 기부의 경우 그 기부가 더 주관적으로 가치 있다고 여겨지기 때문이다. 예를 들어, 사람들은 본인이 오랫동안 소유를 한 물건일수록 그 물건이 더욱 가치가 있다고 여긴다 (예: 오래 소장한 반지). 본인의 기부가 더 가치 있다고 느끼기 때문에 기부자 스스로 본인이 더 관용적인 사람이라고 느끼게 되는 것이다. 둘째, self-giving은 자연스럽게 기부자와 기부, 또한 기부자와 기부대상간의 연관성을 높여서 본인이 더 기부하는 행동과 기부 대상과 깊은 연관이 있다고 느끼게 하기 때문이다. 예를 들어, 혈액을 기부하는 행동을 통해, 기부자는 스스로 기부행동과 기부대상과 밀접하게 연관되어 있다는 self-concept을 형성하게 되어, 더 헌신적인 사람으로 느끼게 되는 것이다. Self-giving은 이와 같은 헌신과 관용의 가치 증대를 통해 결국 장기적으로 기부자가 첫 기부 후에도 계속적으로 기부를 하게 하는 원동력이 될 수 있다. 본인이 관용적이고 헌신적인 사람이라고 느낄 때 사람들은 이렇게 변화된 자아 개념 (self-concept)에 부합하는 행동을 하게 되는 경향이 있기 때문이다. 본 연구는 이와 같은 Self-giving의 효과를 연구하기 위해, 장기 VS 단기 소유물의 기부, 기명 VS 무기명 서명, 헌혈 VS 금전 기부 등 크게 세 가지로 나누어 실험 연구를 진행하였다. 장기 소유물 VS 단기 소유물 ‘아프리카 아동들에게 펜 보내기’ 사람들은 본인의 소유물이 자신을 나타낸다고 믿는다. 더 오랫동안 소유를 한 물건, 즉 self가 더 연관되어 있는 물건을 기부할 때, 어떤 효과가 나타날까? 본 연구팀은 103명의 한국 대학생들을 상대로 소비자 조사를 실시하였다. Self-giving의 정도 (즉, 기부가 얼마나 self에 연관되어 있는가)를 조작하기 위해, 펜을 소유한 시간을 조작하였는데, 구체적으로 한 집단의 참가자들에게는 조사 시작 전 펜을 선물로 주고, 다른 집단의 참가자들에게는 조사 종류 후 펜을 선물하였다. 조사 종료 후에는 모든 참가자들에게 아프리카 어린이들에게 펜을 기부하는 캠페인을 소개하고 본인이 선물 받은 펜을 기부할 것을 권유하였다. 그 결과 조사 전에 선물 받은 펜을 기부한 참가자들이 (즉, 보다 오랜 시간 펜을 소유했었던 참가자들) 조사 후에 받은 펜을 기부한 사람들에 비해 스스로를 더욱 헌신적이며(Commitment)과 관용적인 사람이라고(Generosity) 평가하였다. 서명 운동: 기명 VS 무기명 서명 장애인 고용 촉진을 위한 ‘장애인 판매 과자 구매 및 서명 운동’ 소아 환자를 위한 ‘병원 학교 설립 서명 운동’ 본인의 아이덴터티를 가장 잘 나타내주는 것 중에 하나가 이름이다. 따라서, 이름을 기부하는 것, 즉 서명에 참여한다 던지, 이름을 적은 메세지 카드를 함께 기부하는 등의 행동은 Self-giving의 전형적인 예라고 할 수 있다. 연구팀은 위캔 (WECAN)의 장애인 고용 촉진을 위한 ‘장애인 판매 과자 구매 및 메시지 적기 캠페인’과 병원 내 어린이 환자를 위한 ‘병원 학교’ 설립 서명 캠페인을 실시하여, 기명과 무기명 두 가지 경우로 나누어 참가하게 하고, 기부 후 기부자 스스로가 어떻게 느끼는지에 대해 비교 분석하였다. WECAN의 메시지 적기 운동과 병원 학교 설립 서명운동 모두 신원을 밝히면서 메시지를 남기거나 서명한 참가자들이 무기명으로 참가한 참가자들보다, 스스로를 더 헌신적이고(Commitment) 관용적인(Generosity) 사람으로 인식했다. 병원 학교 설립 서명운동의 경우, 참가자들에게 후속 서명에 참여할 의사를 물어보게 되는데, 본인의 신원을 밝히고 이름을 서명한 경우, 차후에 진행될 후속 서명 운동에 참여도가 무기명으로 서명한 참가자들 집단보다 20%가 더 높아졌다. 즉, 본인을 헌신적으로 관용적인 사람으로 인식하게 되면서 이렇게 긍정적으로 변화된 자아 개념에 부합하는 행동을 하게 되는 것이다. 헌혈 VS 금전 기부 신체의 일부를 기부하는 헌혈은 대표적인 self-giving의 예이다. ‘헌혈’을 했다고 상상한 참가자들과 동등한 가치의 현금을 기부했다고 상상한 참가자들을 반응을 비교하였을 때, 헌혈의 경우 참가자들을 스스로를 더 헌신적(Commitment)이고 관용적(Generosity)이라고 인식하였다. 본 연구는 이렇게 다양한 self-giving의 형태를 비교 연구하여 기부자가 오래 소유한 물건, 혈액과 같은 기부자의 신체의 일부, 또한 기부자의 정체성을 드러내는 이름 기부와 같이 기부자와 밀접한 관련이 있는 기부의 형태가 기부자의 자아개념을 보다 긍정적으로 바꾸어, 궁극적으로 지속적인 기부의 효과를 높이는데 도움이 되는 것을 알려준다. 스스로를 관용적이고 헌신적인 사람으로 인식하는 것, 이것이 한번의 기부로 끝나지 않고 지속적으로 그러한 사람이 될 수 있는 기회를 제공하는 중요한 열쇠가 되는 것이다. 이 연구는 2016년 2월 Social Psychological and Personality Science 지에 게재되었다.

