우리얘기

지금까지 세계의 연구자들은 나노구조체의 기계적 물성을 평가할 수 있는 방법을 찾기 위해 다각도로 연구했지만, 물성 값 도출에 큰 오차를 보이면서 결과의 해석에 큰 이견을 나타냈습니다.

박원일 교수

장재일 교수

<실리콘(Si) 나노선(nanowire)의 기계적 물성 분석 절차>

(a) (왼쪽부터) 원자힘현미경 굽힘 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지(b) (오른쪽부터)나노압입 시험을 위해 준비한 나노선 모습, 시험모식도 및 시험 후 원자힘현미경 이미지.

또 지금까지 수행된 연구 중에서 다양한 크기 범위의 나노선에 대해 실험을 수행해 최근 논란이 가열되고 있는 기계적 물성에 미치는 나노선의 크기 효과를 체계적으로 정립했습니다.

<원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험 결과>

(a) 원자힘현미경 굽힘 시험으로부터 얻은 힘(force) - 변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 굽힘 시험에서 사용되는 세 가지 모델을 (a)의 결과에 적용하여 얻은 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 나노선 크기에 따라 체계적으로 비교함.

<나노압입(Nanoindentation) 시험 결과> 

(a) 나노압입 시험으로부터 얻은 하중(load)-변위(displacement) 곡선이며, 삽입된 이미지는 실험 전(위)과 후(아래)의 실리콘 나노선의 모습을 나타냄.(b) 사용된 압입자의 각도의 변화에 따라 나노선 크기에 따른 탄성계수(elastic modulus)와 항복강도(yield strength)를 비교함.

이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)' 1월호에 게재됐습니다.
(논문명 : Exploring Nanomechanical Behavior of Silicon Nanowires: AFM Bending Versus Nanoindentation)

<나노 구조체의 기계적 물성에 미치는 크기 효과 분석>
 

원자힘현미경 굽힘 시험을 이용하여 얻은 결과들을 기존 연구들과 비교하고 나노선의 크기 변화에 따른 탄성계수(왼쪽)와 항복강도(오른쪽)의 변화를 체계적으로 분석함.

 용   어   설   명

나노구조체
: 나노미터(10억분의 1m) 크기를 가지는 구조체를 가리키며, 대표적으로 0차원 나노구조체인 양자점(quantum dot), 1차원 나노구조체인 나노선(nanowire), 2차원 나노구조체인 그래핀(graphene)  등이 여기에 포함됨. 

나노구조체의 기계적 물성
: 나노구조체가 외부로부터 힘을 받았을 때 나타나는 거동 및 성질을 의미하며, 강도와 탄성 등이 이에 해당됨.

나노소자
: 나노 크기를 가지는 소재 및 구조체를 이용하고 나노기술을 통해 만든 미세  기능성 장치를 말함. 

나노선
: 일차원 나노구조체로서 단면의 지름이 수 나노미터~수십 나노미터 정도의 크기를 가지는 극미세선으로 이것을 만드는 기술은 세계를 변화시킬 신기술 가운데 하나로 꼽히며, 트랜지스터, 논리회로, 메모리, 화학감지용 센서(감지기), 레이저, 에너지 재생/저장 등 다양한 분야에 쓰임.

나노선의 크기효과
: 모든 재료는 나노크기로 작아질 때 물리적, 화학적 성질이 변하게 되는데, 기계적 물성(강도, 탄성 등) 또한 일반적인 크기의 경우와 완전히 다른 성질을 나타내게 됨.

원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope) 굽힘 시험
: 원자간 힘을 이용하여 극미소 소재의 표면 정보를 구체적으로 분석할 수 있는 장비인 원자힘현미경(AFM)에 장착된 캔틸레버(cantilever)를 측면으로 이동시켜 나노선에 힘을 가하고 그때 얻어지는 굽힘의 정도로부터 나노선의 강도를 평가하는 방법임

나노선에 대한 AFM 굽힘 시험 모식도

나노압입(Nanoindentation) 시험
: 압입(indentation)시험을 이용한 소재의 강도(strength)측정 방법 중 하나로 작게는 수 나노미터(nm) 깊이까지 하중을 가하고, 이때 얻어지는 하중-변위 곡선을 해석함으로써 미소영역에 대한 기계적 물성을 쉽고 비파괴적인 방법으로 측정할 수 있음.

