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보톡스, 피부를 탱탱하게 만드는 물질로 잘 알려졌지요.

그럼 왜 그럴까요?

보톡스가 몸 속으로 들어가면 에너지를 전달하는 단백질인 '스네어(SNARE)'를 절단해버립니다.

그러면 소포가 세포막과 융합하지 못하면서 신경전달물질의 방출을 막고요. 이는 근육의 수축을 방해하는 결과를 가져와 피부에 주름이 생기지 않도록 작용하는 것입니다. 

2013년 노벨상의 주인공 '스네어(SNARE)'

'스네어(SNARE)' 단백질은 생체막 융합 현상에 가장 기본적인 작동 기계로, 제임스 로스먼(James Rothman), 랜디 셰크먼(Randy Shekman) 등이 1980년 대에 발견했습니다.

스네어 단백질은 신경전달물질이나 호르몬 등의 주요 물질이 자루 모양의 지질막인 소포(vesicles)에 담아 마치 택배처럼 전달하는 역할을 하는데요.  소포의 막을 열어 세포막과 융합하고 물질을 분출하는 방식으로 에너지를 전달하는 것입니다.

그리고 여기에 'NSF 단백질'이 작용해 스네어 단백질을 재활용할 수 있도록 만듭니다.

우리 몸 안에서는 이런  작용이 쉴새 없이 일어나기 때문에 단백질 등의 물질이 공급되면서 정상적인 기능을 할 수 있는 것입니다.

제임스 로스먼, 랜디 셰크먼, 토마스 쥐트호프 등은 이 같은 사실을 발견한 공로로 2013년 노벨 생리의학상을 수상했습니다.

하지만, 스네어 단백질과 NSF는 발견된지 30여 년이 지났음에도 NSF 단백질이 스네어 결합체를 어떤 방식으로 분해하고 재활용하는지에 대해서는 명확히 밝혀지지 않은 상태입니다.  


※ 하버드 대학에서 만든 세포내부의 모습을 재현한 영상 'The inner life of the cell' 중 세포 내부 골격 구조, ATP 결합, 걸어가는 키네신 이동 등을 표현한 부분입니다.  풀 영상은 여기로!

세계의 가설 뒤집은 KAIST 윤태영 교수

KAIST 물리학과 윤태영 교수 연구팀은 NSF 단백질이 스네어 결합체를 분해해 세포수송을 지속시키는 원리를 세계 최초로 규명했습니다.

신경전달물질의 분비가 끝난 후 NSF가 SNARE 단백질 복합체를 한 번에 분해하는 모습. 분해된 SNARE들은 다시 신경전달물질 분비를 일으키는데 이용됨신경전달물질의 분비가 끝난 후 NSF가 SNARE 단백질 복합체를 한 번에 분해하는 모습. 분해된 SNARE들은 다시 신경전달물질 분비를 일으키는데 이용됨

지금까지 과학자들은 NSF가 스네어 결합체를 분해할 때 끈을 조금씩 푸는 것처럼 점진적인 과정으로 진행되고, 따라서 하나의 스네어 결합체를 분해하는 데 연료 역할을 하는 유기화합물인 ATP가 수십 개가 필요할 것이라는 가설을 제기했었습니다.

ATP는 생체 단백질들의 연료원이 되는 물질로, 구성된 인산이 떨어지면서 ATP가 ADP로 변하면서 화학 에너지가 발생시키는데요. 세포의 여러 단백질들은 이를 에너지원으로 삼아 맡은 기능을 수행하게 됩니다.

하지만 윤태영 교수는 단분자 형광 기법과 자기집게 기술(magnetic tweezers)을 사용해 위 가설을 반박했는데요.

윤태영 교수는 단백질에 형광 염료를 달아 분자에서 나오는 신호를 파악하고 움직임을 관찰한 결과, ATP를 주입하면 NSF가 마치 매듭의 양 끝을 잡고 당기면 한 번에 풀리듯 스프링처럼 에너지를 저장했다가 스네어 결합체 전체를 단번에 폭발적으로 풀어내는 것을 확인했습니다.

 

다양한 단분자 생물물리 기법을 이용한 NSF/α-SNAP 에 의한 SNARE 복합체 분해 연구. NSF가 SNARE 복합체를 풀어내는 모델. 다양한 단분자 생물물리 기법을 이용한 NSF/α-SNAP 에 의한 SNARE 복합체 분해 연구. NSF가 SNARE 복합체를 풀어내는 모델.

