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인공지능을 이용해 숨겨진 소재를 탐색하는 기술 개발
우리 대학 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀이 인공지능(AI) 기술을 이용해 숨겨진 소재 공간을 탐색, 숨겨진 새로운 물질을 예측하는 기술을 개발하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
소재 연구의 궁극적인 목표는 원하는 *물성을 갖는 소재를 발견하는 것이다. 그러나 무기화합물의 가능한 모든 조성과 결정구조를 고려할 때 무한대에 가까운 경우의 수를 샅샅이 탐색하기는 쉽지 않다. 이러한 문제 해결을 위한 방안으로 컴퓨터 스크리닝 소재 탐색 방법이 널리 사용되고 있지만 찾고자 하는 소재가 스크리닝 후보군에 존재하지 않을 때는 유망한 물질 후보들을 놓치는 경우가 종종 발생한다.
☞ 물성(physical properties): 물질의 전기적, 자기적, 광학적, 역학적 성질 따위를 통틀어 이르는 말
정유성 교수 연구팀이 개발한 *소재 역설계 방법은 데이터 학습을 통해 주어진 조성을 갖는 결정구조를 새롭게 생성하게 함으로써 기존 데이터베이스에는 존재하지 않던 신물질을 발견할 수 있도록 한다. 특히, 기존의 역설계 방법에서는 원하는 조성을 제어할 수 없지만, 정 교수팀이 개발한 역설계 방법은 원하는 조성을 제어함으로써 숨어있는 화학 공간을 효율적으로 탐색해 물질을 설계할 수 있다.
☞ 소재 역설계(Materials Inverse Design): 주어진 구조에 대한 물성을 측정하는 방식의 반대 개념으로, 특정한 물성을 갖도록 소재의 구조를 역으로 찾아가는 방법
이번 정 교수팀의 연구성과인 결정구조 예측기술은 인공지능 생성모델인 적대적 생성 신경망(GAN, Generative Adversarial Network)을 기반으로 개발됐다. 또 기존의 복잡한 3차원 이미지 기반 물질 표현자의 단점을 해소하기 위해 비교적 간단한 원자들의 3차원 좌표를 기반으로 한 물질 표현자를 사용했다.
정 교수팀은 이번 연구를 통해 개발한 소재 역설계 방법을 활용, 빛을 이용한 수소생산 촉매로 활용될 수 있는 마그네슘-망간-산화물 기반의 광촉매 물질의 결정구조를 예측하는 데도 성공했다. 기존 데이터베이스에 존재하지 않는 조성들을 생성조건으로 다양한 마그네슘-망간-산화물 구조를 생성한 결과, 기존에 알려지지 않았으면서 광촉매로서 전도유망한 특성을 갖는 신물질을 다수 발견했다.
정유성 교수는 "광촉매 물질의 설계에 적용한 이번 소재 설계 프레임워크는 화합물의 화학적 조성뿐 아니라 사용자가 원하는 특정 물성을 갖는 소재를 역설계하는데 적용이 가능하다ˮ면서 "여러 소재 응용 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 말했다.
우리 대학 생명화학공학과 김성원 박사과정과 노주환 박사과정이 공동 제1 저자로, 토론토 대학의 아스푸루-구지크(Aspuru-Guzik) 교수가 공동연구로 참여한 이 연구성과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science) 지난 8월호에 실렸다.(논문명: Generative Adversarial Networks for Crystal Structure Prediction)
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 기초연구사업(중견연구) 지원을 받아 수행됐다.
2020.10.28
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생명과학과 조원기 교수, 서경배과학재단 2020년 신진과학자 선정
우리 대학 생명과학과 조원기 교수가 서경배과학재단 2020년 신진 과학자로 선정됐다.
아모레퍼시픽그룹 서경배 회장은 2016년 사재 3000억원을 출연해 서경배과학재단을 설립했다. 재단은 '생명과학 연구자의 혁신적인 발견을 지원해 인류에 공헌한다'는 비전 아래 매년 국내외 생명과학분야에서 새로운 연구 영역을 개척하고 있는 한국인 신진 과학자를 선정하고 있다.
서경배과학재단은 2017년부터 올해까지 17명의 생명과학분야 신진 과학자를 선정했으며, 이들에게는 1인당 매년 최대 5억원을 5년 동안 지급해 총 425억원의 연구비를 지원한다.
서 이사장은 “오랜 기간 많은 분들의 관심과 사랑을 받아왔다”며 “생명과학·바이오 분야를 장기적으로 지원해 인류에 공헌하는 것이 제가 받은 사랑을 사회에 환원할 수 있는 방법”이라고 밝히며 서경배과학재단을 통한 장기적 지원을 다짐했다.
올해는 1월 연구제안서 공모를 시작해 임용 5년 미만의 생명과학분야 신진 과학자에게 총 67건의 연구제안서를 접수받았다. 국내외 석학으로 구성된 심사위원단은 본 심사에 오른 20개 제안서를 7월까지 서면 심사하고 9월에는 12개 제안서의 발표 평가를 통해 최종 3명을 선정했다.
이에 우리 대학 조원기 교수는 살아있는 단일 세포핵 내에서 초고해상도 이미징을 통해 시시각각으로 변화하는 염색질의 단위체들과 핵내 구조체들의 4차원 상호작용을 실시간으로 관찰할 수 있는 연구를 제안했다. 이 연구는 생물학 연구의 오랜 숙제인 전사 조절 과정에 대한 이해를 크게 높일 수 있는 것으로 평가받았다.
