DGIST 뇌·인지과학전공 김은경 교수(뇌대사체학 연구센터장) 연구팀이 뇌의 시상하부 내 실방핵에서 생성된 인슐린이 성장호르몬 생성에 기여한다는 생물학적 현상을 규명했다. 이번 연구 결과는 아동기와 청소년기의 스트레스성 성장 지연 원인을 밝히기 위한 새로운 연구 지표가 될 것으로 기대된다. 김은경 교수 연구팀은 다양한 면역조직화학 분석 방법들을 통해 시상하부에서 생성된 인슐린이 실방핵에 있는 소세포성 신경분비세포 에서 주로 합성된다는 사실을 최초로 발견했다. 또 소세포성 신경분비세포에서 분비되는 호르몬이 다양한 뇌하수체 전엽 호르몬의 생산을 조절한다는 점에 착안해, 합성된 인슐린이 뇌하수체 전엽 호르몬의 유전자 발현과 분비를 조절한다는 가설을 세웠다. 연구팀은 이를 증명하기 위해 뇌에서 생성된 인슐린 발현을 억제하는 바이러스를 제작했고, 이를 성체 생쥐의 시상하부 실방핵에 주입했다. 그 결과 여러 뇌하수체 전엽 호르몬들 중 오직 성장호르몬의 유전자 발현과 분비만 억제되는 것을 관찰했다. 또한 어린 생쥐의 시상하부 실방핵에 인슐린 발현을 억제하는 바이러스를 주입하자 뇌하수체 성장호르몬의 생성이 억제돼 생쥐의 성장이 지연됨을 확인했다. 추가로 성체 쥐와 어린 쥐에 구속 스트레스를 주었을 때, 시상하부 실방핵 내 인슐린 발현이 억제되었고, 이 때 실방핵 내에 인슐린을 과발현하는 바이러스를 주입하자 뇌하수체 성장호르몬 생성이 증가해 만성 억제 스트레스에 의해 유발되는 성장 지연을 막는 것을 확인했다. 이를 통해 실방핵 내 인슐린이 뇌하수체 전엽에서 만들어지는 성장호르몬의 조절에 기여함을 증명해냈다. 김은경 교수는 “췌장에서 생성되는 인슐린에 비해 훨씬 적은 양의 뇌에서 만들어진 인슐린의 생리적 기능이 현재까지 논쟁이 되고 있다”며 “이번 연구 결과로 뇌에서 유래된 인슐린의 생리적 기능들 중 호르몬 생성을 통한 성장 외의 아직 알려지지 않은 다른 신체 기능을 조절하는 역할을 이해하는데 도움을 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, DGIST 뇌·인지과학전공 이재면 박사와 김경찬 석박사통합과정 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 아울러 임상의학 분야 국제적 학술지인 ‘더 저널 오브 크리니컬 인베스티게이션 인싸이트’에 지난 20일 온라인 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 지능형로봇연구부 안진웅 책임연구원팀이 왼손과 오른손에 수동적으로 전달되는 촉각을 인지하는 뇌의 부위가 서로 다른 것을 관찰하는데 성공했다. 이번 연구결과는 증강현실에서 많이 사용되는 촉감제시장치의 정량적 평가에 응용하거나 새로운 뉴로 햅틱스(뇌의 회로 및 네트워크 관점에서 햅틱스를 연구하는 과학기술) 분야의 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 가만히 있는 손가락에 전달되는 촉각을 느끼는 ‘수동적 촉각’을 활용해, 양손의 손가락이 자극을 받을 때 뇌 신호를 관찰해 왼손과 오른손을 사용할 때 나타나는 차이점을 객관적으로 관찰하는데 성공했다. 먼저 연구팀은 31명의 오른손잡이로 추정되는 피험자들 양손의 집게손가락에 각각 매우 빠른 진동을 짧게(2초) 여러 번(10회) 주고, 뇌에서 활성화되는 부위를 촬영하는 실험을 진행했다. 그 결과, 오른손 집게손가락에 자극을 주자 좌뇌가 주로 활성화됐지만, 왼손 집게손가락에 자극을 주자 좌뇌와 우뇌에 걸쳐 넓고 고른 활성화가 나타났다. 이번 연구는 왼손과 오른손에 주는 자극에 따라 뇌에서 활성화 되는 영역을 구분하고 그 정도를 객관적으로 구분했다는 것에 의미가 깊다. 여기에 과거에 연구팀이 진행했던 기존 연구결과를 함께 고려할 때, 왼손잡이와 오른손잡이를 뇌 신호에 따라 객관적으로 구분하는 것도 가능할 것으로 예측된다. 또한 향후 BCI(Brain Computer Interface, 뇌-컴퓨터 인터페이스) 기술 적용, 인지능력 증강 치료가 필요한 질병치료에서의 활용 등 다양한 산업에서의 활용도 함께 기대된다. DGIST 지능로봇연구부 안진웅 책임연구원은 “이번 연구 결과가 BCI 기술을 햅틱기술에 접목해 증강현실 분야에서 활용이 가능하다”며 “뇌를 모방한 인공 지능 개발의 기초 원리를 제공하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 정보통신기획평가원(IITP)과 한국연구재단(NRF), 그리고 DGIST 기관고유사업의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 온라인판에 지난 7일 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 정보통신융합전공 곽정호 교수팀이 차세대 네트워크 시스템에 활용 가능한 새로운 네트워크-클라우드 협력 프레임워크를 개발했다. 또한 개발한 프레임워크 상에서 자율주행이나 원격 의료, 원격 수술 등 다양한 차세대 어플리케이션을 활용하는 방안을 함께 제시해 향후 6G 시대 사회의 청사진을 제공할 것으로 기대된다. 현재 네트워크 사업자와 클라우드 서버 사업자는 서로의 이익과 편의성을 고려해 서비스를 개별적으로 운영해왔다. 하지만 최근 증강현실(AR), 가상현실(VR) 등 차세대 네트워크의 킬러 어플리케이션의 경우, 네트워크와 클라우드 서버 사업자들이 서로의 서비스를 활용해야만 작업 수행이 가능한 상황이 많아지고 있다. 특히 증강현실 어플리케이션은 컴퓨팅 자원과 네트워크 자원의 지원이 동시에 이루어져야한다. 곽 교수팀은 현재 분리돼 운영되는 네트워크, 클라우드 서버 서비스는 한계가 있을 것으로 예측했다. 따라서 곽 교수팀은 하나의 클라우드 서버를 엣지 클라우드(Edge Cloud), 미들 클라우드(Middle Cloud), 센트럴라이즈드 클라우드(Centralized Cloud) 세 부분으로 분할, 클라우드 서버 서비스 사업자와 네트워크 사업자가 유기적으로 협력할 수 있는 ‘네트워크-클라우드 협력 프레임워크’를 구성했다. 이번 연구를 통해 개발한 프레임워크는 처리가 필요한 프로그램을 구분해, 처리에 최적화된 클라우드에 할당한다. 