- 스핀과 밸리자유도를 동시에 조절하는 스핀/밸리트로닉스 구현가능성 제시- 국제학술지 Nature Nanotechnolgy 온라인판에 23일 게재서울시립대학교(총장 원용걸) 물리학과(스마트시티학과 겸임) 정재일 교수 연구팀은 중국 상해 교통대학교의 Guorui Chen 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 4층 그래핀에서 전자간의 강상관계에서 비롯되는 절연체와 분수금속 상태를 발견하였다.▲ Liu Kai 학생 (왼쪽 상단, 제1저자), Jian Zheng 학생 (중앙 상단, 공동저자), Guorui Chen 교수 (우측 상단, 공동 교신저자),Fengping Li 박사 (좌측 하단, 공동저자), 박영주 학생 (중앙 하단, 공동저자), 정재일 교수 (우측 하단, 공동 교신저자) 연구팀은 기계적 박리법과 근거리 주사광학 현미경을 사용하여 마름모계 4층 그래핀이 육각질화붕소로 감싸진 형태의 소자를 구현하는데에 성공하였고, 전기전도도와 홀전도도 측정을 통해 전하 도핑이 0일 때 전자간의 상호작용에 의해 유도되는 강상절연 상태를 구현하였다. 또한 충분히 강한 전기장과 전하 도핑이 추가되었을 때 스핀/밸리 자유도가 분극된 분수금속 상태를 유도하였다. 평균장 이론 계산을 통해 강상관계 절연체의 바닥상태가 층간 반강자성인 것을 확인하였으며 외부 전기장이 가미되었을 때 홀전도도가 바뀌는 양자상전이 유도가 가능함을 보였다. 이 결과들은 무아레 구조가 아닌 마름모계 다층그래핀에서 전자간의 상호작용력이 강하게 나타나는 상태를 전류측정이 가능한 소자에서 구현한 획기적인 사례이며 전류의 스핀특성과 밸리특성의 선택적 제어가 가능함으로 차세대 스핀/밸리트로닉스 발전에 새로운 가능성을 제시한다.▲ 마름모계 다층그래핀의 상태밀도와 저항서울시립대 정재일 교수는 “본 연구를 통해 밝혀낸 4층 그래핀의 강상절연 상태는 다층그래핀의 독특한 전자구조로 인해 무아레 패턴이 없는 이차원 물질에서도 스핀/밸리 정보가 구분이 된 전류를 흘려보낼 수 있을 것”이라며 “앞으로 스핀/밸리에 기반하는 전자소자의 물리적 연구와 더불어 스핀자성체와는 다른 패러다임인 궤도자성체 구현과 양자컴퓨터분야와 접목가능한 위상학적으로 보호된 큐비트 구현에도 응용할 수 있다.”라고 설명했다. 본 연구 성과는 삼성미래기술육성사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 자원사업, 그리고 국토교통부의 스마트시티 혁신인재육성사업과 교육부의 4단계 BK21 사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 Nature Nanotechnolgy (Impact factor: 40.523)에 ‘Spontaneous broken-symmetry insulator and metals in tetralayer rhombohedral graphene’이라는 제목으로 2023년 11월 23일 온라인판에 게재되었다.