  • 나노+면역 융합기술로 맞춤형 면역세포기반 항암치료기술 향상

    성균나노과학기술원 임용택 교수

    나노+면역 융합기술로 맞춤형 면역세포기반 항암치료기술 향상

    생체내의 면역시스템을 모방한 나노소재 (Advanced Functional Materials) 암 항원 및 면역활성화 물질의 전달효능 향상을 통한 치료용 면역세포 활성화 기술 항암면역치료기술은 암세포 조직 내에서 활성화 된 면역세포가 림프기관으로 이동하여, 암을 공격할 수 있는 T세포 (CTL) 등에 암에 관한 정보를 전달하여 최종적으로 암의 사멸을 유도한다2010년도에 FDA에 의해 승인된 수지상세포 (Dendritic cells)기반 항암치료기술은 면역세포를 면역활성화 기법을 통하여 체외에서 활성화시킨 후에, 환자의 몸에 주입하는 방법이다. 하지만, 이러한 체외 활성화 방법은 고가의 처리비용과 낮은 치료효과라는 치명적 단점으로 인하여, 널리 활용되지 못하고 있다. 그 이유는 T세포에 항원을 제시하는 기능을 담당하는 수지상 세포의 낮은 활성화 효능, 항원의 낮은 전달효율, 림프기관으로 이동성의 부족 및 낮은 T 세포 활성화 효능 과 연관되어 있다. 이번 연구에서 본 연구진은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 생체 내의 면역시스템인 항원과 항체의 특정결합물인 면역 복합체(immune complex)의 면역유도 메커니즘을 모방하면서, 면역활성화 물질을 함유하는 나노복합체를 개발하였다. 본 연구에서 나노복합체 개발을 위해 사용된 첫번째 전략은, 항원(OVA)와 항체(anti-OVA-antibody)의 특정결합물질인 면역 복합체 (immune complex, IC)를 이용하여 Fc 감마 리셉터 매개 세포 내 전달 (FcƳR-mediated uptake)로 인해서 항원의 전달능력 향상, 수지상 세포의 림프기관으로의 이동성, 항원교차제시 (antigen cross-presentation)을 증가시키고자 하였다. 두 번째 전략으로는 면역활성화소재로 잘 알려진 톨 유사 수용체 9 의 작용 체 (TLR9 agonist, CpG ODN)을 이용하여 수지상 세포의 활성화를 더욱 증가시키고자 하였다 (그림 1). 본 연구진은 최종적으로, 이러한 나노복합체 EG7-OVA 소동물 모델을 이용하여 수지상세포의 활성화, T 세포의 활성화 및 암 세포 사멸 효능을 확인 하였다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 학술지 ‘ Advanced Functional Materials’ 9월 27일에 온라인으로게재되었다. *논문제목: Immune complexes mimicking synthetic vaccine nanoparticles for enhanced migration and cross-presentation of dendritic cells. *참여연구진: 임용택(교신저자, 성균관대 교수), 김선영(제1저자, 성균관대 석박통합과정), Hathaichanok Phuengkham(공저자, 성균관대 박사과정), 노영욱(공저자, 성균관대 연구교수), 이홍근(공저자, 성균관대 학부과정), 엄숭호(공저자, 성균관대 교수).