나노선에 대한 나노압입시험 모식도

한국연구재단 제2대 이사장에 오세정(57) 서울대학교 물리·천문학부 교수가 20일자로 취임했습니다.

교육과학기술부는 지방대학과 지역 산업체의 산학협력을 촉진하고 지역 현장 맞춤형 우수연구인력을 양성하기 위해 ‘2011년도 지역혁신인력양성사업 시행계획’을 확정 공고했습니다.

이번 사업은 수도권을 제외한 13개 광역시·도 소재 대학과 기업이 공동 기술개발 과제를 수행하는 것으로, 지원금의 50%까지를 참여한 석·박사 연구원의 인건비로 사용할 수 있고, 연구원이 과제에 참여한 기업에 취업하면 월 100만 원씩 최대 1년 간 보조금도 지원됩니다.

올해의 지원규모는 계속과제 141억 원, 신규과제 81억 원 등 총 237억 원으로, 과제별로 연 2억 원 이내에서 최대 3년간 지원됩니다.

올해 시행 계획에는 지역 현장 맞춤형 인력양성을 위한 산학연계의 강화, 융·복합기술 및 BT(생명공학)개발 수요 반영과 안정적 과제수행을 위한 제도개선 등이 포함됐습니다.

또 학부 4학년도 참여할 수 있도록 참여 연구원의 자격요건이 완화되고, 사업비 비목 개선으로 사업비 관리의 자율성이 확대됩니다.

지원 신청은 내달 1일부터 9일까지 헌국연구재단의 홈페이지(www.nrf.re.kr)를 통해 할 수 있고, 앞서 오는 12일부터 17일까지 권역별로 사업설명회가 실시됩니다.

□ 지원대상
 ○ 수도권(서울 인천 경기)을 제외한 13개 광역시도에 소재하고 있는 4년제 대학의 이공계학과와 기업이 공동으로 구성한 이공계 분야 산학협력 인력양성팀

□ 지원규모
 ○ 총 169개 과제 내외(신규 55개 과제 내외, 계속 114개 과제)
 ○ 지원비는 과제당 2억 원 이내로 3년 이내 지원

□ 주요개선 사항

□ 신청 자격 요건
  ○ 서울, 경기, 인천을 제외한 13개 광역시?도 소재 대학의 교수*와 요건을 충족하는 기업이 컨소시엄을 구성해 과제 신청
      * 교수 : 4년제 대학의 이공계 학과 소속 조교수 이상의 전임교원 가     운데 정부과제 '연구참여 제한자'가 아닌자
  ○ 참여기업의 경우 신청일 기준으로 설립된 지 2년이 경과한 법인으로 기업부설연구소가 설치된 신용등급 9등급 이상, 상시근로자 5명 이상 또는 전년도 매출액 3억 원 이상인 기업 
  ○  '산학협력 인력양성팀' 구성 가능 권역 기준(5+2 광역경제권)

  ○ 민간부담금
      - 대기업의 경우 정부출연금 대비 10% 이상, 중소?벤처기업의 경우 5% 이상을 현금으로 투자해야 함

□ 과제 신청 접수
 ○ 신청서 양식 : 한국연구재단 홈페이지(http://www.nrf.re.kr)에서 다운로드
 ○ 전산 접수 : '11.2.1(화) ∼ 2.9(수) 18:00(9일간)
 ○ 우편 또는 방문접수 : '11.2.7(월)∼2.9(수) 18:00(3일간)

□ 문의처
 ○ 한국연구재단 광역지역사업팀 : 042-869-6411, 6415, 6387
 ○ 자세한 내용은 한국연구재단 홈페이지(http://nrf.re.kr) 사업공고 참조

뇌암 중에서도 가장 악성으로 꼽히는 신경교아세포종(Glioblastoma)은 세계보건기구(WHO)에서 정한 4등급 악성 종양으로, 진단 이후 1년도 살지 못하는 치명적인 질병으로, 우리나라 뇌암 환자의 45%를 차지합니다.