조원기 교수와 함께 선정된 서울대학교 노성훈 교수는 현대 구조생물학 연구방법의 한계 극복을 위해 초저온 전자현미경(Cryo-EM) 기반 세포 및 분자 이미징 플랫폼을 개발하고 이를 통해 세포 노화와 질병 발생 기전을 연구하는 선도적인 주제를 제안했다. 또한 함께 선정된 캠브리지대학교 이주현 교수는 폐섬유화증 환자로부터 만들어낸 폐 오가노이드(유사 장기) 모델을 이용해 만성 폐질환으로 손상된 폐 재생 복구 기작을 이해하고자 하는 도전적이고 혁신적인 연구를 보여줬다.
앞서 뽑힌 우리 대학 과학자들의 연구성과도 국내외 학계에서 주목 받고 있다. 특히 코로나19 등 감염병 예방·치료에 기여한 정인경 교수(생명과학과, 2018년 선정)와 주영석 교수(의과학대학원, 2018년 선정)의 연구는 서경배과학재단이 강조하는 공익을 위한 생명과학분야 지원의 중요성을 다시 한 번 확인시켰다.
2020.09.16
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비알콜성 지방간 진행 영상화 기술 개발
우리 대학 의과학대학원 김필한 교수 연구팀이 3차원 생체현미경 기술을 통해 비알콜성 지방간에서 간세포 내 *지방구 형성과 미세혈관계를 동시에 고해상도의 영상으로 촬영하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.
☞ 지방구(Lipid droplet): 지방 방울이라고도 하며, 간세포의 세포질에 구 형태로 축적된 지방을 뜻한다.
김 교수 연구팀은 이에 앞서 살아있는 비알콜성 지방간 동물모델에서 질환이 진행될수록 간세포 내의 지방구가 축적되며 크기가 증가하는 과정에서 개개의 지방구를 3차원으로 정밀하게 분석할 수 있는 생체현미경 기술을 개발, 이번 연구에 활용했다.
비알콜성 지방간은 서구화된 식습관 및 비만율 증가로 국내에서 급속히 증가하고 있는데 단순 지방간부터 만성 지방간염 및 간경변증(간경화)에 이르는 넓은 범위의 간 질환을 포함한다. 정상인에게서도 최대 24%, 비만인에서는 최대 74%까지 높은 유병률이 보고되고 있어 심각한 간 질환으로 진행되지 않도록 적극적인 관리가 요구된다.
그동안 비알콜성 지방간 질환 연구들은 대부분이 절제된 간 조직을 사용한 조직병리학적 분석을 통해 이뤄졌다. 하지만 이 같은 방식으로는 질환이 장기간에 걸쳐 진행되는 동안 간 내부의 간세포와 주변 미세환경에서 일어나는 다양한 분자세포 수준의 변화를 3차원으로 정밀하게 분석하고 그 원리를 밝히는 것이 어려웠다. 글로벌 차원의 집중적인 연구개발 투자에도 불구하고 비알콜성 지방간 질환의 새로운 치료제의 개발이 지연되고 주된 이유다.
김필한 교수 연구팀은 독자적으로 개발한 초고속 레이저 공초점·이광자 생체현미경을 사용해 살아있는 비알콜성 지방간 질환 동물모델에서 질환 진행에 따른 간세포 내 지방구의 형성 및 축적과 주변 미세 간 혈관계를 동시에 고해상도를 지닌 3차원 영상으로 촬영하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 생체현미경 시스템은 시속 380Km 이상의 초고속으로 회전하는 다각 거울을 이용해 살아있는 생체 내부 간 조직의 움직임을 실시간으로 추적하고 보정이 가능해 크기가 마이크로미터(μm·100만분의 1미터) 이하인 극히 작은 지방구까지 고해상도로 영상화가 가능하다.
연구팀은 또 비알콜성 간 질환에서 질환 진행으로 간세포 내 지방구의 축적률이 증가하고 개개의 지방구 크기가 증가하는 현상을 영상화하는 데 성공했다. 이와 함께 지방구의 크기 증가가 간세포 핵의 위치변화를 일으키고 결국 간세포 모양의 변화를 일으키는 현상을 고해상도 영상화를 통해 확인했다.
김 연구팀이 독자적으로 개발한 최첨단 고해상도 3차원 생체현미경 기술은 살아있는 생체 내부 간의 미세환경을 이루는 다양한 구성성분(세포, 혈관, 지질, 콜라겐 외 생체분자)들을 동시에 실시간으로 영상촬영이 가능해 비알콜성 지방간 질환을 비롯한 다양한 간 질환 연구와 치료제 개발과정에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.
특히 이 3차원 생체현미경 기술은 우리 대학 교원창업기업인 아이빔테크놀로지(IVIM Technology, Inc)를 통해 상용화돼 올 인원 생체현미경 모델명인 'IVM-CM'과 'IVM-MS'로 2019년 10월부터 출시되고 있는데 기초 의·생명 연구의 차세대 첨단 영상장비로서 미래 글로벌 바이오헬스 시장의 핵심 장비로 벌써부터 주목받고 있다.
※ MCD diet는 지방간을 유도하기 위한 특수 사료를 의미하며 생쥐에게 섭취시키면 빠르게 지방간이 생긴다.
김 교수는 "비알콜성 지방간을 포함한 다양한 질환의 3차원 생체현미경을 이용한 실시간 고해상도 영상기술은 질환의 진행에 따른 세포 수준의 다양한 변화의 정밀한 관찰이 가능하다ˮ라며 "3차원 생체현미경은 미래 바이오헬스 산업에서 여러 인간 질환의 진단 및 치료제 개발에 획기적인 도움을 줄 것ˮ이라고 말했다.