  • 초음파와 빛으로 제어되는 나노의약품으로 난치성질환 치료

    화학공학/고분자공학부 박재형 교수

    초음파와 빛으로 제어되는 나노의약품으로 난치성질환 치료

    1. 빛에 의해 제어되는 암 표적형 스마트 금나노캡슐 (ACS Nano) - 빛을 이용한 원격제어로 열과 활성산소종을 동시에 발생시켜 생체내 암세포를 선택적으로 제거하는 스마트 금나노캡슐을 세계 최초로 개발하고 그 작동 원리를 규명 기존의 암 치료에 사용되고 있는 대표적인 치료법인 항암화학요법과 방사선 요법, 광역동치료 등의 제한적 치료효과와 치명적인 부작용 문제를 해결하기 위해, 최근 나노기술기반 의약품(나노의약품)을 이용한 항암치료 요법이 부각되면서 기존의 치료 요법들을 대체할 것으로 기대되고 있다. 하지만, 생체 내 간을 비롯한 정상조직으로의 축적으로 인해 부작용이 유발될 수 있으며, 특히 광역동치료의 경우, 사용되는 광감각제가 정상조직에 잔존하여 직사광선에 의해 활성화되기 때문에 극심한 부작용이 발생할 수 있어 치료 과정 동안에 암실에서 생활해야 하는 불편함이 따랐다. 광열치료는 근적외선에 의해 열이 발생되는 광열소재를 이용하여 암세포들을 괴사시키는 치료기술로, 수술이나 화학치료법을 사용할 때 발생하는 고통과 부작용을 줄일 수 있어 최근 새로운 치료기술로 주목을 받고 있다. 그러나 종양 부위로의 광열소재의 정확한 전달이 어려워 정작 의료현장에서는 광열치료법을 활용하기 어려운 실정이다. 체내의 종양 부위를 능동적으로 표적 할 수 있는 안정한 나노크기의 광열소재를 이용하여, 빛에 의해 선택적으로 암 조직에서만 활성산소종을 발생시킬 수 있을 경우, 기존 나노의약품의 한계를 극복한 새로운 치료법의 개발이 가능하다. 따라서, 본 연구팀은 기존 광역동치료의 한계를 극복하고 종양 부위에서의 광열치료를 동시에 가능케하기 위하여, 빛에 의해 원격 제어되어 광열치료 및 광역동치료를 통해 종양을 완벽히 치료할 수 있는 금/히알루론산 나노입자기반의 나노캡슐을 개발하였다. 체내의 정상조직에 잔존하고 있는 광감각제가 가시광선에 의해 활성화 됨에 따라 여러 부작용과 불편을 유발했던 기존 치료요법과 달리, 본 연구는 빛에 감응하여 원격으로 광열효과 및 활성산소종 발생을 유도하는 금나노캡슐을 이용하였다. 이러한 금나노캡슐은 체내의 종양부위를 능동적으로 감지하고, 외부의 빛에 감응하여 광열효과 및 그로 인해 증가된 활성산소종 발생을 통해 종양만을 공격함으로써 기존 치료요법들의 한계를 극복하고 획기적인 항암치료효능을 보이는데 성공했다. 본 연구의 금나노캡슐은 생체적합성과 암표적성이 뛰어난 히알루론산 기반 나노입자에 금이 도포된 형태로서 캡슐의 안정성을 증가시켜 무분별한 광감각제의 방출을 억제하였으며, 체내에 투여 시 안정성이 우수하고 암 조직을 능동적으로 탐지할 수 있음을 종양 동물모델을 통해 확인하였으며, 빛에 반응하여 도포된 금이 선택적으로 붕괴되어짐을 통해 내부의 광감각제가 방출됨을 관찰하였다. 이상의 결과로부터, 외과적 수술이나 부작용이 심한 항암제등을 대신하여, 금나노캡슐을 주사 한 후 빛을 이용하여 암 조직을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 세계적인 학술지 ACS Nano 11월 16일자에 온라인 게재되었다. *논문명 : Gold-Nanoclustered Hyaluronan Nano-Assemblies for Photothermally Maneuvered Photodynamic Tumor Ablation *연구팀 : 박재형(교신저자, 성균관대 교수), 한화승(제1 공동저자, 성균관대 석박통합과정), 최기영(제1 공동저자, 성균관대 연구교수), 이한상 (공저자, 성균관대 석박통합과정), 이민창(공저자, 성균관대 석박통합과정), 안재윤(공저자, 석박통합과정), 신솔(공저자, 성균관대 학부과정), 권승리(공저자, 성균관대 박사후연구원), 이두성(공저자, 성균관대 교수). 관련기사 1. (연합뉴스) 암세포만 표적 공격하는 금 입힌 나노캡슐 개발 2. (MBC) 암 치료 부작용 최소화 ‘스마트 금나노캡슐’ 개발 2. 초음파에 원격제어 되어 암세포 제거하는 나노하이브리드 (Nano Letters) - 초음파로 원격제어 하는 스마트 나노로봇을 이용한 초음파 역동치료 기술 개발 암으로 인한 사망률을 낮추기 위해 최근 기존의 외과적 수술, 화학 항암 요법, 광역동치료 등의 종양 치료 요법이 가지는 부작용 및 한계를 극복하기 위한 연구가 전 세계적으로 시도되고 있다. 광역동치료는 빛에 의해 활성화된 광감각제가 활성산소종을 발생시켜 종양을 치료하는 기술로 부작용이 거의 없고 뛰어난 종양 치료효과를 나타내는 기술이다. 그러나 빛은 체내 침투율이 낮기 때문에 신체 내 주요장기에 위치한 종양의 치료에는 한계가 있어 간, 췌장, 신장 등 신체 내 깊숙한 곳에 위치한 종양의 치료에는 적용이 불가능하다. 초음파장비는 체내 깊숙한 곳에 도달할 수 있는 초음파를 이용하여 질병을 진단하는 장비로서, 전 세계적으로 가장 많이 보급된 진단 장비이다. 따라서, 초음파에 의해 활성산소종을 발생시킬 수 있으며 암 표적성이 우수한 나노소재가 개발될 경우 기존 광역동치료의 한계를 극복한 새로운 치료법의 개발이 가능하다. 따라서 본 연구팀은 인체 투과도가 낮은 빛을 이용하는 광역동치료기술의 한계를 극복하기 위하여 초음파 자극에 의해 원격제어 되어 활성산소종을 발생하는 생체적합성 금/티타늄 기반의 나노로봇을 개발하여 초음파역동치료에 적용하였다. 초음파에 의한 활성산소종 발생효율이 낮은 광감각제를 사용했던 기존연구와 달리 티타늄 나노입자에 금 나노입자가 도입한 스마트 나노로봇을 이용하여 초음파 자극 시 활성산소종을 폭발적으로 발생시키며, 초음파 자극에 원격제어되어 종양만을 공격함으로써 기존 종양치료의 부작용을 현저히 감소시키고 치료효능을 획기적으로 개선시키는데 성공했다. 이 연구의 스마트 나노로봇은 생체적합성이 우수한 고분자로 표면개질되어 정맥주사를 통해 투여 시 암 조직을 탐지하여 선택적으로 도달할 수 있는 능력이 매우 우수함을 확인하였다. 따라서 인체 적용 시 외과적 수술이나 부작용이 심한 항암제등을 사용할 필요 없이 나노로봇을 정맥 주사한 후 간단한 초음파 처리를 통해 암 조직을 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 결과는 국제적 권위의 학술지인 NANO letters 10월 12일자에 게재되었다. *논문명 : Long-Circulating Au-TiO2 Nanocomposite as a Sonosensitizer for ROS-Mediated Eradication of Cancer *연구팀 : 박재형(교신저자, 성균관대 교수), V. G. Deepagan (제1 공동저자, 성균관대 박사후연구원), 유동길(제1 공동저자, 성균관대 박사과정), 엄우람(공저자, 성균관대 박사과정), 고혜원(공저자, 성균관대 박사과정), 권승리(공저자, 성균관대 박사후연구원), 최기영(공저자, 성균관대 연구교수), 이기라(공저자, 성균관대 교수), 이준영(공저자, 성균관대 교수), 이두성 (공저자, 성균관대 교수), 김광명(공저자, 한국과학기술연구원 책임연구원), 권익찬(공저자, 한국과학기술연구원 책임연구원) 관련기사 1. (조선일보) 수술 없이 종양 제거하는 '스마트 나노로봇' 국내서 첫 개발 2. (SBS) "초음파 쏘면 환자 몸 속 나노로봇이 암세포 타격" 3. (SBS CNBC) 수술없이 종양 제거 '스마트 나노로봇' 개발 4. (연합뉴스) 몸속에서 암세포와 싸우는 나노로봇 국내 개발 5. (한국경제) 수술 없이 종양 제거하는 나노로봇 개발

  • World Robots on Tour에 초청된 3차원 비전 기반 홈 서비스 지능형 로봇 '홈메이트' 및 세계 최고 성능의 3차원 구조광 카메라