 

이 같은 연구 성과는 스네어 단백질이 신경세포 간 통신과 인슐린 분비 등에 중추적 역할을 하고 있어 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌질환, 당뇨병과 같은 대사질환 관련 연구는 물론 보톡스 등 피부미용 연구에도 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있습니다.

특히, 이번에 규명된 NSF는 근육의 이동이나 단백질 분해, DNA의 복제 및 이동 등 신체에서 중요한 역할을 하는 AAA+ 단백질 그룹에 속해 있는 것으로 확인됐는데요.

이에 따라  NSF와 비슷한 구조의 AAA+ 단백질 그룹이 함께 동작할 것으로 예상되면서 향후 생물 현상 이해의 주춧돌이 될 것으로 전망됩니다.

또 이번 연구 성과는 생물물리 분야에서 우리나라가 최고수준의 기초과학 연구력을 보유하고 있음을 증명한 것으로, 여러 대사질환을 분자수준에서 이해할 수 있는 토대가 될 것으로 기대받고 있습니다.

한편, 이번 연구는 윤태영 교수 연구팀의 류제경 박사, 민두영 박사, 나상현 학생 등이 주도했고, 고등과학원의 현창봉 교수팀, 독일 막스플랑크연구소 라인하르트 얀(Reinhard Jahn) 교수팀, KAIST 의과학대학원 김호민 교수팀이 참여했습니다.

이번 연구 결과는 사이언스지 3월 27일자에 게재됐습니다.

 

  용 어 설 명

세포 수송
세포 안에서 특정 물질이 세포 소기관 사이에 이동하기 위해서 그 물질들이 함유된 소포체가 전달되고, 타겟이 되는 소기관에 소포체의 생체막이 타겟 생체막과 융합이 되어 그 물질들이 전달되게 된다. 이 현상을 생체막 수송이라고 한다.

단분자 생물 물리 기법
단분자 생물물리 기법은 크게 단분자 형광 기법과 단분자 힘 분광계 기법으로 나눠 볼 수 있다. 단백질의 기능을 단분자 수준에서 관찰하기 위해 단백질에 형광 염료를 달아놓고, 형광 한 분자에서 나오는 신호를 읽어 들임으로 단백질의 움직임을 관찰하는 기법이다. 단분자 힘 분광계는 단백질에 DNA 핸들을 부착하고, 이 DNA 핸들에 큰 Bead를 부착하여 이 Bead 를 빛, 자기장 등으로 조절하여 단백질에 힘을 가해주거나 움직임을 주게 만드는 기법이다. 이 기법을 사용하면 단분자 수준에의 실시간 구조 변화를 예측할 수 있게 된다.

스네어(SNARE) 단백질 
스네어 단백질은 생체막 융합 현상에 가장 기본적인 작동 기계이다. 2013년 노벨상 수상자인 제임스 로스먼(James Rothman), 랜디 셰크먼(Randy Shekman)에 발견이 되었다. 스네어 단백질은 네 개의 스네어 모티프가 만나서 밧줄처럼 꼬여서 생체막 융합 현상을 일으킨다. 신경 전달에 관여하는 신경 스네어는 뱀프 (VAMP)와 스냅25(SNAP25), 신택신(Syntaxin) 이 있고, 이 중 뱀프(VAMP) 와 신택신(Syntaxin) 은 막단백질로 생체막에 투과된 부분이 있다.

NSF
NSF 는 AAA+ ATPase 단백질 그룹 중 하나이다. AAA+ 단백질들은 근육의 이동, 퇴행성 뇌질환을 막기 위한 단백질 분해 작용, DNA 의 복제 및 이동 등 아주 많은 기능들을 한다. 특별히 NSF 는 생체막 융합이 일어난 이후 스네어 복합체가 다시 재활용이 되도록 밧줄처럼 꼬인 스네어 복합체를 ATP 연료의 가수분해 되는 에너지로 풀어낸다. 하나의 NSF 에는 3 개의 구역인 N 말단 구역, D1 구역, D2 구역으로 되어 있고, 단일 유닛이 6개가 합쳐져서 육합체 NSF가 만들어지게 된다. D1, D2 구역에는 ATP 부착되는 곳이 있다.