- 보행, 대중교통, 도시 네트워크 분석을 중심으로 워커빌리티를 평가하는 방법 제안- SCI급 저명 국제학술지인 Nature Scientific Reports에 9월 27일자 게재서울시립대(총장 원용걸) 이승재 교수 연구팀이 세계적 반향을 얻고 있는 파리 15분 도시, 서울 30분 도시와 같은 각 도시의 ‘워커빌리티(walkability)’를 평가하는데 적용할 수 있는 방법 및 시스템을 개발했다. 서울과 같은 대도시는 모빌리티 허브를 거점으로 보행·자전거를 이용하여 도심으로 통행할 필요가 있음을 시사했다. 연구결과는 글로벌 보일링(Global boiling)에 대응하는 지속가능한 교통정책들에 대한 가이드를 제공한다.* 글로벌 보일링 : 지구 열대화. 지구 온난화에서 더 강렬한 기후 관련 재해 등 반영▲ 왼쪽부터 서울시립대학교 교통공학과 이승재 교수, 정일호 박사과정, 구동균 박사, 최민제 박사, 곽주현 박사과정해당 연구는 교통공학과 정일호 박사과정이 제 1저자, 이승재 교수가 교신저자로 참여했다. (논문명 : A Comprehensive Walkability Evaluation System for Promoting Environmental Benefits). 본 연구결과는 SCI급 저명 국제학술지 Nature Scientific Reports에 2023년 9월 27일 자로 게재되었다. ▲ 서울 녹색 교통 지역(한양도성) 내부 대중교통 연계 보행·자전거의 15분 통행 분석본 연구는 도시의 ‘워커빌리티(walkability)’를 평가하는 방법을 보행, 대중교통, 도시 네트워크 분석을 중심으로 제안한다. 기존 도시지역 워커빌리티는 보행과 관련된 환경을 중심으로 평가가 이루어졌으며 보행 평가 항목에 대해 일부 지역 주민들의 설문 조사에 의존하였다. 본 연구는 포괄적으로 적용할 수 있는 평가를 제안한다. 공공데이터로 제공되는 보행요소를 공간적으로 집계하고 계산하였으며 대중교통 요소에 도시 네트워크 분석을 가중하여 ‘걷기 좋음’을 종합적으로 평가했다는 의의가 있다. ▲ Walkability Evaluation System을 통해 서울의 보행성 평가 스마트 시티에는 기존 대중교통을 비롯하여 공유 모빌리티, 자율주행, 드론 등과 같은 다양한 모빌리티가 등장하고 있다. 한정된 도시 공간에서 교통수단을 효율적으로 이용하기 위한 다수단 모빌리티 스테이션을 모빌리티 허브라고 한다. 본 연구는 도시 네트워크 분석을 기반으로 모빌리티 허브가 위치할 대중교통 시설을 제시한다. 연구팀은 출발지와 도착지에 대하여 통행을 매개할 수 있는 대중교통 네트워크 내에서의 기능을 평가할 수 있는 도시 네트워크 분석 지표를 활용하였다. 서울 녹색 교통 지역 내에서 모빌리티 허브를 중심으로 보행·자전거를 이용하여 통행할 영역을 도출한다. 해당 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 기후위기와 넷 제로(Net zero)에 대응하는 보행 정책의 효과에 대한 정량적인 평가 방법과 환경적인 편익을 제시한 매우 중요한 연구이다. 향후 스마트 시티의 모빌리티 허브와 신교통수단 거점을 중심으로 하는 대도시의 도심 통행에 기여할 것이다.
- 재료과학분야 국제 학술지인 ‘Advanced Science’ 표지논문으로 게재(8월 15일자)- 개발된 스캐폴드 활용시 폐와 유사한 환경 조건에서 세포반응 실시간 모니터링 가능서울시립대 생명과학과 최인희 교수와 건국대 화학공학부 박정태 교수의 공동연구팀은 실생활에서 폐에 노출될 수 있는 다양한 독성 물질에 대한 세포 반응을 실시간으로 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 폐 질환의 진단, 치료, 약물 개발에 활용할 수 있는 “실시간 세포 반응 모니터링이 가능한 폐 모방 다기능성 세포 배양 스캐폴드”를 개발하였다.본 연구는 두 연구 그룹에서 각각 수행하고 있는 연구재단 중견연구과제의 지원으로 수행하였다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 권위있는 국제 학술지인 ‘Advanced Science’ (IF: 15.1)지 최신호(8월 15일)의 표지논문으로 게재되었다.▲ 서울시립대-건국대학교 공동 연구팀(좌측부터) 공동 교신저자 최인희 교수, 공동 교신저자 박정태 교수, 공동 제1저자 엄성현 석사, 공동 제1저자 이소연 석사과정 학생서울시립대 생명과학과 최인희 교수(공동 교신)가 이끄는 연구팀은 생명과학과 엄성현 석사과정(공동 1저자), 건국대 화학공학부 박정태 교수(공동 교신), 이소연 석사과정(공동 1저자)과 함께 폐 질환의 근본적인 이해와 치료 방법의 개선을 위한 세포배양 스캐폴드를 개발하는 연구를 진행하였다.▲ 폐포와 유사한 구조를 이용하여 제작된 스캐폴드와 스캐폴드를 이용한 다양한 검출 방식의 개념도연구진은 폐를 이루는 폐포의 크기와 유사한 다공성 구조에 광학 특성이 우수한 금 나노입자와 전기화학적 특성이 우수한 금속유기골격체(이하 MOF)를 도입하여, 생체 내와 유사한 3차원 세포배양 조건에서 세포의 반응을 다양한 광학적, 전기화학적 분석법을 활용하여 실시간 모니터링 할 수 있음을 보였다.▲ Advanced Science 학술지 선정 표지 이번 연구에서 개발된 스캐폴드는 금 나노입자의 우수한 광학 특성과 신호 증폭 원리를 이용하여 복잡한 전처리 없이 비표지 분광 신호를 통해 다양한 바이오마커와 활성산소 등의 세포 반응 물질을 모니터링할 수 있도록 개발되었다. 또한 MOF의 뛰어난 전기화학적 활성을 이용하여 산화환원반응에 의한 전기적 신호의 변화를 측정함으로써 세포의 산화스트레스를 즉각 모니터링 할 수 있도록 설계되었다.