특히 암세포의 움직임이 활발하고 침투성도 우수해 전이가 빠르며, 외과적 수술로도 완치할 수 없습니다.

이에 대한 현재 유일한 치료제인 테모다르(Temodar)도 평균수명을 2.5개월 연장하는 수준입니다.

칼슘이 뇌암 세포의 활동과 전이에 매우 중요한 역할을 하는데, 칼슘 분비에 관여하는 수용체는 세포 내 소포체에 존재하는 'IP3R' 단백질입니다.

또한 이 박사는 하루에 커피 2~5잔을 마시면, 뇌암 세포의 전이가 거의 발생하지 않고, 생존율도 2배 증가한다는 사실을 동물(쥐)실험을 통해 입증했습니다.


■ 술이 뇌를 어떻게 망가뜨리나

이창준 박사는 지난해 9월 각종 정신질환의 원인을 밝히는 중요한 단서인 중추신경계의 '지속성 가바(Tonic GABA)' 분비의 근원이 버그만글리아(소뇌의 비신경세포로, 아교세포의 일종) 세포라는 사실을 최초로 규명하여 세계 최고 권위의 과학 전문지인 사이언스(Science)에 게재한 바 있습니다.

중추신경계는 흥분성 신경전달물질과 억제성 신경전달물질이 서로 조화롭게 작용하면서 인체가 정상적인 기능을 수행할 수 있도록 합니다.

이 가운데 주요 억제성 신경전달물질인 가바는 친화력이 높은 가바 수용체와 결합해 이를 활성화시킴으로써 신경계를 억제시키는데, 이것이 흥분성과 억제성의 균형을 유지하는 원리입니다.

그런데 가바 분비에 문제가 생겨 균형이 깨지면, 인체는 불균형과 과도한 흥분으로 인해 간질성 발작, 불면증, 운동성 소실 등의 이상 증상이 나타날 수 있고, 학습, 기억, 운동조절능력 등 인체의 기본적인 기능에도 심각한 문제를 초래할 수 있습니다.

술을 많이 마시면 몸의 중심을 잡기 어렵고 똑바로 걷기 힘든 것도 알코올에 의해 지속성 가바 수용체의 활성이 증가되어 불균형이 초래되었기 때문입니다.

그러나 이러한 중요성에도 불구하고 세계적인 연구자들은 그동안 중추신경계의 지속성 가바 분비 메커니즘을 명확히 밝혀내지 못했습니다.

이 박사의 연구결과는 관련 분야 교과서를 다시 쓰게 할 만큼 획기적인 발견으로, 또 다른 세계 최고 권위의 과학전문지인 네이처(Nature)에서도 이 논문을 해당분야의 주목할 만한 논문으로 소개했습니다.

교육과학기술부와 한국연구재단은 한국과학기술연구원(KIST) 이창준 박사(45)를 2011년도 '이달의 과학기술자상' 첫 번째 수상자로 선정했습니다.


  이창준 박사

▶소속 : 한국과학기술연구원

▶1985.09-1990.06  시카고대학 화학과 학사학위
     The University of Chicago-Chemistry/ B.Sc
▶1992.09-1996.05  콜럼비아대학 신경생리학 석사학위
     Columbia University-Neurophysiology/MS
▶1996.09-2001.05  콜럼비아대학 신경생리학 박사학위
     Columbia University-Neurophysiology/PhD

● 주요업적

- 업적 요약 : 지속성 억제물질의 근원과 음이온 채널(베스트로핀)을 통한 분비 기전을 세계 최초로 규명함으로써 비신경 세포인 아교세포의 새로운 기능을 밝혔습니다.