나노과학기술대학원 문지은 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 연구팀 논문은 미국광학회가 발간하는 국제 학술지 '바이오메디컬 옵틱스 익스프레스(Biomedical Optics Express)' 誌 8월 19일 字에 실리는 한편 편집장 선정(Editor's pick) 우수 논문으로 주목받았다. (논문명 : Intravital longitudinal imaging of hepatic lipid droplet accumulation in a murine model for nonalcoholic fatty liver disease)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
2020.09.14
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전산학부 김주호 교수, ACM CSCW 2020 학술대회 논문 위원장 선임
우리 대학 전산학부 김주호 교수가 제 23회 ACM CSCW(Computer-Supported Cooperative Work and Social Computing) Paper Chair로 선임되어 위원장 직을 수행한다.
ACM CSCW는 ACM의 인간-컴퓨터 상호작용(HCI) 분야 전문가 그룹인 SIGCHI에서 주최하는 대표적인 학술대회 중 하나로, Google Scholar HCI 분야에서 h5-index 기준 2위에 올라 있는 세계적인 학회다.
김주호 교수는 1986년부터 시작된 학술대회 역사상 처음으로 아시아 기관 출신으로 Paper Chair에 선임됐다. 김 교수는 작년부터 University of Michigan의 Sarita Schoenebeck 교수, Microsoft Research의 Siân Lindley 박사와 공동 Paper Chair로 위원장 직을 수행해 왔으며, CSCW 역사상 처음으로 쿼터 별 논문 데드라인을 도입하고 10월에 개최될 온라인 학회를 준비하고 있다.
김 교수는 Paper Chair로서의 공로를 인정받아 ACM Recognition of Excellent Service 상을 수상하였다.
ACM CSCW 2020 학회 홈페이지: http://cscw.acm.org/2020
2020.09.09
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딥러닝 기반 실시간 기침 인식 카메라 개발
우리 대학 기계공학과 박용화 교수 연구팀이 ㈜에스엠 인스트루먼트와 공동으로 실시간으로 기침 소리를 인식하고 기침하는 사람의 위치를 이미지로 표시해주는 '기침 인식 카메라'를 개발했다고 3일 밝혔다.
작년 말부터 시작된 세계적 유행성 전염병인 코로나19가 최근 미국·중국·유럽 등 세계 각국에서 재확산되는 추세로 접어들면서 비접촉방식으로 전염병을 감지하는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다.
코로나19의 대표적인 증상이 발열과 기침인데, 현재 발열은 열화상 카메라를 이용해 직접 접촉을 하지 않고도 체온을 쉽게 판별할 수 있다. 문제는 비접촉방식으로는 기침하는 사람의 증상을 쉽사리 파악하기 어렵다는 점이다. 박 교수 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 기침 소리를 실시간으로 인식하는 딥러닝 기반의 기침 인식 모델을 개발했다. 또한 열화상 카메라와 같은 원리로 기침 소리와 기침하는 사람의 시각화를 위해 기침 인식 모델을 음향 카메라에 적용, 기침 소리와 기침하는 사람의 위치, 심지어 기침 횟수까지를 실시간으로 추적하고 기록이 가능한 '기침 인식 카메라'를 개발했다.
연구팀은 기침 인식 카메라가 사람이 밀집한 공공장소에서 전염병의 유행을 감지하거나 병원에서 환자의 상태를 상시 모니터링 가능한 의료용 장비로 활용될 것으로 기대하고 있다.
연구팀은 기침 인식 모델 개발을 위해 *합성 곱 신경망(convolutional neural network, CNN)을 기반으로 *지도학습(supervised learning)을 적용했다. 1초 길이 음향신호의 특징(feature)을 입력 신호로 받아, 1(기침) 또는 0(그 외)의 2진 신호를 출력하고 학습률의 최적화를 위해 일정 기간 학습률이 정체되면 학습률 값을 낮추도록 설정했다.
이어서 기침 인식 모델의 훈련 및 평가를 위해 구글과 유튜브 등에서 연구용으로 활발히 사용 중인 공개 음성데이터 세트인 `오디오세트(Audioset)'를 비롯해 `디맨드(DEMAND)'와 `이티에스아이(ETSI)', `티미트(TIMIT)' 등에서 데이터 세트를 수집했다. 이 중 `오디오세트'는 훈련 및 평가 데이터 세트 구성을 위해 사용했고 다른 데이터 세트의 경우 기침 인식 모델이 다양한 배경 소음을 학습할 수 있도록 데이터 증강(data augmentation)을 위한 배경 소음으로 사용했다.
☞ 합성 곱 신경망(convolutional neural network): 시각적 이미지를 분석하는 데 사용되는 인공신경망(생물학의 신경망에서 영감을 얻은 통계학적 학습 알고리즘)의 한 종류
☞ 지도학습(Supervised Learning): 훈련 데이터(Training Data)로부터 하나의 함수를 유추해내기 위한 기계 학습(Machine Learning)의 한 방법
데이터 증강을 위해 배경 소음을 15%~75%의 비율로 `오디오세트'에 섞은 후, 다양한 거리에 적응할 수 있게 음량을 0.25~1.0배로 조정했다. 훈련 및 평가 데이터 세트는 증강된 데이터 세트를 9:1 비율로 나눠 구성했으며, 시험 데이터 세트는 따로 사무실에서 녹음한 것을 사용했다.
모델 최적화를 위해서는 '스펙트로그램(spectrogram)' 등 5개의 음향 특징과 7개의 최적화 기기(optimizer)를 사용해 학습을 진행하고 시험 데이터 세트의 정확도를 측정, 성능을 확인한 결과 87.4%의 시험 정확도를 얻을 수 있었다.
연구팀은 이어 학습된 기침 인식 모델을 소리를 수집하는 마이크로폰 어레이와 카메라 모듈로 구성되는 음향 카메라에 적용했다. 그 결과 수집된 데이터는 음원의 위치를 계산하는 빔 형성 과정을 거쳐 기침 인식 모델이 기침 소리로 인식할 경우 기침 소리가 난 위치에 기침 소리임을 나타내는 등고선과 라벨이 각각 표시된다.