예를 들어 AR 작업을 처리하는 경우, 전송 속도보다 전송 지연을 줄이는 것이 중요하므로 엣지 클라우드를 활용할 수 있다. 하지만 빅데이터 분석처럼 큰 규모의 프로세싱 자원이 필요한 작업은 센트럴라이즈드 클라우드의 자원을 활용하도록 해 클라우드 서버를 효율적으로 활용할 수 있다. 또한 곽 교수팀은 개발한 프레임워크를 활용한 유기적인 협력 방안 연구도 함께 진행했다. 연구를 통해 네트워크-클라우드 협력 프레임워크 상에서 활용할 수 있는 차세대 프로그램 선별과 협력 시나리오를 분석한 결과, 기존 방식 대비 최대 77%의 성능개선을 확인했다. 곽 교수는 “이번 연구는 시공간의 변화에 따라 네트워크와 컴퓨팅, 스토리지 자원을 동적으로 활용하는 차세대 어플리케이션의 성능 최적화에 적합한 구조”라며 “향후 자율주행 차량 서비스와 초저지연 원격 의료 및 수술 서비스처럼 6G 시대의 킬러 어플리케이션 활용의 청사진을 제공할 수 있도록 하는 것이 목표다”고 말했다. 이번 연구는 서울대학교 이경한 교수 연구팀, 성균관대학교 김동인 교수 연구팀, 아일랜드 트리니티 칼리지 더블린(Trinity College Dublin)의 조지 이오시피디스(George Iosifidis)교수 연구팀 등이 참여했다. 연구 결과는 관련 분야 국제학술지인 ‘IEEE Network‘에 지난 12일 온라인 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST와 GIST가 11일 ‘달빛 AI 워크숍 2020’을 공동 개최했다. 이번 워크숍은 온라인 강의 프로그램인 줌(Zoom)을 통해 비대면으로 진행됐다. ‘AI경량화 및 강화학습’을 주제로 양 기관의 교수, 연구원, 대학원생 등 전문가들이 모여 현재 진행 중인 최신 연구·개발 기술들을 공유했다. 워크숍은 두 세션으로 나눠 진행됐다. 먼저 첫 번째 세션에서는 DGIST 정보통신융합전공 김예성 교수팀이 자체 개발한 뇌공학 기반의 인공지능 경량화 모델에 대한 소개 및 발표와 함께 GIST AI대학원 최종현 교수팀이 개발한 엣지 디바이스에서의 시각인지를 위한 경량화 모델 소개가 이어졌다. 두 번째 세션은 먼저 GIST 융합기술학제학부 김경중 교수팀이 기존에 쌓여 있는 방대한 데이터를 활용해 강화학습을 현실 문제에 적용하기 위한 강화학습의 오프라인 학습방법 및 응용사례 소개 발표를 진행했다. 이어서 DGIST 정보통신융합전공 곽정호 교수팀이 개발한 콘텐츠 캐싱(Contents Caching)네트워크를 위한 강화학습 기법을 소개가 진행됐다. DGIST 정보통신융합전공 박경준 전공책임교수는 “이번 워크숍은 두 학교가 중점적으로 추진 중인 AI경량화 연구 및 강화학습 기술에 대한 최신정보 교류를 위해 개최하게 됐다”며 “이번 행사를 계기로 공동 연구 추진을 위한 토대를 마련하고 향후 인공지능 기술 발전에 함께 기여할 수 있는 좋은 연구를 진행할 수 있었으면 한다”고 말했다. GIST AI대학원의 김종원 원장은 “이번 달빛워크숍이 양 기관의 인공지능 분야 전문가들을 모시고 개최되는 만큼, AI 분야의 최신정보 공유와 연구 교류 활성화의 의미 있는 시도가 될 것으로 기대한다” 면서, “달빛워크샵이 지속적으로 개최되어 지역 균형 발전과 AI융합인재 양성, 그리고 무엇보다 미래 일자리 창출의 밑거름이 되길 바란다”고 전했다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 정보통신융합전공 이성진 교수팀이 기존 키-값 저장장치에 존재하던 문제를 해결한 개선된 키-값 저장장치를 개발했다. 이 교수팀은 연구를 통해 기존 저장장치에서 발생하는 문제점의 원인을 밝히고 이를 개선해 향후 빅데이터와 같은 광범위한 IT분야에서 긍정적인 효과를 줄 수 있을 것으로 기대된다. ‘키-값 저장장치는 비정형 데이터 저장과 빠른 처리가 가능한 고유의 ‘키’를 부여해 ‘값’인 데이터를 저장하는 자료저장소로, 빅데이터 분석, 인공지능, 클라우드 시스템 등 광범위하게 사용되는 장치다. 이 교수팀은 키-값 저장장치에 데이터를 저장할수록 응답 시간 지연과 처리량 감소는 저장장치에 내부 알고리즘으로 사용 중인 ‘해시(Hash)의 구조’가 문제의 원인임을 밝혀냈다. 해시 구조는 부여된 키를 모두 하나의 표 형태로 보유, 키가 입력되면 그와 연결돼 있는 정보를 불러온다. 하지만 요즘 많이 사용하는 SSD는 해시 구조를 저장하고 관리할 별도의 용량이 적어 해시 구조를 그대로 적용하면 과부하가 걸리고 처리가 느려진다. 이를 해결하기 위해 이 교수팀은 연구를 통해 ‘PinK’라는 새로운 기술을 개발했다. PinK를 적용할 경우, 해시 구조대비 더 경제적으로 키를 보관하고 활용하는 것이 가능하다. 이는 PinK가 모든 종류의 키를 한꺼번에 저장해 보유하지 않고, 여러 단계로 키들을 나눠 보유하며, 필요한 단계로 명령을 분할해 처리하기 때문이다. 그 결과 기존 대비 최대 7배 향상된 응답 시간과 2배 향상된 처리량을 달성해, 차세대 저장장치로 주목 받고 있는키-값 저장장치 확산에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 이성진 교수는 “이번 연구를 통해 키-값 저장소에 데이터를 저장하고 불러올 때 발생하는 병목현상을 제거하고 시스템의 성능을 최대 7배 이상 향상할 수 있는 길이 열렸다”고 말했다. 이번 연구는 美 매사추세츠 공대 컴퓨터과학 및 인공지능연구소(MIT CSAIL)의 아빈드(Arvind) 교수팀과의 공동협력으로 진행됐으며, DGIST 정보통신융합전공 임준수 석박통합과정생과 DGIST 정보통신융합전공 배진욱 석사과정생이 각각 제1저자와 제2저자로 참여했다. 또한 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 논문은 지난 7월 15~17일 개최된 USENIX ATC‘20에서 최우수논문상을 수상했다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터와 핵심단백질자원센터가 슈퍼컴퓨팅으로 디자인된 코로나19 치료제 인공단백질 11가지를 개발했다. DGIST 핵심단백질자원센터 연구진들이 개발한 코로나19 치료제 인공단백질은 기존과 전혀 다른 연구방식으로 진행됐다. 