우리얘기

4. 전문 분야 정보

수상실적
- 서울대 자연과학 연구상 (2010)
- 교육과학기술부/과학재단 이달의 과학자상 (2004)
- Best Poster Award, Drug Discovery Technology (2001)

<대표 연구논문>
 
1) Kim HJ, Kweon J. et al. and Kim JS (2011) Targeted Chromosomal Duplications and Inversions in the Human Genome Using Zinc Finger Nucleases. Genome Research, in press.
2) Kim H et al. and Kim JS (2011) Surrogate reporters for enrichment of cells with nuclease-induced mutations. Nature Methods 8, 941-943. (Featured in News of the Week, Chemical & Engineering News 89, 11.)
3) Kim S et al. and Kim JS (2011) Preassembled zinc-finger arrays for rapid construction of ZFNs. Nature Methods 8, 7. (Featured in News and Views, Nature Methods 8, 53.)
4)Kim JS, Lee HJ, Carroll D (2010) Genome editing with modularly assembled zinc finger nucleases. Nature Methods 7, 91.
5) Lee HJ, Kim E and Kim JS (2010) Site-specific DNA excision via engineered zinc finger nucleases. Trends Biotechnol. 28, 445-446.
6) Lee HJ, Kim E and Kim JS (2010) Targeted chromosomal deletions in human cells using zinc finger nucleases. Genome Res. 20, 81-89.
7) Kim HJ, Lee HJ, Kim H, Cho SW and Kim JS (2009) Targeted genome editing with zinc finger nucleases constructed via modular assembly. Genome Res. 19, 1279-1288.
8) Bae, KH et al. and Kim JS (2003) Human zinc fingers as building blocks in the construction of artificial transcription factors. Nature Biotechnol. 21, 275-280. (Featured in News and Views, Nature Biotechnol. 21, 242.)
9) Park, KS et al. and Kim JS (2003) Phenotypic alteration of eukaryotic cells using randomized libraries of artificial transcription factors. Nature Biotechnol. 21, 1208-1214.

○ 유전자가위 기술의 다양한 생명공학 및 관련분야에 응용에 큰 도움
-유전자가위 기술의 다양한 생명공학 및 산업분야에 있어서의 효용에 비해 접근성 및 긴 개발 기간의 제약으로 널리 사용 되어오지 못하고 있었음. -이번에 개발된 기술을 이용해 인간 유전자 2 만여 개, 각종 동물, 식물에 존재하는 수만 개의 유전자 각각에 대한 맞춤 유전자가위를 손쉽고 빠르게 만들 수 있게 되었음. -유전자가위는 유전자 및 세포치료제 개발, 농작물, 가축, 어류의 개량 등 다양한 생명공학 분야에 활용될 수 있음.

○ 유전자가위 대량생산 연구결과는 네이처 메쏘드(Nature Methods) 1월호에 게재되었음.

돌연변이 세포 선별법 개발

□ 연구자 : 김진수 교수 (화학부 유전체공학 창의연구단)

□ 공동 연구자 : 김형범 교수 (한양대학교 의생명공학전문대학원)

□ 내  용 :

   국내 연구진이 유전자가위를 이용해 특정 유전자에 돌연변이를 일으킨 동식물 세포를 손쉽게 선별하는 방법을 세계 최초로 개발했다. 유전자가위는 줄기세포를 비롯한 동식물 세포에 맞춤형 돌연변이를 도입하는데 사용되는 인공 DNA절단효소로서 생명공학의 새로운 도구로 주목 받고 있으나 유전자가위를 사용해 만든 돌연변이 세포와 정상 세포를 구별할 수 없기 때문에 폭 넓은 활용에 제약이 있었다. 서울대 화학부 김진수 교수팀과 한양대 김형범 교수팀은 형광단백질 유전자를 리포터로 활용해서 세포 내 정해진 유전자에 돌연변이가 일어난 세포들을 선별해 내는 방법을 개발했다. 즉 돌연변이를 도입하여 형광단백질이 발현하지 않도록 고안된 대리 유전자와 유전자가위를 동시에 세포에 도입하면 일부 세포에서 유전자가위의 작용으로 돌연변이가 고쳐져서 형광단백질이 발현되는데 이들 세포를 분리하면 세포 내 유전자에도 높은 효율로 돌연변이가 도입되어 있음을 확인하였다(참고사항 그림 참조). 김진수 교수에 의하면 이 방법은 유전자가위를 이용한 유전자치료의 효율을 획기적으로 개선할 수 있으며 줄기세포를 비롯한 모든 동식물 세포에 맞춤형 돌연변이를 도입할 수 있다고 한다. 이 연구결과는 생명공학 분야의 권위 있는 학술지 Nature Methods(저널 임팩트 팩터, 20.7)에 게재되었다.
   유전자가위 기술은 세포 안에 존재하는 유전자를 대상으로 특정 위치만을 인식해 절단함으로써 유전자를 교정하거나 제거하는 새로운 방법으로, 시험관에서 DNA 단편을 조작하는 데 국한되는 기존 유전공학 기술의 단점과 제약을 획기적으로 보완, 극복하는 생명공학 신기술이다. 김형범 교수에 의하면 유전자가위 기술은 에이즈와 같은 바이러스 질환과 여러 유전질환에 활용할 수 있으며 특히 줄기세포를 이용한 세포치료제 개발에 크게 기여할 것이라고 한다.