박 교수팀은 마지막 단계로 기침 인식 카메라의 예비 테스트를 진행한 결과, 여러 잡음 환경에서도 기침 소리와 그 이외의 소리로 구분이 가능하며 기침하는 사람과 그 사람의 위치, 횟수 등을 실시간으로 추적해 현장에서의 적용 가능성을 확인했다. 이들은 추후 병원 등 실사용 환경에서 추가 학습이 이뤄진다면 정확도는 87.4%보다 더 높아질 것으로 기대하고 있다.
박용화 교수는 "코로나19가 지속적으로 전파되고 있는 상황에서 공공장소와 다수 밀집 시설에 기침 인식 카메라를 활용하면 전염병의 방역 및 조기 감지에 큰 도움이 될 것ˮ이라고 말했다. 박 교수는 이어 "특히 병실에 적용하면 환자의 상태를 24시간 기록해 치료에 활용할 수 있기 때문에 의료진의 수고를 줄이고 환자 상태를 더 정밀하게 파악할 수 있을 것ˮ 이라고 강조했다.
한편, 이번 연구는 에너지기술평가원(산업통상자원부)의 지원을 받아 수행됐다.
2020.08.03
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전자 신호의 오차를 1경분의 1초 수준으로 제어하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 초고속 펄스 레이저를 이용하여 전자 신호의 시간 오차를 1경분의 1초(100아토초=10-16초) 이하 수준까지 측정하고 제어하는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 매우 정밀한 시간 성능이 요구되는 차세대 데이터 변환기와 초고속 통신 및 집적회로의 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.
현민지 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 고려대학교 전자및정보공학과 정하연 교수팀과 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7월 22일자에 게재됐다. (논문명: Attosecond electronic timing with rising edges of photocurrent pulses)
초고속 펄스 레이저를 이용하면 기존의 기술들로 달성하기 어려웠던 시간 안정도를 얻을 수 있으며, 지난 십여년간 이러한 레이저로부터 하나의 마이크로파 주파수 성분을 걸러내어 낮은 위상잡음의 사인파 형태 전자 신호를 발생하는 연구가 세계적으로 활발하게 이루어졌다.
하지만 많은 디지털 및 정보통신 시스템들은 사인파가 아닌 펄스나 사각파 형태의 클럭 신호를 사용하는 경우가 많으며, 아직까지 초고속 레이저로부터 펄스 혹은 사각파 형태의 전자 클럭 신호를 생성하여 그 잡음 특성을 측정한 연구는 존재하지 않았다.
연구팀은 독자적으로 개발한 시간 오차 측정기술을 이용하여 초고속 레이저로부터 생성한 전류 펄스 신호의 시간 오차를 50아토초 분해능으로 측정할 수 있었다. 이를 통하여 전류 펄스의 상승에지(rising edge)에서의 시간 오차가 100아토초 수준으로 매우 작을 수 있음을 세계 최초로 규명했다.
연구팀은 또한 이러한 시간 오차가 광신호의 진폭 잡음이 시간 영역에서의 잡음으로 변환되는 과정에 의하여 제한된다는 것을 밝혔으며, 광신호의 진폭 잡음을 제어함으로써 전류펄스의 상승에지에서의 시간 오차를 64아토초 수준까지 제어할 수 있었다.
최근 전자 시스템과 데이터 속도가 급격하게 빨라짐에 따라 펄스나 사각파 형태의 전자 클럭 신호의 시간 오차를 줄이는 것이 매우 중요해지고 있으며, 고속 데이터 전송 및 데이터변환, 고속 칩간통신, 5G 통신 등에서는 이미 수십 펨토초(펨토초=10-15초, 1000조분이 1초) 수준의 시간 오차를 요구하고 있다. 이번 연구 결과는 초고속 레이저를 이용하면 이러한 최근의 요구보다도 훨씬 우수한 펨토초 이하의 100아토초(1경분의 1초) 수준까지도 전자 클럭 신호의 시간 오차를 제어할 수 있음을 의미한다. 따라서 이번 연구 결과를 이용하면 향후 초고속 레이저의 ICT 분야에서의 활용이 보다 본격화될 수 있을 것으로 기대된다.
김 교수는 “이미 이번 논문의 후속 결과로서 매우 작은 시간 오차를 가지는 광전류 펄스를 이용하여 전자칩에 클럭 신호를 주입하고 동작시키는 데에도 성공했다”고 밝히며, “초고속 레이저를 이용한 다양한 고성능 ICT 분야에서의 응용을 계속 연구할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
2020.07.24
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청량음료가 치아 건강에 해롭다는 사실을 과학적으로 뒷받침하다
우리 연구진이 여름철 자주 찾는 청량음료가 치아 건강에 해롭다는 사실을 과학적으로 뒷받침하는 논문을 발표했다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 청량음료가 치아에 미치는 기계적 특성, 즉 거칠기(roughness)와 탄성 계수(elastic modulus) 변화를 원자간력 현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)으로 관측하고 이를 영상화하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.
☞ 원자간력 현미경(AFM): 대표적인 주사형 프로브 현미경(SPM, Scanning Probe Microscope, SPM)의 하나로, 캔틸레버(cantilever) 끝에 설치돼있는 뾰족한 프로브와 시료 표면 간에 작용하는 원자간력을 이용해 시료 표면의 삼차원 상을 얻는 장치
☞ 거칠기: 재질 표면에 나 있는 규칙 또는 불규칙한 요철의 정도
☞ 탄성 계수: 인장력 또는 압축력에 대한 재료의 저항 정도
원자간력 현미경은 나노미터(nm, 100만분의 1 밀리미터) 수준의 탐침으로 재료의 표면을 스캔해 표면형태나 상태를 관측하는 장비로 주로 활용된다. 이 현미경은 또 탐침을 이용해 물질 표면에 힘을 가해 변형되는 정도 등 여러 기계적인 특성(거칠기, 탄성 계수 등)에 대한 측정이 가능하다.
