분광기란 물체로부터 나오는 빛 파장의 세기를 측정하여 그 정보를 그래프 형태로 나타내는 장치로, 광학, 화학, 해양공학 등 산업분야 전반에서 광범위하게 사용되는 측정기구입니다.

그런데 현재 사용 중인 필터배열 기반 분광기의 경우 해상도를 높이기 위해서는 필터를 보다 더 정교하게 제작하거나 필터의 개수를 증가시켜야 하는데, 이 경우 제작비용 상승은 물론 분광기 크기가 대형화되는 단점이 있었습니다.

이 같은 단점을 극복하기 위해 간단한 수학적 알고리즘을 담은 소프트웨어 기반분광기를 개발되기도 했지만, 여전히 필터제작 공정의 단순화와 분광기의 소형화라는 숙제를 안고 있는 상황입니다.

배열필터 기반의 분광기 시스템

광주과학기술원(GIST)  이흥노 교수가 주도하고 올리버 박사와 이웅비 박사과정생이 참여한 연구팀이 나노해상도 소형분광기에 적용 가능한 랜덤배열 필터를 개발하는데 방법을 찾았습니다.

이번 연구는 불규칙한 저가의 분광기 제작방법을 수학으로 개선할 경우, 기존 필터제작 방법으로 섬세하게 만든 분광기보다 훨씬 더 정교한 분광결과를 만들어 낼 수 있는 가능성을 열고 있습니다.

연구팀은 측정대역 내 모든 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 감지하는 배열필터 방식을 개발하고 이를 소형분광기에 적용한 결과, 반도체팹 공정 방식으로 생산되고 특정 파장의 빛만 감지하도록 제작된 고가의 기존 배열필터보다 해상도가 최대 7배 높게 나타나는 것을 발견했습니다.

또 이를 이용해 인접한 두 파장의 최소 거리가 2.106nm인 수은 등의 스펙트럼을 정확히 측정하는 데도 성공했습니다.

연구팀은 필터의 투과율을 파장별 또 필터별로 랜덤하게 분포하도록 랜덤배열 필터를 만들어냈는데, 그 특성은 다음과 같습니다.

첫째, 하나의 필터는 각 파장의 빛을 랜덤한 투과율로 투과하며 파장별 투과율이 서로 상이하게 다르도록 한다.

둘째, 서로 다른 두 개의 필터의 투과율 간에 상관관계가 매우 적도록 한다. 랜덤배열 필터는 위의 두가지 특성을 동시에 만족시키지만 정규배열 필터는 첫 번째 특성을 만족하지 못한다.   

연구팀은 비교적 간단한 박막기술을 이용하여 동일한 두께로 층층이 쌓여있는 막의 두께를 임의로 변화시키는 방식으로 전체 파장 대역의 빛을 감지하면서도 투과율을 랜덤하게 조절했습니다.

각각의 랜덤필터는 그 첫째 특성 상 측정대역 내 모든 파장의 빛을 고루 감지하면서도 파장별로 투과율이 서로 상이한 독립적 스펙트럼 정보를 얻게 됩니다.

또 랜덤필터의 둘째 특성 상 랜덤필터는 각각 서로 상관관계가 적은 투과율 필터를 이용하므로, 각각의 필터가 채취한 분광정보는 서로 판이하게 다르며 독립적이 됩니다.

이렇게 수집된 여러 개의 분광정보를 모으면 여러 개의 독립된 정보를 가진 연립방정식을 세울 수 있게 되고, 그것을 풀어 각각의 파장별로 매우 세분화 된 분광정보를 추출할 수 있게 됩니다.

이는 곧바로 무작위로 불규칙적으로 만든 배열필터로, 높은 해상도의 분광정보를 추출함을 의미합니다.

이번 연구결과는 휴대용 분광기 생산의 패러다임을 바꿀 혁신적인 결과로, 비상식적으로 쉽고 간단하게 설계할 수 있는 랜덤필터를 통해 더 높은 해상도를 얻을 수 있다는 사실을 증명한 것으로 평가받고 있습니다.

따라서 이번 연구는 분광기 산업뿐만 아니라 신호처리 방식으로 일차 결과를 개선하는 방법이 널리 쓰이는 광학 이미징 산업이나 비디오 산업에도 상당한 파급 효과를 줄 전망입니다.

이번 연구결과는 광학분야 권위지 Optics Express지 2월 12일자에 게재되었습니다.
(논문명 : Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers)

<연 구 개 요>

1. 배경
분광기란 광학 기기로써, 광원 혹은 광원을 투과시킨 물체로부터 얻은 빛을 파장에 대한 스펙트럼 형태로 나타내는 기구이다.
스펙트럼 정보는 관찰하려는 물체의 특징 또는 구성을 나타낸다. 분광기는 단백질 또는 광원 분석, 기름 유출 여부 확인, 행성의 광물 분포 확인, 마약 검출, 음식 성분 조사 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 응용 분야에서 인접한 두 파장에 대한 스펙트럼을 구분할 수 있는 정도를 분광기의 해상도(resolution) 라고 하는데, 이는 분광기의 성능을 판단할 수 있는 중요한 지표이다. 따라서 분광기 산업에서는 분광기의 해상도를 향상시키기 위해 지속적인 노력을 기울이고 있다.

여러 종류의 분광기 중에서 특히 광학필터배열 기반의 분광기는 소형화, 휴대성, 그리고 저가로 생산이 가능하다는 이점이 있다.
특정 파장 영역에서 광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기를 광학필터의 투과율(Transmittance) 이라고 하는데, 각각의 필터는 파장에 대한 함수로 표현될 수 있다.
필터 기반의 분광기에서 각 필터의 투과율의 설계와 필터의 개수가 분광기의 해상도를 결정하는 요인이 된다. 해상도를 증가시키기 위해 필터의 개수를 증가시키는 방법은 자명한 방법이지만 가격이 상승함에 따라서 저가의 휴대용 분광기에 적합하지 않다.

2. 연구결과
광주과학기술원의 이흥노 교수팀은 가공하지 않은 스펙트럼 정보를 이용해서 원래 스펙트럼 정보를 복구하는 알고리즘 개발을 오랫동안 연구해 왔다.
이 연구팀은 2012년 초에 필터배열의 분광기로부터 얻은 스펙트럼 정보를 간단한 소프트웨어를 통해 디지털신호 처리하여서 분광기의 해상도 한계를 최대 1.5배 뛰어넘는 기술을 개발하였다. 이는 2012년 1월에 광학분야의 권위지인 'Optics Express' 에 게재되었다.

배열필터 기반의 분광기 시스템

(a) 이상적인 투과율 (b) 랜덤 투과율


이흥노 교수팀은 지난 연구에서 더 나아가 "해상도를 향상시키기 위한 필터의 투과율은 어떠한 모습을 가져야할까?"라는 의문을 품었고, 일반적으로 사용되는 이상적인 필터를 조사한 결과 관측하려는 파장의 일부분의 스펙트럼 정보만 얻는다는 것을 관찰했다.
이상적으로 정교하게 설계된 필터는 인접한 투과율을 갖는 필터들 사이에 왜곡을 줄이기 위해 일반적으로 사용되어 왔다.
하지만 이 교수팀은 정반대의 독창적인 관점으로 이러한 왜곡을 줄이려고 노력하는 대신 적극 활용하여 관측하려는 파장대역 밖에 대한 유용한 추가 정보를 얻어낼 수 있음을 생각하였다.
그리고, 정보 취득 관점에서 볼 때, 국지적 정보가 아닌 광역적 정보 취득이 분광기에 더 결정적임을 알아냈다.
그러므로 각 파장에 대해 랜덤하게 빛을 통과시키는 필터 배열 (그림2-(b))을 설계함으로써 광역적 정보를 취득하는 새로운 방법을 고안하였다.
그 결과, 기존의 반도체 팹 공정 방식을 이용하여 생산한 필터기반의 분광기에 비해 최대 7배의 해상도 향상을 얻을 있었다. 이 결과는 2013년 2월 광학분야의 권위지인 'Optics Express' 에 게재되었다.
랜덤 필터는 다음의 두 가지 성질을 가지고 있는 필터를 의미한다.
첫째, 하나의 필터에서 서로 다른 파장에 대한 투과율 사이에 상관관계가 없어야 한다.
둘째, 각각의 필터들 간의 투과율 사이에 서로 상관관계가 없어야 한다.
이러한 전례가 없는 특징을 가지고 있는 필터들은 박막(thin film)을 통해서 생산이 가능하고, 실험을 한 결과 더 세밀한 빛의 스펙트럼 정보를 제공한다고 이번 연구에서 밝히고 있다.

3. 기대효과
연구팀은 이렇게 전례가 없는 필터들을 개발함으로써 분광기의 해상도를 향상시킴과 동시에 필터설계자로 하여금 필터 설계 조건을 더 완화시킬 수 있다고 말한다. 그리고 이번 발명이 광 신호 취득 분야에선 첫 번째로 분광기 산업 및 광 이미징 산업에도 큰 영향을 줄 것이라고 한다. 또한 다른 분야에서도 쉽게 적용이 가능하여 세계 최초의 싱글픽셀 카메라에 사용되는 텍사스 인스트러먼드(Texas Instrument)사의 디지털 마이크로미터처럼 높은 데이터 취득 비용을 요구하는 다양한 이미징 또는 비디오 시스템 등에 적용될 가능성이 있다.


 용 어 설 명

반도체팹 공정 방식
반도체를 생산하는 방식으로 웨이퍼의 표면에 막을 형성 시키고 선택적으로 깎아서 설계된 투과율을 갖는 필터를 만드는 방식. 진공에서 이뤄지는 등 공정이 비교적 복잡하다.

분광기 (Spectrometer)
물체로부터 방출되는 갖가지 파장의 세기를 측정할 때 사용하는 도구로서, 물체의 파장 정보를 그래프 혹은 스펙트럼 형태로 나타낸다.

분광기의 해상도 (Resolution)
인접한 두 파장에 대한 스펙트럼을 구분할 수 있는 정도

투과율 (Transmittance)
특정 파장 영역에서 광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기

랜덤 투과율 (Random Transmittance)
광학필터를 통과하고 나온 빛의 세기가 파장에 대해서 서로 상관관계가 없는 투과율

박막기술
수십 나노미터 두께로 특정 기판 상에 유전체층 등의 물질을 층층이 올려붙이는 기술

옵틱스 익스프레스 (Optics Express)
미국광학협회(Optical Society of America)에서 발행하는 광학기술 분야 학술지. 인용횟수 기준으로 분야 순위 5위 기록. 2010년 Journal Citation Report(JCR)을 기준으로 Impact Factor는 3.753
http://admin-apps.webofknowledge.com/JCR/JCR?RQ=RECORD&rank=1&journal=OPT+EXPRESS

 

<이흥노 교수>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 부교수

2. 학력
  ○ 1993 : B.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1995 :  M.S. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
  ○ 1999 :   Ph.D. in University of California, Los Angeles
                  (Electrical Engineering)
 
3. 경력사항
○ 1999 ~ 2002 : HRL Laboratories, L.L.C., Research Staff
○ 2002 ~ 2008 : University of Pittsburgh, Assistant Professor
○ 2009 ~ 현재 : 광주과학기술원 정보통신공학부, 부교수

4. 주요연구업적
1. J. Oliver, WoongBi Lee, and Heung-No Lee*, "Filters with random transmittance for improving resolution in filter array based spectrometers," Accepted for Optics Express.
2. Wooyeol Choi+, Taewoon Kim+, Daeyoung Park+, Heung-No Lee and Hyuk Lim*, Coordinating Transmit Power and Carrier Phase for Wireless Networks with Multi-Packet Reception Capability, EURASIP Wireless Communications and Networking, Accepted.
3. Jin-Taek Seong+ and Heung-No Lee*, "4-ary Network Coding for Two Nodes in Cooperative Wireless Networks: Exact Outage Probability and Coverage Expansion," EURASIP Wireless Communications and Networking, Accepted.
4. Zafar Iqbal+, Saeid Nooshabadi, and Heung-No Lee*, "Analysis and Design of Coding and Interleaving in a MIMO-OFDM Communication System," to appear in IEEE Transactions on Consumer Electronics, August 2012 Issue.
5. Sang-Seon Byun++, Ilangko Balasingham, Athanasios V. Vasilakos, and Heung-No Lee*, "Computation of an Equilibrium in Spectrum Markets for Cognitive Radio Networks," to appear IEEE Transactions on Computers.
6. Younghak Shin+, Seungchan Lee+, Junho Lee+ and Heung-No Lee*, "Sparse representation-based classification (SRC) scheme for motor imagery-based brain-computer interface systems," Journal of Neural Engineering, Aug. 2012.
7. J. Oliver++, WoongBi Lee+, SangJun Park+, and Heung-No Lee*, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," In Press for Optics Express (Impact Factor: 3.753)
8. H. Kim+, D. Har, Z.-H. Mao, M. Sun, and Heung-No Lee*, "Efficient Joint Source-Channel Decoding of Multi-State Markov Sequences," Accepted with minor revision for IET Communications.
9. Cheng-Chung Chang+*, T.-Y. Kuo, Y.-C. Lo, Heung-No Lee, D. Askey, Zhi-Hong Mao, "User-satisfaction based bandwidth allocation for transmission of multiple sources of human perceptual data," In Press for Journal of the Franklin Institute.
10. Junil Ahn+, Heung-No Lee, Kiseon Kim*, "A Near-ML Decoding with Improved Complexity over Wider Ranges of SNR and System Dimension in MIMO Systems," In Press for  IEEE Trans. on Wireless Communications.
11. Heung-No Lee*, Seyoung Chung, Christian Fragouli, and Zhi-Hong Mao, "Editorial: Special Issue on Network Coding for Wireless Networks," EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2011.
12. R. Vinjamuri+, M. Sun, C.-C. Chang+, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao*. Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp. 284-295, Feb. 2010.
13. Cheng-Chun Chang+, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee*, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
14. R. Vinjamuri, M.Sun, C.C. Chang, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and Z.-H. Mao, "Temporal Postural Synergies of the Hand in Rapid Grasping Tasks, "IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 4, pp.986-994, Jul. 2010.
15. R. Vinjamuri, M. Sun, C.-C. Chang, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao. "Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp.284-295, Feb. 2010.
16. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "A fast BER evaluation method for LDGM codes," Journal of the Frankilin Institute, vol. 347, issue. 7, pp. 1368-1373, 2010.
17. J. Zhang and Heung-No Lee, "Energy-Efficient Utility Maximization for Wireless Networks with/without Multipath Routing, "International Journal of Electronics and Communications, May. 2009. Volume 64, Issue 2, February 2010, Pages 99-111.
18. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "MB iterative decoding algorithm on systematic LDGM codes: Performance evaluation," Signal Processing, vol. 90, issue. 1, pp. 373-377, 2010
19. Mir H. Mahmood, C.C. Chang, Z.H. Mao and Heung-No Lee, "Throughput Behavior of Link Adaptive 802.11 DCF with MUD Capable Access Node," AEU International Journal of Electronics and Communications, July 2008. doi:10.1016/j.aeue.2009.10.007.
20. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
21. Heung-No Lee, J. Zhang, C.W. Choi, "General random coding bounds: AWGN channels to MIMO fading channels," Annals of Telecommunications, vol. 65, issue. 1, pp. 87-99, 2010
22. Z.-H. Mao, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and M. Sun, "Information Capacity of the Thumb and Index Finger in Communication," IEEE Trans. Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1535-1546, May. 2009.
23. R. Vinjamuri, D.J. Crammond, D. Kondziolka, Heung-No Lee, and Zhi-Hong Mao, "Extraction of Sources of Tremor in Hand Movements of Patients with Movement Disorders," vol. 13, no.1, pp. 49-56, IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Jan. 2009.
24. Heung-No Lee, J. Zhang, and C.W. Choi, "Random coding bounds for MIMO channels," Annals of Telecommunication, Dec. 23rd, 2008.
25. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analyses on LDPC coded system over quasi-static (MIMO) fading system," IEEE Trans. on Communications, vol. 56, issue 12, pp. 2080-2093, Dec. 2008.
26. X. Song and Heung-No Lee, "Multimode Precoding for MIMO Systems Performance Bounds and Limited Feedback Codebook Design," IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 56, no. 10, pp. 5296-5301, Oct. 2008.
27. J. Zhang and Heung-No Lee, "Throughput Enhancement with a Modified 802.11 MAC Protocol with Multi-User Detection Support," International Journal of Electronics and Communications, vol. 62, issue 5, pp. 365-373, May, 2008.
28. Cheng-Chun Chang and Heung-No Lee, "A Fast Simulation Method for LDGM Codes," Journal of the Franklin Institute, May 2008.
29. C.C. Chang and Heung-No Lee, "On the Estimation of Target Spectrum for Filter-Array Based Spectrometers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 1056-61, Jan. 2008.
30. J. Wu and Heung-No Lee, "Performance analysis for LDPC coded modulation in MIMO multi-access Systems," IEEE Trans. on Communications, vol. 55, no. 7, pp.1417-1426, July, 2007.
31. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analysis of LDPC-Coded Space-Time Modulation over MIMO Fading Channels," IEEE Communications Letters, vol. 11, Issue 3, pp. 234 ? 236,   March 2007.
32. J. Zhang and Heung-No Lee, "A Performance bound on random-coded MIMO systems," IEEE Communications Letters, vol.10, no.3, pp.168-170, March, 2006.
33. J. Zhang and Heung-No Lee, "Union bounds on LDPC coded modulation systems over fast fading MIMO channels," vol. 9, no.9, pp. 796-798, IEEE Communications Letters, Sept.  2005.
34. Heung-No Lee and X. Hu, "Robust Iterative tree-pruning detection and LDPCC decoding," IEEE Journal of Selected Areas on Communications, vol. 23, no.5, pp. 1013-1025, May 2005.
35. Heung-No Lee and G. J. Pottie, "Fast adaptive equalization/diversity combining for time varying dispersive channels", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 9, pp 1146-1162, Sept. 1998.