- 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 바이오센서 기술 개발- 한 번에 여러 종류의 분자를 측정하는 멀티플렉싱 센서 기술 개발서울시립대(총장 원용걸) 생명과학과 최인희 교수 연구팀은 성균관대 양자생명물리과학원 김인기/루크 리 교수 연구팀 및 포항공대 노준석 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링할 수 있는 초분광 이미징 기술 개발에 참여했다. ▲ (좌측부터) 서울시립대 최인희 교수, 서울시립대 한승연 학생, 성균관대 김인기 교수, 성균관대/하버드 의대 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술이란 현미경을 통해 사물의 형상과 분광 신호를 동시에 분석하는 기술로, 질병의 조기 진단 및 치료제 개발을 가능하게 하는 핵심 기술이다. 본 연구에서는 플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)을 통해 표적화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. ▲ Advanced Materials 표지논문PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해, 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 하지만 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 요구된다. ▲ 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 모식도연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다 (그림 1). 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현하였다 (그림 2). 연구팀은 동물 및 식물세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. ▲ 메타표면을 통한 특정 가시광선 파장 산란 기술을 이용한 컬러 프린팅 기술 나아가 연구팀은 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술을 선보였다. 이 기술은 향후 약물 스크리닝 플랫폼으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링할 수 있을 것으로 기대된다. ▲ 메타표면 칩을 통한 살아있는 세포에서 방출되는 활성산소 모니터링 기술본 연구 결과는 국제학술지인 Advanced Materials(IF=32.086)에 10일 정식 출판되었고, 연구의 우수성을 입증받아 해당 호 표지논문으로 선정되었다. 이번 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다.
- 교통공학적 관점에서 개인이 백신 접종을 하는 경우의 사회적 혼란 정량화- 연구 결과, Nature Scientific Reports에 게재서울시립대 교통공학과 이승재 교수 연구팀이 교통 혼잡을 해소하는 이론으로 코로나19 감염을 종식시키는 방안을 제시했다. ▲ 서울시립대학교 교통공학과 이승재교수팀(이승재 교수(왼쪽), 구동균 박사(가운데), 김가현 학생(오른쪽)구동균 박사, 김가현 학부생(교통공학과 4학년)과 성균관대학교 백경란 교수(삼성서울병원 감염내과 전문의), 서울대학교 박인권 교수, 서울시립대학교 장락우 교수, 국토연구원 김동한 연구위원과 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 Nature Scientific Reports에 6월 24일자로 온라인 게재됐다.▲ 백신 접종 선택 여부를 고려한 SIR Model연구팀은 진화 게임 이론(EGT: Evolutionary Game Theory)과 질병 확산을 설명하는 SIR 모델을 결합한 모델을 제시해 교통공학적 관점에서 개인이 백신 접종을 선택하는 경우의 사회적 혼란을 정량화했다. 