- 업적의 구체적 내역 : 이창준 박사팀은 지금까지 신경세포만 분비한다고 알려져 왔던 억제성 신호전달물질 가바가 비신경세포인 아교세포에서 분비된다는 사실을 세계 최초로 개발하여 학계뿐만 아니라 과학기술계의 큰 주목을 받고 있으며, 이는 지금까지 주목 받지 못했던 비신경세포의 새로운 기능을 찾아낸 성과로 인간 뇌의 90%를 차지하는 비신경세포가 인간의 뇌 기능에 중요한 기능을 한다는 가능성을 열어놓는 중요한 계기가 되어서 매우 독창적이고 비중 높은 기초순수 과학연구의 열매이며 이러한 연구결과가 뇌의 흥분성과 억제선 신호전달물질의 불균형으로 인한 신경계 질환 및 질병의 치료 가능성을 제시하였기에 생명과학 전반에 미치는 파급 효과가 매우 클 것으로 예상됩니다.

- 학술지 게재, 인용 등 논문관련 : 이 연구내용은 세계 최고 권위의 학술지인 Science지에 2010년 9월 게재되었고 Science지 뿐만 아닌 Nature지에도 11월 특집뉴스 (Special Issue)로 다루어졌습니다.

- 학문적, 경제적 파급효과 :  이번 연구를 통해 지속성 억제물질의 근원과 음이온 채널(베스트로핀)을 통한 분비 기전을 세계 최초로 규명함으로써 비신경세포인 아교세포의 새로운 기능을 밝히고, 불균형으로 인한 신경계 질환 및 질병의 치료 가능성을 제시, 이러한 새로운 사실은 교과서를 다시 쓰는 획기적인 발견으로 벌써 세계 과학계에 많은 여파를 일으키고 있습니다.

보톡스는 클로스트리디움 보툴리눔이라는 미생물이 만드는 신경독으로, 현재까지 알려진 가장 강력한 독 가운데 하나입니다.

보톡스는 미국의 앨러갠이라는 회사가 이 독을 약으로 활용하는 기술을 개발해 상품화하면서 널리 알려졌습니다.

보톡스는 주름 제거 효과가 뛰어나 미용 제품으로 사용되면서 동시에 사시와 눈 주변 근육 경련, 목 근육 장애 등의 치료제로 FDA의 승인을 받았습니다.

또 최근에는 편두통 치료에도 효과적인 것으로 확인되고 있습니다.

이 외에도 보톡스는 사각턱, 요실금, 탈모, 통증 등 다양한 질병을 치료하는데 사용되고 있으며, 현재 보톡스 시장은 16억 달러에 달할 것으로 추정되고 있습니다.

그러나 보톡스는 잘못 사용하면 생명을 위협할 만큼 매우 위험한 물질입니다.

또, 각종 질병을 효과적으로 치료할 수 있지만, 크기가 상당히 커서 정신질환 치료제로는 적합하지 못합니다. 

스네어는 원래 막융합을 이루는데 필수적인 힘을 제공하는 것으로 알려져 있는데, 이 단백질이 절단되면 그 힘을 만들어내지 못하는 것입니다.

즉, 스네어가 절단되면 신경 전달물질이 밖으로 방출되지 못하고, 결과적으로 신경의 지배를 받는 근육도 수축되지 못하게 됩니다.

이처럼 근육이 이완된 상태에서 마비되는 것이 바로 보톡스의 주름 제거 원리입니다.
 

이런 가운데 성균관대 권대혁 교수가 주도하고 KAIST 윤태영 교수와 미국 아이오와주립대 신연균 교수가 참여한 연구팀은 효과는 보톡스와 같지만, 매우 작으면서도(보톡스의 0.001 크기) 먹거나 만져도 인체에 전혀 해롭지 않은 안전한 보톡스 유사물질을 개발했습니다. 

권대혁 교수

신연균 교수

윤태영 교수

a) 저분자 화합물을 막융합 시스템에 처리하면, 시간이 지남에 따라 미리세틴, 델피니딘, 시아니딘을 처리한 군에서 막융합이 억제됨을 확인할 수 있다. b) 이러한 저분자 화합물은 스네어 복합체(SNARE complex) 형성을 저해하며, c) 스네어 복합체 형성 억제 효능과 막융합 억제 사이에 상관관계가 있음을 확인할 수 있다

c) 스네어 지퍼링은 아미노 말단(N-terminal)에서부터 일어나, e) 막융합을 촉진하며 세포 내 칼슘농도가 증가하면 융합 공(fusion pore)이 열리고 신경전달물질이 방출된다. b) 저분자 화합물은 스네어 단백질에 결합할 수 있는 능력을 가지고 있는데, 특히 델피니딘, 시아니딘은 스네어 지퍼링을 형성과정에서부터 억제하고, d) 미리세틴은 지퍼링을 중간에서 정지시킨다. 이들 저분자 화합물은 신경전달물질 방출을 억제한다(빨간 점선).