    전자전기공학부 이석한 교수

    World Robots on Tour에 초청된 3차원 비전 기반 홈 서비스 지능형 로봇 '홈메이트' 및 세계 최고 성능의 3차원 구조광 카메라

    2003년 설립된 지능시스템 연구소 (Intelligent Systems Research Institute, 이하 ISRI) 는 이석한 교수(현 문행석좌교수)의 지도하에 지난 10여 년간 21세기 프론티어 지능형 로봇, 인지적 홈 서비스 로봇, 개인 콜 택시 자율 주행 차, Industrial Printing용 MEMS/NEMS 등 다수의 정부 및 산학과제들을 수행해왔으며 현재는 Medical 로봇을 위한 수술용 내시경, 달 탐사 로버를 위한 3차원 환경 모델링 및 로버 위치 인식, 3차원 카메라, 3차원 영상 기반 정밀 검사, 조립 공정의 로봇 자가 학습을 위한 3차원 물체 인식, 3차원 비전을 위한 빅데이터 기반 Deep Learning 과 심볼 기반 Semantic 추론의 결합 등을 위한 첨단 원천 및 응용 기술 연구를 수행하고 있다. 특히, 미국(Georgia Tech, Penn State, USC), 유럽(Pascal Institute, Blaise Pascal Univ., Padua Univ.) 등 해외 선진연구소 및 대학과의 국제 공동연구 및 공동학위 프로그램을 구현하여 국제협력을 활성화 하고 있다. 그 결과는 SCI 논문 60, 학회 논문 100, 특허 60로 정리되어 있다. (연구실 홈페이지: http://isri.skku.ac.kr/) 다수의 우수 연구 결과 중에서 세계적으로 우수한 로봇들을 초청/전시하는, 지난 2013년 스위스 쮜리히에서 열린 “Robots On Tour” 행사에 초청된 인지적 홈 서비스 로봇 “HomeMate” 와 다수의 원천 특허를 통하여 미국 특허 회사로 부터 특허 가치를 인정받은 3차원 카메라를 다음에 소개한다. HomeMate 홈메이트는 성균관대학교(SKKU) 지능시스템 연구소(ISRI)에서 개발한 홈 서비스 로봇이다. 주요특징으로 인간로봇 상호작용(HRI)을 위한 W-인지공학을 갖춘 홈 서비스 로봇으로 w는 의지를 뜻하는 will를 의미하며, 지능을 통해 인간과 상호작용하며 임무를 수행하는 것이 특징이다. 프랑스 PLANETE ROBOTS Magazine issue 24 에 소개된 HomeMate 기사 “UNE NOUVELLE GENERATION DE ROBOTS DE SERVICES” 홈메이트는 미래 창조과학부에서 지원한 한미 국제공동연구 프로그램인 KORUS Tech 프로젝트의 결과물이며 이 서비스 로봇은 성균관대학교(SKKU) 지능시스템 연구소(ISRI) 소장인 이석한 교수님의 감독아래 로봇 전문 회사인 유진 로봇, 보나비전, 그리고 미국 조지아텍 대학교와 팬실베니아 대학교 등의 연구기관들 간의 긴밀한 콜라보레이션을 통해 얻어진 산물이다. 기초 가사 지원용 로봇 기능을 갖춘 1세대 로봇을 시작으로 계속 발전시켜 인간과 함께 상호작용하기에 거부감 없는 생김새와 더 다양한 기능성을 갖춘 최종 3세대 홈메이트 로봇까지 개발하였다. W-인지 로봇 시스템 홈메이트는 인지적 인식 시스템을 가지고 있으며 사람과 소통 할 수 있고, 인식을 위한 효과적인 조건과 의사소통에 필요한 정보를 자동으로 취득할 수 있다. 또한 연속적인 자가발생 인지적 행동, 고신뢰성, 사람과의 소통 등의 능력을 보유하고 있으며 특히 노인들을 위한 서비스에 최적화 되어 있다. 홈메이트 만의 고유의 기술로 인간로봇 상호 작용(HRI)을 위한 w-인식 이지적 로봇 시스템을 꼽을 수 있다 . 여기에서 w는 의지를 뜻하는 will를 의미하며, 지능을 기반으로 하는 믿고 의지할 수 있는 사람과 로봇간의 상호작용이 특징이다. 이것은 로봇이 겪고 있는 문제들을 풀기 위한 능력과 로봇에 의해 행해지는 믿을 수 있는 성능의 서비스를 함께 보장하는 새로운 접근방법을 제안하여 개발되었다. W-인지 로봇시스템에 사용된 원천기술로 시각 환경을 위한 최상의 특징 선택법, 인식에 있어서의 불확실성과 애매모호함을 줄이기 위한 주도적인 증거 수집, 확률이 결합된 증거를 선택하는 고차원 결정 방법, 결합된 정보에서의 문맥통합 기술들이 있다. 홈메이트는 사람과 같이 빠르고 확실하게 3차원 물체를 인식하고 도중에 가구와 같은 장애물을 피해가며 사용자한테 물건을 전달하는 심부름 서비스가 가능하다. 다기능 서비스 로봇 이 로봇은 환경을 이해하고 인식해서 사용자와 소통할 수 있다. 음성 주문이나 제스처, 그리고 사용자의 얼굴을 인식할 수 있다. 또한 스마트폰 앱을 이용해서 로봇을 호출할 수 있다. 또한 홈메이트 로봇의 터치 스크린을 사용하여 소통할 수 있다. 터치 스크린을 통해 웹서핑, 인터넷 쇼핑, 화상채팅, 영화 감상, 음악 감상과 비디오 게임 등을 서비스 받을 수 있다. 홈메이트는 여러 개의 미리 기억된 행동과 음료수, 오렌지주스, 커피나 약 등을 사용자에게 전달하는 행동을 포함한 여러가지 심부름 서비스를 수행한다. 고속/고정밀 3차원 구조광 카메라 Compact 사이즈, 저전력 등의 특징을 갖는 3차원 카메라로 3차원 공간을 정밀하게 3D Reconstruction이 가능하며, 각종 환경/물체 모델링에 사용되며 특히 산업용 로봇에 응용되어 사용할 수 있다. 연구실에서 진행되는 대부분의 프로젝트에 사용되고 있으며, 특히 KIST와의 협업에 주로 사용하고 있다.