그 결과 개인의 이기심으로 인해 백신 접종률을 90% 이상으로 달성하는 것이 현실적으로 어렵다는 것을 밝혔다. 따라서 코로나19가 안정적으로 풍토병으로 나아가기 위해 백신 접종을 독려하는 정책이 필요하다는 결론을 도출했다.▲ 백신 접종을 거부하는 개인의 등장으로 감소하는 백신 접종률교통 네트워크에서 이기적인 개인은 개별 통행시간의 최소화만을 고려해 전체 시스템의 효율성이 저하되고 교통 체증이 발생한다. 백신 접종에서도 이기적인 개인이 백신 부작용을 피하고자 예방접종을 거부해 사회의 효율성을 저하시키는‘백신의 사회적 딜레마’가 발생한다. 일상적인 교통 체증과 유사하게, 개인의 이기적인 태도로 인해 백신 접종에 의존한 집단 면역 형성이 어려워지는 결과를 초래할 수 있다. 우리가 반복적인 백신 접종을 시행했으나, 점점 백신 접종을 거부하는 개인이 등장하면서 백신 접종률이 감소하는 양상이 나타나는 것과 같다. ▲ 백신 접종을 시행하는 상황에서의 개인이 인지하는 위험에 따른 Price of Anarchy 분석도시의 운전자들은 매일 교통 혼잡을 경험하는데 운전자가 양보하는 마음으로 혼잡이 심한 도로구간을 피해 더 돌아가면 혼잡이 완화된다. 이와 마찬가지로 코로나19가 종식되기 위해서는 백신의 부작용을 고려하지 않고 모두 자발적으로 백신을 접종하면 집단면역이 생겨 코로나가 궁극적으로 종식될 수 있다는 것이다. 이번 연구는 코로나19처럼 전염성이 강한 감염병이 반복해서 대유행하고, 풍토병으로 전환되는 데 오랜 시간이 걸리는 이유를 설명했다는 데 큰 의의가 있으며, 향후 백신 접종 대책 수립 및 감염병 대응에 기여할 것이다.
- 식물 특이 전사인자와 전사인자 억제 유전자로의 상호보완적인 기능 체제 및 독립적 진화과정 규명서울시립대학교 환경원예학과 김승일 교수 연구팀이 식물 특이 전사인자 ZF-HD의 구조 및 기능의 진화 모델을 제시했다.경희대학교 유전공학과 정기홍 교수팀과 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 ‘Genomic basis of multiphase evolution driving divergent selection of zinc-finger homeodomain genes’라는 제목으로 생명과학 분야 국제 학술지 Nucleic acid research (IF=14.9)에 2023년 7월 3일 자로 온라인 게재됐다.▲ (좌) 서울시립대 김승일 교수 (우) 서울시립대 장민정 박사과정생김승일 교수는 “식물 뿐 아니라 동물 미생물 등 전체 생물계에 대한 비교 유전체 연구를 통해 ZF-HD 유전자들이 식물 특이적인 전사인자로 진화하는 과정에 대해 종합적으로 보여준 연구”라고 설명했다. 연구팀은 식물 90종의 유전자 정보를 고도화해 해당 유전자군이 크게 두 가지의 주요 구조인 MIF(zinc-finger 도메인만을 포함한 유전자)와 ZHD(zinc-finger 및 homeobox 도메인을 포함한 유전자)로 구분된다는 것을 확인했으며, MIF의 경우 ZHD와 동일한 조상으로부터 기원한 MIF-Z와 ZHD와는 구별되는 독립적인 진화를 겪은 MIF-I 두 가지의 구조로 구분되는 것을 발견했다.▲ 논문 발췌 이미지벼에서 MIF-I 기능을 분석해 MIF-I의 ZHD에 대한 대립적 억제 기능이 애기장대 뿐 아니라 전체 식물계통에서도 보존되어있음을 규명했고, 해당 기능을 통해 벼의 꽃밥과 꽃가루의 외부 표면 패턴 구성 조절에 관여한다는 것을 밝혀냈다.식물 외 46,624개의 유전체(박테리아, 고세균, 원생생물, 균류, 동물 및 조류)분석을 통해, 마지막 공통생물조상(LUCA)에서 MIF 유전자가 조상유전자 형태로 존재했으며, 그 후, 식물에서 전사인자와, 전사인자 억제 유전자로 진화했음을 제시했다.▲ 논문 발췌 이미지연구는 한국연구재단의 신진연구 및 중견연구, SRC 사업단 및 농촌진흥청의 신육종 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
