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원자 하나가 촉매가 되다
우리 대학 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 2010년 물리학과 김용현 교수의 이론연구팀과 공동연구를 통해 세계 최초로 단일 원자촉매(Single atom catalyst)를 개발하는 데 성공한 바 있다.
이러한 `최초연구'의 성과를 인정받아 김상욱 교수 연구팀은 최근 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 신소재 분야의 가장 중요한 연구 동향을 소개하는 학술지 `어카운츠 오브 매터리얼 리서치(Accounts of Material Research)'에 특별 초청 리뷰 논문을 표지 논문으로 게재했다고 1일 밝혔다. (논문명 : Discovery of Single-Atom Catalyst: Customized Heteroelement Dopants on Graphene)
촉매는 소량의 첨가만으로 다양한 화학반응의 효율을 높이는 소재를 의미하며, 최근 그 중요성이 급속하게 커지고 있는 에너지, 환경 및 바이오/헬스 분야에서 핵심적인 요소로서 큰 관심을 끌고 있다. 대표적인 예로서 수소연료전지의 에너지 변환반응이나 환경친화적인 수소연료 생성반응 등에서 백금이나 희토류등 값비싼 촉매를 대체하기 위한 연구가 전 세계 신소재 연구의 화두가 되고 있다.
일반적인 촉매는 그 표면에서 화학반응을 일으키는데, 이상적으로는 단일 원자가 촉매가 된다면 같은 양의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있으며 이를 세계 최초로 실현한 것이 김상욱, 김용현 교수팀이 개발한 단일 원자 촉매의 개념이다. 김상욱 교수 연구팀은 탄소나노튜브를 화학적으로 성장시키는 과정에서 철(Fe) 원자가 우리 혈액 속의 헤모글로빈 구조와 유사한 단원자 혼성구조를 생성함을 발견하고, 한 개의 원자에 기반한 새로운 연료 전지 촉매를 제시한 것이다. 해당 촉매는 입자 응집으로 인해서 수명이 짧은 기존의 백금 촉매의 한계를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 형태로 주목을 받았다.
김 교수 팀의 연구 이후 최근에는 전 세계의 많은 연구 그룹들이 단일 원자촉매 연구에 뛰어들고 있으며, 새로운 고효율 촉매를 개발하기 위해 가장 전망이 밝은 분야로 각광받고 있다.
김상욱 교수는 "이번에 출판된 총설에는 그래핀과 같은 나노소재에 금속원소를 도핑하는 방식에서 시작된 단일 원자 촉매의 제조부터 구조와 물성, 그리고 응용까지 망라한 최신 연구 동향들이 잘 정리돼 있다ˮ며, "앞으로 해당 분야 연구에 심도 있는 통찰을 제시하길 희망하여, 향후 고효율 단일 원자 촉매 상용화의 시발점이 될 것이다ˮ라고 이번 논문의 의의를 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 김상욱 교수는 국내에서 유일하게 이 권위 있는 학술지의 편집위원으로 활동하고 있다.
2021.07.01 조회수 5242 -
정유성 교수, 제4회 한성과학상 수상
한성손재한장학회(이사장 손명아)와 한성과학상 심사위원회는 우리 대학 생명화학공학과 정유성 교수를 제4회 한성과학상 화학분야 수상자로 선정했다고 24일 밝혔다.
정유성 교수는 신물질 발견과 그 합성 가능성을 알고리즘이 학습을 통해 예측하는 인공지능 (AI) 역설계 기법을 독자적으로 개발함으로써, 데이터 기반의 소재 및 분자 설계의 새로운 연구 방향을 제시하였다. 기존의 신물질 발견 과정은 전문가의 직관이나 실험적 시행착오를 통해 후보 물질을 제시하고 합성한 후 물성을 측정함으로써 응용 목적에 맞는 후보 물질을 발굴하는 직접 설계 방법이 주를 이루었으나, 많은 시간이 소요되거나 전문가의 직관에서 벗어나는 획기적인 물질의 발견이 더뎠다.
정유성 교수가 독창적으로 구현한 AI 소재 역설계 기법은, 원하는 물성을 갖는 결정구조를 전문가의 직관이나 편견 없이 데이터와 인공지능 알고리즘을 통하여 역으로 찾는 방법으로 신 물질 발견의 시간을 크게 줄여주었고, 화합물의 합성 가능성을 실험에 앞서 미리 예측할 수 있는 AI 알고리즘을 개발하여 실용적인 소재 설계의 가능성을 높였다.
정유성 교수는 “AI 역설계 기술을 통해 신소재 및 신약 개발을 가속화할 수 있다”며 “사람의 개입 없이 데이터와 알고리즘 그리고 로봇에 의해 구현되는 미래 자율 실험실의 알고리즘으로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다. 그리고 "무엇보다 연구 성과들을 열정과 노력으로 만들어낸 연구실 멤버들에게 감사드린다"고 소감을 전했다.
한성과학상은 한국의 노벨상 수상자 배출을 위해 손재한 월드타워 회장이 제정했다. 2018년부터 물리학, 화학, 생명과학 3개 분야에서 독창적인 성과를 낸 젊은 과학자를 선정하고, 수상자에게는 상패와 상금 5,000만 원이 수여된다.
2021.06.30 조회수 5350 -
조경현 뉴욕대 교수, 전산학부에 1억 원 기부
"과학계를 포함한 우리 사회의 각 분야에서 다양성과 대표성에 대해 생각할 수 있는 계기가 되기를 바랍니다ˮ지난 24일 조경현(36) 뉴욕대 교수의 발전기금 약정식이 개최됐다. 조 교수가 올해 삼성호암상의 공학상 수상자로 선정돼 받은 상금 중 1억 원을 모교 후배들을 위한 장학금으로 쾌척한 것이다. 전산학부 학사과정 여학생 중 지원이 필요하거나 리더십을 발휘한 학생이 이 장학금의 수혜자가 되며, 매 학기당 5명을 선발해 1인당 100만 원을 지원할 예정이다. 눈에 띄는 점은 조경현 교수가 이 장학금의 이름을 ʻ전산학부 임미숙 장학금ʼ으로 지정했다는 점이다. 임미숙은 조 교수 어머니의 이름이다. AI 분야의 세계적인 석학이 어머니 이름을 딴 장학금을 신설한 데에는 컴퓨터 공학 분야의 여성 인재 양성에 기여하고자 하는 고민이 담겨있다. 조 교수는 "저의 어머니는 대학을 졸업해 고등학교 교사가 되었지만, 출산과 육아로 인해 자연스럽게 일을 그만두게 되었다ˮ라고 전했다. 같은 수준의 교육을 받은 남성과 여성이 만나 가정을 이룬 뒤 ʻ출산과 육아ʼ라는 선택의 기로에 놓이면, 부부 중 여성이 직업을 포기하는 것을 당연하게 여기던 것이 1980년대의 사회적 인식이었다.