  • 항암치료로 인한 피부 및 모발 변화 양상의 정량화와 이를 통한 메커니즘 규명을 통해 근거기반의 암 환자 외모관리

    삼성융합의과학원 조주희 교수 ·강단비 연구원

    항암치료로 인한 피부 및 모발 변화 양상의 정량화와 이를 통한 메커니즘 규명을 통해 근거기반의 암 환자 외모관리

    - 항암치료로 인한 피부 및 모발 변화 양상의 정량화로 메커니즘 규명 - 근거 기반의 암 환자 외모관리 중재 방안 제시 - supportive care 연구를 통한 암환자의 삶의 질 증대 인간에게 있어 아름다움이란 건강한 삶을 살아가는 기본적인 부분이라 할 수 있다. 이러한 기본적인 인간의 욕구가 아프다고 해서 줄어들지는 않는다. 예전에는 죽음을 앞둔 암환자에게 외적인 부분은 관심의 대상이 아니었다. 하지만 의학기술의 발전으로 암 환자 생존율이 높아지면서 질병 치료는 물론 환자들이 겪는 심리 사회적 문제해결도 중요해지고 있다. 암 환자는 치료 과정에서 극심한 정신적 스트레스를 경험하지만, 이를 잘 대처하고 극복하는 경우는 많지 않은 실정이다. 특히 대부분의 유방암 환자들은 수술 후 재발 방지를 위해 받는 항암 화학요법으로 인해 탈모, 피부 건조, 피부색의 변화 등을 겪게 되고 장기 생존자들도 여전히 탈모, 피부 변화 등의 문제를 호소하고 있다. 또한 환자 자신의 외모를 다른 사람들이 부정적으로 받아들일 것이라고 믿고 외모를 기준시하는 사회적 상황에 대해 정신적으로 불안 및 우울하기 때문에 이러한 문제들이 더 크게 작용하여 환자의 삶의 질에 영향을 미치게 된다. 성균관대학교 융합의과학과 조주희 교수 연구팀은 암 치료로 인한 암 환자들의 심적 고통과 우울증을 극복하고 삶에 대한 긍정적인 태도를 가질 수 있도록 하는 다양한 연구들을 진행해 왔고 유방암 환자들의 항암 치료로 인한 피부 문제가 그들의 일상 복귀 및 삶의 질에 중요한 요인이라는 사실을 질적, 양적 연구를 통해 밝혀왔다. 그러나 항암 치료로 인해 피부의 인자들이 얼마나 변하고 그 회복은 언제쯤 이루어지는지에 대한 객관적 자료가 없어 적절한 중재방안을 제공하는 것에 한계가 있었다. 따라서, 조주희 교수와 강단비 박사과정생은 삼성서울병원 암교육센터, 유방외과, 혈액종양내과, 피부과, 아모레퍼시픽 社와 공동 연구를 통해 유방암 환자들을 대상으로 항암 치료 전, 항암 치료 중, 항암 치료 종료 후 장기적으로 피부 및 모발 변화를 정량적 측정, 전향적 코호트 연구를 수행하였다. 연구 결과 유분량은 항암 치료로 인해 항암 전 대비 76% 감소하였으며, 항암 치료 종료 후 6개월이 지난 시점에서도 항암치료전 피부에 비하여 40% 수준으로 측정 되어, 상당히 낮은 수치를 보였다. 항암 중 피부의 수분량, 경피 수분 증발량의 감소, 멜라닌 수치의 증가도 관찰되었으나, 관련 다른 요인들의 경우 항암 치료 종료 후 3개월부터 회복되어 6개월째에는 항암치료 전과 비슷하게 돌아온 것이 확인되었다. 또한, 항암 치료 이후 급격히 감소하여 회복되지 않는 유분량은 항암 치료로 인해 발생한 피부 건조증상과 강한 상관관계가 밝혀졌다. 탈모의 경우, 환자들은 항암 종료 후 6개월 후에도 46.5% 의 환자가 여전히 정상 모발로 돌아오지 못했으며, 61명 중 30% 에서 모발이 항암 이전보다 가는 영구 탈모 증상이 나타남을 확인할 수 있었다. 본 연구는 연구 자료의 특수성과 중요성을 인정받아 해당자료를 분석하는 모델 개발에 대해 2013년도 성균학술상을 받았으며 강단비 박사과정생은 세계 최초로 항암치료로 인한 피부 변화 양상과 메커니즘을 규명한 해당 연구 결과로 제4차 세계 유방암 학술대회(Global Breast Cancer Conference 2013)에서 우수상을, 피부과에서 가장 권위있는 Society of Investigative Dermatology (SID) 국제 학술대회에서는 Albert M. Kligman Travel Fellowship awards을 수상하였다. 그리고 2015년 Breast Cancer Research and Treatment 에 출판하였다. (1저자: 강단비, 공동교신: 조주희, 이동윤) 더 나아가 조주희 교수와 강단비 박사과정생은 관찰연구를 통해 도출된 근거를 바탕으로 아모레퍼시픽과 공동으로 항암 치료 중 항암 치료 맞춤형 보습제를 발굴하였고, 현재 삼성서울병원 암교육센터, 혈액종양내과, 피부과와 공동으로 해당 보습제가 항암 중 건조 증상 완화에 효과가 있을지에 대한 임상 시험을 204명의 유방암 환자를 대상으로 진행하고 있다. 모발에 경우 항암 종료 후 3년째의 변화까지 관찰하는 연구를 진행하고 있으며, 항암 종료 후 6개월째에도 모발이 항암 전 상태로 회복되지 않은 영구 탈모 환자들을 대상으로 스위스의 신약개발사인 Legacy Healthcare 社와 항암치료로 인한 영구탈모 중재 연구를 진행하고 있다. 본 연구팀은 유방암 환자들의 피부변화가 어떤 요소가 어느 정도나 감소하며 언제쯤 회복이 되는지에 대한 수치 데이터를 수집을 바탕으로 근거기반의 중재를 제안해 나가고 있으며, 이는 바쁜 임상현장에서는 상대적으로 관리나 중재가 어려운 암치료로 인한 외모변화의 이로 인한 스트레스 에 실질적인 해결책을 제안해주는 연구로 인정받고 있다. 본 연구팀은 앞으로 항암 치료로 인한 외모변화 연구를 시작으로 방사선, 표적 치료와 이로 인해 외모변화와 환자들의 정신사회적 건강의 연관관계 규명, 더불어 효과적인 중재 방안 개발 연구를 점차 확대 해 내갈 계획이다.