□ 참고 사항

1. 돌연변이 선별법 개념도

염료감응형 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비교하여 높은 광전환 효율을 보일 뿐 아니라, 상대적으로 제작이 간단하며, 경제적인 차세대 태양전지이다.
염료감응형 태양전지의 효율향상 및 상용화를 촉진하기 위한 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 대표적으로는 1) 가시광 영역뿐만 아니라 적외선 영역을 포함한 전 파장대의 빛을 흡수할 수 있는 염료; 2) 염료의 흡착 및 전자의 주입을 최대화하기 위한 산화물 반도체(특히, 이산화티타늄(TiO2))의 구조 제어; 3) 안정적이고 효과적인 환원을 유도하는 산화-환원 전해질; 4) 고가의 백금 전극을 대체하기 위한 연구 등이 활발하게 이루어지고 있다.
최근에는 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 금 또는 은과 같은 금속 나노입자, 광결정(photonic crystal)과 같이 주기구조를 갖는 물질 및 탄소 소재와 같은 새로운 물질을 첨가하는 형태의 연구가 주목을 받고 있다. 특히, 높은 전기전도도(electrical conductivity)를 갖는 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 탄소나노섬유(carbon nanofibers) 및 그래핀(graphene)과 같은 다양한 탄소소재를 태양전지에 도입하게 되면, 전자의 이동(transport) 및 수집(collection)을 용이하게 함으로써 태양전지 효율 향상에 도움을 줄 수 있기 때문에, 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 아직까지는 탄소소재와 이산화티타늄(TiO2) 계면에서의 전자의 이동 및 수집에 대한 영향을 분명하게 이해하고, 보고한 연구는 미비하다. 

본 연구팀은 탄소/TiO2 하이브리드 박막(hybrid thin film)을 이중블록공중합체(diblock copolymer)를 이용하여 제조하였고, 이를 염료감응형 태양전지의 광전극에 도입하여 효율 향상을 유도하였으며, 그 기구를 제시하였다.

a) 이중블록공중합체(PS-b-P4VP)를 이용한 탄소/TiO2 하이브리드 박막 제조의 모식도; b) 탄소/TiO2 하이브리드 박막이 도입된 염료감응형 태양전지의 모식도

탄소질 생성을 위하여 별도의 전구체나 활성화 촉매를 사용하지 않고도, 자기조립 이중블록공중합체의 자외선 조사를 통한 안정화(UV stabilization) 및 열처리를 통한 직접 탄소화(direct carbonization)를 통해 용이하고 경제적으로 탄소질의 박막을 제조할 수 있으며, 이중블록공중합체의 한 블록에만 특정 무기물이 특이적으로 결합할 수 있는 특성을 이용하여 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 제조할 수 있었다.(그림 a)

이중블록공중합체의 안정화 및 직접 탄소화에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 염료감응형 태양전지의 구성요소인 광전극에 도입하여(그림 1,b), 염료 감응형 태양전지의 광전환 효율을 최대 40%까지 향상시키는데 성공하였다(그림2). 

전류밀도-전압(photocurren-voltage) 그래프

본 연구에서 제안된 탄소/TiO2 하이브리드 박막의 제조기법은 이중블록공중합체를 이용한 용이하고 경제적인 기법이며, 이중블록공중합체의 자기조립 성질을 조절하면 다양한 구조 및 조성을 갖는 하이브리드 나노구조체를 제조할 수 있다.
특히, 하이브리드 탄소나노소재의 제조기술은 염료감응형 태양전지의 광전극 뿐 아니라, 연료전지 및 배터리의 핵심 구성요소인 전극소재 및 친환경 가시광 활성 촉매 분야 등에 광범위하게 적용이 가능할 것으로 기대된다. 