기존 코로나19 치료제 개발은 이미 개발된 약물을 이용하는 ‘약물 재창출’, 완치자 혈액 속 항체를 이용하는 ‘혈장 치료제’, 세포주를 이용해 코로나19 바이러스에 반응하는 항체를 개발하는 ‘항체 치료제’, 화학합성 물질을 이용한 ‘신약 개발’이 주를 이뤘다. 그러나 DGIST 연구진들은 슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션을 이용하여, 코로나19 바이러스 표면의 스파이크 돌기 RBD 단백질이 인간세포 수용체 단백질에 결합하지 못하도록 중화작용을 하는 방식으로 인공단백질을 개발했다. 이 개발을 위해 연구진들은 슈퍼컴퓨팅 디자인된 치료제 후보 인공단백질의 클로닝, 발현, 정제, 생산 공정을 개발하고 자체 생산을 진행했다. 그 결과 11가지 단백질들 중 7가지는 고순도 생산을 완료했고, 나머지 4가지는 곧 생산 완료될 예정이다. 생산된 단백질들에 대해서는 고급 질량 분석과 원편광 이색성 분석을 실시해 단백질의 질량, 아미노산 서열의 정상 여부 및 단백질 2차 구조의 안정성을 확인했다. 실제로 생산된 인공단백질을 인체에 투여한 결과 독성이 발생하지 않았다. 장익수 센터장은 “개발한 코로나19 치료제 후보 단백질들의 효능을 검증하기 위하여 코로나 바이러스 실험 및 전임상 실험을 실시할 계획이다”며 “앞으로 진행될 세포주, 동물 및 인간에 대한 치료제 후보 단백질의 효능분석 연구의 결과에도 큰 기대를 갖다”고 밝혔다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

콧물 검사로 알츠하이머성 치매 환자를 조기 선별할 수 있는 새로운 기술을 국내 연구진이 개발했다. DGIST 뇌·인지과학전공 문제일 교수 연구팀이 치매 환자의 콧물에서 알츠하이머성 치매의 핵심 바이오마커인 아밀로이드-베타의 응집체 발현량이 증가하는 것을 규명했고, 간단한 콧물시료 검사로 치매환자를 조기 선별할 수 있는 기술 기반을 마련했다. 문 교수 연구팀은 알츠하이머성 치매 초기에 나타나는 후각기능의 이상에 주목하고 환자의 콧물 시료를 통해 알츠하이머성 치매의 핵심 바이오마커인 수용성 아밀로이드-베타 응집체 검출에 성공했다. 그리고 단백질 발현 여부를 확인하고자 면역블롯 분석을 이용해 경도(mild) 및 중등도(moderate) 정도의 인지저하를 가진 환자 그룹과 동 연령대 정상 대조군 그룹 사이의 유의한 차이를 확인했다. 이를 통해 환자들의 콧물에 아밀로이드-베타의 응집체 발현이 더 높다는 것을 확인했다. 연구팀은 이를 증명하고자 지난 3년 간 종단 코호트 연구 종단를 수행하며 콧물 속에 더 높은 응집체 발현을 보인 환자들은 그렇지 않은 환자들에 비해 3년 이내에 인지능력이 더욱 악화됨을 확인했다. 따라서 콧물에서 감지되는 아밀로이드-베타 응집체의 양에 따라 향후 알츠하이머성 치매 진행의 심각도를 미리 예측할 수 있다는 점도 추가로 규명했다. 문 교수는 “많은 분들이 치매 초기관리에 필요한 골든타임을 놓치는 경우가 많다”며, “이번 연구성과를 활용해 조기선별키트를 개발 중이며, 이를 통해 저렴한 비용으로 조기 검사를 받게 되어 환자와 보호자들에게 희망을 주고 국가적으로도 사회적 비용을 절감하길 기대한다”라고 소감을 밝혔다. 이번 연구는 가천대학교 이영배, 장근아 교수, 경희대학교 황교선 교수, 연세대학교 김영수 교수 연구팀과 공동연구로 진행됐으며, 세계적 학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 지난 8일 온라인 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

세계 최초 ‘염료감응 베타전지’ 개발방사성 동위원소 이용 차세대 전지우주·바닷속·의료 분야서 적용 기대충전 없이 반영구적으로 사용 가능한 ‘염료감응 베타전지’가 세계 최초로 개발됐다. 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 인수일 교수 연구팀은 15일 “베타선에 염료가 반응하는 원리를 응용해 값싸고 안전하면서 반영구적인 베타전지를 개발했다”고 밝혔다. 인 교수는 “베타전지를 연구하고 개발하는 나라는 많으나 값싼 염료를 이용한 개발은 처음”이라고 말했다. 미국과 러시아 등을 중심으로 베타전지 연구에 각축을 벌이지만 소재가 비싸고 복잡한 제작 공정으로 인해 대량생산에 어려움을 겪고 있다는 것이다. 인 교수는 “앞으로 베타전지가 우주나 깊은 바닷속과 같은 극한 환경이나 의료 분야에 차세대 전원으로 활용될 것으로 기대된다”고 전망했다. 그는 베타전지에 대해 하나씩 설명했다. 베타전지는 방사성 동위원소를 원료로 이용하는 차세대 전지 중 하나다. 방사성 동위원소에서 방출된 베타선이 방사선흡수체인 반도체에 충돌하면서 전기가 생산되는 원리다. 베타선은 인체 유해성과 투과도가 낮고 외부 동력원 없이 자체 전력 생산이 가능하다. 수명은 방사성 동위원소의 반감기와 비례하기 때문에 길다. 이번 연구 결과의 핵심은 기존의 베타전지에서 방사선흡수체로 사용된 값비싼 반도체 물질을 루테늄 계열의 ‘N719’ 염료로 대체한 것이다. 루테늄은 전이금속으로 백금족 금속의 하나다. 인 교수 팀은 또 베타선을 방출하는 동위원소인 ‘탄소-14’를 적용해 기존 베타전지가 가진 복잡한 구조를 단순화했다. 이와 함께 ‘탄소-14’를 나노입자로 만들어 에너지 밀도를 높였다. 인 교수 연구팀은 후속 연구로 베타전지 효율을 실용화 수준까지 끌어올릴 계획이다. 인 교수는 “이번 연구는 기존 방식과는 달리 값싼 염료를 적용해 새로운 베타전지 개발에 성공했다는 데 큰 의의가 있다”면서 “풀어야 할 숙제가 많지만 안전하고 저렴한 염료감응 베타전지 개발에 노력하겠다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 방사선기술개발사업으로 진행됐으며, 지난 4일 화학 분야의 저명한 국제학술지 ‘케미컬 커뮤니케이션스’ 표지 논문으로 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 에너지융합연구부 김영훈 박사 연구팀이 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능과 안정성을 높인 기술을 개발했다. 