최근 인구의 고령화에 따라 사람들의 건강에 관한 관심이 다방면으로 급증하고 있다. 그중 치아는 치료 비용도 비싸고, 손상됐을 때 복구하기가 쉽지 않다. 또 제대로 치료가 되지 않으면 다른 질환의 발병률도 높여 삶의 질을 크게 떨어뜨린다. 이 때문에 치아에 관한 관심이 날로 증가하는 추세며 치아 건강을 위한 다양한 의료 기술의 개발과 건강한 치아를 유지하기 위한 예방법들도 많이 소개되고 있다.
치아는 다양한 구조로 이뤄져 있는데, 이중 가장 바깥쪽에 있는 곳을 치아 법랑질(에나멜, enamel)이라고 한다. 법랑질은 치아의 구성분 중에서 가장 단단해 음식을 씹을 때 치아의 손상을 방지하고, 외부 환경으로부터 치아를 보호하는 역할을 한다. 하지만 치아 법랑질이 손상되면 보호막 역할을 할 수 없어 일반적인 음식을 먹을 때에도 극심한 통증을 유발하게 된다. 따라서 치아 법랑질의 손상을 예방할 방법뿐만 아니라 손상 원인 및 손상 과정을 규명하는 연구가 필요하다.
홍승범 교수 연구팀은 치아 법랑질이 청량음료에 노출됐을 때, 노출된 시간에 따라서 치아 법랑질 표면이 받는 영향을 원자간력 현미경의 다양한 기능을 활용해 분석했다. 청량음료는 현대 사회에서 빼놓을 수 없는 기호 식품이며, 연령대와 성별을 가리지 않고 많이 소비되고 있다. 홍 교수팀은 이번 연구에서 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 콜라·사이다·오렌지주스 등 3종의 청량음료를 사용했다. 3종의 청량음료에 치아를 각각 담갔다가 꺼내서 부식된 정도를 나타내는 표면의 거칠기와 재료(물질)에 힘을 가했을 때 변형된 정도를 나타내는 탄성 계수의 변화를 시간대별로 측정했다.
연구팀은 우선 청량음료에 노출된 치아 법랑질을 노출된 시간별로 초기 상태부터 10분까지 거칠기의 변화와 5분까지의 탄성 계수 변화를 측정했다. 치아 법랑질의 표면 거칠기는 청량음료에 노출된 시간이 10분이 됐을 때, 초깃값보다 약 5배 정도 거칠어졌고 탄성 계수는 노출된 지 5분 동안 약 5배 정도나 떨어지는 결과를 얻었다.
연구팀은 특히 원자간력 현미경으로 영상화한 사진을 통해 치아 법랑질의 부식 과정을 분석했는데 흠집이 있는 치아의 경우 부식속도가 훨씬 빠르게 진행된다는 사실도 확인했다. 치아 법랑질의 부식 정도와 청량음료에 노출된 시간이 상호 밀접한 관계가 있음을 밝힌 이번 연구 결과는 청량음료가 치아 건강에 해롭다는 기존 학설을 원자간력 현미경을 이용한 실험과 영상관찰을 통해 증명하고 제시했다는 점에서 주목을 받고 있다.
홍승범 교수는 "원자간력 현미경을 이용해 청량음료에 의해 치아 법랑질이 부식됨에 따라 표면 성질이 변하는 과정을 영상화했다ˮ라며 "실제 치아의 부식 과정은 구강 환경이나 보호막 역할을 하는 침에 의해 연구 결과만큼 심각하지 않을 수 있지만, 장시간 청량음료에 노출된 치아는 부식에 의해 표면이 거칠어지고 또 탄성 계수 등 기계적 특성 또한 저하될 수 있다ˮ고 말했다.
신소재공학과 판판 리(Panpan Li) 연구원과 오충익 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials'誌 지난달 29일 字에 게재됐다. (논문명: Nanoscale effects of beverages on enamel surface of human teeth: An atomic force microscopy study)
한편 이번 연구는 한국연구재단 해외우수신진연구자유치사업, 과학기술정보통신부 G-CORE 연구사업, 한국과학기술원 KUSTAR-KAIST 교육연구원 국제공동연구의 지원으로 이뤄졌다. 또 KAIST 클리닉의 조수빈 치과의사와 캐나다 치과병원 Smile Well Dental 소속 신상민 박사, 서울대학교 치의학 대학원 김각균 교수로부터 각각 자문을 받았다.
2020.07.22
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박정기 명예교수, 자서전 ＜뒤돌아 볼 수 없었던 길＞ 출간
우리 대학 생명화학공학과 박정기 명예교수가 대학과 기업에서의 경험을 회고한 저서 <어느 KAIST 교수가 말하는: 뒤돌아 볼 수 없었던 길>을 출간했다.
박 교수가 우리 대학에 재직했던 30년간 경험한 연구 및 교육, 국제 학술 무대에서의 일화들을 바탕으로 기록된 저서에는 우리나라 산업의 국제적 위상이 제고되어온 변천사, 국내 학술단체가 걸어온 혁신의 길, 연구 개발을 위해 정부와 기업 사이의 교량이 되어 온 대학의 역할 설정 등에 얽힌 이야기가 소상하게 담겨 있다.
그뿐만 아니라, 대학에 몸담기 전 기업의 요직에서 체험한 실무의 가치, 오랜 기간 국·내외 연구 현장에서 열정적으로 헌신하게 해준 의지의 원천과 그 배경 된 학창 시절의 일화 그리고 진솔한 가족사까지 연구자의 삶을 수십 년간 지탱해준 다양한 이야기들을 함께 담아냈다.
박정기 교수는 “학문의 길을 앞서 걷다 보니 여러 시행착오를 거치며 발자국을 남기게 됐다”고 설명하며, “연구자를 꿈꾸는 젊은이들과 경험을 나누고 싶었다”라고 출간 배경을 전했다.
박정기 교수는 서울대학교 화학공학과를 졸업하고 우리 대학에서 석사학위를 받은 후 미국 스탠퍼드 대학에서 박사학위를 받았다. 1987년 KAIST 교수로 부임하여 정년 후 현재 명예교수로 있다. LG, 대우그룹 및 한국기술개발㈜ 등의 생산 현장 및 연구소에서 기술개발과 관련된 다양한 실무 경험을 쌓았다. 한국전기화학회 회장, 차세대이차전지 인력양성센터장, PBFC, IMLB 등의 국제학술대회 의장을 역임했다. 2012년 정부로부터 〈과학기술훈장 웅비장〉을 수훈했으며 2018년 국제배터리학회가 주관하는 〈IBA Technology Award〉를 한국인 최초로 수상했다. 대표 저서로 영문판 『Principles and Applications of Lithium Secondary Batteries』가 있다. 현재 한국과학기술한림원 정회원이다.
2020.07.14
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이정호 교수, 다케다제약-뉴욕아카데미 2020 과학혁신가상 수상
우리 대학 의과학대학원 이정호 교수가 다케다제약-미국뉴욕아카데미(NYAS: New York Academy of Sciences) 2020 제3회 과학혁신가상(Innovators in Science Award) 중 신진과학자상(Early-Career Scientist Award)을 수상하게 됐다. 이는 희귀질환 연구분야에서 혁신적인 성과 달성을 위해 헌신해온 연구자에게 수여하는 상이다. 선임과학자상(Senior Scientist Award)과 신진과학자상으로 구성된 이 상의 수상자에게는 각각 상금이 수여된다.
이정호 교수는 희귀 발달성 뇌질환을 유발할 수 있는 뇌 줄기세포 내 유전적 변이에 대한 연구 업적을 인정받아 수상자로 선정됐다. 이 교수는 난치성 간질의 원인을 최초로 찾아냈으며 국소 피질 이형성증, 뇌간의 발달저하가 특징인 주버트 증후군(Joubert syndrome), 뇌의 한쪽 반구가 비정상적으로 비대해지는 편측거대뇌증 등 몇몇 발달성 뇌질환을 유발하는 유전자를 규명하기도 했다. 이 교수는 뇌 체세포 유전변이 국가 연구단(National Creative Research Initiative Center for Brain Somatic Mutations) 단장이자, 저빈도 체세포 유전변이에 의한 난치성 중추신경계 질환을 위한 새로운 치료제 및 진단법 발굴을 모표로 설립된 바이오제약 기업 소바젠(SoVarGen)의 공동창업자 겸 최고기술경영자(CTO, Chief Technology Officer)다.
이 교수는 "개인적으로 존경하는 세계적인 과학 석학으로 구성된 심사위원단으로부터 인정받게 돼 큰 영광이다"라며 "더 중요한 사실은 이번 수상으로 뇌 체세포 유전변이 연구가 치명적인 난치성 신경질환으로 고통받는 환자를 위한 중요한 연구 분야로 인정받게 됐다는 것이다"고 소감을 밝혔다.
시상식은 오는 10월 비대면으로 열리는 '과학혁신가상 시상식 및 심포지엄'에서 진행될 예정이다. 이 행사는 전세계 선도적 연구진, 임상전문가 그리고 저명한 업계의 관계자와 함께 유전성, 신경계, 대사, 자가면역 및 심혈관 관련 희귀질환에 대한 과학적 이해와 치료법에 대한 최신 혁신적 성과를 공유할 수 있는 자리가 될 전망이다.
2020.07.09
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육종민 교수팀, 살아있는 세포의 전자현미경 관찰 성공
우리 대학 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 경북대학교(총장 김상동) ITA 융합대학원 한영기 교수 연구팀과 공동연구를 통해 살아 있는 세포를 전자현미경을 통해 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.
이번 연구를 통해 살아 있는 다양한 세포의 실시간 분자 단위 관찰이 가능해져, 그동안 관찰하지 못했던 살아 있는 세포의 전이·감염에 관한 전 과정을 규명할 수 있게 돼 신약 개발 등을 더욱 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.
신소재공학과 구건모 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)' 5월 5일 字 온라인판에 게재됐으며 6월 호 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Live-Cell Electron Microscopy Using Graphene Veils)
전 세계적으로 대유행하고 있는 코로나바이러스감염증(COVID-19) 등은 수십~수백 나노미터(nm, 1 나노미터는 100만 분의 1밀리미터) 크기의 바이러스로 인해 일어나는 질병이다. 바이러스의 전이·감염 과정을 분석하고 이에 대처하는 신약 개발을 위해서는 바이러스의 미시적인 행동을 실시간으로 관찰하는 것이 매우 중요하다.
수십~수백 나노미터 크기의 바이러스 등을 비롯해 세포와 세포를 이루는 기관들은 가시광선을 이용하는 일반 광학현미경으로는 관찰이 어려워 해상력이 매우 높은 전자선을 이용하는 전자현미경 기술을 이용한다.
그렇지만 전자현미경 기술은 효율적인 작동을 위해 매우 강력한 진공상태가 필요하며 또 가시광선보다 수천 배 이상 높은 에너지를 가지는 전자를 이용하기 때문에 관찰 시 세포의 구조적인 손상이 불가피하다. 따라서 현재로서는 2017년 노벨화학상을 수상한 기술인 극저온 전자현미경을 통해 고정 작업 및 안정화 작업을 거친 표본만 관찰이 가능하다.
최근 학계에서는 사멸해 고정된 것이 아닌 온전한 상태의 살아 있는 세포등 다양한 생체물질을 전자현미경을 이용해 분자 단위로 관찰 가능한지에 대한 논쟁이 전개되고 있다. 육 교수 연구팀은 지난 2012년 개발한 그래핀 액상 셀 전자현미경 기술을 응용해 전자현미경으로도 살아있는 대장균 세포를 관찰하는데 성공했고, 이를 재배양시킴으로써 전자와 진공에 노출됐음에도 불구하고 대장균 세포가 생존한다는 사실을 밝혀냈다.
육 교수 연구팀이 이번 연구에서 활용한 그래핀은 층상 구조인 흑연에서 분리하는 등의 방법으로 얻어내는 약 0.2 나노미터(nm) 두께의 원자 막이다. 여러 분야에서 차세대 소재로 주목받고 있는 그래핀은 강철보다 200배 강한 강도와 높은 전기 전도성을 가지며, 물질을 투과시키지 않는 성질을 가진다. 육 교수 연구팀은 이러한 그래핀 성질을 이용, 세포 등을 액체와 함께 감싸주면, 고진공의 전자현미경 내부에서 탈수에 의한 세포의 구조변화를 막아줄 수 있음을 밝혀냈다. 뿐만 아니라, 그래핀이 전자빔에 의해 공격성이 높아진 활성 산소들을 분해하는 효과도 지니고 있어 그래핀으로 덮어주지 않은 세포보다 100배 강한 전자에 노출되더라도 세포가 활성을 잃지 않는다는 결과를 확인했다.
육 교수는 "이번 연구 결과는 세포보다 더 작은 단백질이나 DNA의 실시간 전자현미경 관찰로까지 확대될 수 있어, 앞으로 다양한 생명 현상의 기작을 근본적으로 밝힐 수 있을 것이라 기대한다ˮ고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
2020.06.29
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이효철 교수 연구팀, 분자가 탄생하는 모든 순간(35펨토 초) 포착
우리 대학 화학과 이효철 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장) 연구팀은 원자가 결합하여 분자가 탄생하는 모든 과정을 실시간으로 관찰하는데 성공했고 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070)誌 온라인 판에 6월 25일 0시(한국시간) 게재됐다고 밝혔다.
연구진은 펨토 초(1/1,000조 초)의 순간을 관측하기 위해 특수 광원인 포항 4세대 방사광가속기의 X-선자유전자레이저(펨토 초 엑스선 펄스*)를 이용하여 화학결합을 형성하는 분자 내 원자들의 실시간 위치와 운동을 관측하는데 성공했다.
* 펄스는 짧은 시간동안 만 빛이 방출되는 형태로, 펨토 초 엑스선 펄스는 X선이 펄스의 형태로 생성되고 그 시간 길이가 펨토 초 정도일 때를 말함
물질을 이루는 기본 단위인 원자들이 화학결합을 통해 분자를 구성한다. 하지만 원자는 수 펨토 초에 옹스트롬(1/1억 cm) 수준만 움직이기 때문에 그 움직임을 실시간으로 포착하기는 어려웠다.
연구진은 이전에 분자결합이 끊어지는 순간(Science, 2005)과 화학결합을 통해 분자가 탄생하는 순간(Nature, 2015) 분자의 구조를 원자 수준에서 관측한 바 있으며, 이번에 세계 최초로 화학반응의 시작부터 끝까지 전 과정의 원자의 움직임을 관찰하는데 성공했다.
화학반응의 시작인 반응물과 끝인 생성물은 상대적으로 오랫동안 구조를 유지하지만, 반응과정의 전이상태(transition state)의 경우 매우 짧은 시간 동안만 형성되기 때문에 관찰이 더 까다로웠다.
연구진은 기존보다 더 빠른 움직임을 볼 수 있도록 향상시킨 실험기법과 구조 변화 모델링 분석기법으로 금 삼합체(gold trimer)* 분자의 형성과정을 관찰했다. 그 결과, 세 개의 금 원자를 선형으로 잇는 두 개의 화학결합이 동시에 형성되는 것이 아니라, 한 결합이 35펨토 초 만에 먼저 빠르게 형성되고, 360펨토 초 뒤 나머지 결합이 순차적으로 형성됨을 규명했다.
* 세 개의 금 원자로 이뤄진 화합물(화학식 : [Au(CN)2-]3)로, 수용액 상에서 가까운 곳에 흩어져 있다가 빛(레이저)을 가하면 반응하여 화학결합을 시작하는 특징이 있다.
또한, 화학결합이 형성된 후 원자들이 같은 자리에 머물지 않고 원자들 간의 거리가 늘어났다가 줄어드는 진동 운동을 하고 있음도 관측했다.
연구진은 앞으로 단백질과 같은 거대분자에서 일어나는 반응뿐만 아니라 촉매분자의 반응 등 다양한 화학반응의 진행 과정을 원자 수준에서 규명해 나갈 계획이다.
제1 저자인 김종구 IBS 선임연구원(우리 대학 화학과 박사과정 졸업생)은 “장기적 관점에서 꾸준히 연구한 결과, 반응 중인 분자의 진동과 반응 경로를 직접 추적하는 ‘펨토초 엑스선 회절법’을 완성할 수 있었다”며 “앞으로 다양한 유‧무기 촉매 반응과 체내에서 일어나는 생화학적 반응들의 메커니즘을 밝혀내게 되면, 효율이 좋은 촉매와 단백질 반응과 관련된 신약 개발 등을 위한 기초정보를 제공할 수 있을 것”이라고 포부를 밝혔다.
2020.06.26
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『나의 리더십』· 『행복 왔어요』 직원들이 집필한 신간 서적 출간
우리 대학이 팀장들의 리더십 이야기를 다룬 『나의 리더십』과 직원기자단이 취재한 소식을 모은 『행복 왔어요』를 출간했다.
『나의 리더십』은 6명의 행정팀장이 미래의 리더들에게 바람직한 행정 경험담을 들려주려는 취지로 기획됐다. 각 팀장들은 2018년부터 매월 팀장 리더십 세미나를 열고 의견을 나눴으며, 자기만의 리더십에 대한 답을 찾아가는 과정을 체계적으로 정리해 『나의 리더십』으로 완성했다.
팀장이 팀원들을 리더로 세우는 '아모르 파티 리더십', 무심한 척 뒤에 서서 격려하고 비켜주는 '땡땡이 리더십'을 포함해 '컴퍼스 리더십', '농부 리더십', '수다 리더십', '펠로우 리더십' 등 KAIST에서 벌어진 사례와 경험담을 바탕으로 이 시대가 요구하는 리더십의 면면을 흥미롭게 전했다.
집필에 참여한 팀장들은 "전문적으로 글을 써본 경험이 없는 순수한 아마추어 필진이었기 때문에 집필에 용기가 필요했다"고 전했다. 이어, 팀장들은 "처음에는 막연했으나 마라톤을 완주한다는 심정으로 자기를 성찰하면서 고뇌를 거듭하다 보니 자연스럽게 자신만의 리더십에 대한 철학과 개념을 정립할 수 있었다"고 입을 모았다.
20년~30년의 직장생활을 겪으며 터득한 감사와 긍정의 마인드로 무장한 팀장들은 조직안에서 화합하며 살아남은 비법을 공개했다. 독자들에게 전하는 팁으로 '맞을 비는 맞고 소나기는 피하라', '판을 키워라', '갈등을 축복하라' 등 적자생존의 리더십을 제안했다.
책을 기획한 방진섭 행정부장은 "누구나 리더로서 자기만의 리더십에 대해 고민을 하고 있다"며 "리더십은 이론으로 만들어지는 것이 아니라 현장의 경험과 성찰을 통해 스스로가 만들어가는 것"이라고 강조했다.
이어 방 부장은 "보편적인 생각을 뛰어넘어 독특한 리더십을 정립한 것이 『나의 리더십』의 은은한 묘미”라며 "후배들의 몫으로 다가올 KAIST 미래를 함께 고민해볼 수 있는 단행본”이라며 일독을 권했다.
한편, 『행복 왔어요』는 직원기자단 19명이 2년 동안 취재한 소식을 엮은 책이다. 서투른 글들이 다소 투박해 보일 수도 있지만 캠퍼스 안팎의 미담과 도전기 등을 정성스럽게 엮어냈다.
필진으로 참여한 직원기자단은 변화의 씨앗을 뿌린다는 마음으로 매월 고유의 업무 외에 짬짬이 시간을 투자해 소식지를 발행하고 있다. 현장르포>, <구석구석 KAIST>, <사진이 있는 에세이>처럼 직접 취재하고 작성한 콘텐츠는 물론 생생한 체험담을 담은 <직원기자단 살아보니> 등으로 책을 꾸몄다.
유아 전문 서적을 낸 직원, 33년 된 산악회, 1,200㎞ 자전거 마라톤을 완주한 체험기까지 KAIST의 도전정신을 엿볼 수 있는 소재들과 <야경 맛집>, 거위 U>, <끝나지 않은 그들의 하루> 등 현장감이 살아있는 캠퍼스의 소식들을 다채롭게 전달했다.
또한, 구성원들의 피드백을 담은 <독자편지>와 따듯하고 정감 있는 조직 문화를 만들기 위해 “선생님, 오늘 하루도 응원합니다”와 같은 배려와 격려의 메시지도 함께 담겨있다.
“하지 않아도 되는 고생을 스스로 선택했지만, 진심이 느껴지는 동료 기자들의 한마디 응원에 힘을 얻는다.”
“뉴스레터를 받아보며 학창 시절 중간고사를 끝낸 홀가분한 그 기분을 느낀다. 그리고 뿌듯하다.” - KAIST 직원기자단의 소회 中
김기한 행정처장은 “우리의 소식을 우리가 취재한다며 쾌히 나선 직원들이 대견스럽다”며 자발적으로 참여해 직원 사회의 구석구석을 취재하여 소식을 전하는 직원기자단의 노력에 감사의 마음을 전했다. 이어, 김 처장은 “감동과 울림을 준 현장 기사들이 조직문화 활성화에 기여하고 있다.”고 평가했다.
KAIST에서 직원들이 책을 출간한 것은 이번이 두 번째다. 2019년에는 행정의 변화와 혁신을 제시한 『행정도 과학이다』와 직원기자단 운영을 통해 자발적인 조직문화의 혁신을 도모한 『교직원 K의 이중생활』의 책을 동시에 출간하여 신선한 바람을 일으킨 바 있다.
KAIST는 교육 및 연구와 더불어 행정 분야에서도 최고가 되기 위해 직원들이 자발적으로 참여하는 ‘행정 선진화’를 추진하고 있으며, 이를 위해 행정 포럼, 리더십 세미나, 직원 멘토링 등 다양한 프로그램을 운영하고 있다.
그뿐만 아니라, ‘행정 선진화’의 완성을 위해 조직, 정원, 인력, 인사제도, 인재 육성 등의 분야에서 창출한 변화와 혁신을 실질적인 제도로 정착시키기 위해 노력하고 있다.
내년도에는 행정 선진화를 실질적인 제도로 완성하기까지의 이야기를 정리하고, 다양한 형태로 추진하고 있는 멘토링 사례 등을 엮여서 2권의 책으로 출간할 예정이다.
2020.06.02
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