<김동하 교수> 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 이화여자대학교 화학나노과학과

2. 학력
  ○ 1991 : 서울대학교 학사 (섬유공학)
  ○ 1996 : 서울대학교 석사 (섬유고분자공학)
  ○ 2000 : 서울대학교 박사 (섬유고분자공학)
 
3. 경력사항
○ 2000 ~ 2003 : 미국 메사츄세츠 대학 고분자공학과, Post-Doctor.
○ 2003 ~ 2005 : 독일 막스플랑크 고분자 연구소, Post-Doctor.
○ 2005 ~ 2006 : 삼성전자 반도체 총괄 메모리 사업부, 책임연구원
○ 2006 ~ 2009 : 이화여자대학교 화학나노과학과, 조교수
○ 2010 ~ 현재 : 이화여자대학교 화학나노과학과, 부교수

4. 주요연구업적
1. Yu Jin Jang,‡Yoon Hee Jang,‡Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Carbon/Metal Nanotubes with Tailored Order and Configuration by Direct Carbonization of Inverse Block Copolymer Micelles Inside Nanoporous Alumina", Chem. Commun. 2012, 48(4), 507-509. Back cover article
2. Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Yoon Hee Jang, Won Jun Lee, Min-Ah Cha, Hae-Young Shin, Seok Hyun Yoon, Sang Soo Lee, Sang Ouk Kim, Kwanwoo Shin, Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Visible-Light Active Nanohybrid TiO2/Carbon Photocatalysts with Programmed Morphology by Direct Carbonization of Block Copolymer Templates", Green Chem. 2011, 13(12), 3397-3405.
3. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Martin Steinhart, Dong Ha Kim,* "The fabrication of graphitic thin films with highly dispersed noble metal nanoparticles by direct carbonization of block copolymer inverse micelle templates", Carbon 2011, 49(6), 2120-2126.
4. Dongxiang Li, Yu Jin Jang, Ji-Eun Lee, Jieun Lee, Saji Thomas Kochuveedu, Dong Ha Kim,* "Grafting Poly(4-vinylpyridine) onto Gold Nanorods toward Functional Plasmonic Core-Shell Nanostructures", J. Mater. Chem. 2011, 21(41), 16453-16460. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2011, 24(17)
5. Ji Yong Lee, Jieun Lee, Yu Jin Jang, Juyon Lee, Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Cheolmin Park, Dong Ha Kim,* "Controlling the Composition of Plasmonic Nanoparticle Arrays via Galvanic Displacement Reaction on Block Copolymer Nanotemplates", Chem. Commun. 2011, 47(6), 1782-1784. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2011, 23(6), February 14
6. Yoon Hee Jang, Seung Yoon Yang, Yu Jin Jang, Cheolmin Park, Jin Kon Kim, Dong Ha Kim,* "Ultra-high Density Arrays of Toroidal ZnO Nanostructures by One-Step Cooperative Self-Assembly Processes: Mechanism of Structural Evolution and Hybridization with Au Nanoparticles", Chem-Eur. J. 2011, 17(7), 2068-2076. Frontispiece article
7. Yu Jin Jang, Dong Ha Kim,* "One-Step and Self-Assembly Based Fabrication of Pt/TiO2 Nanohybrid Photocatalysts with Programmed Nanopatterns", Chem-Eur. J. 2011, 17(2), 540-545.
8. Ji Yong Lee, Jieun Lee, Yu Jin Jang, Juyon Lee, Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Sang Soo Lee, Dong Ha Kim,* "Plasmonic nano-necklace arrays via reconstruction of diblock copolymer inverse micelle nanotemplates", Soft Matter 2011, 7(1), 57-60. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2010, 22(26), December 20
9. Yong Wang,* Michael Becker, Li Wang, Jinquan Liu, Roland Scholz, Juan Peng, Ulrich G?sele, Silke Christiansen, Dong Ha Kim,* Martin Steinhart,* "Nanostructured Gold Films for SERS by Block Copolymer-Templated Galvanic Displacement Reactions", Nano Lett. 2009, 9(6), 2384-2389.
10. King Hang Aaron Lau, Joona Bang, Dong Ha Kim,* Wolfgang Knoll,* "Self-Assembly Based Protein Nanoarrays on Block Copolymer Templates", Adv. Funct. Mater. 2008, 18(20), 3148-3157.

<장윤희 박사과정생> 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 이화여자대학교 화학나노과학과
 
2. 학력
  ○ 2008 : 국민대학교 학사 (화학)
  ○ 2010 : 이화여자대학교 석사 (나노소재과학)
  ○ 2010~ 현재 : 이화여자대학교 박사과정 (나노소재과학)
 