성별에 따른 고유의 역할을 기대하는 사회적인 분위기는 2000년대 초반에도 달라지지 않았다. 당시, 학부에서 전산학을 공부했던 조 교수는 "남학생은 전산학을 전공하고 여학생들은 생물학을 선택하는 것을 자연스럽게 생각했다ˮ라고 전했다. 이어, 조교수는 "20년 가까운 세월이 흐른 지금까지도 전산학 분야에는 이러한 성(性) 불균형 및 고정관념이 여전히 해소되지 않은 채 남아있다ˮ라고 지적했다. "미처 깨닫지 못한 문제였는데 여러 사람과 교류하며 문제를 제기하는 목소리를 듣기 시작했을 때에야 비로소 다양한 계층이 각 분야나 조직에서 동등한 접근성·형평성 등을 가져야 한다는 것을 중요하게 인식하기 시작했다ˮ라고 조 교수는 말했다. 이어, "최근 AI 분야에서 대두되고 있는 다양성(diversity)과 대표성(representation) 문제를 해결하는 데 어떻게 하면 조금이라도 도움이 될 수 있을까 고민하게 되었다ˮ라고 이번 기부의 배경을 밝혔다. 조 교수는 "정말 작은 액수의 장학금이지만 이 장학금을 받는 여학생들이 추후 어머니와 비슷한 선택의 기로에 섰을 때에는 우리 사회의 분위기가 전과는 달라지기를 바라는 마음에서 어머니의 성함을 딴 장학금을 만들게 되었다ˮ라고 설명했다. 장학금을 받은 여학생들이 컴퓨터 과학 분야에서 학업을 계속 이어나가 좋은 본보기를 만들고 그 모습에서 동기부여를 받은 다른 여학생들이 모여들어 보다 더 다양한 컴퓨터 과학자들의 공동체를 만드는 데 기여하고 싶은 것이 조 교수의 바람이다.
조 교수는 "사회 전반에 존재하는 이슈에 대해 누군가가 구체적으로 꼬집어내어 쉬지 않고 문제를 제기하지 않는다면 대부분의 사람들은 무엇이 어떻게 문제가 되는지 절대 인식하지 못할 것 같다ˮ라며, 이어 "이번 기부를 통해 작게는 KAIST 크게는 한국 사회에 존재하는 다양성과 대표성에 대해 한번 더 생각할 수 있는 기회가 되기를 바란다ˮ라고 전했다. 류석영 전산학부장은 "조 교수가 장학금을 기탁하며 매 학기 선정된 장학생들과 부모님의 식사 자리를 마련해달라고 부탁해왔다ˮ라고 전했다. 이어, 류 학부장은 "세대와 환경이 다른 기부자와 수혜자가 서로 소통하고 교류하는 자리를 마련해 임미숙 장학금에 담긴 뜻이 오래도록 유지될 수 있도록 장학기금을 운영해 나갈 계획ˮ이라고 밝혔다.
24일 대전 본원에서 열린 기부 약정식에는 미국에 체류 중인 조경현 교수를 대신해 부친 조규익 씨(64)와 모친 임미숙 씨(65)가 참석했다.
임미숙 씨는 "아들은 삼성호암상이 개인이 아닌 자기 연구 분야 전체에게 주어진 상이기 때문에 상금을 사회와 함께 사용해야 한다고 생각한다ˮ라고 전하며, "아들의 마음이 담긴 전산학부 장학금 기부에 동참할 수 있게 되어 큰 기쁨으로 생각한다ˮ라고 소감을 밝혔다. 한편, 조경현 교수는 KAIST 전산학부를 2009년에 졸업한 뒤 핀란드 알토대에서 석사(2011)와 박사(2014) 학위를 취득하고 2015년부터 미국 뉴욕대 교수로 재직 중이다. 기계 학습과 AI 응용 연구 분야의 세계적인 석학으로 문장의 전후 맥락까지 파악해 번역할 수 있는 ʻ신경망 기계 번역 알고리즘ʼ을 개발했다. 현재 시중에서 사용 중인 대다수 번역 엔진이 조 교수가 개발한 알고리즘을 적용하고 있어 인공지능 번역 및 관련 산업계에 혁신을 가져온 공을 인정받아 지난 4월 ʻ2021 삼성호암상 공학상ʼ 수상자로 선정돼 6월 1일 시상식이 열렸다.
총 상금 3억 원 중 KAIST에 기부한 ʻ전산학부 임미숙 장학금ʼ 외에도 핀란드 알토 대학이 운영하는 마카다미아 프로그램 참가자 중 EU 이외의 국가에서 온 여학생들을 지원할 수 있도록 돕는 장학금에 4천만 원을, 아버지의 전공 분야인 한국 고전문학을 연구하는 학자들을 지원하는 ʻ백규고전학술상ʼ 신설을 위해 1억 원을 기부했다. 조 교수는 지난해 처음 제정된 삼성 인공지능(AI) 연구자상의 첫 번째 수상자로 선정되기도 했으며, 당시 받은 상금은 캐나다의 인공지능 연구 기관인 밀라(Mila)에서 활동하는 라틴아메리카·아프리카·남아시아·동남아시아·한국 출신의 신임 연구원들을 위해 기부했다. 또한, 각종 강연을 통해 얻은 수익을 ʻKAIST AI 대학원 여학생 학회 참석 지원금ʼ, ʻ다문화 가정 엄마와 자녀의 교육을 돕는 한마음교육봉사단 지원금ʼ 등으로 기부한 바 있다. 조 교수는 "전산학 분야에서부터라도 시작하여 다양성과 대표성의 문제를 해결하기 위해서는 작은 행동이라도 우선 실천해야 한다는 믿음으로 꾸준하고 적극적인 기부에 참여하고 있다ˮ라고 소신을 밝혔다.