<J. Oliver 박사후 연구원>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 박사후 연구원 
 
2. 학력
  ○ 2002:  B.E. in Mepco Schlenk Engineering College
                 (Electronics & Communications)
  ○ 2005 :  M.S. in Mepco Schlenk Engineering College
                 (Communication Systems)
  ○ 2011 : Ph.D. in India Institute of Technology Madras (IITM)
                 (Signal Processing for Wireless Communications)
 
3. 경력사항
 ○ 2002 - 2003 : Lecturer at Karunya Institute of Technology, Coimbatore
 ○ 2006 - 2007 : Teaching Assistant at IITM for graduate course in Digital Signal Processing
 ○ 2009       :  Teaching Assistant at IITM for undergraduate course in Basic                        Electrical Engineering
 ○ 2011 ~ 현재 : 광주과학기술원 박사 후 연구원

4. 주요연구내용
1. J. Oliver and Heung-No Lee, "Filters with random transmittance for improving resolution of filter-array-based spectrometers," Accepted for Optics Express.
2. J. Oliver, WoongBi Lee, SangJun Park, and Heung-No Lee, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Optics Express, vol. 20, no. 3, pp. 2613-2625, Jan. 2012.
3. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Optimal Pilot Sequences with Low PAPR for OFDM Channel Estimation in the Presence of CFO," IET Signal Processing, vol.6, no.1, pp. 45-53, Jan 2012.
4. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Krylov Subspace-based Low-rank Channel Estimation in OFDM Systems," Signal Processing, vol. 90, no. 6, pp. 1861-1872, June 2010.
5. J. Oliver, R. Aravind and K.M.M. Prabhu, "Sparse Channel Estimation in OFDM Systems by Threshold-based Pruning," Electronics letters, vol. 44, no. 13, pp. 830-832, June 2008.

<이웅비 박사과정>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 광주과학기술원 정보통신학과 박사과정
 
2. 학력
  ○ 2009:  B.S. in Konkuk University
                 (Electrical Engineering)
  ○ 2011 :  M.S. in GIST
                 (Information & Communications)
 
3. 주요연구내용
1. J. Oliver, WoongBi Lee , SangJun Park , and Heung-No Lee*, "Improving resolution of miniature spectrometers by exploiting sparse nature of signals," Optics Express, vol. 20, no. 3, pp. 2613-2625, Jan. 2012.
2. J. Oliver, WoongBi Lee , SangJun Park , and Heung-No Lee*, "A new signal processing technique for improving resolution of spectrometers,"  2013년 동계종합학술발표회, 한국통신학회 (KICS)
3. Woong-Bi Lee, Jae-Gun Choi, and Heung-No Lee, " 무선 다중 접속 망에서의 네트워크 부호를 이용한 보안 메커니즘", 한국통신학회 2011 하계종합학술발표회
4. Woong-Bi Lee and Heung-No Lee, "A simple Security Mechanism using Network Codes for Wireless Multip Access Network", 대한전자공학회 2010 하계종합학술대회
5. Woong-Bi Lee and Heung-No Lee, "A Study on the Dual-mode Antenna Selection for Spatial Multiplexing Systems with Linear Receivers", 한국통신학회 2010 춘계종합학술발표회

 

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posted by 이재형 과학이야기

투명전극(transparent electrode)은 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로, OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품입니다.

투명전극 필름의 원료는 '제2의 희토류'로 불릴 정도로 희귀한 인듐이 사용됩니다.

인듐은 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰에 쓰이는 투명전극 필름의 원재료로 현재 널리 사용 중입니다.

하지만 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고, 그마저 항상 주석이나 납과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않습니다.

게다가 인듐으로 만든 투명전극 '인듐주석산화물(ITO)'은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이에는 적용하기 힘든 단점이 있습니다.

그럼에도 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은 국가 간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략 자원으로 구하기조차 힘든 실정입니다.

은을 이용한 나노와이어는 인듐의 대체물질로 상대적으로 생산공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태를 가져 투명함과 휘어지는 성질도 우수합니다.

하지만 은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데, 이를 기존 방식처럼 고분자로 코팅하면 표면이 두꺼워져 투명도와 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었습니다.

성균관대 이효영 교수와 삼성전기 김운천 박사팀은  희소 금속인 인듐을 대체할 수 있는 은나노와이어(silver nanowire)에 산화그래핀으로 코팅, 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술을 개발했습니다.

산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해, 향후 휘어지는 디스플레이와  태양전지 등의 개발에 크게 활용될 전망입니다.

연구팀은 은나노와이어를 단일 탄소층인 산화그래핀으로 코팅해 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 산화는 견딜 수 있도록 만들었습니다.

투명 전극 구조

연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점을 주목했습니다.

산화그래핀/은나노와이어 필름의 표면 이미지로 은나노와이어 간의 유효 접촉점을 보여줌.

이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기에 노출시켜도 산화되지 않는 특성이 생겼습니다.

이번 연구를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어와 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.


제조된 대면적 투명전극 필름 (100 × 50 cm2, 대각선 : ~44 인치)과 그 모식도

연구 결과는 네이처 자매지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 1월 23일자 온라인판에 게재되었습니다.
(논문명: 2D Graphene Oxide Nanosheets as an Adhesive Over-Coating Layer for Flexible Transparent Conductive Electrodes)

<연 구 개 요>

1. 서론

 휘어지는 전자기기에 대한 수요가 증가함에 따라 이에 적합한 트랜지스터, 발광다이오드, 투명전극체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 가운데 은나노와이어는 투명전극으로 광범위하게 적용되고 있는 인듐주석산화물(ITO)을 대체할 물질로 주목받고 있다.

  은나노와이어는 용액 공정에서 생산할 수 있어 공정이 비교적 쉽고, 대량생산이 가능하여 원가경쟁력을 갖는다.
뿐만 아니라 금속의 일종으로 소량으로 저저항을 구현할 수 있고 가늘고 긴 형태상의 특성으로 인해 기판이 휘어져도 깨어지지 않아 플랙서블을 지향하는 기기에 적용 가능하다.

  하지만 은나노와이어를 기반으로 하는 투명전극 제조에서 가장 큰 문제점은 산화 및 물리적 스트레스를 방지하기 위해 은나노와이어 위에 부가적인 코팅막이 필요하다는 것이다.
이때 코팅막에 따라 은나노와이어의 저항을 증가시키기도 하고 투명도를 낮추기도 하는데, 산소 작용기를 가진 산화그래핀을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.

2. 본론
  본 연구에서는 절연성을 갖는 산화그래핀을 은나노와이어를 보호하는 코팅막으로 사용하여 공기 중에 2개월 이상 장기간 노출해도 특성이 전혀 변하지 않는 휘어지는 대면적 투명전극체를 제조하였다.
  산화그래핀은 단일층으로 이루어진 탄소 나노물질로써 높은 투과율과 함께 유기용매, 열, 빛, 가스(H2S)등에 내구성을 가져 보호층으로 사용하기에 적절하다. 뿐만 아니라 산화된 그래핀의 친수성 때문에 물에 잘 분산되어 친환경적이고 공정이 쉽고, 친수성 기판과 강하게 접착되어 투명전극의 안정성, 균일도 및 투과율을 높일 수 있다.
   친수성 기판과 강하게 결합된 산화그래핀은 은나노와이어를 효과적으로 잡아주는 역할을 하여 은나노와이어만을 적층한 투명전극보다 약 2배이상 저항을 낮춰주었고, 면저항의 균일도를 14배 증가시켰으며 헤이즈(Haze)와 투과율(Transmittance) 또한 향상시켰다.
또한 기계적 안정도를 측정하기 위한 휘어짐 테스트 결과, 기판이 휘어지는 동안 산화된 그래핀이 은나노와이어의 유효 접촉점이 떨어지는 것을 방지하여 저항변화 측면에서도 유효한 차이를 보였다.

3. 결론
  산화그래핀의 절연성, 친수성, 안정성 등의 고유 특성을 고려하여 친수성을 가지는 휘어지는 투명기판 위에 은나오와이어를 적층, 그 후 산화그래핀을 스프레이 코팅하여 안정하고 내구성이 좋은 투명전극을 시현해 보았다.
제조된 투명전극은 산화그래핀 막의 유무에 따라 공기 중에서의 저항 변화, 저항의 균일도, 필름의 투명도, 은을 부식시킬 수 있는 황화가스와 기타 용매에 대한 안정성, 물리적 스트레스에 대한 내구성을 비교 조사하였고 그 결과 각각의 항목에서 산화그래핀 보호막을 사용한 경우 전극의 질이 향상된 것을 관찰할 수 있었다. 

  또한 종래 사용되고 있는 아크릴 리신, PVA(Polyvinyalcohol), PEDOT:PSS, TiO2/PEDOT;PSS, Teflon, 은나노와이어/폴리머 복합체 등과 비교했을 때도 저항성과 내구성면에서 보다 나은 결과를 얻었다. 이처럼 공기 중에서 안정한 그래핀/은나노와이어 투명전극 개발을 통하여 향후 휘어지는 디스플레이, 접이식 터치 패널, 플랙서블 태양전지로 적용이 가능할 것으로 기대된다.


 용  어  설  명

그래핀(Graphene)
육각형 구조로 탄소와 탄소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다.
높은 전도성과 전하 이동도를 갖기에 응용  가능성이 매우 높은 물질이다.
이중 용액과정으로 만들어진 산화그래핀은 그래핀에 다양한 기능기가 붙은 산화된 형태를 말한다.  

 

그래핀의 격자구조 모식도


나노와이어(nanowire)
단면의 지름이 나노미터(1나노는 10억분의 1미터) 단위인 극미세선으로 금속성(Ni, Pt, Au 등)과 반도체(Si, InP, GaN, ZnO 등), 절연성(SiO2, TiO2 등) 등 많은 종류의 나노와이어가 존재한다.
은나노와이어의 경우 필름으로 제조하는 공정이 쉽고, 대량생산이 가  능할 뿐만 아니라 상대적으로 가격이 싸다.
또 나노와이어의 가늘고 긴  형태로 인해 투명하고 휘어져도 깨어지지 않아 휘어짐이 요구되는 투명  기기에 적합하다.

투명전극(transparent electrode)
광 투과성과 도전성이 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다.
생체 관련 물질의 산화-환
원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘 연구용, 태양전지와 액정표시 패널용 등에 불가결한 전극이다.  

<이효영 교수> 

1. 인적사항

소 속 : 성균관대학교 화학과

2. 학력

1997 University of Mississippi 유기화학 박사
1991 경희대학교 분석화학 석사
1989 경희대학교 화학 학사

3. 경력사항
2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학과 교수
2000 ~ 2009 : 책임연구원, 한국전자통신연구원 분자메모리소자팀(팀장)
1999 ~ 2000 : 선임연구원, 포항공과대학교 화학과, 지능초분자 연구단
1997 ~ 1999 : 박사후연구원, North Carolina State University, 화학과
1984 ~ 1986 : 육군 1군지사 (현역, 병장제대)   

4. 전문 분야 정보
- 분자전자 소재 및 소자
- 나노전자소자, 전자수송 현상
- 유기반도체 소재 및 소자 
- 유기전계발광 소재 및 소자
- 산화그래핀 소재 및 소자

5. 연구지원 정보
  2006 - 현재  교과부?연구재단 리더연구자지원사업[창의적 연구] 연구책임자

 

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posted by 이재형 과학이야기

LIN28 단백질은 줄기세포 치료의 핵심 기술인 유도만능줄기세포(iPS Cell) 생산에 사용되는 것으로 잘 알려져 있습니다.