3. 주요연구내용
1. Yu Jin Jang,‡Yoon Hee Jang,‡Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Carbon/Metal Nanotubes with Tailored Order and Configuration by Direct Carbonization of Inverse Block Copolymer Micelles Inside Nanoporous Alumina", Chem. Commun. 2012, 48(4), 507-509. Back cover article
2. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Martin Steinhart, Dong Ha Kim,* "The fabrication of graphitic thin films with highly dispersed noble metal nanoparticles by direct carbonization of block copolymer inverse micelle templates", Carbon 2011, 49(6), 2120-2126.
3. Yoon Hee Jang, Seung Yoon Yang, Yu Jin Jang, Cheolmin Park, Jin Kon Kim, Dong Ha Kim,* "Ultra-high Density Arrays of Toroidal ZnO Nanostructures by One-Step Cooperative Self-Assembly Processes: Mechanism of Structural Evolution and Hybridization with Au Nanoparticles", Chem-Eur. J. 2011, 17(7), 2068-2076. Frontispiece article
4. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Min-Ah Cha, Yu Jin Jang, Ji Yong Lee, Jieun Lee, Juyon Lee, Jooyong Kim, Du Yeol Ryu, Dong Ha Kim,* "Synthesis and Photocatalytic Properties of Hierarchical Metal Nanoparticles/ZnO Thin Films Hetero Nanostructures Assisted by Diblock Copolymer Inverse Micellar Nanotemplates", J. Colloid Interf. Sci. 2010, 345(1), 125-130.

Protecting entanglement from decoherence using weak measurement and quantum measurement reversal (약한 측정과 양자 측정의 되돌림을 이용해 양자 얽힘을 결어긋남으로부터 보호하기)
 
양자 통신, 양자 컴퓨터 등의 양자 정보 기술의 구현을 위해서는 양자계의 결맞음 특성이 보존되어야 한다.
하지만 실제 상황에서는 양자계와 주변 환경과의 필연적인 상호작용에 의해 결어긋남 현상(decoherence)이 발생하여 결맞음 특성이 손상된다.
특히 결어긋남 현상은 양자 정보 기술의 구현에 핵심 요소인 양자 얽힘(quantum entanglement)을 손상하게 된다.
따라서 양자 정보 기술을 실제로 구현하기 위해서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 방법의 개발이 필수적이다.  
본 연구에서는 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀내었다.
이번 연구에서는 양자 역학의 핵심 원리인 일반화된 양자 측정의 개념들인 약한 양자 측정(weak quantum measurement)과 양자측정의 되돌림(quantum measurement reversal)을 이용해 결어긋남 현상을 효과적으로 억제함으로써 양자 얽힘을 결어긋남 현상으로부터 보호하는 새로운 방법을 밝혀내고 실험적으로 검증하였다.
특히 이번 연구를 통해 새로 밝혀낸 방법을 이용하면 결어긋남 현상이 아주 강해서 양자 얽힘이 완전히 사라지는 경우에도 양자 얽힘을 보존할 수 있기 때문에 기존 양자 얽힘 보존 방법의 한계를 뛰어 넘은 것으로 평가받고 있다.
또한 양자 얽힘의 손상을 가져오는 직접적인 원인이며 실험에서 필연적으로 존재하는 결어긋남 현상 자체를 억제했다는 점에서 다양한 응용 가능성이 있을 것으로 예상된다.
이번 연구의 특징은 흔히 양자 얽힘을 손상시키는 것으로 알려진 양자 측정의 개념을 확장하여 오히려 결어긋남 현상으로부터 양자 얽힘을 효율적으로 보호하는데 이용하였다는 점이다.
이 연구 성과는 광자, 원자, 초전도체 등의 다양한 양자계에 적용이 가능하므로 양자 통신 및 양자 컴퓨터 개발에 높은 응용 가능성을 가지고 있다.

<김윤호 교수> 

화석연료인 석유는 매장량이 제한되어 가격이 점차 증가되는  추세이다.
2040년경으로 예상되는 석유고갈 후에는 수소가 에너지원으로 사용될 것으로 예상되어 수소 경제(hydrogen economy)에 대한 관심이 증대되고 있다.
수소는 물을 전기분해하여 생산하고, 생산된 수소는 전기와 비교하여 상대적으로 보관 및 운송이 간편하며, 연료전지를 이용하여 깨끗하게 전기를 생산할 수 있다.
수소를 발생하는데 있어서 전기를 사용하지 않고 매일 쏟아지는 태양광에너지를 이용한다면 이 수소경제의 지속가능성은 더욱 높아지게 될 것이다.

태양에너지로부터 물을 분해(Solar Water Splitting)하는 다양한 방법들 중 반도체가 빛에너지를 흡수하여 직접 물을 분해하는 방식은 단순하면서도 효율적인 수소발생경로로 주목된다.
물에 담겨진 반도체 물질에 빛을 쪼이면 밴드갭에 의해 반도체가 빛을 흡수해 내부의 전자가 더 큰 에너지를 가진 전자로 활성화된다.
활성화된 전자는 물과 반도체의 계면(interface)으로 이동하여 물을 환원시켜 수소를 발생하게 된다.
그러나 반도체가 흡수하는 광에너지의 양이 물을 분해하는데 필요한 에너지보다 작고, 반도체에서 물분해반응속도가 느리며, 반도체 내부 깊숙한 곳에서 발생한 활성화된 전자가 계면으로 이동하는 동안 사라지고, 반도체와 물의 계면에서 빛의 반사가 쉽게 일어나 흡수되는 에너지양이 적은 것들로 인해 수소생산의 낮은 효율이 문제로 지적된다.