2021.06.30 조회수 6906 -
딥러닝 생성모델의 오류 수정 기술 개발
우리 대학 AI대학원 최재식 교수(설명가능 인공지능연구센터장) 연구팀이 심층 학습(이하 딥러닝) 생성모델의 오류 수정 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
최근 딥러닝 생성모델(Deep Generative Models)은 이미지, 음성뿐만 아니라 문장 등 새로운 콘텐츠를 생성하는 데 널리 활용되고 있다. 이런 생성모델의 발전에도 불구하고 최근 개발된 생성모델도 여전히 결함이 있는 결과를 만드는 경우가 많아, 국방, 의료, 제조 등 중요한 작업 및 학습에 생성모델을 활용하기는 어려운 점이 있었다.
최 교수 연구팀은 딥러닝 내부를 해석하는 설명가능 인공지능 기법을 활용해, 생성모델 내부에서 이미지 생성과정에서 문제를 일으키는 유닛(뉴런)을 찾아 제거하는 알고리즘을 고안해 생성모델의 오류를 수리했다. 이러한 생성 오류 수리 기술은 신경망 모델의 재학습을 요구하지 않으며 모델 구조에 대한 의존성이 적어, 다양한 적대적 생성 신경망에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 고안된 기술은 딥러닝 생성모델의 신뢰도를 향상해 생성모델이 중요 작업에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
AI대학원의 알리 투씨(Ali Tousi), 정해동 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 `국제 컴퓨터 비전 및 패턴인식 학술대회 (IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, CVPR)'에서 6월 23일 발표됐다. (논문명: Automatic Correction of Internal Units in Generative Neural Networks, CVPR 2021).
적대적 생성 신경망은 생성기와 구분기의 적대적 관계를 이용한 모델로서, 생성 이미지의 품질이 높고 다양성이 높아, 이미지 생성뿐만 아니라 다양한 분야(예, 시계열 데이터 생성)에서 주목받고 있다.
딥러닝 생성모델의 성능을 향상하기 위해서 적대적 생성기법 및 생성기의 새로운 구조 설계 혹은 학습 전략의 세분화와 같은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 최신 적대적 생성 신경망 모델은 여전히 시각적 결함이 포함된 이미지를 생성하고 있으며, 재학습을 통해서 이를 해결하기에는 오류 수리를 보장할 수 없으며, 많은 학습 시간과 비용을 요구하게 된다. 이렇게 규모가 큰 최신 적대적 생성 신경망 모델의 일부 오류를 해결하기 위해 모델 전체를 재학습하는 것은 적합하지 않다.
연구팀은 문제 해결을 위해 생성 오류를 유도하는 딥러닝 내부의 유닛(뉴런)을 찾아 제거하는 알고리즘을 개발했다. 알고리즘은 딥러닝 모델의 시각적 결함의 위치를 파악하고, 딥러닝 모델 내 여러 계층에 존재하는 오류를 유발한 유닛을 찾아서 활성화하지 못하도록 하여 결함이 발생하지 않도록 했다.
연구팀은 설명가능 인공지능 기술을 활용해 시각적 결함이 생성된 이미지의 어느 부분에 분포하는지, 또 딥러닝 내부의 어떤 유닛이 결함의 생성에 관여하는지 찾을 수 있었다. 개발된 기술은 딥러닝 생성모델의 오류를 수리할 수 있고, 생성모델의 구조에 상관없이 적용할 수 있다.
연구팀은 전통적인 구조를 가지는 `진행형 생성모델(Progressive GAN, PGGAN)'에서 개발 기술이 효과적으로 생성 오류를 수리할 수 있음을 확인했다. 수리 성능은 매사추세츠 공과대학(MIT)이 보유한 수리 기술 대비 FID 점수가 10점 정도 감소했으며, 사용자 평가에서 시험 이미지 그룹의 약 50%가 결함이 제거됐고, 약 90%에서 품질이 개선됐다는 결과를 얻었다. 나아가 특이 구조를 가지는 `StyleGAN2'와 `U-net GAN'에서도 생성 오류 수리가 가능함을 보임으로써 개발 기술의 일반성과 확장 가능성을 보였다.
연구팀이 개발한 생성모델의 오류 제거 기술은 다양한 이미지 외에도 다양한 생성모델에 적용돼 모델의 결과물에 대한 신뢰성을 높일 것으로 기대된다.
공동 제1 저자인 알리 투씨와 정해동 연구원은 "딥러닝 생성모델이 생성한 결과물에 있는 시각적 오류를 찾고, 이에 상응하는 활성화를 보이는 생성모델 내부의 유닛을 순차적으로 제거함으로써 생성 오류를 수리할 수 있음을 보였다ˮ라며 이는 "충분히 학습된 모델 내부에 미학습 혹은 잘못 학습된 내부요소가 있음을 보여주는 결과다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 2021년도 과학기술정보통신부의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받은 혁신성장동력프로젝트 설명가능인공지능 및 한국과학기술원 인공지능 대학원 프로그램과제를 통해서 수행됐다.
2021.06.25 조회수 12860 -
KAIST, 대한장애인체육회와 로봇체육대회 창설 추진
국내 하반신 완전 마비 장애인들이 착용형 로봇을 입고 장애인체육대회에 출전하는 모습을 머지않아 볼 수 있게 될 전망이다.
우리대학과 대한장애인체육회(회장 정진완)는 22일 오후 KAIST 대전 본원 정근모콘퍼런스홀에서 장애인 로봇체육 활성화를 위한 업무 협약을 체결했다.