유도만능줄기세포는 배아줄기세포와 비슷한 수준의 분화능력을 지니고 있으면서도 수정란이나 난자를 사용하지 않아 윤리문제에서 비교적 자유로워 '꿈의 기술'로도 불립니다.

또 LIN28에 이상이 생기면 당 대사와 사춘기 시기 조절 및 간암과 난소암 등에도 영향을 미치게 됩니다.

때문에 LIN28이 다른 유전자의 발현을 조절하는 원리를 완벽하게 알아낸다면, 줄기세포의 이해와 관련 질병 연구, 치료에 새로운 돌파구를 마련하는 셈입니다.

국내 연구진이 줄기세포에서 에너지를 분배하고 세포 간의 의사소통의 양과 속도를 조절하는 원리를 처음으로 규명했습니다.

이는 마이크로RNA를 조절하여 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지하는 것으로 알려진 단백질(LIN28)의 기존 기능과는 전혀 다른 새로운 기능을 규명한 성과입니다.

■ 서울대 김빛내리 교수팀은 기존에 알려진 LIN28이 마이크로 RNA를 조절하여 줄기세포의 성질을 간접적으로 유지하는 기능 이외에도 추가적인 기능에 대한 단서를 확인했습니다.

연구팀은 살아있는 줄기세포에 강한 자외선을 쬐어서 단백질과 RNA를 엉겨 붙게 한 다음, 이 RNA에 담긴 정보를 차세대서열분석기로 분석, 총 58기가베이스를 읽어 LIN28이 붙어 조절하는 RNA 전체를 일괄적으로 조사했습니다.

58기가베이스는 A4용지에 인쇄해서 쌓으면 2028m로, 이는 한라산보다도 높은 막대한 분량입니다.

이 같은 방법은 클립시크(CLIP-seq)라고 부르는데, RNA를 조절하는 단백질에 대한 대단위 연구에서 각광받고 있는 기술로, 세계적으로 10여 개 연구실에서만 성공한 신기술입니다.

이 기술은 전통적인 RNA결합 단백질 연구에 비해 세포에 있는 모든 LIN28 단백질 주변의 RNA를 한꺼번에 사진을 찍듯 볼 수 있어 상호작용 전체 지도를 그릴 수 있습니다.

이 실험에서 김 교수팀은 LIN28이 조면소포체에서 일어나는 단백질 생산 전체를 조절한다는 실마리를 얻었습니다.

이후 세포 전체 단백질의 생산 속도를 관찰할 수 있는 리보솜 흔적 조사법을 활용해 LIN28이 실제로 조면소포체에서 생산하는 단백질 모두를 억제한다는 사실을 밝혀냈습니다.

리보솜 흔적 조사법(ribosome footprinting)은 세포 내 전체 mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜의 위치를 분석하여 단백질의 합성속도를 추측하는 방법입니다.

조면소포체는 세포 안에서 막으로 싸인 소기관으로, 사람의 단백질 3만 5000종 중 약 7000종이 여기서 생산됩니다.

이렇게 생산된 단백질들은 △세포와 세포의 연결 △각종 물질의 분비와 수송 △세포 사이의 신호 전달 △면역 반응 등에서 핵심적인 역할을 합니다.

자외선을 이용한 RNA결합 단백질 연구 (CLIP-seq 기술)

RNA결합 단백질을 연구할 때 어떤 RNA에 결합하는가는 가장 중요하고 기초적인 정보다. CLIP-seq에서는 가장 먼저 자외선을 이용하여 살아있는 세포 안에서 단백질과 대상RNA를 엉겨 붙게 (공유결합을 형성하게) 한다. 그 다음, 세포 내용물을 꺼내서 RNA를 잘게 쪼개고 연구하고 싶은 단백질 (LIN28)을 항체를 이용하여 정제한다. 이 과정을 거치면 단백질이 결합하고 있는 작은 RNA조각이 남게 되고, 그 다음 이 RNA조각을 서열분석기로 읽어낸다. 이 서열의 형태와 유전자 유래, 기능적인 특성을 통계적으로 분석하여 차후 RNA결합 단백질 연구의 실마리를 잡게 된다.


연구팀은 LIN28이 배아의 초기 발달 과정에서 세포 전체의 균형을 조절한다는 사실도 규명하였습니다.

세포가 단백질을 생산하려면 상당량의 에너지가 필요합니다.

연구팀은 LIN28이 조면소포체 단백질의 생산을 줄여, 이 에너지를 세포의 양적 성장에 집중시키고, 세포 간의 의사소통도 줄여서 성체 세포로 발달하는 시기를 충분히 늦추는 역할을 할 수 있을 것으로 보고 있습니다.

또 연구팀은 암세포 전이에서 중요한 역할을 하는 단백질의 상당수가 조면소포체에서 생산되므로, LIN28이 조면소포체 전체 단백질을 조절하여 암 전이에도 일조할 수 있을 것으로 예측하고 있습니다.

이는 줄기세포의 정상적인 발달과 당(糖) 대사 및 사춘기 시기 조절 등에 관여하는 LIN28 단백질의 알려지지 않은 직접적인 조절 원리를 밝혀냄으로써, 향후 줄기세포의 유도와 관련 질병의 치료 기술 개발에 새로운 실마리를 제공하는 것입니다.

또한 간암, 난소암 등 여러 종류의 암 발생과 전이에서도 자주 발견되는 LIN28 단백질의 이상 조절에 대처할 수 있는 새로운 치료법 개발에도 가능성을 열고 있습니다.

이번 연구는 서울대 김빛내리 교수 주도로 조준, 장혜식 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했고,  연구결과는 세계 최고 권위의 생명과학 전문지인 'Cell'지 온라인 속보(10월 25일자)에 발표되었습니다.
(논문명: LIN28A is a Suppressor of ER-associated translation in embryonic stem cells) 

<연 구 개 요>

LIN28A is a suppressor of ER-associated translation in embryonic stem cells
Jun Cho, Hyeshik Chang, S. Chul Kwon, Baekgyu Kim, Yoosik Kim, Junho Choe, Minju Ha, Yoon Ki Kim, and Narry Kim
(Cell, Vol 151, Issue 4) 
LIN28은 발생 과정, 당 대사와 발암 과정에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 분자기작 수준에서 LIN28은 let-7 마이크로RNA의 신생성을 억제하고, 특정 mRNA 몇 종류의 번역을 증진하는 기능이 밝혀졌다.

이 연구에서는 LIN28의 두 paralog 중 하나인 LIN28A가 생쥐 배아 줄기세포에서 어떤 RNA를 대상으로 작용하는지 알기 위해 CLIP-seq (crosslinking immunoprecipitation-sequencing)과 리보솜 흔적 조사법 (ribosome footprinting)을 수행했다.


우리는 이 연구에서 let-7의 전구체뿐만 아니라 온전히 절단된 mRNA에도 대량으로 붙는 것을 발견했다. LIN28A는 AAGNNG, AAGNG와 비교적 적은 빈도로 UGUG를 인식하는 것으로 밝혀졌는데, 이 모티프 서열은 주로 작은 머리핀 구조의 끝 루프에 위치하였다.
또한, LIN28A이 특징적으로 조면소포체에서 번역되는 단백질에 많이 결합하여 번역을 저해하는 현상이 관찰되었는데, 여러 조사 결과 LIN28A가 예상 밖으로 조면소포체 주변에 다량 분포하고 있고, 신호인식물질(SRP)에 의해 조면소포체로 이동하여 번역되는 단백질이 아니면 LIN28A에 의해 인식되지 않는다는 사실이 밝혀졌다.

우리의 연구 결과, LIN28A는 조면소포체에서의 번역에 특이적인 번역 조절을 하고 있으며, 배아 줄기세포에서 단백질 배출 경로를 전체적인 수준에서 조절하는 의외의 기능을 갖고 있다는 사실이 제시되었다.


 
용   어   설   명

LIN28 단백질
미국 톰슨(Thomson)팀에서 성체 세포에서 줄기세포를 유도할 때 사용한 4가지 유전자 중의 하나에서 만들어지는 단백질로, 줄기세포의 특성 유지에 중요한 것으로 알려져 있다. 2009년과 2010년에 김빛내리 교수 연구팀에서 LIN28가 마이크로RNA를 조절하여 세포 발달 단계를 조절한다는 것을 밝혀냈으며, 줄기세포와 발달 초기 세포들과 아주 소수의 성체 세포에 존재한다. 한편, 암으로 발달된 세포에서 과발현되는 경우가 흔해서, 암세포가 되는 과정에서 암세포의 성장을 유도하는 요인 중 하나로 받아들여지고 있다.   

마이크로RNA (microRNA 혹은 miRNA)
마이크로RNA는 21~23 뉴클레오티드 정도 길이의 아주 작은 단일가닥 RNA이다. DNA에서 RNA로 전사된 이후 여러 단계의 프로세싱 과정을 거쳐 완성되며, 단백질로 번역되지 않고 RNA상태로 세포 내에 존재한다. 마이크로RNA는 주로 다른 유전자들의 발현을 조절하는 기능을 하는데, 자신의 염기 서열과 상보적인 메신저RNA(mRNA)에 결합하여 그 메신저RNA가 단백질로 만들어지는 과정을 억제한다. 인간에는 수백종류 이상의 마이크로RNA가 존재하며 각각이 발생, 성장, 노화, 사멸 등의 생명 현상에 관여한다. 

차세대서열분석기 (Next Generation Sequencer)
DNA 서열을 대량으로 분석할 수 있도록 개발된 분석기계. RNA도 분석할 수 있어서, 기존에 불가능했던 대단위 RNA 연구에서 최근 필수적으로 사용되고 있다.

기가베이스 (gigabase)
서열분석기에서 해독한 염기서열(4가지 알파벳으로 이루어진 문장)의 양을 나타내는 단위. 1기가베이스는 10억 글자에 해당하며, 대략 책 5천 권 정도의 정보에 해당한다. 인간 유전체 전체 길이는 3.13 기가베이스 정도다.  

조면소포체 (rough endoplasmic reticulum)
단백질 중 세포막이나 세포 밖, 세포소기관의 막, 핵막 등에 수송될 단백질들을 합성하는 세포내 소기관. 전체 단백질 중 대략 15~20% 정도가 조면소포체에서 합성되어 수송된다. 특히, 막 단백질과 세포 밖으로 수송되는 단백질을 합성하기 때문에, 세포 간 신호전달과 외부 환경 인식, 면역 반응에서 매우 중요한 역할을 담당한다.

리보솜 흔적 조사법 (ribosome footprinting)
세포내 전체 mRNA(전령RNA)에 결합된 리보솜 위치를 분석해서 모든 단백질의 합성 속도를 추측할 수 있는 방법으로, 차세대서열분석기를 활용한 최신 기법이다.

Cell지
생물학 전 분야에서 최고 권위를 인정받는 저널로 피인용지수(Impact Factor)는 32.403로 Science지(31.201)보다 높은 편이다.

 

<김빛내리 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 서울대학교 생명과학부

2. 학력
 ○ 1988 - 1992    서울대학교 학사
 ○ 1992 - 1994    서울대학교 석사
 ○ 1994 - 1998    英 Oxford University 박사
 
3. 경력사항
 ○ 1999 - 2001  美 University of Pennsylvania Postdoctoral Fellow
 ○ 2001 - 2004 서울대학교 연구조교수
 ○ 2004 - 2008   서울대학교 생명과학부 조교수
 ○ 2008 - 현재     서울대학교 생명과학부 부교수
 ○ 2007 - 2011  교과부?연구재단 지정 창의연구단장 (MicroRNA 연구단)
 ○ 2010 - 2012 교과부?연구재단 지정 국가과학자
 ○ 2012-  현재     기초과학연구원 (IBS) RNA 연구단 단장
 
4. 전문 분야 정보
 ○ 호암상 (2009)
 ○ L'Oreal-UNESCO 세계여성생명과학자상 (2008)
 ○ 올해의 여성과학자상 (2007)
 ○ 젊은과학자상 (2007)

<조준 박사과정생> 

1. 인적사항

 ○ 소속: 서울대학교 생명과학부
 
2. 학력
 ○ 2003. 03 - 2007. 02 서울대학교 생명과학부 학사 졸업
 ○ 2008. 09 - 현재 서울대학교 생명과학부 박사과정 재학 (수료)

<장혜식 박사과정생>
                                         

1. 인적사항

 ○ 소속 : 서울대학교 생명과학부                

2. 학력
 ○ 1998. 03 - 2007. 02 연세대학교 기계전자공학부 졸업 (정보산업공학전공)
 ○ 2007. 03 - 2009. 02 KAIST 바이오및뇌공학과 석사과정 졸업
 ○ 2009. 09 - 현재  서울대학교 생명과학부 박사과정 재학

3. 경력사항
 ○ 2001 - 2005  리눅스코리아(주) 솔루션개발팀 사원
 ○ 2001 - 2010 공개운영체제 FreeBSD 개발팀
 ○ 2002 - 현재   공개프로그래밍언어 Python (파이썬) 개발팀
 ○ 2004 - 현재   Python Software Foundation 지명회원
 
4. 전문 분야 정보
 ○ 소프트웨어산업발전유공자 정보통신부장관상 (2008)


 

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posted by 이재형 과학이야기

생명공학이 눈부신 발전하고 있지만 암은 여전히 정복하기 어려운 질환 중 하나입니다.

최근 암 환자 면역세포의 면역력을 증강시켜 암을 치료하는 항암면역치료제가 차세대 항암치료제로 각광받고 있습니다.

항암면역치료는 환자 자신의 면역세포를 이용하기 때문에 약물이나 방사선 치료로 인한 부작용과 항암치료에 대한 거부반응이 적고, 환자의 신체적 부담을 최소화할 수 있는 새로운 암 치료법입니다.

그러나 암세포는 면역세포의 면역력을 억제하거나 차단하여 스스로를 지키려는 특성이 있기 때문에 기존의 항암면역치료제는 암환자 면역세포의 면역력을 극대화하는데 한계가 있었습니다.

■ 대표적 항원제시세포인 수지상세포는 암세포 속에서 암 항원을 인식한 후 2차 면역기관으로 이동해 암세포를 공격하는 T세포에 암 항원 정보를 전달하고, 신호를 받은 T세포는 암세포 조직으로 이동하여 암세포의 증식을 억제합니다.

따라서 항암면역세포의 효능을 높이기 위해서는 수지상세포의 면역을 활성화하는 것이 무엇보다 중요합니다.

그러나 암세포 속의 수지상세포는 활성화를 억제하는 분자(STAT3) 등에 의해 활성화가 억제되어 면역 활성화에 어려움이 있었습니다.
 
또한 항암면역세포 치료를 위해서는 외부에서 환자의 암에 대한 항원 정보를 수지상세포에 전달해주는 과정이 필요한데, 기존의 치료법은 암 항원이 알려진 일부 암 치료에 국한되어 있어 항암면역세포 치료법의 보급화에도 문제가 되었습니다.  