해결책으로 마이크로선(microwire) 혹은 나노선(nanowire)의 배열(array)이 주목받고 있는데 1) 크기효과(size effect)로 밴드구조에 변화가 가능하고, 2) 물과 접촉된 면적이 커서 겉보기속도가 빨라지고, 3) 활성화된 전자가 계면으로 이동하는 경로가 짧으며, 4) 빛의 파장과 유사하거나 작은 구조물의 경우 빛의 반사도를 줄일 수 있기 때문이다.

반면 넓은 표면적은 2번의 장점을 주는 좋은 효과와 동시에 발생된 전자의 밀도를 줄여 개방전압(open-circuit voltage)은 줄이는 단점이 동시에 존재하여 나노구조 보다는 마이크로 구조가 적합할 것으로 예상이 되어왔다.

연구팀은 지구상에 많이 존재하는 원소이며 반도체 산업으로 관련기반이 잘 구축되어 있는 실리콘 물질로 나노구조물을 제조하여 이런 문제를 해소하고자 하였다.
일반적인 p형 실리콘 웨이퍼에 금속촉매무전해식각(metal catalytzed electroless etching)을 이용하여 실리콘 나노선을 제조하였다. 금속촉매무전해식각법은 일반적인 리쏘그래피에서 필수적인 마스크(mask)없이 1) 금속이온과 실리콘의 자발적 반응에 의한 용액 중에서의 금속 나노입자 생성과 2) 금속나노입자를 촉매로 활용한 실리콘식각의 2단계로 진행되어 넓은 면적위에 100 nm의 두께와 20 μm의 길이의 실리콘나노선을 쉽고 간편하게 용액 중에서 제조하였다. (Wet chemistry) 위 그림 처럼 제조된 나노선은 실리콘 기판에 수직으로 배열(array)된 구조로 전도성 물질에 따로 고정할 필요가 없이 그대로 전극으로 사용할 수 있다. 제조된 실리콘 나노선의 물분해 반응속도를 빠르게 하기 위하여 백금나노입자를 나노선 위에 제조하여 효율을 높일 수 있었다.

제조된 나노선 배열의 광물분해 효과 중 수소가 발생하는 photocathode 특성을 확인하기 위하여 전기화학적 방법이 사용되었다.
최적화된 pH=1의 물속에서 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)에 대한 순환전압전류법(cyclic voltammetry)을 이용하여 수소발생에 외부에서 가해 주어야 하는 전압을 측정하였다.
이 때 전압을 가해야 환원반응이 생기므로 더 양의(+)전압에서 전류가 흐르는 것으로, 수소발생의 효율을 측정하였다. 
그림의 그래프는 측정된 결과로 일반적인 평판 실리콘에 비교하여 더 양의 전압에서 전류가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
그 원인을 밝히기 위하여 측정을 수행하여 실리콘 나노선이 넓은 표면적을 가지며, 다른 산화환원분자(methyl viologen)에 대해서도 광전압이 큰 것으로 페르미레벨에 변화가 있음을 밝힐 수 있었다.

순환전압전류법(cyclic voltammetry)를 이용하여, (a) 수소발생에 대한 광촉매특성 (b) methyl viologen의 산화환원반응에 대한 광전압특성을 관찰한 결과. (a)의 결과는 전류가 발생하기 시작하는 전압인 onset voltage가 양의 전압을 가져 실리콘 나노선에 의한 광물분해반응중 수소발생이 일반적인 실리콘보다 우월함을 보여주고 있다. 실리콘 나노선이 수소발생에 효율적인 이유 중 하나인 광전압(photovoltage)을 다른 화학반응을 이용하여 측정한 결과 (b) 일반적인 실리콘 보다 큰 광전압이 관찰되었다.

1) 나노구조로 인한 넓은 표면적을 가져, 물분해에 대한 겉보기 속도(apparent kinetics)가 빨라지는 효과가 확인되었다. 한편 넓은 표면적으로 인해 예상되던 낮은 개방전압으로 효율이 떨어질 것으로 예상되었으나, 측정된 개방전압은 더 높아져 효율이 훨씬 높은 광전극으로 작동함을 확인하였다.
2) 전기화학적인 측정을 통해 실리콘 나노선의 밴드구조는 실리콘웨이퍼의 밴드구조와는 차이가 있음을 확인하였다.
3) 빛의 파장보다 짧은 나노구조물로 인해 실리콘/물 계면에서 빛이 반사되는 정도가 확연히 줄어든다.
4) 광물분해(solar water splitting)반응에 대한 광전압이 0.42 V로 지금까지 보고된 실리콘 기반 촉매 중 가장 높은 광전압값을 보여주었다.

실리콘 나노선의 높은 광수소 발생 효율은 넓은 표면적, 크기효과로 인한 에너지구조 변화, 낮은 반사율 등의 나노구조의 특징을 이용하여 청정에너지인 수소의 광반응 효율을 높일 수 있다는 것을 보여주었으며, 이는 나노과학을 탐구하여 지속가능한 에너지원인 태양에너지로부터 청정에너지인 수소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

 일반적으로 굴절률이 높은 물질은 빛의 세기가 센 쪽으로 힘을 받는다.
이를 이용하여 빛으로 물질을 제어하는 광집게 기술이 개발되면서 유체 속에서 떠다니는 세포, 박테리아의 제어 등 바이오 실험에 혁신이 일어났다.
하지만 기존 광집게 기술의 경우에는 렌즈를 통해 빛을 집속하기 때문에 회절 한계에 의해 파장보다 작은 크기로 빛을 집속할 수 없다.
이 때문에 포획하고자 하는 물질의 크기가 파장보다 작은 나노물질이 되면 제어하는 데에 한계가 있다. 특히, DNA와 같은 작은 크기의 바이오 물질은 손상 없이 제어하기가 어려워 마이크로 입자에 붙여서 간접적으로 실험을 수행해 왔다.
이를 해결하기 위해 최근 표면 플라즈몬을 이용한 나노 광집게가 개발되었다. 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장보다 작은 나노미터 수준의 공간에 빛을 집속하고 또한 증폭할 수 있기 때문에, 약한 세기의 빛을 증폭하여 나노물질을 포획할 수가 있게 된다.
하지만 지금까지 개발된 나노 광집게는 굴절률이 물보다 작은 물질은 포획할 수 없다는 한계가 있었다.

본 연구팀은 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 독특한 나노 안테나를 설계 및 제작하였다.
이 나노 안테나는 구조 주변에 빛이 강하게 증폭되기 때문에 굴절률이 큰 물질은 안테나 주변에 포획하고, 굴절률이 작은 물질은 안테나 중심부에 포획할 수 있다.
기존의 나노 안테나가 굴절률이 작은 물질은 포획할 수 없다는 단점을 혁신적으로 극복한 것이다.
 본 연구팀은 광포획 실험을 위해 물에서 흡수가 적은 근적외선 영역인 980nm 레이저 빛을 사용하였고, 이 레이저 파장에 표면 플라즈몬 공명이 있는 나노 안테나를 금을 이용하여 제작하였다.
이 때 제작된 나노 안테나의 장축 길이는 500nm이다.
우선, 제작된 나노 안테나를 이용하여 물속에 떠다니는 지름이 300nm인 폴리스티렌 나노 구슬의 포획에 성공하였다. 폴리스티렌의 경우 굴절률이 물 보다 크기 때문에 나노 안테나 주변에 포획되는 것을 관찰하였다.
그 다음, 오일 속에 떠다니는 지름이 300nm인 실리카 나노 구슬의 포획에도 성공하였다. 이 때, 실리카의 굴절률은 오일보다 작아 기존 나노 안테나의 경우 척력(밀어내는 힘)을 받기 때문에 포획될 수 없었던 것과는 달리, 본 연구에서 제작된 나노 안테나에서는 안테나 중심부에 포획되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 3차원 시뮬레이션을 통해서도 그대로 재현되었다.
 실험에서 나노 물질을 제어하기 위해 사용된 레이저의 파워는 수백 마이크로 와트 수준으로, 기존 광집게에 비해서 수 백 분의 일 정도밖에 되지 않는다.
또한 나노 안테나가 직접 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하기 때문에 외부에 특별한 광학 장치가 필요 없다.
 따라서 광-바이오 유체 칩에 바로 결합할 수가 있어, 실험실 수준에서 진행되는 나노-바이오 물질 제어의 실험이 칩 수준에서 높은 효율로 구현될 수 있다.

SnO2, In2O3, TiO2, WO3 등의 n형 산화물 반도체를 300-400oC정도의 고온에서 가열할 경우, 산화물표면에 산소가 흡착하고, 흡착된 산소가 표면에서 전자를 받아 들여 음으로 대전된다(O- 또는 O2-). 
따라서, 산화물 표면은 저항이 큰 전자공핍층 (electron depletion layer)이 만들어 진다. 
센서가 HC, CO, 알콜 등의 환원성 가스에 노출되면, 표면 흡착산소에 의해 CO, H2O등으로 산화되고, 반응 후 남은 전자가 센서에 다시 주입(injection)되므로 저항이 줄어든다.
따라서, 환원성 가스의 농도에 비례하는 저항의 감소를 센서 신호로 얻을 수 있다.

n형 산화물 반도체(SnO2)의 가스감응 모식도

순수한 산화주석(위)과 니켈산화물이 소량 첨가된 산화주석(아래)을 이용한 가스센서 측정결과 (Dry-대기 중 습기가 없는 환경, Wet-대기 중 습기가 있는 환경, 상대습도 25%)

위 그림에서 나타난 바와 같이 건조한 분위기에서의 가스 감도, 응답속도, 센서저항이 상대습도가 25%가 됨에 따라 크게 변화하거나 나빠지는 경향을 볼 수 있다.
이는 SnO2 가스센서 신호의 습도 의존성이 매우 심각한 문제임을 보여준다.   

본 연구팀은 나노구조가 계층적으로 조립된 다공질 나노 계층구조에 산화물 NiO를 불연속적인 모양으로 균일하게 첨가할 경우 센서저항, 가스감도, 반응속도가 거의 습도에 영향을 받지 않으며, 고감도, 고속반응, 고속회복 등의 우수한 감응특성을 습기가 있는 분위기에서도 변함없이 유지할 수 있다는 사실을 처음으로 제시했으며, 그 기구를 규명했다.
p형 산화물 반도체인 NiO를 불연속적인 모양으로 SnO2 나노 계층구조에 첨가할 경우, 가스 감응시의 전기전도는 n형의 SnO2를 따라 일어나지만, 첨가된 NiO는 습도 의존성 제거, 회복속도 증가 등의 역할을 수행하는 것으로 밝혀 졌다.
NiO가 첨가된 SnO2 나노 계층구조의 Operando diffuse-reflectance Fourier transform IR spectroscopy(DRIFTS) 분석 결과 NiO가 습도를 대부분 흡수하여 SnO2의 가스감응 반응을 변화시키지 못하도록 하는 수분흡수제(humidity absorber)의 역할을 하는 것으로 이해되었다.
또 NiO는 p-형 반도체로 Ni2+와 Ni3+가 공존할 수 있어 표면 대부분이 O-로 흡착된 구조를 나타내는데, NiO-SnO2의 계면을 통해 NiO가 O-를 공급하여 센서가 공기 중에 노출되었을 때의 회복 속도도 수십배 증가시키는 역할을 수행하는 것으로 판단된다.
본 연구에서 제안된 NiO-loaded SnO2 나노 계층구조 센서는 기존의 센서에 비해 다음의 우수한 특성을 나타낸다.

1) 다공질 나노 계층구조를 이용하므로, 피검가스(anlayte gas)가 전 나노 구조 표면에 빠르게 확산되어, 고감도와 고속 응답이 동시에 구현되었다.
2) 산소의 흡착, 해리, 이온화를 도와주는 NiO에 의해 초고속 센서회복이 가능해졌다.
3) SnO2와 습기 사이의 표면반응에 의한 저항변화를 NiO 첨가제에 의해 원천적으로 제거하여, 센서저항, 가스감도, 응답속도, 회복속도 등의 가스 감응특성이 습도의 변화에 상관없이 유지되는 고성능, 고신뢰성의 가스센서를 구현했다. 

본 연구에서 제안한 NiO-loaded SnO2 나노 계층구조 센서는 가스센서의 동작 안정성, 장기 안정성을 한 차원 높일 것으로 기대된다. 특히 습기의 영향을 극소화시킨 초고속 반응 가스센서 기술은 초고속 반응 화학센서, 독성, 유해, 폭발성 가스의 신속검지, 음주측정기, 매연감지센서, 실시간 반응 인공후각에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

감마선 폭발(Gamma-Ray Burst; GRB)이란 별이 특이하게 죽음을 맞이하는 순간에 생기는 현상이며, 감마선 폭발의 지속시간이 2초 이하냐 이상이냐에 따라 감마선 폭발은 짧은 감마선 폭발(short GRB)과 긴 감마선 폭발(long GRB)로 나누어진다.
이 중 긴 감마선 폭발은 무거운 별이 죽으면서 폭발하는 제1b형 또는 제1c형 초신성과 연관이 있는 것으로 알려져 있다.
감마선 폭발 때 발생하는 상대론적 제트(relativistic jet; 광속에 가까운 속도로 매우 빠르게 퍼지는 물질 다발)가 주변 물질들과 상호작용을 하면서 비 열적 복사(non-thermal radiation)인 싱크로트론 방사가 일어나면 그것이 감마선 폭발 잔광으로 X-선, 가시광선, 근적외선 등 다양한 파장에서 관측이 된다.

일반적으로 긴 감마선 폭발은 감마선 폭발의 지속시간이 2초 이상에서 수백 초이나 잔광의 경우 몇 주 이상씩 관측되기도 한다.
이러한 감마선 폭발들의 대부분은 2004년 11월에 발사되었던 NASA의 Swift위성에 의해서 발견되고 있으며, 감마선 폭발 발견 즉시 관심 있는 천문학자들에게 그 사실이 알려진다.
그렇게 하여 세계 곳곳의 망원경을 사용한 감마선 폭발의 잔광 후속관측이 이루어지게 된다.
 
이번 연구 대상인 GRB 101225A는 2010년 크리스마스 날에 Swift위성에 의하여 발견되었다.
발견당시 감마선 폭발이 30분 이상이나 오랫동안 지속되는 매우 특이한 모습을 보였다.
또한 Swift위성과 지상망원경을 이용한 후속관측 결과 이 감마선 폭발의 잔광은 일반적인 감마선 폭발에서 나타나는 싱크로트론 방사와는 달리, X-선과 가시광선/근적외선에서 흑체복사라는 열적 복사의 법칙을 따르고 있음을 알 수 있었다.

처음에는 수만 도였다가 그 후 10일 동안 점점 커지면서 식어가는 물체에서 나타나는 흑체복사가 관측되었다. 감마선 폭발 10일이 지난 후에는 희미한 초신성의 빛이 나타나기 시작하였다.
이 초신성의 스펙트럼 모양으로부터, GRB 101225A는 적색이동이 0.33에 나타난 천체라는 사실을 알 수 있었다. 또한 후속관측결과 GRB 101225A가 나타난 자리에 희미한 은하가 있는 것도 알 수 있었다.
다른 감마선 폭발천체와 구별이 되는 여러 관측사실로부터 GRB 101225A는 흑체복사를 하는 잔광을 가지면서 희미한 초신성을 동반하는 새로운 유형의 감마선 폭발이라는 결론을 얻게 되었다.  

국제공동연구팀은 이 현상이 헬륨별(별이 진화하여 그 중심핵이 헬륨으로 이루어진 별)과 중성자별이 합병하여 생긴 것이라는 설명을 제시하였다.
중성자별과 헬륨별로 이루어진 쌍성에서 중성자별이 헬륨별 속으로 떨어질 때, 수소로 이루어진 헬륨별의 대기가 별 주변으로 흩어졌고, 급기야 중성자별과 헬륨별이 합병하는 과정에서 강한 감마선 폭발과 함께 제트가 뿜어져 나오게 된다.
이 제트가 헬륨별의 흩어진 가스를 가열하면서 폭발 직후 초기에는 고온의 열적복사가 일어나다가 가스가 팽창하면서 그 온도가 서서히 식어간다.
이러한 폭발은 초신성을 동반하지만, 헬륨핵과 중성자별과의 충돌과정에서는 초신성 주 에너지원인 니켈과 같은 무거운 방사선 물질들이 충분히 만들어지지 못하기 때문에 일반적인 초신성보다는 훨씬 어두운 초신성이 나타나는 것이다.
이러한 이론은 1990년대 말 이미 제안이 되어 있었지만 이제야 이론들이 예측했었던 종류의 감마선 폭발을 발견한 것이다.
즉 별이 죽는 새로운 모습을 알아냈다는 점에서 이 연구의 의의가 크다고 할 수 있다.  
 
임명신, 박수종 교수 연구팀은 이 연구에 사용된 여러 지상 후속관측자료 중 가장 이른 시간대의 가시광선 및 근적외선 자료를 확보하여 GRB 101225A의 초기 성질을 규명하는 데 중요한 역할을 하였다.
이 자료가 있음으로 인하여 GRB 101225A는 발생 직후부터 열적복사로 이루어진 잔광을 가지고 있었다는 사실을 알 수 있었던 것이다.
이 관측은 미국 텍사스 주 맥도날드 천문대의 2.1m에 설치된 CQUEAN이라고 하는 관측기기를 이용하여 이루어졌는데, CQUEAN은 국내대학연구진이 단독으로 개발하여 해외천문대에 설치하고 있는 관측기기이다. 크리스마스 날에도 해외에서 관측에 임하여 준 관측자들(박원기 박사, 최창수 연구원-서울대, 정현주 연구원, 임주희 연구원-경희대)이 있었기에 감마선 폭발 발생 직후 타 그룹들에 앞서 중요한 관측 자료를 확보하여 이 연구에 기여할 수 있었다.