ATP
ATP 는 생체 단백질들의 연료 원이 되는 것으로 인산 세 개와 리보오스, 아데닌으로 되어 있다. 하나의 인산이 떨어져서 ATP 가 ADP 가 되면 화학 에너지가 발생이 되는데 세포의 여러 가지 단백질들은 이 에너지 원으로 특정 기능을 수행해 내게 된다.

 

 윤태영 교수

1. 인적사항
 ○ 소  속 : KAIST 물리학과
 
2. 학    력
 ○ 서울대학교 공과대학 학사 1998
 ○ 서울대학교 공과대학 석사 2000
 ○ 서울대학교 공과대학 박사 2004

3. 경력사항
 ○ 2004~2005  서울대학교 반도체연구소, 박사후연구원
 ○ 2005~2006  어바나-샴페인 소재 일리노이 주립대학 하워드 휴즈       의학연구소, 박사후연구원
 ○ 2005~2006  어바나-샴페인 소재 일리노이 주립대학 물리학과,      박사후연구원
 ○ 2007~2010  KAIST 물리학과, 조교수 
 ○ 2010~2014  KAIST 물리학과, 부교수
 ○ 2011~현재  한국연구재단 미래창조과학부 창의적 연구 진흥사업,       단분자시스템생물학 연구단 단장
 ○ 2014~현재  삼성미래기술육성재단 기초과학부문 물리분야,
    연구책임자
 ○ 2014~현재  KAIST 물리학과, 영년직 부교수

4. 주요연구업적
 ○ Dynamic Ca2+-Dependent Stimulation of Vesicle Fusion by Membrane-Anchored Synaptotagmin 1: 생체막 단백질의 기능을 세포 밖에서 단분자 수준에서 관찰할 수 있는 연구방법을 개발.
 ○ Real-time single-molecule co-immunoprecipitation analyses reveal cancer-specific Ras signalling dynamics : 생체막 리셉터 단백질의 세포신호 전달을 정제하지 않고도 단분자 수준에서 관찰할 수 있는 연구방법을 개발.
 ○ Real-time single-molecule co-immunoprecipitation of weak protein-protein interactions: 위에서 개발된 방법을 많은 과학자들이 사용할 수 있도록 자세한 방법론을 설명한 논문. 기법에 사용되는 컴퓨터 프로그램을 패키지로 제작하여 동시에 배포함.
○ Mechanical unzipping and rezipping of a single SNARE complex reveals hysteresis as a force-generating mechanism: 자기집게를 이용하여 생체막 단백질에 pN 수주의 힘을 인가하여 그 역학적 특성과 반응을 측정할 수 있는 연구방법을 개발.
○ Programmed folding of DNA origami structures through single-molecule force control: 개발된 자기집게를 이용하여 DNA 나노구조를 프로그램하여 10분 안에 형성시킬 수 있는 연구방법을 개발.
○ 세포 환경 내에서의 단일 분자 수준의 단백질-단백질 상호작용 분석 방법: 개발된 단분자 연구방법을 바탕으로 개별 환자 조직에서 표적 단백질의 상호작용을 별도의 단백질 증폭이나 정제 없이도 측정하여 이를 개인맞춤형 암 진단에 사용하는 기술에 대한 특허.
○ 세포 환경 내에서의 단일 분자 수준의  단백질-단백질 상호 작용 분석 장치: 위의 특허와 연계하여 자세한 분석장치를 구현하는데 필요한 기술적 요소에 대한 특허.

류제경 박사

1. 인적사항                                               
 ○ 소  속 : 카이스트 물리학과 단분자 시스템 생물학 연구실
 
2. 학    력
 ○ KAIST 물리학과 학사 2006
 ○ KAIST 물리학과 박사 2014

3. 경력사항
 ○ 2007~2007 UIUC 방문 연구원 (Taekjip Ha Group)
 ○ 2014~현재  KAIST 물리학과 박사후 연구원

4. 주요연구업적
 ○ 생체막 융합과 관련된 NSF가 어떻게 SNARE 복합체를 풀어내는지 단분자 형광 기법을 이용하여 규명함.

posted by 글쓴이 과학이야기

한겨울에도 신선한 채소를 공급해주는 비닐하우스.