양 기관은 이번 협약을 바탕으로 ▴로봇·인공지능·가상현실(VR)&증강현실(AR) 등 장애인 체육에 적용 가능한 기술의 연구개발 ▴장애인 체육기술 관련 협력사업 발굴 및 추진 ▴장애인 로봇체육대회 창설·운영 전략 개발 등의 분야에서 힘을 모은다. 특히, 장애인 스포츠 활동에 다양하게 적용할 수 있는 로봇기술을 개발하고 이를 바탕으로 장애인 로봇체육대회를 창설하는 것이 주요 협력 목표다. 기술 개발 수준·착용형 로봇의 보급 현황·로봇체육대회 성과 등이 일정 단계에 오를 경우 매년 개최되는 전국장애인체육대회에 참가해 기량을 겨루는 방안도 향후 논의할 계획이다.국내 로봇체육 현장에는 장애인 로봇 경기의 시초라고 할 수 있는 스위스 사이배슬론의 국제 규격 및 규칙과 유사한 형태를 차용한다. 대신, 이에 그치지 않고 장애인의 지역 및 신체적 특성 등 국내 실정에 맞게 변경한 한국형 로봇체육으로 발전시킨다는 계획이다. 또한, 사이배슬론 국제대회의 6가지 종목(착용형 로봇·의수·의족·전동휠체어·전기자극자전거·뇌파) 중 착용형 로봇 분야로 한정해 대회가 구성된다. 협력 연구를 총괄하는 공경철 기계공학과 교수는 "대부분 휠체어를 이용하는 기존의 장애인 체육활동과는 다르게 하반신 마비 장애인이 착용형 로봇을 입고 직접 걸어서 다양한 미션을 수행하는 대회가 열리면 선수들에게 체육활동 이상의 경험과 의미를 제공할 수 있을 것ˮ이라고 말했다. 이어 공 교수는 "지금보다 발전한 기술을 장애인 체육 분야에 실질적으로 적용하기 위해 다른 연구개발 기관들과의 적극적인 협력 방안도 모색하겠다ˮ라고 밝혔다.양 기관은 이를 위해 ▴로봇체육기술 습득 및 훈련을 위한 훈련시설 구축 및 운영 ▴로봇 기술자 및 물리치료사 등 로봇체육 운영 인력 양성 ▴장애인 선수의 로봇체육 습득 과정에 대한 전주기적 빅데이터 수집 등의 구체적인 분야에서도 협력을 이어나갈 계획이다.
22일 열린 행사에는 이광형 KAIST 총장과 정진완 대한장애인체육회장이 참석해 양해 각서에 서명했다. 또한, 지난해 온라인으로 치러졌던 사이배슬론 2020의 입상자 메달을 스위스 주최측으로부터 전달받아 김병욱 선수와 이주현 선수에게 각각 금메달과 동메달을 전달하는 수여식도 진행됐다.
이주현 선수는 "워크온슈트를 착용하고 재빠르게 걸어서 미션을 수행했던 소중한 경험을 전국의 많은 하반신 마비 장애인들과 공유할 수 있다는 점에 매우 기쁘게 생각한다ˮ라고 소감을 전했다.
또한, 김병욱 선수는 "국내 로봇체육대회 창설을 알리는 뜻깊은 자리에서 사이배슬론 메달을 받아서 기쁘다ˮ라며, "남은 인생을 로봇체육 코치로 살아가고 싶다는 포부가 생겼다ˮ라고 밝혔다.
우리대학은 지난해 11월 공경철 기계공학과 교수팀이 개발한 착용형 외골격 로봇인 ʻ워크온슈트ʼ로 국제 사이보그 올림픽인 사이배슬론에서 금메달과 동메달을 동시에 석권한 바 있다.
관련 분야에서 세계적으로 인정받은 최고의 기술력을 바탕으로 장애인들이 새로운 체육활동을 접할 수 있는 대회를 국내에서 정기적으로 개최하고 더 나아가 로봇 기술을 이용한 장애인 체육 기술 발전에 기여하자는 것이 양 기관의 협력 의지다.
정진완 대한장애인체육회 회장은 "장애인에게 과학기술은 재활과 일상생활 그리고 스포츠 활동에 있어 아주 중요해, 앞으로 KAIST와의 협력이 더욱 기대된다ˮ며, "특히, 사이배슬론과 같이 로봇을 통한 새로운 체육활동이 가능해졌다는 점은 매우 특별하다ˮ라고 말했다. 이광형 KAIST 총장은 "고도로 개발된 착용형 로봇기술을 전국의 많은 장애인들이 활용할 수 있도록 지원하는 것은 KAIST가 기술로써 사회적 책임을 다하는 매우 좋은 사례가 될 것ˮ이라고 강조했다.
2021.06.23 조회수 14581 -
하이드로젤 기반 유연성 뇌-기계 인터페이스 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 박성준 교수 연구팀이 메사추세츠 공과대학(MIT) 폴리나 아니키바(Polina Anikeeva) 교수, 쏸허 자오(Xuanhe Zhao) 교수, 육현우 박사 공동 연구팀과 함께 *하이드로젤 기반의 유연성 뇌-기계 인터페이스를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.
☞ 하이드로젤: 물과 젤리가 합쳐진 합성어이며 주로 필러, 보톡스, 화장품에 쓰이는 반고체 상태의 물질이다. 인공적인 인체 조직을 만드는 원료로 적합해 의학적으로도 널리 쓰인다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 2021년 6월 8일 字로 출판됐다. (논문명: Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity)
뇌 구조를 연구하거나 뇌 신경 질환의 메커니즘을 파악, 치료하기 위해서는, 실시간으로 뇌를 자극하고 신호를 측정할 수 있는 인터페이스의 개발이 필수적이다. 그러나 기존의 신경 인터페이스는 기계적, 화학적 특성이 뇌 조직과 너무 달라서 일어나는 이물 반응(foreign body response) 때문에, 주변에 절연세포층이 형성돼 그 수명이 매우 짧아진다는 문제점을 가지고 있었다.
연구팀은 해당 문제의 해결을 위해, 직접 제작한 다기능성 파이버 다발을 하이드로젤 몸체에 넣는 방법을 이용해 `뇌 모사형 신경 인터페이스'를 제작했다. 해당 장치는 빛으로 특정 신경세포종만을 자극할 수 있는 광유전학 기술을 적용하기 위한 광섬유뿐만 아니라, 뇌에서 신호를 읽을 수 있는 전극 다발, 약물을 뇌 속으로 전달할 수 있는 미세 유체 채널을 모두 보유하고 있다.
해당 인터페이스는 하이드로젤 몸체를 건조시킨 상태에서는 단단한 성질이 고분자와 유사해 몸체에 삽입하기가 쉽다. 하지만 몸에 들어가면 체내의 수분을 빠르게 흡수해. 부드럽고 수분이 풍부한 주변 조직과 유사한 상태가 되므로 이물 반응을 최소화할 수 있다.
연구팀은 이러한 특성을 가진 장치를 동물 모델에 직접 적용해, 기존의 기록을 훨씬 뛰어넘는 삽입 후 6개월까지도 뇌 신호를 측정할 수 있음을 보였다. 또한 자유롭게 움직이는 쥐를 대상으로 초장기간 광유전학 실험, 행동 실험 등이 가능하며, 이물 반응에 의한 아교세포 및 면역세포의 발현이 기존 장치보다 현저히 줄어듦을 증명했다.