빛에너지 전기발광 특성도 동시에 갖추고 있어 건물일체형 태양광 발전과 다기능성 광전소자, 라이파이 등 광기술 개발 및 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 최근 신재생에너지 기술을 비롯한 태양전지의 관심이 높아지면서 양자점(Quantum dot)을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 양자점은 빛 흡수 능력이 뛰어나고 넓은 영역의 빛을 흡수하는 차세대 태양전지의 핵심 소재다. 특히 양자점 태양전지 분야에서 가장 높은 효율을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지는 빛을 전기에너지로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성을 동시에 갖기 때문에 다기능성 태양전지로 각광받고 있다. 우수한 페로브스카이트 양자점을 합성하기 위해서는 긴 탄화수소 체인을 가진 유기 리간드가 이용된다. 리간드는 10나노미터(nm)에 분산이 될 수 있게 한다. 이러한 양자점을 기판 위에 잘 배열시킴으로써 양자점 태양전지가 만들어진다. 이 때 양자점 표면에 흡착된 긴 체인의 리간드는 양자점 간의 전하이동을 어렵게 해 태양전지 성능을 저하시키기 때문에, 짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시키는 과정을 거쳐야 한다. 이 때문에 기존에는 ‘포르마미디늄(Formamidinium, FA)’이라는 짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시켜 소자의 성능을 향상시킬 수 있었다. 하지만 포르마미디늄 리간드의 특성상 물과 잘 결합하고 습기를 잘 흡수하는 친수성때문에 공기 중 수분으로 인해 안정성이 현저히 감소하는 문제점들이 발생했다. DGIST 김영훈 박사 연구팀은 다양한 실험을 통해 벤젠 그룹 기반의 ‘페네실라모늄(Phenethylammonium, PEA)’리간드가 가진 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성에 주목했고, 이를 페로브스카이트 양자점 표면에 안정적으로 흡착시키는데 성공했다. 이를 통해 연구팀은 광전변환효율을 14.1%까지 향상시켰고, 약 15일 간 실제 외부환경과 같은 조건인 상대습도 20~25%에서 90%이상의 높은 광전변환효율을 유지하는 안정성도 추가로 확인했다. 김영훈 박사는 “짧은 탄화수소 체인을 가지면서 소수성을 갖는 리간드를 도입해 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능 및 안정성을 동시에 향상시킬 수 있음을 최초로 규명했다”며, “차세대 양자점 태양전지 개발 및 실용화를 위한 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다. □이번 연구는 한양대학교 화학공학과 고민재 교수 연구팀과 공동협력으로 진행했으며, DGIST 에너지융합연구부 김지건 위촉연구원 및 한양대학교 화학공학과 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 에너지과학 분야의 세계적 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 6월 15일자 온라인판에 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST는 신물질과학전공 이재동 교수 연구팀과 바이오융합연구부 김현민 박사 연구팀이 이차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가지는 특정한 빛 파장 주파수를 조합해 다양한 빛과 밝기를 변환할 수 있는 ‘이중공명 합 주파수 생성’ 방법을 최초로 발견했다고 8일 밝혔다. 인류의 문명은 빛을 다루기 위한 노력을 통해 발전해 왔다. 다양한 빛의 생성과 변환기술은 근현대의 산업과학기술부터 광통신, 광의료, 광에너지 등 미래첨단분야에 이르기까지 활용되고 있다. 빛에너지는 진동을 하는 다양한 주파수를 가지고 있으며, 빛의 원리를 이용해 반도체 물질이 가진 주파수를 활용한 광연구가 다각도로 진행 중이다. 반도체는 전기전도율을 조절 가능한 물질로써, 전자가 존재할 수 없는 에너지 금지대를 사이에 두고, 전자가 존재하는 가전자대와 전도대가 연속적인 에너지밴드로 이뤄져 있다. 에너지밴드 내에 특정 주파수의 빛인 광펄스(light pulse)가 입사되면 에너지의 진동 폭이 급격하게 늘어나는 공명이 일어난다. 이 때 전자들이 에너지 금지대를 통과해 활발하게 이동하면서 새로운 전류나 빛이 생성된다. 이러한 에너지 밴드의 공명을 조절해 빛의 색 변환 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이나, 대체적으로 낮은 효율 때문에 어려움이 많은 실정이다. DGIST 연구팀은 차세대 반도체소재로 각광받는 이차원 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)이 가시광선에 반응하면서 빛 흡수율이 높아 여러 개의 공명 주파수를 가지는 특성에 주목했다. 연구팀은 이셀레늄화텅스텐에 입사되는 두 개의 광펄스를 같은 출력으로 조절해 더욱 강력한 두 개의 공명이 동시에 발생하는 것을 확인했다. 이를 통해 색의 변환과 더불어 극대화된 고출력의 광펄스가 방출됨을 확인할 수 있었다. 이번 성과는 단일공명을 활용한 기존 방식에 비해 2개의 공명을 이용해 빛의 파장이 20배 이상 손쉽게 증폭 가능했기 때문에 다양한 광학기술에 활용 가능한 무궁한 잠재성을 가지고 있다. DGIST 신물질과학전공 이재동 교수는 “빛의 출력 증폭과 고효율로 빛의 색 변환이 이차원 물질에서 손쉽게 가능함을 규명했다”고 말했다. 이번 연구는 DGIST 신물질과학연구소의 김영재 박사가 제1저자로 참여했으며, 나노 과학·기술 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 18일자 온라인판에 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