- 딥러닝 아키텍처를 활용해 보행환경 자동 평가 시스템 개발서울시립대 교통공학과 이승재 교수 연구팀이 영국토목학회(Institution of Civil Engineers, ICE)에서 주관하는 James Hill Prize를 수상했다. 이 상은 SCI급 논문 Municipal Engineer에서 발표된 논문 중 가장 뛰어난 성과를 보인 논문에 부여되는 명예로운 상이다.▲ 서울시립대학교 교통공학과 이승재교수팀(이승재 교수(왼쪽), 최민제 박사과정(가운데), 구동균(연구교수)이승재교수 연구팀은 다양한 보행로 위험 요소의 이미지들을 수집하고, 이를 바탕으로 딥러닝 아키텍처를 통해 보행로 환경의 다양한 요소를 자동으로 감지하고 분석할 수 있도록 시스템을 구축했다. ▲ 보행로 자동판별을 위한 딥러닝 아키텍처최근 보행자 중심의 교통 정책이 강화되면서 보행환경의 중요성이 부각되고 있는데 이번 연구로 보행로 환경평가가 자동으로 이루어져 국가 교통정책을 효율적으로 개선하는 데 중요한 역할을 할 것이다. ▲ 보행로 동영상을 통한 보도환경 자동판별 결과연구팀은 한국연구재단의 혁신선도연구센터에서 이번 연구를 바탕으로 보행환경 자동평가 시스템을 접목한 자율주행 로봇 서비스의 혁신 연구를 제안해 사회 전반의 교통문제 해결에도 기여할 계획이다. ▲ 보행로 환경 자동판별 및 평가 프로그램연구 책임자인 이승재 교수는 "보행로 환경의 자동 평가 기술이 교통 약자의 안전한 보행로로 이용과 자율주행 로봇의 효과적인 주변 환경 인지 및 이동을 가능하게 하는데 결정적인 역할을 한다.”며, "이번 연구가 기존의 수동적인 시스템에서 지속 가능한 보행로 환경 평가로의 전환을 가속화하는데 큰 기여를 했다.”라고 했다.
- ≪Advanced Functional Materials≫ 학술지 표지논문 선정서울시립대학교(총장 원용걸) 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수 공동 연구팀이 실내조명만으로 바닷물을 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있는 핵심 소재 및 소자 기술을 개발했다. ▲ 표지논문 사진건국대 미래에너지공학과 한혁수 교수, 한국세라믹기술원 정찬엽 박사, 한국원자력연구원 여승환 박사와 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 2023년 5월 25일, 권위적인 학술지인 와일리(WILEY)출판사의 Advanced Functional Materials(Impact factor: 19.924)에“Surface Reconstruction of Ni-Fe Layered Double Hydroxide Inducing Chloride Ion Blocking Materials for Outstanding Overall Seawater Splitting”이라는 제목으로 표지 논문에 게재됐다. ▲ 해수를 활용한 수소생산 촉매 설계 모식도연구팀은 기존의 수전해 시스템이 정수된 물을 사용하는 것과 달리 바닷물을 직접 전기분해해 그린 수소를 생산할 수 있는 핵심 양극 소재를 개발했다. 또한 대면적 저조도 광태양전지와 연계해 실내에서 사용되는 조명수준으로 낮은 최소한의 광에너지를 활용, 바닷물에서 수소를 생산할 수 있는 재생에너지연계 시스템에 성공적으로 적용했다. 이를 활용하면 에너지 발전시설이 부족한 도서지역과 일부 해안가에서도 수소를 자가생산할 수 있게 된다. ▲ 대면적 저조도 광전지 설계 및 구동 사진해수환경에서 수전해 양극 소재의 내구성 및 선택성을 확보하고자 니켈철 층상이중수산화물 촉매 소재의 표면을 플라즈마를 활용해 개질했다. 표면 개질 후 니켈철 층상이중수산화물 표면에 염소 이온의 흡착을 효과적으로 억제시킬 수 있는 금속상을 형성했으며, 형성된 금속상은 수전해 반응 시 음극 반응에 대한 활성도를 증가시킬 수 있는 것을 확인했다. 따라서 개발된 촉매 전극은 해수 환경에서도 높은 효율, 내구성 및 선택성을 지니고 그린 수소를 생산할 수 있다. ▲ 해안가에서 대면적 저조도 광전지를 이용하여 바닷물을 물분해하고 수소를 생산하는 시연특히 유기반도체를 활용해 대면적 광전지를 제조하는 안정적인 반도체 공정을 개발해 태양광뿐만 아니라 실내 LED를 이용한 3000 lx 의 저조도(슈퍼마켓의 조명 밝기 수준)에서도 전기 생산이 가능한 광전기를 제작해 365일 하루 24시간 동안 끊임없이 안정적으로 그린 수소를 생산할 수 있게 되었다. 이와 같은 자가발전 방식의 전력 인프라도 동시에 개발해 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 해안가 지대가 많고 도서지역이 많은 우리나라에 적합한 <에너지 독립형 그린 수소 생산 시스템>의 원천 기술을 확보했다.김혁 교수와 한혁수 교수는 “연구팀에서 개발한 소재 및 소자는 담수를 사용하지 않고 해수를 직접 연료로 사용해 수소를 발생시킬 수 있으며, 해상에서 얻을 수 있는 최소한의 광에너지와 연계해 수소생산 시스템을 구축할 수 있기 때문에 도서 산간지역에 그린 수소 생산 거점을 확보하는데 크게 기여할 것”이라고 전했다.▲ 좌측부터 최효정 박사과정 학생(서울시립대), 김혁 교수(서울시립대), 한혁수 교수(건국대), 정찬엽 박사(한국세라믹기술원), 엔흐바야르 엔흐툽신 박사과정 학생 (건국대), 여승환 박사(한국원자력연구원)연구에는 서울시립대 최효정 박사과정, 건국대 엔흐바야르 엔흐툽신 박사과정, 한국원자력연구원 여승환 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 한국연구재단 중견연구자지업사업, 과학기술정보통신부 시스템반도체 융합전문인력육성사업, 한국산업기술진흥원 차세대 시스템반도체 설계 전문인력양성사업, 한국생산기술연구원 원천기술개발사업(소프트 로보틱스 원천기술개발)의 지원으로 수행됐다.
- ‘ACS Applied Materials and Interfaces’ 학술지 표지논문으로 게재서울시립대학교 생명과학과 최인희 교수 연구팀이 금속 유기물 골격체 (Metal Organic Framework, 이하 MOF)를 기반으로 한 새로운 광활성 나노 항균제를 개발했다. 건국대학교 화학공학부 박정태 교수와 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 나노재료분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘ACS Applied Materials and Interfaces’지 최신호 (5월 17일)의 표지논문(그림 2)으로 게재됐다.(논문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c01529) 연구팀은 MOF를 기반으로 나노 규모에서의 갈바닉 치환반응 (Nanoscale Galvanic Reaction)을 통해 매우 간단한 방법으로 은 나노입자를 코발트 기반 MOF 표면에 도입한 나노복합체를 개발했다.제작된 나노복합체에 인체에 무해한 근적외선을 조사했을 때, 표면에 도입된 은 나노 입자의 광열 전환에 의해 발생한 국소적 열과 이를 통해 자연적으로 방출되는 코발트와 은이온과의 시너지 작용을 통해 일반적으로 내성을 갖는 화학 향균제의 단점을 극복하는 강력한 항균 효과를 확인했다. 이는 나노기술을 생명과학 분야에 적용한 바이오 융합 연구의 대표적인 사례로 평가된다.광열 전환 효과(Photothermal conversion effect)란 금 또는 은과 같은 플라즈몬 금속 나노입자에 특정 파장의 빛이 조사되면 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized surface plasmon resonance)에 의해 형성된 표면 전기장이 조사된 빛의 에너지를 흡수해 이를 열로 변환시키는 현상이다. 이 현상을 이용하면 특정 암 조직 또는 감염된 환부를 표적으로 하는 광열 전환 치료를 통해 세균의 감염을 효과적으로 치료를 진행할 수 있다.▲ 좌측부터 최인희 교수, 김도윤 석사과정, 박정태 교수, 박건우 석사과정연구팀은 이 광열전환 효과와 나노복합체로부터의 금속 이온 방출의 시너지 효과를 동시에 유발하여 항균 능력을 강력하게 향상시켰으며, 특히 광열 전환을 통한 국소적 열 방출이 주변의 박테리아 세포막을 효과적으로 파괴할 수 있다는 점을 확인했다.이번 연구는 두 연구 그룹에서 각각 수행하고 있는 연구재단 중견연구과제의 지원으로 수행됐다.