■ 충남대 임용택 교수 및 김지현, 노영욱 박사팀이 나노기술을 이용해 환자의 면역세포로 항암 치료의 효능을 높이는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 면역세포를 활성화하는 면역증강물질인 단편 DNA와 면역억제 유도 유전자를 파괴하는 RNA(작은 간섭 RNA)로 나노컨쥬게이트(나노복합체)를 만들고 암 치료 효능을 극대화한 신개념 항암면역세포 치료제를 개발했습니다.

연구팀은 면역력을 높이는 단편 DNA를 넣어 수지상세포를 활성화하고, STAT3를 파괴하는 작은 간섭 RNA를 결합하여 외부에서 암 항원 정보를 제공하지 않아도 항암효과를 극대화한 나노컨쥬게이트의 원천기술을 개발하는데 성공했습니다.

또 치료효과를 쉽게 확인할 수 있도록 면역을 활성화하는 분자에 근적외선 형광 나노조영제를 결합하고 외부를 생체친화성 고분자로 포장함으로써, 면역세포 활성화 분자를 암세포 주위의 면역세포에 효과적으로 전달되도록 제조해 항암면역치료 효과를 더욱 높였습니다.

연구팀이 암이 유발된 생쥐에 하이브리드 나노컨쥬게이트를 투여한 결과, 기존의 면역증강제(CpG ODN)만을 투여한 것에 비해 암 치료율이 3~8배 높아졌습니다.

이번 연구는 항암면역기능을 담당하는 두 분자(단편 DNA와 작은 간섭 RNA)를 결합하여 기존의 항암면역치료제보다 암 치료 효과를 최소 3배 이상 높인 것으로, 항원이 알려진 암이나 질병 치료에만 쓰이던 기존의 항암면역세포 치료제의 한계를 극복하고 다양한 암과 질병 치료에 두루 활용할 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'지 9월 18일자에 게재되었습니다.
(논문명: Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Oligonucleotides and Enhanced Antitumor Immunity)

하이브리드 나노컨쥬게이트의 항암면역세포치료 개념도

(a) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 항암면역세포치료의 메커니즘을 보여주는 사진. 하이브리드 나노컨쥬게이트에 의해 암세포 조직 내 수지상세포가 활성화되고 2차 면역기관으로 이동하여 T 세포의 항암치료기능을 증가시킨다. 이 T 세포가 암세포 조직으로 침투하여 암세포를 공격, 암 치료 효과가 나타난다.
(b) 하이브리드 나노컨쥬게이트의 구조. 이미징 조영제에 linker를 이용하여 STAT3 siRNA와 CpG ODN을 결합하고 이를 항암면역세포치료제로 활용함.

하이브리드 나노컨쥬게이트 항암면역치료제의 치료 효과

(a) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 후 (하얀색 화살표) 72시간 내에 암세포 조직 주변 면역기관 (림프절) 오로(하얀색 삼각형) 이동되었음을 보여줄 수 있는 근적외선 형광 이미징 사진. (b) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 48시간 후 암세포 조직 주변 림프기관에서 분리한 수지상세포에서 STAT3 유전자 발현이 억제되었음을 증명해주는 사진.
(c) 하이브리드 나노컨쥬게이트에 의해 수지상세포의 사이토카인 생성이 증가됨을 보여주는 사진.
(d) 하이브리드 나노컨쥬게이트를 암이 유발된 실험동물에 투여 후 20일 이내에 암세포의 성장이 억제되는 치료효과가 나타남을 증명해주는 사진.

 

<연 구 개 요>

Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity
Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim
(Angewandte Chemie)

암의 치료를 위하여, 과거에서부터 현재까지 수술이나 항암화학요법, 방사선요법 등의 방법을 주로 이용해 왔으나, 2000년대에 들어서면서 부작용과 항암치료에 대한 거부반응이 적어 환자의 신체적 부담을 최소화 할 수 있는 암 치료 방법으로 면역세포를 이용한 면역치료방법이 큰 관심을 받고 있다.
특히, 수지상세포에 기반을 둔 암 치료는 수지상세포가 직접 암세포를 공격하는 것이 아니라, 암세포 조직 내에서 활성화된 수지상세포가 2차 림프기관으로 이동하여 실제적으로 암을 공격할 수 있는 T 세포 (CTL) 등에 정보를 전달하여 암의 사멸을 유도하는 치료기법이다.
효과적인 항암면역세포 치료를 위해 Toll like receptor (TLR)를 통한 수지상세포의 활성화가 반드시 필요한데, 암세포 조직 내의 수지상세포는 STAT3와 같은 분자들에 의해 활성화가 억제되어 있다.

이 연구에서는 다기능성 나노입자를 이용하여 생체 내 가장 강력한 항원제시세포인 수지상세포 (dendritic cell)를 활성화시켜 항암치료 효과를 증진시키고자 하였다.
효과적인 항암치료를 위한 수지상세포를 활성화시키기 위하여, TLR을 통한 수지상세포의 활성화를 유도하는 면역증강제인 CpG ODN을 사용하였고, 활성화를 억제하는 분자인 STAT3를 siRNA라는 RNAi 기법으로 발현을 억제시킴으로써, 더욱 효과적으로 활성화를 유도하였다.

또한, 본 연구에서는 근적외선 영역대에서 in vivo 추적이 가능한 양자점 (Quantum dot)에 CpG ODN과 STAT3 siRNA를 부착하고, 이를 생체친화성 나노입자 내에 봉입하여 하이브리드 나노컨쥬게이트 (hybrid nanoconjugates; HNCCpG-STAT3siRNA)를 형성하였다.
이 입자는 수지상세포내로 잘 uptake되도록 PLGA 고분자 물질을 이용하여 제작되었고, 세포내 리소좀 (lysosome)에서 STAT3 siRNA가 효과적으로 세포질 내로 방출되도록 SPDP Cleavable linker을 사용하여 수지상세포의 STAT3의 발현 억제를 효과적으로 유도하였다.
또한, 동물실험에서 근적외선 영상을 통해 하이브리드 나노컨쥬게이트를 수지상세포가 주로 uptake 하였음을 증명하였고, 수지상세포가 2차 림프기관으로 이동하는 현상을 추적할 수 있었으며, 2차 림프기관으로 이동한 수지상세포는 T세포 기반 항암 면역 유도에 중요한 사이토카인 물질인 IL-12, TNF-α, IL-6등이 발현 및 생산하는 것을 확인하였다.
실제적으로 암이 유발된 실험동물에 하이브리드 나노컨쥬게이트를 투여하여 면역증강제인 CpG ODN만을 투여한 실험동물에 비해 암치료율을 월등히 높일 있음을 증명하였다.

이러한 결과를 종합해 볼 때 하이브리드 나노컨쥬게이트를 이용하여 강력한 항암면역세포인 수지상세포를 활성화시켜 항암치료 효과를 증진시킬 수 있었으며, 근적외선 형광영상기법을 이용하여 항암면역세포 치료과정을 모니터링 할 수 있음을 확인하였다.
이는 기존의 항암면역치료제의 개선점인 면역세포의 활성화 효율을 높이는 어려움을 해결해주고, 항암면역치료제의 치료과정을 모니터링 함으로써, 치료 효과를 쉽게 확인할 수 있다는 장점이 있음을 보여주고 있다.
또한, 기존의 항암면역세포 치료는 항원이 알려진 암 또는 질병의 치료에 국한되어 있는 반면, 이런 다기능성 나노입자를 이용한 면역세포 치료기술은 다양한 암 및 질병 치료를 위해 광범위하게 응용할 수 있을 것으로 생각된다.


 용   어   설   명

수지상세포 (dendritic cell)
강력한 항원전달세포(antigen-presenting cell) 중의 하나이며, 수상돌기처럼 막의 돌기를 가진 면역세포.
인체에 바이러스, 세균 등 감염이나 종양과 같은 비정상적인 세포가 생겼을 때 이를 인식하고, T-세포에 정보를 제공하여 공격을 유도한다.

면역증강제 
질병을 치료, 혹은 예방하기 위하여 생체의 면역기능을 보강, 증강해주는 면역치료제의 한 종류이다.
특히, 면역세포 표면에 있는 톨유사수용체에 특이적으로 반응하여 면역활성을 증가시켜주는 물질이 많이 이용되고 있다.
면역증강제가 (TLR: Toll-like receptor)가 발현되어 있는 면역세포 (대식세포, 수지상세포) 들을 활성화시켜 사이토카인들의 분비를 촉진시키고,  T 세포 또는 B 세포의 면역반응을 유도한다.

사이토카인
면역세포에서 주로 생성 및 분비되어 신체의 방어체계를 제어하고 면역 반응을 조절하는데 관여하는 신호전달 인자이다.
일반적으로 인터루킨 인터페론, 세포증식 및 분화인자 등 면역에 관련되어 있는 저분자 단백질이 많이 알려져 있다.

단편 DNA
박테리아나 바이러스로부터 유래된 특정 염기 서열 (CpG)을 갖고 있는 올리고 핵산 (ODN)으로 면역세포 표면에 있는 톨유사수용체 9 (TLR9)와의 상호작용으로 면역 활성화를 증가시키는 면역증강물질이다.
이 단편 DNA는 TLR9이 발현되어 있는 면역세포 (대식세포, 수지상세포) 들을 활성화시켜 면역반응 조절 인자인 사이토카인들의 분비를 촉진시키고, T 세포의 면역치료 능력을 증가시킨다.

STAT3 siRNA
작은 간섭 RNA (siRNA)는 목표 유전자에 달라붙어 해당 유전자의 발현을 억제하며, 이를 '작은 RNA 간섭(siRNA)'현상이라고 한다.
즉 RNA를 암이나 바이러스 등 유전자에 인위적으로 달라붙게 해 해당 유전자를 억제하면 질병을 치료하는 등 다양하게 생명현상을 조절할 수 있다.
특히, STAT3 (Signal transducer and activator of transcription-3)는 면역세포의 활성화를 통한 사이토카인 등 면역관련 신호전달 물질의 발현을 조절하는 분자로 siRNA에 의해 STAT3의 발현이 억제되면 면역 활성화가 증가되는 현상을 보이고 있다. 

나노컨쥬게이트
면역증강물질인 단편 DNA와 STAT3를 파괴하는 작은 간섭 RNA를 근적외선 형광입자인 양자점 나노입자에 결합한 후 외부를 생체 친화성 고분자로 포장하여 나노크기의 구조적 특성을 나타내는 나노복합체이다.
나노컨쥬게이트는 면역세포를 활성화하여 항암면역능력을 증가시키고 근적외선 형광을 통해 생체내의 치료과정을 모니터링 할 수 있는 다기능성 나노복합체이다.

Angewandte Chemie
응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

 

<임용택 교수>

1. 인적사항 


○ 소 속 : 충남대학교 분석과학기술대학원

2. 학력

○  1992 ~ 1996 : 서강대학교 학사  (화학공학)
○  1996 ~ 1998 : 한국과학기술원 석사  (생명화학공학)
○  1998 ~ 2002 : 한국과학기술원 박사  (생명화학공학)
 
3. 경력사항
○ 2002 ~ 2003 : Harvard Medical School, Postdoctoral Associate
○ 2002 ~ 2003 : MIT, Postdoctoral Associate
○ 2003 ~ 2004 : 한국전자통신연구원(ETRI), 선임연구원
○ 2004 ~ 2009 : 한국생명공학연구원(KRIBB), 선임연구원
○ 2009 ~ 2012 : 충남대학교 분석과학기술대학원, 부교수

4. 주요연구업적
1. Young-Woock Noh, Seong-Ho Kong, Doo-Yeol Choi, Hye Sun Park, Han-Kwang Yang, Hyuk-Joon Lee, Hee Chan Kim, Keon Wook Kang, Moon-Hee Sung, and Yong Taik Lim*, "Near-Infrared Emitting Polymer Nanogels for Efficient Sentinel Lymph Node Mapping", ACS Nano in press

2. Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim*, "Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity", Angewandte Chemie International Edition in press

3. Hyun Min Kim, Young-Woock Noh, Hye Sun Park, Mi Young Cho, Kwan Soo Hong, Hyunseung Lee, Da Hye Shin, Jongeun Kang, Moon-Hee Sung, Haryoung Poo, and Yong Taik Lim*, "Self-Fluorescence of Chemically Crosslinked MRI Nanoprobes to Enable Multimodal Imaging of Therapeutic Cells, Small, 2012, 8(5), 666-670.

<김지현 연구원>

1
. 인적사항 
○ 소 속 : 충남대학교 분석과학기술대학원 

2. 학력
○  2005 ~ 2008 : 부경대학교 학사  (생물공학과)
○  2010 ~ 2012 : 충남대학교 석사  (분석과학기술대학원)
 
3. 경력사항
 ○ 2009 ~ 2010 : POSTECH, 생명공학연구센터, 연구원
 ○ 2012 ~ 2012 : 충남대학교 분석과학기술대학원, 연구원

4. 주요연구내용
1. Ji Hyun Kim, Young-Woock  Noh, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim, "Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity", Angewandte Chemie International Edition in press

2. Yong Taik Lim, Sang-Mu Shim, Young-Woock Noh, Kyung-Soon Lee, Doo-Yeol Choi, Hiroshi Uyama, Hee Ho Bae, Ji Hyun Kim, Kwan Soo Hong, Moon-Hee Sung, and Haryoung Poo, "Bio-derived Polyelectrolyte Nanogels for Robust Antigen Loading and Vaccine Adjuvant Effects", Small, 2011, 7(23), 3281-3286.

<노영욱 박사>

1. 인적사항 
○ 소 속 : 충남대학교 분석과학기술대학원

2. 학력

○  1995 ~ 2002 : 전북대학교 학사  (생물학)
○  2002 ~ 2004 : 전북대학교 석사  (생물학)
○  2006 ~ 2010 : 전북대학교 박사  (생물학)
 
3. 경력사항
○ 2004 ~ 2005 : 한국생명공학연구원, 연구원
○ 2005 ~ 2006 : 숙명여자대학교, 연구원
○ 2010 ~ 2012 : 충남대학교 분석과학기술대학원, Post-Doctoral fellow

4. 주요연구업적

1. Young-Woock Noh, Seong-Ho Kong, Doo-Yeol Choi, Hye Sun Park, Han-Kwang Yang, Hyuk-Joon Lee, Hee Chan Kim, Keon Wook Kang, Moon-Hee Sung, and Yong Taik Lim*, "Near-Infrared Emitting Polymer Nanogels for Efficient Sentinel Lymph Node Mapping", ACS Nano in press

2. Ji Hyun Kim, Young-Woock Noh1, Min Beom Heo, Mi Young Cho and Yong Taik Lim*, "Multifunctional Hybrid Nanoconjugates for Efficient In Vivo Delivery of Immunomodulating Biomolecules and Enhanced Antitumor Immunity", Angewandte Chemie International Edition in press (1: co-first author in this paper)

3. Hyun Min Kim, Young-Woock Noh1, Hye Sun Park, Mi Young Cho, Kwan Soo Hong, Hyunseung Lee, Da Hye Shin, Jongeun Kang, Moon-Hee Sung, Haryoung Poo, and Yong Taik Lim*, "Self-Fluorescence of Chemically Crosslinked MRI Nanoprobes to Enable Multimodal Imaging of Therapeutic Cells, Small, 2012, 8(5), 666-670. (1: co-first author in this paper)

 

 

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posted by 이재형 과학이야기

간은 체내의 대사활동이 정상적으로 이루어지도록 지휘하는 역할을 하는데, 이를 위해 소량의 지방을 축적합니다.