  • "박수를 치려면 두 손 모두 필요하다" : 개인주의-집단주의 문화적 지향성의 조합을 통한 시너지효과 검증

    심리학과 최훈석 교수

    "박수를 치려면 두 손 모두 필요하다" : 개인주의-집단주의 문화적 지향성의 조합을 통한 시너지효과 검증

    - 집단 창의성에서 집단주의 핵심가치와 독립적 자기관의 조합을 통한 시너지 효과 규명 - 문화와 사회심리 및 행동의 관계를 분석하는 새로운 이론모형으로, 문화혼융의 시대에 필요한 문화 재설계의 방향성 제시 ‘개인과 집단의 관계’에 관한 물음은 사회심리학 및 유관 분야에서 오랫동안 제기되어온 중요한 연구문제이다. 사회적 동물로서 인간은 개인의 이익과 공동체의 이익이 상충할 때 어느 것을 우선시 할지 끊임없이 고민하고 선택해야 하며, 이 선택은 개인과 집단의 관계에 관한 사람들의 문화적 세계관(cultural world-view)에 의해서 크게 영향 받는다. 1980년대를 기점으로 활성화된 비교문화심리 및 문화심리 연구는 서구와 동아시아를 비교하여 인지, 정서, 동기, 대인관계 및 사회적 행동에서 두 문화권의 핵심가치와 자기개념의 차이를 집중적으로 연구했다. 이 방면의 연구가 인간의 사회심리와 행동에 대한 문화의 영향을 규명하고 그 심리적 기제를 이해하는 데 기여한 것은 사실이다. 그러나 이 접근법은 동서양의 문화적 차이에 관한 기술적 지식(descriptive knowledge)을 축적하는 데는 유용할지 몰라도, 세계화와 문화혼융(cultural convergence)으로 대변되는 현대 사회에서 문화변혁 및 재설계의 방향성에 관한 처방적 지식(prescriptive knowledge)을 제시하는 데는 한계가 있다. 최훈석 교수 연구실에서는 문화적 세계관에 해당하는 개인주의-집단주의를 상호배타적 현상으로 이해하는 기존 접근법에서 탈피하여, 집단주의 가치와 독립적 자기개념의 시너지 효과를 규명하는 이론모형을 개발하고 이를 통해 개인과 집단의 공동번영에 필요한 심리적 기제를 규명하는 일련의 연구를 진행하고 있다. 이 시도의 일환으로 수행된 최근 연구에서는 집단에서 타인과의 상호의존성보다는 자기의 독립성이 우세하고 개인의 성취보다 집단의 공동성취에 가치를 두는 심리상태가 함께 조형되었을 때집단창의성이 증진됨을 보였으며, 이 연구는 집단심리분야 대표 학술지인 Group Processes and Intergroup Relations에 게재되었다. 최훈석 교수 연구실에서는 개인주의-집단주의 시너지 모형을 적용하여 집단수행, ‘義’ 심리 및 집단혁신, 조직 구성원의 심리적 번영 등을 분석하고 있으며, 집단간 화해와 평화증진, 다문화주의와 공존의 심리등에 관한 일련의 집단간 심리 연구를 수행하고 있다. 이러한 맥락에서Claremont Graduate School의 Social Identity Lab과 공동으로 수행한 집단간 심리 연구에서는 한국의 대학생들을 대상으로 ‘한국인 정체성’과 ‘한민족 정체성’을 차별적으로 점화하여 남북통일과 북한의 인권문제에 대한 태도차이를 분석하였으며, 이 연구는 정치심리학 분야 권위지인 Political Psychology에 게재되었다. 그리고 Massachusetts대학 Peace Lab과의 공동연구를 통해서 한국전쟁을 ‘국가간 갈등’(집단간)으로 해석하는지 아니면 ‘동족갈등’(집단내)으로 해석하는지에 따라서 한국과 무관한 제3국에 대한 공격의도가 달리 나타남을 보였으며, 이 연구는 사회심리분야 대표 학술지인 Personality & Social Psychology Bulletin에 게재되었다.

  • 루게릭병 유발 요인 C9orf72 유전자 변이의 산물인 독성 폴리-다이펩타이드 세포내 표적 발굴

    의학과 권일민 교수

    루게릭병 유발 요인 C9orf72 유전자 변이의 산물인 독성 폴리-다이펩타이드 세포내 표적 발굴

    - 근위축성 측색 경화증(ALS)을 유발하는 C9orf72 유전자 변이의 산물인 독성 폴리-다이펩타이드의 세포내 표적 발굴 - ALS 치료법 개발을 위한 중요한 의미 - 10월 21일 ‘Cell’지 논문 게재 의과대학 해부세포생물학교실 권일민 교수(공동 교신저자)와 미국 University of Texas Southwestern Medical Center의 Steven L. McKnight 교수(공동 교신저자) 공동연구팀이 근위축성 측색 경화증(ALS)를 유발하는 C9orf72 유전자 변이의 산물인 독성 폴리-다이펩타이드의 세포내 표적을 발굴하여 ALS 발병 기전에 대한 심도 깊은 이해가 가능하게 되었다. 이는 향후 C9orf72 ALS의 치료법 개발을 위한 연구로 이어질 수 있는 중요한 의미를 갖고 있다. 국내에는 루게릭병으로 잘 알려진 근위축성 측색 경화증(ALS; amyotrophic lateral sclerosis)은 중추신경계의 운동신경세포(motor neuron) 사멸에 의해 사지 근육의 경직 및 위축이 일어나며 호흡근육의 마비로 인해 발병 후 약 3-4년 안에 사망에 이르게 되는 현재까지는 치료 방법이 존재하지 않는 퇴행성 신경질환이다. 미국 ALS 협회에 의하면 전 세계적으로 ALS 환자는 약 35만 명 이상이며 매년 10만여 명의 환자가 사망한다고 한다. 국내에도 약 2500명 이상의 ALS 환자가 있으며 매년 수백 명의 새로운 환자가 발생하는 것으로 알려져 있으나 파킨슨병이나 알츠하이머병과 같은 여타 퇴행성 신경질환에 비해 적은 환자수와 이에 따른 관심 부족으로 비교적 많은 연구가 이루어지지 않았을 뿐 아니라 정확한 발병기전에 대한 이해도 부족한 상황이다. 전체 ALS의 약 90%는 원인을 알 수 없는 산발성 ALS이며 나머지 10%의 경우는 가족력에 의한 유전성 ALS로 분류되며, ALS의 발병 기전을 밝히기 위한 다각적인 연구가 국내외 여러 연구진들에 의해 활발하게 진행되고 있다. 그러던 중 지난 2011년을 기점으로 보고된 일련의 연구들을 통해 C9orf72로 명명된 유전자 상에 발생하는 변이가 ALS의 원인 중 하나라는 것이 새롭게 알려지게 되었다. 최근 연구 결과들에 따르면 전체 유전성 ALS의 약 절반이 이러한 C9orf72 유전자 변이에 의해 발생하며 산발성 ALS의 경우에도 약 4-21%의 환자가 동일한 유전자 변이를 갖고 있는 것으로 확인되어 현재 C9orf72 유전자의 변이는 전체 ALS 발병의 가장 일반적인 원인 중 하나로 인식되고 있다. 지난 2014년 본 연구자가 참여하여 Science지에 게재한 연구논문을 통해C9orf72 유전자의 변이로부터 만들어지는 두 종류의 독성 폴리-다이펩타이드(poly-dipeptide)에 의한 RNA 생합성 저해와 핵인의 기능 저하에 따른 세포 사멸이 C9orf72 ALS의 원인 중 하나라는 것이 처음으로 밝혀지게 되었다. 이러한 연구의 연장선상에서 본 연구진은 미국 University of Texas Southwestern Medical Center의 Steven L. McKnight 교수 연구진과의 공동 연구를 통해 C9orf72 유전자 변이의 산물인 독성 폴리-다이펩타이드의 세포내 표적을 발굴하였다. 이 연구를 통해 C9orf72 ALS의 원인인 유전자 변이에 의해 만들어지는 독성 단백질의 표적을 확인함으로써 C9orf72 ALS의 발병 기전에 대한 심도 깊은 이해가 가능하게 되었다. 이는 향후 C9orf72 ALS의 치료법 개발을 위한 연구로도 이어질 수 있는 중요한 의미를 갖고 있다. 독성 폴리-다이펩타이드의 표적 단백질들의 구조적인 특성이 갖는 기초과학적인 측면에서의 의미 또한 본 연구의 중요성 중 하나이다. 이번 연구에서 독성 폴리-다이펩타이드의 표적으로 규명된 단백질들은 단순하고 반복적인 아미노산 조성으로 이루어진 일명 ‘단순 아미노산 서열(Low complexity sequence)’ 도메인을 가지고 있는데 단순 아미노산 서열 도메인의 역동적이고 가역적인 3차 구조 형성이 단백질의 기능에 있어 중요하다는 것이 최근 연구를 통해 알려지게 되었다. 단순 아미노산 서열 도메인의 기능적 중요성에 대한 연구결과는 최근 많은 관심을 받고 있는 새로운 연구 분야이다. 따라서 이번 Cell지에 게재된 연구를 통해 단순 아미노산 서열 도메인에 의해 만들어지는 3차 구조의 기능이 독성 단백질 등에 의해 저해될 경우 정상적인 단백질의 기능을 억제하고, 이는 질병으로 이어질 수 있다는 것을 확인한 것은 본 연구진의 중점 연구 분야인 단순 아미노산 서열 도메인을 갖는 단백질에 대한 연구 뿐 아니라 다른 종류의 퇴행성 신경질환 연구에도 중요한 기반이 될 것으로 기대된다. 본 연구는 한국연구재단(기초연구실지원사업, 신진연구자지원사업) 및 삼성서울병원 미래의학연구원의 지원으로 이루어졌으며, 자연과학분야 최고 권위지중의 하나인 'Cell' 에 10월 21일자로 게재되었다.