박성준 교수는 "이번 연구는 최초로 하이드로젤을 다기능 신경 인터페이스의 구성물질로 사용해 그 수명을 대폭 상승시켰다는 데에 의의가 있으며, 해당 연구를 통해 향후 알츠하이머병, 파킨슨병 등 초장기간 관찰이 필요한 뇌 신경 질환 연구가 더욱 발전할 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 신진연구사업, 범부처의료기기개발 사업, 나노소재원천기술개발사업, 차세대 지능형 반도체 개발사업, KK-JRC 스마트 프로젝트, 카이스트 글로벌 이니셔티브 프로그램, 포스트 인공지능(Post-AI) 프로젝트 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.06.21 조회수 22724 -
3차원 적층형 화합물 반도체 소자 제작 성공
우리 대학 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 *모놀리식 3차원 집적의 장점을 극대화해 기존의 통신 소자의 단점을 극복하는 화합물 반도체 소자 집적 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
☞ 모놀리식 3차원 집적: 하부 소자 공정 후, 상부의 박막층을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬도를 극대화할 수 있는 기술로 궁극적 3차원 집적 기술로 불린다.
우리 대학 전기및전자공학부 정재용 박사과정이 제1 저자로 주도하고 한국나노기술원 김종민 박사, 광주과학기술원 장재형 교수 연구팀과의 협업으로 진행한 이번 연구는 반도체 올림픽이라 불리는 ‘VLSI 기술 심포지엄(Symposium on VLSI Technology)’에서 발표됐다. (논문명 : High-performance InGaAs-On-Insulator HEMTs on Si CMOS for Substrate Coupling Noise-free Monolithic 3D Mixed-Signal IC).
VLSI 기술 심포지엄은 국제전자소자학회(International Electron Device Meetings, IEDM)와 더불어 대학 논문의 채택비율이 25%가 되지 않는 저명한 반도체 소자 분야 최고 권위 학회다.
반도체 소자는 4차 산업 혁명의 특징인 초연결성 구현을 위한 핵심 통신 소재 및 부품으로서 주목받고 있다.
특히 통신 신호, 양자 신호는 아날로그 형태의 신호이고 신호전달 과정에서 신호의 크기가 약해지거나 잡음이 생겨 신호의 왜곡이 생기기도 한다. 따라서 이러한 신호를 주고받을 때 고속으로 신호의 증폭이 필요한데 이러한 증폭 소자에서는 초고속, 고출력, 저전력, 저잡음 등의 특성이 매우 중요하다. 또한 통신 기술이 발전함에 따라 이를 구성하는 시스템은 점점 더 복잡해져 고집적 소자 제작기술이 매우 중요하다.
통신 소자는 통상적으로 두 가지 방식으로 구현된다. 실리콘(Si)을 사용해 집적도 높은 Si CMOS를 이용해 증폭 소자를 구현하는 방법과 *III-V 화합물 반도체를 증폭 소자로 제작하고 기타 소자들을 Si CMOS로 제작해 패키징 하는 방식이 있다. 그러나 각각의 방식은 단점이 존재한다. 기존의 실리콘(Si) 기술은 물성적 한계로 인해 차단주파수 특성 등 통신 소자에 중요한 소자 성능 향상이 어려우며 기판 커플링 잡음 등 복잡한 신호 간섭에 의한 잡음 증가 문제가 존재한다. 반면, III-V 화합물 반도체 기술은 소자 자체의 잡음 특성은 우수하지만 다른 부품과의 집적/패키징 공정이 복잡하고 이러한 패키징 공정으로 인해 신호의 손실이 발생하는 문제가 존재한다.
☞ III-V 화합물 반도체: 주기율표 III족 원소와 V족 원소가 화합물을 이루고 있는 반도체로 전하 수송 특성 및 광 특성이 매우 우수한 소재
연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 증폭 소자 이외의 소자 및 디지털 회로에서 좋은 성능을 낼 수 있는 Si CMOS 기판 위에 아날로그 신호 증폭 성능이 매우 우수한 III-V 화합물 반도체 *HEMT를 3차원 집적해 Si CMOS와 III-V HEMT의 장점을 극대화하는 공정 및 소자 구조를 제시했다. 3층으로 소자를 쌓아나감으로써 같은 기판 위에 집적할 수 있는 방식이다. 이와 동시에 기판 신호 간섭에 의한 잡음을 제거할 수 있음을 증명했다.
☞ HEMT: High-Electron Mobility Transistor
연구팀은 하부 Si CMOS의 성능 저하 방지를 위해 300oC 이하에서 상부 III-V 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩 등의 초저온 공정을 활용해 상부 소자 집적 후에도 하부 Si CMOS의 성능을 그대로 유지할 수 있었다.
또한 고성능 상부 III-V 소자 제작을 위해서 InGaAs/InAs/InGaAs의 양자우물 구조를 도입해 높은 전자 수송 특성을 실현했으며 100 나노미터(nm) 노드 공정 수준으로도 세계 최고 수준의 차단 주파수 특성을 달성했다. 이는 10 나노미터(nm) 이하 급의 최첨단 공정을 사용하지 않고도 그 이상의 우수한 성능을 낼 수 있는 융합 기술로 향후 기존과 다른 형태의 파운드리 비즈니스 방식의 도입 가능성을 증명했다고 할 수 있다.
더불어 연구진은 이러한 3차원 집적 형태로 소자를 제작함으로써 기존에 SI CMOS에서 존재하는 기판 간섭에 의한 잡음을 해결할 수 있음을 실험을 통해 최초로 증명했다.
김상현 교수는 “디지털 회로 및 다양한 수동소자 제작에 최적화된 Si CMOS 기판 위에 증폭기 등의 능동소자 특성이 현존하는 어떤 물질보다 우수한 III-V 화합물 반도체 소자를 동시 집적할 가능성을 최초로 입증한 연구로, 향후 통신 소자 등에 응용이 가능할 것으로 생각한다”라며 “이번 기술은 향후 양자 큐빗의 해독 회로에도 응용할 수 있어 그 확장성이 매우 큰 기술이다. 다양한 분야에서 활용할 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다”라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 지능형반도체기술개발사업, 경기도 시스템반도체 국산화 연구지원 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
2021.06.14 조회수 44598 -
자연계 효소 원리를 이용한 신개념 산업용 촉매 개발
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 자연계 효소와 같이 원하는 반응물만 선택적으로 전환할 수 있는 신개념의 고성능 산업 촉매를 개발했다고 9일 밝혔다.