그러나 비만으로 간에 지방이 크게 축적되면, 지방간에 이르게 됩니다.

하지만 지금까지 대사증후군에서 간의 지방축적이 과도하게 일어나는 원인이 충분히 밝혀지지 않았고, 특히 서구화된 고지방 식품 섭취가 지방간에 어떠한 영향을 미치는지를 명확히 설명하기에는 한계가 있었습니다.

이런 가운데 비만과 당뇨, 고혈압, 고지혈증 등 대사증후군이 급격히 증가하면서 현대인의 건강을 크게 위협하고 있습니다.

세계 인구 5명 중 1명이 대사증후군일 정도로 이는 사회적, 의료적인 문제가 되고 있고, 이를 방치하면 심뇌혈관 질환 등의 부작용이 발생해 사망에 이를 수 있습니다.

특히 대사증후군에 흔히 동반되는 간지방증(비알콜성 지방간)은 당뇨병의 위험을 증가시키거나 간염과 간경변증 등 심각한 간 질환으로 이어질 수 있어 예방과 치료를 위해 집중적으로 연구되고 있습니다. 

연세의대 김재우 교수(45세, 교신저자)와 이유정 박사(제1저자)가 만성적인 대사 장애와 함께 나타나는 비알콜성 지방간에서만 지방 축적을 촉진하는 효소(MGAT1, 엠겟원)를 발견했습니다.

이에 따라 향후 비알콜성 지방간뿐만 아니라 대사증후군도 동시에 완화할 수 있는 치료법 개발에 단초가 열였습니다.

MGAT1(모노아실 글리세롤 아실 트랜스퍼라제, monoacylglycerol acyltransferase)은 간에 중성지방이 축적되는 정상적인 경로와는 달리 모노아실 글리세롤에서 직접 중성지방을 합성하는 효소입니다.

연구팀은 MGAT1이라는 효소가 지방간에서만 유독 과도하게 발현된다는 사실을 동물실험으로 밝혀냈습니다.
 
특히 MGAT1이 정상적인 간에는 거의 나타나지 않지만, 지방간이 유발되면 이 효소로 지방 축적이 크게 증가함을 규명하였습니다.

또한 아데노바이러스 기법으로 이 효소의 발현을 억제하면, 식이에 의한 지방간이 크게 완화됨도 확인했습니다.

아울러 고지방 식이를 하면 파파감마라 불리는 핵수용체 감마형 PPAR에 의해 MGAT1이 증가된다는 것도 확인했습니다.

즉, 고지방 식품을 섭취하면 감마형 PPAR에 의해 MGAT1이 증가하여 지방간의 지방축적을 촉진할 수 있다는 것입니다.

연구팀은 MGAT1을 억제하면 혈당조절기능이 개선되고 체중도 감소하는 것을 동물실험으로 관찰하여, 향후 이 효소를 억제하면 지방간을 감소시키면서 동시에 대사증후군도 완화시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

MGAT1 억제에 의해 간의 지방축적(흰색 방울 모양)이 현저히 감소함을 보여주는 현미경 사진

이번 연구는 지방간과 관련된 기존의 연구가 탄수화물 대사와 연결된 지방산 합성에만 집중되었음에 반해 고지방 식이의 경우에는 중성지방의 합성 경로(MGAT1 효소 포함)가 크게 작용함을 새롭게 밝혔냈습니다.

또 정상적인 간에는 존재하지 않지만 비알콜성 지방간에서만 유독 발현되는 효소(MGAT1)를 발굴하여, 향후 효과적인 치료제 개발에 기반을 마련했습니다.

이를 토대로 정상적인 간의 기능과 체내 대사에 영향을 주지 않으면서 과도한 지방의 축적을 억제할 수 있게 될 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 '미국립과학원회보(PNAS)' 8월 21일자에 게재되었습니다.
(논문명: Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis)


 

<연 구 개 요>

Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis
Yoo Jeong Lee, Eun Hee Ko, Ji Eun Kim, Eunha Kim, Hyemin Lee, Hyeonjin Choi, Jung Hwan Yu, Hyo Jung Kim, Je-Kyung Seong, Kyung-Sup Kim, and Jae-woo Kim
(PNAS, 2012.08.21 vol. 109, no. 34, pp13656-13661)
이유정, 고은희, 김지은, 김은하, 이혜민, 최현진, 유정환, 김효정, 성제경, 김경섭, 김재우
Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America,
109(34) 13656-13661, Aug 21, 2012


I. 서   론
 
 대사증후군은 복부비만, 고지혈증, 고혈압, 간지방증, 고혈당(당뇨병) 등이 함께 동반되는 질병으로 그 발병 빈도가 급격히 증가하고 있다.
흔히 "성인병"으로 알려진 이들 질병이 서로 연관되어 있음을 인지하고 이를 "대사증후군"이라 명명하였으며, 전 인구의 5명 중 1명이 적어도 두 개 이상의 요소를 앓고 있을 정도로 사회적, 의료적으로 큰 문제가 되고 있다.
대사증후군은 방치할 경우 심혈관이나 뇌질환을 비롯한 각종 합병증으로 결국 사망에 이르게 된다.

 
대사증후군에서 흔히 발견되는 비알콜성 지방간 질환은 간에 과도한 지방이 축적되는 병이며, 이는 대사증후군의 발병과 악화에 관여한다고 알려져 있다.
또한 지방간이 지속되면 지방간염이나 간경변증 등 돌이킬 수 없는 간 손상을 유발할 수도 있기 때문에 지방간의 원인과 치료에 많은 연구가 집중되어 왔다.
그 결과로 간에서 지방을 축적하는 경로가 밝혀졌고, 그 경로를 조절하는 대표적인 전사인자로서 sterol regulatory element-binding protein 1c (SREBP1c)와 carbohydrate responsive element-binding protein(ChREBP)가 소개되었다. 이들 전사인자는 지방대사에 관여되는 각종 효소들의 발현을 유전자 수준에서 증가시켜 지방 축적을 증가시키게 된다.

간은 체내 대사를 총괄하는 중심 장기이며, 체내 지방대사의 센터인 만큼, 간 자체에도 지방을 소량 저장할 수 있다. 물론 체내에서 가장 큰 지방 저장고는 지방조직이며, 비만은 주로 지방세포의 수가 증가하거나 커지는 것에 의한다. 비만이 유발되면 체내의 전체 지방 총량이 증가하기 때문에 간에서도 지방 저장이 증가하게 되며, 이것이 바로 지방간의 원인이라 생각되고 있다.

 
지방간에서 축적되는 중성지방은 글리세롤에 지방산이 3개가 결합된 모양을 가지고 있다. 간에서 중성지방이 축적되는 경로는 3가지로 나눌 수 있다.
첫째는 지방산의 합성 경로, 둘째는 지방산의 세포내 수송 경로, 셋째는 지방산과 글리세롤로부터 중성지방의 합성 경로이다. 그런데, 앞서 말한 SREBP1c와 ChREBP는 주로 지방산의 합성 경로의 효소들을 주로 발현시킨다.
앞서 말한 세 가지 경로 중 지방산의 합성은 탄수화물로부터 지방산이 합성되는 것을 의미하기 때문에, 서구화된 식이로부터 발병하는 고지방 섭취형 지방간을 설명하기에는 한계가 있다.
이미 체내에서 섭취한 지방산의 양이 증가한 경우에는 지방산 합성 경로가 큰 기여를 하지 못할 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 과거 이삼십년 이상 간지방증은 SREBP1c나 ChREBP를 주축으로 설명되어 왔다.

  위 두 전사인자가 정상적으로 간에 존재하는 것에 반해, 또 다른 전사인자인 PPARγ는 정상적인 간에는 존재하지 않기 때문에 몇 년 전까지만 해도 간지방증 연구에서 거의 무시되어 왔다.
PPARγ는 원래 지방조직에서 지방 축적을 진두지휘하는 전사인자이다.
그런데, 이 전사인자가 지방간에서 발견되고 역할을 한다는 사실이 최근 몇 년 사이에 대두되었다.
또한 PPARγ가 간에서 증가할 경우 (원래 간에는 없고 지방조직에 많은) 지방세포 특이 유전자들이 간에도 발현된다는 사실이 밝혀졌다.
이들 결과는 PPARγ가 실제로 임상에서 발견되는 지방간에 더 중요할지도 모른다는 근거를 제시하고 있다.
그러나 지방간과 PPARγ의 연관성 연구는 두 가지 측면에서 제한점을 가지고 있었다.
첫째는 PPARγ 관련 연구가 유전자 변형 동물(genetically modified animal)에서 주로 이루어져 실제로 자연스런 지방간 모델에서 이루어지지 못했고, 둘째는 이들 연구가 PPARγ의 주된 활동 장소인 지방조직의 영향을 거의 배제하지 못했다는 점이다.

 
본 연구팀은 마우스의 여러 종에서 대사 질환의 차이를 연구하던 중, 마우스의 어떤 종(C3H 마우스)에서는 고지방 식이를 해도 지방간이 유발되지 않음을 발견하였다.
이 모델의 특성을 이용하여 위에 설명한 "지방간과 PPARγ의 관련성"을 자연적인 모델에서 입증할 수 있었으며, 나아가 PPARγ에 의해 발현되는 유전자 분석을 통해 MGAT1이라는 유전자의 새로운 기능을 규명하게 되었다.

 
II. 본   론

1) PPARγ가 고지방 식이 후의 지방간 발병에 중요함을 입증한 결과

마우스에 고지방 식이를 하면 살이 찌게 되고 혈당에 이상이 오며 지방간이 유발되기 때문에 당뇨/비만 연구 모델로 널리 이용되고 있다. 실험에 이용되는 여러 가지 마우스 종(species) 중에서 보통 C57BL/6(B6 마우스라 부름)가 가장 비만과 당뇨가 잘 유발되는 것으로 알려졌다.
그 후 B6 마우스와는 다른 반응을 보이는 다른 종에서 왜 식이에 다른 반응을 보이는지에 대한 연구가 산발적으로 이루어졌다.

 
본 연구의 기초가 된 것은 B6 마우스와 C3H 마우스의 대사 반응과 질병 유발의 차이를 발견한 것이다. 고지방식이(high fat diet, HF)를 하였을 때 C3H 마우스에서는 B6와 달리 비만에 의한 고혈당 현상이 일어나지 않고, 지방간이 나타나지 않았다.
C3H의 체중 증가는 내장지방보다는 주로 피하지방의 증가에 의한 것으로 보였기 때문에 C3H 마우스는 임상에서 비만이지만 대사적으로 위험하지 않은 마우스 모델이라 할 수 있다는 새로운 대사질환 마우스 모델을 제시하게 되었다.

 
두 마우스 종간의 가장 커다란 분자적 차이는 C3H mice의 간에서 PPARγ가 발현되지 않는다는 것이며, 이에 의해 지방간 발병 여부가 달라지는 것으로 생각되었다. (Fig. 1 설명 참조)

그림에서 A는 B6와 C3H에서 모두 고지방 식이를 하면 체중이 상당히 증가하는 결과를 보여주고 있다.
그러나 B에서 보듯이 C3H는 고도 비만에도 불구하고 혈당이 정상으로 유지되고 있다.
C와 D에서 보듯이 C3H는 간에 지방 축적이 없다(이 그림에서 지방은 빨간 색으로 염색되어 있음). E에서 B6 마우스는 지방간과 함께 PPARγ 발현이 매우 증가하지만, C3H 마우스는 PPARγ 발현이 전혀 보이지 않고 있다.

그 이후로 PPARγ가 발현되지 않는 C3H 마우스에 PPARγ를 발현시키면 지방간이 유발되는지를 확인하였고, PPARγ를 발현할 수 있는 아데노바이러스를 제조하여, 이를 마우스의 꼬리정맥으로 주입하고 그 결과를 관찰하는 실험도 시행하였다.
간에 PPARγ를 과발현한 경우 타겟 유전자인 aP2/422, CD36, ADRP와 같은 유전자들의 발현이 관찰된 것은 기존 발표된 연구와 상응하였다.
이들 유전자는 원래 간에 발현하지 않고 지방세포에 발현되는 유전자이나, PPARγ에 의해 간에서 발현되는 것으로 알려졌다.
또한 이들 유전자의 발현과 함께 간에서 지방 축적이 매우 높은 수준으로 증가하고 있음을 밝혀, PPARγ가 지방간의 발생에 핵심 역할을 한다는 것을 직접적으로 증명하였다.

2) 지방간에서 MGAT1이 발현됨을 규명한 결과

위 모델에서 간의 지방 축적의 차이를 직접 분석하기 위해서 mRNA microarray를 실시하고, 이에 따라 지방 축적에 영향을 미치는 유전자를 (1) 지방산 합성 경로, (2) 지방산 수송, (3) 중성지방의 합성 경로에 따라 분류하여 그 발현 정도를 분석하였다.
이렇게 하여 B6 마우스에서 지방 축적이 크게 증가하는, 혹은 C3H 마우스에서 지방 축적이 잘 되지 않는 원인이 되는 유전자를 파악하려 하였다.
 

 


위 표에서 분석한 결과 SREBP-1c에 의해 조절되는 지방산 합성 유전자들보다는 지방산 수송이나 중성지방 합성에 관여하는 몇 가지 유전자의 증가가 관찰되었다.
이 중에서 MGAT1은 간 지방증에서의 역할이 거의 알려져 있지 않은 신규 타겟 유전자로 생각되어 연구를 집중하게 되었다.
그 결과, MGAT1은 PPARγ 전사인자에 의해 발현되는 것으로 밝혀졌다. PPARγ의 과발현시에 MGAT1의 발현이 증가하였고, MGAT1이 PPARγ의 새로운 타겟 유전자임을 증명하기 위해 promoter assay를 시행하여 MGAT1의 promoter 상에 PPRE가 존재하여 PPARγ가 활성을 조절함을 밝혔다.
또한 EMSA와 ChIP assay를 통해 MGAT1은 PPARγ의 직접 조절 유전자임을 새롭게 밝혔다. 이런 실험들은 모두 전사인자와 그에 의한 조절 유전자의 직접 연관성을 증명할 때 반드시 보여야 하는 결과들이다.
모두 MGAT1이 PPARγ에 의해 직접 조절된다는 사실로 요약할 수 있으며, 본 연구팀이 최초로 밝힌 사실이다.
이 결과로 인해 지방간에서 (1) MGAT1의 중요성, (2) 중성지방 합성경로의 중요성, (3) PPARγ의 중요성이 서로 연관성을 가지면서 각각 증명된 셈이다. 더구나, MGAT1과 PPARγ는 정상적인 간에는 발현이 되지 않는다는 사실도 규명하였다. (Fig. 3 설명 참고)


그림에 보여주는 결과는 모두 MGAT1이 PPARγ에 의해 직접적으로 조절됨을 증명하고 있다. 특기할 만한 사실은 그림의 A에서 보여지듯이 MGAT1이 "정상적인 간에서는 거의 발현이 없다"라는 사실이다.
지방간이 없는 C3H 마우스는 물론이고, B6 마우스에서도 정상에서는 MGAT1의 발현이 없다. 그러나 B6 마우스의 고지방식이(HFD)-지방간에서는 MGAT1이 크게 증가한다.
이 결과로 고지방식이-PPARγ-MGAT1이 모두 연결되어 있음을 증명하였다.

3) MGAT1을 억제하는 경우 지방간이 감소함을 규명한 결과

MGAT1을 억제하는 경우 지방간을 감소시킬 것으로 예상하고 MGAT1의 발현을 억제할 수 있는 아데노바이러스-shRNA 시스템을 셋업하였으며, 다음과 같이 3가지의 모델에서 이를 조사하였다.
(1) PPARγ의 과발현에 의한 지방간 모델, (2) 고지방 식이에 의해 발생한 지방간 모델, (3) 유전적으로 비만이 초래된 ob/ob mice의 지방간 모델에서 그 억제 효과를 관찰하였다.

 
그 결과, 3가지 모델에서 모두 MGAT1을 억제하였을 때 지방간이 드라마틱하게 감소하였다.
이는 MGAT1이 고지방 식이에 의한 지방간 발생을 억제할 수 있는 새로운 치료 타겟이 될 수 있음을 의미하는 매우 중요한 결과이다.
또한 혈당조절 역시 개선되었음을 포도당 부하 검사 결과로 확인할 수 있었고, 체중도 감소함을 보였다. (Fig. 6 설명 참조)

그림에서 A는 실험 모델을 설명한다.
12주 동안 고지방식이를 하여 비만/당뇨/지방간을 유발해 놓고, 여기에 MGAT1 억제바이러스를 주입한 후 1주일 후 쥐를 희생하여 실험하였다.
C에서 보듯이 간의 지방축적(하얀 방울로 보임)이 많이 감소하였다. F는 체중도 감소함을 보여주고 있고, G는 혈당조절도 개선됨을 보여주고 있다.
비슷한 실험 결과를 ob/ob 마우스에서도 얻을 수 있었다. 이는 모두 MGAT1 억제의 지방간 치료 효과를 보여주고 있다.

4) 결과의 요약과 지방간의 메커니즘의 설명

본 논문에서는 이 결과를 바탕으로 고지방식이에 따른 지방간의 메커니즘을 제시하였다. 즉, 정상적인 간에서는 SREBP와 ChREBP가 작용하고, 이들은 생리적 범위 내에서 지방 합성 및 지방 축적을 하게 된다.
특히 탄수화물을 지방산으로 변화시켜 간의 지방 축적을 담당하게 된다. 그러나 이들 전사인자들이 조절하는 지방 대사 경로는 적어도 고지방식이에 의한 지방간에서는 큰 역할을 하지 못하는 것으로 보인다.

고지방식이로 체내에 지방산이 증가한 상황에서는 (정상 간에서 없는) PPARγ의 발현이 증가하게 되며, 이로 인해 지방산 수송 및 중성지방 합성 경로가 증가하는 것으로 생각된다.
중성지방 합성은 정상적으로는 발현이 없는 MGAT1이 크게 증가하기 때문이라고 보이며, 따라서 이 효소가 치료를 위한 주 타겟이 될 수 있을 것으로 전망할 수 있다. (Fig. 7 설명 참조)

그림에서 중앙에 그려진 GPAT, AGPAT, DGAT은 간의 정상 기능을 위해 존재하는 "클래식 중성지방합성 경로"이다. (아직 더 증명을 해야 하지만) 이 클래식 경로는 지방간이 되었을 때도 기능이 크게 증가하는 것 같지는 않다.
고지방식이를 했을 때는 PPARγ가 증가하여 (그림에서 핵-nucleus- 내에서) 여러 유전자의 발현을 증가시키는데, 이 중에 MGAT1은 "대용적(alternative) 중성지방합성 경로"를 증가시키게 된다.
바로 이 대용적 경로가 증가하는 것이 고지방식이에 의한 지방축적 증가의 근본적인 원인이라 생각된다.
따라서 MGAT1을 억제하게 되면 이런 대용적 경로를 원천 차단하게 되어 중성지방 합성을 감소할 수 있게 되는 것으로 생각된다.

 

III. 결   론

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 서구화된 식생활과 유사한 고지방식이에서 초래되는 지방간에서는 기존에 알려진 지방산 합성과정보다는 지방산 수송이나 중성지방 합성 경로가 더 큰 기여를 하며, 이 경로는 PPARγ에 의해 촉진된다.
둘째, PPARγ는 정상적으로는 간에 발현이 미약하지만, 고지방식이에 의해 활성화되어 지방 축적과 관련된 여러 유전자의 발현을 유도한다.
셋째, PPARγ는 알려진 몇 가지 유전자와 함께 MGAT1의 발현을 증가시키며, MGAT1은 중성지방 합성을 크게 촉진시킨다. 넷째, MGAT1을 억제하였을 때 지방간 모델에서 중성지방의 축적이 크게 감소하는 치료 효과를 보였다.

따라서 결론적으로 본 연구에서 아직까지 알려지지 않았던 지방간 질병에서의 지방대사 경로를 제시하였고, 그 경로가 매우 훌륭한 치료 타겟이 될 수 있음을 증명한 것이 본 연구의 핵심이라 하겠다.



 용   어   설   명


비알콜성 지방간 질환(NAFLD)
간에 지방이 과도하게 축적되는 것을 지방간(fatty liver) 혹은 간 지방증(hepatic steatosis)이라고 한다.
지방간의 큰 원인 중의 하나는 알콜 섭취인데, 이 경우는 임상적, 병리학적으로 구분할 수 있어 이를 알콜성 지방간이라 하며, 나머지 경우를 비알콜성 지방간으로 정의하였다.
비알콜성 지방간의 가장 큰 원인은 대사증후군이다. 간지방증(hepatic steatosis)이 지속되면 지방간염(steatohepatitis)으로 발전되고, 더 진행되면 간경변증(liver cirrhosis, 흔히 간경화증이라고도 하나 잘못된 용어임)이 되기도 하여 이 세 가지를 묶어 비알콜성 지방간 질환 [non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD)]라고 부른다.

중성지방 (triacylglycerol 혹은 triglyceride)
생명체가 함유한 지방은 매우 다양한 종류가 있으나, 임상적으로 주로 관심의 초점이 되는 것은 "중성지방"과 "콜레스테롤"이다.
중성지방은 글리세롤(glycerol) 한 분자에 지방산(fatty acid) 3분자가 결합된 모양을 가지고 있어서 tri-(3개를 의미) acyl-(지방산결합을 의미) glycerol(글리세롤)이라 부른다.
중성지방은 우리 몸에서 에너지원으로서의 지방을 저장하는 기본 형태이다.
섭취한 지방은 주로 지방조직에 중성지방의 형태로 저장되며, 필요할 때에는 중성지방에 붙어있는 3개의 지방산을 분리하고, 지방산은 미토콘드리아에서 지방산 산화를 거쳐 에너지인 ATP를 만들게 된다.

전사인자(transcription factor)
우리 몸에서 기능하는 단백질들은 유전자 발현을 통해 만들어진다.
유전 정보의 흐름은 DNA(유전자)-mRNA-단백질로 연결된다는 것이 잘 알려진 사실이다.
각 유전자에는 유전자에서 mRNA(messenger RNA)를 만들 것인지를 실질적으로 조절하는 부위가 있는데, 이를 프로모터(promoter)라 한다.
이 프로모터에 결합해서 유전자 발현을 조절하는 것이 전사인자이다.
요약하면, 어떤 필요에 의해 (1) 전사인자가 유전자 프로모터에 결합하고 (2) mRNA을 많이 만들고 (3) 단백질이 많이 합성되어 (4) 세포의 기능이 변하게 되는 것이다.
하나의 전사인자 발현이 여러 단백질의 발현을 이끌어 세포의 기능 방향을 결정할 수 있기 때문에 최근 이삼십년 동안 전사인자의 발굴과 규명에 많은 연구가 집중되었다.

아데노바이러스 기법(adenovirus technique)
바이러스를 이용한 유전자 치료에는 여러 가지 바이러스를 이용할 수 있는데, 이 중에서 아데노바이러스는 세포 내 전달 효율이 높고 농축된 바이러스를 만들 수 있는 등 장점이 있어 실험적으로 많이 이용한다.
특히 마우스에서는 아데노바이러스가 대부분 간에 전달되기 때문에 간을 대상으로 하는 연구에 큰 장점이 있다.
아데노바이러스의 유전자를 연구에 필요한 유전자로 대체하여 바이러스를 만든 다음 마우스의 꼬리정맥으로 투여하게 되며, 삽입하는 유전자의 종류에 따라 어떤 유전자를 과발현할 수도 있고 유전자 발현을 억제할 수도 있다.

PNAS (Proceedings of the National Academy of Science of USA)
미국국립과학원회보. 미국의 국립과학원(National Academy of Science, NAS)에서는 각 분야 저명한 과학자들(물리, 화학, 지구과학, 생물학 등 모두 포함)을 NAS 멤버로 선정하고 있으며, 이들의 연구결과를 발표하는 회보(Proceedings)로 출발하였다. NAS 멤버가 아닌 경우에도 논문을 실을 수 있는데 이런 경우를 "direct submission"이라 하여 논문 심사가 까다롭고 게재승인 받기 매우 어려운 것으로 정평이 나 있다. (Impact factor : 9.681)

 

 

<김재우 교수>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실
 
2. 학력
 ○ 1992 : 연세대학교 의과대학 의학과 졸업
 ○ 1995 : 연세대학교 의과대학 의학과 석사
 ○ 1998 : 연세대학교 의과대학 의학과 박사
 
3. 경력사항
 ○ 1992-1993 : 연세의료원 세브란스병원 인턴
 ○ 1993-1998 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 조교/강사
 ○ 1998-2001 : 국군서울지구병원 군의관 대위 근무, 연구실장
 ○ 2001-2003 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 전임강사
 ○ 2003-2008 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 조교수
 ○ 2004-2006 : 미국 존스홉킨스 의과대학 연구원
 ○ 2008-현재 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 부교수
 ○ 2008-현재 : 연세대학교 대학원 WCU 의생명과학과 부교수 (겸임)

4. 주요연구업적

Lee YJ, Ko EH, Kim JE, Kim E, Lee H, Choi H, Yu JH, Kim HJ, Seong JK, Kim KS, Kim JW. Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis. Proc Natl Acad Sci U S A Published online before print Aug 6, 2012, doi: 10.1073/pnas.1203218109

Lee H, Lee YJ, Choi H, Ko EH, Kim JW. Reactive oxygen species facilitate adipocyte differentiation by accelerating mitotic clonal expansion. J Biol Chem 284:10601-10609, 2009

Kim JW, Tang QQ, Li X, Lane MD. Effect of Phosphorylation and S-S Bond-induced Dimerization on DNA Binding and Transcriptional Activation by C/EBPβ. Proc Natl Acad Sci U S A 104: 1800-1804, 2007

Kim JW, Molina H, Pandey A, Lane MD. Upstream Stimulatory Factors Regulate the C/EBPα Gene During Differentiation of 3T3-L1 Preadipocytes. Biochem Biophys Res Commun 354: 517-521, 2007

Park SK, Oh SY, Lee MY, Yoon S, Kim KS, Kim JW. CCAAT/Enhancer Binding Protein and Nuclear Factor-Y Regulate Adiponectin Gene Expression in Adipose Tissue. Diabetes 53: 2757-2766, 2004

<이유정 박사>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실

2. 학력
 ○ 1999 : 인제대학교 미생물학과 졸업
 ○ 2011 : 연세대학교 의과대학 의과학과 박사
 
3. 경력사항
 ○ 2011-현재 : 연세대학교 의과대학 생화학-분자생물학교실 박사후연구원

4. 주요연구업적

Lee YJ, Ko EH, Kim JE, Kim E, Lee H, Choi H, Yu JH, Kim HJ, Seong JK, Kim KS, Kim JW. Nuclear receptor PPARγ-regulated monoacylglycerol O-acyltransferase 1 (MGAT1) expression is responsible for the lipid accumulation in diet-induced hepatic steatosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012
( in press)

Jung HS, Lee YJ, Kim YH, Paik S, Kim JW, Lee JW. Peroxisome Proliferator-Activated Receptor Gamma/Signal Transducers and Activators of Transcription 5A Pathway Plays a Key Factor in Adipogenesis of Human Bone Marrow-Derived Stromal Cells and 3T3-L1 Preadipocytes
Stem Cells and Development. February 10, 2012, 21(3): 465-475.

Lee H, Lee YJ, Choi H, Ko EH, Kim JW. Reactive Oxygen Species Facilitate Adipocyte Differentiation by Accelerating Mitotic Clonal Expansion. The Journal of biological chemistry. 2009 April 17; 284(16): 10601?10609

Koh YK, Lee MY, Kim JW, Kim M, Moon JS, Lee YJ, Ahn YH, Kim KS. Lipin1 is a key factor for the maturation and maintenance of adipocytes in the regulatory network with CCAAT/enhancer-binding protein alpha and peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2. The Journal of biological chemistry. 2008 Dec 12;283(50):34896-906

 

 

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posted by 이재형 과학이야기

무한한 태양을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로,  특히 효율성이 높은 차세대 박막 태양전지 개발이 전세계으로 진행되고 있습니다.

그러나 지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮고 초박막화가 어려워 효율을 높이는데 한계가 있었습니다.

최근 이를 해결하고자 빛을 잘 흡수하는 반도체 양자점을 이용해 효율 높은 박막 태양전지를 개발하려는 시도가 있지만, 지금까지는 최대 5~6%의 효율에 그치며 상용화에 미치지 못하고 있습니다.

■ 성균관대 박남규 교수팀이 유-무기물이 복합된 반도체 염료로 1/100만 m 이하의 얇은 산화물 전극을 이용해 광전변환 효율을 기존보다 두 배 이상 향상시킨 태양전지를 개발했습니다.

연구팀은 수 나노미터의 매우 작은 유무기하이브리드반도체 염료를 0.6 마이크로미터의 얇은이산화티타늄 필름에 흡착, 표준 태양광조건에서 세계 최고 효율인 9.7% 수준의 박막 태양전지를 개발했습니다.

박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트 염료를 스핀 코팅하여 1분 이내에 흡착할 수 있어, 12시간 이상 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 또 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장됩니다

 또 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되어도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월합니다.

(a) 고체 염료감응 태양전지 디바이스, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진.

페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛 세기에 따른 광전류 상관관계

염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한 그리드패러티 차세대 태양전지를 개발할 수 있을 것으로 연구팀은 예상하고 있습니다.

이번 연구는 성균관대 박남규 교수가 주도하고 김희선 학생(제1저자)과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수 등이 참여했습니다.

(오른쪽에서부터) 박남규 교수, 김희선 석박통합과정생(제1저자), 임정혁 박사과정생(공저자)

마이클 그랏첼(Michael Gratzel) 교수는 세계 최초로 염료감응형 태양전지(DSSC)를 개발한 사람입니다.

연구결과는 '네이처' 자매지인 'Nature Scientific Reports' 8월 21일자에 게재되었습니다.
(논문명: Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%) 
 

<연 구 개 요>
 
Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%
Hui-Seon Kim, Chang-Ryul Lee, Jeong-Hyeok Im, Ki-Beom Lee, Thomas Moehl, Arianna Marchioro, Soo-Jin Moon, Robin Humphry-Baker, Jun-Ho Yum, Jacques E. Moser, Michael Graetzel & Nam-Gyu Park (Nature Scientific Reports, 2012. 8. 21. 출판)


1. 연구 내용
 
염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 모방한 차세대 태양전지로, 광합성을 할 때 빛을 전자로 변환하는 엽록소라는 천연염료 대신 인공적으로 합성된 염료를 TiO2(이산화티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.
염료감응 태양전지의 작동원리는 이산화티타늄 표면에 흡착된 염료는 태양빛을 받으면 전자를 발생시키고 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전기에너지를 생성한다.
전기적 일을 마친 전자는 전해질 또는 홀전도체를 경유하여 다시 염료의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

염료감응 태양전지는 두 가지 형태로 제조될 수 있는데, 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극과 산화환원 전해질로 구성된 액체형 구조가 있고, 다른 형태는 액체 전해질 대신 고체 홀전도체로 구성된 고체형 구조가 있다.
액체전해질은 주로 요오드 물질을 이용하게 되며, 고체형 홀전도체는 스피로(spiro)라는 물질을 이용한다.
액체전해질형은 이산화티타늄 필름 두께가 10 마이크로미터 이상을 요구하는 반면, 고체형은 1-2 마이크로미터로 더 얇은 박막구조가 가능하다.
액체전해질은 전해질 누액이 문제가 될 수 있지만 고체형은 이런 문제가 없는 보다 안정적인 태양전지가 가능하다.
최근 연구는 장기 안정성 문제를 해결하면서 박막화로 낮은 제조단가가 가능한 고체형 연구에 많은 노력을 집중하고 있다. 

 
염료로 사용되는 물질로는 천연염료, 합성염료 등이 많이 사용되어 왔으며 주로 유기물질 (탄소, 수소, 산소, 질소로 이루어진 물질)로 구성되어 있다.
하지만 유기염료는 흡광계수 (빛을 흡수하는 정도)가 10,000-50,000 정도로 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 이산화티타늄 두께가 10 마이크로미터 이상이 요구되는 반면, 무기물질 (주기율표에서 모든 원소)로 구성된 염료는 유기염료 보다 흡광계수가 10배 이상 높기 때문에 상대적으로 낮은 1-2 마이크로미터 두께의 이산화티타늄에서도 충분히 빛을 흡수할 수 있다.
이런 이유로 최근 고체형 박막 염료감응 태양전지에서는 무기물질을 나노크기의 양자점으로 이산화티타늄에 흡착하여 고효율화 연구에 주력하고 있다.    

고체형 염료감응 태양전지용 무기반도체 염료로는 주로 황을 포함하는 물질, 예를 들면 CdS, Sb2S3 등이 연구되어 왔으며, Sb2S3 물질을 이용하여 효율 6.3%가 지금까지 알려진 최고 수준이었다.
하지만 고체형 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 5-6% 효율 보다 더 높은 효율의 재료 및 소자기술이 요구된다.  

 
본 연구에서는 페로브스카이트 구조를 갖는 (CH3NH3)PbI3 광흡수물질과 spiro-MeOTAD 홀전도체를 이용하여 표준 태양광 조건에서 9.7%의 고체형 염료감응 태양전지를 개발하였다.
페로브스카이트 광흡수염료를 약 0.6 마이크로터 두께의 나노기공크기의 다공성 이산화티타늄 필름에 스핀코팅 공정을 이용하여 2-3 나노미터 크기로 흡착한 후 홀전도체를 나노기공 안으로 완벽하게 스며들게 하여 고효율의 고체형 소자를 제작하는데 성공하였다.
특히 500 시간의 장기안정 테스트에서 제작된 고체형 염료감응 태양전지는 특별한 보호막 (encapsulation)을 사용하지 않은 상태에서도 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다. 

2. 연구 결과

(1) 고체형 염료감응 태양전지 제작:
그림 1에서와 같이 식각된 투명전도성 기판에 20 나노미터 크기의 이산화티타늄 입자를 스크린 인쇄 또는 필름캐스팅 방법을 이용하여 약 0.6-1.5 마이크로미터 두께로 코팅한 후 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료를 상온에서 스핀코팅법을 이용하여 이산화티타늄 입자 표면에 2-3 나노미터의 양자크기로 흡착한 후 spiro-MeOTAD 홀전도체를 적층하고 골드전극을 증착하여 제작하였다. 

그림 1. (a) 반도체 양자점 감응 고체 염료감응 태양전지 소자, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진

(2) 페로브스카이트 무기염료의 광흡수 특성:
이산화티타늄 나노입자 표면에 흡착된 페로브스카이트 무기염료는 분광학 분석기법을 이용하여 연구한 결과 밴드갭이 1.5 전자볼트로 가시광 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 구조를 가짐을 확인하였으며, 이산화티타늄과 홀전도체로 전자와 정공이 효과적으로 분리될 수 있도록 전도띠 (conduction band) 와 가전자띠 (valence band) 에너지를 가지고 있음도 확인하였다.

그림 2. 페로브스카이트 무기염료 (CH3NH3)PbI3 의 (a) 확산반사 분광스펙트럼, (b) Kubelka-Munk 형태로 전환한 스펙트럼, (c) (c) 자외선 광전자 스펙트럼 및 (d) 에너지 준위.


(3) 광전변화 특성:
그림 3에서와 같이 솔라시뮬레이터를 이용 표준조건에서 광전류 및 전압 곡선을 얻었으며, 0.6 마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름을 이용하여 광전류 17.6 mA/cm2 및 광전압 888 mV 성능의 효율 9.7%를 확인하였다.
파장에 따른 양자수율을 측정한 결과 300에서 800 나노미터 파장의 빛을 효율적으로 전자로 변환하는 것을 확인하였으며 빛 세기에 따른 실험에서 전하분리가 효율적으로 된다는 사실도 확인하였다.
특히 서브마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름에서 9.7% 효율은 세계최고 수준으로 평가되었다.     

그림 3. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛세기에 따른 광전류 상관관계


(4) 이산화티타늄 필름 두께에 따른 광전변환 특성:
그림 4는 이산화티타늄 두께에 따른 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 광전변환 특성을 보여주고 있다. 약 1 마이크로미터 이하의 두께에서는 평균 8% 이상의 효율을 가지며 1 마이크로미터 이상에서는 광전압의 감소로 인하여 효율이 7% 수준으로 감소함을 알 수 있다.
특히 1 마이크로 이하의 서브마이크로미터에서 효율이 증가함을 알 수 있으며 0.6 마이크로미터에서는 9% 이상의 고효율이 확인되었다. 

그림4. 이산화티타늄 필름두께에 따른 (a) 광전류, (b) 광전압, (c) 충진계수 (fill factor) 및 (d) 효율


(5) 펨토초 순간흡수 분광법을 이용한 효율적 전하분리 확인:
페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 빛 조사 하에서 페로브스카이트 무기염료에서 발생된 전하 (전자와 정공)가 어떻게 분리되는가를 알기 위해 펨토초 (1015분의 1) 순간흡수 분광스펙트럼을 연구한 결과 1 나노초 이내에서 여기된 페로브스카이트가 재생되며, 산화된 페로브스카이는 매우 빠른 속도로 홀전도체에 의하여 환원됨을 확인하였다.

그림 5. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료의 펨토초 순간흡수 스펙트럼 (a) (CH3NH3)PbI3/Al2O3 (b) (CH3NH3)PbI3/TiO2, (c) Spiro/(CH3NH3)PbI3/Al2O3 및 (d) Spiro/(CH3NH3)PbI3/TiO2.

(6) 장기안정성: 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 장기안정성을 조사한 결과 따로 보호막을 사용하지 않고도 500 시간동안 효율이 안정적으로 유기되는 것을 확인하였다 (그림 6)

그림6. (CH3NH3)PbI3 유무기하이브리드 반도체 염료 기반 고체형 박막태양전지의 장기안정성 테스트 결과

 

 용  어  설  명

유무기하이브리드반도체
유기물(탄소와 수소로 이루어진 물질)과 무기물(탄소, 수소 이외 원소로 이루어진 물질, 탄소 수소도 포함될 수 있음)이 복합된 반도체. 반도체는 일반적으로 무기물로만 구성 된다.

서브마이크로미터
1 마이크로미터 이하의 두께. 1 마이크로미터는 100만분의1 미터

흡광계수
빛을 흡수하는 정도를 나타내는 계수. 흡광계수가 높을수록 박막화가 가능

spiro-MeOTAD
홀전도체 물질로서 정확한 분자명칭은  2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)- 9,9'-spirobifluorene.

IPCE (incident photon-to-electron conversion efficiency)
파장에 따른 광자를 전자로 변환하는 양자효율.

페로브스카이트
ABO3 또는 ABX3 화학식을 갖는 결정. A 양이온은 산소 (O) 또는 할로겐원소 (X)와 12 배위를 하고 B 양이온은 6배위를 하는 결정구조.

양자점 감응 염료감응 태양전지 (Quantum Dot Sensitized Solar Cell)
유기염료(색소)를 대신 나노크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료감응 태양전지. 양자점 광흡수체는 전해질에 취약하기 때문에 액체전해질 대신 spiro-MeOTAD와 같은 홀전도체를 이용할 경우 안정성 문제를 해결할 수 있다.      

양자점
나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정

광전변환 효율 
햇빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산함. 기존 반도체염료감응형 태양전지는 최대 5~6%의 효율을 나타냄

차세대 박막 태양전지
염료감응형 태양전지(염료 이용), 유기박막 태양전지(유기고분자와 풀러렌 이용) 등

표준 태양광조건
태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1㎠당 100 조건(1태양조건) 

 

<박남규 교수>(교신저자)

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 성균관대학교 화학공학부 교수

2. 학력
  ○ 1988 : 서울대학교  학사 (화학교육)
  ○ 1992 : 서울대학교 석사 (무기화학)
  ○ 1995 : 서울대학교 박사 (무기고체화학)
 
3. 경력사항
○ 1996 ~ 1997 : 프랑스 ICMCB-CNRS, Postdoc Fellow
○ 1997 ~ 1999 : National Renewable Energy Lab (NREL), Postdoc Fellow
○ 2000 ~ 2005 : 한국전자통신연구원, 책임연구원
○ 2005 ~ 2009 : 한국과학기술연구원 (KIST), 태양전지연구센터장
○ 2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학공학부, 교수
○ 2010 ~ 현재 : 교과부 연구재단 중견연구자(도약연구) 연구책임자

4. 수상실적
  ○ 이달의과학기술자상 (2008년, 교육과학기술부)
  ○ 경향전기에너지 국무총리상 (2008년, 경향신문)
  ○ 듀폰과학기술상 (2010년, 듀폰코리아)

5. 주요연구업적
1. "Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%", Nature Scientific Reports, 2012 (DOI: 10.1038/srep00591)
2. "Effects of Oxidation State and Crystallinity of Tungsten Oxide Interlayer on Photovoltaic Property in Bulk Hetero-Junction Solar Cell", J. Phys. Chem. C, 116, 13486 (2012)
3. "Improvement of mass transport of the [Co(bpy)3]II/III redox couple by controlling nanostructure of TiO2 films in dye-sensitized solar cells", Chem. Commun., 47, 12637 (2011)
* Detailed publication list can be found at http://ngplab.skku.edu

 

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posted by 이재형 과학이야기

이준호 서울대 교수가 '이달의 과학기술자상' 8월 수상자로 선정됐습니다.

이 교수는 선충 행동연구의 권위있는 연구자로 지난 20년간 꼬마선충을 이용한 다양한 연구를 수행했습니다.

최근에는 찰스 다윈의 '종의 기원'에서 조개가 새의 다리에 붙어 다른 곳으로 이동하는 현상을 설명한 것과 유사하게 특정한 종이 퍼져나가는 종의 확산 과정에 대한 과정을 '예쁜꼬마선충(C. elegans)' 연구를 통해 단일 신경세포 수준에서 처음으로 규명했습니다.

이준호 교수는 서울대 미생물학과를 졸업하고 미국 캘리포니아 공대에서 박사과정 중 꼬마선충 연구를 시작하였으며, 그 이후로 20년 동안 이 분야를 심층 연구한 유전학자입니다.

이 교수는 소개된 연구 업적 이외에도 꼬마선충에서 △노화 및 수명 관련 연구 △지방대사 기전 연구 △근육병 원인 유전자 연구 △발생 조절 유전자의 신규 기능 연구 등을 수행해 최근까지 Cell Metabolism(2009년), PNAS(2009년), Development(2010년), Nature Genetics(2004년), JBC(2012년, 2009년) 등의 국제 학술지에 논문을 발표하는 등 꼬마선충 연구를 국제적으로 선도하고 있습니다.

이준호 교수가 생명과학에서 최종적으로 밝히고자 하는 목표 중 하나는 뇌의 신비를 푸는 것입니다.

신경세포 덩어리인 뇌는 발생과 재생 및 진화라는 주제로 수년간 꾸준히 연구해 왔지만, 그 복잡성으로 인해 연구는 아직 초보 수준입니다.

예쁜꼬마선충은 단순한 신경세포로 구성되어 있어 뇌의 신비를 밝히기 위한 좋은 동물모델입니다.

이준호 교수는 이 단순한 동물에서 종의 확산 메커니즘으로 이용되는 행동인 닉테이션(Nictation)을 연구하고 있습니다.
 
예쁜꼬마선충은 생존과 번식에 부적합한 환경에 처하면 꼬리를 바닥에 붙이고 몸 전체를 들어 올려 흔드는 행동을 하여 다른 동물에 부착할 확률을 높이는데 이를 닉테이션이라고 합니다.

이 현상이 발견된 지 약 40년이 되었지만 선충의 생존 및 확산에 결정적인 역할을 하는 행동일 것이라는 추측만 있었을 뿐 지금까지 이를 분석할 방법이 없어 증명하지 못했습니다.

이 교수는 꼬마선충이 인위적으로 닉테이션 행동을 하도록 환경을 조성하여 손쉽게 연구할 수 있는 기반을 마련하고, 이 행동은 'IL2 뉴런'이라는 신경세포에 의해 조절된다는 것을 발견했습니다.

이는 찰스 다윈이 종의 확산 과정에 대한 가설을 세운 이래 처음으로 종의 확산 행동에 대한 세포학적 메커니즘을 밝혀 앞으로 종의 확산과 관련된 신경 네트워크의 진화적 의미 등 신경생물학의 새로운 연구 분야의 토대를 마련한 것입니다.

이 연구성과는 지난 2011년 11월 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처'의 대표적 자매지인 '네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)'에 게재되었습니다.

 

<이준호 교수>

● 인적사항

 ▶성명 : 이준호 (李俊昊)
 ▶소속 : 서울대학교 생물물리 및 화학생물학과

● 학    력
▶1980 ∼ 1986       서울대학교 학사 (미생물학)
▶1987 ∼ 1989       서울대학교 석사 (미생물유전학)
▶1989 ∼ 1994       Caltech 박사 (발생유전학)

● 경    력
▶2009.09-현재
▶2004 - 2009
▶1995 - 2004
▶1994 - 1995
서울대학교 생물물리 및 화학생물학과 교수
서울대학교 생명과학부 부교수
연세대학교 생물학과 조교수, 부교수
UC Berkeley 박사후 연구원

● 주요업적 : 꼬마선충 모델을 이용한 특정 행동 기전 규명
□ 꼬마선충에서 닉테이션이라고 하는 종의 확산 행동을 연구할 방법을 개발하고 이 행동을 조절하는 기전(mechanism)을 단일 신경세포 수준에서 규명
□ 꼬마선충 분자유전학 분야에서 세계적인 선도 연구를 수행해 왔으며, 3차원적 행동의 기전을 처음으로 규명함으로써 신경계 발생과 진화 연구 분야의 발전에 크게 기여


 

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posted by 이재형 과학이야기

일반적으로 피부와 같이 내부 구조가 복잡한 매질은 들어오는 빛의 대부분을 그대로 반사시키고, 10% 이하의 극히 적은 빛만 투과시킵니다.

따라서 빛을 이용해 효과적으로 질병을 치료하기 위해서는 매질을 손상시키지 않고 빛 에너지를 원하는 깊이까지 그대로 전달해야 합니다.

■ 고려대 최원식 교수와 박규환 교수, 명지대 김재순 교수팀이 빛 에너지를 피부 속 깊은 곳까지 그대로 전달하는 방법을 개발해 빛을 이용한 질병치료의 효율을  높일 수 있는 가능성이 열었습니다.

연구팀은 우선 나노 입자로 구성된 복잡한 매질을 높은 투과도로 통과할 수 있는 특정한 빛의 패턴을 찾아냈습니다.

이어 액정을 이용한 디스플레이 장치로 특정한 패턴의 빛을 만든 후 복잡한 매질에 쏘여, 복잡한 매질 속을 투과하는 빛이 이론적으로 도달할 수 있는 최대까지(기존의 4배) 증폭시키는 실험에 처음으로 성공했습니다.

이번 성과는 물리적으로 복잡한 매질 내부에서 강한 보강간섭을 일으키는 공명모드를 찾아내고, 이 공명모드에 해당하는 빛을 쬐어 빛의 투과 에너지를 최대화시켰다는 것입니다.

또 이번 연구결과는 광열 치료와 광역학 치료 등 피부 손상 없이 높은 빛 에너지가 피부 속으로 전달되어야만 효율적으로 치료할 수 있는 광 치료기술에 모두 적용할 수 있기 때문에 향후 빛을 이용한 암세포치료 등의 효율성을 높이는데 크게 기여할 전망입니다.

이번 연구는 지난 30년간 물리학에서 이론적으로만 예측되었던 복잡 매질 속 공명모드의 존재를 가장 직접적으로 증명한 연구로 평가받고 있습니다.

연구결과는  광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 국제학술지인 'Nature Photonics (IF=29.278)'에 온라인으로(7월 22일) 발표되었습니다.
(논문명 : Maximal energy transport through disordered media with the implementation of transmission eigenchannels)

(오른쪽 위 그림)
연구팀은 선행연구로 간유리와 같은 복잡 매질 반대편에 있는 물체를 볼 수 있는 새로운 이미징 방법을 개발한 바 있으며 (Physical Review Letters, 107 023902 (2011)) 그 결과 일반적인 현미경에서는 간유리에 가려 볼 수 없던 물체(왼쪽 위 그림)를 선명하게 볼 수 있도록 하였다.
(오른쪽 아래 그림)
이번 결과는 이 이미징 방법을 한 단계 발전시켜, 복잡한 매질 내부에서 강한 보강간섭을 일으키는 공명모드를 찾아내고, 이 공명모드에 해당하는 빛의 패턴을 입사시킴으로써 빛의 투과 에너지를 최대화하였다. 이를 통해 일반적인 경우(왼쪽 아래 그림)보다 네 배나 많은 에너지를 전달할 수  있었다.

<연 구 개 요>

Maximal energy transport through disordered media
with the implementation of transmission eigenchannels

Moonseok Kim1, Youngwoon Choi1, Changhyeong Yoon1, Wonjun Choi1,
Jaisoon Kim2, Q-Han Park1and Wonshik Choi1*
1Department of Physics, Korea University, Seoul 136-701, Korea
2Department of Physics, Myongji University, Yongin 449-728, Korea
*Corresponding author: Wonshik Choi wonshik@korea.ac.kr


1. 연구 배경
최근 30여 년간 광학을 이용한 기술들이 질병 진단의 중요한 도구로 자리매김해 왔다.
생명공학에 광학 기술이 관심을 받아온 이유는 기존의 심층 영상 장비들 (MRI, PET, CT 및 초음파 영상 등)에 비해 해상도가 높아 대장암, 위암, 자궁암 및 피부암 등 각종 인체 질환의 초기 발병 시 수반되는 국지적인 생체 조직의 변화를 관측하는 것이 가능하기 때문이다. 그러나 광학을 이용한 기술들은 근본적인 한계를 안고 있는데, 그것은 바로 빛이 생체조직 깊이 투과하지 못한다는 점이다.
단백질, DNA 및 lipids 등 생체 세포를 구성하는 대부분의 분자들은 세포 내부에서 밀도에 따라 빛의 속도, 즉 굴절률을 변화시킨다. 복잡한 구조의 생체조직은 굴절률 분포가 불균일하여 빛을 다중 산란시키므로 빛이 피부 속으로 깊이 투과하지 못한다.

입사한 빛을 다중 산란시키는 이러한 복잡매질에서의 빛의 진행은 물리법칙으로 설명하기 어려운 무질서한 현상처럼 보인다.
그러나 내부구조가 아무리 복잡한 산란 매질이라 하더라도 그것은 여전히 선형시스템으로 해석할 수 있다. 즉, 두 개의 입사파가 매질을 통과할 때, 그 매질의 전체 투과파는 각각의 투과파의 선형 합과 같다. 따라서 무작위 매질에 대한 입사파와 투과파의 관계는 투과행렬(transmission matrix)로 설명할 수 있다.
80년대 초반 처음 제안된 무작위 매질 이론(random matrix theory)은 투과행렬을 이용하면 임의의 복잡매질에 대해 투과에너지가 최대가 되는 특정한 입사파가 존재함을 이론적으로 제시하였다.
투과 에너지가 최대가 되는 입사파는 수학적으로는 투과행렬의 eigenchannel 중 eigenvalue가 최대가 되는 것이고, 물리적으로는 복잡 매질을 통과한 빛의 보강간섭을 최대화하는 공명 모드를 의미한다.
지금까지 많은 사람들이 이러한 eigenchannel을 구현하고 투과에너지가 최대화 하기위해 노력해 왔지만 지금까지는 성공하지 못했었다.

2. 연구결과 및 기대효과
연구팀은 선행 연구로 개발한 3차원 위상현미경을 사용하여 무질서도가 매우 높은 복잡매질의 투과행렬을 측정하였고, 이로부터 복잡매질 통과 시 보강간섭을 이루는 공명모드, 즉 eigenvalue가 최대가 되는 eigenchannel을 실험적으로 생성시켜 투과에너지를 극대화하였다.
이번 연구는 그 결과의 중요성을 인정받아 Nature Photonics지에 게재되었다.
연구에서 구현한 공명모드는 이론적으로 도달할 수 있는 투과에너지가 최대인 상태이고, 이 때 투과에너지의 증가율은 거의 네 배에 가까워 지금까지 학계에 보고된 것 중 최대이다.

본 연구 결과는 다양한 분야에 응용가능성이 있으며, 특히 생체조직 속 광에너지 심층전파로 발전시켜 의학기술 전반에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
현재 기술들은 피부 속으로 빛을 많이 전달하고자 할수록 피부 표면을 더욱 손상시키기 때문에 진단 및 치료의 효율성이 크게 제한된다.
그러나 본 연구를 통해 개발한 기술을 응용하면 빛을 이용하여 피부 속 깊이 존재하는 질병 세포들을 효율적으로 진단할 수 있게 할 것이고, 표면의 손상 없이 질병세포 만을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대한다.

3. 기타사항
□ 연구팀 홈페이지
 ○ 고려대학교 물리학과 바이오 이미징 연구실 http://bioimaging.korea.ac.kr/
 ○ 고려대학교 물리학과 바이오 이미징 연구실 http://nol.korea.ac.kr/
 ○ 명지대학교 물리학과 첨단 광응용 연구실 http://nemo.mju.ac.kr/

 

 용  어  설  명

투과행렬(transmission matrix)
빛이 복잡매질을 통과할 때 입사-투과 관계를 보여주는 행렬이다. 여러 각도의 입사파에 대한 투과파의 측정을 통하여 복잡매질의 투과행렬을 얻는다.

Eigenchannel
측정한 투과 행렬을 singular value decomposition(선형대수학의 행렬 대각화 방법) (T = USV*)하여 얻은 eigenvector이다. 여기서 S는 양의 실수인 singular value를 대각 원소로 갖는 정사각행렬이다. V 와 U는 eigenchannel의 input과 output을 그 열로 갖는 unitary 행렬이다. eigenvalue는 singular value의 제곱으로 얻을 수 있고 이것의 물리적 의미는 각 eigenchannel의 투과율의 기댓값이다.

공명모드
일반적으로 알고 있는 선형 공진기는 거울 두 개가 마주보고 있는 단순한 구조로 공진기의 크기에 맞는 조건의 파장의 빛에 대하여 보강간섭을 이루는 공명모드를 형성한다. 본 연구에서는 선형 공진기가 아닌 임의의 복잡매질에서의 보강간섭이 최대가 되는 공명모드를 구현하였다. 이 상태는 eigenvalue가 최대값을 갖는 eigenchannel이다.

매질(媒質, medium)
파동을 전달시키는 물질로, 대부분 매질의 탄성에 의해 파동이 전달됨

보강간섭(constructive interference)
같은 위상의 두 파동이 중첩될 때 일어나는 간섭으로, 마루와 마루 또는 골과 골이 만나 합성파의 진폭이 2배로 커짐

Nature Photonics
광학 및 포토닉스 분야의 가장 획기적인 연구 논문을 출판하는 저널로, 피인용지수(Impact Factor)는 2011년 기준 29.278 이며, 이는 광학 및 포토닉스(Optics and Photonics) 분야에서 1위이다 (SJR 기준).

 

 

<최원식 교수>

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 최원식 (38세) 
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과

2. 학력

 ○ 1993~1997  서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1997~1999  서울대학교 물리학과 석사
 ○ 1999~2004  서울대학교 물리학과 박사

3. 주요경력
 ○ 2004~2005  서울대학교 물리학과 연구원
 ○ 2006~2009  Massachusetts Institute of Technology 연구원
 ○ 2009~현재  고려대학교 이과대학 물리학과 조교수
 ○ 2010~현재  Associate Editor, Biomedical Optics Express (SCI journal)

4. 주요업적
 ○ Nature Methods 논문 (2007년), The Economist, printed edition에 소개됨
 ○ Physical Review Letters 논문 (2011년), New Scientist 올해의 10대 뉴스에 선정됨
 ○ 연구 논문 40여 편

<박규환 교수>

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 박규환 (53세) 
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과

2. 학력
 ○ 1978 - 1982  서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1982 - 1987  미국 Brandeis University 물리학과 박사

3. 경력사항
 ○ 1987 ? 1988  미국 Brandeis University 박사후연구원
 ○ 1988 ? 1990  미국 University of Maryland 연구원
 ○ 1990 ? 1992  영국 University of cambridge 연구원
 ○ 1992 - 2001  경희대학교 물리학과 조교수, 부교수
 ○ 2002 - 현재  고려대학교 물리학과 교수

4. 수상 경력
 ○ 2010 올해의 성도광과학상

<김재순 교수>

1. 인적사항


 ○ 성 명 : 김재순 (56세) 
 ○ 소 속 : 명지대학교 이과대학 물리학과

2. 학력
 ○ 1975~1980  서울대학교 물리교육학과 학사
 ○ 1980~1987  서울대학교 물리교육학과 석사
 ○ 1995~1999  고려대학교 물리학과 박사

3. 주요경력
 ○ 1990~현재  EOSYSTEM(주) 연구소장
 ○ 1999~2000 부원광학(주) 연구소장
 ○ 2000~현재  제노시스(주) 기술이사
 ○ 1998~현재  산업자원부 기술기획평가단 위원
 ○ 2000~2002  인천대학교 겸임교수
 ○ 2002~현재  KIST 외부위촉연구원
 ○ 2004~2010 지식경제부 차세대 핵심요소 기술개발 나노프로젝트 단장
 ○ 2002~2009 서울대학교 부교수
 ○ 2010~현재 명지대학교 교수
 ○ 2012~현재 지식경제부 반도체 디스플레이 검사장치개발 총괄책임

 

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