  • 2차원 나노반도체 기반의 고성능 광검출기 개발

    전자전기공학부 박진홍 교수 ·조서현 연구원 외 4명

    2차원 나노반도체 기반의 고성능 광검출기 개발

    1. 이종접합 기반 고성능 2차원 광검출기 개발 - 조서현, 강동호(1저자) / 박진홍 교수(교신저자) 정보통신대학 전자전기공학부 박진홍 교수(교신저자) 연구팀이 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체의 도핑기술과 이종 물질 간 적층기술을 활용하여 세계 최고 수준의 광응답성(1.27×106 A/W)을 갖는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다. 2차원 나노반도체는 물질의 종류에 따라서 일반적으로 한 가지의 동작특성(n-형 또는 p-형)만을 갖기 때문에 도핑을 통해 반도체의 동작특성을 다양하게 조절하여 광검출기 및 트랜지스터와 같은 응용소자의 성능을 향상시키는 것이 연구과제였다. 또한 기존 2차원 나노반도체와 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 절연물질과의 계면 저품질 문제로 본래의 광검출기 및 트랜지스터 소자 성능을 제대로 발휘하기 어렵다는 한계점도 있었다. 연구팀은 p-형 동작특성을 갖는 2차원 나노반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 표면에 트리페닐포스핀(PPh3)을 얇게 코팅하는 방식으로 전자를 공급하는 n-형 도핑기술을 적용하여 반전된 n-형 광검출기를 구현하는데 성공했다. 동작특성이 반전된 광검출기의 광응답성 분석은 이번이 처음으로, 기존 p-형 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 광검출기보다 한 단계 높은 광응답성을 확인하였다. 또한 2차원 절연물질인 육방정 질화붕소(h-BN)에 2차원 나노반도체를 쌓은 수직 적층 구조를 활용하여 이종 물질 사이에서 굉장히 낮은 결함밀도를 갖는 고품질 계면을 만듦으로서 광응답성을 획기적으로 향상시켰다. 결과적으로, 1.27×106 A/W의 높은 광응답성을 갖는 고성능 광검출기를 구현하여 매우 약한 세기의 빛도 검출할 수 있게 되었다. 이는 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다는 백만(106)배 이상 높은 수치이다. 이 연구는 2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써, 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 나노소자/재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 6월 22일자에 게재되었다. 논문 제목: A High-Performance WSe2/h-BN Photodetector using a Triphenylphosphine (PPh3)-Based n-Doping Technique 2. 높은 광흡수율을 갖는 ReS2 2차원 물질 기반 초고성능 광검출기 개발 - 심재우, 오애리(1저자) / 박진홍 교수(교신저자) 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체 ReS2의 두께를 세밀하게 조절하여 세계 최고 수준의 광응답성(2.5×107 A/W)과 빠른 광응답속도(670ms)를 갖는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다. 2차원 나노반도체는 일반적으로 그 두께를 단층으로 제어하였을 때 직접천이형 밴드갭 특성을 보인다. 특히 단층 2차원 나노반도체는 간접천이형 밴드갭 특성을 갖는 다층 상태의 2차원 나노반도체에 비해 높은 양자효율을 보이지만, 얇은 두께(약 0.7 nm)로 인해 광흡수율이 낮아서 높은 광응답성을 얻는데 한계가 있다. 따라서 높은 광응답성을 갖는 2차원 나노반도체 기반의 고성능 광검출기를 구현하기 위해서는 적절한 두께의 2차원 나노반도체를 사용해야 하는데, 지금까지 보고된 2차원 광검출기 관련 연구들은 대부분 테이프를 이용한 기계적 박리 방법을 하여 2차원 나노반도체의 두께를 세밀하게 조절하는데 한계가 있으며, 실용화 가능성도 매우 낮다. 연구팀은 2차원 나노반도체의 두께를 세밀하게 조절하기 위해 산소플라즈마 처리를 이용한 쉽고 효율적인 공정 프로세스를 개발하였다. 두께에 관계없이 직접천이형 밴드갭 특성을 유지하는 이황화레늄(ReS2)에 개발된 산소플라즈마 처리공정을 적용하여 고성능 광검출기를 구현하였다. 특히 산소플라즈마 처리를 통해 (1) 이황화레늄의 두께를 세밀하게 조절하여 인가된 게이트 전압에 의한 이황화레늄 소자의 누설전류를 효과적으로 제어하였으며, (2) 이황화레늄의 표면에 많은 결함을 형성하여 광전하의 재결합 비율을 증가시켜서 광응답속도를 향상시켰다. 결과적으로, 2.5×107 A/W의 높은 광응답성과 빠른 광응답속도(670 ms)를 갖는 고성능 광검출기를 구현하여 매우 약한 세기의 빛도 검출할 수 있게 되었다. 이는 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다는 백만(106)배 이상 높은 수치이며, 지금까지 발표된 2차원 나노반도체 기반 광검출기 중 가장 높은 수치이다. 이 연구는 2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써, 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 논문 제목: High-Performance 2D Rhenium Disulfide (ReS2) Transistors and Photodetectors by Oxygen Plasma Treatment 3. 넓은 광검출 대역을 갖는 고성능 광검출기 개발 - 조서현(1저자) / 박진홍 교수(교신저자) 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체인 이셀레늄화레늄(ReSe2)을 활용하여 넓은 광검출 대역(1064 nm 이상 가능)을 검지할 수 있는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다. 2차원 나노반도체는 물질의 종류에 따라서 (1) 다양한 금속-반도체 접합(옴 또는 쇼트키 접합)을 형성할 수 있고, (2) 또한 서로 다른 에너지 밴드 갭을 갖기 때문에 트랜지스터 및 광검출기와 같은 응용소자에서 다양한 전기적/광학적 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 그래핀(graphene), 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2)과 같이 상대적으로 활발한 연구가 이루어졌던 기존 2차원 물질들과 비교해 그 외의 2차원 물질들은 아직까지 연구가 부족한 실정이다. 특히 이러한 새로운 2차원 반도체 물질에 도핑기술을 적용하여 응용소자를 최적화시키는 연구는 아직까지 보고된 바 없었다. 연구팀은 기존의 이황화몰리브덴(MoS2) 소자와 같이 n-형 동작특성을 갖는 이셀레늄화레늄(ReSe2)을 이용하여 트랜지스터 및 광검출기 소자를 구현한 후, 전자 및 광전 소자의 성능관점에서 측정 및 분석을 진행하였다. 특히, (1) triphenylphosphine (PPh3) 기반의 n-형 도핑기술을 이용하여 금속-반도체 접촉저항을 개선하고 (2) 절연층 상부의 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) 처리를 통하여 채널/절연층 간 계면의 전하산란효과를 억제하여 구현된 광검출기의 성능을 획기적으로 향상시켰다. 결과적으로, 연구팀은 가시광선 영역부터 근적외선 영역까지 넓은 광검출 대역(1064 nm 이상, 980 nm 이상의 대역에서 우수한 광검출 특성을 처음으로 확인)을 검지할 수 있는 고성능 광검출기를 구현하였다. 구현된 소자는 다른 2차원 광검출기와 비교하여 상대적으로 높은 광응답성(1.18×106 A/W)과 빠른 광응답속도(58 ms) 특성을 보였다. 이번 연구결과는 나노소자/재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 8월 17일자에 표지논문으로 게재되었다. 논문 제목: Broad Detection Range Rhenium Diselenide Photodetector Enhanced by (3-Aminopropyl)Triethoxysilane and Triphenylphosphine Treatment