한국 과학자가 참여한 미국 연구진이 미세혈관 손상까지 찾아낼 수 있는 고해상도 초음파 영상 기술을 개발했다. 미국 피츠버그대 생체공학과, 피츠버그대 의대 초음파분자이미징 및 치료센터 연구팀은 기존 초음파 기술로는 불가능했던 질환의 진행과정을 관찰할 수 있는 초고해상도 초음파 영상기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 이번 연구결과는 의학분야 국제학술지 ‘국제 신장학’(Kidney International)에 실렸다. 이번 연구에는 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학전공 유재석 교수도 참여했다. 흔히 건강검진에서 복부와 목 부위 갑상선 검사를 위해 초음파 검사를 실시한다. 여기에 쓰는 초음파 영상 기기 해상도는 음향회절한계가 있었다. 음향회절한계란 특정 물체를 시각화하기 위해서는 물체 크기가 시각화하는데 필요한 주파수의 절반 이상이 되야 한다는 것이다. 충분히 크지 않으면 초음파 영상을 볼 수 없다는 것이다. 또 기존 방식은 데이터를 취합하는데도 시간이 걸리기 때문에 응급 상황에서는 사용이 쉽지 않았다. 연구팀은 초음파 조영제의 개별신호를 구분해 위치를 찾아내는 국지화 기술을 이용해 기존 기기보다 4~5배 이상 해상도를 높이는데 성공했다. 기존에는 150~200㎛(마이크로미터) 크기의 혈관까지만 찾아낼 수 있었지만 이번 기술을 활용하면 32㎛의 미세혈관도 관찰이 가능하다. 또 천문학에서 주로 사용되는 신호처리 기술을 활용해 데이터 수집시간을 기존 수 분에서 1초 이내로 줄여 응급상황에서도 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 연구팀은 이번에 개발한 기술을 이용해 기존 초음파 영상기기로는 관찰이 불가능했던 급성신장손상이 만성신장질환으로 진행되는 과정을 관찰하는데 성공했다. 연구에 참여한 유재석 교수는 “이번에 개발한 초음파 영상기술은 기존 초음파 기기로는 해상도의 한계 때문에 진단이 불가능했던 질병의 진행을 관찰함으로써 치료하는데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

DGIST(총장 국양)가 지식재산 창출·활용의 선순환 체계 구축을 통한 발명문화 진흥에 기여한 공로를 인정받아 ‘제55회 발명의 날’에서 발명장려유공 단체부문 대통령표창을 수상했다. DGIST는 지식재산관리시스템을 활용한 지적재산 창출 기반을 조성, 안정적인 특허출원을 위한 노력을 아끼지 않았다. 특히 DIPS는 특허출원 관련자들 간의 유기적인 소통을 가능케 하는 시스템을 구축, 특허처리업무를 진행하는데 있어 혁신적인 사례로 많은 주목을 받았다. 또 DGIST는 신기술을 사고 팔수 있는 ‘T-Market’을 구축·운영해 기술개발 활성화를 위한 다양한 지원을 아끼지 않았다. T-Market은 국내대학 최초 오픈마켓 방식의 기술거래 온라인 플랫폼으로, 기술 수요자 및 공급자들이 함께 유기적인 소통을 통해 좀 더 손쉽게 기술이전 및 거래를 진행할 수 있게 해, 사용자들에게 긍정적인 평가를 받았다. DGIST 한상철 산학협력단장은 “지식재산권 창출 및 활용을 위한 그 간의 공로를 인정받아 기쁘게 생각하며, 현재에 만족하지 않고 앞으로도 발명문화 확산 및 진흥을 위해 계속해서 노력해 나가겠다”며 수상소감을 밝혔다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 에너지공학전공 유종성 교수 연구팀이 기존의 백금 연료전지 촉매보다 안정성이 더욱 향상된 신개념 전극 촉매 개발에 성공했다. 친환경 차세대 발전기술로 주목받고 있는 수소연료전지는 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 주로 백금이 전극 촉매로 사용된다. 하지만 연료전지가격의 40% 이상을 차지하는 백금의 비싼 가격과 낮은 안정성으로 대량생산이 쉽지 않은 실정이다. 이 때문에 백금 함량을 낮추면서 성능 좋은 촉매의 합금 소재를 찾기 위해 각국에서 다양한 연구를 진행 중이다. 그 중 전이금속인 니켈, 코발트는 백금과 합금화한 연료전지 촉매로 사용 시 활성이 높아 현재까지도 합금 소재로 많이 쓰인다. 하지만 전이금속의 특성 상 높은 전압과 산성 상태에 취약해서 쉽게 산화되는 탈 합금 현상이 발생해 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 유종성 교수 연구팀은 지각 내 존재량이 풍부한 알칼리 토금속인 마그네슘의 낮은 녹는점과 전자구조적 특성에 주목했고, 백금과 결합하면 높은 안정성을 가진 합금 촉매가 제작 가능할 것이라 판단했다. 이에 연구팀은 마그네슘의 쉽게 산화되는 특성 때문에 백금과의 합성이 어려운 점을 해결하고자 마그네슘 금속을 전구체 전구체로 사용하는 합성법을 고안했다. 이를 위해 백금염이 담지된 탄소 담지체 담지체 : 촉매의 반응성을 향상시키기 위해 촉매를 담아 고정해 주는 역할을 하는 물질와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 후, 수소/아르곤 혼합가스에서 650도의 고온 열처리를 진행했다. 이 때 마그네슘 금속이 녹아 백금염과 혼합되면서 백금-마그네슘 합금 촉매가 완성되었다. 연구팀은 완성된 백금-마그네슘 합금 촉매를 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 진행해 보았는데, 합금 촉매의 발전 성능을 나타내는 단위질량당 활성도가 0.43 A/mg으로, 기존의 백금 촉매 활성도인 0.16 A/mg보다 약 2.7배 향상된 것을 확인했다. 또한 미국 에너지부(Department of Energy) 기준의 연료전지 안정성 평가에서도 기존 백금 촉매보다 1.5배 더 안정적임을 확인했다. 유종성 교수는 “이번 연구는 값 비싼 백금 함량을 줄이면서 활성과 안정성을 개선한 값진 성과다.”며, “촉매의 합성법 또한 간단해 수소 연료전지 대량생산에 기여할 수 있을 것이며, 후속 연구를 통해 안정적인 친환경 에너지 생산 환경을 조성하는데 앞장서겠다”고 밝혔다. 