채소가 얼어 죽지 않고 성장할 수 있도록 실내온도를 높여야 하는데요.

어떻게 적정 온도를 유지할까요?

흔히들 보일러로 온도를 유지한다고 생각하는 경우가 많더라고요.

하지만 가장 보편적인 방법은 바로 ‘물’, 지하수입니다.

비닐하우스 지붕 사이로 지하수를 뿌려서 수막을 만들어 낮에 비닐하우스 안에 갇힌 열의 유출을 막는, 수막가온법입니다.

비싼 기름을 태우지 않아도 되니 시설재배 농민들에게는 아주 유용한 방법인데요.

지하수는 추운 겨울에도 평균 수온 15℃ 내외를 유지하기 때문입니다. 

그렇지만, 여기에도 문제가 있습니다.

우리나라는 연 강수량의 80~90%가 여름철에 집중되기 때문에 겨울은 극심한 갈수기를 겪기 일쑤, 지하수가 부족한 것입니다.

실제 우리나라 시설농가에서 수막가온을 위해 한 해 겨울동안 사용하는 지하수의 량은 무려 6억 9000만 톤, 우리나라 농업용 지하수 사용량의 40%를 차지하고요. 전체 지하수 사용량의 18%나 되는 양입니다.

때문에 매년 1월 경이면 지하수 부족으로 수막가온을 하기 어려워지고, 결국 보일러와 온풍기를 가동해야 하기 때문에 농민의 난방비 부담이 급증하게 됩니다. 

시설농가 물 걱정 더는 지하수 인공함양 수막재배법 개발

한국지질자연연구원 김용철 박사 연구팀은 최근 지하수위 복원 및 고갈을 방지하는 지하수 인공함양 기술인  ‘대수층 순환식 수막재배 시스템’을 개발했습니다.

대수층 순환식 수막재배 시스템대수층 순환식 수막재배 시스템


이 기술은 수막재배에 사용된 지하수와 수집한 빗물을 함께 지하로 환원, 지하수의 수위를 일정하게 보존해 재활용하는 것이 가능합니다.

게다가 지열을 안정적인 열원으로 사용해 주입된 물의 온도를 자연 지하수와 같은 15℃ 내외로 일정하게 유지할 수 있어 겨울철 시설농가의 난방비를 크게 절약할 수 있습니다.

대수층 순환식 수막재배 시스템 구조대수층 순환식 수막재배 시스템 단공 주입/양수 복합관 단면도


지질연은 이번 연구결과를 토대로 충북 청주시 가덕면 상대리 실증연구부지에서 실증시험을 성공적으로 진행했습니다.

연구팀은 실증시설을 통해 수집된 빗물을 수막재배에 사용한 지하수와 집수시설 사여과장치와 코일여과장치로 정화하고, 하우스 내에 설치된 지하열교환관으로 가온한 후 지하로 주입해 저장했다가 다시 활용하는 방식으로 구현했습니다.

대수층 순환식과 비순환식 기간 동안 지하수위 변화 비교대수층 순환식과 비순환식 기간 동안 지하수위 변화 비교


여기에는 연구팀이 개발한 ‘주입-양수 복합관’이 적용, 주입과 양수를 동시에 성공했는데요.

이 복합관을 적용하면 기존 농가가 사용하는 지하수관정을 활용할 수 있어 추가 시추로 인한 비용이 들지 않는 장점이 있고요.

또 관정 수위센서에 의해 지하수위 모니터링과 자동운전이 가능합니다. 

비용 편익 분석 결과비용 편익 분석 결과

시설농가 경제성 3배 향상

연구팀은 이번 연구결과와 기존 비순환식 수막시설과의 비용편익을 비교한 결과, 대수층 순환식 수막시설로 딸기를 재배할 경우 비순환식에 비해 경제성이 약 3배 높은 것으로 분석했습니다.

특히, 이 시스템을 사용하면 새벽에 갑작스런 급수 중단으로 인한 농작물 냉해 피해도 없어 농민이 안심하고 사용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

연구팀은 이번 실증시험을 바탕으로 향후 기술표준화, 설치단가 절감, 보급형 시설 개발 등을 통해 상용화를 앞당길 계획입니다.

posted by 글쓴이 과학이야기

사물인터넷은 옷이나 책 등 모든 사물이 인터넷을 기반으로 서로 연결돼 사람과 사물 또는 사물과 사물 간의 정보를 주고 받을 수 있는 능력을 갖게 되는 것인데요.