- 간단한 제작 방식으로 대면적 나노구조기판을 제작해 비표지 라만 분자 검출에 활용, 광학 신호를 자유롭게 스위칭할 수 있어 다양한 분야로 확장 기대- 마이크로 나노 소재 분야 세계적 저명 학술지 ‘스몰 (Small)’에 게재서울시립대학교 생명과학과 최인희 교수와 고려대학교 바이오의공학부 유용상 교수 공동 연구팀이 나노/바이오 물질의 종류와 양을 실시간으로 검출할 수 있는 전극-유전체-전극의 샌드위치 구조기반 광학분자 검출 기술 개발에 성공했다(그림 1). ▲ 그림 1. 금 나노 구조와 패브리-페로 구조를 결합한 분자 검지 기판의 모식도이번 연구 결과는 마이크로 및 나노 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Small (IF=15.15)’에 4월호에 ‘Fabry-Perot Cavity Control for Tunable Raman Scattering’라는 제목으로 온라인 게재됐다. 고감도 분자 검지 기판을 제작하기 위해서는 금속 나노구조물의 높은 집약도와 더불어 검출하고자 하는 타겟 분자가 높은 집약도의 금속 구조물 사이사이에 잘 집약되게 해야 한다. 이러한 특징은 나노크기의 금속 구조 표면에서 수십억 배 광학신호가 증폭되는 현상인 ‘표면 증강 라만 산란(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)’ 현상 덕분이다. 이 높은 표면 증간 라만 산란 현상을 유발하기 위해 연구팀은 불소계 고분자 박막의 낮은 표면 에너지를 이용하면 간단한 열 증착 기법으로 금 나노 구조를 대면적에 형성할 수 있고 이를 분자 검출 기술인 표면 증강 라만 분광법에 최적화했다. 더 나아가 상하로 배열된 전극 사이에 샌드위치된 유전체의 두께와 물성을 조절해 패브리-페로 (Fabry-Perot) 간섭현상에 의해 특정 파장의 빛을 증폭시키거나 혹은 감쇄시킨다는 사실을 밝혀내고, 이를 통해 라만 신호 크기를 자유롭게 튜닝할 수 있는 소자 개발에 성공했다. 기존의 ‘표면 증강 라만 산란(SERS)’의 세기가 기체나 액체에서 측정할 때마다 신호의 세기가 들쑥날쑥했는데, 본 연구에서 신호세기 조절의 작용기작을 설명하고, 이를 이용해 고감도 분자검출 기술의 전략을 제시했다는 점에서 다양한 환경, 바이오 센서칩으로의 응용 가능한 활로를 확보한 것이다. ▲ 그림 2. (좌측부터) 공동 제1저자 김태현 학생(석박통합과정), 공동 제1저자 이종수 학생(석박통합과정), 공동 교신저자 최인희 교수, 공동 교신저자 유용상 교수 특히, 연구팀은 기판의 물리화학적 특성 튜닝을 이용해 분자 검출뿐만 아니라 정보 암호화 기술 중 하나인 스테가노그래피에 활용하여 여러 가지 정보를 한 기판 안에 성공적으로 암호화하고 특정 조건에서 시각화할 수 있음을 보였다.최인희 교수는 “마이크로/나노구조 제작 및 광학 시뮬레이션 전문가인 유용상 교수팀과의 협업을 통해 라만 신호를 조절할 수 있는 메커니즘 규명 및 조절가능 변수를 제안할 수 있었으며, 본 연구결과는 실험·이론적 공동연구의 시너지 효과를 보여주는 좋은 사례다.”라고 평가했다.해당 연구는 과학기술정보통신부의 중견과제사업 및 정보통신 산업진흥원 지원으로 진행됐다.