이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 임마뉴엘 밧차 테테 석사졸업생과 이하영 석박사통합과정생 등이 참여했고, 전기화학촉매 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 4월 15일자 온라인판에 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 로봇공학전공 김소희 교수 연구팀이 여러 마리 성체 제브라피쉬의 뇌파를 동시에 측정하는 기술 개발과 이를 활용한 뇌전증 치료약의 효과 검증에 성공했다. 한 마리의 뇌파만을 측정할 수 있던 기존 기술의 한계를 극복한 기술로, 향후 뇌신경계 질환 치료에 쓰이는 신약 후보물질 연구의 정확도와 효율성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 제브라피쉬는 척추동물로, 인간과 70% 유사한 유전정보와 생체기관을 갖고 있다. 따라서 신약 개발 단계 중 첫 단계로 세포를 대상으로 한 기초연구단계와 다음 단계인 설치류 대상 비임상시험 단계 사이에 사용될 동물로 주목받고 있다. 김 교수팀은 성체 제브라피쉬 여러 마리를 안정적으로 고정시켜 뇌파를 측정할 수 있는 고정유닛과 약물 주입·교환 유닛이 결합된 장치를 고안해 환경 변화 없이도 약물 교환과 연속적인 뇌파 측정이 가능하도록 했다. 이를 통해 여러 마리에서 장시간의 비침습적 뇌파 측정이 가능하다. 이는 한 번에 제브라피쉬 한 마리만의 뇌파 측정이 가능하던 기존 기술의 한계를 극복한 것이다. 또한 김 교수팀이 개발한 방식은 유닛을 손쉽게 확장 가능해, 동시 측정 가능 개체 수를 손쉽게 늘릴 수 있고, 뇌파 측정 후 제브라피쉬를 다시 수조로 돌려보내 장기간의 추적 관찰도 가능하다. 김 교수팀이 개발한 기술을 활용한다면 향후 제브라피쉬의 장점을 극대화한 신약 개발·연구가 가능할 것으로 기대된다. 특히 뇌신경계 질환 치료에 쓰일 수 있는 여러 후보약물들을 여러 마리의 제브라피쉬에 동시에 투입, 그에 따른 뇌파 반응을 연구하는데 있어 정확도와 효율성이 크게 개선될 것으로 기대된다. 또한 여러 약물을 시험하는데 소요되는 시간도 크게 단축할 수 있어, 그 중 효과가 나타나는 약물들을 선별하는 초기 스크리닝 과정에 소요되는 비용과 시간을 대폭 줄일 수 있을 것으로 보인다. 김소희 교수는 “이번에 개발한 기술은 뇌전증이나 수면 장애, 자폐증 등 다양한 뇌신경계 질환 치료를 위한 신약 후보물질의 초기 스크리닝 단계에 활용할 수 있다”며 “처리 속도가 느리다는 뇌파의 약점을 극복하고, 정확도가 높다는 뇌파의 장점을 바탕으로 약효 관련 연구를 진행할 수 있어 향후 후보물질 초기 스크리닝 단계의 성공률을 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 한편 본 연구는 DGIST 학부 및 석사과정 졸업생인 로봇공학전공 이유현 연구원이 제1저자로, 김소희 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구 결과는 바이오센서 분야 국제학술지인 ’바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스’ 지에 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부 뇌과학원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 대학원생들이 한국연구재단에서 지원하는 ‘2020 이공분야 학문후속세대지원사업’의 박사과정생 연구장려지원금 부문에 선정됐다. 선정된 학생들은 로봇공학전공 최정현, 뉴바이올로지전공 노현철, 뇌·인지과학전공 주빛나, 정민석 학생 등 모두 4명이다. 모두 박사과정에 재학 중으로, 자신만의 연구주제를 구상, 이에 관한 계획과 역량을 다방면에서 평가받아 선정됐다. 이들은 향후 2년간 자신만의 연구를 진행할 수 있는 전폭적인 지원을 받게 된다. 최정현 학생은 ‘소형 모빌리티의 주행거리 향상을 위한 모델예측 제어기반의 구동·조향 토크 최적분배 알고리즘’에 대한 연구를 진행하게 된다. 이 연구는 전기 자동차 및 다른 소형 모빌리티의 주행거리 향상에 관한 연구로써, 최정현 학생은 향후 주행에 대한 수학적 모델을 도출하고 모델예측 제어를 기반으로 하는 주행제어 관련 연구를 진행하게 된다. 노현철 학생은 다양한 대사질환들과 밀접한 관계가 있는 ‘미접힘 단백질 반응(UPR, Unfolded Protein Response)’을 매게하는 ‘XBP1s 단백질’에 대한 연구를 진행할 예정이다. 노현철 학생은 해당 단백질이 대사 활동 조절에 미치는 영향에 대한 연구와 이에 따라서 비만에 미치는 영향까지도 알아볼 계획이다. 주빛나 학생은 뇌의 여러 부위 중 현재까지 많은 연구가 진행된 적이 없던 ‘후두정피질’에 대한 연구를 진행하게 된다. 특히 후두정피질의 기능과 신경회로망 작동원리에 대한 연구를 다방면에서 진행해 사고로 인해 트라우마를 겪는 인간의 신경회로망 작동 방식 규명에 대한 연구를 진행 할 계획이다. 정민석 학생은 뇌의 ‘해마’ 신경회로에 대한 외상후 스트레스 증후군(PTSD, Post-Traumatic Stress Disorder) 환자들에게서 관찰되는 감정조절 및 인지능력 손상의 상관관계 및 발병기전에 대한 연구를 진행하게 된다. 특히 이러한 연구를 통해 잠재적인 치료기법 개발을 위한 단서를 찾는 연구까지도 함께 수행할 예정이다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