이를 위해서는 무엇보다도 전자기기나 기판이 사물에 자연스럽게 장착될 수 있도록 웨어러블, 플렉서블 기술, 특히 가볍고 전력 소모가 적으면서도 유연성을 가진 소자 제작 기술이 필요합니다.

개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD) 개발

KAIST 생명공학과 임성갑 교수, 전기 및 전자공학과 유승협, 조병진 교수 공동 연구팀은 최근 10㎚(나노미터) 이하의 얇고 유연하게 휘어지면서도 균일한 두께를 유지하는 고분자 절연막을 개발해 사물인터넷 실현을 한 걸음 앞당겼습니다.

연구팀은 ‘개시제를 이용한 화학 기상 증착법(initiated chemical vapor deposition, iCVD)’을 이용한 고분자 절연막을 개발했는데요.

이 기술은 단량체(monomer)와 개시제(initiator)를 기화시켜 저진공의 반응기 안에 주입하고 열에너지로 활성화시켜 고분자를 필름 형태로 합성하는 방법으로, 기존 고분자 합성 방식과 달리, 용매나 첨가제가 필요 없어 고 순도 고분자를 쉽게 합성할 수 있고요. 또 낮은 공정 온도 특성으로 종이처럼 화학적, 물리적 자극에 약한 물질 위에도 도포할 수 있습니다. 

iCVD 공정의 모식도. (i) 재료물질 (initiator, monomer) 주입, (ii) 개시제의 활성화, (iii), (iv): 활성화된 개시제에 의한 고분자(polymer) 합성iCVD 공정의 모식도. (i) 재료물질 (initiator, monomer) 주입, (ii) 개시제의 활성화, (iii), (iv): 활성화된 개시제에 의한 고분자(polymer) 합성

연구팀이 iCVD로 구현된 박막은 절연 특성이 기존 고분자 박막으로는 구현할 수 없는 매우 높은 수준을 보이면서 플렉서블 전자 소자 등 차세대 전자 기술에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이로 기대됩니다.

기존 무기물 소재 절연막이나 전자소자 재료는 유연성이 부족하고, 고온에서만 공정이 가능해 열에 약한 다른 재료들과의 조합이 어려웠고요.

또 용액을 이용해 만든 기존 고분자 소재 절연막은 표면장력에 의한 뭉침 현상으로 균일도에 한계가 따르고, 잔류 불순물로 인해 절연 특성도 좋지 못한 경우가 많았습니다.

연구팀은기체 상태의 반응물을 이용해 고분자를 박막 형태로 합성하는 방법인 iCVD를 사용, 이 같은 문제를 극복했는데요.

연구 결과 액체 대신 기체 상태의 반응물을 이용해 균일도를 높이고 불순물을 최소화해, 10 이하의 얇은 두께에서도 무기물 기반 소재에 필적하는 절연성을 갖는 것으로 확인됐습니다.

연구진이 개발한 고분자 절연막을 이용하여 제작한 대면적, 고유연성 전자소자 (좌측)와 떼었다 붙였다 할 수 있는 전자소자 (우측) 이미지.연구진이 개발한 고분자 절연막을 이용하여 제작한 대면적, 고유연성 전자소자 (좌측)와 떼었다 붙였다 할 수 있는 전자소자 (우측) 이미지.

이에 따라 연구팀은 개발한 절연막을 유기반도체, 그래핀, 산화물반도체 등 차세대 반도체 기반 트랜지스터에도 적용, 우수한 이동도를 갖는 저전압 트랜지스터를 개발하는데 성공했습니다.

이를 바탕으로 연구팀은 우수한 유연성을 바탕으로 스티커 필름 형태의 전자 소자를 시연하는 데 성공했고, 또 동국대 노용영 교수팀과 협력해 iCVD 고분자 절연막이 대면적 유연 전자소자 기술에 적용할 수 있음도 확인했습니다.

이번 기술은 향후 다양한 미래형 전자기기 제작에 핵심 요소소재로 활용돼 기술경쟁력 우위 확보에도 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구 결과는 재료분야 국제 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’ 3월 10일자 온라인 속보판에 게재됐습니다.