성균관대 유전공학과 권대혁 교수가 막융합 현상이 제어되는 과정을 형광스펙트럼을 통하여 확인하고 있다.

1. 미리세틴, 델피니딘, 시아니딘(저분자 화합물)
   
식물에 다량 존재하는 폴리페놀 성분들로서, 분자량이 약 300Da에 이르는 아주 작은 저분자 화합물이다.
이들은 일반적으로 항산화 효과를 가지고 있는 것으로 알려져 있으나, 이번 연구에서는 이들이 단백질의 소수성 부위에 결합하는 성질을 이용, 스네어 단백질 복합체의 형성을 조절하는 기술을 개발했다.

2. 스네어 (SNARE)

스네어 단백질은 모든 고등생물체의 세포내에 존재하는 단백질 패밀리로서, 이들의 역할은 세포 내의 막융합을 매개하는 것으로 알려져 있다.
뉴런에서 신경전달물질의 방출은 신탁신1(syntaxin 1), 스냅25(SNAP25), 뱀프2(VAMP2)라고 하는 3종류의 단백질이 담당한다고 알려져 있다.
스네어 복합체라고 하는 알파 헬릭스 다발을 만들면서 신경 전달물질을 담고 있는 막주머니(synaptic vesicle)와 시냅스 말단의 세포막과 융합을 유도한다.


3. 막융합 (membrane fusion)
   
신경전달물질은 시냅스의 말단에 존재하는 주머니처럼 생긴 막(synaptic vesicle) 안에 포집되어 있는데, 신경전달물질이 방출되어 다음 뉴런에 자극을 주어야만 신경이 전달될 수 있다.
신경전달물질이 시냅스 말단에서 방출되기 위해서는 막주머니와 세포막의 융합되면서 생겨나는 구멍(fusion pore)이 생성되어야 하는데, 이러한 과정에서 스네어 단백질이 막융합의 힘을 제공하고 시냅토태그민(synaptotagmin)과 같은 단백질들이 그 시기와 정도를 조절하는 것으로 알려져 있다.
막융합 현상은 신경세포에서만 일어나는 것이 아니라 막과 막 사이의 물질 전달에는 항상 이용되는 생명체의 공통적인 현상이다. 서로 다른 종류의 막융합에는 서로 다른 종류의 스네어 단백질들이 관여하는 것으로 알려져 있다.
 한편, 바이러스가 숙주세포를 침투할 때에도 막융합 현상이 일어나며, 세포와 세포가 막융합을 할 때에도 막융합 현상이 필요한 것으로 알려져 있는데, 이러한 막융합에는 스네어가 아닌 다른 종류의 단백질들이 관여하는 것으로 알려지고 있다.

교육과학기술부와 한국연구재단은 2010년 ‘올해의 여성과학기술자상’에 한국표준과학연구원 신용현(49세) 책임연구원과 세종대 김성은(43세) 교수, 경희대학교 김지영(61) 교수 등 3명을 선정했습니다.

신용현 표준연 책임연구원

김성은 세종대 교수

김지영 경희대 교수

표준연 신 책임연구원은 진공기술 분야 국내 일인자로, 지난 25년 간 진공연구에 매진해 국내 진공연구 수준을 세계적 최고로 끌어 올렸고, 특히 반도체 제조와 나노기술, 우주항공 산업에 두루 활용되는 진공과 미세 누출 측정을 위한 표준 기술을 개발했습니다.

또 이에 대한 기술데이터를 산학연에 보급해 국내 생산 기술력 향상과 장비 부품 국산화에 크게 기여했습니다.