국내 연구진이 뇌의 도파민 특정 유전자 스위치가 켜지면 약물 중독에 쉽게 빠지게 된다는 사실을 밝혀냈다. 포스텍 생명과학부, 한국뇌연구원, 대구경북과학기술원(DGIST), 미국 마운트시나이 아이칸의대 신경과학과, 존스홉킨스대 심리·뇌과학과, 존스홉킨스대 의대 신경과학연구소 공동연구팀은 코카인 같은 약물 중독에 신경세포의 특정 도파민 수용체가 중요한 역할을 한다고 26일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 의학분야 국제학술지 ‘생물 정신의학’에 실렸다. 약물 중독은 특정 약물을 강박적으로 찾고 사용하는 행동을 보이는 정신질환으로 치료가 어렵고 오랜 시간이 지난 뒤에도 재발 가능성이 높다. 특히 마약류 같은 중독성 약물은 뇌의 보상회로 속 도파민 농도를 증가시키고 도파민 수용체를 활성화시켜 쉽게 중독을 일으키는 것으로 알려져 있다. 문제는 중독에 유독 쉽게 빠지는 사람이 있는데 이런 현상에 대한 정확한 신경생물학적 메커니즘은 아직 밝혀지지 않은 상태이다. 연구팀은 생쥐들을 이용해 코카인을 스스로 투여할 수 있는 장치에 넣은 뒤 전기생리학적, 광유전학 기법으로 실험을 실시했다. 그 결과 중독에 취약한 생쥐들은 일반 생쥐들과 2909개의 유전자가 차이를 보인다는 사실을 확인했다. 중독 취약 생쥐들은 기분과 감정을 조절하는 영역인 대뇌 보상회로 중격의지핵에 있는 콜린성 뉴런이라는 신경세포에서 ‘DRD2’라는 유전자가 과도하게 발현되는 것으로 관찰됐다. 콜린성 뉴런에서 DRD2가 쉽게 켜지고 발현량도 급증하는 생쥐는 똑같은 코카인에 노출되더라도 쉽게 중독된다는 설명이다. 구자욱 한국뇌연구원 박사는 “이번 연구는 뇌 중격의지핵 신경세포 중 1~2% 정도에 불과한 콜린성 중간뉴런의 도파민 신호전달체계가 중독 행동에 중요한 역할을 한다는 점을 밝혀냈다는데 의미가 크다”라며 “추가 연구를 통해 약물 중독 환자에 대한 새로운 치료전략을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

DGIST 로봇공학전공 문인규 교수팀이 다양한 비정형 빅데이터의 암호화에 필요한 대용량 비밀키를 빠르고 안전하게 공유할 수 있는 랜덤위상키 교환 기법을 개발했다. 개발된 기술은 효율적인 빅데이터 암호화에 활용 가능한 핵심적인 원천기술로, 향후 관련분야 기술개발에서의 다양한 적용이 기대된다. 문 교수팀은 기존 암호화 방식을 광학적인 원리로 작동하는 새로운 방식을 고안했다. 이는 기존보다 큰 용량의 비밀키 생성이 가능하다. 또 기존의 암호화 방식은 비밀키의 용량이 커지면 안전성을 보장할 수 없었지만 이번 문 교수팀이 개발한 방식은 이중랜덤위상인코딩(DRPE, Double Random Phase Encoding)을 통해 비밀키의 용량에 관계없이 안정성을 보장한다. 또한 달리 홀로그램이나 영상처럼 고용량의 정보나 비정형 데이터의 효율적이고 신속한 암호화와 이를 효과적으로 공유할 수 있는 장점이 있다. 특히 이번에 고안된 기술은 사용자들끼리 복소수 정현파 파형의 형태로 비밀키의 정보를 주고받고, 개인이 소유한 비밀지수로 파형을 풀어 비밀키를 제작하거나 공유할 수 있도록 했다. 이는 파형을 전달하는 과정에서 해커가 가로채더라도 물결처럼 반복되는 파형에서 암호해독에 필요한 정보가 숨겨진 위상을 찾고 비밀키를 생성해야하기 때문에 해킹이 매우 어렵다. 이처럼 문 교수팀이 고안한 암호화 기법은 향후 의료계에서 환자를 촬영한 고해상도의 촬영 이미지나 금융권에서 관리하는 개인정보처럼 굉장히 민감하지만 용량이 매우 큰 정보를 빠르게 암호화하고 이를 안전하게 공유하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 문 교수는 “이번 연구는 정형화된 데이터나 비정형의 빅데이터를 고속으로 암호화하는데 기존의 블록암호기술이 갖는 근본적인 한계를 극복하는 새로운 암호체계 개발 연구가 필요하다고 판단해 시작했다”며 “향후 연구를 더 진행해 이번에 고안한 암호시스템이 차세대 암호체계의 주요 핵심기술로 활용될 수 있도록 더 노력하겠다”고 밝혔다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수팀이 기존 박막전극에 아주 작은 마이크로 구멍을 특정 형상으로 배치해 전기적 내구성을 높인 박막전극 제조 기술을 개발했다. 또 이를 이용한 박막 트랜지스터를 제작 기술도 함께 개발해, 향후 전기적 내구성이 필수적인 플렉시블 디바이스에 많은 응용이 가능할 것으로 기대된다. 최근 폴더블 스마트폰처럼 휘거나 접는 전자제품이 증가하며 플렉시블 전극 연구가 활발하다. 기존 연구들은 전도성을 확보하면서도 유연성을 향상시키기 위해 전극의 새로운 구조를 설계하거나 응력 응력(Stress): 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중(외력)을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력 이 최소인 부분을 이용한 균열 억제에 초점을 맞춰왔으나 제조 공정이 복잡하거나 새로운 생산라인이 필요한 한계가 있어왔다. 또 전극을 제작 하더라도 제한적인 물질로만 제작이 가능하며, 개발한 전극도 전도성이 낮아 상용화에는 문제가 많았다. 이에 장 교수팀은 기존과 다른 관점에서 접근했다. 기존 연구가 전극이 접히거나 구부러지면서 생기는 균열을 억제하려 했다면, 장 교수팀은 균열을 발생시키고, 이를 제어하는 관점에서 전극 연구를 진행했다. 그 결과, 최적화된 배열로 작은 마이크로 구멍을 형성하는 새로운 박막 전극 구조를 제시했다. 이는 특정 부분에만 응력을 집중시켜 균열이 퍼지는 것을 제어하는 새로운 구조다. 연구팀은 2~3마이크로미터의 아주 작은 구멍을 전극에 특정한 배열로 형성해 구멍 부분에서만 균열이 일정하게 발생하게끔 유도했다. 기존의 전극은 휘거나 굽을 경우, 전극 전반에 균열이 발생하며 전기가 전달되지 않았다. 하지만 일정 배열로 전극에 배치된 구멍들은 구멍의 측면 부분에만 균열을 집중적으로 발생시켰으며, 전극을 30만 번 이상 굽혔다 펴도 전극 내 다른 부분에 균열이 가지 않을 정도로 전극의 전기적 내구성을 개선시켰다. 또한 개발된 박막전극은 현재 전극을 생산하는데 사용 중인 반도체 공정 장비를 그대로 이용해 제작이 가능하다. 이는 전혀 새로운 생산 장비가 필요하던 기존 연구보다도 훨씬 경제적이고 효율적이다. 그리고 개발한 박막 전극을 이용해 개발한 트렌지스터 또한 기존과 유사한 성능을 유지하면서도 높은 내구성을 자랑해 향후 광범위한 활용이 기대된다. DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수는 “이번 연구를 통해 개발한 박막전극은 미세한 구멍을 이용해 균열을 효과적으로 통제하는 새로운 개념의 전극”이라며 “향후 관련 기술을 좀 더 발전시킨다면 플렉시블 전자기기의 전자적 내구성을 획기적인 개선에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구 결과는 관련 분야 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 지난 4월 2일 온라인 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST는 뉴바이올로지전공 문대원 석좌교수, 에너지공학전공 인수일 교수 공동연구팀이 산화금속 나노입자를 접합시킨 항체를 이미지화시켜 마이크로미터 이하의 공간 분해능으로 단백질을 관찰하는 ‘다중 단백질 질량분석 바이오 이미징 기술’을 개발했다고 20일 밝혔다. 