 

 용 어 설 명

개시제를 이용한 화학 기상 증착(Initiated chemical vapour deposition, iCVD)
단량체 (monomer)와 개시제 (initiator)를 기화하여 저진공의 반응기 안에 주입하고, 주입된 개시제를 열에너지로 활성화시켜 고분자를 필름 형태로 합성하는 방법. 기존의 고분자 합성 방식과는 달리, 용매 (solvent)나 첨가제 (additive)를 필요로 하지 않기 때문에 높은 순도를 가지는 고분자를 쉽게 합성할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또 낮은 공정 온도로 인하여 종이와 같은 화학적, 물리적 자극에 약한 물질 위에도 고분자를 도포할 수 있다.

절연막(insulator)
도체, 반도체와 달리 전자 또는 정공의 흐름을 막아 주는 역할을 하는 물질. 절연막은 소자 내부에서 가장 넓은 면적을 차지하면서도, 두께에 따라 그 절연 성능이 민감하게 변하는 특징이 있기 때문에 전자소자용 재료 중에서도 핵심 요소이다.

트랜지스터(Transistor) & 전계효과트랜지스터(Field effect transistor, FET)
트랜지스터는 전류의 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자로, IC 칩, 디스플레이와 같은 전자 기기의 핵심 구성 요소가 되는 중요한 소자이다. 트랜지스터는 구동 원리에 따라 다양한 종류로 나뉘는데, 이 중 전계효과트랜지스터 (FET)는 통상적으로 게이트, 소스, 드레인 전극과 반도체 (semiconductor), 절연막 (insulator)로 구성되며, 게이트 (gate) 전극에 전압을 걸어 반도체층 사이에 전자 (electron) 또는 정공 (hole)이 흐를 수 있도록 하는 원리로 전류를 제어하는 트랜지스터이다. FET의 저전력화를 위해서는 절연특성이 유지되는 한 절연막의 두께를 최대한 낮추는 것이 유리하다. 
 

임성갑 교수 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KAIST 생명화학공학과
 ○ e-mail : sgim@kaist.ac.kr

2. 학력
  1997: 서울대학교 (학사: 화학공학과)   
  1999: 서울대학교 (석사: 화학과학과)  
  2009: MIT (박사: 화학공학과)  
 
3. 경력사항
  1999 - 2002: LG화학 기술연구원 
  2002 - 2004: LG Display 연구소
  2009 - 2010: Harvard Medical school, postdoctoral fellow
  2010 - 현재: KAIST, 부교수

유승협 교수 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KAIST 전기 및 전자공학과
 ○ syoo_ee@kaist.ac.kr, http://ioel.kaist.ac.kr

2. 학    력
 ○ 서울대학교 물리학과, 학사, 1996 
 ○ 서울대학교, 물리학과, 석사, 1998
 ○ University of Arizona, 광과학부, 박사, 2005
 
3. 경력사항
○ 2006 ~ 현재 KAIST 전기 및 전자공학과 부교수
○ 2011 ~ 현재 삼성디스플레이-KAIST 디스플레이 연구센터장
○ 2011 ~ 2012 독일 University of Technology Dresden, 방문교수
○ 2005 ~ 2006 미국 Georgia Institute of Technology, 박사후 연구원

조병진 교수 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : KAIST 전기 및 전자공학과
 ○ e-mail : elebjcho81@kaist.ac.kr

2. 학력
  1985: 고려대학교 (학사: 전기전자공학과)   
  1987: KAIST (석사: 전기 및 전자공학과)  
  1991: KAIST (박사: 전기 및 전자공학과)  
 
3. 경력사항
  1991 - 1993: IMEC, Research Fellow  
  1993 - 1997: Hyundai Electronics Ind. Co., Section Manager
  1997 - 2007: National University of Singapore, 교수
  2007 - 현재: KAIST, 교수

posted by 글쓴이 과학이야기

선박이나 항공기의 금속에 충격이 누적돼 발생하는 피로파괴는 육안으로는 확인하는 것이 불가능에 가깝기 때문에 비파괴검사기법이 주로 사용됩니다.

최근 비파괴진단법은 항공기나 선박의 크랙 탐지는 물론 반도체 기판의 결함 탐지 등으로 응용범위가 확대되고 있는데요.

하지만, 현재 비파괴진단 기술은 보다 선명한 화질 개선과 함께 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 요구되고 있습니다.

이런 비파괴진단 검사의 근본적인 요구사항을 해결하기 위해서는 기존 자연계 물질이 갖지 못하는 고 굴절률 및 고 임피던스를 갖는 음향메타물질을 구현해 음향신호가 감쇠되는 문제를 해결하고, 또 이를 뒷받침할 고성능 음향 송·수신 기술을 개발해야 합니다.

외부 전력 없이도 음향신호 10배 증폭하는 기술

한국기계연구원 나노자연모사연구실 송경준 박사와 허신 박사는 부경대 기계공학과 김제도 교수와 공동으로 전원 없이 음향신호를 최대 10배까지 증폭할 수 있는 기술이 개발해 주목받고 있습니다.

고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물


공동 연구팀이 개발한 기술은 지그재그 형태의 인공구조물을 통해 음파의 경로를 제어함으로써,이 구조물을 통과하는 음향 신호를 증폭하는 것이 핵심인데요.

이를 응용할 경우 초음파, 의료기기, 비파괴검사 등 다양한 분야에서 획기적인 발전이 있을 것으로 전망됩니다.

연구팀은 작은 소리의 파장보다도작은 초소형 인공구조물을 지그재그 형상으로 설계하고, 외부 음파 신호가 이 구조물을 통해 센서에 전달되도록 했는데요.

이 경우 구조물을 통과하는 음파의 진행 경로가 증가돼 기존 공기나 물 등 신호를 전달하는 자연계 매질이 갖지 못하는 고 굴절률(Refractive Index)과 고 임피던스(Impedance)의 특성이 나타나는 것을 확인했습니다.

음향 증폭 구조물 실험 장치음향 증폭 구조물 실험 장치

고 굴절률과 고 임피던스를 동시에 구현하면 음파의 진행속도를 줄여 소리를 작은 공간에 집중시킬 수 있기 때문에 음압(Sound Pressure Level) 증폭이 가능해지 것에 주목한 연구팀은 별도의 전원 없이 인공구조물만 활용해 음압을 증가시켜 기존의 음향 시스템의 송·수신 감도를 10배 향상시키고, 기존에 감지가 불가능하였던 미세한 신호까지 감지하는 데 성공했습니다.

또 인공구조물의 형상을 변화시키는 방법으로 신호의 증폭률과 공진주파수도 자유자재로 조절할 수 있게 됐고요.

인공구조물이 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작되기 때문에 초음파 등 파장이 극히 짧은 송수신 시스템에는 기기장치의 초소형화도 가능해졌습니다.

이번 연구는 송수신 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작돼 기존 음향기술인 헬름홀츠 공명기가 가졌던 크기의 한계를 소리의 파장보다 작은 구조물로 구현한 것에 큰 의미가 있고요.

이는 향후 초음파, 의료기기, 비파괴검사를 비롯해 플랜트 안전진단 분야, 수중통신 분야 등에도 폭 넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’  2014년 12월 11일 게재됐습니다.
   ※ 논문명 : Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity. 

 용 어 설 명

임피던스(Impedance)
음파전달 매질의 고유한 물성으로 매질 내의 속도와 음압 사이의 비율

헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)
공명현상을 이용해 복잡한 음(音) 가운데서 특정한 음을 증폭시키는 장치

 

연 구  개 요

Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity
Kyungjun Song, Kiwon Kim, Shin Hur,Jun-Hyuk Kwak, Jihyun Park, Jong Rak Yoon & Jedo Kim


1. 연구배경

비파괴 검사를 적용한 IT 및 정밀 기계 생산 분야에서 초음파 이미징 기술은 결함 탐지에 이용된다.

이를 통해 항공기, 선박 등 크랙 탐지에 사용되었고 최근에는 반도체 기판 결함 탐지 등 응용범위가 확대되고 있다.

그러나 현재 비파괴 진단 기술의 문제점은 화질 개선이 필요하고 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 관건이다.

이러한 비파괴 검사의 근본적인 기술적 문제를 해결하기 위해서 본  연구에서는 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高 굴절률 및 高 임피던스를 가지는 음향메타물질 구현을 통해 음향 신호 감쇠 문제를 해결하고 이를 통해 고성능 음향 송·수신 기술에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구는 최근 2014년 3월에 Scientific reports 논문 게재된 음향 메타물질 송신기술 (Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity)의 후속 연구로써, 동일한 구조체를 이용하여 음향 신호를 송신 감도 뿐만 아니라 수신 감도를 10배 이상의 이득을 얻을 수 있는 음향메타물질 원천기술에 대한 연구를 수행하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 알루미늄 재질로 만들어진 지그재그 형상 인공 구조체를 정교하게 설계하여 작동할 수 있는 초소형 음향 증폭 메타물질을 만들었다.

지그재그 형상을 사용한 이유는 음파의 경로를 증가시켜 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高굴절률과 高임피던스를 구현이 가능하기 때문이다.

음향 증폭률과 공진주파수도 메타물질 형상변화를 통해 자유자재로 조절되기 때문에 원하는 주파수에서 작동할 수 있는 음향증폭기가 설계가 가능하다.

예를 들어 실험적으로 메타물질을 이용하여 13dB 이상 음향 신호 증폭을 측정하였고, 이론적으로는 20dB 신호 이득도 가능함을 알 수 있었다.

본 구조체의 지그재그 형상은 高 굴절률을 기반으로 하기 때문에 현재 널리 사용되고 있는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)보다 매우 작게 설계가 가능하며 이로 인해 디바이스 초소형화가 가능하다.  

(a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석 (e-f) 음향 증폭 시뮬레이션(공진주파수)


또한 연구진은 음향 증폭률이 공기에 국한되지 않고 수중에서도 음향 신호의 증폭을 증명하기 위해 수조 내에서 음향파가 발생 및 측정 하였으며 이를 통해 2배 이상의 음향 신호의 증폭을 확인하였다.

이 실험은 수중에서의 수많은 반사파에 의한 간섭현상을 극복하여 어디에서든지 음파를 이용한 수중통신을 가능하게 할 수 있는 핵심 기술이 될 수 있음을 보였다. 

(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석


3. 기대효과
 

본 연구는 무전원 음향 증폭 디바이스 소형화뿐만 아니라 좋은 신호를 얻을 수 있는 음향 증폭 원천기술로써, 이를 통해 초음파 비파괴검사, 의료 이미징, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting), 수중 통신 등의 다양한 응용분야에 크게 활용될 수 있다.

특히 초음파 비파괴 진단의 압전소자의 센싱 및 액츄에이팅 성능 향상을 통해 구체적으로 고속화 진단이 요구되는 항공기 부품 등의 크랙 탐지, 반도체 기판 결함 탐지에 활용 가능하다.

 

1문 1답

이번 성과가 기존과 다른 점은?(기존 기술과 차이 비교)

이번에 개발된 무전원 음향 증폭 메타물질은 기존의 음향 헬름홀츠 공명기보다 훨씬 작은 구조물을 이용하기 때문에 디바이스 초소형화가 가능하고, 10배 이상의 높은 증폭률을 얻을 수 있다.

어디에 쓸 수 있나?(활용 분야 및 제품)

무전원 음향 증폭이 필요한 고해상도 비파괴 초음파 진단, 고감도 수중통신, 고성능 음향 센서 등에 적용할 수 있다.

실용화를 위한 과제는?

초음파 영역에 적용하기 위해서는 마이크로미터 크기의 메타물질 구조체를 대면적으로 저렴하게 제작 할 수 있는 나노공정 기술과의 융합연구와 시작품 구현 및 성능평가 관련 연구가 필요하다.

실용화 가능 시기는?

현재 실용화 응용 가능성을 실험실 수준에서 규명한 상태이며, 대면적 제조 및 실용화 연구가 수행되면 고해상도 비파괴 초음파 진단 분야에서 향후 응용이 가능할 것으로 기대된다.

산업적, 경제적 파급효과는?

음향 엑츄에이팅/센싱의 원천기술과 밀접하게 연관된 플랜트 안전진단 및 수중 피탐지 구조체 관련 시장 규모는 2025년에 각 142억불, 176억불로 예상되고 있으며, 해당 기술개발 성과를 활용하면 관련 시장의 상당부분을 선점하고 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

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posted by 글쓴이 과학이야기
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