세종대 김 교수는 세계 최초로 우리 은하와 이웃하는 마젤란 은하 전체의 원자가스 분포를 고해상도로 관측하고, 성간물질의 특성과 별 생성 연구에 크게 이바지해 우리나라 과학기술의 위상을 높였습니다.

경희대 김 교수는 차세대 인재 교육과 우리나라 여성과학기술인의 위상을 제고하는데 중추적인 역할을 담당한 점을 인정받았습니다.

‘3차원 적층형 비휘발성 유기물 저항 변화 메모리 소자’가 국내 연구진에 의해 개발되었습니다.

3차원 적층형 유기 메모리 소자 모식도

유기 소재를 이용한 메모리 소자로서, 제조 가격이 저렴하고 제작 기술이 간단하며 또한 저온 공정과 구부러지는 플라스틱(flexible plastic) 제품에 적용할 수 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있습니다.

비휘발성 유기 저항 변화형 메모리의 대표적인 전류-전압 (I-V) 곡선.(a)-(c) 1, 2, 3 층에서 선택된 메모리 셀에서의 대표적인 전류-전압(I-V) 곡선. 내부 그림의 빨간색은 각 층에서의 메모리 셀 위치를 나타냄.

상하부 전극사이의 유기 소재가 인가된 전압에 따라 서로 다른 두 가지의 저항상태인 고 저항 상태(High resistance state)와 저 저항 상태(Low resistance state)를 가지고, 이러한 저항 상태가 외부의 전원 없이 유지되기 때문에 차세대 비휘발성 메모리 소자의 하나로 각광받고 있습니다.

 그러나 유기물을 소재로 한 비휘발성 메모리 소자를 3차원 적층으로 공정하면, 위층 유기물 용매가 아래층으로 혼합되어 층간을 구분할 수 없어지기 때문에 고집적 적층 유기 메모리 소자를 개발하는 데에는 한계가 있었습니다.
 

이를 광주과학기술원 이탁희 교수팀이 기존의 무기물을 활용한 방법보다 공정이 간단하고 비용도 저렴한 차세대 고집적 반도체 메모리 소자를 개발한 것입니다.

이탁희 교수

송성훈 박사과정생

3차원으로 적층된 유기물 저항 변화 메모리 소자의 모식도.(a) 8 ☓ 8 크로스바 형태로 3차원 적층된 유기물 저항 변화 메모리 소자 구조 개념도. 전체 192개의 메모리 셀이(오렌지색) 제작됨. (b) 투과전자현미경을 통해 본 3차원 적층 구조의 메모리 소자 수직절단면 이미지 (c) 메모리 소자로 사용된 유기물의 분자구조식

8 ☓ 8 어레이 타입의 3차원 적층된 메모리 소자의 통계적 분석.(a) 3차원으로 적층된 메모리 삽화(left part) 및 각 층에서 동작하는 메모리 셀(빨간색)과 동작하지 않는 메모리 셀(검정색) 분포도 (right part)(b) 160개의 동작하는 메모리 셀을 바탕으로 on state 와 off state 전류값의 분포 분석 (c) 메모리 동작을 위한 각 층의 문턱전압의 분포 비교

이번 연구결과는 재료공학분야에서 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 제22권 제44호(2010년 11월 24일) 표지논문에 게재됐습니다.

이탁희 교수팀은 최근 2년간 하이브리드 유기 메모리 소자와 휘어지는 유기 메모리 소자 연구로, 이 학술지에 무려 네 차례나 표지논문으로 선정되는 영예를 얻었습니다.

3차원으로 적층된 각 층의 메모리 성능 평가 및 비교(a) 쓰기-읽기-지우기-읽기(Write-Read-Erase-Read) cycle 테스트. 펄스(Pulse) 형태의 전압을 연속적으로 인가하였을 때, 그에 대응하는 On/Off의 전류값 반복 사이클 곡선(b) 각 층의 메모리 셀의 DC 전압에 의한 메모리 내구성(c) 각 층의 메모리 셀의 시간에 따른 비휘발성 정보유지 능력