바이오 이미징 기술은 세포에서 일어나는 현상을 영상으로 볼 수 있게 만드는 기술이다. 질병의 조기 진단이나 신약개발 등에 필요한 핵심 기술로써 생명공학, 물리, 화학, 기계 전자와 같은 여러 분야의 융합이 필수적이다. 현재 주로 사용되는 바이오 이미징 기술은 형광 물질을 단백질에 입혀서 관찰하는 방법인데, 광학 기술의 한계 때문에 동시에 관찰 가능한 단백질은 3~4가지 정도로 분석의 한계가 있었다. 이에 DGIST 연구팀은 SIMS 분석법(Secondary Ion Mass Spectrometry, 2차 이온 질량 분석법)을 적용해 세포막에 존재하는 여러 종류의 단백질을 관찰하는데 성공했다. SIMS 분석법은 가속 이온을 이용해 주로 반도체 제조를 위한 극미량의 불순물 분석에 활용되는 기술인데, 최근에는 바이오 이미징 기술에 적용하려는 연구가 활발하다. 하지만 가속 이온의 파괴적인 특성 때문에 지질 분자 이미징 정도만 가능했고, 단백질 이미징은 불가능해 SIMS 분석법을 통한 바이오 이미징 연구가 제한적이었다. 연구팀은 SIMS 분석법이 수십 종의 산화금속을 분석하고 이미징 할 수 있다는 데 착안했다. SIMS 분석 시 감도가 매우 높은 수십 나노미터(nm) 크기의 산화금속 나노입자를 항체에 접합시킨 후, 이 항체를 단백질(항원)과 결합시켰다. 그런 다음 SIMS 분석을 통해 단백질에 결합된 산화금속 나노입자를 300 나노미터 분해능으로 이미징 해 세포막에 존재하는 여러 종류의 단백질을 동시에 볼 수 있게 했다. 연구팀은 실제 알츠하이머 모델 실험쥐의 해마 조직에 적용해 보았고, 알츠하이머 병에 관여하는 것으로 보고된 7종의 단백질 이미지를 동시 관찰할 수 있었다. 또한 알츠하이머 병이 진전되면서 여러 단백질들의 분포가 어떻게 변화하는지 규명했다. DGIST 문대원 석좌교수는 “이번에 개발한 기술을 통해 기존 형광 분광 이미징 기술보다 이미지화 할 수 있는 단백질 분자의 수를 증가시켰으며, 금속 산화물 나노입자의 높은 SIMS 감도를 활용해 시료 손상을 최소화해 세포막에서의 단백질 상호 작용 관찰을 가능하게 했다”며 “여러 단백질이 관여하는 복잡한 질병 기전 연구에 기여할 새로운 바이오 이미징 기술이 될 것이다”고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제과학저널 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 지난 15일자 표지논문으로 게재됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr

DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 인체 내 치료가 필요한 부위에 정확하고 안정적으로 약물 전달이 가능한 바늘형 마이크로로봇을 개발했다. DGIST는 이번 연구 성과는 기존의 마이크로로봇 약물전달기능 및 제어방식을 획기적으로 개선해 다양한 정밀의학기술에 적용 가능할 것으로 기대된다고 13일 밝혔다. 현재 인체 내 조직 치료 중 약물치료는 가장 일반적인 치료방법으로 쓰이는데, 약물은 신체의 순환기능에 의해서만 전달되기에 목표하는 부위에만 필요한 양의 약물을 정확히 전달이 어려워 상당한 부작용이 발생한다. 이러한 한계를 극복하고자 몸 속을 자유롭게 돌아다니며 목표하는 체내 조직의 정밀 치료가 가능한 마이크로 의료로봇 연구가 최근 각광받고 있다. 이에 최 교수 연구팀이 세계 최초로 바늘형 마이크로로봇은 3차원 레이저 리소그라피 3D 공정을 통한 나노-마이크로 스케일로 제작됐으며, 금속박막 증착기술을 이용해 자성물질(Nickel, Ni)과 생체적합물질(Titanium oxide, TiO2)을 증착했다. 더불어, 생체적합물질로 사용된 TiO2는 화학적인 방식으로 항암제(Paclitaxel, PTX) 탑재 능력을 향상시켰다. 연구팀은 체외 약물 테스트 플랫폼에서 실험을 통해 기존의 마이크로로봇의 제어 기능을 한 차원 개선시켰다. 특히 이번에 개발한 바늘형 마이크로로봇은 목표지점으로 정확한 이동이 가능하며, 제어 시간 또한 획기적으로 줄였다. 또한 특정 치료 부위에 로봇을 고정시키기 때문에 외부의 지속적인 자기장 에너지 공급이나 제어가 불필요하며, 실제 인체 내부와 같이 특정 유체 흐름이 있는 환경에서 기존보다 유체 저항을 최대 6배 더 견디면서 안정적으로 약물을 전달할 수 있는 것이 장점이다. 연구팀은 또한 바늘형 마이크로로봇을 체외에서 배양한 암 종양 조직에 적용해 보았는데 암 종양에 고정되기 전, 후의 성능 테스트에서 유의미한 결과를 확인했으며, 항암제 약물방출을 통한 치료적인 효능도 추가로 증명했다. 최홍수 교수는 “이번 연구결과를 통해 기존의 마이크로로봇의 기능을 더욱 개선시켜 약물전달 효율을 높이고 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대한다”며 “앞으로도 더욱 향상된 마이크로로봇을 지속적으로 개발하여 장기적으로 동물실험과 관련 병원 및 기업과 후속 연구를 진행해 실제 의료 현장에서 활용될 수 있는 마이크로로봇 기반 정밀치료 시스템을 개발하는데 노력하겠다”고 말했다. 이번 연구는 DGIST 로봇공학전공 최홍수 교수가 교신저자로, DGIST 이승민 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 세계적인 국제과학학술지인 ‘Advanced Healthcare Materials’에 지난 8일 표지논문으로 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 DGIST의 지원으로 수행됐다. 대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr