%ec%a0%84%ea%b8%b0%20%ec%8b%a0%ed%98%b8
-
전기 신호만으로 광학 기능 바꾸는 ‘우주센서’ 시대 연다
위성이나 우주탑재체는 임무가 바뀔 때마다 광학 필터와 센서를 새로 설계해야 했다. 앞으로는 하나의 초소형 광학 칩이 전기 신호만으로 열영상 센서, 분광기, 적외선 카메라 등 다양한 역할을 수행하는 시대가 열릴 전망이다.
우리 대학은 항공우주공학과 김현정 교수 연구팀이 미국 매사추세츠공과대학교(MIT, Massachusetts Institute of Technology) 주에이전 후(Juejun Hu) 교수 연구팀과 함께 빛을 원하는 방식으로 자유롭게 제어하는 초소형 광학 칩을 세계 최초로 개발했다고 14일 밝혔다.
이번 연구의 핵심은 하나의 광학 칩이 전기 신호만으로 다양한 센서 역할을 수행하도록 만든 것이다. 기존에는 새로운 임무를 수행할 때마다 광학 필터와 센서를 새로 제작해야 했지만, 앞으로는 하드웨어를 교체하지 않고도 센서의 기능을 바꾸는 ‘소프트웨어 정의(Software-defined) 센서' 구현이 가능할 것으로 기대된다.
연구팀이 개발한 장치는 메타표면(Metasurface, 머리카락보다 훨씬 작은 미세 구조를 이용해 빛의 세기와 방향, 파장 등을 자유롭게 제어하는 초박형 광학 구조) 기반의 투과형 중적외선 공간광변조기(SLM, Spatial Light Modulator)다. 공간광변조기는 빛이 얼마나 통과하고 어떤 형태로 전달될지를 픽셀(Pixel, 화면을 이루는 최소 단위) 단위로 조절하는 광학 소자다. 연구팀은 각 픽셀을 전기적으로 독립 제어하는 데 세계 최초로 성공했다.
기존 중적외선 SLM은 대부분 빛을 반사시키는 방식이거나 많은 픽셀을 각각 독립적으로 제어하기 어려워 위성 센서나 초소형 분광기(빛을 파장별로 분석하는 장치), 적응형 광학계(환경 변화에 맞춰 광학 성능을 자동 조절하는 시스템)에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 전기 신호를 받으면 빛이 통과하는 정도가 달라지는 광학 상변화 소재(PCM, Phase Change Material)인 GSST(Ge₂Sb₂Se₄Te, 게르마늄-안티모니-셀레늄-텔루륨)를 활용해 이러한 문제를 해결했다. 이 소재는 전기 신호를 한 번 받으면 상태가 유지돼 전원이 꺼져도 계속 같은 성능을 유지하는 비휘발성(Non-volatile) 특성을 갖는다. 따라서 지속적으로 전력을 공급할 필요가 없어 전력 사용이 제한적인 위성이나 우주탑재체에 적합하다.
광학 칩의 픽셀 수가 많아질수록 선택한 픽셀 외에 다른 픽셀에도 전류가 흘러 원하지 않는 픽셀까지 함께 작동하는 기생 경로(Sneak Path) 문제가 발생한다. 연구팀은 각 픽셀에 ‘실리콘 PIN 다이오드(PIN Diode, 원하는 픽셀에만 전류가 흐르도록 하는 반도체 소자)’를 적용해 원하는 픽셀만 정확하게 선택해 제어하는 데 성공했다.
이를 통해 6×6 픽셀 배열의 모든 픽셀을 독립적으로 제어하고 원하는 광학 패턴을 구현했다. 또한 약 1만 6,700회 이상 반복 구동 후에도 안정적인 성능을 유지해 기존 기술보다 약 13배 높은 내구성을 입증했다.
이번 소자는 ‘실리콘 포토닉스(Silicon Photonics, 반도체 공정을 이용해 광학 소자를 제작하는 기술)’ 기반으로 제작돼 향후 수백~수천 개 이상의 픽셀을 갖는 대형 광학 칩으로 확장하기 쉽다. 현재는 빛의 양을 조절하는 기능을 구현했지만, 앞으로는 메타표면 구조를 더욱 정교하게 설계해 빛의 방향과 편광까지 자유롭게 제어하는 범용 재구성 광학(Universal Reconfigurable Optics)으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구의 가장 큰 의미는 ‘광학도 소프트웨어처럼 바꿀 수 있다'는 새로운 개념을 제시했다는 점이다. 즉 하나의 센서를 여러 종류의 센서처럼 사용할 수 있는 길을 연 것이다. 앞으로는 하나의 광학 칩이 상황에 따라 열영상 센서, 분광기, 적외선 카메라, 광통신 장치 등 서로 다른 기능을 수행하는‘소프트웨어 정의 센서' 시대가 열릴 것으로 기대된다.
이 기술이 상용화되면 위성과 우주탑재체는 물론 발사체 상태진단, 우주정거장 열 감시, 우주 제조 공정 계측, 적외선 영상, 광통신 등 다양한 광학 시스템을 하나의 플랫폼으로 구현할 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구는 김현정 교수가 미국 항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration) 연구원으로 재직하던 2018년 시작한 MIT-NASA 공동연구를 KAIST에서 발전시킨 성과다. 이를 바탕으로 현재는 KAIST STAR Lab과 MIT 주에이전 후(Juejun Hu) 교수 연구팀이 능동 메타광학(Active Meta-optics), 실리콘 포토닉스, 우주 센서 시스템을 공동 연구하며 실제 우주 적용을 목표로 협력하고 있다. 양 연구팀은 소재 개발부터 칩 설계·제작, 센서 시스템 통합, 우주환경 검증, 향후 비행실증까지 이어지는 전 주기 국제공동연구 체계를 구축했다.
김현정 교수 연구팀은 이번 기술을 실제 우주 센서로 발전시키고 있다. 과학기술정보통신부 신진연구사업에서는 발사체 표면의 초정밀 온도 측정 시스템을 개발하고 있으며, 혁신연구센터사업(IRC, Innovation Research Center)‘우주 서비스 및 제조 연구센터'에서는 우주정거장의 열 감시, 이상 진단, 우주 제조 공정 계측, 광통신 등에 활용 가능한 공통 광학 플랫폼으로 확대 연구를 진행하고 있다.
김현정 교수는 "이번 연구는 새로운 광학 소자를 하나 더 만든 것이 아니라 하나의 광학 칩이 임무에 따라 다양한 기능을 수행하는‘소프트웨어 정의 센서' 시대의 기반을 제시한 것”이라며 "MIT의 나노포토닉스(Nanophotonics, 나노 구조를 이용해 빛을 제어하는 기술)와 KAIST의 우주 센서 기술을 결합해 실제 우주 시스템으로 발전시키겠다”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 7월 7일 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명: Two-dimensional pixel-level addressable mid-infrared metasurface spatial light modulator, DOI: 10.1038/s41467-026-75346-5
본 연구는 과학기술정보통신부 신진연구유형 B(구 우수신진연구)와 혁신연구센터사업(IRC)의 지원을 받아 수행됐다.
2026.07.14 조회수 2385 -
금 나노선 세포 주사기 개발
- 유전자를 세포 핵 안으로 직접, 원하는 순간에, 원하는 양만큼만 정교하게 전달-
우리 학교 연구팀이 금 나노선을 이용해 유전자를 살아있는 세포의 핵에 직접 전달할 수 있는 나노 주사기를 개발했다.
우리 학교 화학과 김봉수 교수와 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 공동 연구팀이 단결정 금 나노선에 유전자를 부착해 세포의 핵에 정교하게 찌른 후 전기 신호로 유전자를 전달하고 유전형질을 발현시키는데 성공했다.
연구결과는 나노 분야 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
인체는 약 100조 개의 세포로 이뤄진 대단히 복잡한 시스템이다. 각각의 세포는 주변 세포와 유기적으로 신호를 교환함으로써 인간의 고차원 생명활동을 수행한다. 생명현상을 이해하기 위한 첫 단계는 하나의 세포에서 일어나는 현상 및 세포 간의 신호 전달을 정확하게 밝혀내는 것이며, 이는 생물학, 바이오 연료전지, 신약 개발 분야 등에서 매우 중요하다.
단일 세포에 생활성(bioactive) 분자를 선택적으로 전달하는 기술은 세포 내 생체현상을 세밀히 규명하고 질병 치료법을 개발하는데 필수적이다. 세포에 주사기를 꽂고 물질을 전달할 때 세포를 다치지 않게 하는 것이 무엇보다도 중요한데 이를 위해 다양한 나노소재를 이용한 전달 방법이 연구되고 있다.
연구팀은 직경이 100나노미터 정도로 매우 가는 금 나노선에 DNA를 붙이고 이를 정확하게 세포핵에 찌른 후 외부에서 전기 신호를 보내 원하는 만큼의 유전자를 정확히 전달하는 나노주사기를 개발했다.
금 나노선 주사기로 DNA를 세포 핵 안으로 제대로 전달하면 세포는 DNA로부터 정보를 받아 단백질을 만들어낸다. 연구팀은 녹색 형광을 내는 단백질을 만드는 DNA를 세포 핵 안으로 전달한 뒤 세포에서 녹색 형광이 나오는 것을 관찰함으로써 DNA가 성공적으로 전달된 것을 확인했다.
금 나노선 나노주사기는 지금까지 보고된 DNA 전달 주사기 중 가장 가늘어서 세포에 상처를 전혀 주지 않고도 핵 안에 정교하게 삽입할 수 있다. 이 주사기를 이용하면 DNA를 세포의 핵 안으로 직접 정확히 전달함으로써 전달 효율을 크게 높일 수 있고 매우 정교한 유전물질 조절이 가능하다.
김봉수 교수는 이번에 개발한 금 나노선 주사기에 대해 “이 주사기는 세포 내부의 원하는 위치에, 원하는 시간에, 원하는 양만큼 유전 물질이나 단백질 등을 정교하게 전달해 원하는 대로 유전현상 및 세포현상을 조절 및 연구하는데 대단히 유용하다”며 “특히, 유전자 치료요법, 표적형 약물 전달 개발, 세포 내 신호전달의 연구에서 선도적 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, KAIST 화학과 김봉수 교수와 이상엽 교수가 공동으로 주도한 이번 연구는 강미정 박사과정 학생과 유승민 박사가 참여했다.
2013.05.15 조회수 16981