촉매는 기초 유분 생산에서부터 다양한 화학 제품 제조까지 대부분의 석유화학 공정에서 사용되는 물질로 공정의 경제성과 친환경성을 높이기 위해서 원하는 생성물만 만들어지는 높은 선택성을 갖는 촉매 개발이 필수적이다.
지구상에 존재하는 촉매 중 가장 높은 선택성을 보이는 촉매는 효소다. 효소는 천연 고분자인 단백질이 반응이 일어나는 활성점을 3차원적으로 둘러싸고 있는 구조를 갖는데, 단백질의 구조 및 활성점과의 상호작용에 따라 특정 반응물만 선택적으로 접근할 수 있도록 조절해 높은 선택성을 갖는다. 연구팀은 이번 연구에서 효소의 단백질과 유사한 고분자를 이용해 금속 활성점과의 상호작용을 조절한 새로운 개념의 촉매 설계 방법을 제시했다.
고분자는 일정 단위체의 반복적인 화학 결합을 통해 만들어지는 높은 분자량의 거대분자이며 합성에 사용한 단위체에 따라 고분자의 작용기를 쉽게 조절할 수 있다. 연구팀은 금속과 상호작용을 할 수 있는 작용기를 포함한 고분자를 합성하고 팔라듐 금속 입자를 포함한 촉매를 만들었다. 금속과 강하게 상호작용을 하는 고분자는 효소와 같이 금속 주위를 고분자가 3차원적으로 둘러싸는 형태를 보이는 한편 약하게 상호작용하는 고분자는 금속을 둘러싸지 못하고 금속 표면이 노출된 형태가 됐다.
연구팀은 이렇게 합성된 촉매를 이용해 석유화학의 에틸렌 생산 공정에서 매우 중요한 아세틸렌 부분 수소화 반응에 적용했다. 에틸렌은 플라스틱, 비닐, 접착제 등 다양한 제품을 만드는 데 이용하는 기본 핵심 원료이며 현재 우리나라에서는 주로 나프타를 분해하여 생산한다.
나프타분해시설에서 생산되는 에틸렌에는 불순물인 미량의 아세틸렌이 함께 포함돼 있는데, 이 아세틸렌이 화학 제품을 만드는 데 사용되는 촉매에 치명적으로 작용하기 때문에 수소화 반응을 통해 제거해 주는 공정이 필수적이다. 이 공정에서 핵심은 99% 이상의 에틸렌은 소모하지 않으면서 1% 미만의 아세틸렌만 선택적으로 제거하는 것이다.
연구진이 개발한 신규 촉매를 이 공정에 적용한 결과, 강하게 상호작용해 3차원 구조를 형성한 촉매는 고분자가 아세틸렌에만 접근해 높은 선택도를 보였다. 하지만 약한 상호작용으로 인해 고분자가 금속 표면을 덮지 못한 촉매에서는 아세틸렌과 에틸렌에 모두 접근해 낮은 선택도를 보였다.
또한 강하게 상호작용을 하는 고분자일수록 비활성화를 일으키는 탄소 침적물인 코크의 생성을 차단하고 금속 입자의 뭉침 현상을 억제해 장기간 반응에서도 높은 활성과 선택도를 유지했다.
연구를 주도한 최민기 교수는 "자연계 효소의 원리를 모방해 고분자와 금속 사이의 상호작용을 조절하고 원하는 반응물만 선택적으로 전환할 수 있으면서도 매우 우수한 안정성을 가지는 촉매 설계 방법은 세계적으로 보고된 바가 없던 새로운 개념이다ˮ라며, "향후 높은 선택도가 필요한 다양한 화학반응에 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것이다ˮ라고 말했다.
우리 대학 생명화학공학과 현경림 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `앙게반테 케미(Angewandte chemi)'에 지난 5월 17일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Tailoring a Dynamic Metal-Polymer Interaction to Improve Catalyst Selectivity and Longevity in Hydrogenation),
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 LG화학의 지원을 받아 수행됐다.
2021.06.09 조회수 64353 -
인공지능연구센터, 네비웍스와 MOU 체결
우리 대학 인공지능연구센터(센터장 최호진)와 ㈜네비웍스(대표 원준희)는 인공지능 분야 기술개발의 공동연구를 위한 양해각서를 6월 2일 체결했다.
두 기관은 이번 양해각서 체결을 통해 (1)인공지능 분야 선행기술 연구개발을 위한 공동 연구 과제의 발굴 및 운영, (2)인공지능 분야 우수 인재 확보를 위한 추천 및 채용 연계 상호 협력, (3)그 외 인공지능 분야 기술 확보 사업 지원의 공동 목표 실현을 위해 필요한 사항 등을 협력할 계획이다.
우리 대학 전산학부는 ‘인간중심 컴퓨팅’이라는 비전 아래 50여 명의 교수진이 다양한 관련 교육 및 인공지능, 자연어 처리, 지식그래프 분야 기술로 소프트웨어공학 및 인간컴퓨터 상호작용 등 컴퓨터 공학 필수 분야와 시너지를 창출할 계획이다.
㈜네비웍스는 가상현실 교육훈련과 지능형 관제 서비스 전문 기업으로 2000년 설립되었다. 메타버스(Metaverse) 환경으로 진화하고 있는 비즈니스 환경에 맞춰 인간 삶의 다양한 분야에 초실감, 초연결을 제공하는 O2O(Offline to Online) 서비스를 고도화 하는 사업을 추진 중이다.
2일 열린 협약식은 류석영 전산학부장 및 최호진 인공지능연구센터장과 ㈜네비웍스의 원준희 대표를 비롯한 양 기관 임직원들이 참석한 가운데 진행되었다.최호진 인공지능연구센터장은 “과학기술 분야의 고급 인재와 기술이 실제 산업 현장과 만나 대한민국이 여러 분야에서 인공지능 강국으로 성장할 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 생각한다”며 “양 기관이 적극적인 산학 협력을 통해 인공지능 분야의 한 획을 그을 수 있는 성과물을 창출하길 바란다”고 기대감을 전했다.
2021.06.08 조회수 41077 -
미생물 이용한 천연 무지개 색소 생산기술 최초 개발
우리 대학 생명화학공학과 양동수 박사와 박선영 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 `일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 8일 밝혔다.
이번 연구결과는 국제 학술지인 `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 5월 25일 字 온라인 출판됐으며, 표지논문으로 선정됐다.