  • 리튬이온전지용 新 나노전극 소재 개발

    화학과 김지만 교수

    리튬이온전지용 新 나노전극 소재 개발

    - 3차원 다공성 구조를 갖는 주석•코발트 합금 음극소재 합성 기술 개발 - 기존의 흑연 소재 대비 2배 이상의 리튬 저장 용량 및 구조적 유연성 확보 - 고용량 고출력 리튬이온전지용 전극 소재를 개발하는데 활용될 수 있을것으로 기대 자연과학대학 화학과 김지만 교수 연구팀은 충방전과정 중 발생하는 전극 소재의 부피변화를 제어할 수 있는 주석계 합금 나노 소재 기술을 개발하였다. 리튬이온전지는 지난 20년 동안 괄목할 만한 성능 향상을 보여왔으며, 현재까지 휴대전자기기의 개발 및 보급에 결정적인 기여를 하였다. 하지만 리튬이온전지의 고에너지밀도화를 가능하게 하기 위해서는 상용화된 흑연 음극 소재의 이론적 용량 한계(372 mAh/g)를 극복하고 고용량 및 고안정성을 구현할 수 있는 음극소재를 개발하는 것이 필수적이다. 기존 음극소재인 흑연 전극을 대체할 고용량 소재의 후보로서 금속계 소재(실리콘, 게르마늄, 주석 등)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 충•방전시 수반되는 전극 소재의 큰 수축과 팽창(~300%)이 전극의 분말화(pulverization) 및 균열(cracking)을 초래하여 전지의 성능이 저하되고, 수명이 짧아지는 원인이 되고있다. 연구진은 주석(Sn)과 코발트(Co)를 이용하여, 두께가 5 nm(머리카락의 만분의 1)에 불과한 규칙적인 벌집 형태의 합금을 성공적으로 합성하였고, 리튬이온전지용 음극 소재로 적용하여 성능을 크게 향상시켰다. 합성된 주석•코발트 합금 음극소재는 흑연 소재 대비 2배 이상의 리튬 저장 용량을 발현할 뿐만 아니라, 리튬과 반응성이 없는 코발트가 주석 입자 주위에 분포되어 있고 동시에 3차원 다공성 구조로 되어있어 반복적으로 충•방전을 할 때 체적변화를 완화하는 역할을 하게 된다. 또한 방사광가속기(Synchrotron Radiation)을 이용한 실시간 X-선 소각산란분석 (In Operando Small Angle X-ray Scattering Analysis)를 통하여 전극 소재 내부의 체적변화를 관측한 결과, 충전시 41%에 불과한 부피 팽창율을 보일 뿐만 아니라 수 사이클 하에도 구조적 유연성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이번 연구 결과는 정교한 전극 소재 설계를 통해 전지의 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 가능성을 보여주며, 고용량 고출력 리튬이온전지용 전극 소재를 개발하는데 활용될 수 있을것으로 기대된다. 본 연구에는 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수 및 한양대 에너지공학과 김한수 교수 연구팀이 공동으로 참여하였으며, 연구 결과는 소재 과학분야 세계적 권위의 학술지 'Advanced Functional Materials'에 5월 3일자 표지논문으로 게재됐다. 논문 제목 : Discovering Dual-Buffer Effect on Lithium Storage: Durable Nanostructure of Ordered Mesoporous Co-Sn Intermetallic Electrode

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