※ 논문명 : Production of rainbow colorants by metabolically engineered Escherichia coli
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 양동수(한국과학기술원, 공동 제1저자), 박선영(한국과학기술원, 공동 제1저자, 현 큐티스바이오), 포함 총 3명
우리 생활에서 널리 활용되고 있는 각종 색소는 식품과 같이 직접 섭취되거나 화장품과 같이 피부에서 흡수되기 때문에 건강과 밀접한 관계를 갖는다. 하지만 색소 중 대부분은 석유 화합물로부터 생산되는 합성 색소이며, 색소의 사용이 실생활에 널리 활용되는 만큼 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라 합성 색소를 이용해 각종 옷감을 염색하면서 발생하는 폐수가 전체 산업용 폐수의 17~20%를 차지한다는 보고가 있을 정도로, 합성 색소는 수질오염에도 지대한 영향을 미치고 있다.
이러한 건강 문제 및 환경 오염 문제를 해결하기 위해 미생물을 이용해 천연색소를 생산해야 한다는 필요성이 제기됐으나, 값비싼 생산 공정 및 낮은 수율로 인해 산업화가 실현되기 어려운 상황이었다. 또한, 현재까지 빨강, 주황, 노랑, 파랑, 보라 등의 천연색소는 낮은 효율로 생산된 바 있으나, 초록 및 남색 천연색소 생산은 보고된 바가 없었다.
이에 이상엽 특훈교수 연구팀은 농촌진흥청이 지원하는 농업미생물사업단 (단장 장판식)의 ‘카로티노이드 생산 미생물 세포공장 개발’ 과제(과제책임자 국립농업과학원 김수진 박사)의 지원을 받아 효율적인 빨강, 주황, 노랑 3색의 카로테노이드 생산과 이를 확장한 7가지 무지개색을 모두 생산할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
다양한 특성의 천연색소 중 연구팀은 지용성 식품과 의류 염색 등에 활용되는 소수성 천연색소에 주목했다. 연구팀은 미생물의 대사회로를 조작하는 기술인 대사공학을 이용해 카로티노이드 계열 색소인 ▲아스타잔틴(빨강), ▲베타-카로틴(주황), ▲제아잔틴(노랑)과 비올라세인 유도체 계열 색소인 ▲프로비올라세인(초록), ▲프로디옥시비올라세인(파랑), ▲비올라세인(남색), ▲디옥시비올라세인(보라)을 생산하는 대장균들을 개발하였다. 이로써 연구팀은 포도당이나 글리세롤을 먹이로 개발한 대장균을 배양함으로서 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 모두 생산할 수 있게 됐다.
미생물에서 소수성 색소가 생산되면 이는 세포 밖으로 배출되지 않고 세포 내부에 축적된다. 색소가 축적될 수 있는 세포의 수용력에는 한계가 있으므로, 그동안 소수성 색소를 특정량 이상으로 생산할 수 없었다. 이에 연구팀은 세포의 모양을 변화시키거나 세포 내 소낭을 형성해 미생물 내부의 소수성 천연색소 축적량을 증가시키고자 했다. 또한, 색소 생산량을 더욱 증가시키기 위해 연구팀은 세포 외 소낭을 형성해 미생물 밖으로 소수성 천연색소를 분비해 무지개 색소를 고효율로 생산하는 데 성공했다.
이번 연구를 통해 폐목재, 잡초 등 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스의 주원료인 포도당 또는 산업공정의 부산물로 생산되는 값싼 바이오매스인 글리세롤을 단일 탄소원으로 사용해 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 대장균 균주를 최초로 개발했다고 연구팀 관계자는 설명했다.
연구에 참여한 양동수 박사는 “석유 화합물 기반의 합성 색소를 대체할 수 있는 일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 세계 최초로 생산했으며, 이번 연구는 특히 색소를 비롯한 천연물을 고효율로 생산할 수 있는 범용 대사공학적 전략을 개발했다는 점에 의의가 있다”며 “이번 기술을 활용해 색소뿐만 아니라 의약품, 영양보조제 등의 다양한 친환경 물질을 고효율로 생산할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
2021.06.08 조회수 62004 -
경제 발전할수록 도심 녹지가 시민 행복에 직결돼
경제가 발전한 도시일수록 도심 속 녹지 공간이 시민의 행복에 큰 영향을 준다는 연구결과가 나왔다. 우리 대학 전산학부 차미영 교수 (기초과학연구원 수리및계산과학연구단 데이터 사이언스 그룹 CI) 연구팀은 정우성 포스텍 산업경영공학과 교수, 원동희 미국 뉴저지공대 교수 등과의 공동연구를 통해 인공위성 이미지 빅데이터를 분석해 세계 60개 국가의 도시 녹지 공간을 찾아내고, 녹지와 시민 행복 사이의 상관관계를 분석했다.
공원, 정원, 천변 등 도시 속 녹지 공간은 미적 즐거움은 물론 신체활동 및 사회적 상호작용 촉진 등 육체와 건강에 유익한 영향을 준다. 도심 녹지와 시민 행복간의 상관관계를 규명하기 위한 많은 연구가 이뤄졌지만, 지금까지는 주로 일부 선진국을 대상으로만 연구가 진행됐다. 이 때문에 녹지의 긍정적인 영향이 범지구적인 현상인지, 또 국가의 경제적 상황에 따라 영향이 어떻게 달라지는지에 대해서는 파악이 어려웠다. 또한, 현장을 직접 방문하는 실태조사나, 항공사진은 대대적인 조사가 이뤄지기 어려워 데이터 수집의 한계가 있었다.
연구진은 유럽우주국(ESA)이 운용하는 고해상도 위성인 센티넬-2(Sentinel-2) 위성자료를 이용해 세계 60개국, 90개 도시의 녹지 면적을 조사했다. 인구 밀도가 가장 높은 도시(최소 국가 인구의 10%를 포함하는 도시)를 분석대상으로 삼았으며, 선명한 이미지를 위해 각 지역의 여름 시기를 분석했다. 북반구는 2018년 6~9월, 남반구는 2017년 12월~2018년 2월의 이미지가 쓰였다.
이후 정량화된 도시 별 녹지 면적 데이터를 국제연합(UN)의 2018 세계행복보고서 및 국가별 국내총생산(GDP, 2018년 기준 한국 11위) 자료와 교차하여 녹지와 경제의 시민 행복과의 상관관계를 총괄 분석했다.
그 결과, 국가의 경제적 상황과 무관하게 모든 도시에서 녹지의 면적이 넓을수록 시민 행복도가 높아지는 경향이 있음을 파악했다. 다만, 60개 국가 중 GDP 하위 30개 국가는 경제 성장이 행복과 더 밀접한 관련이 있었다. 1인당 국민총소득(GNI)이 3만8,000달러(약 4,223만 원)가 넘는 도시에서는 녹지 공간 확보가 경제 성장보다 행복에 더 중요한 요소로 작용했다. 우리나라의 경우 서울 지역이 분석에 쓰였으며, 도심 녹지의 면적이 과거보다 증가하며 행복도가 높아지는 경향이 나타났다.
차미영 교수는 “최근 위성영상 빅데이터를 활용해 사회 난제를 해결하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다”며 “이번에 개발된 도구를 호수 및 해안 등 수생 환경의 면적을 정량화하는데 적용하고, 수생 환경과 시민 행복간의 상관관계를 분석하는 연구도 진행할 수 있을 것”이라고 말했다.
공동 교신저자인 정우성 포스텍 교수는 “경제 발전 단계에서는 경제 성장이 시민 행복에 가장 중요한 요소지만, 경제가 일정 수준 발전한 뒤에는 다른 사회적 요인이 행복에 더 직접적인 영향을 미친다”며 “이번 연구에서는 빅데이터를 분석해 도심 녹지 공간이 행복감을 향상시키는 사회적 요인 중 하나임을 확인한 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 막연하게 연관 있을 것이라 추측해온 녹지, 경제 그리고 행복간의 상관관계를 정밀하게 분석하고, 모든 국가에 걸쳐 분석할 수 있는 도구를 마련했다는 의미가 있다. 연구진은 실제 시민의 삶에 도움 될 수 있는 데이터 기반 정책 수립이 필요하다고 제언했다.
연구결과는 데이터 과학 분야 국제학술지인 ‘EPJ 데이터 사이언스(EPJ Data Science, IF 5.08)’ 5월 30일자 온라인 판에 게재됐다.
UNICEF에서 발간한 2022년 보고서(제목: Places and Spaces: Environments and children's well-being)에서는 전세계 어린이들의 행복도에 영향을 미치는 중요한 지표 중 하나로 연구팀이 제시한 Urban Green Space Index를 언급하고 있다.
<참고> UNICEF 보고서: https://www.unicef-irc.org/places-and-spaces
2021.06.08 조회수 51454 -
현장 진단형 초고속 실시간 유전자 분석기술 개발
우리 대학 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 *나노 플라즈모닉 구조를 통해 빠른 열 순환 및 실시간 정량 분석이 가능한 초고속 실시간 중합효소연쇄반응(PCR) 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
☞ 나노 플라즈모닉 구조(Nanostructures for Plasmonic): 빛의 파장보다 작은 크기의 금속나노구조이며, 빛이 표면에 조사될 때 금속 표면과 유전체의 경계에서 빛과 전자가 상호작용을 한다. 주로 바이오 물질의 검출이나 분자진단에 많이 응용된다.
최근 코로나19를 포함한 전염성이 높은 바이러스의 확산을 방지하기 위해 신속하고 정확하게 바이러스를 검출하는 기술이 절실하게 필요하다. 역전사 중합효소연쇄반응(RT-PCR)은 가장 표준화된 코로나19 진단법으로 바이러스 내부의 유전물질인 RNA를 상보적 DNA로 역전사한 후 타겟 DNA를 증폭해 형광 프로브로 검출하는 방법이다. 그러나 기존 RT-PCR은 높은 민감도와 정확도를 갖추지만, 검출 시간이 길고 고가의 대형장비를 갖춘 장소로 검체를 운송한 후 진단하는 등 실시간 현장 대응의 한계가 존재한다.
연구팀이 개발한 `실시간 나노 플라즈모닉 PCR'은 백색 발광다이오드(LED)의 높은 광 흡수율을 갖는 나노 플라즈모닉 기판에 진공 설계된 미세 유체칩을 결합해 소량의 검체를 신속하게 증폭하고 정량적으로 분석해 바이러스를 단시간 내에 정확하게 검출할 수 있다. 이러한 특징을 이용해 공공장소 등 환자 발생 장소에서 병원성 바이러스의 확산 및 해외유입을 차단할 수 있을 것으로 기대된다.
나노 플라즈모닉 기판은 유리 나노기둥 위 금 나노섬 구조로 가시광선 전 영역에서 높은 광 흡수율을 가지므로 백색 LED의 빛을 열에너지로 치환해 빠르게 열을 발생시키고 내보낼 수 있다. 또한 광열 발생장치의 수직적인 온도 구배로 인한 증폭 효율 저하를 해결하기 위해 연구팀은 진공 설계된 미세 유체칩을 결합했다.
이는 샘플 한 방울을 칩에 넣으면 진공이 액체를 마이크로 챔버로 잡아당겨 자동으로 3분 이내에 주입되고, PCR 과정 동안에 발생하는 미세 기포는 공기 투과성 벽을 통해 제거돼 PCR 효율을 높이는 원리다.
연구팀은 SARS-CoV-2 플라스미드 DNA를 사용해 해당 기술을 검증했고, 40싸이클(95도-60도)을 5분 이내에 수행해 타겟 바이러스를 91%의 증폭 효율과 함께 정량적으로 검출했다. 이는 기존 실시간 PCR 시스템의 긴 소요 시간(약 1시간)에 비해 매우 빠르고, 높은 증폭 효율을 보이므로 신속한 현장 진단에 적용되기 적합할 것으로 보인다.
정기훈 교수는 "실질적으로 현장에서 사용 가능한 초고속 분자진단법을 개발했다ˮ며 "이 실시간 나노 플라즈모닉 PCR 기술은 현장에서 분자진단을 위한 차세대 유전자 증폭 플랫폼을 제공할 것이며 바이러스 확산 방지에 기여할 수 있을 것으로 예상한다ˮ라고 말했다.
우리 대학 바이오및뇌공학과 강병훈 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `에이씨에스 나노 (ACS Nano)'에 지난 5월 19일 字로 게재됐다. (논문명: Ultrafast and Real-time Nanoplasmonic On-Chip Polymerase Chain Reaction for Rapid and Quantitative Molecular Diagnostics)
한편 이번 연구는 KAIST 코로나19대응 과학기술뉴딜사업단과 한국연구재단 개인연구지원사업, 바이오기술개발사업으로 수행됐다.
2021.06.07 조회수 36982